DC-DC 컨버터 제어란?

DC-DC 컨버터는 DC(직류)를 한 전압 레벨에서 다른 전압 레벨로 변환하는 전력 전자 회로입니다. DC-DC 컨버터는 벅(스텝다운), 부스트(스텝업), 벅-부스트(스텝업과 스텝다운 모두 가능) 그리고 더 복잡한 SEPIC(단일 종단 1차 인덕터 컨버터)를 비롯한 다양한 토폴로지로 제공됩니다. DC-DC 컨버터 제어에서는 에너지 저장 소자(인덕터 및 커패시터)를 주기적으로 충전하고 방전하는 사이리스터, MOSFET, IGBT, 다이오드와 같은 반도체 전력 소자의 고속 스위칭을 통해 고효율 전압 변환을 달성합니다. DC-DC 컨버터는 다양한 컴포넌트에 필요한 광범위한 DC 전압 내에서 배터리 및 기타 DC 전원 사용을 가능하게 하는 현대 전자제품에 필수적인 요소입니다. 원하는 출력 전압을 유지하고 다양한 부하 조건에서 효율적인 전력 관리를 보장하는 데 있어 이러한 컨버터의 제어 방법은 필수적입니다.

DC-DC 컨버터 제어기 설계

전력전자 엔지니어는 MATLAB^® 및 Simulink^® 제품을 사용하여 아날로그 전자 컴포넌트와 디지털 제어 알고리즘을 동일한 시뮬레이션 환경에서 모델링할 수 있습니다. 엔지니어는 다양한 부하 조건과 입력 전압 변동이 존재할 때 출력 전압 또는 전류를 조정해야 하는 경우 DC-DC 컨버터의 디지털 제어를 선택합니다. 전력 증폭단과 제어 알고리즘의 폐루프 시뮬레이션을 통해 제어기를 구현하기 전에 설계 선택을 평가하고 검증할 수 있습니다.

핵심 설계 작업의 일부로 시뮬레이션을 사용하면 DC-DC 컨버터 제어 시스템의 견고성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 설계 사양을 충족할 수 있습니다.

• 전압 조정을 위한 피드백 제어기 설계
• 제어기 설계와 동시에 RLC 컴포넌트 최적화
• 반도체 스위치의 정상 상태 및 동적 특성 추정
• 동적 성능 및 전력 품질 분석
• 임베디드 마이크로프로세서 또는 FPGA의 디지털 제어기 프로토타이핑 및 구현

Simulink를 사용하면 하드웨어 테스트를 시작할 때 DC-DC 컨버터 제어 시스템이 의도한 대로 작동할 것임을 아는 상태에서 이를 설계하고 검증하며 구현할 수 있습니다. 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

• 표준 회로 컴포넌트 또는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하여 전력 증폭단 모델링.
• 다양한 모델 충실도에서 컨버터 모델 시뮬레이션: 시스템 동역학에 대한 평균 모델, 스위칭 특성에 대한 거동 모델 및 기생 및 세부 설계에 대한 상세한 비선형 전환 모델.
• 전압 모드 제어 및 전류 모드 제어 등 다양한 제어기 아키텍처 설계, 시뮬레이션 및 비교.
• 비선형 컨버터 모델에 AC 주파수 스윕 또는 PRBS(의사난수 이진 시퀀스) 등의 방법을 사용한 스위칭 효과를 포함하는 보드 및 근궤적 플롯을 통한 대화형 방식의 루프 형성과 같은 고전 제어 기법 외에도 기타 시스템 식별 기법 적용.
• 자동 조정 툴을 사용하여 단일 또는 여러 피드백 루프에서 제어기 이득 자동 조정. 동작점 변동을 고려하여 이득 스케줄링 제어기 설계.
• 하드웨어 프로토타입에서 검증 전에 HIL(Hardware-in-the-Loop) 설정에서 전력 컨버터 제어의 실시간 실행 테스트.
• 테스트 케이스를 생성하여 제어 설계에서 흔한 오류 식별 및 수정, 값비싼 하드웨어 프로토타입의 잠재적 손상 방지.
• 마이크로컨트롤러에서 구현할 최적화되고 안정적인 C/C++ 제어 코드 또는 FPGA 프로그래밍 또는 ASIC 프로토타이핑을 위한 합성 가능 HDL 코드 생성.

엔지니어는 MATLAB, Simulink 및 Simscape Electrical™을 사용하여 동일한 환경에서 DC-DC 컨버터 제어 알고리즘을 설계하고 시뮬레이션하며 테스트할 수 있습니다. 상세 모델링을 통해 다양한 시나리오에서 컨버터 성능을 평가하고 결과를 실시간으로 시각화할 수 있습니다.

Embedded Coder^®를 사용하면 제어기의 프로덕션 코드를 생성하고 Hardware-in-the-Loop 테스트를 수행하여 다양한 동작 조건에서 DC-DC 컨버터 성능을 평가할 수 있습니다. 이 접근법을 통해 설계자는 위험을 완화하고 성능을 최적화하며 개념에서 시장 출시가 가능한 솔루션으로 발전시키는 과정을 가속화할 수 있습니다.

MATLAB 및 Simulink를 사용한 DC-DC 컨버터 제어 설계 방법에 대해 자세히 알아보려면 Simulink Control Design™, Control System Toolbox™, HDL Coder™를 참조하십시오.