최근 고효율 및 고전력밀도 전원공급장치가 제품의 핵심기술로 부상하며, 전원장치의 고효율 및 고전력밀도 달성을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이를 위해 최근에는 전원장치를 구성하는 절연형 DC/DC 컨버터로 다른 토폴로지에 비해 소자의 개수가 적고 구성이 간단하며, 턴 온 시 영전압스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)이 가능한 하프 브릿지 LLC 공진형 컨버터(Half bridge LLC resonant converter; LLC 컨버터)가 널리 사용되고 있다. 이러한 전원공급장치의 고전력밀도 달성 방안으로는 고주파수 구동을 들 수 있다. 그러나 스위칭 손실은 리액티브 소자 사이즈를 저감할 수 있는 고주파수 구동에 한계가 된다. LLC 컨버터는 턴 오프 시 스위치 양단전압과 전류의 중첩으로 발생하는 턴 오프 손실이 있으며, 이는 스위치의 심각한 발열 및 효율 저하를 발생시킨다. 그러므로 리액티브 소자 사이즈 저감을 통한 고전력밀도화 및 소형화에 한계를 갖는다. 또한, 사용되는 전원장치의 전력 용량이 증가함에 따라 LLC 컨버터를 구성하는 대표적인 리액티브 소자인 트랜스포머의 사이즈는 급격히 상승하는 특성을 보인다. 따라서 본 논문에서는 LLC 컨버터의 고전력밀도 달성을 위하여 LLC 컨버터의 리액티브 소자 사이즈 저감을 통해 고전력밀도 및 고확장성을 갖는 모듈형 LLC 공진형 컨버터를 제안하였다.
첫 번째 제안 회로는 모듈형 전압 밸런싱 LLC 컨버터로써 LLC 컨버터의 리액티브 소자 사이즈 저감 방안으로 고주파수 구동을 선정하였으며, 고주파수 구동 시 한계가 되는 스위칭 손실을 저감 시키는 회로를 제안하였다. 스위칭 손실은 스위치 전압 스트레스 저감을 통해 저감 가능하며 이는 4개 스위치의 직렬연결로 저감 가능할 수 있다. 이때, 모든 스위치의 전압 평형을 보장하기 위한 추가 회로는 필수적이다. 따라서, 제안 회로는 오직 하나의 커패시터만으로 모든 스위치의 전압 평형을 보장해줌으로써 스위치 손실 저감을 통해 고주파수 구동이 가능하다. 또한, 일반적인 LLC 공진형 컨버터에 밸런싱 커패시터를 포함하는 기본 모듈의 추가만으로 m-모듈 LLC 공진형 컨버터로 확장에 용이한 구조적 특성을 갖는다. 따라서 기본 모듈의 추가로 스위치의 전압 스트레스를 Vin/n으로 더욱 저감 가능하다. 제안 회로의 타당성 검증을 위하여 회로를 이론적으로 분석하고 350W급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시하였다.
두 번째 제안 회로는 모듈형 전류 밸런싱 LLC 컨버터로써 리액티브 소자 사이즈 저감 방안으로 전력 용량에 증가에 따른 전력 분배를 선정하였으며, 전력 분배 시 각 모듈 사이의 전력 불균형을 해결하는 회로를 제안하였다. 이때, 병렬로 연결된 트랜스포머의 전력 분배는 트랜스포머 턴 비 및 2차 측 전류에 의해 결정되며, 2차 측 전류 밸런싱은 수동소자인 커패시터만으로 달성하였다. 제안 회로는 1차 측 마스터 모듈과 슬레이브 모듈 그리고 2차 측 유닛 모듈로 구성되어 있다. 1차 측 마스터 모듈은 출력전력 제어 및 스위치의 ZVS를 위하여 LLC 컨버터로 구성하였으며, 1차 측 슬레이브 모듈은 순환 전류로 인한 도통 손실을 저감하기 위하여 직렬 LC 공진형 컨버터로 구성하였다. 또한, 2차 측 유닛 모듈은 전력 용량의 증가에 따라 유닛 모듈의 추가만으로 확장에 용이한 구조적 특성을 갖는다. 따라서 1차 측 슬레이브 모듈 및 2차 측 유닛 모듈의 추가로 전력 분배를 통하여 전력을 증가시킬 수 있으므로 리액티브 소자의 급격한 사이즈 증가 없이 무한히 확장할 수 있다. 제안 회로의 타당성 검증을 위하여 회로를 이론적으로 분석하고 1kW급 시작품을 제작하여 실험결과를 제시하였다.

Recently, high-efficiency and high-power density power supply devices are emerging as critical technologies of the product, and various studies are being conducted to achieve high efficiency and high power density of power supply devices. For this purpose, half bridge LLC resonant converter with zero voltage switching is widely used as an isolation DC/DC converter, which has fewer elements and simpler configuration than other topologies. Also, achieving the high power density of the power converter is possible with high frequency operation. However, the switching loss is limited to high frequency operation of power converter which can reduce the size of the reactive elements. The LLC converter has a turn-off loss due to the overlap of voltage and current across the switch at turn-off, which causes severe heat generation and efficiency deterioration of the switch. Therefore, there is a limit to high power density and miniaturization of power converter through reduction of the size of the reactive element. In addition, the size of the transformers, a representative reactive element that forms the LLC converter, shows a rapidly increasing characteristic as the power capacity of the power device. Therefore, this paper proposes a high power density and high scalability modular LLC resonant converter through reduction of the reactive element size.
The first proposed circuit is a modular voltage balancing LLC converter, which selects high frequency operation as a method of reducing the reactive element, and proposed a circuit that reduces the switching loss which is a limit in high frequency operation. The proposed circuit achieves high power density by high-frequency operation by reducing turn-off loss through switch voltage stress reduction. Switching losses can be reduced through switch voltage stress reduction, which can be reduced by a series connection of four switches. At this time, additional circuitry is necessary to ensure the voltage balance of all switches. Therefore, the proposed circuit guarantees the voltage balance of all the switches with only one capacitor, so it is possible to drive the high frequency by reducing the switch loss. In addition, based on the voltage balancing principle of the capacitor, only the addition of the unit module has the structural characteristic that it is easy to expand to the serial m-module LLC resonant converter. Therefore, the voltage stress of the switch can be further reduced to Vin/n by addition of the unit module. To confirm the validity of the proposed circuit, theoretical analysis and verification of experiment results from a 350W-rated prototype are presented.
The second proposed circuit is a modular current balancing LLC converter, which selects the power distribution according to the increase in the power capacity as a method of reducing the reactive element size of the LLC converter, and proposed a circuit that solves the power unbalance between each module. At this time, the power distribution of the transformer connected in parallel is determined by the transformer turn ratio and the secondary side current, and the secondary side current balancing is achieved only by the passive capacitor. The proposed circuit consists of a primary side master module, a slave module and a secondary side unit module. The primary side master module is composed of an LLC converter to achieve accurate control of the output power and ZVS of the switches. The primary side slave module is composed of a series LC resonant converter to reduce the conduction loss by circulating loss. Further, the secondary side unit module has a structural characteristic that it is easy to expand with the addition of the unit module as the power capacity increases. Therefore, the addition of the primary side slave module and the secondary side unit module can increase power through the distribution of power, so it can be expanded indefinitely without a sudden increase in the size of the reactive device. To confirm the validity of the proposed circuit, theoretical analysis and verification of experiment results from a 1kW-rated prototype are presented.