본 논문에서는 전기자동차의 핵심부품인 DC-DC 컨버터를 LLC공진형 컨버터에 신소재(Ga-N HEMT)를 이용하여 설계함으로써 소형화가 가능하며, 공진주파수를 자유롭게 변경할 수 있으며, 2차측 출력부에 SR Topology를 추가하여 전원장치의 동작 시 효율 및 온도특성을 개선하는 설계기법을 제안하였다. 이를 통해 고효율과 소형화를 얻을 수 있도록 회로를 구성하였으며, 제안된 컨버터는 200[kHz]의 높은 스위칭주파수를 가지고 동작시키게 됨으로써 스위칭주파수의 변화 및 회로구현의 장점과 스위칭주파수의 극대화로 인해서 LLC 및 PFC의 사이즈를 40[%] 최소화 할 수 있었으며, 동작온도의 특성이 250W(12V/20A)에서 온도를 측정한 결과 방열판 없이 $60{\sim}65^{\circ}C$를 나타냄을 확인하였다. 이러한 설계결과를 토대로 향후 1[kW]이상까지 구현하고자 한다.
본 논문에서는 전기자동차의 핵심부품인 DC-DC 컨버터를 LLC공진형 컨버터에 신소재(Ga-N HEMT)를 이용하여 설계함으로써 소형화가 가능하며, 공진주파수를 자유롭게 변경할 수 있으며, 2차측 출력부에 SR Topology를 추가하여 전원장치의 동작 시 효율 및 온도특성을 개선하는 설계기법을 제안하였다. 이를 통해 고효율과 소형화를 얻을 수 있도록 회로를 구성하였으며, 제안된 컨버터는 200[kHz]의 높은 스위칭주파수를 가지고 동작시키게 됨으로써 스위칭주파수의 변화 및 회로구현의 장점과 스위칭주파수의 극대화로 인해서 LLC 및 PFC의 사이즈를 40[%] 최소화 할 수 있었으며, 동작온도의 특성이 250W(12V/20A)에서 온도를 측정한 결과 방열판 없이 $60{\sim}65^{\circ}C$를 나타냄을 확인하였다. 이러한 설계결과를 토대로 향후 1[kW]이상까지 구현하고자 한다.
In this paper, we present a design technique that miniaturises the DC-DC converter, a key component in the electric vehicle system, using the advanced material (Ga-N HEMT) in the LLC resonant converter and freely changes the resonant frequency. This design is also proposed to improve the efficiency ...
In this paper, we present a design technique that miniaturises the DC-DC converter, a key component in the electric vehicle system, using the advanced material (Ga-N HEMT) in the LLC resonant converter and freely changes the resonant frequency. This design is also proposed to improve the efficiency and temperature characteristics by adding SR Topology in the secondary side output during the operation of power supply. In this experiment, as a consequence of the constructed circuit with the operation of high switching frequency of 200 kHz, the size of LLC and PFC was able to be minimised by 40[%]. Thus, the characteristics of operating temperature demonstrated $60-65^{\circ}C$ without a heat sink, when the temperature was measured at 250W (12V/20A). The features were all due to the advantages of the change of switching frequency, switching circuits implementation, and the maximisation of switching frequency. Based on these design results, we would like to implement more than 1 [kW].
In this paper, we present a design technique that miniaturises the DC-DC converter, a key component in the electric vehicle system, using the advanced material (Ga-N HEMT) in the LLC resonant converter and freely changes the resonant frequency. This design is also proposed to improve the efficiency and temperature characteristics by adding SR Topology in the secondary side output during the operation of power supply. In this experiment, as a consequence of the constructed circuit with the operation of high switching frequency of 200 kHz, the size of LLC and PFC was able to be minimised by 40[%]. Thus, the characteristics of operating temperature demonstrated $60-65^{\circ}C$ without a heat sink, when the temperature was measured at 250W (12V/20A). The features were all due to the advantages of the change of switching frequency, switching circuits implementation, and the maximisation of switching frequency. Based on these design results, we would like to implement more than 1 [kW].
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문제 정의
또한 2차측에 다이오드를 대신하여 SR과 LLC Topology 회로를 추가하여 효율의 증대 및 온도특성의 두가지 조건을 만족 시키고자 하였으며. 본 논문에서 제안하는 회로의 동작을 이론적으로 해석하고 최적의 설계방법을 제시하여 실험 결과를 통해 회로의 동작을 검증하고자 한다.
또한 2차측에 다이오드를 대신하여 SR과 LLC Topology 회로를 추가하여 효율의 증대 및 온도특성의 두가지 조건을 만족 시키고자 하였으며. 본 논문에서 제안하는 회로의 동작을 이론적으로 해석하고 최적의 설계방법을 제시하여 실험 결과를 통해 회로의 동작을 검증하고자 한다. [13,14,15]
본 논문에서는 기존의 LLC 공진형컨버터에 Ga-N HEMT와 Brown-out, SR(Synchronous Rectification)회로를 추가한 새로운 형태의 컨버터 Topology를 제안한다. 제안된 컨버터는 영전압 스위칭 조건에 맞춰 효율적인 스위칭주파수를 갖도록 설계할 수 있으며 추가된 신소재 Ga-N HEMT와 SR회로를 이용하여 특정주파수에서 전압 이득을 극대화 시키며 출력전압을 유지시킬 수 있게 된다.
이를 통해 정상입력 전압에서 보다 낮은 1차측 순환 전류를 가져 경부하시 효율을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 제안한 회로의 동작 원리와 특징을 설명하고 Free Voltage 입력과 파워전압 250W(12V/20A)의 실제 제작된 프로토 타입을 통해 본논문에서 제안하는 각종 파라미터 등을 검증 하고자 한다.[6,7,8,9,10,11,12]
하지만 기업이 요구하는 전원장치의 고효율과 PCB의 설계구조등 전체적인 회로의 소형화를 이루기에는 아직 한계점이 분명히 있는 것이다. 이런 한계점을 새로운 소재인 Transphome Vendor의 Ga-N HEMT(High Electron Mobility Transistor : 이하 Ga-N HEMT)의 신소재를 이용하여 본 논문에서는 동작상태 및 측정파형, 기존 사이즈와의 비교, 온도특성등의 결과를 토대로 최적의 조건임을 확인하였다.[1,2,3]
최근 전기자동차의 도로주행으로 인하여 기업에서는 A/S발생 시 즉각적으로 대체가 용이하도록 핵심부품 중의 하나인 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 소형화 및 최적화하는 것을 목표로 설계하고 있다. 설계시 단가를 고려하여 IGBT, MOSFET등의 스위칭소자들이 많이 사용되어 왔으나 스위칭주파수를 높이고 내압을 고려할 때 방열판(Heat sink)가 필요하여 전체적인 단가(MC)에 미치는 영향이 크다할 수 있다.
제안 방법
입력전압의 주파수를 변경함으로써, 공진탱크의 임피던스가 변화가 불가피하게 되며 이러한 임피던스는 부하 입력전압을 분할한다. 2차측 트랜지스터 SR1, SR2는 출력의 성능과 효율을 향상시키기 위해 동기정류방식(SR)을 택하였다.
[Fig. 11]은 스위칭주파수를 200[kHz]로 하여 시험 시 결과 치를 측정한 파형이며 교류전압을 90[Vac]와 230[Vac]tl 출력특성을 관찰하였으며 이때의 Ga-N HEMT MOSFET 적용 시 역률특성과 효율특성을 조사하였다. 기존방식에 비해 효율이 5[%]이상 향상되었음을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안된 시스템을 적용하여 250W 전 부하 상태에서의 각 주요 부품에 대해 정상동작 상태의 모습을 열화상 카메라로 촬영하였고 그 결과는 다음과 같다. [Fig.
본 논문의 예시를 들기 위한 일반적인 LLC컨버터와 GaN HEMT를 적용한 데모보드를 가지고 비교하였다. [Fig.
본 논문에서는 기존의 LLC 공진형컨버터에 Ga-N HEMT와 Brown-out, SR(Synchronous Rectification)회로를 추가한 새로운 형태의 컨버터 Topology를 제안한다. 제안된 컨버터는 영전압 스위칭 조건에 맞춰 효율적인 스위칭주파수를 갖도록 설계할 수 있으며 추가된 신소재 Ga-N HEMT와 SR회로를 이용하여 특정주파수에서 전압 이득을 극대화 시키며 출력전압을 유지시킬 수 있게 된다. 이를 통해 정상입력 전압에서 보다 낮은 1차측 순환 전류를 가져 경부하시 효율을 향상시킬 수 있다.
성능/효과
사이즈 또한 기본대비 약 40∼50[%]의 절감 형태를 보이게 되었으며, 온도특성 또한 큰 장점을 보이게 되었다. 게이트전하, 출력용량, 리커버리 특성의 개선에 의한 기기의 Driving Loss, Switching Loss, Reverse recovery Loss를 저감하는데 탁월하여 에너지 절약화를 실현하는데 가장 중요한 디바이스라 판단된다. 향후 이 개발이 상용화를 위해서는 신뢰성 확보 및 실용화를 위한 연구가 이루어져야 할 것이다.
11]은 스위칭주파수를 200[kHz]로 하여 시험 시 결과 치를 측정한 파형이며 교류전압을 90[Vac]와 230[Vac]tl 출력특성을 관찰하였으며 이때의 Ga-N HEMT MOSFET 적용 시 역률특성과 효율특성을 조사하였다. 기존방식에 비해 효율이 5[%]이상 향상되었음을 확인할 수 있었다.
본 논문에 제시된 Ga-N HEMT 스위치는 전력회로 설계시 과도한 ringing을 방지할 수 있다.[15,16,17]
본 논문에서 기존의 개별전원 공급방식의 컨버터와 다른 신소재 Ga-N HEMT를 사용하게 되면서 스위칭주파수의 다변화 방향을 제안하였으며, 95.5[%] 이상의 효율을 얻을 수 있었고 역률 또한 최대 97.9[%]의 결과를 얻을 수 있었다. 사이즈 또한 기본대비 약 40∼50[%]의 절감 형태를 보이게 되었으며, 온도특성 또한 큰 장점을 보이게 되었다.
7]과 같은 파형을 보여준다. 양쪽 모두 DUTY 초기 9A/400V에서 테스트를 진행하였으며 기존 역 바이어스 전압보다 높고 안정성을 보였다. 또한 Qrr도 기존 MOSFET보다 25배 적은 45[nC]의 Qrr을 보였다.
이런 영향을 최소화하기 위하여 본 논문에서는 스위칭주파수를 기존방식에 비해 늘리며 필터용 캐패시터와 인덕턴스를 통해 임피던스를 줄이며 Ga-N HEMT가 갖고 있는 특성으로 인해 방열판을 획기적으로 줄이며 단가를 줄일 수 있다. 따라서 Ga-N HEMT를 적용하여 검토할 수 있었다.
이에 대해 Ga-N HEMT의 스위치는 순방향, 순방향 도통/차단을 포함한 세가지 동작모드를 제공하며, 역방향 도통시 스위칭이 매우 빠르고 기존 MOSFET에 비해 모든 특성이 상당히 우수함이 입증되었다.
후속연구
이러한 결과를 통해 나타난 특징은 향후 고속용 전동기 구동분야, 인버터, 인버터 PV, 토템폴의 PFC와 같은 하드스위칭 다이오드 브리지가 없는 응용분야에 적합할 것으로 사료된다.
게이트전하, 출력용량, 리커버리 특성의 개선에 의한 기기의 Driving Loss, Switching Loss, Reverse recovery Loss를 저감하는데 탁월하여 에너지 절약화를 실현하는데 가장 중요한 디바이스라 판단된다. 향후 이 개발이 상용화를 위해서는 신뢰성 확보 및 실용화를 위한 연구가 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IGBT, MOSFET등의 스위칭소자의 단점은?
최근 전기자동차의 도로주행으로 인하여 기업에서는 A/S발생 시 즉각적으로 대체가 용이하도록 핵심부품 중의 하나인 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 소형화 및 최적화하는 것을 목표로 설계하고 있다. 설계시 단가를 고려하여 IGBT, MOSFET등의 스위칭소자들이 많이 사용되어 왔으나 스위칭주파수를 높이고 내압을 고려할 때 방열판(Heat sink)가 필요하여 전체적인 단가(MC)에 미치는 영향이 크다할 수 있다. 이에 대해 LLC 공진형 컨버터는 모든 부하조건에서 영전압 스위칭이(ZVC) 가능하고 간단한 구조의 형태를 가진다는 장점으로 인해 소용량에서 대용량에 이르기까지 다양한 SMPS 설계분야에서 사용되고 있는 매력적인 Topology이다.
LLC 공진형 컨버터의 한계는?
이에 대해 LLC 공진형 컨버터는 모든 부하조건에서 영전압 스위칭이(ZVC) 가능하고 간단한 구조의 형태를 가진다는 장점으로 인해 소용량에서 대용량에 이르기까지 다양한 SMPS 설계분야에서 사용되고 있는 매력적인 Topology이다. 하지만 기업이 요구하는 전원장치의 고효율과 PCB의 설계구조등 전체적인 회로의 소형화를 이루기에는 아직 한계점이 분명히 있는 것이다. 이런 한계점을 새로운 소재인 Transphome Vendor의 Ga-N HEMT(High Electron Mobility Transistor : 이하 Ga-N HEMT)의 신소재를 이용하여 본 논문에서는 동작상태 및 측정파형, 기존 사이즈와의 비교, 온도특성등의 결과를 토대로 최적의 조건임을 확인하였다.
LLC 공진형 컨버터의 장점은?
설계시 단가를 고려하여 IGBT, MOSFET등의 스위칭소자들이 많이 사용되어 왔으나 스위칭주파수를 높이고 내압을 고려할 때 방열판(Heat sink)가 필요하여 전체적인 단가(MC)에 미치는 영향이 크다할 수 있다. 이에 대해 LLC 공진형 컨버터는 모든 부하조건에서 영전압 스위칭이(ZVC) 가능하고 간단한 구조의 형태를 가진다는 장점으로 인해 소용량에서 대용량에 이르기까지 다양한 SMPS 설계분야에서 사용되고 있는 매력적인 Topology이다. 하지만 기업이 요구하는 전원장치의 고효율과 PCB의 설계구조등 전체적인 회로의 소형화를 이루기에는 아직 한계점이 분명히 있는 것이다.
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