LLC resonant converter with high Voltage gain using auxiliary LC resonant circuit

Abstract

스마트 폰, 태블릿 PC와 같이 클라우드 서비스를 제공하는 모바일 장치의 사용량이 증가함에 따라 데이터 센터의 수가 증가하고 있다. 이러한 데이터 센터의 증가는 전력 전달과 냉방에 들어가는 비용의 증가를 야기하게 되었다. 이러한 이유로, 시장의 에너지 절감에 대한 요구가 커지게 됨에 따라 80PLUS라는 전원 장치의 장치의 높은 효율을 요구하는 기준이 제시되었다. 따라서, 서버용 전원 장치에서 고효율 달성에 관한 연구의 중요성이 지속적으로 증대되었다. 이러한 고효율은 큰 전력손실이 발생하는 중(重)부하 조건 및 서버용 전원 장치실제 동작 환경을 고려한 경부하 조건을 모두 포함한 넓은 부하 범위에서 요구되고 있다. 서버용 전원 장치의 전력 전달은 고조파 규제를 만족하기 위한 PFC단과 출력 전압 유지를 위한 DC/DC단을 통해 이루어 진다. 따라서, PFC단과 DC/DC단의 효율 개선이 중요하다. 일반적으로 PFC 단은 작은 입력 RMS 전류를 갖는 부스트 토폴로지가 적용이 되고 있다. DC/DC단은 반도체 소자의 성능이 개선됨에 따라 인해 중(重)부하에서 발생하는 큰 도통 손실이 저감 되었고, 영-전압 스위칭 및 출력 인덕터가 제거되어 경부하에서 높은 효율 달성이 가능한 LLC 공진형 컨버터가 사용되고 있다. 한편, 서버용 전원 장치에서는 입력 AC 전원이 끊어졌을 경우 데이터의 보존을 위해 출력 전압을 일정하게 유지 시켜주는, 홀드-업 시간 요구 조건이 만족되어야 한다. 따라서 DC/DC단은 넓은 입력 전압 범위에서도 동작 가능하도록 설계되어야 한다. LLC 공진형 컨버터는 1차측 공진 인덕터와 커패시터가 발생시키는 공진전류를 이용해 2차측 출력 전류를 전달하는 구조로, 2차측 다이오드가 출력 전압으로 클램핑되는 간단한 구조를 가지고, 변압기의 자화 인덕턴스의 큰 에너지를 이용해 전 부하 조건에서 1차측 스위치가 ZVS 동작을 하는 장점이 있다. 하지만, 자화 인덕턴스에서 발생하는 전류가 1차측에서만 흐르는 순환전류이기 때문에 추가적인 손실이 발생하는 단점이 있다. 이러한 단점은, 서버용 전원 장치의 홀드-업 시간 요구 조건의 만족을 위해, LLC 공진형 컨버터를 넓은 입력 전압 범위에서 동작가능 하도록 설계할 때 더욱 심화된다. 일반적으로, 입력 전압 범위는 컨버터가 제공할 수 있는 최대 전압이득으로 결정이 되며, LLC 공진형 컨버터에서는 작은 자화 인덕턴스를 갖도록 설계할수록 더 큰 전압이득을 얻을 수 있다. 따라서, 작은 자화 인덕턴스를 사용하여 설계하기 때문에 정상상태에서 순환 전류가 증가되어 1차측 도통 손실과 스위칭 꺼짐 손실이 증가 되는 문제가 발생한다. 기존에 진행 되었던 연구들은 두 가지 컨버터 토폴로지 구조를 결합하여 큰 전압이득을 갖는 시비율 제어를 하는 PWM 컨버터를 홀드-업 시간에만 동작시킴으로써, 정상입력상태에서 큰 자화 인덕턴스를 갖는 LLC 공진형 컨버터를 사용하도록 하였고 이를 통해 높은 효율을 얻는 방법을 제시하였다. 하지만, 이러한 방식은 병합된 두 컨버터의 전압이득 곡선이 서로 달라 설계가 어려우며, 기존 LLC 공진형 컨버터를 제어하기 위한 PFM 제어 방식과 함께 PWM 제어 방식을 동시에 적용해야 하기 때문에 복잡한 제어 구조를 갖는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 LLC 공진형 컨버터의 PFM 제어 방식을 그대로 이용하면서 컨버터 동작 방식이 기존과 동일한 컨버터를 제안하였다. 기존 LLC 공진형 컨버터가 높은 전압 이득을 갖기 위해서는 작은 자화 인덕턴스를 사용하여야 하고, 높은 효율을 얻기 위해서는 큰 자화 인덕턴스를 사용하여야 한다는 사실과, LLC 공진형 컨버터가 주파수가 감소하면서 전압 이득이 증가하는 원리를 이용하여 변압기에 추가 LC 공진 회로를 삽입하였다. 이러한 추가 LC 공진 회로는 다중-공진 탱크를 가지는 여러 형태 중 기존 LLC 공진형 컨버터와 동작이 같고, 정상입력상태에서 순환전류의 감소가 용이한 가장 간단한 구조를 가진다. 이를 이용해, 정상입력상태에서는 큰 자화 인덕턴스를 갖고, 홀드-업 시간에서는 작은 자화 인덕턴스를 가지면서 큰 전압 이득을 갖는 제안하는 컨버터의 분석 및 설계 고려 사항을 소개하였다...