A Study on the DC-DC Boost Type Converter using Switched-Inductor

Abstract

기존 낮은 DC입력을 높은 DC로 승압하는 DC-DC 부스트 컨버터는 전력용 반도체 스위칭 소자의 고전압 스트레스와 연속 전류 모드에서 작동하는 데 필요한 큰 인덕턴스로 인해 고 이득 DC-DC 변환 응용에는 적합하지 않았다. 하지만, 최근에는 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터의 필요성 증가와 기존의 부스트 컨버터를 개선하는 다양한 연구 방법이 제시되고 있어 많은 연구자들의 주요 토픽으로 연구를 수행하고 있다. 본 논문에서는 새로운 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터를 제안하고 이를 고찰하고자 한다. 제안 된 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터 구조는 변압기를 사용하지 않고 낮은 입력 전압 기반의 토폴로지 구성으로 전력용 반도체 스위치 및 커패시터의 전압 스트레스를 감소시킬 수 있으며 높은 전압 이득을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 제안된 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터 토폴로지는 가변적인 저전압 입력 전압이 높은 안정화 된 DC 출력 전압으로 변환되는 고 이득 변환의 응용에 적합하다. 따라서 본 논문에서는 고 이득을 얻기 위하여 하나의 스위치드 인덕터 단위 셀 방식을 기반으로 두개의 스위치드 인덕터 셀 방식 및 다중 스위치드 인덕터 셀로 확장이 가능한 새로운 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터를 제안하고 이론적 고찰, 동작원리, CCM과 DCM 회로해석 및 수동 부품 선택에 대한 지침을 제시하였다. 제안된 방식의 이론적 타당성을 검증하기 위해 400 V 출력 전압과 800 W의 시스템을 대상으로 폐루프 제어기에 대한 동적 응답 특성을 PSIM 시뮬레이션 툴을 사용하여 수행하였다. 또한 제안 된 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터의 실험을 위한 프로토 타입을 제작하였으며 PWM 방식을 구현하기 위해서는 Texas Instruments의 DSP TMS320F28035 kit을 사용하여 제안 된 새로운 고 이득 DC-DC 부스트 컨버터의 이론적 분석과 계산식을 검증하기 위한 실험을 수행하여 입증하였다.|The conventional boost converter topologies are not suitable for high gain conversion applications where a low dc input voltage is converted to a high stabilized dc output voltage. The other demerits of conventional dc-dc boost converter are high voltage stress across power semiconductor and a large inductance that is required to guarantee operating in continuous conduction mode. Recently, the high boost dc-dc scheme is one most of the topic that attracted the attention of researchers because they have some merits over the conventional boost converter. In this study, a novel high gain dc-dc boost type converter is discussed. The proposed structure is based on the switched-inductor structure. As a results, the high output voltage is boosted from the low input voltage and without using transformer. Compared to a classical boost for the same input and output voltage gain, the proposed topology could reduce voltage stress across semiconductors and capacitor. Besides that, a high voltage gain can be achieved with a small duty cycle. Therefore, the proposed high gain dc-dc boost type converter topology is suitable for high gain conversion applications where a varying low dc input voltage is converted to a high stabilized dc output voltage. Circuit analysis, operating theories in the continuous conduction mode (CCM) and discontinuous conduction mode (DCM) of the proposed novel high gain dc-dc boost type converter are presented. Furthermore, the guideline of passive components selection of the proposed novel high gain dc-dc boost type converter is illustrated. Then, the proposed converter is extended to multi-switched inductor cell for high boost voltage achievement. Simulation results of proposed converter using 1-switched-inductor cell and proposed converter using 2-switched-inductor cells in PSIM software with 400V output voltage and 800W output power are shown to verify the theoretical analysis. A close-loop controller was used to simulate the dynamic respond for the proposed converter. Finally, the experiment prototype of the proposed high gain dc-dc boost type converter was built to verify the analysis. The kit DSP TMS320F28035 (i.e., clocked at frequency of 60 MHz) of Texas Instruments was used to implement the PWM scheme. The experimental results of the proposed novel high gain dc-dc boost type converter are also indicated to verify theoretical analyses and calculated equations.