고효율 LLC 공진형 컨버터를 위한 개선된 전압 체배 정류기에 관한 연구 = A Study on an Improved Voltage-Doubler Rectifier for High-Efficiency LLC Resonant Converters

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 LLC 공진형 컨버터의 고전력 밀도(high power density) 응용에 적합한 정류 회로 구조를 구현하기 위해, 전압 체배 정류기(Voltage Doubler Rectifier, VDR) 기반의 새로운 정류 방식 을 제안한다. 일반적으로 LLC 공진형 컨버터는 고주파에서의 높은 효율과 전력 밀도 확보를 위해 널리 사용되며, 특히 1차측 스위치에 서의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)과 2차측 정류 소자에서의 영전류 스위칭(Zero Current Switching, ZCS)이 가능하 다는 점에서 유리하다. 그러나 기존의 VDR 구조는 고전력 밀도 시 스템에서의 실용성을 저해하는 몇 가지 한계를 가진다.
기존 VDR 회로에서는 상측 FET의 소스 전압이 1차측 스위칭 동 작에 따라 크게 변동되며, 이에 따라 안정적인 게이트 구동을 위해 Boot-Strap 회로나 보조 권선 등 별도의 플로팅 전압원 공급 장치 가 필요하다. 이로 인해 회로 구조가 복잡해지고 PCB 설계의 자유도 가 제한되며, 회로의 신뢰성과 효율 또한 저하될 수 있다. 특히 PCB 상의 점퍼 사용은 대량생산 혹은 시스템 집적도 측면에서 불리하게 작용할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 별도의 외부 회로 없 이도 안정적인 구동이 가능하도록 고안된 새로운 VDR 기반 정류 회 로를 설계했다. 제안된 회로는 기존 구조에서 요구되던 플로팅 게이 트 전압원의 필요성을 제거함으로써 게이트 드라이브 회로를 단순화 하고, 전력 손실과 시스템 복잡성을 동시에 줄일 수 있다. 또한, 점퍼 없이 구현 가능한 구조를 통해 제조 편의성과 신뢰성을 동시에 확보 했다.
제안된 구조의 성능 검증을 위해 다양한 부하 조건에서의 동작 특 성을 시뮬레이션하고, 프로토타입을 제작해 실험을 수행했다. 그 결 과, 제안된 회로는 기존 대비 동등 이상의 정류 효율을 확보하면서 도, 회로 구성의 단순성, 게이트 드라이브 안정성, 시스템의 집적도 및 제조 용이성 측면에서 유의미한 개선 효과를 나타냄을 확인했다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• II. 관련 연구 5
• 2.1 LLC 공진형 컨버터 5
• 2.1.1 LLC 공진형 컨버터의 개요 6
• 2.1.2 LLC 공진형 컨버터의 작동 원리 9
• 2.2 전압 체배 정류기 회로 11
• 2.2.1 전압 체배 정류기 회로 개요 12
• 2.2.2 기존 전압 체배기 정류 회로의 문제점 13
• III. 제안하는 전압 체배 정류기 정류 회로 16
• 3.1 LLC 공진형 컨버터의 개요 16
• 3.1.1 회로 구조 16
• 3.1.2 동작 원리 19
• 3.1.3 수학적 모델링 22
• 3.2 평면 변압기를 이용한 PCB 구현의 편의성 25
• 3.3 게이트 드라이브 회로 단순화 기법 29
• IV. 실험적 검증 33
• 4.1 설계 사양 및 부품 목록 33
• 4.2 실험 파형 36
• 4.3 효율 측정 45
• V. 결 론 50