[논문]새로운 스위치 패턴을 적용한 전류원을 갖는 DC/DC 컨버터

김선필; 고현석; 김세민; 박성미; 박성준

doi:10.21289/ksic.2017.20.4.275

새로운 스위치 패턴을 적용한 전류원을 갖는 DC/DC 컨버터
The DC/DC Converter having the current source applying the new switching pattern 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.20 no.4, 2017년, pp.275 - 284

김선필 ((주)에이앤디에스) , 고현석 ((주)에이앤디에스) , 김세민 ((주)에이앤디에스) , 박성미 (한국승강기대 승강기공학부) , 박성준 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As the high-level of the industrial and information age, the electricity become the indispensable element in the daily life including OA, FA, and computer, electric home appliances, and etc. In particular, The continuous use of the high capacity power supply system by applying a Switching Mode Power Supply(SMPS) according to the increase of the secondary side output terminal of the power load of the refrigerator of the home appliance or automation of the plant is pressed. The purpose using the way with this kind of high-capacity altogether is to supply the output voltage and output current regardless of the input voltage or to the external environmental conditions of the secondary-side load fluctuation. In this paper, a combination of a Buck Converter with Boost Converter by making a constant current source to control the inductor current and maintain stable power supply side operating characteristics, when load variations. While maintaining the same characteristics as conventional Buck Converter, and offer a DC-DC Converter system with the new switch pattern having a wide output range capable of operating in Buck-Boost Converter. In addition, after theoretical analysis, we carry out simulations and experiments to verify the validity and performance comparing with a conventional DC-to-DC converter.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 최근 수요가 급격히 증가하고 있는 직류안정화 전원장치의 주기적으로 반복되는 부하변동에 대하여 전원단의 안정적인 출력을 얻기 위하여 벅-컨버터회로와 부스트 컨버터회로를 결합하여 인덕터 전류를 일정한 전류원이 되도록 제어하여 급속한 부하변동에 대하여 안정된 일정 출력을 가지는 벅-부스트 컨버터로 동작이 가능한 넓은 출력범위를 갖는 DC/C 컨버터를 제안하였다.

가설 설정

이런 상태에서는 전력소모가 작기 때문에(ON 상태에서 스위치 맞은편에는 낮은 전압, OFF 상태에서는 스위치를 통과하는 전류는 영(zero)이다.) 스위칭 조정기는 높은 에너지 변환 효율성을 얻을 수 있다.[1]∼[3]
그러나 실제의 경우 내부 기생성분과 외부의 요인에 의하여 인덕터 L과 커패시터 C는 이상적이지 않기 때문에 인덕터 전류 i_L이나 출력 전압 V_O에는 리플성분이 포함된다. 따라서본 논문에서 제안된 DC/DC컨버터 정상상태 해석을 위해서, 인덕터와 커패시터는 이상적이라 가정하고, 리플성분을 포함한 인덕터 전류 i_L 을 구하고, 인덕터 전류 i_L의 리플성분에 의한 출력전압 v_O에 대한 정상상태 해석을 하였다.[6]
은 증가 또는 감소하지 않고 일정하게 흐른다고 가정하였다. 또한 스위칭 주기는 두 개의 스위치의 스위칭 주파수가 동일하다고 가정하였다.
제안된 DC/DC 컨버터에서 인덕터 L과 커패시터 C가 이상적으로 매우 크다고 가정하면, 정상상태에서 인덕터 L에는 일정한 전류가 흐르고 커패시터 C 양단에는 일정한 전압 걸리게 된다. 그러나 실제의 경우 내부 기생성분과 외부의 요인에 의하여 인덕터 L과 커패시터 C는 이상적이지 않기 때문에 인덕터 전류 i_L이나 출력 전압 V_O에는 리플성분이 포함된다.
제안된 회로에서 인덕터 전류 해석을 위하여 그림 2의 스위치 S_U : ON, S_D : OFF 될 때, 출력 전압과 입력전압이 동일하여 인덕터 전류 i_L은 증가 또는 감소하지 않고 일정하게 흐른다고 가정하였다. 또한 스위칭 주기는 두 개의 스위치의 스위칭 주파수가 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 결합으로 인덕터를 공통으로 사용하고, 새로운 스위칭 패턴을 적용하여 인덕터에 걸리는 주파수가 스위칭 주파수에 비해 두 배가 되는 구조로 제안하였다. 또한 출력전압의 동특성을 개선시키기 위해 인덕터 전류를 전류원으로 제어함으로써 부하 변동에 대하여 전류의 오버슈트를 줄여 안정된 전원단 동작특성을 유지하여 커패시터의 용량을 줄일 수 있고 벅-부스트 컨버터로 동작이 가능한 넓은 출력범위를 갖는 DC/DC 컨버터의 스위치 방식을 제안하였다. 이와 같은 구조의 검증 및 타당성을 확인하기 위하여 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.
본 논문에서 제안한 새로운 스위치 패턴을 적용한 넓은 출력범위(감압 또는 승압)을 갖는 DC/DC 컨버터의 타당성 검증을 위해, PSIM을 이용한 시뮬레이션을 통하여 회로를 분석하였다. 그림 7은 PSIM 에서 구성한 제안된 DC/DC컨버터 시뮬레이션 회로이다.
본 논문에서는 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 결합으로 인덕터를 공통으로 사용하고, 새로운 스위칭 패턴을 적용하여 인덕터에 걸리는 주파수가 스위칭 주파수에 비해 두 배가 되는 구조로 제안하였다. 또한 출력전압의 동특성을 개선시키기 위해 인덕터 전류를 전류원으로 제어함으로써 부하 변동에 대하여 전류의 오버슈트를 줄여 안정된 전원단 동작특성을 유지하여 커패시터의 용량을 줄일 수 있고 벅-부스트 컨버터로 동작이 가능한 넓은 출력범위를 갖는 DC/DC 컨버터의 스위치 방식을 제안하였다.
시뮬레이션과 실험결과를 토대로 기존의 DC/DC 컨버터와 비교⋅분석함으로써 급속한 부하변동에 대하여 전원단의 안정적인 출력을 갖는 DC/DC 컨버터로서의 타당성을 검증하였다. 제안된 컨버터가 조금 더 활용되기 위해서는 제안된 컨버터가 가지는 출력 커패시터의 용량 저감이라는 장점을 유지하면서 급속한 부하변동에 예상되는 각종 기기에 적용이 가능할 수 있도록 연구가 필요할 것으로 사료된다.
입력전압 지령치 Vref를 10[Hz]의 주파수를 갖으며 지령전압이0∼150[V]로 변화되도록 제어하였을 때, 인덕터 전류 iL을 Imax인 40[A]로 일정하게 제어하였으며, 부하전류 iO는 0∼5[A]의 일정하게 증가하는 전류의 파형을 확인하였다.
제안된 DC/DC컨버터는 스위치 SU와 SD의 ON⋅ OFF 동작에 대하여 4가지 모드로 분석하였다.
제안된 DC/DC컨버터는 하나의 인덕터를 이용하여 벅-컨버터와 부스트-컨버터의 기능을 수행할 수 있도록 만들어진 구조이다.[4] 그림 1을 살펴보면, DC 입력 전압원 Vi, 제어를 위한 스위치 S_U ⋅S_D , 환류 다이오드 D₁ ⋅D₂, 인덕터 L, 커패시터 C, 부하저항 R로 이루어져 있다.
제안된 스위칭 패턴의 타당성을 검증을 위하여, 입력전압은 50[V], 인덕터 전류를 25[A]로 일정하게 제어하도록 설정하였다.

대상 데이터

회로구성은 DC/DC 컨버터부와 C언어로 구성 된 DLL제어부, 출력전압을 제어하기 위한 센서부로 구성되어있고, 표 1은 시뮬레이션 파라미터 값이다.

데이터처리

이론적인 해석을 바탕으로 하여 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 바탕으로 실험을 수행하였으며 기존의 DC/DC 컨버터와 결과를 비교하였다. 제안된 컨버터와 기존의 컨버터의 각 모드 동작 중부하변동에 대하여 실험한 결과 제안한 새로운 스위칭 패턴을 적용한 DC/DC 컨버터가 부하변동에 대하여 안정된 전원단의 출력을 갖는 결과를 확인하였다.
또한 출력전압의 동특성을 개선시키기 위해 인덕터 전류를 전류원으로 제어함으로써 부하 변동에 대하여 전류의 오버슈트를 줄여 안정된 전원단 동작특성을 유지하여 커패시터의 용량을 줄일 수 있고 벅-부스트 컨버터로 동작이 가능한 넓은 출력범위를 갖는 DC/DC 컨버터의 스위치 방식을 제안하였다. 이와 같은 구조의 검증 및 타당성을 확인하기 위하여 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.

성능/효과

100[V] 입력전압을 받아 전압지령치 V_ref 을 150[V]로 설정하여 제어하였을 때, 인덕터 L에 흐르는 인덕터 전류 i_L 을 40[A]인 I_max로 일정하게 제어되고 있으며 부하전류 i_o는 약 5[A]의 일정한 출력을 내고 있음을 확인할 수 있다. 약 50[ms]에서 벅-모드와 동일하게 30[Ω]에서 17[Ω]로 부하를 변동하였을 때, 인덕터 전류 i_L는 미세하게 변동을 하였지만, 출력전압 v_O는 일정하게 제어되는 것을 확인할 수 있다.
제안된 DC/DC 컨버터는 기존의 벅-부스트 컨버터와 마찬가지로 승압과 감압이 가능하다. 각 모드에 대하여 이론적인 해석과 실험으로 인덕터의 전류를 일정하게 제어하여 전류원으로 유지하면서 벅-부스트 컨버터로 동작이 가능함을 증명하였다.
스위치 S_U가 ON이 된 상태에서 스위치 S_D를 스위칭 동작을 시키면, 시비율 D_boost에 대한 부스트 컨버터로 동작을 하고 스위치 S_U와 S_D를 동시에 스위칭 제어하면 시비율 D_buck과 D_boost를 갖는 벅-부스트 컨버터로 동작을 하게 된다. 따라서 제안된 DC/DC컨버터는 기존의 벅-부스트와 동일한 전압가변 범위를 가지게 되며, 구조적인 특징에 의해 스위칭 주파수 f_sw에 비해 인덕터의 전류리플 주파수가 2배인 2f_sw가 된다. 이러한 특징은 인덕터의 주파수가 기존의 DC/DC 컨버터의 인덕터에 비해 2배의 주파수가 되기 때문에 인덕터의 인덕턴스와 전류 리플, 부피를 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
는 0∼5[A]의 일정하게 증가하는 전류의 파형을 확인하였다. 약 50[ms]에서, 30[Ω]에서 17[Ω]로 부하를 변동하였을 때, 인덕터 전류 i_L는 미세하게 흔들리는 동작 파형을 보였지만, 출력전압 v_O는 V_ref를 추종하는 것을 확인하였다. 또한 입력전압 100[V]을 경계로 벅 모드에서 부스트 모드로 바뀔 때 출력전압 v_O와 인덕터 전류 i_L, 그리고 부하전류 i_O의 약간의 오버 슈트가 있지만 제어기의 Gain값을 조절하면 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
제안된 DC/DC 컨버터는 기존의 벅-부스트 컨버터와 마찬가지로 승압과 감압이 가능하다. 각 모드에 대하여 이론적인 해석과 실험으로 인덕터의 전류를 일정하게 제어하여 전류원으로 유지하면서 벅-부스트 컨버터로 동작이 가능함을 증명하였다.
이론적인 해석을 바탕으로 하여 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 바탕으로 실험을 수행하였으며 기존의 DC/DC 컨버터와 결과를 비교하였다. 제안된 컨버터와 기존의 컨버터의 각 모드 동작 중부하변동에 대하여 실험한 결과 제안한 새로운 스위칭 패턴을 적용한 DC/DC 컨버터가 부하변동에 대하여 안정된 전원단의 출력을 갖는 결과를 확인하였다. 또한 인덕터 전류가 전류원으로 됨으로써 전류의 오버슈트가 작아져 출력단의 커패시터 용량이 작아지는 장점이 있다.

후속연구

시뮬레이션과 실험결과를 토대로 기존의 DC/DC 컨버터와 비교⋅분석함으로써 급속한 부하변동에 대하여 전원단의 안정적인 출력을 갖는 DC/DC 컨버터로서의 타당성을 검증하였다. 제안된 컨버터가 조금 더 활용되기 위해서는 제안된 컨버터가 가지는 출력 커패시터의 용량 저감이라는 장점을 유지하면서 급속한 부하변동에 예상되는 각종 기기에 적용이 가능할 수 있도록 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력전자 반도체 스위치를 사용한 스위칭 조정기의 전력 소모가 작은 이유는?	스위칭 조정기는 ON과 OFF 상태에서 전력전자 반도체 스위치를 사용한다. 이런 상태에서는 전력소모가 작기 때문에(ON 상태에서 스위치 맞은편에는 낮은 전압, OFF 상태에서는 스위치를 통과하는 전류는 영(zero)이다.) 스위칭 조정기는 높은 에너지 변환 효율성을 얻을 수 있다.
	linear power regulator가 비효율적인 이유는?	작동의 원칙이 전압이나 전류의 디바이더(divider)에 기초를 두고 있는 linear power regulator(직선 전력 조정기)는 비효율적이다. 그 이유는 linear power regulator가 입력전압보다 더 작은 출력전압에 한정되어 있고 저주파(50 또는 60Hz)의 선변압기(line transformer)와 필터를 필요로 해서 전력밀도가 높기 때문이다. 이것을 적용할 수 있는 주요부분은 낮은 전력 level에서 이다.
	스위칭 조정기에 사용되는 것은?	그러나 더 높은 수준의 전력에서는 스위칭 조정기(switching regulator)가 사용된다. 스위칭 조정기는 ON과 OFF 상태에서 전력전자 반도체 스위치를 사용한다. 이런 상태에서는 전력소모가 작기 때문에(ON 상태에서 스위치 맞은편에는 낮은 전압, OFF 상태에서는 스위치를 통과하는 전류는 영(zero)이다.

참고문헌 (6)

D. S. Karanjkar, Chatterji Amod Kumar, "Design and Implementation of a Linear Quadeatic Regulator Based Maximum Power Point Tracker for Solar Photo-Voltaic System", International Journal of Hybrid Information Techno, Vol. 7, No. 1, 2014.
Cserveny, S. "Low-Power Adaptive Bias Amplifier for a Large Supply-Range Linear Voltage Regulator", Lecture Notes in Computer Science, Vol.-No. 4148, 2006.
장호순, "Linear regulator의 power-supply rejection 개선에 관한 연구", 한양대학 교대학원 석사학위논문, 2012.
김희준 "스위치모드 파워서플라이" 성안당.
김병우 "혼용 Buck/Boost 컨버터를 이용한 최적의 태양에너지 변환기" 전남대학교 대학원 석사학위 논문, 2005.
Daniel W. Hart저, 홍순찬, 전희종, 윤용수 역, "전력전자공학" McGeaw-Hill Korea, 2011.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

새로운 스위치 패턴을 적용한 전류원을 갖는 DC/DC 컨버터
The DC/DC Converter having the current source applying the new switching pattern 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

새로운 스위치 패턴을 적용한 전류원을 갖는 DC/DC 컨버터 The DC/DC Converter having the current source applying the new switching pattern 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

박성미 (31) 박성준 (71)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

새로운 스위치 패턴을 적용한 전류원을 갖는 DC/DC 컨버터
The DC/DC Converter having the current source applying the new switching pattern 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper