In the past, the use of digital controls was restricted by the performance limitation of digital control devices such as MCU (microcontroller unit) and FPGA (field programmable gate array). They were expensive compared with analog parts, and their performance was not good enough to control the high frequency power converter operating around 100-kHz. So, the digital control has been applied for applications operating under several tens of kilo-hertz such as a motor drive and a low frequency power converter.
However, in the last ten years, microcontroller technology has been developed rapidly. The clock of a microcontroller reaches over 100MHz and the performance of peripherals such as a PWM (pulse width modulator) and an ADC (analog to digital converter) of digital control devices are getting improved. Also, they are getting cheaper and smaller. Therefore, digital controllers are applicable to the control of high-frequency power converters. Moreover, management and communication functions can be added using single microcontroller. Since the microcontroller serves as a controller and a system manager simultaneously, information achieved during the control and the monitoring can be used to improve control performance without difficulty.
In this dissertation, the digital controller for a phase-shift full-bridge (PSFB) converter is designed. Although the performance of digital devices is improved, the digital controller still suffers from the bandwidth limitation compared with an analog controller. This becomes worse if there is parameter variation while operating the converter. Also, an isolated converter has additional issues like transformer magnetizing current offset. These issues should be covered to keep the stability, the performance and the efficiency. They are dealt in this dissertation to improve the dynamic performance and the stability of a PSFB converter.
1. Gain scheduling method for a voltage mode controller
The voltage mode controller is designed based on the small-signal model of the PSFB converter. The small-signal model of the PSFB converter has a pair of complex poles determined by the output inductor, output capacitor, load resistor, and leakage inductance. Since high current flows though the output inductor, the inductance of the output inductor decreases as inductor current increases. This variation of the output inductance affects the frequency response of the PSFB converter. The location of the complex poles is moved to lower frequency as the load becomes lighter. Accordingly, the effect of the variation on the output inductance must be considered to design a controller.
Generally, the parameter of the controller is fixed for all load conditions in a conventional PID controller. With this controller, the crossover frequency becomes low as inductor current decreases. Therefore, the load transient performance is deteriorated under light load condition. Therefore, the modification of the controller is necessary to compensate the effect from the output inductance variation.
To solve this performance degradation, the gain scheduling method is proposed. The location of poles and zeros are fixed to be compatible with all load range to reduce the complexity of an adaptive controller. The controller gain is changed adaptively according to the inductor current. The analysis and design of the gain scheduled controller is implemented easily utilizing a conventional design method.
The gain scheduling is implemented simply without additional components utilizing the inductor current sensed for monitoring purpose. With this gain scheduling method, constant bandwidth is obtained under inductance variation so that the load transient response is improved under light load condition. The performance of this control method is verified by experiments on a 1.2-kW PSFB converter.
2. Transformer magnetizing current compensator
The small-signal characteristics of many converters including isolated converters are similar to that of the basic converters such as a buck converter, a boost converter, a buck-boost converter, etc. Therefore, the many control techniques have been proposed and verified for non-isolated converters. However, for an isolated converter, additional issues such as a transformer magnetizing current and a loss of duty cycle owing to the transformer should be considered in addition to the control of the converter.
A transformer magnetizing current offset for a PSFB converter is dealt in this dissertation. When the offset is generated, the primary current increases toward either a positive or a negative direction. This makes the increases in the conduction losses and the current stress. Moreover, the offset can result in the saturation of the transformer. This transformer saturation leads to over-current which can destroy switching devices so that the system reliability is not guaranteed. Especially, these issues are important in high power applications. Therefore, the offset should be removed to keep the stability and the efficiency.
To remove this offset, a digital offset compensator is proposed for a PSFB converter. It can be implemented only using a microcontroller without additional components like an analog comparator. Since there are two powering interval during one switching period of a PSFB converter, the compensator generates duty difference between them in the direction of reducing the offset. After several switching period, this small duty difference can decrease the offset effectively. The amount of duty difference is calculated in the offset compensator.
To design the proposed offset compensator, it is necessary to understand how the offset varies. By considering the effects from the parasitic components and the switching transition, the z-domain transformer magnetizing current offset model is achieved. The offset model is described as a first order system having a finite dc gain due to the parasitic effects. Therefore, a PI compensator is designed to eliminate offset. The digital offset compensators are designed considering the interference in the output voltage regulation. The reliability can be guaranteed by avoiding the transformer saturation and the efficiency is improved.
The digital controller is designed to improve the dynamic characteristic and the stability. The solutions proposed in this dissertation can be applied other high current converters and isolated converters.
산업용 전력 변환 장치는 단순 전기 에너지의 형태를 변환하는 기능에 더하여, 장치의 상태를 모니터링하고 통신기능을 수행하며, 최적 효율을 얻을 수 있는 동작 점을 찾는 등 “스마트한” 기능이 요구된다. 이와 같은 다양한 기능을 구현하기 위해서는 아날로그 방식의 제어기로는 어려움이 있어 마이크로 컨트롤러 등의 디지털 소자를 사용한다.
기존의 제품은 아날로그 제어기를 사용하여 전력 변환 장치의 제어를 수행하고, 추가적인 디지털 소자를 사용하여 부가적인 기능을 구현하였다. 최근에는 집적회로 기술의 발전으로 인하여 디지털 소자의 성능이 많이 향상되어 컨버터의 디지털 제어를 실제 제품에 적용할 수 있게 되었다.
컨버터에 디지털 제어를 적용할 경우 다양한 장점을 얻을 수 있다. 아날로그 소자를 사용하여 구현하기 어려웠던 예측, 비선형, 적응 제어 등의 다양한 제어 방식을 적용하여 성능을 향상 시킬 수 있으며, 전력 관리 등의 부가기능으로 효율적인 전력 사용에 도움을 준다. 이외에도 제어기를 구성하기 위하여 사용되는 많은 아날로그 소자의 수를 감소시킬 수 있고, 개발 기간을 단축시킬 수 있다.
본 논문에서 중용량에서 대용량 급의 dc-dc 변환에 널리 사용되는 위상 천이 풀-브릿지 컨버터에 대하여 효율 향상과 동특성 향상을 위한 디지털 제어 기법에 관하여 연구를 진행한다. 특히, 전압 모드 제어기를 사용할 경우, 발생하는 문제 및 해결책에 대한 연구내용을 제시한다.
I. 동특성 향상을 위한 이득 조정 기법 연구
서버 전원 시스템에서 서버용 전원 장치는 교류 라인입력을 받아 직류 12V를 출력하는 역할을 한다. 출력 전류는 수십~100A이상에 이르는 고전류 사양을 가지고 있다. 이와 같은 용량의 DC-DC 전력 변환을 위해서는 ZVS(zero voltage switching) 등의 다양한 장점을 가지는 위상 천이 풀-브릿지 컨버터가 많이 사용된다.
이러한 고전류 사양에서는 위상 천이 풀-브릿지 컨버터의 2차 측 출력 인덕터의 인덕턴스가 전류가 증가함에 따라 투자율의 감소로 인하여 줄어드는 현상을 보인다. 이와 같은 인덕턴스 변화는 출력 전류에 따라서 컨버터의 소신호 등가회로의 주파수 특성을 변화시키고, 이로 인하여 모든 파라미터가 고정된 제어기를 사용할 경우, 출력 전류가 작아질수록 대역폭이 낮아진다는 문제점을 가진다. 이와 같은 부분은 높은 전력 밀도와 고성능을 요구하는 산업용 전원 장치에서는 단점으로 지적될 수 있는다. 그러므로 이러한 인덕턴스의 변화에서도 최대의 동특성을 가지기 위한 이득 조정 기법에 대하여 연구한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 출력 전류에 따라서 제어기의 이득을 조정하는 기법을 제안한다. 제안한 방식은 제어기를 구성하는 파라미터 중 제어기의 이득만을 조정하기 때문에 설계 및 분석이 용이하다는 장점을 가진다. 제어기의 이득을 인덕턴스의 변화와 같은 형태로 가져가게 되면, 모든 출력 전류 사양에 대하여 대역폭이 일정하게 유지될 수 있다. 이와 같은 방식을 사용하면 대역폭을 유지하면서 충분한 위상 여유를 확보하여 안정도를 보장할 수 있다. 이 방식은 제어기의 이득을 인덕터 변화의 형태에 비례하는 형태로 이득을 조정하기 때문에 설계 및 구현이 간단하다는 장점을 가진다. 제안한 제어기 이득 조정 기법을 1.2-kW급의 위상 천이 풀-브릿지 컨버터에 적용하여 실험한 결과 출력 전류 변동에 대한 전압 응답 특성이 개선됨을 확인할 수 있다.
2. 자화 전류 옵셋 제거를 위한 제어 방식 연구
절연형 컨버터는 트랜스포머를 사용하여 1차 측과 2차 측을 절연하게 된다. 위상 천이 풀-브릿지 컨버터는 이와 같은 절연형 컨버터로써 1주기에 2번의 전력 전달을 하게 된다. 두 번의 전력전달은 대칭적으로 동작하기 때문에 트랜스포머에 자화 전류에는 직류 성분을 포함하지 않게 되는데, 실제는 소자의 오차 및 비대칭성으로 인하여 자화 전류에 옵셋이 발생하게 된다. 이러한 자화 전류의 옵셋은 효율의 감소 및 트랜스포머의 포화로 인한 과전류와 같은 문제를 야기한다.
이와 같은 자화 전류를 제거하기 위하여 디지털 제어 시 사용할 수 있는 자화 전류 옵셋 보상기를 설계하는 방식을 연구한다. 제안한 디지털 자화 전류옵셋 보상기는 두 번의 전력 전달 시 자화 전류가 발생한 반대 방향의 시비율을 조금 크게 하여 동작 시간이 지날수록 옵셋이 제거되는 형태로 구현 되었다. 이와 같은 보상기를 설계하기 위해서는 보상 시비율에 따라서 자화 전류가 어떻게 변화하는지에 대한 연구가 필요하다. 이를 위하여 z-도메인에서 기생 성분의 효과를 고려한 자화 전류 옵셋의 모델을 유도하였으며, 이는 한 개의 극점을 가지는 시스템임을 확인하였다. 유도된 모델을 바탕으로 하여 PI 제어기 형태의 자화 전류 옵셋 보상기를 설계하였다. 자화 전류 옵셋 보상기는 출력 전압 제어기와 병렬로 동작하게 되므로, 두 제어기의 상호작용을 고려하여 대역폭을 분리하여 설계한다.
설계된 제어기를 1.2-kW급 위상 천이 풀-브릿지 컨버터에 적용하여 실험한 결과 옵셋의 감소로 인하여 효율이 증가됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 자화 전류 옵셋 제거는 컨버터의 용량이 커질수록 안정성 및 효율에서 중요한 사항이 되기 때문에 고용량 전력 변환 장치에서는 더욱 중요하게 사용될 수 있다.
추후 HVDC의 도입 및 효율 규제의 강화 등의 이유로 고효율, 고전력 밀도, 고성능을 요구하는 DC-DC 컨버터의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 본 연구에서 진행된 디지털 제어 방식을 통하여 DC-DC 전력 변환 효율 및 성능 향상으로 많은 응용분야에 기여할 수 있을 것이라 생각한다.
