Prof. Byoung-Kuk Lee, Ph.D. Energy Mechatronics Lab ...contents.kocw.net/KOCW/document/2015/sungkyunkwan/leebyeongguk/07.pdf · 전력전자공학 13 / 20 Sungkyunkwan Univ., Energy

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: [email protected]

포워드, 플라이백 컨버터

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Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

Forward Converter

S-ON

• Vs=0, VT1=Vi

• VT2=n1*VT1

• D1: Forward bias, D2: Reverse bias

•

S-OFF

• D1:Reverse bias, D2:Forward bias

• Freewheeling

• VL=-VO

• VD2는 Buck Converter전압에 n1배

1 : n1

2 1 1 1D T iv n v n v

Ideal Circuit

Buck Converter와 유사 : T 일정하게, D 조절하여 제어

21

1

N

Nn

1o

v

i

VG n D

V

S

D1

C R vo

Vi

vs

vT2

N2N1

+ +

+

---

+vD2

-

is

iL io

ic

iD2

L

vL+ -+

-

vT1

D2

전력전자공학

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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

diV L

dt

N1 N2

LM

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Forward 컨버터의 실제적인 구성

Practical Circuit

Reset winding or

Demagnetizing winding Magnetizing Inductance

S

D1

C R voLM

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 : N3 Turn

전력전자공학

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Forward 컨버터의 등가회로

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -

D2

D2

S

D1

C R voLM

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

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DTt 0

tL

Vi

M

iM

M

iMAX

L

DTVI

1 1

2 2 2 1

1 1 1 2

,

Li n i

N V N I

N V N I

1

1

s M

iL

M

i i i

Vn i t

L

S

D1

C R voLM

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

Vi

t

i3

t

IMAX/n3

iS

t

TDT

iM

t

IMAX

-Vi /n3

n1IL+IMAX

n1IL

tM

Mode Analysis

자화 인덕터 전류 (I)

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MttDT

3

33

1

1( )

,

iM MAX

M

Vi I t DT

L n

Nwhere n

N

3

1

3M

i

iL

v V

Vv v

n

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v3

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -

D2

vD2

t

Ni Vi

v1

Vi

t

i3

t

IMAX/n3

iS

t

TDT

iM

t

IMAX

-Vi /n3

n1IL+IMAX

n1IL

tM

자화 인덕터 전류 (II)

Mode Analysis

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TttM

S

D1

C R voLM

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

Vi

t

i3

t

IMAX/n3

iS

t

TDT

iM

t

IMAX

-Vi /n3

n1IL+IMAX

n1IL

tM

자화 인덕터 전류 (III)

Mode Analysis Mode Analysis

1차측은 아무런 동작을 하지 않음

인덕터 및 커패시터에 저장된 에너지가 부하로 전달됨

TttM

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자화 인덕터 전류 평형조건

3

3

3

3 3

1( ) 0 ,

(1 )

iM MAX

M

M MAXM

i

M i

i M

Vi I t DT

L n

n L It DT

V

n L V DTDT

V L

DT n DT n DT

이므로

max

3

1

1

M

Dn

t T

3

33

1

1( )

,

iM MAX

M

Vi I t DT

L n

Nwhere n

N

M

iMAX

L

DTVI

전류 평형상태 유지를 위해서 SW-OFF (1-D)T

Magnetizing Inductance는 반드시 0이 되어야 함

위 식으로부터 LM의 전류가 0이 되는 시간 tM을 구하면

t

n1vi-vo

vL

- vo

iL

t

DT T

Imax

Imin

Mode Analysis

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인덕터 전류 (I)

DTt 0

L

vVn

dt

di iL 01

min01 It

L

VVni iL

Buck Converter와 차이점

입력전압에 변압기 권선비가

곱해져 2차측으로 전달됨

자화 인덕터 전류만 추가됨

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -

D2

t

n1vi-vo

vL

- vo

iL

t

DT T

Imax

Imin

Mode Analysis

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인덕터 전류 (II)

TtDT

max0 )( IDTt

L

ViL

R

VIIL

00

L

TDVII L

2

)1(0max

L

TDVII L

2

)1(0min

iDVnV 10

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -

D2

D2

t

n1vi-vo

vL

- vo

iL

t

DT T

Imax

Imin

Mode Analysis

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커패시터 전압

8)(

1

222

11

minmax

minmax0

TII

C

TII

Cv

DTDL

Vn

L

DTDVII

i

)1(

)1(

1

0minmax

8

)1(1 2

10

TDDVn

LCv i

S

D1

C R voLM

Vi

vs

v1 v2

N2

N

1

+ + +

+

- - --

+vD2

-

iM

i1 i2

is

iL io

i3

D3

v2

+

- N3

ic

iD2

L

vL+ -D2

Capacitor Ripple Analysis

0 1 0v n DV

리플전압을 Buck 컨버터에서 Turn비 n1만 고려해주어 계산

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Forward Converter의 설계시 주의사항

Demagnetizing winding

• 큰 전압 절연 요구사항 leakage flux를 줄이기

위해 Primary winding과 bifilar winding 한다.

• Demagnetizing winding에 흐르는 전류가 최대한 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.

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Simulation - Ideal (I)

입력 100V

게이트 신호

100kHz

D=0.5

권선비 n1=4

L=50uH

C=100uF

R= 10ohms

Ideal Forward Converter

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Simulation - Ideal (II)

Simulation Gate 신호

변압기 2차측 전압

인덕터 전류

다이오드 전류

ON OFF

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Simulation - Ideal (III)

Simulation 입력 전압


출력 전압

ON OFF

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Simulation - Practical (I)

Ideal Forward Converter

입력 50V

D=0.4

Lm=1.3mH

1 2: 24 :6N N

1 3: 24 :15N N

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Simulation - Practical (II)



스위치 전압

스위치 전류 다이오드 전류

ON OFF

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Simulation - Practical (III)



다이오드2 전압 다이오드1 전압

ON OFF

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Simulation - Practical (Ⅳ)

Simulation

인덕터 전압

인덕터 전류

입력 전압 다이오드2 전압

출력 전압

ON OFF

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