고 전력밀도 역률개선 AC/DC 컨버터를 위한 무손실 스너버에 관한 연구 :A study on Lossless Snubber for High Power Density Power Factor Correction AC/DC Converter

김수산

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김수산 (국민대학교, 국민대학교 대학원)

지도교수: 한상규

발행연도: 2016

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

고 전력밀도 역률개선 AC/DC 컨버터를 위한 무손실 스너버에 관한 연구

김수산 전자공학과 2016.01 학위논문

2015

고 전력밀도 역률 개선 AC/DC 컨버터

김수산 , 김효훈 , 권기현 외 5명 전력전자학회 학술대회 논문집 2015.07 학술대회자료

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본 논문에서는 소프트 스위칭 방식이 적용된 고 전력밀도 역률개선 AC/DC 컨버터를 위한 무손실 스너버를 제안한다. 기존의 역률개선회로는 부피가 큰 리액티브 소자의 크기로 인하여 소형화 및 모듈화에 한계가 존재하였다. 때문에 주파수 상승을 통하여 리액티브 소자의 사이즈를 감소하여 전원회로의 사이즈를 대폭 줄일 수 있다. 하지만 출력전력 증가 및 주파수 상승 시 스위칭 손실은 주파수에 비례하여 증가하게 되어 심각한 발열 및 효율저하 문제를 갖게 된다. 때문에 본 논문에서는 기존의 부스트 컨버터에 새로운 무손실 스너버를 추가하여 턴 오프 시간동안 상승하는 스위치의 양단전압의 기울기를 감소시키는 동작을 한다. 그에 따라 스위치 양단전압과 스위치에 흐르는 전류의 겹치는 면적이 줄어듦으로 턴 오프 손실을 감소시키며, Boundary Conduction Mode(BCM) 제어방식을 통하여 스위치 턴 온 동안 역률개선회로의 입력전압에 따라 Zero Voltage Switching(ZVS) 또는 Valley Switching(VS)동작하여 스위치 턴 온 손실을 저감시킬 수 있다. 또한 추가로 구성되는 다이오드, 인덕터, 캐패시터로 인하여 턴 오프 시간동안 저장되었던 에너지를 출력 측으로 전달하기 때문에 높은 효율 또한 기대할 수 있다. 따라서 본 논문은 기존의 Boost Converter에 비해 높은 주파수 구동을 통하여 리액티브 소자의 부피를 저감하고, 주파수 상승에 따라 상승하는 스위칭 손실을 감소시키며, 턴 오프 시간동안 저장되었던 에너지를 출력 측으로 전달하여 높은 효율을 가질 수 있는 회로를 제안한다. 본 논문의 제안회로는 추가 스위치가 불필요하고, 작은 값을 가지는 수동소자만을 추가하기 때문에 높은 신뢰성을 가져갈 수 있으며, 추가되는 소자수가 적기 때문에 추가비용이 적고 회로구성이 간단하다는 장점을 갖는다. 최종적으로 제안된 구동회로의 우수성과 이론적 분석의 타당성 검증을 위하여 250W급 시작품을 제작하여 고찰된 실험결과를 제시한다.

Ⅰ. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 기존 부스트 컨버터 분석 3
1.2.1 부스트 컨버터(CCM 제어) 4
1.2.2 부스트 컨버터(BCM 제어) 5
1.2.3 부스트 컨버터(turn off capacitor) 7
1.2.4 부스트 컨버터(active snubber) 8
1.2.5 기존 방식에 대한 Summary 10
Ⅱ. 새로운 무손실 스너버가 적용된 부스트 컨버터 11
2.1 제안회로의 동작원리 12
2.2 스너버에 의한 손실 분석 22
2.2.1 스너버 캐패시터 Cs2 22
2.2.2 스너버 캐패시터 Cs2에 의한 스위치 턴 오프 손실 23
2.2.3 스너버 캐패시터 Cs2에 의한 스위치 턴 온 손실 24
2.2.4 스너버 캐패시터 Cs1 26
2.2.5 스너버 인덕터 Ls1 27
2.2.6 스너버 인덕터 Ls1에 의한 스위치 턴 온 손실 27
2.2.7 스너버 인덕터 Ls1에 의한 다이오드 D1, D2의 도통 손실 28
2.3 제안회로의 입력 인덕터 및 스너버 설계 29
2.3.1 inductance vs frequency 29
2.3.2 스너버에 따른 손실 비교 33
2.4 제안회로의 출력 캐패시터 설계 36
2.4.1 출력 캐패시터 ripple 36
2.4.2 출력 캐패시터 Hold up time 37
2.4.3 출력 캐패시터 RMS current 38
Ⅲ. 제안회로의 모의실험 39
3.1 제안회로의 모의실험 실험사양 및 회로 39
3.2 제안회로의 모의실험 결과 41
3.2.1 스위치 턴 온 시 스위칭 특성 41
3.2.2 스위치 턴 오프 시 스위칭 특성 43
Ⅳ. 제안회로의 구동회로 실험(Hardware Test)결과 45
4.1 제안회로의 Power Factor(PF) 측정 47
4.2 제안회로의 스위칭 특성 47
4.2.1 턴 온 스위칭 특성 48
4.2.2 턴 오프 스위칭 특성 51
4.3 제안회로의 다이오드 턴 오프 특성 53
4.4 제안회로가 적용된 시작품의 Soft Start 53
4.5 제안회로가 적용된 시작품의 Dynamic Load Test 54
4.6 기존 제품과의 효율 비교 분석 59
4.7 기존 제품과의 리액티브 소자 체적 비교 61
4.8 기존 제품과의 보드 사이즈 비교 63
Ⅴ. 결 론 64
Ⅵ. 향 후 계획 66
참고문헌 68
Abstract 73

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