[논문]전류게인 전향보상기법을 이용한 부스트 컨버터의 불연속전도 모드 전류제어

이승구; 김영록; 차한주

doi:10.5370/kiee.2011.60.11.2049

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In this paper a new current control method is proposed for the discontinuous conduction mode of boost converter. The proposed method using a current gain feedforward compensation adjusts a measured inductor current value and then, calculated an average current precisely in the discontinuous conducti...

In this paper a new current control method is proposed for the discontinuous conduction mode of boost converter. The proposed method using a current gain feedforward compensation adjusts a measured inductor current value and then, calculated an average current precisely in the discontinuous conduction mode as well as continuous conduction mode. By applying the proposed method, the current measurement error is significantly reduced to 2% regardless of the operating points. The proposed method is analyzed and its performance is investigated in simulation. To verify the feasibility of the proposed scheme, a 10kW 3-phase interleaved boost converter was built and experimental results are matched to the simulation results.

주제어

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문제 정의

하지만 DCM에서는 이 고정된 시점으로 인해 A/D 샘플링된 순시전류는 전류기준치와 동일하더라도 결코 평균전류와 같을 수 없는 전류제어 알고리즘의 문제점이 발생한다. 따라서 본 논문에서 DCM구간에서의 전류오차를 보상하여 전류 에러값을 최소화할 수 있는 전류제어기법을 제안한다.
그러나 지금까지 인터리브드 방식을 적용한 부스트 컨버터의 불연속 전도 모드에 대한 이전의 연구는 다상 인터리브드 방식의 특성과 듀티비에 따른 입력전류의 해석 및 입력전류의 리플에 관한 연구만이 수행되어 왔다. 따라서 본 논문은 3상 인터리브드 부스트 컨버터의 CCM과 DCM 동작시 전류제어의 시퀀스를 분석하고 DCM구간의 전류오차 문제점 및 원인을 규명하였으며, DCM 전류제어를 하는데 불가피하게 발생하는 전류오차를 최소화할 수 있는 전류게인 전향보상기법을 제안하였다. 또한 제안된 기법의 수식에 대한 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증하였으며 적용가능성을 확인하기 위해 태양광 PCS (Power Conditioning System)의 10kW급 DC-DC 부스트 컨버터를 제작 및 실험을 시행하였다.
본 논문에서는 3상 인터리브드 부스트 컨버터의 CCM, DCM 동작시퀀스를 해석하여 DCM구간에서의 전류제어 시 문제점인 전류 기준치와 실제 흐르는 평균전류사이 전류오차 원인을 규명하였다. 또한 CCM뿐만 아니라 DCM에서의 정확한 전류제어를 위해 두가지 기법을 제안하였다.

가설 설정

이때 PI제어기는 게인이 적용되어 발생된 전류 에러값을 0으로 최소화하며 DCM 전류제어 시 전류오차를 보상하는 기법이다. 우선 입력전압, 출력전압, 스위칭 주기, 인덕턴스는 일정한 상수로 가정한다. 정상상태에서 스위치가 ON인 DT_S구간 동안 부스트 컨버터의 인덕터 전류 i_L과 인덕터 전압 V_L과의 관계는 다음과 같다.

제안 방법

첫 번째 기법인 입력총합 전류제어기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 전류의 유동성과 최대 전류오차가 입력전류 리플의 1/2 크기까지 발생하여 모든 범위에서 정확한 전류제어는 불가능하다는 단점을 확인하였다. 따라서 DCM 모든 구간에서 전류 기준치와 동일하게 평균입력전류를 제어할 수 있는 두 번째 기법으로 전류게인 전향보상기법을 제안하였으며 제안기법의 효과와 수식의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 그 결과 전류의 불균형과 유동성의 문제점 없이 최대 63%의 전류오차를 2% 전류오차까지 최소화할 수 있었으며 전류게인 전향보상기법의 적용가능성을 확인할 수 있었다.
정확한 평균전류를 파악하지 못하면 정확한 최대전력점을 추적하지 못해 높은 발전효율을 기대하기 어렵다. 따라서 고효율의 MPPT 알고리즘을 수행하기 위해 DCM구간에서의 정확한 전류제어를 할 수 있는 전류게인 전향보상기법을 이용한 부스트 컨버터의 DCM 전류제어를 고안하였다. 또한 본 논문에서 실험에 사용된 부스트 컨버터는 인터리브드 방식을 사용하였으며, 인터리브드 방식이란 전류 흐름의 다분화와 상의 수만큼 분배된 위상차 발생으로 전류 간의 리플 상쇄효과에 기인하여 전체 전류 리플크기의 감소와 입·출력 필터의 용량과 체적을 줄일 수 있는 이점을 제공하며, 낮은 스위칭 주파수로 높은 스위칭 주파수 효과를 얻을 수 있어 스위칭 손실을 줄일 수 있는 방법이다[4][5].
A/D 컨버터에 의해 취득된 입력전류의 순시전류를 기준으로 전류 기준치를 제어하는 입력 총합 전류제어 기법은 기존의 알고리즘보다는 전류제어의 정확성을 향상시킬 수있었으나 DCM 전류제어 시 여전히 전류오차가 발생하는 구간이 발생되었다. 따라서 전압 변환비나 전류 기준치의 변화와 상관없이 모든 영역에서 정확한 전류제어가 가능하며 DCM 구간에서 전류 기준치와 평균전류와의 전류오차를 최소화할 수 있는 전류게인 전향보상기법을 제안한다. 원리는 DCM 전류제어 시 전류기준치와 실제 평균전류간의 오차가 존재함에도 제어기의 전류 에러값은 0이기 때문에 전류오차를 보상하지 못했다.
본 논문에서는 3상 인터리브드 부스트 컨버터의 CCM, DCM 동작시퀀스를 해석하여 DCM구간에서의 전류제어 시 문제점인 전류 기준치와 실제 흐르는 평균전류사이 전류오차 원인을 규명하였다. 또한 CCM뿐만 아니라 DCM에서의 정확한 전류제어를 위해 두가지 기법을 제안하였다. 첫 번째 기법인 입력총합 전류제어기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 전류의 유동성과 최대 전류오차가 입력전류 리플의 1/2 크기까지 발생하여 모든 범위에서 정확한 전류제어는 불가능하다는 단점을 확인하였다.
따라서 본 논문은 3상 인터리브드 부스트 컨버터의 CCM과 DCM 동작시 전류제어의 시퀀스를 분석하고 DCM구간의 전류오차 문제점 및 원인을 규명하였으며, DCM 전류제어를 하는데 불가피하게 발생하는 전류오차를 최소화할 수 있는 전류게인 전향보상기법을 제안하였다. 또한 제안된 기법의 수식에 대한 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증하였으며 적용가능성을 확인하기 위해 태양광 PCS (Power Conditioning System)의 10kW급 DC-DC 부스트 컨버터를 제작 및 실험을 시행하였다. 그 결과 전류게인 전향보상기법은 시뮬레이션의 결과와 동일하게 DCM구간에서 기존 전류오차를 최대 63%의 전류오차율을 2%로 최소화할 수 있는 기법임을 증명하였다.
실험 조건은 표 3과 동일하게 입력전압 530V에서 출력전압 700V로 승압 시 DCM이 발생되는 구간인 입력전류 기준치 3A, 5A 2가지 조건하에 전류게인 전향보상기법을 적용 및 미적용하여 비교 실험을 실시하였다.

이론/모형

결국 상전류의 합은 입력전류가 되므로, 입력전류의 기준치를 만족할 수 있다. 컨버터의 전류 제어 방식은 PI 제어기를 사용하였다. 상전류 기준치와 현 상전류의 비교값으로 PI 결과값을 산출하고, 현 입력전압과의 합을 출력 전압 범위 비율에 맞게 스위칭 신호화 한다.

성능/효과

또한 제안된 기법의 수식에 대한 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증하였으며 적용가능성을 확인하기 위해 태양광 PCS (Power Conditioning System)의 10kW급 DC-DC 부스트 컨버터를 제작 및 실험을 시행하였다. 그 결과 전류게인 전향보상기법은 시뮬레이션의 결과와 동일하게 DCM구간에서 기존 전류오차를 최대 63%의 전류오차율을 2%로 최소화할 수 있는 기법임을 증명하였다.
따라서 DCM 모든 구간에서 전류 기준치와 동일하게 평균입력전류를 제어할 수 있는 두 번째 기법으로 전류게인 전향보상기법을 제안하였으며 제안기법의 효과와 수식의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 그 결과 전류의 불균형과 유동성의 문제점 없이 최대 63%의 전류오차를 2% 전류오차까지 최소화할 수 있었으며 전류게인 전향보상기법의 적용가능성을 확인할 수 있었다.
1A가 흐르는 것을 볼 수 있다. 따라서 앞서 제안한 전류게인 전향보상기법이 DCM구간에서 정밀한 전류제어를 가능하게 하며 전류오차를 최소화할 수 있음을 알았다.
또한 CCM뿐만 아니라 DCM에서의 정확한 전류제어를 위해 두가지 기법을 제안하였다. 첫 번째 기법인 입력총합 전류제어기법은 시뮬레이션과 실험을 통해 전류의 유동성과 최대 전류오차가 입력전류 리플의 1/2 크기까지 발생하여 모든 범위에서 정확한 전류제어는 불가능하다는 단점을 확인하였다. 따라서 DCM 모든 구간에서 전류 기준치와 동일하게 평균입력전류를 제어할 수 있는 두 번째 기법으로 전류게인 전향보상기법을 제안하였으며 제안기법의 효과와 수식의 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.

후속연구

오늘날 기존의 화석 에너지를 대신할 수 있는 신재생 에너지의 개발에 대한 투자와 관심의 증가는 계속되고 있다. 풍력, 연료전지, 태양광을 비롯하여 신재생 에너지원은 점차 지속가능한 친환경적인 재료를 활용하는 방향으로 변화하고 있으며, 앞으로는 선택적인 사용이 아닌 필수 불가결한 대상이 될 것이다. 태양광 발전의 장점에 관해서는 다양한 매체와 자료에 의해 보편적 사실이 될 만큼 널리 알려져 있다.
태양광 발전의 장점에 관해서는 다양한 매체와 자료에 의해 보편적 사실이 될 만큼 널리 알려져 있다. 하지만 전체적인 전력 계통에 있어 석유, 석탄, 가스, 원자력 등 기존 에너지원 발전과 비교해 태양광 발전이 차지하고 있는 부분은 크지 않지만 현 시대의 흐름에 비추어 앞으로 경제적 요소가 보완된다면, 태양광 발전의 효용성은 보다 증대될 전망이다. 발전이라는 응용분야의 특성상 효율은 발전시스템의 핵심이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘 과정에서 최대전력점을 추종하기 위해 동작해야하는것은?	또한 태양광 발전은 태양광 어레이로부터 얻게 되는 낮은 출력전압의 승압이 요구되기 때문에 부스트 컨버터의 연계가 불가피하고 발전효율을 향상을 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행해야 한다. 이 과정에서 일사량과 온도에 따라 변화하는 최대전력점을 추종하기 위해서는 CCM(Continuous Conduction Mode)과 DCM (Discontinuous Conduction Mode) 모든 구간에서 부스트 컨버터는 정확히 동작되어야 한다. CCM과 달리 DCM은 영전류 구간이 존재함으로 인해 디지털 제어기에서 평균전류를 구하는데 어려움이 발생한다.
	화석 에너지를 대신할 수 있는 사업으로 떠오르는 것은?	오늘날 기존의 화석 에너지를 대신할 수 있는 신재생 에너지의 개발에 대한 투자와 관심의 증가는 계속되고 있다. 풍력, 연료전지, 태양광을 비롯하여 신재생 에너지원은 점차 지속가능한 친환경적인 재료를 활용하는 방향으로 변화하고 있으며, 앞으로는 선택적인 사용이 아닌 필수 불가결한 대상이 될 것이다. 태양광 발전의 장점에 관해서는 다양한 매체와 자료에 의해 보편적 사실이 될 만큼 널리 알려져 있다.
	태양광 발전은 효율 향상을 위해 무엇을 수행하는가?	따라서 보다 높은 효율을 지향하기 위해 다양한 기법들이 논의 되고 있다[1]-[3]. 또한 태양광 발전은 태양광 어레이로부터 얻게 되는 낮은 출력전압의 승압이 요구되기 때문에 부스트 컨버터의 연계가 불가피하고 발전효율을 향상을 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행해야 한다. 이 과정에서 일사량과 온도에 따라 변화하는 최대전력점을 추종하기 위해서는 CCM(Continuous Conduction Mode)과 DCM (Discontinuous Conduction Mode) 모든 구간에서 부스트 컨버터는 정확히 동작되어야 한다.

참고문헌 (9)

Armando Bellini, Stefano Bifaretti "A quasi-resonant ZCS Boost DC/DC Converter for Photovoltaic Applications", IEEE Industrial Electronics 2007.
이현관, 이기식, 강성인, 공영수, 김은수, 김윤호 "태양광 발전시스템을 위한 LLC 직렬공진컨버터 적용 무접점 전원장치" 대한전기학회 전기기기 및 에너지변환 시스템 부문회 춘계학술대회논문집 pp347-350. 2006.4
S.Daher, J.Schmid and F.L.M. Antunes, "Multilevel inverter topologies for stand-alone PV systems," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol.55, pp. 2703-2712, Jul. 2008.
John Betten, Robert Kollman, "Interleaving dc/dc converters boost efficiency and voltage", Texas Instruments. EDN, pp78, 84, October, 2005.
강영주, 차한주, "멀티스트링 태양광 인버터용 인터리브드 부스트 컨버터의 설계 및 제어", 대한전기학회 논문지, Trans, Vol.60, No. 3, pp538-543, MAR, 2011.
H.B. Shin, J.G. Park, S.K. Chung, H.W. Lee, T.A. Lipo,"Generalised Steady-state analysis of multiphase interleaved boost converter with coupled inductors", IEE Proc.-Electr. Power Appl, Vol.152, No.3, pp 587-591, May, 2005.
Taewon Heo, Young-dae son, Enrico santi "Analysis of the interleaved type power factor correction(PFC) converter in discontinuous current mode" IEEE industrial electronics society, 2004.
Biswajit Ray, Hiroyuki Kosai, Seana McNeal, Brett Fjodan, James Scofield "Performance Analysis of a Multi-Mode Interleaved Boost Converter" IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2009.
김동희, 최규영, 김종수, 이병국, "연료전지용 다상 부스트 컨버터 불연속 모드 특성 해석", 대한전기학회 논문지, Trans, Vol.59, No. 1, pp88-95, Jan, 2010.

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