[논문]안정된 PWM 제어 DC/DC 전력 강압 컨버터 구현

노영환

doi:10.5302/j.icros.2012.18.4.371

안정된 PWM 제어 DC/DC 전력 강압 컨버터 구현
Implementation of DC/DC Power Buck Converter Controlled by Stable PWM 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.18 no.4, 2012년, pp.371 - 374

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DC/DC switching power converters produce DC output voltages from different stable DC input sources regulated by a bi-polar transistor. The converters can be used in regenerative braking of DC motors to return energy back in the supply, resulting in energy savings for the systems containing frequent stops. The voltage mode DC/DC converter is composed of a PWM (Pulse Width Modulation) controller, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), an inductor, and capacitors, etc. PWM is applied to control and regulate the total output voltage. It is shown that the output of DC/DC converter depends on the variation of threshold voltage at MOSFET and the variation of pulse width. In the PWM operation, the missing pulses, the changes in pulse width, and a change in the period of the output waveform are studied by SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) and experiments.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

여기서 f는 스위칭 주파수이다. 그림 3과 같이 트랜지스터가 이상적인 스위치 기능을 수행한다고 가정할 때 스위치에서는 전력이 소모되지 않는다. 스위치가 열려 있을 때 소자에는 전류가 흐르지 않으며, 스위치가 닫혀있을 때 소자 양단에 전압이 걸리지 않으므로, 모든 전력은 부하에서 소모된다.

제안 방법

0 V인 IR(International Rectifier)사의 MOSFET이다. DC/DC 컨버터의 핵심부품인 PWM [7,8] 동작 상태를 검증하기 위해 그림 4와 같이 UC 3846[5] 회로도에 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 궤환 회로를 가진 PWM-IC 블록도를 설계하였다.
PWM-IC 모듈을 포함한 DC/DC 컨버터의 특징을 회로시뮬레이터 소프트웨어인 SPICE로 시뮬레이션을 수행하였으며 PWM-IC 모듈의 동작을 확인하기 위해 하드웨어를 구현하여 입/출력 파형의 결과, 이론치와 일치함을 입증하였다. 또한 PWM-IC의 입력단에 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)로 입력전압을 궤환시켜 안정된 입력전압을 인가하여 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 DC/DC 컨버터의 설계기반을 구축하였다고 본다.
초퍼의 종류는 전압을 승압시키는 승압컨버터(boost converter)와 전압을 강압시키는 강압컨버터(buck converter), 강압과 승압을 모두 시킬 수 있는 강압-승압 컨버터(buck-boost converter) 등으로 분류된다. 본 논문에서는 강압컨버터를 적용하는데 컨버터의 출력 전압은 PWM-IC의 펄스폭으로 제어되고 MOSFET의 문터전압의 변화에 영향을 받는다. 그리고, 안정된 PWM 제어회로를 설계하며, PWM 동작에서 펄스의 상실(missing), 펄스폭의 변화, 출력파형에서 주기의 변화를 SPICE [4]로 시뮬레이션을 수행하고 실험을 통해서 입증하는데 있다.

이론/모형

여기서 D는 통류율이고 값은 0에서 1 사이이다. DC/DC 컨버터에서 스위칭 주파수와 위상지연을 일정하게 두고 통류율을 제어하여 직류 입력전압에 대한 직류 출력전압의 비를 가변시키는 기법인 PWM을 활용한다.

성능/효과

PWM-IC 모듈을 포함한 DC/DC 컨버터의 특징을 회로시뮬레이터 소프트웨어인 SPICE로 시뮬레이션을 수행하였으며 PWM-IC 모듈의 동작을 확인하기 위해 하드웨어를 구현하여 입/출력 파형의 결과, 이론치와 일치함을 입증하였다. 또한 PWM-IC의 입력단에 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)로 입력전압을 궤환시켜 안정된 입력전압을 인가하여 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는 DC/DC 컨버터의 설계기반을 구축하였다고 본다.
그림 6의 SPICE를 이용한 시뮬레이션 결과에서 그림 5의 기준전압 (Vref)을 2 V로 설정할 때 인덕터 전류가 최대 10 A 까지 도달하며 입력단의 펄스폭은 인덕터 전류와 기준전압의 크기에 달려 있는데 인덕터 전류와 비교기 전압이 증가함에 따라 펄스폭이 넓어지게 된다. 그리고 문턱전압이 3 V 이하로 될 때 출력 인덕터 전류가 큰 폭으로 fluctuation (요동) 되어 게이트 신호가 쉽게 턴-온 됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DC/DC 컨버터가 수행하는 기능은?	DC/DC 컨버터[1]는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키며 주기적으로 입력측에서 출력측으로 전달되는 에너지를 제어하는 기능을 수행하는데 PWM-IC (펄스폭 변조-집적회로), MOSFET (산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서, 저항 등으로 구성되어 있다. MOSFET는 스위칭 기능을 수행하고 입력측에서 출력측으로 에너지를 제어하는 기능을 하며, 인덕터와 커패시터는 주기적으로 에너지를 전달하는 매개역할을 하거나 출력전압의 불필요한 리플(ripple)성분을 제어하기 위한 필터역할을 하고, PWM-IC는 펄스폭을 제어하여 직류출력전압을 조정한다.
	DC/DC 컨버터의 응용 분야는?	DC/DC 컨버터는 철도차량의 모터구동장치, 위성체의 전력시스템, 컴퓨터 장치, 통신시스템 등 산업응용분야가 다양하다. 예를 들어, 직류직권전동기의 속도를 제어하기 위하여 가장 많이 사용하는 방법이 전압 제어법으로 직류전압을 가변 시키기 위하여 전압을 변성시켜줄 수 있는 장치가 필요하다.
	DC/DC 컨버터를 구성하는 기기들의 역할은?	DC/DC 컨버터[1]는 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키며 주기적으로 입력측에서 출력측으로 전달되는 에너지를 제어하는 기능을 수행하는데 PWM-IC (펄스폭 변조-집적회로), MOSFET (산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터), 인덕터, 콘덴서, 저항 등으로 구성되어 있다. MOSFET는 스위칭 기능을 수행하고 입력측에서 출력측으로 에너지를 제어하는 기능을 하며, 인덕터와 커패시터는 주기적으로 에너지를 전달하는 매개역할을 하거나 출력전압의 불필요한 리플(ripple)성분을 제어하기 위한 필터역할을 하고, PWM-IC는 펄스폭을 제어하여 직류출력전압을 조정한다. PWM-IC는 전류모드나 전압모드[2]로 동작되는데 입력단에 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)[3]로 입력전압을 궤환(feedback)시켜 펄스폭을 조정하여 안정된 입력전압을 생성하는 전압모드를 이용한다.

참고문헌 (9)

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A Technical Report, "Development of evaluation technology of SEL effects on electronic component for SPACE," National Research Foundation of Korea (in Korean), 2011

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