Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

A Study on Steady State Characteristics of LLC Resonant Half Bridge Converter Considering Internal Losses

내부 손실이 고려된 LLC 공진형 하프브릿지 컨버터의 정상상태 특성에 관한 연구

  • Ahn, Tae-Young (Department of Applied Electronic Engineering, Cheongju University)
  • Received : 2018.12.06
  • Accepted : 2018.12.11
  • Published : 2018.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this paper, an equivalent circuit reflecting the internal loss of the LLC resonant half bridge converter was proposed and a steady state characteristic equation including the loss factors was derived. Using the results, the frequency characteristics of I/O voltage gain and input impedance were compared with the lossless model In order to verify the proposed model and the derived equation, the main components of the 1kW class LLC resonant half bridge converter were selected under the same conditions and the steady state characteristics such as voltage gain and input impedance were compared. In particular, to compare more closely the steady state error of the two models, we observed the change in switching frequency with respect to the load current, which is considered to be the most important in the actual circuit design stage. As a result, it is confirmed that the error of the operating frequency is significantly improved from the proposed model and the analysis result.

본 논문에서는 LLC 공진형 하프브릿지 컨버터의 내부손실이 반영된 등가회로를 제안하고, 손실 요소가 포함된 정상상태 특성식을 유도하였다. 그 결과를 이용하여 입출력 전압이득과 입력 임피던스의 주파수 특성을 무손실 모델과 비교하였다. 제안한 모델과 유도식을 검증하기 위해서 최대 전력이 1kW급인 LLC 공진형 하프브릿지 컨버터의 전원장치의 주요 소자를 동일한 조건에서 선정하여 전압이득과 입력 임피던스와 같은 정상상태 특성을 비교하였다. 특히 두 가지 모델에 대한 정상상태 오차를 보다 면밀하게 비교하기 위해서 실제 회로 설계 단계에서 가장 중요하게 고려되는 부하 전류에 대한 스위칭 주파수의 변화를 관찰 하였다. 그 결과 본 논문에서 제안한 모델과 해석 결과로부터 동작 주파수의 오차가 상당 부분 개선되었다는 것을 확인 하였다.

Keywords

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0001.png 이미지

Fig. 1. LLC resonant half bridge converter. 그림 1. LLC 공진형 하프브릿지 컨버터

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0002.png 이미지

Fig. 2. Steady state waveform. 그림 2. 정상상태 파형

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0003.png 이미지

Fig. 3. Lossless equivalent circuit. 그림 3. 무손실 등가회로

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0004.png 이미지

Fig. 4. Equivalent circuit considering internal losses. 그림 4. 내부 손실이 고려된 등가회로

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0005.png 이미지

Fig. 5. Frequency characteristics due to load resistance. 그림 5. 부하 저항에 따른 주파수 특성

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0006.png 이미지

Fig. 6. Frequency characteristics under limited load. 그림 6. 제한된 부하에서 주파수 특성

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0007.png 이미지

Fig. 7. Frequency characteristics with load variation 그림 7. 부하별 주파수 특성

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0008.png 이미지

Fig. 8. Input impedance equivalent circuit. 그림 8. 입력 임피던스 등가회로

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0009.png 이미지

Fig. 9. Frequency characteristics of input impedance. 그림 9. 입력 임피던스의 주파수 특성

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0010.png 이미지

Fig. 10. Convergence characteristics of input impedance. 그림 10. 입력 임피던스의 수렴 특성

JGGJB@_2018_v22n4_985_f0011.png 이미지

Fig. 11. Switching frequency characteristics with load current. 그림 11. 부하전류에 대한 스위칭주파수 특성

Table 1. Electrical specifications of the converter. 표 1. 전원 장치의 전기적 사양

JGGJB@_2018_v22n4_985_t0001.png 이미지

References

  1. R. Beiranvand, B. Rashidian, M. Zolghadri and S. M. H. Alavi, "A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.27, no.8, pp.3749-3763, 2012. DOI:10.1109/TPEL.2012.2187801
  2. R. Zheng, B. Liu and S. Duan, "Analysis and Parameter Optimization of Start-Up Process for LLC Resonant Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.30, no.12, pp.7113-7122, 2015. DOI:10.1109/TPEL.2015.2389116
  3. I. Lee and G. Moon, "The k-Q Analysis for an LLC Series Resonant Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.29, no.1, pp.13-16, 2014. DOI:10.1109/TPEL.2013.2255106
  4. X. Tan and X. Ruan, "Equivalence Relations of Resonant Tanks A New Perspective for Selection and Design of Resonant Converters," in IEEE Transactions on Industrial Electronics vol. 63, no.4, pp.2111-2123, 2016. DOI:10.1109/TIE.2015.2506151
  5. Z. Hu, L. Wng, H. Wang, Y. F. Liu and P. C. Sen, "An Accurate Design Algorithm for LLC Resonant converter-Part1," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.31, no.8, pp.5435-5447, 2016. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2496333
  6. Z. Hu, L. Wng, H. Wang, Y. F. Liu and P. C. Sen, "An Accurate Design Algorithm for LLC Resonant converter-Part2," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.31, no.8, pp.5448-5460, 2016. DOI:10.1109/TPEL.2015.2496179
  7. X. Fang, H. Hu, F. Chen, U. Somani, J. Shen and I. Batarseh, "Efficiency-Oriented Optimal Design of the LLC Resonant Converter Based on Peak Gain Placement," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.28, no.5, pp.2285-2296, 2013. DOI:10.1109/TPEL.2012.2211895
  8. R. Beiranvand, M. Zolghadri, B. Rashidian and S. M. H. Alavi, "Optimizing the LLC-LC Resonant Converter Topology for Wide Output Voltage and Wide Output Load Applications," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.26, no.11, pp.3192-3204, 2011. DOI:10.1109/TPEL.2011.2143429
  9. Z. Fang, T. Cai, S. Duan and C. Chen, "Optimal Design Methodology for LLC Resonant Converter in Battery Charging Applications Based on Time-Weighted Average Efficiency," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol.30, no.10, pp.5469-5483, 2015. DOI:10.1109/TPEL.2014.2379278