본 논문은 LLC 공진형 컨버터의 고효율 및 고전력밀도를 위한 Integrated Magnetics Planar Transformer (IMPT)을 제안한다.
컨버터의 전력밀도는 transformer, 인덕터와 같이 시스템에서 가장 많은 부피를 차지하는 자기소자에 의해 결정되므로, 자기소자의 부피 저감은 고전력밀도 컨버터 개발에서 매우 중요하다. 일반적으로 고 주파수 스위칭을 통해 자기소자의 부피가 저감 될 수 있지만, 스위칭 주파수에 비례한 스위칭 손실 증가로 인해 고효율 획득에 한계를 가지고 있다. 따라서, 고 주파수에서 고효율을 얻기 위해 전 원회로의 토폴로지로서 LLC 공진형 컨버터가 적용되고 있다.
LLC 공진형 컨버터는 절연형 DC/DC 컨버터에서 적은 소자 수 사용으로 고 전력밀도 구현에 적합하며, 1차측 스위치의 ZVS (Zero Voltage Switching)과 2차측 정류기의 ZCS (Zero Current Switching)으로 고 주파수 구동에서 고 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 고효율 및 고전력밀도를 필요로 하는 전력변환 회로에서 LLC 공진형 컨버터는 그 적용이 점차 확대되고 있다.
한편, 최근 전 원회로의 전력밀도를 더욱 상승시키기 위해 권선형 transformer를 대신하여 printed circuit board (PCB)를 이용한 planar transformer가 적용되고 있다. 하지만, planar transformer는 PCB의 layer가 1차 및 2차 권선에 직접적으로 비례하여 증가하기 때문에 권선 수에 비례하여 제작 단가가 증가하는 단점이 있다. 따라서, 종래에는 2개의 transformer를 양 외족에 집적화하여 1차측 권선을 절반씩 사용함으로써 layer수를 기존대비 절반으로 낮추었다. 하지만, planar transformer의 높은 자기 결합도에 의해 누설 인덕턴스가 수십~수백 nH로 공진 동작에 필요한 인덕턴스를 얻을 수 없다. 따라서, 외부에 추가적인 인덕터가 반드시 필요하며, 전력밀도 및 효율을 감소시키는 원인이 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 외부 인덕터와 transformer를 하나의 core에 집적화하는 Integrated Magnetics(IM)에 대한 연구가 진행되었다. 하지만, 종래의 IM방안은 공진동작에 필요한 인덕턴스를 확보하기 위해 transformer에 추가 권선이나 magnetic sheet를 사용하고 있어 transformer의 구조가 복잡하고 비용이 증가하는 단점이 있다.
따라서, 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 추가 권선이나 외부인덕터의 사용이 필요 없는 Integrated Magnetics Planar Transformer (IMPT)를 제안한다. IMPT는 transformer의 1차 권선을 자기소자의 양 외족에 나누어 감고 각 외족의 권선은 매 스위칭 주기 동안 transformer와 인덕터로 번갈아 가며 동작한다. 따라서, 별도의 외부인덕터를 사용하거나 추가 권선의 사용없이 충분한 공진인덕터를 만들 수 있다. 뿐만 아니라, transformer의 자속밀도가 종래에 낮은 높이를 갖는 transformer와 유사하여 코어의 크기가 불필요하게 증가하지 않는다. 따라서, IMPT는 LLC 공진형 컨버터의 고효율 및 고 전력밀도에 매우 적합하다.
본 논문에서 제안하는 IMPT의 적합성을 검증하기 위한 개요는 다음과 같다.
먼저, II장에서는 IMPT를 LRC에 적용한 IMPT LRC에 대해 소개한다. IMPT의 구조에 대한 등가 인덕턴스 모델을 도출하여 LRC에서의 동작 및 그 특성에 대해 분석한다. 또한, 이론적 분석을 바탕으로 설계 고려사항과 효율 분석을 통해 최적 파라미터를 선정하고 350W급 실험적 검증을 통해 타당성을 검증한다.
III장에서는 IMPT의 확장안으로서 Three level LLC 공진형 컨버터 (TL LRC)에 적용할 수 있는 IMPT에 대해 소개한다. TL LRC는 LRC대비 전압 스트레스를 절반으로 저감하여 고 주파수 구동에서 스위칭 및 도통손실이 낮아 LRC의 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 스위치의 낮은 전압스트레스로 GaN이나 SiC와 같은 고가의 스위치를 대신하여 일반적으로 사용되는 저가의 Si-FET 사용이 가능하여 가격적 측면에서도 우수한 장점이 있다. 하지만, 4개의 스위치 사용과 함께 2개의 transformer와 인덕터가 사용되는 단점으로 전력밀도 측면에서 불리하다. 따라서, IMPT의 적용을 통해 TL LRC의 전력밀도 및 효율을 더욱 상승시킬 수 있다. II장에서와 마찬가지로 TL LRC에 적용하는 IMPT 구조에 대한 인덕턴스 모델을 도출하여 동작 및 특성을 분석하고, 설계 고려사항 및 효율 분석을 통해 최적 파라미터를 선정한다. 이후 350W급 실험적 검증을 통해 타당성을 검증한다. 상기 결과를 통해 IV장에서 결론을 맺고 향후 계획을 제시한다.

Recently, many researches on compact and lightweight electronic applications have demonstrated that the LLC resonant converter (LRC) can have strength to achieve high efficiency and high power density. Moreover, to further increase the power density, the planar transformer has employed in power converters. Although the planar transformer can reduce the size and thickness of the converter, its high magnetic coupling makes the leakage inductance too small to be used as the resonance in the LRC. Therefore, an external inductor must be employed to compensate the resonant inductance which decrease the power density and efficiency. For these reasons, many researches have been tried to integrate several magnetic components into a single core as an integrated magnetics (IM). However, these methodologies must require additional wires or magnetic sheets, and their structures are complex and costly. Therefore, to improve the disadvantages of early approaches, the integrated magnetics planar transformer (IMPT) for a high power density LRC is proposed in this paper. In the proposed methodology, the primary wire is split on each side leg of the EE-type magnetic core and each primary wire works as a transformer and a resonant inductor alternately so that an external inductor or additional wires can be removed. Also, since the magnetic flux density of the IMPT is almost the same as the conventional transformer, the size of the magnetic core and the number of turns are almost same. For these reasons, the proposed single magnetic IMPT features higher efficiency and high power density without increasing the size and cost of the converter. The outline of the paper to confirm the validity of the proposed IMPT is as follows.
In the chapter II, the IMPT configured in LRC is proposed. The operational analysis is proceeded based on the equivalent inductance model which is derived from the magnetic reluctance model. And then, the characteristics about the resonant network is analyisized. From this results, the details about the design considerations are given. Finally, the theoretical results are verified by the experimental results of 350 W prototype and they show the comparable performance of the IMPT.
In the chapter III, the expansion of the IMPT is presented by applied to the Three-level LLC resonant converter (TL LRC). In the TL LRC, the voltage stress of the primary switch is decreased by half. Therefore, it has low switching loss and conduction loss and high efficiency can be achieved. Moreover, because of its low voltage stress, the Si-FET can be implemented instead of GaN-FET so that it is very cost effective. However, the TL LRC must require two transformers and two resonant inductors which decrease the power density and efficiency. To release this problem IMPT can be applied to integrated all magnetic components into one magnetic core. Therefore, the power density and efficiency can be improved. As the same procedure of the chapter II, the operational principles, theoretical analysis about the resonant network, details about the design considerations are given. Then, all results are verified by the experimental results of 350 W prototype.