소프트 스위칭 / 공진형 컨버터

myblack·2025년 5월 27일

LLC컨버터 ZCS ZVS 공진형 컨버터 소프트 스위칭 컨버터 하드 스위칭

SMPS

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스위칭 방식

하드 스위칭 (Hard Switching)

스위치가 전압과 전류가 모두 존재하는 상태에서 ON/OFF되는 방식.
가장 단순한 형태의 스위칭이며, 대부분의 기본 DC-DC 컨버터(벅, 부스트 등)에 사용

동작 특성
턴온 시: 이미 전압이 존재하고, 전류도 갑자기 흐르기 시작 → 턴온 손실
턴오프 시: 전류가 흐르는 상태에서 차단 → 턴오프 손실 + 전압 스파이크
장점
회로 구성 단순, 제어 쉬움
단점
스위칭 손실이 큼 (전력 손실 ↑, 발열 ↑)
EMI 발생 가능성 ↑
고주파 동작 시 열 관리가 어려움

소프트 스위칭 (Soft Switching)

스위치가 켜지거나 꺼질 때, 전류 또는 전압이 0인 상태에서 스위칭이 일어나도록 공진 회로를 이용해 스위칭 손실을 줄이는 방식

대표 기법
ZVS (Zero Voltage Switching) – 전압 0일 때 ON
ZCS (Zero Current Switching) – 전류 0일 때 OFF
동작 방식
공진 인덕터/커패시터로 스위칭 전압 또는 전류를 제어
스위치 ON 또는 OFF 시점에서 전압 또는 전류가 0 → 손실 감소
장점
스위칭 손실이 거의 없음 (효율 ↑)
고주파 동작에 유리
EMI 억제 효과 우수
단점
회로가 복잡해지고 제어가 어려움
부하에 민감 (경부하 조건에서 성능 저하 가능)
공진 회로 설계 필요
넓은 부하 범위에서 안정적 동작

항목	하드 스위칭	소프트 스위칭
스위칭 손실	높음	매우 낮음
발열	많음	적음
EMI	큼	작음
회로 구성	단순	복잡 (공진 회로 필요)
제어 난이도	낮음	높음
효율	보통	높음
고주파 대응	어려움	유리
적용 예	기본 DC-DC 컨버터	고효율, 고주파 전원 (LLC, 무선충전 등)

ZVS, ZCS

ZCS (Zero Current Switching)와 ZVS (Zero Voltage Switching)는 스위칭 손실을 줄이기 위한 소프트 스위칭 기술.
두 기술 모두 전력 변환 장치에서 스위치가 꺼지는/켜지는 순간의 전기적 스트레스를 줄이고, 효율을 향상시키는 데 목적

ZCS vs ZVS: 개념 비교

항목	ZCS (Zero Current Switching)	ZVS (Zero Voltage Switching)
정의	전류가 0일 때 스위치 OFF	전압이 0일 때 스위치 ON
초점	스위치 전류 제거	스위치 전압 제거
주 용도	보통 턴오프 손실이 큰 스위치(MOSFET 등)에서 유리	턴온 손실이 큰 스위치(IGBT 등)에서 유리
전류 파형	공진 회로로 전류가 0으로 감소	전류가 존재한 상태에서 스위치 ON
전압 파형	스위치에 전압이 존재한 상태에서 OFF	공진 회로로 전압을 0으로 만든 후 ON
EMI 억제	전류 변화가 완만 → EMI 감소	전압 변화가 완만 → EMI 감소

스위칭 시점

스위치 동작	ZCS	ZVS
ON 시점	전압이 존재함	전압 = 0V
OFF 시점	전류 = 0A	전류가 존재함

회로 구성 차이점 (개념도)

ZCS 회로
공진 인덕터와 커패시터가 스위치와 직렬로 구성됨.
스위치 전류가 점점 감소하다가 0이 되는 지점에서 OFF.
ZCS는 전류가 0일 때 스위치를 꺼서 턴오프 손실 최소화
ZVS 회로
공진 커패시터가 스위치 병렬에 연결됨.
스위치 OFF 후 커패시터 충방전을 통해 전압이 0V가 되는 순간 ON.
ZVS는 전압이 0일 때 스위치를 켜서 턴온 손실 최소화하는 방식

선택기준

상황	권장 스위칭 방식
고속 스위칭이 필요함	ZVS
전류 큰 애플리케이션 (Ex. 유도 가열)	ZCS
EMI 민감한 환경	둘 다 가능 (파형 매끄러움)
MOSFET 위주 회로 (턴오프 손실 크다)	ZCS
IGBT 기반 회로 (턴온 손실 크다)	ZVS

ZCS 벅 컨버터

회로

기호	구성 요소	설명
$V_{in}$	입력 전압원	DC 입력
$S$	스위치 (MOSFET 등)	온/오프 제어
$L$	공진 인덕터	스위치 전류의 공진 제어
$C$	공진 커패시터	스위치 전압 제어
$D$	다이오드	스위치 OFF 시 전류 경로 제공
$L_o$	출력 인덕터	출력 전류 필터링
$C_o$	출력 커패시터	전압 리플 제거
$R_o$	부하	출력 전력 소비

파형

항목	특성
스위치 전류 $I_S$	공진 사인파 형태, OFF 시 0A 도달
스위치 전압 $V_S$	OFF 후 급격히 상승
출력 전압 $V_o$	상대적으로 일정 (벅 다운 전압)
출력 전류 $I_o$	인덕터 $L_o$ 로 인해 연속적

동작원리

스위치 S ON
입력 전압이 스위치를 통해 공진 인덕터 L과 출력 인덕터 Lo를 경유하여 부하로 전달
이때 공진 커패시터 C에는 전류가 흐르지 않고 충전 상태 유지.
부하에 전류가 공급되며, 출력 커패시터 Co가 평활 작용 수행.
공진 모드 시작
스위치가 ON된 상태에서,
L과 C가 공진 회로를 형성하여 스위치 전류가 사인파 형태로 변화.
전류가 증가하다가 감소하며 0에 도달하게 됨.
스위치 OFF (ZCS 조건 만족)
전류가 정확히 0이 되는 시점에서 스위치를 OFF.
이 순간 스위치에 흐르던 전류가 0이므로 턴오프 손실이 거의 없음.
다이오드 D 도통
스위치가 꺼진 후, L과 C의 에너지가 다이오드를 통해 부하로 전달
출력은 연속적으로 유지됨.
이 과정에서 공진 커패시터 C는 다시 초기 상태로 돌아감.

출력전압비

ZVS 벅 컨버터

회로

공진형 컨버터

공진형 컨버터(Resonant Converter)는 스위칭 손실을 줄이기 위해 회로에 인덕터(L), 커패시터(C)를 포함한 공진 회로를 삽입하여 소프트 스위칭(Soft Switching)을 구현

동작 원리

스위치가 고속으로 켜지고 꺼질 때 공진 회로(L, C)가 스위치 전압이나 전류를 부드럽게 변화시킴
ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching) 조건을 만족 → 스위칭 손실 감소
출력은 정류기를 통해 DC로 변환됨

유형

이름	특징	장점
직렬 공진형(Series Resonant Converter, SRC)	L과 C 직렬 연결	전류가 공진파형, 고전압에 적합
병렬 공진형(Parallel Resonant Converter, PRC)	C가 부하와 병렬	정전류 성능, 경부하 대응
LLC 공진형(LLC Resonant Converter)	Lr + Lm + Cr 조합	넓은 범위의 고효율, 가장 실용적
Cuk, SEPIC 공진형 변형	컨버터 형태 혼합	특수 요구 사항 대응

직렬 공진형 컨버터

(Series Resonant Converter, SRC)

동작 모드 및 제어 방식
스위칭 방식 : 주로 주파수 변조 방식(Frequency Modulation) 사용
스위칭 주파수를 공진 주파수보다 높이거나 낮춰서 출력 전력을 제어함
일반적으로 𝑓𝑠 > 𝑓𝑟에서 동작하여 ZVS (Zero Voltage Switching) 실현
ZVS/ZCS 실현 : 스위치의 전압이 0일 때 턴온됨 → 스위칭 손실 감소

항목	설명
회로 형태	풀브리지 직렬 공진형 컨버터
제어 방식	주파수 변조 (Frequency Modulation)
장점	고효율, 소프트 스위칭, 고주파 가능
단점	제어 복잡성, 경부하 효율 저하 가능

회로

Vdc : 입력 DC 전압
풀브리지 스위치 : 4개의 스위치로 구성된 인버터 (MOSFET 또는 IGBT)
Cr , Lr : 직렬 공진 회로(Series Resonant Tank)
Vab : 풀브리지 출력 전압
고주파 변압기 : 절연 및 전압 변환
정류기 + 필터 : 전류 정류 및 출력 전압 평활화
Vo, Io : 출력 전압 및 전류

파형

등가회로

공진 회로 임피던스 : $Zr(jω) = jωL_r + {1\over jωC_r}=j(ω_{Lr} − {1\overωC_r})$
공진 전류 : $i_L(jω) = {V_{ab}(jω)\over Z_r(jω)}$
출력 전력 : $Po ≈ {V_o^2\over R_{load}}$

동작 원리 및 단계별 해석

① 입력 → 풀브리지 인버터 (스위치 S1~S4)
스위치의 조합을 통해 Vab = +Vdc, −Vdc, 0 의 전압을 생성합니다.
스위칭 순서에 따라 출력 전압이 직렬 공진 회로에 인가됨.

② 직렬 공진 회로
입력 전압 Vab에 따라 공진 전류 iL를 생성함.
공진 회로의 공진 주파수: $f_r= {1\over√2πL_rC_r}$

스위칭 주파수 fs 를 fr 근처 또는 이상으로 설정하여 전력 전달을 조절
공진 커패시터 전압: Vc
공진 인덕터 전류 : iL

③ 고주파 변압기
공진 회로의 전류 i L 를 고주파로 변환 및 절연
1차측 전압의 파형은 공진 회로에 의해 변형된 정현파에 가까움

④ 정류기 (Full-Wave Rectifier)
변압기 2차측 전압을 정류함 (다이오드 브리지 또는 센터탭 방식)
정류된 전류는 필터 커패시터를 통해 평활되어 부하로 전달

⑤ 출력단
출력 전압 Vo , 출력 전류 Io
출력 커패시터에 의해 리플 제거

병렬 공진형 컨버터

(Parallel Resonant Converter, PRC)

항목	설명
회로명	병렬 공진형 컨버터 (PRC)
장점	정전압 특성, ZCS 실현 용이, 경부하 성능 우수
단점	공진 전류가 크면 손실 증가 가능
사용처	안정적 전압이 필요한 전원장치, 저부하에서도 높은 효율이 요구되는 곳

회로

입력 DC 전원 : Vdc → 풀브리지 인버터
공진 회로 : Cr∥Lr → 병렬 공진 회로
고주파 변압기 → 절연 및 전압 변환
정류기 + 필터 → AC → DC 정류 및 평활화
출력 부하 : 출력 전압 Vo , 출력 전류 Io

① 풀브리지 인버터
4개의 스위치로 구성
스위칭을 통해 양방향의 고주파 전압을 생성 (Vab)

② 병렬 공진 회로
병렬 연결된 Lr 과 Cr 는 고주파 스위칭 전압에 대해 공진을 형성
공진 임피던스는 다음과 같이 주파수에 따라 달라짐
$Z(jω) =( {1\over jωC_r}∥jωL_r)$
공진 회로의 공진 주파수: $f_r= {1\over√2πL_rC_r}$

등가회로

공진 회로 임피던스 : $Z_{LC} = {jωL_r \over{1−ω^2L_rC_r}}$
공진점 (ω = ωr)에서 임피던스가 무한대로 커져 전류가 감소 → 부하를 보호하는 효과도 있음

LLC 공진형 컨버터

주요 특성 :
주파수 변조(FM) 방식으로 출력 제어
ZVS 동작 가능 범위가 넓고 고효율
출력 전압 범위 조정이 가능하며, 동기 정류와 궁합이 좋음

블록	구성 요소	역할
Bridge Driver	S1~S4 (풀브리지 or 하프브리지)	고주파 AC 전압 생성
Resonant Tank	$C_r, L_r, L_m$	공진 회로, 전력 전달
Transformer	$N_p, N_s$	절연 및 전압 변환
Rectifier	D1~D4	정류 (Full-wave)
Output	$C_o, R_o$	평활 및 부하 공급

회로

Lr: 공진 인덕터 (변압기 누설 인덕턴스 포함 가능)
Cr: 공진 커패시터
Lm: 변압기의 자기 인덕턴스

동작 원리
① 입력 스테이지 (Bridge Driver)
S1~S4 스위칭으로 정현파에 가까운 고주파 AC 전압을 생성하여 Vsw 에 전달

② LLC 공진 회로
입력 전압 Vsw 가 LLC 탱크 회로에 인가되어 공진 전류를 유도
Lr 과 Cr 은 직렬 공진, Lm 은 병렬 공진 역할
주파수에 따라 출력 전력과 이득이 결정됨

③ 변압기 : 고주파 AC 전력을 절연하고 전압비를 조정

④ 정류 및 출력 : D1~D4: 전류를 정류하고, Co로 평활하여 DC 출력 생성

구간	특성	설명
f < f_r1	ZVS 불가, 이득 ↑	출력 전력 부족시 발생 가능 (비추천)
f = f_r1	직렬 공진점	가장 높은 이득
f_r1 < f < f_r2	ZVS 가능 영역	일반적인 동작 영역
f = f_r2	병렬 공진점	출력 이득 1
f > f_r2	ZVS, 이득 ↓	경부하 시 유리