[논문]인터리브드 RPWM Buck 컨버터의 전도성 노이즈 감소에 대한 연구

이승현; 이근봉; 나완수

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.4.298

초록
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본 논문에서는 DC-DC Converter에서의 고조파로 인한 전자기적 잡음을 줄이기 위해 Random PWM을 적용한 Interleaved Buck Converter(IBC) 시스템을 제안한다. PWM 직류전원장치에서 스위칭 방식을 사용하는 경우 스위칭 손실 및 EMI 문제가 발생하기 때문에 많은 고조파를 포함하고 있어 선간 전압의 왜곡 등을 유발한다. 따라서 이에 대한 해결방법으로 PRBS를 이용한 IBC를 최초로 제안한다. 이 방식의 회로 구조는 2개의 능동형 스위치를 가지며 180도의 위상차를 갖는 2개의 PWM 신호를 이용하여 회로를 제어한다. IBC는 1세트의 스위치를 추가하기 때문에, 비용 측면 등에서는 불리 할 수 있으나 전력분배, 출력전류 리플 감소, 빠른 회로 반응속도, 수동소자크기 감소의 이점을 가진다. 본연구의 타당성을 확인하기 위하여 PSIM 시뮬레이터를 이용하였고 Random PWM을 적용한 IBC 회로를 설계하여 기존의 PWM과 RPWM 방식만을 사용하는 Buck-converter 회로를 PSIM 시뮬레이터를 이용하여 결과를 확인하고 분석하였다.

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This paper presents a Interleaved Buck Converter(IBC) system with Random PWM to reduce electromagnetic noise by harmonics. Swithced mode power supply generally controlled by high switching frequency have a electromagnetic interference(EMI) issue due to the high-voltage/high-current switching to regu...

This paper presents a Interleaved Buck Converter(IBC) system with Random PWM to reduce electromagnetic noise by harmonics. Swithced mode power supply generally controlled by high switching frequency have a electromagnetic interference(EMI) issue due to the high-voltage/high-current switching to regulate the voltage in buck converter. To solve the problem. we present a novel IBC system with PRBS. IBC system has two active switches with 180 phase difference that controll the cicuit with two PWM signal. IBC system may be disadventageous for the cost due to the addtion of one set of switch, but it has adventages of power distribution, current ripple cancellation, fast transient response, and passive component size reduction. To verify the validity of study, simulation program has been bulit using PSIM and the experimental results of IBC system using RPWM was compared with the conventinal PWM and randomized PWM.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DC-DC 컨버터의 전도성 노이즈 감소를 위하여 Random PWM 기술을 적용한 인터리브드 Buck 컨버터에 대한 시스템을 제안하였다. 실험 내에서 Pseudo random bit sequence(PRBS)를 이용하여 PRBS의 상태에 따라 임의의 신호를 만들었으며, 이를 이용하여 Buck 컨버터를 구동하는 RPWM 신호를 만들 수 있었다.

제안 방법

이는 180도의 위상차를 갖는 2개의 PWM 신호를 이용한 회로 제어방식이며, 전력분배, 출력전류 리플 감소, 빠른 회로 반응속도, 수동소자 크기 감소의 이점을 준다. 본 논문에서는 듀티비 50 %로 제어하여 입력 전압 6 V, 출력전압 3V의 Buck 컨버터를 기존의 PWM, RPWM, IBC with RPWM 방식을 각각 PSIM 시뮬레이를 이용하여 비교분석하였다. 또한 마이크로 컨트롤러(ATmega 128 Pro-a)를 사용한 디지털 제어를 가지는 궤환 회로 시스템을 설계하였으며, 각각의 방식을 시간 영역과 주파수 영역에서의 전류 고조파성분을 비교하였고, 고조파 성분을 최소화 할 수 있는지에 대하여 분석하였다.
본 논문에서는 듀티비 50 %로 제어하여 입력 전압 6 V, 출력전압 3V의 Buck 컨버터를 기존의 PWM, RPWM, IBC with RPWM 방식을 각각 PSIM 시뮬레이를 이용하여 비교분석하였다. 또한 마이크로 컨트롤러(ATmega 128 Pro-a)를 사용한 디지털 제어를 가지는 궤환 회로 시스템을 설계하였으며, 각각의 방식을 시간 영역과 주파수 영역에서의 전류 고조파성분을 비교하였고, 고조파 성분을 최소화 할 수 있는지에 대하여 분석하였다.
본 논문에서는 DC-DC 컨버터의 전도성 노이즈 감소를 위하여 Random PWM 기술을 적용한 인터리브드 Buck 컨버터에 대한 시스템을 제안하였다. 실험 내에서 Pseudo random bit sequence(PRBS)를 이용하여 PRBS의 상태에 따라 임의의 신호를 만들었으며, 이를 이용하여 Buck 컨버터를 구동하는 RPWM 신호를 만들 수 있었다. 임의의 신호를 이용하여 기존에 스위칭 주파수마다 주요하게 발생하는 고조파를 넓은 주파수 대역으로 확산시켜 크기를 줄일 수 있었으나, 그 크기의 감소폭은 크지 않았다.

성능/효과

임의의 신호를 이용하여 기존에 스위칭 주파수마다 주요하게 발생하는 고조파를 넓은 주파수 대역으로 확산시켜 크기를 줄일 수 있었으나, 그 크기의 감소폭은 크지 않았다. 이에 따라 본 논문에서는 인터리브드 Buck 컨버터 시스템을 제안하였으며, 이는 하나의 스위치를 더한 구조이며 각각의 스위치가 서로 180도의 위상차를 두어 회로 내의 발생하는 리플을 감소시키며, 스위칭 손실을 감소시켜, 스위칭을 할 때마다 생기는 잡음을 억제하는 것을 시간영역과 주파수영역에서 모두 확인할 수 있었다. 기존의 PWM과 RPWM 방식을 이용하였을 때와 비교하였을 때 시뮬레이션과 실험결과, 모두 제안하는 방식인 인터리브드 방식에서 고조파가 제일 효율적으로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라 본 논문에서는 인터리브드 Buck 컨버터 시스템을 제안하였으며, 이는 하나의 스위치를 더한 구조이며 각각의 스위치가 서로 180도의 위상차를 두어 회로 내의 발생하는 리플을 감소시키며, 스위칭 손실을 감소시켜, 스위칭을 할 때마다 생기는 잡음을 억제하는 것을 시간영역과 주파수영역에서 모두 확인할 수 있었다. 기존의 PWM과 RPWM 방식을 이용하였을 때와 비교하였을 때 시뮬레이션과 실험결과, 모두 제안하는 방식인 인터리브드 방식에서 고조파가 제일 효율적으로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선간 전압의 왜곡 같은 문제점을 해결하기 위한 PRBS를 이용한 IBC 은 어떤 방식인가?	따라서 이에 대한 해결방법으로 PRBS를 이용한 IBC를 최초로 제안한다. 이 방식의 회로 구조는 2개의 능동형 스위치를 가지며 180도의 위상차를 갖는 2개의 PWM 신호를 이용하여 회로를 제어한다. IBC는 1세트의 스위치를 추가하기 때문에, 비용 측면 등에서는 불리 할 수 있으나 전력분배, 출력전류 리플 감소, 빠른 회로 반응속도, 수동소자크기 감소의 이점을 가진다.
	PWM 직류전원장치에서 스위칭 방식을 사용하는 경우 발생하는 문제점은?	본 논문에서는 DC-DC Converter에서의 고조파로 인한 전자기적 잡음을 줄이기 위해 Random PWM을 적용한 Interleaved Buck Converter(IBC) 시스템을 제안한다. PWM 직류전원장치에서 스위칭 방식을 사용하는 경우 스위칭 손실 및 EMI 문제가 발생하기 때문에 많은 고조파를 포함하고 있어 선간 전압의 왜곡 등을 유발한다. 따라서 이에 대한 해결방법으로 PRBS를 이용한 IBC를 최초로 제안한다.
	IBC의 이점은 무엇인가?	이 방식의 회로 구조는 2개의 능동형 스위치를 가지며 180도의 위상차를 갖는 2개의 PWM 신호를 이용하여 회로를 제어한다. IBC는 1세트의 스위치를 추가하기 때문에, 비용 측면 등에서는 불리 할 수 있으나 전력분배, 출력전류 리플 감소, 빠른 회로 반응속도, 수동소자크기 감소의 이점을 가진다. 본연구의 타당성을 확인하기 위하여 PSIM 시뮬레이터를 이용하였고 Random PWM을 적용한 IBC 회로를 설계하여 기존의 PWM과 RPWM 방식만을 사용하는 Buck-converter 회로를 PSIM 시뮬레이터를 이용하여 결과를 확인하고 분석하였다.

참고문헌 (7)

Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, John Wiley & Sons, pp. 172-184, 2009.
K. K. Tse, Henry Shu-hung Chung, "A comparative investigation on the use of random modulation schemes for DC/DC converters", IEEE Transaction on Industrial Electronics, vol. 47, no. 2, pp. 253-263, Apr. 2000.

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Ki-Seon Kim, Young-Gook Jung, and Young-Cheol Lim, "A new hybrid random PWM scheme", IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 24, no. 1, pp. 192-200, Jan. 2009.

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Morteza Esteki, Behzad Poorali, Ehsan Adib, and Hosein Farzanehfard, "Interleaved buck converter with continuous input current, extremely low output current ripple, low switching losses, and improved step-down conversion ratio", IEEE Transaction on Industrial Elctronics, vol. 62, no. 8, pp. 4769-4776, Aug. 2015.

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V. Krishnakumar, V. Kamaraj, and S. Jeevananthan, "Random pulse width modulation for performance improvement of brushless DC motor drive", IEEE Transaction on Electrical Energy Systems, pp. 157-163, Jan. 2014.
Yen-Shin Lai, "Novel random-switching PWM Technique with constant sampling frequency and constant inductor average current for digitally controlled converter", IEEE Transaction on Industrial Electronics, vol. 60, no. 8, pp. 3126-3135, Aug.2013.

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Young-Cheol Lim, Seog-Oh Wi, Jong-Nam Kim, and Young-Gook Jung, "A pseudorandom carrier modulation scheme", IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 25, no. 4, pp. 797-805, Apr. 2010.

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