높은 전력 밀도와 EMI 저감을 위한 보조 공진 회로를 갖는 PFC PWM 승압형 컨버터 연구

Abstract

본 논문은 가전 및 전기 자동차 분야에서 적용하고 있는 능동형 역률 보정 기법 중 하나인 PWM 승압형 컨버터에서 높은 전력밀도, 낮은 복잡도와 저비용으로 구현이 가능하며, 집적화된 PFC 전력 모듈에 적용 할 수 있는 보조 공진 회로를 갖는 새로운 ZVT PWM 승압형 컨버터 기법을 제안 한다. 먼저 다양한 소프트 스위칭 기법에 대하여 기술하고, 그 중 ZVT PWM 승압형 컨버터와 ZCT 승압형 컨버터에 대한 기존 기법들을 고찰 한다. 다음으로 제안된 ZVT PWM 승압형 컨버터에 대한 우수성에 대해 이론적 해석을 바탕으로 기술한다. 메인 스위치는 보조 공진 회로를 이용하여 턴-온 시 영전압 스위칭 동작을 하고, 보조 스위치는 새로운 해석 기법을 적용하여 턴-오프 시 매우 작은 전압 스트레스를 갖는 스위칭 동작을 한다. 이러한 동작은, 기존의 기법들에서 전압 스트레스로부터 전력 소자의 보호를 위해 사용된 클램핑 다이오드의 삭제를 가능케 하였고, 추가적으로 EMI 노이즈가 개선 됨을 확인 하였다. 또한, 메인 스위치와 보조 스위치의 동시 턴-온 구간에서 보조 스위치로 흐르는 전류가 감소하는 해석을 제안하여, 기존의 기법에서 역 전류 방지를 위해 사용한 다이오드의 삭제를 가능케 하였다. 추가적으로 보조 공진 회로의 최적 설계를 제시하여, 매우 작은 인덕터와 커패시터, 메인 스위치보다 작은 전류 용량의 보조 스위치만으로 보조 공진 회로를 구성하였다. 이러한 장점들은 소프트 스위칭이 가능한 집적화된 PFC 전력 모듈 새로운 가능성을 제시 하였고, 소자들의 수와 용량을 최소화 하고, 시스템의 복잡도를 낮추며, 부피를 줄이고, 비용을 저감할 수 있어 가전 및 전기 자동차 분야에 적용이 용이하다는 것을 제시 한다. 마지막으로, 제안된 보조 공진 회로를 갖는 PWM 승압형 컨버터의 이론적인 해석에 대하여 타당성과 우수성을 확인 하기 위해 모의 실험 수행 하였고, 1.8kW급 PWM 승압형 컨버터의 프로토 타입 시스템을 구성하여, 실험을 통해 가전 기기 및 전기 자동차 분야의 적용에 대한 타당성을 증명한다.