최근 소형, 경량화 및 저가격화를 위해 절연형 고주파링크 승압 DC/DC 컨버터가 PCS (Power Conditioning System)에 많이 적용되고 있다. 하지만, 기존 전압형 컨버터 또는 전류형 컨버터가 적용된 고주파 링크 승압컨버터는 순환전류에 따른 도통손실과 변압기 누설인덕턴스에 따른 서지전압에 의해 여러 문제점을 내포하고 있다. 이들 문제들을 개선하기위해 새로운 2차측 LLC 직렬공진컨버터를 제안했고, 이에 대한 이론적 해석과 동작파형 및 시뮬레이션을 통해 800W급 시제품을 제작하여 실험결과에 대해 서술하였다.
최근 소형, 경량화 및 저가격화를 위해 절연형 고주파링크 승압 DC/DC 컨버터가 PCS (Power Conditioning System)에 많이 적용되고 있다. 하지만, 기존 전압형 컨버터 또는 전류형 컨버터가 적용된 고주파 링크 승압컨버터는 순환전류에 따른 도통손실과 변압기 누설인덕턴스에 따른 서지전압에 의해 여러 문제점을 내포하고 있다. 이들 문제들을 개선하기위해 새로운 2차측 LLC 직렬공진컨버터를 제안했고, 이에 대한 이론적 해석과 동작파형 및 시뮬레이션을 통해 800W급 시제품을 제작하여 실험결과에 대해 서술하였다.
Recently, the high frequency link boost DC/DC converter has been used widely for PCS (Power Conditioning System) because of the requirements of small size and low cost. However, the high frequency link boost DC/DC converters applied the conventional voltage-fed converter and current-fed converter ha...
Recently, the high frequency link boost DC/DC converter has been used widely for PCS (Power Conditioning System) because of the requirements of small size and low cost. However, the high frequency link boost DC/DC converters applied the conventional voltage-fed converter and current-fed converter have some problems like high conduction losses and high surge voltage due to high circulating current and leakage inductance, respectively. To improve these problems, a novel secondary LLC (called SLLC) series resonant converter is proposed in this paper and its theoretical analysis, its operating waveforms, simulation and experimental results for a boost DC/DC converter using SLLC series resonant topology verifies the proposed topology. 800W experimental prototype is tested.
Recently, the high frequency link boost DC/DC converter has been used widely for PCS (Power Conditioning System) because of the requirements of small size and low cost. However, the high frequency link boost DC/DC converters applied the conventional voltage-fed converter and current-fed converter have some problems like high conduction losses and high surge voltage due to high circulating current and leakage inductance, respectively. To improve these problems, a novel secondary LLC (called SLLC) series resonant converter is proposed in this paper and its theoretical analysis, its operating waveforms, simulation and experimental results for a boost DC/DC converter using SLLC series resonant topology verifies the proposed topology. 800W experimental prototype is tested.
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문제 정의
이러한 고주파 승압형 DC/DC 컨버터는 절연된 높은 전압으로 승압하기 위해서 변압기의 높은 턴수비가 필요하게 되고 이에 따라 변압기의 누설인덕턴스 증가로 순환전류에 따른 도통 손실 증가와 서지전압 등으로 직류 승압 컨버터는 낮은 효율 특성을 갖게 된다. 따라서 본 논문에서는 이를 보완한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터를 제안하였다. 이에 대한 이론적 해석과 동작파형 및 시뮬레이션을 통해 800W급 시제품을 제작하여 실험결과에 대해 서술하였다.
본 논문에서는 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터를 제안하였고, 컨버터에 대한 동작 원리 및 전압이득 특성에 대해 이론적인 해석을 하였으며, 이 해석을 기본으로 800W급 시제품을 저】작하여 실험한 결과에 대해 서술하였다. 실험 결과 제안한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터는 변압기 2차측에 공진요소를 사용하여 직렬공진커패시터의 크기 및 단가를 저감할 수 있었으며, 모든 부하 범위에 대해 주스위칭 소자가 소프트 스위칭을 이룰 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 이를 보완한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터를 제안하였다. 이에 대한 이론적 해석과 동작파형 및 시뮬레이션을 통해 800W급 시제품을 제작하여 실험결과에 대해 서술하였다.
제안 방법
间 본 논문에서 적용하고자하는 승압형 DCZDC 컨버터는 낮은 입력전압(22VDC~28VEC)에서높은 출력전압(340VEQ)으로 전압을 승압시켜 동작되므로 그림 1에서와 같이 LLC 직렬공진컨버터의 공진 요소인 직렬공진커패시터를 1차측에 사용한다면 1차 측에 흐르는 대전류로 인해 직렬공진 커패시터가 열화되어 특성변화가 생길 수 있고 커패시터의 크기증가에 따른 고집적화의 어려움 및 단가 상승 등 1차측에 사용하기에는 여러 문제점이 따른다. 따라서 본 논문에서는 그림 2(a)에서와 같이 제안한 SLLC 직렬공진 컨버터의 공진요소를 변압기(TR) 2차측에 위치시켜 주회로를 구성함으로 직렬공진을 위한 커패시터(耳) 크기 및 단가를 저감할 수 있고, 자화인덕턴스(I加 : Magnetizing Inductance)를 가능한 크게 하기위해 변압기(TR)에 갭(Gap)을 두지 않았으며 1차측 누설인덕턴스(EQ 와 2차측 누설인덕턴스(%n)를 직렬공진 요소로서 사용하는 권선방법을 적용하였다. 특히, 1차측 Bridge 주 스위칭소자( Qi, @2, @3, @4)의 영 전압스위칭을 위한 전류를 흐르도록 하기위해 2차측에 병렬인덕터 G6)를 추가하여 LLC 직렬공진컨버터의 특성을 얻도록 하였다.
또한 본 논문에서 제안한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 컨버터에 대한 동작모드를 시간별로 구분하여 살펴보았다. 그림 2(b)에 나타낸 것처럼 규준화된주파수(九/人)가 1보다 낮은 불연속모드 (Discontinuous Conduction Mode)영역에서 동작했을 때의 SLLC 직렬공진컨버터 동작파형이다.
2개를 사용하였다. 변압기 1차측은 병렬로 연결하여 변압기의 크기 및 각 변압기 1차측 전류를 1/2 로 줄였고, 변압기의 2차측은 직렬로 연결하여 적은 턴 수비에서도 요구되는 출력전압을 얻을 수 있게 하였다. 또한 넓은 입력전압범위에 의한 많은 순환 전류 및 변압기 1차측 대전류로 인한 도통 손실을 줄이기 위해 주 스위칭 소자를 2개씩 병렬로 연결하여 도통 손실을 줄일 수 있었다.
본 논문에서 제안한 SLLC 직렬 공진컨버터 적용 승압 형 DC/DC 컨버터는 낮은 입력전압 (22 - 28VDC, 20~28VDC)에서 높은 출력전압 (340VDC)으로 승압시킬 수 있도록 2차측 병렬인덕터 값(A: 544^ H 433/1H)을 각각 적용하여 800W급으로 설계하였다. SLLC 직렬 공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터에 대한 실험조건과 적용된 소자 등을 표 1에 나타내었다.
그림 2(b)에 나타낸 것처럼 규준화된주파수(九/人)가 1보다 낮은 불연속모드 (Discontinuous Conduction Mode)영역에서 동작했을 때의 SLLC 직렬공진컨버터 동작파형이다. 이 동작 파형들은 변압기 1차측 단자전압( 匸撮, 변압기 2차측 전류(妫), 병렬인덕터 전류(弓2), 2차측 공진전류(/摂, 병렬인덕터 양단전압(μ队)등을 나타내고 있으며 반주기의 동작모드를 5가지 모드로 나누었다.
본 논문에서는 넓은 범위의 입 . 출력 전압제어를 할 수 있으며, 스위칭 동작영역에서 모든 스위칭 소자들이 소프트 스위칭 할 수 있는 등의 장점들을 갖고 있는 LLC 직렬 공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터를 검토하였다.间 본 논문에서 적용하고자하는 승압형 DCZDC 컨버터는 낮은 입력전압(22VDC~28VEC)에서높은 출력전압(340VEQ)으로 전압을 승압시켜 동작되므로 그림 1에서와 같이 LLC 직렬공진컨버터의 공진 요소인 직렬공진커패시터를 1차측에 사용한다면 1차 측에 흐르는 대전류로 인해 직렬공진 커패시터가 열화되어 특성변화가 생길 수 있고 커패시터의 크기증가에 따른 고집적화의 어려움 및 단가 상승 등 1차측에 사용하기에는 여러 문제점이 따른다.
따라서 본 논문에서는 그림 2(a)에서와 같이 제안한 SLLC 직렬공진 컨버터의 공진요소를 변압기(TR) 2차측에 위치시켜 주회로를 구성함으로 직렬공진을 위한 커패시터(耳) 크기 및 단가를 저감할 수 있고, 자화인덕턴스(I加 : Magnetizing Inductance)를 가능한 크게 하기위해 변압기(TR)에 갭(Gap)을 두지 않았으며 1차측 누설인덕턴스(EQ 와 2차측 누설인덕턴스(%n)를 직렬공진 요소로서 사용하는 권선방법을 적용하였다. 특히, 1차측 Bridge 주 스위칭소자( Qi, @2, @3, @4)의 영 전압스위칭을 위한 전류를 흐르도록 하기위해 2차측에 병렬인덕터 G6)를 추가하여 LLC 직렬공진컨버터의 특성을 얻도록 하였다. 이와 같이 병렬 인덕터(ZD 추가는 병렬인덕터(Z々) 값에 따라 높은 전압 이득특성을 갖게 되어 변압기의 적은 턴-수비에도 높은 출력전압을 얻을 수 있고 넓은 입력전압 범위와 모든 부하 범위에서 사용 가능한 장점이 있다.
대상 데이터
본 논문에서 실험 적용한 회로는 그림 3(a)에서 보는 바와 같이 변압기의 손실저감과 고집적화를 위해 변압기 2개를 사용하였다. 변압기 1차측은 병렬로 연결하여 변압기의 크기 및 각 변압기 1차측 전류를 1/2 로 줄였고, 변압기의 2차측은 직렬로 연결하여 적은 턴 수비에서도 요구되는 출력전압을 얻을 수 있게 하였다.
성능/효과
따라서 요구된 입력전압 범위 및 부하조건, 스위칭주파수 동작범위 및 효율조건 등을 고려하여 A와 Q 값을 선정해야 한다.区 또한 본 논문에서는 제안한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터는 그림 4에서 볼 수 있듯이 ZVS 영역 중에서도 스위칭 동작영역이 규준화된 주파수가 1보다 낮은 주파수에서 사용하고 있으며 이러한 경우 주스위칭 소자의 영 전압스위칭 뿐만 아니라 변압기 2차측 정류 다이오드의 영 전류 스위칭을 얻을 수 있다.
변압기 1차측은 병렬로 연결하여 변압기의 크기 및 각 변압기 1차측 전류를 1/2 로 줄였고, 변압기의 2차측은 직렬로 연결하여 적은 턴 수비에서도 요구되는 출력전압을 얻을 수 있게 하였다. 또한 넓은 입력전압범위에 의한 많은 순환 전류 및 변압기 1차측 대전류로 인한 도통 손실을 줄이기 위해 주 스위칭 소자를 2개씩 병렬로 연결하여 도통 손실을 줄일 수 있었다. 그림 3(a)는 제안된 SLLC 직렬공진 컨버터에 대한 주 회로이고, 그림 3(b)는 등가회로를 나타낸 것이다.
실험 결과 제안한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터는 변압기 2차측에 공진요소를 사용하여 직렬공진커패시터의 크기 및 단가를 저감할 수 있었으며, 모든 부하 범위에 대해 주스위칭 소자가 소프트 스위칭을 이룰 수 있었다. 또한 변압기 2차측 불연속 공진 전류에 의한 변압기 2차측 정류 다이오드의 역회복 손실을 줄일 수 있었으며, 넓은 입력전압 범위와 출력 부하변화에 대해서도 일정 출력전압으로 제어할 수 있었고, 모든 부하 범위에 대해 75~93%까지 높은 효율을 얻을 수 있었다.
결과에 대해 서술하였다. 실험 결과 제안한 SLLC 직렬공진컨버터 적용 승압형 DC/DC 컨버터는 변압기 2차측에 공진요소를 사용하여 직렬공진커패시터의 크기 및 단가를 저감할 수 있었으며, 모든 부하 범위에 대해 주스위칭 소자가 소프트 스위칭을 이룰 수 있었다. 또한 변압기 2차측 불연속 공진 전류에 의한 변압기 2차측 정류 다이오드의 역회복 손실을 줄일 수 있었으며, 넓은 입력전압 범위와 출력 부하변화에 대해서도 일정 출력전압으로 제어할 수 있었고, 모든 부하 범위에 대해 75~93%까지 높은 효율을 얻을 수 있었다.
참고문헌 (7)
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