KR102220077B1 - 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 dc-dc컨버터 - Google Patents

스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 dc-dc컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터는, 제1다이오드(Do), 제1커패시터(C0), 저항(R0), 제1모스펫(SW1), 제1인덕턴스(Lm)로 구성된 컨버터 회로(100) 및 스위칭으로 인한 전력 손실을 저감하기 위한 스너버 회로(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터 {High-efficiency dc-dc booster converter for reduce switching power loss}
본 발명은 낮은 전압에서 높은 전압으로 전력변환하는 승압형 컨버터(boost converter)를 대체할 수 있는 step-up converter로, 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터에 관한 것이다.
Step-up converter의 한 종류로써, 다양한 Switching Mode Power Supply (SMPS) application에 사용되고 있는 Boost converter는 기본 구성과 제어가 간편한 장점이 있다. 하지만 boost converter의 hard switching 때문에 몇 가지 문제점이 발생한다. Hard switching시 발생하는 switching turn-on loss와 turn-off loss는 회로의 효율을 저하시킨다. 또한, switching power loss는 열 형태로 방출되어 구동 중 스위치 소자의 온도를 상승시키고, 그 발열은 switching frequency가 증가할수록 그에 비례하여 증가한다. 따라서 회로의 크기 및 부피를 줄이기 위한 고속 switching에 소자의 발열로 인한 한계치가 존재하며, 이러한 발열 문제는 converter의 효율을 감소시킬 뿐만 아니라, 전체 시스템의 효율과 수명을 크게 저하시킨다.
KR 10-0207020 B1 KR 10-2018-0065271 A KR 20-2009-0004002 U KR 20-1997-0056221 U
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에서 제안하는 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터 회로는 conventional boost converter에 1:N transformer, SW2, C1, Lr, Df로 구성되는 능동 스너버 회로(active snubber)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
1:N transformer는 낮은 switch duty에서도 높은 출력 전압을 얻을 수 있고, SW1, SW2가 off 상태를 유지하는 동안 걸리는 전압을 낮추는 역할을 한다.
SW2, C1, Lr는 SW1, SW2가 turn-on 하는 동안 zero voltage switching이 가능하도록 한다.
Df는 Lr에 흐르는 전류의 freewheeling path를 제공하여 회로의 기생 공진을 제거하고 회로가 안정적으로 동작 할 수 있도록 한다.
상기의 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터는, 제1다이오드(Do), 제1커패시터(C0), 저항(R0), 제1모스펫(SW1), 제1인덕턴스(Lm)로 구성된 컨버터 회로(100) 및 스위칭으로 인한 전력 손실을 저감하기 위한 스너버 회로(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 conventional boost converter의 문제점인 hard switching으로 인한 전력 손실 및 발열을 개선하여 전력 변환 효율과 발열, 회로의 부피를 개선하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 승압형(boost) 컨버터 회로도이다.
도 2는 종래의 승압형 컨버터의 다이오드 전류(iDO), 스위치 전류(iSW)를 보여주는 전류 파형이다.
도 3은 종래의 승압형 컨버터의 스위칭 동작을 할 때, 역 회복 전류로 인한 전력 손실을 보여주는 그래프이다.
도 4a는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터 회로도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 동작을 각 소자에 흐르는 전류 파형을 기준으로 1주기 (Ts) 동안 총 6가지 모드로 구분한 것을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode1 등가회로이다.
도 7은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode2 등가회로이다.
도 8은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode3 등가회로이다.
도 9는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode4 등가회로이다.
도 10은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode5 등가회로이다.
도 11은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode6 등가회로이다.
도 12는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 SW1, SW2에 흐르는 전류와 turn-off시 걸리는 전압을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 스위칭 동작을 할 때, 역 회복 전류로 인한 전력 손실이 종래보다 개선된 것을 보여주는 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
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.
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.
설명에 앞서 본 명세서에는 다수의 양태 및 실시양태가 기술되며, 이들은 단순히 예시적인 것으로서 한정하는 것이 아니다.
본 명세서를 읽은 후에, 숙련자는 다른 양태 및 실시예가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 가능함을 이해할 것이다.
이하에서 설명되는 실시양태의 상세 사항을 다루기 전에, 몇몇 용어를 정의하거나 또는 명확히 하기로 한다.
도 1은 종래의 승압형(boost) 컨버터 회로도이고, 도 2는 종래의 승압형 컨버터의 다이오드 전류(iDO), 스위치 전류(iSW)를 보여주는 전류 파형이고, 도 3은 종래의 승압형 컨버터의 스위칭 동작을 할 때, 역 회복 전류로 인한 전력 손실을 보여주는 그래프이고, 도 4a는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터 회로도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 동작을 각 소자에 흐르는 전류 파형을 기준으로 1주기 (Ts) 동안 총 6가지 모드로 구분한 것을 나타내고, 도 6은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode1 등가회로이고, 도 7은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode2 등가회로이고, 도 8은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode3 등가회로이고, 도 9는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode4 등가회로이고, 도 10은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode5 등가회로이고, 도 11은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 Mode6 등가회로이고, 도 12는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 SW1, SW2에 흐르는 전류와 turn-off시 걸리는 전압을 보여주는 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 스위칭 동작을 할 때, 역 회복 전류로 인한 전력 손실이 종래보다 개선된 것을 보여주는 그래프이다.
이하에서는 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터는, 제1다이오드(Do), 제1커패시터(C0), 저항(R0), 제1모스펫(SW1), 제1인덕턴스(Lm)로 구성된 컨버터 회로(100) 및 스위칭으로 인한 전력 손실을 저감하기 위한 스너버 회로(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스너버 회로(200)는 변압기(210), 제2다이오드(Df), 제2커패시터(C1), 제2모스펫(SW2), 제2인덕턴스(Lr)로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스버너 회로(200)는 능동회로(Active)인 것을 특징으로 한다.
또한, 제1모스펫(SW1) 및 제2모스펫(SW2)은 드레인(Drain)의 역기전력을 억제하여 FET을 보호하기 위한 내부 다이오드를 가질 수 있다.
도 1은 종래의 승압형(boost) 컨버터의 회로도이고, 도 2에서 다이오드 전류 (iDO), 스위치 전류(iSW)를 확인할 수 있다. 종래의 컨버터가 동작할 때 다이오드가 turn-off 되는 순간(스위치가 turn-on 되는 순간) 다이오드에서 역 회복 전류(reverse recovery current)가 발생한다. 역 회복 전류는 스위치로 흘러들어가서 스위치의 peak 전류를 증가시키고 switching turn-on loss를 다량 발생시킨다.
도 3에서 종래의 컨버터 동작에서 스위치와 다이오드의 hard switching의 hard switching으로 switching power loss가 발생한 것을 확인할 수 있다. 이때 스위칭으로 발생한 전력 손실(switching power loss)은 동작 주파수에 비례하며 증가하고, 발열의 형태로 방출된다.
따라서 본 발명에서는 도 4a,b와 같이 종래의 승압형 컨버터의 문제점을 해결하기 위한 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터를 제안한다.
종래의 기본적인 승압형 컨버터 구조에 zero voltage switching을 위한 능동형 스너버 회로(active snubber)가 추가되었다. Active snubber는 1:N transformer(변압기) 1개, inductor(Lr) 1개, switch(SW2) 1개, capacitor(C1) 1개, diode(Df) 1개로 구성된다. 1:N transformer는 제1모스펫(SW1)과 제2모스펫(SW2)의 동작 전압을 낮춰주고 낮은 switch duty에서도 높은 출력 전압을 얻을 수 있게 한다. 또한, 스버너 회로(200)의 제2모스펫(SW2), 제2인덕턴스(Lr), 제2커패시터(C1)는 제1모스펫(SW1)과 제2모스펫(SW2)의 zero voltage switching이 가능하도록 한다. 제2다이오드(Df)는 제2인덕턴스(Lr)에 흐르는 전류가 freewheeling 할 수 있도록 전류 path를 형성한다.
다음은 도 5 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터의 6가지 모드에 대한 동작을 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 제안된 회로의 동작을 각 소자에 흐르는 전류 파형을 기준으로 1주기 (Ts)동안 총 6가지 모드로 구분한 것을 나타낸다.
도 6은 mode1의 등가회로를 나타낸다. Mode1에서는 제2인덕턴스(Lr)에 의해 일정한 기울기로 제1모스펫(SW1)의 전류가 상승하며, 이때 제1모스펫(SW1)의 전류는 내부 다이오드를 통해서 zero voltage switching을 한다. Mode1에서 제2모스펫(SW2), 제2다이오드(Df)는 off 상태를 유지한다.
도 7은 mode2의 등가회로를 나타낸다. mode2는 제1모스펫(SW1)을 통해 제1인덕턴스(Lm)에 입력 전류를 자기장의 형태로 저장하는 boosting 구간이다. Mode2에서도 제2모스펫(SW2)과 제2다이오드(Df)는 off 상태를 유지한다.
도 8은 mode3의 등가회로를 나타낸다. Mode3에서는 출력 다이오드인 제1다이오드(Do)가 turn-off 되고 freewheeling 다이오드(Df)가 turn-on 되어 제2인덕턴스(Lr)에 흐르는 전류는 제2다이오드(Df)에 의해 유지된다. 이때, 제1다이오드(Do)의 turn-off 과정에서 발생하는 역 회복 전류는 제2인덕턴스(Lr)에 의해 억제된다.
도 9는 mode4의 등가회로를 나타낸다. Mode4에서는 제1모스펫(SW1)이 turn-off되고 제2모스펫(SW2)은 제2인덕턴스(Lr)와 내부 diode를 이용하여 SW2는 zero voltage turn-on을 한다. 이때 제1모스펫(SW1)에 걸리는 전압은 출력전압(Vo)이 아니라 제1커패시터(C1)의 전압(VC1)이 걸리면서 종래의 컨버터보다 낮은 turn-off 전압이 걸린다.
도 10은 mode5의 등가회로를 나타낸다. Mode5에서는 제2다이오드(Df)에 의한 freewheeling이 종료되고 제1다이오드(Do)가 turn-on 되면서 제1인덕턴스(Lm)에 저장된 에너지를 출력으로 전달하기 시작한다.
도 11은 마지막 동작인 mode6의 등가회로를 나타낸다. Mode6에서는 제2모스펫(SW2)이 완전 도통되어 제2커패시터(C1)를 방전시키며 제1모스펫(SW1)과 제2다이오드(Df)는 off 상태를 유지한다.
다음은 도 12를 참조하여 본 발명에서 제안하는 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터 회로의 제1모스펫(SW1)과 제2모스펫(SW2)에 흐르는 전류와 turn-off시 걸리는 전압을 확인하도록 한다. 제1모스펫(SW1)과 제2모스펫(SW2)이 모두 zero voltage switching을 하는 것을 확인할 수 있다.
도 13에서는 제안한 회로의 제1,2다이오드(DO, Df)의 전압/전류 파형을 확인할 수 있다. 종래의 승압형 컨버터의 문제점인 역 회복 전류가 상당히 감소된 것을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 컨버터 회로
Do : 제1다이오드 C0 : 제1커패시터
R0 : 저항 SW1 : 제1모스펫
Lm : 제1인덕턴스
200 : 스버너 회로
210 : 변압기 Df : 제2다이오드
C1 : 제2커패시터 SW2 : 제2모스펫
Lr : 제2인덕턴스

Claims (3)

  1. 외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터에 있어서,
    제1다이오드(Do), 제1커패시터(C0), 저항(R0), 제1모스펫(SW1), 제1인덕턴스(Lm)로 구성된 컨버터 회로(100) 및 스위칭으로 인한 전력 손실을 저감하기 위한 스너버 회로(200);
    상기 스너버 회로(200)는 변압기(210), 제2다이오드(Df), 제2커패시터(C1), 제2모스펫(SW2), 제2인덕턴스(Lr)로 구성되고,
    상기 변압기(210)는 1:N 트랜스포머가 입력부와 출력부에 결합되어 연결되고, 제1스위치 역할을 하는 제1모스팻(SW1); 제2 스위치 역할을 하는 제2모스펫(SW2)에 의하여 스위칭되고, 상기 제2모스펫(SW2)은 상기 제1모스팻(SW1)의 출력단에 연결되어서, 상기 제2커패시터(C1)와 직렬연결되고, 상기 제2 커패시터(C1)는 접지(GND)에 연결되고, 상기 제2인덕턴스(Lr)는 상기 제1모스팻(SW1)의 출력단에 연결되며, 상기제2인덕턴스(Lr)의 출력단과 접지(GND)사이에는 제2다이오드(Dr)가 연결되며, 상기 제2인덕턴스(Lr)의 출력단에는 제1다이오드(D0)와 트랜스포머가 연결되어 부하(C0,R0)와 연결되며,
    상기 스너버 회로(200)를 포함한 DC-DC컨버터의 동작은
    상기 제2인덕턴스(Lr)에 의해 일정한 기울기로 상기 제1모스펫(SW1)의 전류가 상승하며, 이때 상기 제1모스펫(SW1)의 전류는 내부 다이오드를 통해서 제로전압스위칭을 하며, 상기 제2모스펫(SW2), 상기 제2다이오드(Df)는 오프 상태를 유지하는 제1모드;
    상기 제1모스펫(SW1)을 통해 상기 제1인덕턴스(Lm)에 입력 전류를 자기장의 형태로 저장하는 부스팅하며, 전류는 상기 제2모스펫(SW2)과 상기 제2다이오드(Df)는 오프 상태를 유지하는 제2모드;
    상기 제1다이오드(Do)가 턴-오프 되고 프리휠링 다이오드(Df)가 턴-온되어 상기 제2인덕턴스(Lr)에 흐르는 전류는 상기 제2다이오드(Df)에 의해 유지되며, 상기 제1다이오드(Do)의 턴-오프 과정에서 발생하는 역 회복 전류는 상기 제2인덕턴스(Lr)에 의해 억제하는 제3모드;
    상기 제1모스펫(SW1)이 턴-오프되고 상기 제2모스펫(SW2)은 상기 제2인덕턴스(Lr)와 내부 다이오드를 이용하여 상기 제2모스펫(SW2)는 제로 전압 턴-온하며, 상기 제1모스펫(SW1)에 걸리는 전압은 상기 제2커패시터(C1)의 전압(VC1)이 걸리면서 낮은 턴-오프 전압이 걸리는 제4모드;
    상기 제2다이오드(Df)에 의한 프리휠링이 종료되고 상기 제1다이오드(Do)가 턴-온되면서 상기 제1인덕턴스(Lm)에 저장된 에너지를 출력으로 전달하기 시작하는 제5모드;
    상기 제2모스펫(SW2)이 도통되어 상기 제2커패시터(C1)를 방전시키며, 상기 제1모스펫(SW1)과 상기 제2다이오드(Df)는 오프 상태를 유지하는 제6모드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전력 손실 저감을 위한 고효율 DC-DC컨버터.
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