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  1. (Department of Energy Engineering, Daejin University, Korea.)



Planar transformer, High frequency dc-dc converter, efficiency, Power density, Arc welding machine

1. Introduction

최근 아크용접기 등의 중대용량의 dc-dc 컨버터가 사용되는 응용분야에서 효율 및 전력밀도의 향상을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 전력밀도 및 효율의 개선을 위한 방법으로 SiC 및 GaN과 같은 WBG(Wide Band Gap) 반도체 소자를 통한 고속 스위칭 연구가 진행되었다(1)-(4). 하지만 수동소자의 개선이 더 이상 어려운 상태가 되어 추가적인 전력밀도의 향상을 위하여 일반 권선 고주파 변압기 대신 평면 변압기를 적용하는 연구가 수행중이다(5)-(9).

다양한 형태의 평면변압기 중에서도 인쇄회로기판(PCB)으로 만들어진 평면변압기는 권선을 사용하는 일반 보빈형 권선변압기에 비하여 더 높은 정밀도와 매개변수의 정확도로 변압기를 제조할 수 있다. 인쇄회로 기판에 대한 연구로 자기 코어 또는 코어가 없는 유형에 대한 연구, PCB 유형 평면변압기의 손실 분석, 최적화 설계에 대한 연구 및 권선 내 커패시턴스를 줄이기 위한 권선구조에 대한 연구 등 다양한 분야에 대한 연구가 활발히 이루어졌다(10)-(12). 다만, 인쇄회로기판 형태의 평면변압기는 동일한 구성에 대하여 인덕턴스의 값이 더 낮게 제한되기 때문에 높은 스위칭 주파수가 필요하다. 하지만 아크 용접기와 같은 고전압 및 대전류 스펙을 가지는 응용분야에서는 스위치의 내압, 전류용량의 문제로 인하여 고속 스위칭에 어려움이 있다. 따라서 인쇄 회로 기판 유형의 평면변압기에 대한 기존의 연구는 주로 노트북이나 디스플레이 등에 사용되는 보조전원 장치와 같은 2~500W 사이의 소용량 분야에서 이루어지고 있다(13)-(19).

일부 분야에서 500W 이상의 평면 변압기에 대한 연구도 진행되고 있다. Kim K.H의 (20)의 연구는 1.5kW의 하프 브릿지 LLC 컨버터용 평면 변압기의 새로운 구조에 대하여 연구하였다. EMI를 저감하기 위하여 새로운 형태의 평면 변압기를 제안하였으며 이에 대해 분석을 진행하였다. Adhistira M Naradhipa의 (21)의 논문에서는 GaN 반도체 소자를 적용하여 700kHz의 스위칭 주파수를 선정하여 1.8kW 차량용 LDC에 평면 변압기를 적용하였다. 위상 천이 풀 브릿지 컨버터를 대상으로 안정적인 동작을 확인하고 5.63kW/L의 전력밀도를 달성하였다. M. K. Ranjram의 (22)의 논문에서는 1MHz 스위칭을 적용하여 1kW POL(Point Of Load) 컨버터용 평면 변압기의 설계 방법을 제시하였다. 병렬 구조를 적용하였으며 동일한 전력 수준의 변압기 보다 12~36%의 전력밀도의 개선과 97.7%의 최고효율을 달성하였다. 하지만 앞서 언급한 것처럼 중대용량의 평면변압기에 대한 연구는 아직까지 미비한 상황으로 중대용량의 dc-dc 컨버터의 효율 및 전력밀도 개선을 위한 대한 연구가 필요하다.

Fig. 1. Series phase shifted full bridge converter

../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.12.1780/fig1.png

Table 1. DC-DC Converters Specification

$V_{in}$

400 ~ 800

[V]

Fsw

100

[$k_{Hz}$]

$_{Vout}$

30

[V]

$P_{out}$

10000

[W]

$I_{out}$

333.3

[A]

따라서 본 논문에서는 10kW급 아크 용접기용 인쇄 회로기판 유형의 평면 변압기의 설계 방법에 대하여 기술한다. 중대용량의 평면 변압기를 대상으로 전력밀도, 효율, 발열을 고려한 설계 내용을 제시하였다. 설계 내용에 대한 타당성을 검증하기 위하여 일반 권선 변압기, 권선형 평면 변압기, 인쇄 회로기판형 평면 변압기를 설계 및 제작하였으며 유한 요소 분석(FEM) 기법을 통한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 기존 권선 변압기와 효율, 전력밀도, 발열 측면에서 비교 분석하였다.

2. Design Approach of Planar Transformer

중대용량의 전력변환장치의 고전압, 대전류 특성에 따라 MOSFET을 적용에는 어려움이 존재하기 때문에 효율 및 발열 등을 고려하여 그림 1과 같이 직렬연결 형태의 풀 브릿지 구조를 선택하였다. 또한, 손실의 개선을 위하여 소프트 스위칭이 가능한 위상 천이 방식을 적용하였으며 이를 위하여 안정적인 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작이 가능하도록 변압기의 누설 인덕턴스를 설계하였다. 또한, 대전류 시스템의 2차 측 손실의 최소화하기 위하여 센터 탭 형태를 선택하였으며 전체 시스템의 기본 파라미터는 표 1과 같다.

2.1 Design Process for a High Frequency Transformer

인쇄 회로 기판형 평면 변압기의 설계 절차는 일반적인 권선 변압기의 설계 절차와 유사한 형태로 진행된다. 전력변환 시스템의 전압 전달 비에 따라서 권선비가 결정되고 적용되는 토폴로지에 따라 필요한 자화 인덕턴스 및 누설 인덕턴스가 설계된다. PSFB(Phase Shifted Full Bridge) dc-dc 컨버터의 경우 최소 입력 전압 및 최대 출력전력 조건에서 출력전압을 유지하도록 설계해야 한다. PSFB dc-dc 컨버터는 위상 천이에 의해 변압기 A-B 양단에 듀티 D의 구간 동안 Vi으로 표현되는 입력전압이 출력되고 그 외 구간에서는 0이 출력된다. 또한 PSFB dc-dc 컨버터의 경우 일반적인 풀 브릿지 컨버터와는 다르게 공진 인덕터에 의한 공진 전류의 극성 전환 및 2차 측 다이오드 환류 동작으로 인하여 변압기에 0전압이 걸리는 구간이 추가적으로 발생한다. 이를 듀티 손실 $D_{loss}$로 표현하였다. $D_{loss}$의 경우 출력전압에 직접적인 영향을 주기 때문에 변압기의 턴 비 선정 시 반드시 고려해야 한다. 또한 2차 측 정류 다이오드의 순방향 전압 VF의 영향도 같이 고려되어야 하며 이 때 출력전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)
$V_{o}= V_{i}\dfrac{N_{s}}{N_{p}}D_{eff}= V_{i}\dfrac{N_{s}}{N_{p}}(D-D_{loss})-V_{f}$

여기서, $D_{loss}$는 듀티 손실, $N_{P}$는 송신측 턴 수, $N_{S}$는 수신측 턴 수, $V_{o}$는 출력전압을 나타낸다. 듀티 손실은 공진 인덕턴스 $L_{R}$, 입력전압 $V_{i}$, 출력 전류 $I_{o}$ 및 스위칭 주파수 Fsw의 관계에 따라 (2), (3) 으로 나타낼 수 있다.

(2)
$D_{loss}=2I_{o}\dfrac{N_{s}}{N_{p}}\dfrac{L_{R}}{V_{i}}F_{sw}$

(3)
$L_{R}= L_{r}+L_{lk}$

여기서, 누설 인덕턴스에 해당하는 $L_{lk}$의 경우에는 스위치 내부 기생 커패시턴스와 공진을 고려하여 수식 (4)에 따라 누설 에너지 $E_{lk}$와 스위치 기생 커패시터의 저장에너지 $E_{C.SW}$ 안정적인 ZVS동작이 가능하도록 설계하여야 한다.

(4)
$E_{lk}> E_{c.sw}$

또한, PSFB dc-dc 컨버터의 동작 원리에 따라서 듀티를 작게 설계하면 할수록 무효 전력 전달 구간이 증가하기 때문에 동일 전력을 전달하기 위해서는 전류 크기의 증가로 도통 손실 및 스위칭 손실이 증가한다. 따라서 손실을 고려한 최적 듀티와 그에 따른 턴 비 설계가 필요하다.

턴 비가 정해지면 변압기의 코어 및 권선에 대한 설계가 필요하다. 일반적인 코어의 설계는 동작 주파수 및 전력전달능력을 기반으로 설계된다. 설계된 턴 비를 바탕으로 초기 턴 수를 설정하고 정격 동작조건에서 변압기의 최대 자속 밀도 $B_{max}$를 다음과 같이 수식 (5)을 이용하여 계산한다.

(5)
$B_{\max}=\dfrac{V_{i}D_{eff}}{4N_{p}A_{e}f_{sw}}$

선정된 코어의 자속밀도에 따른 동손 데이터를 활용하여 동작 주파수에서 발생하는 동손을 수식 (6)을 활용하여 계산하고 코어의 턴 당 평균 길이 MLT(Mean Length per Turn length), 송신측 전류 IPRMS, 수신측전류 ISRMS, 권선의 단면적 A 및 도전율 ρ를 고려하여 수식 (7)과 같이 동손 PW을 구할 수 있으며 기타 손실 Petc까지 고려하여 변압기 전체 손실 PT를 수식 (8)과 같이 나타낼 수 있다. 해당 내용을 바탕으로 선정된 코어의 체적과 발열의 관계에 따라서 최종 턴 수가 선정된다.

(6)
$P_{c}= P_{cv}\times V_{e}$

(7)
$P_w=I_{p r m o}^2 \rho \frac{N_p \times M L T}{A}+2 I_{o r m_0}^2 \rho \frac{N_0 \times M L T}{A}$

(8)
$P_{T}=P_{C}+P_{W}+P_{etc}$

Fig. 2. Pin Connect Type Transformer Heating Points

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Fig. 3. Suggested Planar Transformer Connection

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2.2 Design Approcach of the Proposed Planar Transformer

변압기의 코어를 선정하는 방법은 일반적인 권선 변압기와 PCB 유형의 평면변압기가 동일한 방식으로 선정된다. 다만, 아크 용접기용 PSFB dc-dc 컨버터의 경우 대전류 특성으로 인하여 권선의 두께가 굵어진다. 필요한 자화인덕턴스의 턴 수를 구현하기 위해서는 보다 큰 사이즈의 코어가 필요하다. 또한, 일반적인 권선 변압기의 특성상 코어의 창면적의 활용률이 40~60% 수준으로 최적화되어 있지 않아 변압기의 부피가 커지는 단점이 존재한다. 반면에 인쇄 회로기판 유형의 변압기는 창면적의 활용도가 높고 권선의 자유도가 높아 변압기의 부피를 개선할 수 있다.

인쇄 회로 기판형 변압기는 일반적으로 층간 권선을 연결하고 접합하기 위해 비아, 스루홀 또는 핀 연결 방식을 사용한다. 이 방법은 소용량 전력변환 시스템에서는 큰 문제가 없으나, 중대용량 이상의 시스템에서는 좁아지는 전류 패스로 인하여 발열이 발생한다. 또한, 접합부에서는 발생하는 열로 인한 노후화 및 소손이 발생하여 접촉부의 신뢰성이 현저히 저하된다. 그림 2는 PCB 권선에서 핀으로 연결된 부분을 시뮬레이션으로 구현한 것으로 경로가 좁아지는 부분에서 열이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

이를 해결하기 위해 본 논문에서는 기존 방식과 달리 층간 용접이 필요 없는 평면/심리스 3차원 권선 방식을 적용하여 접촉면적의 신뢰성을 향상시켰다. 대전류 특성을 고려하여 그림 3과 같이 10oz 이상의 헤비카파에 양면 PCB 권선 방식을 적용하여 전류가 안정적으로 흐르게 하는 경로를 확보하였으며, 열과 손실 측면에서 안정적인 동작이 가능하도록 설계하였다.

3. Simulation Study

3.1 Development of FEM analysis model

앞서 언급한 내용을 바탕으로 일반 권선 변압기와 평면변압기를 설계하였다. 각 변압기별 코어 사양과 코어 재질에 대한 정보는 표 23에 나타내었다. 전력 밀도의 개선효과를 비교하기 위하여 비교군으로 일반 권선 변압기를 선정하였고 코어 변화에 대한 내용을 비교하기 위하여 송신측에는 일반 권선, 수신측에는 평면 형태를 적용한 변압기를 제작 하였다. 그리고본 논문에서 제시하는 인쇄 회로 기판형 변압기를 제작하여 총 세 가지 변압기 형태에 대해 비교를 진행하였다.

Table 2.ransformer Core Specification

Core

EE9874

EE6565

W × H × D

[mm]

98 × 37 × 68

65.15 × 32.5 × 27

Core Effective Length

[mm]

183.70

147.00

Core Effective Area

[mm2]

1431.7

535.50

Core Volume

[mm3]

263040

78710

Table 3. Main Specifications of Ferrite Material

Ferrite Material

MTB1

PM16

Permeability

[μ, @25℃, 100kHz]

3400

3400

Resistivity

[Ωm]

6

7

Curie Temperature

[℃]

≥230

≥230

Mass Density

[kgm-3]

4800

4900

Core loss

[kWm-3, @25℃, 200mT]

390

305

Fig. 4. Conventional Transformer Simulation Model

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Fig. 5. Wirewound Planar Transformer Simulation Model

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그림. 6. PCB Type Planar Transformer Simulation model

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연구된 변압기의 3D FEM 메쉬 모델을 그림 4~6에 도시하였다. 모델의 전체 메쉬의 수는 300,000개 이상으로 시뮬레이션 시간과 정확도를 고려하여 설정하였다. 해당 변압기 모델을 기반으로 아크 용접기용 PSFB dc-dc 컨버터의 스펙에 맞춰 시뮬레이션을 수행하였다. 수식을 바탕으로 FEM 시뮬레이션 툴을 이용하여 코어의 각 면과 볼륨에 대한 철손과 권선에 의한 동손의 계산을 수행하였다. 또한, FEM 모델링은 툴의 기능을 사용하여 각 변압기의 재질의 B-H 곡선의 비선형성도 반영되도록 진행하였다.

3.2 Simulation Results

일반 권선 변압기, 권선형 평면 변압기, 인쇄 회로 기판형 평면 변압기 각각에 대하여 자기력선 분포, 자기포화, 온도포화, 손실에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 세 가지 변압기 모두 시스템 동작영역에서 포화되지 않고 정상적으로 동작되도록 모든 조건을 통제하였다.

그림 7그림 8은 부하량 변화에 따른 각 변압기의 동손 그래프이다. 각 변압기 별로 송신측에서 발생하는 동손과 수신측에서 나타나는 동손을 보여준다. 일반 권선을 사용하는 변압기의 손실 증가율이 큰 것을 확인 할 수 있다. 특히, 모의실험 결과에서 보이는 것처럼 일반 권선 변압기에서는 정격 부하를 기준으로 송신측 에서는 126.56W의 동손이 발생하였으며 수신측에서는 498.23W의 동손이 발생하여 총 624.79W의 손실이 발생하였다. 권선형 평면 변압기는 송신측 에서는 110.94W의 동손이 발생하였으며 수신측에서는 387.12W의 동손이 발생하여 총 498.06W의 손실이 발생하였다. 일반 권선 변압기와 권선형 평면 변압기의 송신측은 동일한 와이어를 사용하였으나 수신 측이 일반 와이어인 일반 권선 변압기는 6턴으로 구성되고 권선형 평면 변압기는 4턴으로 구성되어 턴 비에 따른 송신측 턴 수 차이로 인하여 동손의 차이가 나타난 것으로 판단된다. 또한, 수신 측은 일반 권선 변압기에서 평면 형태로 변경되면서 111W의 손실이 저감된 것을 확인하였다. 인쇄 회로 기판형태의 변압기는 송신측 동손 63.55W로 일반 권선 변압기보다 63가 저감되었으며 수신측은 권선형 평면 변압기와 동일하게 나타났다. 동손 저감의 이유는 평면 변압기 구성으로 인해 줄어든 턴 수 및 도선의 저항성분의 개선의 영향으로 판단된다.

Fig. 7. Primary Iron Loss according to the Load

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Fig. 8. Secondary Iron Loss According to the Load

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그림 9는 철손을 포함한 변압기의 전체 손실을 나타내었다. 철손의 경우 인쇄 회로 기판형 변압기가 나머지 두 가지 형태의 변압기보다 작게 발생하였다. 이는 인쇄 회로 기판형 변압기가 권선 두께에 대한 제한이 적어 코어 손실이 작은 코어를 적용 가능하기 때문에 나타나는 결과이다. 철손은 철심의 두께와 재료의 저항률에 의해 결정되기 때문에 보다 작은 사이즈의 코어를 사용하는 것이 히스테리시스 손실 및 와전류 손실 저감에 유리하다. 시뮬레이션 결과 정격 조건을 기준으로 일반 권선 변압기의 전체 손실은 802.23W, 권선형 평면 변압기는 622.57W, 인쇄 회로 기판형 평면변압기는 548.46W로 일반 권선 변압기에 비하여 253.77W의 손실 저감 효과를 확인하였다. 이는 전체 시스템을 기준으로 약 2.5%이다.

Fig. 9. Total Loss According to the Load

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마지막으로 그림 10은 부하에 따른 각 변압기의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 상온 25℃를 기준으로 하여 시뮬레이션을 진행하였으며 온도가 증가하는 양상이 변압기의 손실과 동일 한 형태로 증가하는 것을 알 수 있다. 일반 권선 변압기의 경우 최고 온도가 136℃로 0.13℃/W의 온도 상승을 나타냈다. 인쇄 회로 기판형 평면변압기의 경우 94℃로 0.15℃/W의 온도 상승으로 방열 성능 측면에서는 표면적이 더 넓은 일반 권선 변압기의가 유리하였으나 발생하는 손실의 차이로 인해 최고 온도에서 40℃의 온도 차이가 나타나는 것을 확인 하였다. 주 발열 포인트는 세 가지 변압기 모두 코어와 인접한 2차 측 권선에서 나타났다.

Fig. 10. Transformer Temperature According to Load

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4. Experimental Results

4.1 Experiment Setup

제안한 설계 기법 및 시뮬레이션의 타당성을 검증하기 위해 일반 권선 변압기, 권선형 평면 변압기, 인쇄 회로 기판형 평면 변압기를 그림 11~13와 같이 제작하였고 효율, 전력밀도, 발열 비교하였다. 또한 변압기를 적용하기 위한 프로토 유형의 10kW 아크 용접기용 PSFB dc-dc 컨버터를 그림 14와 같이 제작하여 실험을 수행하였다. 제작된 변압기의 전력밀도를 확인한 결과 일반 권선 변압기는 0.129W/cm3, 권선형 평면 변압기는 0.237W/cm3, 인쇄 회로 기판형 평면변압기는 0.264W/cm3로 나타났다. 사용된 와이어 및 코어의 차이에 의한 것이며 인쇄 회로 기판형 평면변압기의 전력 밀도가 일반 권선 변압기에 비해 204% 향상된 것을 확인하였다.

Fig. 11. Conventional Transformer

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Fig. 12. Wirewound Planar Type Transformer

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Fig. 13. PCB Type Planar Type Transformer

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Fig. 14. Experimental Setup

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4.2 Experimental Results

동일한 환경의 테스트베드를 기반으로 세 가지 유형의 변압기를 각각 교체하여 실험을 수행하였다. 직렬로 구성된 PSFB dc-dc 컨버터에서 발생하는 전류 불균형을 방지하기 위해 밸런싱 코어를 적용하였다.

변압기의 성능을 평가하기 위하여 전력분석기를 이용한 효율시험을 실시하였다. 전 부하 영역에 대해 10% 단위로 측정하여 그 결과를 그림 15에 나타내었다. 세 변압기 모두 60% 부하에서 최대 효율을 달성하였으며, 시뮬레이션과 같이 일반 권선 변압기가 86.6%로 가장 낮았고, 권선형 평면 변압기가 87%, 인쇄 회로 기판형 평면변압기가 87.8%로 가장 높은 효율을 보였다. 일반 권선 변압기와 인쇄 회로 기판형 평면변압기를 비교한 결과 모든 부하 영역에서 효율 차이는 1.2~2.1% 수준으로 시뮬레이션의 효율 차이 보다 다소 적은 차이를 보였는데 이는 스위치에서 발생하는 손실 및 기타 손실 등의 영향으로 판단된다.

Fig. 15. System Efficiency

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마지막으로 발열량을 확인하기 위해 코어 내부, 코어 표면, 권선 및 부스바에 온도기록계를 이용하여 최고 온도를 측정하였다. 세 변압기 모두 코어 내부 온도가 가장 높았으며 일반 권선 변압기는 130.5℃, 권선형 평면 변압기는 115.8℃를 보였다. 인쇄 회로 기판형 평면변압기는 102.2℃를 나타냈다. 시뮬레이션 결과와 같이 인쇄 회로 기판형 변압기의 온도가 가장 낮았으며 최고 온도를 기준으로 28.3℃ 만큼의 온도 저감 효과를 확인하였다.

5. Conclusion

본 논문에서는 중대용량 전력변환 시스템에 적용되는 권선 변압기 및 평면형 변압기의 설계 방법을 제시하였다. 또한 변압기의 성능을 평가하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 통해 비교분석하였다. 시뮬레이션과 실험 모두에서 인쇄 회로 기판형 평면 변압기가 일반 권선 변압기를 사용할 때보다 효율, 전력 밀도, 온도 면에서 더 나은 성능을 보였다. 효율은 정격부하보다 2.1% 높았고, 전력밀도 면에서 204% 우수함을 확인하였다. 또한, 변압기의 온도가 약 28.3°C 더 낮은 것을 확인하였다.

본 논문의 내용을 활용한다면 아크 용접기 뿐만 아니라 점차 대용량화 되고 있는 전기자동차, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등 다른 중대용량용 평면변압기 설계에 도움이 될 것으로 판단된다. 특히, 변압기 발열 개선을 통한 안정성 확보에 도움이 될 것으로 보이며 추가적인 모델에 대한 연구가 진행된다면 보다 정밀한 모델을 통한 손실 및 발열을 예측이 가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

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저자소개

Jae-Gon Yoo
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Born on September 6, 1989.

Graduated from Daejin University Department of Electrical Engineering in 2015.

Graduated from the Department of Electrical Engineering in the same graduate school in 2018 (Master's degree).

2018-present doctoral course in the Department of Electrical Engineering at the same graduate school.

Jong-Soo Kim
../../Resources/kiee/KIEE.2022.71.12.1780/au2.png

Born on March 5, 1975.

Graduated from Sungkyunkwan University Graduate School of Electrical and Computer Engineering in 2008 (Master's degree).

Graduated from the Department of Electrical and Computer Engineering at the same graduate school in 2011.

From 2011 to 2012, Seoil University electrical department lecture professor.

From 2012 to 2013, Samsung Advanced Institute of Technology, MD Research Institute, Power Lab Specialist Researcher.

2013-present Associate Professor, Department of Electrical and Electronic Engineering, Daejin University.

The Society's Finance Director.