[논문]SiC SBD 적용한 고효율 Bridgeless PFC 컨버터에 대한 연구

전준혁; 김형식; 김희준; 안준선

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.4.449

SiC SBD 적용한 고효율 Bridgeless PFC 컨버터에 대한 연구
A Study on high efficiency Bridgeless PFC Converter applied SiC SBD 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.12 no.4, 2019년, pp.449 - 455

전준혁 , 김형식 , 김희준 (한양대 전자공학과) , 안준선 (오산대학교 전기과)

초록
AI-Helper

본 논문은 Bridgeless PFC Converter의 환류 다이오드를 SiC SBD(Schottky Barrier Diode)로 제안하여 고효율화를 달성하였다. 또한 Bridgeless PFC Converter의 동작원리에 대한 설명을 통해 Bridgeless PFC Converter에서 환류 다이오드의 도통 구간을 나타내어 환류 다이오드의 손실에 따른 시스템 손실의 기여도를 검증하였고, SiC SBD 소자의 물성 및 역 회복 특성에 따른 장점을 설명하였으며 턴 온 손실과 턴 오프 손실을 측정하여 효율을 비교 분석하고, 소자 단품 특성을 확인하기 위한 다이오드의 역회복 파형 분석을 통하여 소자의 역회복 손실을 계산하였다. 소자 특성을 고려한 시뮬레이션 결과 값을 도출해내어 실제 시스템의 파형 분석 및 비교를 통해 그 결과 값을 검증하였다. 소자 특성을 고려하기 위하여 PSIM의 Thermal Module을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 결과로 턴온 손실 0.6W, 턴 오프 손실 20.6W로 전체 스위칭 손실은 22.2W로 나타났다. 시작품 실험을 통하여 분석한 결과 턴온 손실 0.608W, 턴 오프 손실 21.62W로 전체 스위칭 손실 22.228W의 결과 값을 도출하였고, 두 결과 값의 비교로 실험 방법의 타당성을 입증하였다. 또한 최대 효율 94.58%의 고효율을 달성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a flyback diode of bridgeless PFC converter as SiC SBD (Schottky Barrier Diode) to achieve high efficiency. In addition, through the explanation of the operation principle of the bridgeless PFC converter, the conduction section of the freewheel diode is shown in the bridgeless PFC converter to verify the contribution of system loss due to the loss of the freewheel diode. The advantages of the SiC SBD device's physical properties and the reverse recovery characteristics are explained, and the efficiency is measured by measuring the turn-on and turn-off losses. The loss was calculated. The simulation results were calculated in consideration of device characteristics and verified through the waveform analysis and comparison of the actual system. In order to consider the device characteristics, the simulation was conducted using the thermal module of PSIM. As a result of the prototype test, the turn-on loss was 0.608W and the turn-off loss was 21.62W, resulting in the total switching loss of 22.228W. The comparison of the two results proved the validity of the experimental method. In addition, a high efficiency of 94.58% is achieved.

주제어

표/그림 (15)

그림 림 1. 부스트 PFC 컨버터 회로도 Fig. 1. Boost PFC Converter Circuit Diagram
그림 그림 2. Si-FRD와 SiC SBD의 역 회복 시간 특성 Fig. 2. Reverse recovery time characteristics of Si-FRD and Sic SBD
그림 그림 3. Bridgeless PFC Converter 회로도 Fig. 3. Bridgeless PFC Converter Circuit Diagram
그림 그림 4. Bridgeless PFC컨버터의 동작 모드(양의 반주기) Fig. 4. Operation Mode of Bridgeless PFC Converter(positive half-cycle)
그림 그림 5. Bridgeless PFC컨버터의 동작 파형(양의 반주기) Fig. 5. Operation Waveform of Bridgeless PFC Converter(positive half-cycle)
그림 그림 6. Bridgeless PFC컨버터의 손실 분석 시뮬레이션 모델. Fig. 6. Simulation model for loss analysis of bridgeless PFC converter
그림 그림 7. Bridgeless PFC컨버터의 손실 분석 시뮬레이션 파형(턴 온 손실) Fig. 7. Simulation waveform for loss analysis of bridgeless PFC converter(Conduction Loss)
그림 그림 8. Bridgeless PFC컨버터의 손실 분석 시뮬레이션 파형(턴 오프 손실) Fig. 8. Simulation waveform for loss analysis of bridgeless PFC converter(Switching Loss)
표 표 1. SiC SBD의 주요 사양 Table. 1. Main specification of SiC SBD
그림 그림 9. Bridgeless PFC 컨버터의 시작품 Fig. 9. The Prototype of Bridgeless PFC Converter
그림 그림 10. SiC SBD의 역 회복 전류 파형(100ns/div) Fig. 10. Reverse recovery current waveform fo SiC SBD(100ns/div)
그림 그림 11. 시작품에 적용된 SiC SBD의 스위칭 턴 온 손실 (500ns/div) Fig. 11. Switching turn-on losses of SiC SBD applied to the prototype(500ns/div)
그림 그림 12. 시작품에 적용된 SiC SBD의 스위칭 턴 오프 손실 (500ns/div) Fig. 12. Switching turn-off losses of SiC SBD applied to the prototype(500ns/div)
표 표 2. Bridgeless PFC 컨버터의 주요사항 Table. 2. The Main parameter of Bridgeless Converter
그림 그림 13. SiC SBD의 부하에 따른 효율 Fig. 13. Efficiency according to load of SiC SBD

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 Bridgeless PFC 컨버터의 고효율에 대한 특징을 극대화하기 위해서 환류 다이오드에 SiC SBD(Schottky Barrier Diode)를 적용하여 실험하였고, 실험을 통하여 SiC SBD 사용 시 개선된 다이오드의 역 회복 특성에 의하여 Bridgeless PFC 컨버터의 효율이 개선됨을 확인하였다.
본 논문에서는 Bridgeless PFC에 고효율에 대한 특징을 극대화하기 위해서 구성 요소 중 2개의 환류 다이오드에 SiC SBD를 제안하여 고효율화를 실현하였다. 실험을 통하여 턴 온 손실과 턴 오프 손실을 측정하여 손실 전력을 비교분석하였으며, 소자 특성을 고려한 시뮬레이션 결과 값은 각각 0.

제안 방법

그림 10은 Bridgeless PFC 컨버터에 적용된 SiC SBD의 Reverse recovery파형이다. 객관적인 다이오드의 특성을 표현하기 위하여 di/dt를 200A/us로 측정하였으며, SiC SBD에 400V의 전압을 인가하여 TEST하였다. 그 결과 역 회복 시간 t_rr은 38ns, 역 회복 전류 I_rr는 1A로 측정 되었으며, 역 회복 전하량은 30nC으로 매우 작은 값을 나타내었다.
6W로 매우 낮은 결과를 확인 하였다. 손실은 스위치 전압과 다이오드 전류를 곱하여 적분하고 턴 온, 턴 오프 시의 적분값 변화량을 측정하여 에너지를 구하였다. 턴 온 에너지는 3.

대상 데이터

그림 9는 제작된 시작품의 사진이다. D1과 D2에 SiC SBD를 적용하여 시작품을 제작하였다.
본 논문에서 제안한 시스템의 검증을 위하여 500W급 시작품을 제작하였으며 시작품에 적용된 SiC SBD 디바이스의 주요 제원 및 시작품의 주요사항을 표1 및 표2에 정리하였다.

데이터처리

본 논문에서 제안한 시스템의 검증을 위하여 PSIM 시뮬레이션을 진행하였으며 그림 6에 시뮬레이션 회로도를 그림 7과 그림 8에 시뮬레이션 결과를 나타내었다.

성능/효과

SiC(Silicon Carbide)전력반도체는 산업기기, 태양전지, 전기자동차, 철도 등 전력 전자분야에서 기존에 주로 사용되어진 Si(Silicon)전력반도체보다 전력변환 손실이 적고, 재료물성이 우수한 반도체로 알려지면서 그 응용분야의 폭을 확대해 나가고 있다.[1] 이러한 SiC의 개발속도를 추정할 때 2020년에는 현재보다 60배 이상으로 요구될 컴퓨팅파워 및 저장 용량에 대한 응용에 있어서 SiC 전력반도체가 이를 충분이 충족시킬 수 있을 전망이다.[2] 또한 바이오헬스, 에너지, 자동차, 로봇 등 여러 분야의 융합 기술에 SiC 전력반도체가 적용될 것으로 전망되어 새로운 성장엔진으로 대두될 전망이다.
객관적인 다이오드의 특성을 표현하기 위하여 di/dt를 200A/us로 측정하였으며, SiC SBD에 400V의 전압을 인가하여 TEST하였다. 그 결과 역 회복 시간 t_rr은 38ns, 역 회복 전류 I_rr는 1A로 측정 되었으며, 역 회복 전하량은 30nC으로 매우 작은 값을 나타내었다.
228W로 측정되어 시뮬레이션 값의 타당성을 검증하였다. 또한 역회복 손실이 매우 적은 SiC SBD의 적용을 통해 턴 온 손실을 극소화 하여, 최대 효율 94.58%의 고효율화를 달성 하였다. 본 논문에서 제안한 Bridgeless PFC Converter 구성 및 SiC SBD 적용 실험결과를 통하여, 향후 Si-FRD와의 스위칭 턴 온, 턴 오프 및 역 회복 특성에 따른 비교 테스트 및 온도 변화에 따른 시스템의 안정성 에 대한 테스트 진행을 통한 Si-FRD와 SiC SBD의 비교분석을 진행할 예정이다
2W로 측정되었다. 또한, 시작품 동작 실험의 결과 값은 각각 0.608W(턴 온 손실), 21.62W(턴 오프 손실)로 총 손실 22.228W로 측정되어 시뮬레이션 값의 타당성을 검증하였다. 또한 역회복 손실이 매우 적은 SiC SBD의 적용을 통해 턴 온 손실을 극소화 하여, 최대 효율 94.
시뮬레이션 진행시 실제 적용할 SiC SBD 주요 사양을 모델링하여 시뮬레이션 하였으며 시뮬레이션 결과 SiC SBD 역 회복 특성에 의한 턴 온 손실은 최대 0.6W, 턴 오프 손실은 최대 20.6W로 매우 낮은 결과를 확인 하였다. 손실은 스위치 전압과 다이오드 전류를 곱하여 적분하고 턴 온, 턴 오프 시의 적분값 변화량을 측정하여 에너지를 구하였다.
본 논문에서는 Bridgeless PFC에 고효율에 대한 특징을 극대화하기 위해서 구성 요소 중 2개의 환류 다이오드에 SiC SBD를 제안하여 고효율화를 실현하였다. 실험을 통하여 턴 온 손실과 턴 오프 손실을 측정하여 손실 전력을 비교분석하였으며, 소자 특성을 고려한 시뮬레이션 결과 값은 각각 0.6W(턴 온 손실), 20.6W(턴 오프 손실)로 총 손실 22.2W로 측정되었다. 또한, 시작품 동작 실험의 결과 값은 각각 0.
[7] 그림 2는 SBD와 Si-FRD의 역 회복 특성을 나타낸 그림이다. 이 결과를 통해 SBD의 역 회복 특성이 Si-FRD와 비교하여 우수하다는 점을 알 수 있다.
그림 11과 그림12는 SiC SBD 디바이스를 시작품에 적용하여 스위칭 손실을 측정한 실험 파형이며, 각각 스위치의 턴 온 손실 및 턴 오프 손실의 파형을 나타내었다. 측정 결과로 SiC SBD의 스위칭 손실은 턴 온 손실 0.608W, 턴 오프 손실 21.62W로 측정되었으며 총 스위칭 손실은 22.2W로 측정되었다.

후속연구

[1] 이러한 SiC의 개발속도를 추정할 때 2020년에는 현재보다 60배 이상으로 요구될 컴퓨팅파워 및 저장 용량에 대한 응용에 있어서 SiC 전력반도체가 이를 충분이 충족시킬 수 있을 전망이다.[2] 또한 바이오헬스, 에너지, 자동차, 로봇 등 여러 분야의 융합 기술에 SiC 전력반도체가 적용될 것으로 전망되어 새로운 성장엔진으로 대두될 전망이다.
58%의 고효율화를 달성 하였다. 본 논문에서 제안한 Bridgeless PFC Converter 구성 및 SiC SBD 적용 실험결과를 통하여, 향후 Si-FRD와의 스위칭 턴 온, 턴 오프 및 역 회복 특성에 따른 비교 테스트 및 온도 변화에 따른 시스템의 안정성 에 대한 테스트 진행을 통한 Si-FRD와 SiC SBD의 비교분석을 진행할 예정이다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SiC SBD는 무엇인가?	SiC SBD는 Si와 비교하여 밴드갭이 3배, 절연파괴전계가 10배, 열전도율이 10배 높은 SiC를 쇼트키 배리어 다이오드 구조로 제작한 소자이다.[6]
	SiC 전력반도체의 장점은?	SiC(Silicon Carbide)전력반도체는 산업기기, 태양전지, 전기자동차, 철도 등 전력 전자분야에서 기존에 주로 사용되어진 Si(Silicon)전력반도체보다 전력변환 손실이 적고, 재료물성이 우수한 반도체로 알려지면서 그 응용분야의 폭을 확대해 나가고 있다.[1] 이러한 SiC의 개발속도를 추정할 때 2020년에는 현재보다 60배 이상으로 요구될 컴퓨팅파워 및 저장 용량에 대한 응용에 있어서 SiC 전력반도체가 이를 충분이 충족시킬 수 있을 전망이다.
	역률보상회로의 문제점을 개선한 토폴로지는?	대표적인 AC-DC컨버터의 하나인 역률보상회로 (Power Factor Correction Circuit)의 경우 그림1과 같이 브릿지 다이오드와 부스트 컨버터를 사용한 토폴로지를 주로 사용하는데 입력에 사용되는 브릿지 다이오드의 도통 손실에 의한 효율저하가 문제점으로 대두되어 왔다. 따라서 이를 개선하기 위한 여러 연구가 진행되고 있으며 그 중 대표적인 토폴로지가 브릿지 다이오드를 제거한 Bridgeless PFC 컨버터이다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증