[논문]정 전압 출력을 갖는 벅-부스트 컨버터의 제어기 설계

이우철

doi:10.5207/jieie.2015.29.9.042

정 전압 출력을 갖는 벅-부스트 컨버터의 제어기 설계
Controller Design of Buck-Boost Converter with Constant Voltage Output 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.9, 2015년, pp.42 - 50

이우철 (Hankyong National University Dept. of Electrical Electronic & Control Engineering, Institute for information technology convergence)

Abstract ▼ AI-Helper

The Buck-Boost converter consisted of two switches is more expensive than the conventional Buck converter, because of the increase of the components. However, it can control the DC voltage depending on the requested load voltage without additional circuits, because it can control the voltage under the relatively wide range of the load. Additionally, it can control the output voltage constantly under the variation of the input voltage. In the paper two control loops consisted of current and voltage control are designed. When two controllers are operated at the same time the problem of the output voltage is occurred. Therefore, the solution of the output voltage problem is proposed. Finally, the validity of the proposed scheme is investigated with simulated and experimental results for a prototype system rated at 1kVA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 각각의 Buck, Boost 제어기는 출력 전압을 일정하게 제어하기 위해서 같이 동작을 한다고 할 수 있다[5]. 2가지 모드가 같이 동작할 때의 출력전압의 문제점에 대해서 알아보고 이에 대한 해결책을 제시한다.
전원 전압 정류부, 2개의 스위치를 이용한 Buck, Boost 컨버터부로 구성이 되어 있다. 본 시스템은 전원 전압이 가변이 되더라도 출력 전압을 일정하게 유지해야하는 응용분야를 위하여 설계를 하였다. 즉 전원 전압이 출력 전압보다 높을 때는 Buck 컨버터로 동작을 하고, 그 반대인 경우 Boost 컨버터로 동작을 하여 전원전압의 변동에 상관없이 일정 출력전압을 얻을 때 사용하고자 한다.
Buck-Boost DC-DC 컨버터는 컨버터의 승, 강압기능으로 인해 입력전압 범위가 넓고 입력전압의 전 범위에서 고효율을 달성할 수 있다는 장점 때문에 많이 사용된다. 본 연구에서는 Buck-Boost 컨버터를 입력전압이 원하는 출력전압보다 높거나 낮게 변동되더라도 출력 전압을 일정하게 제어하기 위한 응용분야에 사용하여 전류 제어, 전압제어의 2중 제어 루프를 갖는 Buck-Boost 제어기를 설계하였다. 또한 이때 각각의 Buck이나 Boost 제어기는 동작 모드에 상관없이 항상 Buck동작하게 되어 있다.
절연형 Buck-Boost 컨버터의 대표적인 예로는 Flyback 컨버터가 있지만 Flyback 컨버터는 주로 소용량에만 사용될 수 있다는 단점이 있다[4]. 본 연구에서는 Buck-Boost 컨버터를 입력전압이 원하는 출력전압보다 높거나 낮게 변동되더라도 출력 전압을 일정하게 제어하기 위한 응용분야에 사용하여 전류 제어, 전압제어의 2중 제어 루프를 갖는 Buck-Boost 제어기를 설계한다. 또한 이때 각각의 Buck 이나 Boost 제어기는 동작 모드에 상관없이 항상 동작하게 되어 있다.

가설 설정

(a)의 내측 루프에서는 위상 여유는 89.9°이고, 이득 여유는 무한대이다.
(b)의 외측 제어 루프에서는 위상 여유는 86.4°이고, 이득 여유는 무한대이다.

제안 방법

Buck 모드에서는 Boost 제어기의 출력 값은 최저 값으로 제한되어 차단되고, Boost 모드에서는 Buck 제어기는 최대 값으로 제한되어 항상 On되게 되어야 한다. 이때 2가지 모드가 같이 동작할 때의 출력전압의 문제점에 대해서 알아보고 해결책을 제시하였다.
표 3은 시스템 파라메터를 보여준다. 입력 전압은 실험의 편의를 위하여 전원전압을 가변하는 대신 전원전압을 정류한 DC 전압을 가변하여 사용하였다. 즉 200V, 100V로 DC 입력전압을 가변하여 출력전압을 150V로 일정하게 제어되게 Buck, Boost 컨버터의 시뮬레이션, 실험을 수행하였다.
입력 전압은 실험의 편의를 위하여 전원전압을 가변하는 대신 전원전압을 정류한 DC 전압을 가변하여 사용하였다. 즉 200V, 100V로 DC 입력전압을 가변하여 출력전압을 150V로 일정하게 제어되게 Buck, Boost 컨버터의 시뮬레이션, 실험을 수행하였다. 즉 입력 전압이 200V 일때 Buck 컨버터로 동작을 하여 출력전압을 150V로 일정하게 동작하고, 입력 전압이 100V일 경우 부스트 컨버터로 동작을 하여 출력전압을 150V로 일정하게 제어를 한다.
본 시스템은 전원 전압이 가변이 되더라도 출력 전압을 일정하게 유지해야하는 응용분야를 위하여 설계를 하였다. 즉 전원 전압이 출력 전압보다 높을 때는 Buck 컨버터로 동작을 하고, 그 반대인 경우 Boost 컨버터로 동작을 하여 전원전압의 변동에 상관없이 일정 출력전압을 얻을 때 사용하고자 한다.

이론/모형

제어기 설계 시 사용되는 시 비율에 대한 인덕터 전류, 시 비율에 대한 출력전압, 인덕터 전류에 대한 출력전압에 관한 관계식은 Matlab을 이용하여 구할 수 있다.
제어기 설계 시 사용되는 시 비율에 대한 인덕터 전류, 시 비율에 대한 출력전압, 인덕터 전류에 대한 출력전압에 관한 관계식은 Matlab을 이용하여 구할 수 있다.

성능/효과

그림 8은 시뮬레이션 결과로 그림 8 (a)는 입력전압과 출력전압 지령치와 출력전압을 보여주는 파형으로 입력전압이 200V일 때 Buck 컨버터로 동작을 하여 출력전압은 150V로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있고, 입력전압이 0.2초에 200V에서 100V로 변했을 때 부스트 컨버터로 동작을 하여 출력전압을 150V보다 약간 낮게 유지하는 것을 보여준다. 이는 Boost 컨버터의 지령치는 실제 값보다 낮게 설정되어 출력전압이 150V보다 낮게 나오게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2-스위치 Buck-Boost 컨버터의 장점은?	2-스위치 Buck-Boost 컨버터는 기존에 사용된 Buck 컨버터에 비해 파워 소자들의 증가로 단가 상승이 있는 반면에 부하의 전압 정격 범위가 상대적으로 넓기 때문에 부하에서 필요로 하는 전압에 따라 새로운 전력변환 시스템의 교체 없이 제안된 DC 링크 전압 가변형 인버터 시스템에 적용할 수 있다[1-2]. 또한 Buck-Boost DC-DC 컨버터는 컨버터의 승, 강압 기능으로 인해 입력전압 범위가 넓고 입력전압의 전범 위에서 고효율을 달성할 수 있다는 장점 때문에 많이 사용된다[3].
	Buck-Boost DC-DC 컨버터는 컨버터의 장점은?	2-스위치 Buck-Boost 컨버터는 기존에 사용된 Buck 컨버터에 비해 파워 소자들의 증가로 단가 상승이 있는 반면에 부하의 전압 정격 범위가 상대적으로 넓기 때문에 부하에서 필요로 하는 전압에 따라 새로운 전력변환 시스템의 교체 없이 제안된 DC 링크 전압 가변형 인버터 시스템에 적용할 수 있다[1-2]. 또한 Buck-Boost DC-DC 컨버터는 컨버터의 승, 강압 기능으로 인해 입력전압 범위가 넓고 입력전압의 전범 위에서 고효율을 달성할 수 있다는 장점 때문에 많이 사용된다[3]. 절연형 Buck-Boost 컨버터의 대표적인 예로는 Flyback 컨버터가 있지만 Flyback 컨버터는 주로 소용량에만 사용될 수 있다는 단점이 있다[4].
	Buck 이나 Boost 제어기 동작 모드는 어떻게 되는가?	또한 이때 각각의 Buck 이나 Boost 제어기는 동작 모드에 상관없이 항 상 동작하게 되어 있다. 즉 Buck 모드에서는 Boost 제어기의 출력 값은 최저 값으로 제한되어 차단되고, Boost 모드에서는 Buck 제어기는 최대 값으로 제한되어 항상 On되어야 한다. 따라서 각각의 Buck, Boost 제어기는 출력 전압을 일정하게 제어하기 위해서 같이 동작을 한다고 할 수 있다[5]. 2가지 모드가 같이 동작할 때의 출력전압의 문제점에 대해서 알아보고 이에 대한 해결책을 제시한다.

참고문헌 (9)

F. Z. Peng, H. Li, G. J. Su, and J. S. Lawler, "A new ZVS bi-directional dc-dc converter for fuel cell and battery applications," IEEE Trans. Power Electron., vol.19, no. 1, pp. 54-65, Jan. 2004.

상세보기
W. Jin, F. Z. Peng, J. Anderson et al., ""Low cost fuel cell converter system for residential power generation,"Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 19, no. 5, pp. 1315-1322, 2004.

상세보기
Fei Zhang, Jianping Xu, Haikun Yu, and Guohua Zhou, "Inductive Idling Boost Converter with Low Inductor Current-Ripple and Improved Dynamic Response for Power Factor Correction," in Proc. IEEE ECCE, pp.3210-3215, Sep. 2010.
S.-U Seo K.-J Lee, R.-Y Kim, D.-S Hyun, "Improved Modeling and Control of Boost-Flyback Converter With High Step-Up Voltage Ratio," Transaction of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 17, no. 1, pp. 67-76, Feb. 2012.

원문보기 상세보기
C. Yoo, W.-C Lee, K.-C. Lee, B. H. Cho, "Transient current suppression scheme for bidirectional DC-DC converters in 42V automotive power systems," IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Austin, USA, Mar. 2005.
W. Jianhua, Z. Fanghua, G. Chaunying, C. Ran, "Modeling and Analysis of a Buck/Boost Bidirectional Converter with Developed PWM Switch Model," in Proc. IEEE ECCE, pp.705-711, May. 2011.
J. G. Park, "Design of Buck-Boost DC-AC Inverter Using Microcontroller", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 23, No. 10, pp. 45-51, Oct. 2009.
J. S. Won, J. W. Park, "A Study on Characteristic Analysis of Single-Stage High Frequency Resonant Inverter Link Type DC-DC Converter", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 20, No. 2, pp. 16-23, Feb. 2006.

원문보기 상세보기
J. D. Choi, S. J. Seonh, "The Current Control Methods Comparo\ison of Boost Converter for Unity Power Factor", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 12, No. 3, pp. 67-73, Aug. 1998.

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