양방향 전력 전송 공진형 CLLC 컨버터 설계 절차

CLLC 컨버터는 고효율, 고전력 밀도, 양방향 전력 전송이 가능한 공진형 DC-DC 컨버터로, 전기차 충전, 재생에너지 시스템, 데이터센터 전원 등에 적합합니다. 아래는 표준 설계 절차로, 특정 요구사항에 따라 조정 가능합니다.

출처: https://www.mdpi.com/1996-1073/12/20/3859

1. 설계 사양

시스템 요구사항을 명확히 정의하며, 양방향 동작 시 포워드/백워드 모드 고려.

• 입력/출력 전압 (\( V_{in}, V_{out} \)): 예: \( V_{in} = 380~\mathrm{V} \sim 420~\mathrm{V}, V_{out} = 48~\mathrm{V} \)
• 정격 전력 (\( P_{out} \)): 예: \( 3~\mathrm{kW} \)
• 스위칭 주파수 (\( f_s \)): \( 100~\mathrm{kHz} \sim 500~\mathrm{kHz} \) (공진 주파수 \( f_r \) 근처)
• 효율 목표: \( \geq 96\% \)
• 턴 비율 (\( n \)): 초기 추정
• 양방향 동작: 포워드/백워드 게인 (\( G_{FM}, G_{BM} \)) 지정
• 냉각/부하/제약: 공랭, 경부하~과부하, EMI 규격 (CISPR 22)

예시 사양: \( V_{in,nom} = 400~\mathrm{V}, V_{out} = 48~\mathrm{V}, P_{out} = 3~\mathrm{kW}, f_s = 200~\mathrm{kHz} \)

2. 변압기 턴 비율 (\( n \)) 결정

전압 변환 비율 계산. 양방향 시 게인 변동 고려.

\[ n = \frac{N_p}{N_s} = \frac{V_{in,nom}}{V_{out}} \]

• 양방향: 포워드 게인 \( G_{FM} \approx n \cdot \frac{V_{out}}{V_{in}} \), 백워드 \( G_{BM} \approx \frac{V_{in}}{V_{out}} \cdot \frac{1}{n} \)
• FHA 모델로 게인 곡선 분석:
  \[ G = \frac{1}{\sqrt{\left(1 + \frac{L_r}{L_m} \left(1 - \frac{f_r^2}{f_s^2}\right)\right)^2 + Q^2 \left(\frac{f_s}{f_r} - \frac{f_r}{f_s}\right)^2}} \]

예시: \( V_{in,nom} = 400~\mathrm{V}, V_{out} = 48~\mathrm{V} \rightarrow n \approx 8.33 \) (근사 \( 8 \)), \( G_{FM} \approx 0.12 \)

3. 공진 탱크 및 변압기 통합 설계

공진 요소 (\( L_r, C_r, L_m, L_{r2}, C_{r2} \))와 변압기를 통합 설계. 누설 인덕턴스 (\( L_{leak} \))를 \( L_r \)로 활용하여 최적화.

3.1 공진 주파수 (\( f_r \)) 설정

\[ f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_r C_r}} \]

\( f_s \approx f_r \) (ZVS 보장, 경부하 시 \( f_s > f_r \))

3.2 공진 인덕터 및 자화 인덕턴스 설계

• \( L_r \): 변압기 \( L_{leak} \) 활용 또는 외부 인덕터.
  \[ L_r = \frac{1}{(2\pi f_r)^2 C_r} \]
• \( L_{r2} \): 2차측 환산, \( L_{r2} = \frac{L_r}{n^2} \)
• \( L_m \): ZVS 조건 기반 최대값.
  \[ L_{m,max} = \frac{V_{in,min}^2}{8 f_s P_{out}} \]
  일반: \( L_m = 5 \sim 10 \cdot L_r \)
• Q 팩터:
  \[ Q = \frac{\sqrt{L_r / C_r}}{R_{eq}}, \quad R_{eq} = \frac{8 V_{out}^2}{\pi^2 P_{out}} \]
• 특성 임피던스:
  \[ Z_0 = \sqrt{\frac{L_r}{C_r}} \quad (20 \sim 50~\mathrm{\Omega}) \]

예시: \( f_r = 200~\mathrm{kHz}, C_r = 100~\mathrm{nF} \rightarrow L_r \approx 6.33~\mathrm{\mu H}, L_m \approx 50~\mathrm{\mu H}, Q \approx 0.4, Z_0 \approx 25~\mathrm{\Omega} \)

3.3 공진 커패시터 선택

고주파 저ESR 세라믹/필름 타입

\[ C_{r2} = C_r \cdot n^2 \]

예시: \( C_r = 100~\mathrm{nF} \rightarrow C_{r2} \approx 6.4~\mathrm{\mu F} \)

3.4 변압기 설계

• 코어: 페라이트 (N87/PC40, \( B_m \leq 0.3~\mathrm{T} \))
• Area Product (AP):
  \[ AP = A_e A_w = \frac{P_{out} \cdot 10^4}{K f_s B_m J K_w}, \quad K=0.1 \sim 0.2, \quad J=400 \sim 600~\mathrm{A/cm^2}, \quad K_w=0.3 \sim 0.4 \]
• 권선:
  \[ N_p = \frac{V_{in,min} \cdot 10^8}{4 f_s B_m A_e}, \quad N_s = \frac{N_p}{n} \]
• 와이어: 리츠 와이어 (스킨 깊이 \( \delta = \frac{66.1}{\sqrt{f_s}}~\mathrm{mm} \))
• \( L_{leak} \): 권선 간격/갭 조정 (\( L_r \) 목표, 5~10% \( L_m \))
• 손실:
  • Steinmetz: \( P_{core} = k f^\alpha B^\beta V_e \)
  • 구리 손실: \( P_{cu} = I_{rms}^2 R \)
• 절연: \( 3~\mathrm{kV} \) 이상

예시: \( AP \approx 40~\mathrm{cm^4} \), 코어: ETD49, \( N_p = 24, N_s = 3, L_{leak} \approx 6~\mathrm{\mu H} \)

4. 스위치 및 다이오드 선택

• 스위치: SiC/GaN MOSFET (\( V_{rate} = 1.5 V_{in,max}, I_{rms} \) 계산)
• 양방향: 2차측 풀브리지 추가 (ZCS 보장)

예시: 650V/30A SiC (Cree C3M0065090D)

5. 제어 전략 설계

• FM(주파수 변조): \( f_s \) 조정 (경부하 유리)
• PSM(위상 변조): 위상 차이로 양방향 제어 (정격 부하 효율적)
• 컨트롤러: DSP (TI C2000), 피드백 (전압/전류 센서)
• 양방향: 데드밴드 알고리즘

5.1 FM (Frequency Modulation, 주파수 변조)

• 정의: 스위칭 주파수 \( f_s \)  를 공진 주파수 \( f_r \) 근처에서 조정하여 출력 전압 또는 전력을 제어하는 방식.
• 동작 원리:
  • CLLC 컨버터는 공진 탱크( \( f_s \) ,\( C_r \)  , \( L_m\)  등)의 주파수 응답을 활용하여 전력 전송을 조절.
  • \( f_s \)  를 \( f_r \)  보다 높이거나 낮추어 전압 게인\(G\)을 변경.
  • 예: 경부하 조건에서 \(f_s > f_r\)로 설정하여 ZVS(Zero Voltage Switching)를 유지하며 효율 향상.
• 장점:
  • 경부하에서 효율적.
  • 간단한 제어 로직.
• 단점:
  • 주파수 범위가 넓어지면 EMI(전자기 간섭) 문제 가능.
  • 고부하 시 효율 저하 가능.
• 적용: 주로 단방향 또는 경부하 조건에서 사용.

5.2 PSM (Phase-Shift Modulation, 위상 변조)

• 정의: 1차측과 2차측 스위치(예: 풀브리지 구성)의 위상 차이를 조정하여 전력 흐름 방향과 크기를 제어하는 방식.
• 동작 원리:
  • 양방향 CLLC 컨버터에서 1차측과 2차측 풀브리지 스위치의 게이트 신호 위상 차이를 조절.
  • 위상 차이로 전력 전송 방향(포워드: 입력→출력, 백워드: 출력→입력)과 전력량 제어.
  • 예: 0° 위상 차이 = 최대 전력, 180° = 반대 방향.
• 장점:
  • 양방향 전력 전송에 적합.
  • 정격 부하에서 높은 효율.
  • 주파수 변동이 적어 EMI 관리 용이.
• 단점:
  • 제어 복잡도 증가(데드밴드 관리 필요).
  • 경부하에서 ZVS/ZCS 보장 어려움.
• 적용: 양방향 동작(예: 전기차 V2G, 배터리 충방전)에서 주로 사용.

6. 시뮬레이션 및 검증

• 툴: LTspice/PLECS/PSIM
• 항목: 게인 곡선, ZVS/ZCS, 효율, 부하 응답
• 튜닝: FHA 모델로 \( Q, L_m/L_r \) 반복 계산

7. 프로토타입 제작 및 테스트

• PCB: 고주파 레이아웃 최적화
• 테스트: 오실로스코프 (ZVS), 열화상 (온도), 효율 측정
• 문제 해결: 공진 불일치 시 \( L_r/C_r \) 조정

8. 최적화 및 EMI/EMC 준수

• 최적화: Iteration으로 \( L_m/L_r, Q \) 튜닝
• EMI: 입력/출력 필터, 스너버, 쉴드 (CISPR 22/FCC)

9. 최종 검증 및 문서화

• 테스트: 모든 부하/모드 (포워드/백워드), 장기 동작
• 문서: 사양, 회로도, BOM, 테스트 데이터

예시 설계 파라미터

• \( V_{in} \): \( 400~\mathrm{V} \), \( V_{out} \): \( 48~\mathrm{V} \), \( P_{out} \): \( 3~\mathrm{kW} \), \( n=8 \)
• \( f_r \): \( 200~\mathrm{kHz} \), \( L_r = 6.33~\mathrm{\mu H} \) (\( L_{leak} \)), \( L_{r2} = 0.1~\mathrm{\mu H} \)
• \( C_r = 100~\mathrm{nF}, C_{r2} = 6.4~\mathrm{\mu F}, L_m = 50~\mathrm{\mu H} \)
• \( Q \approx 0.4, Z_0 \approx 25~\mathrm{\Omega} \)
• 스위치: 650V SiC
• 변압기: N87 코어, \( N_p = 24, N_s = 3 \)

추가 고려사항

• 양방향: 2차측 스위치, PSM 수정
• 비용: 부품 균형
• 안전: 과보호 회로