KR101507139B1 - 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력한 전압보다 높은 전압을 출력하기 위한 부스트 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 전압을 기준전압생성부로 피드백하여 일정한 기준 전압을 생성하고, 이를 이용해 원하는 출력 전압에 도달할 수 있도록 함으로써 입력 전압의 변화에 상관 없이 일정한 출력 전압을 생성할 수 있는 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명에 대하여 설명하면, 본 발명은 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하기 위한 부스트 컨버터(Boost Converter)에 있어서, 상기 부스트 컨버터에 입력 전압(V_IN)을 인가하는 전압입력부, 상기 전압입력부와 출력전압부의 사이에 연결되어 전류의 역류를 방지하는 정류부, 상기 입력 전압의 소정의 비율을 갖는 출력 전압(V_OUT)을 생성하는 출력전압부, 상기 출력전압부에서 생성한 출력 전압(V_OUT)의 크기를 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})을 이용해 판단하는 출력전압판단부, 상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})과 비교될 기준 전압(V_REF)을 생성하는 기준전압생성부, 상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT}) 및 상기 기준전압생성부에서 생성한 기준 전압(V_REF)의 크기를 비교하는 전압비교부 및 상기 전압비교부에서 비교한 결과에 따라 펄스 신호의 듀티(Duty)를 변화시키는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM)부를 포함하되, 상기 듀티는 상기 펄스 신호의 한 주기 중 온(On) 신호 시간을 상기 펄스 신호의 한 주기 시간으로 나눈 값에 해당하며, 상기 기준전압생성부는 상기 출력 전압을 피드백(Feedback)하여 공급 전압으로 이용하는 것을 특징으로 하는 선로 전압 변동률(Line Regulation)이 향상된 부스트 컨버터를 제공한다.

Description

선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터{BOOST CONVERTER IMPROVED LINE REGULATION}

본 발명은 입력한 전압보다 높은 전압을 출력하기 위한 부스트 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 전압(V_OUT)을 기준전압생성부로 피드백하여 일정한 기준 전압(V_REF)을 생성하고, 이를 이용해 원하는 출력 전압(V_OUT)에 도달할 수 있도록 함으로써 입력 전압(V_IN)의 변화에 상관 없이 일정한 출력 전압(V_OUT)을 생성할 수 있는 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터에 관한 것이다.

근래에 연료전지나 배터리 기반의 전기 구동 시스템, 반도체 제조장비, 대형 디스플레이 장치, 초음파 및 엑스레이(X-ray) 장치 등을 위해 낮은 DC 전압을 승압(昇壓)할 수 있는 다양한 전원 장치들이 연구·개발되고 있다.

이러한 전원 장치들 중 대표적인 것으로 부스트 컨버터(Boost Converter)를 들 수 있다. 부스트 컨버터란 전압을 승압시킬 수 있는 회로를 지칭하는 것으로서, 입력 전압(V_IN)에 비해 높은 출력 전압(V_OUT)을 얻을 수 있으며, 이에 반해 출력 전류(I_OUT)는 입력 전류(I_IN)보다 작게 되어 에너지 보존 법칙에 위배되지 않는 특징을 갖는다.

기본적인 부스트 컨버터의 동작 원리를 살펴보면, 먼저 입력단에 전원이 인가되면 전류가 인덕터(Inductor)를 통해 흐르면서 상기 인덕터에 에너지가 축적된다.

이후, 스위치(Switch)의 이용으로 전원의 인가가 정지되면 상기 인덕터에 저장되었던 에너지가 방출되는데, 이 방출되는 에너지는 에너지의 저장을 위해 입력된 전류와는 반대의 극성을 가지게 된다.

이와 같이 전류를 흘리다가 끊어버리면 흐르던 반대 방향으로 전류가 흐르는 현상을 역기전력(Counter Electromotive Force)이라 하는데, 이러한 역기전력이 발생하면서 짧은 순간이지만 전압이 올라가게 되고, 자체유도 현상에 의해 이 현상이 꽤 오랫동안 유지되게 된다.

이렇게 만들어진 출력 전압(V_OUT)은 출력되어 나가게 되며, 이 때 필요한 성분의 전류만 걸러내기 위해 다이오드 등으로 정류를 거치게 된다.

위와 같은 현상이 꽤 오랫동안 유지된다고 하여도 수 십 내지 수 백분의 1초 동안 유지될 뿐이므로 일정한 출력을 얻기 위해서는 상기와 같은 과정을 지속적으로 반복해야 한다. 즉, 스위칭이 매우 빠르게 진행되는 과정을 필요로 하기 때문에 펄스 신호를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 펄스 신호의 온(On)/오프(Off) 시간의 비(Duty Ratio)는 부스트 컨버터의 이득(Gain)과 관련된다. 이는 뒤에서 다시 설명하기로 한다.

그러나 이러한 종래의 부스트 컨버터는 원하는 출력 전압(V_OUT)의 크기를 유지·조절하기 위해 기준 전압(V_REF)과의 비교 기능 및 펄스 폭 변조 기능을 갖춤과 동시에 기준 전압(V_REF)의 생성에 입력 전압(V_IN)이 이용되는 것이 일반적이나, 상기 기준 전압(V_REF)의 경우 입력 전압(V_IN)이 변화하는 경우 이에 대응하여 그 크기가 변화하는 문제점이 존재하였다.

이는 기준 전압(V_REF)이 변화하게 되면 출력 전압(V_OUT) 또한 일정하게 유지되지 않고 기준 전압(V_REF)의 변화에 맞춰 요동치게 되어 선로 전압 변동률(Line Regulation) 특성이 나빠지기 때문이다.

따라서, 부스트 컨버터의 출력 전압이 일정한 즉, 선로 전압 변동률이 개선된 부스트 컨버터의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 부스트 컨버터의 출력 전압(V_OUT)을 기준 전압(V_REF)의 생성에 이용함으로써, 입력 전압(V_IN)의 변화에 영향을 받지 않는 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하기 위한 부스트 컨버터(Boost Converter)에 있어서, 상기 부스트 컨버터에 입력 전압(V_IN)을 인가하는 전압입력부, 상기 전압입력부와 출력전압부의 사이에 연결되어 전류의 역류를 방지하는 정류부, 상기 입력 전압의 소정의 비율을 갖는 출력 전압(V_OUT)을 생성하는 출력전압부, 상기 출력전압부에서 생성한 출력 전압(V_OUT)의 크기를 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})을 이용해 판단하는 출력전압판단부, 상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})과 비교될 기준 전압(V_REF)을 생성하는 기준전압생성부, 상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT}) 및 상기 기준전압생성부에서 생성한 기준 전압(V_REF)의 크기를 비교하는 전압비교부 및 상기 전압비교부에서 비교한 결과에 따라 펄스 신호의 듀티(Duty)를 변화시키는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM)부를 포함하되, 상기 듀티는 상기 펄스 신호의 한 주기 중 온(On) 신호 시간을 상기 펄스 신호의 한 주기 시간으로 나눈 값에 해당하며, 상기 기준전압생성부는 상기 출력 전압을 피드백(Feedback)하여 공급 전압으로 이용하는 것을 특징으로 하는 선로 전압 변동률(Line Regulation)이 향상된 부스트 컨버터를 제공한다.

본 발명에서 상기 정류부는 적어도 하나 이상의 다이오드(Diode)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 출력전압부는 적어도 하나 이상의 커패시터(Capacitor)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 상기 입력 전압(V_IN)에 대비한 소정 비율은 "1 / (1 - D)"에 해당하는 것이 바람직하다(상기 D는 듀티이다).

본 발명에서 상기 출력전압판단부는 적어도 2개 이상의 저항을 포함하여 구성되며, 상기 2개 이상의 저항 양단에 걸리는 상기 출력 전압(V_OUT)을 각 저항의 크기 및 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})을 이용해 연산하여 판단하는 것을 특징으로 하는 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터.

본 발명의 상기 펄스폭변조부는, 상기 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})이 상기 기준 전압(V_REF)보다 낮을 경우 상기 펄스 신호의 듀티(D)를 증가시키고, 상기 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})이 상기 기준 전압(V_REF)보다 높을 경우 상기 펄스 신호의 듀티(D)를 감소시키도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 펄스 신호는 N형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 게이트(GATE)로 입력될 수 있다.

본 발명에서 상기 부스트 컨버터의 초기 구동 시에는 입력 전압(V_IN)으로 출력 전압(V_OUT)을 생성함과 동시에 상기 기준전압생성부를 동작시키고, 부스팅이 시작된 후에는 부스팅된 출력 전압(V_OUT)만을 이용해 상기 기준전압생성부를 동작시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 부스트 컨버터의 출력 전압(V_OUT)을 피드백하여 기준 전압(V_REF) 생성의 공급 전압으로 이용함으로써, 입력 전압(V_IN)의 변화에도 일정한 기준 전압(V_REF)이 생성되고, 이에 의해 일정한 출력 전압(V_OUT)이 생성되며, 이와 같은 과정이 반복되는 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 부스트 컨버터의 동작 원리를 나타낸 예시도.
도 2는 종래의 부스트 컨버터의 구성 및 선로 전압 변동률 특성을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터의 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터의 상세구성도.
도 5는 종래의 부스트 컨버터의 선로 전압 변동률을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터의 선로 전압 변동률을 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

부스트 컨버터(Boost Converter)의 출력 전압(V_OUT)을 기준 전압(V_REF) 생성을 위한 공급 전압으로 이용함으로써, 입력 전압(V_IN)의 변화에 영향을 받지 않는 선로 전압 변동률(Line Regulation)이 향상된 부스트 컨버터를 제공하기 위한 본 발명은, 부스트 컨버터에 입력 전압(V_IN)을 인가하는 전압입력부와, 상기 전압입력부에서 출력전압부 방향으로 흐르는 전류의 역류를 방지하기 위해 상기 전압입력부 및 출력전압부 사이에 연결되는 정류부와, 상기 입력 전압(V_IN)에 대비하여 소정 비율의 전압 크기를 갖는 출력 전압(V_OUT)을 생성하는 출력전압부와, 상기 출력전압부에서 생성한 출력 전압(V_OUT)의 크기를 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})을 이용해 판단하는 출력전압판단부와, 상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})과 비교될 기준 전압(V_REF)을 생성하는 기준전압생성부와, 상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT}) 및 상기 기준전압생성부에서 생성한 기준 전압(V_REF)의 크기를 비교하는 전압비교부 및 펄스 신호(Pulse Signal)를 생성하며, 상기 전압비교부의 전압 비교 결과에 따라 상기 펄스 신호의 듀티(Duty, D)를 변화시키는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM)부를 포함하되, 상기 기준전압생성부는 상기 출력 전압(V_OUT)을 피드백(Feedback)하여 공급 전압으로 이용하는 것을 특징으로 하는 구성을 갖는다. 아울러 상기 듀티(D)는 상기 펄스 신호의 한 주기 중 온(On) 신호 시간을 상기 펄스 신호의 한 주기 시간으로 나눈 값에 해당한다.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 부스트 컨버터는 입력 전원을 부스팅하여 증폭시킬 수 있는 구성을 갖는다. 본 발명에 대한 상세한 설명에 앞서 종래의 부스트 컨버터의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 펄스 신호가 온(On)인 경우에는 N형 MOSFET이 온되며, 인덕터(Inductor)를 통해 인덕터 전류(I_L)가 흐르면서 상기 인덕터에 에너지가 저장된다.

이후, 펄스 신호가 오프(Off)인 경우 N형 MOSFET이 오프되며, 인덕터에 저장되어 있던 에너지는 정류를 위한 다이오드를 통해 전류의 형태로 출력단으로 전달된다.

에너지 보존 법칙에 의해 인덕터에 저장된 인덕터 전류(I_L)와 인덕터에서 전달되는 전류는 동일한 에너지를 가져야 하므로 그 관계를 이용해 입력 전압(V_IN) 대비 소정의 비율을 갖는 출력 전압(V_OUT)을 추출해낼 수 있는 것이다.

이러한 특성을 갖는 회로를 부스트 컨버터라 부르며, 펄스 신호의 듀티(D)에 의해 입력 전압(V_IN)에 따른 출력 전압(V_OUT)의 값이 결정될 수 있는데, 이에 대한 설명은 후술하기로 한다.

펄스 신호에 대응하는 인덕터 전류(I_L)의 크기가 도 1의 (C)에 도시되며, 앞서 설명한 바와 같이 펄스 신호가 온인 경우 인덕터를 통해 상기 인덕터 전류(I_L)가 증가하며, 반대로 펄스 신호가 오프인 경우 상기 인덕터 전류(I_L)는 감소하게 된다.

그리고 상기 인덕터 전류(I_L)의 기울기는 인덕터 소자의 특성, 입력 전압(V_IN) 및 출력 전압(V_OUT)에 의해 결정되며, 그 값은 상기 펄스 신호가 온일 때 V_IN / L, 상기 펄스 신호가 오프일 때 (V_IN - V_OUT) / L 에 해당한다.

도 2에는 종래의 부스트 컨버터의 구성 및 선로 전압 변동률 특성을 나타낸 예시도가 도시된다.

본 발명에서의 용어 중 선로 전압 변동률이란 선로 전압이 계단상으로 변화하였을 때 생기는 출력 전압(V_OUT)의 정상 상태에서의 최대 변화량을 말한다.

출력의 백분율에 의해서 또는 변화량의 절대값에 의해서 표시되는 것이 바람직하며, 이와 대응하여 선로 전류가 계단상으로 변화하였을 때 생기는 출력 전류(I_OUT)의 정상 상태에서의 최대 변화량을 선로 전류 변동률이라 한다.

도 2의 (a)를 살펴보면, 기준 전압(V_REF)을 생성하기 위한 구성이 부스트 컨버터의 입력 전압(V_IN)을 공급 전압으로 이용하는 것을 확인할 수 있다.

즉, 원하는 출력 전압에 도달하기 전·후에 관계 없이 입력 전압(V_IN)의 크기가 변하게 되는 경우 기준 전압(V_REF)을 생성하기 위한 구성의 공급 전압 또한 변하게 되어 생성되는 기준 전압(V_REF)의 값도 변하게 된다는 뜻이다.

기준 전압(V_REF)의 값이 변동되면, 상기 기준 전압(V_REF)의 크기와 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})을 비교하여 이를 토대로 출력 전압(V_OUT)이 목표하는 값에 도달하였는지 여부를 검토하기 때문에 도출되는 출력 전압(V_OUT) 또한 변동되는 결과를 초래하게 된다.

도 2의 (b)에 입력 전압(V_IN)의 변화에 따른 기준 전압(V_REF)의 크기를 이상적인 경우와 실제적인 경우로 나누어 비교한 그래프가 도시되어 있으며, 상기 그래프를 분석하면, 이상적인 경우에는 입력 전압(V_IN)의 크기 변화와 무관하게 기준 전압(V_REF)의 크기가 일정하게 유지되는 것을 알 수 있으나, 실제로는 입력 전압(V_IN)의 크기가 커질수록 기준 전압(V_REF)의 크기도 이와 비례하여 커지는 것을 확인할 수 있다.

결국, 입력 전압(V_IN)의 크기 변화에 따라 기준 전압(V_REF)의 크기가 변화하고, 기준 전압(V_REF)의 크기 변화에 따라 출력 전압(V_OUT)의 크기가 변화하게 되어 선로 전압 변동률(Line Regulation) 특성이 좋지 않게 되는 것이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전압입력부(100), 정류부(200), 출력전압부(300), 출력전압판단부(400), 기준전압생성부(500), 전압비교부(600) 및 펄스폭변조부(700)로 구성되며, 도 3에 본 발명의 일실시예에 따른 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터의 구성도가, 도 4에 본 발명의 일실시예에 따른 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터의 상세구성도가 도시된다.

아울러 본 발명은 스위치의 역할을 대신하기 위한 펄스 신호를 인가할 수 있는 소자 또한 필요하며, 상기 소자는 N형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)일 수 있다.

여기서 상기 MOSFET이란 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터를 지칭하는 것으로, 디지털(Digital) 회로와 아날로그(Analog) 회로에서 가장 일반적인 전계효과 트랜지스터에 해당한다. 이 중 N형 MOSFET이란 N형 반도체 재료의 채널로 구성되어 있는 것이며, 이러한 재료에 따라 N형 MOSFET, P형 MOSFET 또는 C형 MOSFET으로 분류할 수 있다.

상기 전압입력부(100)는 부스트 컨버터를 이용해 달성하고자 하는 출력 전압(V_OUT)을 획득하기 위해 인가해주는 입력 전압(V_IN)에 해당하며, DC 전압을 이용하는 것이 바람직하다. 에너지의 저장을 위한 소자가 포함될 수 있으며, 상기 소자는 인덕터(L)인 것이 바람직하다.

펄스폭변조부(700)가 제공하는 펄스 신호의 온(On) 시 입력 전압(V_IN)으로 인해 상기 인덕터에 인덕터 전류(I_L)가 흐르고 있는 가운데 상기 펄스 신호가 오프(Off)되면, 흐르던 상기 인덕터 전류(I_L)가 순식간에 0이 되면서 매우 높은 전압이 발생하고, 이로 인해 역기전력이 발생하는 원리를 이용하는 것이다.

그리고 상기 정류부(200)는 적어도 하나 이상의 다이오드(Diode: D)를 포함하도록 구성됨으로써 스위치의 온/오프의 역할을 하는 펄스 신호의 오프 시 인덕터에 저장되어 있는 에너지를 전류(I_L)의 형태로 출력전압부 방향을 향해 흘려주게 된다.

마찬가지로 펄스 신호의 온 시에는 출력전압부의 방향으로 인덕터 전류(I_L)가 흐르는 것을 방지하는 기능을 수행한다.

한편, 상기 출력전압부(300)는 적어도 하나 이상의 커패시터(Capacitor: C_OUT)를 포함하여 입력 전압(V_IN)을 소정의 비율로 증폭한 출력 전압(V_OUT) 값을 얻을 수 있는 기능을 수행하며, 본 발명에서의 출력전압부는 출력 전압(V_OUT)을 기준전압생성부의 공급 전압으로 제공할 수 있도록 한다.

그리고 상기 출력전압판단부(400)는 현재 출력 전압(V_OUT)의 값을 판단하는 기능을 수행한다. 도면에 나타난 실시예에서는 2개의 저항(R₁, R₂)으로 구성되어 상기 2개의 저항 양단에 걸리는 출력 전압(V_OUT)을 각 저항의 크기 및 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})을 이용해 연산함으로써 상기 출력 전압(V_OUT)의 크기를 판단하도록 구성된다.

다시 말해, 출력 전압(V_OUT)이 V_O이고, 2개의 저항이 각각 R₁과 R₂인 경우 상기 출력전압판단부에서 측정하게 되는 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT}) V₁은 R₂ / (R₁ + R₂) x V_O 가 되므로, 출력 전압(V_OUT) V_O는 (R₁ + R₂) / R₂ x V₁ 이 된다.

그 외에도 별도의 전압측정기를 배치하거나 2개 미만의 저항 또는 3개 이상의 저항을 배치하여 상기 출력전압판단부를 구성할 수 있으나, 출력 전압(V_OUT)에 영향을 줄 수 있는 수단은 가급적 배제하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기준전압생성부(500)는 출력전압부의 출력 전압(V_OUT)을 공급 전압으로 제공받고, 이를 기준 전압 생성(V_REF)에 이용할 수 있다. 수시로 변화할 수 있는 입력 전압(V_IN) 대신 일정한 값을 유지하는 출력 전압(V_OUT)을 공급 전압으로 제공받음으로써 일정한 기준 전압(V_REF)을 생성할 수 있게 되기 때문이다.

그리고 상기 전압비교부에서(600) 기준전압생성부에서 만들어진 기준 전압(V_REF)과 출력전압판단부에서 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT}) 을 비교하게 된다. 상기 기준 전압(V_REF)은 출력 전압(V_OUT)이 도달해야 하는 목표 전압에 도달하였는지를 판단할 수 있는 기준에 해당하며, 따라서 기준 전압(V_REF)을 부스트 컨버터가 목적으로 하는 전압 크기에 해당하도록 설정함으로써 목표에 도달할 때까지 부스팅을 반복적으로 수행하게 된다.

상기 전압비교부에서 기준 전압(V_REF)과 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})의 크기를 비교한 결과 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})이 기준 전압(V_REF)(목표 전압)보다 낮을 경우에는 상기 펄스폭변조부(700)에서 펄스 신호의 듀티(D)를 늘려 출력 전압(V_OUT)을 증가시키고, 디바이딩 출력 전압(V_{REF _ OUT})이 기준 전압(V_REF)보다 높은 경우에는 상기 펄스폭변조부(700)에서 펄스 신호의 듀티(D)를 줄여 출력 전압(V_OUT)을 감소시키는 과정을 거치게 된다.

상기 펄스 신호의 듀티(D)를 조절하여 입력 전압(V_IN)에 대응하는 출력 전압(V_OUT)의 비율을 계산하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 펄스 신호가 온(On)인 경우에는 N형 MOSFET이 온되며, 인덕터(Inductor, L)를 통해 인덕터 전류(I_L)가 흐르면서 상기 인덕터(L)에 에너지가 저장된다. 이 때 흐르는 인덕터 전류(I_L)의 값은 dI_ON = (V_IN x dT_ON) / L 이 된다.

이후, 펄스 신호가 오프(Off)인 경우 N형 MOSFET이 오프되며, 인덕터(L)에 저장되어 있던 에너지는 정류를 위한 다이오드(D)를 통해 출력단으로 전달된다. 이 때 흐르는 인덕터 전류(I_L)의 값은 dI_OFF = (V_IN - V_OUT) x dT_OFF / L 이 된다.

에너지 보존 법칙에 의해 두 인덕터 전류(I_L)는 동일하여야 하므로 dI_ON = dI_OFF 가 되며, 상기 수식들을 정리하면 V_OUT / V_IN = 1 / (1 - D) 가 된다.

여기서 D(Duty)는 dT_ON / T 이며, 항상 1보다 작은 값을 가지기 때문에 V_OUT은 V_IN보다 항상 큰 값을 가지게 된다.

위에서 논의한 바와 같이, 출력 전압(V_OUT)은 입력 전압(V_IN)에 "1 / (1 - D)"만큼의 비율을 곱한 값을 출력하게 되므로, 출력 전압(V_OUT)을 증가시키려면 D(듀티) 값을 증가시켜야 하고, 출력 전압(V_OUT)을 감소시키려면 D(듀티) 값을 감소시켜야 한다.

개선된 선로 전압 변동률의 결과를 비교할 수 있는 도면으로서, 도 5에 종래의 부스트 컨버터의 선로 전압 변동률을 나타낸 그래프가 도시되며, 도 6에 본 발명의 일실시예에 따른 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터의 선로 전압 변동률을 나타낸 그래프가 도시된다.

먼저 도 5를 살펴보면, 종래의 일반적인 부스트 컨버터의 경우 입력 전압(V_IN)이 증가하면 기준 전압(V_REF) 또한 증가하고, 기준 전압(V_REF)이 증가하면 따라서 출력 전압(V_OUT)도 증가하게 된다.

마찬가지로 입력 전압(V_IN)이 감소하면 기준 전압(V_REF)도 감소하며, 기준 전압(V_REF)이 감소하면 출력 전압(V_OUT)도 따라서 감소하게 된다. 다만, 입력 전압(V_IN)의 스윙 레벨(Swing Level)은 매우 큰 반면, 이에 따라서 움직이는 기준 전압(V_REF) 및 출력 전압(V_OUT)은 그 스윙 레벨이 상대적으로 작게 형성되나, 그 정도가 작아도 일정한 출력 전압(V_OUT)을 출력할 수 없게 되는 결과가 도출되는 것은 마찬가지이다.

즉, 입력 전압(V_IN)의 변화에 따라 기준 전압(V_REF)이 변화되고, 결과적으로 출력 전압(V_OUT)도 변화하게 되어 선로 전압 변동률 특성이 좋지 않은 문제점이 존재한다.

반면 도 6을 살펴보면, 출력 전압(V_OUT)을 기준전압생성부의 공급 전압으로 이용함으로써, 입력 전압(V_IN)이 증가하거나 감소하는 것과 무관하게 일정한 기준 전압(V_REF)이 생성되고, 이에 의해 일정한 출력 전압(V_OUT) 또한 생성되는 것을 확인할 수 있다.

추가적으로 상기 펄스 신호는 위에서 언급한 MOSFET 종류 중 N형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 이용하여 인가될 수 있으며, 상기 N형 MOSFET의 게이트(GATE) 단으로 입력되는 특징을 갖는다. 상기 N형 MOSFET은 소스(Source)와 드레인(Drain)은 N+ 영역이고, 바디(Body)는 P 영역인 MOSFET을 뜻하며, 이 중 소스 및 드레인 단자가 아닌 게이트 단자로 상기 펄스 신호가 입력될 수 있음을 말한다.

결국 본 발명은 부스트 컨버터의 일정한 출력 전압(V_OUT)을 피드백하여 기준 전압의 생성에 공급 전압으로 이용함으로써, 입력 전압(V_IN)의 변화에도 일정한 기준 전압(V_REF)이 생성되고, 이에 의해 입력 전압(V_IN)이 변화하여도 일정한 출력 전압(V_OUT)이 생성되며, 이와 같은 과정이 반복되어 선로 전압 변동률이 향상된 부스트 컨버터를 제공할 수 있는 장점이 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100: 전압입력부
200: 정류부
300: 출력전압부
400: 출력전압판단부
500: 기준전압생성부
600: 전압비교부
700: 펄스폭변조부
V_IN: 입력 전압
V_REF: 기준 전압
V_OUT: 출력 전압
V_{REF _ OUT}: 디바이딩 출력 전압
L: 인덕터
I_L: 인덕터 전류
D: 다이오드
C_OUT: 커패시터

Claims (8)

1. 입력 전압보다 높은 출력 전압을 생성하기 위한 부스트 컨버터(Boost Converter)에 있어서,
   상기 부스트 컨버터에 직류(Direct Current: DC)의 입력 전압(V_IN)을 인가하며, 적어도 하나 이상의 인덕터(Inductor)를 포함하는 전압입력부;
   상기 전압입력부에서 출력전압부 방향으로 흐르는 전류의 역류를 방지하기 위해 상기 전압입력부 및 출력전압부 사이에 연결되며, 적어도 하나 이상의 다이오드(Diode)를 포함하는 정류부;
   상기 입력 전압(V_IN)에 대비하여 "1 / (1 - D)" 비율(상기 D는 듀티)의 전압 크기를 갖는 출력 전압(V_OUT)을 생성하며, 적어도 하나 이상의 커패시터(Capacitor)를 포함하는 출력전압부;
   적어도 2개 이상의 저항을 포함하며, 상기 2개 이상의 저항 양단에 걸리는 상기 출력전압부에서 생성한 출력 전압(V_OUT)의 크기를 각 저항의 크기 및 측정된 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})을 이용해 연산하여 판단하는 출력전압판단부;
   상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})과 비교될 기준 전압(V_REF)을 생성하는 기준전압생성부;
   상기 출력전압판단부에서 측정한 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT}) 및 상기 기준전압생성부에서 생성한 기준 전압(V_REF)의 크기를 비교하는 전압비교부; 및
   펄스 신호(Pulse Signal)를 생성하며, 상기 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})이 상기 기준 전압(V_REF)보다 낮을 경우 상기 펄스 신호의 듀티(D)를 증가시키고, 상기 디바이딩 출력 전압(V_{REF_OUT})이 상기 기준 전압(V_REF)보다 높을 경우 상기 펄스 신호의 듀티(D)를 감소시키는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM)부; 를 포함하되,
   상기 펄스 신호는 N형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 게이트(GATE)로 입력되고,
   상기 기준전압생성부는 상기 출력 전압(V_OUT)을 피드백(Feedback)하여 공급 전압으로 이용하며,
   부스트 컨버터의 초기 구동 시에는 입력 전압(V_IN)으로 출력 전압(V_OUT)을 생성함과 동시에 상기 기준전압생성부를 동작시키고, 부스팅이 시작된 후에는 부스팅된 출력 전압(V_OUT)만을 이용해 상기 기준전압생성부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 선로 전압 변동률(Line Regulation)이 향상된 부스트 컨버터.
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