[논문]위상-천이 제어 기법의 액티브 정류기 구조를 갖는 고효율 풀-브릿지 컨버터

한정규; 김건우; 최승현; 문건우

위상-천이 제어 기법의 액티브 정류기 구조를 갖는 고효율 풀-브릿지 컨버터
A High Efficiency Full-Bridge Converter With Phase-Shifted Controlled Active Rectifier 원문보기

한정규 (한국과학기술원) , 김건우 (한국과학기술원) , 최승현 (한국과학기술원) , 문건우 (한국과학기술원)

본 논문에서는, 위상-천이 제어 기반의 액티브 정류기 구조를 갖는 새로운 고효율 풀-브릿지 컨버터를 제안한다. 기존의 위상-천이 풀-브릿지 컨버터는 풀-브릿지 구조로 인한 스위치의 작은 도통손실과, 영전압 스위칭 등의 특징으로 인해 높은 용량에서 널리 쓰이는 토폴로지이다. 하지만, 위상-천이 풀-브릿지 컨버터는 넓은 입력전압 범위에서 설계되면 1차측에 큰 환류 전류가 생겨 도통손실이 증가하는 문제점을 갖는다. 따라서 이를 해결하기 위해, 제안하는 회로는 액티브 정류기를 사용하여 1차측 스위치들이 항상 최대 시비율로 동작할 수 있게 한다. 이로 인하여 순환 전류가 사라져 넓은 입력전압 범위에서도 높은 효율을 달성 할 수 있다. 뿐만 아니라, 제안하는 정류기의 구조 상 특징으로 인해 액티브 정류기의 스위치는 전압 링잉을 갖지 않고 출력 전압으로 고정되어 낮은 전압 스트레스를 갖는다. 제안하는 회로의 효용성을 증명하기 위해, 250-400V 입력, 56V/12.8A 출력에서 실험이 진행되었다.

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문제 정의

본 논문에서는, 새로운 액티브 정류기를 갖는 풀-브릿지 컨버터를 제안하였다. 제안하는 회로는 기존 위상-천이 풀-브릿지 컨버터와 달리, 1차측 스위치가 항상 최대의 유효 시비율로 동작하며, 액티브 정류기의 위상-천이 기법을 통해 출력 전압을 제어한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 그림 2와 같은 새로운 액티브 정류기 구조를 갖는 풀-브릿지 회로를 제안한다. 제안하는 회로의 1차측 스위치는 항상 최대 시비율로 동작하며, 액티브 정류기의 위상-천이 기법을 통해 출력 전압을 제어한다.

가설 설정

제안하는 컨버터의 스위치 구동 특성. (a) 노미널 동작 시 스위치 동작, (b) 홀드-업 동작 시 스위치 동작.

제안 방법

또한, 결합 인덕터 정류기와 제안하는 정류기는 Q_a1과 Q_a2의 전압이 출력 전압으로 클램핑되기 때문에, 매우 낮은 전압 스트레스를 갖는 것을 확인 할 수 있다. 모든 프로토타입 컨버터들은 전 부하 영역에서 영전압 스위칭이 가능하도록 설계되었으며, 제안하는 회로와의 공정한 비교를 위해 기존 회로들의 정류기에서 2개의 다이오드 대신 2개의 동기 정류기가 사용되었다.
반면에, 제안하는 회로는 입력 전압이 높은 노미널 동작 시, 1차측 스위치가 최대의 유효 시비율로 동작한다. 그리고, 홀드업 동작 시 입력 전압이 낮아지게 되면, 이를 보상하기 위해 액티브 정류기가 동작하여 추가적인 전압이득을 만들어 낸다.
이는 Q_a1과 Q_a2를 D4와 D3가 도통 하는 시기에 킬 경우, 동기 정류기로 사용 할 수 있으며, 변압기의 2차측 전압 방향에 맞춰 킬 경우 부스트 컨버터로 동작 시킬 수 있음을 의미한다. 이를 통해, 제안하는 컨버터는 노미널 동작 시 Q_a1과 Q_a2를 동기 정류기로 사용하여 도통 손실을 저감하고, 홀드-업 동작 시 추가 전압 이득을 얻기 위해 Q_a1과 Q_a2를 부스트 컨버터의 스위치로 사용한다.
제안하는 회로의 1차측 스위치는 항상 최대 시비율로 동작하며, 액티브 정류기의 위상-천이 기법을 통해 출력 전압을 제어한다. 제안하는 회로는 1차측 스위치가 최대 시비율로 동작하기 때문에, 순환 전류가 발생하지 않으며 액티브 브릿지의 스위치 전압이 출력 전압으로 클램핑되는 장점을 갖는다.
본 논문에서는, 새로운 액티브 정류기를 갖는 풀-브릿지 컨버터를 제안하였다. 제안하는 회로는 기존 위상-천이 풀-브릿지 컨버터와 달리, 1차측 스위치가 항상 최대의 유효 시비율로 동작하며, 액티브 정류기의 위상-천이 기법을 통해 출력 전압을 제어한다. 이로 인해, 넓은 입력 전압 범위를 갖는 조건에서도 노미널 동작 시 최대의 유효 시비율로 동작하게 되어, 홀드-업 조건에 관계 없이 높은 효율을 달성 할 수 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 그림 2와 같은 새로운 액티브 정류기 구조를 갖는 풀-브릿지 회로를 제안한다. 제안하는 회로의 1차측 스위치는 항상 최대 시비율로 동작하며, 액티브 정류기의 위상-천이 기법을 통해 출력 전압을 제어한다. 제안하는 회로는 1차측 스위치가 최대 시비율로 동작하기 때문에, 순환 전류가 발생하지 않으며 액티브 브릿지의 스위치 전압이 출력 전압으로 클램핑되는 장점을 갖는다.
제안하는 회로의 효용성을 증명하기 위해, 250-400V 입력과 56V/12.8A의 출력 조건에서 실험이 진행되었다. 표 1은 프로토타입 컨버터들의 설계 값을 나타낸다.

성능/효과

표에서 볼 수 있듯이, 기존의 회로들은 홀드-업 동작 시 가장 낮은 입력 전압에서 최대의 시비율을 갖도록 설계되어, 효율이 중요한 노미널 동작 시 낮은 시비율로 동작하게 된다. 반면, 제안하는 회로는 노미널 동작 시 최적의 시비율로 동작하게 되는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 결합 인덕터 정류기와 제안하는 정류기는 Q_a1과 Q_a2의 전압이 출력 전압으로 클램핑되기 때문에, 매우 낮은 전압 스트레스를 갖는 것을 확인 할 수 있다.
14A의 RMS 값을 갖는다. 뿐만 아니라, 정류기 다이오드의 공진으로 인해 큰 전압 스트레스를 갖는 것을 확인 할 수 있다. 결합 인덕터 정류기를 갖는 컨버터의 경우, 순환 전류를 제거하여 비교적 낮은 RMS 값을 갖지만, 작은 시비율로 인해 여전히 큰 전류 스트레스를 갖는다.
제안하는 회로는 기존 위상-천이 풀-브릿지 컨버터와 달리, 1차측 스위치가 항상 최대의 유효 시비율로 동작하며, 액티브 정류기의 위상-천이 기법을 통해 출력 전압을 제어한다. 이로 인해, 넓은 입력 전압 범위를 갖는 조건에서도 노미널 동작 시 최대의 유효 시비율로 동작하게 되어, 홀드-업 조건에 관계 없이 높은 효율을 달성 할 수 있었다. 이와 같은 특징들로 인해, 제안하는 회로는 홀드-업 조건을 필요로 하는 많은 어플리케이션에서 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.

후속연구

그리고, 홀드업 동작 시 입력 전압이 낮아지게 되면, 이를 보상하기 위해 액티브 정류기가 동작하여 추가적인 전압이득을 만들어 낸다. 따라서 제안하는 회로는, 홀드-업 구간이 아닌 노미널 동작 시 최적의 효율을 갖도록 설계될 수 있다. 또한, 홀드-업 시간이 길어지더라도 액티브 정류기의 위상-천이 구간이 길어 질 뿐 노미널 동작에는 영향을 미치지 않는다.
이로 인해, 넓은 입력 전압 범위를 갖는 조건에서도 노미널 동작 시 최대의 유효 시비율로 동작하게 되어, 홀드-업 조건에 관계 없이 높은 효율을 달성 할 수 있었다. 이와 같은 특징들로 인해, 제안하는 회로는 홀드-업 조건을 필요로 하는 많은 어플리케이션에서 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.

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