DC-DC 컨버터 (Buck+PWM+PID)

이번 해석에서는 Ansys Twin Builder를 활용하여 Buck 기반 DC-DC 컨버터를 구성하고, PWM 및 PID 제어를 적용한 출력 전압 제어 특성을 확인하였다.

Buck 컨버터는 입력 전압보다 낮은 전압을 출력하는 대표적인 강압형 구조로, Duty ratio에 따라 출력 전압이 선형적으로 결정되는 특징을 가진다. 이러한 특성을 기반으로 본 해석에서는 목표 출력 전압을 25V로 설정하고, 제어기를 통해 이를 안정적으로 유지하는지를 확인하는 것을 주요 목적으로 하였다.

회로는 MOSFET과 다이오드로 구성된 스위칭부, 그리고 인덕터와 커패시터로 구성된 출력 필터로 이루어져 있으며, 여기에 PWM 신호를 생성하는 Sub-circuit과 PID 제어기를 결합하여 폐루프 제어 구조를 구현하였다. PID 제어기는 출력 전압과 기준 전압 간의 오차를 기반으로 PWM의 기준 신호를 생성하고, 이 신호가 스위칭 소자의 게이트에 인가되면서 Duty ratio가 실시간으로 조절된다.

동작을 살펴보면, 스위치가 ON 되는 구간에서는 입력 전압이 인덕터에 인가되며 에너지가 저장되고, OFF 구간에서는 다이오드를 통해 인덕터에 저장된 에너지가 부하로 전달된다. 이 과정에서 입력 측 전류는 단속적으로 흐르는 반면, 인덕터를 거친 출력 측 전류는 비교적 연속적인 형태를 유지하게 된다. 이러한 동작은 Buck 컨버터의 기본적인 전력 변환 메커니즘을 잘 보여준다.

해석 결과를 보면, 출력 전압은 초기 과도 구간 이후 목표값인 25V 근처로 안정적으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 이는 PID 제어기가 정상적으로 동작하여 Duty ratio를 자동으로 조절하고 있음을 의미한다. 또한 인덕터 전류는 삼각파 형태의 리플을 가지며 연속 전류 모드(CCM)를 유지하는데, 이는 에너지 저장과 방출이 반복되는 전형적인 Buck 컨버터의 특성을 반영한 결과이다. PWM 게이트 신호 역시 일정 주기를 가지며 Duty가 상황에 따라 변하는 형태를 보이며, 제어 시스템이 출력 조건에 따라 능동적으로 반응하고 있음을 확인할 수 있다.

이번 해석은 이상적인 소자를 기반으로 수행되었기 때문에 스위칭 손실이나 기생 성분은 고려되지 않았으며, 결과 또한 이상적인 특성을 보인다. 하지만 동일한 구조에 대해 실제 디바이스 모델이나 Maxwell 기반 인덕터 모델을 적용할 경우, 스위칭 손실, 포화 특성, 그리고 비선형 효과까지 포함된 보다 현실적인 결과를 도출할 수 있다.

결과적으로 본 사례를 통해 PWM과 PID 제어를 적용한 Buck 컨버터의 기본 동작과 출력 전압 제어 메커니즘을 확인할 수 있었으며, 향후에는 전자기 및 열 해석과 연계한 다중물리 기반 해석으로 확장 가능함을 확인하였다.