본 논문은 중용량에 적합한 새로운 이중출력 LLC 공진형 DC/DC 컨버터에 관한 것으로써, 별도의 Post-regulator및 추가되는 제어 IC 없이 정밀한 이중출력이 가능한 새로운 방식의 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터의 제어방식은 펄스폭 변조(PWM)와 동시에 주파수 변조(PFM)를 통해 이루어지며 Master 와 Slave 출력을 각각 주파수, 듀티로 제어함으로써 Slave 출력을 위한 별도의 Post-Regulator 및 제어 IC가 필요 없기 때문에, 저가의 컨버터 구현이 가능하다. 또한 기존 LLC 공진형 DC/DC 컨버터와 같이 스위칭 소자의 영전압 스위칭이 보장되는 동시에, Post-Regulator 로 인한 손실이 없기 때문에 효율 및 발열 특성이 매우 우수하다. 본 논문에서는 제안된 컨버터의 우수성과 신뢰성 검증을 위해, 실제로 50" FHD급 PDP용 전원회로를 위한 시뮬레이션 검토 및 시작품을 제작하고 이를 이용한 실험결과를 바탕으로 제안된 컨버터의 타당성을 검증한다.
본 논문은 중용량에 적합한 새로운 이중출력 LLC 공진형 DC/DC 컨버터에 관한 것으로써, 별도의 Post-regulator및 추가되는 제어 IC 없이 정밀한 이중출력이 가능한 새로운 방식의 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터의 제어방식은 펄스폭 변조(PWM)와 동시에 주파수 변조(PFM)를 통해 이루어지며 Master 와 Slave 출력을 각각 주파수, 듀티로 제어함으로써 Slave 출력을 위한 별도의 Post-Regulator 및 제어 IC가 필요 없기 때문에, 저가의 컨버터 구현이 가능하다. 또한 기존 LLC 공진형 DC/DC 컨버터와 같이 스위칭 소자의 영전압 스위칭이 보장되는 동시에, Post-Regulator 로 인한 손실이 없기 때문에 효율 및 발열 특성이 매우 우수하다. 본 논문에서는 제안된 컨버터의 우수성과 신뢰성 검증을 위해, 실제로 50" FHD급 PDP용 전원회로를 위한 시뮬레이션 검토 및 시작품을 제작하고 이를 이용한 실험결과를 바탕으로 제안된 컨버터의 타당성을 검증한다.
This paper proposes a new multi-output LLC resonant converter by using single control IC, which has the tight-regulated dual output voltage without additional power devices and controller. The proposed converter has master and slave outputs, of which regulations are achieved by the PWM(pulse width m...
This paper proposes a new multi-output LLC resonant converter by using single control IC, which has the tight-regulated dual output voltage without additional power devices and controller. The proposed converter has master and slave outputs, of which regulations are achieved by the PWM(pulse width modulation) and PFM(pulse frequency modulation), respectively. Different from the conventional dual-output LLC resonant converter, the proposed converter has no additional post-regulators like a boost converter. Therefore, it features a low cost, small size, and high efficiency. To confirm the validity and prove the superiority of proposed converter, simulated and experimental results on a 50" FHD PDP power set prototype are presented.
This paper proposes a new multi-output LLC resonant converter by using single control IC, which has the tight-regulated dual output voltage without additional power devices and controller. The proposed converter has master and slave outputs, of which regulations are achieved by the PWM(pulse width modulation) and PFM(pulse frequency modulation), respectively. Different from the conventional dual-output LLC resonant converter, the proposed converter has no additional post-regulators like a boost converter. Therefore, it features a low cost, small size, and high efficiency. To confirm the validity and prove the superiority of proposed converter, simulated and experimental results on a 50" FHD PDP power set prototype are presented.
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문제 정의
이는 기존 LLC 공진형 컨버터의 출력 전압 제어를 위한 제어변수가 고정된 시비율을 갖는 스위칭 주파수만을 이용하기 때문에 그에 대응한 Master 출력전압만 제어가 가능하기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 고정된 시 비율을 갖는 스위칭 주파수인 단일 제어변수가 아닌 스위칭 주파수와 함께 시비율이라는 제어 변수를 추가하여 Master 와 Slave 출력을 모두 제어하는 방법을 제안하고 이를 이론적 분석과 실험을 통해 검증한다. 특히, 제안된 회로는 정밀한 Slave 출력을 위한 벅 또는 부스트 컨버터와 같은 별도의 Post-regulator가 필요없으며 이에 따라 추가되는 소자와 제어단 및 제어 IC가 요구되지 않아 저가격 및 고효율의 구현이 용이함은 물론 단일 IC로 제어단 구성이 가능하다는 장점을 갖는 새로운 LLC 공진형 컨버터를 제안한다.
따라서 본 논문에서는 기존 LLC 공진형 컨버터에 비해 간단하고 별도의 Post-regulator가 없이 단일 IC로 이중 출력을 모두 제어하는 새로운 방식의 LLC 공진형 컨버터를 제안하였다. 기존 스위칭 주파수만을 변화시켜 제어하는 방법과는 달리 펄스 폭 변조 (PWM)이라는 추가된 제어변수를 이용하여 스위칭 주파수와 동시에 펄스 폭 변조를 통해 각각의 전압을 제어함으로써 벅 컨버터와 같은 고가의 Post-regulator 없이 정밀제어 가능한 Slave전압을 획득할 수 있으므로 간단한 구조의 저가격형 및 고효율의 컨버터를 구현할 수 있다.
가설 설정
모든 소자는 이상적이다. (단, 변압기는 자화 인덕터 (Lm)누설 인덕터 (Lr)를 제외하고 이상적이며, MOSFET 은 기생 병렬 다이오드 및 출력 커패시터를 제외하고 이상적인 스위치로 가정한다.)
제안된 LLC 공진형 컨버터의 모드별 동작 해석을 위해 다음을 가정한다
iii. 출력단의 커패시턴스는 충분히 크므로 출력 전압, Master와 Slave를 일정하다고 가정한다.
제안 방법
때문에 별도의 Post-regulator 로 인한 손실 및 전력단의 크기, 비용을 감수해야 하는 단점이 있다[4]. 따라서 기존 LLC 공진형 컨버터의 장점을 유지함과 동시에 별도의 Post-regulator 없이 정밀한 이중출력이 가능한 컨버터를 제안하고 이론적 및 실험을 통해 그 타당성을 검증한다.
본 논문에서 제안한 LLC 공진형 컨버터의 타당성 및 우수성 검증을 위해 50” FHD급 PDP용 전원회로를 위한 시작품을 제작하여 다음과 같은 실험결과를 제시한다.
따라서 본 논문에서는 고정된 시 비율을 갖는 스위칭 주파수인 단일 제어변수가 아닌 스위칭 주파수와 함께 시비율이라는 제어 변수를 추가하여 Master 와 Slave 출력을 모두 제어하는 방법을 제안하고 이를 이론적 분석과 실험을 통해 검증한다. 특히, 제안된 회로는 정밀한 Slave 출력을 위한 벅 또는 부스트 컨버터와 같은 별도의 Post-regulator가 필요없으며 이에 따라 추가되는 소자와 제어단 및 제어 IC가 요구되지 않아 저가격 및 고효율의 구현이 용이함은 물론 단일 IC로 제어단 구성이 가능하다는 장점을 갖는 새로운 LLC 공진형 컨버터를 제안한다.
대상 데이터
최종적으로 제안된 컨버터의 제어를 위해 펄스폭변조(PWM)에 사용되는 TL494를 이용하였으며, 주파수변조를 위해 RT 핀의 등가 저항을 출력전압에 따라 가변하도록 구성하였다. 각 부하에 따른 주요파형을 측정하여 그림 8에 나타내었다.
데이터처리
본 논문에서 제안한 LLC 공진형 컨버터의 타당성 검증을 위해 Psim을 이용하여 simulation을 수행하였다.
성능/효과
동시에 기존 LLC 공진형 컨버터의 장점인 ZVS 동작 또한 정상적으로 이루어져 주 스위치의 턴온 손실의 최소화가 가능하고 별도의 추가되는 Post-regulator 가 없어 실제 50“ FHD 급 PDP panel test 시 부스트 컨버터가 사용된 기존 LLC 공진형 컨버터에 비해 매우 우수한 입력특성을 나타내었다.
그림 7은 제안된 컨버터의 각부 주요파형으로써 각 출력 전압의 제어가 의도대로 이루어지고 있으며 Slave 출력전압 제어를 위해 펄스폭 비대칭이 나타나고 있다. 또한 Master 단 출력전류 파형의 경우 풀브리지 정류기의 blocking-capacitor Cb 의 영향으로 인해 Master 단의 공진전류의 크기가 일정하여 이론적인 해석과 동일함을 확인할수 있다.
첫 번째로 Slave 출력 전압 제어 변수인 시비율이 Slave 부하감소에 따라 줄어듦을 확인할 수 있으며, Master 출력 전압 제어 변수인 주파수가 Master 출력 부하의 감소에 따라 증가함을 확인할 수 있다. 또한 별도의 Post-regulator 없이도 표 1에서와 같이 각 부하조건에 따라 Master 와 Slave 출력전압이 정밀하게 제어되고 있으며 최대 변동폭 또한 0.02V로 매우 우수한 레귤레이션 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
87%의 고효율 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 시스템의 신뢰성을 좌우하는 발열의 경우 표 3에 보여진 바와 같이 풀-부하 상태에서 1시간의 Aging을 거친 후 전원시스템의 발열의 대부분을 차지하는 주요 소자의 온도를 측정한 결과 발열특성 또한 매우 우수함을 확인할 수 있다.
기존 스위칭 주파수만을 변화시켜 제어하는 방법과는 달리 펄스 폭 변조 (PWM)이라는 추가된 제어변수를 이용하여 스위칭 주파수와 동시에 펄스 폭 변조를 통해 각각의 전압을 제어함으로써 벅 컨버터와 같은 고가의 Post-regulator 없이 정밀제어 가능한 Slave전압을 획득할 수 있으므로 간단한 구조의 저가격형 및 고효율의 컨버터를 구현할 수 있다. 실험결과 저가의 구조임에도 부하별 각 출력의 우수한 레귤레이션 특성은 물론, 높은 전력 변환 효율과 우수한 발열특성을 나타냄을 확인하였다.
표 2는 부하조건에 따른 기존 방식과 제안된 방식의 효율을 비교하고 있다. 이때 사용된 기존방식은 Slave 출력전압 제어를 위해 부스트 컨버터를 Post-regulator를 사용하였으며 최대부하시 94.12%의 효율을 보였다 반면 제안된 방식의 경우 Post-regulator가 하나의 다이오드로 구성되어 도통 손실 및 스위칭 손실이 없으므로 최대부하시 96.87%의 고효율 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 시스템의 신뢰성을 좌우하는 발열의 경우 표 3에 보여진 바와 같이 풀-부하 상태에서 1시간의 Aging을 거친 후 전원시스템의 발열의 대부분을 차지하는 주요 소자의 온도를 측정한 결과 발열특성 또한 매우 우수함을 확인할 수 있다.
각 부하에 따른 주요파형을 측정하여 그림 8에 나타내었다. 이론적인 해석과 동일한 실험 결과를 나타내었으며, 특히 주파수와 시비율이 각 부하 조건에 따라 변화하는 것을 가시적으로 확인할 수 있다. 첫 번째로 Slave 출력 전압 제어 변수인 시비율이 Slave 부하감소에 따라 줄어듦을 확인할 수 있으며, Master 출력 전압 제어 변수인 주파수가 Master 출력 부하의 감소에 따라 증가함을 확인할 수 있다.
이론적인 해석과 동일한 실험 결과를 나타내었으며, 특히 주파수와 시비율이 각 부하 조건에 따라 변화하는 것을 가시적으로 확인할 수 있다. 첫 번째로 Slave 출력 전압 제어 변수인 시비율이 Slave 부하감소에 따라 줄어듦을 확인할 수 있으며, Master 출력 전압 제어 변수인 주파수가 Master 출력 부하의 감소에 따라 증가함을 확인할 수 있다. 또한 별도의 Post-regulator 없이도 표 1에서와 같이 각 부하조건에 따라 Master 와 Slave 출력전압이 정밀하게 제어되고 있으며 최대 변동폭 또한 0.
의 낮은 양단전압을 나타내고 있으며 Master 단의 정류단 다이오드 및 Slave 단의 출력 다이오드의 양단전압 역시 매우 낮은 전압스트레스로 인해 제작단가 절감에 유리하다. 최종적으로 제작단가 측면의 경우 Slave 출력전압 제어를 위한 부스트 컨버터가 사용된 기존 LLC 공진형 컨버터에 비해 약 ＄0.966 의 단가 절감 효과가 있었다. 동시에 기존 LLC 공진형 컨버터의 장점인 ZVS 동작 또한 정상적으로 이루어져 주 스위치의 턴온 손실의 최소화가 가능하고 별도의 추가되는 Post-regulator 가 없어 실제 50“ FHD 급 PDP panel test 시 부스트 컨버터가 사용된 기존 LLC 공진형 컨버터에 비해 매우 우수한 입력특성을 나타내었다.
후속연구
최종적으로 본 논문에서 제안된 LLC 공진형 컨버터는 중용량급의 이중출력을 위한 전원시스템에 매우 적합할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LLC 공진형 컨버터의 장점은?
최근 중용량급 전원시스템의 고효율 및 소형화가 가능한 저가의 컨버터를 구성하기 위해 다른 토폴로지에 비해 소자의 개수가 비교적 적고 구성이 간단하며, 영전압 스위칭(ZVS)이라는 큰 장점을 갖는 LLC 공진형 컨버터[1]~[3]가 널리 이용되고 있다. 그러나 이중출력을 위한 기존 LLC 공진형 컨버터는 Master 출력만이 제어가 가능하므로 두개의 정밀한 출력이 필요한 경우 벅 컨버터 또는 부스트 컨버터 등과 같이 별도의 Post-regulator 없이는 정밀한 Slave 출력을 얻을 수 없다.
LLC 공진형 컨버터의 Master 출력단은 어떤 구조를 가지나?
그림 2는 제안된 LLC 공진형 컨버터의 전력단을 도시한 것으로 Master 출력단은 2차측이 blocking capacitor Cb가 삽입된 풀브리지 정류구조를 가진다. 여기서 Master 출력단의 풀브리지 정류기에 삽입된 blocking capacitor Cb는 시비율의 변화에 따른 트랜스포머 2차측 전압 최대치의 불평형으로 인해 출력 공진전류가 d1,d2 또는 d3,d4의 한방향으로만 흐르는 것을 제한하기 위함이며 blocking capacitor Cb가 없는 경우 완전한 전파형태가 아닌 반파 정류구조를 가지기 때문에 높은 전류 실효치로 인한 발열이 발생되며 전류 피크치가 상승함에 따라 높은 전류 용량을 갖는 다이오드를 사용해야 하므로 제작단가 상승의 우려가 있다.
그림 2는 제안된 LLC 공진형 컨버터의 전력단을 도시한 것으로 Master 출력단은 2차측이 blocking capacitor Cb가 삽입된 풀브리지 정류구조를 가진다. 여기서 Master 출력단의 풀브리지 정류기에 삽입된 blocking capacitor Cb는 시비율의 변화에 따른 트랜스포머 2차측 전압 최대치의 불평형으로 인해 출력 공진전류가 d1,d2 또는 d3,d4의 한방향으로만 흐르는 것을 제한하기 위함이며 blocking capacitor Cb가 없는 경우 완전한 전파형태가 아닌 반파 정류구조를 가지기 때문에 높은 전류 실효치로 인한 발열이 발생되며 전류 피크치가 상승함에 따라 높은 전류 용량을 갖는 다이오드를 사용해야 하므로 제작단가 상승의 우려가 있다. 한편 Slave 출력전압을 위한 정류단의 구조는 기존 LLC 공진형 컨버터에서 Slave 출력을 위해 사용되었던 벅 또는 부스트 컨버터 대신 하나의 다이오드로 구성되기 때문에 기존 하프 브리지 플라이백 컨버터와[5] 같이 시비율을 이용한 출력전압 제어가 가능하고 Post-regulator 부재로 인해 제작 단가 절감과 동시에 Post-regulator에서 발생되었던 도통손실 및 스위칭 손실이 없는 장점을 가진다.
참고문헌 (6)
Fred C. Lee, "Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system", Bo yang, pp.94-95, pp.129, pp.109-116, 2003
Won-Seok Nam, Sang-Kyu Han, Chung-Wook Roh Sung-su Hongk, "Steady-state analysis of LLC resonant converter for optimum design", 전력전자학회 학술대회 논문집, pp. 375-377, 2006. 6
Bo Yang, yuancheng Ren, Fred C. Lee. "Integrated magnetic for LLC resonant converter", IEEE APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE, Vol. 1, pp.345-351, 2002
우스이 히로시 외 2 인, "다출력 전류 공진형 DC-DC 컨버터", 대한민국특허청, 출원번호 : 10-2006-7009809, pp. 5-6, 2006
Tso-Min Chen, Chern-Lin Chen. "Charicterization of Asymmetrical Half Bridge Flyback Converter", IEEE, pp. 921-916, 2002
"Texas Instruments" Pulse-Width-Modulation control IC
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