포워드, 플라이백 컨버터

(1)

Prof. Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab.

School of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

Tel: +82-31-299-4581 Fax: +82-31-299-4612 http://seml.skku.ac.kr EML: bkleeskku@skku.edu

(2)

Forward Converter

 S-ON

• V

_s

=0, V

_T1

=V

_i

• V

_T2

=n

₁

*V

_T1

• D1: Forward bias, D2: Reverse bias

•  S-OFF

• D1:Reverse bias, D2:Forward bias

• Freewheeling

• V

_L

=-V

_O

• V

_D2

는 Buck Converter전압에 n

₁

배

1 : n₁

2 1 1 1

D T i

v  n v  n v

 Ideal Circuit

 Buck Converter와 유사 : T 일정하게, D 조절하여 제어

2 1

1

N n  N

1 o v

i

G V n D

 V  

S

D1

C R v_o

Vi

vs

vT2

N2

N1

+ +

+ -

- - +

vD2

- is

iL io

ic

i_D2 L

vL

+ -

+

-

v_T1 D2

(3)

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

변압기 등가회로 : 자화 인덕턴스

 Equivalent Circuit of Transformer  Magnetizing Inductance

 실제 변압기 특성 고려

 S-OFF 시 LM에 축적된 에너지 방출 시킬 수 있는 회로 필요  Reset winding

 Reset circuit 없다면,

에 의하여 스위치 파괴

Ideal Transformer Practical Transformer

V Ldi

  dt

N₁ N₂

LM

(4)

Forward 컨버터의 실제적인 구성

 Practical Circuit

Reset winding

Demagnetizing winding or Magnetizing Inductance

S

D1

C R vo

LM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+vD2

- iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L vL

+ - D2

자화 인덕터 전류의 상승 억제 : N

₃

Turn

(5)

Forward 컨버터의 등가회로

S

D1

C R vo

LM

Vi

vs

v₁ v₂

N₂ N

1

+ + +

+

- - - -

+v_D2

- i_M

i1 i2

is

iL io

i₃ D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L vL

+ -

S

D1

C R vo

LM

V_i

v_s

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+v_D2

- iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L vL

+ - D2

D2

S

D1

C R vo

LM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+vD2

- iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L vL

+ - D2

 Mode Analysis

(6)

DT t  0 

L t i V

M i M



M i

MAX

L

DT I  V

1 1

2 2 2 1

1 1 1 2

, i n i

L

N V N I



 

1

s M

i L

M

i i i

n i V t L

 

S

D1

C R vo

LM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+vD2

- iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L vL

+ - D₂

vD2

t N_i V_i

v₁ V_i

t

i₃

t I_MAX/n₃

i_S

t

T DT

i_M

t I_MAX

-V_i/n₃

n₁I_L+I_MAX n₁I_L

t_M

 Mode Analysis

자화 인덕터 전류 (I)

(7)

t

M

t DT  

3

3 3

1

1 ( )

,

i

M MAX

M

i I V t DT

L n

where n N N

    



3

1

3

M

i

i L

v V

v v V

n

 

  

S

D1

C R vo

LM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+vD2

- iM

i1 i2

i_s

iL io

i3

D3

v3

+

- N3

ic

iD2

L

vL

+ - D2

vD2

t N_i V_i

v₁ V_i

t

i₃

t I_MAX/n₃

i_S

t

T DT

i_M

t I_MAX

-V_i/n₃

t_M

자화 인덕터 전류 (II)

 Mode Analysis

(8)

T t t

_M

 

S

D1

C R vo

LM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+vD2

- iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L vL

+ - D2

vD2

t Ni Vi

v₁ V_i

t

i₃

t I_MAX/n₃

i_S

t

T DT

i_M

t I_MAX

-V_i/n₃

t_M

자화 인덕터 전류 (III)

 Mode Analysis

 1차측은 아무런 동작을 하지 않음

 인덕터 및 커패시터에 저장된 에너지가 부하로 전달됨

T

t

_M

 

(9)

자화 인덕터 전류 평형조건

3 3

3

3 3

1 ( ) 0 ,

(1 )

i

M MAX

M

M MAX M

i

M i

i M

i I V t DT

L n

n L I t DT

V

n L V DT

DT V L

DT n DT n DT

     

 

   

이므로

max

3

1 1

M

D n

t T

 



3

3 3

1

1 ( )

,

i

M MAX

M

i I V t DT

L n

where n N N

    



M i

MAX

L

DT I  V

 전류 평형상태 유지를 위해서 SW-OFF (1-D)T

 Magnetizing Inductance는 반드시 0이 되어야 함

 위 식으로부터 L

_M

의 전류가 0이 되는 시간 t

_M

을 구하면

t n₁v_i-v_o

vL

- v_o i_L

t

DT T

I_max I_min

 Mode Analysis

(10)

인덕터 전류 (I)

DT t 

 0 L

v V n dt

di

_L ₁ _i



₀



min 0

1

t I

L V V

i

_L

n

ⁱ

 



 Buck Converter와 차이점  입력전압에 변압기 권선비가 곱해져 2차측으로 전달됨  자화 인덕터 전류만 추가됨

S

D1

C R v_o

L_M

Vi

vs

v1 v₂

N2

N

1

+ + +

+

- - - -

+v_D2

- iM

i₁ i₂

i_s

i_L i_o

i3

D₃ v₂ +

- N₃

i_c

i_D2 L

v_L

+ -

D2

t n1vi-vo

vL

- vo

iL

t

DT T

Imax

Imin

 Mode Analysis

(11)

인덕터 전류 (II)

T t DT  

max 0

( t DT ) I L

i

_L

  V  

R I V I

_L



₀



⁰

L T D I V

I

_L

2 ) 1

0

(

max

 



L T D I V

I

_L

2 ) 1

0

(

min

 



DVi

n V₀  ₁

S

D₁

C R vo

LM

V_i

vs

v₁ v₂

N₂ N

1

+ + +

+

- - - -

+v_D2

- i_M

i1 i2

i_s

iL io

i3

D₃ v2

+

- N3

ic

i_D2 L

vL

+ -

S

D1

C R v_o

L_M

V_i

v_s

v1 v2

N₂ N

1

+ + +

+

- - - -

+vD2

- i_M

i₁ i₂

is

i_L i_o

i₃ D3

v₂ +

- N₃

i_c

iD2

L

v_L + - D₂

D₂

t n1vi-vo

vL

- vo

iL

t

DT T

Imax

Imin

 Mode Analysis

(12)

커패시터 전압

) 8 1 (

2 2

2 1 1

min max

0

I T C I

T I

I v C







 



 



 





DT L D

n V

L

DT D

I V I

i

  





 



) 1 (

1 0 min max

8 ) 1 (

1

₁ ²

0

T D DV

n

v  LC

ⁱ

 



S

D₁

C R v_o

L_M

V_i

v_s

v1 v₂

N₂ N

1

+ + +

+

- - - -

+v_D2

- iM

i1 i2

is

iL io

i₃ D3

v₂ +

- N₃

i_c

iD2

L

v_L + - D2

 Capacitor Ripple Analysis

0 1 0

v  n DV

 리플전압을 Buck 컨버터에서 Turn비 n

₁

만 고려해주어 계산

(13)

 Forward Converter의 설계시 주의사항

 Demagnetizing winding

• 큰 전압 절연 요구사항 leakage flux를 줄이기 위해 Primary winding과 bifilar winding 한다 .

• Demagnetizing winding에 흐르는 전류가 최대 한 작아야 한다. source 쪽으로 흐르는 전류의 최소화

설계 고려사항 및 단점

 Forward converter의 단점

 스위치에 걸리는 전압이 크다

 Source측으로 역전류가 흐른다.

 Source에서 나오는 에너지의 효율이 떨어진다.

(14)

Simulation - Ideal (I)

 입력 100V

 게이트 신호

 100kHz

 D=0.5

 권선비 n

₁

=4

 L=50uH

 C=100uF

 R= 10ohms

 Ideal Forward Converter

(15)

Simulation - Ideal (II)

 Simulation

Gate 신호

변압기 2차측 전압

인덕터 전류

다이오드 전류

ON OFF

(16)

Simulation - Ideal (III)

 Simulation _{입력 전압}

변압기 2차측 전압

출력 전압

ON OFF

(17)

Simulation - Practical (I)

 Ideal Forward Converter

 입력 50V

 D=0.4

 Lm=1.3mH



1

:

2

24 : 6 N N 

1

:

3

24 :15

N N 

(18)

Simulation - Practical (II)

 Simulation

Gate 신호

변압기 1차측 전압

스위치 전압

스위치 전류 다이오드 전류

ON OFF

(19)

Simulation - Practical (III)

 Simulation

Gate 신호

변압기 2차측 전압

다이오드2 전압 다이오드1 전압

ON OFF

(20)