압전트랜스듀서를이용한승압형공진형직류 - 직류컨버터 343 論文 14-5-1 압전트랜스듀서를이용한승압형공진형직류 - 직류컨버터 朴鍾厚, 徐甲洙 *, 趙普衡 ** ***, 李勁彪 A Resonant-type Step-up DC/DC Converters with Piezoelectric Transducers Joung-Hu Park, Gab-Su Seo, Bo-Hyung Cho, and Kyung-Pyo Yi 요 약 본논문에서는집적가능한전력변환기제작을위하여자화소자가없는전력용직류 - 직류변환기를제안하였다. 자화소자가없는대신, 압전트랜스듀서의유도성임피던스구간을사용함으로써에너지저장및소프트스위칭을위한공진파형을구현하였다. 압전소자는권선이없고전극을사용하여전력을전달하므로, 반도체공정을통한대량생산이가능한장점이있다. 본논문에서는압전트랜스듀서를적용가능한승압형공진형직류 - 직류변환회로를제안하고, 동작모드및주파수제어특성을분석하였다. 또한, 단일컨버터를확장한다중직렬형토폴로지를살펴보고, 동일하게주파수제어특성을분석하였다. 분석결과를검증하기위하여 10W 출력직류 - 직류전력변환기하드웨어를제작하였다. 또한확장형다중직렬컨버터하드웨어를제작하여검증하였다. 단일컨버터와동일하게주파수제어특성을보였으며, 전력변환기로매우우수한효율성능을보임을알수있었다. ABSTRACT In this paper, a magnetic-less dc-dc switching converter realizing an integrable power conversion system is described. Instead of magnetic devices, the inductive impedance range of piezoelectric transducers is utilized to store and resonate the energy for soft-switching. Piezoelectric devices have no windings and deliver the power by the electrodes, which lead to mass product through semiconductor-manufacturing process. This paper presents a resonant-type step-up dc-dc power converter employing a disk-type piezoelectric transducer, analyzing the operation principles and the frequency control characteristics. Also, a topology extension of the single stage converter into cascaded multi-stage is presented and analyzed with the operation principles and control characteristics. For verification of the analysis, a 10W output dc-dc power converter hardware was implemented. The hardware experiments shows a good frequency control and power efficiency greater than 96% in the single stage. A hardware prototype of the extended multi-stage one was also realized and tested. The results shows that the converter has the same frequency control performance and high efficiency such as 93%. Key Words : Piezoelectric transducer, Integrable converter, Step-up, Resonant converter, Magnetic-less 교신저자 : 정회원, 숭실대전기공학부전임강사 E-mail : wait4u@ssu.ac.kr * 학생회원, 서울대전기컴퓨터공학부석사과정 ** 정회원, 서울대전기컴퓨터공학부교수 *** 학생회원, 서울대전기컴퓨터공학부석박사통합과정접수일자 : 2009. 7. 4 1 차심사 : 2009. 8. 5 심사완료 : 2009. 8. 21 1. 서론 현재의전력변환장치는상당히긴설계주기를가지고설계되는데, 이는각부품들이표준화되어있지않아서집적화가불가능하기때문이다. 따라서제품의제조과정이노동집약적이되고, 결국높은제조원가
344 電力電子學會論文誌第 14 卷第 5 號 2009 年 10 月 (a) 현재의전력전자연구개발방식 (b) 미래의전력전자연구개발방식 그림 1 현재의전력전자개발방식과미래의개발방식의비교 [1] Fig. 1 Comparison between a current power electronics development process and the future one [1] 와낮은제품신뢰성이라는결과로나타난다 [1]. 그림 1(a) 는현재의전력변환장치의개발방식을보여주고있다. 설계자가개별소자 (discrete device) 를사용한제품설계를하면, 제조공정에서는인력이투입되어이를조립및검시하여최종제품이나오게된다. 이러한상황은미국을포함한전세계적 ( 중국, 인도를제외한 ) 전력전자산업을크게위축시키는요인으로지적되었다 [1]. 1980 년대, 전력전자는미국의전기산업을이끄는주요성장동력으로간주되었으나 1990 년대들어서, 주요산업체들이아웃소싱혹은분사시키는전략을채택하였다. 결국, 혁신적인솔루션이거의사라지고, 생산은대부분저임금국가로이전되었다 [1]. 이러한경향은최근의아시아저개발국가로의아웃소싱추세에힘입어가속화되었고, 오늘날에는미국을중심으로한선진산업국들이최저예산만을연구개발에투자하는현상이고착화되었다 [1]. 그러나최근의지구온난화및석유대란은에너지절약형전력변환기기개발의사회적요구를증가시켰다. 이러한간극을해소하기위하여미국을위시한선도적연구소들은근래들어전력전자의새로운방향을제시하고있는데, 그중가장대표적인것은전세계에서가장큰전력전자연구그룹인 Center for power electronics systems (CPES) 이제시한 집적화된전력 그림 2 신호처리분야에서집적화를통한놀라운산업신장 ( 무어의법칙 ) 및이를전력전자산업에적용시산업신장율예측곡선 [1] Fig. 2 Exponential industrial increases due to the integration concept in signal processing industry and the prediction in power electronics industry applied the concept [1] 전자모듈 (Integrated Power Electronics Module, IPEM)" 이다 [1]. 이는다양한기능의통합과, 표준화된인터페이스및자동화대량생산에적합하게설계된집적화된전력회로기술이다. 이런기술이실용화되면그림 1(b) 에나온것과같이, 인력을사용하여조립頀대신에반도체공정에의해서일괄적으로전력변환기기들을생산하게되어, 높은가격경쟁력과우수한신뢰성을가진제품을양산할수있고, 궁극적으로 노동집약적 인형태의전력전자산업을혁신적으로개선할수있다. 이러한기술적진보 패러다임의전환 이라고불릴만한데, 이미컴퓨터와통신장비에서사용되고있는신호처리회로기술이, 위와같은통합화 (Integration) 를통하여놀라운기술적진보를이루었다 ( 무어의법칙, 그림2 참조 ). 마찬가지로전력분야에서도통합화를통하여기존의전자통신분야에서의무어의법칙과같은엄청난산업신장효과를가져올것이라고예측된다 [1]. 그러나현재, 이러한연구는몇가지문제점이존재하는데, 첫째는기기에들어가는수동소자인 ' 자화인덕터 (magnetic inductor)' 가일반반도체공정으로는집적이안된다는것과, 둘째는변환효율이개별소자 (discrete device) 를써서조립한시스템에비해서상당히떨어진다는점이었다 [2]. 인덕터는일반적인구성이, 코어및이와물리적으로분리되는권선이있어야하는데이를공정으로한다는것은거의불가능한일
압전트랜스듀서를이용한승압형공진형직류 - 직류컨버터 345 로서, 이를극복하기위하여다양한재료및공정기술개발을시도하고있으나, IPEM의장점인저가격화및제품개발주기단축에부정적인영향을주게된다. 또한저효율은많은열손실을발생하게하여높은온도에의한패키징및방열설계에어려움을준다. 따라서현재전력전자는이러한문제점을놓고다양한각도에서해결을모색하고있는중이다. 그중에서가장가능성있는대안으로제시되고있는것이압전소자이다 [2]. 압전변압기는마그네틱권선형변압기에비해구조가간단하고박형화가쉽다는것, 그리고불연성이라는장점을가지고있으며또한기계적인진동에너지를매개로하여전기에너지를전달하는소자로이루어져있기때문에전자기노이즈 (EMI Noise) 발생이거의없다는장점이있다. 특히권선을필요로하지않으므로대량생산에유리하여가격경쟁력에서유리하다는면이기존마그네틱변압기에비해강점으로여겨지고있다 [3]. 반면에부하및주파수에의존적인복잡한전기적인특성으로인하여구동회로설계에어려움이존재한다 [4-8]. 현재까지휴대용 AC/DC 압전변압기어댑터구현을위한여러가지회로토폴로지및제어방법에대한많은연구가진행되고있다 [9-24]. 그러나현재, 이러한압전변압기를집적회로에적용하는데는몇가지어려움이있는데, 첫째로는압전변압기의스위치구동에있어서, 고효율을얻기위해서는소프트스위칭 (soft-switching) 이필수적인데, 이를위해서다시부가적인마그네틱인덕터를필요로하는문제가있다. 둘째로는, 압전변압기의 1차측에서 2차측으로의전력전달효율이자화소자에비해서떨어지므로, 효율및방열설계상으로기존대비불리하게된다. 이와관련된많은연구들이진행되었는데, 국내연구는주로자화인덕터를압전변압기구동에사용하여효율을높이는방향으로진행되었다 [25-28]. 외국에서제시된연구는자화인덕터를쓰지않았으나, 전동작영역에서 70% 에도미치지못하는결과를가져오게된다. 따라서이연구는마그네틱소자를없애는대신, 효율의손해를감수해야하는문제점이있다 [29]. 따라서본논문에서는집적화및고효율화를위한압전소자응용을위해압전변압기가아닌압전트랜스듀서소자를사용하는방법을채택하였다 [2]. 즉, 1차측터미널에서 2차측으로전력을 ' 전달 ' 하는기존의변압기개념이아닌, 전력 ' 저장 ' 용소자로서의사용가능성에초점을맞추었다 [2]. 또한압전트랜스듀서를적용가능한컨버터토폴로지를제안하였다. 그림 3 압전소자의입력임피던스커브및인덕티브임피던스동작구간 Fig. 3 Impedance curves of a piezoelectric transducer and the inductive impedance area 2. 압전트랜스듀서를이용한전력용컨버터 기본적으로압전소자는용량성 (capacitive) 특성을가지지만, 공진점부근에서는공진을위한유도성 (inductive) 특성을가지게된다. 그림 3 에압전소자의입력임피던스커브가나와있다. 이러한공진부혹은유도성구간에서동작하게되면압전소자는공진기로서동작하게되고, 따라서기존의자화소자를대체하는것이가능하게되며, 전력을 1 차측에서 2 차측으로 ' 전달 ' 하는것이아닌단일소자에전력을 ' 저장 ' 하는개념이므로, 전달에의한변환손실이없어진다 [2]. 또한좋은특성을가지는변압기를설계하기위해서는복잡한구조의설계가필요하고이에수반되는고비용문제점이존재한다. 이에반해압전트랜스듀서의경우아주단순한구조를가지므로집적화와대량생산에유리한면이있다. 뿐만아니라압전소자의기본적장점인 ' 박형화 ' 및 ' 저가격화 ' 를통한많은응용가능성을생각할수있다. 2. 1 압전트랜스듀서의전기적특성본논문에서는후지 (Fuji) 사에주문제작한디스크타입고전력압전트랜스듀서를사용하였다. 물리적치수및특성은그림 4 에나와있다. 제작된압전소자의전기적등가회로는그림 5 과같이나타내어지고, 등가파라미터를측정한결과는표 1 에나와있다. 제작된압전트랜스듀서는단층이며 coupling factor (Kp) 가 0.55 이고, 첫번째공진이윤곽진동모드 (radial vibration mode) 에서나타난다. 윤곽진동모드의경우
346 電力電子學會論文誌第 14 卷第 5 號 2009 年 10 月 S3 S4 + V in - S1 S2 L m C m C o R L 그림 6 공진형스위치드커패시터회로 [30] Fig. 6 Resonant type switched-capacitor circuit [30] 그림 4 디스크타입압전트랜스듀서의외형 Fig. 4 Mechanical dimensions of the disk-type piezoelectric transducer. C m L m R m Cd 그림 7 압전트랜스듀서를이용한공진형컨버터 Fig. 7 Piezoelectric-transducer power converter 그림 5 압전트랜스듀서의전기적등가회로 Fig. 5 Electrical equivalent circuit of piezoelectric transducer 표 1 압전트랜스듀서의등가파라미터 Table 1 Equivalent circuit parameters 등가파라미터 측정값 Lm 4.13 mh Cm 1.21 nf Rm 1.33 Ω Cd 3.19 nf 디스크타입은중심에서윤곽까지의거리가일정하므로하모닉특성이없이임피던스특성곡선이넓은주파수영역에서깨끗하며, 이와반대로사각형태의압전소자는중심에서윤곽까지거리가일정하지않으므로다양한기생공진주파수가존재하게된다. 따라서본논문에서는디스크타입윤곽진동모드를사용하였다. 2.2 압전공진기를이용한컨버터회로압전소자를응용하여구현할수있는회로로공진형스위치드커패시터회로를선택하였다. 공진형스위치드커패시터회로는그림 6 과같은형태이다 [30]. 기존의스위치드커패시터회로에인덕터를첨가하여공진을발생시키고, 공진에너지를이용하여소프트스위칭하는회로이다. 전압 2 배기 (voltage doubler) 계열이므로승압의특성을갖는다. 스위치와다이오드가온 - 오프함에따라서 4 개의동작모드를갖게된다. 이회로에압전공진기를적용하면총 8 개의동작모드를가지는승압형컨버터가나온다 ( 그림 7). 압전공진기는 L-R-C 직렬공진회로에병렬로전극커패시턴스 (Cd) 가존재하므로, 동작모드상에차이를가져오게된다. 자세한동작원리는다음장에서설명한다. 본컨버터를제어하는방법으로는주파수제어및스위칭주파수 PWM ( 비대칭제어 ) 와저주파 PWM (burst 모드 ) 제어를들수있다. 그러나소프트스위칭을고려하면주파수제어가가장일반적이다. 다음장에서주파수제어와출력과의제어성을고려한수식을유도한다. 3. 제안된압전컨버터회로동작분석 제안된컨버터의동작은다음과같이 8 개의동작모드로설명된다 ( 그림 8). 3.1 동작원리
압전트랜스듀서를이용한승압형공진형직류 - 직류컨버터 347 모드 1 [ ] S2 스위치가켜지면, 압전소자에전압이인가되면서 D1을통해서공진전류가흐르게된다. 부하전류는출력커패시터를통해서공급받는다. 단, V s 는스위치전압, V o 는다이오드전압임. 모드 4 [ ] 공진전류의방향이바뀌는순간모드 4가시작된다. D1의도통이중지되고, 다이오드에존재하는기생커패시턴스가충 방전되는데, 이동작중에는모드 2 와마찬가지로압전의등가커패시터 C d 의임피던스가작으므로, 대부분의공진전류는소자내부에서돌고외부에서측정되는전류는거의 0으로감소하게된다. 모드 2 [ ] S2가오프되면모드2가시작된다. 이때공진전류는스위치의기생커패시턴스 C1, C2를충전시키기시작하는데, 기생커패시턴스는압전공진기에등가적으로존재하는 C d 에비해서임피던스가상대적으로크므로대부분의압전전류는내부로돌게되고, 압전외부에서측정되는전류 (I L ) 는순간적으로거의 0에가깝게감소된다. 모드 5 [ ] 커패시터의충 방전이끝나면, D2가도통되면서모드 5가시작된다. 전류방향이바뀌기전에 S1에턴-온신호를인가하면영전압스위칭이된다. 공진전류가부하로직접공급된다. 모드 3 [ ] 기생커패시턴스의충전이끝나면, S1의역도통다이오드를통하여공진전류가순환하게된다. 이때에는 C d 의전압이고정되므로, 공진전류가다시소자외부로흐르기시작한다. 모드 6 [ ] S1이꺼지면서모드 6이시작된다. 공진전류는소자내부의 C d 와외부의기생커패시턴스를충 방전시키면서흐르게된다. 마찬가지로 I L 은거의 0으로떨어진다.
348 電力電子學會論文誌第 14 卷第 5 號 2009 年 10 月 공진주파수보다높은구간에서는유도성으로보이므로등가인덕턴스로다음과같이나타내어진다. (2) 단, 는공진주파수. 모드 7 [ ] 기생커패시턴스의충 방전이끝나면, S2의역도통다이오드를통하여공진전류가순환하게된다. 이모드내에서 S2를턴온시키면, 영전압스위칭턴온이된다. 공진주파수이상의영역에서는출력전류는인덕터전류의특정구간 ( 모드 5, 7) 의합과일치하므로다음과같은관계식이성립한다. 단,, 이다. (3) 위식을정리하면, (4) 이된다. 그림 8 압전컨버터의동작모드 ( 모드 1 - 모드 8 ) Fig. 8 Operation mode of the converter(mode 1 - Mode 8) 모드 8 [ ] 공진전류의방향이전환되면서모드 8이시작된다. D2가꺼지고, 기생커패시턴스들이충 방전을시작한다. 이때외부공진전류 I L 은거의 0으로감소하고, 충 방전이끝날때까지유지된다. D1이켜지면서모드 1로돌아가게된다. 스위칭주파수에대한입출력전달식을구하면다음과같다. 압전소자에흐르는공진전류를 i L 이라하고, 압전에걸리는구형파전압의영-첨두치값을 V DC 라하면, 전압의기본파성분의위상을기준으로했을때, 전류의식은다음과같이나타내어진다. (1) 단,,, 는스위칭주파수이다. Le 는공진회로의등가임피던스를나타내는데, 특히 주어진회로에서 V DC 는 (5) 이므로, 입출력전압이득 M 을계산하면아래와같다. 단, (6),. 이상적인조건에서의최대이득은공진저항 R 이 0 인조건에서, 동작주파수를공진주파수에일치시키는경우이므로, k 1 은무한대로증가한다. 따라서최대이득은, lim. (7) 이된다. 따라서최대두배의승압효과를얻게된다.
압전트랜스듀서를이용한승압형공진형직류 - 직류컨버터 349 그림 9 확장된 2 단직렬형압전공진기컨버터 Fig. 9 Extended cascaded piezoelectric converter 그림 10 n 개의직렬형압전공진기컨버터 Fig. 10 n-stage cascaded piezoelectric converter 3.2 압전컨버터의일반화제안된회로를직렬연결함으로써일반화할수있다. 단순한컨버터직렬의경우이득이 2 배씩증가하여최종이득은 2 n 이되고, 각단계의스위치전압스트레스도 2 배씩증가하게된다. 이를피하기위하여한쌍의스위치와다이오드로구성할수있는회로를살펴본다. 먼저 2 직렬의경우그림 9 와같이회로를구성한다. 첫단계에있는스위치가각각의압전공진기를통하여이후의모든단계의출력에전류를공급한다. 이렇게함으로써, 스위치의개수및전압스트레스의증가없이더욱높은승압비를얻을수있다. 최종전압이득을유도하는과정은다음과같다. 첫째단의압전전류식은기존과동일하며, 둘째단의압전전류식에서 V o1, V o2 를각각첫째, 둘째단의출력전압이라고하면 V DC 는다음과같고, (8) 최종이득 M 2 는아래와같이유도된다. 설계변수 소재 진동모드 형상 압전설계 매개변수 Rm Lm Cm C d R d 회로설계 목적변수 전력량 효율 주파수 그림 11 압전트랜스듀서컨버터설계를위한각변수들의상관관계 [2] Fig. 11 Relationship among the parameters for a piezo-transducer power-converter design [2] 있다. 먼저, n 직렬로했을때회로도는아래와같다 ( 그림 10). 이때, 최종단의 V DC 는식 (11) 과같고, 이를이용하여최종이득 M n 을구하면식 (12) 와같다.. (11) (12) (9) 만약, n 개의압전소자가같은공진주파수및공진파라미터라고가정하면식 (13) 과같이된다. 만약, 두압전소자가같은공진주파수및공진파라미터라고가정하면식 (10) 이된다. 단, M 0 = 1. (10) 최대이득은 k 1 이무한대일때, 3 이된다. n 개의직렬회로의경우도아래와같이분석할수. (13) 위식에서 k 1 이무한대일때, 최대이득은 n+1 이된다. 4. 설계과정및실험결과 압전컨버터제작을위한설계과정을살펴보기위
350 電力電子學會論文誌第 14 卷第 5 號 2009 年 10 月 하여먼저각변수들간의상관관계를그림 11 에나타내었다. 설계를위한목적변수는컨버터시스템의전력량과효율및동작주파수 ( 크기 ) 가된다. 이를원하는방향으로조절하기위하여설계변수가필요한데, 이는다시회로설계및압전설계의두단계로나누어진다. 회로설계와압전설계를연결하기위하여매개변수가도입되며, 이는그림 5 에서언급한대로압전소자의회로적등가소자를의미한다. 이러한매개변수를이용하여궁극적으로실제적설계변수인압전의소재나진동모드및물리적형상등을결정하게된다. 설계를위한각단계를순서적으로정리하면다음과같다. 1) 스위치, 다이오드의전압, 전류정격 : 압전컨버터를구성하는스위치와다이오드의최대전압스트레스는입력전압과같고, 전류스트레스는식 (1) 의 과같아진다. 이에맞는전압, 전류정격을가지는소자를선정한다. 2) 매개변수 : 목적변수와의관계를통해서값을설정한다. 컨버터회로에서압전부를등가회로 ( 매개변수 ) 로치환한후, 각각의목적변수와의관계식을구한다. 이는기본적인전기회로공식을통해서유도가능하다 [2]. 3) 소재 ( 설계변수 ): 소재는소프트 (soft) 재료와하드 (hard) 재료의두가지로나누어지는데, 전력용으로사용하는것은주로높은전력량을가지는하드계열의 Lead zirconate titanate(pzt) 를사용한다. 4) 진동모드 ( 설계변수 ): 앞장에서설명한것과같이, 주변고조파의영향을제일덜받는 1차공진주파수부근을쓰게되는데, 디스크타입의경우윤곽진동모드가된다. 5) 형상 ( 설계변수 ): 매개변수와가장밀접한관계를가지고있는설계변수인데, 이는기본적으로표 2와같이전기적파라미터와기계적파라미터의전기역학적관계에의해서결정된다 [31]. 각각의매개변수들은압전의기계적파라미터와대응관계를가진다. 구체적인관계식은기존의연구에나와있다 [32]. 이를참고하여원하는매개변수값이나오도록설계값을설정한다. 앞에서분석한결과를바탕으로하드웨어프로토타입을제작하고검증하였다. 제안된컨버터의적용가능한응용으로는 100V 근방의고전압, 저전류전원을요구하는용량성부하구동용전원, 특히 avalanche photodiodes, 초음파발생용압전트랜스듀서, vacuum 표 2 전기적파라미터와기계적파라미터의전기역학적관계 [31] Table 2 Electro-mechanical analogies for lumped parameter circuit model [31] 기계적파라미터 Symbol 전기적파라미터 힘 전압 속도 전류 변위 전하 질량 인덕턴스 탄력성 (Compliance) 커패시턴스 구조적댐핑 저항 표 3 제안된회로의하드웨어설계파라미터 Table 3 Device parameters for the hardware prototype 소자파라미터값 스위치 S1, S2 IRF530 (14A, 100V) 다이오드 D1,D2 SB2100 (2A, 100V) 압전소자 재료 C-203, =70kHz ( 무부하시 ) 출력커패시터 Co 250V, 22uF 전해커패시터 fluorescent displays 및 MEMS 소자등의전원회로이다 [33-35]. 따라서본논문에서는 50-90V 입력, 100V 출력전압, 최대전력 10W 의 DC/DC 컨버터를제작하였다. 제작된하드웨어에사용된소자들의정보는표 3 에나온것과같다. 그림 12 에실험결과얻은주요실험파형이나와있다. 각파형을나타내는기호는그림 8 에나와있는것과동일하다. I L 파형을보면, 스위칭주파수와일치하는공진이발생하여공진전류파형을유지하는것을알수있다. 또한, 압전소자는진동모드에따라다양한공진주파수가존재하므로구형파 Vs 에존재하는하모닉성분에의해서고주파전류도섞이게된다. 앞장의모드분석과동일하게 V s 와 V D 의변동시에는 0 으로유지되는것을확인할수있다. 또한, S2 와 Vs 를비교해보면, V s 가 0 으로떨어졌을때, S2 가온이되어영전압스위칭이되는것을알수있다. 그림 13 에서는입력전압및부하전력변동에따른압전컨버터의동작주파수변화를보여주고있다. 공
압전트랜스듀서를이용한승압형공진형직류 - 직류컨버터 351 효율 (%) 100 96 94 92 90 88 86 Po = 1W 그림 12 제안된회로의하드웨어주요파형 Fig. 12 Main waveform of the proposed converter hardware (S2: 스위치게이트신호, Vs: 스위치전압, VD: 다이오드전압, IL 압전전류 ) 주파수 (khz) 84 82 80 78 76 74 제어불가 Po = 1W Po = 5W Po = 10W 84 82 Po = 5W Po = 10W 50 55 60 65 70 75 80 85 90 입력전압 (V) 2 1.82 1.67 1.54 1.43 1.33 1.25 1.18 1.11 전압이득그림 14 압전컨버터의입력전압, 부하에따른효율의변화 Fig. 14 Efficiency comparison of the piezoelectric DC/DC converters according to the input and load variations 주파수 (khz) 84 82 제어불가 Po = 1W Po = 5W 72 70 68 80 78 76 Po = 10W 50 55 60 2 1.82 1.67 65 70 75 80 85 90 입력전압 (V) 1.54 1.43 1.33 1.25 1.18 1.11 전압이득 74 72 그림 13 압전컨버터의입력전압및부하에따른동작주파수의변화 Fig. 13 Switching frequency comparison of the piezoelectric DC/DC converters according to the input and load variations 진주파수보다높은영역이므로, 입력전압이증가함에따라입출력이득을낮추기위하여주파수가증가하는것을알수있다. 부하는 1W 에서 10W 까지변동하였는데, 부하가클수록공진주파수가낮아지는것을확인할수있다. 무부하시에는주파수제어만으로는제어가어려우므로일반적인컨버터와마찬가지로저주파펄스폭변조방식인 burst 모드로동작시켜야함을알수있다. 70 68 35 40 45 50 55 60 65 70 75 입력전압 (V) 2.86 2.50 2.22 2.00 1.82 1.67 1.54 1.43 1.33 전압이득그림 15 2단직렬형압전컨버터의입력전압및부하에따른동작주파수의변화 Fig. 15 Switching frequency comparison of the cascaded piezoelectric converters according to the input and load variations 그림 14 에는입력전압및부하변동에따른효율변화그래프가나와있다. 이득이이상적동작조건인 2
352 電力電子學會論文誌第 14 卷第 5 號 2009 年 10 月 에가까울수록고효율이나오는것을알수있다. 최대효율은 10W 와 5W 에서모두 96% 이상을달성하였다. 이득감소시공진부에서멀어짐에따라효율도감소하는데, 부하가클수록주파수변동폭이작아서효율감소도둔화되는것을알수있다. 그림 15 는앞장에서제안된 2 단직렬형구조의압전컨버터를제작하고하드웨어실험한결과이다. 입력변동범위는승압의이론적인최대치인 3 에가까운 2.86 (35V 입력 ) 에서시작하여 1.33 (75V 입력 ) 까지이다. 단일형컨버터와마찬가지로주파수가증가함에따라이득이감소하는것을알수있다. 무부하시에는출력제어를위하여주파수제어이외의제어방법이필요할것임을또한알수있다. 그림 16 에 2 단직렬형컨버터의입력전압및부하변동에따른효율의변화를나타내었다. 단일형컨버터와마찬가지로, 이득이이상적동작조건인 3 에가까울수록고효율이나오는것을알수있다. 최대효율은 10W 와 5W 에서모두단일형에비해떨어지는 93% 수준을달성하였다. 이득감소시공진부에서멀어짐에따라효율도감소하는것을알수있다. 5W 와 10W 모두입력변동범위내에서 90% 이상의고효율을유지하였다. 효율 (%) 100 94 93 5. 결론 본논문에서는대량생산을통한원가절감및신뢰성향상을위하여집적화가능한컨버터제작을목표로압전트랜스듀서를이용한 DC/DC 컨버터회로를제안하였다. 권선이필요한자화소자대신압전트랜스듀서를이용하여유도성 (inductive) 임피던스구간에서사용함으로써, 에너지저장기능을수행함과동시에저가격화를달성할수있도록한다. 특별히제안된회로는공진형차지펌프방식으로, 승압형으로제작되었고, 복수개의단을직렬연결함으로써승압비를개선할수있는확장된회로또한포함되었다. 제안된회로의동작모드를분석하고, 이론적인주파수와입출력전압이득과의관계식을도출하였다. 분석된이론을검증하기위하여고전압저전류의용량성부하구동용 10W 하드웨어프로토타입을제작하였다. 실험결과단일컨버터의경우 96% 이상의최대효율을기록하였고, 2 단직렬형의경우 93% 의효율을나타내었다. 또한, 주파수제어의경우최적효율지점인공진점부근에서구동주파수가멀어짐에따라효율이감소하는현상을확인하였다. 본논문을통하여압전트랜스듀서의고용량컨버터에적용가능성을확인하였으므로, 향후다양한응용으로의연구확대를기대할수있다. 이논문은 2008 년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구임 (KRF-2008-314-D00144) 92 91 90 89 88 87 Po = 1W Po = 5W Po = 10W 35 40 45 50 55 60 65 70 75 입력전압 (V) 2.86 2.50 2.22 2.00 1.82 1.67 1.54 1.43 1.33 전압이득 그림 16 2 단직렬형압전컨버터의입력전압및부하에따른효율의변화 Fig. 16 Efficiency comparison of the cascaded piezoelectric converters according to the input and load variations 참고문헌 [1] "Center overview and highlights", Center for Power Electronics Systems, Virginia Tech., www.cpes.vt.edu, 2008, March. [2] 백종복, 서갑수, 이경표, 박종후, 조보형, 차세대고주파전력증폭기개발및압전소자응용, 삼화양행, 0414-20080017, Jan. 2009. [3] C. A. Rosen, "Ceramic Transformer and Filters", Proc. Electronic Comp. Symp, 1956, pp. 205-211. [4] K.F. Kwok, P. Dong, K.W.E Cheng, K.W. Kwok, Y.L Ho, X.X. Wang amd H. Chan, "General study on piezoelectric transformer", PESC'04, pp. 216-220, 2004. [5] G. Ivensky, I. Zafrany and S. Ben-Yaakov, "Genericoperational characteristics of piezoelectric
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