Synchronous rectifier control strategy for DC/DC phase-shifted full-bridge converter :DC/DC 위상천이 풀브릿지 컨버터의 동기정류기 제어 전략

이선호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이선호 (연세대학교, Graduate School, Yonsei University)

지도교수: Jung-Wook Park

발행연도: 2022

저작권: 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

이 논문은 DC/DC 위상천이 풀브릿지 컨버터의 모든 동작 영역에서의 높은 효율을 달성하기 위한 동기정류기 제어 전략에 관하여 다룬다. 동기정류기를 적용한 위상천이 풀브릿지 컨버터는 서버용 파워서플라이나 전기차용 저전압 DC/DC 컨버터 등의 낮은 출력전압 그리고 높은 출력 전류의 동작환경을 갖는 중, 대전력 어플리케이션에 적합한 토폴로지이다. 이러한 어플리케이션에서는 정격부하에서의 효율 뿐만 아니라 저부하에서의 효율 또한 중요하지만, 비용과 제어 복잡도를 증가시키지 않으면서 저부하 효율을 증대시키긴 어렵다. 따라서, 이 논문은 위상천이 풀브릿지 컨버터의 저부하 효율 및 모든 부하에서 높은 효율을 달성하기 위해, 저부하대 효율을 증대시킬 수 있는 새로운 동기정류기 제어 방법을 제안하고, 동기정류기 제어 방법 간 전환하는 전략 또한 제시한다.

This dissertation presents the synchronous rectifier (SR) control strategy for DC/DC phase-shifted full-bridge (PSFB) converter to achieve high efficiency in overall load conditions. PSFB converter with SR is the promising topology for medium-to-high power applications with low voltage and high current such as server power supply and low voltage DC/DC converter (LDC) for electric vehicles (EVs). In these power applications, it is important to achieve high efficiency not only in medium-to-high load conditions but also in light-load conditions. However, it is difficult to increase the light-load efficiency without increasing the cost and control complexity. Therefore, the SR control strategy that changes the SR control method according to load conditions to achieve maximum efficiency of converter is applied.
At first, this study presents the background research on PSFB converter with SR. PSFB converter operates in continuous conduction mode (CCM) or discontinuous conduction mode (DCM) according to the load conditions and SR control methods. Therefore, the steady-state analysis of PSFB converter in both DCM and CCM operation are presented and the effects of negative current in SR under light-load condition are analyzed. Thereafter, the various SR control methods for PSFB converter are introduced.
Secondly, a new SR control method is proposed. By extending and modulating the turn-on time of SR switches, the body-diode conduction of SR can be eliminated. The performance of proposed control method are theoretically analyzed and compared with the conventional control methods. In addition, the analysis for two practical issues, the effect of improper switching timing of SR and the resonance current in SR during freewheeling period, is presented.
Third, the design considerations for controller of PSFB converter and SR are analyzed. The digital implementations of SR control strategy, which changes each SR control method according to load conditions to obtain the maximum efficiency, and voltage-mode-control (VMC) for output voltage of PSFB converter are presented. In addition, for the safe operation of converter, a control scheme for the transition of SR control method to prevent the pulse-skipping of SR switching signal in load change situations is developed.
Finally, the hardware experiment tests are carried out with PSFB converter prototype rated at 1 kW to verify the effectiveness of SR control strategy with proposed control method. The experiment tests are conducted in DCM and CCM compared with the conventional control methods under various load conditions to evaluate the performance of proposed control method. Also, the fast load transient experiment tests are also carried out to confirm the transient performance of proposed control method. Finally, the efficiency of PSFB converter by the SR control strategy is measured and discussed.

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