KR102349045B1 - 디커플링 동작을 수행하는 벅-부스트 컨버터 - Google Patents

디커플링 동작을 수행하는 벅-부스트 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벅-부스팅 동작과 액티브 디커플링 동작을 함께 수행할 수 있는 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전력 변환 회로, 커플드 인덕터(coupled-inductor)를 통해 상기 전력 변환 회로와 연결되는 디커플링(decoupling) 회로, 상기 커플드 인덕터에 충전된 전력을 이용하여 상기 디커플링 회로에 전력을 공급하거나 상기 디커플링 회로로부터 공급되는 전력을 상기 커플드 인덕터에 충전시키는 제어부 및 상기 디커플링 회로의 출력단에 연결되어 상기 커플드 인덕터로부터 전력을 공급받는 출력단 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

디커플링 동작을 수행하는 벅-부스트 컨버터{BUCK-BOOST CONVERTER WITH DECOUPLING OPERATION}
본 발명은 벅-부스팅 동작과 액티브 디커플링 동작을 함께 수행할 수 있는 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다.
컨버터는 전력 스위칭 소자를 포함하며, 전력 스위칭 소자의 온오프를 통해 전력을 변환한다. 전력 스위칭 소자는 온 상태 또는 오프 상태로 제어되어 전류를 단속하므로 컨버터 내 전류 또는 전압은 급격히 변화하고, 이는 노이즈를 발생시킨다. 이와 같이 발생한 노이즈가 부하에 제공되지 않도록 하기 위해 일반적으로 컨버터에는 디커플링 커패시터가 구비된다.
도 1은 종래 벅-부스트 컨버터의 회로도이며, 이하 도 1을 참조하여 종래 벅-부스트 컨버터에서 수행되는 디커플링 동작을 설명하도록 한다.
종래 벅-부스트 컨버터는 전력 스위칭 소자(S)를 턴 온 제어하여 인덕터(L)에 전력을 충전한 후(1), 전력 스위칭 소자를(S)를 턴 오프 제어하여 인덕터(L)에 충전된 전력을 부하(R)에 제공한다(2). 이 때, 전력 스위칭 소자(S)에서는 스위칭 동작에 의한 노이즈가 발생하며, 이러한 노이즈가 부하에 제공되는 것을 방지하기 위해, 종래 벅-부스트 컨버터는 부하와 병렬로 연결된 디커플링 커패시터(C)를 포함한다.
이러한 디커플링 커패시터(C)는 패시브 디커플링 동작(passive decoupling operation)을 수행한다. 구체적으로 디커플링 커패시터(C)는 부하에 제공되는 교류 성분의 전력을 그라운드로 흘려 보냄으로써, 부하에 직류 성분의 안정적인 전력만이 공급되도록 기능한다.
이러한 기능을 위해서는 디커플링 커패시터(C)의 용량이 클 것이 요구되며, 이에 따라 디커플링 커패시터(C)로는 전해(electrolytic) 커패시터가 사용되어 왔다.
다만, 최근에는 컨버터의 소형화, 전력 변환 효율 개선 및 수명 증가를 위해, 전해 커패시터가 필름(film) 커패시터로 대체되고 있는데, 필름 커패시터의 경우 전해 커패시터에 비해 상대적을 용량이 작아 전술한 패시브 디커플링 동작을 제대로 수행할 수 없다.
이에 따라, 커패시터의 용량에 기초한 패시브 디커플링 동작 대신에 액티브 디커플링 동작(active decoupling operation)을 수행할 수 있는 컨버터가 요구되고 있다.
본 발명은 커플드 인덕터를 이용한 벅-부스팅 동작을 통해 부하에 전력을 공급하는 벅-부스트 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 커플드 인덕터와 버퍼 커패시터의 전력 교환을 통해 액티브 디커플링 동작을 수행하는 벅-부스트 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체할 수 있는 벅-부스트 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후 이를 이용하여 커플드 인덕터에 전력을 충전시키고, 커플드 인덕터에 충전된 전력을 부하에 공급함으로써, 벅-부스팅 동작을 통해 부하에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 커플드 인덕터에 충전된 전력을 디커플링 회로 내 버퍼 커패시터에 공급하거나 버퍼 커패시터에 저장된 전력을 커플드 인덕터에 공급함으로써, 커플드 인덕터와 버퍼 커패시터의 전력 교환을 통해 액티브 디커플링 동작을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 일반적인 DC/DC 컨버터 내부에 액티브 디커플링 동작을 수행하는 디커플링 회로를 구비함으로써, 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체할 수 있다.
본 발명은 커플드 인덕터를 이용한 벅-부스팅 동작을 통해 부하에 전력을 공급함으로써, 부하가 요구하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 커플드 인덕터와 버퍼 커패시터의 전력 교환을 통해 액티브 디커플링 동작을 수행함으로써, 부하에 공급될 수 있는 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명은 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체함으로써, 벅-부스트 컨버터의 소형화가 가능하고, 전력 변환 효율을 개선시킬 수 있으며, 수명을 증가시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 벅-부스트 컨버터의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 전력 변환 회로의 예시적인 회로를 각각 도시한 도면.
도 4는 도 2에 도시된 디커플링 회로의 일 예를 도시한 도면.
도 5는 도 4에 도시된 디커플링 회로가 전력 변환 회로 및 출력단 회로와 연결된 모습을 도시한 도면.
도 6은 전력 변환 회로와 디커플링 회로가 전기적으로 격리된 모습을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 회로도.
도 8a는 버퍼 커패시터를 방전시킴으로써 부하에 일정한 출력 전압을 공급하기 위한 스위칭 제어 신호를 도시한 파형도.
도 8b는 버퍼 커패시터를 충전시킴으로써 부하에 일정한 출력 전압을 공급하기 위한 스위칭 제어 신호를 도시한 파형도.
도 9a 내지 도 9d는 도 8a 및 도 8b에 도시된 각 상태별 전류 흐름을 도시한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 벅-부스팅 동작과 액티브 디커플링 동작을 함께 수행할 수 있는 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 전력 변환 회로의 예시적인 회로를 각각 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 디커플링 회로의 일 예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 디커플링 회로가 전력 변환 회로 및 출력단 회로와 연결된 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 전력 변환 회로와 디커플링 회로가 전기적으로 격리된 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 회로도이다.
도 8a는 버퍼 커패시터를 방전시킴으로써 부하에 일정한 출력 전압을 공급하기 위한 스위칭 제어 신호를 도시한 파형도이고, 도 8b는 버퍼 커패시터를 충전시킴으로써 부하에 일정한 출력 전압을 공급하기 위한 스위칭 제어 신호를 도시한 파형도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8a 및 도 8b에 도시된 각 상태별 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스터 컨버터(100)는 전력 변환 회로(110), 디커플링(decoupling) 회로(120), 제어부(130), 출력단 회로(140) 및 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)를 연결하는 커플드 인덕터(coupled-inductor, 150)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 벅-부스터 컨버터(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
한편, 후술되는 제어부(130)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소로 구현될 수 있다.
전력 변환 회로(110)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
전력 변환 회로(110)는 임의의 교류 전원과 연결될 수 있고, 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 예컨대, 전력 변환 회로(110)는 계통(예를 들어, 상용 교류 전원)과 연결될 수 있고, 계통으로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
보다 구체적으로, 전력 변환 회로(110)는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류를 이용하여 직류 전압을 생성할 수 있다. 이를 위해 전력 변환 회로(110)는 다양한 회로 소자를 포함하여 구현될 수 있다.
일 예에서, 전력 변환 회로(110)는 하프 브리지(half-bridge) 정류 회로로 구현될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 전력 변환 회로(110)는 단일의 다이오드(Da)를 포함하는 하프 브리지 정류 회로일 수 있다. 이 때, 다이오드(Da)는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류 중에서 양의 교류 전류만을 출력단으로 제공함으로써, 교류 전원을 반파 정류(half-wave rectification)할 수 있다.
다른 예에서, 전력 변환 회로(110)는 풀 브리지(full-bridge) 정류 회로로 구현될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 전력 변환 회로(110)는 두 레그(leg)에 두 개씩 각각 연결된 제1 내지 제4 다이오드(Da, Db, Dc, Dd)를 포함하는 풀 브리지 정류 회로일 수 있다. 이 때, 제1 및 제4 다이오드(Da, Dd)는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류 중에서 양의 교류 전류만을 출력단으로 제공하고, 제2 및 제3 다이오드(Db, Dc) 다이오드는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류 중에서 음의 전류를 반전시켜 출력단으로 제공함으로써, 교류 전원을 전파 정류(full-wave rectification)할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서는 전력 변환 회로(110)가 다이오드를 포함하는 것으로 설명하였으나, 각 도면에 도시된 다이오드는 전력 스위칭 소자로 대체될 수 있다. 이 때, 각 전력 스위칭 소자는 후술하는 제어부(130)의 제어에 따라 온오프될 수 있고, 전력 스위칭 소자의 제어 방법은 당해 기술분야에서 이용되는 임의의 방법에 따를 수 있다.
한편, 전력 변환 회로(110)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 회로 이외에도, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 다양한 회로로 구현될 수 있음은 당연하다.
디커플링 회로(120)는, 전력 변환 회로(110) 내 다이오드 또는 전력 스위칭 소자에서 발생하는 노이즈나 후술하는 메인 스위치(MS1)의 스위칭 동작에 의해 발생하는 노이즈를 능동적으로 제거할 수 있다. 즉, 디커플링 회로(120)는 액티브 디커플링 동작을 수행할 수 있다.
액티브 디커플링 동작을 위해, 디커플링 회로(120)에는 수동 소자인 인덕터와 커패시터 및 이 두 수동 소자를 충전 또는 방전시키기 위한 스위치가 포함될 수 있는데, 본 발명은 벅-부스팅 동작에 이용되는 인덕터와 디커플링 동작에 이용되는 인덕터를 공용화하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 도 2에 도시된 것과 같이, 전력 변환 회로(110)의 출력단과 디커플링 회로(120)의 입력단은 커플드 인덕터(150)를 통해 연결될 수 있다. 이 때, 커플드 인덕터(150)는 벅-부스팅 동작 및 디커플링 동작에 각각 이용될 수 있는데, 각 동작에 대해서는 후술하도록 한다.
도 4를 참조하면, 디커플링 회로(120)는 버퍼 커패시터(Cb), 버퍼 커패시터(Cb)를 방전시키는 제1 디커플링 스위치(DS1) 및 버퍼 커패시터(Cb)를 충전시키는 제2 디커플링 스위치(DS2)를 포함할 수 있다. 여기서 제1 및 제2 디커플링 스위치(DS1, DS2)는 전력 스위칭 소자일 수 있고, 후술하는 제어부(130)에 의해 온오프될 수 있다.
커플드 인덕터(150)는 버퍼 커패시터(Cb) 및 제1 디커플링 스위치(DS1)와 폐회로를 형성함으로써, 제1 디커플링 스위치(DS1)가 턴 온 상태일 때 버퍼 커패시터(Cb)로부터 전력을 제공받을 수 있다(1). 또한, 커플드 인덕터(150)는 버퍼 커패시터(Cb) 및 제2 디커플링 스위치(DS2)와 폐회로를 형성함으로써, 제2 디커플링 스위치(DS2)가 턴 온 상태일 때 버퍼 커패시터(Cb)에 전력을 제공할 수 있다(2).
도 5를 참조하면, 버퍼 커패시터(Cb)는 전력 변환 회로(110)의 포지티브 노드(+)와 기준 노드(Nf) 사이에 연결될 수 있고, 제1 디커플링 스위치(DS1)와 커플드 인덕터(150)는 버퍼 커패시터(Cb)와 병렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 디커플링 스위치(DS1)와 커플드 인덕터(150)는 직렬 연결될 수 있고, 이 둘은 버퍼 커패시터(Cb)와 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 제2 디커플링 스위치(DS2)는 기준 노드(Nf)와 전력 변환 회로(110)의 네거티브 노드(-) 사이에 연결될 수 있다.
한편, 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120) 사이에는 제어부(130)에 의해 온오프되는 메인 스위치(MS1)가 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 메인 스위치(MS1)는 전력 스위칭 소자일 수 있고, 제어부(130)로부터 스위칭 제어 신호를 공급받아 온오프될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 메인 스위치(MS1)는 전력 변환 회로(110)의 출력단에 구비될 수 있다. 이에 따라, 메인 스위치(MS1)가 온 상태일 때 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)는 전기적으로 연결될 수 있고, 메인 스위치(MS1)가 오프 상태일 때 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)는 전기적으로 분리될 수 있다.
한편, 메인 스위치(MS1)가 오프 상태인 경우에도 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)가 노드를 공유하는 경우, 교류 전원에 서지 전압, 노이즈 등이 발생하면, 공유되는 노드를 통해 교류 전원이 디커플링 회로(120)에 유입될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 전력 변환 회로(110)의 출력단과 디커플링 회로(120)는 전기적으로 격리(isolation)될 수 있다.
도 6을 참조하면, 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)는 노드를 공유하지 않은 상태에서 커플드 인덕터(150)만을 통해 연결될 수 있다. 이 경우, 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)는 커플드 인덕터(150)를 통해 다중 결합될(multi-coupled) 수 있다. 전력 변환 회로(110)와 디커플링 회로(120)가 전기적으로 격리된 경우에는, 교류 전원에 서지 전압, 노이즈 등이 발생하더라도 교류 전원이 디커플링 회로(120)로 유입되지 않을 수 있다.
출력단 회로(140)는 디커플링 회로(120)의 출력단에 연결되어 커플드 인덕터(150)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(130)는 기본적으로 전술한 메인 스위치(MS1)를 제어하여 벅-부스팅 동작을 수행할 수 있고, 이에 따라 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력은 출력단 회로(140)로 제공될 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 벅-부스팅 동작에 대해 설명하도록 한다.
제어부(130)는 메인 스위치(MS1)를 턴 온 제어하여 커플드 인덕터(150)에 전력을 충전시킬 수 있다(1). 메인 스위치(MS1)가 온 상태가 되면 전력 변환 회로(110)를 통해 변환된 직류 전원은 커플드 인덕터(150)에 공급될 수 있고, 커플드 인덕터(150)는 공급되는 직류 전원을 이용하여 전력을 충전할 수 있다.
이어서, 제어부(130)는 메인 스위치(MS1)를 턴 오프 제어하여 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력을 출력단 회로(140)에 공급할 수 있다(2). 메인 스위치(MS1)가 오프 상태가 되면 커플드 인덕터(150)에 흐르는 전류는 네거티브 노드(-)를 따라 출력단 회로(140)로 제공될 수 있고, 이를 통해 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력은 출력단 회로(140)에 공급될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 벅-부스터 컨버터(100)는, 커플드 인덕터(150)를 이용한 벅-부스팅 동작을 기본적으로 수행할 수 있고, 벅-부스팅 동작을 통해 부하(R)에 전력을 공급함으로써, 부하(R)가 요구하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 벅-부스터 컨버터(100)는, 커플드 인덕터(150)와 디커플링 회호를 통해 디커플링 동작을 수행할 수 있다. 이하, 디커플링 동작에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
제어부(130)는 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력을 이용하여 디커플링 회로(120)에 전력을 공급하거나, 디커플링 회로(120)로부터 공급되는 전력을 커플드 인덕터(150)에 충전시킬 수 있다. 이를 통해, 전력 변환 회로(110) 및 메인 스위치(MS1)에서 발생한 노이즈에 의한 교류 성분은 제거될 수 있다.
이러한 디커플링 동작은 디커플링 회로(120)와 전력 변환 회로(110)가 전기적으로 분리되었을 때 수행될 수 있다. 이를 위해, 제어부(130)는 메인 스위치(MS1)를 턴 오프 제어한 이후, 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력을 디커플링 회로(120)에 공급하거나, 디커플링 회로(120)로부터 공급되는 전력을 커플드 인덕터(150)에 충전시킬 수 있다.
다시 말해, 제어부(130)는 전술한 벅-부스팅 동작을 통해 커플드 인덕터(150)에 일정 전력을 충전시킨 후, 메인 스위치(MS1)를 턴 오프 제어함으로써 교류 전원에 의한 커플드 인덕터(150)의 충전을 중단시키고, 커플드 인덕터(150)와 디커플링 회로(120)간의 전력 교환을 통해 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력량을 조절할 수 있다.
이하에서는, 도 7에 도시된 벅-부스터 컨버터(100)의 전체 회로를 예로 들어 디커플링 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7에 도시된 회로에서 전력 변환 회로(110)는 다이오드로 구성된 풀 브리지 정류 회로일 수 있고, 전력 변환 회로(110)의 입력단에는 교류 전원의 평활화(smoothing)를 위한 평활 회로(Lf, Cf)가 구비될 수 있다.
한편, 출력단 회로(140)는, 디커플링 회로(120)의 출력단에 연결된 출력단 커패시터(Cout)와 출력단 커패시터(Cout)로부터 출력 전압(Vout)을 공급받는 부하(R)를 포함할 수 있다. 출력단 커패시터(Cout)는 커플드 인덕터(150)로부터 제공되는 전류를 출력 전압(Vout)의 형태로 저장할 수 있고, 부하(R)는 출력단 커패시터(Cout)와 병렬로 연결되어 출력 전압(Vout)을 공급받을 수 있다.
한편 설명의 편의를 위해, 메인 스위치(MS1)의 온오프를 제어하기 위해 제어부(130)에서 출력되는 신호를 제1 스위칭 제어 신호(Q1)로, 제1 디커플링 스위치(DS1)의 온오프를 제어하기 위해 제어부(130)에서 출력되는 신호를 제2 스위칭 제어 신호(Q2)로, 제2 디커플링 스위치(DS2)의 온오프를 제어하기 위해 제어부(130)에서 출력되는 신호를 제3 스위칭 제어 신호(Q3)로 지칭하도록 한다.
또한, 버퍼 커패시터(Cb)에 인가되는 전압을 버퍼 커패시터 전압(Vb)으로, 커플드 인덕터(150)에 흐르는 전류를 인덕터 전류(im)로 지칭하도록 한다. 다만, 후술되는 인덕터 전류(im)는 디커플링 회로(120) 내에서 흐르는 전류가 아닌, 전력 변환 회로(110)의 출력단에 흐르는 전류, 다시 말해 도 5에서 전력 변환 회로(110)의 포지티브 노드에서 네거티브 노드로 흐르는 전류로 정의하도록 한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제어부(130)는 내부에서 생성되는 타이밍 신호(Ts)에 따라 제1 내지 제3 스위칭 제어 신호(Q1, Q2, Q3)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 타이밍 신호(Ts)의 크기와 복수의 기준 크기(Tmax(1-dMS1), Tmax*dDS1, Tmax*dDS2)를 비교하여 제1 내지 제3 스위칭 제어 신호(Q1, Q2, Q3)를 생성할 수 있는데, 기준 크기는 메인 스위치(MS1)의 온 듀티(dMS1), 제1 디커플링 스위치(DS1)의 온 듀티(dDS1) 및 제2 디커플링 스위치(DS2)의 온 듀티(dDS2)에 따라 미리 설정될 수 있다.
일 예에서, 제어부(130)는 제1 디커플링 스위치(DS1)를 턴 온 제어하고 제2 디커플링 스위치(DS2)를 턴 오프 제어하여 버퍼 커패시터(Cb)에 저장된 전력을 커플드 인덕터(150)로 방전시킬 수 있다.
다시 도 8a를 참조하면, state 2에서 제어부(130)는 하이(high) 값의 제1 스위칭 제어 신호(Q1)와 로우(low) 값의 제2 및 제3 스위칭 제어 신호(Q2, Q3)를 출력할 수 있다. 이 때, 인덕터 전류(im)는 증가할 수 있다.
도 9b를 참조하여 구체적으로 설명하면, state 2에서 메인 스위치(MS1)가 턴 온 상태이므로 전력 변환 회로(110)에서 출력되는 직류 전류는 커플드 인덕터(150)에 흐를 수 있다. 한편, 제1 및 제2 디커플링 스위치(DS1, DS2)가 턴 오프 상태이므로 디커플링 회로(120) 내에서는 전류 흐름이 발생하지 않을 수 있다.
이에 따라, 도 8a에 도시된 것과 같이 인덕터 전류(im)는 점차 증가할 수 있고, 버퍼 커패시터 전압(Vb)은 유지될 수 있다. 이 때, 버퍼 커패시터 전압(Vb)이 충분히 높은 경우(예컨대, 기준 전압 이상인 경우) 전력 변환 회로(110)의 출력단 전압에 의한 인덕터 전류(im)의 증가량은 적을 수 있다.
이어지는 state 3에서, 제어부(130)는 하이 값의 제2 스위칭 제어 신호(Q2)와 로우 값의 제1 및 제3 스위칭 제어 신호(Q1, Q3)를 출력할 수 있다. 이 때, 버퍼 커패시터 전압(Vb)이 충분히 높은 경우 인덕터 전류(im)는 더욱 증가할 수 있다.
도 9c를 참조하여 구체적으로 설명하면, state 3에서 메인 스위치(MS1)가 턴 오프 상태이므로 커플드 인덕터(150)에는 교류 전원에 의한 전류는 흐르지 않을 수 있다. 한편, 제1 디커플링 스위치(DS1)가 턴 온 상태이고 제2 디커플링 스위치(DS2)가 턴 오프 상태이므로, 커플드 인덕터(150), 제1 디커플링 스위치(DS1) 및 버퍼 커패시터(Cb)는 폐회로를 형성할 수 있다.
이 때, 버퍼 커패시터 전압(Vb)이 충분히 높으므로, 폐회로 내에서는 버퍼 커패시터 전압(Vb)에 의한 전류 흐름이 발생할 수 있고, 이에 따라 도 8a에 도시된 것과 같이 버퍼 커패시터 전압(Vb)은 점차 감소할 수 있고, 인덕터 전류(im)는 더욱 증가할 수 있다.
한편, 전술한 state 2 및 state 3에서 부하(R)는 출력단 커패시터(Cout)에 미리 저장된 출력 전압(Vout)을 공급받을 수 있고, 부하(R)의 전력 소모에 따라 도 8a에 도시된 것과 같이 출력 전압(Vout)의 크기는 점차 감소할 수 있다.
전술한 동작을 통해 제어부(130)는 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력량의 크기를 증가시킴과 동시에, 버퍼 커패시터(Cb)를 통해 인덕터 전류(im)에 발생하는 노이즈, 리플 등의 교류 성분을 제거할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어부(130)는 제1 디커플링 스위치(DS1)를 턴 오프 제어하고 제2 디커플링 스위치(DS2)를 턴 온 제어하여 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력을 버퍼 커패시터(Cb)로 방전시킬 수 있다.
다시 도 8b를 참조하면, 도 9b에서 설명한 것과 같이 state 2에서 인덕터 전류(im)는 증가할 수 있다. 다만, 도 8a에 도시된 것과는 달리 버퍼 커패시터 전압(Vb)이 낮은 경우(예컨대, 기준 전압 미만인 경우) 전력 변환 회로(110)의 출력단 전압에 의한 인덕터 전류(im)의 증가량은 클 수 있다.
이어지는 state 4에서, 제어부(130)는 하이 값의 제3 스위칭 제어 신호(Q3)와 로우 값이 제1 및 제2 스위칭 제어 신호(Q1, Q2)를 출력할 수 있다. 이 때, 버퍼 커패시터(Cb)의 전압이 낮은 경우 인덕터 전류(im)는 감소할 수 있다.
도 9d를 참조하여 구체적으로 설명하면, state 4에서 메인 스위치(MS1)가 턴 오프 상태이므로 커플드 인덕터(150)에는 교류 전원에 의한 전류는 흐르지 않을 수 있다. 한편, 제1 디커플링 스위치(DS1)가 턴 오프 상태이고, 제2 디커플링 스위치(DS2)가 턴 온 상태이므로, 커플드 인덕터(150), 제2 디커플링 스위치(DS2) 및 버퍼 커패시터(Cb)는 폐회로를 형성할 수 있다.
이 때, 버퍼 커패시터 전압(Vb)이 낮으므로, 폐회로 내에서는 인덕터 전류(im)에 의한 전류 흐름이 발생할 수 있고, 이에 따라 도 8b에 도시된 것과 같이 버퍼 커패시터 전압(Vb)은 점차 증가할 수 있고, 인덕터 전류(im)는 점차 감소할 수 있다.
한편, 전술한 state 2 및 state 4에서 부하(R)는 출력단 커패시터(Cout)에 미리 저장된 출력 전압(Vout)을 공급받을 수 있고, 부하(R)의 전력 소모에 따라 도 8b에 도시된 것과 같이 출력 전압(Vout)의 크기는 점차 감소할 수 있다.
전술한 동작을 통해 제어부(130)는 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력량의 크기를 감소시킴과 동시에, 버퍼 커패시터(Cb)를 통해 인덕터 전류(im)에 발생하는 노이즈, 리플 등의 교류 성분을 제거할 수 있다.
앞서 설명한 방법을 통해 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력량의 크기가 조절되면, 제어부(130)는 제1 및 제2 디커플링 스위치(DS1, DS2)를 턴 오프 제어하여 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력을 출력단 회로(140)로 방전시킬 수 있다.
다시, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, state 1에서 제어부(130)는 로우 값의 제1 내지 제3 스위칭 제어 신호(Q1, Q2, Q3)를 출력할 수 있다. 이에 따라, 인덕터 전류(im)는 감소할 수 있고, 출력 전압(Vout)은 증가할 수 있다.
도 9a를 참조하여 구체적으로 설명하면, state 1에서 메인 스위치(MS1), 제1 및 제2 디커플링 스위치(DS1, DS2)가 모두 턴 오프 상태이므로, 커플드 인덕터(150)와 출력단 커패시터(Cout)가 폐회로를 형성할 수 있고, 커플드 인덕터(150)와 부하(R)가 폐회로를 형성할 수 있다. 이에 따라, 앞서 조절된 인덕터 전류(im)는 출력단 커패시터(Cout) 및 부하(R)로 제공될 수 있고, 이에 따라 출력 전압(Vout)은 증가할 수 있다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 것과 같이, 출력단 회로(140)에 전력이 제공될 때, 즉, state 1의 시작 지점에서 인덕터 전류(im)는 항상 일정할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 벅-부스터 컨버터(100)는 교류 성분이 제거된 일정한 출력 전압(Vout)을 부하(R)에 공급할 수 있다.
한편, 도 9a 내지 도 9d에 도시된 것과 같은 전류 경로를 형성하기 위해, 디커플링 회로(120)는 제1 디커플링 스위치(DS1)와 직렬로 연결되어 제1 디커플링 스위치(DS1)의 역병렬 다이오드로 유입되는 전류를 제한하는 제1 전류 제한 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
도 9c를 예로 들어 설명하면, state 3과 같이 제1 디커플링 스위치(DS1)만이 턴 온 상태일 때에는 버퍼 커패시터(Cb)에 저장된 전력이 커플드 인덕터(150)로 제공될 수 있다. 다만, 전력 변환 회로(110)의 출력단 전압이 높은 경우 전류 흐름은 제1 디커플링 스위치(DS1)의 역병렬 다이오드를 따라 형성될 수 있고, 커플드 인덕터(150)에 저장된 전력이 버퍼 커패시터(Cb)로 제공될 수 있다.
이 경우, 제어 의도와는 달리 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력량이 오히려 감소될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 제1 전류 제한 다이오드(D1)는 제1 디커플링 스위치(DS1)의 역병렬 다이오드와 반대 방향으로 결선되어, 전력이 오직 버퍼 커패시터(Cb)에서 커플드 인덕터(150)로 제공되도록 전류 흐름을 제한할 수 있다.
또한, 디커플링 회로(120)는 제2 디커플링 스위치(DS2)와 직렬로 연결되어 제2 디커플링 스위치(DS2)의 역병렬 다이오드로 유입되는 전류를 제한하는 제2 전류 제한 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
도 9d를 예로 들어 설명하면, state 4와 같이 제2 디커플링 스위치(DS2)만이 턴 온 상태일 때에는 커플드 인덕터(150)에 저장된 전력이 버퍼 커패시터(Cb)로 제공될 수 있다. 다만, 버퍼 커패시터 전압(Vb)이 높은 경우 전류 흐름은 제2 디커플링 스위치(DS2)의 역병렬 다이오드를 따라 형성될 수 있고, 버퍼 커패시터(Cb)에 저장된 전력이 커플드 인덕터(150)로 제공될 수 있다.
이 경우, 제어 의도와는 달리 커플드 인덕터(150)에 충전된 전력량이 오히려 증가할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 제2 전류 제한 다이오드(D2)는 제2 디커플링 스위치(DS2)의 역병렬 다이오드와 반대 방향으로 결선되어, 전력이 오직 커플드 인덕터(150)에서 버퍼 커패시터(Cb)로 제공되도록 전류 흐름을 제한할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래 DC-DC 컨버터가 수행할 수 있는 벅-부스팅 동작을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 액티브 디커플링 동작까지 수행함으로써 부하(R)에 교류 성분이 제거된 안정적인 직류 전압을 제공할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 의하면 패시브 디커플링 동작을 위한 전해 커패시터가 필름 커패시터로 대체될 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 부하(R)에 전압을 제공하는 출력단 커패시터(Cout)를 필름 커패시터로 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 커플드 인덕터(150)와 버퍼 커패시터(Cb)의 전력 교환을 통해 액티브 디커플링 동작을 수행함으로써, 부하(R)에 공급될 수 있는 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단할 수 있다. 또한, 본 발명은 부하(R)에 전압을 공급하는 출력단 커패시터(Cout)를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체함으로써, 벅-부스터 컨버터(100)의 소형화가 가능하고, 전력 변환 효율을 개선시킬 수 있으며, 수명을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (15)

  1. 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 전력 변환 회로;
    일단이 상기 전력 변환 회로의 포지티브 출력단과 연결되는 메인 스위치;
    제1, 제2 및 제3 인덕터로 구성된 커플드 인덕터 - 상기 제1 인덕터의 일단은 상기 메인 스위치의 타단과 연결되고, 상기 제1 인덕터의 타단은 상기 전력 변환 회로의 네거티브 출력단과 연결되고, 상기 제2 인덕터는 상기 제1 인덕터와 커플링되고, 상기 제3 인덕터는 상기 제2 인덕터와 커플링됨 -;
    일단이 상기 제2 인덕터의 일단과 연결되고, 타단이 상기 제3 인덕터의 일단과 연결되는 버퍼 커패시터;
    일단이 상기 제2 인덕터의 일단과 연결되고, 타단이 상기 제3 인덕터의 타단과 연결되며, 상기 버퍼 커패시터를 방전시키는 제1 디커플링 스위치;
    일단이 상기 제3 인덕터의 일단과 연결되고, 타단이 상기 제2 인덕터의 타단과 연결되며, 상기 버퍼 커패시터를 충전시키는 제2 디커플링 스위치;
    상기 커플드 인덕터로부터 전력을 공급받는 출력단 회로; 및
    상기 메인 스위치, 상기 제1 디커플링 스위치 및 제2 디커플링 스위치 각각의 온오프를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 버퍼 커패시터, 상기 제1 디커플링 스위치, 상기 제2 디커플링 스위치는 디커플링 회로를 구성하고, 상기 출력단 회로는 상기 디커플링 회로의 출력단에 연결되고,
    상기 제어부는 상기 커플드 인덕터에 충전된 전력을 이용하여 상기 디커플링 회로에 전력을 공급하거나 상기 디커플링 회로로부터 공급되는 전력을 상기 커플드 인덕터에 충전시키도록 상기 메인 스위치, 상기 제1 디커플링 스위치 및 제2 디커플링 스위치의 온오프를 제어하고,
    상기 제1, 제2 및 제3 인덕터 각각의 일단은 도트측 단자이고, 상기 제1, 제2 및 제3 인덕터 각각의 타단은 비도트측 단자이고, 상기 제1 인덕터의 일단과 상기 제2 인덕터의 일단은 연결되지 않고, 상기 제1 인덕터의 타단과 상기 제2 인덕터의 타단은 연결되지 않고, 상기 전력 변환 회로의 출력단과 상기 디커플링 회로는 전기적으로 격리(isolation)되는, 벅-부스트 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 회로는 계통과 연결되어 상기 계통으로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는
    벅-부스트 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 회로는 하프 브리지(half-bridge) 정류 회로 또는 풀 브리지(full-bridge) 정류 회로인
    벅-부스트 컨버터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디커플링 회로는
    상기 제1 디커플링 스위치와 직렬로 연결되어 상기 제1 디커플링 스위치의 역병렬 다이오드로 유입되는 전류를 제한하는 제1 전류 제한 다이오드와,
    상기 제2 디커플링 스위치와 직렬로 연결되어 상기 제2 디커플링 스위치의 역병렬 다이오드로 유입되는 전류를 제한하는 제2 전류 제한 다이오드를 포함하는
    벅-부스트 컨버터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 메인 스위치를 턴 온 제어하여 상기 커플드 인덕터에 전력을 충전시키고, 상기 메인 스위치를 턴 오프 제어하여 상기 커플드 인덕터에 충전된 전력을 상기 출력단 회로에 공급하는
    벅-부스트 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 메인 스위치를 턴 오프 제어한 후 상기 커플드 인덕터에 충전된 전력을 이용하여 상기 디커플링 회로에 전력을 공급하거나 상기 디커플링 회로로부터 공급되는 전력을 상기 커플드 인덕터에 충전시키는
    벅-부스트 컨버터
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 출력단 회로는
    상기 디커플링 회로의 출력단에 연결된 출력단 커패시터와,
    상기 출력단 커패시터로부터 출력 전압을 공급받는 부하를 포함하는
    벅-부스트 컨버터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 출력단 커패시터는 필름(film) 커패시터인
    벅-부스트 컨버터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 디커플링 스위치를 턴 온 제어하고 상기 제2 디커플링 스위치를 턴 오프 제어하여 상기 버퍼 커패시터에 저장된 전력을 상기 커플드 인덕터로 방전시키는
    벅-부스트 컨버터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 디커플링 스위치를 턴 오프 제어하고 상기 제2 디커플링 스위치를 턴 온 제어하여 상기 커플드 인덕터에 충전된 전력을 상기 버퍼 커패시터로 방전시키는
    벅-부스트 컨버터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2 디커플링 스위치를 턴 오프 제어하여 상기 커플드 인덕터에 충전된 전력을 상기 출력단 회로로 방전시키는
    벅-부스트 컨버터.
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