장진수
(Jin-Su Jang)
1iD
임태현
(Tea-Hyeon Lim)
1iD
손동규
(Dong-Gyu Son)
2iD
김청훈
(Chung-Hun Kim)
2iD
이기영
(Gi-Young Lee)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gyeongsang National University, Republic of Korea.
E-mail : jin001005@gnu.ac.kr, thl0726@gnu.ac.kr)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Pai Chai University, Republic of Korea. E-mail :
wvhs6394@naver.com, chkim@pcu.ac.kr)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
LLC Resonant converter, Fail-safe, LDC(Low-Voltage DC-DC Converter), Switch Fault
1. 서 론
최근 화석연료 사용으로 인한 환경오염 문제가 심화되면서 친환경 교통수단이 주목받고 있다. 특히 자동차 분야에서는 내연기관 중심의 기존 시스템이 전력
기반 구동 방식으로 전환되며 전기자동차의 수요가 빠르게 증가하고 있다. 전기자동차의 내부 시스템은 고전압 배터리를 충전하는 OBC(On Board
Charger), 모터를 구동하기 위한 인버터 그리고 고전압 배터리에서 전기자동차의 전장품에 전력을 공급하는 LDC(Low-Voltage DC-DC
Converter) 등으로 구성되어 있으며, 전기차를 구성하는 전장품의 종류와 소비전력도 증가하고 있다. 이에 따라, OBC나 LDC와 같은 전원공급장치의
연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 Drive-by-Wire 기술의 도입으로 인해 차량 내 전장품에 안정적으로 전원을 공급해야 하는 LDC의
신뢰성 확보가 중요한 연구 주제로 부각되고 있다. LDC가 고장 날 경우 ECU(Electronic Control Unit)나 EPS(Electric
Power Steering)와 같은 주요 주행 보조 장치에 전원공급이 중단될 수 있으며, 이는 급정지나 큰 사고로 이어질 수 있다. 실제로 참고문헌[1]에서는 OBC와 LDC를 결합한 ICCU(Integrated Charging Control Unit)의 문제로 인해 전기자동차가 급정거하여 리콜된
사례가 보고된 바 있다. 이에 따라 전기자동차용 전력변환기는 높은 신뢰성이 요구되고 있으며, 전력변환기의 고장 발생 시 차량의 급정거를 방지하고 일정
기간 전기자동차를 안전하게 운행할 수 있는 페일 세이프(Fail-safe) 기능의 수요가 증가하고 있다.
LDC의 토폴로지로는 ZVS(Zero-Voltage Switching)와 ZCS (Zero-Current Switching) 동작을 통해 고효율과
높은 전력밀도를 달성할 수 있는 LLC(Inductor-Inductor-Capacitor) 공진형 컨버터가 주로 적용된다[2]. 그러나 LLC 공진형 컨버터를 포함한 스위칭 기반 전력변환장치는 스위치 고장에 취약하므로, 고장 발생 시에도 안정적인 출력을 유지하기 위한 대응
방식이 필요하다. 따라서 페일 세이프 기능 구현을 위해 LLC 공진형 컨버터에 전압배가기(Voltage Doubler) 회로 및 IPOP(Input
Parallel Output Parallel) 회로가 제안되고 있다[3-4]. 전압배가기는 스위치 고장 시 하프 브리지로 동작하면서, 2차측 정류부를 전압배가기 형태로 구성함으로써 공진탱크 입력 전압의 감소를 보상한다. 이
방식은 회로 구성이 간단하다는 장점이 있으나, 출력 전압이 부하에 민감하고 고장 회복 시간이 길다는 단점이 존재한다. IPOP 회로는 복수의 풀 브리지를
병렬로 구성하여, 스위치 고장 시에도 나머지 브리지를 이용해 출력을 유지할 수 있다. 이 방식은 빠른 전압 회복과 높은 시스템 안정성을 제공한다.
하지만 소자 수 증가로 인한 회로 복잡도 상승, 낮은 전력밀도, 높은 제작 비용이라는 단점이 있다. 따라서 높은 전력밀도를 유지하면서도 페일 세이프
기능을 구현할 수 있는 새로운 방식이 요구된다.
본 논문에서는 LLC 공진형 컨버터의 전압 유지 시스템 및 회로를 제안한다. 제안하는 전압 유지 회로의 설계는 FHA (First Harmonic
Approximation) 기법을 활용한 공진 회로 해석을 기반으로 하며, 스위치 고장 상황에서도 일정한 출력 전압을 유지할 수 있도록 하는 공진
네트워크의 파라미터를 도출한다. 또한 스위치 고장 시 발생할 수 있는 극전압 스파이크를 저감하기 위해 스위치 레그의 모드 변환 방법을 제안한다. 제안된
방법으로 설계된 공진탱크는 전압이득 곡선 분석을 통해 파라미터의 타당성을 검증하였으며, PSIM 시뮬레이션을 통해 제안 회로의 실효성을 검증하였다.
2. 페일 세이프 공진탱크의 원리와 특징
그림 1. 페일 세이프 시스템이 적용된 LLC 공진형 컨버터 회로도
Fig. 1. LLC resonant converter circuit diagram with Fail-safe system
표 1. S3 고장에 따른 H-브리지의 페일 세이프 스위치 동작
Table 1. Fail-safe switch operation of H-bridge due to S3 Failure
|
Switch
|
Leg1
|
Leg2
|
S
F
a
i
l
-
s
a
f
e
|
|
S
1
|
S
4
|
S
3
|
S
2
|
단락
회로
고장
|
d = 0.5
|
S
1
¯
|
단락
고장
|
상시
개방
|
닫힘
|
개방
회로
고장
|
d = 0.5
|
S
1
¯
|
개방
고장
|
상시
단락
|
2.1 시스템 구성 및 동작 특징
그림 1의 LLC 공진형 컨버터 1차측은 입력 전압(
V
i
n
), 인버터 극전압(
V
a
b
), 고장 이전(Pre-fault) 공진 커패시터(
C
r
), 공진 인덕터(
L
r
), 자화 인덕터(
L
m
), 페일 세이프 스위치(
S
F
a
i
l
-
s
a
f
e
), 페일 세이프 커패시터(
C
F
a
i
l
-
s
a
f
e
)로 구성되어 있다. 또한 변압기 권수비(n)는
N
1
/
N
2
로 정의하며, 2차측은 DC Link 커패시터(
C
o
)와 출력 전압(
V
o
u
t
), 출력 전류(
I
o
u
t
)로 구성된다. 그림 1과 같이 구성된 LLC 공진형 컨버터가 풀 브리지로 동작할 경우
V
a
b
는 (
±
V
i
n
)의 값을 갖는다. 이때 LLC 공진형 컨버터에서 스위치 고장이 발생할 경우
V
a
b
에 전압 스파이크가 발생하여 연쇄적인 스위치 고장을 야기할 수 있다. 이에 따라
V
a
b
에 발생하는 전압 스파이크를 저감하기 위해 표 1과 같이 스위치 레그 모드를 변환한다. 표 1은
S
3
에 고장이 발생한 상황에서 전압 스파이크를 막기 위한 하프 브리지 동작을 나타낸다.
S
3
에서 개방 고장이 발생한다면 동일 Leg의 스위치인
S
2
를 상시 단락 시킴으로써 하프 브리지로 동작할 수 있다[5]. 또한
S
3
에 단락 고장이 발생할 경우
S
2
를 상시 개방하여 하프 브리지 회로를 구성한다. 이는 모든 위치의 스위치 고장에 적용 가능하다. 하지만 하프 브리지로 동작할 경우 인버터 단에서
V
a
b
가
V
i
n
, 0으로 출력되어 공진탱크 입력 전압이 풀 브리지 동작 대비 절반으로 감소한다. 이는 컨버터가 목표 출력 전압을 안정적으로 유지하지 못하는 문제로
이어진다.
그림 2. 고장 이전 상태의 LLC 공진형 컨버터 회로도
Fig 2. Pre-fault circuit diagram of LLC resonant converter
그림 3. LLC 공진 컨버터의 고장 후 회로도
Fig 3. Post-fault circuit diagram of LLC resonant converter
일반적으로 LLC 공진형 컨버터의 공진탱크의 전압이득(
M
)은 식 (1)과 같이 품질계수(
Q
), 인덕턴스 비율(
l
), 정규화 주파수(
f
n
)에 의해 결정된다. 이때
f
n
은 식 (2)와 같이 공진 주파수(
f
r
)와 스위칭 주파수(
f
s
w
)의 비율로 계산된다. 또한
l
은 식 (3)과 같이 공진 인덕턴스(
L
r
)와 자화 인덕턴스(
L
m
)의 비율로 계산할 수 있으며,
Q
는 식 (4)와 같이
L
r
, 공진 커패시턴스(
C
r
.
t
o
t
a
l
), 식 (5)의 부하 등가 저항(
R
a
c
.
e
q
)으로 구성된다. 이에 따라 입력 전압의 변동에 대응하여 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation, PFM) 기법을 활용한
공진탱크 전압이득 가변 방식으로 일정한 전압을 출력한다. 그러나 고장 이전 상태(Pre-fault)의 출력에 맞춰 설계된 공진 파라미터로는 PFM을
통해 고장 후(Post-fault) 상황에서 요구되는 두 배의 전압이득 달성이 어렵다. 따라서 Post-fault 상황에서 요구되는 전압이득 달성을
위해 공진 파라미터를 가변한다. 이때 가변할 수 있는 공진 파라미터는
C
r
.
t
o
t
a
l
과
L
r
이다. 이때
L
r
은 회로 구성을 통해 가변하기에 어려움이 있으며,
L
r
가변 시
l
이 변하여 설계 조건의 복잡성이 증가한다[6]. 이에 따라
C
r
.
t
o
t
a
l
를 가변하여 공진탱크 전압이득을 조정함으로써 감소하는 공진탱크 입력 전압을 보상한다.
제안하는 페일 세이프 시스템은 스위치 고장 발생 시 그림 2의 회로에서 스위치를 동작하여
C
F
a
i
l
-
s
a
f
e
를 기존의
C
r
에 병렬 연결한다. 이는 그림 3과 같이 구성되며,
C
r
.
t
o
t
a
l
은 식 (6)과 같이 증가한다. 이때 식 (4)에 따라
C
r
.
t
o
t
a
l
의 증가에 비례해
Q
가 감소한다. 이에 따라
M
을 증가시킴으로써 스위치 고장으로 발생하는 전압 강하를 보상한다.
2.2 Pre-fault 공진탱크 설계
표 2. LLC 공진형 컨버터 파라미터
Table 2. Parameters of LLC Resonant converter
|
Parameters
|
Symbols
|
Values
|
|
P
o
u
t
|
정격 전력
|
1.8 kW
|
|
V
i
n
|
입력 전압 범위
|
300-420 V
|
|
V
i
n
.
n
o
m
|
정상상태 입력 전압
|
360 V
|
|
V
o
u
t
|
출력 전압
|
12 V
|
|
C
o
|
출력단 커패시터 용량
|
1 mF
|
|
L
r
|
공진 인덕턴스
|
51
μ
H
|
|
L
m
|
자화 인덕턴스
|
138
μ
H
|
|
C
r
|
공진 커패시터 용량
|
50 nF
|
|
n
|
권수비 (
N
1
/
N
2
)
|
30
|
|
f
r
|
공진 주파수
|
100 kHz
|
페일 세이프 공진탱크의 회로는 참고문헌[7]에서 제안하는 FHA 기법을 기반하여 설계한다. LLC 공진형 컨버터의 동작 환경과 전력밀도를 고려하여 공진탱크의
f
r
을 선정하며,
l
, 권수비(
n
), 최소 전압 이득(
M
m
i
n
), 최대 전압이득(
M
m
a
x
)을 각각 식 (3), 식 (7), 식 (8), 식 (9)로 선정한다. 이에 따라 선정된 조건들을 활용하여 Worst-case의 전압이득(
M
c
r
i
t
)을 식 (10)과 같이 계산한다. 이때
M
c
r
i
t
은 공진탱크 전압이득이 급변하는 Worst-case의 전압이득이며,
M
c
r
i
t
와
l
, LLC 공진형 컨버터 최소 입력 전압(
V
i
n
.
m
i
n
),
n
, 정격 용량(
P
o
u
t
), 효율(
η
) 등의 파라미터를 적용하여 식 (11)- (13)을 계산한다. 이때
η
는 95%로 가정한다. 또한
V
i
n
.
m
i
n
은 최소 입력 전압,
V
i
n
.
m
a
x
는 최대 입력 전압,
V
i
n
.
n
o
m
은 정상상태 입력 전압이며, 이는 각각
V
i
n
.
m
i
n
= 300V,
V
i
n
.
m
a
x
= 420V,
V
i
n
.
n
o
m
= 360V이다. 이후 식 (10)- (13)을 활용하여 공진 파라미터 식 (14)- (16)을 설계하면 Pre-fault 상태의 공진 네트워크는 표 2와 같이 설계된다.
그림 4. Pre-fault 상태의 전압이득 곡선
Fig 4. Voltage gain curve under Pre-fault conditions
그림 4는 표 2와 같이 Pre-fault 상태의 공진 네트워크 파라미터를 기반으로 식 (1)을 활용하여
f
n
에 대응하는 공진탱크의 전압이득 곡선을 나타낸 것이다. 이때 부하의 변화에 따라
R
e
q
.
a
c
가 변하므로 식 (4)에 의해
Q
도 변화하게 된다[8]. 그 결과 동일한 공진 파라미터에 조건에서 부하 변화에 따른 전압이득을 식 (1)을 통해 전압이득 곡선으로 도출하면, 표 2의 파라미터로 동작하는 부하별 공진탱크 전압이득 곡선은 그림 4와 같이 나타난다. 이때 Pre-fault 상황에서 표 2의 입력 전압 범위(
V
i
n
)에 대응하기 위한 공진탱크의 동작 조건
M
m
a
x
,
M
m
i
n
은 식 (8), (9)와 같으며, 계산 결과 각
M
m
a
x
= 1.2,
M
m
i
n
= 0.857이다.
고장 후(Post-fault) 상황에서 공진탱크의 최대 전압이득(
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
)과 최소 전압 이득(
M
m
i
n
F
a
i
l
-
s
a
f
e
)은
M
m
a
x
와
M
m
i
n
의 두 배가 되어야 한다. 하지만 그림 4에서 최대 출력 부하 시 공진탱크의
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
는
M
m
a
x
의 두 배인 2.4에 도달할 수 없는 것을 확인할 수 있다.
2.3 Post-fault 공진탱크 설계
Post-fault 상태에서
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
가
M
m
a
x
의 두 배에 도달하기 위해 적절한
C
F
a
i
l
-
s
a
f
e
의 설계가 요구된다. 이에 따라
C
F
a
i
l
-
s
a
f
e
의 설계 조건인
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
에 대응하여
Q
F
a
i
l
-
s
a
f
e
를 선정한다.
Q
F
a
i
l
-
s
a
f
e
를 설계하기 위해 공진탱크의 전압이득 특성을 분석한다. 공진탱크는 공진탱크 입력 임피던스에서 리액턴스 성분이 0이 될 때 전압이득이 최대가 된다.
이에 따라 식 (17)에서 리액턴스가 0이 되는 조건으로 수식을 유도하면, 식 (18)과 같이 리액턴스가 0이 되는 지점의 품질계수(
Q
'
)를 수식적으로 유도할 수 있다. 이때 식 (1)의
Q
에
Q
'
을 대입하면, 전압이득에 관한 수식을 식 (19)와 같이
f
n
과
l
로 정리할 수 있다[9]. 이후 식 (19)를
f
n
에 관한 수식으로 정리하고
M
'
에
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
를 대입하면, 리액턴스가 0일 때 최대 전압이득이
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
인 최소 정규화 주파수(
f
n
.
m
i
n
)을 식 (20)과 같이 추출할 수 있다. 이때
f
n
.
m
i
n
을 식 (18)의
f
n
에 대입하면,
f
n
.
m
i
n
으로 동작했을 때 공진탱크 전압이득이
M
m
a
x
F
a
i
l
-
s
a
f
e
인 품질계수(
Q
F
a
i
l
-
s
a
f
e
)를 식 (21)과 같이 선정할 수 있다.
식 (21)을 통해 추출한
Q
F
a
i
l
-
s
a
f
e
를 식 (4)를 재구성한 식 (22)의
Q
F
a
i
l
-
s
a
f
e
에 대입하면, 결과적으로 Post-fault 시 출력 전압을 일정하게 유지하기 위한
C
r
.
t
o
t
a
l
을 설계할 수 있다.
C
r
.
t
o
t
a
l
설계 후, 식 (6)을 활용하면 페일 세이프 시스템의 보상회로
C
F
a
i
l
-
s
a
f
e
를 설계할 수 있으며, 이는 식 (23)과 같다.
따라서 페일 세이프 시스템이 적용된 LLC 공진형 컨버터를 설계하는 절차는 그림 5와 같다.
그림 5. 페일 세이프가 적용된 LLC 공진형 컨버터 설계 순서도
Fig 5. Design flow of an LLC resonant converter with Fail-safe
Pre-fault 동작의 최적 설계를 위해 LLC 공진형 컨버터의 입력 전압 범위를 산정하고 Pout 및 Vout 조건을 정의한다. 이에 따라 Vin.nom을
기준으로 n을 선정하고 입력 전압의 변동에 대응하기 위해 Mmax, Mmin를 계산한다. 이때 Mmin과 Mmax를 활용하여 l과 Q를 선정하며,
선정된 l과 Q를 기반으로 Lm, Lr, Cr을 설계한다. 이 과정을 통해 설계된 Pre-fault 시 공진 파라미터는 표 2와 같다. 이후 설계된 표 2의 파라미터를 기반으로 Post-fault 동작을 위한 보상회로의 전압이득 MmaxFail-safe, MminFail-safe를 산정한다. 산정된
MmaxFail-safe, MminFail-safe를 설계 조건으로 선정하여 fn.min, QFail-safe를 계산한다. 또한 QFail-safe를
활용하여 CFail-safe를 설계한다. 결과적으로 표 2의 1.8kW급 LDC용 LLC 공진형 컨버터에 페일 세이프 시스템을 적용하면 CFail-safe는 114nF으로 설계된다. 이때 설계된 표 2와 CFail-safe를 적용하여 공진탱크의 전압이득 곡선을 출력하면, 그림 6과 같다.
그림 6. Post-fault 상태의 전압이득 곡선
Fig 6. Voltage gain curve under Post-fault conditions
그림 6은 페일 세이프 공진 파라미터가 적용된 LLC 공진형 컨버터의 전압이득 곡선이다. 이때 CFail-safe로 페일 세이프 동작 시 Post-fault
전압이득 조건인 MmaxFail-safe = 2.4와 MminFail-safe = 1.714에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
3. 시뮬레이션
제안한 방법을 적용하여 LLC 공진형 컨버터의 페일 세이프 시스템을 설계하며, 타당성을 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증한다. 이때 고장 검출 이후
제안하는 페일 세이프 시스템의 전압 강하 보상 능력을 검증하기 위해 고장은 25msec에 인위적으로 주입하며, 고장 검출 알고리즘 없이 0.2msec
후 페일 세이프 시스템을 동작하여 페일 세이프 시스템의 실효성을 검증한다. LLC 공진형 컨버터의 파라미터는 앞서 설계된 CFail-safe와 표 2에 나타낸 값을 사용하며, Duty는 0.5로 고정한다. 이때 제어기의 포화 방지를 위해 페일 세이프 동작 시, CFail-safe가 반영된 공진
주파수를 기준으로 소프트스타트(Soft-start) 동작을 수행한다.
그림 7부터 그림 12는 본 논문에서 제안한 페일 세이프 메커니즘이 적용된 LLC 공진형 컨버터에 대해 스위치 S4의 개방 및 단락 고장이 발생했을 때의 시뮬레이션 결과를
나타낸다. 이때 출력 부하를 각각 100%, 70%, 50%, 30%로 시뮬레이션을 진행하여 부하에 따른 페일 세이프 출력 특성을 검증했다.
그림 7. 스위치 S4 개방 고장 시 전압 Vab의 전압 스파이크 파형
Fig 7. Voltage spike waveform of the voltage Vab during an open-circuit fault of switch
S4
그림 7은 S4에서 개방 고장이 발생한 후 ir과 Vab의 파형이다. 스위치 개방 고장 발생 시, ir과 Vab의 크기가 절반으로 감소하며, Vab에서 전압
스파이크가 발생한다. 이때 0.2msec 후 페일 세이프 동작을 가동한다.
그림 8. 스위치 S4 개방 고장 상황에서 페일 세이프 동작 시, Vab 파형
Fig 8. Vab waveform under switch S4 open-circuit fault with fail-safe operation
그림 8은 개방 고장 상황에서 페일 세이프 가동 시, ir과 Vab의 파형이다. 페일 세이프 동작 시, 하프 브리지 모드 동작으로 인해 Vab의 전압 스파이크가
저감되는 것을 확인할 수 있다. 또한 CFail-safe의 병렬회로 구성으로 Cr.total이 증가함에 따라 ir가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그림 9. 스위치 S4 단락 고장 시 전압 Vab의 전압 파형
Fig 9. Voltage waveform of the voltage Vab during a short-circuit fault of switch
S4
그림 9은 S4의 단락 고장 발생이 발생한 후 ir과 Vab의 파형이다. 스위치 단락 고장 발생 시, ir의 크기는 감소하지 않지만 Vab의 크기가 감소하며,
고장이 발생한 레그로 과전류가 흐를 수 있다. 이때 0.2msec 후 페일 세이프 동작을 가동한다.
그림 10. 스위치 S4 단락 고장 상황에서 페일 세이프 동작 시, Vab의 전압 파형
Fig 10. Voltage waveform of Vab during fail-safe operation under switch S4 short-circuit
fault condition
그림 10은 단락 고장 상황에서 페일 세이프 가동 시, ir과 Vab의 파형이다. 페일 세이프 동작 시, 하프 브리지 모드 동작으로 인해 Vab의 전압은 Pre-fault의
절반이 되며, 고장 스위치로 과전류가 흐르는 것을 방지한다. 또한 CFail-safe의 병렬회로 구성으로 Cr.total이 증가함에 따라 ir가 증가하는
것을 확인할 수 있다.
그림 11. 스위치 개방 고장 시뮬레이션 결과 (a) 100% Load, (b) 70% Load, (c) 50% Load, (d) 30% Load
Fig 11. Simulation results of switch open Failure situation simulation (a) 100% Load,
(b) 70% Load, (c) 50% Load, (d) 30% Load
그림 11은 S4 스위치의 개방 고장에 대한 페일 세이프 동작의 시뮬레이션 결과이다. 이때 고장은 25msec에 인위적으로 주입하였으며, 고장 발생 직후 0.2msec가
경과한 시점에서 제어기는 자동으로 하프 브리지 모드로 전환되어 동작하도록 설계되었다. 또한 고장 대응 과정에서 출력 전압의 유지 및 빠른 복구를 위해
공진탱크 회로에 SFail-safe를 통해 CFail-safe를 결합했다. 해당 커패시터는 기존 Cr과 병렬로 연결되며, 고장 상황에 따라 공진 회로의
Cr.total을 변경하여 공진탱크 전압이득을 조정하는 역할을 수행한다. 그 결과 개방 고장 발생 후 출력 전압이 일시적으로 감소했으나, CFail-safe가
동작함에 따라 출력 전압은 0.5msec 이내에 목표 전압인 12V로 회복되었으며, 1msec 이내에 정상상태에 도달했다. 이때 각각 100%, 70%,
50%, 30%의 부하 상태에 대응하여 모두 정상상태에 도달하는 것을 검증했다.
그림 12. 스위치 단락 고장 시뮬레이션 결과 (a) 100% Load, (b) 70% Load, (c) 50% Load, (d) 30% Load
Fig 12. Simulation results of switch short Failure situation simulation (a) 100% Load,
(b) 70% Load, (c) 50% Load, (d) 30% Load
그림 12는 그림 11과 동일한 조건에서 S4 스위치에 단락 고장이 발생한 경우의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 단락 고장 발생 시에도 0.2mesc 후 제어기는 하프 브리지
모드로 자동 전환되어 동작했으며, 이를 통해 추가적인 스위칭 소자 고장과 제어 불안정성을 야기할 수 있는 원치 않는 극전압을 차단할 수 있었다. 이때
하프 브리지 모드 동작으로 인한 출력 전압 강하를 보상하기 위해 SFail-safe로 Cr과 CFail-safe의 병렬회로를 구성하여 Cr.total의
용량을 변화시켰다. 이에 따라 공진 파라미터가 조정되어 출력 전압의 급격한 저하를 억제했다. 시뮬레이션 결과, 스위치 고장 발생 시 출력 전압은 고장
후 약 0.5 msec 이내에 목표 전압으로 회복되었으며, 1msec 이내에 정상상태에 도달하였다. 이를 통해 제안된 페일 세이프 구조가 SFail-safe
기반의 Cr.total의 용량 가변을 활용하여 개방 및 단락 고장 상황에서도 출력 전압을 신속히 복구하고 안정적으로 유지할 수 있음을 확인하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 LLC 공진형 컨버터의 전압 유지 시스템 및 회로를 제안한다. 제안 방식은 스위치 고장 시 풀 브리지 동작에서 하프 브리지 동작으로
전환하여 극전압 스파이크를 억제하고 동시에 SFail-safe를 통해 추가적인 페일 세이프 커패시터를 공진 커패시터와 병렬로 연결함으로써 감소한 공진탱크
입력 전압을 보상한다. 이를 위해 FHA 기반의 해석 기법을 적용하여 페일 세이프 커패시터 용량을 산정하는 설계 절차를 제시하였으며, 설계된 공진
네트워크가 고장 이후에도 요구되는 전압이득 조건을 만족함을 이론적으로 확인하였다. 또한 PSIM 시뮬레이션을 통해 스위치 개방 및 단락 고장 상황을
모의한 결과, 제안된 페일 세이프 보상 회로가 출력 전압을 0.5msec 이내에 목표 전압으로 회복시키고 안정적으로 유지함을 검증하였다. 따라서 본
연구에서 제안한 페일 세이프 설계 방법은 LLC 공진형 컨버터의 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 전기자동차 내 안전 필수 부하에 대한 연속적인
전원공급을 보장할 수 있음을 확인하였다.
향후 연구로는 추가 하드웨어 없이 고장의 유형과 위치를 정확히 판별할 수 있는 진단 알고리즘을 개발하여, 보다 지능적이고 신속한 페일 세이프 동작을
구현하는 것을 목표로 한다.
Acknowledgements
본 연구는 2025년도 교육부 및 경상남도의 재원으로 경상남도RISE센터의 지원을 받아 수행된 지역혁신중심 대학지원체계(RISE)의 결과입니다. (2025-RISE-16-001)
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저자소개
received his B.S. degree in Department of electrical engineering from Gyeongsang National
University, Jinju, South Korea, in 2025. He is currently pursuing his M.S. degree
in electrical engineering from Gyeongsang National University, Jinju, South Korea.
His current research interests include power electronics, High-reliability power conversion
system and LLC resonant converter.
received B.S. degree in Electrical Engineering from Gyeongsang National University,
Jinju, Korea, in 2024. He is currently pursuing his M.S. degree at Gyeongsang National
University, Jinju, Korea. His research interests are bidirectional and fast charging
for mobility applications.
He received a B.S. degree in Electrical Engineering from Pai Chai University, Daejeon,
South Korea, in 2024. He is currently pursuing an M.S. degree in Electrical and Electronic
Engineering at Pai Chai University in 2025. He is interested in and conducting research
on the interconnection and optimization of distributed generation in distribution
networks.
He received the B.S. degree in electronic electricity computer engineering from Hanyang
University, Seoul, South Korea, in 2011, and the unified M.S. and Ph.D. degrees in
electrical engineering from Hanyang University, in 2018. In 2017, he was a Visiting
Scholar with the National Renewable Energy Laboratory, Colorado, USA. In 2018, he
was a Postdoctoral Researcher with the Department of Electrical Engineering, Kyungpook
National University, Deagu, South Korea, where he worked as a Research Professor,
in 2019. He is currently an Assistant Professor with the Department of Electrical
Electronic Engineering, Pai Chai University, Daejeon, South Korea. His current research
interests include integration of renewable energy and optimization of distributed
energy resource in micro-grid.
received B.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Hanyang University,
Seoul, South Korea, in 2013 and 2019, respectively. He was a senior researcher with
the LS ELECTRIC R&D Center, Anyang-si, South Korea in 2019. From 2019 to 2021, he
was a senior researcher with the Korea Automotive Technology Institute (KATECH), Cheonan-si,
South Korea. From 2021 to 2022, he was an assistant professor with the Daejin University,
Pocheon-si, South Korea. Since 2022, he has been with Gyeongsang National University,
Jinju-si, South Korea, where he is currently an associate professor with the Department
of Electrical Engineering. His current research interests include modeling and control
of distributed power conversion systems, converters for renewable energies, microgrids,
and power converters for electric vehicles.