[논문]보드 선도를 이용한 LLC 컨버터의 경 부하 레귤레이션 특징 분석

연철오; 문건우

doi:10.6113/tkpe.2016.21.6.506

보드 선도를 이용한 LLC 컨버터의 경 부하 레귤레이션 특징 분석
Analysis for Light Load Regulation of LLC Converter using Bode Plot 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.6, 2016년, pp.506 - 513

연철오 (School of Electrical Engineering, KAIST) , 문건우 (School of Electrical Engineering, KAIST)

Abstract ▼ AI-Helper

In general, LLC converters show great promise in applications that require high efficiency, especially under light load conditions. In particular, LLC converters feature wide gain capability with pulse-frequency modulation and zero voltage switching over entire load conditions. However, output voltage increases in light load conditions. In this study, Bode plot and impedance asymptotes analyses were conducted to obtain insights into the regulation characteristics of LLC converters under light load conditions. To improve the regulation characteristic of LLC converters, a new resonant tank with an additional capacitor is proposed. The design guideline for the proposed LLC converter is determined by the Bode plot and impedance asymptotes analyses. Therefore, the proposed LLC converter achieves the light load regulation while maintaining the advantages of typical LLC converters.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 LLC 컨버터가 경 부하 시에 레귤레이션 되지 않는 문제를 보드 선도와 점근선을 이용하여 직관적인 해석을 유도하고, 이를 기존 LLC 컨버터의 장점을 그대로 가져가면서 극 경 부하 시 레귤레이션 되지 않는 문제를 앞선 논문과 같이 별도의 제어 없이 간단한 방법으로 개선하기 위한 방법을 제안한다. 이를 통하여 LLC 컨버터의 극 경 부하 그리고 무 부하 상태에서의 레귤레이션을 달성하고자 한다.
라는 것을 알 수 있다. 본 논문에서는 이 DP_High를 없애줌으로써 경 부하 시 C_j,eq에 의한 영향을 상쇄하고자 한다. 이를 통해 전압 이득이 상승하여 레귤레이션이 되지 않는 문제를 해결한다.
본 논문에서는 LLC 컨버터가 경 부하 시에 레귤레이션 되지 않는 문제를 보드 선도와 점근선을 이용하여 직관적인 해석을 유도하고, 이를 기존 LLC 컨버터의 장점을 그대로 가져가면서 극 경 부하 시 레귤레이션 되지 않는 문제를 앞선 논문과 같이 별도의 제어 없이 간단한 방법으로 개선하기 위한 방법을 제안한다. 이를 통하여 LLC 컨버터의 극 경 부하 그리고 무 부하 상태에서의 레귤레이션을 달성하고자 한다. 또한 이를 검증하기 위하여 프로토타입 컨버터를 제작하였고, 실험을 통하여 그 효과를 입증하였다.

제안 방법

또한 기존의 LLC 컨버터만 추가 커패시터가 없으며, LLCAC의 ZVS를 만족시키기 위하여 모든 컨버터의 데드 타임을 700ns로 지정하였다. 동작 주파수 범위는 82kHz^~132kHz 이며, C_r 및 추가 커패시터들은 내부저항의 영향을 줄이기 위해 폴리프로필렌 타입을 사용하였다.
따라서 본 논문에서는 10Ω 정도의 Radd를 부착하여 이러한 공진 전류를 빠르게 감쇠시켜주었다.
실험에선 전류 비대칭 현상을 줄이기 위하여 FB 정류단 구조를 사용하였다. 또한 기존의 LLC 컨버터만 추가 커패시터가 없으며, LLCAC의 ZVS를 만족시키기 위하여 모든 컨버터의 데드 타임을 700ns로 지정하였다. 동작 주파수 범위는 82kHz^~132kHz 이며, C_r 및 추가 커패시터들은 내부저항의 영향을 줄이기 위해 폴리프로필렌 타입을 사용하였다.
이를 통하여 LLC 컨버터의 극 경 부하 그리고 무 부하 상태에서의 레귤레이션을 달성하고자 한다. 또한 이를 검증하기 위하여 프로토타입 컨버터를 제작하였고, 실험을 통하여 그 효과를 입증하였다.
보드 플랏과 점근선을 이용하여 이상적인 LLC 컨버터의 이득 곡선을 분석해보자. 앞서 연구되었던 k-Q analysis 논문에 의하면 그림 2와 같이 LLC 컨버터의 공진탱크가 존재할 때, 임피던스 비에 따라 LLC 컨버터의 이득은 Z₂/(Z₁+Z₂)로 정의되며[21]-[24] 이를 보드 선도에 점근선으로 표시하면 그림 4와 같은 결과를 얻을수 있다.
본 논문에서는 LLC 컨버터의 경 부하 레귤레이션 특성 개선을 위하여 보드 선도와 점근선을 이용하여 그 특징을 분석하고, C_add를 이용하여 DP_High를 제거해 줌으로써 C_j,eq의 영향을 상쇄시키는 방법을 제안하였다. 이를 통하여 경 부하에서 주파수가 상승할수록 LLC 컨버터의 전압 이득이 감소하게 되고, 극 경 부하, 무 부하에서도 출력 전압의 3% 이하로 레귤레이션 되는 것을 확인하였다.
실험에 사용된 소자들은 표 2 를 통해 확인할 수 있다. 실험에선 전류 비대칭 현상을 줄이기 위하여 FB 정류단 구조를 사용하였다. 또한 기존의 LLC 컨버터만 추가 커패시터가 없으며, LLCAC의 ZVS를 만족시키기 위하여 모든 컨버터의 데드 타임을 700ns로 지정하였다.
제안하는 LLC 컨버터의 검증을 위하여, 프로토타입 컨버터들을 제작하여 실험하였다. 별도의 제어 방식의 변경 없이 LLC 컨버터의 경 부하 레귤레이션을 달성하는 방법을 제안하기 위하여 [11]에 제안되었던 LLC 컨버터(LLCAC)를 또 다른 비교군으로 선정하였다.
추가 제어 방식을 도입하여 경 부하 시 레귤레이션을 달성한 방법에 대한 연구가 이루어졌다. 풀브릿지 (Full-bridge, FB) 인버터 구조의 FB LLC 컨버터의 경우, 경 부하 시 위상 천이(phase shift) 동작을 하여 레귤레이션을 달성하였다^[12]-[14].

대상 데이터

제안하는 LLC 컨버터의 검증을 위하여, 프로토타입 컨버터들을 제작하여 실험하였다. 별도의 제어 방식의 변경 없이 LLC 컨버터의 경 부하 레귤레이션을 달성하는 방법을 제안하기 위하여 [11]에 제안되었던 LLC 컨버터(LLCAC)를 또 다른 비교군으로 선정하였다. 실험 조건은 다음과 같다: V_IN = 360^~400V, P_O = 200W(50V, 4A), 그리고 f_o는 110kHz 이다.

성능/효과

그림 14는 이 3가지 실험 비교군에 대한 효율 그래프를 나타내며, 정상 상태에서의 로드 별 효율을 측정하였다. 20% 이상의 로드 조건에서는 기존의 LLC 컨버터와 제안하는 LLC 컨버터가 비슷한 효율을 가져가는 것을 알 수 있다. 하지만 10% 이하의 부하 조건에서 좀 더 낮은 동작 주파수로 인하여 스위칭 손실을 줄일 수 있어서 경부하 조건에서 효율이 상승하는 것을 알 수 있다.
= 397V, 50% 부하)에서의 스위치의 게이트 파형, Drain-Source 전압(vds), 그리고 일차 측 전류의 파형들을 보여준다. 각 파형에서 볼 수 있듯이 기존의 LLC 컨버터와 제안하는 LLC 컨버터는 ZVS가 잘 이루어지는 것을 확인 할 수 있다. 반면 LLCAC의 경우, 700ns의 데드 타임을 가지고도 간신히 ZVS가 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
앞서 언급한대로 이 흔들림 현상은 일반적으로 효율에 큰 영향을 미치진 않지만, L_lkg 값이 클수록 전류 리플크기가 커지고 감쇠 현상이 느리게 진행된다. 따라서 L_lkg 값을 줄이는 설계가 제안하는 LLC 컨버터에서는 유리할 수 있다.
또한 단순히 작은 크기의 C_add를 추가함으로써 이를 달성하였기 때문에 여러 어플리케이션에 적용할 수 있을 것이라 기대한다. 본 논문에서 제안하는 LLC 컨버터는 전력 변환 효율 감소, ZVS범위 감소, 그리고 데드 타임 부족 등의 별도의 부작용 없이 경 부하 특성을 개선할 수 있다는 장점을 가진다. 이를 통하여 별도의 제어 없이 기존 경 부하 레귤레이션 달성 기법 대비 더 나은 경 부하 특성을 가지는 LLC 컨버터를 설계할 수 있다.
LLCAC의 경우, 기존의 LLC 컨버터에 비교하여 좀 더 좋은 경 부하 레귤레이션 특성을 보이지만, 극 경 부하로 갈수록 ZVS가 되지 않으면서 마찬가지로 레귤레이션 특성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 실험을 통하여 제안하는 LLC 컨버터의 경우, 작은 크기의 C_add(680pF, 250V)를 추가함으로써 별도의 컨트롤이 필요 없이 무 부하까지 레귤레이션을 달성한 것을 확인하였다. 또한 제안하는 LLC 컨버터는 정상 입력 상태에서 기존의 LLC 컨버터와 거의 비슷한 효율 결과를 얻을 수 있으며, 특히 경 부하에서는 적은 동작 주파수로 인하여 추가적인 효율 상승을 기대할 수 있다.
이 전압 이득 피킹 현상에 의하여 LLC 컨버터는 경 부하 동작 시 주파수가 상승할수록 이득이 커지게 된다. 이러한 결과는 R_ac가 올라갈수록, 즉 부하가 작아질수록 DP_High에 의한 영향이 더 커지게 된다는 것을 나타내며, 이러한 피크 이득의 상승은 전압 이득을 낮추기 위해 고주파로 동작하는 PFM 방식과 반대의 결과를 초래하기 때문에, 결론적으로 LLC 컨버터는 경 부하에서 출력 전압 레귤레이션 시켜줄 수 없게 된다.
의 영향을 상쇄시키는 방법을 제안하였다. 이를 통하여 경 부하에서 주파수가 상승할수록 LLC 컨버터의 전압 이득이 감소하게 되고, 극 경 부하, 무 부하에서도 출력 전압의 3% 이하로 레귤레이션 되는 것을 확인하였다. 또한 단순히 작은 크기의 C_add를 추가함으로써 이를 달성하였기 때문에 여러 어플리케이션에 적용할 수 있을 것이라 기대한다.
제안하는 LLC 컨버터는 LLCAC와 비교하여 경 부하 시에도 ZVS가 가능하여 기존의 LLC 컨버터가 가지는 장점을 유지할 수 있다. 그림 13은 극 경 부하 시 LLCAC와 제안하는 LLC 컨버터의 동작 파형 비교이다.
그림 13은 극 경 부하 시 LLCAC와 제안하는 LLC 컨버터의 동작 파형 비교이다. 추가 커패시터로 인해 LLCAC는 극 경 부하 시 ZVS가 완벽히 되지 않는 문제점이 발생하지만, 제안하는 컨버터의 경우, 극 경 부하로 가더라도 ZVS가 잘 되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이를 통하여 경 부하에서 주파수가 상승할수록 LLC 컨버터의 전압 이득이 감소하게 되고, 극 경 부하, 무 부하에서도 출력 전압의 3% 이하로 레귤레이션 되는 것을 확인하였다. 또한 단순히 작은 크기의 C_add를 추가함으로써 이를 달성하였기 때문에 여러 어플리케이션에 적용할 수 있을 것이라 기대한다. 본 논문에서 제안하는 LLC 컨버터는 전력 변환 효율 감소, ZVS범위 감소, 그리고 데드 타임 부족 등의 별도의 부작용 없이 경 부하 특성을 개선할 수 있다는 장점을 가진다.
실험을 통하여 제안하는 LLC 컨버터의 경우, 작은 크기의 C_add(680pF, 250V)를 추가함으로써 별도의 컨트롤이 필요 없이 무 부하까지 레귤레이션을 달성한 것을 확인하였다. 또한 제안하는 LLC 컨버터는 정상 입력 상태에서 기존의 LLC 컨버터와 거의 비슷한 효율 결과를 얻을 수 있으며, 특히 경 부하에서는 적은 동작 주파수로 인하여 추가적인 효율 상승을 기대할 수 있다.
LLC 컨버터는 적은 소자 수와 극 경 부하에서도 ZVS가 가능하다는 장점을 가지는 매력적인 토폴로지이지만, 경 부하 레귤레이션 문제와 같은 안정성 문제로 인하여 사용이 제한되어 왔다. 허나 본 논문을 통하여 LLC 컨버터의 경 부하 레귤레이션 문제를 직관적으로 분석하였고, 이를 C_add를 부착시키는 형태로 간단하게 해결할 수 있기 때문에, 앞으로 LLC 컨버터가 전력전자 분야의 전반적인 산업에 그 사용 범위가 넓어질 수 있을 것이라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LLC 컨버터란?	이러한 시장의 추세에 따라 고주파 동작에 적합한 공진형 컨버터들이 전원 공급장치 시장에서 매우 매력적인 토폴로지로 꼽히고 있다. 그중에서 그림 1과 같은 LLC 컨버터의 경우, 공진 탱크에 존재하는 공진 커패시터 (Cr)과 공진 인덕터(Lr), 그리고 변압기의 인덕터(LM)의 공진을 이용하여 전력을 전달해 주는 컨버터로, 주파수 변조 기법(Pulse frequency modulation, PFM)을 사용하여 출력 전압을 레귤레이션 시켜준다. 일반적인 전원 장치 설계 시 자성체 소자의 부피 감소 및 컨버터의 전력밀도 상승을 위해서 고주파 동작이 필요한데, 이러한 상황에서 LLC 컨버터는 고속 스위칭 동작에서도 고효율을 낼 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 아주 매력적인 토폴로지라고 할 수 있다.
	전원 공급장치가 갖추어야 할 조건은?	이러한 제품들을 동작시키기 위해서는 각각의 요구 전력에 알맞은 전원 공급장치가 필요하다. 각각의 전원 공급장치 시장들은 다양한 출력 요구 조건들을 제시하고 있는데, 그 중 공통적으로 높은 전력밀도와 경부하 시의 높은 효율, 그리고 대기모드에서도 일정한 출력 전압 등을 요구한다[1]-[4]. 이러한 시장의 추세에 따라 고주파 동작에 적합한 공진형 컨버터들이 전원 공급장치 시장에서 매우 매력적인 토폴로지로 꼽히고 있다.
	LLC 컨버터가 사용되는 분야와 그 분야에서 사용되는 이유는?	일반적인 전원 장치 설계 시 자성체 소자의 부피 감소 및 컨버터의 전력밀도 상승을 위해서 고주파 동작이 필요한데, 이러한 상황에서 LLC 컨버터는 고속 스위칭 동작에서도 고효율을 낼 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 아주 매력적인 토폴로지라고 할 수 있다. 특히 극 경 부하 시에도 영전압 스위칭(Zero voltage switching, ZVS)이 가능하고, 출력 인덕터가 없는 컨버터이기 때문에 스위칭 손실과 철손을 줄일 수 있어 앞서 언급한 고주파 동작 또는 경 부하 시의 효율을 올리기 위하여 노트북 어댑터, PDP용 전원 공급장치, 그리고 서버용 전원장치 등의 다양한 분야에서 많이 사용되고 있다[1],[5]-[8].

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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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