DC-DC 컨버터의 수동 필터 저감을 위한 능동 출력 필터의 제어 전략 및 구조

Abstract

본 연구에서는 새로운 제어 전략과 구조의 능동 출력 필터를 제시하고 이를 통해 기존의 DC-DC 컨버터가 가지는 한계를 극복한다. 기존 DC-DC 컨버터에서 수동 필터는 출력 전압 규제를 만족하기 위한 최소값 이상으로 설계된다. 스위칭 주파수를 증가시켜 그 최소값을 낮출 수 있으나 스위칭 주파수에 비례해 증가하는 스위칭 손실로 인해 제한된다. 이러한 제약을 극복하기 위해 본 연구에서는 컨버터의 출력단에 병렬로 연결된 능동 출력 필터를 통해 상시적으로 메인 컨버터의 스위칭 리플 전류를 상쇄하고 부하 변동 시에는 메인 컨버터보다 빠르게 응답을 하도록 하여 메인 컨버터의 수동 필터의 역할을 대신하는 방식을 제안한다. 능동 출력 필터는 저압-저전력으로 구동하므로 메인 컨버터와 달리 큰 전력 손실 없이 고속 스위칭이 가능하며 이를 통해 능동 출력 필터는 높은 제어 대역폭 확보가 가능하다. 기존의 능동 출력 필터를 활용한 연구들은 이러한 높은 제어 대역폭을 활용하지 못하였으나 본 연구에서는 새로운 제어 전략을 통해 이를 가능하도록 한다. 또한, 전류 센서나 복잡한 제어 방식 없이 일반적인 전압 제어만으로 구현할 수 있도록 하여 가격도 저감할 수 있도록 하였다. 능동 출력 필터의 제어 대역폭이 충분히 높지 않아도 스위칭 리플 상쇄가 가능하도록 시비율 피드포워드 기법을 제안하였으며 회로 설계의 용이함과 가격 저감을 위한 해법도 제시하였다. 이를 통해 스위칭 전압 리플 저감과 부하 변동 시 전압 변동 폭 저감을 모두 구현하여 기존의 수동 필터의 역할을 실질적으로 대체한다. 또한, 제안하는 방식을 다중 출력 컨버터로 확장하여 기존의 다권선 변압기를 이용한 다중 출력 컨버터가 가지는 한계를 극복한다. 다권선 변압기를 이용한 다중 출력 컨버터는 가격, 부피 등에서 이점이 있으나 각각의 출력 전압을 정밀하게 제어하지 못하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 기존의 기법들은 효율과 가격 등의 문제를 가지고 있어 최근 확산되는 디지털 기기용 전력 변환 컨버터에 요구되는 고성능 전압 제어, 고효율, 소형화, 가격 저감이라는 목표에 부합하지 못하고 있다. 이에, 제안하는 능동 출력 필터를 통해 다권선 변압기의 교차 제어로 인한 오차 성분만을 보정하여 작은 손실로 각각의 출력을 정밀하게 제어한다. 또한, 오차 보정을 위한 단자 간 전류를 분석하여 출력 전압의 기준치 변경을 통해 제안하는 방식의 효율을 더 증가시킬 수 있음을 확인한다. 제안하는 시스템의 안정성 확보를 위해 소신호 분석을 진행하고 이를 기반으로 안정적이고 빠른 전압 제어기를 설계한다. 제안한 방식을 이용한 다중 출력 시스템에서 복잡해지는 제어기 설계 문제를 해결하기 위해 시스템을 근사화하는 방식을 제안하고 검증하였으며 이를 통해 설계 및 확장을 용이하게 한다.