DC-DC 컨버터 제어란?
DC-DC 컨버터는 DC(직류)를 한 전압 수준에서 다른 전압 수준으로 변환하는 전력전자 회로입니다. DC-DC 컨버터는 벅(강압), 부스트(승압), 벅-부스트(승압과 강압 모두 가능) 그리고 SEPIC(단일 종단 1차 인덕터 컨버터) 등의 더 복잡한 설계를 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. 전력단과 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 강인성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 설계 사양을 충족할 수 있습니다.
- 전압 조절을 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
부스트 컨버터 제어의 Simulink 블록 다이어그램.
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 전력단 모델링.
- 다양한 모델 충실도에서 컨버터 모델 시뮬레이션: 시스템 동역학에 대한 평균 모델, 스위칭 특성에 대한 거동 모델 및 기생 및 상세 설계에 대한 상세한 비선형 스위칭 모델.
- 전압 모드 제어 및 전류 모드 제어 등 다양한 제어기 아키텍처 설계, 시뮬레이션 및 비교.
- DC-DC 컨버터를 스위칭하기 위한 주기적 정상 상태 동작점을 계산해 시동 과도 현상을 제거하고 시뮬레이션을 가속화하며 주파수 응답 추정을 위한 정확한 동작 조건을 제공합니다.
- 시스템 식별 접근법을 사용해 모수적 모델을 피팅하고 보드선도 분석 및 근궤적 분석과 같은 고전 제어 설계 기법을 적용합니다.
- 자동 조정 툴을 사용해 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.
예제 및 방법
예제
비디오
기술 칼럼
고객 사례
소프트웨어 참조
DC-DC 컨버터 제어 FAQ
DC-DC 컨버터 제어는 MOSFET, IGBT 및 다이오드와 같은 반도체 소자의 스위칭을 제어하여 전력 전자 컨버터의 출력을 조절하는 것을 의미합니다. 이러한 제어 방법은 다양한 부하 및 동작 조건에서 원하는 출력 전압 또는 전류를 유지합니다.
Simulink는 벅(강압), 부스트(승압), 벅-부스트 및 SEPIC(단일 종단 1차 인덕터 컨버터) 등 다양한 토폴로지를 지원합니다. 많이 사용되는 여러 토폴로지에 대해 사전 구축된 컨버터 블록을 제공합니다.
Simscape Electrical을 사용하여 표준 회로 컴포넌트 또는 사전 구축된 컨버터 블록으로 전력단을 모델링하고, 시스템 동역학을 위한 평균 모델부터 기생 및 상세 설계를 위한 상세한 비선형 스위칭 모델에 이르기까지 다양한 정밀도 수준에서 시뮬레이션할 수 있습니다.
전압 모드 제어 및 전류 모드 제어를 비롯한 다양한 제어기 아키텍처를 설계하고 비교할 수 있으며, 보드 플롯과 근궤적 플롯을 활용한 고전 제어 기법을 적용하고 자동 조정 툴을 사용해 제어기 이득을 자동 조정할 수 있습니다.
컨버터 모델을 동작점 주변에서 선형화하거나 AC 주파수 스윕 또는 PRBS(의사난수 이진 시퀀스)와 같은 시스템 식별 기법을 사용해 플랜트를 추정한 후, 자동 조정 툴을 사용해 단일 또는 다중 피드백 루프에서 제어기 이득을 최적화할 수 있습니다.
예, Embedded Coder를 사용해 마이크로컨트롤러에 최적화된 C/C++ 제어 코드를 생성하거나 HDL Coder를 사용해 FPGA 프로그래밍 및 ASIC 프로토타이핑을 위한 합성 가능한 HDL 코드를 생성할 수 있습니다.
HIL 테스트를 통해 하드웨어 프로토타입에서 검증하기 전에 전력 컨버터 제어의 실시간 실행을 테스트할 수 있으며, 이를 통해 제어 설계 오류를 식별하고 수정하며 고가의 하드웨어에 발생할 수 있는 잠재적 손상을 방지할 수 있습니다.
Simulink 및 Simscape Electrical은 모델링 및 시뮬레이션에 사용되고, Simulink Control Design과 Control System Toolbox는 제어기 설계 및 분석을 지원하며, Embedded Coder를 통해 하드웨어에서 제어기 구현을 위한 프로덕션 코드 생성을 가능하게 합니다.
참조: 모델링 및 시뮬레이션, Simulink Design Optimization™, Simulink Real-Time™, 전력전자 시뮬레이션, 이중 능동 브리지
