[논문]고효율 LLC 직렬공진 컨버터

강성인; 윤광호; 김은수; 박준호; 임대호

고효율 LLC 직렬공진 컨버터
A High Efficiency LLC Series Resonant Converter 원문보기

전력전자학회 2007년도 하계학술대회 논문집, 2007 July 02, 2007년, pp.424 - 427

강성인 (전주대학교) , 윤광호 (전주대학교) , 김은수 (전주대학교) , 박준호 (LG 이노텍(주)) , 임대호 (LG 이노텍(주))

Abstract ▼ AI-Helper

The LLC series resonant converter with a LLT (Inductor-Inductor-Transformer) transformer for PDP power supply is presented. LLT transformer used to combine the inductor and transformer into one unit has the increased leakage inductance in the primary and secondary due to the winding method and the use of the gaped core. The increased leakage inductance in the primary and secondary of LLT transformer can be impacted on the DC voltage gain characteristics of LLC series resonant converter. In this paper, DC gain characteristics and the experimental results of the LLC series resonant converter with a LLT transformer are verified on the Math-CAD simulation based on the theoretical analysis and the 600W experimental prototype.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 1, 2차측 누설인덕턴스와 자화인덕턴스비(A, B)를 고려한 일체화된 LLT 변압기 적용 LLC 직렬 공진컨버터에 대해 이론적으로 해석하고 시뮬레이션 하였으며, 580W(서스테인 전원 : 440W, 어드레스 전원 :140W)급 시제품을 제작하여 실험한 결과에 대해 서술하였다.
따라서 본 논문에서는 무 부하에서 부터 정격부하까지 요구된 넓은 입력전압 제어범위(300VDC^～400VDC)와 좁은 스위칭 주파수 제어범위(56kHz^～80kHz)에서 높은 이득특성을 얻기 위해 Q=0.6을 선정하여 설계하였다.
본 논문에서는 580W급 LLC 직렬공진 컨버터 설계 내용을 기술하였다. 표 2는 설계한 자료를 토대로 변압기를 제작하여 추출한 파라미터이다.

제안 방법

그림 2(b)는 그림 2(a)의 등가회로를 나타낸 것으로 AC 해석을 이용하여 스위칭 패턴에 의해 1차측 단자에 인가되는 전압을 구형파로 등가화를 시켰다. 또한 C_s, L_l1 및 L_l2 그리고 L_{표 2는 설계한 자료를 토대로 변압기를 제작하여 추출한 파라미터이다. 1차측 누설인덕턴스(L_l1)와 2차측 누설인덕턴스(N²L_l2) 및 자화인덕턴스(L_m)는 규준화된 수식에 의해서 추출하였다. 실험은 표 2의 변압기를 적용한 LLC 직렬공진 컨버터에 대해 입력전압 300^～400VDC에 대한 출력전압 Vs=175^～200VDC, 440W, Va=50^～65VDC, 140W에 대하여 실험하였다.}
이것으로 이득 범위는 입력전압 260VDC^～400VDC에서 190VDC 출력전압을 제어할 수 있고 스위칭 동작 영역은 50kHz에서 80kHz사이가 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 50kHz이하가 되면 스위칭 소자가 하드 스위칭을 하게 되므로 본 논문에서는 최소 스위칭주파수를 56kHz로 제한을 시켰으며 이때에는 280VDC에서 출력전압 제어가 가능하다.
3333px;">m은 LLT 변압기 적용 LLC 직렬 공진컨버터의 1차측 직렬커패시터와 누설인덕턴스 및 2차측 누설인덕턴스 그리고 자화인덕턴스를 나타낸 것이다. 그리고 그림 3에서 R_ac는 그림 2의 부하저항, 정류 다이오드 그리고 필터를 등가화한 등가부하 저항(R_ac = 8R_L/π²)이고^[3], 회로해석의 용이성을 위해 본 논문에서는 권선비를 1로 놓고 입력 대 출력에 관한 수식으로 전개하였다.
적용된 주 회로는 하프 브릿지(Half-Bridge)와 센터-탭(Center Tap)정류회로로 구성되어 있다. 기존에는 PDP TV의 전원부에 있어서 서스테인 전원부(Vs Block)와 어드레스 전원부(Va Block)를 별도의 전원장치로 적용되어 왔지만 본 논문에서는 그림 2에서 보는 바와 같이 서스테인 전원부(Vs Block) 권선에서 어드레스 전원(Va Block)의 입력을 공급하여 변압기 하나에 서스테인 전원과 어드레스 전원을 일체화 하였다. 또한 어드레스 전원(Va Block)에는 승압형 컨버터(Boost Converter)를 적용하였고 적용될 부하의 특성이 서스테인 전원부(Vs Block)가 중부하일 때 어드레스 전원부(Va Block)는 경부하 동작을 하고 서스테인 전원부(Vs Block)가 경부하일 때, 어드레스 전원부(Va Block)는 중부하 동작을 한다.
따라서 고용량인 서스테인 전원부(Vs Block)의 용량(440W)에 기준을 두고 설계를 하였다. 또한 서스테인 전원부와 어드레스 전원부를 동기화 하여 안정적으로 동작할 수 있도록 하였다.
기존에는 PDP TV의 전원부에 있어서 서스테인 전원부(Vs Block)와 어드레스 전원부(Va Block)를 별도의 전원장치로 적용되어 왔지만 본 논문에서는 그림 2에서 보는 바와 같이 서스테인 전원부(Vs Block) 권선에서 어드레스 전원(Va Block)의 입력을 공급하여 변압기 하나에 서스테인 전원과 어드레스 전원을 일체화 하였다. 또한 어드레스 전원(Va Block)에는 승압형 컨버터(Boost Converter)를 적용하였고 적용될 부하의 특성이 서스테인 전원부(Vs Block)가 중부하일 때 어드레스 전원부(Va Block)는 경부하 동작을 하고 서스테인 전원부(Vs Block)가 경부하일 때, 어드레스 전원부(Va Block)는 중부하 동작을 한다. 따라서 고용량인 서스테인 전원부(Vs Block)의 용량(440W)에 기준을 두고 설계를 하였다.
(a), (b)는 입력전압(V_in) 300VDC에서 출력전압 190V를 제어할 때의 1차측 단자전압(V_ab)과 1차측 전류(I_T1), 그리고 어드레스 전원부(Va Block)의 스위치 양단 전압(V_s)과 전류(I_s)의 파형이다. 서스테인 전원부(Vs Block)의 부하(R_L)를 9600Ω(3.8W)에 고정을 시키고 어드레스 전원부(Va Block)를 중 부하(28Ω)에서 경 부하(1000Ω)로 변화를 시켰다. 그림 8은 어드레스 전원부(Va Block)를 경부하(1000Ω)에 고정을 시키고 서스테인 전원부(Vs Block)를 중 부하(82Ω)에서 경 부하(9600Ω)로 변화를 시켰다.
15로 했을 때의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션을 기본으로 하여 공진점에서 B (N²L_l2 /L_m)비율만큼 상승되는 부분을 턴-수비(N)로 조정하였고, 요구된 입력 전압범위(300VDC^～~400VDDDC)와 다이나믹 과부하상태(850W)에서도 영전압 스위칭 동작을 만족하기 위해 Q를 그림 4에 나타낸 것 처럼 0.6 (Vin=276^～400VDC)을 선택하였다.
1차측 누설인덕턴스(L_l1)와 2차측 누설인덕턴스(N²L_l2) 및 자화인덕턴스(L_m)는 규준화된 수식에 의해서 추출하였다. 실험은 표 2의 변압기를 적용한 LLC 직렬공진 컨버터에 대해 입력전압 300^～400VDC에 대한 출력전압 Vs=175^～200VDC, 440W, Va=50^～65VDC, 140W에 대하여 실험하였다. 그리고 실험에서 적용한 조건과 적용된 스위칭소자 정격에 대해서 표 4에 나타내었다.

대상 데이터

또한 어드레스 전원(Va Block)에는 승압형 컨버터(Boost Converter)를 적용하였고 적용될 부하의 특성이 서스테인 전원부(Vs Block)가 중부하일 때 어드레스 전원부(Va Block)는 경부하 동작을 하고 서스테인 전원부(Vs Block)가 경부하일 때, 어드레스 전원부(Va Block)는 중부하 동작을 한다. 따라서 고용량인 서스테인 전원부(Vs Block)의 용량(440W)에 기준을 두고 설계를 하였다. 또한 서스테인 전원부와 어드레스 전원부를 동기화 하여 안정적으로 동작할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 적용한 공진주파수는 직렬 커패시터(C_s)와 등가누설인덕턴스(Leq:Equivalent leakage inductance)가 공진 할 때의 주파수로 공진주파수는 #이다. 그리고 그림 2의 등가회로로부터 각각의 규준화된 값들을 아래 (1), (2), (3)과 같이 정의하였다.
그림 2는 LLT 변압기 적용 LLC 직렬공진 컨버터의 주 회로도이다. 적용된 주 회로는 하프 브릿지(Half-Bridge)와 센터-탭(Center Tap)정류회로로 구성되어 있다. 기존에는 PDP TV의 전원부에 있어서 서스테인 전원부(Vs Block)와 어드레스 전원부(Va Block)를 별도의 전원장치로 적용되어 왔지만 본 논문에서는 그림 2에서 보는 바와 같이 서스테인 전원부(Vs Block) 권선에서 어드레스 전원(Va Block)의 입력을 공급하여 변압기 하나에 서스테인 전원과 어드레스 전원을 일체화 하였다.

성능/효과

그림 6은 입력전압이 400V일 때의 파형이고 그림 7은 서스테인 전원과 어드레스 전원이 동시에 중부하(580W)로 동작할 때의 파형이다. 실험파형에서 서스테인 전원부와 어드레스 전원부의 스위칭을 동기제어 하면서 안정적인 동작을 하고 있음을 확인할 수 있다.
3까지가 된다. 이것으로 이득 범위는 입력전압 260VDC^～400VDC에서 190VDC 출력전압을 제어할 수 있고 스위칭 동작 영역은 50kHz에서 80kHz사이가 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 50kHz이하가 되면 스위칭 소자가 하드 스위칭을 하게 되므로 본 논문에서는 최소 스위칭주파수를 56kHz로 제한을 시켰으며 이때에는 280VDC에서 출력전압 제어가 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PDP컬러 TV의 경우 대형화 추세에 맞게 어떤 조건을 요구하는가?	최근 평면 디스플레이의 기술이 발전하면서 디스플레이 장치들이 대형화 되어가고 있는 추세에 있다. 특히 PDP(Plasma Display Panel) 컬러 TV의 경우 이러한 대형화 추세에 맞춰 제품의 크기 및 무게저감 그리고 높은 전력밀도와 효율 특성을 요구하고 있다. 이러한 요구조건을 만족하기 위해 많은 ZVS DC/DC 컨버터들이 연구되어 왔고[1], 최근에는 전력밀도 및 효율 특성을 더욱 증가시키기 위해 LLC 직렬 공진컨버터가 적용되고 있는 추세에 있고, 높은 전력밀도와 크기 및 무게 저감을 위해 인덕터와 변압기를 하나의 변압기로 일체화시킨 변압기를 사용하고 있다.
	전력밀도 및 효율 특성을 증가시키기 위해 무엇이 적용되는가?	특히 PDP(Plasma Display Panel) 컬러 TV의 경우 이러한 대형화 추세에 맞춰 제품의 크기 및 무게저감 그리고 높은 전력밀도와 효율 특성을 요구하고 있다. 이러한 요구조건을 만족하기 위해 많은 ZVS DC/DC 컨버터들이 연구되어 왔고[1], 최근에는 전력밀도 및 효율 특성을 더욱 증가시키기 위해 LLC 직렬 공진컨버터가 적용되고 있는 추세에 있고, 높은 전력밀도와 크기 및 무게 저감을 위해 인덕터와 변압기를 하나의 변압기로 일체화시킨 변압기를 사용하고 있다. 그림 1은 본 논문에서 적용된 LLC 공진컨버터의 LLT 변압기 형상으로 1차측 권선과 2차측 권선이 각각 36턴과 29턴에서 공극이 0.
	LLC 공진컨버터의 1,2차 권선 방법들이 회로 해석에 있어 무시할 수 없는 요소로 작용하는 이유는?	이러한 권선 방법들은 1차측의 누설인덕턴스를 증가시키는 것 뿐만 아니라 2차측의 누설인덕턴스를 증가시키기 때문에 회로해석에 있어 무시할 수 없는 요소로 작용하게 된다. 기존 많은 LLC 직렬 공진컨버터에 관한 보고서들은 2차측 누설인덕턴스를 고려하지 않고 1차측 누설인덕턴스와 자화인덕턴스의 비에 대해서 주로 설명되고 있다.

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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