기존 연구의 한계점

기존 Class E 인버터 회로에서는 입력에 큰 필터 인덕터를 사용하므로 입력 전류에 스위칭 리플 성분이 거의 없고, 이는 컨버터의 입력 필터 설계에 유리하다. 하지만 공진 회로의 인덕터보다 상대적으로 큰 인덕턴

스를 가지므로 전력 밀도 향상에 제약이 되고 수 MHz~수십 MHz에서도

수 μH~수십 μH의 값으로 설계되어 자성 코어를 사용해야 한다. 또한, 큰

인덕턴스가 컨버터 전체의 과도 응답 특성을 느리게 하는 문제가 있다. 따라서 기존에는 Class E 인버터의 입력 필터 인덕터를 작은 인덕턴스 로 대체하는 연구가 진행되었다 [78]-[87]. 이 경우 입력 인덕터가 더 이 상 DC 전류원으로 기능하지 않으므로 이 입력 인덕터의 인덕턴스를 고 려한 회로 분석 모델이 제안되었다 [78]-[80]. 그러나 이 연구들은 입력 인덕턴스가 어떤 값으로 주어진 상황에서 분석 모델이 얼마나 정확한지 검증하는 데 목적이 있고 입력 인덕턴스의 설계 방법은 제시하지 않았다.

기존 싱글 엔디드 컨버터 연구에서는 다양한 입력 인덕터의 설계 방법 들이 제안되었다. 하지만 대부분은 [82], [89]에서와 같이 스위치의 시비 율을 0.5로 고정하고 수치 해석적 방법(numerical method)을 이용하므로 일반적인 설계 조건에서 사용하기는 어렵다. 한편, 기존에 많은 연구에서 시비율을 0.5로 분석하는 이유는 스위치의 전압 스트레스 VS1,max와 전류 스트레스 IS1,max를 고려해 Po/(VS1,max IS1,max)로 정의되는 스위치 이용률이 최 대가 되는 값이기 때문이다.

또 다른 연구에서는 입력 인덕터 L1과 스위치에 병렬로 연결된 캐패시 터 C1의 공진 주파수 ω1을 특정 주파수로 고정하거나 어느 범위 안에서 튜닝으로 설계한다 [81], [88]. 같은 맥락에서 ω1을 스위칭 주파수의 짝수

배로 설정하는 Even-harmonic Class E 컨버터가 제안되기도 했다 [86]-[87].

V

L

S

C

Z

L

C

Z

Z

그림 2.22 스위치 드레인-소스 단에서 바라본 임피던스 Zds를 이용한 기존 설계 방법

또한, ω1을 정하는 방법으로 그림 2.22와 같이 스위치의 소스-드레인 단에서 바라본 임피던스 Zds를 기반으로 설계하는 것이 있다 [6], [91],

[93]. 이 방법에서는 ZVS를 위해서 스위칭 주파수에서 Zds의 위상이 유도

성이면서 30^○~60^○가 되도록 ω1을 설계한다. 그리고 주어진 출력 전력을 만족하도록 C1을 스위치의 출력 캐패시턴스 값부터 시작해서 튜닝으로 정하고 그렇게 설계된 ω1과 C1으로부터 L1을 구한다. 결론적으로 이 방 법은 파라미터 튜닝으로 ZVS와 출력 전력 조건을 만족할 수 있지만, 설 계 최적화에 사용하기는 어렵다.

입력 인덕턴스가 작으면 인덕터의 크기와 부피를 줄일 수 있다는 장점 도 있을뿐더러 [81]에서 제안된 것처럼 부하 저항 값이 바뀌더라도 스위 치 전압 파형과 ZVS 특성이 유지되는 설계도 가능하다. 그렇지만 기존

(가)

(나)

그림 2.23 (가) 기존 Class E 컨버터. (나) 입력 인덕턴스가 작은 경우.

연구에서는 공진 전류의 크기를 줄이는 전도 손실 최소화 관점에서 분석 및 설계하지 않았다.

그림 2.23(가)는 기존 Class E 컨버터의 경우로 입력 필터 인덕터가 DC 전류원으로 기능한다. 스위치가 꺼져있는 동안 입력 전류 Is는 C1을 충전 시키는 방향으로만 흐르므로 ZVS에 전혀 도움을 주지 않는다. 그래서 C1의 전하를 빼기 위해 공진 전류가 Is보다 꽤 커야 한다. 반면에 그림

2.23(나)와 같이 공진 전류와 비슷한 위상으로 맥동하는 입력 전류 리플

is,ac이 있다면 그림에 표시한 것처럼 입력 전류가 C1의 전하를 Qc만큼 뺄 수 있으므로 ZVS를 위해 필요한 공진 전류가 줄어든다. 따라서 작은 입 력 인덕턴스를 사용할 때 기존 Class E 컨버터보다 공진 전류의 크기와 전도 손실을 줄일 수 있다.

이러한 설계 최적화를 위해 기존 연구와 다르게 시비율을 0.5로 고정

하거나 ω1을 어떤 값으로 한정하지 않는 분석이 필요하다. 또한, 설계 방법으로는 수치 해석적 방법이나 파라미터 튜닝을 기반으로 하지 않아 야 한다. 따라서 일반적인 설계 조건에 적용할 수 있고 설계 통찰력을

줄 수 있는 분석적 모델(analytic model)이 요구된다.

제 3 장 싱글 엔디드 공진형 스위칭 셀을 이용한

컨버터의 분석 및 설계