KR100999228B1 - Boost converter with high voltage gain - Google Patents

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신기원
정용채
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

PURPOSE: A boost converter is provided to prevent the degradation of energy conversion efficiency by minimizing loss during a switching process. CONSTITUTION: A resonant inductor(Lr) is connected between the input terminal of a DC power source and a first node. A first resonant capacitor(Cr1) is connected between the first node and a second node. A complementary diode(D1) is connected to the first resonant capacitor in parallel. A switching element(S) is connected between the second node and a low electric potential. The switching element is switched on and off by an external control signal. An anti-parallel diode(BD1) is connected to the switching element in parallel. A second resonant capacitor(Cr2) is connected between the second node and the low electric potential. A switching diode(D2) outputs a current which flows through the resonant inductor and the complementary diode.

Description

고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터{BOOST CONVERTER WITH HIGH VOLTAGE GAIN}Boost converter with high voltage gain {BOOST CONVERTER WITH HIGH VOLTAGE GAIN}

본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 컨버터가 고전압 이득을 가지면서 소프트 스위칭이 가능하도록 한 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly, to a boost converter having a high voltage gain that enables soft switching while the converter has a high voltage gain.

일반적으로 DC/DC 컨버터는 DC전원을 DC전원으로 만드는 장치이지만, 낮은 입력전압을 높은 출력전압으로 변환하는 것이 가능하다. DC/DC 컨버터는 DC전원을 스위칭시켜 펄스신호로 만들고, 이 펄스신호를 필요에 따라 코일과 커패시터, 트랜스포머 등을 이용하여 승압 또는 강압시킨 다음 다시 정류시켜 DC전원으로 만든다.Generally, DC / DC converter is a device to make DC power into DC power, but it is possible to convert low input voltage to high output voltage. The DC / DC converter turns a DC power supply into a pulse signal, which is boosted or stepped down by using a coil, a capacitor, a transformer, and the like, and rectified again to a DC power supply.

상기 DC/DC 컨버터는, 작은 입력전압을 큰 출력전압으로 변환하는 부스트(Boost) 컨버터와, 큰 입력전압을 작은 출력전압으로 변환하는 벅(Buck) 컨버터, 및 스위칭 제어에 따라 입력전압을 작은 출력전압 또는 큰 출력전압으로 가변하는 것이 가능한 벅/부스트 컨버터로 나눌 수 있다.The DC / DC converter includes a boost converter for converting a small input voltage to a large output voltage, a buck converter for converting a large input voltage to a small output voltage, and a small output voltage according to switching control. They can be divided into buck / boost converters that can vary with voltage or large output voltages.

상기와 같은 DC/DC 컨버터는 역률제어용 컨버터, 태양전지와 연료전지 및 배터리용 컨버터 등 다양한 응용에 적용되고 있다. The DC / DC converter as described above is applied to various applications such as a power factor converter, a solar cell, a fuel cell, and a battery converter.

최근, 청정 에너지원인 태양광을 이용한 발전시스템의 개발이 활발히 진행되고 있는 데, 태양광 발전시스템은 크게 두 가지 형태로 개발되고 있다. 그 하나는 태양전지에서 발생하는 직류전원을 인버터를 통해 상용전원선(계통)에 실시간으로 공급하는 계통연계형 태양광 발전시스템이고, 또 하나는 야간에도 사용할 수 있도록 태양전지에서 발생하는 직류전력을 전력저장모듈(축전지)에 저장하였다가 직류 혹은 교류 형태로 개별 부하에 공급하는 독립형 태양광 발전시스템이다. Recently, development of a power generation system using solar, which is a clean energy source, is being actively progressed, and a photovoltaic power generation system has been largely developed in two forms. One is a grid-connected photovoltaic power generation system that supplies DC power generated from solar cells to a commercial power line (grid) in real time through an inverter, and the other is the DC power generated from solar cells for use at night. It is a stand-alone solar power system that stores power in a power storage module (storage battery) and supplies it to individual loads in the form of direct current or alternating current.

이와 같은 태양광 발전시스템에도 축전지의 전압을 필요에 따라 승압하는 DC/DC 컨버터가 적용된다.In such a photovoltaic power generation system, a DC / DC converter for boosting the voltage of a storage battery as necessary is applied.

본 발명은 컨버터의 모든 스위칭소자가 소프트 스위칭을 하도록 구현하여 스위칭 손실을 최소화함과 아울러 고전압 이득을 갖도록 하여 에너지 전달 효율을 극대화시킬 수 있는 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a boost converter having a high voltage gain to implement a soft switching of all switching elements of the converter to minimize the switching loss and to have a high voltage gain to maximize the energy transfer efficiency.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned above may be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부스트 컨버터는, DC전원의 입력단과 제1 노드 사이에 연결되는 공진 인덕터; 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되고 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 공진커패시터; 상기 제1 공진커패시터에 병렬로 연결되는 보조 다이오드; 상기 제2 노드와 저전위 사이에 전류통로가 연결되어 외부 제어신호에 따라 스위칭되는 스위칭소자; 상기 스위칭소자에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드; 상기 제2 노드와 저전위 사이에 연결되고 스위칭소자와 병렬로 연결되는 제2 공진커패시터; 및 상기 제2 노드와 출력단 사이에 연결되어 공진 인덕터와 보조 다이오드를 통해 흐르는 전류를 출력하는 스위칭 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The boost converter of the present invention for achieving the above object, the resonant inductor connected between the input terminal of the DC power supply and the first node; A first resonant capacitor connected between the first node and a second node and connected in series with a resonant inductor; An auxiliary diode connected in parallel to the first resonant capacitor; A switching device having a current path connected between the second node and a low potential and switched according to an external control signal; An antiparallel diode connected in parallel to the switching element and installed in a reverse direction; A second resonant capacitor connected between the second node and a low potential and connected in parallel with a switching element; And a switching diode connected between the second node and the output terminal and outputting a current flowing through the resonant inductor and the auxiliary diode.

구체적으로, 상기 제2 공진커패시터는 스위칭소자의 오프 구간에서 출력전압 레벨로 충전되고, 상기 제1 공진커패시터는 공진 인덕터의 전류가 영일 때 최대 전압으로 충전되며, 상기 공진 인덕터는 제2 공진커패시터에 충전된 전압이 방전될 때 전류 흐름이 반대방향으로 변하도록 구성된 것을 특징으로 한다.Specifically, the second resonant capacitor is charged to the output voltage level in the off period of the switching element, the first resonant capacitor is charged to the maximum voltage when the current of the resonant inductor is zero, the resonant inductor is charged to the second resonant capacitor Characterized in that the current flow changes in the opposite direction when the charged voltage is discharged.

또한, 상기 스위칭소자는, 상기 공진 인덕터를 통해 흐르는 전류가 영이 되는 구간에서 턴온되고, 상기 공진 인덕터를 통해 흐르는 전류가 최대가 되는 구간에서 턴오프되도록 구성된 것을 특징으로 한다.The switching device may be configured to be turned on in a section in which the current flowing through the resonant inductor becomes zero, and to be turned off in a section in which the current flowing through the resonant inductor becomes maximum.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 컨버터의 모든 스위칭소자가 소프트 스위칭을 하도록 구현하여 스위칭 손실을 최소화함과 아울러 고전압 이득을 갖도록 설계함에 따라 에너지 전달 효율을 극대화시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 간단한 회로 구성으로 부스트 컨버터가 고전압 이득을 갖도록 설계함에 따라 생산 효율과 비용 측면에서 유리한 이점이 있다.As described above, the present invention has the advantage of maximizing energy transfer efficiency by designing a high voltage gain while minimizing switching loss by implementing soft switching of all switching elements of the converter. In addition, the simple circuit configuration allows the boost converter to have a high voltage gain, which is advantageous in terms of production efficiency and cost.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. Like elements in the figures are denoted by the same reference numerals wherever possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

도 1은 본 발명과 관련된 하드 스위칭을 하는 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이고, 도 2는 도 1의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 이상적인 경우의 파형도이다. 1 is a circuit diagram illustrating a boost converter for hard switching according to the present invention, and FIG. 2 is a waveform diagram of an ideal case shown in operation of the boost converter of FIG. 1.

부스트 컨버터(10)는, 입력 DC전원(Vin)과, 상기 DC전원(Vin)을 스위칭하여 펄스신호로 변환하는 스위칭셀(11)과, 상기 스위칭셀(11)을 통해 인가되는 에너지를 충전하여 DC전원을 출력하는 출력 커패시터(Co)를 포함하여 이루어져 있다.The boost converter 10 may charge an input DC power supply Vin, a switching cell 11 that switches the DC power supply Vin and converts it into a pulse signal, and charges energy applied through the switching cell 11. It includes an output capacitor (Co) for outputting a DC power supply.

상기 스위칭셀(11)은 인덕터(L)와 스위칭소자(S) 및 다이오드(D)로 이루어져 있으며, 상기 스위칭소자(S)와 다이오드(D)는 반도체 소자로 구성된다.The switching cell 11 includes an inductor L, a switching element S, and a diode D, and the switching element S and the diode D are formed of a semiconductor element.

상기 스위칭소자(S)가 온되는 구간에서는, 인덕터(L)를 통해 흐르는 DC전 류(iL)가 선형적으로 증가하게 됨과 아울러 스위칭소자(S)를 통해 흐르는 전류(iS)도 선형적으로 증가하게 된다. 상기 스위칭소자(S)가 오프되는 구간에서는, 인덕터(L)를 통해 흐르는 DC전류(iL)가 선형적으로 감소하게 됨과 아울러 다이오드(D)를 통해 흐르는 전류(iD)도 선형적으로 감소하게 된다.In the section in which the switching element S is turned on, the DC current i L flowing through the inductor L increases linearly, and the current i S flowing through the switching element S also linearly. To increase. In the period in which the switching element S is turned off, the DC current i L flowing through the inductor L decreases linearly and the current i D flowing through the diode D also decreases linearly. Done.

이와 같이 구성된 부스트 컨버터의 경우에는 하드 스위칭을 하므로 스위칭셀의 스위칭시에 스위칭 손실이 발생한다. In the case of the boost converter configured as described above, since the hard switching is performed, switching loss occurs when the switching cell is switched.

즉, 도 2에서 보듯이, 스위칭소자(S)가 온,오프되는 과도 구간에서 스위칭소자의 양단 전압이 영전압이 아닌 상태에서도 스위칭소자(S)를 통해 흐르는 전류가 여전히 존재하므로 스위칭 손실이 발생하게 된다.That is, as shown in Figure 2, in the transient period when the switching device (S) on, off, even though the voltage across the switching device is not zero voltage, the current flowing through the switching device (S) still exists, so switching loss occurs Done.

또한, 다이오드(D)의 턴오프시 순간적으로 다이오드(D)의 역방향으로 역회복 전류가 흐르게 되는데, 이 전류는 스위칭소자(S)가 턴온될 때 스위칭소자(S)로 흐르는 전류(iS)에 추가되어 스위칭소자(S)를 통해 흐르는 전류(iS)는 일시 증가하게 된다. 이러한 현상 때문에 스위칭 손실이 증가하고 기생진동에 따른 EMI(Electromagnetic Interference)와 같은 고주파 노이즈가 증가하게 된다.Further, the diode (D) turns there is momentarily reverse the reverse recovery current of the diode (D) flow when turned off, this current switching device current (i S) flowing through the switching element (S) when the (S) is to be turned on In addition to this, the current i S flowing through the switching element S temporarily increases. This phenomenon results in increased switching losses and high frequency noise such as electromagnetic interference (EMI) due to parasitic vibrations.

상기 스위칭 손실로 인해 에너지 변환 효율이 떨어질 수밖에 없고, 스위칭 주파수와 입력전압이 높을수록 스위칭 손실은 더 커지게 된다.Due to the switching loss, the energy conversion efficiency is inevitably decreased, and the higher the switching frequency and the input voltage, the larger the switching loss.

물론, 스위칭 주파수가 높을수록, 출력전압의 리플(ripple)이 줄어들 뿐만 아니라 인덕터나 커패시터의 사이즈를 줄일 수 있어 좋으나, 스위칭 과도 구간에서 전류와 전압의 겹침으로 인한 스위칭 손실로 인해 에너지 변환 효율이 떨어지므로 이에 대한 해결이 시급하다.Of course, the higher the switching frequency, the less the ripple of the output voltage and the smaller the size of the inductor or capacitor, but the lower the energy conversion efficiency due to the switching loss due to the overlap of current and voltage in the switching transient period. It is urgent to solve this problem.

또한, 일반적인 부스트 컨버터의 경우 전압이득의 최대값이 5dB정도인 데, 태양전지나 연료전지 등에서는 입력전압이 작기 때문에 이를 큰 전압으로 승압하기 위해서는 상당히 복잡한 회로를 사용하여야 한다. 이로 인해 간단한 회로 구성으로 큰 전압이득을 얻을 수 있는 컨버터에 대한 개발도 시급하다.In addition, in the case of a general boost converter, the maximum value of the voltage gain is about 5 dB. In a solar cell or a fuel cell, the input voltage is small, and thus a complicated circuit must be used to boost the voltage to a large voltage. For this reason, it is urgent to develop a converter that can obtain a large voltage gain with a simple circuit configuration.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이고, 도 4는 도 3의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 파형도이다. 3 is a circuit diagram illustrating a boost converter according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a waveform diagram illustrating an operation of the boost converter of FIG. 3.

부스트 컨버터(100)는, DC전원(Vin)과, 상기 DC전원의 입력 고전위와 제1 노드(Nd1) 사이에 직렬로 연결되는 공진 인덕터(Lr)와, 상기 제1 노드(Nd1)와 고전위인 제2 노드(Nd2) 사이에 연결되며 공진 인덕터(Lr)와 직렬로 연결되는 제1 공진커패시터(Cr1)와, 상기 제1 공진커패시터(Cr1)에 병렬로 연결되는 보조 다이오드(D1)와, 상기 제2 노드(Nd2)와 저전위 사이에 전류통로가 연결되어 외부 제어신호에 따라 스위칭되는 스위칭소자(S)와, 상기 스위칭소자(S)에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드(BD1)와, 상기 제2 노드(Nd2)와 저전위 사이에 연결되고 스위칭소자(S)와 병렬로 연결되는 제2 공진커패시터(Cr2)와, 상기 제2 노드(Nd2)와 출력단인 제3 노드(Nd3) 사이에 연결되는 스위칭 다이오드(D2), 및 상기 출력단인 제3 노드(Nd3)와 저전위 사이에 연결되어 스위칭 다이오드(D2)를 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 승압하여 출력하는 출력 커패시터(Co)를 포함하여 이루어져 있다.The boost converter 100 includes a DC power supply Vin, a resonant inductor Lr connected in series between the input high potential of the DC power supply and the first node Nd1, and a high potential with the first node Nd1. A first resonant capacitor Cr1 connected between the second node Nd2 and connected in series with the resonant inductor Lr, and an auxiliary diode D1 connected in parallel with the first resonant capacitor Cr1; A switching element S connected with a current path between the second node Nd2 and the low potential and switched according to an external control signal, and an antiparallel diode BD1 connected in parallel with the switching element S and installed in the reverse direction. ), A second resonant capacitor Cr2 connected between the second node Nd2 and the low potential and connected in parallel with the switching element S, and a third node that is an output terminal with the second node Nd2. A switching diode D2 connected between Nd3, and a switch connected between the output node third node Nd3 and a low potential To charge the energy that is output via the diode (D2) is made, including the output capacitor (Co) for boosting to output a constant DC power source.

상기에서 제2 공진커패시터(Cr2)는 스위칭소자(S)의 오프 구간에서 출력전압 레벨로 충전되도록 구성되어 있고, 상기 제1 공진커패시터(Cr1)는 공진 인덕터(Lr)의 전류가 영일 때 최대 전압으로 충전되도록 구성되어 있고, 상기 공진 인덕터(Lr)는 제2 공진커패시터(Cr2)에 충전된 전압이 방전될 때 전류 흐름이 반대방향으로 변하도록 구성되어 있다.The second resonant capacitor Cr2 is configured to be charged to the output voltage level in the off period of the switching element S, and the first resonant capacitor Cr1 is the maximum voltage when the current of the resonant inductor Lr is zero. And the resonant inductor Lr is configured to change the current flow in the opposite direction when the voltage charged in the second resonant capacitor Cr2 is discharged.

상기 스위칭소자(S)는, 상기 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류가 영이 되는 구간에서 턴온되고, 상기 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류가 최대가 되는 구간에서 턴오프되도록 구성되어 있다.The switching element S is configured to be turned on in a section where the current flowing through the resonant inductor Lr becomes zero, and to be turned off in a section in which the current flowing through the resonant inductor Lr becomes maximum.

즉, 본 발명에 의한 부스트 컨버터(100)는 기존의 부스트 컨버터에 제1 공진커패시터(Cr1)와 보조 다이오드(D1) 및 제2 공진커패시터(Cr2)를 추가하여 스위칭소자(S)와 스위칭 다이오드(D2)가 모든 온,오프 구간에서 소프트 스위칭을 할 수 있도록 영전압 스위칭(ZVS) 또는 영전류 스위칭(ZCS) 조건을 형성하게 된다.That is, the boost converter 100 according to the present invention adds the first resonant capacitor Cr1, the auxiliary diode D1, and the second resonant capacitor Cr2 to the existing boost converter, thereby switching the switching element S and the switching diode ( D2) forms a zero voltage switching (ZVS) or zero current switching (ZCS) condition to enable soft switching in all on and off periods.

그럼, 도 3에 대한 회로 동작을 도 5a 내지 도 5f와 같이 6개의 모드로 나누어 살펴본다. 도 5a 내지 도 5f는 스위칭소자(S)가 온, 오프되는 1주기 동안의 동작 상태를 6개의 모드로 나눈 것이며, 도 4의 동작 파형도를 이용하여 살펴본다. 여기서, 각 모드별 전류 흐름을 굵은 선으로 표현하였고, 각 인덕터의 전류 방향을 화살표로 표시하였다.Then, the circuit operation of FIG. 3 is divided into six modes as shown in FIGS. 5A to 5F. 5A to 5F are divided into six modes of an operation state during one cycle in which the switching device S is turned on and off, and will be described using the operation waveform diagram of FIG. 4. Here, the current flow for each mode is represented by a thick line, and the current direction of each inductor is indicated by an arrow.

■ 모드1(t0~t1 구간)■ Mode 1 (t 0 ~ t 1 section)

도 5a는 도 4의 t0~t1 구간의 동작을 나타낸 것으로, 모드1은 스위칭소자(S)가 영전압 조건에서 턴오프되면서 시작된다.FIG. 5A illustrates the operation of the interval t 0 to t 1 of FIG. 4. Mode 1 starts when the switching device S is turned off under the zero voltage condition.

모드1에서는 스위칭소자(S)가 턴오프되면 DC전원이 공진 인덕터(Lr)와 보조 다이오드(D1) 및 제2 공진커패시터(Cr2)를 통해 전류가 흐르며, 공진 인덕터(Lr)와 제2 공진커패시터(Cr2)가 공진을 하게 된다.In mode 1, when the switching element S is turned off, a DC power source flows through the resonant inductor Lr, the auxiliary diode D1, and the second resonant capacitor Cr2, and the resonant inductor Lr and the second resonant capacitor. (Cr2) becomes a resonance.

상기 제2 공진커패시터(Cr2)는 공진을 통해 영전압에서 출력전압(Vo)까지 상승되어 충전되고, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 공진에 의해서 다소 감소한다.The second resonant capacitor Cr2 is charged from the zero voltage to the output voltage Vo through the resonance, and the current i Lr of the resonant inductor Lr decreases somewhat due to the resonance.

여기에서, 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 출력전압(Vo)까지 상승되면 다음 모드2로 넘어간다.Here, when the voltage V Cr2 of the second resonant capacitor Cr2 rises to the output voltage Vo, the process proceeds to the next mode 2.

■ 모드2(t1~t2 구간)■ Mode 2 (t 1 ~ t 2 section)

도 5b는 도 4의 t1~t2 구간의 동작을 나타낸 것으로, 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 출력전압까지 상승되면 스위칭 다이오드(D2)가 영전압 조건에서 턴온되면서 모드2의 동작이 시작된다. FIG. 5B illustrates the operation of the section t 1 to t 2 of FIG. 4. When the voltage V Cr2 of the second resonant capacitor Cr2 rises to the output voltage, the switching diode D2 is turned on under a zero voltage condition. Operation of 2 starts.

이 구간에서는 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)는 보조 다이오드(D1)와 스위칭 다이오드(D2)를 통해 출력 커패시터(Co)로 흐르게 되고, 상기 공진 인덕터(Lr)에는 역전압(Vin―Vo＜0)이 걸려 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류는 선형적으로 영까지 감소하게 된다.In this section, the current i Lr flowing through the resonant inductor Lr flows through the auxiliary diode D1 and the switching diode D2 to the output capacitor Co, and a reverse voltage Vin is applied to the resonant inductor Lr. The current flowing through the resonant inductor Lr through -V <0 is linearly reduced to zero.

즉, 스위칭 다이오드(D2)는 스위칭소자(S)가 턴오프된 상태에서 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 출력전압(Vo)까지 상승되었을 때 턴온된다. 여기서, 스위칭 다이오드(D2)는 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)가 영이 되면 다시 턴오프된다.That is, the switching diode D2 is turned on when the voltage V Cr2 of the second resonant capacitor Cr2 rises to the output voltage Vo while the switching device S is turned off. Here, the switching diode D2 is turned off again when the current i Lr flowing through the resonant inductor Lr becomes zero.

상기에서 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류가 영이 되면 다음 모드3으로 넘어간다.When the current flowing through the resonant inductor Lr becomes zero, the process proceeds to the next mode 3.

■ 모드3(t2~t3 구간)■ Mode 3 (t 2 ~ t 3 section)

도 5c는 도 4의 t2~t3 구간의 동작을 나타낸 것으로, 상기 모드2에서 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)가 영이 되면 모드3이 시작되는 데, 모드3에서는 제2 공진커패시터(Cr2)와 공진 인덕터(Lr)가 반대로 공진하여 모드1과는 반대 방향으로 전류가 흐르게 된다. 즉, 제2 공진커패시터(Cr2)에 충전된 전압(VCr2)에 의해 전류는 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)를 통해 DC전원 측으로 흐르게 된다. 여기에서 제2 공진커패시터(Cr2)는 제1 공진커패시터(Cr1)보다 커패시턴스(capacitance)가 상당이 작은 것을 사용하기 때문에 제2 공진커패시터(Cr2)와 공진 인덕터(Lr)가 공진하는 것으로 간주할 수 있다. FIG. 5C illustrates the operation of the section t 2 to t 3 of FIG. 4. When the current i Lr flowing through the resonant inductor Lr becomes zero in mode 2, mode 3 starts. The resonant capacitor Cr2 and the resonant inductor Lr resonate in opposite directions so that a current flows in a direction opposite to that of the mode 1. That is, the current flows to the DC power source through the first resonant capacitor Cr1 and the resonant inductor Lr by the voltage V Cr2 charged in the second resonant capacitor Cr2. Here, since the second resonant capacitor Cr2 uses a smaller capacitance than the first resonant capacitor Cr1, the second resonant capacitor Cr2 and the resonant inductor Lr may be regarded as resonating. have.

상기 제2 공진커패시터(Cr2)와 공진 인덕터(Lr)의 공진에 의해 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 출력전압 레벨에서 영으로 감소하고, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 공진에 의해 상승한다. 아울러, 제1 공진커패시터(Cr1)는 제2 공진커패시터(Cr2)보다 용량(capacitance)이 상당히 크기 때문에 전압(VCr1)이 조금 상승하게 된다.Due to the resonance of the second resonant capacitor Cr2 and the resonant inductor Lr, the voltage V Cr2 of the second resonant capacitor Cr2 decreases to zero at the output voltage level, and the current i of the resonant inductor Lr is decreased. Lr ) rises by resonance. In addition, since the capacitance of the first resonant capacitor Cr1 is considerably larger than that of the second resonant capacitor Cr2, the voltage V Cr1 slightly increases.

상기에서 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 영이 되면 다음 모드4로 넘 어간다.When the voltage V Cr2 of the second resonant capacitor Cr2 becomes zero, the process proceeds to the next mode 4.

■ 모드4(t3~t4 구간)■ Mode 4 (t 3 ~ t 4 section)

도 5d는 도 4의 t3~t4 구간의 동작을 나타낸 것으로, 제2 공진커패시터(Cr2)와 공진 인덕터(Lr)의 공진에 의해 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 영이 되면 모드4가 시작되는 데, 모드4에서는 스위칭소자(S)의 역병렬 다이오드(BD1)가 영전압 조건에서 턴온된다.FIG. 5D illustrates the operation of the section t 3 to t 4 of FIG. 4, wherein the voltage V Cr2 of the second resonant capacitor Cr2 is zero due to the resonance of the second resonant capacitor Cr2 and the resonant inductor Lr. When the mode 4 is started, the anti-parallel diode BD1 of the switching device S is turned on under the zero voltage condition.

이에 따라 역병렬 다이오드(BD1)와 제1 공진커패시터(Cr1), 공진 인덕터(Lr) 및 DC전원을 통해 전류통로가 형성되고, 상기 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)가 공진을 하게 된다. 상기 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)의 공진에 의해 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 다시 영으로 감소되고 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압(VCr1)은 최대값으로 상승하게 된다.Accordingly, a current path is formed through the anti-parallel diode BD1, the first resonant capacitor Cr1, the resonant inductor Lr, and the DC power supply, and the first resonant capacitor Cr1 and the resonant inductor Lr resonate. Done. Due to the resonance of the first resonant capacitor Cr1 and the resonant inductor Lr, the current i Lr of the resonant inductor Lr is reduced to zero again, and the voltage V Cr1 of the first resonant capacitor Cr1 is maximum. It will rise to a value.

상기에서 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)가 영이 되면 모드4는 종료되는 데, 이때 역병렬 다이오드(BD1)가 도통되어 있기 때문에 스위칭소자(S)를 거의 영전압 조건에서 턴온시킬 수 있게 된다. 여기에서, 상기 스위칭소자(S)의 양단 전압을 체크하면 영전압 여부를 확인할 수 있으며, 상기 영전압시에 스위칭소자(S)의 게이트로 스위칭 제어신호가 인가된다.Mode 4 is terminated when the current i Lr of the resonant inductor Lr becomes zero. At this time, since the anti-parallel diode BD1 is turned on, the switching element S can be turned on at almost zero voltage. do. Here, by checking the voltage across the switching device (S) it is possible to determine whether the zero voltage, the switching control signal is applied to the gate of the switching device (S) at the zero voltage.

즉, 역병렬 다이오드(BD1)가 온된 구간에 스위칭소자(S)를 턴온시키면 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.That is, the switching loss can be minimized by turning on the switching device S in the section where the anti-parallel diode BD1 is turned on.

■ 모드5(t4~t5 구간)■ Mode 5 (t 4 ~ t 5 section)

도 5e는 도 4의 t4~t5 구간의 동작을 나타낸 것으로, 모드4에서는 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)가 영이 될 때 스위칭소자(S)가 턴온되면 모드5가 시작된다.FIG. 5E illustrates the operation of the period t 4 to t 5 of FIG. 4. In mode 4, mode 5 starts when the switching element S is turned on when the current i Lr of the resonant inductor Lr becomes zero.

이 구간에서는 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)의 공진 방향이 모드4와는 반대 방향으로 바뀌어 계속해서 공진하게 된다. 이에 따라 제1 공진커패시터(Cr1)와 스위칭소자(S), DC전원 및 공진 인덕터(Lr)를 통해 전류통로가 형성된다.In this section, the resonant directions of the first resonant capacitor Cr1 and the resonant inductor Lr are changed in the opposite directions to the mode 4, and the resonator continues to resonate. Accordingly, a current path is formed through the first resonant capacitor Cr1, the switching element S, the DC power supply, and the resonant inductor Lr.

상기 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)의 공진에 따라 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압(VCr1)은 영으로 감소되고, 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 증가하게 된다. According to the resonance of the first resonant capacitor Cr1 and the resonant inductor Lr, the voltage V Cr1 of the first resonant capacitor Cr1 decreases to zero, and the current i Lr of the resonant inductor Lr increases. Done.

상기에서 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압(VCr1)이 영이 되면 보조 다이오드(D1)가 영전압 조건에서 도통되고, 보조 다이오드(D1)가 도통되면 다음 모드6으로 넘어간다.When the voltage V Cr1 of the first resonant capacitor Cr1 becomes zero, the auxiliary diode D1 conducts under the zero voltage condition, and when the auxiliary diode D1 conducts, the process proceeds to the next mode 6.

■ 모드6(t5~t6 구간)■ Mode 6 (t 5 to t 6 section)

도 5f는 도 4의 t5~t6 구간의 동작을 나타낸 것으로, 모드5에서 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압(VCr1)이 영이 되면 보조 다이오드(D1)가 도통되어 모드6이 시작된다.5F illustrates the operation of the period t 5 to t 6 of FIG. 4. When the voltage V Cr1 of the first resonant capacitor Cr1 becomes zero in mode 5, the auxiliary diode D1 is turned on to start mode 6. .

이 구간에서는 공진 인덕터(Lr)와 보조 다이오드(D1), 스위칭소자(S) 및 DC 전원을 통해 전류통로가 형성되고, 입력전압(Vin)은 공진 인덕터(Lr)에 거의 모두 걸리게 되므로 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)는 증가하게 된다.In this section, a current path is formed through the resonant inductor Lr, the auxiliary diode D1, the switching element S, and the DC power supply, and the input voltage Vin is almost entirely applied to the resonant inductor Lr. The current i Lr flowing through Lr is increased.

여기서 스위칭소자(S)는 미리 설정된 PWM(Pulse Width Modulation) 알고리즘에 의한 스위칭 온 시간이 지나면 영전압 조건에서 다시 턴오프되어 이 구간이 종료된다.Here, the switching device S is turned off again under the zero voltage condition after the switching on time by a preset pulse width modulation (PWM) algorithm, and the section ends.

모드6이 종료되면 스위칭 한 주기가 끝나고, 다시 모드1부터 수행된다.When mode 6 ends, the switching cycle ends and mode 1 starts again.

이러한 동작들을 통해서 제안된 회로의 모든 스위칭소자들(S, D1, D2)은 모든 조건에서 영전압 스위칭을 하기 때문에 높은 효율의 시스템을 구성할 수 있다. Through these operations, all the switching elements (S, D1, D2) of the proposed circuit perform zero voltage switching under all conditions, thus making a high efficiency system.

또한, 많은 에너지를 공진 인덕터(Lr)에 저장했다가 출력으로 넘겨줄 수 있기 때문에 기존의 부스트 컨버터보다 전압 이득을 높게 가져갈 수 있어서 입력전압이 작은 응용에 적합한 회로임을 알 수 있다. 물론 적은 전압이득의 시스템에도 고효율의 시스템을 구성할 수 있다.In addition, since a large amount of energy can be stored in the resonant inductor (Lr) and passed to the output, the voltage gain can be higher than that of the conventional boost converter. Of course, a highly efficient system can be constructed even with a low voltage gain system.

이와 같은 부스트 컨버터(100)는 태양전지와 연료전지 및 배터리 등 다양한 DC전원을 승압하는 DC-DC 컨버터에 적용될 수가 있다.The boost converter 100 may be applied to a DC-DC converter that boosts various DC power sources such as solar cells, fuel cells, and batteries.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains to the detailed description of the present invention and other forms of embodiments within the essential technical scope of the present invention. Could be. Here, the essential technical scope of the present invention is shown in the claims, and all differences within the equivalent range will be construed as being included in the present invention.

도 1은 본 발명과 관련된 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a boost converter according to the present invention.

도 2는 도 1의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 파형도이다.2 is a waveform diagram illustrating an operation of the boost converter of FIG. 1.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating a boost converter according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 도 3의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 파형도이다. 4 is a waveform diagram illustrating an operation of the boost converter of FIG. 3.

도 5a 내지 도 5f는 도 3의 컨버터의 각 동작모드에 따라 전류 흐름을 위주로 도시한 회로도이다.5A through 5F are circuit diagrams mainly showing current flow according to respective operation modes of the converter of FIG. 3.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

100: 부스트 컨버터 L1: 공진 인덕터100: boost converter L1: resonant inductor

Cr1: 제1 공진커패시터 D1: 보조 다이오드Cr1: first resonant capacitor D1: auxiliary diode

S: 스위칭소자 BD1: 역병렬 다이오드S: switching element BD1: anti-parallel diode

Cr2: 제2 공진커패시터 D2: 스위칭 다이오드Cr2: second resonant capacitor D2: switching diode

Co: 출력 커패시터Co: output capacitor

Claims (8)

DC전원의 입력단과 제1 노드 사이에 연결되는 공진 인덕터;A resonant inductor connected between the input terminal of the DC power supply and the first node; 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되고 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 공진커패시터;A first resonant capacitor connected between the first node and a second node and connected in series with a resonant inductor; 상기 제1 공진커패시터에 병렬로 연결되는 보조 다이오드;An auxiliary diode connected in parallel to the first resonant capacitor; 상기 제2 노드와 저전위 사이에 전류통로가 연결되어 외부 제어신호에 따라 스위칭되는 스위칭소자;A switching device having a current path connected between the second node and a low potential and switched according to an external control signal; 상기 스위칭소자에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드;An antiparallel diode connected in parallel to the switching element and installed in a reverse direction; 상기 제2 노드와 저전위 사이에 연결되고 스위칭소자와 병렬로 연결되는 제2 공진커패시터; 및 A second resonant capacitor connected between the second node and a low potential and connected in parallel with a switching element; And 상기 제2 노드와 출력단 사이에 연결되어 공진 인덕터와 보조 다이오드를 통해 흐르는 전류를 출력하는 스위칭 다이오드;를 포함하는 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.And a switching diode connected between the second node and the output terminal and outputting a current flowing through the resonant inductor and the auxiliary diode. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스위칭 다이오드를 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 출력하는 출력 커패시터를 포함하는 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.Boost converter having a high voltage gain including an output capacitor for outputting a constant DC power by charging the energy output through the switching diode. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제2 공진커패시터는 스위칭소자의 오프 구간에서 출력전압 레벨로 충전되는 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.The second resonant capacitor has a high voltage gain that is charged to the output voltage level in the off period of the switching element. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 공진커패시터는 공진 인덕터의 전류가 영일 때 최대 전압으로 충전되는 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.The first resonant capacitor has a high voltage gain that is charged to the maximum voltage when the current of the resonant inductor is zero. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 공진 인덕터는 상기 제1 공진커패시터의 전압이 방전될 때와 제2 공진커패시터의 전압이 방전될 때 전류 흐름이 서로 반대 방향인 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.The resonant inductor has a high voltage gain in which the current flows in opposite directions when the voltage of the first resonant capacitor is discharged and when the voltage of the second resonant capacitor is discharged. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 스위칭소자는, 상기 공진 인덕터를 통해 흐르는 전류가 영이 되는 구간에서 턴온되고, 상기 공진 인덕터를 통해 흐르는 전류가 최대가 되는 구간에서 턴 오프되는 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.The switching device has a high voltage gain is turned on in the period when the current flowing through the resonant inductor is zero, and turned off in the period when the current flowing through the resonant inductor is maximum. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 공진커패시터의 커패시턴스는 제2 공진커패시터보다 큰 것인 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.And a capacitance of the first resonant capacitor is greater than that of the second resonant capacitor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 DC전원은 태양전지, 연료전지 및 배터리 중 어느 하나인 고전압 이득을 갖는 부스트 컨버터.The DC power supply is a boost converter having a high voltage gain of any one of a solar cell, a fuel cell and a battery.
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