KR101349906B1 - 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터 - Google Patents

전압 클램프 승압형 부스트 컨버터 Download PDF

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Abstract

전압 클램프 승압형 부스트 컨버터가 제공되며, 전원에 제1단이 연결되는 누설 인덕터, 제1단이 누설 인덕터의 제2단과 연결되는 탭 인덕터, 제1단이 누설 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 탭 인덕터의 제2단과 연결되는 자화 인덕터, 제1단이 탭 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 전원의 제2단과 연결되는 스위치, 제1단이 탭 인덕터의 제2단과 연결되는 제 1 다이오드, 제1단이 제 1 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 탭 인덕터의 제3단과 연결되는 제 2 다이오드, 제2단이 제 1 다이오드의 제2단과 제 2 다이오드의 제1단 사이에 연결되는 공진형 클램프 커패시터, 제1단이 제 2 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 스위치의 제2단과 연결되는 출력 커패시터 및 제1단이 출력 커패시터의 제1단과 연결되고, 제2단이 출력 커패시터의 제2단과 연결되는 출력 부하 저항을 포함한다.

Description

전압 클램프 승압형 부스트 컨버터{VOLTAGE CLAMP STEP UP BOOST CONVERTER}
본 발명은 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공진형 클램프 커패시터를 이용하여 손실 스너버의 구성을 제거할 수 있는 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 미래창조과학부 및 정보통신산업진흥원의 대학 IT 연구센터 육성지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: NIPA-2013-H0301-13-2007, 과제명: 에너지-IT 융합 핵심기술 연구].
최근 연료전지나 배터리 기반의 전자기기를 위하여 낮은 DC 전압을 승압할 수 있는 다양한 전원장치가 개발되고 있다. 이때, 높은 승압비, 높은 전력변환효율, 낮은 제작단가를 만족시키기 위하여, 탭 인덕터를 이용한 부스트 컨버터가 출시되었다.
이때, 탭 인덕터를 이용한 부스트 컨버터는, 트랜스포머의 역할을 하는 탭 인덕터를 부스트 컨버터에 부가하는 방식으로 이루어지고 있다. 탭 인덕터를 이용한 부스트 컨버터와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제2010-0082084호 (2010.07.16 공개)에는 부스트 컨버터에 탭 인덕터를 구비하여 영전압 턴온 및 영전류 턴오프 기능을 구현하는 방법이 개시되어 있다.
다만, 탭 인덕터를 이용한 부스트 컨버터의 경우, 높은 승압비를 획득할 수 있으나, 스위치의 턴 오프 시 인덕터와 스위치의 커패시터가 공진을 발생시킨다. 이에 따라, 스위치 양단에 서지(Surge) 형태의 전압이 발생되고, 스위치의 과도한 스트레스로 이어지게 되므로, 높은 내압의 다이오드를 사용해야 하며 손실 스너버의 사용이 필수적이다.
한국공개특허 제2010-0082084호 (2010.07.16 공개)에는 "소프트 스위칭 기법을 이용한 부스트 컨버터"가 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예는, 손실 스너버를 사용하지 않고도 스위치 및 다이오드에 가해지는 전압 스트레스를 감소시킬 수 있고, 높은 입출력 승압비를 가지면서도 스위칭 손실을 감소시킬 수 있는 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터를 제공할 수 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 전원에 제1단이 연결되는 누설 인덕터, 제1단이 누설 인덕터의 제2단과 연결되는 탭 인덕터, 제1단이 누설 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 탭 인덕터의 제2단과 연결되는 자화 인덕터, 제1단이 탭 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 전원의 제2단과 연결되는 스위치, 제1단이 탭 인덕터의 제2단과 연결되는 제 1 다이오드, 제1단이 제 1 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 탭 인덕터의 제3단과 연결되는 제 2 다이오드, 제2단이 제 1 다이오드의 제2단과 제 2 다이오드의 제1단 사이에 연결되는 공진형 클램프 커패시터, 제1단이 제 2 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 스위치의 제2단과 연결되는 출력 커패시터 및 제1단이 출력 커패시터의 제1단과 연결되고, 제2단이 출력 커패시터의 제2단과 연결되는 출력 부하 저항을 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 손실 스너버를 사용하지 않고도 스위치 및 다이오드에 가해지는 전압 스트레스를 감소시킬 수 있고, 높은 입출력 승압비를 가지면서도 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 도 1의 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 다른 실시예를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 1의 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 동작 과정을 설명하기 위한 회로도 및 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 실험 결과 파형을 종래 기술의 부스트 컨버터와 비교한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터를 설명하기 위한 회로도이고, 도 2는 도 1의 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 다른 실시예를 설명하기 위한 회로도이다.
우선, 도 1에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)를 기능적으로 정의하면 다음과 같다.
전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)는 부스트 컨버터, 탭 인덕터, 공진형 클램프 커패시터, 블로킹 커패시터, 출력 부하 저항을 포함할 수 있다. 여기서, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)를 기능적으로 정의함에 따라 도면 부호는 붙이지 않는다.
부스트 컨버터는, 전원으로부터 인가받은 전류를 적어도 하나의 인덕터에서 저장하고, 스위치의 온/오프(on/off) 동작에 따라, 적어도 하나의 인덕터에 저장된 에너지와, 전원 전압의 에너지가 합산되어 출력으로 전달되고, 출력에는 승압된 상태로 전압을 출력한다.
탭 인덕터는, 변환 계수에 따라 증가된 전압을 출력하고, 블로킹 커패시터는, 스위치의 온/오프 동작에 따라 전압이 충전된다. 또한, 출력 부하 저항은 부스트 컨버터, 탭 인덕터, 블로킹 커패시터의 출력에 기초하여 승압된 전압이 인가된다. 이때, 출력 부하 저항은 부스트 컨버터에 포함될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 별도로 설명한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)는 부스트 컨버터 자체의 승압비와, 탭 인덕터의 턴 비에 기초한 승압비와, 블로킹 커패시터에 충전된 전압이 모두 더해져서 높은 승압률을 가질 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 결합 관계를 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)는 전원(100), 누설 인덕터(210), 자화 인덕터(230), 탭 인덕터(300), 스위치(400), 제 1 다이오드(510), 제 2 다이오드(520), 공진형 클램프 커패시터(600), 출력 커패시터(710), 출력 부하 저항(730), 블로킹 커패시터(800), 출력 다이오드(900)를 포함할 수 있다.
누설 인덕터(210)는 전원(100)에 제1단이 연결되고, 탭 인덕터(300)와 자화 인덕터(230)에 제2단이 연결될 수 있다. 자화 인덕터(230)는 제1단이 누설 인덕터(210)의 제2단과 연결되고, 제2단이 탭 인덕터(300)의 제2단과 연결될 수 있다.
탭 인덕터(300)는 제1단이 누설 인덕터(210)의 제2단과 연결되고, 제2단이 스위치(400)의 제1단과 연결되고, 제3단이 블로킹 커패시터(800)의 제1단과 연결될 수 있다. 이때, 탭 인덕터(300)는 1:N의 변환 계수를 가질 수 있고, 탭 인덕터(300)의 제1단이 1차측, 제3단이 2차측일 수 있다. 탭 인덕터(300)는 변압기와 같이 결합 계수에 기초하여 입출력 변환비가 결정될 수 있다.
스위치(400)는 제1단이 탭 인덕터(300)의 제2단과 연결되고, 제2단이 전원(100)의 제2단과 연결될 수 있다. 이때, 스위치(400)는 BJT(Bipolar Juction Transistor), JFET(Junction Field-Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), GaAs MESFET(Metal Semiconductor FET) 중 적어도 하나일 수 있다.
제 1 다이오드(510)는 제1단이 탭 인덕터(300)의 제2단과 연결되고, 제2단이 공진형 클램프 커패시터(600)의 제2단 및 제 2 다이오드(520)의 제1단과 연결될 수 있다. 또한, 제 2 다이오드(520)는 제1단이 제 1 다이오드(510)의 제2단과 연결되고, 제2단이 탭 인덕터(300)의 제3단과 연결될 수 있다.
공진형 클램프 커패시터(600)는 제2단이 제 1 다이오드(510)의 제2단과, 제 2 다이오드(520)의 제1단 사이에 연결될 수 있다. 공진형 클램프 커패시터(600)는 스위치(400)의 턴 오프(Turn Off)시 양단 전압의 클램프 및 영전압 스위칭을 위하여 삽입될 수 있다. 이때, 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단은 전압레벨이 일정하게 유지되는 노드에 연결가능하다. 즉, 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단은 클램프 노드(Clamp Node)로서, 일정한 전압 레벨을 유지하는 노드이면 어디든지 연결될 수 있다. 이를 도 2를 참조로 설명한다.
도 2a를 참조하면, 공진형 클램프 커패시터(600)의 제2단은 제 1 다이오드(510)와 제 2 다이오드(520) 사이에 고정되어 있고, 제1단은 A, B, C 지점 중 어느 지점과도 연결될 수 있다. 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단이 A 지점에 연결되는 경우는 도 1과 같은 실시예이고, 제1단이 B 지점에 연결되는 경우는 도 2b에 도시되고, 제1단이 C 지점에 연결되는 경우는 도 2c에 도시된다.
공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단이 A 지점에 연결되는 경우에는, 도 1에 도시된 회로와 같다. 즉, 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단은 전원(100)의 제1단과 누설 인덕터(210)의 제1단 사이에 연결될 수 있다. 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단이 B 지점에 연결되는 경우에는, 도 2b에 도시된 회로와 같다. 이때, 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단은 전원(100)의 제2단과 스위치(400)의 제2단 사이에 연결될 수 있다. 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단이 C 지점에 연결되는 경우에는, 도 2c에 도시된 회로와 같다. 이때, 공진형 클램프 커패시터(600)의 제1단은 출력 다이오드(900)의 제2단과 출력 커패시터(710)의 제1단 사이에 연결될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)의 동작 방식은 동일하며, 다만 공진형 클램프 커패시터(600)에 걸리는 전압의 오프셋(Offset)만 차이가 존재할 수 있다. 이때, 도 2a의 공진형 클램프 커패시터(600)에 걸리는 전압의 오프셋이 다른 도 2b 및 도 2c의 공진형 클램프 커패시터(600)에 걸리는 전압의 오프셋보다 낮을 수 있다. 따라서, 도 2a에 도시된 실시예에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)의 내압이 가장 낮은 특성을 가질 수 있다.
다시 도 1로 돌아와서, 출력 커패시터(710)는 제1단이 제 2 다이오드(520)의 제2단과 연결되고, 제2단이 스위치(400)의 제2단과 연결될 수 있다. 또한, 출력 부하 저항(730)은 제1단이 출력 커패시터(710)의 제1단과 연결되고, 제2단이 출력 커패시터(710)의 제2단과 연결될 수 있다.
블로킹 커패시터(DC Blocking Capacitor, 800)는 탭 인덕터(300)의 제3단과 연결되고, 제2단이 제 2 다이오드(520)의 제2단과 연결될 수 있다. 출력 다이오드(900)는 제1단이 블로킹 커패시터(800)의 제2단 및 제 2 다이오드(520)의 제2단과 연결되고, 제2단이 출력 커패시터(710)의 제1단과 연결될 수 있다.
도 3은 도 1의 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 동작 과정을 설명하기 위한 회로도 및 파형을 도시한 도면이다. 이하에서는, 도 1 및 도 3을 참조하여 상술한 구성을 가지는 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)의 동작 과정을 상세히 설명하도록 한다.
우선, 동작 모드 해석의 편의를 위하여 다음과 같은 가정을 한다.
i) 자화 인덕터(230)는 자화 인덕터(230)의 전류 리플(Ripple)이 무시될 만큼 매우 크고, ii) 본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터(1)의 구성 소자는 이상적(Ideal)이며, iii) 출력 커패시터(710)는 출력 전압(Vo)의 전압 리플이 무시될 만큼 매우 크고, iv) 블로킹 커패시터(710)는 블로킹 커패시터(710)에 걸린 전압(Vc)의 전압 리플이 무시될 만큼 매우 크며, v) 모든 동작은 정상 상태이다.
또한, 전원(100)과 Vin, 누설 인덕터(210)와 Llk, 자화 인덕터(230)와 Lm, 스위치(400)와 M, 제 1 다이오드(510)와 D1, 제 2 다이오드(520)와 D2, 공진형 클램프 커패시터(600)와 Cs, 출력 커패시터(710)와 Co, 출력 부하 저항(730)과 Ro, 블로킹 커패시터(800)와 Cc, 출력 다이오드(900)와 D3는 동일한 구성 요소를 지칭하는 용어로 정의한다.
또한, ipri는 탭 인덕터(300)의 1차측 전류를 의미하고, VLK는 누설 인덕터(210)를 의미하고, VLm은 자화 인덕터(230)에 걸리는 전압을 의미하고, ids는 스위치(400)의 드레인과 소스에 흐르는 전류를 의미하고, Vsec은 탭 인덕터(300)의 2차측 전압을 의미하고, Vc는 블로킹 커패시터(800)에 걸리는 전압을 의미하고, isec은 탭 인덕터(300)의 2차측 전류를 의미하고, VD1은 제 1 다이오드(510)에 걸리는 전압을 의미하고, iD1은 제 1 다이오드(510)를 흐르는 전류를 의미하고, Vs는 공진형 클램프 커패시터(600)에 걸리는 전압을 의미하고, ics는 공진형 클램프 커패시터(600)를 흐르는 전류를 의미하고, VD2는 제 2 다이오드(520)에 걸리는 전압을 의미하고, iD2는 제 2 다이오드(520)를 흐르는 전류를 의미하고, VD3는 출력 다이오드(900)에 걸리는 전압을 의미하고, iD3는 출력 다이오드(900)에 흐르는 전압을 의미한다.
도 3a의 (a)는 t0~t1의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. 도 3a의 (b)를 참조하면, t0 이전 상태는 스위치(400)가 오프 상태이며, 자화 인덕터(230)에 저장된 에너지는 출력 다이오드(900)를 통해 출력측으로 에너지가 전달되고 있다. t0~t1에는 스위치(400)가 온(on)된 상태가 도시되고, 도 3a의 (a)에는 그 도통 경로가 도시된다.
(b)와 같이, 스위치(400)의 양단 전압(Vds)은 Vo/(1+N)에서 OV로 급격한 기울기로 떨어짐과 동시에 탭 인덕터(300)의 1차측 전류(ipri)는 증가하고, 2차측 전류(isec)는 감소한다. 또한, 2차측 전류(isec)는 누설 인덕터(210)와 자화 인덕터(230)에 의해 서서히 0A로 감소하고, 1차측 전류(ipri)는 서서히 증가한다.
따라서, 스위치(400)에 흐르는 전류인 ipri-isec도 서서히 증가하므로, 스위치(400)가 온 되었을 때, 전압과 전류가 겹치는 부분이 거의 없고, 이에 따라 스위칭 손실을 낮출 수 있다.
도 3b의 (a)는 t1~t2의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. 도 3b의 (b)를 참조하면, 1차측 전류(ipri)가 증가하여 자화 인덕터(230)의 전류(iLm)와 동일해지고, 2차측 전류(isec)가 0A가 될 때 t1~t2 동작이 시작된다. 이때, 출력 다이오드(900)는 오프(off)되고, 제 2 다이오드(520)가 온(on)하여 (a)와 같은 도통 경로가 형성된다. 이에 따라, 공진형 클램프 커패시터(600)와 누설 인덕터(210)가 서로 공진하여 블로킹 커패시터(800)에 걸리는 전압은 -Vin을 향해 감소한다.
도 3c의 (a)는 t2~t3의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. 도 3b의 (b)를 참조하면, 공진형 클램프 커패시터(600)에 걸리는 전압이 -Vin에 도달하면 t2~t3 동작이 시작된다. 이때, 제 1 다이오드(510)가 도통하여 (a)와 같은 도통 경로가 형성되며, 스위치(400)가 온되어 있으므로, 누설 인덕터(210) 및 자화 인덕터(230)에는 입력 전압 Vin이 인가될 수 있다. 이때, 자화 인덕터(230)에는 에너지가 저장되며, 동시에 블로킹 커패시터(800)에는 탭 인덕터(300)의 턴 비에 의해 NVin으로 충전된다.
도 3d의 (a)는 t3~t4의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. 도 3d의 (b)를 참조하면, 블로킹 커패시터(800)의 충전이 완료되면, 제 1 다이오드(510)와 제 2 다이오드(520)는 (a)와 같이 오프되고, 스위치(400)가 여전히 온 되어 있으므로, 도 3c와 마찬가지로 누설 인덕터(210) 및 자화 인덕터(230)에는 입력 전압 Vin이 인가되어, 자화 인덕터(230)에는 에너지가 저장된다.
도 3e의 (a)는 t4~t5의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. (a)를 참조하면, 스위치(400)가 오프되면 (a)와 같은 도통 경로를 형성하고, (b)와 같이 스위치(400)의 전류는 iLm에서 0A로 급격한 기울기로 떨어진다. 이와 동시에, 누설 인덕터(210)와 자화 인덕터(230)에 저장된 에너지는 제 1 다이오드(510)를 통해 공진형 클램프 커패시터(600)를 충전시키므로, 공진형 클램프 커패시터(600)에 걸리는 전압은 -Vin에서부터 서서히 증가하기 시작한다. 또한, 스위치(400)의 양단 전압은 Vin+Vcs이므로, 0V에서부터 서서히 증가하기 시작하고, 이에 따라 스위치(400)의 오프시 전압과 전류가 겹치는 부분이 거의 없어 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
도 3f의 (a)는 t5~t6의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. (b)를 참조하면, 스위치(400)의 전압인 Vds가 Vo/(1+N)에 도달하면, (a)와 같이 출력 다이오드(900)가 도통하게 되고, 공진형 클램프 커패시터(600)와 누설 다이오드(210)는 서로 공진하여 (b)와 같이 공진형 클램프 커패시터(600)의 전압(Vs)과 스위치(400)의 전압(Vds)은 증가하며, 1/4 공진 주기 이후 제 1 다이오드(510)의 전류(iD1)는 0이 된다. 이와 동시에, 2차측 전류(isec)가 iLm/(N+1)에 도달하게 되면 t5~t6의 동작은 끝난다.
도 3g의 (a)는 t6~t7의 동작에 따른 도통 경로를 도시한다. (b)를 참조하면, 2차측 전류(isec)가 iLm/(N+1)에 도달하게 되면, (a)와 같은 도통 경로를 형성하며, 누설 인덕터(210)와 자화 인덕터(230)에 저장된 에너지는 출력측으로 전달된다. 이후, 스위치(400)가 다시 온 될 때, t6~t7의 동작은 끝나게 된다.
이하에서는, 상술한 동작 과정에 따른 전압 관계식을 유도한다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 각부 전압관계식을 도출함에 있어 편의를 위하여, t0~t2와 t4~t6의 동작은 무시하기로 한다.
탭 인덕터(300)의 2차측은 스위치(400)가 온인 DTs 기간동안, Vc의 전압이 인가되고, 스위치(400)가 오프인 (1-D)Ts 기간동안 -(Vo-Vc-Vin)N/(N+1) 전압이 인가되므로, 탭 인덕터(300)의 2차측에 대하여 전압시간 평형조건을 적용하면 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112013057590611-pat00001
상기 수학식 1을 정리하면, Vc는 하기 수학식 2와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112013057590611-pat00002
한편, 자화 인덕터(230)의 1차측 전압(VLm)은 스위치(400)가 온인 DTs 기간동안 Vin 전압이 인가되고, 스위치(400)가 오프인 (1-D)Ts 기간동안 -(Vo-Vin-Vc)/(1+N) 전압이 인가되므로, 탭 인덕터(300)의 1차측에 대하여 전압시간 평형조건을 적용하면 다음과 같다.
Figure 112013057590611-pat00003
따라서, 수학식 2를 수학식 3에 대입하여 정리하면 아래 수학식 4와 같이 도출될 수 있다.
Figure 112013057590611-pat00004
여기서, Vo는 출력 전압을 의미하고, Vin은 입력 전압을 의미하고, N은 상기 탭 인덕터의 변환 계수(턴 비)를 의미하고, D는 듀티비(Duty Ratio)를 의미한다.
도 4는 도 1의 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터의 실험 결과 파형을 종래 기술의 부스트 컨버터와 비교한 도면이다. 도 4의 (a)는 본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터를 시뮬레이션 툴을 이용하여 실험한 결과를 도시한다.
모의실험에 사용된 입출력 사양은 입력 전압은 24V, 출력 전압 및 전력은 250V/100W, 누설 인덕터(210)는 10uH, 자화 인덕터(230)는 100uH, 턴 비는 1:4, 공진형 클램프 커패시터(600)는 47nF이다.
(a)를 참조하면, 트랜스포머의 인덕터 성분과 기생 커패시터의 공진에 상관없이, 각 소자의 전압은 입출력 전압에 의해 클램프되고 있음을 알 수 있다. 또한, 스위치(400)가 턴 온 될 때, 스위치(400)의 전류가 낮은 기울기를 가지고 상승하므로, 스위치(400)의 양단 전압(Vds)와 전류(ids)가 겹치는 부분이 거의 없다. 또한, 스위치(400)의 턴 오프시 스위치(400)의 전압이 낮은 기울기를 가지고 상승하므로, 스위치(400)의 양단 전압(Vds)와 전류(ids)가 겹치는 부분이 없으므로 실제 구현시 스위칭 손실이 매우 낮음을 알 수 있다.
반면, (b)를 참조하면, 기존 탭 인덕터 부스트 컨버터를 동일한 조건을 사용하여 모의 실험한 결과를 도시한다. (b)를 보면 알 수 있듯이, 트랜스포머의 인덕터 성분과 기생 커패시터의 공진에 의하여 스위치와 다이오드의 전압 스트레스가 높다. 특히, 동일한 출력 부하에 대하여 탭 인덕터의 자화 인덕터의 전류 크기가 7.5A로 본 발명 보다 높은 것을 알 수 있으며, 기존 방식의 경우 탭 인덕터의 포화를 막기 위하여 더 많은 수의 권선수와 큰 공극 및 큰 크기의 자기 코어가 요구된다.
본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터는, 부스트 컨버터 자체의 승압비에, 트랜스포머의 턴 비 및 블로킹 커패시터의 전압까지 더해지므로 기존의 탭 인덕터 부스트 컨버터보다 높은 입출력 승압비를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터는, 스위치가 온 상태일 때 누설 인덕턴스로 인하여 영전류 스위칭을 가능케 하고, 스위치 오프일 때 공진형 클램프 커패시터에 의해 영전압 스위칭을 가능하게 하므로, 스위칭 손실을 획기적으로 줄일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터는, 시스템 효율 및 발열을 개선할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 전원에 제1단이 연결되는 누설 인덕터;
    제1단이 상기 누설 인덕터의 제2단과 연결되는 탭 인덕터;
    제1단이 상기 누설 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 탭 인덕터의 제2단과 연결되는 자화 인덕터;
    제1단이 상기 탭 인덕터의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 전원의 제2단과 연결되는 스위치;
    제1단이 상기 탭 인덕터의 제2단과 연결되는 제 1 다이오드;
    제1단이 상기 제 1 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 탭 인덕터의 제3단과 연결되는 제 2 다이오드;
    제2단이 상기 제 1 다이오드의 제2단과 상기 제 2 다이오드의 제1단 사이에 연결되고, 제1단이 상기 전원의 제1단과 상기 누설 인덕터의 제1단 사이에 연결되고, 상기 스위치의 턴 오프(Turn off)시 양단 전압의 클램프 및 영전압 스위칭을 위하여 구비되는 공진형 클램프 커패시터;
    제1단이 상기 제 2 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 스위치의 제2단과 연결되는 출력 커패시터;
    제1단이 상기 출력 커패시터의 제1단과 연결되고, 제2단이 상기 출력 커패시터의 제2단과 연결되는 출력 부하 저항; 및
    제1단이 상기 탭 인덕터의 제3단과 연결되고, 제2단이 상기 제 2 다이오드의 제2단과 연결되는 블로킹 커패시터;
    를 포함하고,
    상기 스위치가 온(on)인 경우, 상기 전원, 공진형 클램프 커패시터, 블로킹 커패시터, 탭 인덕터, 스위치를 통한 도통 경로가 형성되고, 상기 공진형 클램프 커패시터와 상기 누설 인덕터가 서로 공진하여 상기 공진형 클램프 커패시터에 걸리는 전압이 음(-)의 전압으로 감소됨으로써 영전류 턴 온(Turn on)되고,
    상기 스위치가 오프(off)인 경우, 상기 누설 인덕터, 탭 인덕터, 제 1 다이오드, 공진형 클램프 커패시터를 통한 도통 경로가 형성되어 상기 공진형 클램프 커패시터에 걸리는 전압이 양(+)의 전압으로 증가하여 영전압 턴 오프(Turn off)되는 것인, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1단이 상기 블로킹 커패시터의 제2단 및 상기 제 2 다이오드의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 출력 커패시터의 제1단과 연결되는 출력 다이오드;
    를 더 포함하는 것인, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진형 클램프 커패시터의 제1단은 전압레벨이 일정하게 유지되는 노드에 연결가능한 것인, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 부하 저항에 걸리는 출력 전압은 하기 수학식에 의해 산출되는 것인, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터:
    Figure 112013057590611-pat00005

    여기서, Vo는 출력 전압을 의미하고, Vin은 입력 전압을 의미하고, N은 상기 탭 인덕터의 변환 계수를 의미하고, D는 듀티비(Duty Ratio)를 의미한다.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 BJT(Bipolar Juction Transistor), JFET(Junction Field-Effect Transistor), MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), GaAs MESFET(Metal Semiconductor FET) 중 적어도 하나인 것인, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터.
  10. 전원으로부터 인가받은 전류를 적어도 하나의 인덕터에서 저장하고, 스위치의 온/오프(on/off) 동작에 따라, 상기 적어도 하나의 인덕터에 저장된 전류에 대응하는 전압과, 상기 전원의 전압이 합산되어 승압된 상태로 전압을 출력하는 부스트 컨버터;
    변환 계수에 따라 증가된 전압을 출력하는 탭 인덕터;
    상기 스위치의 온/오프 동작에 따라 전압이 충전되는 공진형 클램프 커패시터;
    상기 탭 인덕터와 연결되고, 상기 변환 계수에 대응하는 전압을 충전하는 블로킹 커패시터;
    상기 부스트 컨버터, 탭 인덕터, 블로킹 커패시터의 출력에 기초하여 승압된 전압이 인가되는 출력 부하 저항
    을 포함하고,
    상기 스위치가 온(on)인 경우, 상기 전원, 공진형 클램프 커패시터, 블로킹 커패시터, 탭 인덕터, 스위치를 통한 도통 경로가 형성되고, 상기 공진형 클램프 커패시터에 걸리는 전압이 음(-)의 전압으로 감소되어 영전류 턴 온(Turn on)되고,
    상기 스위치가 오프(off)인 경우, 상기 탭 인덕터, 공진형 클램프 커패시터를 통한 도통 경로가 형성되어 상기 공진형 클램프 커패시터에 걸리는 전압이 양(+)의 전압으로 증가하여 영전압 턴 오프(Turn off)되는 것인, 전압 클램프 승압형 부스트 컨버터.
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