Capacitive Isolated Class E Converter Design Considering Touch Current and Electromagnetic Interference

Abstract

This dissertation studies a method to reduce the common-mode current in capacitive isolated class E converter. Removing a transformer from a galvanically isolated converter has been researched a lot to design a high power density DC/DC converter. One way to remove the transformer is to use a capacitor instead of a transformer for galvanic isolation. However, using a capacitor increases the common-mode current, which can cause high touch current and conduction EMI (Electromagnetic Interference). Due to a user's safety and compatibility with other electronic devices, all electronic devices' touch current and EMI are strictly regulated. Therefore, methods to reduce a common-mode current in a capacitive isolated DC/DC converter are studied in this dissertation. In this dissertation, common-mode current in the grid frequency band and switching frequency band are analyzed separately. A common-mode current in the grid frequency band is related to touch current, while the switching frequency component of a common-mode current is responsible for conduction EMI. Since grid frequency is relatively low-frequency, the impedance of a capacitor is high at this frequency range. This dissertation, thus, calculates a maximum capacitance allowed to meet the touch current regulation. For DC/DC converter topology, a class E converter is chosen since this topology is suitable for operating in high frequency and reduce the capacitor to block touch current. A balanced class E converter is proposed for lowering the common-mode current in the switching frequency band. The converter's balanced structure can eliminate the common-mode voltage and thus decrease the common-mode current. A common-mode current in class E DC/DC converter with LC series network and T-network is analyzed in this dissertation. T-network is used to set the voltage gain between input and output voltage of the DC/DC converter, and the design method for this network is also written in this dissertation. The common-mode current in a conventional and a balanced class E converter is compared. The effect of parameter error on a common-mode current in a balanced class E converter is also analyzed. Lastly, a self-powered gate driver circuit for providing power to gate drive is presented. Since a high side switch needs to be placed to operate a balanced class E converter, a circuit providing stable power to a gate driver is necessary. Therefore, a self-powered gate driver circuit that can draw power from the voltage across the switch is proposed. Conduction EMI and touch current are measured using 40W 7cm by 3cm converter prototype. From the experiment, the proposed balanced class E converter has lower EMI noise compare to the conventional class E converter. Also, the measured touch current satisfies the regulation ensuring the safety of a proposed capacitive isolated converter.

본 논문은 정전식 절연형 클래스 E 컨버터에서 발생하는 공통모드 전류를 분석하고 줄이는 방식을 제안한다. 고전력 밀도의 DC/DC 컨버터 설계를 위해 절연형 컨버터의 변압기를 제거하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 변압기를 제거하는 한 방법은 변압기 대신에 커패시터를 이용해 갈바닉 절연을 달성하는 방법이다. 그러나 커패시터를 사용하게 되면 커패시터를 통해 공통모드 전류가 흐르게 되고 이는 접촉 전류와 전도 전자 방해 노이즈를 발생시킨다. 모든 전자기기는 사용자의 안전과 다른 전자기기와의 전자 적합성을 위해 공통모드 전류로 인해 발생하는 접촉 전류와 전도 전자 방해 노이즈를 제한하고 있다. 그러므로 본 논문에서는 정전식 절연형 클래스 E 컨버터에서 발생하는 공통모드 전류를 분석하고 이를 줄이는 방법을 연구한다. 먼저 계통 주파수 대역의 공통모드 전류를 먼저 분석하였다. 이 저주파수 대역의 공통모드 전류는 사용자의 안전을 위협하는 접촉 전류와 관련이 있다. 저주파수 대역에서는 커패시터가 높은 임피던스를 가지기 때문에 최대 커패시터 값을 설정해서 접촉 전류를 규정에 만족하도록 설정할 수 있다. DC/DC 컨버터의 토폴로지로는 클래스 E 컨버터를 선정하였다. 이 토폴로지는 영 전압 스위칭을 통해 고주파 스위칭이 가능하다는 장점이 있어 절연을 위해 사용하는 커패시터 값을 접촉 전류 규정에 맞게 줄일 수가 있다. 전도 전자 방해 노이즈를 발생시키는 고주파의 공통모드 전류를 제거하기 위해서는 컨버터를 대칭형으로 설계하는 방식을 사용한다. 본 논문에서는 LC 직렬 네트워크를 사용하는 정전식 클래스 E 컨버터와 T-네트워크를 사용하는 정전식 클래스 E 컨버터의 공통모드 전류를 분석하였다. 여기서 T-네트워크는 컨버터의 입출력비를 설정할 수 있도록 설계되었고 논문에서 이 네트워크를 설계 방식도 같이 제시하였다. 기존의 클래스 E 컨버터와 대칭형 클래스 E 컨버터의 공통모드 전류를 비교하였고 대칭형 컨버터에서 파라미터 오차에 의한 공통모드 전류도 본 논문에서 분석하였다. 마지막으로 대칭형 클래스 E 컨버터를 설계하기 위해서는 스위치가 상측에 배치되어야 하는데 이를 위해서는 스위치의 게이트 드라이버의 전원을 공급해주는 회로가 추가로 필요하다. 본 논문에서는 스위치에 인가되는 전압을 이용해 게이트 구동기의 전원을 공급해주는 회로를 제시한다. 제안한 컨버터는 40W급의 7cm x 3cm 크기의 프로토타입을 이용해 실험을 진행했다. LC 직렬 네트워크를 사용하는 정전식 절연형 클래스 E 컨버터와 T-네트워크를 사용하는 정전식 절연형 클래스 E 컨버터를 실험했고 접촉 전류와 전도 전자 방해 노이즈를 측정했다. 제안한 정전식 절연형 컨버터가 기존의 컨버터에 비해 전도 전자 방해 노이즈를 감소시킬 수 있었고 접촉 전류 또한 규정에 맞게 제한되어 제안하는 정전식 절연형 컨버터의 안정성을 확인하였다.