[논문]두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 직렬 공진 컨버터

강성인; 김주훈; 김은수; 박준호; 허동영; 정용채

두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 직렬 공진 컨버터
LLC Series Resonant Converter with two Transformers 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.6, 2009년, pp.431 - 439

강성인 (LG이노텍(주)) , 김주훈 (전주대 전기전자공학) , 김은수 (전주대 전기전자정보통신공학부) , 박준호 (LG이노텍(주)) , 허동영 (LG이노텍(주)) , 정용채 (남서울대 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 직렬공진 컨버터의 입출력 이득 특성 및 설계과정에 대하여 서술 하였다. 적용된 두 대의 변압기 1차측은 직렬로 연결하고, 변압기 2차측은 병렬로 연결 하여 변압기 1차측 전류 불균형이 없도록 하였다. 부하 변동과 전압이득 특성을 고려하여 이론적 분석 및 시뮬레이션 결과를 토대로 50인치 PDP TV전원을 위한 400W 시제품을 제작 실험하여 설계 절차의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, design procedures and voltage gain characteristics on LLC resonant converter with two transformers are described. Two transformers applied to LLC resonant converter are connected in series at the primary and connected in parallel at the secondary to reduce the unbalance of the primary current. Based on the theoretical analysis and simulation results, considering the characteristics of voltage gain and load variation, prototype of the 400W LLC resonant converter for 50inch PDP TV power module is built and the design procedures through the experimental results are verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 두 대의 변압기를 사용한 LLC 공진 컨버터에 대한 주회로 해석을 하였으며, 입출력 전압이득 특성이 각 변압기의 누설인덕턴스 및 자화 인덕턴스의 미소차이에 따라서 차이가 날 수 있기 때문에 이에 대한 분석 검토와 최적 설계에 대해 나타냈다.
본 논문에서는 슬림화에 대응하기 위한 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 직렬공진 컨버터에 대하여 전압이득특성 분석을 하였으며, 두 대의 변압기 적용 시 설계과정에 대해 서술하였다. 적용된 두 대의 LLT 변압기는 1, 2차측 결선 관계를 통해 별도의 제어회로 없이 변압기간의 전류 불균형 문제를 최소화 하였고, 50인치 HD TV 전원장치에 적용하여 실험한 결과 가장 악조건에서도 ZVS 스위칭을 하면서 안정된 동작을 확인하였다.
그러한 디자인 트렌드의 가장 큰 줄기는 소형화, 슬림화, 단순화라고 할 수 있다. 본 논문에서는 위의 세 가지 중 슬림화 대응방안에 대하여 서술 하고자 한다. 슬림화를 위해서는 방열판과 벌크(Bulk) 커패시터, 입력단의 필터와 인덕터류, 그리고 변압기의 높이를 줄여야만 한다.
본 절에서는 앞서 전개한 수식을 근거로 LLT 변압기의 설계과정에 대해 서술하였다. 그리고 요구된 설계사양 및 주요 설계 요소를 표 1에 나타내었다.
010지점까지 낮아지는 특성을 갖는다. 이에 따라 각 변압기간의 이득 차에 의한 전류 불균형 문제가 존재할 수 있으나 본 논문에서는 각 변압기의 1차측 권선을 직렬로 연결하여 1차측에 흐르는 전류를 동일하게 함으로써 이득차에 의한 불균형 문제를 최소화 할 수 있도록 하였다.

제안 방법

그림 2는 두 대의 LLT 변압기를 적용한 LLC 직렬공진 컨버터의 등가회로도이다. AC해석을 이용하여 스위칭 동작에 의해 1차측 a,b단자에 인가되는 전압을 구형파로 등가화를 시켰으며 3, 5, 7 고조파 성분은 무시하고 기본파(FHA) 성분만을 고려하였다.^[1] 그리고 C_s, L_lp1, L_lp2및 N²L_ls1, N²L_ls2 그리고 L_m1, L_m2는 LLC 직렬 공진컨버터의 1차측 직렬커패시터와 1차측 누설 인덕턴스 및 2차측 누설인덕턴스 그리고 자화인덕턴스를 나타낸 것이다.
따라서 본 논문의 주회로 방식에서 적용된 변압기는 두 개의 LLT 변압기로 구성 하였으며 1차측과 2차측의 결선 방법을 통해 두 LLT변압기 간의 전류 불균형 문제를 최소화 할 수 있도록 각 변압기 1차측 권선은 직렬연결하고, 2차측은 병렬 연결하여 적용하였다. 그리고 22mm시제품을 제작하여 50HD PDP 전원(400W)에 적용시켜 검증한 결과를 나타내었다.
그러나 하나의 변압기로 설계할 경우 출력 부하의 특성상 대용량으로 설계되어야 할 고주파 LLT (Inductor-Inductor Transformer) 변압기는 권선의 굵기 및 열적 스트레스를 고려하여 적용할 코어를 선정해야 하기 때문에 크기 저감 및 슬림화 하는데 한계성을 가지게 된다. 따라서 본 논문의 주회로 방식에서 적용된 변압기는 두 개의 LLT 변압기로 구성 하였으며 1차측과 2차측의 결선 방법을 통해 두 LLT변압기 간의 전류 불균형 문제를 최소화 할 수 있도록 각 변압기 1차측 권선은 직렬연결하고, 2차측은 병렬 연결하여 적용하였다. 그리고 22mm시제품을 제작하여 50HD PDP 전원(400W)에 적용시켜 검증한 결과를 나타내었다.
표 3의 변압기를 50인치 PDP 전원장치에 적용하여 실험하였다. 전자부하를 적용하여 검증하였으며, Vs 전원부의 부하특성을 고려하여 Vs 전원부 출력이 고정 부하 조건(static max : 2A_ave)과 다이나믹(Dynamic max : 2A(I_o=11A_peak)) 부하 조건일 때에도 1차측 주스위칭 소자는 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작을 만족해야 한다. 여기서 다이나믹 부하란 PDP TV 모듈의 부하특성과 유사한 부하 조건을 만들어 주기 위해 전자부하 상에서 60Hz의 주기를 갖는 펄스형 정현파를 발생 시켜주는 부하조건이다.
표 2의 계산된 변압기 파라미터를 근거로 하여 LLT변압기를 제작하였고, 측정된 파라미터를 표 3에 나타내었다.

대상 데이터

)를 선정할 수 있다. 본 논문에서 적용된 코어는 EE4445 2조를 적용하였고, A=0.15, B=0.1로 두고 설계하였다. 이때 A, B값은 코어와 보빈의 형상이나 권선 방법에 따라 바뀔 수 있기 때문에 원하는 공진특성을 얻기 위해서는 설계 시 충분히 검토되어야 한다.
그림 1은 두 대의 LLT 변압기를 적용한 LLC 직렬공진 컨버터 주 회로도이다. 적용된 주 회로의 1차측은 하프-브리지(Half-Bridge)이며 2차측은 브리지(bridge) 정류 회로로 구성되어 있다. 그리고 두 대의 LLT 변압기 1차측은 직렬로 결선하고, 2차측은 병렬로 결선하였다.

성능/효과

그림 9와 그림 10은 부하 변화 시 1차측 단자 전압과 전류, 2차측 다이오드 전압과 정류된 전류 파형을 나타낸다. Static 중부하(2Aave)에서 경부하(0.1Aave)까지 부하 변화 시 스위칭 주파수는 각각 143.6kHz에서 156.9kHz 사이에서 동작하고, 다이나믹 최대부하(1.5kW)에서는 143.6kHz에서 동작하는 것을 확인하였다. 그리고 최대 부하 (static max : 2A, dynamic max: 2A (Io=11Apeak)) 조건에서 1차측의 주 스위칭 소자는 항상 ZVS 동작을 하는 것을 확인하였다.
그림 11은 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 공진 컨버터의 효율 특성을 나타낸다. 경부하(Io=0.1A)에서 1차측에 순환전류만 흐르기 때문에 낮은 효율 특성을 보이고, 중부하(Io=2A)로 갈수록 95.4%의 높은 효율특성을 보였다. 그리고 그림 12는 두 대의 LLT변압기 적용 50HD PDP PSU의 시제품 사진이다.
6kHz에서 동작하는 것을 확인하였다. 그리고 최대 부하 (static max : 2A, dynamic max: 2A (Io=11Apeak)) 조건에서 1차측의 주 스위칭 소자는 항상 ZVS 동작을 하는 것을 확인하였다. 실험결과를 통해서 그림 8에 나타낸 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 공진 컨버터의 전압이득 특성 분석 결과와 스위칭 동작 주파수 범위가 일치하므로 이론적 해석이 타당함을 알 수 있다.
또한 가장 큰 전력을 소비하는 중부하 조건에서 공진점 부근에서 동작하게 함으로써 높은 효율특성을 얻을 수 있도록 하였고, MathCAD를 이용한 전압이득 특성 분석 결과와 실험 결과가 일치함을 확인하여 수식을 검증하였다. 따라서 두 대의 LLT 변압기로 구성된 LLC 직렬공진 컨버터의 전압이득 특성 및 동작특성을 통해 PDP 전원에 적용 가능함을 실험을 통해 검증하였다.
적용된 두 대의 LLT 변압기는 1, 2차측 결선 관계를 통해 별도의 제어회로 없이 변압기간의 전류 불균형 문제를 최소화 하였고, 50인치 HD TV 전원장치에 적용하여 실험한 결과 가장 악조건에서도 ZVS 스위칭을 하면서 안정된 동작을 확인하였다. 또한 가장 큰 전력을 소비하는 중부하 조건에서 공진점 부근에서 동작하게 함으로써 높은 효율특성을 얻을 수 있도록 하였고, MathCAD를 이용한 전압이득 특성 분석 결과와 실험 결과가 일치함을 확인하여 수식을 검증하였다. 따라서 두 대의 LLT 변압기로 구성된 LLC 직렬공진 컨버터의 전압이득 특성 및 동작특성을 통해 PDP 전원에 적용 가능함을 실험을 통해 검증하였다.
그리고 최대 부하 (static max : 2A, dynamic max: 2A (Io=11Apeak)) 조건에서 1차측의 주 스위칭 소자는 항상 ZVS 동작을 하는 것을 확인하였다. 실험결과를 통해서 그림 8에 나타낸 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 공진 컨버터의 전압이득 특성 분석 결과와 스위칭 동작 주파수 범위가 일치하므로 이론적 해석이 타당함을 알 수 있다.
본 논문에서는 슬림화에 대응하기 위한 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 직렬공진 컨버터에 대하여 전압이득특성 분석을 하였으며, 두 대의 변압기 적용 시 설계과정에 대해 서술하였다. 적용된 두 대의 LLT 변압기는 1, 2차측 결선 관계를 통해 별도의 제어회로 없이 변압기간의 전류 불균형 문제를 최소화 하였고, 50인치 HD TV 전원장치에 적용하여 실험한 결과 가장 악조건에서도 ZVS 스위칭을 하면서 안정된 동작을 확인하였다. 또한 가장 큰 전력을 소비하는 중부하 조건에서 공진점 부근에서 동작하게 함으로써 높은 효율특성을 얻을 수 있도록 하였고, MathCAD를 이용한 전압이득 특성 분석 결과와 실험 결과가 일치함을 확인하여 수식을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디자인 트렌드의 가장 큰 줄기는 무엇이라고 할 수 있는가?	이런 상황에서 기업들은 고객의 감성을 자극하고 새로운 트렌드를 만들어 내고자 디자인에 많은 투자를 하고 있다. 그러한 디자인 트렌드의 가장 큰 줄기는 소형화, 슬림화, 단순화라고 할 수 있다. 본 논문에서는 위의 세 가지 중 슬림화 대응 최근 기술의 발전으로 제품들 간의 기능적인 면에서는 평준화가 되고 있다.
	본 연구에서 적용된 주 회로의 1차측과 2차측은 각각 어떤 정류회로로 구성되어 있는가?	그림 1은 두 대의 LLT 변압기를 적용한 LLC 직렬공진 컨버터 주 회로도이다. 적용된 주 회로의 1차측은 하프-브리지(Half-Bridge)이며 2차측은 브리지(bridge) 정류 회로로 구성되어 있다. 그리고 두 대의 LLT 변압기 1차측은 직렬로 결선하고, 2차측은 병렬로 결선하였다.
	두 대의 LLT 변압기로 구성된 LLC 직렬공진 컨버터의 전압이득 특성 및 동작특성을 통해 PDP 전원에 적용 가능함을 실험을 통해 검증할 수 있었던 이유는?	본 논문에서는 슬림화에 대응하기 위한 두 대의 LLT 변압기 적용 LLC 직렬공진 컨버터에 대하여 전압이득특성 분석을 하였으며, 두 대의 변압기 적용 시설계과정에 대해 서술하였다. 적용된 두 대의 LLT 변압기는 1, 2차측 결선 관계를 통해 별도의 제어회로 없이 변압기간의 전류 불균형 문제를 최소화 하였고, 50인치 HD TV 전원장치에 적용하여 실험한 결과 가장 악조건에서도 ZVS 스위칭을 하면서 안정된 동작을 확인하였다. 또한 가장 큰 전력을 소비하는 중부하 조건에서 공진점 부근에서 동작하게 함으로써 높은 효율특성을 얻을 수 있도록 하였고, MathCAD를 이용한전압이득 특성 분석 결과와 실험 결과가 일치함을 확인하여 수식을 검증하였다. 따라서 두 대의 LLT 변압기로 구성된 LLC 직렬공진 컨버터의 전압이득 특성 및 동작특성을 통해 PDP 전원에 적용 가능함을 실험을 통해 검증하였다.

참고문헌 (7)

Marian K. Kazimierczuk, Dariusz Czarkowski 'Resonant Power Converters', John Wiley & Sons, INC
Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic 'Fundamentals of Power Electronics', University of Colorado Boulder, Colorado
Robert L. Steigerwald, 'A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies', IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 3, Issue 2, pp. 174-182, 1988, April

상세보기
Lin, B.-R., Chen, J.-J. and Yang, C.-L, 'Analysis and Implementation of Dual-Output LLC Resonant Converter', IEEE ICIT2008, pp. 1-6, 2008, April
Bor-Ren Lin, Chao-Hsien Tseng, 'Analysis of Rarallel-Connected Asymmetrical Soft-Switching Converter', IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 3, pp. 1642-1653, 2007, June

상세보기
강성인, 윤광호, 김은수, 박준호, 허동영, 'LLC 직렬공진 컨버터 동작특성', 전력전자학회 논문지, 제12권, 제6호, pp. 472-482, 2007. 12

원문보기 상세보기
조상호, 윤종규, 노정욱, 홍성수, 김종해, 이효범, 한상규, '단일변압기를 이용한 고효율 저가격형 다중 출력 LLC 공진컨버터', 전력전자학회 논문지, 제13권, 제6호, pp. 439-446, 2008. 12

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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