Design characteristics of an asymmetric resonant frequency CLLC converter for bidirectional sigle-/three-phase OBC

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis proposes an asymmetric resonant frequency design for an 11kW CLLC resonant converter used in bidirectional single-/three-phase on-board charger (OBC) systems and demonstrates its effectiveness. While conventional CLLC resonant converters use symmetric resonant frequencies for the primary and secondary sides, this approach results in excessively high operating frequencies when the input/output voltage ranges or voltage gain requirements differ between charging and discharging modes, thereby reducing system efficiency. To overcome this issue, the proposed method sets the secondary-side resonant frequency differently from the primary-side, reducing the required frequency range and enhancing bidirectional performance. Using the fundamental harmonic approximation (FHA), this study derives equivalent circuits and voltage gain equations for both modes and designs an 11 kW converter accordingly. Loss analysis is performed for one symmetric and four asymmetric cases, followed by simulation and experimental validation. The results show that although a slight efficiency drop appears in some charging conditions, the average efficiency remains nearly the same. But the asymmetric design consistently improves discharging efficiency, achieving a maximum gain of 0.81%p and an average improvement of 0.48%p.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 단상/3상 겸용 양방향 차량 탑재형 충전기(OBC) 시스템에 적용되는 11 kW CLLC 공진형 컨버터에 대해 2차 측 공진 주파수를 비대칭으로 설계하는 방안을 제안하고 그 유효성을 입증한다. 기존의 CLLC 공진형 컨버터는 1차 측과 2차 측의 공진 주파수를 대칭으로 설정하지만, 충전 및 방전 모드 간 입력/출력 전압 범위 또는 전압 이득 요구 조건이 상이한 경우 동작 주파수가 과도하게 상승하여 시스템 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 2차 측 공진 주파수를 1차 측과 다르게 설정함으로써 요구되는 동작 주파수 범위를 줄이고 양방향 동작 성능을 향상시킨다. 기본 고조파 근사(FHA) 기법을 활용하여 충전 및 방전 동작에 대한 등가 회로와 전압 이득 수식을 도출하고, 이를 바탕으로 11 kW급 CLLC 공진형 컨버터를 설계한다. 대칭 조건 1가지와 비대칭 조건 4가지에 대해 손실 분석을 수행하며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 성능을 검증한다. 그 결과, 일부 충전 조건에서는 효율 저하가 나타나지만, 충전 동작 전체에서 평균적인 효율은 유사하다. 반면, 방전 동작에서는 비대칭 설계가 모든 조건에서 효율을 향상시켜 최대 0.81%p, 평균 0.48%p의 개선 효과를 보인다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Research background and necessity 1
• 2. Contents of the research 6
• II. Derivation of Voltage Gain Equation and Resonant Parameter Based characteristics Analysis of a CLLC Converter 8
• 1. Derivation of voltage gain equation for a CLLC converter 8
• 2. Analysis of voltage gain characteristics according to resonant network parameters 13
• III. Design of Resonant Network under Symmetric and Asymmetric Resonant Frequency Conditions 20
• 1. Symmetric resonant frequency design of the CLLC converter 20
• 2. Asymmetric resonant frequency design and loss analysis of the CLLC converter 24
• Ⅳ. Experimental Verification 33
• 1. Test bed construction and experimental verification 33
• 2. Comparison with previous studies 43
• Ⅴ. Conclusion 45
• References 46
• Korean Abstract 48