직렬 GaN FET의 정적 불균형 해소를 위한 소스 축퇴형 능동 제어 및 계층적 보호 전략 연구
- 주제(키워드) LLC 공진형 컨버터 , 직렬 GaN FET , 전압 불균형 , 계층적 보호 전략 , 소스축퇴
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 공학대학원
- 지도교수 박진일
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 공학대학원 기계시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036115
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구는 1200 V급 LLC 공진형 컨버터의 직렬 GaN FET 구동 시 편차로 인해 발생하는 전압 불균형 문제를 해결하기 위해, 시간 영역별 계층적 보호 전략을 제안한다. 기존 RC 스너버는 고주파 구동 시 심각한 전력 손실을 유발하는 한계가 있다. 이에 본 논문은 전압 불균형을 정적 플래토와 동적 스파이크로 구분하여 대응하는 2계층 회로를 설계하였다. 제1계층(정적 제어)은 소스 축퇴 기반의 Q-R 방전 회로를 통해 턴오프 플래토 구간의 잉여 전하를 선형 정전류로 능동 방전시킨다. 이는 별도의 고속 제어 없이 전압 평형(600 V)을 달성하며, 손실 재배치를 통해 소자의 스트레스를 완화한다. 제2계층(동적 제어)은 스너버 커패시턴스를 기존 대비 1/5로 최소화하여 고주파 스파이크와 링잉만을 억제함으로써 스위칭 손실을 줄였다. 시뮬레이션 및 이론적 분석 결과, 제안 방식은 전 부하 영역에서 신뢰성을 확보하는 동시에 기존 시스템과 동등한 고효율을 유지하여, 고전압 직렬GaN 시스템의 신뢰성–효율 상충 관계를 효과적으로 해결함을 입증하였다.
more목차
제 1장 서론 1
제 1절 연구의 개요 1
1.1. 연구 배경 및 필요성 1
1.2.문제의 정의 2
1.3.연구 목적 및 범위 3
1.4.논문의 구성 4
제 2장 이론적 배경 및 관련 연구 6
제 1절 이론적 배경 6
1.1. GaN HEMT 구조 및 전기적 특성 6
1.2. 스위칭 동작 및 손실 메커니즘 8
1.3. ZVS (Zero Voltage Switching) 이론 및 직렬 구조에서의 특성 10
1.4. LLC 공진 탱크의 기본 이론 12
1.5. 부하 변동에 따른 가변 주파수 제어 특성 14
1.6. 본 연구의 타겟 불균형 요인 정의 15
제 2절 기존 전압 밸런싱 및 보호 기법의 한계 분석 16
2.1. 수동 저항 분배 기법 (Static Balancing Resistor) 16
2.2. 스웜핑 커패시터 기법 (Swamping Capacitor) 17
2.3. 수동 RC 스너버 (Passive RC Snubber) 17
2.4. 기존 능동형 클램프 및 밸런서 (Active Techniques) 18
2.5. 기존 연구의 한계점 종합 18
제3 장 본론 19
제1절 전체 시뮬레이션 설정 19
1.1. 시스템 사양 설정 19
1.2. 등가 부하 계산 20
1.3. 공진 탱크 설계 21
1.4. 스위칭 주파수 및 제어 변수 설정 근거 22
1.5. 종합 24
제2절 시뮬레이션 내 스위칭 소자 및 기생 파라미터 설정 26
2.1. 소자선정 26
2.2. 제어 인자 선정 26
2.3. Qg 보상안 27
2.4. 종합 28
제4장 제안회로 (계층적 보호) 의 상세 설계 29
제1절 제안 회로의 동작 방식 29
1.1. 시간축 분리를 통한 대응 방식 29
1.2. 전체 동작 시퀀스 29
제2절 1계층 (소스 축퇴 기반 정전위 레벨링 회로) 31
2.1.불균형의 물리적 원인과 해결 원리 31
2.2. 기존 R-Q 방식의 물리적 한계 : 고전압원 구동의 위험성 31
2.3. 제안하는 Q-R 방식 : 소스 축퇴 기반 정전류 제어 32
2.4. 방전 시간 마진(Time Margin)의 이론적 해석 33
2.5. 핵심 파라미터 선정 및 설계 트레이드오프 35
2.6. 단일 방전 에너지 및 전력 손실 분석 37
제3절 2계층 (RC스너버 최적화) 39
3.1. 기존 설계의 문제점 39
3.2. 제안 전략 : 역할 분리를 통한 최적화: 39
3.3. 파라미터 선정 및 임피던스 해석 40
3.4. 손실 저감 효율성 검증 40
제5장 시뮬레이션 결과 및 분석 42
제1절 보호회로 별 파형 비교 42
1.1. 비교 조건 설정 42
1.2. 보호회로별 시뮬레이션 파형 결과 43
제2절 제안 회로 (Q-R 방식 )의 견고성 검증 45
2.1. 비교 조건 설정 45
2.2. R-Q방식의 제어 한계 46
2.3. Q-R방식의 견고성 확보 48
2.4. 고정 펄스 제어의 실용성 입증 50
제3절 보호회로 별 성능 그래프 비교 및 결과 51
3.1 . 비교 조건 설정 51
3.2. 전압 불균형 비교 51
3.3. 시스템 효율 비교 52
3.4. 최대 스파이크 전압 53
3.5. 결과 요약 53
제6장 결론 55
제1절 결론 55
제2절 향후 과제 56
참고 문헌 57
