This paper presents a high frequency design approach for improving efficiency over a wide load range in the self-driven phase-shifted full-bridge converters for server power systems. In the proposed approach, a detailed ZVS analysis of the lagging leg switches in both the continuous conduction mode (CCM) and the discontinuous conduction mode (DCM) is presented. The optimum dead time and the determination of the appropriate operation mode are given for high efficiency according to the load conditions. Finally, the optimum operation conditions are defined to achieve a high-efficiency. A laboratory prototype operating at 80 kHz, rated 1 kW (12 V-83.3 A), is built to verify proposed theoretical analysis and evaluations. The experimental results show that the maximum efficiency is achieved as 95% and 83.5% at full load and 5% load conditions, respectively.
Input-series-output-parallel (ISOP) connected DC-DC converters enable low voltage rating switches to be used in high voltage input applications. In this paper, a DSP is adopted to generate digital phase-shifted PWM signals and to fulfill the closed-loop control function for ISOP connected two full-bridge DC-DC converters. Moreover, a stable output current sharing control strategy is proposed for the system, with which equal sharing of the input voltage and the load current can be achieved without any input voltage control loops. Based on small signal analysis with the state space average method, a loop gain design with the proposed scheme is made. Compared with the conventional IVS scheme, the proposed strategy leads to simplification of the output voltage regulator design and better static and dynamic responses. The effectiveness of the proposed control strategy is verified by the simulation and experimental results of an ISOP system made up of two full-bridge DC-DC converters.
A three-leg inverter-type isolated DC-DC Converter that can use 220 and 440 V grid input voltages is introduced. The secondary circuit structure of the proposed topology is center-tap, which is the same as the conventional phase-shifted full-bridge converter. However, the primary circuit structure is composed of a three-leg inverter structure and a transformer, in which two primary windings are connected in series. The proposed circuit structure has a wider input voltage range than the conventional phase-shifted full-bridge converter, and the circulating-current on the primary-side is reduced. In addition, the voltage stress at the secondary rectifier is greatly improved, and high efficiency can be achieved at a high input voltage by removing the snubber circuit added to the conventional converter. Prototype converters with input DC of 311 V, output of 622 V, and 50 V and 6 kW class specifications were designed and manufactured to verify the validity of the proposed topology; the experimental results are presented.
The conventional phase-shifted full-bridge (PSFB) converter with an LC filter has been widely used for high-power applications of over 1.0 kW. However, the PSFB converter cannot obtain optimal power conversion efficiency during the battery charging in electric vehicle (EV) on-board battery charger applications because of its unique drawbacks, such as a large circulating current and very high voltage stress in the rectifier diodes. As a result, the converters with a capacitive filter, such as LLC resonant converters, replace the PSFB converter in the EV chargers. This study analyzes the problems of the PSFB converter for EV on-board charger applications in detail. Moreover, the newest converters based on the conventional PSFB converter are reviewed. On the basis of the reviews, new PSFB converter topologies are proposed for EV charger applications. The new topologies are formed by connecting the rectifier stage in the PSFB converter with the output of an LLC resonant converter in series. Many problems of the conventional PSFB converter for EV charger applications can be solved and the performance can be more improved because of this structure; this idea is confirmed by an experiment consisting of prototype battery chargers under the output voltage range of 250-450 Vdc at 3.3 kW.
For the high power demand and N+1 redundancy, this paper presents the digital load share (LS) controller design and the implementation of paralleled phase-shifted full-bridge converters (PSFBC) used in distributed power systems. By adopting the digital control strategy, separately used ICs for PSFBC and LS control functions in analog systems can be merged into a cost-effective digital controller. To compensate and stabilize both PSFBC and LS loops with the direct digital design approaches, small-signal model of the system is derived in discrete-time domain. The steady-state and dynamic load sharing performances are also investigated. Experimental results from two 1.2 kW paralleled PSFBC modules are shown to verify the proposed work.
This paper presents a comprehensive analysis of the spurious turn-on phenomena in phase-shifted full-bridge (PSFB) converters. The conventional analysis of the spurious turn-on phenomenon does not establish in the PSFB converter as realizing zero voltage switching (ZVS). Firstly, a circuit model is proposed taking into account the parasitic capacitors and inductors of the transistors, as well as the parasitic elements of the power circuit loop. Second, an exhaustive investigation into the impact of all these parasitic elements on the spurious turn-on is conducted. It has been found that the spurious turn-on phenomenon is mainly attributed to the parasitic inductors of the power circuit loop, while the parasitic inductors of the transistors have a weak impact on this phenomenon. In addition, the operation principle of the PSFB converter makes the leading and lagging legs have distinguished differences with respect to the spurious turn-on problems. Design guidelines are given based on the theoretical analysis. Finally, detailed simulation and experimental results obtained with a 1.5 kW PSFB converter are given to validate proposed analysis.
A DSP-based self-adaptive proportional-integral (PI) controller to control a DC-DC converter is proposed in this paper. The full-bridge topology is adopted here to obtain higher power output capability and higher conversion efficiency. The converter adopts the zero-voltage-switching (ZVS) technique to reduce the conduction losses. A parallel secondary active clamp circuit is added to deal with the voltage overshoot and ringing effect on the transformer's secondary side. A self-adaptive PI controller is proposed to replace the traditional PI controller. Moreover, the designed converter adopts the constant-current and constant-voltage (CC-CV) output control strategy. The secondary active clamp mechanism is discussed in detail. The effectiveness of the proposed converter was experimentally verified by an IGBT-based 10kW prototype.
A high-efficiency method is proposed to suppress magnetic core imbalance in phase-shifted full-bridge (PSFB) converters. Compared with conventional solutions, such as controlling peak current mode (PCM) or adding DC blocking capacitance, the proposed method has several advantages, such as lower power loss and smaller size, because the additional current sensor or blocking capacitor is removed. A time domain model of the secondary side is built to analyze the relationship between transformer core imbalance and cathode voltage of secondary side rectifiers. An approximate control algorithm is designed to achieve asymmetric phase control, which reduces the effects of imbalance. A 60 V/15 A prototype is built to verify the proposed method. Experimental results show that the numerical difference of primary side peak currents between two adjacent cycles is suppressed from 2 A to approximately 0 A. Meanwhile, compared with the PCM solution, the efficiency of the PSFB converter is slightly improved from 93% to 93.2%.
At present, the low-voltage, high-current type power supply is mainly used for effective sterilization in the ballast water treatment system. Research on PSFB converters without output capacitors has been ongoing. Such converters effectively treat ballast water without a separate disinfectant through electric pulses by applying a pulse-type power to the output electrode without an output capacitor. However, in the case of the pulse-type electrolysis treatment method, voltage overshoot can occur due to abrupt voltage fluctuations when the load changes, resulting in circuit reliability problems because of the output capacitorless system. Therefore, a new voltage control algorithm is required. In this paper, we will discuss voltage control for pulsed electrolysis topology without an output capacitor. The proposed voltage control method has been verified using Simulation and experiment. The usefulness of the proposed control method has been proven by the experimental results.
This study proposes a design method of high-power-density and high-efficiency low-voltage DC-DC converters using SiC MOSFET and the optimized planar transformer design procedure based on the figure-of-merit. The secondary rectifying circuit of the phase-shifted full-bridge converter is compared to achieve high power density and high efficiency, and the phase-shifted full bridge converter with a current-doubler rectifier is selected. The planar transformer is designed by the proposed optimized design procedure and verified by FEA simulation. To validate the proposed design method, experimental results from a 3 kW prototype are provided. The prototype achieved 95.28% maximum efficiency and a power density of 2.98 kW/L.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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