[논문]고효율 및 소형 스위치모드 라인 트랜스포머

김진홍; 양정우; 장두희; 강정일; 한상규

doi:10.6113/tkpe.2019.24.4.237

고효율 및 소형 스위치모드 라인 트랜스포머
High Efficiency and Small Size Switch Mode Line Transformer(SMLT) 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.4, 2019년, pp.237 - 243

김진홍 (School of Electrical Eng., Kookmin University) , 양정우 (School of Electrical Eng., Kookmin University) , 장두희 (Visual Display, SAMSUNG Electronics. Co. Ltd.) , 강정일 (Visual Display, SAMSUNG Electronics. Co. Ltd.) , 한상규 (POESLA, School of Electrical Eng., Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper

A high-efficiency and small-sized switched-mode line transformer (SMLT) is proposed in this study. The conventional structure of an adapter is composed of line transformer and rectifiers. This structure has a limit in miniaturizing due to low-frequency line transformer. Another structure is composed of power factor correction (PFC) and DC/DC converter. This structure has a limit in reducing volume due to two-stage structure. As the proposed SMLT is composed of an LLC resonant converter, a high-frequency transformer can be adopted to achieve isolation standards and size reduction. This proposed structure has different operation modes in accordance with line input voltage to overcome poor line regulation. In addition, the proposed SMLT is applied to the front of a conventional PFC converter, because the SMLT output voltage is restored to rectified sinusoidal wave by using a full-bridge rectifier in the secondary side. The design of the PFC converter is easy, because the SMLT output voltage is controlled as rectified sinusoidal wave. The validity of the proposed converter is proven through a 350 W prototype.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Conventional line transformer and adaptor.
그림 Fig. 2. A proposed switch mode line transformer(SMLT).
그림 Fig. 3. Frequency range for required output voltage according to input voltage.
그림 Fig. 4. Voltage gain according to input voltage.
표 TABLE I DIFFERENT TOPOLOGY OF PROPOSED SMLT ACCORDING TO INPUT VOLTAGE
표 TABLE Ⅱ CONTROL METHOD AND KEY WAVEFORM OF PROPOSED SMLT
그림 Fig. 5. Input and output voltage detection of proposed SMLT.
그림 Fig. 6. Design flow chart of resonant tank.
그림 Fig. 7. Experimental wave form by input voltage.
그림 Fig. 8. Comparison conventional PFC DC/DC converter and a proposed SMLT 350W prototype.
그림 Fig. 9. Experimental wave form of input voltage change.
그림 Fig. 10. Efficiency of a proposed SMLT according to load condition.
표 TABLE Ⅲ SPECIFICATION AND COMPONENT OF A SMLT

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 제안 SMLT는 어댑터 사이즈 축소를 위해 추가적인 공진소자, 스위치 및 다이오드가 없이 하나의 공진탱크로, 입력 전압에 따라 풀브리지 및 하프브리지 동작을 통해 전압이득을 만족 하는 방식을 적용한다. 본 논문에서는 고주파수 구동을 통하여 기존 저주파수 트랜스포머 대비 소형화 및 경량화가 가능하고, 대용량 시스템 적용에 가능하며, 어댑터 사이즈를 기존 PFC DC/DC 컨버터 대비 줄일 수 있는 SMLT를 제안한다.

제안 방법

최근 전자기기의 전원을 공급하기 위한 어댑터의 소형화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 과거 Universal Line 어댑터 등장 이전은 그림 1(a)에서와 같이 저주파수 라인트랜스포머를 이용하여 110/220V_rms 전압을 220/110V_rms로 변환하여 전자기기에 AC파형을 인가해주었다. 또한 이러한 라인트랜스포머를 이용하여 어댑터를 구성할 경우 그림 1(b)와 같이 라인트랜스포머와 정류 다이오드를 통해 입력전압을 정류 후 큰 커패시터를 통해 전자기기의 직류전원을 인가해주었다.
하지만 최댓값 검출을 이용할 경우 부하에 관계없이 최댓값은 동일하기 때문에 스위칭 주파수 범위 관점에서 평균값으로 제어하는 것 대비 스위칭 주파수 변동 범위를 작게 할 수 있다. 따라서 제안 SMLT는 모든 부하에서 출력전압의 최댓값이 같도록 최댓값 검출 방식을 적용한다. 또한 제안 SMLT는 입력전압이 변동할때 하프브리지 및 풀브리지로 변경하며 동작하고, 이러한 과도 구간에서는 동작을 멈춘 후 재 기동 한다.
이 방식의 장점은 별도의 공진 소자 및 소자 추가 없이 하나의 공진탱크로 전압 이득을 만족시키는 장점이 있다. 따라서 제안 SMLT는 어댑터 사이즈 축소를 위해 추가적인 공진소자, 스위치 및 다이오드가 없이 하나의 공진탱크로, 입력 전압에 따라 풀브리지 및 하프브리지 동작을 통해 전압이득을 만족 하는 방식을 적용한다. 본 논문에서는 고주파수 구동을 통하여 기존 저주파수 트랜스포머 대비 소형화 및 경량화가 가능하고, 대용량 시스템 적용에 가능하며, 어댑터 사이즈를 기존 PFC DC/DC 컨버터 대비 줄일 수 있는 SMLT를 제안한다.
따라서 제안 SMLT는 모든 부하에서 출력전압의 최댓값이 같도록 최댓값 검출 방식을 적용한다. 또한 제안 SMLT는 입력전압이 변동할때 하프브리지 및 풀브리지로 변경하며 동작하고, 이러한 과도 구간에서는 동작을 멈춘 후 재 기동 한다.
Z값이 커지면 전압 이득은 낮아지고, 최대 전압 이득이 나오는 주파수는 높아지며, K값이 커지면 최대 전압 이득은 낮아지며, 최대 전압 이득이 나오는 주파수도 낮아진다. 이러한 특성을 이용하여 전압 이득 곡선을 그림 4에서와 같이 입력 전압 별로 그린 후 각 입력 전압 조건에서 필요 이득을 모두 만족하는지 확인한다. 그림 6과 같은 과정을 반복하여 필요 이득, 최소 주파수 및 공진 주파수 조건에 부합한 C_r, L_r, L_m의 값을 도출한다.
그림 5에 나타낸 바와 같이 입력 전압 검출을 통해 LV PFM, LV PSM, HV PFM Mode로 나누어 동작한다. 입력 전압이 급변하는 경우에도 안정적인 동작을 위해 제안 SMLT는 상승주기와 하강주기를 판단하여 입력 전압의 최고점을 검출할 수 있는 알고리즘을 통해 실시간으로 입력 전압을 검출한다. 또한 앞서 언급한 것처럼 제안 SMLT는 출력전압의 최댓값 검출을 통해 출력전압을 제어하게 된다.
Region 3에서 스위칭 주파수의 상승을 방지하기 위해 고정 주파수 위상천이방식(PSM: Phase Shift Modulation)을 이용하여 전압이득을 만족하는 방식이 제안되었다^[5]. 제안 SMLT는 상기 전압에서 스위칭 주파수의 상승을 제한하기 위해 PSM 제어로 출력 전압을 제어한다.
풀브리지 및 하프브리지 동작으로 전압 이득을 만족 시키기 때문에 하나의 공진탱크를 설계함으로써 공진탱크 설계를 단순화 할 수 있다. 제안 SMLT의 Region 2동작을 위해 입력 전압의 최댓값인 264V_rms를 공진 주파수에 동작하도록 하고, 입력 전압의 최솟값인 90V_rms의 두 배인 180V_rms에서 최대 전압 이득이 나오도록 설계한다. 주어진 사양으로 입력전압 90～264V_rms, 출력 최대전압 350V로 제안 SMLT의 설계 순서는 그림 6과 같다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 SMLT의 타당성을 검증하기 위해 그림 8과 같이 350W급 시작품을 제작하였다. 주요소자 및 사양은 표 3에 나타내었다.
그림 2는 제안 SMLT를 나타낸다. 제안 SMLT의 1차 측은 4개의 스위치(M1～M4)가 풀브리지 형태로 구성되어 있고, 공진 커패시터 C_r, 공진 인덕터 L_r, 자화 인덕터 L_m으로 구성된다. 또한 2차 측은 4개의 다이오드(D 1～D4)가 풀브리지 형태로 구성된다.

성능/효과

입력 전압 90V_rms, 최대 부하일 때 SMLT의 입출력 전압, 전류파형 및 정상 상태파형은 그림 7(a)와 같이 나타난다. LV PFM Mode로 동작함을 확인 할 수 있으며, 설계 값과 유사한 61kHz 에서 풀브리지, Region 2에서 동작함을 확인할 수 있다. 입력전압 170V_rms, 최대 부하일 때 SMLT의 입출력 전압, 전류 파형 및 정상상태파형은 그림 7(b)와 같이 나타난다.
모든 입력전압에 대응 가능한 기법을 제시하였고, 350W 시작품의 실험결과를 통해 타당성을 검증했다. 따라서 본 논문에서 제안하는 SMLT는 기존 저주파 트랜스포머를 대체하며, 어댑터를 라인트랜스포머만으로 구성하여 기존 2단 구조 대비 어댑터 사이즈를 큰 폭으로 줄였다.
5kHz에서 동작함을 확인 할 수 있다. 또한 제안 SMLT는 모든 입력 전압에 대해서 동일한 정류된 AC파형을 출력하며, 이는 일반적인 PFC 컨버터 앞단에 사용가능함을 확인 할 수 있다. 또한 그림 9(a)에 나타난 것처럼 입력 전압 90V_rms에서 264V_rms로 급변할 때 전압이득 차이로 인해 과도구간에서 출력 전압이 상승된다.
또한 영전압 스위칭(ZVS) 동작을 통해 고효율을 달성할 수 있으며, 역률개선을 위해 어댑터의 출력을 정류된 AC 파형으로 출력하고, 이로 인해 PFC 컨버터를 전자기기 쪽으로 분리가 가능하여 어댑터의 사이즈 축소가 가능하다. 또한 제안 SMLT는 모든 입력범위(90～264V_rms)에 대해 동일한 정류된 AC파형을 생성하므로, 뒷단에 일반적인 PFC 컨버터 사용이 가능하며, 입력전압과 무관하게 일정하게 정류된 AC파형으로 인해 뒷단 PFC컨버터의 최적 설계가 용이하다. 그러나 일반적인 LLC 공진형 컨버터의 경우 부하 변동에는 우수한 주파수 변동특성을 보이지만, 입력전압의 변동폭이 제안 SMLT와 같이 큰 경우 전압이득을 만족하기 위해 스위칭 주파수의 변동 폭이 커지며, 작은 자화인덕턴스가 요구된다.
또한 모든 입력전압에 대해 정류된 AC파형을 동일하게 출력함으로써 SMLT 뒷단에 일반적인 PFC를 사용할 수 있으며, 뒷단 PFC 컨버터에 동일한 입력을 공급함으로써 PFC 컨버터의 최적 설계에 이점을 가질 수 있다. 모든 입력전압에 대응 가능한 기법을 제시하였고, 350W 시작품의 실험결과를 통해 타당성을 검증했다. 따라서 본 논문에서 제안하는 SMLT는 기존 저주파 트랜스포머를 대체하며, 어댑터를 라인트랜스포머만으로 구성하여 기존 2단 구조 대비 어댑터 사이즈를 큰 폭으로 줄였다.
본 논문에서 제안한 SMLT는 고주파수 구동을 통해 트랜스포머의 사이즈 및 무게를 기존 저주파수 라인트랜스포머 대비 감소시켰으며, 기존 라인트랜스포머에서 Universal Line 적용이 불가능했던 점을 가능하게 하며, 기존 2단 구조를 가지는 PFC와 DC/DC 컨버터를 대체하여 어댑터를 SMLT로 구성하여 어댑터의 사이즈를 기존 2단 구조 대비 30% 감소시켰다. 또한 모든 입력전압(90～264V_rms)에서 전압이득을 만족하기 위해 LV PFM Mode, LV PSM Mode, HV PFM Mode로 나누어 동작함으로써 스위칭 주파수의 범위를 줄일 수 있다.
또한 앞서 언급한 것처럼 제안 SMLT는 출력전압의 최댓값 검출을 통해 출력전압을 제어하게 된다. 제안 SMLT의 출력파형은 정류된 AC파형을 생성해야 하므로 출력전압의 평균값 제어 또는 출력전압 최댓값 제어를 통해 일정한 AC전압 제어가 가능하다. AC 출력전압의 평균값을 제어할 경우 경 부하로 갈수록 출력전압의 최댓값이 감소하여야 동일한 평균값을 가지므로 전압이득은 작아져야하며, 이는 스위칭 주파수의 상승을 야기한다.
또한 제안 SMLT의 110/220V_rms에서 부하 별 효율은 그림 10과 같다. 효율 측정은 Yokogawa社의 WT1600과 WT1804E를 이용하였으며, 입력전압 110V_rms에서 최대 92.9%, 입력전압 220V_rms에서 최대 94%의 효율이 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	어댑터의 장점과 단점은 무엇인가?	또한 이러한 라인트랜스포머를 이용하여 어댑터를 구성할 경우 그림 1(b)와 같이 라인트랜스포머와 정류 다이오드를 통해 입력전압을 정류 후 큰 커패시터를 통해 전자기기의 직류전원을 인가해주었다. 이러한 어댑터의 장점은 구조가 매우 간단하지만, 저주파수 라인트랜스포머로 인해 무게 및 사이즈가 크며, 라인트랜스포머의 턴 비를 이용해 입력을 변환하므로, Universal Line에 적용이 불가능했다. 특히, 75W급 이상의 어댑터의 경우 역률 및 고조파 규제를 만족하기 위한 회로가 추가적으로 필요하다.
	기존 어댑터가 비 절연형의 역률개선(PFC) 컨버터와 절연형의 DC/DC 컨버터로 구성된 회로가 주로 사용되어 왔던 이유는?	특히, 75W급 이상의 어댑터의 경우 역률 및 고조파 규제를 만족하기 위한 회로가 추가적으로 필요하다. 앞서 언급한 어댑터의 경우 대용량으로 갈수록 라인트랜스포머의 사이즈는 더욱더 커지며, 무게 또한 크게 증가하여 대용량 어댑터에서는 적합하지 못 했다. 이러한 단점으로 인해 기존 어댑터는 그림 1(c)와 같이 비 절연형의 역률개선(PFC) 컨버터와 절연형의 DC/DC 컨버터로 구성된 회로가 주로 사용되어 왔다.
	Universal Line 어댑터 등장 이전에 110/220Vrms 전압을 220/110Vrms로 변환하여 전자기기에 AC파형을 인가해주던 장치는 무엇인가?	최근 전자기기의 전원을 공급하기 위한 어댑터의 소형화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 과거 Universal Line 어댑터 등장 이전은 그림 1(a)에서와 같이 저주파수 라인트랜스포머를 이용하여 110/220Vrms 전압을 220/110Vrms로 변환하여 전자기기에 AC파형을 인가해주었다. 또한 이러한 라인트랜스포머를 이용하여 어댑터를 구성할 경우 그림 1(b)와 같이 라인트랜스포머와 정류 다이오드를 통해 입력전압을 정류 후 큰 커패시터를 통해 전자기기의 직류전원을 인가해주었다.

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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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