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문제 정의
- 본 연구에서는 LLC 공진컨버터를 플라즈마 전원장치에 적용하기 위하여 출력 커패시턴스 값이 작을 경우 LLC 공진 컨버터에 미치는 영향을 분석하게 된다. 분석을 위하여 출력 커패시턴스를 고려한 LLC 공진컨버터를 LLCC 공진컨버터로 분류하였으며 기존의 LLC 공진컨버터의 이득특성 분석 방법인 FHA (First Harmonic Approximation) 방법을 적용하여 해석하였다.
- 플라즈마 공정이 다양한 분야에 적용되면서 플라즈마를 제어할 수 있는 전원장치에 대한 관심과 연구가 늘어나게 되었다. 이에 본 논문에서는 플라즈마 공정용 전원장치로 높은 전력밀도와 고효율을 달성할 수 있는 LLC 공진 컨버터를 적용시키기 위한 연구를 진행 하였으며, 공정의 특성상 플라즈마의 불안정으로 인한 아크 (arc)가 발생할 경우를 대비하기 위한 조건을 만족해야 하는 것을 설명하였다. 출력 Capacitance를 줄이는 방법을 통해 아크발생시 실질적인 데미지를 감소시키는 것으로 피해를 줄일 수 있는 반면, LLC 공진컨버터의 경우 기존의 분석된 이득특성과는 다른 특성을 보이는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 의 AC 등가 Capacitor이다. AC 등가 커패시터 Coe는 앞서 설명한 것과 같이 FHA 분석 방법을 통하여 등가회로를 구성하고, 등가 출력 전압 Voe와 2차 측 등가 전류 Ise를 기본회로와의 관계를 유도하고 도출하는 것을 적용하였다. 마찬가지로 전압이득을 도출하기 위하여 등가회로의 각 변수와 관계를 정리하게 되면, 입력 구형파 전압의 기본파 전압인 Vge, 출력 기본파 전압 Voe는 수식 (2)~(5)이며, 이는 기존의 LLC 공진컨버터와 같은 관계가 된다.
- 분석을 위하여 출력 커패시턴스를 고려한 LLC 공진컨버터를 LLCC 공진컨버터로 분류하였으며 기존의 LLC 공진컨버터의 이득특성 분석 방법인 FHA (First Harmonic Approximation) 방법을 적용하여 해석하였다. 기존의 LLC 공진컨버터와 출력 커패시터를 고려한 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 비교 분석하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.
- 다음은 LLCC 공진컨버터의 실험을 통하여 이득특성 분석내용을 확인하였다.
- 다음은 출력 커패시턴스를 고려한 LLCC 공진 컨버터의 전압이득 특성을 분석하기 위하여 기존의 LLC 공진 컨버터와 같이 FHA 분석방법을 사용하고 출력 커패시터인 Co를 고려하여 분석하였다.
- 먼저 LLCC 공진컨버터의 이득특성의 분석내용을 확인하기 위한 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 스위칭 주파수를 50kHz에서 150 kHz까지 Sweep 하면서, 출력전압을 확인해 보았다.
- 분석된 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 확인하기 위하여PSIM 프로그램을 이용한 시뮬레이션과 실제 하드웨어를 구성하여 실험하였다. 실험 및 시뮬레이션 절차는 동일한 입력에서 부하조건과 스위칭 주파수에 따라 변화하는 이득 데이터를 얻어 이를 통해 분석하는 방식을 사용하였다.
- 먼저 LLCC 공진컨버터의 이득특성의 분석내용을 확인하기 위한 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 스위칭 주파수를 50kHz에서 150 kHz까지 Sweep 하면서, 출력전압을 확인해 보았다.
- 분석된 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 확인하기 위하여PSIM 프로그램을 이용한 시뮬레이션과 실제 하드웨어를 구성하여 실험하였다. 실험 및 시뮬레이션 절차는 동일한 입력에서 부하조건과 스위칭 주파수에 따라 변화하는 이득 데이터를 얻어 이를 통해 분석하는 방식을 사용하였다.
- 실험은 시뮬레이션과 마찬가지로 스위칭 주파수에 따른 전압 이득특성을 분석하기 위하여 부하에 따른 출력전압 파형을 측정해 보았다.
- 그림 9는 LLCC 공진컨버터의 실험 파형으로 (a), (b), (c)는각각 부하 5Ω, 15Ω 그리고 25Ω 조건에서의 측정 파형이다. 실험파형은 출력전압 Output voltage와 출력전압을 필터링한 Output voltage_flt 그리고 DA 보드를 통한 스위칭 주파수를 측정하였다. 시뮬레이션과 마찬가지로 출력 Capacitance 값을 작게 설정하였기 때문에 출력 전압파형 Output voltage가 리플이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 하지만 플라즈마 공정용 LLC 공진 컨버터에서는 출력단 Capacitance 값을 작게 설정하게 되면서 기존의 LLC 공진컨버터와는 다른 이득특성을 보이게 된다. 이렇게 변화하는 이득특성을 분석하기 위해 Co값이 작은 경우 Co도 함께 고려한 LLC 공진 컨버터, 즉 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 분석하게 된다.
- 출력 Capacitance를 줄이는 방법을 통해 아크발생시 실질적인 데미지를 감소시키는 것으로 피해를 줄일 수 있는 반면, LLC 공진컨버터의 경우 기존의 분석된 이득특성과는 다른 특성을 보이는 것을 확인하였다. 특성이 변하는 것을 분석하기 위하여 작은 출력 Capacitance를 고려한 LLC 공진컨버터를 LLCC 공진컨버터로 분류하고 기존의 LLC 공진컨버터의 이득특성 분석에 사용된 FHA 근사방법을 적용하여 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 실험 회로는 TI 사의 TMS320F28335를 이용하여 디지털로 구현하였으며, 높은 스위칭주파수로 동작시키기 위하여 CREE 사의 SiC MOSFET을 사용하였다. 또한 변압기는 1차 권선과 2차 권선이 각각 나누어져 있는 LLT(Inductor-Inductor-Transformer)변압기를 사용하였다[7].
- 그림 8은 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터의 실험 회로이다. 실험 회로는 TI 사의 TMS320F28335를 이용하여 디지털로 구현하였으며, 높은 스위칭주파수로 동작시키기 위하여 CREE 사의 SiC MOSFET을 사용하였다. 또한 변압기는 1차 권선과 2차 권선이 각각 나누어져 있는 LLT(Inductor-Inductor-Transformer)변압기를 사용하였다[7].
이론/모형
- 본 연구에서는 LLC 공진컨버터를 플라즈마 전원장치에 적용하기 위하여 출력 커패시턴스 값이 작을 경우 LLC 공진 컨버터에 미치는 영향을 분석하게 된다. 분석을 위하여 출력 커패시턴스를 고려한 LLC 공진컨버터를 LLCC 공진컨버터로 분류하였으며 기존의 LLC 공진컨버터의 이득특성 분석 방법인 FHA (First Harmonic Approximation) 방법을 적용하여 해석하였다. 기존의 LLC 공진컨버터와 출력 커패시터를 고려한 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 비교 분석하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.
- 03 uF으로 작게 설정하였다. 출력 필터 Capacitance의 경우 실험을 통해 아크발생시 허용되는 전류 값을 참조하여 시행착오 방법을 사용하여 설정하였다.
성능/효과
- 시뮬레이션에서는 기생성분등을 고려하지 않아 실제 실험결과와는 다소 차이가 있지만 전체적인 양상은 같은 결과를 보이는 것을 확인하였다. 기존의 LLC 공진컨버터는 부하특성에 따른 최대이득을 갖는 주파수 점이 공진점이 되는 fn=1인 지점보다 왼쪽으로 이동하는 반면 작은 출력 Capacitance를 고려한 LLCC 공진컨버터의 경우 최대 이득을 갖는 주파수점이 공진점 보다 오른쪽으로 이동하는 것을 확인하였다. 이러한 특성 분석을 통하여 플라즈마공정용 LLCC 공진 컨버터의 설계시 응용분야의 부하특성 및 공진주파수에 따라 동작 범위를 설정할 수 있게 된다.
- 하지만 부하가 작아질수록 최대이득을 갖는 주파수 점이 공진점 오른쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 분석을 통하여 출력 Capacitance 값을 작게 설정할 경우 기존의 LLC공진컨버터와는 다른 이득특성을 보이게 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 7은 LLCC 공진컨버터의 시뮬레이션 결과 파형을 정리한 그래프이다. 시뮬레이션 결과를 통해 Co 값이 작을 경우 부하특성에 따라 최대이득이 되는 주파수점이 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 해석된 이득특성 결과와 유사한 것을 확인할 수 있다.
- 시뮬레이션 및 실험을 통하여 출력 Capacitance를 고려한LLCC 공진컨버터의 이득특성을 확인해 본 결과 기존의 LLC 공진컨버터와 다른 이득특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션에서는 기생성분등을 고려하지 않아 실제 실험결과와는 다소 차이가 있지만 전체적인 양상은 같은 결과를 보이는 것을 확인하였다.
- 시뮬레이션 및 실험을 통하여 출력 Capacitance를 고려한LLCC 공진컨버터의 이득특성을 확인해 본 결과 기존의 LLC 공진컨버터와 다른 이득특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션에서는 기생성분등을 고려하지 않아 실제 실험결과와는 다소 차이가 있지만 전체적인 양상은 같은 결과를 보이는 것을 확인하였다. 기존의 LLC 공진컨버터는 부하특성에 따른 최대이득을 갖는 주파수 점이 공진점이 되는 fn=1인 지점보다 왼쪽으로 이동하는 반면 작은 출력 Capacitance를 고려한 LLCC 공진컨버터의 경우 최대 이득을 갖는 주파수점이 공진점 보다 오른쪽으로 이동하는 것을 확인하였다.
- 그림 11은 그림 9, 10 실험을 통하여 얻은 데이터를 정리한 실험 결과 그래프 이다. 실험결과 각 부하조건에 따라 각기 다른 전압 이득특성을 보이는 것을 확인할 수 있었으며, 앞에서 분석한 LLCC 공진 컨버터의 이득특성과 같이 부하 특성에 따른 최대전압이득을 갖는 주파수 점이 공진점이 되는 fn=1인 지점보다 오른쪽 (더 높은 주파수)지점에 위치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 분석된 내용은 PSIM 프로그램을 통한 시뮬레이션과 하드웨어를 구성을 통한 실험으로 확인해 볼 수 있었다. 이를 통해 플라즈마공정과 같이 출력 Capacitance를 작게 설정할 경우 LLC 공진컨버터의 변화하는 이득특성은, 출력 Capacitance 를 고려하여 해석하는 것으로 더 정확하게 분석할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 분석 내용을 통하여 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터의 설계 시 공정의 부하특성, 공진주파수 등의 스펙에 따라 정확한 동작 범위를 설정하는데 적용할 수 있게 된다.
- 전압이득을 측정해 비교하기 위하여 출력전압을 필터링한 파형을 함께 측정하고 그 값을 통해 비교하였으며, DA 보드를 통한 스위칭 주파수의 측정으로 50 kHz에서 150 kHz로 스위칭 주파수를 움직여 측정하였다는 것을 확인할 수 있었다.
- 출력 Capacitance를 고려한 LLCC 공진컨버터의 경우 기존의 공진컨버터와 다르게 부하특성에 따라 최대 이득을 갖는 주파수 점이 공진점 보다 높은 위치에 존재하는 것을 알 수 있었다. 분석된 내용은 PSIM 프로그램을 통한 시뮬레이션과 하드웨어를 구성을 통한 실험으로 확인해 볼 수 있었다.
- 이에 본 논문에서는 플라즈마 공정용 전원장치로 높은 전력밀도와 고효율을 달성할 수 있는 LLC 공진 컨버터를 적용시키기 위한 연구를 진행 하였으며, 공정의 특성상 플라즈마의 불안정으로 인한 아크 (arc)가 발생할 경우를 대비하기 위한 조건을 만족해야 하는 것을 설명하였다. 출력 Capacitance를 줄이는 방법을 통해 아크발생시 실질적인 데미지를 감소시키는 것으로 피해를 줄일 수 있는 반면, LLC 공진컨버터의 경우 기존의 분석된 이득특성과는 다른 특성을 보이는 것을 확인하였다. 특성이 변하는 것을 분석하기 위하여 작은 출력 Capacitance를 고려한 LLC 공진컨버터를 LLCC 공진컨버터로 분류하고 기존의 LLC 공진컨버터의 이득특성 분석에 사용된 FHA 근사방법을 적용하여 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 분석하였다.
후속연구
- 시뮬레이션과 마찬가지로 출력 Capacitance 값을 작게 설정하였기 때문에 출력 전압파형 Output voltage가 리플이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 작은 출력 Capacitance 에 의하여 출력전압 리플이 커지는 것은 LLCC 공진 컨버터를 인터리브드 방식에 적용하는 것으로 감쇄 시킬 수 있으며 추후에 연구를 진행해 나갈 예정이다.
- 추후 연구내용으로는 출력 Capacitance 값을 작게 설정함에 따라 증가하는 출력전압 리플을 줄이기 위하여 LLCC 공진컨버터에 인터리브드 방식을 적용할 것이며, 플라즈마생성 조건을 만족하기 위한 초기 무부하 동작 특성에 대하여 연구를 이어 나갈 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.