2024비대칭형 CLLC 양방향 컨버터의 정확한 분석을 위한 TDA 기반 분석 기법

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 그림 1. CLLC resonant converter topology.

 

  CLLC 양방향 공진형 컨버터는 양방향 전력 전송이 가능하며, 소프트 스위칭 및 고주파수 동작을 통해 고효율,고밀도를 만족하는 장점을 가진다. 이에 대한 회로도는 그림 1에 나타나있다. 이와 같은 장점을 갖고 성능을 향상시키기 위해서는 정확한 설계가 필요하다. 이는 정확한 설계는 회로 분석이 선행되어야 가능하며, 정확한 분석을 위한 다양한 기법에 대한 연구가 진행되고 있다.



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(a)

(b)

그림 2. CLLC resonant converter analysis method

(a) FHA method (b) Symmetric TDA.











  


이를 분석하기 위해 기존에 선행되었던 분석 기법에 사용된 회로들을 그림 2에 나타낸다. 그림 2의 (a)는 FHA 기법으로 기본파에 대한 성분만을 고려하여 해석하는 기법이다. 이는 근사화를 수식을 간단하게 표현하여 전압 및 전류를 도출한다. 하지만 이는 제3차, 5차등 다양한 고조파를 반영하지 못하여 다양한 조건에서 정확도가 떨어진다. 그림 2의 (b)는 1,2차측의 공진 주파수가 동일할 때 TDA 기법을 적용하는 것으로 전압과 전류를 시간 기반 방정식으로 표현하여 (a) 기법의 한계점인 정확도 측면에서 향상시켰다. 하지만 1,2차측의 공진 주파수가 상이한 비대칭형 구조에서는 이와 같은 기법 적용시 정확도가 떨어지는 문제점이 발생한다.

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(a)
(b)


그림 3. CLLC resonant converter Operation states
(a) P State (b) N State.


   1,2차측위 공진 주파수를 각각 고려하기 위해 그림 3과 같이 1,2차측을 등가화하지 않고 각각의 공진 주파수를 반영하여 분석을 진행하는 기법이다. 제안한 기법은 1,2차측의 위상차로 인해 생기는 공진 네트워크의 전압과 전류의 오차를 줄여 정확도를 높인다. 그림 3의 (a)는 P 동작 상태의 회로를 나타내며 2차측 전압이 양의 극성을 가질 때이며, (b)는 N 동작 상태로 2차측 전압이 음의 극성인 경우를 나타낸다.

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(a)

(b)

그림 4. CLLC Converter Current waveforms Comparsion

(a) TDA method (b) Circuit Simulation

 


  그림 4는 제안한 기법의 유효성을 검증하기 위해 CLLC 공진형 컨버터의 주파수를 가변함에 따라 공진 네트워크의 전류에 대한 파형을 나타낸다. 그림 4의 (a)는 제안한 TDA 기법을 통한 전류 파형이며 (b)는 회로 시뮬레이션 기반의 회로이다. 이를 통해 비대칭형 구조에 제안한 기법은 정확도 높게 전류를 추정하며 시간에 따라 변화하는 전류를 모사할 수 있다.

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(a)

(b)

그림 5. CLLC Converter Current waveforms Comparsion

(a) fs<fr  (b) fs>fr




그림 5는 제안한 기법을 주파수 가변하였을 때의 출력 전압에 대한 비교를 나타낸다. 그림 5의 (a)는 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 작은 조건에서의 비교이며, (b)는 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 높은 조건에서의 비교이다. 해당 기법의 최대 오차는 3%이내로 높은 정확도를 갖는것을 확인하였다.



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