[논문]새로운 Topology 방식의 스텝 업(Step-Up) 컨버터에 관한 연구

정해영

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.5.889

새로운 Topology 방식의 스텝 업(Step-Up) 컨버터에 관한 연구
A Study on the Step-Up Converter with the New Topology Method 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.5, 2020년, pp.889 - 896

정해영 (세명대학교 소방방재학과)

초록
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일반적으로 스텝 업(Step-up) 컨버터는 Boost 컨버터, Buck-Boost 컨버터, Flyback 컨버터, Push-Pull 컨버터 등 다양하며 이 중에서 Boost 컨버터는 매우 간단한 형태로 가장 널리 사용되는 스텝 업(Step-up) 컨버터이다. 하지만, Boost 컨버터는 DCM 동작, 큰 리플 문제 및 RHPZ 문제 등을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 Topology를 적용한 컨버터들이 제시되었는데 그 중 KY 컨버터는 Boost 컨버터의 DCM 동작, 큰 리플 문제 및 RHPZ 문제 등을 개선하였다. 그러나 기존의 KY 컨버터는 Boost 컨버터보다 전압 이득이 상대적으로 낮은 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 KY 컨버터의 장점이 있으면서 낮은 전압 이득 문제를 해결한 새로운 Topology의 KY 컨버터를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, there are various types of boost converters such as Boost converters, Buck-Boost converters, Flyback converters, Push-Pull converters, etc. Among them, Boost converters are the most widely used and step up converters in a very simple form. However, Boost converter has DCM mode operation, big ripple problem and RHPZ problem. In order to solve these problems, a converter to which the new topology was applied was presented, but among them, the KY converter improved the Boost converter's DCM mode operation, the big ripple problem and the RHPZ problem. However, the conventional KY converter has a drawback that the voltage gain is relatively lower than that of the Boost converter. Therefore, in this paper, we proposed a new KY converter that solves the problem of low voltage gain while having the advantages of the conventional KY converter.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 기본적인 Boost 컨버터 Fig. 1 Conventional Boost converter schematic
그림 그림 2. 기존의 KY 컨버터 Fig. 2 Conventional KY converter schematic
그림 그림 3. 기존 KY 컨버터 동작 : (a) 모드 1, (b) 모드 2 Fig. 3 The mode operation of conventional KY converter : (a) mode 1, (b) mode 2
그림 그림 4. 1+2D/2+D KY 컨버터와 2+D 형태의 모드 별 동작 방식 : (a) 1+2D/2+D KY 컨버터 회로, (b) 2+D 형태 모드 1, (c) 2+D 형태 모드 2 Fig. 4 1+2D/2+D KY converter circuit and 2+D gain mode operation : (a) 1+2D/2+D KY Converter, (b) 2+D type mode 1, (c) 2+D type mode 2　
그림 그림 5. 제안된 KY 컨버터와 모드 별 동작 방식: (a) 제안된 KY 컨버터, (b) 모드 1, (c) 모드 2 Fig. 5 The proposed KY converter and mode operation : (a) Proposed KY converter, (b) mode 1, (c) mode 2
그림 그림 6. 각 컨버터 별 Pspice 회로도 : (a) 기존의 1+2D/2+D KY 컨버터, (b) 제안된 KY 컨버터 회로도 Fig. 6 Pspice circuit diagram by converter type :　 (a) conventional 1+2D/2+D KY type, (b) proposed KY type
그림 그림 7. 각 컨버터 별 입출력 파형: (a) 기존의 2+D KY 컨버터, (b) 제안된 KY 컨버터 Fig. 7 I/O waveforms for converter type : (a) conventional 2+D KY type, (b) proposed KY type
표 표 1. 컨버터 종류별 소자 구성 Table 1. Components according to converter types
표 표 2. Pspice 시뮬레이션의 소자 사양 Table 2. Detailed specifications for Pspice simulation
표 표 3. 컨버터 별 각 소자의 전압스트레스 Table 3. Voltage stress for the converter type
그림 그림 8. 스위치의 전압 파형 Fig. 8 The voltage waveform of switch
그림 그림 9. 인덕터 L의 전압 파형 Fig. 9 The voltage waveform of inductor L
그림 그림 10. 출력 전압 파형 Fig. 10 The output voltage waveform
표 표 4. 회로실험에 사용된 소자 사양 Table 4. Element specifications in circuit experimentation

AI 본문요약
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문제 정의

향후 연구에 있어서는 기존의 1+2D/2+D KY 컨버터 대비 소자의 수를 감소시키면서 전압 이득의 확장 범위가 넓고 스위칭 소자에 걸리는 전압 스트레스와 컨덕팅 손실 및 스위칭 손실을 줄이는 새로운 방식의 topology를 개발하고자 한다. 또한 실제 개발된 DC-DC 컨버터 회로가 적용된 전기기기에서 효율 개선 효과 분석에 대한 연구를 수행하고자 한다.
본 논문은 불연속 전류 모드(DCM), 높은 전압 리플, RHPZ 문제를 해결하면서 기존의 KY 컨버터보다 전압 이득을 높인 새로운 Topology 방식의 컨버터 회로 구성을 제안하였다.
본 연구는 기존의 KY 컨버터를 분석하여 새로운 topology 방식의 스텝 업(Step up) 컨버터를 제안하였다. 제안된 KY 컨버터는 기존의 Boost 컨버터의 불연속 전류 제어 모드(DCM), 큰 리플전압, RHPZ 안정도 문제가 없이 항상 연속 전류 모드(CCM)에서 동작하고 전압 리플이 작으며 RHPZ가 없는 특징을 가지고 있다.
본 연구에서 기존 1+2D/2+D KY 컨버터(2+D 형태), 제안된 KY 컨버터에 대해 Pspice 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 회로 특성을 확인하고자 하였다. 기존의 KY 컨버터는 전압 이득이 1+D로 같은 크기의 입력 전압을 인가해도 출력 전압의 크기가 다른 비교 대상 컨버터들과 같게 할 수 없다.
본 연구에서는 Pspice 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 제안된 KY 컨버터 회로를 실제 제작하여 전압 파형과 전압 이득 등을 확인하였다. 회로 구성에 사용된 소자 값은 Pspice 시뮬레이션과 같게 하였으며 실험에 사용된 소자들의 세부 사양을 표 4에 나타내었다.

제안 방법

기존의 KY 컨버터는 전압 이득이 1+D로 같은 크기의 입력 전압을 인가해도 출력 전압의 크기가 다른 비교 대상 컨버터들과 같게 할 수 없다. 따라서 기존 KY 컨버터와 유사한 형태인 1+2D/2+D KY 컨버터의 전압 이득 2+D 형태와 제안된 KY 컨버터에 대해 Pspice 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 6은 Pspice 시뮬레이션 수행을 위해 구성된 기존 1+2D/2+D KY 컨버터와 제안된 KY 컨버터의 회로도를 각각 보여주고 있다.
제안된 KY 컨버터는 기존의 Boost 컨버터의 불연속 전류 제어 모드(DCM), 큰 리플전압, RHPZ 안정도 문제가 없이 항상 연속 전류 모드(CCM)에서 동작하고 전압 리플이 작으며 RHPZ가 없는 특징을 가지고 있다. 또한, 기존 KY 컨버터의 1+D의 낮은 전압 이득을 개선하기 위해 기존의 KY 컨버터에서 스위치의 수는 변함없고 다이오드와 커패시터를 각각 2N 개 추가하여 G = (1+N)+D 형태로 전압 이득을 증가시킬 수 있는 새로운 topology 방식의 회로를 제안하였다. 또한, 제안된 KY 컨버터 회로는 같은 전압 이득식을 보이는 1+2D/2+D KY 컨버터보다 상대적으로 스위치에 걸리는 전압 크기가 낮고 스위치 수가 적어 스위치의 용량 선정과 스위치 효율 측면 등에서 유리할 것으로 판단된다.
본 논문의 구성은 제 1장에서 기존의 KY 컨버터의 문제점을 확인하고 제안된 KY 컨버터의 특성 비교 분석하였고, 제 2장에서는 기존의 KY 컨버터와 제안된 KY 컨버터에 대해 각각 모드 분석을 수행하여 각 KY 컨버터의 동작 특성을 확인하였다. 제 3장은 각 KY 컨버터에 대해 PSIM시뮬레이션 수행 및 실제 PCB 회로를 제작하여 회로 실험을 진행하였다.
본 논문의 구성은 제 1장에서 기존의 KY 컨버터의 문제점을 확인하고 제안된 KY 컨버터의 특성 비교 분석하였고, 제 2장에서는 기존의 KY 컨버터와 제안된 KY 컨버터에 대해 각각 모드 분석을 수행하여 각 KY 컨버터의 동작 특성을 확인하였다. 제 3장은 각 KY 컨버터에 대해 PSIM시뮬레이션 수행 및 실제 PCB 회로를 제작하여 회로 실험을 진행하였다. 제 4장에서는 실험 결과를 토대로 제안된 KY 컨버터가 기존의 KY 컨버터의 여러 가지 문제점들을 해결이 가능하고 전압 이득을 증가시킬 수 있는 새로운 topology 방식임을 분석하였다.
회로실험은 입력 전압 10V, 스위칭 주파수 100kHz, 듀티비 D=0.35로 하여 Psipice 시뮬레이션 조건과 같게 수행하였다. 그림 8은 입력 전압 10V, 듀티비 D=0.

데이터처리

제 3장은 각 KY 컨버터에 대해 PSIM시뮬레이션 수행 및 실제 PCB 회로를 제작하여 회로 실험을 진행하였다. 제 4장에서는 실험 결과를 토대로 제안된 KY 컨버터가 기존의 KY 컨버터의 여러 가지 문제점들을 해결이 가능하고 전압 이득을 증가시킬 수 있는 새로운 topology 방식임을 분석하였다. 향후 연구에 있어서는 기존의 KY 컨버터 대비 소자의 수가 감소된 새로운 topology 방식의 고효율 DC/DC 컨버터를 개발하고자 한다.

성능/효과

여기서 V_i는 입력 전압, V_f는 다이오드의 항복 전압을 의미하며 제안된 KY 컨버터는 기존 1+2D/2+D KY 컨버터(2+D 형태)보다 전압 스트레스가 적다는 것을 알 수 있다. 따라서 Pspice 시뮬레이션 결과로부터 제안된 KY 컨버터는 입력 전압에 대해 전압 이득식이 2+D의 형태로 출력 전압이 얻어진다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제안된 KY 컨버터는 전압 스트레스가 기존의 KY 컨버터들보다 낮아 스위치 선정과 스위치 효율 측면에서 기존의 KY 컨버터들보다 유리하다고 판단할 수 있다.
또한, 기존 KY 컨버터의 1+D의 낮은 전압 이득을 개선하기 위해 기존의 KY 컨버터에서 스위치의 수는 변함없고 다이오드와 커패시터를 각각 2N 개 추가하여 G = (1+N)+D 형태로 전압 이득을 증가시킬 수 있는 새로운 topology 방식의 회로를 제안하였다. 또한, 제안된 KY 컨버터 회로는 같은 전압 이득식을 보이는 1+2D/2+D KY 컨버터보다 상대적으로 스위치에 걸리는 전압 크기가 낮고 스위치 수가 적어 스위치의 용량 선정과 스위치 효율 측면 등에서 유리할 것으로 판단된다.
따라서 Pspice 시뮬레이션 결과로부터 제안된 KY 컨버터는 입력 전압에 대해 전압 이득식이 2+D의 형태로 출력 전압이 얻어진다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제안된 KY 컨버터는 전압 스트레스가 기존의 KY 컨버터들보다 낮아 스위치 선정과 스위치 효율 측면에서 기존의 KY 컨버터들보다 유리하다고 판단할 수 있다.
본 연구는 기존의 KY 컨버터를 분석하여 새로운 topology 방식의 스텝 업(Step up) 컨버터를 제안하였다. 제안된 KY 컨버터는 기존의 Boost 컨버터의 불연속 전류 제어 모드(DCM), 큰 리플전압, RHPZ 안정도 문제가 없이 항상 연속 전류 모드(CCM)에서 동작하고 전압 리플이 작으며 RHPZ가 없는 특징을 가지고 있다. 또한, 기존 KY 컨버터의 1+D의 낮은 전압 이득을 개선하기 위해 기존의 KY 컨버터에서 스위치의 수는 변함없고 다이오드와 커패시터를 각각 2N 개 추가하여 G = (1+N)+D 형태로 전압 이득을 증가시킬 수 있는 새로운 topology 방식의 회로를 제안하였다.

후속연구

향후 연구에 있어서는 기존의 1+2D/2+D KY 컨버터 대비 소자의 수를 감소시키면서 전압 이득의 확장 범위가 넓고 스위칭 소자에 걸리는 전압 스트레스와 컨덕팅 손실 및 스위칭 손실을 줄이는 새로운 방식의 topology를 개발하고자 한다. 또한 실제 개발된 DC-DC 컨버터 회로가 적용된 전기기기에서 효율 개선 효과 분석에 대한 연구를 수행하고자 한다.
제 4장에서는 실험 결과를 토대로 제안된 KY 컨버터가 기존의 KY 컨버터의 여러 가지 문제점들을 해결이 가능하고 전압 이득을 증가시킬 수 있는 새로운 topology 방식임을 분석하였다. 향후 연구에 있어서는 기존의 KY 컨버터 대비 소자의 수가 감소된 새로운 topology 방식의 고효율 DC/DC 컨버터를 개발하고자 한다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
K. I. Hwu and T. J. Peng, "A Novel Buck-Boost Converter Combining KY and Buck Converters," IIEEE Transactions on Power Electronics,, vol. 27, no. 5, May 2012, pp. 2236-2241.

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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].

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