[논문]입력전압 가변 및 동작 모드 변화를 통해 넓은 출력전압 범위에서 동작하는 LLC 공진컨버터

이지철; 주종성; 허예창; 마리우스; 김은수; 전용석; 국윤상

doi:10.6113/tkpe.2017.22.6.517

입력전압 가변 및 동작 모드 변화를 통해 넓은 출력전압 범위에서 동작하는 LLC 공진컨버터
LLC Resonant Converter Operating over a Wide Output Voltage Range by Varying the Input Voltage and Changing Operating Modes 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.6, 2017년, pp.517 - 526

이지철 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 주종성 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 허예창 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 마리우스 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 김은수 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 전용석 (Electrical & Electronics Engineering, Jeonju University) , 국윤상 (PACTECH CO., LTD)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an LLC resonant converter that operates over a wide controllable output voltage ($50V_{DC}$ to $800V_{DC}$) and shows high efficiency characteristics under all load conditions and output voltages. Two 3.3kW prototypes are designed for an experimental comparison between the variable frequency control (control scheme 1) and the variable input voltage($V_{IN}$) control (control scheme 2) mechanisms. The experimental results show that the variable input control mechanism demonstrates high efficiency under all loads and output voltages.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 넓은 출력전압(V_o) 제어범위에 대응할수 있고 모든 출력전압(Vo) 및 부하 범위에서 영전압스위칭(Z_VS)이 가능한 6-스위치 LLC 공진컨버터를 제안 하였다. 스위칭동작주파수 가변제어와 입력전압 가변제어 실험을 통해 동작특성을 비교 분석한 결과 스위칭동작주파수 가변제어 동작에 비해 입력전압 가변제어 동작이 자화전류에 의한 도통손실이 최소화되어 높은 출력전압제어범위(300V_DC ~400V_DC) 및 50%이하의 경부하 조건에서 2%~27% 정도의 효율특성이 개선됨을 확인할수 있었다.

제안 방법

)을 그림 1(a)에 나타낸 비엔나정류기를 통해 가변 (400V_DC~ 800V_DC)제어함으로 LLC 공진컨버터 출력전압 (V_o: 50V_DC~ 800V_DC)을 16배까지 제어 가능하도록 구성 하였다.
) 측정 파형이다. 그림 9(a)은 동작모드 0일 때 출력전압 50V_DC 와 90V_DC, 900W 부하조건에서 측정한 파형으로 동작모드 0의 경우 출력전압제어 범위가 낮아 중부하까지 이득특성을 얻을 수 없어 900W까지 적용실험하였다. 그리고 그림 9(b)는 동작모드 1 동작시 출력전압 100V_DC 와 190V_DC일 때, 그림 9(c)는 동작모드 2 동작시 출력 전압 200V_DC와 390V_DC, 그림 9(d)는 동작모드 3 동작시 2kW 부하조건과 출력전압 400V_DC와 700V_DC에서 측정한 파형을 나타냈다.
본 논문에서는 스위칭동작주파수 가변제어가 아닌 비엔나정류기^{[8, 9]}출력전압인 LLC 공진컨버터의 입력전압가변제어 및 동작모드 변화를 통해 최대 16배의 출력전압제어범위(50VDC~800VDC)를 갖는 LLC 공진컨버터를 제안하였고^[10], 3.3kW급 시제품을 제작하여 동일회로에서 스위칭동작주파수 가변제어 및 입력전압 가변제어에 대한 실험을 통해 효율 및 동작특성을 비교 검토하였다.
본 논문에서는 스위칭동작주파수 가변제어와 입력전압 가변제어를 통해 넓은 출력전압범위에서 동작하는 LLC 공진컨버터를 비교 분석한 내용으로 3.3kW급 시제품을 제작하였고, 2kW까지 실험을 통해 적용가능성을 검증하였다. 표 1은 실험에 적용된 주요정격과 사양을 나타내었고, 표 2와 표 3은 각각의 제어실험에 사용된 공진커패시터 및 변압기 파라미터를 나타냈다.
제안된 LLC 공진컨버터 회로는 6-스위치 브리지 형태로 연결되어 있는 주스위칭소자의 동작모드변환방식에 의해 그림 1(b)와 같은 입출력전압이득특성을 갖게 되고 총 4가지 동작모드로 나누어지며, 각 모드별로 입력전압 가변제어에 의해 LLC 공진컨버터는 넓은 출력 전압 범위에서 동작하게 된다. 동작모드에 대한 설명은 다음과 같다.

성능/효과

그림 12는 입력전압 가변제어 동작에서 각각의 동작모드에 대한 효율특성을 나타내었다. 그리고 2kW 부하조건에서 가장 높은 효율은 동작모드 3에서 출력전압 400V 동작시 97.79%로 가장 높게 측정되었다.
그리고 동작모드 3에서 800V_DC 동작시 200W조건에서 효율은 72.79%, 2kW조건에서 효율은 95.74%로 측정되었다. 입력전압 가변동작에서는 스위칭동작주파수 가변제어 동작에서 보다 자화전류(I_Pm1,I_Pm2)가 작아 높은출력전압(400V_DC~800V_DC)에서도 높은 효율을 달성할 수 있었다.
93%로 동일한 효율을 나타내었다. 그리고 동작모드 3에서 출력전압 700V_DC 동작시 200W 조건에서 효율 45.43%, 2kW 조건에서 효율은 86.21%로 측정되었다. 앞서 설명한 바와 같이 스위칭동작주파수 가변제어에서는 각 동작모드에서 2배의 출력전압을 제어하기 위해 낮은 자화인덕턴스(L_Pm1,L_Pm2) 로 설계되어 출력전압이 높아질수록 자화전류(I_Pm1,I_Pm2) 가 증가하여 효율 개선에 있어 한계성을 가짐을 확인할수 있었다.
따라서 큰 자화전류가 흐르는 동작모드 3과 높은 입력전압조건에서는 자화전류 변화량(ߡIm_¹⁾이 35A로 매우 크게 흘러 도통손실 증가에 따라 효율이 낮게 나타났다. 그리고 입력전압 가변제어 실험에서는 각 동작모드에서 LLC공진컨버터 입력단 전압(V_IN)을 가변하여 출력전압을 제어함으로 자화인덕턴스(L_Pm1, L_Pm2)는 주스위칭소자(Q₁~Q₆)의 영전압스위칭 (ZVS)를 위한 자화인덕턴스(L_Pm1, L_Pm2)로 설계되어 동작모드 3 동작시 출력전압 800V_DC, 2kW 부하 조건에서 자화전류 변화량(ߡI_m1)이 8A로 스위칭동작주파수 가변제어 실험에 비해 1/4로 줄어들어 도통손실이 감소해 효율 개선됨을 확인할 수 있었다.
스위칭동작주파수 가변제어 실험에서는 각 동작모드에서 스위칭주파수 제어를 통해 2배의 출력전압을 제어해야 하기 때문에 표 2에 나타낸 것처럼 작은 값의 자화인덕 턴스(L_Pm1, L_Pm2)가 적용되었다. 따라서 큰 자화전류가 흐르는 동작모드 3과 높은 입력전압조건에서는 자화전류 변화량(ߡIm_¹⁾이 35A로 매우 크게 흘러 도통손실 증가에 따라 효율이 낮게 나타났다. 그리고 입력전압 가변제어 실험에서는 각 동작모드에서 LLC공진컨버터 입력단 전압(V_IN)을 가변하여 출력전압을 제어함으로 자화인덕턴스(L_Pm1, L_Pm2)는 주스위칭소자(Q₁~Q₆)의 영전압스위칭 (ZVS)를 위한 자화인덕턴스(L_Pm1, L_Pm2)로 설계되어 동작모드 3 동작시 출력전압 800V_DC, 2kW 부하 조건에서 자화전류 변화량(ߡI_m1)이 8A로 스위칭동작주파수 가변제어 실험에 비해 1/4로 줄어들어 도통손실이 감소해 효율 개선됨을 확인할 수 있었다.
입력전압 가변동작에서는 스위칭동작주파수 가변제어 동작에서 보다 자화전류(I_Pm1,I_Pm2)가 작아 높은출력전압(400V_DC~800V_DC)에서도 높은 효율을 달성할 수 있었다. 또한 입력전압의 가변 범위는 386V_DC에서 830V_DC로 동작함을 확인하였다.
)이 가능한 6-스위치 LLC 공진컨버터를 제안 하였다. 스위칭동작주파수 가변제어와 입력전압 가변제어 실험을 통해 동작특성을 비교 분석한 결과 스위칭동작주파수 가변제어 동작에 비해 입력전압 가변제어 동작이 자화전류에 의한 도통손실이 최소화되어 높은 출력전압제어범위(300V_DC ~400V_DC) 및 50%이하의 경부하 조건에서 2%~27% 정도의 효율특성이 개선됨을 확인할수 있었다. 하지만 비엔나정류기를 적용한 전체시스템에 있어서는 비엔나정류기 출력전압을 2배 범위로 가변제어해야 함으로 이로 인한 스위칭손실 증가 등 동특성에 대해 검토가 필요하다.
21%로 측정되었다. 앞서 설명한 바와 같이 스위칭동작주파수 가변제어에서는 각 동작모드에서 2배의 출력전압을 제어하기 위해 낮은 자화인덕턴스(L_Pm1,L_Pm2) 로 설계되어 출력전압이 높아질수록 자화전류(I_Pm1,I_Pm2) 가 증가하여 효율 개선에 있어 한계성을 가짐을 확인할수 있었다. 그림 12는 입력전압 가변제어 동작에서 각각의 동작모드에 대한 효율특성을 나타내었다.
74%로 측정되었다. 입력전압 가변동작에서는 스위칭동작주파수 가변제어 동작에서 보다 자화전류(I_Pm1,I_Pm2)가 작아 높은출력전압(400V_DC~800V_DC)에서도 높은 효율을 달성할 수 있었다. 또한 입력전압의 가변 범위는 386V_DC에서 830V_DC로 동작함을 확인하였다.

후속연구

하지만 비엔나정류기를 적용한 전체시스템에 있어서는 비엔나정류기 출력전압을 2배 범위로 가변제어해야 함으로 이로 인한 스위칭손실 증가 등 동특성에 대해 검토가 필요하다. 향후 본 논문결과를 토대로 비엔나정류기를 적용시 전체 전원시스템 효율특성에 대해 연구 검토하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LLC 공진컨버터 회로의 동작모드는 4개로 나누어지는데, 그 중 동작모드 0에 대한 설명은?	동작모드 0에서는 주 스위칭소자 Q1과 Q2는 50% 듀티로 상호교번동작하고, 주 스위칭소자 Q3, Q4, Q5는 턴-오프, Q6는 턴-온 상태를 계속 유지한다. 이와 같은 스위칭 패턴으로 인해 1차측 회로는 하프-브리지 형태로 동작하며 공진회로부 1(Res. Tank 1)과 공진회로부 2(Res. Tank 2)의 변압기(T1,T2) 1차권선(NP1,NP2)이 직렬 연결되어 각 공진회로부에는 입력전압(Vin)의 1/4전압이 인가된다. 그리고 2차측 회로는 각 변압기(T1,T2) 2차권선(NS1,NS2)의 극성에 따라 병렬 구조로 동작하게 되어 출력정류다이오드(D1~D6)에 병렬로 공진전류 (IST1,IST2)를 정류하여 부하에 전달하게 되고, 입력전압가변제어 (VIN: 400VDC~800VDC)를 통해 출력전압(Vo)을 50VDC~100VDC까지 넓게 제어 동작할 수 있다. 그리고 스위칭 동작패턴에 따라 1차권선(NP1,NP2)이 직렬 연결 되어 두 변압기(T1,T2)간의 전류 불평형을 억제할 수 있으며, 2차권선(NS1,NS2)이 병렬연결 동작됨으로 공진전류 (IST1,IST2)를 각각 1/2씩 분담하여 권선사이즈 감소 및 변압기 이용률을 높일 수 있다.
	충전시스템의 경우 다양한 종류의 배터리에 대응할 수 있도록 하는 출력전압 제어범위는 어떻게 되는가?	최근 E-mobility 관련 전기골프카, 지게차, 전기자동차, 전기버스 등에 다양한 종류의 배터리가 사용되고 있고, 이와 같은 다양한 종류의 배터리팩을 충전할 수 있는 넓은 출력전압(Vo) 제어범위를 갖는 충전시스템이 요구되고 있다. 이와 같은 충전시스템의 경우 다양한 종류의 배터리에 대응할 수 있도록 출력전압 제어범위가 50VDC~800VDC로 넓은 출력전압(Vo) 제어범위를 갖는 전력변환장치를 필요로 한다. 또한 충전시스템의 전력변환장치는 넓은 출력전압(Vo) 제어뿐만 아니라 고집적화와 고효율을 달성하기 위해 고주파 스위칭동작 및 모든 출력전압(Vo)과 부하조건에서 영전압스위칭(ZVS : Zero Voltage Switching)이 가능해야 하며, 이러한 조건을 만족하기 위해 LLC 공진컨버터가 적용되고 있다.
	스위칭동작주파수 가변제어와 입력전압 가변제어 실험을 통해 동작특성을 비교 분석한 결과는?	본 논문에서는 넓은 출력전압(Vo) 제어범위에 대응할수 있고 모든 출력전압(Vo) 및 부하 범위에서 영전압스위칭(ZVS)이 가능한 6-스위치 LLC 공진컨버터를 제안 하였다. 스위칭동작주파수 가변제어와 입력전압 가변제어 실험을 통해 동작특성을 비교 분석한 결과 스위칭동작주파수 가변제어 동작에 비해 입력전압 가변제어 동작이 자화전류에 의한 도통손실이 최소화되어 높은 출력전압제어범위(300VDC ~400VDC) 및 50%이하의 경부하 조건에서 2%~27% 정도의 효율특성이 개선됨을 확인할수 있었다. 하지만 비엔나정류기를 적용한 전체시스템에 있어서는 비엔나정류기 출력전압을 2배 범위로 가변제어해야 함으로 이로 인한 스위칭손실 증가 등 동특성에 대해 검토가 필요하다.

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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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