KR102003688B1 - 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터 - Google Patents

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김재국
이승훈
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 제1 전원부; 상기 제1 전원부와 노드 1을 형성하면서 직렬 연결되어 있는 인덕터(Inductor); 상기 인덕터와 노드 2 를 형성하면서 직렬 연결되어 있는 제2 전원부; 상기 제2 전원부와 노드 3을 형성하면서 직렬 연결되어 있고, 상기 제1 전원부와 노드 4를 형성하면서 직렬로 연결되어 있는 커패시터(Capacitor); 상기 노드 1 과 상기 노드 3 사이에 연결된 제1 다이오드(Diode); 및 상기 노드 2 와 상기 노드 4 사이에 연결된 제2 다이오드(Diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에 관한 것으로서, 2개의 입력 전압에서 개별 또는 동시에 출력으로 에너지를 전달함으로써 시스템의 안정성과 연속성을 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 하나의 인덕터 만으로 멀티 입력 부스트 컨버터를 제공할 수 있는 효과가 있으며, 승압 및 강압 모드로 모두 동작 가능하여 넓은 입력 전압의 범위를 가지는 컨버터 시스템에 적용 가능한 효과가 있다.

Description

다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터{MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER}
본 발명은 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 2개의 입력을 가지는 벅 컨버터 및 2개의 입력을 가지는 부스트 컨버터를 하나의 인덕터를 구비한 컨버터 회로로 구현한 장치에 관한 것이다.
화석 연료의 고갈로 인해 CO2 저감을 위한 신재생 에너지를 이용한 발전이 주목을 받고 있다. 보통, 태양광과 풍력 같은 신재생 에너지들은 서로 다른 전기적 특성을 가지며 부하가 급변할 때 필요한 전력을 전달할 수 없다. 따라서, 안정성을 높이기 위해 두 종류의 신재생 에너지를 개별적 컨버터를 사용하여 부하에 전력을 전달한다. 그러나, 이러한 시스템은 부피가 크고, 제어가 복잡하며, 비용이 비싸다. 따라서, 개별적 컨버터들을 통합시킨 다중 입력 컨버터(Multi Input Converter)에 대한 연구가 요구되었다. 이러한 다중 입력 컨버터(Multi Input Converter)는 비용 감소, 향상된 신뢰성과 동적 특성, 부피 감소 등의 장점을 가진다. 이러한 다중 입력 컨버터(Multi-Input Converter)의 기본적인 컨버터(Converter)로 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter), 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)가 있다. 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)의 경우 입력 전압을 강압하여 출력하는데 적합하며, 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)의 경우 입력 전압을 승압하여 출력하는데 적합한 컨버터(Converter)이다.
도 1은 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter) 회로를 도시한 회로도 이다.
전체적인 회로 구성은 2 개의 직류 전원(V1, V2)과 각각 직렬로 연결된 2개의 스위치(SW1, SW2), 상기 각 진류 전원 및 스위치와 각각 병렬 연결된 2개의 다이오드(D1, D2), 상기 직류 전원과 직렬로 연결된 인덕터(Inductor; L) 및 상기 인덕터(Inductor; L)와 직렬로 연결되어 있고 부하와 병렬로 연결된 커패시터(Capacitor; C)로 구성되어 있다.
회로의 동작은 하나의 입력으로만 동작하는 경우와 두 개의 입력으로 동작하는 경우로 나누어진다.
도 2는 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 2에서, 제2 스위치(SW2)를 OFF 하고 제1 스위치(SW1)를 제어함으로써, 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작한다.
도 3은 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제2 전원(V2)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 3에서, 제1 스위치(SW1)를 OFF 하고 제2 스위치(SW2)를 제어함으로써, 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작한다.
도 4는 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)의 입력을 모두 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 4에서, 제1 스위치(SW1)를 및 제2 스위치(SW2)를 동일한 게이트 시그널(Gate Signal)로 제어함으로써, 벅 컨버터(Buck Converter)로 동작한다.
도 5는 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 5에서 도시된 그래프는 도2 (또는 도3)의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)의 구체적인 일 실시 예로 V1=60 V (또는 V2=60 V), 스위칭 주파수=100 kHz, duty=80 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW는 제1 스위치(SW1)(또는 제2 스위치(SW2))의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 전압이 하나만 있어도 도1의 회로는 벅 컨버터(Buck Converter)와 동일하게 동작함을 알 수 있다.
도 6은 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 6에서 도시된 그래프는 도4의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)의 구체적인 일 실시 예로 V1=60 V, V2=60 V, 스위칭 주파수=100 kHz, duty=40 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW1과 PWM_SW2는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2)의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 두 개를 동시에 모두 받아도 도1의 회로는 벅 컨버터(Buck Converter)와 동일하게 동작함을 알 수 있다.
그러나, 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)는 벅 컨버터(Buck Converter)와 같이 강압형 이므로 출력 전압보다 낮은 입력 전압 범위에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다. 다시 말해, 입력 전압 범위가 넓은 신재생 에너지 시스템에서 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)는 제한적으로 적용될 수 밖에 없는 문제점이 있다.
도 7은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter) 회로를 도시한 회로도 이다.
전체적인 회로 구성은 2 개의 직류 전원(V1, V2)과 각각 직렬로 연결된 2개의 인덕터(Inductor)(L1, L2), 상기 각 진류 전원 및 스위치와 각각 병렬 연결된 2개의 스위치(SW1, SW2), 상기 직류 전원과 직렬로 연결된 다이오드(Diode) 및 상기 다이오드(Diode)와 직렬로 연결되어 있고 부하와 병렬로 연결된 커패시터(Capacitor; C)로 구성되어 있다.
회로의 동작은 하나의 입력으로만 동작하는 경우와 두 개의 입력으로 동작하는 경우로 나누어진다.
도 8은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 8에서는 제2 스위치(SW2)(SW2)를 ON 하고, 제1 스위치(SW1)를 제어함으로써, 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작한다.
도 9는 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제2 전원(V2)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 9에서는 제1 스위치(SW1)를 ON 하고, 제2 스위치(SW2)(SW2)를 제어함으로써, 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작한다.
도 10은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)의 입력을 모두 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 10에서, 제1 스위치(SW1)를 및 제2 스위치(SW2)를 동일한 게이트 시그널(Gate Signal)로 제어함으로써, 부스트 컨버터(Boost Converter)로 동작한다.
도 11은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 11에서 도시된 그래프는 도 8(또는 도9)의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)의 구체적인 일 실시 예로, V1=20 V(혹은 V2=20 V), 스위칭 주파수=100 kHz, duty=58.3 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW는 제1 스위치(SW1)(또는 제2 스위치(SW2))의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 전압이 하나만 있어도 도 7의 회로는 부스트 컨버터(Boost Converter)와 동일하게 동작함을 알 수 있다.
도 12는 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 12에서 도시된 그래프는 도 10의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)의 구체적인 일 실시 예로 V1=20 V, V2=20 V, 스위칭 주파수=100 kHz, duty=16.6 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW1과 PWM_SW2는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2)의 게이트 파형이며 I(L1), I(L2)는 각각 제1 인덕터(L1), 제2 인덕터(L2)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 두 개를 동시에 모두 받아도 도 7의 회로는 부스트 컨버터(Boost Converter)와 동일하게 동작함을 알 수 있다.
그러나, 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)는 부스트 컨버터(Boost Converter)와 같이 승압형 이므로 출력 전압보다 높은 입력 전압 범위에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다. 다시 말해, 입력 전압 범위가 넓은 신재생 에너지 시스템에서 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)는 제한적으로 적용될 수 밖에 없는 문제점이 있다.
상기와 같이, 신재생 에너지를 이용한 발전 방식에서 신재생 에너지는 날씨의 변화에 따라 출력의 변동이 크게 나타난다. 따라서, 신재생 에너지를 이용한 발전 방식에서 다중 입력 컨버터(Multi-Input Converter)를 이용할 경우에, 다중 입력 컨버터(Multi-Input Converter)의 입력 전압이 되는 신재생 에너지의 출력 변동의 폭이 넓기 때문에, 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter) 또는, 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)를 이용하여 일정한 값을 가지는 특정 전압을 출력하는데 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 모든 입력에 대해 승압 및 강압이 가능하여 넓은 입력 전압 범위를 갖는 신재생 에너지를 이용한 발전 방식에 적합한 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전원부(1301); 상기 제1 전원부(1301)와 노드 1을 형성하면서 직렬 연결되어 있는 인덕터(Inductor; L)(Inductor); 상기 인덕터(Inductor; L)와 노드 2 를 형성하면서 직렬 연결되어 있는 제2 전원부(1302); 상기 제2 전원부(1302)와 노드 3을 형성하면서 직렬 연결되어 있고, 상기 제1 전원부(1301)와 노드 4를 형성하면서 직렬로 연결되어 있는 커패시터(Capacitor; C)(Capacitor); 상기 노드 1 과 상기 노드 3 사이에 연결된 제1 다이오드(D1)(Diode); 및 상기 노드 2 와 상기 노드 4 사이에 연결된 제2 다이오드(D2)(Diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)를 제공한다.
또한, 상기 제1 전원부(1301)는 제1 전원(V1) 및 제1 스위치(SW1)(SWITCH)를 포함하고, 상기 제2 전원부(1302)는 제2 전원(V2) 및 제2 스위치(SW2)(SWITCH)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)는 MOSFET 스위치일 수 있다.
그리고 또, 상기 제1 전원(V1) 및 상기 제2 전원(V2)은, 상기 제1 전원부(1301), 상기 인덕터(Inductor; L), 상기 제2 전원부(1302), 상기 커패시터(Capacitor; C)를 포함하는 루프(LOOP)에서 동일한 전류 방향을 가지도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 커패시터(Capacitor; C)에 부하가 병렬 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)는 2개의 입력 전압에서 개별 또는 동시에 출력으로 에너지를 전달함으로써 시스템의 안정성과 연속성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)는 하나의 인덕터(Inductor; L) 만으로 멀티 입력 부스트 컨버터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)는 승압 및 강압 모드로 모두 동작 가능하여 넓은 입력 전압의 범위를 가지는 컨버터 시스템에 적용 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter) 회로를 도시한 회로도 이다.
도 2는 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 3은 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제2 전원(V2)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 4는 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)의 입력을 모두 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 5는 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 6은 종래의 다중 입력 벅 컨버터(Multi-Input Buck Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 7은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter) 회로를 도시한 회로도 이다.
도 8은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 9는 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제2 전원(V2)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 10은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)의 입력을 모두 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 11은 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 12는 종래의 다중 입력 부스트 컨버터(Multi-Input Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의한 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter) 회로를 도시한 회로도 이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에서 제1 전원(V1)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에서 제2 전원(V2)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)의 입력을 모두 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의하여 벅 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의하여 벅 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의하여 부스트 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의하여 부스트 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter) 회로를 도시한 회로도 이다.
도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter) 회로를 설명하면, 제1 전원부(1301)와 인덕터(Inductor; L)가 노드 1을 형성하면서 직렬 연결되어 있고, 상기 인덕터(Inductor; L)와 제2 전원부(1302)가 노드 2 를 형성하면서 직렬 연결되어 있으며, 상기 제2 전원부(1302)와 커패시터(Capacitor; C)가 노드 3을 형성하면서 직렬 연결되어 있고, 상기 커패시터(Capacitor; C)와 상기 제1 전원부(1301)가 노드 4를 형성하면서 직렬로 하나의 루프(LOOP)를 형성하면서 연결되어 있으며, 상기 커패시터(Capacitor; C)에 부하가 병렬 연결되어 있고, 노드 1 과 노드 3 사이에 제1 다이오드(D1)가 연결되어 있고, 상기 노드 2 와 노드 4 사이에 제2 다이오드(D2)가 연결되어 있는 컨버터가 개시 된다.
보다 자세하게, 상기 제1 전원부(1301)는 직렬 연결된 제1 전원(V1) 및 제1 스위치(SW1)를 포함할 수 있고, 상기 제2 전원부(1302)는 직렬 연결된 제2 전원(V2) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전원(V1) 및 상기 제2 전원(V2)은 동일한 전류 방향으로 연결될 수 있으며, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)도 동일한 방향으로 연결될 수 있다. 구체적인 예를 들어 다시 설명하면, 도 13에서 제1 전원부(1301), 인덕터(Inductor; L), 제2 전원부(1302) 및 커패시터(Capacitor; C)가 직렬 연결된 폐 회로에서 상기 제1 전원(V1) 및 상기 제2 전원(V2)은 동일한 전류의 흐름을 형성하도록 동일한 방향으로 연결될 수 있다.
상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)는 MOSFET 스위치일 수 있다. 그리고, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)는 역시 동일한 방향으로 연결될 수 있다.
그리고, 제1 다이오드(D1)는 노드 1 및 노드 3 사이에 연결되어 있는데, 제1 다이오드(D1)의 애노드(anode) 방향이 노드 3을 향하도록 연결될 수 있고, 제2 다이오드(D2)는 노드 2 및 노드 4 사이에 연결되어 있는데, 제2 다이오드(D2)의 애노드(anode) 방향이 노드 2를 향하도록 연결될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에서 제1 전원(V1)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 14를 참조하면, 제2 스위치(SW2)를 OFF 하고, 제1 스위치(SW1)를 제어함으로써, 상기 회로는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost Converter)와 동일하게 동작할 수 있다.
도 14 (A)에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1)가 ON 일 때, 제1 전원(V1)에 의하여 LOOP 14-A 를 따라 전류가 흐르면서, 인덕터(Inductor; L)에 자기 에너지가 저장될 수 있다. 그 이후에, 제 1 스위치가 OFF 되면, 도 14 (B)에 도시된 바와 같이, 인덕터(Inductor; L)에 저장된 자기 에너지에 의해 LOOP 14-B를 따라 전류가 흐를 수 있다. 이 때, 부하에 전압 및 전류가 공급되고, 부하와 병렬 연결된 커패시터(Capacitor; C)에 전기 에너지가 저장될 수 있다. 그리고, 다시 제1 스위치(SW1)가 ON 되면, 도 14 (A)에 도시된 바와 같이, 제1 전원(V1)에 의하여 LOOP 14-A 를 따라 전류가 흐르면서 인덕터(Inductor; L)에 자기 에너지가 저장될 수 있고, 커패시터(Capacitor; C)에 저장된 전기 에너지에 의하여 LOOP 14-C 를 따라 전류가 흐르면서 부하에 전압 및 전류가 공급될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에서 제2 전원(V2)의 입력만 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 15를 참조하면, 제1 스위치(SW1)를 OFF 하고, 제2 스위치(SW2)를 제어함으로써, 상기 회로는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost Converter)와 동일하게 동작할 수 있다.
도 15 (A)에 도시된 바와 같이, 제2 스위치(SW2)가 ON 일 때, 제1 전원(V1)에 의하여 LOOP 15-A 를 따라 전류가 흐르면서, 인덕터(Inductor; L)에 자기 에너지가 저장될 수 있다. 그 이후에, 제 2 스위치가 OFF 되면, 도 15 (B)에 도시된 바와 같이, 인덕터(Inductor; L)에 저장된 자기 에너지에 의해 LOOP 15-B를 따라 전류가 흐를 수 있다. 이 때, 부하에 전압 및 전류가 공급되고, 부하와 병렬 연결된 커패시터(Capacitor; C)에 전기 에너지가 저장될 수 있다. 그리고, 다시 제2 스위치(SW2)가 ON 되면, 도 15 (A)에 도시된 바와 같이, 제2 전원(V2)에 의하여 LOOP 15-A 를 따라 전류가 흐르면서 인덕터(Inductor; L)에 자기 에너지가 저장될 수 있고, 커패시터(Capacitor; C)에 저장된 전기 에너지에 의하여 LOOP 15-C 를 따라 전류가 흐르면서 부하에 전압 및 전류가 공급될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)에서 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)의 입력을 모두 받아 동작하는 등가 회로를 도시한 회로도 이다. 도 16를 참조하면, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 동일한 게이트 시그널(Gate Signal)로 제어함으로써, 상기 회로는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost Converter)와 동일하게 동작할 수 있다.
도 16 (A)에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 ON 일 때, 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)에 의하여 LOOP 16-A 를 따라 전류가 흐르면서, 인덕터(Inductor; L)에 자기 에너지가 저장될 수 있다. 그 이후에, 제1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치가 OFF 되면, 도 16 (B)에 도시된 바와 같이, 인덕터(Inductor; L)에 저장된 자기 에너지에 의해 LOOP 16-B를 따라 전류가 흐를 수 있다. 이 때, 부하에 전압 및 전류가 공급되고, 부하와 병렬 연결된 커패시터(Capacitor; C)에 전기 에너지가 저장될 수 있다. 그리고, 다시 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 ON 되면, 도 16 (A)에 도시된 바와 같이, 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2)에 의하여 LOOP 16-A 를 따라 전류가 흐르면서 인덕터(Inductor; L)에 자기 에너지가 저장될 수 있고, 커패시터(Capacitor; C)에 저장된 전기 에너지에 의하여 LOOP 16-C 를 따라 전류가 흐르면서 부하에 전압 및 전류가 공급될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의하여 벅 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 17에서 도시된 그래프는 도14 (또는 도15)의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)의 구체적인 일 실시 예로 V1=60 V(혹은 V2=60 V), 스위칭 주파수=100 kHz, duty=44.4 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW는 제1 스위치(SW1)(또는 제2 스위치(SW2))의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 전압이 하나만 있어도 본 발명에 따른 도13의 회로는 벅 컨버터(Buck Converter)와 동일하게 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의하여 벅 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 18에서 도시된 그래프는 도16의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)의 구체적인 일 실시 예로 V1=60 V, V2=60 V, 스위칭 주파수=100 kHz, duty=22.2 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW1과 PWM_SW2는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2)의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 두 개를 동시에 모두 받아도 도13의 회로는 벅 컨버터(Buck Converter)와 동일하게 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 또는 제2 전원(V2) 중 어느 하나의 입력에 의하여 부스트 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 19에서 도시된 그래프는 도 14(또는 도15)의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)의 구체적인 일 실시 예로, V1=20 V(혹은 V2=20 V), 스위칭 주파수=100 kHz, duty=70.5 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW는 제1 스위치(SW1)(또는 제2 스위치(SW2))의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 전압이 하나만 있어도 도 13의 회로는 부스트 컨버터(Boost Converter)와 동일하게 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)가 제1 전원(V1) 및 제2 전원(V2) 모두의 입력에 의하여 부스트 컨버터로 동작할 때, 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다.
도 20에서 도시된 그래프는 도 16의 회로에 따른 인덕터(Inductor; L) 전류, 부하 전류 및 부하 전압의 파형을 도시한 그래프이다. 이 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)의 구체적인 일 실시 예로 V1=20 V, V2=20 V, 스위칭 주파수=100 kHz, duty=35.2 %, C=100 μF, L=100 μH, 부하의 출력 전압=48 V, Power =96 W일 때 주요 파형이다. PWM_SW1과 PWM_SW2는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2)의 게이트 파형이며 I(L)은 인덕터(Inductor; L)의 전류 파형이다. Iout과 Vout은 각각 부하의 전류, 전압 파형이며, 위 파형들을 통해 입력 두 개를 동시에 모두 받아도 도 13의 회로는 부스트 컨버터(Boost Converter)와 동일하게 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 17 내지 20에서 살핀 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter)는 1개 또는 2개의 입력에 의하여 종래의 벅 컨버터(Buck Converter) 또는 부스트 컨버터(Boost Converter)를 모두 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)는 2개의 입력 전압에서 개별 또는 동시에 출력으로 에너지를 전달함으로써 시스템의 안정성과 연속성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)는 하나의 인덕터(Inductor; L) 만으로 멀티 입력 부스트 컨버터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따른 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(MULTI-INPUT SINGLE-INDUCTOR BUCK-BOOST CONVERTER)는 승압 및 강압 모드로 모두 동작 가능하여 넓은 입력 전압의 범위를 가지는 컨버터 시스템에 적용 가능한 효과가 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1301: 제1 전원부
1302: 제2 전원부

Claims (7)

  1. 제1 전원부(1301);
    상기 제1 전원부와 노드 1을 형성하면서 직렬 연결되어 있는 인덕터(Inductor);
    상기 인덕터와 노드 2 를 형성하면서 직렬 연결되어 있는 제2 전원부(1302);
    상기 제2 전원부와 노드 3을 형성하면서 직렬 연결되어 있고, 상기 제1 전원부와 노드 4를 형성하면서 직렬로 연결되어 있는 커패시터(Capacitor);
    상기 노드 1 과 상기 노드 3 사이에 연결된 제1 다이오드(Diode); 및
    상기 노드 2 와 상기 노드 4 사이에 연결된 제2 다이오드(Diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터(Multi-Input Single-Inductor Buck Boost Converter).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원부는 제1 전원 및 제1 스위치(SWITCH)를 포함하고,
    상기 제2 전원부는 제2 전원 및 제2 스위치(SWITCH)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 MOSFET 스위치인 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원은,
    상기 제1 전원부, 상기 인덕터, 상기 제2 전원부, 상기 커패시터를 포함하는 루프(LOOP)에서 동일한 전류 방향을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이, 상기 노드 1 에서 상기 노드 2 방향으로 전류가 흐르도록 형성되어 있는 경우,
    상기 제1 다이오드의 애노드(anode) 방향은 노드 3 방향이고, 상기 제2 다이오드의 애노드(anode) 방향은 노드 2 방향인 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이, 상기 노드 2 에서 상기 노드 1 방향으로 전류가 흐르도록 형성되어 있는 경우,
    상기 제1 다이오드의 애노드(anode) 방향은 노드 1 방향이고, 상기 제2 다이오드의 애노드(anode) 방향은 노드 4 방향인 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터에 부하가 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 입력 싱글 인덕터 벅 부스트 컨버터.
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