적응형 드룹 제어를 적용한 다중 컨버터 시스템의 전력 균형 연구 = Adaptive Droop Control for Power Balancing in Multi-Converter Systems

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 입력 병렬 출력 병렬(Input Parallel Output Parallel, IPOP) 구조를 갖는 모듈형 LLC 컨버터의 자율적 전류 분담 제어 기법을 제안한다. IPOP 구조는 단순한 회로 구성을 유지하면서도 시스템 확장성과 고장 허용성을 확보할 수 있어 차세대 전력 변환 시스템에 적합하다. 기존에는 중앙 집중형 통신 제어 방식 또는 마스터-슬레이브 구조가 전력 분담에 주로 사용되었으나, 마스터 컨버터에 지나치게 의존하여 고장 시 전체 시스템의 신뢰도가 저하된다. 또한 통신 지연에 따른 전력 불균형 문제가 발생하는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 본 논문은 통신 없이도 모듈 간 자율적으로 전류를 공유할 수 있는 비통신 기반 적응형 드룹(Droop) 제어 기법을 제안하였다. 특히, LLC 컨버터의 고유한 공진 특성을 반영하여 동작 영역에 따라 세 가지 동작 케이스(Case 1: fs > fr, Case 2: fs < fr, Case 3: fs = fr)로 구분하여 제어기의 안정성과 성능을 체계적으로 분석하였다. 제어기 설계에서는 출력 전류에 따라 드룹 계수를 실시간으로 조절하는 구조를 적용하여 고정 계수 방식의 한계인 전류 불균형 및 출력 전압 강하 문제를 개선하였다. 또한 각 동작 케이스에 대한 주파수 응답 분석을 수행하였으며 Bode 선도를 통해 최소 10dB 이상의 이득 여유(Gain Margin)과 45° 이상의 위상 여유(Phase Margin)를 확보하여 제안 기법의 안정성을 입증하였다. 하드웨어 실험은 3kW급 LLC 공진형 컨버터 두 대를 병렬 구성한 시스템으로 200V 및 400V 출력 전압 조건, 다양한 부하 조건에서 수행되었다. 특히 각 케이스에서의 부하 변동 실험을 통해 제안하는 제어 방식이 전 구간에서 안정적인 전류 분담을 유지함을 확인하였으며, 각 모듈간 전류 오차는 ±10% 이내이다. 최종적으로 LLC 기반 병렬 시스템에서도 실용적인 비통신 자율 제어 방식의 가능성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a communication-less adaptive droop control method for modular LLC converters with an Input Parallel Output Parallel (IPOP) structure. The IPOP configuration is well-suited for next-generation power conversion systems as it enables scalability and fault tolerance while maintaining a simple circuit design. Traditionally, centralized communication-based control or master-slave structures have been employed for power sharing, but these approaches compromise system reliability due to over-reliance on the master converter and are prone to power imbalance caused by communication delays. To address these issues, this paper introduces an adaptive droop control technique that allows autonomous current sharing among modules without communication. By incorporating the inherent resonant characteristics of LLC converters, three operating cases are systematically analyzed based on the switching frequency relative to the resonant frequency (Case 1: fs > fr, Case 2: fs < fr, Case 3: fs = fr). The controller dynamically adjusts the droop coefficient in real-time according to the output current, thereby overcoming the limitations of fixed-coefficient methods such as current imbalance and output voltage drop. Frequency response analyses for each case are conducted using Bode plots, and the proposed method is shown to achieve at least 10 dB of gain margin and over 45° of phase margin, validating its stability. Hardware experiments are performed with a 3 kW-class LLC resonant converter system configured in parallel under both 200 V and 400 V output conditions and various load scenarios. Load transient tests across all three cases confirm stable current sharing with inter-module current error within ±10%. Ultimately, this work demonstrates the feasibility of practical, communication-less autonomous control in LLC-based parallel systems.

목차 (Table of Contents)

• 차 례 i
• 그림 목차 ii
• 표 목차 iv
• 국 문 요 지 v
• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 필요성 및 목적 5
• 제 2장 제안하는 LLC 컨버터 최적 설계 9
• 2.1 LLC 컨버터 동작 원리 분석 9
• 2.2 LLC 컨버터 정규화 해석 및 설정 16
• 2.3 LLC 컨버터 파라미터 설계 최적화 20
• 제 3장 다중 LLC 컨버터 병렬 운전 전략 25
• 3.1 다중 LLC 컨버터 전력 불균형 원인 및 분석 25
• 3.2 공진 소자 편차에 따른 전류 불균형 계수 분석 29
• 제 4장 기존 제어 기반 병렬 LLC 컨버터 운전 31
• 4.1 PI-주파수 제어(PFM) 방식 특성 분석 31
• 4.2 드룹-주파수 제어 방식 특성 분석 32
• 제 5장 제안하는 적응형 드룹 보상 제어 기법 35
• 5.1 제안하는 적응형 드룹 제어 알고리즘 35
• 5.2 소신호 전달함수 기반 안정도 분석 및 제어 최적화 36
• 5.3 제안하는 적응형 드룹 제어 기반 시뮬레이션 검증 46
• 5.4 전압 강하 및 전류 분담 성능 비교 및 분석 52
• 제 6장 3kW급 실험을 통한 제어 알고리즘 검증 56
• 6.1 실험 조건 및 환경 56
• 6.2 실험 수행 및 결과 58
• 제 7장 결론 63
• 참고문헌 66
• 연구 실적 목록 69
• ABSTRACT 70
• 감사의 글 72