지능형전력변환실험실( IPCL ) Intelligent Power Conversion...
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지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL )IntelligentPowerConversionLaboratory
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지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL )IntelligentPowerConversionLaboratory
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제 7 장 공진형 컨버터제 7 장 공진형 컨버터
u 공진형 컨버터의 필요성u 영전류 스위칭 방식의 쿼지 공진형 컨버터(ZCS-QRC)u 영전압 스위칭 방식의 쿼지 공진형 컨버터(ZVS-QRC)u 공진형 컨버터의 종류
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공진형 컨버터의 필요성공진형 컨버터의 필요성
PWM 컨버터의 스위칭 특성
고주파 스위칭에 따른 손실증가
손실 (Losses) conduction losses (도통 손실) : MOSFET, IGBT, Diodeswitching losses : turn-on loss, turn-off loss, reverse recovery loss
Hard switching : -overlap of voltage & current waveforms-Proportional to fs (switching frequency)
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공진형 스위치의 스위칭 특성공진형 스위치의 스위칭 특성
전류가 턴 온 오프 시 0 이다. 일반적인 공진스위치구성
Soft switching : -스위칭 순간 시 스위치의 전압 or 전류 à 0
à switching loss 최소화, 고조파 스위칭에서 고효율화-공진형 스위치 = 스위치 + Lr, Cr for resonance à 스위치에 공진을 일으키는 인덕터 와
커패시터를 추가하여 구성
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영전류 스위칭방식의 쿼지 공진형 컨버터영전류 스위칭방식의 쿼지 공진형 컨버터
입출력 전압전달비
스위칭 주파수
공진 각주파수
공진주파수
특성 임피던스
정규화 부하저항
i
o
VVM =
ss Tf 1=
rrr CL
1=w
pw2r
rf =
r
r
CLZ =
ZRRN =
Vi : input voltage
Vo : output voltage
Ts : switching period
Cr : resonant capacitance
Lr : resonant inductance
R : load
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반파형 ZCS-QRC반파형 ZCS-QRC
ZCS : Zero-Current SwitchingQRC : Quasi-Resonant ConverterZC : Zero CurrentZV : Zero Voltage
쿼지 공진형 벅 컨버터
다이오드 역 전류 방지
Lr : ZC turn off at SCr : ZV turn on at D
Addition of- Lr , Cr : zero-current turn-on & turn-off- series connected Ds : Lr , Cr 공진전류의 반파정류 (half-wave rectifier)Assumption :- L is infinity - iL = IL = constant
ZCS : : zero current switching 영전류
Ds
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공진형 벅 컨버터 동작모드공진형 벅 컨버터 동작모드
4가지 동작모드 (operation mode)
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공진형 벅 컨버터 각부의 파형공진형 벅 컨버터 각부의 파형
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22 N
N
NNr
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i
o
RM
MR
RM
RM
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VVM
p
M은 fs/fr과 의해 결정된다.RN >> 1, Td3 증가 by low IL àVc 증가 (평균 vc) à M 증가
2Vi
Vi
IL
D off(ZV, ZC)
S off (ZC)
선형감소
ir : Lr, Cr의직렬공진현상으로 유사정현파 전류(quasi-sinusoidalcurrent)
S : 영전류에서 on/offD : 영전압에서 on/off
선형증가
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컨버터 각부의 파형(모드1)컨버터 각부의 파형(모드1)
)( 0ttLVir
ir -·=
)( 0ttLVIiIir
iLrLD -·-=-=
i
rLd V
LIttT =-= 011
Mode 1 : t0 < t < t1t=t0
- : D on, vc =ir = 0 (from mode 4)iD = iL
t=t0+ : S on à S & D 동시에 on
vr = Vi
선형 증가
선형 감소
t = t1 : iD=0 ir = ILD off (ZV, ZC)
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Mode 2 : t1 < t < t2D off 상태, Lr, Cr의 직렬공진회로 구성
By Laplace transformation w/ initial conditions
컨버터 각부의 파형(모드2)컨버터 각부의 파형(모드2)
Lc
rr IdtdvCi +=
)(sin)( 1ttZVIti ri
Lr -+= w
)](cos1[)( 1ttVtv ric --= w
cr
ri vdtdiLV += [ ]VtvC 0)( 1 =
[ ]AIti Lr =)( 1
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At t2, ir = 0, S off (ZC), Ds 가 음의 전류 block
from
컨버터 각부의 파형(모드2)컨버터 각부의 파형(모드2)
L
iL
i
IVZI
ZV
£> >
papw
wwa
23,sin1
sin1
1
1122
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-
-
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L
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RM
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)(sin0)( 122 ttZVIti ri
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L
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L IIRVI ==
S의 ZC turn-off 조건
a
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Mode 3 : t2 < t < t3At t2, S & D off à ir = iD = 0
So, icr = -IL 즉 vc 는 선형 감소
At t3, vc(t3)=0, D on
컨버터 각부의 파형(모드3)컨버터 각부의 파형(모드3)
)()()(1)()( 2222 ttCItvdtti
Ctvtv
r
Lc
t
t crr
cc --=+= ò
)cos1()( 2 a-= ic Vtv
)cos1()( 2233 a-==-= i
L
r
L
crd V
IC
ItvCttT
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컨버터 각부의 파형(모드4)컨버터 각부의 파형(모드4)
4321
03344 )(
dddds
sd
ttttTttTttT
+++=-=-=
Mode 4 : t3 < t < t4
At t3, D on (ZV)- L에 있는 에너지는 D를 통하여 freewheeling 한다.- IL은 D를 통하여 흐르며, Cr은 영전압 유지, S는입력전압 Vi가 걸린다.
At t4, S on à mode 1 시작
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출력전압 해석출력전압 해석
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çèæ ++=
úû
ùêë
é-+-+·-=
úû
ùêë
é+---+·-=
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121201
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21
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1
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1
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1
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dLdLdL
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L
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t
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T
)tt(ZωV)It(tI)t(t
T
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T
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I
w
w
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TTTTVV
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2 321
sriin TIVE = sLoo TIVE =oin EE =L
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IVV =\
)cos1(321 awa
-==ºL
ird
rd
i
rLd I
VCTTVLLT
à à
출력전압은 한 주기 Ts 동안 Ein = Eo 로 구한다. (Ir : 입력전류 ir의 평균값)
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전압 전달비 M전압 전달비 M
÷÷ø
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æ -++=
Lir
ri
Lr
s
i
IVC
VIL
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wa cos1
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Ls
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Lr
i ITVC
TV
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Nr
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221
2
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×××=
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××
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22
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11sin22
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i RM
MR
RM
RM
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VVM
p
from
M은 fs/fr과 의해 결정된다.RN >> 1, Td3 증가 by low IL àVc 증가 (평균 vc) à M 증가
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스위칭 주파수에 따른 전압전달비스위칭 주파수에 따른 전압전달비
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N
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MR
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반파형 ZCS-QRC :기존의 DC-DC 컨버터가 D(duty ratio)에 의해 출력전압을 제어하는 것과 같은원리로 컨버터의 스위칭 주파수 fs를 변화시켜 D를 조종함으로써 출력전압을 제어할 수 있다.
M은 fs/fr과 RN(=R/Z)에 의하여 결정된다.
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전파형 ZCS-QRC전파형 ZCS-QRC
전파형 ZCS-QRC :- 스위치 S는 공진으로 인해 역방향전류가 흐르는 것을 허용- 스위치 S에 직렬연결된 다이오드 Ds 제거- ir : Lr, Cr의 직렬공진현상으로 유사 정현파 전류(quasi-sinusoidal current)가 흐름 à 음(negative )
전류 가능 à 음의 ir 전류는 스위치 S의 내주 다이오드를 통하여 공진회로 유지- S: 영전류에서 on/off - D : 영전압에서 on/off
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컨버터 동작모드컨버터 동작모드
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컨버터 동작모드컨버터 동작모드
2Vi
Vi
IL
D off (ZC, ZV)
S off (ZC)
선형감소
D on
선형증가
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컨버터 각부의 파형(모드1)컨버터 각부의 파형(모드1)
)( 0ttLVir
ir -·=
)( 0ttLVIiIir
iLrLD -·-=-=
i
rLd V
LIttT =-= 01
모드1:
S off, D on 상태 à S on at t=t0반파형 ZCS-QRC와 동일한 회로 동작At t=t1, D off at ZC & ZV
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Mode 2 : t1 < t < t2D off 상태, Lr, Cr의 직렬공진회로 구성
By Laplace transformation w/ initial conditions
컨버터 각부의 파형(모드2)컨버터 각부의 파형(모드2)
Lc
rr IdtdvCi +=
)(sin)( 1ttZVIti ri
Lr -+= w
)](cos1[)( 1ttVtv ric --= w
cr
ri vdtdiLV += VtvC 0)( 1 =
AIti Lr =)( 1
반파형 ZCS-QRC와 동일한 회로 동작
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ir의 방향이 반대가 되는 순간 S off à S의 내부 다이오드를 통하여 ir 흐름
ir이 음에서 양으로 반전되어 S의 내부 다이오드가꺼지는 t2까지 지속한다.
from
컨버터 각부의 파형(모드2)컨버터 각부의 파형(모드2)
L
iL
i
IVZI
ZV
£> >
papw
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223,sin1
sin1
1
1122
<£÷÷ø
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æ-=
÷÷ø
öççè
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-
-
Nr
i
L
rrd
RM
VZIttT
)(sin0)( 122 ttZVIti ri
Lr -+== w
Ni
oo
ii
L
RM
VV
ZRR
VVZ
VZI
===1
Loo
L IIRVI ==
S의 ZC turn-off 조건
a
t2
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컨버터 각부의 파형(모드3,4)컨버터 각부의 파형(모드3,4)
)()()( 22 ttCItvtvr
Lcc --=
)cos1()( 2 a-= ic Vtv
)cos1()( 2233 a-==-= i
L
r
L
crd V
IC
ItvCttT
)( 03344 ttTttT sd -=-=
모드3:
모드4:
모드3 모드4
S, D off à D on in ZV반파형 ZCS-QRC와 동일한 회로 동작Cr 전압 vc < 0 à ZV에서 자연적으로 D turn-on
반파형 ZCS-QRC와 동일한 회로 동작
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스위칭 주파수와 전압 전달비스위칭 주파수와 전압 전달비
úúú
û
ù
êêê
ë
é
÷÷÷
ø
ö
ççç
è
æ
÷÷ø
öççè
æ--+÷÷
ø
öççè
æ-+·= -
21 11sin
221
N
N
NNr
s
RM
MR
RM
RM
ffM
p
pap 223, <<µ
r
s
ffM
전파형 ZCS-QRC
M은 fs/fr과 RN(=R/Z)에 의하여 결정된다.