2021LLC 공진형 컨버터를 위한 누설 인덕턴스 조정이 가능한 새로운 고주파 일체형 변압기의 분석 및 설계

    최근 DC/DC 컨버터가 Electric Vehicle (EV) 충전 시스템,  Photovoltaics (PV) 시스템 등과 같이 다양한 분야에 급속히 적용됨에 따라 컨버터의 고효율 및 고밀도화에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 요구 사항들을 만족 시키기 위한 토폴로지 회로가 LLC 공진형 컨버터이다.

    공진 커패시터와 공진 인덕터, 그리고 고주파 변압기로 구성되는 공진 네트워크를 가지는 LLC 공진형 컨버터는 변압기 1, 2차에 위치한 MOSFET과 Diode의 영-전압 스위칭(ZVS) 또는 영-전류 스위칭(ZCS) 달성을 통해 높은 효율의 구현이 가능하다. 또한 공진 네트워크의 공진 인덕터를 고주파 변압기의 1차 측 누설 인덕터로 대체한 그림 1의 일체형 고주파 변압기의 적용을 통해 부피, 무게, EMI, Cost를 줄이고 전력 밀도를 높일 수 있다는 장점을 보인다.

그림 1. Full-bridge LLC Resonant Converter Circuit with Secondary Leakage Inductance.


    그러나 지금까지 제시된 일체형 변압기 구조는 누설 인덕턴스를 조정하기 위해, 장치를 추가하거나 복잡한 변압기 구조를 요구하여 Litz-wire 기반의 변압기에 적용하기 어려운 한계점을 지닌다. 따라서 앞선 한계점을 극복하며 동시에 누설 인덕턴스를 정밀하게 조정할 수 있는 새로운 일체형 변압기의 구조와 이에 대한 설계 기법을 제시한다. 

    그림 2는 제안하는 일체형 고주파 변압기의 구조를 나타낸다. 제안하는 구조는 코어의 중앙 Leg에 1차 측 및 2차 측 권선이 완벽히 분리되어 배치된 외부 영역과 부분적으로 겹쳐진 내부 영역으로 구성되어 있다. 각각의 영역은 보빈의 스페이서를 통해 분리되어 있으며 분리된 구간 사이의 거리와 영역에 포함된 권선의 수에 따라 누설 인덕턴스를 조정한다.

그림 2. Proposed Integrated Transformer Structure.


     그림 3은 제안하는 일체형 고주파 변압기의 누설 인덕턴스를 구현하기 위한 Flowchart이다. 제안하는 Flowchart는 총 7단계로 구성되며 변압기의 효율 및 전력 밀도뿐만 아니라 자속 포화 및 온도 포화 등 신뢰성과 관련된 요소를 고려한다. 또한, 자화 인덕턴스를 구현하기 위한 설계 절차를 포함한다.

그림 3. Design Flowchart for Proposed Integrated Transformer.


    그림 4는 앞선 설계 기법을 통해 제작한 일체형 고주파 변압기를 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 제안한 일체형 고주파 변압기는 보빈을 통해 외부 영역과 내부 영역으로 구성되어 있다. 이때 제작한 변압기의 설계값 대비 인덕턴스의 측정값 오차율은 10% 이내이다.

그림 4. The proposed integrated high-frequency transformer.


    일체형 고주파 변압기의 구조 및 설계 기법의 유효성을 검증하기 위해, 제작한 일체형 고주파 변압기를 적용하여 그림 5와 같이 10kW 97kHz에서 동작하는 LLC 공진형 컨버터 실험 환경을 구축하고 실험을 진행하였다. 

그림 5. Experimental setup for 10kW LLC resonant converter with the proposed integrated transformer.


    그림 6는 공진 주파수에서 동작하며 제안한 일체형 고주파 변압기를 적용한 LLC 공진형 컨버터의 실험 파형이다. 그림 6(a)에서, Full-bridge 구조의 1차 측 스위치 전류는 스위치에 걸린 전압이 방전된 이후 스위치가 on되며 흐른다. 이를 통해 스위치의 ZVS turn-on 동작을 확인할 수 있다. 또한 공진 전류 파형이 사인파 형태에 가까운 일반적인 파형을 보인다. 그림 6(b)의 결과는 2차 측 부하단의 과  파형을 통해 표 4에서 제시한 시스템 파라미터와 동일함을 보여준다. 실험 결과들을 통해, 제안한 일체형 고주파 변압기는 발열 측면을 고려한 설계 기법을 적용하여 설계값에 근사한 인덕턴스를 가지며 LLC 공진형 컨버터에서 정상 동작함을 확인하였다.


 

그림 6. Experimental waveform of LLC resonant converter at resonant frequency. (a) Vgs, Vds and Ir (b) Vo and Io.




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  • 관련 논문         -   https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9634540
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