KR101935452B1 - Dc-dc 컨버터 및 이를 포함하는 2단 전력단 컨버터 - Google Patents

Dc-dc 컨버터 및 이를 포함하는 2단 전력단 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 2단 전력단 컨버터에 관한 것으로, 복수개의 능동 스위치들이 포함되고, 복수개의 능동 스위치들 중 일부는 가변 듀티비(D)로 동작 가능하고, 나머지 능동 스위치들은 고정 듀티비로 동작될 수 있으며, DC-DC 컨버터의 입출력 전압 변환비는 가변 듀티비(D)에 기초하여 결정될 수 있고, 가변 듀티비(D)의 조정을 통하여 DC-DC 컨버터의 출력이 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 2단 전력단 컨버터{THE DC-DC CONVERTER AND THE TWO-STAGE POWER CONVERTER INCLUDING DC-DC CONVERTER}
본 발명은 DC-DC 컨버터 및 이를 포함하는 2단 전력단 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강압 및 승압이 가능하고, 버스 컨버터와 결합하여 2단 전력단 컨버터를 구성하는 경우 스위치의 공유를 통해 스위치의 개수를 줄일 수 있는 컨버터에 관한 것이다.
비절연형 DC-DC 컨버터 중에서 널리 사용되는 컨버터로서는 벅-컨버터(Buck Converter), 부스트-컨버터(Boost Converter), 벅-부스트 컨버터 (Buck-Boost Converter) 등이 있다.
벅-컨버터는 강압(降壓, Step-Down)형 컨버터로서 출력 전압이 입력 전압 보다 낮은 조건에서만 사용이 가능하고, 부스트-컨버터는 승압(昇壓, Step-Up)형 컨버터로서 출력 전압이 입력 전압 보다 높은 조건에서만 사용이 가능하다.
벅-컨버터 또는 부스트-컨버터는 넓은 입력 전압 범위와 넓은 출력 전압 범위가 요구되어 출력 전압이 입력 전압 보다 크거나 작은 경우가 모두 존재하는 경우 사용하기 어렵다는 단점이 있고, 벅-부스트 컨버터는 승압 및 강압이 가능하나 입력 전압 대비 출력 전압이 반전되어 마이너스 전압으로 출력되어 플러스 전압이 요구되는 경우에 사용이 어렵다는 단점이 존재한다.
종래에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 승압 및 강압이 가능하면서 출력이 반전되지는 않는 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터가 사용되었고, 이는 벅-컨버터로 구성하거나 부스트-컨버터로 구성하여 사용할 수 있고, 전력변환 효율이 높기 때문에 최근 많이 사용되는 추세에 있다.
그러나, 종래의 벅-부스트 컨버터는 입력 전압과 출력 전압이 동일한 값을 갖는 임계점에서 벅-컨버터에서 부스트-컨버터로 변환시키거나 혹은 부스트-컨버터에서 벅-컨버터로 변환시킬 때, 안정적인 출력전압을 제어하기 위해서 매끄러운 천이를(Smooth-Transition) 위하여 별도의 IC소자를 필요로 하고, 다소 복잡한 제어 방법이 사용되어야 하는 단점이 있다.
한편, 입출력 전압의 가변 범위가 넓으면서 전력변환 효율이 높은 절연형 컨버터가 요구될 때, 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터를 버스 컨버터(Bus Converter)에 Cascade 방식으로 연결하여 2단 전력단 컨버터를 구성하여 사용하는 것이 일반적이다.
이 때 사용되는 버스 컨버터의 대표적인 예로서 하프-브리지 컨버터, 풀-브리지 컨버터, 포워드-플라이백 컨버터(Forward-Flyback Converter), LLC 공진형 컨버터(LLC Resonant Converter) 등이 있고, 통상 고정 주파수 및 0.5의 고정 듀티비로 동작시켜 구동한다.
하지만, 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터와 트랜스포머 1차측의 주 스위치가 하프-브리지 구조 또는 풀-브리지 구조를 포함하는 버스 컨버터로 구성되는 2단 전력단 컨버터는 많은 수의 스위치 소자가 요구되어 회로 구성이 복잡하고, 가격 경쟁력이 낮은 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 입력 전압과 출력 전압이 동일한 임계점에서 별도의 소자 또는 복잡한 제어 없이 승압 및 강압이 가능한 벅-부스트 컨버터를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터와 트랜스포머 1차 측의 스위치가 하프-브릿지 또는 풀-브릿지 구조로 구성되는 버스 컨버터를 포함하는 2단 전력단 컨버터의 1차 측 스위치의 수를 줄이면서 승압 및 강압이 가능한 2단 전력단 컨버터를 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 일 실시예로서, 강압 및 승압이 가능한 DC-DC 컨버터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터에는 복수개의 능동 스위치들이 포함되고, 복수개의 능동 스위치들 중 일부는 가변 듀티비(D)로 동작 가능하고, 나머지 능동 스위치들은 고정 듀티비로 동작될 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터의 입출력 전압 변환비는 가변 듀티비(D)에 기초하여 결정될 수 있고, 가변 듀티비(D)의 조정을 통하여 DC-DC 컨버터의 출력이 제어될 수 있다.
DC-DC 컨버터의 복수개의 능동 스위치들은 제1 스위치(M1), 제2 스위치(M2), 제3 스위치(M3) 및 제4 스위치(M4)인 4개의 능동 스위치들일 수 있고, DC-DC 컨버터는 제1 인덕터를 포함할 수 있다.
또한, 제2 스위치는 수동 스위치인 다이오드로 대체 가능할 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터는 벅-부스트 컨버터로 형성될 수 있고, 제2 스위치가 능동 스위치일 경우, 제1 스위치 및 제2 스위치가 각각 D 및 1-D의 가변 듀티비로 교번하여 동작 가능하고, 제3 및 제4 스위치는 각각 고정 듀티비 0.5로 교번하여 동작 가능하며, 벅-부스트 컨버터의 입력 전압과 출력 전압이 동일하게 되는 시점에서 벅-컨버터와 부스트-컨버터 상호 간의 동작 변환이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터는 제1 및 제2 스위치의 구동 주파수와 제3 및 제4 스위치의 구동 주파수가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 스위치의 위상(位相)과 제3 및 제4 스위치의 위상이 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 2단 전력단 컨버터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터는, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 포함하는 벅-부스트 컨버터부, 풀-브릿지 또는 하프-브릿지 방식으로 연결된 버스 컨버터를 포함하는 버스 컨버터부 및 벅-부스트 컨버터부 및 버스 컨버터부에 연결되고, 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 인덕터부를 포함할 수 있고, 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결되는 경우 버스 컨버터부는 제5 스위치(M5) 및 제6 스위치(M6)를 더 포함할 수 있으며, 벅-부스트 컨버터부의 제3 및 제4 스위치가 버스 컨버터부와 공유될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 버스 컨버터부가 하프-브릿지 방식으로 연결된 경우, 제1 및 제2 스위치의 구동 주파수와 제3 및 제4 스위치의 구동 주파수가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 스위치의 위상과 제3 및 제4 스위치의 위상이 상이할 수 있고, 2단 전력단 컨버터의 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우, 제1 및 제2 스위치의 구동 주파수와 제3 및 제4 스위치의 구동 주파수가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 스위치의 위상과 제3 및 제4 스위치의 위상이 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터의 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우, 인덕터부는 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 인덕터를 통하여 제3 및 제4 스위치를 포함하는 브릿지에 흐르는 전류와 제5 및 제6 스위치를 포함하는 브릿지에 흐르는 전류가 대칭적으로 흐를 수 있고, 인덕터부는 벅-부스트 컨버터부와 버스 컨버터부에 전자기 결합으로 연결되는 결합 인덕터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터(10)의 버스 컨버터부(200)가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우, 제3 및 제6 스위치(130, 220)의 듀티비 및 턴온되는 시점이 동일하고, 제4 및 제5 스위치(140, 210)의 듀티비 및 턴온되는 시점이 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 벅-부스트 컨버터는 입력 전압 및 출력 전압 조건에 관계없고, 매끄러운 천이가 필요 없는 승압 및 강압이 가능하여 제어 방법을 단순화시킬 수있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 2단 전력단 컨버터는 벅-부스트 컨버터의 스위치들을 버스 컨버터의 트랜스포머 1차 측의 스위치와 공유가 가능하여 스위치 소자의 수를 감소시키고, 회로의 구성을 간단하게 할 수 있다.
도 1은 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터의 회로를 나타낸다.
도 2는 도 1의 벅-부스트 컨버터와 버스 컨버터로 구성되는 2단 전력단 컨버터의 종래의 블록도를 나타낸다.
도 3a는 도 1의 회로를 벅 컨버터로 동작시키기 위한 종래의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
도 3b는 도 1의 회로를 부스트 컨버터로 동작시키기 위한 종래의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 간 구동 주파수가 상이할 경우의 벅-부스트 컨버터의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상차가 존재할 경우의 벅-부스트 컨버터의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스위치의 듀티비가 0.5 이하인 경우의 스위치 구동 신호 및 제1 인덕터에 인가되는 전압의 파형을 나타낸다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스위치의 듀티비가 0.5 이상인 경우의 스위치 구동 신호 및 제1 인덕터에 인가되는 전압의 파형을 나타낸다.
도 6a는 종래 벅-부스트 컨버터와 하프-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
도 6b는 종래 벅-부스트 컨버터와 풀-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 인덕터를 갖는 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 갖는 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
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.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 “버스 컨버터”라 함은, 듀티비(Duty Ratio, D)의 가변 또는 스위칭 주파수의 변조를 통하여 출력 전류 또는 출력 전압을 제어하는 통상적인 컨버터와 구별되어 출력 전압 또는 전류를 제어하기 위한 듀티비 가변이나 LLC공진형 컨버터와 같이 스위칭 주파수 변조를 수행하지 않는 컨버터를 일컫는 것으로 특정한 회로 구성 또는 토폴로지(Topology)로 한정되는 것은 아니다.
또한, “D”는 듀티비를 의미하고, 교번으로 도통하는 스위치의 듀티비를 조정하여 출력 전압을 제어할 수 있고, 각 스위칭 방식에 대하여 듀티비는 0에서 1의 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동 스위치는 특정 종류의 스위치로 한정되는 것이 아니고, 외부 전압 또는 전류를 입력 받아 '턴-온' 및 '턴-오프'하는 다양한 능동 스위치로 대체될 수 있고, 대체되어 사용된 스위치의 특성상 병렬로 기생하는 다이오드가 존재하지 않는다면 스위치에 병렬로 연결되는 별도의 다이오드가 요구될 수 있다.
또한, 능동 스위치에 외부 전압 또는 전류를 입력함에 있어서 전압 또는 전류를 증폭시키는 위한 목적 또는 대상이 되는 스위치의 소스(source) 단자를 기준으로 하는 필요한 전압을 생성하기 위하여 부가적인 구동 회로가 사용될 수 있다.
본 명세서에서 “제어 방법”은 전류 및 전압의 제어 외에도 특정 스위칭 방식을 포괄하여 지칭될 수 있다.
벅-컨버터는 강압(降壓, Step-Down)형 컨버터로서 출력 전압이 입력 전압 보다 낮은 조건에서만 사용이 가능하고, 부스트-컨버터는 승압(昇壓, Step-Up)형 컨버터로서 출력 전압이 입력 전압 보다 높은 조건에서만 사용이 가능하다.
벅-컨버터 또는 부스트-컨버터는 넓은 입력 전압 범위와 넓은 출력 전압 범위가 요구되어 출력 전압이 입력 전압 보다 크거나 작은 경우가 모두 존재하는 경우 사용하기 어렵다는 단점이 있고, 벅-부스트 컨버터는 승압 및 강압이 가능하나 입력 전압 대비 출력 전압이 반전되어 마이너스 전압으로 출력되어 플러스 전압이 요구되는 경우에 사용이 어렵다는 단점이 존재한다.
종래에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 승압 및 강압이 가능하며 출력이 반전되지는 않는 컨버터로서 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터가 사용되었고, 이는 벅-컨버터로 구성하거나 부스트-컨버터로 구성하여 사용할 수 있고, 전력변환 효율이 높기 때문에 최근 많이 사용되는 추세에 있다.
그러나, 종래의 벅-부스트 컨버터는 입력 전압과 출력 전압이 동일한 값을 갖는 임계점에서 벅-컨버터에서 부스트-컨버터로 변환시키거나 혹은 부스트-컨버터에서 벅-컨버터로 변환시킬 때, 안정적인 출력전압을 제어하기 위해서 매끄러운 천이를(Smooth-Transition) 위하여 별도의 IC소자를 필요로 하고, 다소 복잡한 제어 방법이 사용되어야 하는 단점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터의 회로이고, 도 2는 도 1의 벅-부스트 컨버터와 버스 컨버터로 구성되는 2단 전력단 컨버터의 종래의 블록도이다.
도 3a는 도 1의 회로를 벅 컨버터로 동작시키기 위한 종래의 스위치 구동 신호를 나타내고, 도 3b는 도 1의 회로를 부스트 컨버터로 동작시키기 위한 종래의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
도 1에 도시된 “Vin”은 컨버터의 전원으로서 다른 컨버터의 출력 또는 배터리가 될 수 있고, “Load”는 컨버터의 부하(20)로서 다른 전원장치의 입력전압 또는 다른 전자제품의 전원 또는 배터리일 수 있다.
도 1에 도시된 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터의 종래의 제어방식은 입출력 전압 조건에 따라 상이한 동작을 한다. 다시 말해서, 도 3a와 같이 M3를 상시 '턴-온(Turn-On)'하고 M4를 상시 '턴-오프(Turn-Off)'한 상태에서 M1과 M2를 교번(交番)으로 도통시키면 벅-컨버터로서 동작하고, 도 3b에 도시된 바와 같이 M1을 상시 '턴-온'하고 M2를 상시 '턴-오프'한 상태에서 M3 및 M4를 교번으로 도통시키면 부스트-컨버터로서 동작한다.
이러한 종래의 제어방법은 스위칭 방식의 변경을 통하여 벅 또는 부스트 컨버터 회로를 구성하여 강압 및 승압이 가능하도록 한다. 그러나 입력 및 출력 전압이 동일한 임계점에서 스위칭 방식을 변경하기 위하여는 매끄러운 천이가 필요하고, 이를 위하여 복잡한 기술이 필요하다는 단점이 존재한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
본 발명에 일 실시예로서, 강압 및 승압이 가능한 DC-DC 컨버터(100)가 제공될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 복수개의 능동 스위치들이 포함되고, 복수개의 능동 스위치들 중 일부는 가변 듀티비(D)로 동작 가능하고, 나머지 능동 스위치들은 고정 듀티비로 동작될 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터(100)의 입출력 전압 변환비는 가변 듀티비(D)에 기초하여 결정될 수 있고, 가변 듀티비(D)의 조정을 통하여 DC-DC 컨버터(100)의 출력이 제어될 수 있다.
DC-DC 컨버터(100)의 복수개의 능동 스위치들은 제1 스위치(110)(M1), 제2 스위치(120)(M2), 제3 스위치(130)(M3) 및 제4 스위치(140)(M4)인 4개의 능동 스위치들일 수 있고, DC-DC 컨버터(100)는 제1 인덕터(310)를 포함할 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이 이들 능동 스위치들은 서로 직렬연결되고 턴-온 및 턴-오프하여 입력전압을 스위칭하는 제1 및 제2 스위치(M1, M2)와, 서로 직렬연결되고 턴-온 및 턴-오프하여 상기 제1,2 스위치(M1, M2)에 의해 스위칭된 전압을 스위칭하는 제3 및 제4 스위치((M3, M4)을 포함한다.
또한, 제2 스위치(120)는 수동 스위치인 다이오드로 대체 가능할 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터(100)는 벅-부스트 컨버터로 형성될 수 있고, 제2 스위치(120)가 능동 스위치일 경우, 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(120)가 각각 D 및 1-D의 가변 듀티비로 교번하여 동작 가능하고, 제3 및 제4 스위치(130, 140)가 각각 고정 듀티비 0.5로 교번하여 동작 가능하며, 벅-부스트 컨버터의 입력 전압과 출력 전압이 동일하게 되는 시점에서 벅-컨버터와 부스트-컨버터 상호 간의 동작 변환이 수행될 수 있다.
도 4a의 “D”는 M1의 듀티비를 의미하고, M3와 M4는 고정된 0.5의 듀티비로 교번하여 도통할 수 있고, M1과 M2는 0에서 1 사이의 값으로 가변되는 듀티비로 교번하여 도통할 수 있다. 이 때, 교번하여 도통하는 관계에 놓인 스위치 간에 단락을 방지하기 위한 데드-타임(dead-time)이 존재할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 간 구동 주파수가 상이할 경우의 벅-부스트 컨버터의 스위치 구동 신호를 나타내고, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상차가 존재할 경우의 벅-부스트 컨버터의 스위치 구동 신호를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 제1 및 제2 스위치(110, 120)의 구동 주파수와 제3 및 제4 스위치(130, 140)의 구동 주파수가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(110, 120)의 위상(位相)과 제3 및 제4 스위치의 위상이 도 4c에 도시된 것과 같이 tshift만큼 상이할 수 있다.
예를 들어, 도 4b와 같이 M1 및 M2의 스위칭 주파수는 M3 및 M4의 스위칭 주파수의 2배일 수 있다.
스위치 간의 위상차 존재하거나 스위칭 주파수가 상이하여도 동일한 듀티비에 대해서는 입출력 전압 변환비가 동일할 수 있고, 위상차와 상이한 스위칭 주파수가 동시에 존재하는 경우에도 동일한 듀티비에 대해서는 입출력 전압 변환비가 동일할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스위치(110)의 듀티비가 0.5 이하인 경우의 스위치 구동 신호 및 제1 인덕터(310)에 인가되는 전압의 파형을 나타내고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스위치(110)의 듀티비가 0.5 이상인 경우의 스위치 구동 신호 및 제1 인덕터(310)에 인가되는 전압의 파형을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전압-시간 평형(Volt-Second Balance) 원리에 따라 스위칭 주기 내에서 'A'의 면적과 'B'의 면적이 동일할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 듀티비가 0.5 이하인 경우 수학식 1이 수립될 수 있다.
Figure 112016087025508-pat00001
또한, 듀티비가 0.5 이상인 경우 수학식 2가 수립될 수 있다.
Figure 112016087025508-pat00002
수학식 1 및 수학식 2로부터 동일한 입출력 전압 변환비를 수학식 3과 같이 도출할 수 있다.
Figure 112016087025508-pat00003
수학식 3에서 듀티비 D는 0~1사이의 값을 가지므로 입출력 전압 변환비는 0에서 2사이의 값일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 입출력 전압 변환비는 1 이하 또는 1 이상이 가능하게 됨으로써 강압 및 승압이 가능할 수 있다.
도 6a는 종래 벅-부스트 컨버터와 하프-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타내고, 도 6b는 종래 벅-부스트 컨버터와 풀-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터의 회로도를 나타낸다.
도 2에 도시된 2단 전력단 컨버터는 버스 컨버터에 사용된 능동 스위치의 듀티비 변조나 주파수 변조 없이 고정 주파수 및 고정 듀티비 0.5로 동작시킨다. 따라서, 버스 컨버터를 포함하는 2단 전력단 컨버터는 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터의 듀티비 변조에 의해 최종 출력이 제어될 수 있다.
또한, 하프-브리지 구조를 포함하는 버스 컨버터의 경우 도 6a에 도시된 M5 와 M6가 각각 고정 주파수를 가지고 0.5의 듀티비로 교번하여 도통할 수 있고, 풀-브리지 구조를 포함하는 버스 컨버터의 경우에는 도 6b에 도시된 M5 는 M8과 동기되어 동일한 타이밍으로 동작하고, M6 는 M7과 동기되어 동일한 타이밍으로 동작하면서, 0.5의 듀티비로 교번하여 도통할 수 있다.
즉, 하프-브리지 구조 또는 풀-브리지 구조를 포함하는 버스 컨버터에서 직렬로 연결된 2개의 스위치는 고정 듀티비 0.5로 교번하여 도통할 수 있고, 이러한 동작은 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 M3와 M4의 스위칭 방식 동일하다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터(10)의 회로도를 나타내고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀-브릿지 방식의 버스 컨버터를 사용한 2단 전력단 컨버터(10)의 회로도를 나타낸다.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터(10)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(100)를 포함하는 벅-부스트 컨버터부(100), 풀-브릿지 또는 하프-브릿지 방식으로 연결된 버스 컨버터를 포함하는 버스 컨버터부(200) 및 벅-부스트 컨버터부(100) 및 버스 컨버터부(200)에 연결되고, 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 인덕터부를 포함할 수 있고, 버스 컨버터부(200)가 풀-브릿지 방식으로 연결되는 경우 버스 컨버터부(200)는 제5 및 제6 스위치(210, 220)를 더 포함할 수 있으며, 벅-부스트 컨버터부(100)의 제3 및 제4 스위치(M3, M4)(130, 140)가 버스 컨버터부(200)와 공유될 수 있다. 이때, 버스 컨버터부(200)가 풀-브릿지 방식으로 연결시 제5 및 제6 스위치((M5, M6)(210, 220)는 서로 직렬연결되고 제3 및 제4 스위치(M3,M4)와 함께 풀-브릿지 회로를 구성하도록 연결된다.
따라서, 4개의 능동 스위치를 사용한 벅-부스트 컨버터를 종래와 같이 도 3a 또는 도 3b에 도시된 스위칭 방식이 아닌 본 발명의 일 실시예에 따라 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이 스위칭을 하면, 도 1에 도시된 벅-부스트 컨버터의 M3와 M4를 버스 컨버터의 능동 스위치로 사용이 가능하고, 이에 따라 버스 컨버터를 포함하는 2단 전력단 컨버터(10)를 구현하는데 있어서 능동 스위치의 개수를 줄여 회로가 간단해지는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터(10)의 제1 인덕터(310)는 도 7b에 도시된 바와 같이 능동 스위치 M3와 M4로 구성된 브리지에 연결될 수 있고, 또한 능동 스위치 M5와 M6로 구성된 브리지에 연결될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 버스 컨버터부(200)가 하프-브릿지 방식으로 연결된 경우, 제1 및 제2 스위치(110, 120)의 구동 주파수와 제3 및 제4 스위치(130, 140)의 구동 주파수가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(110, 120)의 위상과 제3 및 제4 스위치(130, 140)의 위상이 상이할 수 있고, 2단 전력단 컨버터(10)의 버스 컨버터부(200)가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우, 제1 및 제2 스위치(110, 120)의 구동 주파수와 제3 및 제4 스위치(130, 140)의 구동 주파수가 상이할 수 있고, 제1 및 제2 스위치(110, 120)의 위상과 제3 및 제4 스위치(130, 140)의 위상이 상이할 수 있다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 인덕터(310, 320)를 갖는 2단 전력단 컨버터(10)의 회로도를 나타내고, 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터(330)를 갖는 2단 전력단 컨버터(10)의 회로도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터(10)의 버스 컨버터부(200)가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우, 인덕터부는 제1 인덕터(310) 및 제2 인덕터(320)를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 인덕터(310, 320)를 통하여 제3 및 제4 스위치(130, 140)를 포함하는 브릿지에 흐르는 전류와 제5 및 제6 스위치(210, 220)를 포함하는 브릿지에 흐르는 전류가 대칭적으로 흐를 수 있다. 이 때, 제 1 및 제 2 인덕터(310, 320)는 같은 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
또한, 인덕터부는 벅-부스트 컨버터부(100)와 버스 컨버터부(200)에 전자기 결합으로 연결되는 결합 인덕터(Coupled-Inductor)(330)를 포함할 수 있고, 이 때 2개의 권선은 각각 동일한 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2단 전력단 컨버터(10)의 버스 컨버터부(200)가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우, 제3 및 제6 스위치(130, 220)의 듀티비 및 턴온되는 시점이 동일하고, 제4 및 제5 스위치(140, 210)의 듀티비 및 턴온되는 시점이 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
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.
10: 2단 전력단 컨버터
20: 부하
100: DC-DC 컨버터, 벅-부스트 컨버터부
110, 120, 130, 140: 제1, 제2, 제3, 제4 스위치
200: 버스 컨버터부
210, 220, 230, 240: 제5, 제6, 제7, 제8 스위치
310: 제1 인덕터
320: 제2 인덕터
330: 결합 인덕터

Claims (13)

  1. 강압 및 승압이 가능한 DC-DC 컨버터로서,
    능동 스위치로서 서로 직렬연결되고 턴-온 및 턴-오프하여 입력전압을 스위칭하는 제1 스위치(M1) 및 제2 스위치(M2)와, 능동 스위치로서 서로 직렬연결되고 턴-온 및 턴-오프하여 상기 제1,2 스위치(M1,M2)에 의해 스위칭된 전압을 스위칭하는 제3 스위치(M3) 및 제4 스위치(M4)을 포함하여 벅-부스트 컨버터로 형성되고,
    상기 제1 내지 제4 스위치 중 일부는 가변 듀티비(D)로 동작 가능하고, 나머지 능동 스위치들은 고정 듀티비로 동작 가능하며,
    상기 DC-DC 컨버터의 입출력 전압 변환비는 상기 가변 듀티비(D)에 기초하여 결정될 수 있고, 상기 가변 듀티비(D)의 조정을 통하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력이 제어되며,
    상기 제3 및 제4 스위치는 0.5의 고정 듀티비로 서로 교번해서 도통하고, 상기 제1 및 제2 스위치는 각각 D 및 1-D의 가변 듀티비로 서로 교번해서 도통하며, 상기 입출력 전압 변환비는 0에서 2사이의 값이고, 상기 제1,2 스위치와 상기 제3,4스위치는 각각 구동주파수와 위상이 상이하고,
    상기 벅-부스트 컨버터의 입력 전압과 출력 전압이 동일하게 되는 시점에서 벅 컨버터와 부스트 컨버터 상호 간의 동작 변환이 수행되는 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 다이오드로 대체 가능한 것인 DC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 제1 인덕터를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 2단 전력단 컨버터로서,
    제 1 항에 따른 DC-DC 컨버터를 포함하는 벅-부스트 컨버터부;
    풀-브릿지 또는 하프-브릿지 방식으로 연결된 버스 컨버터를 포함하는 버스 컨버터부; 및
    상기 벅-부스트 컨버터부 및 상기 버스 컨버터부에 연결되고, 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 인덕터부;를 포함하고,
    상기 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결되는 경우 상기 버스 컨버터부는 서로 직렬연결되고 상기 제3 및 제4 스위치(M3,M4)와 함께 풀-브릿지 회로를 구성하도록 연결된 제5 스위치(M5) 및 제6 스위치(M6)를 더 포함하며,
    상기 벅-부스트 컨버터부의 상기 제3 및 제4 스위치가 상기 버스 컨버터부와 공유되는 것인 2단 전력단 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 하프-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 제1 및 제2 스위치의 구동 주파수와 상기 제3 및 제4 스위치의 구동 주파수가 상이한 것인 2단 전력단 컨버터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 하프-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 제1 및 제2 스위치의 위상과 상기 제3 및 제4 스위치의 위상이 상이한 것인 2단 전력단 컨버터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 인덕터부는 제1 인덕터; 및 제2 인덕터;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 인덕터를 통하여 상기 제3 및 제4 스위치를 포함하는 브릿지에 흐르는 전류와 상기 제5 및 제6 스위치를 포함하는 브릿지에 흐르는 전류가 대칭적으로 흐르는 것인 2단 전력단 컨버터.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 인덕터부는 상기 벅-부스트 컨버터부와 상기 버스 컨버터부에 전자기 결합으로 연결되는 결합 인덕터;를 포함하는 것인 2단 전력단 컨버터.
  11. 제 6 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 제1 및 제2 스위치의 구동 주파수와 상기 제3 및 제4 스위치의 구동 주파수가 상이한 것인 2단 전력단 컨버터.
  12. 제 6 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 제1 및 제2 스위치의 위상과 상기 제3 및 제4 스위치의 위상이 상이한 것인 2단 전력단 컨버터.
  13. 제 6 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버스 컨버터부가 풀-브릿지 방식으로 연결된 경우,
    상기 제3 및 제6 스위치의 듀티비 및 턴온되는 시점이 동일하고, 상기 제4 및 제5 스위치의 듀티비 및 턴온되는 시점이 동일한 것인 2단 전력단 컨버터.
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