KR102399088B1 - Buck Converter with Zero-Current-Switching - Google Patents
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Abstract
본 발명은 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터에 관한 것으로, 메인 인덕터와 메인 커패시터를 포함하는 메인 LC 필터, 입력 전원과 메인 인덕터 사이에 위치하여 입력 전원과 메인 인덕터를 연결 또는 차단하는 메인 스위치, 캐소드는 메인 인덕터와 메인 스위치의 접점에 연결되고, 애노드는 메인 커패시터에 연결되는 메인 다이오드, 보조 인덕터와 보조 커패시터를 포함하는 보조 LC 필터, 그리고 보조 인덕터와 보조 커패시터의 접점과 메인 인덕터와 메인 스위치의 접점을 연결 또는 차단하는 보조 스위치를 포함한다. 본 발명에 의하면 영전류 스위칭을 통하여, 벅 컨버터의 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 가격이 저렴한 IGBT 소자를 적용하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.The present invention relates to a buck converter capable of zero current switching, a main LC filter including a main inductor and a main capacitor, a main switch positioned between the input power and the main inductor to connect or cut off the input power and the main inductor, and the cathode It is connected to the contact point of the main inductor and the main switch, and the anode is connected to the main diode connected to the main capacitor, the auxiliary LC filter including the auxiliary inductor and the auxiliary capacitor, and the contact point between the auxiliary inductor and the auxiliary capacitor and the contact point of the main inductor and the main switch Includes auxiliary switches to connect or disconnect. According to the present invention, it is possible to minimize the switching loss of the buck converter through zero current switching, and to secure price competitiveness by applying an inexpensive IGBT device.
Description
본 발명은 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a buck converter capable of zero current switching.
벅-컨버터는 스위칭을 통하여 일정 범위를 갖는 입력 전압으로부터, 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 얻을 수 있는 전력변환회로이며, 최근 연료전지 자동차의 전력변환장치 및 전기자동차의 충전기 등에 적용되고 있다.The buck-converter is a power conversion circuit that can obtain an output voltage lower than the input voltage from an input voltage having a certain range through switching, and is recently applied to a power conversion device for a fuel cell vehicle and a charger for an electric vehicle.
도 1은 일반적인 벅 컨버터의 회로도이고, 도 2는 도 1에 예시한 벅 컨버터의 동작 파형도이다.1 is a circuit diagram of a general buck converter, and FIG. 2 is an operation waveform diagram of the buck converter illustrated in FIG. 1 .
도 1 및 도 2를 참고하면, 일반적인 벅-컨버터는 인덕터(LM), 커패시터(CM)와 두 개의 스위치(보통 트랜지스터(QM)와 다이오드(DM) 각 한 개씩)를 사용하여 구성된다. 벅-컨버터는 인덕터(LM)와 입력 전원(Vin) 사이를 연결하여, 인덕터(LM)에 에너지를 저장하는 모드 1(Mode1)과 인덕터(LM)에 저장된 에너지를 부하로 방전하는 모드 2(Mode2)를 반복하면서 동작한다.1 and 2 , a typical buck-converter is configured using an inductor (L M ), a capacitor ( CM ), and two switches (usually a transistor (Q M ) and a diode (D M ), one each). do. The buck-converter connects between the inductor (L M ) and the input power (Vin) to store energy in the inductor (L M ) in mode 1 (Mode1) and in the mode for discharging the energy stored in the inductor ( LM ) to the load. It operates while repeating 2 (Mode2).
트랜지스터(QM)가 온(on)되는 모드 1로 동작할 때, 벅 컨버터는 ⓐ와 같은 전류 도통 경로가 구성된다. 모드 1에서 벅 컨버터는 입력 전원(Vin)의 입력 전압이 인덕터(LM)와 커패시터(CM)로 구성되는 LC 필터에 전달되며, 인덕터(LM)에 흐르는 전류(I_LM)는 선형적으로 상승한다. 인덕터(LM)에 전류가 충전된다. 다이오드(DM)는 입력 전원(Vin)에 의해 역방향 전압이 걸리므로 전류가 흐르지 않는다.When the transistor Q M operates in
한편 트랜지스터(QM)가 오프(off)되는 모드 2로 동작할 때, 벅 컨버터는 ⓑ와 같은 전류 도통 경로가 구성된다. 모드 2에서 벅 컨버터는 다이오드(DM)에 순방향 전압이 걸리고 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가되며, 인덕터 전류(ILM)는 감소하며, 인덕터(LM)에서 전류가 방전된다.Meanwhile, when the transistor Q M operates in
그런데 종래 벅 컨버터는 트랜지스터(QM)의 높은 스위칭 손실로 인하여, 전력변환 효율이 낮은 단점이 있다. 최근 SiC MOSFET를 적용하여 스위칭 손실을 저감할 수 있지만, 가격이 높아지는 단점이 있었다.However, the conventional buck converter has a disadvantage in that the power conversion efficiency is low due to the high switching loss of the transistor (Q M ). Although it is possible to reduce switching losses by applying SiC MOSFETs recently, there is a disadvantage in that the price increases.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스위칭 손실을 저감하면서 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터를 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a buck converter capable of zero current switching that can secure price competitiveness while reducing switching loss.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 메인 인덕터와 메인 커패시터를 포함하는 메인 LC 필터, 입력 전원과 상기 메인 인덕터 사이에 위치하여 상기 입력 전원과 상기 메인 인덕터를 연결 또는 차단하는 메인 스위치, 캐소드는 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점에 연결되고, 애노드는 상기 메인 커패시터에 연결되는 메인 다이오드, 보조 인덕터와 보조 커패시터를 포함하는 보조 LC 필터, 그리고 상기 보조 인덕터와 상기 보조 커패시터의 접점과 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점을 연결 또는 차단하는 보조 스위치를 포함한다.A main LC filter including a main inductor and a main capacitor according to the present invention for solving these technical problems, a main switch located between the input power and the main inductor to connect or cut off the input power and the main inductor, the cathode is The main inductor is connected to a contact point of the main switch, and an anode is connected to the main capacitor, an auxiliary LC filter including an auxiliary inductor and an auxiliary capacitor, and a contact point between the auxiliary inductor and the auxiliary capacitor and the main inductor and an auxiliary switch for connecting or blocking a contact point of the main switch.
상기 벅 컨버터는, 애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 보조 인덕터와 연결되는 보조 다이오드를 더 포함할 수 있다.The buck converter may further include an auxiliary diode in which an anode is connected to a high potential terminal of the input power and a cathode is connected to the auxiliary inductor.
상기 벅 컨버터는, 애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 메인 스위치와 연결되는 블로킹 다이오드를 더 포함할 수 있다.The buck converter may further include a blocking diode in which an anode is connected to a high potential terminal of the input power and a cathode is connected to the main switch.
상기 벅 컨버터의 동작 모드는, 미리 정해진 제1 시간동안 상기 메인 스위치가 온(on)되는 제1 모드, 상기 제1 모드 후, 미리 정해진 제2 시간동안 상기 메인 스위치가 오프(off)되고 상기 보조 스위치가 온되는 제2 모드, 그리고 상기 제2 모드 후, 미리 정해진 제3 시간동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프되는 제3 모드를 포함할 수 있다.The operation mode of the buck converter is a first mode in which the main switch is on for a first predetermined time, and after the first mode, the main switch is off for a second predetermined time and the auxiliary It may include a second mode in which the switch is on, and a third mode in which both the main switch and the auxiliary switch are turned off for a third predetermined time after the second mode.
상기 제1 모드에서, 상기 입력 전원의 입력 전압에 의해 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되고, 상기 제2 모드에서, 상기 입력 전압보다 높은 전압으로 상기 제3 모드에서 충전된 상기 보조 커패시터가 방전되면서 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되며, 상기 제3 모드에서, 상기 입력 전압이 LC 공진을 통해 상기 보조 커패시터를 충전하고, 상기 메인 다이오드가 온 되어 상기 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가될 수 있다.In the first mode, a current is charged in the main inductor by the input voltage of the input power, and in the second mode, the auxiliary capacitor charged in the third mode is discharged to a voltage higher than the input voltage. A current is charged in the main inductor, and in the third mode, the input voltage charges the auxiliary capacitor through LC resonance, and the main diode is turned on to apply a zero-voltage to the main LC filter. can
상기 제3 모드에서 상기 보조 다이오드로 인해 상기 보조 LC 필터의 LC 공진이 반주기로 끝나고, 상기 보조 커패시터에는 상기 입력 전압의 2배의 전압이 충전될 수 있다.In the third mode, due to the auxiliary diode, the LC resonance of the auxiliary LC filter may end in a half cycle, and the auxiliary capacitor may be charged with a voltage twice the input voltage.
상기 벅 컨버터의 동작 모드는, 상기 제3 모드 후, 미리 정해진 제4 시간 동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프된 상태로 유지하는 제4 모드를 더 포함하고, 상기 제1 모드 내지 상기 제4 모드를 순차적으로 반복할 수 있다.The operation mode of the buck converter further includes a fourth mode in which both the main switch and the auxiliary switch are maintained in an off state for a fourth predetermined time after the third mode, the first mode to the
상기 메인 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)일 수 있다.The main switch may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
본 발명에 의하면 영전류 스위칭을 통하여, 벅 컨버터의 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 가격이 저렴한 IGBT 소자를 적용하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.According to the present invention, it is possible to minimize the switching loss of the buck converter through zero current switching, and to secure price competitiveness by applying an inexpensive IGBT device.
도 1은 일반적인 벅 컨버터의 회로도이다.
도 2는 도 1에 예시한 벅 컨버터의 동작 파형도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 주요 동작 파형도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 제1 모드 내지 제4 모드에서의 도통 경로를 나타낸 것이다.1 is a circuit diagram of a typical buck converter.
FIG. 2 is an operation waveform diagram of the buck converter illustrated in FIG. 1 .
3 is a circuit diagram of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
4 is a main operating waveform diagram of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
5 to 8 show conduction paths in the first to fourth modes of the buck converter according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment in which a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily practice the present invention will be described in detail. However, these examples are for explaining the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.The configuration of the invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment of the present invention, but the same in assigning reference numbers to the components of the drawings For the components, even if they are on different drawings, the same reference numbers are given, and it is noted in advance that the components of other drawings can be cited when necessary in the description of the drawings. In addition, when it is determined that detailed descriptions of well-known functions or configurations related to the present invention and other matters may unnecessarily obscure the gist of the present invention in explaining the operating principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, A detailed description thereof will be omitted.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In addition, throughout the specification, when a part is 'connected' with another part, it is not only 'directly connected' but also 'indirectly connected' with another element interposed therebetween. include In this specification, the singular also includes the plural unless otherwise specified in the phrase. As used herein, “comprises” or “comprising” excludes the presence or addition of one or more other components, steps, acts, or elements in addition to the recited elements, steps, acts, or elements. I never do that.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 주요 동작 파형도이다.3 is a circuit diagram of a buck converter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a main operation waveform diagram of a buck converter according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터는 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM), 메인 다이오드(DM), 메인 스위치(QM), 보조 스위치(QA), 보조 커패시터(CA), 보조 인덕터(LA), 보조 다이오드(DA) 및 블록킹 다이오드(DB)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the buck converter capable of zero current switching according to the present invention has a main inductor (L M ), a main capacitor ( CM ), a main diode ( DM ), a main switch (Q M ) , and an auxiliary switch (Q). A ), an auxiliary capacitor C A , an auxiliary inductor L A , an auxiliary diode D A , and a blocking diode D B .
도 4에 예시한 것과 같이, 입력 전원(Vin)의 입력 전압은 메인 스위치(QM)의 스위칭 동작에 따라 메인 인덕터(LM)와 메인 커패시터(CM)를 포함하는 메인 LC 필터를 거쳐 출력된다. 메인 LC 필터에서 고주파 성분은 그라운드(GND)를 통해 빠져나가고, 저주파 성분만 출력 전압(Vout)으로 출력된다.As illustrated in FIG. 4 , the input voltage of the input power source Vin is output through the main LC filter including the main inductor L M and the main capacitor C M according to the switching operation of the main switch Q M . do. In the main LC filter, the high frequency component exits through the ground (GND), and only the low frequency component is output as the output voltage Vout.
메인 스위치(QM)는 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM) 사이에 위치한다. 메인 스위치(QM)는 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM)를 연결 또는 차단할 수 있다. 도 4에서 모드 1 구간에는 메인 스위치(QM)가 온(ON) 되어, 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM)를 연결한다. 모드 2 ~ 모드 4 구간에는 메인 스위치(QM)가 오프(OFF)되어 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM)를 차단할 수 있다.The main switch Q M is located between the input power Vin and the main inductor L M . The main switch Q M may connect or cut off the input power Vin and the main inductor L M . In FIG. 4 , in the
메인 스위치(QM)는 컨트롤러(미도시)를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온 또는 오프될 수 있다.The main switch Q M may be turned on or off according to a control signal applied through a controller (not shown).
메인 스위치(QM)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)로 구현할 수 있다. 물론 실시예에 따라서 메인 스위치(QM)는 SiC MOSFET 등과 같은 다른 스위칭 소자로 구현할 수도 있다.The main switch Q M may be implemented as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). Of course, depending on the embodiment, the main switch (Q M ) may be implemented with other switching devices such as SiC MOSFETs.
메인 다이오드(DM)는 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점에 캐소드가 연결되고, 메인 커패시터(CM)에 애노드가 연결될 수 있다.The main diode D M may have a cathode connected to a contact point between the main inductor L M and the main switch Q M , and an anode connected to the main capacitor C M .
본 발명에 따른 벅 컨버터는 메인 LC 필터에 추가하여 보조 커패시터(CA)와 보조 인덕터(LA)를 포함하는 보조 LC 필터를 더 포함할 수 있다.The buck converter according to the present invention may further include an auxiliary LC filter including an auxiliary capacitor ( CA ) and an auxiliary inductor (LA ) in addition to the main LC filter.
보조 스위치(QA)는 보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)의 접점과 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점을 연결 또는 차단할 수 있다. 모드 2 구간에는 보조 스위치(QA)가 온(ON) 되어, 보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)의 접점과 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점을 연결할 수 있다. 그리고 모드 1, 모드 3 및 모드 4 구간에는 보조 스위치(QA)가 온(OFF) 되어, 보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)의 접점과 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점을 차단할 수 있다.The auxiliary switch Q A may connect or cut off the contact between the auxiliary inductor LA and the auxiliary capacitor CA and the contact between the main inductor L M and the main switch Q M . In the
보조 스위치(QA)는 컨트롤러(미도시)를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온 또는 오프될 수 있다.The auxiliary switch Q A may be turned on or off according to a control signal applied through a controller (not shown).
보조 다이오드(DA)는 입력 전원(Vin)의 고전위 단자(양극 단자)와 애노드가 연결되고, 보조 인덕터(LA)와 캐소드가 연결될 수 있다.The auxiliary diode D A may have an anode connected to a high potential terminal (anode terminal) of the input power Vin, and an auxiliary inductor LA A and a cathode connected thereto.
한편 블록킹 다이오드(DB)는 입력 전원(Vin)의 고전위 단자와 애노드가 연결되고, 메인 스위치(QM)와 캐소드가 연결될 수 있다.On the other hand, the blocking diode ( DB ) may be connected to the high potential terminal of the input power source (Vin) and the anode, and the main switch (Q M ) and the cathode may be connected.
입력 전원(Vin)의 저전위 단자(음극 단자), 보조 커패시터(CA), 메인 다이오드(DM)와 메인 커패시터(CM)는 그라운드(GND)에 연결될 수 있다.The low potential terminal (negative terminal) of the input power Vin, the auxiliary capacitor CA , the main diode D M , and the main capacitor C M may be connected to the ground GND.
본 발명에 따른 벅 컨버터는 제1 모드 내지 제4 모드를 포함하는 동작 모드를 가지며, 순차적으로 제1 모드 내지 제4 모드를 반복할 수 있다.The buck converter according to the present invention has an operation mode including the first mode to the fourth mode, and may sequentially repeat the first mode to the fourth mode.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 제1 모드 내지 제4 모드에서의 도통 경로를 나타낸 것이다.5 to 8 show conduction paths in the first to fourth modes of the buck converter according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참고하면, 벅 컨버터는 제1 모드에서 메인 스위치(QM)가 온 되고, 보조 스위치(QA)가 오프된다. 제1 모드에서 벅 컨버터는 입력 전원(Vin), 블록킹 다이오드(DB), 메인 스위치(QM), 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM)로 이루어지는 전류 도통 경로(①)를 가질 수 있다.Referring to FIG. 5 , in the buck converter, the main switch Q M is on and the auxiliary switch Q A is turned off in the first mode. In the first mode, the buck converter has a current conduction path (①) consisting of an input power supply (Vin), a blocking diode (DB ), a main switch (Q M ), a main inductor ( L M ), and a main capacitor ( CM ). can
제1 모드에서 메인 스위치(QM)가 온 됨에 따라, 입력 전원(Vin)의 입력 전압이 메인 LC 필터에 전달되고, 메인 인덕터(LM)에 전류(I_LM)가 상승하며 충전된다.As the main switch Q M is turned on in the first mode, the input voltage of the input power Vin is transferred to the main LC filter, and the current I_L M rises in the main inductor LM and is charged.
도 6을 참고하면, 벅 컨버터는 제2 모드에서 메인 스위치(QM)가 오프 되고, 보조 스위치(QA)가 온 된다. 제2 모드에서 벅 컨버터는 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM), 보조 커패시터(CA), 보조 스위치(QA)로 이루어지는 전류 도통 경로(②)를 가질 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the buck converter, the main switch Q M is turned off and the auxiliary switch Q A is turned on in the second mode. In the second mode, the buck converter may have a current conduction path (②) consisting of a main inductor (L M ), a main capacitor ( CM ), an auxiliary capacitor ( CA ), and an auxiliary switch (Q A ) .
제2 모드에서 벅 컨버터는 보조 스위치(QA)가 온 되고 보조 커패시터(CA)에 이미 입력 전압보다 높은 전압이 충전된 상태이므로, 보조 커패시터(CA)에서 메인 인덕터(LM)로 전류를 공급하게 된다. 메인 스위치(QM)가 오프 되어, 메인 스위치(QM)에 흐르는 전류(I_QM)은 '0'이 된다. 그리고 제2 모드에서 시간이 경과함에 따라 보조 커패시터(CA)에 충전되어 있던 전압은 인덕터(LM)로 모두 방전되어 '0'이 된다.In the second mode, in the buck converter, the auxiliary switch Q A is on and the auxiliary capacitor C A is already charged with a voltage higher than the input voltage, so the current flows from the auxiliary capacitor C A to the main inductor L M . will supply The main switch Q M is turned off, and the current I_Q M flowing through the main switch Q M becomes '0'. And as time elapses in the second mode, the voltage charged in the auxiliary capacitor CA is all discharged to the inductor L M and becomes '0'.
제2 모드에서 메인 스위치(QM)의 오프와 보조 스위치(QA)의 온을 거의 동시에 할 수도 있으나, 실시예에 따라서 메인 스위치(QM)를 오프하기 전에 보조 스위치(QA)를 온 하도록 구현하는 것도 가능하다.In the second mode, the OFF of the main switch (Q M ) and the ON of the auxiliary switch (Q A ) may be almost simultaneously performed, but according to an embodiment, the auxiliary switch (Q A ) is turned on before the main switch (Q M ) is OFF It is also possible to implement it so that
도 7을 참고하면, 벅 컨버터는 제3 모드에서 메인 스위치(QM)와 보조 스위치(QA)가 모두 오프 된다. 제3 모드에서 벅 컨버터는 2개의 전류 도통 경로(③, ④)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7 , in the buck converter, both the main switch Q M and the auxiliary switch Q A are turned off in the third mode. In the third mode, in the buck converter, two current conduction paths (③, ④) may be formed.
전류 도통 경로(③)는 입력 전원(Vin), 블록킹 다이오드(DB), 보조 다이오드(DA), 보조 인덕터(LA), 보조 커패시터(CA)로 형성된다. 그리고 전류 도통 경로(④)는 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM), 메인 다이오드(DM)로 형성될 수 있다.The current conduction path (③) is formed of an input power source (Vin), a blocking diode ( DB ), an auxiliary diode ( DA ), an auxiliary inductor (LA), and an auxiliary capacitor ( CA ). In addition, the
전류 도통 경로(③)에서, 입력 전압이 보조 커패시터(CA)와 보조 인덕터(LA)의 LC 공진을 통해 보조 커패시터(CA)를 충전하게 된다. 전류 도통 경로(③)에 의한 보조 커패시터(CA)의 충전은 보조 다이오드(DA)로 인해 보조 LC 필터의 공진이 반주기로 끝날때까지 이루어지며, 입력 전압의 2배 만큼의 전압이 보조 커패시터(CA)에 충전될 수 있다.In the current conduction path ( ③ ), the input voltage charges the auxiliary capacitor CA through the LC resonance of the auxiliary capacitor ( CA ) and the auxiliary inductor (LA). The auxiliary capacitor ( CA ) is charged by the current conduction path (③) until the resonance of the auxiliary LC filter ends in half cycle due to the auxiliary diode (D A ) , and a voltage equal to twice the input voltage is applied to the auxiliary capacitor (C A ) can be charged.
전류 도통 경로(④)에서 메인 다이오드(DM)에 순방향 전압이 걸린다. 메인 다이오드(DM)가 온 되어 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가된다. 따라서 메인 인덕터(LM)에서 전류(I_LM)가 하강하며 방전된다.A forward voltage is applied to the main diode ( DM ) in the current conduction path (④). The main diode D M is turned on, and a zero-voltage is applied to the main LC filter. Accordingly, the current I_L M falls in the main inductor L M and is discharged.
도 8을 참고하면, 벅 컨버터는 제4 모드에서 메인 스위치(QM)와 보조 스위치(QA)가 모두 오프 상태를 유지할 수 있다. 제4 모드에서 벅 컨버터는 하나의 전류 도통 경로(⑤)가 형성될 수 있다. 전류 도통 경로(⑤)는 도 7에서 전류 도통 경로(④)와 동일하다.Referring to FIG. 8 , in the buck converter, both the main switch Q M and the auxiliary switch Q A may maintain an off state in the fourth mode. In the fourth mode, one
제4 모드에서 보조 커패시터(CA)는 입력 전압의 2배 만큼의 전압이 충전된 상태를 유지하고, 메인 인덕터(LM)는 메인 다이오드(DM)가 온 되어 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가되고, 메인 인덕터(LM)에서 전류(I_LM)가 하강하며 방전된다.In the fourth mode, the auxiliary capacitor ( CA ) maintains a state in which a voltage equal to twice the input voltage is charged, and the main inductor ( LM ) turns on the main diode ( DM ) to provide a zero voltage ( Zero-voltage) is applied, and the current I_L M falls in the main inductor L M and is discharged.
이와 같이 본 발명에 따른 벅 컨버터는 메인 스위치(QM)로 흐르는 전류를 보조 스위치(QA)를 추가하여 등가 전압원으로 우회시킴으로써, 영전류 조건에서 턴-오프 시킬 수 있게 된다.As described above, in the buck converter according to the present invention, the current flowing to the main switch (Q M ) is diverted to an equivalent voltage source by adding an auxiliary switch (Q A ), so that it can be turned off in a zero current condition.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also provided. is within the scope of the
Claims (8)
입력 전원과 상기 메인 인덕터(LM) 사이에 위치하여 상기 입력 전원과 상기 메인 인덕터(LM)를 연결 또는 차단하는 메인 스위치(QM),
캐소드는 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점에 연결되고, 애노드는 상기 메인 커패시터에 연결되는 메인 다이오드(DM),
보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)를 포함하는 보조 LC 필터,
상기 보조 인덕터(LA)와 상기 보조 커패시터(CA)의 접점과 상기 메인 인덕터(LM)와 상기 메인 스위치(QM)의 접점을 연결 또는 차단하는 보조 스위치(QA),
애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 보조 인덕터(LA)와 연결되는 보조 다이오드(DA), 그리고
애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 메인 스위치(QM)와 연결되는 블로킹 다이오드(DB)를 포함하는 벅 컨버터.a main LC filter comprising a main inductor (L M ) and a main capacitor (C M );
A main switch (Q M ) positioned between the input power and the main inductor (L M ) to connect or cut off the input power and the main inductor (L M ),
A cathode is connected to the contact point of the main inductor and the main switch, the anode is a main diode connected to the main capacitor ( DM ),
Auxiliary LC filter including auxiliary inductor ( LA ) and auxiliary capacitor ( CA );
Auxiliary switch (Q A ) for connecting or blocking the contact point of the auxiliary inductor (LA) and the auxiliary capacitor ( CA ) and the contact point of the main inductor ( LM) and the main switch (Q M ) ,
The anode is connected to the high potential terminal of the input power source, the cathode is an auxiliary diode ( D A ) connected to the auxiliary inductor (LA ), and
The anode is connected to the high potential terminal of the input power source, the cathode is a buck converter comprising a blocking diode ( DB ) connected to the main switch (Q M ).
상기 벅 컨버터의 동작 모드는,
미리 정해진 제1 시간동안 상기 메인 스위치가 온(on)되는 제1 모드,
상기 제1 모드 후, 미리 정해진 제2 시간동안 상기 메인 스위치가 오프(off)되고 상기 보조 스위치가 온되는 제2 모드, 그리고
상기 제2 모드 후, 미리 정해진 제3 시간동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프되는 제3 모드
를 포함하는 벅 컨버터.In claim 1,
The operation mode of the buck converter is,
A first mode in which the main switch is on for a first predetermined time,
a second mode in which the main switch is turned off and the auxiliary switch is on for a second predetermined time after the first mode; and
After the second mode, a third mode in which both the main switch and the auxiliary switch are turned off for a third predetermined time period
A buck converter with
상기 제1 모드에서, 상기 입력 전원의 입력 전압에 의해 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되고,
상기 제2 모드에서, 상기 입력 전압보다 높은 전압으로 상기 제3 모드에서 충전된 상기 보조 커패시터가 방전되면서 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되며,
상기 제3 모드에서, 상기 입력 전압이 LC 공진을 통해 상기 보조 커패시터를 충전하고, 상기 메인 다이오드가 온 되어 상기 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가되는 벅 컨버터.In claim 4,
In the first mode, a current is charged in the main inductor by the input voltage of the input power,
In the second mode, a current is charged in the main inductor while the auxiliary capacitor charged in the third mode is discharged to a voltage higher than the input voltage,
In the third mode, the input voltage charges the auxiliary capacitor through LC resonance, the main diode is turned on, and a zero-voltage is applied to the main LC filter.
상기 제3 모드에서 상기 보조 다이오드로 인해 상기 보조 LC 필터의 LC 공진이 반주기로 끝나고, 상기 보조 커패시터에는 상기 입력 전압의 2배의 전압이 충전되는 벅 컨버터.In claim 5,
In the third mode, the LC resonance of the auxiliary LC filter ends with a half cycle due to the auxiliary diode, and the auxiliary capacitor is charged with a voltage twice the input voltage.
상기 벅 컨버터의 동작 모드는,
상기 제3 모드 후, 미리 정해진 제4 시간 동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프된 상태로 유지하는 제4 모드를 더 포함하고,
상기 제1 모드 내지 상기 제4 모드를 순차적으로 반복하는 벅 컨버터.In claim 6,
The operation mode of the buck converter is,
After the third mode, further comprising a fourth mode for maintaining both the main switch and the auxiliary switch in an off state for a fourth predetermined time,
A buck converter sequentially repeating the first mode to the fourth mode.
상기 메인 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)인 벅 컨버터.In claim 1,
The main switch is an insulated gate bipolar transistor (IGBT) buck converter.
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|---|---|---|---|---|
| US20170040883A1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Power Integrations, Inc. | Reverse current blockage through buck controller block |
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| KR20220012059A (en) | 2022-02-03 |
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