[논문]이중 여자 플라이백 기반 고압 SMPS 설계

양희원; 김승애; 박성미; 박성준

doi:10.21289/ksic.2017.20.2.115

Abstract ▼ AI-Helper

This paper aims to develop an SMPS topology for handling a high range of input voltages based on a DC-DC flyback converter circuit. For this purpose, 2 capacitors of the same specifications were serially connected on the input terminal side, with a flyback converter of the same circuit configuration...

This paper aims to develop an SMPS topology for handling a high range of input voltages based on a DC-DC flyback converter circuit. For this purpose, 2 capacitors of the same specifications were serially connected on the input terminal side, with a flyback converter of the same circuit configuration serially connected to each of them, so as to achieve high input voltage and an effect of dividing input voltage. The serially connected flyback converters have the transformer turn ratio of 1:1, so that each coil is used for the winding of a single transformer, which is a characteristic of doubly-fed configuration and enables the correction of input capacitor voltage imbalance. In addition, a pulse transformer was designed and fabricated in a way that can achieve the isolation and noise robustness of the PWM output signal of the PWM controller that applies gate voltage to individual flyback converter switches. PSIM simulation was carried out to verify such a structure and confirm its feasibility, and a 100W class stack was fabricated and used to verify the feasibility of the proposed high voltage SMPS topology.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

계통측은 시중에유통되는 SMPS를 사용해도 무관한 반면에 1000[V] 내외에 이르는 발전에너지로부터의 직접적인 입력 전압을 고려한 SMPS는 상용화되어 있지 못하며, 개발은 기대 속도에 못 미치고 있다. 본 논문에서는 DC-DC 플라이백 컨버터 회로를 바탕으로 높은 입력전압의 범위를 갖는 SMPS 토폴로지 개발을 목적으로 한다. 이를 위해 입력 측에 동일한 사양의 두 개의 커패시터를 직렬로 연결, 각 커패시터에는 동일한 플라이백 컨버터 회로를 구성하고 직렬로 연결시킴으로써 입력전압의 고압화를 이루며 입력전압의 분할 효과를 이룬다.

제안 방법

또한 직렬로 연결되어 있는 플라이백 컨버터의 변압기 권선 비는 1:1로써, 각 권선은 하나의 변압기에 와인딩되며, 이것은 이중 여자의 특성으로 입력단 커패시터의 전압의 불균형을 밸런싱 할 수 있도록 구성하였다. 또한 각 플라이백 컨버터의 스위치에 게이트전압을 인가하는 PWM 콘트롤러의 출력 PWM 신호는 펄스 변압기의 설계, 제작을 통하여 절연을 이루며 노이즈에 강인할 수 있도록 구성하였으며, 이와 같은 구조의 검증 및 타당성을 확인하기 위하여 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 100[W]급 스택 제작을 통하여 제안된 고압용 SMPS 토폴로지의 타당성을 검증하였다.
이를 위해 입력 측에 동일한 사양의 두 개의 커패시터를 직렬로 연결, 각 커패시터에는 동일한 플라이백 컨버터 회로를 구성하고 직렬로 연결시킴으로써 입력전압의 고압화를 이루며 입력전압의 분할 효과를 이룬다. 또한 직렬로 연결되어 있는 플라이백 컨버터의 변압기 권선 비는 1:1로써, 각 권선은 하나의 변압기에 와인딩되며, 이것은 이중 여자의 특성으로 입력단 커패시터의 전압의 불균형을 밸런싱 할 수 있도록 구성하였다. 또한 각 플라이백 컨버터의 스위치에 게이트전압을 인가하는 PWM 콘트롤러의 출력 PWM 신호는 펄스 변압기의 설계, 제작을 통하여 절연을 이루며 노이즈에 강인할 수 있도록 구성하였으며, 이와 같은 구조의 검증 및 타당성을 확인하기 위하여 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 100[W]급 스택 제작을 통하여 제안된 고압용 SMPS 토폴로지의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 DC-DC 플라이백 컨버터 회로를 바탕으로 높은 입력전압의 범위를 갖는 SMPS 토폴로지 개발을 목적으로 한다. 이를 위해 입력 측에 동일한 사양의 두 개의 커패시터를 직렬로 연결, 각 커패시터에는 동일한 플라이백 컨버터 회로를 구성하고 직렬로 연결시킴으로써 입력전압의 고압화를 이루며 입력전압의 분할 효과를 이룬다. 또한 직렬로 연결되어 있는 플라이백 컨버터의 변압기 권선 비는 1:1로써, 각 권선은 하나의 변압기에 와인딩되며, 이것은 이중 여자의 특성으로 입력단 커패시터의 전압의 불균형을 밸런싱 할 수 있도록 구성하였다.

대상 데이터

그림 6 회로에서 주요한 점은 스위칭 동작을 위한 PWM 발생을 단순한 구형파 발생기로 구현하지 않고 PWM 콘트롤러를 사용했다는 것이다. 회로에 있는 PWM 콘트롤러 UC3844는 Psim에서 제공하는 PWM IC 어플리케이션 중 하나로, 실제 실험에서 사용하고자 하는 L5991A과는 다른 제품이지만 전류 센싱과 출력전압 피드백 및 주파수 조절이 가능하며 UC3844에서 고정되어있는 듀티는 실제 실험에서 기본 설정 값으로 맞추었던 듀티인 50% 동일하기 때문에 시뮬레이션에서 쓰임이 적절하다. 또한 그림 6은 PSIM에서 제공하고 있는 UC3844를 이용한 플라이백 컨버터 어플리케이션 회로를 수정하고 응용한 회로로써, 단일 플라이백 컨버터에서 정상적인 동작이 검증된 회로를 기반으로 하기 때문에 단일 플라이백 컨버터의 파형과 제안하는 이중 여자 방식의 플라이백 컨버터의 파형을 비교할 수 있다.

성능/효과

또한 직렬로 연결되어 있는 플라이백 컨버터의 변압기 권선 비는 1:1로써, 각 권선은 하나의 변압기에 와인딩되며, 이것은 이중 여자의 특성으로 별도의 제어기 없이 입력단 커패시터의 전압의 불균형을 자동으로 밸런싱 할 수 있다. 단점은 입력측 커패시터의 커패시턴스 허용오차의 오차의 크기를 줄일수록 더욱 민감한 전압 자동밸런싱을 이룰 수 있지만 그만큼 고가이기 때문에, 설계 시 소자 선택이 중요하다. 본 토폴로지를 시뮬레이션 및 실제 제작하여 이를 실험을 통해 검증함으로써 제안한 이중 여자 방식의 플라이백 컨버터로 구성되어 있는 SMPS의 출력을 기존의 단일 플라이백 컨버터로 구성되어 있는 SMPS와 동일하게 낼 수 있다는 점에서 제안한 토폴로지는 설계할 때 입력전압에 대한 소자 선택의 확장성이 넓고, 전압 및 전류 스트레스 또한 낮출 수 있어 보다 높은 효용성을 기대할 수 있다.
본 시스템의 장점은 입력측에 동일한 사양의 두 개의 커패시터를 직렬로 연결시키며, 각 커패시터에는 동일한 소자들로 이루어진 플라이백 컨버터 회로를 구성하고 직렬로 연결시킴으로써 입력 전압의 분할효과를 통해 입력전압의 고압화가 가능하다. 또한 직렬로 연결되어 있는 플라이백 컨버터의 변압기 권선 비는 1:1로써, 각 권선은 하나의 변압기에 와인딩되며, 이것은 이중 여자의 특성으로 별도의 제어기 없이 입력단 커패시터의 전압의 불균형을 자동으로 밸런싱 할 수 있다. 단점은 입력측 커패시터의 커패시턴스 허용오차의 오차의 크기를 줄일수록 더욱 민감한 전압 자동밸런싱을 이룰 수 있지만 그만큼 고가이기 때문에, 설계 시 소자 선택이 중요하다.
본 시스템의 장점은 입력측에 동일한 사양의 두 개의 커패시터를 직렬로 연결시키며, 각 커패시터에는 동일한 소자들로 이루어진 플라이백 컨버터 회로를 구성하고 직렬로 연결시킴으로써 입력 전압의 분할효과를 통해 입력전압의 고압화가 가능하다. 또한 직렬로 연결되어 있는 플라이백 컨버터의 변압기 권선 비는 1:1로써, 각 권선은 하나의 변압기에 와인딩되며, 이것은 이중 여자의 특성으로 별도의 제어기 없이 입력단 커패시터의 전압의 불균형을 자동으로 밸런싱 할 수 있다.

후속연구

단점은 입력측 커패시터의 커패시턴스 허용오차의 오차의 크기를 줄일수록 더욱 민감한 전압 자동밸런싱을 이룰 수 있지만 그만큼 고가이기 때문에, 설계 시 소자 선택이 중요하다. 본 토폴로지를 시뮬레이션 및 실제 제작하여 이를 실험을 통해 검증함으로써 제안한 이중 여자 방식의 플라이백 컨버터로 구성되어 있는 SMPS의 출력을 기존의 단일 플라이백 컨버터로 구성되어 있는 SMPS와 동일하게 낼 수 있다는 점에서 제안한 토폴로지는 설계할 때 입력전압에 대한 소자 선택의 확장성이 넓고, 전압 및 전류 스트레스 또한 낮출 수 있어 보다 높은 효용성을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SMPS의 역할은?	신재생 에너지 산업의 발전에 따라 대체 에너지의 전력변환장치가 다양해지고 그에 따른 SMPS(Switch Mode Power Supply)는 제어 전원 공급원으로서 역할의 중요성이 높아지고 있다. 또한 이러한 SMPS의 개발이 신속한 발전을 이루면서 사용하는 입력전원의 선택 범위도 넓어지고 있는 추세이다.
	플라이백 컨버터의 변압기가 1:1의 권선비로 하나의 코어에 와인딩되어야 하는 이유는 무엇인가?	또한 각 플라이백 컨버터의 변압기는 1:1의 권선비로 하나의 코어에 와인딩되어야 한다. 이는 이중 여자 방식을 구성하기 위함으로 플라이백 컨버터1과 플라이백 컨버터 2의 개별 동작이 아닌 동기성을 두는 구조이다[4]-[6].
	전력변환장치가 연계형일 경우 무엇이 요구되는가?	또한 이러한 SMPS의 개발이 신속한 발전을 이루면서 사용하는 입력전원의 선택 범위도 넓어지고 있는 추세이다. 신재생 에너지의 전력변환장치의 기능에 따라 달라지겠지만, 연계형일 경우 법적으로 사고를 대비한 계통측과 발전 에너지측의 양방향으로부터의 입력전원을 사용하는 SMPS가 요구된다. 계통측은 시중에유통되는 SMPS를 사용해도 무관한 반면에 1000[V] 내외에 이르는 발전에너지로부터의 직접적인 입력 전압을 고려한 SMPS는 상용화되어 있지 못하며, 개발은 기대 속도에 못 미치고 있다.

참고문헌 (6)

Junming Zhang, Xiucheng Huang, Xinke Wu, and Zhaoming Qian, "A high efficiency flyback converter with new active clamp technique," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 25, No. 7, pp. 1775-1785, (2010).

상세보기
Watson, R., LEE, F.C., and Hua, G.C., ''Utilization of an active-clamp circuit to achieve soft switching in flyback converters". IEEE PESC Record, Vol. 2, pp. 909-916, (2004).
T. M. Chen and C. L. Chen "Analysis and design of asymmetrical half bridge flyback converter", IEE Proc-Electr. Power Appl. Vol. 149, No. 6, (2002).

상세보기
D. H Seo, O. J. Lee, S. H. Lim and J. S. Park "Asymmetrical PWM Flyback Converter" in Proc. IEEE PESC, pp. 848-852, (2000).
Keming Chen, Ahmed Elasser and D. A. Torrey, "A Soft-Switching Active Snubber Optimized for IGBTs in Single Switch Unity Power Factor Three-Phase Diode Rectifiers", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 10, pp. 446-452, (1995).

상세보기
Jagjitpati Shukla and B. G. Fernandes, "A Novel Active Resonant Snubber for Single Switch Unity Power Factor Three-Phase Diode Rectifiers", IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 4, pp. 3818-3823, (2004).

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