In this paper, a non-dissipative snubber for reducing the switching losses in the step down converter is proposed. The conventional step down converter, e.g., buck converter, suffers from serious switching losses and consequentially heat generation because of its hard switching. Thus, it is unsuitab...
In this paper, a non-dissipative snubber for reducing the switching losses in the step down converter is proposed. The conventional step down converter, e.g., buck converter, suffers from serious switching losses and consequentially heat generation because of its hard switching. Thus, it is unsuitable for high switching frequency operation. Reduction of the reactive components' size, such as an output inductor and capacitor, is difficult. The proposed snubber can slow down the increasing current slopes and switch voltage at turn-on and turn-off transients, thereby significantly reducing the switching loses. Additionally, the slowly increasing current during switch turn-on transition, can effectively solve the output rectifier diode reverse recovery problem. Therefore, the proposed non-dissipative snubber not only leads to the efficiency of converter operation at high switching frequency but also reduces the reactive components size in proportion to the switching frequency. To confirm the validity of the proposed circuit, theoretical analysis and experimental results from a 150 W, 1 MHz prototype are presented.
In this paper, a non-dissipative snubber for reducing the switching losses in the step down converter is proposed. The conventional step down converter, e.g., buck converter, suffers from serious switching losses and consequentially heat generation because of its hard switching. Thus, it is unsuitable for high switching frequency operation. Reduction of the reactive components' size, such as an output inductor and capacitor, is difficult. The proposed snubber can slow down the increasing current slopes and switch voltage at turn-on and turn-off transients, thereby significantly reducing the switching loses. Additionally, the slowly increasing current during switch turn-on transition, can effectively solve the output rectifier diode reverse recovery problem. Therefore, the proposed non-dissipative snubber not only leads to the efficiency of converter operation at high switching frequency but also reduces the reactive components size in proportion to the switching frequency. To confirm the validity of the proposed circuit, theoretical analysis and experimental results from a 150 W, 1 MHz prototype are presented.
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문제 정의
이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 기존의 무손실 스너버의 경우, 스위칭 손실을 저감할 수 있지만 스너버 소자가 다소 많이 사용하고 있다는 단점을 가지고 있다[1]. 따라서 본 논문에는 고주파수 구동 시 스위칭 손실을 저감하기 위한 무손실 스너버를 제안한다[1],[2],[3].
일반적인 벅 컨버터의 경우 단순히 스위칭 주파수만을 상승시킬 경우 이에 비례한 스위칭 손실과 다이오드 역회복 특성에 의한 손실이 과도해져 실제 구현상 큰 어려움이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 상기 손실을 최소화함으로써 고주파수 구동 및 고 전력밀도화를 구현할 수 있는 새로운 무손실 스너버를 제안하였다. 제안된 무손실 스너버는 스위치 턴 온 및 턴 오프 과도 구간동안 전류 또는 전압의 기울기를 낮춰 줌으로써 스위칭 손실을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 출력 다이오드의 역회복 문제를 원천적으로 해결할 수 있어 높은 스위칭 주파수 구동에 특히 용이한 장점을 가져다준다.
따라서 제안된 무손실 스너버의 최적 설계를 위해서는 각 소자에서 발생되는 손실을 최소할 수 있도록 손실 또는 효율 측면에서 접근하여야 할 것이다. 따라서 본 절에서는 각 소자들의 손실 분석을 통한 제안된 무손실 스너버의 설계에 대해 고찰한다.
본 논문은 구동 주파수를 증가시킴으로써 강압형 컨버터의 주요 소자 중 가장 큰 부피를 차지하는 리액티브 소자의 사이즈를 줄여 고 전력밀도화를 구현하는 데에 그 목적을 두고 있다. 일반적인 벅 컨버터의 경우 단순히 스위칭 주파수만을 상승시킬 경우 이에 비례한 스위칭 손실과 다이오드 역회복 특성에 의한 손실이 과도해져 실제 구현상 큰 어려움이 존재한다.
가설 설정
제안된 무손실 스너버가 적용된 벅 컨버터의 모드 분석에 앞서 해석의 편의를 위하여 모든 동작은 정상상태이며, 모든 소자는 이상적이라고 가정한다.
제안 방법
14. Measured efficiency comparisons between buck converters with and without proposed snubber.
그러나 무손실 스너버를 적용하지 않은 기존 벅 컨버터와 제안된 스너버를 적용한 벅 컨버터는 출력 인덕터 코어손실 및 AC 저항성분에 의한 도통손실이 거의 대동소이하다. 따라서 최적스너버 설계 측면에서 스너버회로의 주요 소자인 CSN및 LS의 값에 따라 손실에 영향을 주는 DC 저항성분에 의한 도통 손실만을 고려하도록 한다. 출력 인덕터의 DC 저항 성분에 의한 도통손실을 구하기 위해 출력 인덕터의 실효전류를 구하면 식(31)과 같으며 최종적인 도통손실은 식(32)와 같다.
대상 데이터
본 논문에서 제안된 무손실 스너버의 우수성과 이론적 분석의 타당성 검증을 위해 그림 10과 같이 150W급의 시작품을 제작하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 반도체 소자는 IPB70N10S3의 스위치와 42CTQ030S의 다이오드를 적용하였으며, 입출력 사양과 주요 소자 파라미터는 표1과 같다.
본 논문에서 제안된 무손실 스너버의 우수성과 이론적 분석의 타당성 검증을 위해 그림 10과 같이 150W급의 시작품을 제작하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 반도체 소자는 IPB70N10S3의 스위치와 42CTQ030S의 다이오드를 적용하였으며, 입출력 사양과 주요 소자 파라미터는 표1과 같다. 그림 11은 주요 소자의 실험 파형이며, 그림 12와 13은 각각 무손실 스너버를 적용하지 않은 기존 벅 컨버터와 제안된 무손실 스너버를 적용한 무손실 스너버 벅 컨버터의 스위치 전압 및 전류파형을 보이고 있다.
성능/효과
결론적으로 1MHz 구동 시 기존 벅 컨버터의 경우 과도한 스위칭 손실로 인해 실제 구현이 불가능한 반면 제안된 컨버터의 경우 무손실 스너버 회로에 의한 추가적인 손실은 다소 존재하지만 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있어 고주파 구동에 용이하고 이로 인해 시스템 사이즈를 대폭 축소할 수 있음을 알 수 있다.
그림 14는 기존 벅 컨버터와 제안된 무손실 스너버 벅 컨버터의 부하가변에 따라 실험적으로 측정된 효율을 보이고 있으며 100% 부하일 때 각각 87.65%와 90.8%로서 제안된 무손실 스너버를 적용하였을 때가 기존 벅 컨버터 보다 약 3.15%의 높은 효율을 보이고 있음을 알 수 있다. 한편, 앞서 그림 9에서 이론적으로 고찰된 제안된 컨버터의 효율 특성에 비해 경부하 영역에서 측정된 효율이 다소 낮은 결과를 보이고 있으며 이는 이론적 분석 시 기생성분에 의한 공진현상이 고려되지 못함에 기인된 것으로 예상된다.
그림 15는 100% 부하 및 주변온도 26°C조건에서 기존 회로와 제안 회로의 주요소자 발열 특성을 보이고 있으며 특히 기존회로의 경우 3분 aging 시 스위치 발열이 100°C로 급격히 상승하여 더 이상 실험을 진행할 수 없는 수준인데 반해 제안된 컨버터의 스위치는 제안된 무손실 스너버에 의한 소프트 스위칭 동작으로 인해 1시간 aging 시 66.8°C 수준으로 매우 우수한 발열 특성을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
앞에서 이론적으로 고찰된 각부 손실을 기반으로 제안된 무손실 스너버를 적용한 벅 컨버터와 적용하지 않은 기존 벅 컨버터에 대해 표1에 제시된 입출력 사양과 주요 소자를 바탕으로 입출력 전력변환 효율을 비교한 결과를 그림 9에서 제시하고 있다. 그림에서 보인 바와 같이 전 부하 영역에서 제안된 무손실 스너버를 적용한 벅 컨버터가 모두 우수한 효율 특성을 보이고 있으며 특히 100% 부하 조건에서 스너버 적용 전과 적용 후 벅 컨버터는 각각 87.42% 및 91.93%로서 약 4.51% 정도의 효율 개선이 이루어짐을 알 수 있다.
그림 11은 주요 소자의 실험 파형이며, 그림 12와 13은 각각 무손실 스너버를 적용하지 않은 기존 벅 컨버터와 제안된 무손실 스너버를 적용한 무손실 스너버 벅 컨버터의 스위치 전압 및 전류파형을 보이고 있다. 그림에서 보인 바와 같이 제안된 무손실 스너버 벅 컨버터가 기존 벅 컨버터에 비해 스위치에 흐르는 전류 iDS와 스위치의 양단 전압인 vDS간의 교차되는 영역이 매우 감소하며 특히 제안된 무손실 스너버는 스위치 턴 온 시 전류의 기울기와 스위치 턴 오프시 전압의 기울기를 대폭 저감시킴으로써 소프트 스위칭을 하고 있음을 확인할 수 있다.
뿐만 아니라 출력 인덕터의 발열 수준은 비슷하나, 출력 다이오드의 발열이 제안 회로가 기존 회로에 비해 약 20.4°C가 낮으며 이는 기존 컨버터는 다이오드 역회복 문제가 심각한 반면 제안된 컨버터는 무손실 스너버에 의해 다이오드의 역회복 문제가 없음을 알 수 있다.
제안된 무손실 스너버는 스위치 턴 온 및 오프 시 스위치의 전류, 전압 기울기를 감소시켜 스위칭 손실을 저감할 뿐만 아니라 출력 다이오드가 차단될 때의 전류 기울기를 감소하여 역 회복 특성에 의한 추가적인 손실을 감소시킬 수 있다. 제안된 스너버의 상세한 동작원리는 다음과 같다[1].
따라서 본 논문에서는 상기 손실을 최소화함으로써 고주파수 구동 및 고 전력밀도화를 구현할 수 있는 새로운 무손실 스너버를 제안하였다. 제안된 무손실 스너버는 스위치 턴 온 및 턴 오프 과도 구간동안 전류 또는 전압의 기울기를 낮춰 줌으로써 스위칭 손실을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 출력 다이오드의 역회복 문제를 원천적으로 해결할 수 있어 높은 스위칭 주파수 구동에 특히 용이한 장점을 가져다준다. 제안된 무손실스너버의 타당성 검증을 위해 이론적 분석, 최적 파라미터 설계, 150W급 1MHz 시작품 제작을 통한 실험적 검증을 수행하였으며, 그 결과 제안된 무손실 스너버 회로를 적용할 경우 높은 스위칭 주파수에도 불구하고 스위칭 손실과 소자 발열을 대폭 저감시킬 수 있음을 확인하였다.
제안된 무손실 스너버의 경우 스위치 턴 온 시 스위치에 흐르는 전류(iDS)의 기울기를 감소하고, 턴 오프 시 스위치 양단에 걸리는 전압 (vDS)의 기울기를 감소시켜 전류와 전압이 서로 교차되는 영역을 최소화함으로써 스위칭 손실을 대폭 저감시킬 수 있어 고주파수 구동 및 고 전력밀도 전원회로 구현에 용이한 장점을 갖는다.
제안된 무손실 스너버는 스위치 턴 온 및 턴 오프 과도 구간동안 전류 또는 전압의 기울기를 낮춰 줌으로써 스위칭 손실을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 출력 다이오드의 역회복 문제를 원천적으로 해결할 수 있어 높은 스위칭 주파수 구동에 특히 용이한 장점을 가져다준다. 제안된 무손실스너버의 타당성 검증을 위해 이론적 분석, 최적 파라미터 설계, 150W급 1MHz 시작품 제작을 통한 실험적 검증을 수행하였으며, 그 결과 제안된 무손실 스너버 회로를 적용할 경우 높은 스위칭 주파수에도 불구하고 스위칭 손실과 소자 발열을 대폭 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서 제안된 무손실 스너버는 구동주파수 상승에 유리하여 리액티브 소자의 사이즈 및 전원회로의 사이즈를 효과적으로 줄일 수 있으므로 고 밀도화가 요구되는 전원시스템에 적합하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
제안된 무손실스너버의 타당성 검증을 위해 이론적 분석, 최적 파라미터 설계, 150W급 1MHz 시작품 제작을 통한 실험적 검증을 수행하였으며, 그 결과 제안된 무손실 스너버 회로를 적용할 경우 높은 스위칭 주파수에도 불구하고 스위칭 손실과 소자 발열을 대폭 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 따라서 제안된 무손실 스너버는 구동주파수 상승에 유리하여 리액티브 소자의 사이즈 및 전원회로의 사이즈를 효과적으로 줄일 수 있으므로 고 밀도화가 요구되는 전원시스템에 적합하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
의 값에 따라 변동하므로 각 부소자인 스위치, 다이오드, 출력 인덕터, 스너버 인덕터의 손실 또한 스너버 인덕터와 캐패시터의 값에 의해 결정된다. 따라서 제안된 무손실 스너버의 최적 설계를 위해서는 각 소자에서 발생되는 손실을 최소할 수 있도록 손실 또는 효율 측면에서 접근하여야 할 것이다. 따라서 본 절에서는 각 소자들의 손실 분석을 통한 제안된 무손실 스너버의 설계에 대해 고찰한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고 주파수 구동이 필수적인 이유는?
전원회로의 구조를 살펴보면 회로 내에서 가장 큰 부피를 차지하는 부분은 인덕터나 캐패시터와 같은 리액티브(Reactive) 소자이다. 따라서 리액티브 소자의 축소를 통한 전원회로의 부피 저감이 절실하며 이를 위해 고 주파수 구동은 필수적이라 할 수 있다. 그러나 일반적으로 전원회로에 사용되는 FET나 IGBT 등 스위칭 소자의 경우 스위치 턴 온 및 턴 오프 시 스위치 양단의 전압(vDS)과 전류(iDS)가 교차되는 영역이 반드시 존재하며 이로 인한 스위칭 손실이 불가피 하다.
상기 스위칭 손실이 발생하는 이유는?
또한 상기 스위칭 손실의 경우 스위칭 주파수에 정 비례하여 증가하므로 고주파 구동 시 소자발열과 효율저하가 더욱 심각해지므로 리액티브 소자 사이즈 축소에 한계로 작용한다. 또한 매 스위치 턴 온 시 출력 다이오드의 역회복 특성에 의해 스위치, 다이오드, 입력전압으로 구성된 루프 상에 순간적인 단락 전류로 인해 추가적인 손실 또한 무시할 수 없을 만큼 발생한다. 따라서 스위칭 주파수 상향을 통한 고밀도 전원 회로 구현을 위해서는 상기 스위칭 손실 저감이 필수적이라 할 수 있다.
전원회로 내에서 가장 큰 부피를 차지하는 부분은?
최근 전자기기의 소형화 추세에 따라 SMPS 전원회로의 고 전력밀도가 요구되고 있다. 전원회로의 구조를 살펴보면 회로 내에서 가장 큰 부피를 차지하는 부분은 인덕터나 캐패시터와 같은 리액티브(Reactive) 소자이다. 따라서 리액티브 소자의 축소를 통한 전원회로의 부피 저감이 절실하며 이를 위해 고 주파수 구동은 필수적이라 할 수 있다.
참고문헌 (6)
C. J. Tseng and C. L. Chen, "A passive lossless snubber cell for nonisolated PWM DC/DC converters," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 45, No. 4, pp. 593-601, Aug. 1998.
D. H. Jang, J. I. Kang, and S. K. Han, "High efficiency lossless snubber for photovoltaic maximum power point tracker," Journal of Power Electronics, Vol. 18, No. 5, pp. 485-491, Oct. 2013.
I. Zverev, "Switching frequency related trade off's in a hard switching CCM PFC boost convert," IEEE Trans. Ind. Electron., pp. 671-676, Feb. 2003.
A. Elasser and D. A. Torrey, "Soft switching active snubbers for DC/DC converters," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 11, No. 5, pp. 710-722, Sep. 1996.
S. S. Park, Y. S. Kong, S. C. Yang, and E. S. Kim, "Buck converter using a non-dissipative snubber," Power Electronics Annual Conference, pp. 154-158, Nov. 2003.
Z. J. Shen, Y. Xiong, X. Cheng, and P. Kumar, "Power MOSFET switching loss analysis : A new insight," IEEE Trans. Ind. Electron, 9177881, Dec. 2006.
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