[논문]커플드 인덕터를 활용하여 출력 전류 리플을 저감하는 LLC 공진형 컨버터에 관한 연구

이용철; 강민혁; 강찬호; 홍성수

doi:10.6113/tkpe.2018.23.3.208

커플드 인덕터를 활용하여 출력 전류 리플을 저감하는 LLC 공진형 컨버터에 관한 연구
A Study on LLC Resonant Converter Employing Coupled Inductor to Reduce Output Current Ripple 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.3, 2018년, pp.208 - 216

이용철 (R&D Center EGTRONICS) , 강민혁 (R&D Center EGTRONICS) , 강찬호 (R&D Center EGTRONICS) , 홍성수 (Dept. of Secured Smart Electric Vehicle Engineering, Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an LLC resonant converter employing two coupled inductors on the secondary side of the converter is proposed. The conventional LLC converter exhibits serious power loss during secondary winding of the transformer because of generation of tremendous output current ripples. To overcome this problem, an LLC resonant converter with a current doubler as a rectifying circuit was recently proposed. However, the current-doubler rectifying circuit requires coupled inductors with a high coupling ratio to retain the designed resonance characteristics. Therefore, an additional hardware filter is required at the output stage to address large output current ripples. Additional design procedures are also necessary because the inductance component of the added filter affects the designed resonant network. To solve this issue, an LLC resonant converter employing two coupled inductors is proposed in this paper. Mathematical analysis shows that the proposed secondary-side current-doubler circuit does not affect the designed resonance characteristics. The operating principles and theoretical analyses are proven through a simulation and experiments with a 54 V/28 A prototype.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 하나의 변압기와 두 개의 커플드 인덕터를 사용하여 출력 전류 리플을 저감시키는 방법을 제안한다. 따라서 제안회로는 공진형 컨버터임에도 불구하고 전류 리플 저감을 위한 추가적인 하드웨어 필터 용량을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
본 논문에서는 두 개의 커플드 인덕터를 활용하여 배전류 정류회로가 적용된 LLC 컨버터를 제안하였다. 제안된 기술은 배전류 정류 방식을 사용하여 변압기 제작이 용이하며, 출력 전류 리플을 저감시킬 수 있다.

가설 설정

설계의 편의를 위해 자화 인덕턴스 전류는 일정한 기울기를 가지고 선형적으로 증가하거나 감소한다고 가정 한다. 따라서 t₁과 T₃시점에서 1차측으로 환류되는 자화 인덕턴스 전류는 식 (26)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서 결합된 인덕터의 턴 수가 동일하고 구조적으로 대칭으로 만들었을 때, L_CF1 과 L_CF2는 L_CF라고 가정할 수 있다.
이는 RMS 전류와 리플 전압이 소자의 수명과 시스템의 신뢰성을 결정하기 때문이다. 해석의 편의를 위해 스위칭 주파수와 공진 주파수는 동일하다고 가정하며, 전파 정류 조건에서 RMS 전류는 다음과 같이 구할 수 있다.

제안 방법

제안된 기술은 배전류 정류 방식을 사용하여 변압기 제작이 용이하며, 출력 전류 리플을 저감시킬 수 있다. 또한 결합율이 높은 커플드 인덕터의 적용으로 기존 LLC 동작을 유지하므로 설계가 간편하며, 그 이유에 대해서 수식적으로 분석하였다. 제안된 기술의 검증을 위해 모의실험 및 시작품을 제작하였으며, 제품의 실현 가능성을 확인할 수 있었다.
3333px;">o/4와 비교하여 2/\(\pi\)배의 실효전류가 감소되기 때문에 변압기 2차측 도통손실을 저감시킬 수 있다. 또한 제안된 회로는 공진 인덕터 L_r을 제거하고 변압기 T₁의 누설 인덕턴스를 공진 인덕턴스로 이용하여 크기와 무게를 줄이고 전력밀도를 향상시키기 위해 변압기 T₁은 1차와 2차의 구역을 구분하여 권선을 감았다. 그리고 변압기의 제작 및 설계의 편의를 위해 배 전류 정류회로에 사용된 커플드 인덕터 T₃의 자화 인덕턴스를 이용하여 영전압 스위칭이 이루어지며, 변압기 T₁의 공극은 없다.
또한 하나의 층에 여러 패턴을 사용하는 경우, 패턴과 패턴 사이에 발생되는 기생 커패시턴스에 의해 제작된 변압기의 특성 임피던스 곡선이 낮은 주파수 대역에서 발생되는 것을 방지하기 위하여 하나의 층에 하나의 패턴만을 사용하였다. 이와 더불어 커패시터 C_S의 경우 커플드 인덕터 T₂와의 거리를 최소한으로 줄이기 위해 하나의 층에 커패시터만이 배치된 PCB가 적용되었다.

대상 데이터

그러나 2차 측에 유도성 부하가 사용되는 경우, 설계된 공진 주파수에 영향을 미치게 되어 공진 탱크 설계에 어려움을 초래한다. 따라서 제안된 회로는 2차 측에 그림 1과 같이 결합 율이 높은 커플드 인덕터 T₂가 사용 되었다. 이로 인해 공진 전류의 DC성분과 AC성분을 분리할 수 있으며, 출력 단으로 흐르는 전류는 리플이 서로 상쇄되어 출력 전류 리플을 저감시킬 수 있다.
제안된 회로의 타당성을 입증하기 위하여 1.5kW급 시제품을 제작하였다. 실험에 사용된 설계사양 및 소자 파라미터는 상기 모의실험조건과 동일하다.
최종적으로 식 (31)과 식 (32)를 통해 계산된 값 중 큰 값을 선정해야하기 때문에 실효전류에 의해 계산된 커패시턴스로 선정하였으며, 전력밀도를 위해 1uF/100V 적층 세라믹 커패시터 20개가 선정되었다.

이론/모형

설계 시에는 1, 2차 측간의 높은 결합율로 인해 낮은 누설 인덕턴스 값이 되도록 설계하여야 한다. 또한 높은 전력밀도를 만족하여야 하므로 코어는 Planar Core PEI 3210S를 사용하였으며, 권선은 누설 인덕턴스를 줄이기 위해 PCB Pattern을 이용하여 Bifilar 권선 방법을 적용하였다. 권선 수 N_P는 자속과 자화 인덕턴스의 관계를 통해 다음과 같이 계산할 수 있다.

성능/효과

그림 18은 제안 회로의 효율곡선이다. 600W 부하에서부터 최대 부하까지 96% 이상의 효율이 측정되었으며, 출력 54V, 19A 조건에서 최대 96.72%의 고효율이 측정되었다.
그림 8은 기존 센터-탭 방식의 LLC 컨버터 1차측 공진 전류 I_Lr및 자화 인덕턴스 전류 I_Lm 를 나타내고 있으며, 그림 9는 제안된 회로의 1차측 공진 전류 및 1차측으로 환류되는 커플드 인덕터 T₃의 자화전류를 나타낸 파형이다. 그림을 통해 알 수 있듯이, 제안된 기술이 적용된 LLC 컨버터 역시 기존 센터-탭 방식이 적용된 LLC 컨버터와 유사한 공진 특성이 나타나는 것을 알 수 있다. 그림 10은 커플드 인덕터 T₂, T₃의 1차측과 2차측 전류를 나타내고 있다.
따라서 본 논문에서는 하나의 변압기와 두 개의 커플드 인덕터를 사용하여 출력 전류 리플을 저감시키는 방법을 제안한다. 따라서 제안회로는 공진형 컨버터임에도 불구하고 전류 리플 저감을 위한 추가적인 하드웨어 필터 용량을 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 결합율이 높은 커플드 인덕터를 활용하므로 기존 LLC 컨버터와 동일한 공진특성을 지닐 수 있으며, 이로 인해 1차측과 2차측의 소프트 스위칭 특성을 유지할 수 있다.
실험 파형을 통해 알 수 있듯이 제안회로의 1차측 공진 전류 파형은 그림 9의 모드 해석 결과와 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 2차측에 배 전류 정류회로의 구조를 적용하여도 결합율이 높은 커플드 인덕터 T₂를 적용하게 될 경우 설계된 1차 측 공진 네트워크에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 그림 15는 출력 필터가 적용되지 않은 상태에서 출력 커패시터 리플 전압을 나타낸다.
본 논문에서는 두 개의 커플드 인덕터를 활용하여 배전류 정류회로가 적용된 LLC 컨버터를 제안하였다. 제안된 기술은 배전류 정류 방식을 사용하여 변압기 제작이 용이하며, 출력 전류 리플을 저감시킬 수 있다. 또한 결합율이 높은 커플드 인덕터의 적용으로 기존 LLC 동작을 유지하므로 설계가 간편하며, 그 이유에 대해서 수식적으로 분석하였다.
또한 결합율이 높은 커플드 인덕터의 적용으로 기존 LLC 동작을 유지하므로 설계가 간편하며, 그 이유에 대해서 수식적으로 분석하였다. 제안된 기술의 검증을 위해 모의실험 및 시작품을 제작하였으며, 제품의 실현 가능성을 확인할 수 있었다.
또한 결합율이 높은 커플드 인덕터를 활용하므로 기존 LLC 컨버터와 동일한 공진특성을 지닐 수 있으며, 이로 인해 1차측과 2차측의 소프트 스위칭 특성을 유지할 수 있다. 제안된 회로의 우수성을 검증하기 위하여 동작 원리 및 수학적 해석, 설계 절차를 제시하였으며, 최종적으로 모의실험 및 시작품 제작을 통해 타당성을 검증한다.
그림 17은 2차 측 정류 스위치 SR1, SR2의 양단 전압파형을 나타낸다. 파형을 통해 확인할 수 있듯이, 결합된 인덕터 T₂의 누설 인덕턴스와 2차측 동기 정류 스위치의 기생 출력 커패시턴스사이의 공진파형이 보이긴 하지만 누설 인덕턴스가 낮기 때문에 공진 전압 첨두치가 2배의 출력전압과 비교하여 약 11V정도 더 큰 것을 확인 할 수 있다. 그림 18은 제안 회로의 효율곡선이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LLC 공진형 컨버터가 가지는 특징은?	이러한 사실로 2kW급 중용량 전원 시스템에서는 일반적으로 LLC 공진형 컨버터가 많이 사용되고 있다. LLC 공진형 컨버터는 1, 2차측의 소프트 스위칭 동작 특성을 지니며, 구조가 단순하고 공진으로 에너지를 전달하므로 EMI 노이즈에 강인한 특성을 지닌다 [1]-[3]. 하지만 기존 센터-탭 방식의 LLC 공진형 컨버터를 이용한 전원 시스템은 공진으로 전기에너지를 전달하므로 충전 전류 리플이 필연적으로 발생하게 되며, 변압기의 도통 손실을 유발하고 출력 커패시터 및 추가적인 하 웨어 필터 용량이 증대되는 문제가 존재한다[4].
	기존의 센터-탭 방식의 LLC 공진형 컨버터를 쓴 전원 시스템의 문제점은?	LLC 공진형 컨버터는 1, 2차측의 소프트 스위칭 동작 특성을 지니며, 구조가 단순하고 공진으로 에너지를 전달하므로 EMI 노이즈에 강인한 특성을 지닌다 [1]-[3]. 하지만 기존 센터-탭 방식의 LLC 공진형 컨버터를 이용한 전원 시스템은 공진으로 전기에너지를 전달하므로 충전 전류 리플이 필연적으로 발생하게 되며, 변압기의 도통 손실을 유발하고 출력 커패시터 및 추가적인 하 웨어 필터 용량이 증대되는 문제가 존재한다[4].
	논문에서 제안한 하나의 변압기와 두 개의 커플드 인덕터를 사용한 방법의 장점은?	따라서 본 논문에서는 하나의 변압기와 두 개의 커플드 인덕터를 사용하여 출력 전류 리플을 저감시키는 방법을 제안한다. 따라서 제안회로는 공진형 컨버터임에도 불구하고 전류 리플 저감을 위한 추가적인 하드웨어 필터 용량을 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 결합율이 높은 커플드 인덕터를 활용하므로 기존 LLC 컨버터와 동일한 공진특성을 지닐 수 있으며, 이로 인해 1차측과 2차측의 소프트 스위칭 특성을 유지할 수 있다. 제안된 회로의 우수성을 검증하기 위하여 동작 원리 및 수학적 해석, 설계 절차를 제시하였으며, 최종적으로 모의실험 및 시작품 제작을 통해 타당성을 검증한다.

참고문헌 (7)

S. H. Cho, J. K. Yoon, C. W. Roh, S. S. Hong, J. H. Kim, H. B. Lee, and S. K. Han, “High-efficiency & cost-effective multi-output LLC resonant,” Trans. Korean Inst. Power Electron, Vol. 13, No. 6, pp. 439-446, Dec. 2008.
B. Yang, "Topology investigaion for front end DC/DC power conversion for distributed power system-chapter 4," Ph.D. dissertation, Elect. Comput. Eng. Dept., Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA, USA, 2003.
F. Musavi, M. Craciun, D. S. Gautam, and W. Eberle, “Control strategies for wide output voltage range LLC resonant DC-DC converters in battery chargers,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 27, No. 5, pp. 2405-2414, Mar. 2014.
R. Ren, F. Zhang, Z. Shen, and S. Liu, "The third harmonics current injection scheme for LLC topology to reduce the RMS of the output current," in Proc. IEEE APEC Conference 2015, Mar. 2015.
J. Y. Shin, H. W. Kim, K. Y. Cho, S. S. Hwang, S. K. Chung, and G. B. Chung, "Analysis of LLC resonant converter with current doubler rectification circuit," in Proc. 2014 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, Sep. 2014.
A. Pietkiewicz and D. Tollik, "Coupled-inductor current-doubler toplogy in phase-shifted full-bridge DC-DC-converter," 20th International Telecommunications Energy Conference, pp. 41-48, 1998.
E. Santi and S. Cuk, "Comparison and design of three coupled inductor structures," Proceeding of IECON 94-20th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, Vol. 1, 1994.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증