[논문]부하평형 듀얼 모듈로 구성된 고효율 스위치 모드 라인 트랜스포머(SMLT)

김진홍; 양정우; 장두희; 강정일; 한상규

doi:10.6113/tkpe.2020.25.3.188

부하평형 듀얼 모듈로 구성된 고효율 스위치 모드 라인 트랜스포머(SMLT)
High Efficiency Switch Mode Line Transformer (SMLT) Composed of Load Sharing Dual Modules 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.3, 2020년, pp.188 - 194

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

This paper presents a high-efficiency Switch Mode Line Transformer (SMLT) composed of load-shared dual modules, which is based on the AC/AC LLC resonant converter. Given that the conventional adaptor is usually composed of two power stages, namely, the PFC and DC/DC converters, its system size can be increased according to the output power. However, given that the proposed SMLT can separate the PFC converter from the adaptor, the size reduction of the system can be achieved. Meanwhile, the SMLT with a single module has the limit of the size reduction because of a high resonant current. Thus, it can be configured with dual or multiple modules to reduce the resonant current. Then, their load sharing can be guaranteed by only the proposed transformer structure without an extra current controller. The validity of the proposed converter is proven through a 850-W prototype.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Voltage gain according to output power.
그림 Fig. 2. Compare with resonance current at 400W and 850W.
그림 Fig. 3. A proposed high efficiency SMLT with load sharing in dual modules.
표 TABLE I MODE AND SWITCHING OPERATION ACCORDING TO INPUT VOLTAGE
그림 Fig. 4. Key wave form of proposed circuit.
그림 Fig. 5. A principle of current balance.
그림 Fig. 6. Control method of proposed circuit.
그림 Fig. 7. Proposed multi-modules switch mode line transformer (SMLT).
그림 Fig. 8. Conventional 650W adaptor and 850W prototype of proposed circuit.
그림 Fig. 9. Error of i_{pri_peak} according to tolerance of resonant component.
그림 Fig. 10. Experimental wave form according to input voltage.
그림 Fig. 11. Efficiency of proposed converter.
표 TABLE II SPECIFICATION AND COMPONENTS OF PROPOSED CIRCUIT

AI 본문요약
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문제 정의

또한 각 모듈별로 동등한 부하를 분배하기 위해 각각의 모듈들이 상이한 동작 주파수를 가지게 된다. 따라서 본논문에서는 트랜스포머의 구조를 통해 각 모듈의 부하 평형이 가능하여 추가적인 전류제어가 불필요한 부하평형 듀얼 모듈로 구성된 고효율 SMLT를 제안한다. 제안 회로는 각 모듈에 동일한 게이트 신호를 인가하며, SMLT의 병렬구동으로 증가된 부하에 대응할 수 있다.
본 논문은 대용량 어댑터 사이즈 저감을 위해 중소용량의 SMLT를 병렬 구동하며, 병렬 구동 시 별도의 전류제어기 없이 부하평형을 이룰 수 있는 고효율 SMLT 를 제안한다. 기존에 PFC DC/DC 컨버터로 구성된 어댑터와 다르게, SMLT를 적용하여 PFC 컨버터를 부하 쪽으로 분리시켜 어댑터의 사이즈 저감이 가능하다.

가설 설정

• 입력전압 및 출력 전압은 한 주기의 스위칭동작 내에서 DC로 가정한다.

제안 방법

그러나 LLC 공진형 컨버터의 특성상 부하변동에 따른 동작 주파수 특성은 우수하지만 입력전압 및 출력 전압이 변동하는 경우 동작 주파수 변동 폭이 커지는 한계가 존재한다. 동작 주파수의 변동 폭을 감소시키기 위해 제안 회로는 표 1과 같이 입력전압에 따라 3가지 모드로 나누어 동작하여 주파수 변동 폭을 최소화 한다. 한편, 대용량 어댑터에 단일 SMLT 모듈 적용 시 큰 부하로 인해 공진탱크 설계가 용이하지 않다.
또한, 큰 RMS 전류로 인한 도통손실이 증가하게 되며, 트랜스포머 및 공진 인덕터의 권선 두께가 증가하여 리액티브 소자의 사이즈 증가가 불가피하다. 상기 단일 모듈구동의 한계를 극복하기 위해 중소형 모듈을 병렬 구동하며, 각 모듈의 Load sharing을 이용한 방식이 제안되었다. 두 모듈의 교호(Interleaved) 동작과 2차 측 하이브리드 정류기를 통해 부하를 분배 하는 방식과 ^[4] 2차 측 정류기 스위치의 Turn on 시간 지연을 통해 부하를 분배하는 방식이 연구되었다^[5].
하지만 제안 회로는 표 1과 같이 입력전압 90∼179V_rms(LV, Low Voltage) 범위에서는 풀브리지로, 180∼264V_rms(HV, High Voltage) 범위에서는 하프브리지로 나누어 동작하고, 제어방식 또한 주파수제어(PFM, Pulse Frequency Modulation)와 위상천이 방식(PSM, Phase shift Modulation)으로 나누어 출력 전압을 제어하므로, 앞서 언급한 평균전류 제어를 적용하기 위해서는 고성 능의 MCU 사용이 불가피하고 이는 어댑터의 원가 상승의 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 제안 회로는 각 모듈의 트랜스포머 구조를 일차 측은 병렬, 이차 측은 직렬로 연결하여 각 모듈의 부하평형을 이루며, 전압 제어기만으로 출력 전압을 제어하므로 저가의 MCU를 적용할 수 있다.
제안 회로는 주파수 변동 폭을 최소화하기 위해 그림 6에서 나타낸 바와 같이 출력 전압의 최대치를 센싱 받아 제어기로 입력된다^[3]. 제안 회로는 AC/AC 컨버터로서 입력 AC 전압파형을 정류된 AC파형으로 출력해야 한다. 정상상태에서 제어기가 빠를 경우 동작 주파수의 변화가 커지게 되며, 출력 AC 파형이 정류된 정현파 형태로 출력되지 않으므로 뒷단 PFC 컨버터가 PF를 만족시킬 수 없다.
제안 회로는 LLC 공진형 컨버터로서 모든 스위치의 ZVS turn on동작으로 고효율을 달성할 수 있다. 앞선 모드 분석에서 t_dead구간에서 ZVS동작이 수행되며, 스위치의 ZVS 수행하기 위해 자화 인덕터의 저장된 에너지를 사용한다.
따라서 본논문에서는 트랜스포머의 구조를 통해 각 모듈의 부하 평형이 가능하여 추가적인 전류제어가 불필요한 부하평형 듀얼 모듈로 구성된 고효율 SMLT를 제안한다. 제안 회로는 각 모듈에 동일한 게이트 신호를 인가하며, SMLT의 병렬구동으로 증가된 부하에 대응할 수 있다. 또한 어댑터에서 PFC 컨버터를 전자기기 쪽으로 분리하여 어댑터 사이즈 축소가 가능하다.

대상 데이터

8. Conventional 650W adaptor and 850W prototype of proposed circuit.

성능/효과

주요 소자 및 사양은 표 2에 나타내었다. 그림 8(a)는 기존 FC DC/DC 구조로 된 650W 어댑터이며, 그림 8(b)는 650W와 동일한 어댑터 사이즈로 중소용량의 SMLT 두모듈을 적용했으며, PFC를 부하 쪽으로 분리하여 동일한 사이즈에서 출력전력이 30% 증가된 것을 확인할 수있다. 그림 9는 공진 소자의 편차를 고려한 공진 전류의 최댓값의 차이를 PSIM 시뮬레이션을 이용하여 구한 결과이다.
SMLT 두 모듈의 트랜스포머의 구조를 일차 측은 병렬, 이차 측은 직렬로 연결하여 전류 평형을 이루어 별도의 전류제어기가 불필요하고 출력 전압을 전압 제어기만으로 제어하기 때문에 간단한 제어기 구조를 가진다. 공진 인덕터 및 트랜스포머는 7%, 공진 캐패시터의 5%의 편차로 시작품 실험을 진행했으며, 850W급 시작품 테스트 결과를 제시하여 제안 회로의 타당성을 검증했다. 기존 650W 어댑터와 동일한 사이즈에 제안 회로를 적용하여 출력전력이 30% 증가했음을 확인했다.
공진 인덕터 및 트랜스포머는 7%, 공진 캐패시터의 5%의 편차로 시작품 실험을 진행했으며, 850W급 시작품 테스트 결과를 제시하여 제안 회로의 타당성을 검증했다. 기존 650W 어댑터와 동일한 사이즈에 제안 회로를 적용하여 출력전력이 30% 증가했음을 확인했다.
그림 11 은 제안 회로의 부하별 효율 그래프이다. 효율 측정은 Yokogawa社의 WT 1804E와 WT1600을 이용하여 측정 하였으며, 입력전압 90V_rms에서 최대 94.74%, 264V_rms에서 최대 96.89%로 측정되었다.

참고문헌 (7)

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상세보기
J. H. Kim, J. W. Yang, D. H. Jang, J. I. Kang, and S. K. Han, "High efficiency and small size switch mode line transformer (SMLT)," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 24, No. 4, Aug. 2019.
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H. Chen, X. Wu, and S. Shao, "A current-sharing method for interleaved high-frequency LLC converter with partial energy processing," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 67, No. 2, pp. 1498-1507, Feb. 2020.

상세보기
J. W. Yang and S. K. Han, "A Si-FET-based high switching frequency three-level LLC resonant converter," Energies, Vol. 12, No. 16, Aug. 2019.

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