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[국내논문] 비대칭 펄스 폭 변조 방식의 배전류 정류기 회로를 적용한 고효율 풀-브릿지 DC-DC 컨버터
High-Efficiency Full-Bridge DC-DC Converter with Current-Doubler Rectifier with Asymmetric Pulse-Width Modulation 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.3, 2015년, pp.280 - 289  

양민권 (Div. of Electronic Engineering, Chonbuk Nat'l Univ.) ,  최우영 (Div. of Electronic Engineering, Chonbuk Nat'l Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A high-efficiency full-bridge DC-DC converter with a current-doubler rectifier and an asymmetric pulse-width modulation is proposed. Through the asymmetric pulse-width modulation, the proposed converter achieves zero-voltage switching of power switches without the circulating currents. The proposed ...

Keyword

#Full-bridge DC-DC converter   #Asymmetric pulse-width modulation   #Current-doubler rectifier   #Zero-voltage switching  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 비대칭 펄스 폭 변조 (Asymmetrical Pulse-Width Modulation) 방식의 배전류 정류기 회로를 적용한 고효율 풀-브릿지 DC-DC 컨버터를 제안한다. 비대칭 펄스 폭 변조 방식은 풀-브릿지 DC-DC 컨버터뿐만 아니라, 하프-브릿지 (Half-Bridge) DC-DC 컨버터에서도 고려될 수 있다.
  • 하지만 비대칭 펄스 폭 변조방식의 풀-브릿지 컨버터가 비대칭 펄스 폭 변조 방식의 하프-브릿지 컨버터에 비하여 스위치 활용률 (Switch Utilization Factor)이 높다. 따라서 본 논문에서는 비대칭 펄스 폭 변조 방식의 풀-브릿지 컨버터를 제안한다. 비대칭 펄스 폭 변조 방식으로 인하여 넓은 부하 변동 상태에서도 모든 스위치들의 영전압 스위칭이 가능하다.
  • 따라서 도통 손실과 함께 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 제안된 컨버터의 동작원리와 함께 배터리 충전을 위한 정전류 (Constant Current) 정전압 (Constant Voltage) 제어 방식[16]을 제안한다. 1.
  • 본 논문에서는 비대칭 펄스 폭 변조 방식의 배전류정류기 회로를 적용한 풀-브릿지 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 넓은 부하 변동 상태에서도 모든 스위치들의 영전압 스위칭이 가능하고, 환류 구간이 매우 좁기 때문에 1차 측의 순환 전류를 줄일 수 있으며, 배전류 정류기 회로를 적용함으로써 출력 전류 리플을 줄일 수 있다.

가설 설정

  • 1차 측 회로는 스위치 S1, S2, S3, S4와 클램프 커패시터 (Clamp Capacitor) Cc를 포함한다. 스위치의 바디 다이오드 (Body Diode) DS1, DS2, DS3, DS4와 출력 커패시터 CS1, CS2, CS3, CS4를 제외한 반도체 스위칭 소자는 이상적으로 동작함을 가정한다. 2차 측 회로는 배전류 정류기 회로 Do1, Do2, Lo1, Lo2와 출력 커패시터 Co를 포함한다.
  • 2차 측 회로는 배전류 정류기 회로 Do1, Do2, Lo1, Lo2와 출력 커패시터 Co를 포함한다. Vd는 입력 전압, Vc는 클램프 커패시터 전압, Vo는 출력 전압이며, 한 스위칭 주기 Ts에 대하여 일정하다고 가정 한다. 스위치 S1과 S4의 듀티비 (Duty Ratio)를 D라고 정의할 때, 스위치 S1과 S4의 도통 시간은 한 스위칭 주기 Ts에 대하여 DTs로 표현된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
풀-브릿지 DC-DC 컨버터의 단점은? 하지만, 위상 천이 변조 방식의 풀-브릿지 DC-DC 컨버터는 다음과 같은 단점을 지닌다. 진상 레그 (Leading Leg)의 스위치들은 스위칭을 할 때 2차 측 출력 인덕터의 에너지로 충분히 영전압 스위칭이 가능하지만, 지상 레그 (Lagging Leg)의 스위치들은 누설 인덕터 (Leakage Inductor)의 에너지만으로 스위칭하기 때문에 경부하 (Light Load) 상태에서는 영전압 스위칭이 보장 되지 않는다[8]. 이에 따라 지상 레그의 스위치들이 보다 넓은 부하 영역에서 영전압 스위칭 조건을 만족할 수 있도록 많은 연구들이 진행되고 있다.
풀-브릿지 DC-DC 컨버터는 어떤 방식으로 동작하는가? 일반적으로 풀-브릿지 DC-DC 컨버터는 위상 천이변조 (Phase-Shift Modulation) 방식으로 동작한다[6]-[12]. 그림 1은 위상 천이 변조 방식의 배전류 정류기 회로를 적용한 풀-브릿지 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸다[6].
고주파수, 고성능 응용 분야에서 사용되는 컨버터는? 따라서 배터리 충전 시스템의 저가격, 소형화를 위한 고효율 회로 설계 및 제어 기술 개발이 꾸준히 연구되고 있다. 일반적으로 고주파수, 고성능 응용 분야에서는 풀-브릿지 (FullBridge) DC-DC 컨버터가 이용된다[1]-[3]. 특히, 높은 출력 전류 응용 분야에서는 출력 전류 리플 (Ripple)을 줄이기 위하여 배전류 정류기 (Current Doubler Rectifier) 회로가 요구되며[4], 도통 손실 (Conduction Loss)과 함께 스위칭 손실 (Switching Loss)을 줄일 수 있는 고효율 DC-DC 컨버터가 요구된다[5].
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참고문헌 (16)

  1. M. Pahlevaninezhad, D. Hamza, and P. K. Jain, "An improved layout strategy for common-mode EMI suppression applicable to high-frequency planar transformers in high-power dc/dc converters used for electric vehicles," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 3, pp. 1211-1228, Mar. 2014., 

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  2. B. Whitaker, A. Barkley, Z. Cole, B. Passmore, D. Martin, T. R. McNutt, A. B. Lostetter, J. S. Lee, and K. Shiozaki, "A high-density, high-efficiency, isolated on-board vehicle battery charger utilizing silicon carbide power devices," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 5, pp. 2606-2617, May 2014. 

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  3. B. Zhao, Q. Song, W. Liu, and Y. Sun, "Dead-time effect of the high-frequency isolated bidirectional full-bridge dc-dc converter: comprehensive theoretical analysis and experimental verification," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 4, pp. 1667-1680, Apr. 2014. 

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  4. T. F. Wu, C. T. Chang, and Y. M. Chen, "Analysis and implementation of an improved current-doubler rectifier with coupled inductors," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, No. 6, pp. 2681-2693, Nov. 2008. 

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  5. C. L. Wei, C. H. Chen, K. C. Wu, and I. T. Ko, "Design of an average-current-mode noninverting buck-boost dc-dc converter with reduced switching and conduction losses," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 12, pp. 4934-4943, Dec. 2012. 

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  6. U. Badstuebner, J. Biela, D. Christen, and J. W. Kolar, "Optimization of a 5-kW telecom phase-shift dc-dc converter with magnetically integrated current doubler," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 1, pp. 85-94, Jan. 2011. 

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  7. Z. Zhang, F. F. Li, and Y. F. Liu, "A high-frequency dual-channel isolated resonant gate driver with low gate drive loss for ZVS full-bridge converters," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 6, pp. 3077-3090, Jun. 2014. 

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  8. L. H. Mweene, C. A. Wright, and M. F. Schlecht, "A 1 kW, 500 kHz front-end converter for a distributed power supply system," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 6, No. 3, pp. 398-407, Jul. 1991. 

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  9. G. N. B. Yadav and N. L. Narasamma, "An active soft switched phase-shifted full-bridge dc-dc converter: analysis, modeling, design, and implementation," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 9, pp. 4538-4550, Sep. 2014. 

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  10. D. S. Wijeratne and G. Moschopoulos, "A ZVS-PWM full-bridge converter with reduced conduction losses", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 7, pp. 3501-3513, Jul. 2014. 

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  11. B. Gu, C. Y. Lin, B. Chen, J. Dominic, and J. S. Lai, "Zero-voltage-switching PWM resonant full-bridge converter with minimized circulating losses and minimal voltage stresses of bridge rectifiers for electric vehicle battery chargers," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, No. 10, pp. 4657-4667, Oct. 2013. 

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  12. I. O. Lee and G. W. Moon, "Phase-shifted PWM converter with a wide ZVS range and reduced circulating current," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, No. 2, pp. 908-919, Feb. 2013. 

  13. J. Biela, U. Badstuebner, and J. W. Kolar, "Impact of power density maximization on efficiency of dc-dc converter systems," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, No. 1, pp. 288-300, Jan. 2009. 

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  14. M. Pahlevaninezhad, J. Drobnik, P. K. Jain, and A. Bakhshai, "A load adaptive control approach for a zero-voltage switching dc/dc converter used for electric vehicles," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 59, No. 2, pp. 920-933, Feb. 2012. 

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  15. W. Haoyu, S. Dusmez, and A. Khaligh, "Design and analysis of a full-bridge LLC-based PEV charger optimized for wide battery voltage range," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 63, No. 4, pp. 1603-1613, May 2014. 

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  16. B. Y. Chen and Y. S. Lai, "New digital-controlled technique for battery charger with constant current and voltage control without current feedback," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 59, No. 3, pp. 1545-1553, Mar. 2012. 

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