[논문]새론운 복합변압기를 적용한 영전압 풀브릿지 컨버터에 관한 연구

안태영; 봉상철; 김돈식

문제 정의

본 논문에서 제안한 병렬 구조형 복합변압기를 적용한 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터의 성능을 검증하기 위해서 실험용 시제품을 제작하였다. 이때 컨버터의 전기적 사양은 다음과 같이 정하였다.
본 논문에서는 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터에 적용할 수 있는 새로운 방식의 복합 변압기 구조를 제안하고 시험용 컨버터에 적용하여 실험결과를 보고하였다. 제안된 복합변압기의 권선 방법은 두 개의 1차 측 권선을 병렬로 하고 2차측 권선은 중앙에 탭이 있는 배 전압 방식으로 구성이 된다.
본 논문에서는 영전압 스위칭 풀브릿지 컨버터에 적용할 수 있는 새로운 방식의 복합 변압기 구조를 제안하고 시험용 컨버터에 적용하여 실험결과를 보고한 것이다. 제안된 복합변압기의 성능을 평가하기 위해서 100kHz의 스위칭 주파수, 12V 출력전압, 60A 최대출력전류, 최대출력 720W급의 영전압 스위칭 풀 브릿지 컨버터를 제작하여 특성을 확인하였다.

제안 방법

그림 1의 병렬권선 변압기 구조의 풀브릿지 컨버터는 변압기 권선을 위해서 두 개의 변압기를 사용할 수 있지만 본 논문에서는 한 개의 코어를 사용하여 컨버터를 구성할 수 있는 방법을 제안하였다. 일반적으로 단일 권선으로는 복합변압기를 구현하는 것이 비효율적이다.
두 개의 병 렬 변압기 자속과 인덕터 자속은 바깥쪽 다리에 합쳐져서 돌기 때문에 충분한 여유를 갖도록 설계하였다. 그림 6에는 본 논문의 시험에서 사용된 복합변압기의 완성된 모습을 사진으로 나타내었다.
시제품 설계는 정상상태 특성이 같기 때문에 기존 연구에서 알려진 컨버터의 설계방법을 사용하였다. 복합 변압기는 기판 점유 면적을 최소화하기 위해서 두 개의 EI40 코어를 적층하여 제작하였으며 2 차측 출력전류가 크기 때문에 전도손실을 저감시키기 위해서 2차 권선과 인덕터 권선은 匸형태의 클립을 제작하여 기판의 위에서 코어를 덮는 방법으로 구성하였다. 식 (1), (2)에 의해서 변압기의 권선비는 다음과 같이 구할 수 있다.
정상 입력전압은 350V, 최대 입력전압 400V, 출력전압 12V, 최대출력전류는 60A, 최대출력 720W, 스위칭주파수는 100kHz이다. 시제품 설계는 정상상태 특성이 같기 때문에 기존 연구에서 알려진 컨버터의 설계방법을 사용하였다. 복합 변압기는 기판 점유 면적을 최소화하기 위해서 두 개의 EI40 코어를 적층하여 제작하였으며 2 차측 출력전류가 크기 때문에 전도손실을 저감시키기 위해서 2차 권선과 인덕터 권선은 匸형태의 클립을 제작하여 기판의 위에서 코어를 덮는 방법으로 구성하였다.
나타나 있다. 제안 회로방식은 기본적으로 풀 브릿지 컨버터를 기본회로로 이용하였기 때문에 변압기의 1차 측에는 총 4개의 스위치가 사용되었고, 2차 측에는 배전압 방식의 정류기가 사용되었다. 그림에서 변압기는 두 개를 사용하며 2차측의 권선과 각각 결합되어 있다는 것을 알 수 있다.
제안된 복합변압기의 권선 방법은 두 개의 1차 측 권선을 병렬로 하고 2차측 권선은 중앙에 탭이 있는 배 전압 방식으로 구성이 된다. 복합변압기의 구조는 기본적으로 EI 코어를 이용하며 코어 양쪽 다리에 변압기의 1, 2차 권선이 각각 위치하고, 중앙의 다리에는 출력 필터용 인덕터 권선을 구성한다.
제안된 복합변압기의 성능을 평가하기 위해서 100kHz의 스위칭 주파수, 12V 출력전압, 60A 최대출력전류, 최대출력 720W급의 영전압 스위칭 풀 브릿지 컨버터를 제작하여 특성을 확인하였다.
제안된 복합변압기의 성능을 평가하기 위해서 정상입 력전압은 350V, 최대 입 력전압 4(X)V, 출력전압 12V, 최대출력 720W, 스위칭주파수는 100kHz의 컨버터를 시험 제작하여 전기적 특성을 관찰하였다. 시험 결과로부터 제안한 복합변압기를 적용한 풀브릿지 컨버터는 기존 회로방식과 유사한 정상상태 동작을 하고 있으며 위상제어와 영전압 스위칭, 낮은 스위치 전압 스트레스 등의 장점이 기대되고 최대부하까지 안정된 동작을 확인 할 수 있었다.

대상 데이터

따라서 2차측 권선은 폭이 5mm, 두께가 2mm인 클립으로 제작하였다. 또한 변압기의 최대자속밀도는 다음과 같이 계산된다.
표 1에는 변압기 권선 사양을 정리하여 나타내었다. 시험용 컨버터는 2차측 전류가 크기 때문에 정류기 손실을 저감시키기 위해서 동기정류기 방식을 사용하였으며 각 다이오드 대신 MOSFET SI7478 (VDs =60V, Id=20A, _Rns=7.5mQ) 4개를 병렬로 사용하였으며 1차 측 주스위치는 SPP20N₆₀C₃ (VdS=650V, b=20.7A, Rds= 0.19Q)을 한 개씩 사용하였다. 주스위치의 PWM 제어는 대표적인 위상제어 소자인 UCC₃₈95를 이용하였다.
19Q)을 한 개씩 사용하였다. 주스위치의 PWM 제어는 대표적인 위상제어 소자인 UCC₃₈95를 이용하였다.

성능/효과

특히 동기정류기 양단 전압이 변압기 전압과 동상으로 동작하며 따라서 정상적인 정류기능을 하고 있음을 알 수 있었다. 그림 7의 실험파형으로부터 제안한 복합변압기는 기존 풀브릿지 컨버터와 유사한 정상상태 동작을 하고 있으며 위상제어와 영전압 스위칭, 낮은 스위치 전압 스트레스 등의 장점이 기대되며 복합압기를 적용한 경우에도 최대부하까지 안정된 동작을 확인할 수 있었다. 그러나 직렬권선 방식과는 달리 병렬권선 방식은자화인덕턴스가 반으로 저감되어 1A의 낮은 부하전류에서 비교적 높은 자화전류를 나타내고 있다는 것을 알 수 있으며 권선수 조정과 코어형상 조절에 의해 개선해야 될 부분이라고 판단된다.
그림 8은 복합변압기를 적용한 풀브릿지 컨버터 시험회로의 전력변환 효율을 측정하여 그래프로 나타낸 것이며 그림 9는 측정된 전력변환 효율이다. 그림에서 알 수 있듯이 실험 회로의 출력전류가 22A에서 효율은 90% 이상이었고, 출력전류가 40A에서 약 92%의 최대 전력변환 효율이 관측되었고, 최대 출력 전류 60A에서는 90.8%의 효율이 측정되었다. 한편 내부 전력손실은 그림 9로부터 22A 에서 약 30W, 최대 출력전류 60A에서 약 72W로 측정되었으며 본 논문에서 제안한 복합변압기를 적용한 풀 브릿지 컨버터가 넓은 부하전류 범위에서 안정되게 동작하고 있으며 동기정류기 적용과 함께 고효율 전력변환 효율을 나타냄으로서 중대용량의 전력변환 회로에서 유용한 방식이라고 판단된다.
본 논문에서 제안한 복합변압기를 이용한 풀 브릿지 컨버터는 앞서 설명한 바와 같이 기본적으로 기존의 컨버터에서 변압기의 1차측이 단일권선으로 되어 있는 경우와 유사한 정상상태 특성을 갖고 있으며 변압기 2 차 측의 동작 특성도 같은 특성을 나타내고 있다. 따라서 대전류 컨버터를 설계하는 경우 전도손실을 저감시켜서 전력변환 효율을 개선하기 위한 방법으로 2차 측의 정류방식을 기존의 다이오드 대신 낮은 도통 저항의 MOSFET로 대체한 동기정류기가 사용되고 있는데 그림 5의 제안 컨버터는 기본적으로 동기정류기 구성이 가능하다.
시험 결과로부터 제안한 복합변압기를 적용한 풀브릿지 컨버터는 기존 회로방식과 유사한 정상상태 동작을 하고 있으며 위상제어와 영전압 스위칭, 낮은 스위치 전압 스트레스 등의 장점이 기대되고 최대부하까지 안정된 동작을 확인 할 수 있었다. 실험회로의 최대 전력변환 효율은 중부하에서 약 92%이며, 최대 출력 전류 60A에서는 90.
시험 결과로부터 제안한 복합변압기를 적용한 풀브릿지 컨버터는 기존 회로방식과 유사한 정상상태 동작을 하고 있으며 위상제어와 영전압 스위칭, 낮은 스위치 전압 스트레스 등의 장점이 기대되고 최대부하까지 안정된 동작을 확인 할 수 있었다. 실험회로의 최대 전력변환 효율은 중부하에서 약 92%이며, 최대 출력 전류 60A에서는 90.8%의 효율이 측정되었다.
피크값이 커지고 있음을 알 수 있다. 특히 동기정류기 양단 전압이 변압기 전압과 동상으로 동작하며 따라서 정상적인 정류기능을 하고 있음을 알 수 있었다. 그림 7의 실험파형으로부터 제안한 복합변압기는 기존 풀브릿지 컨버터와 유사한 정상상태 동작을 하고 있으며 위상제어와 영전압 스위칭, 낮은 스위치 전압 스트레스 등의 장점이 기대되며 복합압기를 적용한 경우에도 최대부하까지 안정된 동작을 확인할 수 있었다.
8%의 효율이 측정되었다. 한편 내부 전력손실은 그림 9로부터 22A 에서 약 30W, 최대 출력전류 60A에서 약 72W로 측정되었으며 본 논문에서 제안한 복합변압기를 적용한 풀 브릿지 컨버터가 넓은 부하전류 범위에서 안정되게 동작하고 있으며 동기정류기 적용과 함께 고효율 전력변환 효율을 나타냄으로서 중대용량의 전력변환 회로에서 유용한 방식이라고 판단된다.

후속연구

따라서 본 논문에서 제안한 복합변압기를 적용한 풀 브릿지 컨버터가 동기정류기 적용과 함께 고효율 전력변환 효율과 안정된 동작특성을 나타냄으로서 중대 용량의 컨버터 회로 중에서 유용한 회로방식이 될 것으로 판단되며, 향후 본 논문에서 복합변압기의 자기 해석을 통해 변압기의 설계 방법과 컨버터의 최적 설계에 대한 연구를 진행할 예정이다.

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