1. 서 론

최근 전기자동차와 더불어 여러 응용 분야에 적용되고 있는 LLC 공진형 컨버터에 대한 고효율, 고전력 밀도 요구가 증가하고 있다. 따라서, 컨버터를 구성하는 부품의 크기와 개수를 줄이면서 동시에 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 이러한 요구 조건을 만족하는 방법 중에는 센싱부를 최소화하여 기존 부품을 감소시킴으로써 전력 밀도를 증가시키는 방법과 스위칭 주파수를 증가시켜 수동소자의 크기를 줄이는 방법^[1]이 있다.

하지만 스위칭 주파수가 증가할수록 스위치 Turn On/Off에 의한 손실이 주파수에 비례하여 증가한다^[2]. 또한, GaN Field Effect Transistor(GaN FET)를 Synchronous Rectifier(SR)에 적용했을 때, SR의 On/Off 동작이 적절한 시점에 이루어지지 않으면 GaN FET의 높은 $V_{sd}$와 같은 열악한 역도통 특성으로 인해 큰 역도통 손실이 발생할 수 있다. 게다가, 큰 스위치 Coss 커패시터 영향으로 Oscillation 및 공진 주기의 변화가 발생해 SR 도통 구간이 변동되면, 적절한 시점에 On/Off 동작을 하지 못해 Si 기반 전력 반도체보다 손실이 증가할 수 있다. 따라서, 이러한 손실을 최소화하기 위한 정밀한 SR 구동 전략이 필요하다.

2장에서는 고주파 스위칭 시스템에서의 LLC 공진형 컨버터의 SR 구동 특징을 설명한다. 기존의 연구되었던 Sensor less-SR 구동 방법은 고주파 영역에서 동작 시 신호의 On/Off Delay가 고려되지 않았으며 이로 인해 스위칭 동작 시 나타나는 역병렬 다이오드에 의한 도통 손실은 높은 주파수에서 동작하는 LLC 공진형 컨버터에 치명적인 손실을 초래한다. 특히, SR 스위치를 GaN FET으로 적용할 경우 GaN 기반 전력 반도체의 물성적 구조로 인해 역도통 특성이 좋지 않으므로 SR 스위치의 역도통 구간이 최소가 되는 SR 구동 방법이 필요하다.

그림 1. GaN FET를 적용한 LLC 공진형 컨버터

Fig. 1. LLC Resonant Converter with GaN FET

3장에서는 4가지 Sensor less-SR 구동 신호 생성방법에 관해 연구하고 SR 구동 시 발생할 수 있는 문제점을 확인했다. 1차 스위치와 동기화시켜 SR을 구동하는 방식^[3]은 간단하지만, 공진주파수 이하 영역에서 동작 시 시스템이 오동작할 수 있다. 도통 시간을 고정하여 SR을 구동하는 방식^[4]은 일반적으로 중부하 운전을 기준으로 SR 도통 시간을 미리 결정하여 구동하는 방식이다. 그러나 공진주파수 이하의 영역에서는 역도통 다이오드를 통해 전류가 흐르는 구간이 늘어나 전력 손실이 크게 발생할 수 있다. Vo × D = 일정(출력전압과 듀티비의 곱은 일정)한 상숫값 기반으로 SR을 구동하는 방식^[5-6]은 출력전압과 SR 듀티비의 곱이 항상 일정하다는 사실을 기반으로 수식을 통해 SR Turn On timing을 결정하는 방식이다. 보상시간을 포함하여 SR을 구동하는 방식^[7]은 SR Turn On/Off의 시간을 2차 측으로 에너지가 전달되지 않는 구간만큼 수식적으로 SR 듀티를 보상하여 모든 주파수 영역에서 적절한 구동 신호를 생성하는 방식이다.

본 논문에서는 GaN FET를 적용한 고주파 스위칭 LLC 공진형 컨버터의 추가적인 감지 회로 없는 SR 구동 신호 생성방법을 분석하여 시스템 사양 별 SR 동작에 적합한 구동 신호 생성방법을 연구한다.

2. 고주파 스위칭 시스템에서의 SR 구동 특징

적절한 시점 SR을 동작시키지 않으면 시스템이 설계된 영역에서 동작하지 않는 문제가 발생할 수 있으며, LLC 공진형 컨버터 발생할 수 있는 문제는 그림 2에 나타난 것처럼 다음과 같이 구분된다. 1) Early Turn-on; 2) Late Turn-On; 3) Early Turn-Off; 4) Late Turn-Off. Late Turn-On 및 Early Turn-Off 문제는 SR 스위치의 Turn-On timing이 1차 측 스위치에 동기화되어있지 않거나 SR의 듀티가 전류 도통 구간보다 좁을 때 발생할 수 있다. 이 경우 스위치가 동작하지 않는 구간에서 전류가 역병렬 다이오드를 통해 흐르게 되므로 도통 손실을 증가시켜 효율을 감소시키지만, 시스템 동작상 큰 문제는 발생하지 않는다. Early Turn-On 및 Late Turn-Off 문제는 SR 스위치가 1차 측 스위치에 동기화되어있지 않거나 공진주파수 미만 영역에서 SR 스위치에 흐르는 전류가 음전류로 바뀌고 나서도 On-state를 유지하는 것을 의미한다. 때문에, 2차 측 에너지가 1차 측으로 전달되어 이로 인해 1차 측에 높은 순환전류와 도통 손실이 발생할 수 있으며, 1차 측 전력 반도체에 소손이 발생하는 등 시스템이 손상될 수 있다^[8]. 고속 스위칭을 위해 GaN FET을 SR 스위치로 적용했을 때 SR이 적절한 시점에 동작하지 않는다면 높은 $V_{sd}$로 인해 큰 도통 손실이 발생하여 Si 기반 전력 반도체를 적용했을 때 보다 치명적인 효율 감소로 이어질 수 있다. 표 1은 비슷한 사양의 Si MOSFET과 GaN FET의 $V_{sd}$값을 보여준다. 역도통 손실은 $V_{sd}$에 비례하여 나타나며, 두 스위치를 비교했을 때 GaN FET의 스위칭 손실이 약 2배 정도 클 것으로 확인된다. 스위치의 역도통 손실은 식 (1)과 같다.

그림 2. SR 타이밍이 맞지 않는 경우(시스템 소손)^[9]

Fig. 2. System failure due to SR timing mismatch

결론적으로 SR 구동 신호는 Early Turn-On 및 Late Turn-Off를 발생시키지 않으며, 도통 손실이 최소화되는 시점에서 구동시킬 필요가 있다.

3. SR 구동 신호 생성방법

LLC 공진형 컨버터의 SR 구동 신호 생성방법은 크게 2가지(추가 감지 회로를 통한 Feedback 제어 구동, 추가 감지 회로 없이 단순 등가 기반 SR 구동)로 나눌 수 있다. 추가 감지 회로를 통한 Feedback 제어 구동은 직접 On/Off Timing을 센싱 받아서 구동시키기 때문에 SR On/Off timing이 정밀하다는 장점이 있다. 그러나 추가 감지 회로를 사용할 경우 보조 변압기, 다이오드, Sensing IC 및 주변 회로 등이 필요해 고전력 밀도 확보에 적합하지 않으며, 비용 효율성 측면에서도 손해를 보게 된다. 따라서 소형화 및 고효율을 달성하기 위해서는 추가 감지 회로 없이 정밀한 SR 구동이 필요하다.

그림 3. 고정 Conduction time 구동 방법^[4]

Fig. 3. Fixed conduction time driving method

그림 4. 스위칭 주파수에 따른 출력전압 및 듀티 특성^[5-6]

Fig. 4. Output voltage and duty characteristics according to the switching frequency

3.2 고정 Conduction Time SR Driving Strategy

공진주파수 미만 SR 구동 조건에 대해 고정된 도통 시간을 설정하는 방법^[4]이며 SR 동작 예시를 그림 3에 나타냈다. 공진주파수 이상의 영역에서는 SR 구동 신호를 1차 측 게이트 구동 신호와 동기화시킬 수 있다. 공진주파수 미만 영역에서 SR 구동 신호는 중부하 영역 기준으로 도통 시간을 고정하여 구동시킨다. 이 경우 SR 전류 도통 시간보다 SR 스위치의 동작 시간이 짧으므로 Late Turn-Off와 같은 시스템 소손이 발생할 수 있는 동작은 하지 않는다. 하지만 중부하 영역에 도통 시간을 고정하여 동작시킬 경우 기준으로 잡은 중부하보다 상대적으로 작은 부하영역에서 SR 역병렬 다이오드로 동작하는 구간이 생겨 큰 도통 손실이 생기게 된다. 이 상태에서 고주파 스위칭을 하면 SR 역병렬 다이오드로 도통 되는 구간이 주파수에 비례하여 많아지므로 고주파 스위칭 시 높은 효율을 기대할 수 없다.

그림 5. 게이트 신호 보상 유무^[7]

Fig. 5. With or without gate signal compensation

4. 동기 정류 기법 시뮬레이션

그림 6. 1차 측 스위치와 동기화 시뮬레이션

Fig. 6. Synchronized with the primary-side switch

본 시뮬레이션은 270kHz~600kHz에서 진행되었으며, 3장에서 언급한 4가지 구동 방법을 다루고 있다. 스위치는 TI사의 LMG3522R030 제품을 사용하였으며, 실험에서 발생할 수 있는 O-mode 구간(공진주파수 이하의 동작 구간에서 1차 측에서 2차 측으로 에너지 전달이 이루어지지 않는 구간)의 oscillation을 구현하였다. 또한, 공진주파수 이하의 영역에서 4가지 SR 구동 방식에 따른 LLC 공진형 컨버터의 주요 파형을 확인하였으며, 시뮬레이션 파형에서 $Q_{1}PWM$, $Q_{3}PWM$, $SR_{1}PWM$은 각각 $Q_{1}$, $Q_{3}$, $SR_{1}$에 인가되는 PWM 신호이고 $I_{Lr}$은 변압기 1차 측 전류, $SR_{1}Current$는 $SR_{1}$에 흐르는 전류이다.

그림 6은 1차 측 스위치와 동기화 SR 구동 방법으로 구동한 SR 동작에 따른 시뮬레이션 결과이다. 3.1에 설명했듯이 $f_{s}$=$f_{r}$ 영역에서의 동작에는 문제가 발생하지 않는다. 하지만 $f_{s}$≠$f_{r}$ 영역에서는 SR 전류 도통 시점에 SR On/Off가 제대로 이루어지지 않아 Early Turn-On, Late Turn-On 등의 문제가 발생하게 되고, 이로 인해 신뢰성과 효율이 급격히 저하되어 차량용 충전장치에 적용하기에는 많은 어려움이 따른다. 1차 측 스위치와 동기화된 SR 구동 방법을 LLC 공진형 컨버터에 적용하려면 주파수 이동이 필요하지 않고 일정한 전압 출력을 요구하는 DC Transformer와 같은 시스템에 적합할 것으로 판단된다.

그림 7. 고정 도통 시간 SR 구동 시뮬레이션

Fig. 7. SR driving with fixed conduction time

그림 7은 고정 Conduction Time SR 구동 방법으로 SR을 구동한 시뮬레이션 결과이다. 공진주파수 미만 영역에서는 중부하 영역에서 얻은 SR Duty로 고정하여 구동하고, 공진주파수 이상의 영역에서는 1차 측 스위치와 동기화된 SR 구동 방법과 같이 1차 측 게이트 구동 신호에 동기화시킨다. 그림 7(b)에서 $SR_{1}Current$가 음전류로 도통 되는 것을 확인할 수 있다. LLC 공진형 컨버터의 경우 주파수에 따라 전압과 전력이 변하는데, 중부하 영역(낮은 동작 주파수)에서 얻은 SR On time을 경부하 영역에 적용할 경우 SR On time이 SR 전류 conduction time보다 길어지게 되어 Early Turn-On이나 Late Turn-Off가 발생할 수 있다. 이로 인해 도통 손실이 발생하거나, 2차 측에서 1차 측으로 에너지가 역전달되는 등의 오동작이 발생할 수 있다. 또한, 주파수 이동 범위가 넓을수록 SR Turn-On timing과 SR 전류 도통 시간 사이의 오차가 커지게 된다. LLC 컨버터에 고정 Conduction Time SR 구동 방법을 적용하려면 동작 주파수 범위가 좁고, 저전류 출력 시스템에서 적합할 것으로 판단된다.

그림 8은 Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법을 적용한 시뮬레이션 결과이다. 공진주파수 이상 영역에서는 1차 측 스위치에 SR 구동 신호를 동기화시켜 동작한다. 공진주파수 미만 영역에서는 식 (1)과 같이 출력전압을 센싱 받아 2차 측 SR의 동작 듀티가 결정되고, 위상은 1차 측 스위치에 동기화시킨다. 그림 8(b)에서 SR이 꺼진 시점에 양 전류가 도통 되는 것을 볼 수 있는데, 이로 인해 SR 스위치의 도통 손실이 발생하여 효율이 저하될 수 있다. 하지만 시스템 소손이 발생할 수 있는 Early Turn-On, Late Turn-Off 동작은 하지 않으므로, 이전에 설명한 SR 구동 방법과 비교하면 더 안정적인 구동이 가능하다.

그림 8. Vo×D = 상수 기반 SR 구동 시뮬레이션

Fig. 8. SR driving based on Vo×D = constant

그림 9는 보상시간이 포함된 SR 구동 방법으로 SR을 구동한 시뮬레이션 결과이다. 이전에 설명한 SR 구동 방식과 마찬가지로 공진주파수 이상의 영역에서는 1차 측 스위치에 SR 스위치 구동 신호를 동기화시켰으며, 공진주파수 미만 영역에서는 식 (4)에서 결정된 SR Turn-On timing을 적용했다. 2차 측 스위치의 Coss가 고려되지 않은 이상적인 시뮬레이션에서 보상시간이 포함된 SR 구동 방법으로 제어할 경우 SR에 전류가 흐르는 순간에만 SR이 동작하지만, SR 스위치의 Coss를 반영하면 O-mode^[8] 구간에서 링잉이 발생하고, 공진 주기가 변동되어 Late Turn-Off 문제가 발생할 수 있다. 보상시간이 포함된 SR 구동 방법을 적용하려면 추가 회로를 구성하여 SR 스위치의 Coss에 영향을 회로에서 제거하거나 SR 듀티를 보상함으로써 적절한 시점에 동작할 수 있을 것으로 판단된다.

1차 측 스위치와 동기화된 SR 구동 방법과 고정 Conduction Time SR 구동 방법은 공진주파수 미만 영역에서 Late Turn-Off 혹은 Early Turn-Off 동작을 할 수 있으며, 이로 인해 에너지가 2차 측에서 1차 측으로 역전달되어 소손될 위험이 존재한다. 따라서, 이러한 방법은 공진주파수 이상에서만 동작해야 하고, 이는 변압기의 권수비를 제외하고 생각했을 때 강압형 시스템에서만 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법과 보상시간이 포함된 SR 구동 방법을 적용한 시뮬레이션에서는 공진주파수 미만 영역에서 앞서 언급한 두 가지 구동 방법보다 더 적절한 시점에 On/Off 동작을 수행한다. 하지만 이러한 방법도 GaN을 SR의 스위치로 사용할 경우 스위치 Coss가 큰 조건이 되어 공진 주기가 변화거나 O-mode 구간에 링잉이 발생하여 전류 도통 구간이 변동하는 문제가 발생할 수 있다.

그림 9. 보상시간을 포함한 SR 구동 시뮬레이션

Fig. 9. SR driving with compensation time

그림 10. SR Coss가 SR Duty에 미치는 영향(400kHz)

Fig. 10. The impact of SR Coss on SR Duty

이때, 적절한 보상을 하지 않으면 Late Turn Off와 같은 문제가 발생해 시스템이 손상될 수 있다. SR Coss 유무에 의한 차이는 그림 10에 나타나 있다. Late Turn-Off 문제를 방지하려면 Coss가 작은 스위치로 변경하거나, 스위치 Coss 공진의 영향으로 줄어든 전류 도통 구간만큼 듀티비를 보상하게 되면 전 구간 적절한 스위칭 구동 신호를 생성할 수 있다.

5. 실험 결과

실험은 최대부하 1kW 수준에서 진행되었으며, 보상을 도입하면 적절한 구동 신호를 인가할 수 있는 Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법, 보상시간이 포함된 SR 구동 방법을 적용하여 확인하였으며 H/W는 그림 11과 같다.

그림 11. GaN FET을 적용한 LLC 공진형 컨버터 H/W

Fig. 11. LLC resonant converter H/W with GaN FET

그림 12. Vo×D = 상수 기반 SR 구동 실험 파형

Fig. 12. Wave forms of SR driving based on Vo×D = constant

그림 12와 그림 13은 270kHz, 400kHz에서 SR 듀티를 경험치 기반의 적절한 값으로 보상한 Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법과 보상시간이 포함된 SR 구동 방법에 대한 실험 파형이며, $V_{AB}$는 1차 측 Pole 전압, $Q_{1}PWM$은 $Q_{1}$에 인가되는 PWM 신호, $I_{Lr}$은 변압기 1차 측 전류이다.

공진주파수 이상 주파수 대역에서는 두 구동 신호 동일하게 1차 측 스위치와 동기화시켜 동작시키므로 추가적인 비교는 하지 않았다. SR Turn-On timing은 두 구동 신호 같은 시점에 Turn-On 되며, Off timing은 SR 전류가 음 전류로 변하기 전에 모두 Turn-Off 동작을 한다. 두 구동 신호의 Turn-Off timing을 비교해보면 보상시간이 포함된 SR 구동 방법이 더 빨리 Off 되어 역도통 전류가 흐르는 구간이 더 많아지는 것을 파형에서 확인할 수 있다.

그림 13. 보상시간을 포함한 SR 구동 실험 파형

Fig. 13. waveform of SR driving with compensation time

그림 14는 공진주파수 미만의 동작 영역에서 두 구동 방법에 따른 효율을 비교한 결과를 나타낸다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 보상시간이 포함된 SR 구동 방법의 효율은 전반적으로 낮게 측정되었으며, 이는 대부분의 주파수 구간에서 해당 구동 방식의 역도통 구간이 상대적으로 더 많이 존재하기 때문이다.

이러한 결과는 보상시간이 포함된 SR 구동 방식에서 2차 측 전력 반도체의 Coss가 회로에 미치는 영향을 고려하지 않았기 때문으로 판단된다. 2차 측 전력 반도체의 Coss가 회로에 고려될 경우, 공진주파수 이하의 O-mode 구간에서 전류의 oscillation이 발생하며, 시스템 공진 주기가 변동될 수 있다. 따라서, 해당 구동 방식을 GaN 기반의 동기 정류 회로에 적용하기 위해서는 2차 측 전력 반도체 Coss의 영향에 대한 정밀한 수식적 분석이 선행되어야 하며, SR 듀티비에 대한 추가적인 보상이 이루어져야 정확한 SR 타이밍을 확보할 수 있다.

특히, GaN 전력 반도체는 Si 계열 전력 반도체에 비해 큰 $V_{sd}$를 가지고 있어 역도통 특성이 좋지 않기 때문에 SR 도통 시간의 최적화가 필수적이다. 시스템의 출력전력이 커질수록 역도통 손실이 비례하여 증가하게 되므로 역도통 구간이 적고 정밀한 구동 방법을 적용해야 한다. 실험 결과로 확인했을 때 Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법이 역도통 구간이 상대적으로 적고, 정밀했기 때문에 대부분의 동작 주파수 구간에서 우수한 효율을 보였던 것으로 판단된다. 결과적으로, 보상시간이 포함된 SR 구동 방식의 Turn On/Off 타이밍은 2차 측 전력 반도체의 영향을 충분히 반영하지 못했기 때문에, Vo×D = 상수 기반의 SR 구동 방식과 비교할 때 효율이 상대적으로 낮게 측정된 것으로 분석된다.

그림 14. 구동 신호 별 효율 비교 곡선

Fig. 14. Efficiency comparison curves by driving signal

추가로 그림 14의 2차 공진점 인근의 주파수 영역인 450kHz 지점에서 두 구동 방법 모두 효율이 감소하는 양상을보인다. 이는 O-mode 구간이 발생하는 초입에서 스위치 Coss에 의한 Oscillation으로 인해 SR duty가 선형적으로 줄어들지 않기 때문에 계산적으로 도출한 Duty를 적용할 경우 SR 전류 도통 구간과 SR Turn 구동 시점이 일치하지 않기 때문으로 추정된다.

6. 결 론

본 논문에서는 GaN FET를 사용하는 고주파 스위칭 LLC 공진형 컨버터의 동기 정류기 구동 신호 생성방법에 관해 연구했다. 추가 감지 회로를 사용하지 않는 구동 방식을 분석하여 각 구동 신호 별 적용할 수 있는 시스템을 확인하였으며, 공진주파수 미만 영역에서 동작 가능한 두 가지 구동 신호를 실험을 통해 비교하고 고속 스위칭에서의 Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법의 타당성을 검증했다. 실험에 사용된 LLC 공진형 컨버터에서 Vo×D = 상수 기반 SR 구동 방법으로 동작했을 때 98.25%의 최고효율을 획득하였으며 보상시간이 포함된 SR 구동 방법과 비교했을 때 전반적으로 우수한 특성을 확인했다. 추후 본 논문에서 연구한 SR 구동 방법을 바탕으로 스위치 Coss 값에 따른 SR duty 보상 연구를 진행할 계획이다.