본 논문에서는 종래의 전파모드 영전압 스위칭 다중공진형 콘버터의 문제점을 극복하기 위하여 전파모드 영전압 다중공진형 콘버터의 스위칭 조건 개선방법을 제안한다. 기존의 전파모드 영전압 다중공진형 콘버터는 능동스위치의 기생커패시턴스에 저장된 에너지로 인한 턴-온 손실이 있다. 그러므로 종래의 손실을 제거시키기 위하여 역전류 저지 다이오드와 병렬로 작은 커패시터를 첨가한 개선된 전파모드 영전압 스위칭 다중공진형 콘버터를 제안하였다. 개선된 스위칭 조건은 Buck형 영전압 스위칭 다중공진형 콘버터에 적용하였으며 실험 결과 이 개선된 콘버터는 능동 스위치의 실질적인 영전압 스위칭이 이루어졌으며 능동 스위치의 턴-온 손실을 제거할 수 있었다.
주 스위치가 항상 영전압에서 스위칭을 하는 새로운 영전압 스위칭 방식 (ZVS)의 PWM 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터에서 두 개의 가포화(saturable)인덕터를 보조 스위치의 전도 손실을 줄이기 위하여 기존의 ZVS PWM 컨버터에서 사용한 한 개의 인덕테를 대체하였다. 컨버터의 주 스위치는 영전압 스위칭으로 인하여 스위칭의 전류를 줄이므로써 최소화하였다. 따라서, 제안된 컨버터는 고 전력밀도의 시스템 구현에 사용이 가능하다. 영전압 스위칭을 포함한 위의 특징을 실험을 통하여 증명되었다.
전력 변환 시스템의 고효율, 고전력 밀도를 위한 많은 연구가 활발하게 되어 왔다. 스위칭 주파수를 높임으로써 컨버터의 소형화 및 경량화를 꾀할 수 있으나 스위칭 주파수를 높이게 되면 스위칭 손실이 증가하게 된다. 따라서 스위칭 손실을 저감하기 위한 기법이 적용되어야 한다. 본 연구에서는 이 중 부가적인 회로 없이 변압기의 누설 인덕턴스와 스위치의 출력 커패시터를 이용하여 영전압 스위칭이 가능한 영전압 스위칭(Zero-Voltage Switching) 위상천이(Phase Shift) 풀 브리지 컨버터를 이용하여, 영전압 위상천이 풀 브리지 컨버터의 동작원리를 해석하고 2kW의 출력을 갖는 영전압 스위칭 풀 브리지 컨버터를 설계한다. 각 모드별 동작을 스위치 도통 상태와 전압 전류 파형으로 분석하였다. 분석 결과, 영전압 스위칭이 도통 스위치들의 각 쌍 사이의 위상 변화에 의해 최대 효율을 달성하는 것을 확인하였다. 제안된 영전압 위상천이 풀 브리지 컨버터 설계를 검증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 툴인 PowerSIM사의 PSIM을 이용하여 설계된 2kW 출력 전력을 갖는 영전압 스위칭 위상천이 풀 브리지 컨버터의 성능을 확인하였고, 실험을 통해 연구의 타당성을 입증하였다.
본 논문에서는 주 스위치가 항상 영전압에서 스위칭하는 새로운 영전압 스위칭 방식의 컨버터를 제안하였다. 기존의 영전압 PWM 컨버터의 공진 인덕터와 포화인덕터은 보조 스위치의 전도손실을 줄이기 위하여 두 개의 포화 인덕터로 대체되었다. 따라서, 제안된 컨버터는 주 스위치가 영전압 스위칭되어 스위칭 손실이 적으며, 주 스위치와 보조 스위치의 전도손실을 줄인 특징이 있다. 주 스위치의 영전압 스위칭 특징을 포함한 특징은 200 kHz에서 실행하여 그 결과를 입증하였다.
본 연구는 새로운 영전압, 영전류 스위칭 Forward 컨버터에 관한 것으로 종래의 하드 스위칭(Hard-Switching) Forward 컨버터에 있어서 Turn-off 및 Turn-off시 발생되는 스위칭 손실 및 출력 다이오드 역회복 특성에 따른 손실증가와 스위칭시 발생되는 기생진동을 Forward 컨버터에 있어서 1차측 주 스위칭소자 및 2차측 출력 정류다이오드와 병렬로 무손실 스너버를 적용함으로써 Forward 컨버터의 1차측 스위칭 소자의 Turn-off 및 Turn-on시 영전압, 영전류 스위칭을 이룰 수 있고, 출력 정류다이오드도 영전압, 영전류 스위칭 됨으로 다이오드의 역회복손실 및 기생 진동에 따른 EMI(Electro-Magnetic Interference)를 줄일 수 있는 무손실 스너버 적용 영전압, 영전류 스위칭 Forward 컨버터에 관한 것이다.
공진형 인버터는 스위칭 전압이 0이거나 스위칭 전류가 0인 조건에서 동작할 때 스위칭 손실을 최소로 할 수 있다. 오늘날 조리용 인덕션 레인지에서 폭넓게 사용되고 있는 싱글 스위치 방식의 공진형 인버터는 영전압 스위칭 방법을 주로 사용하는데, 출력 전력을 가변하기 위하여 주파수를 변동시키는 경우에는 종종 영전압 스위칭이 올바르게 수행되지 않는 문제를 가지고 있다. 이는 스위칭 소자가 과열되거나 소손되는 문제를 야기한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 하드웨어적인 전압 비교기를 사용하여 영전압 스위칭 동작을 개선하는 방법을 제안하고, 이 방법의 유효성을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
본 논문은 영전압 스위칭을 갖는 고승압 캐스케이드 동기정류 부스트 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터는 캐스케이드 부스트 컨버터 기반으로 고승압을 달성하기 위해 결합 인덕터를 적용하였으며 컨버터의 효율 향상을 위해 추가 회로와 동기정류방식을 적용하여 기존 출력 다이오드의 도통 손실이 감소하였으며 영전압 스위칭을 달성하였다. 제안된 컨버터는 이론적 해석과 200[W]급 하드웨어 시작품을 제작하여 검증하였다.
본 논문에서는 영전압 스위칭을 하고 브리지가 없는 부스트 역률 보상 회로를 제안한다. 제안하는 회로에서는 브리지 다이오드를 제거하여 도통 손실을 줄일 수 있다. 게다가, 스위치 내부 다이오드의 역회복 전류 문제를 줄여주고 스위치가 영전압 스위칭을 하므로 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있다. 본 논문에서는 제안하는 회로의 이론적 해석 및 설계방법을 설명하고 실험결과를 통해 회로의 동작을 검증한다.
본 논문에서는 3상용 6팩 인버터 모듈을 이용한 가극성 커플드 인덕터를 갖는 영전압 스위칭 펄스-폭변조 단상 풀-브릿지 인버터를 제안한다. 모듈을 이용하기 때문에 시스템의 조밀한 설계가 가능하여 영전압 스위칭 구현에 있어 큰 영향을 미칠 수 있는 기생 성분들을 줄이는데 용이할 수 있다. 본 논문에서 제안된 회로의 동작 원리와 특성들을 다룰 것이며 시뮬레이션을 통하여 가능성을 검증하였다.
UCC3895 드라이버를 이용하여 위상천이방식의 100Mhz로 운용되는 500W급 영전압스위칭(Zero voltage switching) DC/DC 컨버터를 설계하였다. UCC3895 드라이버의 데드타임은 풀브리지의 리딩래그와 레깅래그가 별도로 구동 가능하도록 설계되어 있어 두 래그간에 데드타임을 별도로 부여하는 것이 가능하며, 이것은 두 래그간에 비대칭관계인 데드타임으로 영전압스위칭의 구현을 가능하게 하였다. 또한 본 논문에서는 안정된 출력전압을 위한 부귀환회로 설계방식이 제안되었다. 시제품의 최대 효율은 $500{\Omega}$의 부하에서 95.5% 정도를 나타냈다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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