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The Resonant converter

본문

It is a known fact that the advantages of the traditional switching power supplies come at the cost of higher complexity,
more switching losses, higher switching stresses and electromagnetic interference(EMI). These shortcomings of the
‘Hard Switching’ converters are exacerbated if the switching frequency is increased in order to reduce the converter size
and weight, and hence to increase the power density.
 
The ‘Soft Switching(The ZVS or ZCS)’ can minimize the weaknesses enabling the converter to operate at still higher switching
frequency. Among the various ‘Soft Switching’ methods, the best known and most widely used variety is to convert the converter topology(e.g. resonant converters). This section introduces the basic concept of some resonant converters.
 
 
The above diagram shows the simplest and most commonly used LC series resonant converter circuit; the driving voltage Vd is
divided between the LC resonant network impedance and the load one. The LC network circuit’s impedance varies with the
controlled Vd frequency. The entire LC converter always has the DC gain less than 1. Therefore, under light load conditions,
most of the Vd will be across the load making it difficult to control the output voltage. Common electrical circuit theory says that only the infinite frequency can stabilize the out voltage under no load.
 
 
Adding a shunt inductor in parallel with the aforementioned LC series resonant topology, the LLC resonant converter offered
a noticeable improvement on the previous model. Above all, the most remarkable part of the new method is that a novel
combination of the shunt inductor inductance and the magnetizing inductance makes the new electrical network to just look like
the old LC series one on the circuit schematic.
 
Initially, this new variety didn’t draw much attention from the many circuit engineers because they had believed that switching
loss outweighs induction loss to increase efficiency under a high input voltage. But, the novel configuration has proved to have
many advantages: a robust output voltage control against both input voltage and load variations, a wide ZVS range, a relatively
simple circuit structure.
 
Additionally, while the magnetizing inductance(Lmag) of the series LC circuit is much larger than its resonant one(Lres),
in the LLC resonant converter, Lmag is larger by just 3 to 8 times than Lres, which can be achieved by a few transformer air gap
adjustments.
 
 
 
공진형 컨버터
 
주지하시다시피, '기존의(비공진형) SMPS'가 그 이전의 linear power supplies에 비해 상대적 으로 '경량화, 소형화, 고효율'
을 얻을 수 있는 기회비용은 '회로 복잡도 증가(higher complexity), 스위칭손실 증가(more switching losses)스위칭
스트레스 증가(higher switching stresses)  그리고 EMI(Electromagnetic Interferene)'로 요약됩니다. 이런 'Hard Switching' 형 컨버터들의 경우,  더 높은 효율의 컨버터를 설계하고자 한다면(즉, 보다 작은 size의 가벼우면서 전력 밀도가 높은)  
'스위칭 주파수' 를 높일 수 밖에 없습니다. 따라서, 이 경우 전술한 기회비용은 훨씬 커지는 문제점에 봉착하게 됩니다.
 
반면에, 'Soft Switching(ZVS 혹은 ZCS)' 을 사용하면 여전히 높은 '스위칭 주파수'를 사용하면서도 전술한  문제점들은
최소화할 수 있습니다.  현재까지 다양한  'Soft Switching' 기법들이 개발되어 왔는데,이 중에서도 가장 널리 알려지고
주로 쓰이는 기법은 소위, '공진 회로'를 적용한 '컨버터 topologies' 의 적용입니다. 여기서는 다양한 공진형 컨버터들 중
가장 기초적인 공진 회로 개념들을 소개해 드립니다.
 
 
 
 
위 diagram은 여러가지 공진형 회로의 방식들 중에서 가장 간단하고 많이 사용하는 'LC 직렬 공진형 회로'입니다; 구동 전압 Vd가 LC 공진네트워크 임피던스와 로드 임피던스 사이에 전압배분됩니다. 구동전압 Vd의 주파수를 변경하여
공진네트의 임피던스를 가변시킵니다. 입력전압은 이 임피던스와 반동부하 사이에서 나누어지고 전압분배기 역할을
하는 원리로 인하여 LC 직렬 공진형 컨버터의 직류이득은 항상 < 1이 됩니다. 따라서, 경부하상태에서 부하측 임피던스는 공진네트에 비하여 매우 크게 되어 입력의 대부분의 전압은 부하에 걸리게 됩니다. 이는 곧 출력이 경부하시에는
전압의 안정화를 매우 어렵게 합니다. 이론적으로는 출력 무부하시 전압을 유지하기 위하여 주파수를 무한대로 올려야 합니다.
 
전술한 'LC 직렬공진 회로' 에 'shunt inductor' 1개를 병렬로 삽입하면 소위, "LLC 공진회로''라 불리는 보다 개선된 회로를 얻을 수 있습니다. 이 회로에서 가장 특기할 만한 사항은, 이전 'LC 직렬공진 회로'의 문제점들을 개선하면서도 'shunt
inductor inductance'와 'magnetizing inductance' 의 창의적인 조합으로 인해 새로운 회로를 볼 때-순전히전기회로
해석 관점으로 한정시켜 바라볼 때-기존의 'LC 직렬공진 회로'와똑같아 보인다는 점입니다.
 
처음 이 이론이 도입되었을 때는, CIRCUIT 엔지니어들의 관심을 별로 얻지 못 했습니다.
그 이유는 이 션트인덕터를 삽입하여 회로 동작에는 도움이 될지는 모르지만, 높은 입력 전압에서는 효율을 높이는 것이 컨덕션 손실보다 스위칭 손실을 줄이는 것이 더욱 효과적이라고  생각했기 때문입니다. 그러나, '이 기발한 회로구성'은 많은 장점을 가지고 있는 것으로 판명되었습니다: 예를 들면, 입력 전압/부하 변동에 대해 안정된 출력 전압, 넓은 ZVS 범위, 상대적으로 간단한 회로 구성입니다. 
 
또한, 실질적으로 션트인덕터는 트랜스의 자화인덕턴스(Magnetizing inductance)를 이용하게 되어 회로 설계 도면에서는 마치 LC 직렬공진형과 같은 것 처럼 보입니다. 한편 직렬 공진형에서는 자화인덕턴스가 LC직렬공진 인덕턴스(Lr)보다 훨씬 크지만, LLC 공진회로의 자화인덕턴스는 Lr보다 단지 3~8배 정도이고, 이는 트랜스의 에어갭으로 구성이
가능합니다.