2022LLC 공진형 컨버터 설계 정확도를 높이기 위한 Time Domain Analysis 기반의 분석 방법

    현대 전력전자 산업에서는 전력반도체 스위치를 사용한 DC-DC 컨버터의 고밀도화가 요구된다. 이러한 컨버터의 고밀도화는 스위칭 주파수 증가를 통해 수동 소자 크기의 감소시킴으로써 달성할 수 있다. 그러나 스위칭 주파수를 증가함에 따라 스위칭 손실도 함께 증가하는 문제점을 가진다.

    전 부하 영역에서 소프트 스위칭이 달성되는 그림 1의 LLC 공진형 하프 브리지 컨버터는 스위칭 주파수의 증가시킴에도 손실 증가가 최소화될 수 있는 장점을 가진다. 이러한 장점으로 최근 전기 자동차, LED 드라이버 등과 같이 고효율과 고밀도를 요구되는 응용 분야에 널리 사용되고 있다.

그림 1. Half-Bridge LLC resonant converter topology.


    이러한 LLC 공진형 컨버터의 장점을 극대화하기 위해서는 설계 정확도를 향상시키는 것이 중요하며, 이를 위해 LLC 공진형 컨버터의 정확한 동작 및 손실 분석이 선행되어야 한다. 이에 지금까지 LLC 공진형 컨버터의 정확한 동작 및 손실 분석을 위한 다양한 분석 기법이 연구되어 왔다.

    Time-Domain Analysis 기법은 그림 2와 같이 서로 다른 세 가지 형태의 등가 회로에 따라 상태 방정식을 도출하고 이러한 방정식에 기초하여 회로 전압 및 전류를 정확도 높게 추정할 수 있다.


              (a)                                                                       (b)                                                                 (c)

그림 2. LLC resonant converter equivalent circuit. (a) P subinterval. (b) N subinterval. (c) O subinterval.


    LLC 공진형 컨버터의 동작 모드는 앞서 정의한 세 가지 구간의 서로 상이한 조합에 의해 형성된다. 예를 들어, LLC 공진형 컨버터 동작 반주기동안 P 구간으로 시작되고 O 구간으로 끝나게 되면 PO 동작 모드로 정의하며, 그림 3은 LLC 공진형 컨버터 PO 동작 모드에서의 전류 및 전압 파형을 나타낸다.


그림 3. LLC resonant converter PO operation mode waveforms.


    LLC 공진형 컨버터는 PO, PON, PN, P, O, NP, NOP, OP, OPO의 9가지 주요 모드로 동작할 수 있다. 또한 9가지 주요 모드 외에도 가능한 P, N, O 구간을 이용한 다른 조합들도 존재한다. 그러나 주요 모드 외에 동작 모드는 주요 모드 간의 특수한 경계 조건, 또는 LLC 공진형 컨버터의 장점을 잃는 ZCS (Zero Current Switching) 영역에서만 존재하므로 고려하지 않는다.

    그림 4는 동작 모드의 경계 조건에 따라 나눈 동작 모드들의 분포를 나타낸다. LLC 공진형 컨버터의 주요 동작 모드들은 스위칭 주파수와 부하의 크기에 따라 다양하게 존재하므로 설계 단계에서 이에 대한 특성을 반영한다면, LLC 공진형 컨버터의 설계 퍼포먼스를 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.


그림 4. LLC resonant converter mode distribution by load power and frequency


    그림 5는 분석 기법에 따라 LLC 공진형 컨버터 전압 이득을 추정값과 500W급 LLC 공진형 컨버터 프로토타입 실험을 통해 얻은 전압 이득 값을 비교한 결과를 나타낸다. Time-Domain Analysis 기법은 실제 LLC 공진형 컨버터 실험 결과와 비교하여 전체 스위칭 주파수 영역에서 높은 정확도로 전압 이득을 추정하였다.



그림 5. Comparison of LLC gain curves between different analysis methods.


    Time-Domain Analysis 기법은 LLC 공진형 컨버터의 설계 정확도를 향상시킴으로써 공진 파라미터 설계 단계에서의 시행착오를 줄일 수 있다. 또한 이러한 장점을 활용한 Time-Domain Analysis 기반의 LLC 공진형 컨버터 설계 방법은 고효율 및 고밀도 달성을 위한 여러 가지 이점을 줄 수 있다.


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