KR101018188B1 - 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컨버터의 모든 스위칭소자가 영전압 또는 영전류 조건에서 스위칭되도록 한 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터에 관한 것으로, DC전원과, 상기 DC전원을 스위칭하여 입력된 에너지를 출력단으로 전달하는 스위칭셀과, 상기 DC전원에 병렬로 연결되어 상기 메인스위치의 스위칭 과도 구간에서 영전압 스위칭이 가능하도록 공진하는 공진부, 및 상기 스위칭셀을 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 출력하는 출력 커패시터를 포함한다.
부스트 컨버터, 소프트 스위칭, 영전압, 공진, 저손실

Description

소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터{BOOST CONVERTER WITH SOFT SWITCHING}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 컨버터의 모든 스위칭소자가 영전압 또는 영전류 조건에서 스위칭되도록 한 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터에 관한 것이다.
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.
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.
상기와 같은 DC/DC 컨버터는 역률제어용 컨버터와 태양전지, 연료전지 및 배 터리용 컨버터 등 다양한 응용에 적용되고 있다.
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.
이와 같은 태양광 발전시스템에도 축전지의 전압을 필요에 따라 승압하는 DC/DC 컨버터가 적용된다.
본 발명은 컨버터의 모든 스위칭소자가 소프트 스위칭을 하도록 구현하여 스위칭 손실을 최소화함과 아울러 메인스위치의 턴온 구간에서도 에너지의 손실을 최소화할 수 있는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
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.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부스트 컨버터는, DC전원; 상기 DC전원을 스위칭하여 입력된 에너지를 출력단으로 전달하는 스위칭셀; 상기 DC전원에 병렬로 연결되어 상기 스위칭셀 내의 메인스위치의 스위칭 과도 구간에서 영전압 스위칭이 가능하도록 공진하는 공진부; 및 상기 스위칭셀을 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 출력하는 출력 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 상기 공진부는 상기 메인스위치의 턴온 구간 또는 턴오프 구간에서 동작되어 메인스위치가 영전압 스위칭이 가능하도록 공진한다.
상기 스위칭셀은 상기 DC전원의 고전위와 제1 노드 사이에 직렬 연결되는 주인덕터; 상기 제1 노드와 저전위 사이에 전류통로가 연결되는 메인스위치; 상기 메인스위치에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드; 및 상기 제1 노드와 출력 고전위 사이에 연결되는 스위칭 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공진부는, 상기 제1 노드와 저전위 사이에 연결된 제1 공진커패시터; 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 공진 인덕터; 상기 제2 노드와 저전위 사이에 연결되는 제1 보조스위치; 상기 제1 보조스위치에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드; 상기 제1 노드에 연결된 제2 공진커패시터; 상기 제2 공진커패시터의 일측과 제2 노드 사이에 직렬로 연결된 제2 보조스위치; 및 상기 제2 보조스위치에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 컨버터의 모든 스위칭소자가 영전압 또는 영전류 조건에서 스위칭되도록 함으로써, 스위칭 손실을 최소화하여 에너지 변환 효율을 극대화시킬 수 있다. 또한, 메인스위치가 턴온된 구간에서 공진 인덕터의 전류를 영으로 함에 따라 에너지의 손실을 최소화할 수 있고, EMI 노이즈도 대폭적으로 줄일 수 있는 이점이 있다.
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.
도 1은 본 발명과 관련된 하드 스위칭을 하는 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이고, 도 2는 도 1의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 이상적인 경우의 파형도이다.
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.
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.
상기 스위칭소자(S)가 온되는 구간에서는, 인덕터(L)를 통해 흐르는 DC전류(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.
이와 같이 구성된 부스트 컨버터의 경우에는 하드(hard) 스위칭을 하므로 스위칭셀의 스위칭시에 스위칭 손실이 발생한다.
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.
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.
상기 스위칭 손실로 인해 에너지 변환 효율이 떨어질 수밖에 없고, 스위칭 주파수와 입력전압이 높을수록 스위칭 손실은 더 커지게 된다.
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.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이고, 도 4는 도 3의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 파형도이다.
부스트 컨버터(100)는, DC전원(Vin)과, 상기 DC전원(Vin)을 스위칭하여 입력된 에너지를 출력단으로 전달하는 주 인덕터(L)와 메인스위치(MS) 및 스위칭 다이오드(D)를 구비한 스위칭셀(110)과, 상기 DC전원(Vin)에 병렬로 연결되어 상기 메인스위치(MS)의 스위칭 과도 구간(턴온 및 턴오프 구간)에서 영전압 스위칭이 가능하도록 공진하는 공진부(150), 및 상기 스위칭셀(110)을 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 출력하는 출력 커패시터(Co)를 포함하여 이루어져 있다.
구체적으로, 상기 스위칭셀(110)은, DC전원의 입력 고전위와 제1 노드(Nd1) 사이에 직렬로 연결되는 주 인덕터(L)와, 상기 제1 노드(Nd1)와 저전위 사이에 전류통로가 연결되는 메인스위치(MS)와, 상기 메인스위치(MS)에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드(BD1), 및 상기 제1 노드(Nd1)와 출력 고전위 사이에 연결되는 스위칭 다이오드(D)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 공진부(150)는 상기 DC전원(Vin)에 병렬로 연결되어 상기 메인스위치(MS)의 턴온시 또는 턴오프 구간에서 영전압 스위칭이 가능하도록 공진하게 되는 데, 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr), 제1 보조스위치(S1), 제2 공진커패시터(Cr2) 및 제2 보조스위치(S2)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 공진부(150)는, 상기 제1 노드(Nd1)와 저전위 사이에 연결된 제1 공진커패시터(Cr1)와, 상기 제1 노드(Nd1)와 제2 노드(Nd2) 사이에 연결된 공진 인덕터(Lr)와, 상기 제2 노드(Nd2)와 저전위 사이에 연결되는 제1 보조스위치(S1)와, 상기 제1 보조스위치(S1)에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드(BD2)와, 상기 제1 노드(Nd1)에 연결된 제2 공진커패시터(Cr2)와, 상기 제2 공진커패시터(Cr2)의 일측과 제2 노드(Nd2) 사이에 직렬로 연결된 제2 보조스위치(S2), 및 상기 제2 보조스위치(S2)에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드(BD3)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr) 및 제2 공진커패시터(Cr2)는 각각 병렬로 연결되어 있고, 공진 인덕터(Lr)와 제1 보조스위치(S1)는 직렬로 연결되어 있으며, 제2 공진커패시터(Cr2)와 제2 보조스위치(S2)도 직렬로 연결되어 있다.
상기에서 메인스위치(MS)와 제1 보조스위치(S1) 및 제2 보조스위치(S2)는 바이폴라 트랜지스터(BJT) 또는 전계효과 트랜지스터(FET)로 구성될 수 있다.
그리고, 출력 커패시터(Co)는 출력 고전위와 저전위 사이에 연결되어 스위칭셀(110)을 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 승압하여 출력하게 된다.
상기 제1 보조스위치(S1)의 경우에는 메인스위치(MS)의 턴온 구간에서 온되고, 상기 제2 보조스위치(S2)는 메인스위치(MS)의 턴오프 구간에서 온되도록 구성되어 있다.
상기 제1 공진커패시터(Cr1)는 메인스위치(MS)의 오프 구간에서 출력전압으로 충전되고, 상기 제2 공진커패시터(Cr2)는 메인스위치(MS)의 온 구간에서 최대전압으로 충전되도록 구성되어 있다.
상기 공진 인덕터(Lr)는 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압이 방전될 때와 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압이 방전될 때 전류 흐름이 서로 반대 방향이며, 상기 공진 인덕터(Lr)는 제1 보조스위치(S1) 및 제2 보조스위치(S2)가 모두 오프된 구간에서는 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 의한 부스트 컨버터(100)는 기존의 부스트 컨버터에 공진부(150)를 추가하여 스위칭셀(110)의 메인스위치(MS)와 스위칭 다이오드(D)가 모든 온,오프 구간에서 소프트 스위칭을 할 수 있도록 영전압 또는 영전류 스위칭(ZVS, ZCS) 조건을 형성하게 된다.
그럼, 도 3에 대한 회로 동작을 도 5a 내지 도 5j와 같이 10개의 모드로 나누어 살펴본다. 도 5a 내지 도 5j는 메인스위치(MS)가 온, 오프되는 1주기 동안의 동작 상태를 10개의 모드로 나눈 것이며, 도 4의 동작 파형도를 이용하여 살펴본다. 여기서, 각 모드별 전류 흐름을 굵은 선으로 표현하였고, 주 인덕터(L)와 공진 인덕터(Lr)의 전류 방향을 화살표로 표시하였다.
■ 모드1(t0~t1 구간)
도 5a는 도 4의 t0~t1 구간의 동작을 나타낸 것으로, 모드1은 메인스위치(MS)와 제1 보조스위치(S1) 및 제2 보조스위치(S2)가 모두 오프되어 있는 상황으 로 주 인덕터(L)의 전류가 스위칭 다이오드(D)를 통해서 부하(Ro) 쪽으로 흐르는 구간이다. 하지만, 출력 커패시터(Co)에 충전된 전압(Vo)이 입력전압(Vin)보다 높아 주 인덕터(L)에 역전압이 걸리게 되므로 주 인덕터(L)를 흐르는 전류(iL)가 선형적으로 감소하게 된다.
여기서, 공진부(150)의 제1 공진커패시터(Cr1)에는 출력전압(Vo)이 인가되어 있고, 제2 공진커패시터(Cr2)에는 영전압이 인가되어 있는 상태로, 공진부(150)의 제1 보조스위치(S1)가 턴온되면 다음 모드2로 넘어간다.
■ 모드2(t1~t2 구간)
도 5b는 도 4의 t1~t2 구간의 동작을 나타낸 것으로, 모드2에서와 같이 제1 보조스위치(S1)가 영전류 스위칭(ZCS) 조건에서 턴온되면, 공진부(150)의 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)는 선형적으로 증가하게 된다. 여기서, 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)와 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(iL)의 양이 동일해지면 다음 모드3으로 넘어간다.
이 구간에서는 여전히 공진부(150)의 제1 공진커패시터(Cr1)에는 출력전압(Vo)이 인가되어 있고, 제2 공진커패시터(Cr2)에는 영전압이 인가되어 있는 상태이다.
■ 모드3(t2~t3 구간)
도 5c는 도 4의 t2~t3 구간의 동작을 나타낸 것으로, 상기 모드2에서 주 인 덕터(L)와 공진 인덕터(Lr)의 전류가 같아지면 스위칭 다이오드(D)를 통해 흐르는 전류가 영이 되고, 모드3에서와 같이 공진부(150)의 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)가 공진을 하게 된다.
상기 제1 공진커패시터(Cr1)와 공진 인덕터(Lr)의 공진을 통해서 제1 공진커패시터(Cr1)에 충전된 전압(VCr1)이 출력전압에서 영전압으로 감소하게 되나, 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)는 제1 공진커패시터(Cr1)와의 공진을 통해 증가하게 된다.
여기에서 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압(VCr1)이 영이 되면 다음 모드4(Mode4)로 넘어간다.
■ 모드4(t3~t4 구간)
도 5d는 도 4의 t3~t4 구간의 동작을 나타낸 것으로, 제1 공진커패시터(Cr1)가 공진 인덕터(Lr)와의 공진에 따라 제1 공진커패시터(Cr1)의 양단 전압이 영전압 이하로 감소되려고 하면, 메인스위치(MS)의 역병렬 다이오드(BD1)가 도통되어 메인스위치(MS)의 양단 전압이 거의 영에 가까워서 영전압 스위칭(ZVS)을 할 수 있는 조건을 제공하게 된다. 여기서 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)는 제1 보조스위치(S1)와 역병렬 다이오드(BD1)를 통해 환류(Freewheeling)하게 된다.
이때 메인스위치(MS)는 영전압 조건에서 턴온된다. 여기에서, 상기 메인스위치(MS)의 양단 전압을 체크하면 영전압 여부를 확인할 수 있으며, 상기 영전압시에 메인스위치(MS)의 게이트로 스위칭 제어신호가 인가된다.
이에 따라 주 인덕터(L)의 양단에는 입력전압이 모두 걸리게 되어 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(iL)는 선형적으로 증가하게 된다.
이때, 제1 보조스위치(S1)를 턴오프시키면 다음 모드5로 넘어간다.
■ 모드5(t4~t5 구간)
도 5e는 도 4의 t4~t5 구간의 동작을 나타낸 것으로, 모드5에서는 제1 보조스위치(S1)가 영전압 조건에서 턴오프되면, 공진 인덕터(Lr)와 제2 공진커패시터(Cr2)가 보조 공진을 하게 되며, 공진 인덕터(Lr)의 에너지는 역병렬 다이오드(BD3)를 통해 모두 제2 공진커패시터(Cr2)로 전달되어 제2 공진커패시터(Cr2)의 충전 전압(VCr2)이 증가하게 된다.
그리고, 주 인덕터(L)에는 계속해서 입력전압이 걸려 있기 때문에 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(iL)는 메인스위치(MS)를 통해 계속해서 선형적으로 증가하면서 흐른다.
여기서, 공진부(150)의 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)은 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)에 의해 최대값으로 증가하고 있고, 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류가 영이 되면 다음 모드6(Mode6)으로 넘어간다.
■ 모드6(t5~t6 구간)
도 5f는 도 4의 t5~t6 구간의 동작을 나타낸 것으로, 공진부(150)의 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)가 영이 되면 보조 공진이 완료되고, 이에 따라 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)은 최대가 된다. 아울러, 주 인덕터(L)에는 계속해서 입력전압이 걸려 있기 때문에 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(iL)는 메인스위치(MS)를 통해 계속해서 선형적으로 증가하면서 흐른다.
따라서, 모드6은 메인스위치(MS)가 온된 구간으로, 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류(iL)는 계속해서 선형적으로 증가하게 되고, 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)는 영이 되며, 제1 공진커패시터(Cr1)에 충전된 전압(VCr1)은 영이 되고, 제2 공진커패시터(Cr2)에 충전된 전압(VCr2)은 최대가 되는 상태이다.
이와 같은 상태에서 제2 보조스위치(S2)를 턴온시키면 다음 모드7로 넘어간다.
■ 모드7(t6~t7 구간)
도 5g는 도 4의 t6~t7 구간의 동작을 나타낸 것으로, 상기 모드6에서 제2 보조스위치(S2)가 영전류 조건에서 턴온되면 모드7이 시작된다. 여기서, 제2 보조스위치(S2)를 턴온시키는 이유는 메인스위치(MS)를 영전압 조건에서 턴오프시키기 위함이다.
상기에서 제2 보조스위치(S2)를 턴온시키면 중단되었던 공진이 상기 모드5와 는 반대방향으로 발생하게 되며, 이 공진에 의해서 제2 공진커패시터(Cr2)에 저장된 에너지가 제2 보조스위치(S2)를 통해 공진 인덕터(Lr)로 모두 전달된다. 모드7이 완료되면 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)은 영이 되고 공진 인덕터(Lr)의 전류(iLr)는 다시 최대가 된다.
■ 모드8(t7~t8 구간)
도 5h는 도 4의 t7~t8 구간의 동작을 나타낸 것으로, 상기 모드7에서 제2 공진커패시터(Cr2)의 전압(VCr2)이 영이 되면, 모드8에서와 같이 제1 보조스위치(S1)의 역병렬 다이오드(BD2)가 온되어 공진 인덕터(Lr)와 메인스위치(MS)를 통해서 환류하게 된다.
모드8에서 제2 보조스위치(S2)를 영전압 및 영전류 조건에서 턴오프시키고, 이 구간에서 메인스위치(MS)를 영전압 조건에서 턴오프시키면 다음 모드9로 넘어간다.
■ 모드9(t8~t9 구간)
도 5i는 도 4의 t8~t9 구간의 동작을 나타낸 것으로, 상기 모드8에서 메인스위치(MS)를 턴오프시키면, 모드9에서와 같이 주 인덕터(L)와 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르던 전류는 제1 공진커패시터(Cr1)에 충전되기 시작한다. 이때 주 인덕터(L)와 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iL, iLr)는 제1 공진커패시터(Cr1)의 전 압(VCr1)이 상승됨에 따라 감소하기 시작한다.
상기에서 제1 공진커패시터(Cr1)에 충전되는 전압(VCr1)이 상승하여 출력전압(Vo)과 같아지면, 스위칭 다이오드(D)가 도통되면서 다음 모드10으로 넘어간다.
■ 모드10(t9~t10 구간)
도 5j는 도 4의 t9~t10 구간의 동작을 나타낸 것으로, 상기 모드9에서 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압(VCr1)이 출력전압(Vo)과 같아지면, 모드10에서와 같이 스위칭 다이오드(D)가 도통되어 주 인덕터(L)와 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iL, iLr)는 각각 스위칭 다이오드(D)를 통해 출력된다.
상기 공진 인덕터(Lr)에는 출력전압이 걸리기 때문에 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류는 선형적으로 감소하고, 출력 커패시터(Co)의 충전전압이 상승함에 따라 주 인덕터(L)에는 역전압이 걸리기 시작하여 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류는 선형적으로 감소하게 된다.
상기 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류(iLr)가 영이 되면 제1 보조스위치(S1)의 스위칭 동작으로 위해 다시 상기 모드1로 이동한다.
즉, 제1 공진커패시터(Cr1)의 전압이 출력전압과 같아지면, 스위칭 다이오드(D)가 도통하여 주 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류는 스위칭 다이오드(D)를 통해 출력되고, 이 구간에서는 공진부(150)의 공진 인덕터(Lr)에 걸리는 전압이 출력전압 레벨이므로 공진 인덕터(Lr)의 전류가 선형적으로 감소하게 된다. 상기 공진 인 덕터(Lr)의 전류가 영이 되면, 스위칭의 한 주기가 끝나고 다음 스위칭 주기로 들어간다.
이러한 동작을 통해서 제안된 회로의 모든 스위칭소자들(MS, S1, S2, D1)은 모든 조건에서 영전압 스위칭 또는 영전류 스위칭을 하기 때문에 높은 효율의 시스템을 구성할 수 있다.
아울러, 상기 모드6에서와 같이 메인스위치(MS)가 온된 구간에서는 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류가 영이 되도록 구성함에 따라 메인스위치(MS)의 턴온시 에너지 손실을 최소화할 수 있고, 또한 공진부(150)가 메인스위치(MS)의 스위칭 구간에서만 동작하므로 공진부(150)의 손실도 최소화할 수 있다.
이와 같은 부스트 컨버터는 태양전지와 연료전지 및 배터리 등 다양한 DC전원을 승압하는 DC-DC 컨버터에 적용될 수가 있다.
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.
도 1은 본 발명과 관련된 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 부스트 컨버터를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 3의 부스트 컨버터의 동작시에 나타나는 파형도이다.
도 5a 내지 도 5j는 도 3의 컨버터의 각 동작모드에 따라 전류 흐름을 위주로 도시한 회로도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 부스트 컨버터 110: 스위칭셀
L: 주 인덕터 MS: 메인스위치
D: 스위칭 다이오드 150: 공진부
S1: 제1 보조스위치 S2: 제2 보조스위치
Cr1: 제1 공진커패시터 Lr: 공진 인덕터
Cr2: 제2 공진커패시터 BD1~BD3: 역병렬 다이오드
Co: 출력 커패시터

Claims (11)

  1. DC전원;
    상기 DC전원을 스위칭하여 입력된 에너지를 출력단으로 전달하는 스위칭셀;
    상기 DC전원에 병렬로 연결되어 상기 스위칭셀 내의 메인스위치의 스위칭 과도 구간에서 영전압 스위칭이 가능하도록 공진하는 공진부; 및
    상기 스위칭셀을 통해 출력되는 에너지를 충전하여 일정 DC전원을 출력하는 출력 커패시터;를 포함하며,
    상기 공진부는,
    제1 노드와 저전위 사이에 연결된 제1 공진커패시터; 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 공진 인덕터; 상기 제2 노드와 저전위 사이에 연결되는 제1 보조스위치; 상기 제1 보조스위치에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드; 상기 제1 노드에 연결된 제2 공진커패시터; 상기 제2 공진커패시터의 일측과 제2 노드 사이에 직렬로 연결된 제2 보조스위치; 및 상기 제2 보조스위치에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드;를 포함하는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진부는
    상기 메인스위치의 턴온 구간 또는 턴오프 구간에서 동작되어 메인스위치가 영전압 스위칭이 가능하도록 공진하는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭셀은
    상기 DC전원의 고전위와 상기 제1 노드 사이에 직렬 연결되는 주인덕터; 상기 제1 노드와 저전위 사이에 전류통로가 연결되는 메인스위치; 상기 메인스위치에 병렬로 연결되며 역방향으로 설치되는 역병렬 다이오드; 및 상기 제1 노드와 출력 고전위 사이에 연결되는 스위칭 다이오드;를 포함하는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 보조스위치는 메인스위치의 턴온 구간에서 온되는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 보조스위치는 메인스위치의 턴오프 구간에서 온되는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 공진커패시터는 메인스위치의 오프 구간에서 출력전압으로 충전되는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 공진커패시터는 메인스위치의 온 구간에서 최대전압으로 충전되는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 인덕터는 제1 공진커패시터의 전압이 방전될 때와 제2 공진커패시터의 전압이 방전될 때 전류 흐름이 서로 반대 방향인 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 인덕터는 제1 보조스위치 및 제2 보조스위치가 모두 오프된 구간에서는 전류가 흐르지 않는 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC전원은 태양전지, 연료전지 및 배터리 중 어느 하나인 소프트 스위칭을 갖는 부스트 컨버터.
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