본 논문에서는 능동 출력 필터를 이용하여 정밀 제어가 가능한 새로운 전력 변환 컨버터를 제안한다. 제안한 방식은 능동 소자를 추가하여 수동 소자를 대체, 혹은 축소하는 기술로서 능동 출력 필터와 새로운 제어 전략을 통해 수동 출력 필터의 두 가지 기능인 출력 전압 리플 저감과 부하 변동 시 출력 전압 변동 폭 축소를 모두 가능하도록 한다. 또한, 제안하는 방식을 확장하여 다중 출력 컨버터에 적용하여 기존의 다중 출력 컨버터가 가지는 출력 전압 성능과 효율 문제를 해결한다. 제안하는 방식이 기존 방식 대비 이점을 가질 수 있도록 다음의 조건을 만족하도록 한다.
첫째, 디지털 부하의 전압 규제인 부하 변동 시 전압 변동 폭 규제 및 스위칭 전압 리플 규제를 모두 만족시켜야 한다. 일반적으로 수동 출력 필터의 인덕터는 스위칭 리플 저감, 캐패시터는 스위칭 리플 저감 및 부하 변동 시 전압 변동 폭 저감의 역할을 하고 있다. 따라서 제안한 방식이 기존의 수동 필터를 대체, 축소하기 위해서는 위의 두 가지 목적을 모두 달성해야 한다.
둘째, 기존 방식들보다 효율이 유사하거나 더 높아야 한다. 일반적인 전력 변환 기법에서도 스위칭 주파수를 높이는 방법으로 수동 필터를 저감할 수 있는데 이러한 방식에 비해 효율적인 이점이 있어야 하며 직렬형 방식에 비해서도 효율적인 이점을 가져야 한다. 제안하는 능동 출력 필터 구성은 다중 출력에 대해서는 능동 출력 필터 간에 교환되는
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전력의 크기에 따라 효율 우위가 사라질 수 있다. 따라서 이러한 조건을 분석하고 설계 가이드를 제시한다.
셋째, 안정성이 보장되어야 한다. 능동 출력 필터를 이용한 기존의 연구들은 안정성 분석 부재 등의 이유로 복잡한 비선형적인 제어를 이용하거나 추가적인 입력 전원을 요구하는 등의 한계를 보이고 있다.
이에 새로운 제어 전략을 제시하고 소신호 분석을 통한 안정성 확보를 통해 수동 필터의 두 가지 기능을 복잡한 제어나 추가 전원 없이 동시에 가능하도록 한다. 특히, 저압 및 낮은 전력 용량 조건으로 능동 출력 필터는 고속 스위칭이 가능하고 이를 기반으로 넓은 제어 대역폭 확보가 가능하므로, 이러한 장점을 활용하여 수동 필터를 줄일 수 있는 적절한 제어기 설계 가이드를 제시한다.
제안하는 능동 출력 필터 방식은 메인 컨버터의 스위칭 전류 리플 성분과 교차 제어에 의한 전력 전달 오차 성분만을 감당하므로 전력 손실이 적고 수동 소자의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 넓은 제어 대역폭 확보가 가능하므로 빠른 부하 응답 특성을 확보할 수 있어 출력 캐패시터의 크기를 줄일 수 있다. 이러한 특징을활용하기 위해 능동 출력 필터가 출력 전압을 제어하고 메인 컨버터는 능동 출력 필터 전압원의 전압을 제어하는 제어 전략을 제안한다. 이로 인해 발생하는 메인
컨버터의 제어와 능동 출력 필터의 제어 간의 재귀적 관계(Recursive)를
분석하여 일반적인 선형 전압 제어기만으로도 안정적이고 빠른 제어가 가능하도록 한다. 제안하는 방식은 일반적인 소신호 분석 모델에 기반을 둘 경우 출력을 확장할수록 분석과 제어기 설계가 어려워진다는 문제가
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있으나 시스템 근사화 모델을 통해 이를 극복한다.
제안하는 방식은 데스크톱 PC용 전원을 대상으로 검증한다. 데스크톱 PC는 앞서 설명하였듯 대표적인 디지털 부하이다. 토폴로지는 구성이 단순하고 가격이 저렴하며 수백 W 이하의 부하에서 많이 사용되는 포워드 컨버터를 선정하였다. 포워드 컨버터는 자화 인덕터의 전류를 리셋하는 방식에 따라 다양한 구조가 존재하지만 본 연구에서는 스위치에 가해지는 전압이 입력 전압으로 제한되어 다른 방식들과 비교하여 스위치 스트레스가 낮으며 하나의 스위치에 쇼트가 발생해도 다른 스위치에 의해 안정성이 보장되어 데스크톱 PC용 전원에 많이 사용되는 2-스위치 포워드 컨버터를 대상으로 하였다. 일반적인 포워드 컨버터는 높은 스위칭 손실로 인해 스위칭 주파수를 높이기 어려워 수동 소자를 줄이기 어렵다는 특징이 있으므로 제안하는 방식을 적용하여 수동 소자를 줄였을 때 이점이 극대화된다. 또한, 공진형 컨버터와 달리 출력 필터 인덕터의 전류가 선형적인 전류 기울기를 가져 본 연구에서 제안한 시비율 피드포워드 기법을 적용하여 상대적으로 낮은 능동 출력 필터의 스위칭 주파수로도 전류 리플 상쇄가 가능하다는 장점도 있다. 제안한 방식을 검증하기 위해 380 V 입력, 12 V 및 5 V 출력에 대해 각각 20 A 정격
부하를 가지는 350-W 급 2-스위치 포워드 컨버터를 구성하여 기존
방식들과 비교 분석한다.
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