A new synchronous rectifier (SR) control method is proposed to improve the light-load regulation capability of high-frequency LLC resonant converter. The proposed control method applies the extended SR turn-on time, which results in the negative current flowing through SRs, and the light-load regulation of the LLC resonant converter can be achieved by the negative current. The design guideline of the extended SR turn-on time is presented based on the precise analysis and the equivalent circuit modeling of the LLC resonant converter. In addition, the switching loss and gate driving loss can be reduced because the output voltage can be regulated at low switching frequency. The validity of a proposed control method is confirmed by the experimental results of a prototype converter with 330-380 VDC input and 750 W (12 V/62.5 A) output.
IT 산업의 발전으로, 데이터 트래픽이 매년 꾸준히 증가하고 있다. 그에 따라 데이터 센터에서 소모하는 전력이 증가하고 있다. 한정된 공간에서 더 많은 양의 전력소모량을 수용하기 위해서 높은 전력밀도를 갖는 서버 파워 서플라이에 대한 중요성이 점점 부각되고 있다.
높은 전력밀도를 얻기 위해서는, 트랜스포머와 인덕터와 같은 자성체의 크기를 줄이는 것이 중요한 사항이고, 이를 위해서는 높은 스위칭 주파수를 사용해야 한다. 높은 스위칭 주파수를 사용하기 위해서는 스위칭 손실을 최소화해야 하고, 이를 위해서는 영전압 스위칭과 영전류 스위칭 기법이 필수적이다. 다양한 소프트 스위칭 컨버터 중에서 1차측 스위치의 넓은 영전압 스위칭이 가능하고, SR의 영전류 스위칭이 가능한 LLC 공진형 컨버터가 적합하다고 할 수 있다. 또한 낮은 높이를 갖는 평면 변압기를 사용할 경우에 전력밀도를 상승시킬 수 있으며, 열 방출 능력 또한 뛰어나기 때문에 고전력밀도 컨버터에 많이 사용되고 있다.
하지만 평면 변압기가 전력밀도를 상승시키기에는 적합하지만, 큰 기생 커패시턴스 성분으로 인해 경부하에서 출력전압 레귤레이션이 되지 않는 심각한 문제를 가져온다. 평면 변압기를 사용할 때는 PCB 와인딩을 같이 사용하게 되는데, 높은 전력밀도를 위해 트랜스포머의 1차측 도선과 2차측 도선이 층층이 겹쳐있게 된다. 층층이 쌓여있는 도선 사이에 기생 커패시턴스 성분이 생기게 되고, 기생 커패시턴스 성분으로 인해 경부하에서 출력전압 레귤레이션이 되지 않는 문제점이 생기게 된다. 이러한 경부하 레귤레이션 문제는 SR의 출력 커패시턴스에 의해서도 악화될 수 있습니다. 서버파워 서플라이는 출력 전류가 높은 어플리케이션이기 때문에 2차측 정류기단의 도통 손실을 줄이기 위해서 여러 개의 SR을 병렬로 연결해서 사용해야만 한다. 이에 따라 SR의 출력 커패시턴스는 커지게 되고, 경부하 레귤레이션 문제는 악화되게 된다.
따라서 본 논문에서는 위 문제점을 해결할 수 있는 새로운 SR 제어 법을 제안한다. SR 턴-온 타임을 늘려주는 방법을 통하여 SR에 음의 방향으로 전류를 흘려주었고, 이를 통하여 LLC 공진형 컨버터의 전압 이득을 낮추어 경부하 레귤레이션 문제를 해결하였다. 또한 기존의 방법에 비해 더 낮은 스위칭 주파수에서 동작하기 때문에 스위칭 손실과 게이트 드라이빙 손실이 줄어들어 효율을 증가시킬 수 있다. 제안하는 방식은 추가적인 소자를 필요로 하지 않는다는 장점 또한 가진다. 제안하는 방법은 서버 파워 서플라이에 간단히 적용될 수 있으며, 경부하 레귤레이션 문제를 해결하면서 높은 효율을 얻을 수 있을 것이라 기대한다.
