비교군 컨버터의 효율이 다소 낮게 나타났는데, 이는 비교군 컨버터의 동작 주파수를 제안한 컨버터의 동작 주파수인 300 kHz로 동일하게 설 계했기 때문이라고 볼 수있다. 전 범위에서 영전압 스위칭 동작이 가능 하도록 설계하다 보니 변압기의 자화 인덕턴스
L
m이 다소 낮게 설계 되 었기 때문이다. 이에 영전압 스위칭 동작을 통해 스위칭 손실은 줄었으 나 역으로 코어 손실이 증가하여 그림 4.16와 같은 낮은 효율을 나타낸 것으로 보인다.여기 주목할 점은 경부하와 중부하에서의 효율 차이인데, 비교군 컨버 터는 부하가 낮아질수록 가파르게 효율이 감소하는 반면, 제안한 컨버터 는 그감소폭이 비교적 작은 것을확인할 수 있다.
그림 4.15 제작한 비교군컨버터의 동작파형(Vg=380 V, Po=60 W, Ch1:
Vgs1 [20 V/div], Ch2: Vcs1 [200 V/div], Ch3: Vcs3 [200 V/div], Ch4: iLlk [10 A/div])
그림 4.16 제작한 프로토타입 컨버터의 부하별측정 효율
제 5 장 결론 및 향후 연구
신재생 에너지를 활용한 데이터 센터는 넓은 부하 범위에 대해 전반적으로 효율이 높아야 하고, 넓은 입력 전압 범위에서도 정상 동작을 해야 한다.
본 논문에서는 기존에 제어의 단순함과 안정성으로 신뢰받는 포워드 컨버터 토폴로지에 주목하여 높은 입력 전압에 대응하기 위해 주 스위치를 두 개로 늘렸으며, 변압기 리셋 권선과 능동 클램프 보조회로를 추가였다. 그 결과 영전압 스위칭 동작이 가능하게 되어 영전압 스위칭 동작이 가능해졌으며, 시비율 제한 범위를 늘려 넓은 범위의 입력 전압에 대응 가능해졌다. 한편 불연속 전류 모드로 동작 시 낮은 부하에 대해 낮은 시비율에서 동작 가능하여 자화 인덕턴스 전류의 실효값이 작아진다. 이를 통해 자화 인덕턴스 전류로 인해 발생하는 코어 손실을 줄일 수 있어 경부하 효율의 개선이 가능해졌다.
위의 사항을 컨버터의 동작 모드를 나누어 분석하는 것을 통해 확인하였고, 정상상태 분석을 통해 소자들에 적용되는 전압 내압과 전류 최대, 최솟값 등에 대해 분석하였다. 이를 기반으로 컨버터 설계 지침을 제시하였고, 모의 실험과 프로토타입 컨버터 실험을 통해 검증하였다.
본 논문은 위의 내용에 대해 분석하고, 타당성을 검증하기 위해 모의 실험을 진행하였고, 240 W급 프로토타입 컨버터를 제작하여 실험하고 비교군 토폴로지와의 대조를 통해 영전압 스위칭 동작, 시비율 제한 범위 확장, 경부하 효율 개선을 검증하였다.
본 논문에서는 제안한 토폴로지는 동작 주파수가 높아질수록 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스 설계에 여유가 생기고 출력 인덕터와 출력
커패시터를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 프로토타입 제작 시 자기 코어 선정에 제한이 있어 동작 주파수를 늘리는 데에 한계가 있었고 효율 증대에도 영향이 있었다. 이에 코어 선정에 자유도가 더 있다면 더욱 높은 효율의 컨버터 제작이 가능할 것으로 보인다.
또한 비교군 토폴로지인 능동 클램프 이중 스위치 포워드 컨버터는 동작 주파수가 높을수록 영전압 스위칭 성능이 떨어져 같은 동작 주파수로 효율을 비교하기엔 무리가 있었다. 같은 소자를 사용하면서 최적의 효율을 낼 수 있도록 동작 주파수와 변압기를 설계한다면 보다 공정한 비교가 될 것이라고 생각된다.
한편 프로토타입 컨버터 제작 시 두 개의 주 스위치의 전압 내압이 다르게 나타나는 경우를 볼 수 있었다. 이는 gate timing이나 회로 구성에 의한 차이로 나타날 수 있는데, 이에 대한 분석이 필요하다.
제 6 장 부록
제안한 컨버터는 그림 3.1과 달리 그림 6.1처럼 주 스위치를 직접 연결하여 회로를 구성할 수 있다. 그림 6.1과 같은 구조를 취할 경우, 주 스위치의 게이트를 통일 시킬 수는 없지만 게이트 드라이버 회로의 동작 전압이 낮아진다는 차이점이 있고, 동일 구조를 모아 놓음으로써 실제 회로를 구성할 때 레이아웃 상에서의 이득을 기대할 수 있다.
그림 6.1 제안한 컨버터의 회로2
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Abstract
Forward Converter with Reset Winding and Auxiliary Active-Clamp Zero Voltage Switching Circuit for Wide Input Voltage Range
Kyung-Jun Lee Dept. of Electrical and Computer Engineering The Graduate School Seoul National University
Recently, DC data center with renewable energy system attracts many internet companies for high efficiency and environmental responsibility. Due to several characteristics of renewable energy and data center, DC-DC converters should satisfy various requirements. Among them, capability of wide input voltage range and high efficiency at light load are the most significant issues.
In this paper, novel topology of DC-DC converter for DC data center with renewable energy system proposed based on Two-switch forward converter. An auxiliary active-clamp circuit makes switches operate in ZVS condition. Using the turn ratio of reset winding for reducing voltage stress on auxiliary switch, duty range of converter extended over 0.7. To increase light load efficiency, output inductor current mode of proposed converter differs in load range.
Mode and steady state analysis of proposed converter are done and design guideline is introduced. To verify feasibility, simulation and experiment are done using 240 W prototype converter.