[논문]디지털 제어기를 이용한 LLC 공진형 컨버터의 설계 및 구현

현병철; 이재호; 조보형

디지털 제어기를 이용한 LLC 공진형 컨버터의 설계 및 구현
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현병철 (서울대학교 전력전자 시스템 연구실) , 이재호 (서울대학교 전력전자 시스템 연구실) , 조보형 (서울대학교 전력전자 시스템 연구실)

본 논문에서는 LLC 하프 브릿지 공진형 컨버터의 디지털 제어기 설계 및 실제적인 구현에 대해 기술한다. 분석된 LLC 컨버터의 소신호 특성을 기반으로 discrete domain에서 디지털 제어기를 설계 하였다. 설계된 디지털 제어기는 SMPS용으로 특성화된 Microchips사의 마이크로컨트롤러(MCU)인 dsPIC33f를 이용하여 구현되었으며, 아날로그 제어기와의 성능 비교는 실험을 통하여 검증 한다.

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문제 정의

본 논문에서는 오프라인 응용에서 많이 이용되는 LLC 하프 브릿지 공진형 컨버터의 디지털 제어기의 설계및 구현에 대해 기술 하였다. 아날로그 소신호 모델과 제어기를 구성하고 이를 z-domain으로 등가 변환하여 디지털 제어기 전달함수를 구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 높은 입력 전압 응용에 유리하며, 전 부하 영역에 대하여 MOSFET의 영전압 스위칭 턴온이 가능하여, 무게 및 전력 밀도, 전력 변환 효율면에서 성능이 뛰어나 오프라인 컨버터 응용에 많이 이용되는 LLC 하프 브릿지 공진형 컨버터를 디지털 제어로 구현한다. 디지털 제어칩으로는 Microchip사의 dsPIC33FJ16GSX02를 이용하고 480W의 하드웨어 실험을 통해 아날로그 제어기와 성능 비교를 한다
설계된 디지털 제어기는 아날로그 전달함수를 기반으로 구성되었다. 제어 루프의 크로스 오버 주파수(70Hz)가 스위칭 주파수(85KHz)에 비해 매우 작으므로 부하 변동에 대해 아날로그와 디지털의 성능이 유사하다.
본 논문에서는 오프라인 응용에서 많이 이용되는 LLC 하프 브릿지 공진형 컨버터의 디지털 제어기의 설계및 구현에 대해 기술 하였다. 아날로그 소신호 모델과 제어기를 구성하고 이를 z-domain으로 등가 변환하여 디지털 제어기 전달함수를 구하였다. 설계된 회로는 Microchip사의 16bit MCU인 dsPIC33FJ16GSX02를 통해 구현되었으며, 480W하드웨어를 통하여 아날로그와의 성능 비교 및 동작 검증을 수행하였다.
A/D변환 후 DSP core를 이용해 고속 연산을 하고 다음 이전 주기가 끝날 때 새로운 주기를 업데이트 한다. 전압 샘플링부터 주기 업데이트 까지 약 스위칭 한 주기가 지연 되므로 그림3의 제어 블록에는 최소 주파수 한 주기 지연(e^-sTs)을 G_delay로 모델링 한다.
앞 장에서 설계된 디지털 제어기는 dsPIC33FJ16GSX02을 이용하여 구현된다. 제어를 위한 출력 전압 검출은 MCU내부의 10bit A/D 컨버터를 이용하며, 이를 내부 연산 함수를 이용하여 계산한 후 PWM 출력 기능을 이용하여 게이트 신호를 생성한다. 출력 전압 샘플링은 노이즈에 의한 영향을 줄이기 위해 그림5와 같이 스위칭 주기 시작후 1us 후에 한다.

대상 데이터

디지털 제어기로 구현된 LLC 하프 브릿지 공진형 컨버터의 동작을 검증하기 위해 480W하드웨어를 구성하여 실험하였다. 제작된 회로의 설계 사양은 아래와 같다.

데이터처리

아날로그 소신호 모델과 제어기를 구성하고 이를 z-domain으로 등가 변환하여 디지털 제어기 전달함수를 구하였다. 설계된 회로는 Microchip사의 16bit MCU인 dsPIC33FJ16GSX02를 통해 구현되었으며, 480W하드웨어를 통하여 아날로그와의 성능 비교 및 동작 검증을 수행하였다.

성능/효과

디지털 제어는 선형 제어 알고리즘의 구현뿐 만 아니라, 시스템 모니터링과 이에 적합한 동작 지령 등을 프로그래밍을 통해 구현할 수 있으며, 시스템의 외부 정보를 이용하거나 비선형 제어 알고리즘 등을 연동하여 기존 아날로그 제어칩을 사용할 때 보다 더 정밀한 전압 제어도 가능하다. 특히 SMPS에 특화된 MCU의 가격이 점차 낮아지고, 성능이 향상됨에 따라 산업용/가정용 전자기기에 활용될 것으로 예상된다[1].

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