A design methodology for transformers including integrated and center-tapped structures for LLC resonant converters is proposed. In the LLC resonant converter, the resonant inductor in the primary side can be merged in the transformer as a leakage inductance. And, the absence of the secondary filter inductor creates low voltage stress on the secondary rectifiers and is cost-effective. A center-tapped structure of the transformer secondary side is widely used in commercial applications because of its higher efficiency and lower cost than full-bridge structures in the rectifying stages. However, this transformer structure has problems of resonance imbalance and transformer inefficiency caused by leakage inductance imbalance in the secondary side and the position of the air-gap in the transformer, respectively. In this paper, gain curves and soft-switching conditions are derived by first harmonic approximation (FHA) and operating circuit simulation. In addition, the effects of the transformer including integrated and center-tapped structures are analyzed by new FHA models and simulations to obtain an optimal design. Finally, the effects of the air-gap position are analyzed by an electromagnetic field simulator. The proposed analysis and design are verified by experimental results with a 385W LLC resonant converter.
Circuit breakers are a crucial factor in ensuring the safety of a Direct Current (DC) grid. One type of DC circuit breaker, the Z-source DC circuit breaker (ZCB), uses a thyristor, which is a type of semiconductor switch. In the event of a fault in the circuit, the ZCB isolates the fault by generating a zero crossing current in the thyristor. The thyristor quickly and actively isolates the fault while generating a zero crossing current, but thyristor switch cannot control turn-off and the allowable current is lower than the current of the mechanical switch. Therefore, it is best to use a mechanical switch with a high allowable current capacity that is capable of on/off control. Due to the slow reaction time of mechanical switches, they may not isolate the fault during the zero crossing current time interval created by the existing circuit. In this case, the zero crossing current time can be increased by using the property that hinders the rapid change in the current of the inductor. This paper will explore whether adding system inductance to increase the zero crossing current time interval is a solution to this problem. The simulation of changing inductor and capacitor (LC) of the circuit is repeated to find an optimal change in the zero crossing current time according to the LC change and provides an inductor and capacitor range optimized for a specific load. The inductor and capacitor range are expected to provide optimization information in the form LC values for future applications of ZCB's using a mechanical switch.
The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences
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v.11
no.9
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pp.869-876
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2016
In the Phase Shifted Full Bridge(: PSFB) converter, there are several design factors including power switches, power switches' driving circuits, transformer and inductor, and rectifier stage, etc. Among them, a key factor influencing an optimal performance of the PSFB converter is the design of transformer. Especially, its effect becomes more important in low voltage and high power applications. In this paper, a study on an optimal design of transformer in the PSFB converter is presented. The design equations for the transformer are derived and analyzed in details, and an example design of the transformer for a 12V, 1200W server power supply application is showed as the result of analysis.
As a key component of high-voltage power conversion system for electric vehicles (EVs), bidirectional DC/DC (Bi-DC/DC) is required to have high efficiency and light weight. Conventional design methods optimize the Bi-DC/DC at the maximum power dissipation point (MPDP). For EVs application, the work condition of the Bi-DC/DC is not strict as the MPDP, where the design method using MPDP may not be optimal during travel of EVs. This paper optimizes the Bi-DC/DC converter targeting efficiency and weight based on the driving cycle. By analyzing the two-phase interleaved Bi-DC/DC for hybrid energy storage systems (HESS) of EVs, its power dissipation is calculated, and an efficiency model is derived. On this basis, weight models of capacitor, inductor and heat sink are built, as well as a dynamic temperature model of heat sink. Based on these models, a method using New European Driving Cycle (NEDC) for optimal design of Bi-DC/DC which simultaneously considered efficiency and weight is proposed. The simulation result shows that compare with conventional optimization methods revealed that the optimization approach based on driving cycle allowed significant weight reduction while meeting the efficiency requirements.
Kim, Yeong-Seok;Park, Jong-Uk;Kim, Chi-Won;Bae, Gi-Seong;Kim, Nam-Su
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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v.39
no.5
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pp.8-15
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2002
We optimally designed the VCO(voltage-controlled oscillator) with spiral inductor using the MOSIS HP 0.5${\mu}{\textrm}{m}$ CMOS process. With the developed SPICE model of spiral inductor, the quality factor of spiral inductor was maximized at the operating frequency by varying the layout parameters, e.g., metal width, number of turns, radius, space of the metal lines. For the operation frequency of 2㎓, the inductance of about 3nH, and the MOSIS HP 0.5 CMOS process with the metal thickness of 0.8${\mu}{\textrm}{m}$, oxide thickness of 3${\mu}{\textrm}{m}$, the optimal width of metal lines is about 20${\mu}{\textrm}{m}$ for the maximum Quality factor. With the optimized spiral inductor, the VCO with LC tuning tank was designed, fabricated and measured. The measurements were peformed on-wafer using the HP8593E spectrum analyzer. The oscillation frequency was about 1.610Hz, the frequency variation of 250MHz(15%) with control voltage of 0V - 2V, and the phase noise of -108.4㏈c(@600KHz) from output spectrum.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.15
no.2
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pp.165-171
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2004
In this paper, the modeling and design of high-Q multilayer passives have been investigated, and multilayer diplexer for GSM/DCS applications has been designed and fabricated using the passives. Modeling of a multilayer inductor was performed by the subsystems of distributed components, and using the modeling the optimal structures of the high-Q multilayer inductor could be designed by analyzing parasitics and couplings which affect their frequency characteristics. Multilayer diplexers for GSM/DCS applications have been designed and fabricated using LTCC technology. LPF for GSM band had the passband insertion loss of less than 0.55 dB, the return loss of more than 12 dB, and the isolation level of more than 26 dB. HPF for DCS band had the passband insertion loss of less than 0.82 dB, the return loss of more than 11 dB, and the isolation level of more than 38 dB.
Conventional SAW duplexer filters employ a 1/4 wavelength transmission line, which causes difficulty in fabrication of the strip line on the package. Its manufacturing process is also complicated, because it needs integrating process of the separate transmitting filter, receiving filter and isolation circuits. This paper concerns development of a new structure of the duplexer filter that has all the transmitting filter, the receiving filter and the isolation circuit as a one chip device. For composition of the duplexer, we design the component SAW ladder filters and the isolation network consisting of lumped inductor and capacitor elements. Performance of the whole duplexer is optimized by the nonlinear multivariable minimization of a proper target function, and the result is compared with that of commercial filters.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.18
no.3
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pp.216-218
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2005
Planar spiral inductors on silicon substrates were optimally designed using MATLAB, which is a tool to perform numerical computations with matrices. The equivalent circuit parameters of the spiral inductors were extracted from the data measured from the spiral inductors fabricated using a 0.18 $\mu\textrm{m}$ RF CMOS process. The metal width, which is a critical design parameter, was optimized for the maximum quality factor with respect to the operating frequency.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.26
no.3
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pp.227-236
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2021
This research proposes a modeling and controller design of a three-level boost (TLB) converter for the implementation of maximum power point tracking (MPPT) in the photovoltaic power conditioning system (PCS). Contrary to the output voltage control of the conventional controller, the Photovoltaic PCS requires an input voltage controller for MPPT operation. A TLB converter has the advantage of decreasing the inductor size and increasing efficiency compared with the existing booster converter. However, an optimal controller is difficult to design due to the complexity of the TLB operations, which have two operational modes on the duty ratio boundary of 0.5. Therefore, the unified linear model equations of the TLB converters, which can be applicable to both operational modes, are derived using linearized solar cell expressions. Furthermore, the transfer functions are obtained for the controller design. The MPPT voltage controller is designed using MATLAB SISOTOOL. In addition, a controller for capacitor voltage unbalancing is described and designed. The simulations and experimental verifications are conducted to verify the effectiveness of the small-signal analysis and control system design.
Kim, Sun-Ju;Jeong, Hyeonju;Choi, Sewan;Cho, Jun-Ho;Jeon, Yujong;Park, Jun-Sung;Yoon, Hye-Sung
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.27
no.1
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pp.26-32
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2022
This paper proposes a power system that includes a 120k W fuel cell DC-DC converter (FDC) and 30 kW bidirectional DC-DC converter (BHDC) for a 150 kW fuel-cell vehicle. With a high DC link voltage of 800 V, the efficiency and power density of the power electronic components are improved. Through the modular design of FDC and BHDC, electric components are shared, resulting in reduced mass production costs. The switching frequency of 30 kHz of full SiC devices and optimal design of coupled inductor reduce the volume, achieving a power density of 8.3 kW/L. Furthermore, a synergetic operation strategy using variable limiter control of FDC and BHDC was proposed to efficiently operate the fuel cell vehicle considering the fuel cell stack efficiency according to the load. Finally, the performance of the prototype was verified by Highway Fuel Economy Driving Schedule testing, EMI test, and the linked operation between FDC and BHDC. The full load efficiencies of the FDC and BHDC prototypes are 98.47% and 98.74%, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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