[논문]소프트 스위칭이 가능한 토템폴 브리지리스 역률보상회로

이영달; 김정은; 백재일; 김동관; 문건우

문제 정의

따라서 본 논문에서는, 간단한 회로와 제어를 통해 경부하 영역에서 저감된 스위칭 손실을 획득하고 중부하 이상 영역에서는 소프트 스위칭 동작을 바탕으로 토템폴 구조임에도 주 스위치를 Si MOSFET을 통해 안정적으로 시스템을 운용하고 전 부하영역에서 향상된 효율을 가져갈 수 있는 방법을 제안한다.
본 논문에서는, 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로에 간단한 보조회로를 통해 전 부하 영역에서 높은 효율을 가지는 토템폴 브리지리스 역률보상회로를 제안하였다. 제안하는 회로는 보조 회로를 통해 경부하와 중부하에서 구별된 동작을 통해 손 실을 저감하게 된다.

제안 방법

앞서 설명한 내용들을 검증하기 위해, 하이라인 입력 조건, 750W(400V/1.875A) 출력의 프로토타입을 통해 실험을 진행하였다. 그림 4는 경부하과 중부하 이상 영역에서 제안하는 토템폴 브리지리스 역률보상회로의 주요 파형을 나타낸다.
본 논문에서는, 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로에 간단한 보조회로를 통해 전 부하 영역에서 높은 효율을 가지는 토템폴 브리지리스 역률보상회로를 제안하였다. 제안하는 회로는 보조 회로를 통해 경부하와 중부하에서 구별된 동작을 통해 손 실을 저감하게 된다. 경부하 영역에서는 낮은 전류정격을 가지는 보조회로를 통한 빌드업과 파워링 동작을 통해 스위칭 손실을 저감시킨다.
그림 5는 동일 부하조건에서 제안하는 회로의 AC입력 반주기 동안 소프트 스위칭 동작의 제어가 원활히 이뤄지고 있는 것을 나타낸 파형이다. 제안하는 회로는 주 인덕터의 평균전류값을 센싱하여 이를 통해 보조스위치의 턴온타임을 결정하게 된다. 보조스위치를 턴온 시켜주는 시간은 영전압 스위칭 안정성과 더불어 보조회로의 도통손실에 기여하는 주요한 요소이기 때문에 이에 대한 적절한 제어가 필요하다.

성능/효과

따라서 이러한 특징들로 인해, 제안하는 회로는 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로에 비해 주 스위치를 Si MOSFET을 활용함에도 안정적인 운용, 비교적 낮은 비용 및 전 부하 영역에서 높은 효율을 달성하였다.
본 파형을 통해 확인할 수 있듯이, 제안하는 회로의 경우 동일 부하조건에서 보조회로의 턴온 시간이 적절히 제어되고 있고, 이에 따라 중부하 영역에서 원활한 소프트 스위칭이 이뤄지고 있어 부하가 높은 영역에서 스위칭 손실을 크게 저감할 수 있다. 또한, 제안하는 회로는 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로와 달리 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 상대적으로 크게 완화된 역회복 특성의 획득이 가능하므로 스위치에서 부담하게 되는 스트레스를 크게 줄일 수 있어 높은 효율을 달성할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 제안하는 회로는 경부하 영역에서 낮은 전류정격을 가지고 그에 따라 주 스위치 대비 낮은 기생 커패시턴스를 가지는 보조스위치를 활용한 빌드업과 파워링 동작을 바탕으로 스위칭 손실을 크게 저감하였다. 또한, 제안하는 회로는 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로와 달리 중부하 영역에서 보조회로를 활용한 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 중부하 영역에서도 높은 효율을 달성할 수 있었다. 뿐만 아니라, 제안하는 회로는 소프트 스위칭 동작을 통해 주 다이오드의 역회복 특성을 크게 완화할 수 있게 됨에 따라 스위치에서 부담하는 스트레스를 저감할 수 있게 된다.
보조스위치를 턴온 시켜주는 시간은 영전압 스위칭 안정성과 더불어 보조회로의 도통손실에 기여하는 주요한 요소이기 때문에 이에 대한 적절한 제어가 필요하다. 본 파형을 통해 확인할 수 있듯이, 제안하는 회로의 경우 동일 부하조건에서 보조회로의 턴온 시간이 적절히 제어되고 있고, 이에 따라 중부하 영역에서 원활한 소프트 스위칭이 이뤄지고 있어 부하가 높은 영역에서 스위칭 손실을 크게 저감할 수 있다. 또한, 제안하는 회로는 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로와 달리 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 상대적으로 크게 완화된 역회복 특성의 획득이 가능하므로 스위치에서 부담하게 되는 스트레스를 크게 줄일 수 있어 높은 효율을 달성할 수 있다.
그림 6은 전 부하 영역에서 제안하는 회로와 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로의 효율을 비교한 그래프이다. 앞서 언급한 바와 같이, 제안하는 회로는 경부하 영역에서 낮은 전류정격을 가지고 그에 따라 주 스위치 대비 낮은 기생 커패시턴스를 가지는 보조스위치를 활용한 빌드업과 파워링 동작을 바탕으로 스위칭 손실을 크게 저감하였다. 또한, 제안하는 회로는 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로와 달리 중부하 영역에서 보조회로를 활용한 영전압 스위칭이 가능하기 때문에, 중부하 영역에서도 높은 효율을 달성할 수 있었다.
더불어 소프트 스위칭 동작을 통해 주 다이오드의 역회복 특성을 대폭 완화하여 주 스위치에 인가되는 스트레스를 대폭 줄일 수 있는 장점을 지닌다. 이를 통해 제안하는 회로는 주 스위치 를 GaN FET에서 Si MOSFET으로 대체가 가능하다는 장점을 지닌다. 이와 같은 특징들로 인해, 제안하는 회로는 토템폴 구조임에도 불구하고 주 스위치를 Si MOSFET을 활용함에도 안정적인 운용, 낮은 비용 및 전 부하 영역에서 높은 효율 달성이 가능하다.
이를 통해 제안하는 회로는 주 스위치 를 GaN FET에서 Si MOSFET으로 대체가 가능하다는 장점을 지닌다. 이와 같은 특징들로 인해, 제안하는 회로는 토템폴 구조임에도 불구하고 주 스위치를 Si MOSFET을 활용함에도 안정적인 운용, 낮은 비용 및 전 부하 영역에서 높은 효율 달성이 가능하다.
제안하는 컨버터의 또 다른 장점은 경부하 영역에서 스위칭 손실을 크게 저감할 수 있다는 것이다. 그림 1(a)에서 볼 수 있듯이 기존의 토템폴 브리지리스 역률보상회로의 경우, 100% 부하 조건을 고려하여 높은 전류 정격을 가지는 주 스위치를 활용하여 빌드업과 파워링 동작을 수행한다.

후속연구

다양한 브리지리스 역률보상회로 중, 그림 1(a)의 토템폴 브리지리스 역률보상회로는 전력밀도를 고려할 때 상대적으로 적은 수의 소자를 가질 수 있는 장점과 한 쪽 레그에 저주파수의 다이오드가 배치됨에 따라 전자방해내성(EMI)에 강인한 특징을 지녀 이를 활용한 회로 개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 토템폴 브리지리스 역률보상회로 역시 물리적 구조상 하드 스위칭 동작 및 주 다이오드의 역회복 특성으로 인해 높은 비용의 GaN FET를 활용한 개발에 집중되어 있다는 단점과 향후 지속적으로 시장에 요구되는 효율향상에는 한계가 있게 된다.

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