정류부 직병렬 구조를 이용하여 넓은 출력 전압 범위를 갖는 하프-브릿지 LLC 공진형 컨버터 = Half-bridge LLC Resonant Converter Employing a Sereis-Parallel Reconfigurable Secondary Rectifier for Wide Output Voltage

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

LLC converters for electric vehicle charging are required to support a wide output voltage range. Conventional approaches achieve a wide output voltage range by reconfiguring the output capacitors of two LLC converters in series or parallel. However, these methods inevitably require a large number of components, including two resonant tanks, semiconductor devices for two LLC converters, and three relays for series/parallel reconfiguration. To minimize the component counts, this paper presents an LLC resonant converter that achieves a wide output voltage using only a single LLC converter with one bidirectional switch. The proposed converter employs a single resonant tank and a three-winding transformer consisting of one primary winding and two secondary windings. The two secondary windings are reconfigured in series or parallel by a bidirectional switch, achieving a wide output voltage range. The impact of leakage inductance difference in a tree-winding transformer on load current unbalance was quantitatively analyzed, and a transformer winding arrangement is proposed to minimize the current unbalance in parallel mode.
The proposed converter is validated with a prototype with 800V input and 150–1000 V, 11A, and 3.3kW rated output.

국문 초록 (Abstract)

전기차 충전용 LLC 공진형 컨버터는 범용성을 위해 넓은 출력 전압 범위 를 지원해야 한다. 기존 방식은 두 개의 LLC 컨버터를 직렬 또는 병렬로 재 구성하여 넓은 출력 전압을 구현하며, 이를 위해 두 개의 공진 탱크, 두 인 버터의 반도체 스위치, 그리고 직/병렬 재구성을 위한 세 개의 릴레이가 필 요하다. 해당 방식은 구성 부품이 증가하고 회로 복잡도가 높아지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 하프 브릿지 LLC 공 진형 컨버터에 정류부를 직/병렬 연결하는 구조를 사용하여 넓은 출력 전압 범위를 지원하는 구조를 제안한다. 제안 컨버터는 단일 공진 탱크와 1차측 권선과 두 개의 2차측 권선으로 구성된 3권선 변압기를 사용하며, 두 개의 2차측 권선을 양방향 스위치를 통해 직렬 또는 병렬로 재구성함으로써 넓은 출력 전압 범위를 달성한다. 또한 본 논문에서는 3권선 변압기에서 발생하 는 누설 인덕턴스의 차이가 병렬 모드에서 부하 전류 불균형에 미치는 영향 을 정량적으로 분석하였으며, 이를 최소화하기 위한 변압기 권선 배치 방식 을 제안한다. 제안 컨버터의 타당성은 800 V 입력, 150–1000 V 전압 범위, 11 A 최대 전류, 3.3 kW 최대 출력을 갖는 프로토타입을 통해 검증되었다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• 표목차 iii
• 그림목차 iv
• 국문초록 vi
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 논문의 구성 5
• 제2장 넓은 출력 전압 범위를 위한 제안 LLC 컨버터 6
• 제1절 제안 컨버터의 구조 6
• 제2절 2차측 전류 균형을 위한 3권선 변압기 7
• 제3장 제안 컨버터 동작 8
• 제1절 제안 컨버터의 동작 분석 8
• 제2절 400 V급 배터리 충전 모드 (양방향 스위치 오프) 9
• 제3절 800 V급 배터리 충전 모드 (양방향 스위치 온) 12
• 제4장 프로토타입 컨버터 설계 고려사항 15
• 제1절 출력 전압 범위 기반 공진점 및 권선비 선정 15
• 제2절 400 V급 및 800 V급 배터리 충전모드의 스위칭 주파수 범위 17
• 제3절 제안 3권선 변압기 설계 19
• 제5장 실험 결과 27
• 제1절 실험 구성 27
• 제2절 실험 파형 29
• 제3절 변압기 공차 문제 33
• 제4절 제안 컨버터의 효율 및 기존 방식과의 비교 36
• 제6장 결론 38
• 참고문헌 39
• ABSTRACT 42