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제 6 장 결론 및 향후 과제
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6.1.1 새로운 제어전략
메인 컨버터의 부족한 기능을 대체하는 보조 회로 구조는 이미 다양한 형태로 존재하고 있다. 그러나 기존의 연구들은 효율이 크게 저하되거나 가격 측면에서 부담이 발생하는 등의 문제가 있었다. 능동 출력 필터나 능동 전력 필터와 같은 병렬형 구조를 통해 전력 손실을 줄인 연구들도 있었으나 이러한 접근은 부하 응답 특성 개선, 혹은 스위칭 리플 전류 상쇄 기능 중 하나의 기능밖에 수행할 수 없다는 한계가 있다. 이러한 한계는 기존의 병렬형 보조 회로에 대한 제어 전략이 메인 컨버터가 최종 출력 전압을 제어한다는 틀을 벗어나지 못하였기 때문이다. 이에 본 연구에서는 능동 출력 필터가 최종 출력 전압을 제어하고 메인 컨버터가 능동 출력 필터의 캐패시터 전압을 제어하는 제어 전략을 도입하였다.
이를 통해 능동 출력 필터의 빠른 제어 대역폭을 활용하여 응답 특성을 매우 증가시켰다.
6.1.2 시비율 피드포워드
제안하는 방식은 DC-DC 컨버터의 수동 필터를 저감하고자 하는 목표가 있다. 이를 위해서는 기존의 수동 필터가 하는 역할인 부하 변동 시 전압 변동 폭 저감, 스위칭 리플 저감이라는 두 가지 목표를 모두 달성해야 한다. 능동 출력 필터의 제어 대역폭이 충분히 높을 경우 제안하는 제어 전략만으로도 메인 컨버터에 의해 발생하는 스위칭 리플이 자동적으로 상쇄되지만 일반적인 경우 유한한 제어 대역폭으로 인해 스위칭 리플
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저감이 충분하지 않을 수 있다. 이에 본 연구에서는 능동 출력 필터의 평균 전류의 기울기가 메인 컨버터 인덕터의 전류 기울기에 대응되는 값을 가지는 능동 출력 필터의 시비율을 조정해주는 시비율 피드포워드 기법을 제안하였다. 메인 컨버터의 필터 인덕터의 전류 기울기가 출력 필터에 걸리는 전압을 통해 알 수 있다는 사실에 바탕으로 하여 하나의 전압 검출 회로와 하나의 OP-Amp만으로도 구현할 수 있도록 하였다.
이를 통해 전류 센서와 같은 고가의 소자 없이 전압 제어만을 통해서 제안하는 방식을 효과적으로 구현하였다.
6.1.3 다권선 변압기의 교차제어오차보정
다권선 변압기를 이용한 다중 출력 컨버터는 가격, 부피 등에 대해 이점을 가지기 때문에 많이 사용된다. 그러나 증가하지 않는 제어 자유도로 인해 출력 전압 제어 성능이 부족하다는 단점을 가진다. 제어 자유도를 증가시키기 위한 기존의 방식들은 효율이 크게 저하되거나 설계에 제약이 많았다. 이에 본 연구에서는 교차 제어로 인해 발생하는 오차 성분만을 출력 단자 간에 연결된 보조 회로가 교환해 줌으로써 작은 전력 손실만으로 교차 제어로 인한 출력 전압 오차를 보정하는 방식을 제안하였다.
6.1.4 능동출력필터를 이용한 교차제어 오차보정
출력 단자 간 단일 보조 회로를 통한 오차 보정 기법은 정상 상태 전압
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오차는 보정해 주지만 부하 응답 특성 개선이나 스위칭 리플을 저감하지는 못하였다. 이에 제안하는 능동 출력 필터와 교차 제어의 오차 보정을 위한 단자 간 전류 제어를 결합하여 새로운 다중 출력 컨버터를 제안하였다. 이를 통해 각각의 출력 전압 제어 성능을 향상시켰고 스위칭 리플을 상쇄하여 수동 필터를 저감시켰으며 동시에 다권선 변압기의 오차를 보정하였다.
6.1.5 설계가이드 제시
제안하는 방식이 효율적인 이점을 가지는 범위를 보이기 위해 효율 분석을 진행하였고 수동 소자 저감을 위한 설계 가이드를 제시하였다.
출력 필터 캐패시터가 효과적으로 줄어드는 것을 확인하였고 메인 컨버터의 필터 인덕터의 저감 가능성을 보였으며 직렬형 DC-DC 컨버터 방식에 비해 크게 줄어드는 보조 회로의 인덕터도 확인할 수 있었다.
6.1.6 안정성 분석
일반적으로 서로 다른 컨버터의 결합이 입력 임피던스와 출력 임피던스에 대한 고려만으로 안정성 확보가 가능한 것과 달리 제안하는 시스템은 메인 컨버터와 능동 출력 필터의 제어가 상호 영향을 주기 때문에 다른 접근이 필요하다. 따라서 이에 대한 안정성 확보를 위해 소신호 분석을 진행하였다. 제안하는 방식이 다중 출력으로 확장되면 일반 소신호 분석을 통한 제어기 설계가 어려워 지는 것을 확인하고 이를
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극복하기 위해 시스템을 근사화하여 분석하는 기법을 제시하였다.
근사화가 가능한 조건을 보이고 근사화를 통한 분석 결과를 일반 소신호 분석 결과와 PSIM의 AC sweep 기능을 이용한 분석 결과를 비교하여 근사화를 통한 분석 방법에 대해 검증을 진행하였다.
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