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벅 컨버터(Buck Convertor)의 설계 및 Pspice를 통한 시뮬레이션

*용*
최초 등록일
2008.04.16
최종 저작일
2007.10
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소개글

전력전자(Power Electronics) - 주어진 조건에 부합하는 벅 컨버터(Buck Convertor)를 설계하고 이를 Pspice를 이용하여 시뮬레이션

목차

1. 기본이론 : Buck convertor 회로의 해석
1.1 회로도 및 출력파형
1.2 회로해석
ⅰ) Mode 1 : Q-ON
ⅱ) Mode 2 : Q-OFF
ⅲ) Q의 ON-OFF 주기는
ⅳ) 인덕터에 흐르는 전류
ⅴ) 인덕터 전류가 연속이기 위한조건
ⅵ) 커패시터 전압이 연속이기 위한 조건

2. Buck Convertor의 설계
2.1 Specifications
2.2 설계과정

3. 시뮬레이션(Simulation)
3.1 파라미터 k, L, C 값 구하기(MATLAB 이용)
3.2 Pspice Simulation
3.3 파라미터 수정(보정) 및 Simulation 반복

4. 결론

본문내용

Buck Convertor의 설계
문 제입력 를 출력 로 변환하는 Buck DC-DC 컨버터를 설계하시오.
Specifications
인덕터 전류연속
출력리플전압 : 20[m]
입력전압 : 12[]
출력전압 : 5[]
출력전류 : 2[A]
설계과정
파라미터 k, L, C 값 구하기
ⅰ) 출력전압과 전류에 의해 부하저항을 구하면
ⅱ) → =0.4167=41.67% : 시비율
ⅲ) 이므로 L에 대하여 정리하면

ⅳ) 이므로 C에 대하여 정리하면

이상의 계산을 통해 적정한 와 를 택하여 L과 C를 선정할 수 있다.
아래의 그림은 와 에 따라 계산되는 L의 크기를 MATLAB 그래프를 통해 알아본 것이다.( x축: / y축: / z축:L)
위 그래프를 보면 스위칭 주파수 f와 리플전류 가 너무 작을 경우 인덕턴스 L이 너무 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 L이 너무 크지 않은 범위 내에서 적당한 f와 를 택하였다.
이에 따라 계산된 각 파라미터는 다음과 같다.
f = 50[kHz], = 0.95[A]
∴ = 61.4[μH], = 118.75[μF]
∴ T = = 20[μs], = 8.333[μs]
이상 계산된 파라미터를 이용하여 Pspice를 통하여 Simulation 하였다.
Pspice 회로도

Simulation 결과
위 결과를 살펴보면 이론적인 계산 값과는 달리 출력전압 5[V]와 출력전류 2[A]에 미치지 못하며 출력전압의 리플은 20[]가 넘는 것을 확인할 수 있다.
이는 소자가 이상적지 못하여 나타난 결과라 생각된다. Pspice에서 제공하는 소자의 Library에는 해당소자의 특성이 반영되어 있기 때문에 스위칭 속도의 지연이나 여러 다른 영향에 의하여 이와 같은 오차가 발생하는 것으로 생각된다.
따라서 위의 오차를 보정하기 위하여 다음과 같이 소자의 파라미터를 변경하여 Simulation을 반복하였다.

참고 자료

전력전자공학 3판 (원저자:M.H. Rashid, 번역: 백수현 외, 출판사: 교보문고)

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*용*
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