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GaN-FET 기반의 고효율 및 고전력밀도 경계전류모드 능동 클램프 플라이백 컨버터 최적설계
Optimal Design of GaN-FET based High Efficiency and High Power Density Boundary Conduction Mode Active Clamp Flyback Converter 원문보기

전력전자학회 2018년도 전력전자학술대회, 2018 July 03, 2018년, pp.201 - 203  

이창민 (국민대학교 POESLA) ,  구현수 (국민대학교 POESLA) ,  지상근 (삼성전자) ,  강정일 (국민대학교 POESLA) ,  한상규

초록
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최근 휴대용 어댑터의 동향은 고주파수 전력 컨버터 설계를 통한 어댑터의 고효율화 및 소형화의 중요성을 강조하고 있다. 그러나 기존 준공진형(Quasi Resonant, QR) 플라이백 컨버터는 하드 스위칭 동작으로 고주파수 구동에 한계가 있으며, 누설 인덕턴스 에너지에 의한 손실로 인해 고효율을 달성하기가 어렵다. 반면, 능동 클램프 플라이백(Active Clamp Flyback, ACF) 컨버터는 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작을 하여 고주파수 구동에 유리하고, 누설 인덕턴스 에너지를 입력으로 회기 시킴으로써 손실을 저감할 수 있다. 또한, 경계전류모드(Boundary Conduction Mode, BCM) 동작에서의 손실분석을 기반으로, 반도체 특성이 우수하여 고주파수 동작에 유리한 GaN-FET를 적용하고 최적 설계를 진행함으로써 고효율 및 고전력밀도를 달성하였다. 따라서 본 논문에서는 GaN-FET를 기반으로 하는 고효율 및 고전력밀도 BCM ACF 컨버터의 최적 설계 방안을 제시하고 65W급 시작품의 실험결과를 통해 이를 검증한다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, ACF 컨버터의 스위치로는 우수한 반도체 특성으로 최근 많은 연구 개발이 진행되는 GaN FET를 적용하고 최적설계를 진행함으로써 고효율 및 고주파수 구동에 유리한 특징을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 BCM ACF 컨버터의 동작원리 상세 분석 및 최적 설계 방안을 제시하고, 설계 방안의 타당성을 검증하기 위하여 65W급 시작품을 통해 실험결과를 제시한다.
  • 본 논문에서는 GaN FET를 적용한 BCM ACF 컨버터의 최적 설계를 진행하였다. 반도체 특성을 고려하여 고주파수 구동에 적합한 GaN FET를 적용하였으며, BCM 동작을 기반으로 최적 설계를 진행하여 주요 파라미터를 선정하였다.

가설 설정

  • 2) 그림에 도시한 기생성분을 제외한 모든 기생성분은 무시한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
QR 플라이백 컨버터는 무엇이 별도로 필요한가? 기존 휴대용 어댑터의 경우, QR 플라이백 컨버터가 많이 사용되어 왔다. QR 플라이백 컨버터는 변압기의 누설 인덕턴스 에너지에 의한 공진 스파이크성 전압으로 인해 스위치 보호회로가 별도로 필요하며, 하드 스위칭 동작으로 스위칭마다 발생하는 손실로 인해 고주파수 구동에 한계를 가지므로 휴대용 어댑터의 고전력밀도화를 달성하기가 어렵다. 반면, ACF 컨버터는 누설 인덕턴스 에너지를 입력으로 회기시켜 줌으로써 누설 인덕턴스로 인한 손실을 최소화하고, ZVS 달성을 통해 스위치 손실 저감이 가능하다.
연속전류모드 ACF 컨버터의 단점은 무엇인가? 반면, ACF 컨버터는 누설 인덕턴스 에너지를 입력으로 회기시켜 줌으로써 누설 인덕턴스로 인한 손실을 최소화하고, ZVS 달성을 통해 스위치 손실 저감이 가능하다. 그러나, 기존의 연속전류모드 ACF 컨버터는 누설 인덕턴스를 이용한 ZVS는 부하가 큰 경우 가능하지만, 경부하에서는 ZVS가 되지 않고 스위칭 손실이 발생하는 단점이 있다. 반면, BCM ACF 컨버터는 자화 인덕턴스를 이용하여 ZVS를 하기 때문에 경부하에서도 ZVS가 가능하여 전 부하 영역에서 고효율 달성 및 고주파 구동이 가능하다.
본 논문에서 자성체 손실인 동손과 철손을 무엇을 통해 구하였는가? 또한, 자성체 손실의 경우 주요 손실인 동손과 철손을 고려하였다. 철손은 스테인메츠 방정식을 통해 도출하였으며, 동손은 DC 손실을 고려하여 권선 저항의 손실을 구하였다.
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