스위칭 레귤레이터(컨버터)

스위칭을 통한 전력 변환

DC-DC 전력 변환 원리

선형 레귤레이터를 통해 전력 변환을 수행하면, 일반적인 상황에서 고효율을 달성할 수 없는 문제가 존재합니다. 따라서 손실형 소자 없이 전력을 변환할 필요가 있습니다. 다음과 같은 회로를 살펴봅시다.

위와 같이 회로를 구성하면, 스위치의 투의 위치에 따라 출력 전압이 달라집니다. 스위칭을 반복하면 다음과 같은 전압이 출력됩니다.

하지만 이런 전압은 출력단에 연결될 장치에 바로 공급하기에는 적합하지 않습니다. 따라서 부하가 요구하는 전압으로 평활을 해줘야 합니다. 펄스 트레인은 주기 함수이므로 다음과 같은 푸리에 급수로 나타낼 수 있습니다.

\[v_x=\]

이는 주파수 영역에서 다음과 같이 나타납니다.

고주파 성분이 많이 섞여 있는 것을 알 수 있습니다. 전압 리플을 줄이려면 고주파 성분을 감쇠해야 합니다. 이는 저역 필터를 통해 구현할 수 있습니다. 무손실 소자인 인덕터와 커패시터를 이용하여 저역 필터를 구성하면 회로는 다음과 같이 구성됩니다.

또한 출력 전압이 다음과 같이 나타납니다.

전압 리플이 줄어들고, 입력 전압에 비해 강압된 것을 알 수 있습니다. 이런 식으로 직류를 직류로 변환할 수 있습니다. DC-DC 변환의 기본 원리입니다.

DC-DC 변환의 가정

이런 변환을 수행하는 회로는 해석의 편의를 위해 몇 가지 가정을 합니다.

제어기

앞서 소개한 전력 변환 회로는 정해진 동작점에서 적절한 전력 변환을 수행합니다. 하지만 실제로는 부하가 변동하기도 하고, 노이즈가 시스템에 입력되기도 하며, 입력 전압이 변동되는 경우 또한 존재합니다. 이런 상황이 발생하면, 출력 전압이 바뀌게 되고, 이는 부하가 요구하는 전압과 달라서 시스템이 정상적으로 동작하지 않을 수 있습니다. 따라서 출력 전압의 정보를 이용하여 오차를 줄여 나가는 제어기가 있어야 합니다.

제어 기법에는 여러 가지가 있습니다. 널리 쓰이는 PI 제어가 있고, 전압 모드 제어, 전류 모드 제어 등 다양한 방법을 통해 제어가 가능합니다. 보통 D 제어는 잘 쓰지 않습니다. D 제어는 오차의 변화를 증폭하는 방식으로 제어를 합니다. 이는 고주파 노이즈를 증폭시킬 가능성이 크므로 노이즈의 개입이 많은 전력 변환 장치에는 적절하지 않습니다.

펄스 폭 변조

스위칭을 통해 전력 변환을 수행하려면 스위칭 신호를 공급해야 합니다. 즉, 시스템의 다른 부분에서 트랜지스터를 구동하는 신호를 받아야 합니다. 신호가 \(1\)이면 트랜지스터를 구동하고, \(0\)이면 구동하지 않는 방식으로 동작을 시킨다고 해봅시다. 이러한 신호를 생성하는 방법은 여러 가지가 있지만, 두 신호의 대소 비교를 통해 생성할 수 있습니다. 하나의 신호는 변하지 않는 기준 신호로 삼고, 또 다른 신호는 시스템의 현재 상태를 반영할 수 있는 방식으로 설계를 하는 것이 적절합니다. 전자의 신호는 외부에서 공급하고,

컨버터

컨버터의 동작 모드

컨버터는 인덕터에 흐르는 전류에 따라 동작 모드가 나뉘게 됩니다.

인덕터 전류

컨버터에 있는 인덕터에는 보통 구간별로 일정한 전압이 걸립니다. 임의의 구간 \([t_0,t]\)에서 인덕턴스가 \(L\)인 인덕터에 흐르는 전류는 다음과 같습니다.

\[i_L(t)=\int_{t_0}^{t}\frac{v_L}{L}dt'+i_L(t_0)\]

전압이 일정하므로 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

\[i_L(t)=\frac{v_L\left(t-t_0\right)}{L}\]

일차함수의 형태입니다. 전압은 상황에 따라 다르므로 양수 또는 음수가 될 수 있습니다. 또한 인덕터 전류는 연속적이므로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

컨버터에 있는 다이오드로 인해 역전류가 차단되므로, 수식은 점선으로 표시하고, 실제 전류는 실선으로 표시했습니다. 스위칭 주파수가 일정하다면, 세 경우로 나눌 수 있습니다.

CCM 동작

먼저 인덕터 전류가 항상 양수인 경우입니다. 인덕터에 항상 전류가 흐르는 경우로, CCM(Continouos Conduction Mode) 동작 또는 연속 전도 모드 동작이라고 합니다.

DCM 동작

다음으로 인덕터 전류가 \(0\)이 되는 구간이 있는 경우입니다. 인덕터에 전류가 흐르지 않는 구간이 있는 경우로, DCM(Discontinuous Conduction Mode) 동작 또는 불연속 전도 모드 동작이라고 합니다.

BCM 동작

다음으로 인덕터 전류가 \(0\)이 되는 순간이 있는 경우입니다. 인덕터에 전류가 흐르지 않는 구간이 있는 경우로, BCM(Borderline(or Boundary) Conduction Mode) 동작 또는 경계 전도 모드 **동작이라고 합니다. **CrCM(Critical Conduction Mode) 동작이라고도 합니다.

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