지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL ) Intelligent Power Conversion Laboratory

반파형 ZVS-QRC 반파형 ZVS-QRC

ZVS : zero voltage switching 영전압

v_c > 0

L_r : ZC turn on & off at D C_r : ZV turn on & off at S L=inf. i_L = I_L = const.

쿼지 공진형 부스트 컨버터

반파형 ZVS-QRC :

- 스위치 S가 ZV turn-on/ off 하도록 C_r을 병렬로 연결하고, 공진이 일어나도록 L_r 추가한 형태 - 스위치 S 양단에 항상 양 (positive)의 전압이 걸림 ß S 에 병렬 연결된 다이오드

- 스위치 S 전압 v_c : L_r, C_r의 공진현상으로 인하여 반파의 유사 정현파 전압 (quasi-sinusoidal voltage) à 영전압 (ZV) turn-on/off

- 다이오드 D는 L_r에 직렬 연결 à 영전류 (ZC) on/off switching

컨버터 동작모드

컨버터 동작모드

컨버터 각부의 파형 컨버터 각부의 파형

V_o

I_L

D on(ZV, ZC), Soff(ZV)

S on(ZV) 선형감소 선형증가

2I_L

i_s=I_L-i_r S should be turned on during i_r > I_L

i_s=I_L-i_r

Internal D on(ZV)

Internal D off(ZV, ZC)

D off (ZC)

Mode 1 : t₀ < t < t₁

t=t₀^- : S on, v_c =i_r = 0 (from mode 4) i_s = i_L = I_L

t=t₀⁺ : S off à

i_s = 0, i_c = I_L

선형 증가 선형 감소 t = t₁ : v_D=0 v_c = V_o

D on (ZV, ZC)

컨버터 각부의 파형(모드1) 컨버터 각부의 파형(모드1)

) (t t₀ C

v I

r L

c = · -

) (t t₀ C

V I v V v

r L o c o

D = - = - · -

L r o

d I

C t V

t

T ₁ = - ₀ =

Mode 2 : t₁ < t < t₂

By Laplace transformation w/ initial conditions

컨버터 각부의 파형(모드2) 컨버터 각부의 파형(모드2)

) ( sin )

(t V ZI t t₁ v_c = _o + _L w_r -

[

]

)

(t I t t₁

i_r = _L - w_r -

L o

I Z ³V V

V t v dt V

L di v

A t

i dt i

C dv I

o C

o r r c

r r

c r L

= +

=

= +

=

) (

0 ) (

1 1

At t₂, v_c = 0, S의 내부 다이오드 on (ZV)

from

컨버터 각부의 파형(모드2) 컨버터 각부의 파형(모드2)

L o o

L I

Z V V

ZI > > >

p a

w p

w w

a

2 , 3

1 sin

1 sin

1

1 1

2 2

<

÷ £ ø ç ö

è æ-

=

÷÷ø ö ççè

æ-

=

= -

=

-

-

M R

ZI t V

t T

N r

L o r

r d

) (

sin 0

)

(t₂ V ZI t₂ t₁ v_c = = _o + _L w_r -

L i r o N

r i o o L

o V I V I

M R M Z

R V I

Z V V ZI

V = =

= ×

×

×

=

At t₂, v_c가 0이 되면 S의 내부 다이오드가 턴온되 므로 v_c는 음(negative)가 되지않고 영전압 유지

Mode 3 : t₂ < t < t₃

At t₂, internal D of S on à v_c = 0 So, v_Lr = -V_o 즉 i_r 은 선형 감소

At t₃, i_r(t₃)=0, D off (ZC)

컨버터 각부의 파형(모드3) 컨버터 각부의 파형(모드3)

) ( )

1 ( ) ( )

( _{2 2}

2 2 t t

L t V i dt L v

t i t i

r o r

t t Lr r r

r = +

ò

) cos 1 ( )

( ₂ = _L - a

r t I

i

) cos 1 ) (

( ₂

2 3

3 = - = = - a

o L r o

r r

d V

I L V

t i t L

t T

i_r < I_L à internal D of S is off, S should be on before then. (i_s=I_L-i_r<0 for internal D on)

S turn-on 인가

I_L 2I_L

컨버터 각부의 파형(모드4) 컨버터 각부의 파형(모드4)

Mode 4 : t₃ < t < t₄

At t₃, i_r=0 à D 자연적으로 ZC off

L에는 S를 통하여 에너지가 charge 된다.

At t₄, S off à mode 1 시작

4 3

2 1

0 3 3

4

4 ( )

d d

d d

s

s d

t t

t t

T

t t T t

t T

+ +

+

=

-

= -

=

출력전압 해석 출력전압 해석

( )

( )

( )

p a

p

a

, 3 sin

,

cos 2 1

2 1

1 cos 2 1

cos 2 1

) (

) (

) ( )

1 (

1

3

2 2

1

3

2 2

1

<

÷ £ ø ç ö

è æ-

=

úû ù êë

é + + -

÷·

÷ ø ö çç è

·æ

= º

úû ù êë

é + + -

=

úû ù êë

é - -

=

÷ø ç ö

è

æ +

=

úû ê ù

ë

é +

=

=

\

=

=

=

-

ò ò

ò ò

M where R

R α M M

α R f

f π

V M V

R α M M

α R ω f

I I

M α R

R M ω

dt I t i

M α R

ω dt I

t i

dt t i dt

t T i

I

I I V V

T I V E

T I V E

E E

N N N

r i s

o

N N

s r L r

N N

r t L

t r

N r

t L

t r

t t r t

t r

s r

r L i o

s r o o

s L i in

o

in > >

M은 f_s/f_r과 R_N(=R/Z)의해 결정 된다.

f_s/f_r << 1 , R_N >> 1, à M 증 가

출력전압은 한 주기 T_s 동안 E_in = E_o 로 구한다. (I_r : 공진 다이오드 전류 i_r의 평균값)

스위칭 주파수와 전압 전달비 스위칭 주파수와 전압 전달비

( )

ê

é + + -

÷÷· ö çç

·æ

=

=

a

p a

2 1

1

N i s

o

R M M

R f

V f M V

p a

p 2

, 3

1 < <

÷÷ ø ö çç è µ æ

r s

f M f

반파형 ZVS-QRC :

M은 주파수비(f_s/f_r)의 함수로 바뀌 는데, 공진주파수 f_r은 인덕터 L_r과 커패시터 C_r에 의하여 일정하므로 출 력전압은 스위칭주파수 f_s를 변동시 킴으로써 1 에서 무한대(infinity)까 지 제어가능

전파형 ZVS-QRC 전파형 ZVS-QRC

v_c < 0이 가능 à 전파형 전파형 ZVS-QRC :

- 스위치 S는 MOSFET에 다이오드가 직렬로 연결된 구조

- MOSFET에 직렬연결된 다이오드는 회로에서 공진이 일어날 때 스위치 S에 역방향 전압이 걸리는 것을 허용 - S에 걸리는 전압 v_s : L_r, C_r의 공진현상으로 유사 정현파 전압(quasi-sinusoidal voltage)가 됨

à 영전압에서 on/off

à v

- D : 영전류에서 on/off

컨버터 동작모드

컨버터 동작모드

컨버터 각부의 파형 컨버터 각부의 파형

V_o

I_L

D on (ZV, ZC) - D (blocking diode)에 의해 공진 계속 - S on 구간

선형증가

2I_L

선형감소

p a w p

w w

a

2 2 ,3 1 sin

1 sin

1

1 1

2 2

<

÷ £

÷ ø ö çç

è æ-

=

÷÷ ø ö çç

è æ-

=

= -

=

-

-

N r

i L r

r d

R M

V t ZI

t T

Mode 2 : t₁ < t < t₂

- v_c가 음으로 바뀌어도 MOSFET 에 직렬 연결된 다이오드가 음의 전압을 blocking하므로 인덕터 와 커패시터는 공진을 계속한다.

- MOSFET on 신호는 v_c가 음 (negative)인 동안에 on 한다.

- v_c가 양 (positive)이 되는 순간 MOFET, 직렬 연결된 다이오드는 ZV (영전압)에서 turn on 된다.

i_s=I_L-i_r

S turn-on 인가

D off (ZC) i_r

반파형에서 다이오드에 의한 a 범위만 변동

스위칭 주파수와 전압 전달비 스위칭 주파수와 전압 전달비

( )

ê

é + + -

÷·

÷ö çç

·æ

=

=

a

a

1

1

N i s

o

M R

V f M V

p a

p 2

2 , 3

1 < <

÷÷ ø ö çç è µ æ

r s

f M f

전파형 ZVS-QRC:

컨버터의 스위칭 주파 수를 변화시켜 출력전 압제어

QRC의 종류 QRC의 종류

S

L^r

C^r

S

L

C^r

S

L^r

C^r

L^r

C^r

L

Cr

L

Cr

S S

S

����

��� ZCS-QRS

��� ZCS-QRS

����

��� ZVS-QRS

��� ZVS-QRS

ZCS : S에 직렬로 인덕터 연결

à ZC on/off

ZVS : S에 병렬로 커패시터 연결

à ZV on/off

ZCS-QRC의 종류

ZCS-QRC의 종류

ZVS-QRC의 종류

ZVS-QRC의 종류

직렬 공진형 컨버터 직렬 공진형 컨버터

Series Resonant Converter

- 공진회로 (L_r, C_r)에 구형파전압 v_AB 인가 - 공진전류 i_r = 정현파

à ZC switching at S

à

à 입력에너지가 공진회로를 통하여 출력에 전달 à 스위칭에 걸리는 전압, 전류 증가

à

병렬 공진형 컨버터 병렬 공진형 컨버터

Parallel Resonant Converter

- 공진회로 (L_r, C_r)에 구형파전류 i_AB 인가 - 공진전압 v_r = 정현파

à ZV switching at S

à 스위칭 손실 최소화

소프트 스위칭 (Soft switching)

- 스위칭 시에만 공진회로 구성

- 스위칭손실, 전도손실 최소화