3.1 MATLAB SISOTOOL ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ต์ข
์ํ๊ณต๊ฐ ๋ชจ๋ธ๋ก๋ถํฐ ๋์ถ๋ ์ ๋ฌํจ์ ์ (16)-(18)์ ํ์ฉํ์ฌ ๊ทธ๋ฆผ 7๊ณผ ๊ฐ์ Double Loop ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ค๊ณํ์๋ค. ๋ณธ ์ ์ด ๊ตฌ์กฐ๋ ์ธ๋ถ ๋ฃจํ(Outer loop)์ ์ ์ ์ ์ด๊ธฐ $G_{cv}$ ์ถ๋ ฅ์ด ์ ๋ฅ ์ ์ด๊ธฐ์
๊ธฐ์ค ์
๋ ฅ ์ ํธ $i_{ref}$๋ก ๋์ด ๋ด๋ถ ๋ฃจํ(Inner loop)์ ์ ๋ฅ์ ์ด๊ธฐ $G_{ci}$์ ์
๋ ฅ๋๋ ๊ตฌ์กฐ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 7 Double Loop ์ ์ด๊ธฐ ๊ตฌ์กฐ
Fig. 7 Double loop controller architecture
์์ 2.5์ ์์ ๋์ถ๋ ์ ๋ฌํจ์๋ ์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ ๋ํต๋ฅ ($d_1$)์ ๊ฒฐํฉํ์ฌ DCM ๋ชจ๋์ CCM ๋ชจ๋๋ฅผ ๋จ์ผ ์์์ผ๋ก ์ ์ํ ํตํฉ ๋ชจ๋ธ์ด๋ค. ํด๋น
๋ชจ๋ธ์ ํ 1์ ๊ธฐ๋ณธ ํ๋ผ๋ฏธํฐ์ ํ 2์ ๋ชจ๋๋ณ ์ค๊ณ ํ๋ผ๋ฏธํฐ๋ฅผ ๊ฐ๊ฐ ์ ์ฉํ์ฌ MATLAB SISOTOOL์ ํตํด ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ค๊ณํ์๋ค.
ํ 1 ์ ์๋ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ ์ ์ด๊ธฐ์ ๊ธฐ๋ณธ ์ค๊ณ ํ๋ผ๋ฏธํฐ
Table 1 Basic design parameters for the proposed boost converter controller
|
ํญ ๋ชฉ
|
ํ๋ผ๋ฏธํฐ
|
ํญ ๋ชฉ
|
ํ๋ผ๋ฏธํฐ
|
|
$L$
|
0.65 mH
|
$f_s$
|
20 kHz
|
|
$kL$
|
0.55 mH
|
C
|
1,200 uF
|
|
k
|
0.846
|
R
|
100 ฮฉ
|
|
$V_{in}$
|
100 V
|
|
|
๋ถํ ๋ณ๋์ ๋ฐ๋ผ DCM ๋ชจ๋์ CCM ๋ชจ๋๊ฐ ๊ต์ฐจํ๋ ๊ตฌ๋ ํ๊ฒฝ์์๋ ๋ชจ๋ ์ ํ ์ ์ ์ด๊ณ์ ๊ณผ๋์ ๋ถ์์ ์ฑ์ด ์ด๋๋ ์ ์๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ด๋ฌํ
๋ถ์์ ์ฑ์ ๋ฐฉ์งํ๊ณ ์ ์ด๊ธฐ ์ค๊ณ์ ์ฐ์์ฑ์ ์ ์งํ๊ธฐ ์ํด ๋ ์ด์ ๋ชจ๋๊ฐ ๋์ผํ ์ฐจ๋จ์ฃผํ์์ ์์์ฌ์ ์ฌ์์ ๊ณต์ ํ๋๋ก ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ค๊ณํ์๋ค. ๊ตฌ์ฒด์ ์ธ
์ค๊ณ ์ฌ์์ ์ ์ ์ ์ด๊ธฐ $G_{cv}(s)$๋ 156 rad/s์ ์ฐจ๋จ์ฃผํ์์ 90 deg์ ์์์ฌ์ ๋ฅผ ๊ฐ๋๋ก ํ์์ผ๋ฉฐ, ์ ๋ฅ์ ์ด๊ธฐ $G_{ci}(s)$๋
์ฐจ๋จ์ฃผํ์ 6500 rad/s ๋ฐ ์์์ฌ์ 60 deg๋ฅผ ๋ชฉํ๋ก ์ค๊ณ๋์๋ค.
ํ 2 DCM ๋ฐ CCM ๋ชจ๋๋ณ ์ค๊ณ ๋ณ์.
Table 2 Design variables for DCM and CCM modes.
|
ํญ ๋ชฉ
|
DCM ํ๋ผ๋ฏธํฐ
|
ํญ ๋ชฉ
|
CCM ํ๋ผ๋ฏธํฐ
|
|
$V_c$
|
276 V
|
$V_c$
|
333 V
|
|
$d$
|
0.6
|
$d$
|
0.7
|
|
$d_1$
|
0.940951
|
$d_1$
|
1
|
3.1.1 DCM ๋ชจ๋(๋ถ์ฐ์ ์ ๋ฅ๋ชจ๋)
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ๋ชฉํ ์ฌ์์ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ค๊ณ๋ DCM ๋ชจ๋ Double Loop ์ ์ด ์์คํ
์ ์์ ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด ์ ์ ๋ฃจํ(๊ฐ๋ฃจํ 1)์ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ(๊ฐ๋ฃจํ
2)์ ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ๊ทธ๋ฆผ 8(์ ์), ๊ทธ๋ฆผ 9(์ ๋ฅ) ๋ณด๋์ ๋(Bode Plot)๋ฅผ ๋ํ๋ด์๊ณ ๊ทธ๋ฆผ 10์ ๊ทผ๊ถค์ (Root Locus) ๋ํ๋ด์๋ค.
DCM ๋ชจ๋ ํน์ฑ์ CCM ๋ชจ๋์ ๋ฌ๋ฆฌ ์ฐ๋ฐํ๋ฉด ์์ (RHP zero)์ ์ํฅ์ด ๋ฐฐ์ ๋๋ฏ๋ก ์ ์ ์ ์ด ๋ฃจํ์ ์์ ์ฑ ํ๋ณด๊ฐ ์ฝ๋ค. ๊ทธ๋ผ์๋ ๋ณธ ์ค๊ณ์์๋
๋์งํธ ์ ์ด ์ง์ฐ ๋ฐ ํ๋ผ๋ฏธํฐ ๋ณ๋์ ๋์ํ๊ธฐ ์ํด ์ธ๋ถ ์ ์ ๋ฃจํ์ ์ด๋์ฌ์ 44.9 dB, ์์์ฌ์ 90 deg๋ฅผ ํ๋ณดํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 8 DCM Double Loop์ ๋ณด๋์ ๋: ์ ์($V_c$)
Fig. 8 DCM Bode plot of double loop : Voltage($V_c$)
๊ทธ๋ฆผ 9 DCM Double Loop์ ๋ณด๋์ ๋: ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 9 DCM Bode plot of double loop : Current($i_L$)
ํํธ, ๋ด๋ถ ์ ๋ฅ ์ ์ด ๋ฃจํ๋ DCM ๋ชจ๋ ๊ตฌ๋ ์ ์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ์ ํผํฌ์น๋ฅผ ์์ ์ ์ผ๋ก ์ ํํ๊ณ ๋ํน์ฑ์ ๋์ด๊ธฐ ์ํด 6,500 rad/s์ ๋์ ๋์ญํญ์ผ๋ก
์ค๊ณ๋์๋ค. ์ด๋ ์ด๋์ฌ์ ๋ฌดํ๋(inf) ๋ฐ ์์์ฌ์ 60 deg๋ฅผ ๋ง์กฑํ์ฌ ๊ฐ์ธํ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ๋ณด์๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋ณธ ์ ์ด ์์คํ
์ ์ฐ๋ฐํ๋ฉด ์์ (RHP zero)์ด ์ ์ด ์ฐจ๋จ์ฃผํ์ ์ธ๋ถ๋ก ๋ฐ๋ ค๋๊ณ ์ ์ฃผํ ์ง๋ฐฐ์ ๊ทน์ (Dominant pole) ํน์ฑ์ด
๊ฐํ๊ฒ ๋ํ๋๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋ณธ ์ ์ด ์์คํ
์ ์ด๋ฌํ ์ฐจ์ ์ถ์(Model order reduction) ํจ๊ณผ๋ฅผ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ํ์ฉํ๋ ๋์์ ๋ด๋ถ ์ ๋ฅ
๋ฃจํ๋ฅผ ํตํด ์์ ์ ์ธ ์ ๋ฅ ์ ํ ๋ฐ ๊ณ ์ ์ ์ ์ถ์ข
์ฑ๋ฅ์ ๋์์ ๋ฌ์ฑํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 10 DCM Double Loop์ ๊ทผ๊ถค์ : (์ข) ์ ์($V_c$), (์ฐ) ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 10 DCM Root locus of double loop : (Left) Voltage($V_c$), (Right) Current($i_L$)
SISOTOOL์ ์ด์ฉํ์ฌ DCM ๋ชจ๋ ์ค๊ณ๋ ์ ์ ์ ์ด๊ธฐ $G_{cv}(s)$๋ ์ (20), ์ ๋ฅ์ ์ด๊ธฐ $G_{ci}(s)$๋ ์ (21)๊ณผ ๊ฐ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 11์ ์ ์๋ DCM ๋ชจ๋ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ ์ ์ด ์์คํ
์ ๊ณ๋จ ์๋ต(Step response) ์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ธ๋ค. ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$)์ ๋ํ ์ต์ข
์ถ๋ ฅ์ ์ $V_c$ (์๋จ)์ DCM ํ๋ํธ ๊ณ ์ ์ ์ฐจ์ ๊ฐ์(Reduced order) ํน์ฑ์ผ๋ก ์ธํด ์ค๋ฒ์ํธ ๋ฐ ์ง๋ ์์ด ์์ ์ ์ผ๋ก ์๋ ดํ๋
๊ณผ๊ฐ์ ์๋ต ํน์ฑ์ ๋ณด์ธ๋ค. ์ด๋ ์ ์ ์ํ ์ ์ฐฉ ์๊ฐ(Settling time)์ 0.0254 s๋ก ์ธก์ ๋์ด ์ฐ์ํ ์์์ฑ์ ์
์ฆํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 11 DCM ๊ณ๋จ ์๋ต ๊ทธ๋ํ : (์) ์ ์($V_c$), (ํ) ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 11 DCM Step response graph: (top) Voltage($V_c$), (bottom) Current($i_L$)
ํํธ, ๋ด๋ถ ๋ฃจํ์ ์ ์ด(ํ๋จ)๋ ๊ณผ๋ ์ํ ์ด๊ธฐ ์์ ์ ์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ ๊ณต๊ธ์ ๊ทน๋ํํ๊ธฐ ์ํด ์๊ฐ์ ์ธ ์ต๋ ํผํฌ 183 A๋ฅผ ํ์ฑํ ํ ์ ์์ด ์ ์ฐฉ๋จ์
๋ฐ๋ผ ์ ์์ํ ๊ฐ์ผ๋ก ์์ ์ ์ผ๋ก ๊ฐ์ํ๋ค. ์ด๋ Double loop ์ ์ด๊ธฐ๊ฐ ๊ณผ๋ ์ํ์์ ๋น ๋ฅธ ์๋ต์ฑ์ ํ๋ณดํ๋ฉด์๋ ์์คํ
์ ์์ ์ ์ผ๋ก ์ ๋ ฅ ์ ํ
์์ญ ๋ด๋ก ์ ๋ํ๊ณ ์์์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค.
3.1.2 CCM ๋ชจ๋(์ฐ์์ ๋ฅ๋ชจ๋)
๋ชฉํ ์ฌ์์ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ค๊ณ๋ CCM ๋ชจ๋ Double Loop ์ ์ด ์์คํ
์ ์์ ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด ์ ์ ๋ฃจํ(๊ฐ๋ฃจํ 1)์ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ(๊ฐ๋ฃจํ 2)์
๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก ๊ทธ๋ฆผ 12(์ ์), ๊ทธ๋ฆผ 13(์ ๋ฅ) ๋ณด๋์ ๋(Bode Plot)๋ฅผ ๋ํ๋ด์๊ณ ๊ทธ๋ฆผ 14์ ๊ทผ๊ถค์ (Root Locus) ๋ํ๋ด์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 12 CCM Double Loop์ ๋ณด๋์ ๋ : ์ ์($V_c$)
Fig. 12 CCM Bode plot of double loop : Voltage($V_c$)
๊ทธ๋ฆผ 13 CCM Double Loop์ ๋ณด๋์ ๋: (์ข) ์ ์($V_c$), (์ฐ) ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 13 CCM Bode plot of double loop : (Left) Voltage($V_c$) , (Right) Current($i_L$)
์ฃผํ์ ์์ญ ํด์์ ํตํด CCM ๋ชจ๋ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ ๊ณ ์ ์ ๋น์ต์์์(Non-minimum phase) ํน์ฑ์ด ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ์ด๋๊ณ ์์์ ํ์ธํ์๋ค.
์ธ๋ถ ์ ์ ๋ฃจํ(์ข)์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ณ ์ฃผํ ๋์ญ์์ RHP ์์ ์ ์ํฅ์ผ๋ก ์ธํด ๊ธ๊ฒฉํ ์์ ์ ํ๊ฐ ์ ์ฌ์ ์ผ๋ก ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ค๊ณ์์๋ ์ด๋ฌํ
๊ณ ์ฃผํ ์์ ์ง์ฐ ๊ตฌ๊ฐ์ ์์ ์ ์ผ๋ก ํํผํ๋ ๋์์ DCM ๋ชจ๋ ์ ์ด๊ธฐ์ ๋์ผํ ์ฐจ๋จ์ฃผํ์๋ฅผ ์ ์ฉํ๊ณ ์ 156 rad/s๋ฅผ ์ต์ข
์ฐจ๋จ์ฃผํ์๋ก ์ ์ ํ์๋ค.
๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ ์ฐ๋ฐํ๋ฉด ์์ ์ ์
์ํฅ์ ๋ฐ์ง ์๋ ์ ์ฃผํ ๋์ญ์์ 42.4 dB์ ๋๋ํ ์ด๋์ฌ์ ์ 90 deg์ ์ถฉ๋ถํ ์์์ฌ์ ๋ฅผ ํ๋ณดํจ์ผ๋ก์จ ๋ถํ ๋ฐ
์
๋ ฅ ์ ์ ๋ณ๋ ์กฐ๊ฑด์์๋ ์ถ๋ ฅ์ ์์ ์ค๋ฒ์ํธ๋ฅผ ์ต์ํํ๊ณ ์์คํ
์ ์ ๋์ ์์ ์ฑ์ ์ต์ฐ์ ์ผ๋ก ๋ฌ์ฑํ์๋ค.
๋ฐ๋ฉด, ๋ด๋ถ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ(์ฐ)๋ ์ฐจ๋จ์ฃผํ์๋ฅผ 6,500 rad/s๋ก ๋๊ฒ ์ค์ ํ์ฌ ์ธ๋ถ ์ ์ ๋ฃจํ ๋๋น 41๋ฐฐ ์ด์์ ๋น ๋ฅธ ๋ํน์ฑ์ ํ๋ณดํ์๋ค. ์ด๋
๋ ์ ์ด ๋ฃจํ ๊ฐ์ ๋ํน์ฑ ์ฃผํ์ ๋์ญ์ ์ฑ๊ณต์ ์ผ๋ก ๋ถ๋ฆฌ(Decoupling)ํ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ค. ์์ธ๋ฌ ์ปจ๋ฒํฐ ๋ด๋ถ์ ๊ณต์ง ํผํฌ ์ฑ๋ถ์ผ๋ก ์ธํด ์ฃผํ์ ํน์ฑ์ด
๊ธ๊ฒฉํ ๋ณํํ๋ ํ๊ฒฝ ์์์๋ ์ด๋์ฌ์ ๋ฌดํ๋(inf) ๋ฐ ์์์ฌ์ 60 deg์ ์ด์์ ์ธ ๋ํ ํน์ฑ๊ณผ ์ฐ์ํ ๊ฐ์ธ์ฑ์ ์
์ฆํ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 14 CCM Double Loop์ ๊ทผ๊ถค์ : (์ข) ์ ์($V_c$), (์ฐ) ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 14 CCM Root locus of double loop : (Left) Voltage($V_c$), (Right) Current($i_L$)
๊ฒฐ๋ก ์ ์ผ๋ก CCM ๋ชจ๋ Double loop ์ ์ด ์์คํ
์ ๊ณ ์ ๋ด๋ถ ๋ฃจํ์์ ๋ช
ํํ ๋์ญํญ ๋ถ๋ฆฌ๋ฅผ ํตํด ์ธ๋ถ ์ ์ ์ ์ด๊ธฐ๊ฐ RHP ์์ ์ ์ํฅ์์
๋ฒ์ด๋ ์ ์์ญ์์ ๊ฐ์ธํ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ์ ์งํ ์ ์์์ ์
์ฆํ๋ค.
SISOTOOL์ ์ด์ฉํ์ฌ CCM ๋ชจ๋ ์ค๊ณ๋ ์ ์ ์ ์ด๊ธฐ $G_{cv}(s)$๋ ์ (22), ์ ๋ฅ์ ์ด๊ธฐ $G_{ci}(s)$๋ ์ (23)๊ณผ ๊ฐ๋ค.
์ค๊ณ๋ CCM ๋ชจ๋ Double loop ์ ์ด ์์คํ
์ ๋์ ์ฑ๋ฅ์ ์๊ฐ ์์ญ์์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด ๊ณ๋จ ์๋ต(Step response) ํด์์ ์ํํ์์ผ๋ฉฐ,
๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ ๊ทธ๋ฆผ 15๊ณผ ๊ฐ๋ค.
๋จผ์ ์ธ๋ถ ์ ์ ๋ฃจํ์ ๊ณ๋จ ์๋ต์ธ ๊ทธ๋ฆผ 15(a)์ ์ดํด๋ณด๋ฉด ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$)์ด ๋ชฉํ์น์ ๋๋ฌํ๋ ๊ณผ์ ์์ ์ค๋ฒ์ํธ(Overshoot)๊ฐ ๋ฐ์ํ์ง ์๊ณ ๋งค๋๋ฝ๊ฒ ์๋ ดํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค. ์ด๋
์์ ๋ณด๋ ์ ๋ ํด์์ ํตํด ํ๋ณดํ 90 deg์ ์ถฉ๋ถํ ์์์ฌ์ ๊ฐ ์๊ฐ ์์ญ์์ ๋ฌผ๋ฆฌ์ ์ผ๋ก ๋ฐํ๋ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ค. ๋ํ ์ ์ฐฉ ์๊ฐ(Settling time)์
0.0256 s๋ก ์ธก์ ๋์ด RHP ์์ ํํผ๋ฅผ ์ํด ์ฐจ๋จ์ฃผํ์๋ฅผ 156 rad/s๋ก ์ ํํ์์์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ๊ณผ๋ ์ํ์์ ์ ์ํ๊ณ ์์ ์ ์ธ ์ ์ ์ถ์ข
์ฑ๋ฅ์ด ๋ฌ์ฑ๋จ์ ์
์ฆํ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 15 CCM step ์๋ต ๊ทธ๋ํ : (a) ์ ์($V_c$), (b) ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 15 CCM Step response graph: (a) Voltage($V_c$), (b) Current($i_L$)
๋ฐ๋ฉด, ๋ด๋ถ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ์ ๊ณ๋จ ์๋ต์ธ ๊ทธ๋ฆผ 15(b)์์๋ ์ธ๊ฐ ์ด๊ธฐ ์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ($i_L$)๊ฐ 251 A๋ก ๊ธ๊ฒฉํ ์์นํ ํ ์ ์ํ๊ฒ ์ ์์ํ๋ก ์๋ ดํ๋ ๋ํน์ฑ์ด ๊ด์ฐฐ๋๋ค. ์ด๋ฌํ ์ด๊ธฐ ๊ณผ๋ ์๋ต์
CCM ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ๊ฐ ๊ฐ์ง ์๋ฐ์ ์๋ ๋น์ต์์์ ํน์ฑ ๋ฐ ๋ด๋ถ ์๋์ง ์ถ์ ๊ณผ์ ์ ๋ฐ์ํ๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก 6,500 rad/s์ ๊ณ ์ ๋์ญํญ์ ๊ฐ๋
๋ด๋ถ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ๊ฐ ์ด๋ฌํ ๊ธ๊ฒฉํ ์ ๋ฅ ๋ณ๋์ ๊ฒฌ๊ณ ํ๊ฒ ์ ์ดํจ์ผ๋ก์จ ์ธ๋ถ ์ ์ ๋ฃจํ๊ฐ ์์ ์ ์ผ๋ก ๊ตฌ๋๋ ์ ์๋๋ก ๋ณด์ฅํจ์ ํ์ธํ์๋ค.
์์ ๋ถ์ํ DCM ๋ฐ CCM ์ด์ ๋ชจ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ฃผํ์ ์์ญ ์ค๊ณ ๊ฒฐ๊ณผ์ ์์ ๋ ๋ง์ง์ ์ข
ํฉํ์ฌ ํ 3์ ๋น๊ต ์์น๋ก ์ ๋ฆฌํ์๋ค.
ํ 3 ์ด์ ๋ชจ๋(DCM/CCM)๋ณ ์ฃผํ์ ์์ญ ์ค๊ณ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ์์ ๋ ๋ง์ง ๋น๊ต
Table. 3 Controller design specifications and stability margins in DCM/CCM
|
๋ถ ๋ฅ
|
DCM
|
CCM
|
|
์ ์ ์ฐจ๋จ์ฃผํ์
|
156 rad/s
|
156 rad/s
|
|
์ ๋ฅ ์ฐจ๋จ์ฃผํ์
|
6500 rad/s
|
6500 rad/s
|
|
์์์ฌ์ (์ ์/์ ๋ฅ)
|
90/60 deg
|
90/60 deg
|
|
์ ์ ์ด๋์ฌ์
|
44.9 dB
|
42.4 dB
|
|
์ ๋ฅ ์ด๋์ฌ์
|
inf
|
inf
|
ํ 3์ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๊ฐ์ด ์ ์๋ Double Loop ์ ์ด๊ธฐ๋ ์ ๋ฅ ๋ํต๋ฅ ($d_1$) ๊ธฐ๋ฐ ํตํฉ ๋ชจ๋ธ์ ํตํด DCM๊ณผ CCM ์ ์์ญ์์ ๋จ์ผ ์ ๋ฌ ํจ์๋ก
๊ตฌ๋๋๋ค. ๋์์ ์๋น์จ ์ฐจ์ด์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ์ ์ 156 rad/s ๋ฐ ์ ๋ฅ 6,500 rad/s ์ฐจ๋จ์ฃผํ์๋ฅผ ๋์ผํ๊ฒ ์ ์งํ์ฌ ๋ช
ํํ ๋์ญํญ ๋ถ๋ฆฌ๋ฅผ
๋ฌ์ฑํ์๋ค. ๋ํ ํ๋ํธ ํ๋ผ๋ฏธํฐ ๋ณ๋์ ๋ํด ์ ์ ๋ฃจํ๋ ๊ฐ๊ฐ DCM 44.9 dB, CCM 42.4 dB์ ์ด๋์ฌ์ ์ 90 deg์ ์์์ฌ์ ๋ฅผ
์ ๋ฅ ๋ฃจํ๋ 60 deg์ ์์์ฌ์ (inf)๋ฅผ ๊ณตํต์ผ๋ก ํ๋ณดํจ์ผ๋ก์จ ๋ชจ๋ ์ ํ ์์๋ ๊ฐ์ธํ๊ณ ์ผ๊ด๋ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ์
์ฆํ์๋ค.
3.2 PSIM ์๋ฎฌ๋ ์ด์
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ PSIM ์ํํธ์จ์ด๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ Double loop ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 16์ ์๋จ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ์ ์ฉ๋ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ์ ํ๋ก๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ , ํ๋จ์ ์ธ๋ถ ์ ์ ๋ฃจํ($G_{cv}$)์ ๋ด๋ถ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ($G_{ci}$)๋ก ๊ตฌ์ฑ๋
Double loop ์ ์ด ํ๋ก๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 16 PSIM์ ํ์ฉํ ์ ์๋ ๋ถ์คํฐ ์ปจ๋ฒํฐ Double Loop ์ ์ด๊ธฐ ํ๋ก.
Fig. 16 PSIM schematic of the proposed boost converter double-loop controller.
๊ทธ๋ฆผ 17 DCM ๋ชจ๋ ์ถ๋ ฅ์ ์ ์คํ
์๋ต: MATLAB vs. PSIM
Fig. 17 DCM mode output voltage step response: MATLAB vs. PSIM
๊ทธ๋ฆผ 17์ ์ ์๋ DCM ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ ์ฉํ ์์คํ
์ ์ด๊ธฐ ๊ธฐ๋ ๋ฐ ์ถ๋ ฅ์ ์ ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ(276 V โ 333 V)์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ชจ๋ ์ ํ(DCM โ CCM) ๊ณผ์ ์
๊ณผ๋ ์๋ต ํํ์ ๋น๊ตํ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ค. ์์คํ
์ด ๊ธฐ๋ํ์ฌ 276 V ์ ์ ์ํ์ ๋๋ฌํ๋ DCM ๊ตฌ๊ฐ(0.0-0.2 s)์์ MATLAB ๋ชจ๋ธ๊ณผ PSIM์
์ ์ฐฉ ์๊ฐ์ ๊ฐ๊ฐ 0.0224 s์ 0.0192 s๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, ์์ธก ๊ฐ ์ค์ฐจ๋ 3.2 ms์ ๋ถ๊ณผํ์ฌ ์ค๊ณ๋ ์ ์ด๊ธฐ์ ํ๋น์ฑ์ ์
์ฆํ์๋ค.
์ดํ 0.2 s ์์ ์์ ์ถ๋ ฅ์ ์์ด 333 V๋ก ๊ธ๊ฒฉํ ์์นํจ์ ๋ฐ๋ผ ์์คํ
์ CCM ๊ตฌ๊ฐ์ผ๋ก ์ง์
ํ์๋ค. ์ด๋ ์ ์ฐฉ ์๊ฐ์ MATLAB 0.0138
s, PSIM 0.0149 s๋ก ์ค์ฐจ๊ฐ 1.1 ms ๋ด๋ก ์๋ ดํ์๋ค. ์ด ๊ฒฐ๊ณผ๋ ์ ์๋ DCM ์ ์ด๊ธฐ๊ฐ ์ด๊ธฐ ๊ธฐ๋๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ๋์ ํธ ์ ์ ๋ณ๋์ผ๋ก
์ธํ CCM ๋ชจ๋ ์ ํ ์กฐ๊ฑด์์๋ ์ฐ์ํ ๊ณผ๋ ์๋ต ํน์ฑ์ ๋ณด์ฅํ๋ฉฐ, ์ํ์ ๋ชจ๋ธ์ด ์ ๊ตฌ๊ฐ ๋ํน์ฑ์ ๋งค์ฐ ์ ํํ๊ฒ ์ถ์ข
ํจ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 18 CCM ๋ชจ๋ ์ถ๋ ฅ์ ์ ์คํ
์๋ต: MATLAB vs. PSIM
Fig. 18 CCM mode output voltage step response: MATLAB vs. PSIM
๊ทธ๋ฆผ 18์ CCM ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ ์ฉํ ์์คํ
์ ์ด๊ธฐ ๊ธฐ๋ ๋ฐ ์ถ๋ ฅ ์ ์ ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ(276 V โ 333 V)์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ณผ๋ ์๋ต ํํ์ ๋น๊ตํ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ค. ์์คํ
์ด
๊ธฐ๋ํ์ฌ 276 V ์ ์ ์ํ์ ๋๋ฌํ๋ ๊ตฌ๊ฐ(Step 1, 0.0~0.2 s)์์ MATLAB ๋ชจ๋ธ๊ณผ PSIM์ ์ ์ฐฉ ์๊ฐ์ ๊ฐ๊ฐ 0.0225 s์
0.0164 s๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, ์์ธก ๊ฐ ์ค์ฐจ๋ 6.1 ms์ ๋ถ๊ณผํ์๋ค. ์ดํ 0.2 s ์์ ์์ ์ถ๋ ฅ์ ์์ด 333 V๋ก ๊ธ๊ฒฉํ ์์นํ๋ ๊ณ๋จ ์๋ต
๊ตฌ๊ฐ(Step 2)์์์ ์ ์ฐฉ ์๊ฐ์ MATLAB 0.0138 s, PSIM 0.0130 s๋ก ์ธก์ ๋์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋์ ์ค์ฐจ๋ 0.8 ms ๋ด๋ก ์๋ ดํ์๋ค.
์ ๊ตฌ๊ฐ์์ ๋ ํํ์ด ๋งค์ฐ ๋์ ์ผ์น์ฑ์ ๋ณด์์ ๋ฐ๋ผ ์ ์๋ ์ํ์ ๋ชจ๋ธ์ด DCM, CCM ์กฐ๊ฑด์์๋ ์์คํ
์ ๋ํน์ฑ์ ์ ํํ๊ฒ ๋ชจ์ฌํจ์ ๊ฒ์ฆํ์๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ์ ์ ์ด๊ธฐ ์ด๋($K_{pv} \approx 0.56 \sim 0.63$)๊ณผ ์ ๋ฅ ์ ์ด๊ธฐ ์ด๋($K_{pi} \approx 0.0031
\sim 0.0037$)์ ํ๋ํธ ์ฑ์ง์ด ๋ณํจ์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ๋งค์ฐ ์ ์ฌํ ๊ณ ์ ์์น ๊ทผ์ฒ๋ก ์๋ ดํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ํ ํํ ๋น๊ต๋ฅผ ํตํด ์ด๊ธฐ ๊ธฐ๋
๋ฐ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$) ์์น์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ชจ๋ ์ ํ ๋ฐ์ ์์ (0.2 s) ์ ํ์ ๊ณผ๋ ์ํ์ ์ ์ ์ํ ํํ์ด ๋งค์ฐ ๋๊ฒ ์ผ์นํจ์ ํ์ธํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 19 ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$) ๋ณ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ปจ๋ฒํฐ ํน์ฑ ๋ถ์: (a) ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$), ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$).
Fig. 19 Analysis of converter characteristics under reference voltage variations:
(a) Output voltage($V_c$), (b) input current($i_L$).
๊ทธ๋ฆผ 19๋ CCM ์ ์ด๊ธฐ๋ฅผ ์ ์ฉํ PSIM ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ผ๋ก ์ด๊ธฐ ๊ธฐ๋ ๋ฐ ์ถ๋ ฅ์ ์ ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ(276 V โ 333 V)์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ชจ๋ ์ ํ(DCM โ CCM)
๊ณผ์ ์ ๋์ ํน์ฑ์ ๋ถ์ํ ํํ์ด๋ค. ์ด๋ ๋ํต๋ฅ ($d_1$)์ ์ ์ฉํ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ์ํ์ ๋ชจ๋ธ์ด ํน์ ๋์ ๋ชจ๋์ ๊ตญํ๋์ง ์๊ณ , ๋ชจ๋ ์ฒ์ด ์์ (0.2
s) ์ ํ์ ๊ณผ๋ ํน์ฑ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ์ฝ 0.5 % ์ด๋ด์ ๊ทน์ํ ์ ์์ํ ์ค์ฐจ์จ๋ก ์๋ก ๋ค๋ฅธ ๋ชจ๋์ ์์คํ
๋ํน์ฑ๊น์ง ๋ชจ๋ ์ ํํ๊ฒ ๋ชจ์ฌํ ์ ์์์
์๋ฏธํ๋ค. ํนํ ์ธ๋ถ ํ๋ ํํ ๋ถ์์ ํตํด DCM ๊ตฌ๊ฐ์์์ ์์ ๋ฅ ์ ์ง ํน์ฑ๊ณผ ํจ๊ป CCM ๋ฐ DCM ๋ ๋ชจ๋ ๋ชจ๋์์ 0.15 V ์ด๋ด์ ์ฐ์ํ
์ ์ ๋ฆฌํ ํน์ฑ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ($i_L$)์ ๋ชจ๋๋ณ ์ฒ์ด(DCM ์์ ๋ฅ ์ ์ง ๋ฐ CCM 2.5 A ์ด์ ์ฐ์ ๋ํต)์ ์ฝ 16.8 A ์ด๋ด์
ํผํฌ์ ๋ฅ ํน์ฑ๊น์ง ์ ๋ฐํ๊ฒ ์์ธกํจ์ ํ์ธํ์๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ์ ์๋ ํด์์ ๋ชจ๋ธ์ ์ ์ด๊ธฐ ์ข
๋ฅ ๋ฐ ์ด์ ๋ชจ๋(DCM, CCM)์ ๊ด๊ณ์์ด ์ ๋ ฅ ๋ณํ ์์คํ
ํด์์ ๋ฒ์ฉ์ ์ผ๋ก ํ์ฉ๋ ์ ์์์ ์
์ฆํ๋ค.
์ ์๋ ๋ถ์คํฐ ์ปจ๋ฒํฐ ์ ์ด๊ธฐ์ ํ๋น์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด์๋ ๋ํต์จ($d_1$)์ ๋ฐ๋ฅธ DCM ๋ฐ CCM ์ ์์ญ์์์ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ ๊ฒ์ฆ์ด ํ์์ ์ด๋ค.
์ด์ ์์ ๋ถ์์ ํตํด ๋ ๋์ ๋ชจ๋์์ ํ๋น์ฑ์ ๋ชจ๋ ๊ฒ์ฆํ์์ผ๋ฉฐ, ๋์๊ฐ CCM ๋ชจ๋ ์ ์ด๊ธฐ๋ก ์ ์ด ์์คํ
์ ๊ฐ์ธ์ฑ์ ๊ทนํ์ ์ด์ ์กฐ๊ฑด์์ ์ถ๊ฐ๋ก
ํ๊ฐํ๊ณ ์ ํ๋ค. ์ด๋ฅผ ์ํด CCM ๋ชจ๋๋ก ์ค๊ณ๋ ์ ์ด๊ธฐ๋ก ์์ ์์ ํ ์ด์ ์์ญ์ ์ด๊ณผํ๋ ์
๋ ฅ ์ ์ 100 V์์ ์ต์ข
์ถ๋ ฅ์ ์ 1,000 V๋ก
10๋ฐฐ ์น์ํ๋ ๊ณ ์ ์ ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ(550 V โ 1,000 V) ์กฐ๊ฑด์์ PSIM ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ ์ํํ์๋ค.
3.2.1 ๊ธฐ์ค ์ ์ ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ์ ๋ฐ๋ฅธ ์๋ต ํน์ฑ
๊ทธ๋ฆผ 20์ ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$) 550 V์์ 1,000 V๋ก ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ณผ๋ ์๋ต ํํ์ ๋ํ๋ธ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 20(a)์ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$) ํํ ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ t = 0.2 s์์ ์ ์ ์ง๋ น์น($V_{ref}$)๊ฐ 1,000 V๋ก ๊ธ๋ณํ ์ดํ ์ค๋ฒ์ํธ(Overshoot)
์์ด ์์ ์ ์ผ๋ก ์์นํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$) ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ ํ ์ฝ 66.22 ms๊ฐ ๊ฒฝ๊ณผํ t = 0.2662 s ์์ ์
์ถ๋ ฅ์ ์์ 990.12 V์ ๋๋ฌํ์ฌ ์ต์ข
๋ชฉํ์น์ 99 % ์ด์์ ์ฑ๊ณต์ ์ผ๋ก ์ถ์ข
ํ๋ฉฐ ๋งค์ฐ ๋น ๋ฅธ ์ ์ฐฉ ์๊ฐ(Settling time)์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค.
์์ธ๋ฌ t = 0.39 s ์์ ์ธ๋ถ ํํ์์ ์ถ๋ ฅ์ ์ ๋ฆฌํ 0.37 V(๋ฆฌํ์จ 0.037 %) ์ด๋ด๋ก ๋งค์ฐ ์๊ฒ ์ต์ ๋์ด ์์คํ
์ด ๊ณ ์ ์ ์ถ๋ ฅ ํ๊ฒฝ์์๋
๋งค์ฐ ์์ ์ ์ธ ์ฑ๋ฅ์ ์ ์งํจ์ ํ์ธํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 20 ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$) ๋ณ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ปจ๋ฒํฐ์ ๊ณผ๋ ์๋ต ํํ: (a) ์ถ๋ ฅ์ ์ ($V_c$), (b) ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 20 Transient response waveforms of the converter under reference voltage step
change: (a) Output voltage ($V_c$), (b) Input current ($i_L$)
์ด๋ฌํ ์ฐ์ํ ์ ์ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ๊ทธ๋ฆผ 20(b)์ ๋ํ๋ ์ ๋ฅ ๋ฃจํ์ ๋ํน์ฑ์ ํตํด ๋ท๋ฐ์นจ๋๋ค. ์ ์ ์ค์ฐจ๊ฐ ์ต๋๊ฐ ๋๋ t = 0.2 s ์๊ฐ ์ ์ด๊ธฐ๋ ์ปคํจ์ํฐ๋ฅผ ๋น ๋ฅด๊ฒ ์ถฉ์ ํ๊ธฐ ์ํด ์ ๋ฅ ๊ธฐ์ค๊ฐ($i_{ref}$)๋ฅผ
๊ธ๊ฒฉํ ์ฆ๊ฐ์ํค๋ฉฐ, ์ด์ ๋ฐ๋ผ ์ค์ ์ธ๋ํฐ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$) ์ญ์ ์ง๋ น์น๋ฅผ ์ ๋ฐํ๊ฒ ์ถ์ ํ์ฌ ์ฝ 351 A๊น์ง ์์นํ๋ค. ์๋์ง๊ฐ ์ถฉ๋ถํ ๊ณต๊ธ๋๋ฉด์
์ ์์ด ๋ชฉํ์น์ ๊ทผ์ ํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ ๋ฅ๋ ์์ํ ๊ฐ์ํ๋ฉฐ, ์ ์์ด ์ ์ฐฉํ๋ t=0.2662 s ์์ ์ ์ง๋ t = 0.39 s ๋ถ๊ทผ์ ์ ์ ์ํ์์๋
์ฝ 100 A์ ์๋ก์ด ํ๊ท ์ ๋ฅ๋ก ์์ ์ ์ผ๋ก ์๋ ดํ๋ ํน์ฑ์ ๋ํ๋ธ๋ค. ํนํ t = 0.39 s ์์ ์ ์ ๋ฅ ํ๋ ํํ ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ, ์ค์์นญ์ ์ํ
์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ ๋ฆฌํ์ ์ต์๊ฐ 87.5 A์์ ์ต๋๊ฐ 112.5 A๊น์ง ์ง๋ํ์ฌ ์ฝ 25 A ํญ ๋ด์์ ์์ ์ ์ผ๋ก ์ ์ด๋๊ณ ์์์ ์ ์ ์๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋ณธ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
๋ฐ์ดํฐ๋ ์ค๊ณ๋ Double loop ์ ์ด ์์คํ
์ด ๊ธ๊ฒฉํ ๋ถํ ๋ณ๋ ๋ฐ ์
๋ ฅ ์ ์ ์ค์ฐจ์ ๊ฐ์ ์ ์ฌ์ ์ธ๋ ์กฐ๊ฑด์์๋ ๋ฐ์ด๋
๊ฐ์ธ์ฑ(Robustness)์ ๊ฐ์ง์ ๋ฐฉ์ฆํ๋ค. ์ ์ด๊ธฐ๋ ๊ณผ๋ ์ํ์์ ์ธ๋ํฐ ์ ๋ฅ๋ฅผ ์ต์ ์ผ๋ก ์ต์ ๋ฐ ์ถ์ข
ํจ์ผ๋ก์จ ์ฝ 66.22 ms ์ด๋ด์ ์ ์ํ
์๋ต ์๋๋ก ์์คํ
์ ์๋ก์ด ์ ์์ํ ํํ ์ ์ผ๋ก ์์ ํ๊ฒ ๋ณต๊ตฌ ๋ฐ ์ฒ์ด์ํค๋ ์ฑ๋ฅ์ ์
์ฆํ์๋ค.
3.2.2 ๊ธ๊ฒฉํ ๋ถํ ๋ณ๋์ ๋ํ ์ธ๋ ๊ฐ์ธ์ฑ
๊ทธ๋ฆผ 21์ t = 0.2 s์์ ์ถ๋ ฅ ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$)์ด 550 V์์ 1,000 V๋ก ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ๋ ํ t = 0.4 s ์์ ์ ์ด๊ธฐ 100
ฮฉ ๋ถํ์ 200 ฮฉ ์ ํญ์ ๋ณ๋ ฌ๋ก ์ถ๊ฐํ์ ๋์ ๋ถํ ๋ณ๋์ ๋ํ ๋์ ์๋ต ํน์ฑ ๋ฐ ์ ์ด ๊ฐ์ธ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 21 ์ ์ ์น์ ํ ๋ถํ ๋ณ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ปจ๋ฒํฐ ํน์ฑ ๋ถ์: (a) ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$) ๋ฐ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$) ํํ.
Fig. 21 Converter characteristics under load variation after voltage boost:: (a) Output
voltage($V_c$), (b) input current($i_L$) waveforms.
๊ทธ๋ฆผ 21(a)๋ ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$)์ ์ค์ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$) ํํ์ ๋ํ๋ธ๋ค. 0.2 s ์์ ์ ๊ธฐ์ค ์ ์์ด 550 V์์ 1,000 V๋ก ๊ธ๊ฒฉํ
๋ณ๊ฒฝ๋๋ ์คํ
๋ณ๊ฒฝ ์กฐ๊ฑด์์๋ ์ค๋ฒ์ํธ ์์ด ์์ ์ ์ผ๋ก ๋ชฉํ ์ ์์ ์ถ์ข
ํจ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ํนํ t = 0.4 s์์ ๋ถํ 100 %์์ ๋ถํ
150 %์ผ๋ก ๊ธ์ฆํ๋ ๋ถํ ๋ณ๋ ์ธ๋์ด ๋ฐ์ํ์์์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ์ค์ ์ถ๋ ฅ์ ์์ 43 V(์ถ๋ ฅ์ ์์ 4.3 %)์ ์ผ์์ ์ ์ ๊ฐํ ์ดํ ์ ์ด๊ธฐ์
์ํด 128 ms ์ด๋ด์ ๊ธฐ์ค์ ์ 1,000 V์ ์ ์์ํ ์ค์ฐจ ๋ฒ์(ยฑ 1 %) ์ด๋ด๋ก ์ ์ํ๊ฒ ๋ณต๊ตฌ๋์ด ๋ฐ์ด๋ ๋์ ์๋ต ๋ฐ ๊ฐ์ธ์ฑ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 21(b)๋ ์ด์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ธฐ์ค ์ ๋ฅ($i_{ref}$)์ ์ธ๋ํฐ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)์ ์ถ์ข
ํํ์ ๋ํ๋ธ๋ค. ๋ถํ๊ฐ ๊ธ๋ณํ๋ ์๊ฐ ์ธ๋ํฐ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ๊ฐ ์ ์ด๊ธฐ์
์ํด ์ฆ๊ฐ์ ์ผ๋ก ๋์ํ์ฌ ์ง๋ น์น๋ฅผ ์ ๋ฐํ๊ฒ ์ถ์ข
ํจ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ์๋ Double loop ์ ์ด ์์คํ
์ ์ ๊ฒฉ๋ถํ ๊ธฐ์ค 50 %์ ๊ธ๊ฒฉํ ๋ถํ ๋ณ๋ ์ธ๋ ์กฐ๊ฑด์์๋ ๋์ ์ ์ ์์ ์ฑ๊ณผ ์ฐ์ํ ๊ณผ๋ ์ํ
๋์ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ง์ ๋ช
ํํ ์
์ฆํ๋ค.
3.2.3 ์ ์ ์ํ ๋ฐ ์ค์์นญ ์ ์ ์คํธ๋ ์ค
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ๊ณ ์น์ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ์ ์๊ธฐ ํด๋จํ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด, ๊ทธ๋ฆผ 22์ ์ถ๋ ฅ์ ์ ์คํ
๋ณ๊ฒฝ(550 V โ 1,000 V) ๋ฐ ๋ถํ ๊ธ๋ณ(100 % โ 150 %) ์กฐ๊ฑด์ ๋ฐ์ํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 22 ์ค์์น ๋ฐ ์
์ถ๋ ฅ๋จ ํํ ๋น๊ต: (a) ์ ์($V_{sw}$, $V_c$), (b) ์ ๋ฅ ($i_{sw}$, $i_L$)
Fig. 22 Waveform comparison of switch and input/output stages: (a) voltages ($V_{sw}$,
$V_c$), (b) currents ($i_{sw}$, $i_L$)
๋จผ์ 0.2 s ์์ ์ ์ ์ ์คํ
๋ณ๊ฒฝ ๊ตฌ๊ฐ์์๋ ๊ธฐ์ค ์ ์($V_{ref}$)์ด ์์นํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$)๊ณผ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)๊ฐ ์์ ์ ์ผ๋ก
์ฆ๊ฐํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค(๊ทธ๋ฆผ 22(a)). ์ด ๊ณผ์ ์์ ์ค์์น ์ ์($V_{sw}$) ๋ฐ ์ค์์น ์ ๋ฅ($i_{sw}$) ๋ํ ์ ์ ๋ฐ ์ ๋ฅ ํฌ๊ธฐ์ ๋น๋กํ์ฌ ๊ณผ๋ ์ํ ์ ์์์ง(Surge)
์์ด ์์ ์ ์ผ๋ก ํํ์ ์ ์งํจ์ผ๋ก์จ ์ ์ํ ํ๋ก์ ์๊ธฐ ํด๋จํ ๊ธฐ๋ฅ์ด ์ ํจํ๊ฒ ๋์ํ๊ณ ์์์ ์
์ฆํ๋ค(๊ทธ๋ฆผ 22(b)).
ํํธ, 0.4 s ์์ ์์ ๋ถํ๊ฐ ๊ธ๋ณ(100 % โ 150 %)ํ๋ ์กฐ๊ฑด์์๋ ์๊ฐ์ ์ธ ์ ์ ๊ฐํ๊ฐ ๋ฐ์ํ์ง๋ง, ์ด๋ด ์ ์ํ๊ฒ ์ ์ ์ํ๋ก ํ๋ณต๋๋
์ ์ ๋ณต๊ตฌ ํน์ฑ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค(๊ทธ๋ฆผ 22(a)). ํนํ ์ด๋ ๋ถํ ๋ณ๋์ผ๋ก ์ธํด ์ ๋ฅ๊ฐ ๊ธ๊ฒฉํ ์ฆ๊ฐํจ์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ์ค์์น ์ ๋ฅ($i_{sw}$)๋ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)๋ ์ด๋ฅผ ์ ๋ฐํ๊ฒ ์ถ์ข
ํ์ฌ
์ ๋ ฅ ๋ฐ๋์ฒด ์์์ ์ ๊ธฐ์ ์คํธ๋ ์ค๋ฅผ ์ต์ํํ์ฌ ์์ ์ ์ผ๋ก ์๋ตํ๋ค(๊ทธ๋ฆผ 22(b)).
์ด๋ฌํ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ํตํด ์ ์๋ ์๊ธฐ ํด๋จํ ํ๋ก๊ฐ ๊ด๋ฒ์ํ ์ถ๋ ฅ์ ์ ์ด์ ์์ญ๊ณผ ๊ฐํนํ ๊ณผ๋์๋ต ์กฐ๊ฑด ์์์๋ ์ค์์นญ ๊ณผ์ ์, ๊ณผ์ ๋ฅ ์์ง
๋ฐ ๋ง์ ํ์์ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ต์ ํจ์ผ๋ก์จ ์์คํ
์ ๋ฐ์ด๋ ๋์ ์์ ์ฑ๊ณผ ์์ ์ ๋ขฐ์ฑ์ ํ๋ณดํ ์ ์์์ ํ์ฆํ์๋ค.
3.2.4 ๊ธฐ์กด ๋ถ์คํฐ ๋ฐฉ์๊ณผ์ ์ฑ๋ฅ ๋น๊ต
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ํ ํด๋ก์ง์ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ ๋ฐ ๋ํน์ฑ ์ฐ์์ฑ์ ์
์ฆํ๊ธฐ ์ํด ๋์ผํ ์
ยท์ถ๋ ฅ ์ฌ์ ๊ธฐ์ค์์ ๊ธฐ์กด ๊ฒฐํฉ ์ธ๋ํฐ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ[1]์ ๋น๊ต ๋ถ์ํ์๋ค. ๋น๊ต์ ๊ณต์ ์ฑ์ ํ๋ณดํ๊ธฐ ์ํด ์์ธก ์ปจ๋ฒํฐ ๋ชจ๋ ์ธ๋ถ ๋ฐ๋์ฒด ์์์ ๊ธฐ์ ์ ํญ(์จ์ ํญ ๋ฐ ์ ์ ๊ฐํ ์ฑ๋ถ)์ ๋ฐฐ์ ํ ์ด์์ ์ธ
์์ ์กฐ๊ฑด์ ๋์ผํ๊ฒ ๊ณต์ ํ์์ผ๋ฉฐ, ๋ณธ๋ฌธ ํ 1์ ๋ช
์๋ ์ปคํ๋ ์ธ๋ํฐ์ ํต์ฌ ์ค๊ณ ๋ณ์์ธ ๋์ผ ์ธ๋ํด์ค($L=0.65\text{ mH}$)์ ๋์ผ ๊ฒฐํฉ๊ณ์($k=0.846$) ํ๋ผ๋ฏธํฐ๋ง์ ์ฃผ
ํ๋ก์ ๋ฐ์ํ์ฌ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ ์ํํ์๋ค.
ํ 4๋ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ๊ณ ์น์ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ์ ๊ธฐ์กด ๊ฒฐํฉ ์ธ๋ํฐ ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ์ ์ ์ ๋ฐ ์ ๋ฅ ๋์ ํธ๋ฅผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.
ํ 4 ๋ถ์คํธ ์ปจ๋ฒํฐ ํ ํด๋ก์ง๋ณ ์ ์ ๋ฐ ์ ๋ฅ ๋์ ํธ ๋น๊ต
Table 4 Large Signal Voltage and Current Comparison across Boost Converter Topologies
|
๊ตฌ๋ถ
|
Proposed boost
|
Coupled boost
|
|
์ ์ V
|
$V_c = \dfrac{d_1}{d_1 - d}V_{in}$
|
$V_c = \dfrac{1 + kD'}{1 - D'}V_{in}$
|
|
์ ๋ฅ A
|
$I_L = \dfrac{d_1}{R(d_1 - d)}V_c$
|
$I_L = \dfrac{2V_c}{R(1 - D')}$
|
์ ์ํ ํ ํด๋ก์ง์ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ์ฐ์์ฑ์ ์
์ฆํ๊ธฐ ์ํด ๋์ผํ ์
ยท์ถ๋ ฅ ์ฌ์ ๊ธฐ์ค์์ ๊ฐ ์ปจ๋ฒํฐ์ ๋์ ํธ ์์์ ๋น๊ต ๋ถ์ํ์๋ค. ์ ์ํ ์ปจ๋ฒํฐ์ ์ ์ด
์ฑ๋ฅ ๋ฐ ๋ํน์ฑ ์ฐ์์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํด ์ํํ ๊ณ๋จ ์๋ต ์๋ฎฌ๋ ์ด์
๊ฒฐ๊ณผ๋ ๊ทธ๋ฆผ 23๊ณผ ๊ฐ๋ค. ์ด๊ธฐ ๊ธฐ๋ ํ 0.2 s ๊ตฌ๊ฐ๊น์ง๋ ๊ธฐ์ค์ ์($V_{ref}$)๋ฅผ 550 V๋ก ์ธ๊ฐํ์์ผ๋ฉฐ, 0.2 s ์์ ์ดํ์ 1,000 V๋ก ๊ธฐ์ค์ ์($V_{ref}$)๋ฅผ
๊ธ๊ฒฉํ ๋ณ๊ฒฝํ๋ ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ์ ์ ์ฉํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 23(a)์ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$) ํํ์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ์ปจ๋ฒํฐ๋ ์คํ
๋ณ๊ฒฝ๋๋ ๊ณผ๋ ์ํ์์ ๊ธฐ์กด ๊ฒฐํฉ ์ธ๋ํฐ ๋ฐฉ์ ๋๋น ์ค๋ฒ์ํธ ์์ด
๋ชฉํ ์ ์์ ํจ์ฌ ์ ์ํ๊ฒ ๋๋ฌํ์ฌ ์ฐ์ํ ์์์ฑ์ ์
์ฆํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 23 ๋ถ์คํธ ํ ํด๋ก์ง์ ๋ฐ๋ฅธ ํํ๋น๊ต : (a) ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$), (b) ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)
Fig. 23 Waveform comparison according to boost topologies: (a) output voltage($V_c$),
(b) input current($i_L$)
๋ํ ๊ทธ๋ฆผ 23(b)์ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$) ํํ์ ํตํด 1,000 V ๊ณ ์ ์ ์ถ๋ ฅ ๊ตฌ๊ฐ์์๋ ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)์ ๋ฆฌํ์ด ๊ธฐ์กด ๋ฐฉ์ ๋๋น ํ๊ธฐ์ ์ผ๋ก ์ ๊ฐ๋จ์ ํ์ธํ์๋ค.
์ด๋ ์ ์ ๊ธฐ๋ฒ์ด ๊ณผ๋์ํ ๋ฐ ์ ์ ์ํ ๋ชจ๋์์ ์ฐ์ํ ์ ๊ธฐ์ ํน์ฑ์ ๊ฐ์ง์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค. ์ด์ ๊ฐ์ด ์
๋ ฅ ์ ๋ฅ($i_L$)์ ์ต์ ๋ฆฌํ ํน์ฑ์ ์ ์
๊ณต๊ธ์ ๋ฐ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ์๋ช
์ ์ฐ์ฅ ์ํจ๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ๋ ฅ๋ณํ ํจ์จ๊ณผ ์์คํ
์ ์ ๋ฐ์ ์ธ ์์ ์ฑ์ ๋ํญ ํฅ์์ํฌ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 24๋ ๊ธฐ์ค์ ์($V_{ref}$)๋ฅผ 0.2 s ์์ ์ 550 V์์ 1,000 V๋ก ์คํญ ๋ณ๊ฒฝ์ ํ ๋ ๊ฐ ์ปจ๋ฒํฐ ๋ด ์ค์์น ์๋จ์ ๊ฑธ๋ฆฌ๋ ์ ์($V_{sw}$)
ํํ์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 24 ๋ถ์คํธ ํ ํ๋ก์ง๋ณ ์ค์์น ์๋จ ์ ์($V_{sw}$) ๋น๊ต ํํ: (a) Coupled inductor (b) ์ ์ํ ๋ถ์คํฐ
Fig. 24 Comparison of switch voltages($V_{sw}$) according to boost topologies:: (a)
coupled-inductor boost (b) proposed boost
๊ทธ๋ฆผ 24(a)์ ๊ธฐ์กด ๊ฒฐํฉ ์ธ๋ํฐ ๋ฐฉ์์ ๊ฒฝ์ฐ ์ค์์นญ ๋์ ๋ฐ ์์ ์คํธ๋ ์ค๋ก ์ธํด ์ค์์น ์๋จ ์ ์์ ๊ทน์ฌํ ๊ณ ์ฃผํ ์ ์ ์์ง์ ๋ฆฌํ์ด ๋ฐ์ํจ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค.
ํนํ 0.2 s ์ด์ ๊ตฌ๊ฐ์์๋ ์ฝ 100 kV - 200 kV ์์ค์ ์ ์ ๋งฅ๋์ ๋ณด์ด๋ฉฐ, 1,000 V ๊ณ ์ ์ ์ถ๋ ฅ ์ ์ด๊ฐ ์์๋๋ 0.2 s
์ดํ ๊ตฌ๊ฐ์์๋ ์ต๋ 500 kV์ ๋ฌํ๋ ํ๊ดด์ ์ธ ๊ณ ์ ์ ์คํ์ดํฌ ์คํธ๋ ์ค๊ฐ ์ค์์น ์์์ ์ง์์ ์ผ๋ก ์ธ๊ฐ๋๋ค.
๋ฐ๋ฉด ๊ทธ๋ฆผ 24(b)์ ์ ์ํ ์ปจ๋ฒํฐ๋ ์ค์์น ์๋จ ์ ์์ด 0.2 s ์ด์ ๊ตฌ๊ฐ์์ 550 V ์ดํ ๊ตฌ๊ฐ์์ 1,000 V(1 kV) ์ด๋ด๋ก, ์์ ์ ์ผ๋ก ์ ์ด๋๋ค. ์ด๋
์ ์ํ ํ ํด๋ก์ง๊ฐ ์ค์์น ์๋จ์ ์ธ๊ฐ๋๋ ์ค์์นญ ์ ์($V_{sw}$)์ ์ปจ๋ฒํฐ์ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$)์ผ๋ก ํด๋จํํ์ฌ ๊ธฐ์กด ๋ฐฉ์์ ๊ณ ์ง์ ๋ฌธ์ ์๋
์๋ฐฑ kV๊ธ์ ์น๋ช
์ ์ธ ์ ์ ๋ฆฌํ๊ณผ ์คํ์ดํฌ ์ฑ๋ถ์ ์๊ธฐ ํด๋จํ๋ก ํ๊ธฐ์ ์ผ๋ก ํ์ํ๊ณ ์์์ ์ฆ๋ช
ํ๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ์ปจ๋ฒํฐ๋ ์ค์์น ์์๊ฐ ๋ฐ๋ ์ ์ ์คํธ๋ ์ค๋ฅผ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$)์ผ๋ก ํด๋จํ์์ผ ์์์ ์์์ ๋ฐฉ์งํ๊ณ ์์คํ
์ ์ด์
์์ ์ฑ๊ณผ ๋์ ํ๋ก์ ์ ๋ขฐ์ฑ์ ํ๋ณดํ์์์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 25์ ๋์ผํ ์ด์ ์กฐ๊ฑด(๊ฒฐํฉ๊ณ์ $k=0.846$, ์ธ๋ํด์ค L = 0.65 mH )์์ ๋ ์ปจ๋ฒํฐ์ ๋์ ํจ์จ(Efficiency: ฮท) ํน์ฑ์ ๋น๊ตํ์ฌ
๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ์ฌ์ฉํ ์ค์๊ฐ ๊ณต์์ ์ (24)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 25์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ์ปจ๋ฒํฐ๋ ์ด๊ธฐ 550 V ๋ฐ 0.2 s ์ดํ์ 1,000V ๊ณ ์ ์ ์ถ๋ ฅ ๊ตฌ๊ฐ์ ํฌํจํ ์ ์ฒด ์ด์ ์์ญ์์ ๊ธฐ์กด
๊ฒฐํฉ ์ธ๋ํฐ ๋ฐฉ์ ๋๋น ํ์ ํ ๋์ ํจ์จ ํน์ฑ์ ๋ณด์ธ๋ค. ์ด๋ ์์ ํ์ธํ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์ ์๋ ํ ํด๋ก์ง๊ฐ ๊ณ ์ฃผํ ์ ์ ์์ง์ ์คํ์ดํฌ ์ฑ๋ถ์ ์ํ ์ค์์นญ
์์ค์ ํ๊ธฐ์ ์ผ๋ก ํ์ํ๊ณ ์ฌ์ฌ์ฉํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ์ํ ์ปจ๋ฒํฐ๋ ๊ณ ์น์ ๊ตฌ๋ ์ ์ค์์น ์์์ ์ ๊ธฐ์ ์คํธ๋ ์ค๋ฅผ ์ถ๋ ฅ์ ์($V_c$)์ผ๋ก
ํด๋จํ ํจ๊ณผ ๋์์ ์ค์์นญ ์์ง๋ฅผ ํ์ ์ฌ์ฌ์ฉํจ์ผ๋ก์จ ์์ค์ ์ต์ํํ๊ณ ์ ๋ ฅ ๋ณํ ํจ์จ(0.8 s๊ตฌ๊ฐ 93 %)์ ๊ทน๋ํํ ์ ์์์ ์
์ฆํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 25 ๋ถ์คํธ ํ ํด๋ก์ง๋ณ ์ค์๊ฐ ํจ์จ(ฮท) ๋น๊ต ํํ
Fig. 25 Comparison of real time efficiencies (ฮท) according to boost topologies
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ ์ํ ํ ํด๋ก์ง๋ ๊ฒฐํฉ ์ธ๋ํฐ์ ๊ธฐ๋ณธ ๋ํน์ฑ๋ง์ ๋ถ์ํ๋ ์ ํ ์ฐ๊ตฌ[1]์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ช
ํํ ์ฑ๋ฅ์ ์ฐ์๋ฅผ ์
์ฆํ์๋ค. ์ ํ ์ฐ๊ตฌ์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ณ ์น์ ๊ตฌ๋ ์ ๋์ค์ธ๋ํด์ค๋ก ๊ณ ์ฃผํ ์ ์ ์์ง์ ์คํ์ดํฌ ์คํธ๋ ์ค๊ฐ ์ค์์น ์์์
์ง์์ ์ผ๋ก ์ธ๊ฐ๋๋ ํ๊ณ๊ฐ ์์์ผ๋ ๋ณธ ํ ํด๋ก์ง์ ์๊ธฐ ํด๋จํ ํ๋ก๋ ์ด๋ฅผ ์ถ๋ ฅ์ ์ ๋ ๋ฒจ๋ก ์์ ์ ์ผ๋ก ํด๋จํํ์ฌ ์์์ ์์์ ๋ฐฉ์งํ๊ณ ์์คํ
์ ์ ๋ขฐ์ฑ์
ํฅ์์์ผฐ๋ค.
๋น๋ก ์ถ๊ฐ์ ์ธ ๋ค์ด์ค๋ ๋ฐฐ์น๋ก ์ธํด ํ๋์จ์ด ๋ณต์ก๋๊ฐ ๋ฏธ์ธํ๊ฒ ์์นํ๋ ๋จ์ ์ด ์กด์ฌํ๋ DCM/CCM ์ ์์ญ์์์ ๊ฐ์ธ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ ๋ฌ์ฑ๊ณผ 93 %
๊ณ ํจ์จ ํ๋ณด๋ ์ด๋ฌํ ํ๊ณ๋ฅผ ์ถฉ๋ถํ ์์ํ๋ฉฐ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์ ์ค์ฉ์ ๊ฐ์น๋ฅผ ๋ฐฉ์ฆํ๋ค.