KR100463158B1 - 승압형 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과전류 또는 단락사고 발생시 출력전압을 제로(0)로 하여 부하측을 물론 컨버터를 보호해주는 승압형 컨버터에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명의 승압형 컨버터는, 입력단에 입력되는 전압을 승압하여 승압된 일정전압을 출력단을 통해 출력하는 승압형 컨버터에 있어서, 상기 입력단으로부터의 입력전압을 승압시키기 위한 수단; 상기 입력단에서 전류를 소비하기 위한 제1트랜지스터; 상기 승압된 전압을 출력단으로 전달하기 위한 제2트랜지스터; 및 상기 제1트랜지스터를 통해 흐르는 입력전류와 상기 출력단의 출력전압 레벨에 응답하여, 상기 입력전류가 설정치 이하일 경우 상기 출력전압 레벨에 따라 상기 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터를 선택적으로 턴-온 또는 턴-오프 구동하며, 상기 입력전류가 설정치 이상으로 계속 증가하여 상기 출력전압과 상기 입력전압이 동일할 때 상기 제1트랜지스터와 상기 제2트랜지스터를 모두 턴-오프 구동하기 위한 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

승압형 컨버터{Converter for voltage step-up}

본 발명은 승압형 컨버터에 관한 것으로, 특히 과전류 또는 단락사고 발생시 출력전압을 제로(0)로 하여 부하측을 물론 컨버터를 보호해주는 승압형 컨버터에 관한 것이다.

직류-직류 컨버터는 직류초퍼(DC chopper)라고도 하며, 일정한 전압의 직류전원을 가변 직류전압원으로 변환할 필요가 있을 때, 직류 전원전압을 승압(step-up) 또는 강압(step-down)시키는 데 이용될 수 있다. 또한 초퍼는 직류전압 레귤레이터로서 이용되고 인덕터를 접속하여 직류전류원, 특히 전류형 인버터를 위한 직류전류원으로 사용된다.

도1에는 종래의 승압형 컨버터의 회로가 도시되어 있다.

도1을 참조하면, 입력단측에서 양극(+) 단자가 인덕터 L과 트랜지스터 Q1 및 전류감지소자인 저항 R1을 거쳐 음극(-) 단자에 연결되어 있다. 그리고 입력단측 인덕터 L의 출력노드와 출력단측 양극(+) 단자 사이에는 트랜지스터 Q1과 병렬로 다이오드 D가 접속되어 있다. 따라서, 트랜지스터 Q1이 턴온되면 인덕터 L과 트랜지스터 Q1을 통해 전류가 소비되어 다이오드 D는 턴오프되고 이에 의해 출력전압(Vout)은 감소하게 되며, 반면에 트랜지스터 Q1이 턴-오프되면 입력전압과 인덕터가 가지고 있던(트랜지스터 Q1이 턴온되었을 때 인덕터에는 전하가 차지됨) 전하가 더해져 다이오드가 턴온되고 출력전압(Vout)은 증가하게 된다.

이러한 승압 동작을 위하여 트랜지스터 Q1의 턴-온 및 턴-오프를 제어하는 신호가 펄스폭변조신호(PWMout)이고, 이 펄스폭변조신호(PWMout)의 생성은 제어부에서 이루어지는바, 이 제어부는 출력전압(Vout_FB)을 피드백받아 출력전압이 설정치(이 설정치는 제어부내에서 기준전압에 의해 결정됨) 이상이면 펄스폭변조신호(PWMout)의 펄스폭을 감소시키고, 반대로 설정치 이하이면 펄스폭변조신호(PWMout)의 펄스폭을 감소시키도록 한다. 이때 피드백되는 출력전압(Vout_FB)은 저항 R3 및 R4에 의해 전하분배되어 제어부에 입력된다.

아울러, 제어부는 입력단측에 흐르는 입력전류를 저항 R1을 통해 센싱하여 이 입력전류가 역시 설정치 이상이면 트랜지스터 Q1이 오프되도록 제어한다. 제어부에 입력되는 입력전류센싱신호(V_{i_sense})는 저항 R2 및 커패시터 C2에 의해 필터링되어 입력된다.

한편, 도1의 회로에서 커패시터 C1은 다이오드 D의 출력이 펄스형태이기 때문에 이를 직류전압으로 만들어주기 위한 필터 역할을 한다.

상술한 바와 같이 승압형 컨버터의 전류제한회로 즉 상기 제어부는 입력전류센싱신호(V_{i_sense})와 출력전압신호(Vout_FB)에 응답하여 펄스폭변조신호(PWMout)를 생서하므로써, 트랜지스터 Q1의 턴온 시간을 제한하는데, 이러한 경우 펄스폭변조신호(PWMout)의 턴온 시간이 과부하 또는 과전류로 인해 제로(zero)가 되어도 입력전압이 그대로 출력전압에 인가되기 때문에 효과적으로 과전류 발생이나 단락사고에 대처하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 과전류 또는 단락사고 발생시 출력전압을 0으로 하여 부하측을 물론 컨버터를 보호해주는 승압형 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래기술에 따른 승압형 컨버터의 회로도,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 승압형 컨버터의 회로도,

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 승압형 컨버터의 제어부의 구성도,

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 트랜지스터 제어신호 타이밍도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

S_{I_limit}: 전류제한신호

PWMout : 펄스폭변조신호

U1, U2, U3, U4 : 연산증폭기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 승압형 컨버터는, 입력단에 입력되는 전압을 승압하여 승압된 일정전압을 출력단을 통해 출력하는 승압형 컨버터에 있어서, 상기 입력단으로부터의 입력전압을 승압시키기 위한 수단; 상기 입력단에서 전류를 소비하기 위한 제1트랜지스터; 상기 승압된 전압을 출력단으로 전달하기 위한 제2트랜지스터; 및 상기 제1트랜지스터를 통해 흐르는 입력전류와 상기 출력단의 출력전압 레벨에 응답하여, 상기 입력전류가 설정치 이하일 경우 상기 출력전압 레벨에 따라 상기 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터를 선택적으로 턴-온 또는 턴-오프 구동하며, 상기 입력전류가 설정치 이상으로 계속 증가하여 상기 출력전압과 상기 입력전압이 동일할 때 상기 제1트랜지스터와 상기 제2트랜지스터를 모두 턴-오프 구동하기 위한 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 제어부는, 제1기준전압을 반전단자에 입력받고, 상기 입력전류에 대응되는 입력전류센싱신호를 비반전단자로 입력받는 제1연산증폭기; 상기 제1연산증폭기 출력을 궤환하는 제1궤환소자; 제2기준전압을 반전단자에 입력받고, 출력전압에 대응되는 출력전압신호를 비반전단자로 입력받는 제2연산증폭기; 상기 제2연산증폭기의 출력을 궤환시키는 제2궤환소자; 상기 제1 및 제2 연산증폭기의 출력에 각기 입력단이 접속되고 그 출력단이 공통으로 접속된 제1 및 제2 다이오드; 상기 제1 및 제2 다이오드의 공통출력단에 반전단자가 연결되고 삼각파를 비반전단자로 입력받아 펄스폭변조신호를 출력하는 제3연산증폭기; 상기 제1 및 제2 다이오드의 공통출력단에 반전단자가 연결되고 제3기준전압을 반전단자의 입력으로하여 전류제한신호를 출력하는 제2연산증폭기; 및 상기 펄스폭변조신호와 상기 전류제한신호를 노어연산하는 노어게이트를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 승압형 컨버터를 나타내는 회로의 구성도로서 종래(도1)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하였다.

도2를 참조하면, 입력단측에서 양극(+) 단자가 인덕터 L과 트랜지스터 Q1 및 전류감지소자인 저항 R1을 거쳐 음극(-) 단자에 연결되어 있다. 그리고 입력단측 인덕터 L의 출력노드와 출력단측 양극(+) 단자 사이에는 트랜지스터 Q1과 병렬로 트랜지스터 Q2가 접속되어 있다. 종래와 대비되어 다이오드가 트랜지스터 Q2로 대치되어 있음을 주목하여야 한다. 또한, 상기 트랜지스터 Q1을 통해 흐르는 입력전류와 출력단의 출력전압(Vout) 레벨을 감지하여, 상기 입력전류가 설정치 이하일 경우 상기 출력전압 레벨에 따라 상기 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터를 선택적으로 턴-온 또는 턴-오프 구동하며, 상기 입력전류가 설정치 이상으로 계속 증가하여 상기 출력전압과 상기 입력전압이 동일할 때 상기 트랜지스터 Q1과 상기 트랜지스터 Q2를 모두 턴-오프 구동하기 위한 제어부를 포함한다.

실질적으로 도2에서 노어게이트(NOR)는 제어부 블록에서 제외되어 있으나, 노어게이트 역시 제어부에 해당된다.

상기 트랜지스터 Q1 및 Q2를 제어하기 위한 제어부에 대한 회로가 도3에 도시되어 있다. 여기서는 노어게이트(NOR)를 제외한 부분만이 언급된다.

도3을 참조하면, 본 발명에 따른 제어부는 모두 4개의 연산증폭기(U1, U2, U3, U4)를 포함하는바, 제1연산증폭기 U1은 기준전압 Vref1을 반전단자에 입력받고, 입력전류감지신호(V_{i_sense})를 비반전단자로 입력받는다. 상기 제1연산증폭기 U1의 출력은 궤환소자 Zi에 의해 포지티브 피드백(positive feedback)된다. 또한 제2연산증폭기 U2는 기준전압 Vref2를 반전단자에 입력받고, 출력전압신호(Vout_FB)가 비반전단자로 입력되며, 이 제2연산증폭기 U2의 출력은 역시 궤환소자 Zv에 의해 피드백된다. 상기 제1 및 제2 연산증폭기 U1, U2의 출력은 각각 다이오드 D1, D2의 입력단에 접속되고 다이오드 D1 및 D2의 출력단은 공통으로 노드a에서 접속된다. 또한, 제3연산증폭기 U3은 상기 노드a에 의 반전단자가 연결되고 삼각파를 비반전단자로 입력받아 펄스폭변조신호(PWMout)를 출력한다. 그리고 제4연산증폭기 U4는 상기 노드a에 비반전단자가 연결되고 기준전압 Vref3을 반전단자의 입력으로 하여 전류제한신호(S_{I_limit})를 출력한다.

상기와 같이 구성된 제어부의 동작을 살펴본다.

먼저, 제1연산증폭기 U1은 상기 입력전류감지신호(V_{i_sense})를 검출하여 이를 증폭하며 입력전류감지신호(V_{i_sense})가 증가하면 자신의 출력값이 증가하는 비반전증폭기이다. 제2연산증폭기 U2는 출력전압신호(Vout_FB)를 검출하여 이를 증폭하며 출력전압신호(Vout_FB)가 증가하면 그 출력이 증가하는 비반전증폭기이다. 상기제1 및 제2 연산증폭기 U1, U2의 출력은 다이오드 D1, D2에 의해 서로 연결되어 있어 상기 제1연산증폭기 U1의 출력이 높으면 상기 다이오드 D1은 턴온되고, 다이오드 D2는 턴오프 된다. 반대로 상기 제2연산증폭기 U2의 출력이 높으면 상기 다이오드 D2는 턴온되고, 다이오드 D1은 턴오프 된다. 상기 제3연산증폭기 U3은 비교기로서 동작하여 상기 다이오드 D1 또는 다이오드 D2로부터의 출력신호를 입력받아 이를 삼각파와 비교하여 '하이' 또는 '로우'의 펄스폭변조신호(PWMout)를 발생한다. 즉 반전입력이 증가하면 출력 펄스의 폭이 감소하고, 반전 입력이 감소하면 펄스폭이 증가하게 된다. 또한 상기 제4 연산증폭기 U4도 비교기로서 동작하여 상기 기준전압 Vref3보다 상기 다이오드 D1 또는 다이오드 D2의 출력신호가 높으면 '하이'(high) 레벨을 가지며, 반대의 경우 '로우'(low) 레벨을 가지는 전류제한신호(S_{I_limit})를 출력한다.

다시 도2를 참조하면, 트랜지스터 Q1은 제어부로부터의 출력신호인 펄스폭변조신호(PWMout)에 제어받아 턴-온 및 턴-오프 구동되며, 트랜지스터 Q2는 제어부로부터의 펄스폭변조신호(PWMout)와 전류제한신호(S_{I_limit})를 노어연산하는 노어게이트((NOR)의 출력에 제어받아 턴-온 및 턴-오프 구동된다. 도4에 각 트랜지스터 Q1, Q2의 베이스단 노드인 S1 및 S2의 신호와 전류제한신호(S_{I_limit})의 타이밍을 도시하였다.

이와 같은 구성에 의해 입력전류가 설정치(연산증폭기의 반전단자로 입력되는 기준전압) 이하일 경우 제3 및 제4 연산증폭기 U3, U4의 입력은 제2 연산증폭기U2의 출력에 의해 결정되며, 따라서 상기 승압형 컨버터의 출력전압(Vout)이 감소하면, 제2 연산증폭기 U2의 출력이 감소하고 펄스폭변조신호(PWMout)의 턴온시간(하이 펄스 구간)이 증가하여 출력전압을 다시 상승시키게 되고, 반대로 출력전압이 증가하게 되면 연산증폭기 U2의 출력이 증가하고 따라서 펄스폭변조신호(PWMout)의 턴온시간이 감소하여 출력전압이 감소하게 되므로, 결국 컨버터가 일정 전압을 유지하게 된다.

반대로 입력전류가 설정치 이상이 되면 제3 및 제4 연산증폭기 U3, U4의 입력신호가 제1연산증폭기 U1의 출력에 의해 결정되며 입력전류가 증가할수록 펄스폭변조신호(PWMout)의 턴온시간이 감소하게 되어 출력전압이 계속 감소하게 되며 펄스폭변조신호(PWMout)의 턴온 시간이 제로(zero)가 되면 출력전압은 입력전압의 크기와 같아진다. 이 시점에서 제4연산증폭기 U4의 비반전입력단의 신호가 기준전압 Vref3보다 커지게 되어 연산증폭기 U4의 출력인 전류제한신호(S_{I_limit})가 '하이' 상태가 된다.

결국, 도2의 구성을 갖는 본 발명의 승압형 컨버터는 입력전류가 설정치 이하일 경우 트랜지스터 Q2에는 Q1과 반대의 신호가 입력되어 서로 교번으로 스위칭을 반복하게 되며, 입력전류가 설정치 이상이 되면 전류제한신호(S_{I_limit})에 의해 트랜지스터 Q1, Q2가 모두 턴오프 되어 부하 측으로의 에너지전달이 차단된다, 따라서, 과전류나 단락사고 발생시 컨버터와 부하측을 보호할 수 있게 된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 승압형 컨버터는 과전류나 단락 사고 발생시 부하쪽으로의 전압전달을 차단하여 컨버터와 부하측을 보호할 수 있고, 아울러 종래에 사용하였던 다이오드(도1의 D)를 사용하지 않기 때문에 다이오드에 의해 발생되는 손실분을 저감하므로써, 승압형 컨버터를 채용한 시스템의 고 신뢰성 및 고 효율화를 구현할 수 있다.

Claims (2)

1. 입력단에 입력되는 전압을 승압하여 승압된 일정전압을 출력단을 통해 출력하는 승압형 컨버터에 있어서,

   상기 입력단으로부터의 입력전압을 승압시키기 위한 수단;

   상기 입력단에서 전류를 소비하기 위한 제1트랜지스터;

   상기 승압된 전압을 출력단으로 전달하기 위한 제2트랜지스터; 및

   상기 제1트랜지스터를 통해 흐르는 입력전류와 상기 출력단의 출력전압 레벨에 응답하여, 상기 입력전류가 설정치 이하일 경우 상기 출력전압 레벨에 따라 상기 제1트랜지스터 및 제2트랜지스터를 선택적으로 턴-온 또는 턴-오프 구동하며, 상기 입력전류가 설정치 이상으로 계속 증가하여 상기 출력전압과 상기 입력전압이 동일할 때 상기 제1트랜지스터와 상기 제2트랜지스터를 모두 턴-오프 구동하기 위한 제어부

   를 포함하여 이루어진 승압형 컨버터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는,

   제1기준전압을 반전단자에 입력받고, 상기 입력전류에 대응되는 입력전류센싱신호를 비반전단자로 입력받는 제1연산증폭기;

   상기 제1연산증폭기 출력을 궤환하는 제1궤환소자;

   제2기준전압을 반전단자에 입력받고, 출력전압에 대응되는 출력전압신호를 비반전단자로 입력받는 제2연산증폭기;

   상기 제2연산증폭기의 출력을 궤환시키는 제2궤환소자;

   상기 제1 및 제2 연산증폭기의 출력에 각기 입력단이 접속되고 그 출력단이 공통으로 접속된 제1 및 제2 다이오드;

   상기 제1 및 제2 다이오드의 공통출력단에 반전단자가 연결되고 삼각파를 비반전단자로 입력받아 펄스폭변조신호를 출력하는 제3연산증폭기;

   상기 제1 및 제2 다이오드의 공통출력단에 반전단자가 연결되고 제3기준전압을 반전단자의 입력으로 하여 전류제한신호를 출력하는 제2연산증폭기; 및

   상기 펄스폭변조신호와 상기 전류제한신호를 노어연산하는 노어게이트

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 승압형 컨버터.