최근 전력전자는 신재생 에너지, 전기자동차, 항공 우주 산업등 다양한 분야에 적용되고 있으며 이에 따라 높은 효율,전력밀도, 그리고 높은 신뢰성을 갖는 전력변환장치에 대한 수요가 증가하고 있다. LLC 공진형 컨버터는 널리 사용되는 DC-DC 전력변환장치 중 하나로, 소프트 스위칭과 고주파 스위칭을 통해 앞서 설명한 현대 전력전자의 요구사항을 충족할 수 있는 핵심 전력변환장치이다.
그림1. Design of LLC Resonant Converter.
이러한 LLC 공진형 컨버터는 우수한 장점이 있음에도 불구하고, 그림1과 같이 스위치, 자성체, 커패시터 및 기타 여러 부품과 같은 다양한 설계 변수뿐 아니라 설계 변수간의 제약조건, 복잡성 및 상관 관계도 함께 고려해야 하므로 이를 모두 고려하여 컨버터를 잘 설계하는 것은 어렵다. 따라서, 변수의 다양성, 의존성 및 복잡성 등의 어려움을 극복하여 LLC 공진형 컨버터를 설계 하는 것이 중요하며 이때 각 설계 변수 및 제한조건, 달성하고자 하는 목표를 효과적으로 고려할 수 있는 최적 설계를 수행하며 이를 통해 전력 변환 장치의 고효율, 고밀도 및 고성능을 달성할 수 있다.
그림2. Proposed multi objective optimal design method.
그림 2는 제안하는 LLC 공진형 컨버터의 종합 다목적 최적설계 구조를 나타낸 그림으로 첫번째 단계는 다목적 최적설계 문제를 정식화를 수행하며, 두번째 단계는 복합해석모델을 이용하여 통합형 구조 기반 최적설계를 수행한다. 이후 세번째 단계에서 최적설계점을 찾기 위한 다목적 유전 알고리즘과 같은 다목적 최적화 알고리즘을 적용하여 최적해를 도출하는 단계이다. 구체적으로 첫번째 단계에서는 용량, 입력 전압, 출력 전압과 같은 동작 조건을 고려한 다목적 최적 설계 문제를 파악하고 효율 최대화 및 부피 최소화 같은 목적함수를 선정한다.
그림3. Integrated structure based optimal design with hybrid analysis model
다음 단계에서는 그림 3과 같이 통합형 최적설계 구조 내의 상호 연계변수를 이용하여 LLC 공진형 컨버터 모든 설계 변수 정리하는 단계로 각 상호 변수의 관계성을 파악하기 위해서는 복합해석모델이 활용된다. 구체적으로 AI 기반 해석모델을 통해 자성체 설계변수 및 상호 연계 변수의 관계성을 파악하고 이들의 관계를 정리한다. 마찬가지로 개선된 수식 기반 해석모델을 통해 상호 연계 변수와 공진 네트워크 및 컨버터 설계변수의 관계성을 파악하고 정리하여 통합형 구조를 통해 본 연구에서 제안하는 통합형 다목적 최적설계를 수행할 수 있다.
(a) (b)
그림4. The comparison of efficiency according to various parameters of LLC resonant converter (a) resonant frequency (b) resonant Inductance
그림 4는 LLC 공진형 컨버터의 다양한 설계변수를 직접 변경함에 따라 제안된 기법에서 도출된 최적설계점이 실제 최적의 설계 점인지를 확인하는 과정이다. 그림 4 (a)는 공진주파수의 크기를 변경함에 따라, 그림 4 (b)는 공진 인덕턴스 크기를 변경함에 따라 측정한 결과 도출된 최적설계점에서 최고 실측 효율 값을 나타냄을 확인하였다. 이 뿐만 아니라 턴 수비, 자화 인덕턴스 크기, 자성체 코어의 종류 등 다양한 설계 변수를 변경함에 따라 제안하는 기법을 통해 도출된 최적설계점의 최적성을 검증하였다.
(a) (b)
그림5. Performance comparison of efficiency and volume (a) conventional method (b) proposed method
그림 5는 기존 기법인 순차적 구조의 최적 설계와 본 연구에서 제안하는 통합형 구조의 최적설계의 성능을 비교하기 위해 실제 기법 별 도출된 최적설계점을 토대로 시작품 제작 및 실측 값을 비교한 그림이다. 그림 5 (a)는 기존 기법 기반 도출된 최적설계점의 파레토 집합이며 그림 5 (b)는 제안하는 기법 기반 도출된 최적설계점의 파레토 집합이다. 제안된 기법을 통해 도출된 최적설계점에서의 시작품의 효율 실측 값은 96.5[%]로 기존 기법을 통해 도출된 최적 설계점에서의 시작품 효율 실측 값인 95.4[%]보다 1.1% 정도 높았으며 이를 통해 기존 기법 대비 제안한 기법을 통해 효율을 1~1.5%정도 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 부피의 경우 제안하는 기법의 경우 620.3[cm3]로 측정되었으며 기존 기법은 681.7[cm3]로 측정되었습니다. 이를 통해 전력밀도의 경우도 10% 정도 향상시킬 수 있는 최적설계를 진행할 수 있었다. 결론적으로 제안하는 최적설계 기법을 통해 기존 기법대비 고효율 고밀도를 달성할 수 있는 설계점을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
그림6. The comparison of computation time between conventional method and proposed method based on number of design set
그림 6은 설계 가짓수가 증가함에 따라 제안하는 기법 및 기존 기법의 연산시간을 비교하는 그림으로 가짓수가 늘어남에 따라 기법 간의 연산 시간차이가 점차적으로 증가함을 알 수 있으며 10,000(개)를 기준으로 기존 기법은 26,000분이 소요되는 반면 제안하는 기법은 대략 절반 정도인 14,000분이 소요됨을 알 수 있다. 결론적으로 제안하는 기법은 연산시간 측면에서도 기존 기법 대비 효과적으로 다목적 최적설계를 수행함을 확인하였다.
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최근 전력전자는 신재생 에너지, 전기자동차, 항공 우주 산업등 다양한 분야에 적용되고 있으며 이에 따라 높은 효율,전력밀도, 그리고 높은 신뢰성을 갖는 전력변환장치에 대한 수요가 증가하고 있다. LLC 공진형 컨버터는 널리 사용되는 DC-DC 전력변환장치 중 하나로, 소프트 스위칭과 고주파 스위칭을 통해 앞서 설명한 현대 전력전자의 요구사항을 충족할 수 있는 핵심 전력변환장치이다.
그림1. Design of LLC Resonant Converter.
이러한 LLC 공진형 컨버터는 우수한 장점이 있음에도 불구하고, 그림1과 같이 스위치, 자성체, 커패시터 및 기타 여러 부품과 같은 다양한 설계 변수뿐 아니라 설계 변수간의 제약조건, 복잡성 및 상관 관계도 함께 고려해야 하므로 이를 모두 고려하여 컨버터를 잘 설계하는 것은 어렵다. 따라서, 변수의 다양성, 의존성 및 복잡성 등의 어려움을 극복하여 LLC 공진형 컨버터를 설계 하는 것이 중요하며 이때 각 설계 변수 및 제한조건, 달성하고자 하는 목표를 효과적으로 고려할 수 있는 최적 설계를 수행하며 이를 통해 전력 변환 장치의 고효율, 고밀도 및 고성능을 달성할 수 있다.
그림2. Proposed multi objective optimal design method.
그림 2는 제안하는 LLC 공진형 컨버터의 종합 다목적 최적설계 구조를 나타낸 그림으로 첫번째 단계는 다목적 최적설계 문제를 정식화를 수행하며, 두번째 단계는 복합해석모델을 이용하여 통합형 구조 기반 최적설계를 수행한다. 이후 세번째 단계에서 최적설계점을 찾기 위한 다목적 유전 알고리즘과 같은 다목적 최적화 알고리즘을 적용하여 최적해를 도출하는 단계이다. 구체적으로 첫번째 단계에서는 용량, 입력 전압, 출력 전압과 같은 동작 조건을 고려한 다목적 최적 설계 문제를 파악하고 효율 최대화 및 부피 최소화 같은 목적함수를 선정한다.
그림3. Integrated structure based optimal design with hybrid analysis model
다음 단계에서는 그림 3과 같이 통합형 최적설계 구조 내의 상호 연계변수를 이용하여 LLC 공진형 컨버터 모든 설계 변수 정리하는 단계로 각 상호 변수의 관계성을 파악하기 위해서는 복합해석모델이 활용된다. 구체적으로 AI 기반 해석모델을 통해 자성체 설계변수 및 상호 연계 변수의 관계성을 파악하고 이들의 관계를 정리한다. 마찬가지로 개선된 수식 기반 해석모델을 통해 상호 연계 변수와 공진 네트워크 및 컨버터 설계변수의 관계성을 파악하고 정리하여 통합형 구조를 통해 본 연구에서 제안하는 통합형 다목적 최적설계를 수행할 수 있다.
(a) (b)
그림4. The comparison of efficiency according to various parameters of LLC resonant converter (a) resonant frequency (b) resonant Inductance
그림 4는 LLC 공진형 컨버터의 다양한 설계변수를 직접 변경함에 따라 제안된 기법에서 도출된 최적설계점이 실제 최적의 설계 점인지를 확인하는 과정이다. 그림 4 (a)는 공진주파수의 크기를 변경함에 따라, 그림 4 (b)는 공진 인덕턴스 크기를 변경함에 따라 측정한 결과 도출된 최적설계점에서 최고 실측 효율 값을 나타냄을 확인하였다. 이 뿐만 아니라 턴 수비, 자화 인덕턴스 크기, 자성체 코어의 종류 등 다양한 설계 변수를 변경함에 따라 제안하는 기법을 통해 도출된 최적설계점의 최적성을 검증하였다.
그림5. Performance comparison of efficiency and volume (a) conventional method (b) proposed method
그림 5는 기존 기법인 순차적 구조의 최적 설계와 본 연구에서 제안하는 통합형 구조의 최적설계의 성능을 비교하기 위해 실제 기법 별 도출된 최적설계점을 토대로 시작품 제작 및 실측 값을 비교한 그림이다. 그림 5 (a)는 기존 기법 기반 도출된 최적설계점의 파레토 집합이며 그림 5 (b)는 제안하는 기법 기반 도출된 최적설계점의 파레토 집합이다. 제안된 기법을 통해 도출된 최적설계점에서의 시작품의 효율 실측 값은 96.5[%]로 기존 기법을 통해 도출된 최적 설계점에서의 시작품 효율 실측 값인 95.4[%]보다 1.1% 정도 높았으며 이를 통해 기존 기법 대비 제안한 기법을 통해 효율을 1~1.5%정도 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 부피의 경우 제안하는 기법의 경우 620.3[cm3]로 측정되었으며 기존 기법은 681.7[cm3]로 측정되었습니다. 이를 통해 전력밀도의 경우도 10% 정도 향상시킬 수 있는 최적설계를 진행할 수 있었다. 결론적으로 제안하는 최적설계 기법을 통해 기존 기법대비 고효율 고밀도를 달성할 수 있는 설계점을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
그림6. The comparison of computation time between conventional method and proposed method based on number of design set
그림 6은 설계 가짓수가 증가함에 따라 제안하는 기법 및 기존 기법의 연산시간을 비교하는 그림으로 가짓수가 늘어남에 따라 기법 간의 연산 시간차이가 점차적으로 증가함을 알 수 있으며 10,000(개)를 기준으로 기존 기법은 26,000분이 소요되는 반면 제안하는 기법은 대략 절반 정도인 14,000분이 소요됨을 알 수 있다. 결론적으로 제안하는 기법은 연산시간 측면에서도 기존 기법 대비 효과적으로 다목적 최적설계를 수행함을 확인하였다.
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