KR100333089B1 - 디지털 제어방식의 직류/직류 컨버터 - Google Patents

디지털 제어방식의 직류/직류 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 포워드(Forward) DC/DC 컨버터를 디지털 신호처리(DSP)에 의해 고속으로 스위칭 제어하는 디지털 제어기와, 영(Zero) 전압 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버(Snubber)회로를 적용한 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 직류/직류 컨버터에 있어서, 입력 전압을 고속 스위칭하여 고주파 교류전압으로 변환하는 교류 변환수단: 상기 변환된 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류 변환수단: 및 상기 직류전압에 상응하는 검출신호와 기준 입력신호를, 디지털 신호처리 방식에 의해 비교 및 연산하여, 상기 교류 변환수단의 스위칭동작을 고속 제어하는 디지털 제어수단을 포함하여 구성되어, 상기 포워드 DC/DC 컨버터의 스위칭 동작을 영(Zero)전압 소프트 및 고속 스위칭 제어함으로써, 부하 변동에 따른 출력전압의 과도응답 및 과도응답 시간을 개선하고, 스위칭동작에 따른 전력손실 및 스위칭 노이즈(Noise)를 최소화할 수 있음은 물론, 상기 DC/DC 컨버터의 설비노후에 대한 진단 알고리즘을 보다 용이하게 구현할 수 있도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

디지털 제어방식의 직류/직류 컨버터{DC/DC convertor using digital signal processing}
본 발명은, DC/DC 컨버터를 디지털 신호처리(Digital Signal Processing)에 의해 고속 스위칭 제어하는 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2 스위치 방식의 포워드(Forward) DC/DC 컨버터를 디지털 신호처리(DSP)에 의해 고속으로 스위칭 제어하는 디지털 제어기(Digital Controller)와, 영(Zero) 전압 소프트 스위칭을 위한 무손실 스너버(Snubber)회로를 이용하여, 부하 변동에 따른 출력전압의 과도응답 및 과도응답 시간을 개선하고, 스위칭동작에 의한 전력손실 및 스위칭 노이즈를 최소화하는 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
도 1은, 하드 스위칭(Hard-Switching)에 의해 DC/DC 컨버터 기능을 수행하는 종래의 일반적인 2 스위치 방식의 포워드 컨버터의 기본 구성을 도시한 것으로서, 단속적으로 인가되는 전력을 2차측으로 유도하는 고주파 변압기(Tr); 공급되는 직류전원을 단속적으로 상기 변압기(Tr)의 1차측에 인가하는 제1 및 제2스위치(S1,S2); 상기 제1 스위치(S1)와 전원사이에 역방향으로 연결된 환류(Free Wheeling)다이오드(D1); 상기 제2 스위치(S2)와 접지사이에 역방향으로 연결된 환류 다이오드(D2); 상기 변압기(Tr)의 2차측에 유도된 전류를 정류하는 출력정류 다이오드(D3,D4); 및 출력전류를 평활시키는 출력필터(Lf,Co)를 포함하여구성됨을 도시하고 있으며, 도 2는, 상기와 같이 구성된 종래의 2 스위치 포워드 DC/DC 컨버터의 기본동작에 따른 파형도를 도시한 것으로, 상기 파형도를 참조하여, 상기 2 스위치 포워드 컨버터의 동작을 설명한다.
먼저, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 t1시점에서 동시에 턴온(Turn On)되면, 직류 입력전압 Vin이 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차권선(N1: 권선수)에 인가되고, 이로 인해 2차권선(N2: 권선수)에는, (N2/N1)Vin의 전압이 발생하게 된다. 상기 2차권선에 발생된 전압은, 상기 출력정류 다이오드(D3, D4)를 통해서 정류된 후, 상기 출력필터(Lf,Co)에 의해 평활되어 부하에 공급된다.
한편, 상기와 같이 전력이 부하에 공급되고 있는 도중 t2시점이 되면, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴오프(Turn Off)되고, 상기 고주파 변압기(Tr)의 누설 인덕턴스 및 여자 에너지는, 상기 환류(Free Wheeling)다이오드(D1,D2)를 통하여 입력 직류전원 Vin으로 환류하게 되는 데, 이 때, 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차권선의 전압은 상기 환류 다이오드(D1,D2)에 의해 입력 직류전압 Vin으로 클램프(Clamp)되므로, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)의 양단에 걸리는 전압도 역시 Vin으로 된다.
그러나, 상기와 같이 동작하는 2 스위치 포워드 DC/DC 컨버터는, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)내의 기생 커패시턴스(Cp) 및 배선 인덕턴스에 의해 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴오프하는 t2시점에 높은 임피던스를 나타내고, 이로 인해상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴오프하는 t2시점에 상기 스위치(S1,S2)의 임피던스가 급격하게 변하게 되어, 도 2의 도시한 Vs1 그래프와 같이, 스위칭에 따른 서지(Surge)전압이 발생하게 되고, 상기 발생되는 서지전압은, 상기 스위치(S1,S2)에 높은 전압 스트레스를 부과하게 되어 상기 스위치(S1,S2)의 수명을 단축시키며, 또한 상기 스위치(S1,S2)의 턴오프 후에 잠시동안 흐르는 꼬리전류에 의해 스위칭 전력손실을 야기시키게 된다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴오프되는 t2시점에서 상기 출력정류 다이오드(D3)에는 급격하게 역방향 전압이 인가됨으로, 상기 고주파 변압기(Tr)와 상기 출력정류 다이오드(D3)의 기생 커패시턴스(Cp)에 의한 기생진동과 서지전압(Surge)이 발생되어, 상기 출력정류 다이오드(D3)에 심한 전압 스트레스가 가해지므로, 상기 출력정류 다이오드(D3)가 파괴될 수도 있을 뿐만 아니라, 출력되는 DC전압에 스위칭 노이즈(Noise)가 발생되어 출력전력의 불안정하게 되는 데, 상기와 같은 현상은, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴온되는 t1시점에서 급격하게 역방향 전압이 인가되는 상기 출력정류 다이오드(D4)에서도 동일하게 발생하게 된다.
이에 따라, 상기 스위칭에 따른 서지전압과 기생진동의 발생을 억제하기 위해 상기 고주파 변압기(Tr)의 1차측 주 스위칭부(S1,S2,D1,D2)와 2차측의 출력정류 다이오드(D3,D4)에 저항-커패시터(R-C) 또는, 저항-커패시터-다이오드(R-C-D)로 구성되는 스너버(Snubber)회로를 추가 구성하는 방법이 제안된 바 있으나, 이러한 방법은 상기 스위치(S1,S2)의 턴온 및 턴오프시, 각 스너버 커패시터(C)에 축적된 에너지가 스너버 저항(R)을 통해서 방전 소모되므로, 스위칭 주파수 또는 입력전압이 높을수록 스위칭에 의한 에너지 손실이 크게 발생되어, 컨버터의 효율을 극히 저하시키는 결과를 초래하게 된다.
이와 같이, 종래의 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터는, 스위칭 동작에 따른 전력손실이 크게 발생되어 DC/DC 컨버터의 에너지 효율을 극히 저하시키고, 또한 서지전압으로 인해 DC/DC 컨버터의 설비가 파괴되는 문제점이 있다,
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 디지털 신호처리에 의해 고속 연산이 가능한 디지털 제어기(Digital Controller) 및 무손실 스너버(Snubber)회로를 이용하여, 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터를 영(Zero)전압 소프트 스위칭으로 고속 제어함으로써, 부하 변동에 따른 출력전압의 과도응답 및 과도응답 시간을 개선하고, 스위칭동작에 따른 전력손실 및 스위칭 노이즈(Noise)를 최소화하는 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터를 제공하고자 하는 데, 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 2 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에 대한 구성을 도시한 것이고,
도 2는 일반적인 2 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에 대한 스위칭 동작 파형도를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 2 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에 대한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 디지털 제어계의 전체 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 본 발명에 따른 디지털 제어기 설계에 대한 과정을 개념적으로 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 2 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에 대한 등가회로를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명에 따른 2 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에 대한 주파수 응답을 도시한 것이고,
도 8은 본 발명에 따른 디지털 제어기의 설계에 대한 응답특성을 도시한 것이고,
도 9는 본 발명에 따른 디지털 제어기의 구성에 대한 등가회로를 도시한 것이고,
도 10은 본 발명에 따른 디지털 제어기에 대한 파형도이고,
도 11은 본 발명에 따른 디지털 제어기가 적용된 2 스위치 방식의 DC/DC 컨버터에 대한 파형도이고,
도 12는 본 발명에 따른 스너버 회로의 적용유무에 따른 파형도이고,
도 13은 본 발명에 따른 디지털 제어기 및 아날로그 제어기의 적용여부에 따른 파형도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
D1, D2 : 환류 다이오드 D3, D4 : 출력정류 다이오드
Ds1, Ds2 : 스너버 다이오드 S1, S2 : 스위치
Cs : 스너버 커패시터 Co : 출력 커패시터
Tr : 고주파 변압기 Lf : 평활용 인덕터
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지털 제어방식의 직류/직류 컨버터는, 직류/직류 컨버터에 있어서, 입력 전압을 고속 스위칭하여 고주파 교류전압으로 변환하는 교류 변환수단: 상기 변환된 교류전압을 고압의 직류전압으로 변환 및 승압하는 직류 변환수단: 및 상기 직류전압에 상응하는 검출신호와 기준 입력신호를, 디지털 신호처리 방식에 의해 비교 및 연산하여, 상기 교류 변환수단의 스위칭동작을 고속 제어하는 디지털 제어수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
우선, 전술한 바 있는 상기 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터는, 아날로그 제어방식의 DC/DC 컨버터와 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터로 할 수 있는 데, 상기 아날로그 제어방식의 DC/DC 컨버터는, 설비 노후에 따른 상태 감시 알고리즘 즉, 진단 알고리즘을 구현하는 데 용이하지 못하며, 또한 상기 진단 알고리즘의 병렬 운용시, 별도의 프로세서(Processer)가 반드시 필요하게 되는 단점이 있는 반면, 상기 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터는, 상기 진단 알고리즘의 구현이 용이하고, 병렬 운용에 적합한 장점이 있으나, 상기 DC/DC 컨버터의 고속 스위칭 동작을 제어하기 위해서는, 후술되는 바와 같이 고속 연산이 가능한 디지털 신호처리방식의 디지털 제어기(Digital Controller)가 요구된다.
이하, 본 발명에 따른 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 제어방식의 DC/DC 컨버터인, 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터에 대한 구성을 도시한 것으로, 공급되는 직류전원을 고속 스위칭 동작에 의해 단속/출력하는 제1 및 제2 스위치(S1,S2); 상기 스위칭 동작에 의해 단속적으로 인가되는 1차측의 전원을 2차측으로 유도하는 고주파 변압기(Tr); 상기 제1 스위치(S1)와 공급 직류전원 사이에 역방향으로 연결된 제1 환류(Free Wheeling) 다이오드(D1); 상기 제2 스위치(S2)와 접지 사이에 역방향으로 연결된 제2 환류 다이오드(D2); 상기 변압기(Tr)의 2차측에 유도된 전류를 정류하는 출력정류 다이오드(D3,D4); 상기 출력정류를 평활하는 평활용 인덕터(Lf) 및 출력 커패시터(Co); 및 상기 변압기(Tr)의 2차측 양단에 직렬로 연결되어 있는 스너버 커패시터(Cs) 및 제1 스너버 다이오드(Ds1) 그리고, 상기 스너버 커패시터(Cs)와 제1 스너버 다이오드(Ds1)의 접점에서 상기 평활용 인덕터(Lf)의 후단으로 연결되는 제2 스너버 다이오드(Ds2)로 구성되는 스너버(Snubber)회로를 포함하여 구성되는 데, 상기와 같이 구성되는, 상기 DC/DC 컨버터의 스위칭 동작은 다음과 같다.
우선, 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측 전압(Vt2)이, 상기 스너버 커패시터(Cs)에 충전되어 있는 상태에서, 주 스위칭 소자인 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴온(Turn On)되면, 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측에 순간적으로 유도되는 전압은, 출력정류 다이오드(D3,D4))에 직접 인가되지 않고, 상기 스너버 커패시터(Cs)와 제2 스너버 다이오드(Ds2)에 의해 형성되는 낮은 임피던스의 경로를 통해 상기 출력 커패시터(Co)로 인가되어, 상기 도 3에 도시한 2차측 전류 즉, It1/N (N= N1/N2)가 흐르게 된다.
이후, 상기 스너버 커패시터(Cs)의 전압이 영(Zero)전압에서 Vt2 전압으로 서서히 충전되기 시작하면, 상기 출력정류 다이오드(D4)는, 순환전류가 흐르게 되는 도통상태에서 차단상태로 서서히 전환되고, 상기 출력정류 다이오드(D3)에 흐르는 전류는, 상기 스너버 커패시터(Cs)의 충전동작 동안, 선형적으로 증가되어, 각각 영(Zero)전압 및 영(Zero)전류 스위칭 동작이 이루어지게 되는 데, 상기 스너버 커패시터(Cs)의 전압은, 상기 충전동작 동안에 2차측 전압의 2배인 2Vt2로 일시 과충전되었다가 다시 Vt2로 복귀하게 된다.
한편, 상기 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 턴오프(Turn Off)되면, 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측에 흐르는 전류인 It1/N (N=N1/N2)은, 영(Zero)전류가 되어, 상기 스너버 커패시터(Cs)에 충전된 충전전원이 상기 출력정류 다이오드(D3)를 통해 방전되기 시작하고, 상기 방전되는 스너버 커패시터(Cs)의 전원은, 상기 평활용 인덕터(Lf)와 출력 커패시터(Co)로 구성되는 평활용 필터(Lf,Co)에 의해 일정한 부하전류(Io)로 평할 공급된다.
이후 영(Zero)으로 방전된 상기 스너버 커패시터(Cs)에는, 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측 전압 극성반전에 의해 발생되는 상기 고주파 변압기(Tr)의 누설 인덕턴스를 통해 역방향 즉, 상기 스너버 커패시터(Cs), 고주파 변압기(Tr)의 2차측 및 제1 스너버 다이오드(Ds1)의 경로를 통해 역전압인 - Vt2가 충전될 때까지 환류(還流)동작이 이루어진다.
이와같이, 상기 출력 다이오드(D3,D4)와 평활용 인덕터(Lf)사이에, 상기 스너버 커패시터(Cs)와 제1 및 제2 스너버 다이오드(Ds1,Ds2)로 구성되는 스너버 회로를 추가 구성하여, 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측 다이오드(D3,D4)가 영 전압 및 영 전류 스위칭되도록 하여, 상기 스위칭 동작에 따른 전력손실은 물론, 기생진동과 스위칭 노이즈를 억제시킨다.
한편, 도 4는 상기 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터를 고속 스위칭 제어하는 디지털 제어계를 간략히 도시한 것으로, 상기 DC/DC 컨버터를 제어대상인 G(s)라 하고, 디지털 신호처리에 의해 상기 DC/DC 컨버터의 스위칭 동작을 고속으로 제어하는 디지털 제어기(Digital Controller)를 C(z)라고 하면, 상기 도 4에 도시한 바와 같이, 연속 제어되는 디지털 제어계 즉, 연속계가 구성되는 데, 상기 제어대상인 G(s)로부터 출력되는 출력신호(Y)는, 상기 연속계로 입력되는 기준 입력신호(U)와 비교 및 연산되어, 오차신호(E)를 얻게 되는 데, 상기 디지털 제어기 C(z)로 입력되는 신호는 디지털 신호가 되어야 하므로, A/D 변환기를 사용하여 상기 오차신호(E)를 디지털 신호로 변환하고, 또한 상기 디지털 제어기 C(z)의 출력신호를 상기 연속계로 출력하기 위해 다시 D/A 변환기를 사용하여 아날로그신호로 변환 출력시킨다.
이하, 상기 디지털 제어기(Digital Controller) C(z)에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 디지털 제어기 C(z)를 설계하는 방법은, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 연속되는 제어계에서 아날로그 제어기 C(s)를 먼저 설계한 후, 이를 디지털로 등가 변환하여 상기 디지털 제어기 C(z)를 설계하는 제1 방법과, 상기 제어대상 G(s)를 디지털로 먼저 변환한 후, 변환된 제어대상 G(z)에 대한 디지털 제어기C(z)를 설계하는 제2 방법이 있는 데, 상기 제1 방법에 의해 디지털 제어기 C(z)를 설계하는 경우, 상기 먼저 설계된 아날로그 제어기 C(s)와 상기 등가 변환된 디지털 제어기 C(z)간에 주파수 응답을 일치시키기 위하여 Forward Euler, Backward Euler 및 Trapezoidal 등과 같은 변환방법을 사용하되, 샘플링 주기(T)를 짧게 하여 상기 변환동작에 따른 오차를 줄인다.
한편, 상기 제2 방법에 의해 제어대상 G(s)를 먼저 디지털 제어대상 G(z)로 변환하는 경우, Z-변환 방법을 사용하여 상기 제어대상 G(s)와 디지털 제어대상 G(z)간의 응답특성이 적절하도록 변환하고, 이후 상기 제 1방법에서의 디지털 제어기 C(z) 설계방법을 이용하여 상기 Z-변환된 디지털 제어대상 G(z)에 대한 디지털 제어기 C(z)를 설계한다.
참고로, 상기 디지털 제어대상 G(z)의 설계방법은, 상기 제어대상 G(s)의 극점(Pole)을 단위 원 내부에 존재하도록 하여 원하는 과도특성을 산출하는 루트 로커스(Root Locus)방법에 의해 설계하거나, 주파수영역에서 직접 설계 또는, W-변환을 이용하여 설계할 수 있다.
도 6은, 상기 제어대상 G(s)인 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터에 대한 등가회로를 도시한 것으로서, 먼저 도 4에서 스위치 S1과 S2는 동시에 턴온하고 턴 오프되므로, 하나의 스위칭 패턴으로 볼수 있으며, 2차측 무손실 스너비는 스위칭 순간에서만 고려되므로, 도 6과 같은 등가회로가 되는 데, 인덕터 L에 흐르는 전류를 iL이라고 하고, C에 걸리는 전압을 vc라고 하면, 스위치 S1가 턴 온된 상태에서 다음과 같은 수식을 얻을 수 있게 된다.--- (a)------ (b)-------(c)한편, 상기 식(b)를 식 (a) 및 식(c)에 대입하여, 정리하면 다음과 같은 수식이 구해진다.------(d)-------------(e)이때,라고 하면,가 되며, 식(d) 및 식 (e)를 상태 평균방정식으로 정리하면 다음 수식이 된다.-----(f)한편, 상기 R은 실제로에 비해 상당히 크다고 할 수 있으므로, 다음 수식으로 대체될 수 있다.-------(g)그리고, 상기 식 (g)에서.,로 정의될 수 있다.또한, 스위치 오프 구간에서는,이되므로, 다음과 같은 조건식을 만족하게 된다.,,,이에 따라, 전달함수에 대한 출력함수의 전달비 T(S)는 다음 수식이 된다.------(h)여기서,가 되며, A(S)는 제어기 전달 함수, Vm은 비교기 이득으로서, 상기 식(h)에 이를 대입하면 제어대상 G(s)의 전달함수를 식 (1)과 같이 구할 수 있게 된다.
-------- 식 (1)
Vm : 비교기 이득
L : 인덕터
rL: 인덕터의 등가저항
C : 출력 커패시터
rC: 출력 커패시터의 등가저항
R : 부하저항
한편, 상기 제어대상 G(s)의 전달함수인 식 (1)에 < 표 1 >과 같은 회로정수를 대입하면, 식 (2)와 같이 되므로, 상기 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터의 주파수 응답특성은, 도 7과 같이 된다.
< 표 1 >
입력전압 Vs 220 V
인덕터 L 60 μH
인덕터의 등가저항 rL 0.02 Ω
출력 커패시터 C 22000 μH
출력 커패시터의 등가저항 rC 0.01 Ω
부하 R 1 Ω
스위칭 주파수 f 20 kHz
변압기 권수비 n 2.5 : 1
------------------------- 식 (2)
이하, 상기 디지털 제어계의 안정성을 보상하기 위한 디지털 보상기(Digital Compensator) 즉, 디지털 제어기에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 디지털 제어기의 설계기준은, 출력전압의 레귤레이션 오차를 줄이기 위하여 직류전원(DC)의 이득을 크게 하고, 안정된 위상여유를 얻기 위하여 도 8과 같이, 0dB를 통과하는 기울기를 약 -20dB/dec로 한다.
또한, 시스템의 안정도를 확보하기 위하여 캐리어 주파수(fc)를 스위칭 주파수의 약 1/4∼1/5 이하로 선택하고, 약 45。∼ 60。의 위상여유를 갖도록 하는 한편, 상기 디지털 제어기는, 상기 설계기준을 고려하여 시스템의 과도응답특성을 용이하게 설계할 수 있도록, 도 9에 도시한 바와 같이, 0 극점(Pole)외에 2 극점과, 2 영점(Zero)을 갖는 회로로 구성하는 데, 상기 제어기, 2 극점 및 2 영점에 대한 각각의 전달함수는, 식 (3) ∼ 식 (7)과 같다.
------- 식 (3)
---------------------------------------- 식 (4)
----------------------- 식 (5)
----------------------------------------- 식 (6)
-------------------------- 식 (7)
따라서, 상기 2 극점(Pole)과 2 영점(Zero)의 주파수를 각각 90Hz, 120Hz, 530Hz 및 6000Hz로 설정하는 경우, 상기 제어기의 전달함수 C(s)는 식 (8)과 같이 된다.
----------- 식 (8)
결국, 상기 제어기 C(s)의 주파수 응답특성은, 도 10과 같이 되어, 상기 제어기 C(s)가 적용된 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터에 대한 전체 주파수 특성은, 도 11의 점선에서 실선과 같이 보상처리 된다. 즉, 직류전원(DC) 이득이 100rad/sec(16Hz)대역에서 10dB 만큼 증가하게 되고, 2000rad/sec(320Hz)대역에서 위상 피크(Peak)점을 갖게되어 시스템 전체의 루프(Loop)이득이 안정된 위상 이득을 갖게된다.
한편, 전술한 바와 같이 안정된 위상여유를 가질 수 있도록 크로스오버(Crossover)주파수를 4300rad/sec (680Hz)로 설정한 상태에서 0dB를 통과하는 기울기를 약 -20dB/sec (680Hz)한 후, 다시 약 -40dB/dec의 기울기로 감쇠시켜 고주파 영역에서의 노이즈 영향을 억제시키고, 상기 이득(Magnitude)여유와위상(Phase)여유를 각각 50dB 및 67。로 하여, 넓은 전압범위에 대해서도 안정 값을 갖도록 한다.
이후, 상기 연속계에서 설계된 상기 제어기 C(s)를 Z-변환하여, 상기 이산(Discrete)화된 디지털 제어기 C(z)를 설계하는 데, 상기 디지털 제어기 C(z) 설계는, Trapzidal 근사법에 따라 상기 식 (8)의 C(s)에을 대입하여, 식 (9)와 같은 근사적인 이산 전달함수 C(z)를 구한다. 한편, 상기 식 (9)는 식 (10)과 같은 차분 방정식으로 나타낼 수 있다.
-------------------- 식 (9)
m(k) = 0.8412 e(k) - 0.815 e(k-1) - 0.841 e(k-2)
+ 0.8151 e(k-3) + 2.2702 m(k-1) + 1.5928 m(k-2)
+ 0.3226 m(k-3) ---------------------------------- 식 (10)
이하, 첨부된 도 12의 (a)와 (b)는, 전술한 바와 같이 무손실 스너버(Snubber)회로를 적용한 경우(a)와 적용하지 않은 경우(b), 상기 고주파 변압기(Tr)의 2차측 정류 다이오드(D4)에 발생되는 기생진동 및 노이즈(Noise)성분의 크기를 나타내고 있는 데, 상기 스너버 회로를 적용한 경우(a), 상기 정류 다이오드(D4)가 기생진동 없이 서서히 영(Zero) 전압으로부터 턴온(Turn On)됨을 보여주고 있으며, 또한, 도 13의 (a)와 (b)는, 각각 디지털 제어기 C(z)와 아날로그 제어기 C(s)를 적용한 경우, 출력전압의 응답특성을 나타낸 것으로, 상기 디지털 제어기 C(z)를 적용한 경우(a), 상기 아날로그 제어기 C(s)를 적용한 경우(b)의 출력전압에 대한 응답특성과 거의 동일함을 보여주고 있다.
따라서, 상기와 같이 설계된 디지털 제어기 C(z)를 이용하여 부하변동에 따른 출력전압의 응답특성을 제어할 수 있게 됨은 물론, 전술한 바와 같이, 디지털 신호처리(DSP)에 의한 고속 연산으로, 상기 DC/DC 컨버터의 스위칭 동작을 고속으로 제어할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 디지털 제어방식의 직류/직류 컨버터는, 디지털 신호처리에 의해 고속 연산이 가능한 디지털제어기(Digital Controller) 및 무손실 스너버(Snubber)회로를 이용하여, 2 스위치 방식의 포워드 DC/DC 컨버터를 영(Zero)전압 소프트 스위칭으로 고속 제어함으로써, 부하 변동에 따른 출력전압의 과도응답 및 과도응답 시간을 개선하고, 스위칭동작에 따른 전력손실 및 스위칭 노이즈(Noise)를 최소화할 수 있음은 물론, 상기 DC/DC 컨버터의 설비노후에 대한 진단 알고리즘을 보다 용이하게 구현할 수 있도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (5)

  1. 직류/직류 컨버터에 있어서,
    입력 전압을 고속 스위칭하여 고주파 교류전압으로 변환하는 교류 변환수단:
    상기 변환된 교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류 변환수단: 및
    상기 직류전압에 상응하는 검출신호와 기준 입력신호를, 디지털 신호처리 방식에 의해 비교 및 연산하여, 상기 교류 변환수단의 스위칭동작을 고속 제어하는 디지털 제어수단을 포함하여 구성되되,
    상기 직류 변환수단은, 상기 변환된 교류전압을 승압 혹은 강압으로 변환하는 변압기; 상기 변환된 전압을 직류전압으로 정류하는 정류기; 및 상기 변압기의 2차측에 연결되어, 상기 정류기를 소프트 스위칭시키는 무손실 스너버(Snubber)회로를 포함하여 구성되고,
    상기 디지털 제어수단은, 그 전달 특성 함수가 0 극점 이외에 2 극점(Pole)과 2 영점(Zero)을 갖으며, 상기 직류/직류 컨버터의 가상의 디지털 등가회로의 출력을 조절하기 위한 디지털 제어 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 디지털 제어방식의 직류/직류 컨버터.
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