본 논문에서는 컨버터의 출력 전압 제어를 위해 온-오프 제어를 사용 한다. 온-오프 제어는 최근 많은 고주파 컨버터 연구에서 사용되고 있다
[88]-[96]. 온-오프 제어기는 부하 변동에 대해 컨버터 자체를 켜고 끔으
로써 컨버터의 출력 전압을 일정하게 유지한다. 따라서 제어기가 부하 변동을 감당하므로 컨버터가 켜져 있는 동안에는 회로의 LC 공진이 부 하 변동의 영향을 받지 않는다. 따라서 스위칭 주파수나 스위치의 시비
율 변화 없이 ZVS와 효율 등의 컨버터 동작 특성이 넓은 부하 범위에서
유지된다는 장점이 있다.
그림 4.4와 그림 4.5는 각각 온-오프 제어기 루프와 온-오프 제어 동작 을 나타낸다. 온-오프 제어기는 센싱한 출력 전압 Vo로부터 컨버터가 켜 지는 시간 Ton과 꺼지는 시간 Toff를 계산해 출력한다. 그리고 이 Ton과 Toff로부터 PWM 모듈은 게이트 드라이버의 Enable 신호를 출력한다. 결
컨버터가 켜지고 꺼지는 주파수를 fc(=1/Tc)라고 할 때 그림 4.5에서 볼 수 있듯이 출력 전압에 fc로 맥동하는 성분이 생긴다. fc는 스위칭 주파수 보다 매우 낮으므로 온-오프 제어를 사용하지 않을 때보다 출력 전압 맥 동을 억제하는 데 필요한 출력 캐패시터 Cout이 커진다는 단점이 있다.
따라서 온-오프 제어 시 생기는 출력 전압 맥동의 크기 ΔVo/Vo와 Cout의 설계에 대해 분석할 필요가 있다.
PWM modules
L
2D
1C
2L
1V
sS
1C
1C
rL
r irvA
vds,S1
R
LEnable node A
vD1
+
−
C
inC
outV
oP
loadgate driver
gate signal of S1
on-off controller
+
−
+
−
Ton,Toff
그림 4.4 제안하는 DC-DC 컨버터 구성과 온-오프 제어기
Enable
Ton
Vo
vgs,S1
Tc (=1/fc) Toff
ΔVo
그림 4.5 온-오프 제어 동작
그림 4.5에 표시한 바와 같이 부하 전력을 Pload라고 하면 Toff 동안에는 컨버터가 공급하는 전력은 0이고 Cout에 저장된 에너지가 Pload를 모두 감 당하므로 ΔVo/Vo는 아래와 같이 계산된다.
2
.
o load off
o out o
V P
V C V T (4.2) 또한, Ton 동안 컨버터가 Po,conv만큼의 전력을 공급하면 Po,conv와 Pload의 관 계는 다음과 같다.
,
.
load on
o conv c
P T
P T (4.3) (4.3)을 (4.2)에 대입하면 ΔVo/Vo를 다음과 같이 구해진다.
,
2
.
o on
o conv load
o out o
V T
P P
V C V
(4.4)
온-오프 제어의 구현에는 여러 방법이 있지만, 본 논문에서는 Ton이 일정 하고 Toff를 조절해 출력 전압을 제어하는 온-오프 제어를 사용한다. 그러
Vo = 12 V
Pload,max = Po,conv = 48 W Ton = 5 μs
Cout = 30 μF
Cout = 50 μF
Cout = 120 μF Cout = 150 μF
Pload /Pload,max ΔVo/Vo (%)
그림 4.6 여러 Cout에 대한 Pload/Po에 따른 ΔVo/Vo의 변화
면 (4.4)에서 알 수 있듯이 Pload가 증가함에 따라 출력 전압 맥동이 줄어 들고, 일반적으로 Po,conv를 정격 부하 전력 Pload,max 근처로 설정하므로 정 격 부하에서는 온-오프 제어에 의한 출력 전압 맥동이 거의 없다.
그림 4.6은 여러 Cout 값에 대한 Pload에 따른 ΔVo/Vo의 변화를 보여준다. Pload가 감소함에 따라서 ΔVo/Vo가 증가하므로 Cout 설계 시 worst case는 Pload가 가장 작을 때이다. 그러므로 Cout을 설계하는 데는 부하 범위를 의
미하는 Pload,min/Pload,max와 허용하는 출력 전압 맥동의 최댓값 (ΔVo/Vo)max가
영향을 미친다. 예를 들어 Pload,min/Pload,max = 0.4이고 (ΔVo/Vo)max = 2% 일 때 그림 4.6에서 볼 수 있듯이 Cout이 50 μF 이상이어야 한다. (4.4)로부터 출 력 전압 맥동이 (ΔVo/Vo)max보다 작기 위해 필요한 Cout의 최솟값 Cout,min을 다음과 같이 구할 수 있다.
,min2
max
.
on o load
out out,min
o o o
T P P
C C
V V V (4.5)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Cout,min(μF)
Ton (μs)
(ΔVo/Vo)max= 1%
Vo = 12 V
Pload,max = Po,conv = 48 W Pload,min /Pload,max = 25%
(ΔVo/Vo)max= 2%
(ΔVo/Vo)max= 5%
그림 4.7 Ton에 따른 Cout,min 값의 변화
그림 4.7은 Ton에 따른 Cout,min의 변화를 보여준다. Ton이 길수록 Cout,min이 증가하고 출력 캐패시턴스가 커져야 한다. 따라서 Cout 값을 작게 설계하 기 위해 Ton을 줄여야 하며 일반적으로 컨버터를 켜고 나서 정상 상태로 도달하는 데 걸리는 최소 시간으로 Ton을 정한다. 그래서 정상 상태로 도 달하는 시간이 짧을수록 Cout 값을 작게 설계할 수 있다.