[논문]공심 절연변압기를 구비한 반브릿지 공진형 컨버터

허준; 전성즙

doi:10.5370/kiee.2017.66.4.636

공심 절연변압기를 구비한 반브릿지 공진형 컨버터
Half-Bridge Resonant Converter with Coreless Isolation Transformer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.4, 2017년, pp.636 - 642

허준 (Dept. of Electronic Engineering, Pukyong National University) , 전성즙 (Dept. of Electronic Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, new power devices, SiC and GaN FETs, are commercialized. They are expected to change power electronics environments. They will raise operating frequencies of power electronic equipments. Accordingly, design method will be changed greatly. In this paper, an 1 MHz resonant converter with fully compensated coreless isolation transformer is proposed, where the primary voltage is proportional to the secondary current and the primary current to the secondary voltage. 30 W prototype is constructed and tested, and its usefulness is verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공심절연변압기를 구비한 공진형 컨버터에 대하여 논하였다. 변압기는 자기 인덕턴스를 완전히 보상하여 2차 전류는 1차 전압에 비례하고, 1차 전류는 2차 전압에 비례하는 특성을 갖게 하였다.

제안 방법

2차 측의 정류 회로는 동작주파수가 1 [MHz]로 매우 높으므로 schottky 다이오드를 사용하여 단순 다이오드 정류회로로 만들었다. 이 정류회로의 입력은 변압기 2차 측이 정전류로 만들어 제공하는 것으로 볼 수 있다.
단락 시험과 무부하 시험이 끝난 후 부하 시험을 수행하였다. 부하에는 4.
공심형의 단점은 발생자속이 공간 중에 흩어져 불필요한 곳에 자속이 지나가게 되어 잡음으로 작용할 수 있다. 따라서 자속이 가능한 절연 변압기 주변에 머물러 있게 할 필요가 있어 그림 3과 같이 토로이달 형태로 제작 하였다. 그림 3(a)는 보빈을 평면도로 보여주고 그림 3(b)는 보빈의 단면에서 권선이 감긴 모양을 보여준다.
전력변환 회로에서 사용되는 자기회로(변압기와 인덕터)는 출력을 동일하게 두면 그 크기가 대략 주파수에 반비례한다. 본 논문에서는 GaN FET로 공진형 변환기를 구성하고 1[MHz]로 동작시켰는데 절연 변압기는 공심형으로 만들었다. 자성재료를 사용할 때에 비해서 크기는 커지지만 1 [MHz]의 동작에서는 흔히 쓰는 자성재료인 ferrite의 선택이 자유롭지 않은데 공심으로 만들면 자성재료 문제에서 자유로울 수 있다.
본 논문에서는 스위칭 소자로 GaN 소자를 사용하여 1 [MHz] 로 동작하도록 하였다. PWM 변조된 게이트 신호는 1 [MHz] 삼각파와 제어신호를 비교하여 얻는다.
반브릿지 컨버터는 출력 전압의 제어 범위가 넓지 못한 단점이 있지만 단순한 구조와 안정된 소프트 스위칭으로 인해 비공진형 분야에서 널리 사용되어 왔다[10]. 본 논문에서는 출력이 크지 않는 관계로 구조가 단순한 반브릿지를 공진형 컨버터로 사용하고 일정 주파수로 동작시켰고 출력은 PWM으로 제어하였다. 그림 1은 반브릿지 공진형 컨버터 회로로 반브릿지 컨버터에서는 그림 2와 같이 비대칭 제어로 출력 전압에 포함된 기본파의 크기를 조절한다.
자성재료를 사용할 때에 비해서 크기는 커지지만 1 [MHz]의 동작에서는 흔히 쓰는 자성재료인 ferrite의 선택이 자유롭지 않은데 공심으로 만들면 자성재료 문제에서 자유로울 수 있다. 일반적인 공진형 컨버터에서는 누설인덕턴스만 공진에 사용하는 것과는 달리[9] 본 논문에서는 자기 인덕턴스 전체를 1차와 2차 회로의 공진에 사용하여 2차의 전류가 1차 전압에 비례하도록 하였다. 이런 경우 1차 또는 2차에 추가로 인덕터를 삽입하지 않아도 되므로 전체적으로 자기회로가 변압기 하나만으로 구성되는 이점이 있다.
제안한 공진형 컨버터의 동작을 컴퓨터 모의 실험을 통하여 확인하였다. 절연변압기와 관련된 회로 정수는 다음 장에서 기술한 프로토 타입의 회로 정수를 사용하였다.

대상 데이터

정격은 표 1에 나타낸 바와 같이 입력 전압은 48 [V], 출력 전압은 12 [V]이다. GaN FET로는 TI 사의 LMG 5200 을 사용하였다. LMG 5200은 내부에 boot strap을 포함한 gate driver를 내장하고 있어 비교적 사용하기가 편리하다 [5].
LMG 5200은 내부에 boot strap을 포함한 gate driver를 내장하고 있어 비교적 사용하기가 편리하다 [5]. 정류용 다이오드는 FDFS6N754 내의 schottky 다이오드를 사용하였다. 공진용 커패시터와 제작한 절연변압기의 치수 및 회로정수는 표 2와 같다.
4.1 프로토 타입의 제작

제안한 공진형 컨버터의 30 [W] 급 프로토 타입을 설계하고 제작하였다. 정격은 표 1에 나타낸 바와 같이 입력 전압은 48 [V], 출력 전압은 12 [V]이다.

성능/효과

효율은 88[%]가 얻어졌다. 본 논문에서 연구한 프로토타입과 같이 출력 전압이 낮은 경우에는 손실의 많은 부분은 브릿지 정류회로로 구성된 정류 다이오드의 도통 전압에 의하여 발생한 것으로 다이오드 도통전압이 효율에 크게 영향을 미친다. 현재의 동작만으로도 많은 분야에서 활용이 기대 된다.
이상적인 변압기를 사용하여 표현하는 것은 변압기의 철손과 같은 다양한 손실들을 고려하기가 좋고 설계를 직관적으로 할 수 있어 전기공학에 널리 쓰이고 있다. 본 연구에 사용된 절연변압기는 공심변압기이므로 철손을 고려할 필요가 없어 이상적인 변압기에 기초한 모델보다는 상호결합을 하고 있는 인덕터 모델로 표현하는 것이 편리하다. 그림 4 는 변압기를 2개의 코일을 갖는 인덕터 모델로 표현한 것으로 추가로 공진용(보상용) 커패시터가 회로에 직렬로 삽입된 것이다.
이 때에는 저전압 상태에서도 큰 전류가 흐를 수 있다. 이 시험을 통해 공진 상태와 브릿지 회로가 정격 전류에 대하여 잘 견디는지를 확인할 수 있다. 그림 10은 단락 시험 파형으로 공진이 잘 이루어져 충분한 전류를 흘릴 수 있음을 보여 준다.
제작한 30 [W] 급의 프로토타입 공진형 컨버터는 단락 시험, 무부하 시험과 부하 시험을 통하여 설계한대로 잘 동작하는 것을 확인하였다. GaN FET는 1 [MHz] 동작에서도 매우 깔끔하게 잘동작하였고 공심형 절연 변압기는 설계한대로 잘 보상되어 원하는 컨버터 동작이 얻어졌다.

후속연구

스위칭 소자로는 GaN FET를 사용하여 1 [MHz]로 동작 시켰다. 제안한 컨버터가 활용되어 전력전자 회로의 고주파 동작에 많은 기여를 하기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공진형 컨버터에서 자기 인덕턱스를 2차의 전류가 1차 전압에 비례하게 만들면 어떤 이점이 있는가?	일반적인 공진형 컨버터에서는 누설인덕턴스만 공진에 사용하는 것과는 달리[9] 본 논문에서는 자기 인덕턴스 전체를 1차와 2차 회로의 공진에 사용하여 2차의 전류가 1차 전압에 비례하도록 하였다. 이런 경우 1차 또는 2차에 추가로 인덕터를 삽입하지 않아도 되므로 전체적으로 자기회로가 변압기 하나만으로 구성되는 이점이 있다. 또한 선로의 인덕턴스가 변압기의 자기 인덕턴스와 직렬로 나타나는데 선로 인덕턴스를 자기 인덕턴스에 포함시켜 공진회로를 구성하므로 선로 인덕턴스는 회로에 다른 나쁜 영향을 미치지 아니한다. flyback converter가 단일 변압기만으로 전력변환회로를 구성하여 2차 측에 인덕터가 없어 단순하면서도 좋은 스위칭 특성을 나타낸다.
	공진형 컨버터의 출력을 제어하기 위한 방법 중 동작 주파수는 일정하게 유지하고 전압으로 출력을 제어하는 방법은 무엇이 있는가?	하나는 동작 주파수로 출력을 제어하는 방법으로 부하의 변동이 클 경우 주파수의 변동 범위가 매우 넓은 단점이 있으나 소프트 스위칭을 구현할 수 있어 가장 많이 사용되었다 [9]. 두 번째 방법은 동작 주파수는 일정하게 유지하고 전압으로 출력을 제어하는 방법인데 제어 정류회로나 다른 dc-dc 변환기로 공진형 컨버터의 입력전압을 PAM (Pulse Amplitude Modulation)하는 방식과 입력 전압은 일정하게 두고 PWM (Pulse Width Modulation)을 사용하는 방법이 있다. PWM을 사용하는 경우에는 소프트 스위칭이 보장되지 않는 관계로 많이 사용되지 못하였으나 SiC나 GaN FET 소자의 등장으로 사용이 확대될 것으로 보인다.
	Schottky 다이오드의 특징은 무엇인가?	최근 들어 실용화되어 가고 있는 새로운 전력용 반도체소자인 SiC(Silicon Carbide) FET(Field Effect Transistor)와 GaN (Gallium Nitride) FET는 전력전자 회로의 많은 부분을 변화시킬 것으로 보인다[1]-[4]. SiC로 만들어지는 FET는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)가 차지하고 있던 분야에서 점점 그 활용 범위가 넓어져 가고 있는데 FET 내에 만들어지는 Schottky 다이오드는 역회복(reverse recovery) 과정을 겪지 않고 역저지 능력이 확립되기 때문에 스위칭 손실이 적어 스위칭 주파수를 한 층 높일 수 있어 하드스위칭으로도 100[kHz]까지 가능한 것으로 알려져 있다[2]. GaN FET는 micro wave 영역에 서도 동작이 가능할 정도로 스위칭 특성이 우수하다[1],[3].

참고문헌 (11)

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J. Heo and S.-J. Jeon, "Resonant Converter with Fully-Compensated Isolation Transformer", Proc. of EECSS 2016, pp. 1-6, 2016.
A. Wakejima, K Matsunaga, Y. Okamoto, Y. Ando, T. Nakayami, and H. Miyamoto, "370W output power GaNFET amplifier for W-CDMA cellular base stations", Electronics Letters, vol. 41, no. 25, pp. 1371-1372, 2005.

상세보기
Y. Li, T.JQ Zheng, Y. Zhang, M. Cui, Y. Han, and W. Dou, "Loss analysis and soft-switching behaviour of flyback-forward high gain DC/DC converters with a GaN FET", Journal of Power Electronics. vol. 16, no. 1, pp. 84-92, 2016

원문보기 상세보기
Texas Instrument, "LMG 5200 80V, 10A GaN Half-bridge power stage", TI datasheet, 2017
J. G. Cho, G. H. Rim, and F. C. Lee, "Zero-voltage and zero-current switching full bridge PWM converter using secondary active clamp", Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., pp. 657-663, 1996.
S.-J. Jeon and G.H. Cho, "A zero-voltage and zerocurrent switching full bridge DC-DC converter with transformer isolation", IEEE Trans. Power Electronics, vol. 16, no. 5, pp. 573-580, 2001

상세보기
J. A. Sabate, V. Vlatkovic, R. B. Ridley, F. C. Lee, and B. H. Cho, "Design consideration for high-voltage highpower full-bridge zero-voltage switched PWM converter", Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf., pp. 275-284, 1990.
R. L. Steigerwald, "Analysis and Design of High- Frequency Isolated Dual-Bridge Series Resonant DC/DC Converter", IEEE Trans. Power Electronics, vol. 25, no. 4, pp. 850-862, 2010.

상세보기
R. L. Steigerwald, "A comparison of half-bridge resonant converter topologies", IEEE Trans. Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp. 174-182, 1988.

상세보기
M.N.O. Sadiku, S. M. Musa and C. K. Alexander, "Applied Circuit Analysis", McGraw Hill, 2013.

저자의 다른 논문 :

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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