Interleaved 제어 기법 / 제어

1. 개발 배경

    냉장고, 세탁기, TV, 에어컨은 이제 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 가전제품들이다. 이러한 가전제품들은 우리 삶을 편리하고 윤택하게 만들어 주었는데 기술의 발전에 맞추어 우리 주변에는 식기 세척기, 공기 청정기, 의류 관리기 등 더 다양한 가전제품들이 개발되어 삶의 질을 더욱 높여주고 있다. 뿐만 아니라 PC, 스마트폰, 스마트 워치까지 우리 주변의 전기에너지를 사용하는 부하(Load)들은 점점 늘어나고 있다. 부하(Load)의 수만 늘어나는 것에서 벗어나 최근에는 그 용량도 점차 증가하고 있다. 약 시간당 150W의 전력을 소모하는 TV, 약 30 ~ 50W 수준의 용량을 갖는 스마트폰과 달리 전기자동차는 약 60kWh급의 배터리를 장착한다. 더욱이 이는 승용 차량 기준이기 때문에 상용 차량에 적용하기 위해서는 그 용량이 더욱더 증가할 것임을 예상할 수 있다. 이러한 추세에 맞추어 전력변환장치와 같은 전기 시스템들은 대용량화를 요구받고 있으며, 이와 관련된 다양한 연구들이 진행되고 있다.

 

2. Interleaved 제어 기법

    Interleaved 제어 기법은 오래된 제어 기법 중 하나로 시스템을 대용량화 하는데 적합한 제어 기법 중 하나이다. Interleaved의 장점은 크게 2가지인데 전류 리플 저감과 구성 소자들의 요구 스펙 감소이다.

 

  2-1. 전류 리플 저감

        IGBT, MOSFET 등 전력 반도체 스위치(Power Semiconductor Switch)를 사용하는 전력변환 시스템은 스위치의 On/Off 동작에 의해서 전류 리플이 발생하게 된다. 전류 리플이란 전류가 고정된 일정한 값이 아닌 우측 그림처럼 요동치는 경우를 말하는데 이 전류의 최대값과 최소값의 차이를 전류 리플의 크기 또는 전류 리플값이라고 이야기한다. 이러한 전류 리플은 그 값이 클수록 부하(Load)에 악영향을 주는데 쉽게 이해할 수 있도록 설명하면 다음과 같다. 10A가 정격인 제품이 있다고 가정하자, 이 제품의 동작 전류 범위는 ±10% 마진을 감안하여 약 9A ~ 11A이다. 이 부하에 전류를 공급해주는 전력변환 시스템의 출력은 10A 이지만 전류 리플값이 3A라면 부하(Load)에 공급되는 전류는 8.5A ~ 11.5A가 반복되게 된다. 최소값인 8.5A에서는 동작하기 위해 불충분한 전류가 공급되고 최대값인 11.5A에서는 시스템의 소손을 발생시킬 수 있는 과전류가 공급되는 것이다. 반면 전력변환 시스템의 전류 리플값이 1A라고 한다면 부하(Load)에 공급되는 전류는 9.5A ~ 10.5A가 반복되기 때문에 안정적인 동작이 가능하게 된다. 즉 전류 리플 값이 작을수록 성능이 좋다고 할 수 있다.

 

      사실 전류 리플값을 저감하는 방법은 크게 어렵진 않다. 전류 리플값을 쉽게 줄일 수 있는 첫 번째 방법은 인덕턴스가 큰 인덕터를 사용하는 것이다. 인덕터는 전류의 변화에 저항하여 전류의 급격한 변화를 막아주는 역할을 한다. 이러한 기능을 하는데에는 자기에너지 충전과 같은 복잡한 내용이 있지만 본 문은 인덕터에 관한 글이 아니기 때문에 인덕터와 관련된 심화된 내용에 대해서는 언급하지 않는다. 앞서 말한 급격한 변화를 막는 정도를 인덕턴스로 표현할 수 있는데, 쉽게 인덕턴스가 클수록 변화를 억제하는 정도가 커진다고 생각하면 된다. 즉 좌측의 그림처럼 b의 인덕턴스(Lb)의 크기가 a의 인덕턴스(La)보다 크다면 전류가 덜 증가하고 덜 감소하기 때문에 인덕턴스가 클수록 그림처럼 변화량(리플값)이 감소하게 된다. 그러나 인덕터는 인덕턴스가 클수록 무게 및 부피가 증가하기 때문에 고밀도 시스템 설계를 위해서는 무한정 값을 키울 수 없다. 뿐만아니라 인덕턴스가 클수록 재료비와 같은 가격이 증가하기 때문에 경제적인 측면에서도 인덕턴스 값의 증가는 제한을 갖게 된다.

 

      전류 리플값을 저감하는 방법 두 번째는 스위치의 On/Off 주기를 짧게하여 스위칭 주파수를 증가시키는 방법이다. 전력변환 시스템에서 전류 리플은 주로 스위치의 On/Off 동작에 의해서 발생한다. 따라서 좌측 그림처럼 On/Off 동작의 주기를 짧게하여 증가하거나 감소하는 구간의 길이를 짧게 한다면 변화량이 감소하여 전류 리플값이 감소하게 된다. 그러나 해당 방법은 전류 리플값을 감소시킬수록 On/Off 스위칭 횟수가 증가하게 되는데 이는 On → Off 또는 Off → On으로 스위칭하는 순간에 발생하는 손실인 스위칭 손실을 증가시킨다. 손실이 증가하게 되면 효율이 낮아지는 문제가 있지만 이를 떠나서 열이 발생하는 것이 더 큰 문제라고 할 수 있다. 여러 시스템에서 손실은 소음, 진동, 열 등으로 나타나는데 전기에너지를 사용하는 전력시스템에서 손실은 주로 열로 나타난다. 손실이 증가하여 열이 많이 발생하게 되면 최종적으로 화재로 이어져 시스템의 소손을 야기하게 된다. 그렇기 때문에 사용하는 스위치의 종류 또는 소재에 따라 동작할 수 있는 스위칭 주파수는 제한되어 있다.

 

  Interleaved 제어 기법의 기본 개념은 상쇄라고 할 수 잇다. 좌측의 2상 Buck 컨버터 Topology를 이용하여 Interleaved 제어 기법을 확인할 수 있다. 먼저 Interleaved 제어 기법을 사용하지 않을 경우 a상과 b상의 스위치(Sa, Sb)는 동일한 위상을 가지고 동작한다. 쉽게 말해 동시에 On되고 동시에 Off가 된다는 뜻이다. 이 경우에는 두 상의 전류가 증가하는 구간과 감소하는 구간이 동일하기 때문에 부하(Load, R_Load)에 공급되는 전류의 리플값은 각 상 전류의 2배가 된다. 반면에 Interleaved 제어를 사용하여 각 상의 전류가 180º의 위상차를 가지고 동작하게 제어한다면 a상의 전류가 증가하는 구간에서는 b상이 전류가 감소하고, a상의 전류가 감소하는 구간에서는 b상의 전류가 증가하게 되어 부하에 공급되는 전류의 리플값은 감소하게 된다. 즉 Interleaved 제어 기법의 기본 개념은 하기 그림과 같이 각 상의 위상차이를 통해 부하로 공급되는 최종 전류의 리플값을 감소시키는 것이라고 할 수 있다..

 

  2-2. 구성 소자의 요구 스펙 감소

        Interleaved 제어 기법을 적용하기 위해서는 최소한 2상 이상의 Topology를 가져야만 한다. 이렇게 N상의 Topology의 경우 각 상에 인가되는 전류의 크기는 1/N으로 감소하기 때문에 각 상을 구성하는 소자들이 요구받는 전류 스펙 등이 감소하여 비교적 저렴한 부품을 선정할 수 있게 된다. 그러나 이와 반대되게 상이 증가할수록 구성 소자의 갯수 또한 비례적이게 증가하기 때문에 최적의 시스템을 설계하기 위해서는 가격과 수량 등을 고려해야만 한다.