[논문 리뷰] A High Frequency Active Clamp Forward Converter with Coreless Transformer

Reza Asrar Ghaderloo, Ali Parsa Sirat외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 24.

Advanced DC-DC Converters인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고주파(2 MHz), 저전력(<10W)이며, 코어가 없는 인쇄회로기판(PCB) 기반 트랜스포머를 사용하여 절연형 활성 클램프 포워드 컨버터를 제안한다. 이는 제로 전압 스위칭(ZVS)을 가능하게 하고 코어 손실을 제거한다. 활성 클램프 회로와 코어가 없는 트랜스포머를 통합함으로써 고주파에서 스위칭 손실을 감소시키고 수동 부품을 최소화하여 높은 효율과 소형화를 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, a highly compact, low power (&lt;10W), high frequency (2 MHz) isolated active clamp forward converter, comprising a coreless Printed Circuit Board-based transformer is proposed. To decrease the size of converter, high switching frequency is considered which lead to decrease in inductor, capacitor and transformer size. Highly switch loss due to hard switching is an important constraint of forward topology to increase frequency. In this paper, the active clamp circuit is added to forward topology to achieve zero voltage switching and decrease switching loss drastically. Due to zero voltage switching, the proposed converter can operate in high frequency. The principle of active clamp forward converter is described in this paper. Another constraint to increase the switching frequency of forward converter is transformer core losses. In this paper, coreless PCB-based transformer is proposed and implemented to be utilized in the structure of the active clamp forward converter. Instead of classic core-based transformer, using a PCB-based transformer as the power transmitter has increased the efficiency due to elimination of core hysteresis loss. The equivalent circuit, transfer function and input impedance of PCB-based coreless transformer are presented in high frequency. Finally, an experimental prototype of the active clamp forward converter which uses a coreless transformer is implemented. The experimental results of proposed converter are presented to evaluate the theoretical analysis and performance.

연구 동기 및 목표

• 하이퍼포지티브 스위칭으로 인한 고주파 포워드 컨버터의 높은 스위칭 손실 문제를 해결한다.
• 고주파에서 전통적인 트랜스포머의 코어 손실을 제거하기 위해 자성 코어를 제거한다.
• 고주파 동작에 적합한 소형, 저전력(<10W) 절연형 컨버터를 개발한다.
• 활성 클램프 회로를 사용하여 포워드 토폴로지에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 실현함으로써 스위칭 스트레스를 감소시킨다.
• 고주파 전력 전달을 위한 코어가 없는 PCB 기반 트랜스포머의 설계 및 검증을 수행한다.

제안 방법

• 2 MHz에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하기 위해 활성 클램프 회로를 포워드 컨버터 토폴로지에 통합한다.
• 기존의 코어 기반 트랜스포머를 코어가 없는 PCB 기반 트랜스포머로 대체하여 코어 히스테리시스 및 에디스 전류 손실을 제거한다.
• 고주파에서 코어가 없는 PCB 트랜스포머의 등가 회로, 전달 함수 및 입력 임피던스를 모델링한다.
• 고주파 동작(2 MHz)을 활용하여 수동 부품(인덕터, 커패시터, 트랜스포머)의 크기를 최소화한다.
• 이론적 분석 및 실제 조건에서의 성능을 검증하기 위해 실험적 프로토타입을 구현한다.
• 코어가 없는 트랜스포머의 등가 회로 모델링과 주파수 도메인 분석을 통해 컨버터 성능을 분석하고 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 고주파 포워드 컨버터에서 스위칭 손실을 줄이기 위해 효과적으로 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 2 MHz 동작에서 트랜스포머의 자성 코어를 제거함으로써 효율이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 고주파에서 코어가 없는 PCB 기반 트랜스포머의 등가 회로 파ameters와 입력 임피던스 특성은 무엇인가?
• RQ4 활성 클램핑과 코어가 없는 트랜스포머의 조합이 소형, 저전력(<10W) 컨버터 설계를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 실험적 검증에서 제안된 컨버터의 실현 가능한 효율과 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 활성 클램프 회로는 2 MHz에서 주요 스위치에서 제로 전압 스위칭(ZVS)을 성공적으로 구현하여 스위칭 손실을 크게 감소시켰다.
• 코어가 없는 PCB 기반 트랜스포머는 코어 손실을 제거하여 기존의 코어 기반 트랜스포머에 비해 더 높은 전체 효율을 기여한다.
• 실험 프로토타입은 스위칭 손실 감소와 함께 히스테리시스 및 에디스 전류 손실이 없기 때문에 높은 효율을 달성했다.
• 고주파 동작(2 MHz)을 통해 수동 부품의 크기를 상당히 줄여 매우 소형 컨버터 설계를 실현했다.
• 코어가 없는 트랜스포머의 등가 회로 모델은 고주파에서 입력 임피던스 및 전달 특성을 정확하게 예측한다.
• 실험 결과는 이론적 분석을 검증하였으며, 전부 하중 조건에서 안정적인 동작과 효과적인 ZVS를 입증했다.