2021향상된 Time Domain Analysis 기법을 이용한 Full-Bridge LLC 공진형 컨버터의 전력 손실 해석

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  LLC 공진형 컨버터는 모든 주파수 범위 내에서 soft switching이 가능하기 때문에 높은 주파수에서 동작 가능하다는 특징이 있다. 따라서 고효율과 고밀도를 달성하는 LLC 공진형 컨버터는 WBG(Wide Band Gap) 소자와 함께 최근 전기자동차, LED 드라이버, 태양광 발전과 같은 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

  LLC 공진형 컨버터의 전력 손실은 공진 네트워크 설계 시 밀접한 관계가 있다. 따라서 L-C 매개 변수와 전력 손실 간의 관계를 기반으로 고효율의 LLC 공진형 컨버터를 설계하기 위해서는 정확한 전력 손실의 분석이 필요하다. 


                                                                                                 (a)                                                                               (b) 

Fig. 1. Circuit of the LLC  resonant converter. (a) Full-Bridge LLC resonant converter topology. (b) Equivalent circuit based on TDA : P subinterval.

 Fig. 1 (a)는 Full-Bridge LLC 공진형 컨버터의 회로를 보여주고 있고, Fig. 1 (b)는 TDA 기반 subinterval에 따른 Full-bridge LLC 공진형 컨버터의 등가 회로이다. P subinterval은 자화 인덕터 양단의 전압이 양의 출력 전압 NVo에 의해 클램핑 되는 경우의 회로이다. 이 회로의 상태방정식을 구하고 이를 통해 LLC 공진형 컨버터를 정확하게 분석 가능하다. 또한 수식적으로 전력 손실 모델링이 가능하다.


                                                                                       (a)                                                                                 (b)

Fig. 2. Resonant inductor current and magnetizing current. (a) Waveforms extracted through the enhanced TDA method. (b) Waveforms extracted through simulation.

 Fig. 2는 한 주기 동안 자화 전류 그리고 공진 인덕터 전류이다. Fig. 2 (a)는 제안한 방법을 사용해서 추출한 전류 파형이며, Fig. 2(b)는 시뮬레이션을 통해 추출한 파형이다. 자화 전류와 공진 인덕터 전류의 초기값은 제안한 방법을 사용할 경우 -17.35A, 시뮬레이션을 통해 추출한 값은 -17A로 2.06%의 오차를 갖는 것을 확인하였다.

                                                                                       (a)                                                                                 (b)

Fig. 3. Resonant capacitor voltage. (a) Waveforms extracted through the enhanced TDA method. (b) Waveforms extracted through simulation.

 Fig. 3는 한 주기 동안 공진 커패시터의 전압이다. Fig. 3 (a)는 제안한 방법을 사용해서 추출한 전류 파형이며, Fig. 3(b)는 시뮬레이션을 통해 추출한 파형이다. 공진 커패시터의 초기값은 제안한 방법을 사용할 경우 -265V, 시뮬레이션을 통해 추출한 값은 -254A로 4.33%의 오차를 갖는 것을 확인하였다.

                                                                                 (a)                                                                                                (b)

Fig. 4. 8.4kW LLC resonant converter experimental. (a) The environment of experimental. (b)Based on FHA, based on improved TDA, extracted from experiment current rms value and average value.

  Fig. 4(a)는 성능 검증을 위한 8.4kW급 LLC 공진형 컨버터 실험 환경이며, Fig. 4(b)는 기존 FHA 방법, 제안하는 향상된 TDA 방법, 그리고 실험을 통해 추출한 전류의 rms와 평균값이다. 제안하는 방법을 사용하여 컨버터 분석 시 기존 방법보다 실험과 더 가까운 값을 얻을 수 있음을 확인하였다.

Fig. 5. Loss breakdown by load calculated based on the proposed loss analysis method.8.4kW LLC resonant converter experimental.

  Fig. 5는 제안하는 방법을 사용하여 부하 별 발생하는 손실을 추출한 그래프이다. 고려한 손실은 다음과 같다. 변압기의 1차측과 2차측에서 발생하는 copper loss, 변압기의 core loss, 인덕터의 copper loss와 core loss, 스위치의 turn off 손실과 내부 저항에 의한 손실 그리고 다이오드의 전압 강하에 의한 손실을 고려하였다.

Fig. 6.Efficiency for each load extracted through the proposed loss analysis method and the experiment.

 Fig. 6은 제안하는 향상된 TDA 기반으로 구한 효율과 실험을 통해 추출한 효율 값을 비교하고 있다. 경부하 구간에서 최대 1.7%의 오차를 가지며 이외의 대부분 부하 구간에서 실험값과 매우 유사하다는 것을 확인할 수 있다 또한 제안한 기법에 대한 유효성을 검증하였다. 이를 통해 제안된 방법을 사용하여 정확한 LLC 공진형 컨버터의 손실을 추출할 수 있고 설계시 필요한 정확한 정보를 얻을 수 있다. 이를 바탕으로 고효율의 LLC 공진형 컨버터를 설계할 수 있다.


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