[논문]두개의 변압기와 공진 탱크로 구성된 LLC 공진 컨버터

김주훈; 강성인; 김은수; 전용석; 이재삼; 허동영

두개의 변압기와 공진 탱크로 구성된 LLC 공진 컨버터
LLC Resonant Converter with Two Transformers and Resonant Tanks 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.5, 2009년, pp.406 - 414

김주훈 (전주대 전기전자공학) , 강성인 (LG이노텍(주)) , 김은수 (전주대 전기전자정보통신공학부) , 전용석 (전주대 전기전자정보통신공학부) , 이재삼 (LG이노텍(주)) , 허동영 (LG이노텍(주))

초록
AI-Helper

본 논문에서는 전원장치의 고집적화와 저가격화를 위해 두 개의 공진커패시터와 두 개의 변압기로 구성된 독립된 공진탱크회로를 갖는 LLC 공진 컨버터를 제안하였다. 제안된 공진회로에 적용된 두개의 변압기는 각 변압기에 흐르는 전류 불평형문제를 저감하기 위해 1차 측은 병렬 연결되어 있고 2차 측은 상호 직렬 연결되어 있다. 300W 시제품을 제작 실험한 결과를 통해 제안된 LLC 공진컨버터가 적용 가능함을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

To cope with the high power density and low cost in switching power supply, LLC resonant converters with the two resonant tank circuits composed of resonance capacitors and two transformers are proposed in this paper. Each transformers used for the proposed resonant circuits are parallel connected in the primary and series connected in the secondary to reduce the current unbalance. The proposed LLC resonant converters are described and verified on 300W experimental prototype.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

8mm 크기의 EFD3244H 코아를 적용한 슬림화된 고주파 변압기를 두개로 나누어 변압기 간에 독립된 공진탱크회로(Resonant tank circuit)로 구성하여 집적화에 용이하도록 하였고, 두개의 변압기 2차 측 권선을 각각 교차하여 직렬로 연결함으로 각 공진탱크회로 간에 전류불평형을 막고, 부하변동에 대해서는 상호 커플링 되어 있어서 12V출력단 전압 및 24V출력단 전압을 큰 차이없이 용이하게 제어 할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 300W급 시제품을 제작, 실험한 결과에 대하여 서술하였다.
본 논문에서는 전원장치의 고집적을 위한 새로운 LLC 공진 컨버터를 제안하였고, 제안된 LLC 공진 컨버터의 이점에 대해 서술하였다. 또한 8mm로 슬림화된 변압기를 적용하여 300W의 시제품을 제작하였고, 이를 실험한 결과 입력전압(V_in:340～400V) 조건에서 Dual-feedback 제어에 의한 출력단(12V, 24V)은 모든 부하 범위에 대해서 출력전압(V_o1, V_o2)을 일정변동범위 안에서 제어하였고, 제안된 컨버터에 대한 전압이득특성식의 시뮬레이션을 비교 분석하여 실험과 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 최근 Display 가전기기의 슬림화 추세에 맞추어 집적화된 전원장치를 위한 회로를 제안하였다. 제안된 회로는 높이가 10mm이하의 전원장치를 위해 높이 5.

제안 방법

본 논문에서는 300W 정격출력용량을 갖는 제안된 LLC 공진 컨버터에 8mm슬림화된 변압기를 적용하여 입력전압 340V～400V 조건에서 최대정격출력용량 12V/5A, 24V/10A 에 대해 각각 실험 하였다. 그리고 적용된 그림 2(a)의 제안된 컨버터1의 실험 조건과 주요 정격에 대해 표 2에 나타내었다.
기존 LLC 공진 컨버터의 문제점을 보완하기 위하여 그림 2(a)와 그림 2(b) 같은 독립된 공진 탱크를 갖는 LLC 공진 컨버터를 제안하였다. 제안된 컨버터는 슬림화를 위해 변압기를 두 개(T₁, T₂)로 나누었다. 그리고 각각의 독립된 공진탱크회로를 구성함으로써 기존 LLC 공진 컨버터에서 그림 1(c)와 같이 반주기 동안에 입력전류(I_in)가 전달되는 것과는 달리 그림 2(c)과 같이 모든 주기 동안에 입력전원에서 전류가 흐르게 되므로 입력 최대전류(I_in)가 1/2로 감소된다.
본 논문에서는 최근 Display 가전기기의 슬림화 추세에 맞추어 집적화된 전원장치를 위한 회로를 제안하였다. 제안된 회로는 높이가 10mm이하의 전원장치를 위해 높이 5.1mm, 길이 44mm, 폭 31.8mm 크기의 EFD3244H 코아를 적용한 슬림화된 고주파 변압기를 두개로 나누어 변압기 간에 독립된 공진탱크회로(Resonant tank circuit)로 구성하여 집적화에 용이하도록 하였고, 두개의 변압기 2차 측 권선을 각각 교차하여 직렬로 연결함으로 각 공진탱크회로 간에 전류불평형을 막고, 부하변동에 대해서는 상호 커플링 되어 있어서 12V출력단 전압 및 24V출력단 전압을 큰 차이없이 용이하게 제어 할 수 있도록 하였다. 본 논문에서는 300W급 시제품을 제작, 실험한 결과에 대하여 서술하였다.

대상 데이터

제안된 컨버터1은 두 개의 변압기(T₁, T₂)와 공진 커패시터(C_r)로 구성된 두 개의 독립된 공진 탱크회로를 갖고 있다. 스위칭 소자(Q₁, Q₂)가 턴-온/오프 함에 따라 변압기(T₁)은 공진 커패시터(C_r)와 하나의 공진회로를 구성하고, 다른 변압기(T₂)는 공진 커패시터(C_r)와 공진회로를 구성하여 서로 독립된 공진 탱크회로를 가진다.

이론/모형

)과 12V출력단과 24V출력단을 포함한 회로로 간단하게 나타낼 수 있다. 따라서 그림 4(a)회로를 T형 등가회로로 변환하기 위하여 중첩의 원리(Superposition Theory)를 적용하였다. 중첩의 원리는 두개의 별도의 전압원(V_ab, V_cd)을 가지고 있는 제안된 회로를 T형 등가회로로 변환하는 방법으로 이를 적용하여 먼저, 그림 4(b)와 같이 전압원1(V_ab)에 대한 등가회로로 표현할 수 있으며, 이에 따른 전압원1(V_ab)의 전압이득식을 식 (1)과 같이 구할 수 있다.

성능/효과

또한 입력 전류의 리플(ripple)이 줄어듦을 확인하였고, 실험 파형을 측정하여 두 변압기간의 전류 불평형문제가 없다는 것을 확인하였다. 따라서 제안된 컨버터가 고집적화를 위한 전원장치에 적용이 가능하다는 것을 실험을 통해 나타내었다.
본 논문에서는 전원장치의 고집적을 위한 새로운 LLC 공진 컨버터를 제안하였고, 제안된 LLC 공진 컨버터의 이점에 대해 서술하였다. 또한 8mm로 슬림화된 변압기를 적용하여 300W의 시제품을 제작하였고, 이를 실험한 결과 입력전압(V_in:340～400V) 조건에서 Dual-feedback 제어에 의한 출력단(12V, 24V)은 모든 부하 범위에 대해서 출력전압(V_o1, V_o2)을 일정변동범위 안에서 제어하였고, 제안된 컨버터에 대한 전압이득특성식의 시뮬레이션을 비교 분석하여 실험과 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 입력 전류의 리플(ripple)이 줄어듦을 확인하였고, 실험 파형을 측정하여 두 변압기간의 전류 불평형문제가 없다는 것을 확인하였다.
실험결과 그림 5의 부하변화에 따른 전압이득특성 시뮬레이션 결과와 비교하여 이득특성이 일치하는 것을 확인 하였다. 또한 공진회로1의 T₁과 공진회로2의 T₂의 변압기의 2차 측 권선을 교차하여 상호 직렬로 결선함으로써 전류 불평형문제가 나타나지 않음을 알 수 있었고, 모든 부하조건에서 단자전류(I_T11, I_T12)는 단자전압(V_ab, V_cd)에 대해 항상 지상전류가 흐르기 때문에 스위칭 소자는 최대정격부하(12V/5A, 24V/10A)에서도 항상 ZVS (Zero Voltage Switching)동작됨을 확인할 수 있었다.
또한 8mm로 슬림화된 변압기를 적용하여 300W의 시제품을 제작하였고, 이를 실험한 결과 입력전압(V_in:340～400V) 조건에서 Dual-feedback 제어에 의한 출력단(12V, 24V)은 모든 부하 범위에 대해서 출력전압(V_o1, V_o2)을 일정변동범위 안에서 제어하였고, 제안된 컨버터에 대한 전압이득특성식의 시뮬레이션을 비교 분석하여 실험과 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 입력 전류의 리플(ripple)이 줄어듦을 확인하였고, 실험 파형을 측정하여 두 변압기간의 전류 불평형문제가 없다는 것을 확인하였다. 따라서 제안된 컨버터가 고집적화를 위한 전원장치에 적용이 가능하다는 것을 실험을 통해 나타내었다.
또한 효율 측정 결과 최대 부하에서 약 94%정도의 효율을 나타내고 있지만 스위칭동작범위를 공진점 부근에서 동작 할 수 있도록 최적 주회로 설정 및 변압기 설계를 통해서 각 출력전압 변동범위 오차를 더욱 최소화 할 수 있고, 효율도 개선할 수 있을 것으로 생각된다.
8A)일 때와 정격부하(12V/3A, 24V/6,2A) 그리고 최대정격부하(12V/5A, 24V/10A)일 때의 각각의 1차 측 단자전압(V_ab, V_cd)과 전류(I_T11, I_T12)를 측정한 파형이다. 실험결과 그림 5의 부하변화에 따른 전압이득특성 시뮬레이션 결과와 비교하여 이득특성이 일치하는 것을 확인 하였다. 또한 공진회로1의 T₁과 공진회로2의 T₂의 변압기의 2차 측 권선을 교차하여 상호 직렬로 결선함으로써 전류 불평형문제가 나타나지 않음을 알 수 있었고, 모든 부하조건에서 단자전류(I_T11, I_T12)는 단자전압(V_ab, V_cd)에 대해 항상 지상전류가 흐르기 때문에 스위칭 소자는 최대정격부하(12V/5A, 24V/10A)에서도 항상 ZVS (Zero Voltage Switching)동작됨을 확인할 수 있었다.
그리고 주어진 입력전압조건(V_in:340V, 400V)과 부하조건에 따른 출력전압 변동범위를 표 3에 나타내었다. 측정결과 두개의 탱크회로를 갖는 제안된 컨버터1은 모든 부하변화에서 일정범위의 출력전압 변동범위 안에 있음을 확인하였다.

후속연구

그림 1(a)는 기존 단일 변압기로 구성된 하프-브리지(Half Bridge) LLC 공진 컨버터의 경우 그림 1(c)에서 볼 수 있듯이 상측 스위칭 소자(Q₁)가 턴-온 할 때에만 입력측에서 전류(I_in)가 흐르고 턴-오프 했을 때 전류가 흐르지 않기 때문에 입력피크전류가 커지게 된다. 입력 피크전류가 커지면 입력 커패시터의 리플전류가 증가하게 되고, 특히 단일변압기로만 적용 시 변압기 1차측 권선 실효전류 증가에 따른 권선손실에 따라 발열이 발생하는 등 고집적화 전원장치 개발에 한계를 준다.^{[1, 2, 3]}

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단일변압기로만 적용시 어떠한 한계를 주나?	그림 1(a)는 기존 단일 변압기로 구성된 하프-브리지(Half Bridge) LLC 공진 컨버터의 경우 그림 1(c)에서 볼 수 있듯이 상측 스위칭 소자(Q1)가 턴-온 할 때에만 입력측에서 전류(Iin)가 흐르고 턴-오프 했을 때 전류가 흐르지 않기 때문에 입력피크전류가 커지게 된다. 입력 피크전류가 커지면 입력 커패시터의 리플전류가 증가하게 되고, 특히 단일변압기로만 적용 시 변압기 1차측 권선 실효전류 증가에 따른 권선손실에 따라 발열이 발생하는 등 고집적화 전원장치 개발에 한계를 준다.[1, 2, 3]
	높이가 10mm이하의 고집적 전원장치 개발이 요구되고 있는 이유는?	최근 이슈화 되고 있는 Display 가전기기의 슬림화 추세에 맞춰 이에 대응 할 수 있는 높이가 10mm이하의 고집적 전원장치 개발이 요구되고 있다. 그림 1(a)는 기존 단일 변압기로 구성된 하프-브리지(Half Bridge) LLC 공진 컨버터의 경우 그림 1(c)에서 볼 수 있듯이 상측 스위칭 소자(Q1)가 턴-온 할 때에만 입력측에서 전류(Iin)가 흐르고 턴-오프 했을 때 전류가 흐르지 않기 때문에 입력피크전류가 커지게 된다.
	기존의 LLC 공진 컨버터의 문제를 해결하기 위해 제안된 LCC 공진 컨버터의 회로는 어떻게 연결되어 있나?	본 논문에서는 전원장치의 고집적화와 저가격화를 위해 두 개의 공진커패시터와 두 개의 변압기로 구성된 독립된 공진탱크회로를 갖는 LLC 공진 컨버터를 제안하였다. 제안된 공진회로에 적용된 두개의 변압기는 각 변압기에 흐르는 전류 불평형문제를 저감하기 위해 1차 측은 병렬 연결되어 있고 2차 측은 상호 직렬 연결되어 있다. 300W 시제품을 제작 실험한 결과를 통해 제안된 LLC 공진컨버터가 적용 가능함을 나타냈다.

참고문헌 (5)

B.Yang, F. C. Lee, A. J. Zhang and G. Huang, 'LLC resonant converter for front end DC/DC conversion,' IEEE APEC'02, Vol.2, pp. 1108-1112, 2002
B. Lu, W. Liu, Y. Liang, F. C. Lee and J. D. can Wyk, 'Optimal design methodology for LLC resonant converter,' IEEE APEC'06, pp533-538, 2006
Y. Gu, L. Hang, U. Chen, Z. Lu, Z. Qiann and J. Li, 'A simple structure of LLC resonant DC-DC converter for multi-output applications,' IEEE APEC'05, Vol. 3, pp. 1485-1490, 2005
Lin, B.-R., Chen, J.-J., Yang, C.-L, 'Analysis and Implementation of Dual-Output LLC Resonant Converter', IEEE ICIT 2008,
Bor-Ren Lin, Chao-Hsien Tseng, 'Analysis of Rarallel-Connected Asymmetrical Soft-Switching Converter.' IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 3, June 2007

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증