PWM 제어회로 및 Buck/Boost 컨버터 설계 실습

문서 내 토픽

1. PWM 제어회로

UC3845 소자를 사용하여 12.5kHz 스위칭 주파수의 PWM 제어회로를 설계 및 구현했다. 오실로스코프를 통해 6번 핀에서 사각파(Max 16.3V, Min -0.1V), 4번 핀에서 톱니파(Max 2.15V, Min 0.6V)를 확인했다. 측정된 주파수는 12.392kHz로 설계 목표값에 근접했으며, 약 0.1kHz의 오차가 발생했다. 출력전압이 예상값 0~10V보다 높은 0~16V로 측정되었으나 UC3845 datasheet에서 최대값 규정이 없어 정상 작동으로 판단했다.
2. Buck Converter

PWM 제어신호를 이용하여 Buck 컨버터를 구성하고 가변저항(1~10kΩ) 변경에 따른 Duty Cycle과 출력전압을 측정했다. 저항값 증가에 따라 Duty Cycle(32.32%~53.3%)과 출력전압(2.2~4.0V)이 증가하는 경향을 확인했다. 이론값 대비 측정값의 오차율은 약 8~60%로 나타났으며, 이는 PWM 회로의 높은 출력과 소자의 특성 차이로 인한 것으로 분석했다.
3. Boost Converter

Boost 컨버터 회로를 구성하여 입력전압(5V) 대비 높은 출력전압을 얻는 실험을 수행했다. 가변저항 변경(1~10kΩ)에 따라 Duty Cycle(31~48.67%)과 출력전압(7.23~9.75V)이 증가했다. 이론값 대비 오차율은 약 40~70%로 나타났으나, Boost 컨버터의 기본 목적인 입력전압보다 높은 출력전압 생성 특성은 명확히 확인했다.
4. 회로 설계 및 오차 분석

세 가지 실험에서 발생한 오차의 주요 원인으로 소자의 내부 불량, 회로 구성 소자들의 특성 차이, 측정 장비의 오류 등을 분석했다. 다른 테이블의 부품으로 재실험했을 때도 유사한 결과가 나타났으며, 이는 단순 소자 불량보다는 복합적인 요인의 영향으로 결론지었다. 향후 실험에서는 소자 검증, 새로운 브레드보드 사용 등으로 개선 가능성을 제시했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. PWM 제어회로

PWM 제어회로는 현대 전력전자 시스템의 핵심 기술로서 매우 중요합니다. 디지털 신호를 이용하여 아날로그 전압을 효과적으로 제어할 수 있으며, 에너지 효율이 우수하고 구현이 상대적으로 간단합니다. 특히 마이크로컨트롤러의 발전으로 정밀한 PWM 신호 생성이 가능해졌고, 이는 DC-DC 컨버터, 모터 제어, LED 밝기 조절 등 다양한 응용분야에서 활용됩니다. 다만 고주파 스위칭으로 인한 EMI 문제와 열 발생을 고려한 설계가 필수적입니다.
2. Buck Converter

Buck Converter는 높은 입력 전압을 낮은 출력 전압으로 변환하는 효율적인 DC-DC 컨버터입니다. 간단한 구조로 높은 효율을 달성할 수 있어 배터리 충전, 전원 공급 장치, 임베디드 시스템 등에서 광범위하게 사용됩니다. PWM 제어를 통해 출력 전압을 정밀하게 조절할 수 있으며, 입력 전류의 연속성으로 인해 입력 필터 설계가 상대적으로 용이합니다. 다만 출력 전압 리플과 동적 응답 특성을 고려한 보상 회로 설계가 중요합니다.
3. Boost Converter

Boost Converter는 낮은 입력 전압을 높은 출력 전압으로 승압하는 중요한 DC-DC 컨버터입니다. 태양광 발전, 배터리 관리 시스템, 백라이트 구동 등 다양한 응용에서 필수적입니다. Buck Converter와 달리 출력 전류가 연속적이어서 출력 필터 설계가 간단하고, 높은 승압비를 달성할 수 있습니다. 그러나 입력 전류의 불연속성으로 인한 입력 필터 설계의 복잡성과 에너지 저장 소자의 크기 증가가 단점입니다.
4. 회로 설계 및 오차 분석

회로 설계 및 오차 분석은 신뢰성 있는 전자 시스템 구현의 필수 요소입니다. 이상적인 회로 모델과 실제 부품의 특성 차이를 정량적으로 분석하여 설계 마진을 확보해야 합니다. 공차, 온도 변화, 부품 노화 등 다양한 오차 요인을 고려한 최악의 경우 분석이 중요하며, 몬테카를로 시뮬레이션 등의 통계적 방법도 유용합니다. 특히 전력전자 회로에서는 손실 분석, 열 관리, 안정성 검증이 설계 단계에서 철저히 이루어져야 합니다.

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