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두개의 공진탱크회로를 갖는 LLC 공진 인버터 적용 PCS
Power Conditioning System using LLC Resonant Inverter with Two Resonant Tanks 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.15 no.6, 2010년, pp.477 - 486  

윤광호 (전주대 전기전자공학) ,  정봉근 (전주대 전기전자공학) ,  이광호 (LG이노텍(주) 파워연구실) ,  김주훈 (LG이노텍(주) 파워연구실) ,  김은수 (전주대 전기전자정보통신공학부) ,  최준영 (전주대 전기전자정보통신공학부)

초록
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최근 PCS 시스템은 고집적화, 고효율화 그리고 고밀도화 되는 추세에 있다. 이러한 조건을 만족하기 위하여 두개의 공진탱크를 갖는 LLC 공진형 인버터와 LF(Low Frequency) Cyclo-converter로 구성된 PCS를 제안하였다. 본 논문에서는 제안된 회로의 동작모드와 이론에 대해 서술하였고 400W급 시제품을 제작하고, 계통전압(110Vac 60Hz)에 연결하여 실험 적용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, Power Conditioning System (PCS) tends to become more compact, and tends to require higher efficiency, and higher power density with better performance. To meet these requirements, a novel topology consisted of LLC resonant inverter with two resonant tanks for low power losses and Low Frequ...

주제어

#PCS(Power Conditioning System)   #High frequency resonant inverter   #Cyclo-converter   #Two resonant tank  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 하지만 LLC 공진인버터는 발전출력용량이 낮은 영역(그림 8 Region A)또는 계통연계를 위한 출력전압(VAC)이 낮은 지점(그림 9(b) Region C)에서는 높은 주파수에서 동작을 하여도 일정한 DC이득을 가지기 때문에 출력 전류제어가 어려워 출력 측으로 흐르는 전류는 그림 15(a)와 같이 왜형(Distortion)이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 출력전압이 낮은 지점(그림 9(b) Region C)과 발전된 출력전력량이 적은 경우(그림 8 Region A) 일정한 주파수 범위 내에서는 듀티제어 함으로써 낮은 전압이득특성을 얻게 되고, 출력전류가 정현파가 되도록 제어회로를 구성하여 고 전력밀도 계통연계형 PCS에 대한 이론 및 실험결과에 대해 서술하였다.
  • 간의 데드타임을 기준신호파형(|ksin(wt)|)과 곱셈기의 출력신호의 Error값이 보상기에 입력되고 두 값에 대한 출력(그림9(a) Ierr2)에 의해 트랜지스터의 컬렉터와 이미터간의 임피던스를 가변시켜 제어용 IC(MC34067)의 16번 핀(One-Shot)회로의 커패시터 방전시간을 제어함으로써 낮은 출력전압(그림 9(b): Region C)또는 출력용량 낮은 경우(그림 8: Region A) 동작 시 주 스위치의 PWM 제어를 통해 효과적으로 출력전류를 제어하여 출력 측에 정현적인 전류가 흐르도록 제어회로를 설계하였다.
  • 그림 8의 전압이득특성 그래프에서 Corner 주파수(fo)는 출력 단 부하가 개방(R=∞)일 때의 주파수(ω0 = 1/#)를 나타내며, 부하가 단락(R=0)일 때의 공진주파수를 fr로 나타낸다. 그림 8에 표시한 바와 같이 출력용량이 큰 범위(500W～200W)에서는 주파수 제어를 통해 전압이득 제어 가능하기 때문에 주파수제어를 하게 되고, 출력용량이 작은 범위(25W～1W)에서는 높은 주파수에서 스위칭 하여도 LLC 공진회로에서의 높은 DC 이득을 가지는 특성 때문에 PWM제어를 통해 출력전류를 제어하여 정현적인 전류를 얻도록 하였다.
  • 따라서 본 논문에서는 그림 2과 같이 구성부품의 최소화 및 단가저감을 위해 두 개의 공진탱크를 갖는 LLC 공진인버터와 계통연계(110VAC/60Hz)를 위한 LF(Low Frequency) Cyclo-converter로만 구성된 PCS에 대한 회로들을 제안하였으며, 적용된 회로에서는 두 개의 변압기를 적용하여 독립된 공진탱크를 구성함으로써 집적화에 용이하도록 구성하였고, 2차측 누설 인덕턴스를 증가시키는 방향으로 변압기를 권선하여 2차측 누설인덕턴스가 출력 측 필터 인덕터처럼 동작되도록 설계함으로써 저가형 고집적화 PCS를 구현하도록 하였다. 하지만 LLC 공진인버터는 발전출력용량이 낮은 영역(그림 8 Region A)또는 계통연계를 위한 출력전압(VAC)이 낮은 지점(그림 9(b) Region C)에서는 높은 주파수에서 동작을 하여도 일정한 DC이득을 가지기 때문에 출력 전류제어가 어려워 출력 측으로 흐르는 전류는 그림 15(a)와 같이 왜형(Distortion)이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
  • LLC 공진인버터는 출력용량이 작아지거나 큰 자화 인덕턴스를 가지게 되면 전압이득은 그림 8의 Region A와 같이 주파수 증가에도 일정한 이득을 가지며, 높은 스위칭 주파수 동작에 따라 순환전류가 증가하여 전체적으로 낮은 효율특성을 가지게 되며 일정한 전압이득 때문에 정현적인 전류 파형을 얻지 못해 출력전류에 왜형(Distortion)이 발생되는 문제점을 가지게 된다. 따라서 본 논문에서는 정현적인 전류를 제어하기 위해서는 출력용량이 작은 영역(그림 8: Region A) 또는 출력 전압이 낮은 영역(그림 9(b): Region C)에서 전압이득 특성을 Step-down 시키기 위해 1차측 주스위치의 PWM 제어를 통해 출력 측에 흐르는 전류를 제한 시켜 정현적인 전류를 얻을 수 있게 하였다. 이러한 동작을 위해서는 출력전압이 높거나(그림 9(b):Region D) 출력용량이 큰 부분(그림 8:Region B) 에서는 주파수 제어를 통해 정현적인 전류를 얻을 수 있도록 하였고, 일정한 전압이득 특성을 가져 주파수 제어를 통해 출력전류를 제어하지 못하는 그림 8 Region A와 그림 9(b) Region C 에서는 PWM+Frequency 제어를 통해 출력용량 또는 출력전압에 따라 제어하여 출력전류에 왜형(Distortion)이 발생 되지 않도록 하였다.
  • 또한 작은 전류내량을 가지는 공진 커패시터의 사용에 따라 전체 시스템의 부피를 감소시켜 고밀도, 고집적화 된 공진인버터를 구성할 수 있다. 본 논문에서 적용된 회로의 2차측 권선 방법은 낮은 입력전압에서도 높은 출력 전압을 쉽게 얻을 수 있으며 변압기 제작시 발생되는 인덕턴스 불평형을 최소화하기 위해서 2차측 권선을 각각 교차하여 상호직렬로 연결하였다. 2차측이 상호 직렬로 연결되어 있기 때문에 변압기(T1)와 변압기(T2)간에 영향이 발생하게 되어, 이득특성 분석 시 중요한 고려사항이 된다.
  • 본 논문에서 제안한 LLC 공진인버터와 계통연계(110VAC/60Hz)를 위한 Cyclo-converter로 구성된 두 개의 공진탱크를 갖는 LLC 공진인버터 적용 PCS를 실험하였다. 적용된 LLC공진인버터의 주요정격을 표 2에 나타내었다
  • 따라서 본 논문에서는 정현적인 전류를 제어하기 위해서는 출력용량이 작은 영역(그림 8: Region A) 또는 출력 전압이 낮은 영역(그림 9(b): Region C)에서 전압이득 특성을 Step-down 시키기 위해 1차측 주스위치의 PWM 제어를 통해 출력 측에 흐르는 전류를 제한 시켜 정현적인 전류를 얻을 수 있게 하였다. 이러한 동작을 위해서는 출력전압이 높거나(그림 9(b):Region D) 출력용량이 큰 부분(그림 8:Region B) 에서는 주파수 제어를 통해 정현적인 전류를 얻을 수 있도록 하였고, 일정한 전압이득 특성을 가져 주파수 제어를 통해 출력전류를 제어하지 못하는 그림 8 Region A와 그림 9(b) Region C 에서는 PWM+Frequency 제어를 통해 출력용량 또는 출력전압에 따라 제어하여 출력전류에 왜형(Distortion)이 발생 되지 않도록 하였다.
  • 제안된 회로를 T형 등가회로로 변환하기 위해 먼저 전압원 1(Vab)에 대해 중첩의 원리를 적용하여 공진회로 2의 전압원 2(Vcd)를 단락 시키고 공진회로 1의 2차측 임피던스를 턴-수비에 의해 1차 측으로 반영시킬 수 있다. 따라서 전압원 1(Vab)에 대한 T형 등가회로를 그림 3(b)와 같이 표현할 수 있으며, 1차 측 임피던스(Zr1)를 식 (1)과 같이 나타내었다.

대상 데이터

  • 본 논문에서는 구성부품의 최소화 및 단가저감을 위해 두 개의 공진탱크를 갖는 LLC 공진인버터와 계통연계(110VAC/60Hz)를 위한 Cyclo-converter로 구성된 고집적화가 가능한 적용 PCS(Power Conditioning System)에 대한 회로를 제안하여 400W PCS 시제품을 제작하였고 110VAC/60Hz 계통연계 실험적용 하였다. 또한 LLC 공진컨버터의 출력전압이 낮은 지점 또는 출력용량이 작게 요구될 경우 높은 스위칭 주파수에서도 일정한 DC전압 이득을 가져 구형파의 출력전류를 얻게 되는 단점을 가지고 있지만 일정 주파수 범위 내에서 Dead-Time을 조절함으로서 듀티를 제어함으로서 낮은 출력전력이 요구되는 사항에서도 완만한 전류상승을 얻을 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최근 PCS 시스템의 추세는? 최근 PCS 시스템은 고집적화, 고효율화 그리고 고밀도화 되는 추세에 있다. 이러한 조건을 만족하기 위하여 두개의 공진탱크를 갖는 LLC 공진형 인버터와 LF(Low Frequency) Cyclo-converter로 구성된 PCS를 제안하였다.
LLC 공진인버터가 출력용량이 작아지거나 큰 자화 인덕턴스를 가지게 되면 발생하는 문제점은? LLC 공진인버터는 출력용량이 작아지거나 큰 자화 인덕턴스를 가지게 되면 전압이득은 그림 8의 Region A와 같이 주파수 증가에도 일정한 이득을 가지며, 높은 스위칭 주파수 동작에 따라 순환전류가 증가하여 전체적으로 낮은 효율특성을 가지게 되며 일정한 전압이득 때문에 정현적인 전류 파형을 얻지 못해 출력전류에 왜형(Distortion)이 발생되는 문제점을 가지게 된다. 따라서 본 논문에서는 정현적인 전류를 제어하기 위해서는 출력용량이 작은 영역(그림 8: Region A) 또는 출력 전압이 낮은 영역(그림 9(b): Region C)에서 전압이득 특성을 Step-down 시키기 위해 1차측 주스위치의 PWM 제어를 통해 출력 측에 흐르는 전류를 제한 시켜 정현적인 전류를 얻을 수 있게 하였다.
두 개의 공진탱크를 가지는 LLC 공진인버터 적용 PCS의 장점은? 그림 2의 제안된 회로는 두 개의 공진탱크를 가지는 LLC 공진인버터 적용 PCS이다. 1차측이 두 개의 공진탱크로 구성되어 있기 때문에 입력 리플 전류를 감소시켜 변압기에 사용되는 권선의 두께를 감소시킬 수 있기 때문에 작은 사이즈의 변압기를 사용 할 수 있다. 또한 작은 전류내량을 가지는 공진 커패시터의 사용에 따라 전체 시스템의 부피를 감소시켜 고밀도, 고집적화 된 공진인버터를 구성할 수 있다. 본 논문에서 적용된 회로의 2차측 권선 방법은 낮은 입력전압에서도 높은 출력 전압을 쉽게 얻을 수 있으며 변압기 제작시 발생되는 인덕턴스 불평형을 최소화하기 위해서 2차측 권선을 각각 교차하여 상호직렬로 연결하였다.
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참고문헌 (7)

  1. M. Cacciato, A. Consoli, etc., "A Digitally Controlled Double Stage Soft Switching Converter for Grid-connected Photovoltaic Applications", IEEE APEC, pp. 141-147, 2008. 

  2. 서현우, 권정민, 김응호, 권봉환, "모듈형 계통연계 태양광 PCS", 전력전자학회 논문지, 제13권 제2호, pp. 119-127, 2008. 4. 

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  3. Song Deng, Hong Mao, Joy Mazumdar, Issa Batarseh, Kazi Khairul Islam, "A New Control Scheme for High-frequency Link Inverter Design", IEEE APEC '03, pp. 512-517, 2003. 

  4. Joy Mazumdar, Issa Batarseh, Nasser Kutkut, Osman Demirci, "High Frequency Low Cost DC-AC Inverter Design with Fuel Cell Source for Home Applications", IEEE IAS, Vol. 2, pp. 789-794, 2002. 

  5. 김주훈, 강성인, 김은수, 허동영, 정용채, "두개의 변압기와 공진 탱크로 구성된 LLC 공진 컨버터", 전력전자학술대회 논문지, pp. 10-12, 2008. 10. 

  6. 강성인, 윤광호, 김은수, 박준호, 허동영, "LLC 직렬공진 컨버터 동작특성", 전력전자학회 논문지, pp. 472-482 2007. 12. 

  7. Bo Yang, Fred C Lee, Matthew Concannon, "Over Current Protection Methods for LLC Resonant Converter", pp. 605-609, 2003. 

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