자기적 공유를 이용한 ISOP LLC 컨버터의 전력 불균형 해결 방법

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 대용량 정류기에 적합한 새로운 방식의 ISOP LLC 공진형 DC-DC 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 입력은ㅊ직렬 출력은 병렬(ISOP : Input serial output parallel)로 구성되고 커플링 된 션트인덕터와 다 입력 변압기를 사용하는 새로운 방법에 관한 것으로써 직렬로 연결된 2개의 컨버터가 서로 자기적 결합을 공유하는 방법으로 전력 불평형을 최소화하여 효율을 향상 시키는 동시에 부피를 최소화하는 새로운 방법의 토폴로지에 대해 제안한다.
통신용 전원은 일반적으로 AC/DC 컨버터와 DC/DC 컨버터 2-Stage로 구성된다. 전원을 3상 입력으로 하는 AC-DC 컨버터는 Boost 방식의 역률개선회로가 구성되어 700Vdc이상의 고압의 출력이 생성되며, 그 출력전압을 입력으로 하는 DC-DC 컨버터는 전력 변환 시 1차와 2차간에 높은 전압 변환 비율로 인한 변압기 손실이 발생하게 된다. 또한 고압용 스위칭 소자들의 특성이 일반적으로 좋지 않아 스위칭 손실이 증가하게 되며, 소자의 주파수 특성에 따른 인덕터와 커패시터의 용량 증대는 부피를 증가시켜 원가 상승의 원인이 되기도 한다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 DC-DC 컨버터의 입력은 직렬, 출력은 병렬(ISOP : Input serial output parallel)로 구성하여 사용한다. 입력을 직렬로 사용함으로써 컨버터의 입력 전압이 1/2 Vdc로 되어 저압의 고속 스위칭 소자를 사용할 수 있어 인덕터와 커패시터의 용량을 감소시킬 수 있다. 하지만, 입력 전압을 분압하여 구성된 DC/DC 컨버터는 파워부의 능동소자와 수동소자의 편차로 인해 각 DC/DC 컨버터의 전력 불평형 문제를 발생시켜 특정 소자의 스트레스 및 발열을 증가시킨다. 이러한 전력 불평형은 소자의 전력 마진 확보 설계 및 발열로 인한 부피 증가와 효율 감소로 인한 DC/DC 컨버터의 신뢰성을 저감시킨다.
본 논문에서는 이러한 ISOP LLC 공진형 컨버터의 전력 불평형 문제를 해결하기 위해 커플링 된 션트인덕터와 다 입력 변압기를 사용하여 자기적 결합을 공유하는 새로운 토폴로지(Topology)를 제안하고 프로토타입(Prototype)의 전원장치를 제작하여 실험을 통해 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• 1장. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 연구 목적 및 방법 6
• 1.4 연구 논문의 구성 8
• 2장. 통신용 직류 전원 장치 10
• 2.1 통신용 전원 시스템의 구성 10
• 2.2 통신용 직류 전원장치의 구성 12
• 2.3 역률보상회로(PFC) 14
• 2.4 절연형 DC/DC 컨버터 17
• 2.4.1 절연형 DC/DC 토폴로지 17
• 2.4.2 Rectifier 토폴로지 20
• 2.5 LLC 공진형 컨버터 23
• 2.5.1 영전압과 영전류 스위칭 23
• 2.5.2 일반적인 공진 토폴로지의 세 가지 형태 26
• 2.6 LLC 공진형 컨버터 46
• 2.7 LLC 공진형 컨버터의 상세한 동작 51
• 2.8 ISOP DC/DC 컨버터 회로 64
• 3장. ISOP 컨버터의 전력 불평형 발생원인 분석 66
• 3.1 Auto balancing LLC 공진형 컨버터 66
• 3.2 ISOP 컨버터의 전력 불평형 발생 원인 68
• 3.3. 자기적 공유를 이용한 전력 불평형 해결 방법 80
• 4장. 제안된 ISOP LLC 공진형 컨버터의 설계 87
• 4.1 제안된 SOP LLC 컨버터 동작 원리 87
• 4.1.1 제안된 ISOP LLC 공진형 컨버터의 회로 구성 87
• 4.1.2 LLC 공진형 컨버터 회로의 주파수 특성 및 모드별 동작 88
• 4.2 LLC 공진형 컨버터 소자 설계 95
• 4.3 커플링 된 션트인덕터와 다 입력 변압기의 권선 방법 103
• 4.3.1 다 입력 변압기의 권선 방법 103
• 4.3.2 커플링 된 션트인덕터 설계 및 권선 방법 105
• 5장. 제안된 ISOP LLC 컨버터의 검증 및 실험 108
• 5.1 자기적 공유를 이용한 ISOP LLC 컨버터의 모의 해석 108
• 5.1.1 Auto balancing LLC 컨버터 회로 모의 해석 109
• 5.1.2 제안하는 ISOP LLC 컨버터 회로 모의 해석 115
• 5.2 제안된 ISOP LLC 컨버터의 실험 및 검증 120
• 5.2.1 프로토타입의 구성 120
• 5.2.2 제안된 ISOP LLC 컨버터의 실험 및 검증 122
• 5.2.3 위상 천이 풀 브리지 컨버터와 비교 127
• 6장. 결론 131
• 참고 문헌 134
• Abstract 141

참고문헌 (Reference)

1. “동기정류회로에 의한 저전압 파워 서프라이”, 지호균, 김희준, The journal of korea institute of electronics engineers, v.20 no.9 = no.112, 년, pp.16-25, , 1993

2. “전력변환회로에 사용되는 MOSFET의 새로운 변화” blog, 페어차일드 코리아반도체(주), daum.net/fairchild/71, , 2011