KR101285295B1 - 부스트 직류-직류 컨버터 - Google Patents

부스트 직류-직류 컨버터 Download PDF

Info

Publication number
KR101285295B1
KR101285295B1 KR1020120039264A KR20120039264A KR101285295B1 KR 101285295 B1 KR101285295 B1 KR 101285295B1 KR 1020120039264 A KR1020120039264 A KR 1020120039264A KR 20120039264 A KR20120039264 A KR 20120039264A KR 101285295 B1 KR101285295 B1 KR 101285295B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
inductor
power semiconductor
semiconductor switch
voltage
boost
Prior art date
Application number
KR1020120039264A
Other languages
English (en)
Inventor
정강률
유두희
Original Assignee
순천향대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 순천향대학교 산학협력단 filed Critical 순천향대학교 산학협력단
Priority to KR1020120039264A priority Critical patent/KR101285295B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101285295B1 publication Critical patent/KR101285295B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/042—Modifications for accelerating switching by feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/04206—Modifications for accelerating switching by feedback from the output circuit to the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 발명은 변압기형 인덕터를 이용하여 종래의 단순 부스트 직류-직류 컨버터보다 훨씬 더 큰 승압비를 가질 뿐만 아니라, 전력반도체스위치 소자의 턴오프 시 불가피한 높은 전압 스트레스를 감소시켜 소자의 발열 및 스위칭손실을 개선하며, 클램프회로를 이용하여 통상적인 고승압비 부스트 직류-직류 컨버터보다 컨버터의 손실을 감소시키면서도 고승압비를 가지는 고승압비 저손실 부스트 직류-직류 컨버터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터는 일단이 직류정전압 입력단과 연결되고, 타단이 전력반도체스위치와 연결되는 1차인덕터 및 상기 1차인덕터와 직렬 연결되어, 상기 전력반도체스위치의 구동 시 상기 1차인덕터와의 권선수비에 따라 입력전압을 승압하여 출력다이오드를 통하여 출력단에 전달하는 제2차인덕터로 구성된 변압인덕터부를 포함하고, 일단이 상기 직류정전압 입력단과 연결되고, 타단이 상기 1차인덕터 및 상기 전력반도체스위치와 연결되어, 상기 전력반도체스위치 또는 상기 출력다이오드 턴오프 시 발생하는 전압/전류스트레스 및 스위칭 손실을 부담하는 클램프회로부를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

부스트 직류-직류 컨버터{Boost DC-DC converter}
본 발명은 고승압비 저손실 부스트 직류-직류(DC-DC) 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기형 인덕터를 이용하여 종래의 단순 부스트 직류-직류 컨버터보다 훨씬 더 큰 승압비를 가질 뿐만 아니라, 전력반도체스위치 소자의 턴오프 시 불가피한 높은 전압 스트레스를 감소시켜 소자의 발열 및 스위칭손실을 개선하며, 클램프회로를 이용하여 통상적인 고승압비 부스트 직류-직류 컨버터보다 컨버터의 손실을 감소시키면서도 고승압비를 가지는 고승압비 저손실 부스트 직류-직류 컨버터에 관한 것이다.
최근 산업현장에서 구조가 간단하면서도 저전압의 직류전압을 고전압의 직류전압으로 변환할 수 있는 부스트 직류-직류 컨버터가 널리 사용되고 있다.
대한민국 등록실용신안 공보 제0107921호(2006. 02. 14)에 기재된 직류/직류 컨버터나 [도 4]에 도시된 종래의 단순 부스트 직류-직류 컨버터는 그 전압전달비(Vo/Vin)가 전력반도체스위치 소자의 턴온(ton)시간에만 의존하여 출력전압의 가능 범위가 극히 제한되는 단점이 있다.
왜냐하면 종래의 단순 직류-직류 부스트 컨버터가 높은 전압전달비를 가지기 위해서는 큰 턴온듀티비(D=ton/Ts)가 필요하여 큰 턴온시간 동안 인덕터에 저장된 큰 인덕터 에너지가 상대적으로 짧은 턴오프 시간(1-D) 안에 출력단으로 모두 전달되어야 하기 때문이다.
이러한 종래의 단순 직류-직류 부스트 컨버터에 있어서, 전압전달비는 다음의 [수학식 1]을 통해 산출된다.
Figure 112012030062817-pat00001
또한, 종래의 단순 부스트 직류-직류 컨버터에서는 다음 [수학식 2]와 같이 전력반도체스위치의 최대 전압스트레스가 출력전압과 동일하므로, 입력전압에 비해 상대적으로 매우 높은 직류 출력전압을 내는 부스트 직류-직류 컨버터에서는 매우 높은 정격전압의 전력반도체스위치 소자를 필요로 하며, 이에 따라 전력반도체스위치 소자의 내부도통저항(RDSON)이 통상적으로 증가하므로 스위칭손실이 증가하는 문제가 있다.
Figure 112012030062817-pat00002
이러한 종래 단순 부스트 직류-직류 컨버터의 문제점을 해결하고자, [도 5]에 도시된 바와 같이, 자기적(magnetic)으로 결합된 인덕터들을 이용한 고승압비의 부스트 직류-직류 컨버터가 제안되었다.
이러한 종래의 고승압비의 부스트 직류-직류 컨버터는 전력반도체스위치 소자의 턴온 시간이 상대적으로 짧아질 수 있게 되어, 스위칭손실이 감소하고 높은 전압스트레스도 어느 정도 개선될 수 있는 장점이 있다.
하지만 종래의 고승압비의 부스트 직류-직류 컨버터는 여기에 포함된 자기적(magnetic)으로 결합된 인덕터들이 필연적으로 누설인덕턴스를 포함하므로, 스위칭시마다 자기적(magnetic)으로 결합된 인덕터에 저장되는 누설인덕턴스 에너지로 인하여 전력반도체스위치 소자의 턴오프 시 전압스트레스 문제가 발생하며 높은 출력전압과 출력다이오드의 도통전류로 인한 출력다이오드의 역회복 문제가 남는다.
대한민국 등록실용신안 공보 107921Y1, 1995. 08. 21, 2쪽, 도 1.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터의 목적은, 변압기형 인덕터로 구성된 변압인덕터와 클램프회로를 이용하여, 출력전압의 범위제한을 극복하고 전력반도체스위치의 턴오프 시 발생하는 전력반도체스위치 소자의 전압스트레스를 저감할 수 있는 부스트직류-직류 컨버터를 제공하는데 있다.
다른 목적은, 클램프회로부를 포함하여, 출력다이오드의 턴오프 시 역방향 전류를 흡수하여 전력반도체스위치의 전압/전류 서지 및 스트레스 문제를 해소하는데 있다.
또 다른 목적은, 전력반도체스위치를 펄스폭변조 방식으로 구동하여, 출력전압을 일정하게 유지하는데 있다.
또 다른 목적은, 전류센싱을 통해 전력반도체스위치로 흐르는 전류를 제한하고, 그 전류에 따라 전력반도체스위치에 인가되는 펄스폭을 조정하는데 있다.
본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터는 일단이 직류정전압 입력단과 연결되고, 타단이 전력반도체스위치와 연결되는 1차인덕터 및 상기 1차인덕터와 직렬 연결되어, 상기 전력반도체스위치의 구동 시 상기 1차인덕터와의 권선수비에 따라 입력전압을 승압하여 출력다이오드를 통하여 출력단에 전달하는 제2차인덕터로 구성된 변압인덕터부를 포함하고, 일단이 상기 직류정전압 입력단과 연결되고, 타단이 상기 1차인덕터 및 상기 전력반도체스위치와 연결되어, 상기 전력반도체스위치 또는 상기 출력다이오드 턴오프 시 발생하는 전압/전류스트레스 및 스위칭 손실을 부담하는 클램프회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터에 있어서, 클램프회로부는 일단이 상기 1차인덕터 및 전력반도체스위치와 연결되고, 타단이 상기 2차 인덕터와 연결되고, 입력전류의 흐름을 제어하는 클램프다이오드 및 일단이 상기 클램프다이오드 및 상기 2차인덕터와 연결되고, 타단이 상기 1차인덕터 및 직류정전압입력단과 연결되어, 상기 클램프다이오드의 구동에 따라 전압을 충전하는 클램프커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터에 있어서, 전력반도체스위치는 금속산화물반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET)로 형성되며, 상기 MOSFET의 드레인(Drain)단은 상기 1차인덕터의 타단과 연결되고, 게이트(Gate)단은 펄스폭변조제어부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터에 있어서, 펄스폭변조제어부는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation : PWM) 방식으로 상기 MOSFET의 턴온시간(ton)을 제어하는 펄스 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터는 MOSFET의 소스단과 연결되어, 상기 MOSFET으로 흐르는 전류를 제한하고, 상기 MOSFET의 게이트단에 인가되는 펄스폭을 MOSFET에 과전류가 흐르지 않도록 MOSFET으로 흐르는 전류에 따라 조정하는데 이용하는 센싱저항 또는 전류변환기(CT-Current Transfomer)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터는 전력반도체스위치가 턴오프 시 상기 전력반도체스위치 내부의 기생커패시터 및 상기 클램프커패시터를 동시에 충전하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터는 변압기형 인덕터로 구성된 변압인덕터와 클램프회로를 이용하여, 출력전압의 범위제한을 극복하여, 고승압된 출력전압을 발생시킬 수 있으며, 전력반도체스위치 소자의 전압스트레스를 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 클램프회로부를 포함함으로써, 출력다이오드의 턴오프 시 역방향 전류를 흡수하여, 높은 출력전압과 도통전류로 인해 발생하는 역회복 문제 및 스위칭 손실을 개선하는 효과가 있다.
또한, 전력반도체스위치를 펄스폭변조 방식으로 구동함으로써, 출력전압을 일정하게 유지하도록 하는 효과가 있다.
또한, 전류센싱을 통해 전력반도체스위치로 흐르는 전류를 제한하고, 전력반도체스위치에 인가되는 펄스폭을 조정하기 용이한 효과가 있다.
또한, 전력반도체스위치의 턴온 듀티비와 변압인덕터부의 권선수비를 고려하여, 출력전압의 가변폭을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터의 회로도.
도 2는 종래 부스트 직류-직류 컨버터와 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터의 전력반도체스위치의 전압스트레스를 비교한 실험파형.
도 3은 종래 부스트 직류-직류 컨버터와 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터의 출력다이오드 턴오프 시 출력다이오드의 전압과 역회복 전류를 비교한 실험파형.
도 4는 종래 부스트 직류-직류 컨버터의 첫 번째 실시예 회로.
도 5는 종래 부스트 직류-직류 컨버터의 두 번째 실시예 회로.
이하, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
[도 1]은 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터의 구성을 나타내는 회로도로, 직류정전압 입력단(Vin), 변압인덕터부(10), 클램프회로부(20), 전력반도체스위치(30), 펄스폭변조제어부(40), 출력다이오드(Do) 및 출력커패시터(Co)를 포함한다.
상기 변압인덕터부(10)는 변압기형 1차인덕터(L1, 101) 및 2차인덕터(L2, 102)를 포함하여, 상기 1차인덕터(L1, 101)의 권선수(N1) 및 상기 2차인덕터(L2, 102)의 권선수(N2)의 권선수비(n=N2/N1)에 따라 입력전압을 고승압하는 역할을 한다.
상기 클램프회로부(20)는 클램프다이오드(Dcl) 및 클램프커패시터(Ccl)를 포함하여, 상기 전력반도체스위치(30)의 높은 전압스트레스를 저감시키며 출력다이오드 턴오프에 따른 역회복 문제를 개선하는 역할을 한다.
상기 전력반도체스위치(30)는 전압전달비를 조정하는 역할을 하며, 본 발명의 실시예에서 상기 전력반도체스위치(30)는 금속산화물반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET)를 사용하지만 이에 한정되지 않고, 이와 유사한 형태의 전력반도체 소자로도 구현이 가능하다.
이러한 상기 변압인덕터부(10), 상기 클램프회로부(20) 및 전력반도체스위치(30)의 연결 관계에 따른 각 구성의 기능을 설명하면 다음과 같다.
상기 변압인덕터부(10)에 있어서, 상기 1차인덕터(L1, 101)는 일단이 직류정전압 입력단(Vin)에 연결되고, 타단이 상기 전력반도체스위치(30)의 드레인(Drain)단과 상기 클램프다이오드(Dcl, 201)의 애노드(Anode)단이 함께 연결된다.
상기 2차인덕터(L2, 102)는 일단이 상기 클램프다이오드(Dcl, 201)의 캐소드(Cathode)단과 연결되고, 타단이 출력단이오드(Do)의 애노드 단과 연결된다.
이러한 변압인덕터부(10)의 상기 1차인덕터(L1, 101)와 상기 2차인덕터(L2, 102)의 권선수비(n)에 따라 전압전달비 조절이 가능하며, 상기 전압전달비는 다음 [수학식 3]을 통해 산출이 가능하다.
Figure 112012030062817-pat00003
여기서, Vo : 출력전압, Vin : 입력전압, D : 전력반도체스위치의 턴온듀티비(ton/Ts), n : 1차인덕터의 권선수(N1)와 2차인덕터(102)의 권선수(N2)의 비(N2/N1).
즉, 이러한 본 발명에 따른 상기 변압인덕터부(10)를 통해 전력반도체스위치의 턴온듀티비(ton/Ts)에만 의존하던 종래 부스트 직류-직류 컨버터의 출력전압 한계에서 벗어나 상기 1차인덕터(L1, 101) 및 상기 2차인덕터(L2, 102)의 권선수비(n)를 적용하여, 고승압된 출력전압을 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.
상기 클램프회로부(20)에 있어서, 상기 클램프다이오드(201)의 애노드단은 상기 1차인덕터(L1, 101) 및 상기 전력반도체스위치(30)의 드레인단과 연결되고, 캐소드단은 상기 2차인덕터(L2, 102)의 일단과 상기 클램프커패시터(202)의 일단이 연결된다.
또한, 상기 클램프커패시터(202)의 타단은 상기 직류정전압입력단 및 상기 1차인덕터(L1, 101)의 일단과 연결된다.
이러한 본 발명에 따른 클램프회로(20)는 상기 전력반도체스위치(30)가 턴오프되면 입력전류(iin)는 상기 전력반도체스위치(30)내부의 기생커패시턴스로 충전되며, 이와 동시에 상기 클램프다이오드(201)는 순방향 바이어스가 인가되어 도통되며, 이에 따라 상기 입력전류(iin)는 상기 클램프커패시터(202)에 충전된다.
이때, 상기 전력반도체스위치(30)의 내부 기생커패시턴스의 충전이 완료되면 상기 전력반도체스위치(30)로 흐르는 전류(iQ)는 영(0)이 된다.
한편, 상기 클램프커패시터(202)의 충전전압이 최대가 되면 상기 클램프커패시터(202)는 상기 1차인덕터(L1, 101)의 누설인덕턴스(Llk)와 공진(resonance)에 의해 방전상태로 전환되며, 상기 클램프커패시터(202)에 흐르는 전류 방향이 반대가 된다.
그리고 상기 클램프커패시터(202)의 방전전류(icl)는 입력전류(iin)와 함께 상기 출력다이오드(Do)의 전류(iDo)의 크기가 같아지면 상기 클램프다이오드(201)는 턴오프된다.
즉, 본 발명에 따른 상기 클램프회로부(20)를 포함함으로써, 상기 전력반도체스위치(30)의 턴오프 시 발생하는 전압스트레스를 저감할 수 있는 효과가 있는 것이다.
자세히 설명하자면, 상기 클램프회로부(20)를 포함함으로써, 상기 전력반도체스위치(30)의 턴오프 시 입력전류(iin)가 상기 클램프커패시터(202)에 충전됨으로써, 일정 전압(vcl)으로 저장된다. 즉, 상기 전력반도체스위치(30)의 전압스트레스가 상기 클램프커패시터(202)에 나누어 걸림에 따라 상기 전력반도체스위치(30)의 전압스트레스(vDS)가 저감되는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 클램프회로부(20)를 포함함으로써, 상기 출력다이오드(Do)의 턴오프 시 발생하는 역회복 문제를 저감시키는 효과를 기대할 수 있다.
즉, 상기 출력다이오드(Do)가 순방향 바이어스 상태에서 역방향 바이어스 상태가 되면 순간적으로 상기 출력다이오드(Do)의 양단 저항이 영(0)인 상태가 되고, 본래의 상태로 돌아가는데 까지 소요되는 시간을 역회복 시간이라 하는데, 상기 전력반도체스위치(30)의 턴온/턴오프 구간이 이러한 역회복 시간과 겹치면서 스위칭 손실을 초래하여 컨버터 효율을 저하시키는 원인이 되는데, 본 발명에 따른 상기 클램프회로부(20)를 포함함으로써 이러한 스위칭 손실을 저감시킬 수 있는 것이다.
상기 전력반도체스위치(30)에 있어서, 드레인단은 상기 1차인덕터(L1, 101)의 타단 및 상기 클램프다이오드(201)의 애노드단과 연결되고, 게이트단은 펄스폭변조제어부(40)의 출력단과 연결되며, 소스단은 접지(GND)와 연결된다.
이러한 상기 전력반도체스위치(30)는 상기 펄스폭변조제어부(40)를 통해 출력전압의 오차에 상응하는 구형파 펄스신호가 상기 게이트단을 통해 인가되는데, 인가되는 펄스폭의 크기에 따라 가변됨으로써 출력전압이 일정하게 유지되는 것이다.
여기서 상기 펄스폭은 상기 전력반도체스위치(30)의 턴온시간(ton)시간이다.
또한, 본 발명에 따른 상기 전력반도체스위치(30)의 소스단과 접지 사이에는 센싱저항(Rs)이나 전류변환기(CT-Current Transformer)를 더 포함하여 전류센싱이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 전류센싱은 상기 전력반도체스위치(30)로 흐르는 전류를 제한하는 역할과 동시에 상기 펄스폭변조제어부(40)에서 나오는 펄스폭 신호에 의해 상기 전력반도체스위치(30)로 흐르는 전류가 사전에 설정된 전류치에 도달했을 때 펄스폭 신호가 오프되도록 하여 상기 전력반도체스위치(30)의 게이트단에 인가되는 펄스폭을 조정함으로써 상기 전력반도체스위치(30)로 흐르는 전류가 과전류가 되지 않게 하는 역할을 한다.
[도 2]는 종래 부스트 직류-직류 컨버터(a)와 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터(b)에 있어서, 상기 전력반도체스위치(30)의 전압스트레스를 비교할 수 있는 실험파형으로, 종래 보다 약 70% 정도 완화됨을 확인할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 클램프커패시터(202)에 충전되는 전압(vcl)은 다음 [수학식 4]로 산출된다.
Figure 112012030062817-pat00004
또한, 상기 전력반도체스위치(30)의 전압스트레스(vDS)는 다음 [수학식 5]로 산출된다.
Figure 112012030062817-pat00005
여기서, D : 전력반도체스위치의 턴온듀티비(ton/Ts), Vin : 입력전압, k=Lm/(Lm+Llk) : 1차인덕터의 결합계수, Lm : 1차 인덕터의 자화인덕턴스, Llk : 1차 인덕터의 누설인덕턴스, n : 1차인덕터의 권선수(N1)와 2차인덕터(102)의 권선수(N2)의 비(N2/N1).
[도 3]은 종래 부스트 직류-직류 컨버터(a)와 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터(b)에 있어서, 출력다이오드(Do)의 턴오프 시 상기 전력반도체스위치(30)에 발생되는 전압/전류 서지 및 스트레스를 비교한 실험파형으로, 종래 부스트 직류-직류 컨버터에 비해 약 75% 정도 저감됨을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 출력다이오드(Do)의 턴오프 시 발생하는 역회복 시간의 역전류는 상기 클램프커패시터(202)에 흡수되며, 흡수된 전류는 입력전류(iin)와 함께 상기 1차인덕터(L1, 101)를 거쳐서 상기 전력반도체스위치(30)에 흐르게 되고, 이때 상기 전력반도체스위치(30)로 흐르는 전류(iQ)는 다음 [수학식 6]로 산출된다.
Figure 112012030062817-pat00006
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터를 적용하면 변압기형 인덕터를 이용하여 종래의 부스트 직류-직류 컨버터들의 출력전압 한계를 효과적으로 개선할 수 있으며, 전력반도체스위치 소자의 높은 전압스트레스를 감소시킬 수 있는 효과를 누릴 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 부스트 직류-직류 컨버터를 적용 시 출력다이오드의 턴오프 시 높은 출력전압과 도통전류로 인해 발생되는 역회복 문제를 개선시켜 저전압의 직류 입력전압을 저손실 고전압의 직류전압으로 출력하는 효과를 누릴 수 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 부스트 직류-직류 컨버터로 구현할 수 있다.
10 : 변압인덕터부
20 : 클램프회로부
Q, 30 : 전력반도체스위치
40 : 펄스폭변조제어부
L1, 101 : 1차인덕터
L2, 102 : 2차인덕터
Dcl, 201 : 클램프다이오드
Ccl, 202 : 클램프커패시터
Rs : 센싱저항
Do : 출력다이오드
Co : 출력커패시터
Vin : 직류정전압 입력단

Claims (9)

  1. 일단이 직류정전압 입력단과 연결되고, 타단이 전력반도체스위치와 연결되는 1차인덕터 및 상기 1차인덕터와 직렬 연결되어, 상기 전력반도체스위치의 구동 시 상기 1차인덕터와의 권선수비에 따라 입력전압을 가변하여 출력다이오드에 전달하는 제2차인덕터로 구성된 변압인덕터부를 포함하고,
    일단이 상기 직류정전압 입력단과 연결되고, 타단이 상기 1차인덕터 및 상기 전력반도체스위치와 연결되어, 상기 전력반도체스위치 또는 상기 출력다이오드의 턴오프 시 발생하는 전압/전류스트레스 및 스위칭 손실을 부담하는 클램프회로부를 포함하며,
    상기 변압인덕터부는 상기 1차인덕터 및 상기 2차인덕터의 권선수비와 상기 전력반도체스위치의 턴온듀티비에 따라 전압전달비가 제어되며,
    상기 전압전달비는 [수학식 3]으로 산출되는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
    [수학식 3]
    Figure 112013040265409-pat00015

    여기서, Vo : 출력전압, Vin : 입력전압, D : 전력반도체스위치의 턴온듀티비(ton/Ts), n : 1차인덕터의 권선수(N1)와 2차인덕터(102)의 권선수(N2)의 비(N2/N1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 클램프회로부는,
    일단이 상기 1차인덕터 및 전력반도체스위치와 연결되고, 타단이 상기 2차 인덕터와 연결되고, 입력전류의 흐름을 제어하는 클램프다이오드 및
    일단이 상기 클램프다이오드 및 상기 2차인덕터와 연결되고, 타단이 상기 1차인덕터 및 직류정전압입력단과 연결되어, 상기 클램프다이오드의 구동에 따라 전압을 충전하는 클램프커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력반도체스위치는,
    금속산화물반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET)로 형성되며,
    상기 MOSFET의 드레인(Drain)단은 상기 1차인덕터의 타단과 연결되고, 게이트(Gate)단은 펄스폭변조제어부와 연결되는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 펄스폭변조제어부는,
    펄스폭변조(Pulse Width Modulation : PWM) 방식으로 상기 MOSFET의 턴온시간(ton)을 제어하는 펄스 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 MOSFET의 소스단과 연결되어, 상기 MOSFET으로 흐르는 전류를 제한하고 상기 MOSFET으로 흐르는 전류가 과전류가 되지 않도록 게이트단에 인가되는 펄스폭을 조정하는데 이용하는 센싱저항 또는 전류변환기(CT-Current Transformer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전력반도체스위치의 턴오프 시 상기 전력반도체스위치 내부의 기생커패시터 및 상기 클램프커패시터를 동시에 충전하는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
  7. 삭제
  8. 제2항에 있어서,
    상기 전력반도체스위치의 턴오프 시 상기 클램프커패시터에 충전되는 전압(vcl)은 [수학식 4]로 산출되는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
    [수학식 4]
    Figure 112012030062817-pat00008

    여기서, D : 전력반도체스위치의 턴온듀티비(ton/Ts), Vin : 입력전압, k=Lm/(Lm+Llk) : 1차인덕터의 결합계수, Lm : 1차 인덕터의 자화인덕턴스, Llk : 1차 인덕터의 누설인덕턴스, n : 1차인덕터의 권선수(N1)와 2차인덕터(102)의 권선수(N2)의 비(N2/N1).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력반도체스위치의 턴오프 시 발생하는 전압스트레스(vDS)는 [수학식 5]로 산출되는 것을 특징으로 하는 부스트 직류-직류 컨버터.
    [수학식 5]
    Figure 112012030062817-pat00009

    여기서, D : 전력반도체스위치의 턴온듀티비(ton/Ts), Vin : 입력전압, k=Lm/(Lm+Llk) : 1차인덕터의 결합계수, Lm : 1차 인덕터의 자화인덕턴스, Llk : 1차 인덕터의 누설인덕턴스, n : 1차인덕터의 권선수(N1)와 2차인덕터(102)의 권선수(N2)의 비(N2/N1).
KR1020120039264A 2012-04-16 2012-04-16 부스트 직류-직류 컨버터 KR101285295B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120039264A KR101285295B1 (ko) 2012-04-16 2012-04-16 부스트 직류-직류 컨버터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120039264A KR101285295B1 (ko) 2012-04-16 2012-04-16 부스트 직류-직류 컨버터

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101285295B1 true KR101285295B1 (ko) 2013-07-11

Family

ID=48997200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120039264A KR101285295B1 (ko) 2012-04-16 2012-04-16 부스트 직류-직류 컨버터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101285295B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL423354A1 (pl) * 2017-11-03 2019-05-06 Politechnika Bialostocka Przekształtniki podwyższające napięcie z dławikami dzielonymi
KR20220116980A (ko) 2021-02-16 2022-08-23 숭실대학교산학협력단 고변압비 비절연형 반전 벅부스트 컨버터, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4257087A (en) 1979-04-02 1981-03-17 California Institute Of Technology DC-to-DC switching converter with zero input and output current ripple and integrated magnetics circuits
US5144204A (en) 1991-05-28 1992-09-01 General Electric Company Tapped-inductor boost convertor for operating a gas discharge lamp
KR20060081668A (ko) * 2005-01-10 2006-07-13 리니어 테크놀러지 코포레이션 전류 제한 보호를 구비한 ｄｃ/ｄｃ 컨버터

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4257087A (en) 1979-04-02 1981-03-17 California Institute Of Technology DC-to-DC switching converter with zero input and output current ripple and integrated magnetics circuits
US5144204A (en) 1991-05-28 1992-09-01 General Electric Company Tapped-inductor boost convertor for operating a gas discharge lamp
KR20060081668A (ko) * 2005-01-10 2006-07-13 리니어 테크놀러지 코포레이션 전류 제한 보호를 구비한 ｄｃ/ｄｃ 컨버터

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IEEE 논문(제목: A Novel High Step-Up DC-DC Converter for a Microgrid System), 논문발표 2011년 04월 *
IEEE 논문(제목: A Novel High Step-Up DC-DC Converter for a Microgrid System), 논문발표 2011년 04월*

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL423354A1 (pl) * 2017-11-03 2019-05-06 Politechnika Bialostocka Przekształtniki podwyższające napięcie z dławikami dzielonymi
KR20220116980A (ko) 2021-02-16 2022-08-23 숭실대학교산학협력단 고변압비 비절연형 반전 벅부스트 컨버터, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4861040B2 (ja) 単方向ｄｃ−ｄｃコンバータ
JP4824524B2 (ja) 単方向ｄｃ−ｄｃコンバータおよびその制御方法
US7405955B2 (en) Switching power supply unit and voltage converting method
US8009444B2 (en) Boost device for voltage boosting
US11031860B2 (en) Inrush current control during starting of resonant converters
US8035361B2 (en) Boost device for voltage boosting
US7535733B2 (en) Method of controlling DC-to-DC converter whereby switching control sequence applied to switching elements suppresses voltage surges at timings of switch-off of switching elements
TWI542131B (zh) 具零電壓切換能力且以穩定切換頻率運作之可切換降壓轉換器
CN104038037B (zh) 辅助再充电
US20100328971A1 (en) Boundary mode coupled inductor boost power converter
US10097081B1 (en) Converter having low loss snubber
US5457379A (en) High efficiency switch mode regulator
CN108933515A (zh) 反激式转换器控制器、反激式转换器及其操作方法
US11581818B2 (en) DC voltage conversion circuit and power supply device
CN109586583B (zh) 一种软开关电流馈推挽式直流-直流变换器
TWI580166B (zh) 交錯式升壓轉換器
CN108199579B (zh) 一种带耦合电感的高变比软开关dc-dc降压变换器
EP2221951B1 (en) Boost converter for voltage boosting
KR101285295B1 (ko) 부스트 직류-직류 컨버터
TWI441431B (zh) 具有功因校正功能之單級升壓式交流－高壓直流轉換裝置
TWI666863B (zh) 高升壓直流轉換器
JP6393962B2 (ja) スイッチング電源装置
TW201342782A (zh) 具控制開關的電源轉換裝置
TWI572132B (zh) 雙輸出電源轉換器
TWI433443B (zh) 具磁重置之錯相順向式轉換裝置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160705

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170706

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190702

Year of fee payment: 7