고전력 LLC 컨버터용 Integrated Transformer의 발열 및 자속 포화 저감을 위한 구조 분석 = Structural Analysis for Reducing Heat Generation and Flux Saturation in Integrated Transformers for High-Power LLC Converters

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 공유하는 자속 경로를 넓혀주기 위해 Flat-Core를 삽입한 Integrated Transformer 구조에서 발생할 수 있는 발열 및 자속 포화를 효 과적으로 저감하기 위한 최적 구조를 분석한다. 최근 전력변환 장치의 고 전력밀도화 및 고주파화가 가속됨에 따라, 자기소자에서의 발열 및 자속 포화는 전체 시스템 성능의 병목으로 작용하고 있다. 이에 따라 본 연구 에서는 고전력 밀도를 유지하면서도 안정적인 자기 특성을 확보하기 위한 구조적 개선 방안을 분석한다. Finite Element Method 기반의 모의실험을 통해 Integrated Transformer 구조의 자속 분포 및 코어 온도 상승에 미치 는 영향에 대해 다각도로 분석한다. 첫째, 공진 인덕터 외측 코어의 공극 유무에 따른 자속 집중 및 열 분포 변화를 확인하고, 둘째, 자속 흐름의 방향에 따른 자속 중첩과 포화 경향을 분석하며, 셋째, Flat-Core의 두께 변화에 따른 자속 밀도 분포 및 열적 거동 특성 그리고 인덕턴스 변화를 다각적으로 비교한다. 그리고 분석한 결과의 타당성을 검증하기 위해 LLC 공진형 컨버터의 공진 주파수 영역에서 약 3.1kW 조건으로 실험을 수행한다. 그 결과, 공진 인덕터 외측 코어의 공극과 Flat-Core의 두께를 고려했을 때 해당 조건을 고려하지 않은 기존 설계 대비 코어 발열이 172.9℃에서 76.4℃로 최대 96.5℃ 감소하고, 시스템 효율은 96.81%에서 97.72%로 최대 0.91% 상승함을 확인한다. 이러한 결과는 고주파 및 고전력밀도 구현을 위한 전력변환 시스템에서 Flat-Core를 삽입한 Integrated Transformer 설계의 유효성을 입증하며, 향 후 DC-DC 컨버터 기반의 전력전자 응용 분야에서 활용 가능한 자기소자 설계 전략으로 적용될 수 있는 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 01
• 1. 연구 배경 및 필요성 01
• 2. 연구 동향 02
• 3. 연구 목적 및 방법 04
• 4. 논문의 구성 05
• II. LLC 공진형 컨버터 06
• 1. 기본 특성 06
• 2. 모드 해석 13
• 가. Mode 1 14
• 나. Mode 2 15
• 다. Mode 3 15
• III. Flat-Core가 적용된 Integrated Transformer 18
• 1. 변압기 구조에 따른 특징 18
• 가. 변압기와 공진 인덕터 분리형 구조 18
• 나. 변압기와 공진 인덕터 통합형 구조 19
• 2. 공진 인덕터 외측 코어의 공극 유무 및 Flat-Core 두께에 따른 영향
• 21
• 3. 자속 방향에 따른 영향 26
• IV. FEM 모의실험 결과 27
• 1. 공진 인덕터 외측 코어의 공극 유무에 따른 영향 27
• 2. 자속 방향에 따른 영향 30
• 3. Flat-Core 두께에 따른 영향 31
• 가. 인덕턴스에 미치는 영향 31
• 나. 자속 밀도에 미치는 영향 32
• V. 실험 및 설계 고찰 34
• 1. 하드웨어 구성 및 실험 조건 34
• 2. Flat-Core 두께에 따른 인덕턴스 비교 38
• 3. 공진 인덕터 외측 코어의 공극 유무 및 Flat-Core 두께 조건에 따른
• 열 특성 비교 및 검증 39
• VI. 결론 45
• 참고문헌 47
• ABSTRACT 50