High efficiency bridgeless triple-mode resonant single power-conversion AC-DC converter

Abstract

본 논문은 power factor corraction (PFC) 을 위한 ac-dc 컨버터를 제안한다. 기존 PFC는 ac-dc 파트와 dc-dc 파트로 구성되는데 제안하는 컨버터는 이를 통합하여 하나의 ac-dc컨버터 만으로 두 파트의 기능을 수행하는 single-power conversion 을 구현하였다. 기존의 PFC는 diode bridge를 사용하여 ac 입력전압을 양의 전압으로 바꾸어 주지만 제안하는 ac-dc 컨버터는 양방향 스위치를 사용하여 diode bridge를 사용하지 않고 스위치만으로 제어한다. 따라서 다이오드에서 생기는 도통손실이 없기 때문에 고효율 달성이 가능하고 소자수 및 부피를 크게 줄일 수 있다. 제안하는 컨버터는 DCM, CCM, MRM 의 모드로 동작을 하고, 입력전압의 부호가 바뀐 직후에 공진캐패시터의 동작점이 바뀌는 구간을 missing resonant region 이라고 한다. 이 구간에서는 입력전력이 출력으로 전달되지 않고 DCM으로 넘어가는 부분에서 시스템게인이 급격하게 바뀌기 때문에 제어가 용이 하지 않다. 따라서 이 구간의 동작을 보장하기 위해서 phase-lead repetitive controller를 설계하였다. 제안하는 컨버터의 동작을 확인하기 위해 1-kW의 prototype을 만들어 실험하였다. 실험 결과 THD 2.3 %, 역률 0.996 이상, 최고 효율 97.3 %, CEC 효율 97.1 % 을 달성하였다. 뿐만 아니라 120-220 V 의 입력전압 범위에서 동작 가능하도록 설계되었다.

This thesis introduces the bridgeless triple-mode resonant ac-dc converter and presents its dynamic model and control technique. The proposed converter operates in triple-mode: discontinuous conduction mode (DCM), continuous conduction mode (CCM), and missing resonance mode (MRM). It has the advantages of small number of required components, medium power capacity, and high efficiency, but it is difficult to control because DCM, CCM and MRM have their own dynamic characteristics. To solve this control problem, we first identify the mode boundaries and, corresponding to each mode, develop the dynamic model to design the controller. In each mode, we propose to add a repetitive controller (RC) with a phase-lead compensator to the conventional duty-ratio plus feedback controller. The RC is used to suppress the deterministic periodic disturbances and the phase-lead compensator is used to compensate for the incurred phase lag. A 1-kW digitally controlled converter prototype is built and used to demonstrate the validity of the proposed modeling and control approach.