[논문]고밀도 OBC용 LLC 컨버터를 위한 Planar 변압기 설계

손원진; 이재한; 안상준; 변종은; 이병국

문제 정의

따라서 본 논문에서는 고밀도 OBC를 위한 LLC용 planar 변압기를 설계한다. Planar 변압기 설계를 위해 상용 planar 코어를 기준으로 변압기를 설계하고, 설계된 결과를 바탕으로 최적의 패턴 배치와 코어의 크기 및 형상을 제안한다.
본 논문에서는 고전력 밀도를 위한 OBC용 LLC 컨버터의 planar 변압기를 설계하였다. 이를 위해 변압기의 기본 설계부터 최적화를 위한 형상 설계를 진행하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다.

제안 방법

이를 해결하기 위해 UI 코어를 사용하게 될 경우, 4층 PCB 기판을 1장으로 1차 측과 2차 측 winding 모두 구현할 수 있어 PCB 전체 방열이 가능하다. 이를 통해 그림 3의 (c), (d)와 같이 UI 코어를 최적화하여 10:12의 턴 수에 패턴 너비 4 [mm] 기준으로 상용 PEE 5821 코어와 같은 유효 단면적을 갖는 서로 다른 크기의 코어를 2가지 설계하였다.
또한, B_max는 자속 변화량의 최대값을 나타내며, 단위는 [mT]로 표기한다. B_max는 변압기의 철손을 결정하기 때문에 본 논문에서는 B_max가 250 [mT] 조건을 기준으로 만족하는 A_p값 이상을 갖는 코어로 선정하였다.
따라서 본 논문에서는 고밀도 OBC를 위한 LLC용 planar 변압기를 설계한다. Planar 변압기 설계를 위해 상용 planar 코어를 기준으로 변압기를 설계하고, 설계된 결과를 바탕으로 최적의 패턴 배치와 코어의 크기 및 형상을 제안한다. 패턴의 배치, 코어의 크기 및 형상의 타당성을 검증하기 위해 유한 요소 해석 (finite element analysis, FEM)의 JMAG 시뮬레이션을 이용하여 패턴 간 기생 커패시터와 각 파라미터를 추출한다.
이를 위해 변압기의 기본 설계부터 최적화를 위한 형상 설계를 진행하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다. 결과적으로 고밀도에 적합한 OBC용 LLC 컨버터의 planar 변압기를 설계하였다.
패턴 간 발생하는 기생 커패시턴스가 크게 나타날 경우 고주파 스위칭 동작을 하는 LLC컨버터 성능에 악영향을 미칠 수 있다^[2]. 따라서 각 PCB의 패턴 배치 시 기생 커패시턴스의 영향을 최소화하기 위해 층 간 패턴을 교차하여 PCB를 설계하였다.
3 [kW]급 LLC 컨버터의 프로토 타입이며, 설계된 planar 변압기의 실제 사진은 그림 5와 같으며, 각 planar 변압기가 차지하는 면적 및 부피는 표 3과 같다. 성능 검증을 위한 실험은 입력 전압 500 [V], 출력 전압 600 [V]의 3.3 [kW]에서 진행하였다.
3 [kW]급 OBC용 DC-DC 컨버터의 LLC 컨버터이다. 시스템에 사용되는 파라미터는 표 1과 같으며, LLC 컨버터 고효율 동작을 위해 입력 DC-link를 가변하여 주파수 변동 범위를 최소화하도록 변압기를 설계하였다. 변압기 설계 조건은 입력 DC-link 전압이 500 [V]일 때, 출력 전압 600 [V]를 기준으로 설계되었다.
본 논문에서는 고전력 밀도를 위한 OBC용 LLC 컨버터의 planar 변압기를 설계하였다. 이를 위해 변압기의 기본 설계부터 최적화를 위한 형상 설계를 진행하였으며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다. 결과적으로 고밀도에 적합한 OBC용 LLC 컨버터의 planar 변압기를 설계하였다.
77 [μH]이다. 일반적인 LLC 컨버터의 경우 공진 인덕터를 변압기 자체의 누설 인덕턴스로 사용할 수 있지만, planar 변압기의 경우 낮은 누설 인덕턴스를 갖기 때문에 본 논문에서는 공진 인덕터를 추가하여 필요한 누설 인덕턴스를 충족시켰다.
코일의 경우 PCB 패턴으로 구현되는데, 패턴의 두께와 너비에 따라 코일에 흐르는 전류 밀도가 결정된다. 전류 밀도를 결정하기 위해 본 논문에서는 최소 PCB 패턴 두께는 3 [oz]를 기준으로 설계하였다. 변압기의 1차 측과 2차 측에 흐르는 최대 전류의 크기가 각각 13 [A_rms]와 6 [A_rms]이며, 이를 바탕으로 패턴의 너비를 선정하게 된다.
Planar 변압기 설계를 위해 상용 planar 코어를 기준으로 변압기를 설계하고, 설계된 결과를 바탕으로 최적의 패턴 배치와 코어의 크기 및 형상을 제안한다. 패턴의 배치, 코어의 크기 및 형상의 타당성을 검증하기 위해 유한 요소 해석 (finite element analysis, FEM)의 JMAG 시뮬레이션을 이용하여 패턴 간 기생 커패시터와 각 파라미터를 추출한다. 그리고 이를 3.

대상 데이터

패턴의 배치, 코어의 크기 및 형상의 타당성을 검증하기 위해 유한 요소 해석 (finite element analysis, FEM)의 JMAG 시뮬레이션을 이용하여 패턴 간 기생 커패시터와 각 파라미터를 추출한다. 그리고 이를 3.3 [kW]급 LLC 컨버터 prototype에 적용하여 고밀도에 적합한 최적의 planar 변압기를 선정한다.
mils/A]이다. 본 논문에서는 500으로 선정하였다. 또한, B_max는 자속 변화량의 최대값을 나타내며, 단위는 [mT]로 표기한다.
본 논문에서는 A_p 조건을 만족하며 낮은 코어 손실을 갖는 Hitachi metal 社의 planar 변압기용 코어인 ML27D 재질의 PEE 5821 코어를 사용하여 변압기를 설계하였다. 코어 크기 및 PCB의 한 층에 최대 3 턴을 넣는다고 고려하였을 때, 최대 패턴의 너비는 5 [mm]까지 설계가 가능하다.

성능/효과

측정 결과 코어의 형상과 관계없이 코일의 안쪽에서 가장 높은 열이발생하였으며, 상용 PEE 5821 코어를 사용한 planar 변압기가 118℃로 가장 높았으며, 다른 타입의 코어를 사용한 planar 변압기의 경우 50~65℃의 비교적 낮은 발열이 발생하는 것을 확인하였다. 결과적으로 표 3과 그림 6과 7을 비교하였을 때, 효율과 부피적인 측면을 고려한 최적의 planar 변압기는 유효 단면적을 개선한 PEE 코어를 사용한 변압기인 것을 확인하였다.
그림 6은 각 planar 변압기 종류별 실험 결과 파형 및 효율을 나타낸다. 변압기의 종류에 따른 파형은 큰 차이 없이 정상 동작하는 것을 확인할 수 있으며, 효율은 상용 PEE 5821 코어가 97.61%로 가장 높게 나타난 것을 확인하였다. 그림 7은 공냉 조건에서 planar 변압기에서 발생한 열을 나타낸다.
그림 7은 공냉 조건에서 planar 변압기에서 발생한 열을 나타낸다. 측정 결과 코어의 형상과 관계없이 코일의 안쪽에서 가장 높은 열이발생하였으며, 상용 PEE 5821 코어를 사용한 planar 변압기가 118℃로 가장 높았으며, 다른 타입의 코어를 사용한 planar 변압기의 경우 50~65℃의 비교적 낮은 발열이 발생하는 것을 확인하였다. 결과적으로 표 3과 그림 6과 7을 비교하였을 때, 효율과 부피적인 측면을 고려한 최적의 planar 변압기는 유효 단면적을 개선한 PEE 코어를 사용한 변압기인 것을 확인하였다.

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