Recently, several researches have been progressed on high voltage DC(HVDC) power distribution system which has high reliability and high efficiency of the overall distribution system. Meanwhile, half-bridge (HB) LLC converter with CLC filter has been widely used for server power supply due to simple structure and zero voltage switching (ZVS) features and small filter size. However, HB LLC converter has low efficiency in wide input range because of large conduction and switch turn-off loss in the primary side caused by small magnetizing inductance (Lm). In this paper, buck-integrated LLC resonant converter is proposed for high efficiency server power supply which has wide input range in HVDC distribution system. Proposed converter has large Lnotm and high efficiency than conventional converter. Moreover, it can be easily integrated using conventional CLC output filter. To confirm the operation, features, and validity of the proposed converter, a 260V-400V input ( nominal input = 336V) and 12V750W output laboratory prototype is built and tested.
오늘날 지구 온난화 문제는 나날이 심각 해져 가고 있으며, 각종 자연 재해로 연결되어 큰 문제점으로 인식되고 있다. 이러한 지구 온난화의 원인 중 데이터 센터에서 소모 하는 전력 소모가 큰 비중을 차지 하며, 이러한 상황에서도 데이터 센터는 전세계적으로 증가 하고 있는 추세이다. 이에 따라 데이터 센터의 전력 소모가 급증 하고 있으며, 데이터 센터의 고효율화를 위해 고전압 배전 방식에 대한 연구가 활발히 진행 되어, 이러한 배전 방식에 적합한 서버용 DC/DC 컨버터의 개발 또한 요구 되어 지고 있다.
하프 브리지 LLC 컨버터는 간단한 구조와 일차 측 스위치 들의 낮은 전압 스트레스, 영 전압 스위칭이 가능 하기 때문에 높은 효율을 가지는 토폴로지 이다. 하지만 서버용 전원 장치와 같이 큰 출력 전류를 가지는 어플리케이션에서는 큰 출력 필터 크기로 인하여 사용 할 수 없었다. 하지만 최근에는 출력 필터로 CLC 필터를 적용 함으로써 필터의 사이즈를 저감시켜 서버용 전원 장치에도 널리 사용 되고 있다. 하지만 하프 브리지 LLC 컨버터를 고전압 DC 배전 방식에 적용 시키게 될 경우, 넓은 입력 전압 범위로 인하여 LLC 컨버터는 작은 k값을 갖게 되고, 일차 측에 흐르는 RMS 전류와 턴-오프 전류가 증가 하여 효율이 저감 된다. 높은 효율을 가지기 위해서는 큰 k값을 가지는 LLC 컨버터를 설계하여 일차 측 RMS 전류와 턴-오프 전류를 줄여 주어야 한다. 하지만 큰 k값으로 LLC 컨버터를 설계하는 경우 경 부하 조건에서 입력 전압이 올라 가게 되면, 원하는 전압 이득을 얻을 수 없는 레귤레이션 문제가 발생 하게 된다.
이러한 레귤레이션 문제를 해결하기 위해 프리-레귤레이터인 부스트 컨버터를 이용 하는 방법이 연구되어 왔다. 부스트 컨버터를 이용하여 LLC 컨버터의 입력 전압 범위를 줄여 줌으로써, 높은 k값을 가지는 LLC 컨버터의 설계가 가능 해지고 이에 따라 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점을 지닌다. 그러나 효율이 중요시 되는 정격 전압에서 부스트 컨버터가 동작 함에 따라 큰 추가적인 손실이 발생 하게 되고, 또한 추가 되는 부스트 컨버터의 필터 사이즈가 큰 부피를 차지 하기 때문에 낮은 전력 밀도를 초래 한다.
따라서 본 연구에서는 큰 k값으로 LLC 컨버터를 설계하고 이에 따라 발생 하는 레귤레이션 문제를 포스트-레귤레이터인 벅 컨버터를 이용 하여 해결한 컨버터를 제안 한다. 기존의 하프 브리지 LLC 컨버터의 CLC 필터와 벅 컨버터의 구조가 유사하여 간단하게 벅 컨버터를 구현 할 수 있으며, 벅 컨버터의 LC필터와 CLC필터의 통합으로 전력 밀도가 크게 증가 하지 않는다. 또한 효율이 중요시 되는 정격 전압에서 벅 컨버터의 동작 없이 스위치를 온-상태로 유지 시켜 추가 손실을 최소화 할 수 있기 때문에 높은 효율을 달성 할 수 있게 된다.
제안하는 컨버터는 기존의 LLC 컨버터보다 높은 k값으로 설계가 가능하며, 또한 효율이 중요한 정격 전압에서 추가 되는 손실이 크지 않기 때문에 높은 효율을 달성 할 수 있다. 또한 벅 컨버터와 기존의 CLC 필터를 통합 함으로써, 기존에 연구 되었던 부스트-LLC 컨버터 보다 높은 전력 밀도를 지닌다는 것을 알 수 있다. 제안하는 컨버터의 간단한 동작에 대한 분석 및 벅 컨버터의 설계 가이드 라인이 제시 되었으며, 제안하는 컨버터의 타당성을 실험을 통하여 검증 하였다. 제안하는 컨버터는 기존의 LLC 컨버터나 부스트-LLC 컨버터 보다 높은 효율을 보인다는 것을 실험을 통하여 검증하였다.
