The LLC resonant converter is widely used for high efficiency and high power density application because of its advantages. However, it has a critical problem that the output voltage is unregulated at very light load or no load condition, although the switching frequency is widely changed. To find out the reason of problem, conventional analysis such as First Harmonic Approximation can be considered. However, since the voltage gain characteristic at very light load condition resulted from FHA is different from the experimental results, FHA cannot explain the problem. This is because it considers only fundamental components of all the voltages and currents and ideal components of devices like MOSFET, diode and transformer. Therefore, to analyze the voltage gain characteristic at very light load condition precisely, time domain analysis at very light load condition considering parasitic components such as junction capacitance of rectifier diodes and output capacitance of primary MOSFET is proposed. Proposed analysis explains the reason of the regulation problem of LLC resonant converter and resolves the regulation problem simply. To confirm the validity of proposed analysis, experimental results with 200W prototype are demonstrated.
LLC 공진컨버터는 1차측 스위치의 ZVS, 2차측의 ZCS가 가능하므로 스위칭 손실이 작기 때문에 고효율을 이룰 수 있다. 또한, 스위칭 주파수를 높일 수 있으므로 reactive 소자의 크기를 줄일 수 있기 때문에 높은 전력밀도를 이룰 수 있다. 이러한 장점들로 인해 LLC 공진컨버터는 고효율, 고전력밀도를 요구하는 분야에 많이 사용되고 있다.
하지만 LLC 공진컨버터는 아주 낮은 부하나 무부하 조건에서 출력전압을 레귤레이션하지 못하는 치명적인 문제점을 가지고 있다. 이러한 출력전압 레귤레이션 문제의 원인을 알고 해결하기 위해서는 아주 낮은 부하조건에서 LLC 공진컨버터의 전압이득특성을 분석할 필요가 있다.
LLC 공진컨버터의 전압이득특성을 분석하기 위해 기존에는 First Harmonic Approximation(FHA)와 소자들의 기생성분들을 고려한 FHA가 제시되었다. 하지만 이러한 해석들은 아주 낮은 부하조건에서의 전압이득특성 및 출력전압 레귤레이션 문제를 제대로 분석하지 못한다. 그 이유는 회로 내 모든 전압 및 전류의 고조파 성분들은 배제하고 기본파 성분들만 고려할 뿐 아니라 소자들의 기생성분들을 고려하지 않기 때문이다.
따라서 아주 낮은 부하조건에서 LLC 공진컨버터의 전압이득특성을 정확하게 분석하기 위해 아주 낮은 부하조건에서 소자들의 기생성분들을 고려한 time domain 해석을 제안하고자 한다.
해석 결과, 이상적인 LLC 공진컨버터의 경우 아주 낮은 부하조건에서 출력 측으로 흐르는 전류가 거의 없지만 실제로는 다이오드의 접합 커패시턴스(junction capacitance)의 영향으로 기생 전류가 출력 측으로 흐르는 것을 알 수 있었다. 그로 인해 출력 전압이 상승하여 원하는 전압이득을 얻을 수 없으므로 아주 낮은 부하조건에서 출력전압이 레귤레이션되지 않는 것이다.
MOSFET의 출력 커패시턴스(output capacitance)의 영향으로 공진탱크의 입력전압이 완전한 사각파가 아닌 사다리꼴 형태가 되며, 이것의 영향으로 인해 출력 측으로 파워링 하는 전류의 크기가 줄어들어 출력전압의 상승이 줄어듦을 알 수 있었다. 이 사실을 이용하여 충분히 큰 MOSFET의 출력 커패시턴스를 LLC 공진컨버터에 적용하면 아주 낮은 부하조건에서도 원하는 전압이득을 얻을 수 있어 출력전압이 레귤레이션될 수 있다. 만약 선정한 MOSFET의 출력 커패시턴스가 작은 경우에는 MOSFET에 병렬로 커패시터를 추가함으로써 출력 커패시턴스의 역할을 한다.
결론적으로, 아주 낮은 부하조건에서 기생성분들을 고려한 time domain 해석을 제안하였으며, 각 기생성분들이 회로에 끼치는 영향을 분석하여 아주 간단하게 출력전압 레귤레이션 문제를 해결할 수 있는 MOSFET에 병렬로 커패시터를 추가하는 방법을 제안하였다. 200W의 프로토타입을 실험에 사용하여 논문의 내용이 타당함을 증명하였다.
