KR100729840B1 - 절연형 벅-부스트 컨버터 - Google Patents

절연형 벅-부스트 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터는 변압기를 중심으로 입력 회로망과 출력 회로망이 전기적으로 절연된 절연형 DC-DC 컨버터로서, 상기 입력 회로망은 직류전원, 상기 직류전원에 직렬로 연결된 변압기 1차 권선, 및 상기 변압기 1차 권선에 직렬로 연결되며 온(on) 오프(off) 스위칭이 가능한 스위치를 포함하여 이루어지며, 상기 출력 회로망은 상기 변압기 1차 권선에 대응하는 변압기 2차 권선, 상기 변압기 2차 권선에 병렬로 연결된 인덕터, 상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이 절점에 음극이 연결된 다이오드, 상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이의 다른 절점과 상기 다이오드 양극에 각각 연결된 커패시터, 및 상기 커패시터에 병렬로 연결된 부하를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
DC-DC 컨버터, 강승압형, 벅-부스트, 플라이백

Description

절연형 벅-부스트 컨버터{Isolated Buck-Boost Converter}
제1도는 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 실시예를 도시하는 회로도이다.
제2도는 스위치 온 및 오프시 회로 각 부분에 걸리는 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이다.
제3(a)도는 제1도에 도시된 절연형 벅-부스트 컨버터의 스위치가 온(ON)일 경우에 작동하는 회로를 도시하는 회로도이다.
제3(b)도는 제1도에 도시된 절연형 벅-부스트 컨버터의 스위치가 오프(OFF)일 경우에 작동하는 회로를 도시하는 회로도이다.
제4도는 2개의 출력회로망이 병렬로 연결되도록 구성한 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 또 다른 실시예를 도시한 회로도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *
S : 직류전원 L : 인덕터
C : 커패시터 D : 다이오드 R0 : 부하 T1 : 변압기 1차 권선
T2 : 변압기 2차 권선 Vin : 직류전원 전압
N1 : 변압기 1차 권선 턴수 N2 : 변압기 2차 권선 턴수
N3 : 변압기 3차 권선 턴수 Vc : 커패시터 전압
VL : 인덕터 전압 Vo : 출력 전압
Vo1 : 제1 출력 전압 Vo2 : 제2 출력 전압
Io : 출력 전류 IL : 인덕터 전류
IM : 변압기 자화 전류
발명의 분야
본 발명은 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 새로운 형태의 절연형 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다.
발명의 배경
전자계산기, 전자 교환기 등 오늘날의 거의 모든 전자 ·통신 기기들은 전자 회로부에 안정적인 직류 전력을 공급할 수 있는 전원부로서 스위치 모드 파워 써플라이 (Swiched-Mode Power Suply: SMPS)가 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 SMPS의 특성을 규정짓는 중요한 부분이 DC-DC컨버터이며, 컨버터의 종류에 따라 SMPS의 종류가 결정된다.
현재 이러한 DC-DC컨버터 중에서 주류를 이루고 있는 방식이 PWM(Pulse Width Modulation)컨버터이고, 이는 입출력이 전기적인 절연되어 있지 않은 비절연형 DC-DC 컨버터와 변압기를 중심으로 변압기의 1차측과 2차측이 서로 전기적으로 절연된 형태인 절연형 DC-DC 컨버터로 구분된다.
비절연형 DC-DC 컨버터에는 기본적으로 출력전압이 입력전압보다 작은 강압형 컨버터(Buck Converter), 출력전압이 입력전압보다 항상 큰 승압형 컨버터(Boost Converter), 강압과 승압이 모두 가능한 강승압형 컨버터(Buck Boost Converter)가 있으며, 절연형 DC-DC 컨버터에는 스위치가 온(ON)일 경우 에너지를 전달하는 포워드(Forward) 방식과 스위치가 오프(OFF)일 경우 에너지를 전달하는(Flyback) 방식 등이 있다.
그러나 SMPS의 실제 응용에 있어서 많은 경우에 입력과 출력 사이에 전기적인 절연이 요구되므로 비절연형 DC-DC 컨버터 보다는 절연형 DC-DC 컨버터가 효용성이 높으므로 가능한 DC-DC 컨버터를 절연형으로 구현하는 것이 바람직하다. 그러나 절연형 DC-DC 컨버터의 경우 상기와 같은 방식으로는 스위치가 온일 경우 또는 오프일 경우에만 변압기의 1차측 에너지가 변압기 2차측 출력으로 전달되므로 변압기의 이용율이 제한될 수밖에 없다.
이에 본 발명자들은 변압기 이용율과 출력을 크게 증가시킬 수 있는 새로운 형태의 절연형 벅-부스트 컨버터를 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 절연형 벅-부스트 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 변압기의 이용율을 증가시킬 수 있는 절연형 벅-부스트 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자화인덕턴스에 축적된 에너지를 컨버터의 출력으로 이용함으로써 출력을 크게 증가시킬 수 있는 절연형 벅-부스트 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
발명의 요약
본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터는 변압기를 중심으로 입력 회로망과 출력 회로망이 전기적으로 절연된 절연형 DC-DC 컨버터로서, 상기 입력 회로망은 직류전원, 상기 직류전원에 직렬로 연결된 변압기 1차 권선, 및 상기 변압기 1차 권선에 직렬로 연결되며 온(on) 오프(off) 스위칭이 가능한 스위치를 포함하여 이루어지며, 상기 출력 회로망은 상기 변압기 1차 권선에 대응하는 변압기 2차 권 선, 상기 변압기 2차 권선에 병렬로 연결된 인덕터, 상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이 절점에 음극이 연결된 다이오드, 상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이의 다른 절점과 상기 다이오드 양극에 연결된 커패시터, 및 상기 커패시터에 병렬로 연결된 부하를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 다른 절연형 벅부스트 컨버터는 1개의 코어(core)를 이용한 n권선 변압기를 사용하여 하나의 입력 회로망에 대응하는 (n-1)개의 출력 회로망을 구성하고, 상기 출력 회로망을 부하에 대해 병렬로 연결하여 출력을 증가시킬 수 있으며, 각각의 출력 회로망에 포함되어 있는 변압기 권선의 턴수를 달리하여 각각 다른 출력을 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 상세히 설명한다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
도 1은 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 실시예를 도시하는 회로도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터는 1개의 센터 탭(center tap) 변압기를 중심으로 입력 회로망과 출력 회로망이 전기적으로 절연된 절연형 DC-DC 컨버터이며, 상기 입력 회로망은 직류전원(S), 변압기 1차 권선(T1) 및 스위치(Q)가 하나의 회로망을 구성하고 있으며, 상기 스위치는 온(ON) 오프(OFF) 스위칭이 가능한 스위치로서 파워 MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)과 이에 병렬로 연결된 바디 다이오드 즉 프리휠링(free wheeling) 다이오드로 구성될 수 있으며, 스위치 종류에 따라 바디 다이오드가 필요하지 않을 수 있다.
또한 상기 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 출력 회로망은 상기 변압기 1차 권선에 대응하는 변압기 2차 권선(T2), 상기 변압기 2차 권선에 병렬로 연결된 인덕터(L), 상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이 절점에 음극이 연결된 다이오드(D), 상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이의 다른 절점과 상기 다이오드 양극에 연결된 커패시터(C), 및 상기 커패시터에 병렬로 연결된 부하(R0)를 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터에서 스위치가 온(t0-t1), 오프(t1-t2)됨에 따라 컨버터의 스위치(Q)의 게이트 구동 전압(Vgate), 스위치 전압(VDS), 스위치 전류(IS1), 변압기 2차 권선에 흐르는 전류(IS2), 다이오드를 통해 흐르는 전류(ID), 인덕터 전류(IL)의 변화는 도2에 도시된 바와 같다.
상기와 같은 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 스위치(Q)가 턴온(turn on)되는 경우와 턴 오프(turn off)되는 경우 어떻게 구동되는지 여부를 살펴보면, 스위치(Q)가 턴온될 경우(t0-t1), 입력 전압(Vin)이 변압기 1차측에 공급되고 그 입력 에너지는 인덕터(L)에 저장되고 이 때 다이오드(D)는 역 바이어스 되므로 턴오프된다. 따라서 이 때 본 발명에 따른 벅-부스트 컨버터회로는 도 3(a)에 도시된 바와 같이 구동된다.
이 때 직류전원(S)의 전압을 Vin, 스위치 턴온 저항(Ron), 변압기 자화 인덕턴스를 LM, 자화 전류를 IM, 인덕터의 인덕턴스를 L, 인덕터 전류를 IL, 출력 전압을 Vo, 변압기 1차 권선과 2차 권선의 턴수비를 N(=N2/N1)라고 하면 다음과 같은 회로방정식이 성립한다:
Figure 112006001008414-pat00001
식(1)
여기서
Figure 112006001008414-pat00002
,
Figure 112006001008414-pat00003
,
Figure 112006001008414-pat00004
이다.
또한 스위치(Q)가 턴오프(turn off)되는 경우(t1-t2), 다이오드(D)는 순방향 바이어스되어 턴온되므로 이 때 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 회로는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 구동된다. 이러한 회로에서 인덕터(L)에 저장된 에너지는 부하로 방출되고 자화인덕터(LM)에 축척된 에너지도 변압기 2차 권선을 통해서도 방출되며, 인덕터 전류(IL)와 변압기 2차 권선에 흐르는 전류(IS2)는 다이오드 전류로 더해지며 다음과 같은 식이 성립한다:
Figure 112006001008414-pat00005
식(2)
여기서
Figure 112006001008414-pat00006
Figure 112006001008414-pat00007
,
Figure 112006001008414-pat00008
정상상태에서, 시비율 D(스위치가 온(ON)되어 있는 시간/스위칭 주기)를 이용하여 DC 해석을 구하면 그 결과는 다음과 같다:
Figure 112006001008414-pat00009
식(3)
여기서
Figure 112006001008414-pat00010
Figure 112006001008414-pat00011
만약
Figure 112006001008414-pat00012
라면,
Figure 112006001008414-pat00013
식(4)
Figure 112006001008414-pat00014
식(5)
상기 식 (4)와 식 (5)로부터
Figure 112006001008414-pat00015
식(6)
Figure 112006001008414-pat00016
식(7)
이며, 따라서 출력전류
Figure 112006001008414-pat00017
(여기서
Figure 112006001008414-pat00018
)이고, 출력전압
Figure 112006001008414-pat00019
이다.
상기와 같은 결과로부터 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터에서의 입력과 출력의 변환율이 종래의 벅-부스트 컨버터의 변환율과 유사한 형태를 가지나 변압기에 의한 부가 요소 N(=N2/N1)을 더 가지고 있음을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 출력 전류(Io)는 인덕턴스 전류(IL)와 변압기 자화 전류(IM)로 구성되는데, 만약 N1=N2라면, 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 출력이 증가됨을 알 수 있으며, 벅-부스트 모드 전류와 플라이백 모드 전류가 하나의 컨버터 출력 전류로 더해짐을 알 수 있다.
도 4에는 출력 회로망이 병렬로 연결되도록 구성한 본 발명에 따른 절연형 벅-부스트 컨버터의 다른 실시예의 회로도가 도시되어 있다.
이와 같이 병렬로 연결할 경우 변압기 각 권선의 턴수비(N2, N3)를 다르게 함으로써 출력 전압(Vo2, Vo3)을 각각 독립적으로 운전하는 것이 가능하다. 이는 오늘날과 같이 각각 다른 출력 에너지를 요구하는 다수의 장비들이 구비되어 있는 하나의 통신장치에서 각각의 장비에 적합한 출력 에너지를 제공할 수 있는 탁월한 효과를 가질 수 있다.
비록 도 4에는 출력회로망 2개를 병렬로 연결한 회로망을 예시하였으나 3개 이상의 출력회로망을 연결하여 구성할 수 있음을 당업자는 용이하게 이해할 것이다.
본 발명은 변압기의 이용율과 컨버터의 출력을 증가시킬 수 있으며, 각각의 출력에 각각 다른 출력 에너지를 제공할 수 있는 새로운 형태의 절연형 벅-부스트 컨버터를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (3)

  1. 변압기를 중심으로 입력 회로망과 출력 회로망이 전기적으로 절연되어 있으며,
    상기 입력 회로망은,
    직류전원;
    상기 직류전원에 직렬로 연결된 변압기 1차 권선; 및
    상기 변압기 1차 권선에 직렬로 연결되며 온(on) 오프(off) 스위칭이 가능한 스위치;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 출력 회로망은,
    상기 변압기 1차 권선에 대응하는 변압기 2차 권선;
    상기 변압기 2차 권선에 병렬로 연결된 인덕터;
    상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이 절점에 음극이 연결된 다이오드;
    상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이의 다른 절점과 상기 다이오드 양극에 각각 연결된 커패시터; 및
    상기 커패시터에 병렬로 연결된 부하;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절연형 벅-부스트 컨버터.
  2. 변압기를 중심으로 입력 회로망과 출력 회로망이 전기적으로 절연되어 있으며,
    상기 변압기는 1개의 코어(core)를 이용한 n권선 변압기이며,
    상기 입력 회로망은,
    직류전원;
    상기 직류전원에 직렬로 연결된 변압기 1차 권선; 및
    상기 변압기 1차 권선에 직렬로 연결되며 온(on) 오프(off) 스위칭이 가능한 스위치;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 출력 회로망은 (n-1)개의 출력 회로망으로 이루어지며, 각각의 출력 회로망은
    상기 변압기 1차 권선에 대응하는 변압기 2차 권선;
    상기 변압기 2차 권선 각각에 병렬로 연결된 인덕터;
    상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이 절점에 각각 음극이 연결된 다이오드;
    상기 변압기 2차 권선과 인덕터 사이의 다른 절점과 상기 다이오드 양극에 각각 연결된 커패시터; 및
    상기 커패시터에 병렬로 연결된 부하;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절연형 벅-부스트 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (n-1)개의 출력회로망이 각각 다른 크기의 출력을 갖도록 각 (n-1)개의 출력회로망의 변압기 2차 권선의 턴수를 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 절연형 벅-부스트 컨버터.
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