전력전자 컨버터를 모델링하기 위한 블록 선택
Simscape™ Electrical™ 라이브러리에는 전력전자 컨버터를 모델링하는 데 사용할 수 있는 블록이 많이 포함되어 있습니다. 주어진 엔지니어링 설계 문제를 해결할 수 있을 만큼 충분히 세부적인 모델링이 가능한 블록을 선택해야 합니다. 또한, 고충실도 모델은 시뮬레이션 속도를 저하시키며 파라미터화하는 작업도 더 복잡해지므로 필요 이상으로 상세하게 모델링하지 않는 것도 중요합니다. 결국, 사용하기에 적합한 블록은 설계 목표를 달성하는 데 필요한 복잡도 수준에 따라 달라집니다.
먼저, 미리 구축된 컨버터 블록을 사용할지, 아니면 기본 컴포넌트들로부터 컨버터 모델을 구축할지 결정해야 합니다. 어느 방법이 가장 좋은지는 사전 구축된 컨버터 블록들 중에 원하는 충실도 수준에서 사용자의 컨버터 토폴로지를 지원하는 게 있느냐에 달려 있습니다. 사전 구축된 컨버터를 사용하는 경우 다음 작업이 필요합니다.
적절한 수준의 복잡도를 갖춘 수학적 모델을 선택합니다.
선택한 수학적 모델을 사용하여 컨버터 토폴로지를 모델링할 올바른 블록을 선택합니다.
개별 소자 또는 사전 구축된 컨버터 블록 선택
Simscape Electrical에서는 전력전자 컨버터 모델을 구축하는 데 사용할 수 있는 두 가지 접근 방식이 있습니다.
사전 구축된 컨버터 사용 — Simscape > Electrical > Semiconductors & Converters > Converters 라이브러리의 블록을 사용합니다.
기본 컴포넌트(개별 소자라고도 함)를 사용하여 컨버터 모델을 구축합니다.
Simscape > Electrical > Semiconductors & Converters 라이브러리의 블록을 사용하여 트랜지스터 및 다이오드와 같은 반도체 소자를 모델링합니다.
Simscape > Electrical > Passive 라이브러리의 블록을 사용하여 인덕터 및 커패시터와 같은 패시브 리액티브 컴포넌트를 모델링합니다.
미리 만들어진 컨버터를 사용하는 것이 가장 간단한 방법입니다. 가능하면 이 방법을 사용하십시오. Converters 하위 라이브러리에는 광범위한 컨버터 토폴로지를 모델링할 수 있는 블록이 포함되어 있습니다. 사전 구축된 컨버터와 개별 반도체는 둘 다 여러 수준의 충실도를 지원합니다. 그러나 가장 높은 수준의 충실도를 지원하는 것은 개별 소자입니다. 사전 구축된 컨버터가 지원하지 않는 흔하지 않은 토폴로지를 모델링하거나 매우 높은 수준의 충실도가 필요한 경우에만 개별 소자를 사용하십시오.
사전 구축된 컨버터 블록이 사용하는 가장 간단한 모델은 동작 모델(behavioral model) 모델과 평균값 모델입니다. 이러한 모델은 스위칭 이벤트를 배제하고 전력 균형을 기반으로 동작합니다. 대수 방정식은 컨버터 출력을 듀티 사이클, 전압 기준 또는 전류 기준과 연관시킵니다. 이러한 모델의 가장 큰 장점은 시뮬레이션이 매우 빠르다는 것입니다. 이러한 모델은 외부 루프 제어기를 설계하거나 전력전자 장치가 배치되는 시스템을 최적화하는 등의 시스템 수준 애플리케이션에 사용됩니다. 동작 모델과 평균값 모델은 용도가 매우 다양합니다. 이러한 모델은 간단한 전력 균형을 기반으로 작동하므로 정확한 회로 구성이 중요하지 않은 경우가 많습니다. 예를 들어, DC-DC Converter 블록은 동작 모델을 사용합니다. 이 블록을 사용하여 다음을 모델링할 수 있습니다.
동기식 또는 비동기식 벅 컨버터
동기식 또는 비동기식 부스트 컨버터
4-스위치 벅-부스트 컨버터
이중 활성 브리지 컨버터
절연 또는 비절연 양방향 DC-DC 컨버터
이러한 모델은 용도가 매우 다양하기 때문에, 이 수준의 충실도로 거의 모든 컨버터 토폴로지를 표현하는 사전 구축된 컨버터 블록이 이미 있습니다. 시스템 수준 애플리케이션에는 개별 소자 대신 사전 구축된 컨버터를 사용하십시오.
또한, 사전 구축된 컨버터는 제조업체에서 생산한 컴포넌트를 선택하거나 스위칭 손실 및 전도 손실을 계산하는 것과 같이 컨버터 수준의 애플리케이션에 사용 가능한 더 복잡한 모델도 지원합니다. 이러한 모델을 복잡도가 증가하는 순으로 나열하면 다음과 같습니다.
등가 모델
평균 스위칭 모델
조각별 선형(PWL) 스위칭 모델
다음 섹션인 사전 구축된 컨버터 모델 선택에서는 이러한 모델에 대해 자세히 알아보고 각 모델을 언제 사용해야 하는지 살펴봅니다. 지금 알아야 할 중요한 점은 이러한 모델을 지원하는 블록이 동작 모델에서 사용하는 방정식과 달리 특정 등가 회로에만 유효한 방정식을 사용한다는 것입니다. 사전 구축된 컨버터 블록들은 아래에 나와 있는 충실도 수준에서 흔히 사용되는 많은 토폴로지를 지원합니다. 가능하면 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 사전 구축된 컨버터가 지원하지 않는 흔치 않은 토폴로지의 경우에는 개별 소자를 사용해야 합니다. 마지막 섹션인 사전 구축된 컨버터 블록 선택에서는 이러한 충실도 수준에서 사전 구축된 컨버터 블록이 어떤 토폴로지를 지원하는지 알아봅니다.
오직 개별 소자만이 가장 높은 수준의 충실도를 지원합니다. 게이트 드라이브를 설계하는 것과 같은 스위치 수준의 애플리케이션에는 개별 소자를 사용해야 합니다.
다음 표는 일반적인 시뮬레이션 목표를 위해 컨버터를 모델링할 때의 가장 좋은 접근 방식을 요약한 것입니다.
| 모델 범위 | 목표 | 모델 |
|---|---|---|
| 시스템 수준 |
| 사전 구축된 컨버터 블록이 사용자의 토폴로지를 지원하는 경우, 동작 모델 또는 평균값 모델을 사용하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하십시오. 멀티레벨 인버터만일 때는 파형 제어가 가능한 등가 모델을 사용하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하십시오. 이 수준의 충실도에서 거의 모든 토폴로지를 지원하는 사전 구축된 컨버터 블록을 찾을 수 있습니다. 하지만 사전 구축된 컨버터 블록이 사용자의 토폴로지를 지원하지 않는다면 다음이 가능합니다.
|
| 컨버터 수준 |
| 사전 구축된 컨버터 블록이 사용자의 토폴로지를 지원하는 경우, 다음 모델 중 하나를 사용하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하십시오.
Simscape가 사용자의 토폴로지에 대해 이러한 모델 중 하나를 지원하지 않는 경우, 더 높은 수준의 충실도를 가진 모델을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 등가 모델을 사용하고 싶지만 Simscape가 이를 지원하지 않는 경우, 대신 평균 스위칭 모델을 사용할 수 있습니다. 사전 구축된 컨버터 블록이 이러한 충실도 수준에서 사용자의 토폴로지를 지원하지 않는 경우에는 개별 컴포넌트로 컨버터 모델을 구축하십시오. MOSFET (Ideal, Switching) 블록과 같은 저충실도 반도체 모델을 사용하십시오. |
| 스위치 수준 |
| 개별 컴포넌트로 컨버터 모델을 구축합니다. N-Channel MOSFET 블록과 같은 고충실도 반도체 모델을 사용하십시오. |
개별 반도체 선택
이 안내서의 나머지 부분에서는 사전 구축된 컨버터 블록에만 초점을 맞춥니다. 개별 소자를 사용하여 컨버터를 모델링해야 할 때 적절한 복잡도 수준의 블록을 선택하는 방법에 대한 자세한 내용은 반도체 소자를 모델링하기 위한 블록 선택 항목을 참조하십시오. 또는 다음 표의 예제를 통해 더 자세히 알아볼 수 있습니다.
| 개별 소자를 사용한 컨버터의 예 | |
|---|---|
| 시스템 수준 및 컨버터 수준 애플리케이션을 위한 저충실도 모델 | 스위치 수준 애플리케이션을 위한 고충실도 모델 |
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| DC-DC LLC 컨버터 | |
사전 구축된 컨버터 모델 선택
이 표는 사전 구축된 컨버터 블록이 지원하는 다양한 모델들의 특성을 비교합니다. 동작 및 평균값 모델에서 오른쪽의 PWL 스위칭 모델로 갈수록 모델이 더 복잡해집니다. 더 복잡한 모델은 더 많은 물리학적 요소를 포함하지만 시뮬레이션하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 이 표를 참고하여 필요한 모델을 결정하십시오. 어떤 모델을 사용해야 할지 여전히 확신이 서지 않는다면 먼저 간단한 모델부터 시작하고, 더 상세한 결과가 필요할 경우 점차 복잡도를 높여 나가는 것이 좋습니다. 블록이 등가 모델과 PWL 스위칭 모델을 둘 다 지원하는 경우에는 두 모델 모두 구동 신호로 PWM 신호를 사용하므로, 충실도 수준 파라미터 값만 변경해 두 모델 간에 쉽게 전환할 수 있습니다.
| 모델 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 모델 설명 | 이러한 매우 간단한 모델은 스위칭을 배제하고 전력 균형을 기반으로 동작하므로 빠르게 시뮬레이션할 수 있습니다. 대수 방정식은 일반적으로 컨버터 출력을 듀티 사이클이나 전압 기준에 연관시킵니다. 동작 및 평균값 모델 중 일부는 선택적으로 LC와 같은 동특성을 포함합니다. | 이러한 간단한 모델은 PWM 신호를 사용하여 컨버터 수준에서 전압 및 전류 파형을 계산하므로 빠르게 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 모델에는 보호 다이오드나 전력 소모가 포함되지 않습니다. | 이러한 모델은 스위칭 이벤트를 모델링하지 않은 채로 하나 이상의 스위칭 주기에 걸쳐 스위칭 효과를 평균화합니다. 이 모델은 컨버터 수준에서 적용되며 게이트 신호를 활용하여 전압 및 전류 파형을 계산합니다. 입력 신호의 평균을 구하므로 모델의 언더샘플링이 가능합니다. 평균 스위치는 종종 변조 파형이나 듀티 사이클을 다룰 때에도 사용할 수 있지만, 이때 이 접근 방식이 가장 효율적인 것은 아닙니다. 이러한 모델에는 동특성이 없는 보호 다이오드는 포함되지만 전력 소모는 포함되지 않습니다. | 이러한 모델에는 조각별 선형의 On 상태 I-V 곡선을 사용하는 개별 스위칭 소자 모델이 포함됩니다. |
| 목표 |
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| 구동 신호 |
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| 개별 스위치 모델링 | 아니요 | 아니요 | 아니요 | 예 |
| 보호 다이오드 모델링 | 아니요 | 아니요 | 예(전하 동특성이 없는 경우) | 예(선택적인 전하 동특성이 있는 경우) |
| 스위칭 이벤트 모델링 | 아니요 | 예 | 예(PWM 신호에만 해당) | 예 |
| 고조파 모델링 | 아니요 | 예 | 예(PWM 신호와 평균 펄스에만 해당) | 예 |
| 선형화에 적합 | 예 | 아니요 | 예(평균 펄스, 변조 파형 및 듀티 사이클에만 해당) | 아니요 |
| 구현 | 동작 모델 또는 평균값 모델만 배타적으로 사용하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용합니다. | 충실도 수준 파라미터를 지원하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하고, 이 파라미터를 등가 모델 - PWM 제어로 설정합니다. | 스위칭 소자 파라미터를 지원하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하고, 이 파라미터를 평균 스위치로 설정합니다. | 스위칭 소자 파라미터를 지원하는 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하고, 이 파라미터를 다음 옵션 중 하나로 설정합니다.
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평균 스위칭과 PWL 스위칭의 차이점에 대한 자세한 내용은 다음 예제를 참조하십시오.
Power Converter Model Fidelity Comparison — 이 예제에는 등가 모델 옵션도 포함되어 있습니다.
이득 및 위상 여유와 같은 고전 제어 이론 개념을 사용하여 제어기를 설계하려면 선형화된 모델이 필요합니다. 각각의 스위칭 이벤트에서는 전압 파형의 불연속성으로 인해 등가 모델이나 PWL 모델을 정확히 선형화할 수 없습니다. 컨버터 모델을 선형화하는 방법과 선형화된 모델을 위한 제어기 설계에 대한 자세한 내용은 각각 Linearize DC-DC Converter Model 및 Design PI Controller for DC-DC Converter 예제를 참조하십시오.
PWL 스위칭 모델을 사용하면 구동 신호에 0을 사용해 컨버터의 갑작스러운 정지를 시뮬레이션할 수도 있습니다.
사전 구축된 컨버터 블록 선택
이 섹션의 표는 각 충실도 수준에서 다양한 토폴로지를 모델링하는 컨버터 블록들을 보여줍니다. 이 표를 사용하여 컨버터를 모델링하는 데 적합한 블록을 선택하십시오. 특정 컨버터 토폴로지와 등가 회로 다이어그램에 대한 자세한 내용은 PWM 제어, 평균 스위칭 또는 PWL 스위칭의 등가 모델을 지원하는 블록에 대한 블록 도움말 페이지를 참조하십시오.
DC-DC LLC 컨버터
DC-DC 컨버터 토폴로지는 사분면 동작을 기준으로 분류할 수 있습니다. 이 그림에서 각 사분면은 출력 전류와 전압이 양수인지 음수인지를 나타냅니다.
컨버터는 애플리케이션 요구 사항에 따라 하나 이상의 사분면에서 작동합니다. 예를 들어, 비동기식 벅 컨버터는 1사분면에서만 작동하는 반면, 4사분면 초퍼와 같은 완전 제어 컨버터는 4개의 사분면 모두에서 작동하며 이를 통해 전력 흐름의 방향과 크기를 완전히 제어할 수 있습니다.
DC-DC 컨버터의 동작 모델이나 평균값 모델을 사용하려 할 경우, 주로 Average-Value DC-DC Converter 블록과 DC-DC Converter 블록 중에서 선택하게 됩니다. Average-Value DC-DC Converter 블록은 더 간단하고 파라미터화하기 쉽지만 사용자 지정 옵션이 적습니다. 전압 강하 또는 개방 회로 결함을 모델링하려면 DC-DC Converter 블록을 사용하십시오. 전압이나 온도에 대한 종속성을 포함하는 보다 자세한 효율성 모델이 필요한 경우에도 이 블록을 사용할 수 있습니다. 이러한 옵션이 필요하지 않으면 Average-Value DC-DC Converter 블록을 사용하십시오.
1사분면
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 클래스 A 초퍼 |
| 지원되지 않음 |
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| 비동기식 벅 컨버터 |
| 지원되지 않음 |
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| 비동기식 부스트 컨버터 | 지원되지 않음 |
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2사분면
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 클래스 B 초퍼 |
| 지원되지 않음 |
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1사분면과 2사분면
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 클래스 C 초퍼 |
| 지원되지 않음 |
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| 동기식 벅 컨버터 |
| 지원되지 않음 |
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| 동기식 부스트 컨버터 | 지원되지 않음 |
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| 4-스위치 벅-부스트 컨버터 | 지원되지 않음 |
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| 비절연 양방향 DC-DC 컨버터 |
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| 이중 활성 브리지 컨버터 |
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| 절연형 양방향 DC-DC 컨버터 | 지원되지 않음 |
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3사분면
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 벅-부스트 컨버터 반전 토폴로지 | 지원되지 않음 | 지원되지 않음 |
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1사분면과 4사분면
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 클래스 D 초퍼 |
| 지원되지 않음 |
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4개의 사분면
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 클래스 E 초퍼 |
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DC-AC 컨버터
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 단상 PWM 인버터 |
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| 3상 컨버터 |
Average-Value Inverter (Three-Phase) 블록은 제어되지 않습니다. 변조 파형을 사용하거나 주파수 및 시간 시뮬레이션에서 크기와 위상을 사용하여 Average-Value Voltage Source Converter (Three-Phase) 블록을 제어할 수 있습니다. |
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| 멀티레벨 인버터 |
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AC-DC 컨버터
Average-Value Voltage Source Converter 블록과 Average-Value Voltage Source Converter (Three-Phase) 블록은 주파수 및 시간 시뮬레이션을 지원합니다.
컨버터 토폴로지 | 블록 | |||
|---|---|---|---|---|
| 동작 및 평균값 | 등가 모델 - PWM 제어 | 평균 스위칭 | PWL 스위칭 | |
| 단상 비제어 정류기 | 지원되지 않음 |
| 지원되지 않음 |
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| 3상 비제어 정류기 |
| 지원되지 않음 |
Rectifier (Three-phase) 블록은 Converter (Three-Phase) 블록보다 더 복잡한 블록입니다. Converter (Three-Phase) 블록은 양방향 전력 흐름을 갖는 패시브 정류기 또는 스위치 정류기를 모델링할 수 있습니다. Rectifier (Three-Phase 블록은 6개의 다이오드와 단방향 전력 흐름을 갖는 패시브 정류기를 모델링합니다. | |
| 단상 제어 정류기 |
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| 3상 제어 정류기 |
AC-DC Converter (Three-Phase) 블록은 파라미터화가 더 간단하고 일반적으로 Average-Value Voltage Source Converter (Three-Phase) 블록보다 시뮬레이션 속도가 더 빠릅니다. 기준 전압을 사용하여 AC-DC Converter (Three-Phase) 블록을 제어합니다. 변조 파형을 사용하거나 주파수 및 시간 시뮬레이션에서 크기와 위상을 사용하여 Average-Value Voltage Source Converter (Three-Phase) 블록을 제어합니다. Average-Value Voltage Source Converter (Three-Phase) 블록을 사용하여 전력 손실이나 양방향 전력 흐름을 모델링합니다. 그 외의 경우에는 AC-DC Converter (Three-Phase) 블록이 일반적으로 더 나은 옵션입니다. |
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AC-AC 컨버터
AC에서 AC로 변환하기 위해 두 컨버터 블록을 연결할 수 있습니다. 하나는 AC에서 DC로 변환하고 다른 하나는 DC에서 AC로 변환합니다. Bidirectional DC-DC Converter 블록을 사용하여 이중 활성 브리지 컨버터를 모델링하거나 Four-Quadrant Chopper 블록을 사용할 수도 있습니다.
3상 브리지 사이클로컨버터 예제는 6개의 Converter (Three-Phase) 블록을 사용하여 AC 입력 전압의 주파수를 낮추는 방법을 보여줍니다.
참고 항목
Four-Quadrant Chopper | Average-Value DC-DC Converter | DC-DC Converter
