[논문]보조 인덕터와 보조 다이오드를 적용한 소프트-스위칭이 가능한 포워드-플라이백 컨버터에 관한 연구

이아라; 박준우; 홍성수

doi:10.6113/tkpe.2017.22.2.140

보조 인덕터와 보조 다이오드를 적용한 소프트-스위칭이 가능한 포워드-플라이백 컨버터에 관한 연구
A Study on the Soft-Switching Forward-Flyback Converter Using Auxiliary Inductor and Auxiliary Diode 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.2, 2017년, pp.140 - 149

이아라 (School of Electrical Eng., Kookmin University) , 박준우 (School of Electrical Eng., Kookmin University) , 홍성수 (KPEC, School of Electrical Eng., Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a new type of active-clamp forward-flyback converter with two transformers that operate in forward and flyback modes during on and off times, respectively, instead of not using an output inductor. The main switch can be turned on with zero-voltage switching (ZVS) using the leakage inductance of the transformer and the output capacitor of the main switch. The leakage inductance should be increased to ZVS. However, the ringing between the leakage inductance of the transformer and the parasitic output capacitance of the secondary side rectifier switches results in a serious voltage spike. A forward-flyback converter employing auxiliary inductor and auxiliary diode is proposed to overcome the problem. The operational principles are analyzed in detail and validated through experiments with a 385 V-to-53 V/37 A prototype.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존의 포워드-플라이백 컨버터를 변형시켜 메인 스위치의 ZVS범위를 넓힐 수 있는 포워드-플라이백 컨버터를 제안한다. 정확한 모드해석과 메인 스위치의 ZVS가 가능한 최적의 설계를 위한 가이드를 제시하며 실험을 통해 이를 검증한다.
따라서 본 논문에서는 최근의 경향을 반영하여 대용량 전원장치에 적용가능한 절연형 DC/DC 컨버터를 대상으로 고밀도, 고효율이 가능한 전력회로에 대해 연구한다^[5]-[7]. 그 중 출력 전류의 리플이 작고, 소프트-스위칭이 가능한 컨버터로 능동-클램프 회로가 적용된 포워드-컨버터를 선정하였다^[8],[9].
본 논문에서는 대용량에서도 ZVS가 가능하며 고효율 달성이 가능한 새로운 방식의 포워드-플라이백 컨버터를 제안하였다. 제안회로는 메인스위치의 ZVS범위를 설계자가 원하는 대로 키우며 그에 따른 2차 측의 공진 전압을 손실이 적게 클램핑시키기 위하여 보조 인덕터와 보조 다이오드를 사용하였다.

제안 방법

3.2에서 C_CL과 트랜스포머들의 자화인덕턴스의 값을 설계하였다. 이 값들을 이용하여 메인 스위치의 ZVS를 위한 L_X의 값을 설계한다.
따라서 그림 2에 메인 스위치의 ZVS를 위하여 트랜스포머의 누설 인덕턴스를 이용하는 대신에 보조 인덕턴스를 사용하여 메인 스위치의 ZVS범위를 넓히는 방식의 회로를 제안하였다. 보조 인덕터를 사용하여 메인 스위치의 ZVS를 가능하게하기 때문에 누설 인덕턴스는 최소화하는 조건에서도 보조 인덕턴스 값을 사용하여 메인 스위치의 ZVS조건을 만족 시킬 수 있다.
1*600 USTC로 5[Turns]으로 샌드위치 권선 방법으로 제작되었다. 또한, T2의 코어는 EI5040을 두 개 붙여 사용하였고, 1차 측 권선은 0.12*80 USTC로 16[Turns], 2차 측 권선은 0.1*600 USTC로 5[Turns]으로 샌드위치 권선 방법으로 제작되었다. 또한, 전체적인 효율을 높이기 위하여 2차 측의 다이오드는 SR(Synchronous Rectifier)스위치로 대체하였다.
1*600 USTC로 5[Turns]으로 샌드위치 권선 방법으로 제작되었다. 또한, 전체적인 효율을 높이기 위하여 2차 측의 다이오드는 SR(Synchronous Rectifier)스위치로 대체하였다.
의 설계과정을 순서대로 설명한다. 메인 스위치의 양단에 전압이 인가되는 Mode 5구간에서부터 V_ds1과 V_ds2를 구하여 ZVS가 이루어지는 시점의 V_ds1과 V_ds2를 수식적으로 유도하여 ZVS여부를 판단한다.
본 논문에서 제안하는 포워드-플라이백 컨버터의 입/출력전압 변환 비는 출력 인덕터의 역할을 하는 T₂의 자화 인덕턴스(L_M2)와의 전압-시간 평형조건식을 통해 구할 수 있다. M₁과 M₂의 ‘턴-온’되는 DT_s구간 동안 L_M2에 이 인가되고, 스위치 M₁과 M₂가 ‘턴-오프’되는(1-D)T_s구간 동안 이 인가 된다.
따라서 본 논문에서는 기존의 포워드-플라이백 컨버터를 변형시켜 메인 스위치의 ZVS범위를 넓힐 수 있는 포워드-플라이백 컨버터를 제안한다. 정확한 모드해석과 메인 스위치의 ZVS가 가능한 최적의 설계를 위한 가이드를 제시하며 실험을 통해 이를 검증한다.
제안 회로의 타당성 및 우수성을 검증하기 위하여, 본 장에서는 제안 회로의 이론적 동작 원리 및 설계 예시를 제시하고, 통신용 정류기 장비의 2KW급 DC-DC단에 적용되는 제안 포워드-플라이백 회로 프로토 타입의 실험 결과를 제시하였다. 실험 결과 전 부하에서 메인 스위치의 ZVS가 이루어져 전력 변환 효율이 우수함을 확인하였다.
본 논문에서는 대용량에서도 ZVS가 가능하며 고효율 달성이 가능한 새로운 방식의 포워드-플라이백 컨버터를 제안하였다. 제안회로는 메인스위치의 ZVS범위를 설계자가 원하는 대로 키우며 그에 따른 2차 측의 공진 전압을 손실이 적게 클램핑시키기 위하여 보조 인덕터와 보조 다이오드를 사용하였다. 따라서 전 부하에서 메인스위치의 ZVS가 보장되기 때문에 스위칭 손실 및 발열이 크게 개선되고 EMI 성능에 유리한 장점이 있다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 회로의 실험 조건은 표 1과 같다. T1의 코어는 PQ3535가 선정되었고, 1차 측 권선은 0.12*80 USTC로 16[Turns], 2차 측 권선은 0.1*600 USTC로 5[Turns]으로 샌드위치 권선 방법으로 제작되었다. 또한, T2의 코어는 EI5040을 두 개 붙여 사용하였고, 1차 측 권선은 0.
. 그 중 출력 전류의 리플이 작고, 소프트-스위칭이 가능한 컨버터로 능동-클램프 회로가 적용된 포워드-컨버터를 선정하였다^[8],[9]. 그림 1에 기존 두 개의 트랜스포머를 적용한 포워드-플라이백 컨버터를 나타내었다.

성능/효과

2.2의 모드해석을 통해 Mode 8에서 C_CL과 L_M1의 공진이 메인스위치의 양단전압 파형을 결정하는 것을 알 수 있었다. 따라서 제안회로의 메인스위치의 ZVS조건을 만족시키기 위한 C_CL과 L_M1의 설계가 필요하다.
또한, 보조다이오드 하나만으로 링잉 전압을 클램핑시켜 입력 측으로 회귀시키기 때문에 사이즈 축소가 가능하면서 효율을 높일 수 있으며 제조 원가 절감이 가능하다. 또한, 두 개의 트랜스포머를 사용하여 출력전류의 리플 저감이 가능하고, 2차 측의 출력 인덕터가 없는 구조가 가능함으로써 출력전류가 큰 조건에서 출력 인덕터에 의한 큰 도통손실을 줄일 수 있어 고효율이 가능하다.
따라서 전 부하에서 메인스위치의 ZVS가 보장되기 때문에 스위칭 손실 및 발열이 크게 개선되고 EMI 성능에 유리한 장점이 있다. 또한, 두 개의 트랜스포머를 사용한 구조는 2차 측에 존재해야할 출력인덕터를 제거가능하게 하여 출력전류가 큰 조건인 제안 회로의 실험환경에서 출력 인덕터의 큰 도통손실을 감소시킬 수 있고, 출력 전류의 리플을 감소시키게 된다.
그림 10은 하프-부하와 풀-부하 조건에서 메인 스위치의 게이트 파형과 양단 전압 파형을 나타내고 있다. 설계된 소자 값으로 메인스위치의 ZVS가 가능하다는 것을 알 수 있다.
제안 회로의 타당성 및 우수성을 검증하기 위하여, 본 장에서는 제안 회로의 이론적 동작 원리 및 설계 예시를 제시하고, 통신용 정류기 장비의 2KW급 DC-DC단에 적용되는 제안 포워드-플라이백 회로 프로토 타입의 실험 결과를 제시하였다. 실험 결과 전 부하에서 메인 스위치의 ZVS가 이루어져 전력 변환 효율이 우수함을 확인하였다.

후속연구

또한, 효율 측면에서 우수한 추가적인 능동-클램프 회로를 사용하여 2차 측의 공진전압을 클램핑시키는 회로와 효율을 비교하였을 때도 보조 다이오드만을 사용한 제안회로가 최대 부하에서의 효율은 다소 저감되지만 전체적으로 비슷한 효율을 갖고 있다. 따라서 제안회로는 보조 다이오드만으로도 비슷한 효율을 내어 사이즈 감축효과와 고효율을 동시에 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트-스위칭이 가능하다면 생기는 이점은?	고효율을 얻기 위해서는 스위칭 손실과 도통 손실을 줄이는 노력이 필수적이다. 또한, 소프트-스위칭이 가능하면 스위칭 주파수의 증가가 가능하여 자성소자들의 부피 감소가 가능하여 소형화로이어지게 된다[1]-[4].
	전력변환장치의 고효율을 얻기 위해서 필수적인 것은?	최근의 전력변환장치는 전자 통신 기기 등에 안정된 전원을 공급하면서 고효율, 소형화 및 전력의 고밀도화를 이루는 것이 중요하다. 고효율을 얻기 위해서는 스위칭 손실과 도통 손실을 줄이는 노력이 필수적이다. 또한, 소프트-스위칭이 가능하면 스위칭 주파수의 증가가 가능하여 자성소자들의 부피 감소가 가능하여 소형화로이어지게 된다[1]-[4].
	새로운 방식의 포워드-플라이백 컨버터의 회로에는 무엇을 사용하였는가?	본 논문에서는 대용량에서도 ZVS가 가능하며 고효율 달성이 가능한 새로운 방식의 포워드-플라이백 컨버터를 제안하였다. 제안회로는 메인스위치의 ZVS범위를 설계자가 원하는 대로 키우며 그에 따른 2차 측의 공진 전압을 손실이 적게 클램핑시키기 위하여 보조 인덕터와 보조 다이오드를 사용하였다. 따라서 전 부하에서 메인스위치의 ZVS가 보장되기 때문에 스위칭 손실 및 발열이 크게 개선되고 EMI 성능에 유리한 장점이 있다.

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