[논문 리뷰] Synchronous Multistep Predictive Spectral Control of the Switching Distortion in DC--DC Converters

Christian Korte, Till Luetje외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 30.

Advanced DC-DC Converters인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 넓은 밴드갭 반도체 기반 자동차 DC-DC 컨버터에서 발생하는 고주파 스위칭에 기인한 전자기간섭(EMI) 문제를 해결하기 위해 동기식 다단계 모델 예측 제어 방식을 제안한다. 이 방식은 출력 스펙트럼, 스위칭 주파수, 전압 리플을 동시에 최적화하여 실시간으로 스위칭 왜곡을 형상화한다. 기존의 PWM 방식 대비 가장 큰 스펙트럼 피크를 48 dB 감소시키며, 민감한 주파수 대역에서 EMI를 억제하기 위해 실시간 스펙트럼 간격 삽입이 가능하다.

ABSTRACT

In automotive power electronics, distortion and electromagnetic interference (EMI) generated by the switching action of power semiconductors can be a significant challenge for the design of a compact, lightweight vehicle. As semiconductor switching frequencies increase, e.g., through the introduction of new materials, such as gallium nitride and silicon carbide, this problem becomes more severe. We present a control scheme for an automotive dc-to-dc converter that reduces the EMI generated by shaping switching distortion predictively at the run time. The multistep model-predictive control scheme chooses the subsequent switching state that optimizes the output spectrum according to predefined criteria. To achieve real-time operation, it evaluates the possible switching state candidates for the next modulation step without explicitly solving a single Fourier transform. In addition, the switching rate and voltage ripple are controlled in a single unified control law. We present and experimentally validate that the control scheme can indeed run at real time already with currently available mid-range hardware. The results demonstrate that the largest spectral peak of the switching distortion can be decreased by 48 dB compared to conventional pulse-width modulation. Furthermore, spectral gaps can be implemented in the output distortion and altered in real-time, allowing certain frequency bands -- e.g., bands used by other sensitive electronics such as sensors, communication busses, or tuners -- to be kept free of EMI from the converter's switching actions.

연구 동기 및 목표

• 광역 밴드갭 반도체 기반 자동차 DC-DC 컨버터에서 발생하는 고주파 스위칭에 기인한 전자기간섭(EMI) 문제의 증가 추세를 다루기 위해.
• 부피가 큰 수동 필터나 차폐를 사용하지 않고도 도통 및 복사 EMI를 감소시키기 위해 스위칭 왜곡의 스펙트럼 내용을 소스에서 형상화하기 위해.
• 통합 제어 법칙을 사용하여 동시에 스위칭 주파수와 전압 리플을 조절하면서 출력 스펙트럼을 실시간으로 예측 제어하기 위해.
• 중급 수준의 FPGA 하드웨어에서 실시간 성능과 동적 스펙트럼 적응성을 확보한 제어 방식의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 제어 방식은 향후 조절 단계에서 가능한 모든 스위칭 상태 후보를 명시적인 푸리에 변환 계산 없이 평가하는 다단계 모델 예측 접근 방식을 사용한다.
• 스펙트럼 형상화를 위해 사용자 정의 스펙트럼 필터 G(ω)를 활용하고, 스위칭 주파수 최소화 및 전압 리플 제어를 위해 가중치 매개변수 λ₁, λ₂, λ₃를 사용하는 비용 함수를 적용한다.
• 스펙트럼 제어는 예측 수평선 M 동안 각 후보 스위칭 상태에 대한 예측 출력 웨이브폼의 이산 푸리에 변환(DFT)을 평가하여 구현된다.
• 실시간 구현을 위해 전체 DFT 계산을 피하기 위해 사전 계산된 DFT 기저 벡터와 재귀적 업데이트를 활용하여 빠른 스펙트럼 평가를 가능하게 한다.
• 컨트롤러는 전압 레귤레이터와 스펙트럼 컨트롤러를 두 개의 루프로 통합하며, 스펙트럼 컨트롤러는 비용 함수에 기반해 최적의 스위칭 상태를 선택한다.
• 실시간으로 G(ω)를 조정함으로써 동적 스펙트럼 간격 삽입을 지원하여 라디오나 센서가 사용하는 특정 주파수 대역에서 EMI를 억제할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 복잡도 증가 없이도 예측 스펙트럼 제어 방식이 DC-DC 컨버터의 스위칭 왜곡 피크 스펙트럼 밀도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 예측 프레임워크 내에서 스위칭 주파수와 출력 전압 리플을 스펙트럼 형상화와 함께 동시 제어할 수 있는가?
• RQ3 명시적인 푸리에 변환 계산 없이도 중급 디지털 하드웨어에서 실시간으로 작동할 수 있는가?
• RQ4 민감한 전자 시스템을 보호하기 위해 얼마나 효과적으로 동적 스펙트럼 간격을 실시간으로 구현하고 조정할 수 있는가?
• RQ5 기존의 PWM 및 스프레드 스펙트럼 기법과 비교해 얼마나 높은 EMI 감소 및 스펙트럼 형상화 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 제어 방식은 기존 펄스폭 변조(PWM) 대비 스위칭 왜곡의 가장 큰 스펙트럼 피크를 48 dB 감소시킨다.
• 이 방법은 주변 주파수 대역 대비 약 100배(40 dB)의 억제 깊이를 가지는 실시간 스펙트럼 간격 삽입을 가능하게 한다.
• 비용 함수 가중치 λ₂를 조정함으로써 평균 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있으며, 스위칭을 최소화할 경우 피크-피크 전압 리플은 1.8배 증가하고 분산은 2.7배 증가한다.
• 최대 K_max 단계마다 스위칭을 강제함으로써 전압 리플 분산을 2배 이상 감소시키며, 평균 스위칭 주파수는 5% 미만으로 증가시킨다.
• 제어 방식은 실시간으로 출력 스펙트럼을 적응시키며, 10 kHz에서 23 kHz로 스펙트럼 간격을 1.2 kHz/s 속도로 이동시키며 일관된 억제 깊이를 유지함을 입증했다.
• 명시적인 DFT 계산 없이도 효율적인 스펙트럼 평가 기법을 사용하여 중급 수준의 FPGA 하드웨어에서 실시간으로 작동한다.