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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 고효율 및 고전력밀도 OBC를 위한 최적 스위칭 주파수를 설계한다. 이를 위해 각 주파수에 따른 회로 파라미터를 설계하고 설계된 회로의 파라미터를 토대로 변압기를 설계하여 각 조건에 따른 시스템 부피와 손실 양상의 변화를 분석한다.
- 변압기는 기본적으로 큰 부피로 인해 전력밀도에 큰 비중을 차지할 뿐만 아니라 스위칭 주파수가 증가함에 따라 변압기 철손 또한 증가하여 고주파 동작 시 효율에 큰 영향을 주기 때문에 스위칭 주파수에 따른 설계 시 가장 먼저 고려되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 스위칭 주파수에 따른 변압기의 크기와 손실을 고려한 변압기 설계를 진행한다. 먼저 변압기의 크기에 대한 설계식은 식(1)과 같이 나타난다.
- 본 논문에서는 3.3 [kW] on board charger (OBC)의 고전력 밀도 달성을 위한 LLC 공진형 컨버터의 최적 스위칭 주파수 설계를 진행하였다. 스위칭 주파수에 따라 달라지는 손실 양상 및 전력 밀도를 분석하기 위해 각 스위칭 주파수 별 반도체 소자 손실을 계산하고, 각 주파수에 맞는 변압기를 설계하여 주파수 변화에 따른 시스템 손실과 부피를 비교하였고, 비교 결과를 바탕으로 각 조건 별 최적 스위칭 주파수를 설계하였다.
가설 설정
- 코어 부피 변화에 따른 전력 밀도를 계산할 때는 변압기를 제외한 회로의 경우 설계 방식에 따른 차이가 발생할 수는 있으나 기본적으로 주파수 변화에 따른 설계 결과에서 시스템 부피의 변화를 야기할만한 요소가 없기 때문에 해당 시스템 부피가 일정하다고 가정하고 변압기 부피의 변화만을 고려하였다. 이 때 변압기의 부피는 air gap을 고려하여 실제 변압기가 차지하는 공간을 기준으로 계산되었으며 이에 따라 Bpeak = 200 - 300 [mT] 조건에 따른 손실 및 시스템 부피의 양상을 그림 2와 같이 나타내었다.
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