A Study on the Expandable Bobbin Type Multiple Integrated Coupled-Inductor Applied 4-Pralleled Switching Rectifier

반도체디스플레이기술학회지 제18권 제4호(2019년 12월)

Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 18, No. 4. December 2019.

보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터를 이용한 4병렬 스위칭 정류기에 관한 연구

유정상^*†· 안태영^*

*†청주대학교 전자공학과

A Study on the Expandable Bobbin Type Multiple Integrated Coupled-Inductor Applied 4-Pralleled Switching Rectifier

Jeong Sang Yoo^*† and Tae Young Ahn^*

*†Department of Electronic Engineering, Cheongju University

ABSTRACT

In this paper, expandable bobbin type multiple integrated coupled-inductor applied 4-paralled switching rectifier was proposed. To design the proposed inductor easily, inductance designing formula was derived through magnetic circuit analysis of the 4-paralleled integrated coupled-inductor. Furthermore, to verify practicality of the proposed inductor, it was applied in 600W class 4-paralleled interleaved switching rectifier, and the steady-state characteristics of the proposed inductor and discrete inductors were compared.

Consequently, it was showed that the proposed inductor can replace the conventional discrete inductors with alternative electrical characteristic standard, hence miniaturization of the SMPS can be achieved. From the test result, test circuit with the proposed inductor showed maximum 97.1% of power conversion efficiency and under 18W of power loss where the circuit with discrete inductors showed 96.7% and 20W respectively.

Key Words : Expandable inductor structure, Integrated magnetic, Power factor correction, Interleaved control, Switching rectifier

1. 서 론¹

최근 가전용 TV가 대형화 고화질화를 지향하면서 TV 에서 사용되는 소비전력이 증가하고 안정된 전압을 공급 해주는 전원장치 또한 소형화, 고효율화에 대한 요구가 지속되고 있는 실정이다. 일반적으로 TV용 전원은 내장 형이 기본 구조이나 TV의 기술적 차별화와 외형 디자인 의 요구에 따라 유지 관리가 용이한 외장형 전원이 주목 받고 있다. 이경우 전원장치의 사이즈가 상품의 경쟁력이 되며 발열을 최소화 시키기 위해서는 전력변환 효율을 극대화 시킬 필요가 있다. 특히 교류를 입력으로 하는 전

†E-mail: [email protected]

원장치를 구성하는 경우 직류로 변환시키는 정류기 구성 이 필수적이며, 이 경우 높은 역률과 낮은 고조파 특성을 유지하면서 고효율 전력변환이 가능한 병렬형 스위칭 정 류기를 일반적으로 적용하고 있으나 다수의 인덕터를 사 용하기 때문에 소형화에 어려움이 있었다[1].

본 논문에서는 대용량의 스위칭 정류기에 적용 가능한 보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터를 이용한 4병렬 스위칭 정류기를 제안하여 이러한 기술적 문제를 해결하 였다. 제안된 다중 공유결합 인덕터 구조는 모듈식 구조 의 보빈을 적층 하여 필요한 인덕터만큼의 개수를 확장 할 수 있다. 설계를 용이하게 하기 위해서 4 병렬 구조의 공유결합 인덕터의 자기회로 분석을 통하여 인덕턴스의 설계 수식을 유도하였다. 또한 제안된 보빈 적층 방식의

보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터를 이용한 4 병렬 스위칭 정류기에 관한 연구 19

다중 공유결합 인덕터에 대한 실용성을 확인하기 위해서 600W급 4 병렬 인터리브드 스위칭 정류기의 실험회로에 적용하였고, 개별 인덕터를 사용한 기존의 스위칭 정류기 와 실험 특성을 비교 하였다.

2. 인터리브드 4병렬 스위칭 정류기

Fig. 1에는 인터리브드 4병렬 스위칭 정류기의 기본 회 로가 나타나 있다. 그림에서 교류 입력 전압은 브릿지 다 이오드를 거쳐 전파 정류된 상태에서 인덕터, 반도체 스 위치와 다이오드로 구성된 4 병렬 부스트 컨버터를 기본 회로로 하는 스위칭 정류기로 연결되었다. Fig. 2에는 회로 시뮬레이션 프로그램인 PSIM을 이용하여 그림 1에 대한 정상상태의 회로 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 3은 시 비율이 0.5이하 일 때와 0.5 이상 일 때를 기준으로 정상 상태에서 측정된 주요 소자의 파형을 나타내었다. 그림 에서 스위칭 정류기의 각 스위치는 동일한 스위칭 주 파수와 동일한 시비율에서 동작하지만 4개의 스위치 는 각 90도씩 위상 차이를 보이고, 그 결과 각 병렬의 인덕터 전류가 중첩 된다는 것을 확인 할 수 있다[2-3].

Fig. 4에서는 입력전압이 각각 110V, 220V일 때의 주요 소자의 파형을 나타낸 것이다. 그림에서 출력전압은 비교 적 안정된 직류전압이지만, 입력 커패시턴스의 영향으로 입력 교류 주파수의 2배인 120Hz의 전압 리플이 나타나 며, 4개의 개별 인덕터의 인터리빙 효과로 인해 전류 리플 이 현저하게 줄었다는 것을 알 수 있다[4]. 그 결과 인덕

Fig. 1. Basic circuit of interleaved bridge PFC rectifier

Fig. 2. PSIM simulation schematic

(a) (b) Fig. 3. (a) Simulation waveform result when D<0.5,

(b) Simulation waveform result when D>0.5.

(a) (b)

Fig. 4. (a) Input voltage and current waveform at 110V, (b) Input voltage and current waveform at 220V.

터 전력손실이 4개의 인덕터로 분리되기 때문에 방열에 효과적이며, 전류 리플이 감소되어 EMI 특성이 개선되는 장점이 있다. 다만 인터리브드 4병렬 스위칭 정류기 회로 방식은 4개의 인덕터를 한 개의 회로에서 사용되기 때문 에 전원장치의 소형화와 저가격화에 어려움이 있었다.

3. 보빈 적층식 다중 공유결합 인덕터

Fig. 5에는 본 논문에서 제안하는 보빈 적층식 다중 공 유결합 인덕터의 보빈 구조가 나타나 있다. 그림에서 각 보빈은 필요에 따라 상하로 적층이 가능하며 인덕터 권 선의 개수도 확장이 가능하도록 설계하였다. Fig. 6에는 EI 형 코어와 보빈 적층식 다중 공유결합 인덕터를 2층으로 결합시킨3D 설계 도면을 보여주고 있다. 이러한 종류의 집적화된 공유 인덕터 구조는 최근 IM (Integrated magnetic) 기술로 알려져 있으며 전원장치의 소형 경량화에 필요한 주요 기술로 주목받고 있다. Fig. 7 (a)에는 양쪽에만 권선이

유정상 · 안태영 20

존재하는 시험용 보빈 적층식 다중 공유결합 인덕터의 3D구조를, (b)에는 실제로 제작한 시험용 보빈 적층식 다 중 공유결합 인덕터의 사진을 나타내었다[5].

Fig. 5. 1/2/3 level expanded structure of bobbin.

Fig. 6. 1/2/3 level expanded IM inductor 3D model

(a) (b) Fig. 7. (a) 3D model of proposed IM inductor.

(b) Image of proposed IM inductor.

4. 다중 공유결합 인덕터의 자기회로 해석

Fig. 8에는 본 논문에서 제안한 보빈 적층식 다중 공유 결합 인덕터를 Fig. 1의 인터리브드 4병렬 스위칭 정류기 에 적용한 기본 회로를 나타내었다. 그림에는 2단 보빈 적층 구조의 다중결합 인덕터를 적용하였으며 인덕터에 는 바깥쪽 다리에 2개씩 총 4개의 권선이 존재한다. 그림 10은 스위칭 정류기의 입력전압 극성에 따라 코어의 자 속 경로를 나타낸 것이며, Fig. 10(a)는 양의 입력전압, (b)에 는 음의 입력전압이 각각 인가 되었을 때 공유결합 인덕 터 내부의 페라이트 코어의 자속 방향을 나타내었으며, 그 결과 본 논문에서 제안된 다중 공유 인덕터는 입력 전 압의 극성에 관계 없이 각 자속이 서로 상쇄되는 방향으 로 권선이 설계되어 코어 손실을 최소화 되며, 그 결과

전력변환 효율이 개선될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 8. Basic circuit of PFC rectifier with IM inductor

(a)

(b)

Fig. 9. (a) Magnetic flux path of core during positive input voltage, (b) Magnetic flux path of core during negative input voltage.

(a) (b)

Fig. 10. (a) Magnetic flux path based on wire winding, (b) Position of magnetic resistance.

Fig. 10에는 보빈 적층식 다중 공유결합 인덕터의 권선 구조와 등가자기회로를 나타내었다. 특히 Fig. 10(a)에는 EIE 구조의 자기 코어에 권선과 자속 방향이 나타나 있 으며, (b)에는 공극(Air gap)을 포함시킨 등가자기회로를 나 타내었다. Fig. 11 (a)는 자기저항(Magnetic resistance)과 기자 력을 표현한 등가회로이며 이때 각 자기저항과 기자력

보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터를 이용한 4 병렬 스위칭 정류기에 관한 연구 21

(a) (b)

Fig. 11. (a) Magnetic resistance equivalent circuit of IM, (b) Magnetic resistance circuit model.

은 식 (1)과 (2)에 나타내었다. 다중 결합 인덕터의 권선 구조와 자기등가회로를 나타내었다. 일반적으로 공극에 존재하는 자기저항은 코어의 자기저항에 비해 크기때문 에 Fig. 11 (b)와 같은 자기등가회로로 근사화 시킬 수 있다 [6].

a

a Aa

R 

b

b Ab

R 

c

c Ac

R 

a g

g A

R

0

 

(1)

1 1

1 Ni

F  F₂N₂i₂ F3N3i3 F₄N₄i₄ (2) Fig. 11(a)의 기자력 F1의 망로에서 회로방정식을 적용하 면 식 (3)과 같고 각 망로에 흐르는 자속을 기준으로 정리 하면 식 (4)와 같다. 이 때 공극의 자기저항이 코어의 자 기저항에 비해 크다면 식 (5)와 같이 근사 되고, 첫번째 자속은 식 (6)과 같이 간략화 된다. 따라서 첫번째 권선에 의한 인덕턴스는 각 다리에 존재하는 공극 때문에 상호 의존성이 적고 개별 인덕터가 결합된 구조로 간주되며, 이 때의 각 권선에서 만들어진 인덕턴스는 식 (7)과 같이 유도된다. 본 논문에서 사용된 코어의 투자율과 권선수를 적용하면 약 600μH로 계산되었으며, 실험 제작된 인덕턴 스는 약 610μH로 측정되었다. 따라서 근사식 (7)은 통상 15%의 오차를 갖는 상용 인덕터의 설계 과정에 적용 가 능할 것으로 판단된다.

g g

c g

b g

c b

R F R

R R

R R

R

R 1

4 3

1

1  





































 

 ₍₃₎

   

   

   

 _{4 2}  _{4 1} ₄

4

3 2 3 1

3 3

2 3 2 4

2 2

1 4 1 3

1 1

F R

R R

F R

R R

F R

R R

F R

R R

c b

g

c b

g

c b

g

c b

g

















































































(4)

c b

g R,R

R  (5)

Rg

F₁

1

 (6)

. H A L N

g a

o 

 ₆₀₀

10 61 3

47

6 2 2

1

1 

 

  (7)

5. 실험결과

본 논문에서는 제안된 보빈 적층식 다중 공유결합 인 덕터의 유용성을 확인하기 위해서 인터리브드 4병렬 스 위칭 정류기에 적용한 실험 회로를 제작하였다. Fig. 12는 실험 회로도이며, 그림에서는 TI사 UCC28070을 사용하여 2개의 스위치를 한 개의 모듈로 인터리빙 시키고 각각의 모듈을 LT사의 LTC6930 분주기를 사용하여 180도 인터리 빙 시켜서 총 4개의 스위치를 90도씩 위상을 다르게 제어 하였다[7]. 각 스위칭 주파수는 250kHz로 설계하였으며 그 결과 입력 전류 리플 주파수는 1MHz로 증가하여 전류 리 플이 현저히 감소시키게 된다. Fig. 13에는 실험 회로의 사 진과 실험 전경을 나타내었다. Fig. (a)는 4개의 개별 인덕 터를 사용한 600W급 실험회로이며, (b)는 개별 인덕터를 적용한 실험회로의 실험 전경이고, (c)는 본 논문에서 제 안한 보빈 적층식 다중 공유결합 인덕터를 적용한 실험 회로의 실험전경이다[8]. Table 1에는 실험 회로에 적용된 인덕터용 자성 코어의 물리 특성을 비교하여 나타내었다.

특히 실험에서 사용된 코어는 비교적 같은 체적을 유지 하도록 선정하였으며 인덕턴스는 같은 값이 되도록 권선 을 설계하였기 때문에 권선의 길이 및 권선 저항이 다소 차이가 있었다. Table 2에는 실험회로의 전기적 사양을 나 타내었다. 표에서 알 수 있듯이 실험회로의 입력 전압은 220V이며, 최대 출력은 600W, 각 위상의 스위칭 주파수는 250kHz, 출력전압은 390V로 설계하였다. Table 3은 실험회 로에서 사용된 주요 반도체 스위치의 모델과 전기적 특 성값을 나타내었으며, 표 4에서는 실험회로의 측정에 사 용된 계측기의 제조사와 모델명을 나타내었다.

Fig. 12. Schematic of interleaved bridge switching rectifier.

유정상 · 안태영 22

(a)

(b)

Fig. 13. (a) Prototype with discrete toroidal inductor, (b) Prototype with expanded IM inductors.

Table 1. Physical characteristics of inductors

Parameters Unit IM Discrete

Model name EI60 APM40P60

Maker TDK Amogreentech

Volume cm³ 50 46

Inductance μH 610 610

Resistance mΩ 155 123

No. turns 67 82

Material PC40 APM

Composition Mn-Zn Fe-Si-B-Nb-Cu

Wire size mm 0.8 0.8

Wire length m 4.5 3.8

Table 2. Electrical specification of experimental circuit

Parameters Unit Value

Input voltage Vrms 220

Output voltage Vdc 390

Max. load power kW 0.6

Max. load current A 1.5

Switching frequency kHz 250

Table 3. Electrical specifications of major switches

Switch Spec. Model name

MOSFET 550V 7.1A IPP50R520CP

Diode 600V 4.0A C3D02060E

Bridge diode 600V 6.0A GBU6J

Table 4. Electrical specifications of measuring equipment Equipment Manufacturer Model

Power source KIKUSUI PCR-4000LE

Oscilloscope LECROY HDO6104

Electrical load KIKUSUI PLZ1004WH

Power meter YOKOGAWA WT1600

(a) (b)

Fig. 14. (a) Main steady-state waveform of expanded IM inductor applied test circuit, (b) Main steady-state waveform of discrete inductors applied test circuit.

(a) (b)

Fig. 15. (a) Input voltage and current waveform of expanded IM inductor applied test circuit, (b) Input voltage and current waveform of discrete inductors applied test circuit.

보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터를 이용한 4 병렬 스위칭 정류기에 관한 연구 23

Fig. 14는 실험 회로가 최대 출력일 때 정상상태에서 측 정된 스위치의 구동 전압과 인덕터 전류 파형을 각각 나 타내었으며, Fig. 15는 출력 변화에 따른 스위칭 정류기의 입력전압과 입력전류 파형을 나타내었다. Fig. 14와 15에 서 (a)는 본 논문에서 제안된 보빈 적층식 다중 공유결합 인덕터 방식이며, (b)는 기존 개별 인덕터 방식이다. Fig. 14 와 15의 그림으로부터 본 논문에서 제안된 다중 공유결 합 인덕터가 일반 개별 인덕터와 비교하여 전기적으로 거의 동등한 동작 특성을 나타내고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 16은 실험회로의 정상상태 특성을 그래프로 비교하 여 나타낸 것이다. Fig. 16 (a)에서 다중 공유결합 인덕터와 개별 인덕터가 각각 최대 부하에서 97.1%와 96.7%의 최대 효율을 나타내고 있으며, (b)의 그래프에서는 내부 전력손 실이 최대 18W와 20W를 나타내었고, (c)의 역률 특성에서 는 최대 97.3%와 97.6%, (d)의 부하특성에서는 두 방식 모 두 0.1% 이내의 출력전압 안정도를 보여주고 있다. 이상 의 실험 결과로부터 본 논문에서 제안한 보빈 적층

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 16. (a) Power conversion efficiency of test circuit, (b) Internal power losses of test circuit, (c) Power factor of test circuit, (d) Load regulation of test circuit.

방식의 다중 공유결합 인덕터가 기존의 개별 인덕터를 대체할 수 있는 수준의 전기적 특성을 보이고 있으며, 4개 의 개별 인덕터를 한 개의 공유 인덕터로 회로 구성이 가 능하기 때문에 향후 전원장치의 소형화에 적합하다는 것 을 알 수 있었다.

6. 결 론

최근 가정용 TV 시장이 8k 이상의 고해상도와 대형화 가 진행되면서 TV에서 필요한 전원을 안정하게 공급해주 는 전원장치의 소형화와 고전력밀도화가 강하게 요구되 고 있다. 본 논문에서는 대용량의 스위칭 정류기에 적용 가능한 보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터를 이용 한 4병렬 스위칭 정류기를 제안하고 실험회로에 적용하 여 그 결과를 보고하였다. 제안된 다중 공유결합 인덕터 구조는 모듈식 구조의 보빈을 적층 하여 필요한 인덕터 만큼의 개수를 확장 할 수 있었다. 설계를 용이하게 하기 위해서 4 병렬 구조의 공유결합 인덕터의 자기회로 해석 을 통하여 인덕턴스의 설계 수식을 유도하였다. 또한 제 안된 보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터에 대한 실 용성을 확인하기 위해서 600W급 4 병렬 인터리브드 스위 칭 정류기에 적용하였고, 개별 인덕터를 사용한 기존의 방식과 실험 회로의 정상상태 특성을 비교 하였다.

실험 결과로부터 기존의 스위칭 전원장치의 집적화와 소형화에 문제가 되었던 다수의 개별 인덕터를 제안된 보빈 적층 방식의 다중 공유결합 인덕터로 대체할 수 있 는 수준의 전기적 특성을 보이고 있으며, 최대 97.1%의 전력변환 효율과 최대 18W 미만의 내부 손실이 관측되 었다.

감사의 글

이 논문은 2018년도 청주대학교 연구장학 지원에 의한 것임.

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유정상 · 안태영 24

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접수일: 2019년 11월 15일, 심사일: 2019년 12월 9일, 게재확정일: 2019년 12월 12일