[논문]Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터

김주훈; 이광호; 김은수; 이재삼; 이현관; 정용채

Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터
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전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.5, 2009년, pp.397 - 405

김주훈 (전주대 전기전자공학) , 이광호 (전주대 전기전자공학) , 김은수 (전주대 전기전자정보통신공학부) , 이재삼 (LG이노텍(주)) , 이현관 (LG이노텍(주)) , 정용채 (남서울대 전자공학과)

초록
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최근 대화면 및 슬림화를 위한 LCD TV의 전원장치는 고집적화와 고효율에 대한 연구가 이슈가 되고 있고, 이를 위해 Multi-phase LLC 공진컨버터가 연구되고 있으며 본 논문에서는 제어회로를 간단화 하면서 300W Two Phase Interleaved LLC 공진컨버터를 제안 적용한 실험결과에 대하여 서술하였다.

Nowadays, power supplies for LCD TV of larger and slimmer screen size are required to have high power density and high efficient characteristics. In order to meet these requirements, Multi-phase interleaved LLC resonant converter is applied for increasing power density and reducing the current rating in the used devices. In this paper, gain characteristics and the experimental results of the proposed two-phase LLC resonant converter which implemented by the simple control circuit are verified based on the theoretical analysis and the 300W experimental prototype.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 입력 리플을 저감시킬 수 있다. 또한 기존의 복잡한 위상지연된 Interleaved 제어회로의 문제점을 개선하기 위해 본 논문에서는 ST사(L6599) IC를 적용하여 하나의 IC로 구현하였다. 그림 3의 제어 IC의 동작특성은 다음과 같다.
본 논문에서는 전원장치의 리플 저감과 고효율, 고집적화를 위한 다 출력 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터를 제안하였고, 300W의 시제품을 제작 실험한 결과 입력전압(V_in:320∼400V)변화와 모든 부하 범위조건에서 각 컨버터의 공진전류 불평형없이 안정되게 90° Interleaved 스위칭동작에 의해 입력 리플전류가 감소하여 집적화를 위한 전원장치에 적용 가능함을 실험을 통해 나타내었다.
본 논문에서의 주회로 동작특성을 나타내기 위하여 LCD TV PSU 전원장치를 위한 300W급 시제품을 제작하여 실험 결과를 서술하였고, 본 논문에 적용된 그림 2(a)의 LLC 공진 컨버터의 실험조건과 소자정격에 대해 표 2에 나타내었다.

제안 방법

)가 반주기 동안에만 전달되어 입력 Peak전류에 의한 리플 증가에 따라 입력 커패시터에 많은 전류 및 열적 스트레스를 준다. 이 문제를 개선하기 위해 본 논문에서는 그림 2(a)와 같이 모든 주기 동안에 입력전류(I_in)가 전달되어 입력 리플을 1/2로 줄일 수 있는 Half Bridge 공진 컨버터 2대를 병렬로 구동하여 입력 리플을 최소화 할 수 있는 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 그림 2(a)와 같이 1차측은 병렬로 연결되고 2차측 출력단 정류부는 직렬연결된 구조로 구성하여 이득 차이에 따른 전류 분담 및 각각의 출력전압 불평형 문제를 최소화하였다.
하지만 용량이 12V/10A 120W와 12V/15A 180W로 차이가 있기 때문에 공진 탱크의 파라미터의 차이에 따른 이득 차이를 최소화하기 위해 같은 정격의 변압기 및 공진 커패시터를 사용하여 설계 적용 하였다. 따라서 Q변화에 대한 이득특성과 이득특성에 중요한 영향을 주는 1차측 누설인덕턴스(L_l1=L_l11=L_l12)와 2차측 누설인덕턴스(N²Ll₂=N²Ll₂₁=N²Ll₂₂), 그리고 자화 인덕턴스(L_m=L_m1=L_m2)의 비율인 A(L_l1/L_m)와 B(N²Ll₂/L_m)를 고려하여 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 주회로 구성에 있어서는 입력 단은 병렬연결이지만 2차측 정류된 출력단은 직렬 연결함으로써 각 컨버터의 이득특성 차이에 따른 전류 불평형 문제를 최소화 하였고, 제어회로에 있어서는 기존에 사용되던 공진컨버터 제어IC(L6599)의 기능과 간단한 제어회로를 구성하여 입력 리플전류를 감소시킬 수 있는 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터의 300W급 시제품을 제작하여 적용 실험하였다.
또한 요구된 입력전압범위(Vin:320∼400V)와 최대 부하 조건에서도 출력전압을 제어 할 수 있는 이득특성을 갖도록 Q값을 선정하였고, 입력전압이 400V일 때 스위칭 주파수(fs)와 공진 주파수(fr)가 같을 때인 공진점에서 동작할 수 있도록 Q를 0.45로 선정하였다.
본 논문의 두 개의 LLC 공진컨버터는 1차측이 병렬로 구성되어 있고, 2차측은 TR₁을 포함하는 컨버터의 12V출력단과 TR₂를 포함하는 컨버터의 12V출력단이 직렬로 연결되어 24V출력단을 구성하고 있기 때문에 각 변압기를 12V출력을 기준으로 설계할 수 있다. 하지만 용량이 12V/10A 120W와 12V/15A 180W로 차이가 있기 때문에 공진 탱크의 파라미터의 차이에 따른 이득 차이를 최소화하기 위해 같은 정격의 변압기 및 공진 커패시터를 사용하여 설계 적용 하였다.
그림 4는 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터의 등가회로도이다. 이 컨버터를 AC 해석을 하기 위하여 스위칭 동작 시 1차측에 인가되는 구형파전압을 고조파 성분을 무시하고 기본파 성분(V_ab=V_cd)만을 고려하였다. C_r(C_r1+C_r2=C_r3+C_r4)은 병렬로 된 공진 커패시터를 하나로 표현하고, L₁₁, L_m그리고 N²Ll₂는 1차측 누설인덕턴스, 자화 인덕턴스, 2차측 누설인덕턴스를 각각 나타낸 것이다.
를 포함하는 컨버터의 12V출력단이 직렬로 연결되어 24V출력단을 구성하고 있기 때문에 각 변압기를 12V출력을 기준으로 설계할 수 있다. 하지만 용량이 12V/10A 120W와 12V/15A 180W로 차이가 있기 때문에 공진 탱크의 파라미터의 차이에 따른 이득 차이를 최소화하기 위해 같은 정격의 변압기 및 공진 커패시터를 사용하여 설계 적용 하였다. 따라서 Q변화에 대한 이득특성과 이득특성에 중요한 영향을 주는 1차측 누설인덕턴스(L_l1=L_l11=L_l12)와 2차측 누설인덕턴스(N²Ll₂=N²Ll₂₁=N²Ll₂₂), 그리고 자화 인덕턴스(L_m=L_m1=L_m2)의 비율인 A(L_l1/L_m)와 B(N²Ll₂/L_m)를 고려하여 설계하였다.

성능/효과

(b)는 Two phase interleaved LLC 공진 컨버터의 각 입력전압(400V)조건과 부하조건(12V/5A, 24V/10A)에서 각 컨버터의 출력커패시터 리플전류(Ic1,Ic2,Ic3) 및 정류단 부하전류(Io1, Io2, Io)을 측정한 파형으로서 각 컨버터의 정류된 출력이 직렬연결 구성되어 있지만 개별 리플전류(Ic1, Ic2) 및 부하전류 (Io1, Io2)는 90°위상 지연되어 동작됨을 확인할 수 있다.
따라서 식 (8)과 표 1에 나타낸 변압기 파라미터를 이용하여 그림 6, 그림 7과 같은 부하 변화에 대한 입출력 전압이득특성(G_V)을 얻어 낼 수 있었다. 그림 6과 그림 7에서와 같이 각각의 변압기 파라미터의 차이에 따라 이득 특성에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 1차측 누설인덕턴스(L_l1)와 2차측 누설인덕턴스(N²L_l2), 그리고 자화 인덕턴스(L_m)의 비율인 A(L_l1/L_m)와 B(N²L_l2/L_m)값에 대해 측정 결과 두 변압기에서 A는 0.134(첫 번째 변압기), 0.143(두 번째 변압기)이고, B는 0.373(첫 번째 변압기), 0.364(두 번째 변압기)로 각각 2.472%와 6.67%만큼 이득 차이가 발생함을 알 수 있다. 이러한 이득차이에 따라서 각 컨버터의 출력전압에 이득 차이를 주게 된다.
측정 결과 두 개의 컨버터가 90° Interleaved 스위칭 동작하는 것을 볼 수 있고, 12V(V_o2)의 출력단은 12V 부하뿐만 아니라 24V(V_o) 부하에도 전력을 공급하고 있으므로 1차측 공진 전류에 차만큼 더 많은 공진 전류가 흐르고 있음을 볼 수 있다. 또한 부하가 가장 악조건에서도 각 컨버터의 이득차이에 의한 불평형문제가 발생하지 않는 것을 확인하였다.
또한 제안된 컨버터가 입력측 주회로 구성이 병렬연결 구성된 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터 동작특성에 따라 개별 공진컨버터의 입력전류(I1in, I2in)가 90°위상차 제어되고 있음을 알 수 있었다.
설계된 파라미터 값과 실제 제작하여 측정한 두 개의 변압기 파라미터를 비교하여 표 1에 나타내었다. 설계자료와 실제 제작된 파라미터는 적용된 변압기 권선방법의 차이에 따라 파라미터 값이 달라질 수 있기 때문에 조금 차이가 있지만 설계값과 근사한 파라미터값을 갖는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 식 (8)과 표 1에 나타낸 변압기 파라미터를 이용하여 그림 6, 그림 7과 같은 부하 변화에 대한 입출력 전압이득특성(G_V)을 얻어 낼 수 있었다.
)에 따른 입력리플전류를 비교한 그래프를 그림 16에 나타내었다. 실험 결과 기존의 컨버터 주회로 방식의 입력전류(I_in)는 스위치(Q₁)이 턴-오프 시 입력전류는 전달되지 않기 때문에 반주기구간동안 입력전류(I_in)가 전달되어 입력Peak전류는 증가하고 이에 따라 입력리플전류가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 제안된 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터의 입력전류파형(I_in)은 모든 주기 동안에 TR₁의 입력전류(I_1in)와 TR₂의 입력전류(I_2in)가 90° 위상지연(Phase shift)되어 흐르므로 입력Peak전류가 저감되고 이에 따라 입력리플전류가 1/2로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
측정 결과 두 개의 컨버터가 90° Interleaved 스위칭 동작하는 것을 볼 수 있고, 12V(Vo2)의 출력단은 12V 부하뿐만 아니라 24V(Vo) 부하에도 전력을 공급하고 있으므로 1차측 공진 전류에 차만큼 더 많은 공진 전류가 흐르고 있음을 볼 수 있다.
표 3은 출력전압(V_o, V_o2) 측정 시 부하 조건에 대해 나타내었다. 측정 결과 입력 전압 변화 시(V_in:320V, 400V) 모든 부하변화에 대해 출력전압 변동 폭은 모든 부하변화에서 적은 오차범위로 안정되게 동작됨을 확인하였다. [출력전압(V_o, V_o2)변동률:(12V:-2.
하지만 제안된 Two Phase Interleaved LLC 공진 컨버터의 입력전류파형(Iin)은 모든 주기 동안에 TR1의 입력전류(I1in)와 TR2의 입력전류(I2in)가 90° 위상지연(Phase shift)되어 흐르므로 입력Peak전류가 저감되고 이에 따라 입력리플전류가 1/2로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 효율 측정결과 넓은 입력전압범위(Vin:320V∼400V)에서 동작되도록 설계되어 있어 최대 부하에서약 90%정도의 효율을 나타내고 있지만 회로 배선과 입력전압제어범위 최소화와 주회로 최적화를 통해 더높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Multi-phase LLC 공진 컨버터의 2차측을 병렬로 연결하여 출력 전압제어시 발생하는 문제는?	하지만 Multi-phase LLC 공진 컨버터의 2차측을 병렬로 연결하여 출력 전압제어 시 각각의 공진회로를 구성하는 적용소자의 파라미터 값 차이에 따른 입출력 전압 이득특성차이에 따라 각 컨버터에는 전류 불평형이 발생하게 되고, 이득이 큰 한 쪽 컨버터에만 전력이 전달되는 문제점을 갖는다. 뿐만 아니라 이러한 컨버터를 구현하기 위해서는 제어회로가 복잡해지거나 별도의 제어회로를 추가해야하는 단점이 있고, 복잡한 제어회로 구성 시 손실이 발생되는 문제점이 발생된다.[4]
	집적화와 스위칭 손실을 줄이기 위해 사용되고 있는 컨버터는?	이러한 전원장치의 고효율과 고집적화를 위해 손실이 적은 컨버터와 컨버터의 사이즈(Size)를 줄이기 위한 연구가 진행 되고 있다. 특히 회로의 집적화와 스위칭 손실을 줄이기 위해, 모든 부하 범위 내에서 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching) 동작하여 높은 효율을 가지는 LLC 공진 컨버터가 널리 사용되고 있다.[1], [2]
	단일 LLC 공진 컨버터에서의 입력 리플전류를 저감하는데 존재하는 한계를 해결하기 위한 연구에는 어떠한 것이 있는가?	하지만 단일 LLC 공진 컨버터에서는 입력 리플전류를 저감시키는 데엔 한계를 가지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 LLC 공진 컨버터를 여러 대 병렬 연결한 Multi-phase LLC 공진 컨버터를 적용함으로써 입력 리플전류 저감에 따른 커패시터의 발생손실 저감과 커패시터의 사이즈를 저감시킬 수 있는 Multi-phase LLC 공진 컨버터에 대한 많은 연구가 진행 되고 있다.[3], [4]

참고문헌 (4)

Jiangtao Feng, Yuequan Hu, Wei Chen and Chau-chun Wen, 'ZVS Analysis of Asymmetrical Half-Bridge Converter,' IEEE PESC'01, pp. 243-247, 2001. 6
Bor-Ren Lin and Chien-Lan Huang, 'Analysis and Implementation of a Dual-Output LLC Resonant Converter,' International Journal of Electronics, Vol. 96, Issue 7, pp. 733-747, 2009. 7

상세보기
T Jin and K Smedley, 'Multiphase LLC Series Resonant Converter for Microprocessor Voltage Regulation,' IEEE IAS'06, pp. 2136-2143, 2006
Kang-Hyun Yi and Gun-Woo Moon, 'A Novel two phase interleaved LLC series resonant converter using a phase of the resonant capacitor,' Journal of Power Electronics, Vol. 8, No. 3, pp. 275-279, 2008. 7

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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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