전력 전자의 기술 동향 - 공진 컨버터 (Resonant Converter) -

 

고 출력 전력전자 시장에서 사용하는 컨버터의 기술 중 하나인 공진 컨버터(Resonant converter)에 대해서 포스팅해 보겠습니다.

 

공진 컨버터 의 기본 회로도

 - 공진 컨버터  소개 -

 

공진 컨버터의 정의

 

공진 컨버터는 커패시터, 인덕터 또는 공진 회로와 같은 공진 소자를 사용하여 전원 스위치의 제로 전압 또는 제로 전류 스위칭을 달성하는 전력 컨버터의 한 유형입니다. 공진 회로는 에너지를 저장하고 제어된 방식으로 부하에 전달하여 기존 컨버터에 비해 스위칭 손실을 줄이고 효율을 높입니다.
공진 컨버터는 직렬 공진 모드, 병렬 공진 모드 또는 두 가지 모드의 조합 등 다양한 모드에서 작동할 수 있습니다. 입력 전압을 원하는 출력 전압으로 승압, 강압 또는 반전하도록 설계할 수 있으며 전원 공급 장치, 재생 에너지 시스템 및 전기 자동차를 비롯한 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 공진 컨버터의 작동은 공진 회로의 주파수가 전원 스위치의 스위칭 주파수와 일치하도록 조정되는 공진 원리를 기반으로 합니다. 이를 통해 전원 스위치를 제로 전압 또는 제로 전류에서 켜고 끌 수 있으므로 스위칭 손실이 줄어들고 효율성이 향상됩니다. 공진형 컨버터는 기존 컨버터에 비해 부품 수와 비용이 더 많이 들고 설계 및 제어가 더 복잡할 수 있습니다. 하지만 더 높은 효율, 더 작은 크기, 향상된 신뢰성을 제공하므로 많은 고전력 애플리케이션에서 널리 사용됩니다.

 

공진 컨버터의 종류

 

공진 컨버터는 회로 토폴로지와 공진 모드에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있습니다. 

공진 컨버터들의 종류를 구분하자면 아래와 같습니다.

1. 직렬 공진형 컨버터(SRC)

SRC에서는 공진 회로가 부하 및 스위치와 직렬로 연결됩니다. 컨버터는 부하 전압이 공진 전압을 따르는 공진 모드에서 작동합니다. 공진 전압은 제로 전압 또는 제로 전류에서 스위치를 스위칭하는 데 사용됩니다. SRC는 일반적으로 고주파 전원 공급 장치 및 조명 밸러스트에 사용됩니다.

2. 병렬 공진 컨버터(PRC)

PRC에서 공진 회로는 부하 및 스위치와 병렬로 연결됩니다. 컨버터는 부하 전류가 공진 전류를 따르는 공진 모드에서 작동합니다. 공진 전류는 제로 전압 또는 제로 전류에서 스위치를 전환하는 데 사용됩니다. PRC는 일반적으로 DC-DC 컨버터, LED 드라이버 및 유도 가열 시스템에 사용됩니다.

3. LLC 공진 컨버터

LLC 공진 컨버터는 공진 회로에 인덕터, 커패시터 및 변압기를 사용하는 공진 컨버터의 한 유형입니다. LLC 컨버터는 직렬 또는 병렬 공진 모드에서 작동할 수 있으며 고효율과 높은 전력 밀도를 제공합니다. LLC 공진 컨버터는 일반적으로 서버 전원 공급 장치, 통신 전원 시스템, 전기 자동차 충전기와 같은 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

4. 제로 전압 스위칭(ZVS) 공진 컨버터

ZVS 공진 컨버터는 공진 회로를 사용하여 전원 스위치의 제로 전압 스위칭을 달성하는 공진 컨버터의 한 유형입니다. ZVS 공진 컨버터는 일반적으로 고전력 DC-DC 컨버터 및 모터 드라이브에 사용됩니다.

5. 제로 전류 스위칭(ZCS) 공진 컨버터

ZCS 공진 컨버터는 공진 회로를 사용하여 전원 스위치의 제로 전류 스위칭을 달성하는 공진 컨버터의 한 유형입니다. ZCS 공진 컨버터는 일반적으로 고주파 전원 공급 장치 및 모터 드라이브에 사용됩니다.

각 유형의 공진 컨버터에는 고유한 장단점이 있으며 컨버터 선택은 전력 수준, 효율성 및 크기와 같은 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라집니다.

 

공진 컨버터의 실생활을 사용 예시

 

공진 컨버터는 일반적으로 고효율과 높은 전력 밀도가 필요한 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

아래는 공진 컨버터의 실제 적용 사례 몇 가지입니다.

1. 서버 전원 공급 장치

LLC 공진 컨버터는 고효율, 높은 전력 밀도, 낮은 전자파 간섭(EMI) 노이즈로 인해 서버 전원 공급 장치에 일반적으로 사용됩니다.

2. 전기 자동차(EV) 충전기

LLC 공진 컨버터 및 기타 유형의 공진 컨버터는 EV 충전기에 사용되어 그리드의 AC 전원을 차량 배터리 충전을 위한 DC 전원으로 변환합니다. 공진 컨버터는 고효율과 높은 전력 밀도를 제공할 수 있으므로 고전력 충전 애플리케이션에 적합합니다.

3. 유도 가열 시스템

병렬 공진 컨버터(PRC)는 일반적으로 유도 가열 시스템에서 금속 및 기타 재료를 가열하기 위해 고주파 전력을 공급하는 데 사용됩니다. PRC는 고효율과 높은 전력 밀도를 제공하며 광범위한 주파수에서 작동하도록 설계할 수 있습니다.

4. LED 드라이버

PRC 및 LLC 공진 컨버터와 같은 공진 컨버터는 LED 드라이버에 사용되어 LED 조명 시스템에 효율적인 전력 변환 및 디밍 제어를 제공합니다.

5. 재생 에너지 시스템

공진 컨버터는 일반적으로 태양광 인버터 및 풍력 터빈 컨버터와 같은 재생 에너지 시스템에 사용됩니다. 공진 컨버터는 고효율과 높은 전력 밀도를 제공할 수 있으므로 태양광 패널이나 풍력 터빈의 DC 출력을 그리드용 AC 전력으로 변환하는 데 적합합니다.

전반적으로 공진 컨버터는 효율성, 크기, 신뢰성 측면에서 기존 컨버터에 비해 많은 이점을 제공하며, 높은 전력 밀도와 고효율이 중요한 광범위한 애플리케이션에 사용됩니다.

 - 공진 컨버터 의 현재 기술 동향 -

 

 

최신 전력 전자 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 현재 개발 및 개선되고 있는 공진 컨버터에는 몇 가지 기술 트렌드가 있습니다. 아래는 공진 컨버터 기술의 현재 기술 동향입니다.

1. 고주파 작동

공진 컨버터는 효율을 개선하고 크기를 줄이며 전력 밀도를 높이기 위해 더 높은 주파수에서 작동하도록 설계되고 있습니다. SiC 및 GaN과 같은 새로운 반도체 소자는 스위칭 손실을 줄이고 열 성능을 개선하여 더 높은 주파수 작동을 가능하게 합니다.

2. 와이드 밴드갭 디바이스

효율을 개선하고 크기를 줄이며 전력 밀도를 높이기 위해 공진형 컨버터에 SiC 및 GaN과 같은 와이드 밴드갭 반도체 소자가 사용되고 있습니다. 이러한 디바이스는 기존 실리콘 디바이스보다 더 높은 정격 전압, 더 낮은 온저항, 더 빠른 스위칭 속도를 제공합니다.

3. 소프트 스위칭 기술

스위칭 손실을 줄이고 효율성을 개선하기 위해 공진형 컨버터에 제로 전압 스위칭(ZVS) 및 제로 전류 스위칭(ZCS)과 같은 소프트 스위칭 기술이 사용되고 있습니다. 이러한 기술은 반도체 디바이스에 가해지는 스트레스를 줄이고 컨버터의 전반적인 성능을 개선합니다.

4. 하이브리드 토폴로지

여러 공진 회로를 결합한 하이브리드 공진 컨버터 토폴로지는 효율성을 개선하고, EMI 노이즈를 줄이며, 전력 밀도를 높이기 위해 개발되고 있습니다. 이러한 토폴로지는 광범위한 주파수에서 작동하도록 설계할 수 있으며 특정 애플리케이션에 맞게 최적화할 수 있습니다.

5. 디지털 제어

디지털 제어 기술은 공진형 컨버터에서 성능을 개선하고 설계를 단순화하기 위해 사용되고 있습니다. 디지털 제어를 통해 컨버터를 보다 정밀하게 제어할 수 있으며 변화하는 작동 조건에 실시간으로 적응할 수 있습니다.

전반적으로 공진 컨버터의 현재 기술 트렌드는 높은 수준의 신뢰성과 성능을 유지하면서 효율성을 개선하고, 크기를 줄이며, 전력 밀도를 높이는 데 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 추세는 전기 자동차, 재생 에너지 시스템, 고성능 컴퓨팅과 같은 최신 전력 전자 애플리케이션의 요구에 의해 주도되고 있습니다.

 - 공진 컨버터  기술의 한계 점들 -

 

공진 컨버터는 기존의 하드 스위칭 컨버터에 비해 몇 가지 장점을 제공하지만, 몇 가지 잠재적인 문제와 한계도 있습니다. 아래는 공진 컨버터와 관련된 몇 가지 주요 문제입니다.

1. 복잡성

공진형 컨버터는 일반적으로 기존의 하드 스위칭 컨버터보다 더 복잡하며, 더 많은 부품과 더 정교한 제어 기술이 필요합니다.

2. 높은 부품 스트레스

공진 컨버터는 특히 고주파수에서 부품에 높은 스트레스를 줄 수 있습니다. 이로 인해 부품 고장이 증가하고 신뢰성이 저하될 수 있습니다.

3. 공진 튜닝

공진 컨버터의 공진 튜닝은 공진 주파수와 공진 회로의 품질 계수를 정밀하게 제어해야 하는 까다로운 작업일 수 있습니다.

4. 제한된 대역폭

공진 컨버터는 대역폭이 제한되어 있어 빠른 응답 시간이나 넓은 주파수 범위가 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있습니다.

5. 전자기 간섭

공진 컨버터는 상당한 전자기 간섭(EMI) 노이즈를 발생시켜 다른 전자 장비에 간섭을 일으키고 잠재적으로 안전 문제를 일으킬 수 있습니다.

6. 비용

공진형 컨버터는 더 많은 부품과 더 복잡한 제어 기술이 필요하기 때문에 기존의 하드 스위칭 컨버터보다 더 비쌀 수 있습니다.

전반적으로 공진형 컨버터는 기존의 하드 스위칭 컨버터에 비해 많은 장점을 제공하지만 몇 가지 잠재적인 문제와 한계도 있습니다. 공진형 컨버터의 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항과 기술의 장점과 한계 사이의 절충점을 기반으로 이루어져야 합니다.

이상, 공진 컨버터(Resonant converter)에 대해서 포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 감사드립니다.