[논문]고효율 및 고전력밀도 3-레벨 LLC 공진형 컨버터

구현수; 김효훈; 한상규

doi:10.6113/tkpe.2018.23.3.153

고효율 및 고전력밀도 3-레벨 LLC 공진형 컨버터
High-Efficiency and High-Power-Density 3-Level LLC Resonant Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.3, 2018년, pp.153 - 160

구현수 (School of Electrical Eng., Kookmin University) , 김효훈 (Network Access Business Unit, Technical support, FAE, Pulse Electronics) , 한상규 (POESLA, School of Electrical Eng., Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent trends in high-power-density applications have highlighted the importance of designing power converters with high-frequency operation. However, conventional LLC resonant converters present limitations in terms of high-frequency driving due to switching losses during the turn-off period. Switching losses are caused by the overlap of the voltage and current during this period, and can be decreased by reducing the switch voltage. In turn, the switch voltage can be reduced through a series connection of four switches, and additional circuitry is essential for balancing the voltage of each switch. In this work, a three-level LLC resonant converter that can operate at high frequency is proposed by reducing switch losses and balancing the voltages of all switches with only one capacitor. The voltage-balancing principle of the proposed circuit can be extended to n-level converters, which further reduces the switch voltage stress. As a result, the proposed circuit is applicable to high-input applications. To confirm the validity of the proposed circuit, theoretical analysis and experimental verification results from a 350 W-rated prototype are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, Q_e가 작다는 것은 자화인덕턴스가 작다는 의미이므로 순환전류와 도통전류가 커져 손실이 증가하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 입출력 전압변환비를 만족시킬 수 있으며 손실이 작은 스위칭 주파수 및 공진탱크의 최적설계를 진행하였다.

가설 설정

2) 스위칭 주파수는 공진 주파수와 동일하다.
3) 1차 측으로 반영된 부하의 등가 임피던스(R_e1, R_e2)는 R_e로 동일하다.
3) 모든 MOSFET의 출력 커패시턴스 C_oss는 동일하다.
6) 2차 측 동기정류기는 다이오드로 표현하다,

제안 방법

하지만 기존 3-레벨 컨버터는 스위치 양단전압 저감 및 전압 평형을 위한 부가적인 액티브 소자의^[2],[3] 추가가 불가피하여 손실 및 체적 저감에 한계를 갖는다. 따라서 본 논문에서는 4개 스위치의 직렬연결을 통한 스위칭 손실 저감 및 단 하나의 커패시터를 이용하여 모든 스위치의 전압평형을 이룰 수 있는 고효율 및 고전력밀도 3-레벨 LLC 공진형 컨버터를 제안한다.
본 논문에서는 스위치의 전압 스트레스 저감을 통해 스위치의 손실을 저감시킬 뿐만 아니라 1MHz의 고주파수 구동으로 리액티브 소자를 소형화시킴으로써 고효율 및 고전력밀도를 달성할 수 있는 3-레벨 LLC 공진형 컨버터를 제안하였다. 350W급 시작품을 제작하여 이론적 분석의 타당성을 제시하였으며, 실험을 통하여 스위치 양단전압이 정확히 입력전압의 절반으로 클램프되며모든 부하 조건에서 스위치의 ZVS 동작과 전압평형 및 전류평형이 보장되는 것을 확인하였다.
제안회로는 스위칭 주파수(400kHz∼2MHz) 및 λ(0.11∼0.5)를 기준으로 스위치 손실 및 자기소자 손실분석을 통해 설계를 진행하였다.
. 제안회로는 스위칭 주파수와 공진 주파수가 동일한 F=1인 지점에서 동작한다고 가정하였으므로, 1차 측 스위치는 ZVS 턴 온 되기 때문에 턴 온 손실을 제거하였으며, 2차 측 동기정류기는 바디 다이오드가 도통한 이후 턴 온이 되고, 전류가 0이 된 이후 스위치가 꺼지는 ZCS 턴 오프 이므로, 턴 온 및 턴 오프손실을 제거하였다. 또한, 자성체의 경우 주요 손실인 동손과 철손을 고려하였다.
제안 3-레벨 LLC 공진형 컨버터의 타당성 검증을 위해 그림 11과 같이 350W급 1MHz 시작품을 제작하였으며, 실험에 사용된 주요 파라미터는 표 2와 같다. 트랜스포머의 턴 비는 입출력 관계식을 이용하여 5:5:1:1로 선정하였다. 표 3은 하나의 일례로 일반적인 LLC 공진형 컨버터에 적용되는 650V 내압의 MOSFET와 제안회로에 적용된 250V 내압의 MOSFET를 비교한 표이다.

대상 데이터

제안 3-레벨 LLC 공진형 컨버터의 타당성 검증을 위해 그림 11과 같이 350W급 1MHz 시작품을 제작하였으며, 실험에 사용된 주요 파라미터는 표 2와 같다. 트랜스포머의 턴 비는 입출력 관계식을 이용하여 5:5:1:1로 선정하였다.
제안회로는 손실 분석 결과를 토대로 1MHz를 구동 주파수로 선정하였으며, 자화인덕턴스는 1차 측 MOSFET의 ZVS 조건을 만족시켜주는 값으로 15.15uH를 사용하였으며, 공진 인덕턴스는 λ=0.151을 만족하는 2.29uH를 사용하였다.
제안회로의 턴 비는 부하의 변화에 따른 스위칭 주파수의 변화가 없는 공진탱크의 전압변환비 1을 기준으로 선정한다. 제안회로의 트랜스포머 양단에 걸리는 전압을 ±(Vin/4) 기준으로 트랜스포머의 턴 비가 선정되며, 공진 탱크의 전압변환비를 고려하면 식 (17)과 같이 나타낼 수 있다.

이론/모형

또한, 자성체의 경우 주요 손실인 동손과 철손을 고려하였다. 철손은 스테인메츠 방정식을 통해 도출하였으며, 동손은 DC 손실을 고려하여 권선저항의 손실을 구하였다^[7].

성능/효과

그림13은 밸런싱 커패시터를 이용한 전압평형과 공진 인덕터의 전류 평형이 보장되는 파형을 나타내고 있다. 그림 13(a)에 보이는 바와 같이 밸런싱 커패시터 전압과 C_r1, C_r2 커패시터 전압의 합, 그리고 C_r3, C_r4 커패시터 전압의 합이 모두 동일하게 입력전압의 절반인 195V로 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 또한 그림 13(b)에 보이는 바와 같이 트랜스포머 1차 측 공진 인덕터 전류가 모두 동일한 것을 알 수 있다.
1) 출력 전압 V_O와 밸런싱 커패시터 전압 V_CB는 일정할 만큼 출력 커패시터 C_o와 밸런싱 커패시터 C_B는 충분히 크다.
1) 회로 내 모든 전압 및 전류는 스위칭 주파수의 기본파 성분인 사인파만 존재한다.
2) 그림에 도시한 기생성분을 제외한 모든 기생성분은 제외한다.
본 논문에서는 스위치의 전압 스트레스 저감을 통해 스위치의 손실을 저감시킬 뿐만 아니라 1MHz의 고주파수 구동으로 리액티브 소자를 소형화시킴으로써 고효율 및 고전력밀도를 달성할 수 있는 3-레벨 LLC 공진형 컨버터를 제안하였다. 350W급 시작품을 제작하여 이론적 분석의 타당성을 제시하였으며, 실험을 통하여 스위치 양단전압이 정확히 입력전압의 절반으로 클램프되며모든 부하 조건에서 스위치의 ZVS 동작과 전압평형 및 전류평형이 보장되는 것을 확인하였다. 최대 효율은 95.
4) 모든 공진 커패시터(C_r1, C_r2, C_r3, C_r4)의 커패시턴스는 C_r로 동일하다.
5) 공진 인덕터(L_r1, L_r2)의 인덕턴스는 Lr로 동일하며, 트랜스포머(L_m1, L_m2)의 자화인덕턴스는 L_m으로 동일하다.
그림 12는 부하 별 제안회로의 M₄ 스위치의 Gate 양단전압, 드레인소스 양단전압 및 1차 측 공진 인덕터 전류를 나타내었다. 앞서 고찰한 바와 같이 자화인덕턴스에 의한 ZVS가 무부하 조건을 포함한 모든 부하조건에서 만족하며, 스위치 양단전압 또한 모든 조건에서 입력전압의 절반인 195V로 클램프 되는 것을 알 수 있으며, 350W에서 스위칭 주파수는 1MHz로 동작하는 것을 확인하였다. 그림13은 밸런싱 커패시터를 이용한 전압평형과 공진 인덕터의 전류 평형이 보장되는 파형을 나타내고 있다.
그림 7은 제안회로의 멀티레벨 확장 원리 설명을 위한 기본 모듈과 함께 멀티레벨 LLC 공진형 컨버터를 나타내었다. 제안회로는 기본 모듈과 밸런싱 커패시터 CB의 추가만으로 멀티레벨 컨버터로 확장이 가능하며, 동시에 전압 평형을 보장하므로 확장에 용이한 구조적 특성을 가진다. 하나의 기본 모듈은 그림 7(a)에 보이는 바와 같이 스위치 2개(M_2n-1, M_2n), 공진 커패시터 2개(C_{r_2n-1}, C_{r_2n}), 공진 인덕터 1개(L_{r_n}), 트랜스포머 1개(T_n)로 구성된다.
350W급 시작품을 제작하여 이론적 분석의 타당성을 제시하였으며, 실험을 통하여 스위치 양단전압이 정확히 입력전압의 절반으로 클램프되며모든 부하 조건에서 스위치의 ZVS 동작과 전압평형 및 전류평형이 보장되는 것을 확인하였다. 최대 효율은 95.05%를 달성하였으며, 전력밀도는 106W/in³로 고전력 밀도를 달성하였다. 뿐만 아니라 밸런싱 커패시터와 기본 모듈의 추가만으로 멀티레벨 LLC 공진형 컨버터로 확장에 용이한 구조적 특성을 가진다.

후속연구

뿐만 아니라 밸런싱 커패시터와 기본 모듈의 추가만으로 멀티레벨 LLC 공진형 컨버터로 확장에 용이한 구조적 특성을 가진다. 따라서 기본 모듈의 추가로 전압 스트레스를 V_in/n으로 더욱 저감 가능하므로 입력전압이 높은 다양한 어플리케이션에 널리 응용될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스위칭 손실의 개선 방법은?	하지만 스위치는 턴 온 및 턴 오프 시 스위치 양단전압과 전류의 중첩에 의해 매 스위칭 주기별로 스위칭 손실이 발생하며, 주파수가 증가할수록 비례하여 스위치의 심각한 손실과 발열을 발생시킨다. 이러한 스위칭 손실은 스위치 양단전압을 저감시켜 전압과 전류의 중첩되는 크기와 시간을 줄임으로써 확연히 개선할 수 있다. LLC 공진형 컨버터의 영 전압스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)을 통해 턴 온 시 손실이 발생하지 않지만, 여전히 턴 오프 시에 손실은 존재한다.
	기존 3-레벨 컨버터의 한계점은?	또한 스위치의 내압을 저감함에 따라 우수한 성능의 스위치 사용이 가능하여 작은 Ciss, Rds(on)을 통하여 스위치의 게이트 구동 손실 및 도통 손실을 저감할 수 있다. 하지만 기존 3-레벨 컨버터는 스위치 양단전압 저감 및 전압 평형을 위한 부가적인 액티브 소자의[2],[3] 추가가 불가피하여 손실 및 체적 저감에 한계를 갖는다. 따라서 본 논문에서는 4개 스위치의 직렬연결을 통한 스위칭 손실 저감 및 단 하나의 커패시터를 이용하여 모든 스위치의 전압평형을 이룰 수 있는 고효율 및 고전력밀도 3-레벨 LLC 공진형 컨버터를 제안한다.
	고주파수 구동의 단점은?	이를 위해 전력변환컨버터 내 큰 부피를 차지하는 리액티브 소자의 소형화를 위해서는 고주파수 구동이 필수적이다[1]. 하지만 스위치는 턴 온 및 턴 오프 시 스위치 양단전압과 전류의 중첩에 의해 매 스위칭 주기별로 스위칭 손실이 발생하며, 주파수가 증가할수록 비례하여 스위치의 심각한 손실과 발열을 발생시킨다. 이러한 스위칭 손실은 스위치 양단전압을 저감시켜 전압과 전류의 중첩되는 크기와 시간을 줄임으로써 확연히 개선할 수 있다.

참고문헌 (7)

T. Baltynov, V. Unni, and S. E. Madathil, "The world's first high voltage GaN-on-Diamond power semiconductor devices," Solid-State Electronics 125, pp. 111-117, Jul. 2016.

상세보기
Y. Gu, Z. Lu, L. Hang, Z. Qian, and G. Huang, “Three-level LLC series resonant DC/DC converter,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 20, No. 4, pp. 781-789, Jul. 2005.

상세보기
F. Canales, P. Barbosa, C. Aguilar, and F. C. Lee, "A high-power-density DC/DC converter for high-power distributed power systems," in Proc. IEEE PESC, pp. 11-18, Jun. 2003.
B. Lu, W. Liu, Y. Liang, F. C. Lee, and J. D. van Wyk, "Optimal design methodology for LLC resonant converter," in Proc. IEEE APEC, pp. 533-538, Apr. 2006.
R. W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of power electronics(2nd edition), Springer Science+Business Media New York, 2004.
C. H. Yang, T. J. Liang, K. H. Chen, J. S. Li, and J. S. Lee, "Loss analysis of half-bridge LLC resonant converter," in Future Energy Electronics Conference (IFEEC), pp. 155-160, Nov. 2013.
C. W. T. Mclyman, Transformer and inductor design handbook, Marcel Dekker, 2004.

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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