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문제 정의
- 본 논문에서는 500 kHz의 높은 스위칭 주파수를 가지는 LLC 공진형 컨버터의 동작 특성과 손실을 저감할수 있는 디자인 방법을 제안하였다. 스위칭 주파수가 증가함에 따라 변압기의 크기와 출력 캐패시터의 크기가 줄어들게 되어 컨버터의 전력 밀도가 상승함을 이론적으로 예측하였고 고주파 동작 시에 적용할 수 있는 새로운 자화 인덕턴스 설계방법을 제안하여 500 kHz의 고주파 스위칭 시에도 컨버터가 ZVS 영역에서 동작할 수 있게 설계하였다.
제안 방법
- 그림 7은 기존의 100 kHz LLC 컨버터와 본 논문에서 제안하는 500 kHz LLC 컨버터를 비교하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 500 kHz의 동작구간에서 MOSFET 영전압 스위칭 및 2차측 다이오드 영전류 스위칭 조건을 확보하여 파워 스위치에서 발생하는 스위칭 손실을 최소화 하였다.
- 그림 15는 주요 컨버터 소자의 온도를 측정한 데이터로 환경 조건은 100 kHz와 500 kHz의 스위칭 소자에 방열판(25mm×16.5mm×16mm)을 부착하였으며, 주변온도는 25.6 ℃, 그리고 OMRON사의 ZR-RX25를 사용하여 온도를 측정하였다.
- 본 논문에서는 기존에 연구된 LLC 컨버터의 동작원리 및 입출력 전압관계를 이용하여 고주파 LLC 컨버터 설계 시 고려해야 할 사항을 기술하였는데 먼저 고주파 컨버터에서 주파수에 비례하여 줄어드는 수동소자 크기의 관계에 대하여 변압기의 창면적(Cross Sectional Area), 공진 캐패시터, 출력단 캐패시터의 용량이 주파수에 대해 얼마나 줄어드는지 수학적으로 유도하고 시뮬레이션 및 실험 결과를 비교하여 그 타당성을 제시하였다. 또 스위칭 주파수가 올라감에 따라 MOSFET의 영전압 스위칭 조건을 유지하기 위한 기존의 자화 인덕턴스 설계법에 오차가 생기기 시작하는데, 기존의 설계 방법보다 높은 정확도의 계산법을 근사화를 통해 유도하였다. 마지막으로 스위칭 주파수가 올라감에 따라 자화 및 누설 인덕턴스가 줄어 1차측 전류가 증가할 뿐만아니라 스위칭 손실이 커져서 전력변환 효율이 줄어듦이 예측이 되는데, 이는 각 소자에서 발생하는 온도를 측정함으로써 스위칭 주파수가 올라감에 따른 주요 손실발생 부분을 확인할 수 있고, 이를 통해 고주파에서 컨버터 구동 시 고려해야 하는 소자 특성을 분석해 보았다.
- 모의시험 및 실험을 통하여 앞서 제안한 효과적인 설계 방법과 전력밀도 향상의 타당성을 입증하였다. 또한 100 kHz와 500 kHz 컨버터를 제작하고 실험을 통하여 효율 및 전력 손실을 분석함으로써 동작 주파수 상승에 따른 스위칭 손실의 증가를 확인하고 이를 개선할 수 있는 방안을 제시하였다.
- 또 스위칭 주파수가 올라감에 따라 MOSFET의 영전압 스위칭 조건을 유지하기 위한 기존의 자화 인덕턴스 설계법에 오차가 생기기 시작하는데, 기존의 설계 방법보다 높은 정확도의 계산법을 근사화를 통해 유도하였다. 마지막으로 스위칭 주파수가 올라감에 따라 자화 및 누설 인덕턴스가 줄어 1차측 전류가 증가할 뿐만아니라 스위칭 손실이 커져서 전력변환 효율이 줄어듦이 예측이 되는데, 이는 각 소자에서 발생하는 온도를 측정함으로써 스위칭 주파수가 올라감에 따른 주요 손실발생 부분을 확인할 수 있고, 이를 통해 고주파에서 컨버터 구동 시 고려해야 하는 소자 특성을 분석해 보았다.
- 본 논문에서는 기존에 연구된 LLC 컨버터의 동작원리 및 입출력 전압관계를 이용하여 고주파 LLC 컨버터 설계 시 고려해야 할 사항을 기술하였는데 먼저 고주파 컨버터에서 주파수에 비례하여 줄어드는 수동소자 크기의 관계에 대하여 변압기의 창면적(Cross Sectional Area), 공진 캐패시터, 출력단 캐패시터의 용량이 주파수에 대해 얼마나 줄어드는지 수학적으로 유도하고 시뮬레이션 및 실험 결과를 비교하여 그 타당성을 제시하였다. 또 스위칭 주파수가 올라감에 따라 MOSFET의 영전압 스위칭 조건을 유지하기 위한 기존의 자화 인덕턴스 설계법에 오차가 생기기 시작하는데, 기존의 설계 방법보다 높은 정확도의 계산법을 근사화를 통해 유도하였다.
- 본 논문을 통해서 100 kHz와 500 kHz의 스위칭 주파수를 가지는 LLC 공진형 컨버터를 구현하여 각 스위칭 주파수에서 MOSFET의 영전압 스위칭 조건을 형성하는 컨버터 디자인 방법을 비교하고 수학적으로 유도한 전력밀도의 증가를 실험적으로 확인하였다. 또한 100 kHz와 500 kHz의 동작 주파수에서 컨버터의 주요 부품별 온도를 측정함으로써 실험적으로 스위칭 주파수가 올라감에 따른 손실의 증가를 확인하였다.
- 본 실험에서 500 kHz 컨버터의 출력 전압 제어는 데드 타임이 일정 범위로 정해진 아날로그 컨트롤러(STL6599)를 사용하여 설계하였다. 이 제어기는 0.
- 본 논문에서는 500 kHz의 높은 스위칭 주파수를 가지는 LLC 공진형 컨버터의 동작 특성과 손실을 저감할수 있는 디자인 방법을 제안하였다. 스위칭 주파수가 증가함에 따라 변압기의 크기와 출력 캐패시터의 크기가 줄어들게 되어 컨버터의 전력 밀도가 상승함을 이론적으로 예측하였고 고주파 동작 시에 적용할 수 있는 새로운 자화 인덕턴스 설계방법을 제안하여 500 kHz의 고주파 스위칭 시에도 컨버터가 ZVS 영역에서 동작할 수 있게 설계하였다. 모의시험 및 실험을 통하여 앞서 제안한 효과적인 설계 방법과 전력밀도 향상의 타당성을 입증하였다.
- 따라서 그림 5와 같이 출력전류와 출력 캐패시턴스가 일정하다고 가정하면 주파수가 올라감에 따라 캐패시터에 의한 출력전압 리플의 영향은 점점 줄어들고, ESR에 의한 출력 리플이 주요해짐을 보인다. 표 1은 출력전류, ESR, 출력 캐패시턴스가 일정하다고 가정할 때 100kHz와 500 kHz에서 출력 전압 리플을 측정하였다. 표 1의 100kHz와 500kHz에서 출력 전압 리플을 비교하면 스위칭 주파수가 올라감에 따라 캐패시턴스가 줄어도 전압 리플이 증가하지 않음을 알 수 있다.
성능/효과
- 표 2에서는 동작 주파수의 증가에 따른 컨버터 수동 소자의 용량 변화를 나타낸다. 100 kHz 컨버터의 수동 소자에 비해 500 kHz 컨버터에서 수동소자의 인덕턴스및 캐패시턴스가 감소함을 확인할 수 있다.
- 그림 14에서 100 kHz와 500 kHz LLC 공진형 컨버터의 효율을 비교하여 나타내었다. 100 kHz 컨버터의 최고 효율은 95.6%이고 500 kH 컨버터의 최고 효율은 91.2%로 측정이 되었다. 고주파 스위칭 시 그림 14과 같이 효율이 떨어지는 원인으로 스위칭 주파수가 높아짐에 따라 기생 소자가 주요해짐과 더불어 스위칭 손실의 증가와 코어의 히스테리시스 손실 증가, 그리고 1차측 전류의 증가로 인한 도통 손실 증가가 예측이 된다.
- 그림 13에서 500 kHz 컨버터에 사용된 변압기의 크기가 기존의 100 kHz 컨버터 변압기에 비해 약 1.3배가 크기가 감소할 수 있음을 보이고, 자기 포화가 일어나지 않음을 실험적으로 확인하였다. 이 결과로부터 식 (13) 에서 제시한 주파수의 증가에 따른 변압기 크기의 감소가 가능하였고 변압기의 자력선 길이가 감소함에 따라 변압기의 크기가 줄어드는 효과가 반감되어 약 1.
- 본 논문을 통해서 100 kHz와 500 kHz의 스위칭 주파수를 가지는 LLC 공진형 컨버터를 구현하여 각 스위칭 주파수에서 MOSFET의 영전압 스위칭 조건을 형성하는 컨버터 디자인 방법을 비교하고 수학적으로 유도한 전력밀도의 증가를 실험적으로 확인하였다. 또한 100 kHz와 500 kHz의 동작 주파수에서 컨버터의 주요 부품별 온도를 측정함으로써 실험적으로 스위칭 주파수가 올라감에 따른 손실의 증가를 확인하였다.
- 4 us의 데드 타임을 가지고 있으므로 500 kHz (2 us)의 상당 부분을 데드 타임이 차지하고 있다. 모의시험 결과인 그림 6에서 볼 수 있듯이 데드 타임이 스위칭 주기에 비해 무시할 수 없을 정도로 커서 이 시간 동안 ip가 im를 따라가지 못하고 2차측 다이오드에 있는 기생 캐패시터의 방전 전류에 의해서 2차측이 먼저 도통됨을 볼 수 있다. 이때 기존 Lm은 데드 타임 시작과 끝이 ip = im라고 가정하면 초기 전류 값으로부터 식 (15)과 같이 나타난다.
- 스위칭 주파수가 증가함에 따라 변압기의 크기와 출력 캐패시터의 크기가 줄어들게 되어 컨버터의 전력 밀도가 상승함을 이론적으로 예측하였고 고주파 동작 시에 적용할 수 있는 새로운 자화 인덕턴스 설계방법을 제안하여 500 kHz의 고주파 스위칭 시에도 컨버터가 ZVS 영역에서 동작할 수 있게 설계하였다. 모의시험 및 실험을 통하여 앞서 제안한 효과적인 설계 방법과 전력밀도 향상의 타당성을 입증하였다. 또한 100 kHz와 500 kHz 컨버터를 제작하고 실험을 통하여 효율 및 전력 손실을 분석함으로써 동작 주파수 상승에 따른 스위칭 손실의 증가를 확인하고 이를 개선할 수 있는 방안을 제시하였다.
- 3배가 크기가 감소할 수 있음을 보이고, 자기 포화가 일어나지 않음을 실험적으로 확인하였다. 이 결과로부터 식 (13) 에서 제시한 주파수의 증가에 따른 변압기 크기의 감소가 가능하였고 변압기의 자력선 길이가 감소함에 따라 변압기의 크기가 줄어드는 효과가 반감되어 약 1.3배에서 포화가 생기지 않음을 실험적으로 확인하였다.
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