KR102413600B1 - 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 dc-dc 컨버터 - Google Patents

자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 dc-dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주 스위치부에 무손실 커패시터-다이오드(Lossless Capacitor-Diode: LCD) 스너버를 적용하여 스위치 전압 스트레스를 저감하고 출력부에 다이오드 대신 동기 스위치를 적용함으로써 다이오드의 역회복 문제를 해결하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.

Description

자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터{Non-Isolation, high??voltage-output DC-DC converter using self-driven synchronous switch}
본 발명은 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주 스위치부에 무손실 커패시터-다이오드(Lossless Capacitor-Diode: LCD) 스너버를 적용하여 스위치 전압 스트레스를 저감하고 출력부에 다이오드 대신 동기 스위치를 적용함으로써 다이오드의 역회복 문제를 해결하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
산업 현장의 각종 전기전자 장비들이 점점 더 고성능화되면서, 고전압 출력의 DC-DC 컨버터들이 더욱 널리 이용되고 있다.
통상 DC-DC 컨버터는 주로 고주파 변압기의 사용 여부에 따라 절연형과 비절연형으로 구분된다.
절연형 DC-DC 컨버터는 변압기를 이용한 전기적 절연 및 최적 듀티비(duty ratio) 등의 장점이 있는 반면, 변압기의 누설인덕턴스로 인한 써지전압 및 전자방해잡음(Electro Magnetic Interference: EMI)의 발생, 그리고 낮은 컨버터 전체 효율과 큰 부피 및 높은 가격 등의 단점이 있다.
능동 클램프 회로를 이용한 소프트 스위칭 기법을 적용하여 상술한 절연형 DC-DC 컨버터의 단점을 극복하려는 노력이 있었지만, 소프트 스위칭 기법을 적용한 절연형 DC-DC 컨버터는 클램프 스위치의 전압 스트레스가 높아지는 또 다른 문제점이 유발되었다. 그러므로 전기적 절연이 필요 없는 응용에서는 변압기를 사용하지 않는 비절연형 승압형 DC-DC 컨버터를 이용하는 것이 합리적이다.
도 1은 전통적 비절연 승압형 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸 도면이고, 도 2는 탭형 인덕터를 이용한 비절연 고승압형 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸 도면이다.
통상 도 1과 같은 전통적 비절연 승압형 DC-DC 컨버터는 입력전압과 주 스위치의 듀티비에 의해서만 출력 전압이 정해지는 한계가 있다.
따라서 전통적 비절연 승압형 DC-DC 컨버터는 입력전압에 비해 상대적으로 매우 높은 출력 전압이 필요한 응용에서는, 컨버터 스위치의 듀티비와 전압 스트레스가 커지고 다이오드의 역회복 특성으로 인한 스위칭 손실도 커지는 문제점이 있으며, 이로 인해 컨버터의 고효율과 고전력 밀도 달성이 어려운 문제점이 있다.
상술한 전통적 비절연 승압형 DC-DC 컨버터의 다이오드의 역회복 문제 등의 문제를 극복하기 위하여 도 2와 같이 두 개의 인덕터 권선을 자기적으로 결합한 탭형 인덕터(10)를 이용하여 고전압 출력을 구현하는 새로운 형태의 고승압형 DC-DC 컨버터가 제안되었다.
그러나 탭형 인덕터를 가지는 승압형 DC-DC 컨버터는 탭형 인덕터의 누설인덕턴스로 인한 높은 스위치 전압 스트레스와 출력 다이오드의 도통 전류로 인한 다이오드 역회복 문제 등의 단점을 가진다.
대한민국 등록특허 제10-1349906호(2014.01.03. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 주 스위치부에 무손실 커패시터-다이오드(Lossless Capacitor-Diode: LCD) 스너버를 적용하여 스위치 전압 스트레스를 저감하고 출력부에 다이오드 대신 동기 스위치를 적용함으로써 다이오드의 역회복 문제를 해결하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터는: 제1권선수(NP)로 권선되고 자화인덕턴스와 누설인덕턴스를 가지는 제1인덕터, 제2권선수(NS)로 권선되는 제2인덕터를 포함하고, 상기 제2인덕터에 일단이 연결되고 제3권선수(Nsyn)로 권선되어 구동 신호(전압)을 공급하는 구동 인덕터를 포함하되, 입력되는 입력전압(Vi)을 승압한 출력전압(Vout)을 출력하는 탭형 승압부; 상기 제1인덕터 및 제2인덕터 사이에 일단이 연결되고 타단이 입력 전압단(+)에 연결되어 상기 누설인덕턴스로 인한 높은 스위치 전압스트레스를 저감하는 전압스트레스 저감부; 스위치 구동 전압(vgs)에 의해 온 또는 오프되어 상기 입력전압에 대한 스위치 전압(vs)을 출력하는 주 스위치부; 상기 구동 인덕터를 통한 상기 스위치 전압(vs)의 입력 여부에 따라 온 또는 오프되는 자기구동 동기 스위치부; 및 상기 주 스위치가 오프되고 상기 자기구동 동기 스위치가 온될 때 상기 제1인덕터 및 제2인덕터의 권선비에 따른 출력전압을 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탭형 승압부의 제1인덕터는 일단이 입력전압(Vi)의 플러스(+) 단에 연결되고 타단이 제2인덕터의 일단에 연결되며, 상기 제2인덕터의 타단은 제3인덕터의 일단 및 자기구동 동기 스위치의 소스에 연결되고, 상기 제3인덕터의 타단은 상기 자기구동 동기 스위치의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 전압스트레스 저감부는, 무손실 커패시터-다이오드(LCD) 스너버로, 상기 제1인덕터의 타단 및 제2인덕터의 일단 사이에 연결되는 다이오드; 및 상기 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 타단이 상기 제1인덕터의 일단에 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 입력전압 및 출력전압에 의한 전압이득은 하기 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 2]
Figure 112020091813187-pat00001
여기서 D는 주 스위치부의 게이트로 입력하는 스위치 구동전압(Vgs)의 듀티비이고, a는 상기 제1인덕터 및 제2인덕터의 권선비로 a=NP/NS이다.
상기 주 스위치부의 스위치 전압은, 하기 수학식 4에 의해 제한되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 4]
Figure 112020091813187-pat00002
여기서, D는 스위치 구동전압(Vgs)의 듀티비이고, k는 탭형 인덕턴스의 결합계수로 다음 수학식 5와 같이 정의된다.
[수학식 5]
Figure 112020091813187-pat00003
상기 자화인덕턴스는 하기 수학식 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure 112020091813187-pat00004
여기서 DTS는 주 스위치(S)의 턴온시간이다.
상기 제3인덕터의 권선수는 하기 수학식 10에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 10]
Figure 112020091813187-pat00005
여기서 vgsyn은 자기구동 동기 스위치의 구동전압으로, MOSFET 턴-온 문턱전압(Threshold Voltage)보다 다소 큰 값으로 선정된다.
본 발명은 무손실 커패시터-다이오드(LCD) 스너버를 적용하므로 주 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 출력부에 자기구동 동기 스위치를 적용하여 출력 다이오드를 대체함으로써 다이오드의 역회복 문제를 해결하고 컨버터의 전체 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 전통적 비절연 승압형 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 2는 탭형 인덕터를 이용한 비절연 고승압형 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 정상상태에서의 이론적인 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 동작 모드별 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 자기구동 동기 스위치의 동작 개념을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 구성 및 동작을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 회로도를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 정상상태에서의 이론적인 동작 파형을 나타낸 도면이다. 이하 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터는 탭형 승압부(100), 주 스위치부(200), 전압스트레스 저감부(300), 자기구동 동기 스위치부(400) 및 출력부(500)를 포함한다.
탭형 승압부(100)는 입력전압(Vi)을 1차측으로 입력받고, 상기 입력전압을 승압하여 2차측의 출력전압(Vout)을 출력부(500)로 전달한다.
탭형 승압부(100)는 제1권선수(NP)로 권선되고 자화인덕턴스(LM)와 누설인덕턴스(LK)를 가지는 제1인덕터(110), 제2권선수(NS)로 권선되는 제2인덕터(120)를 포함하고, 상기 제2인덕터(120)에 일단이 연결되고 제3권선수(Nsyn)로 권선되어 자기구동 동기 스위치에 구동 신호(전압)를 공급하는 구동 인덕터(130)를 포함한다.
상기 탭형 승압부(100)는 상기 제1인덕터(110)의 제1권선수(NP) 및 제2인덕터(120)의 제2권선수(NS)에 의해 하기 수학식 1과 같은 권선비(a)를 갖는다.
Figure 112020091813187-pat00006
구체적으로, 상기 탭형 승압부(100)의 제1인덕터(110)는 일단이 입력전압(Vi)의 플러스(+) 단에 연결되고 타단이 제2인덕터(120)의 일단에 연결되며, 상기 제2인덕터(120)의 타단은 제3인덕터(130)의 일단 및 자기구동 동기 스위치부(400)의 동기 스위치(Ssyn)의 소스에 연결되며, 상기 제3인덕터(130)의 타단은 상기 동기 스위치(Ssyn)의 게이트에 연결된다.
상기 탭형 승압부(100)에 의한 본 발명의 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 전압이득은 하기 수학식 2에 의해 정의된다.
Figure 112020091813187-pat00007
여기서 D는 주 스위치부의 게이트로 입력하는 스위치 구동전압(Vgs)의 듀티비이고, a는 상기 제1인덕터 및 제2인덕터의 권선비로 a=NP/NS이다.
또한, 상기 자화인덕턴스(LM)은 다음의 수학식 3에 의해 계산된다.
Figure 112020091813187-pat00008
여기서 DTS는 주 스위치(S)의 턴온시간이다.
주 스위치부(200)는 스위치 구동 전압(vgs)에 의해 온 또는 오프되어 상기 입력전압(Vi)에 대한 스위치 전압(vs)을 출력한다. 상기 스위치 구동 전압은 펄스폭 변조(Pulse-Width Modulation: PWM) 신호이다.
상기 주 스위치부(200)는 스위치 구동 전압을 게이트로 인가받고, 소스가 접지되며, 드레인으로 스위치 전압을 출력하는 주 스위치(S), 상기 드레인에 캐소드가 연결되고 소스에 애노드가 연결되는 다이오드 및 상기 다이오드에 병렬 연결되는 스위치 캐패시터(CS)를 포함한다.
상기 주 스위치(S)는 펄스폭 변조(Pulse-Width Modulation: PWM) 방식으로 동작한다.
전압스트레스 저감부(300)는 상기 제1인덕터(110) 및 제2인덕터(120) 사이에 일단이 연결되고 타단이 입력 전압단(+)에 연결되어 상기 누설인덕턴스로 인한 높은 스위치 전압스트레스를 저감한다.
상기 전압스트레스 저감부(300)는 무손실 커패시터-다이오드(Loseless Capacitor-Diode: LCD) 스너버로, 상기 제1인덕터(110)의 타단 및 제2인덕터(120)의 일단 사이에 연결되는 다이오드(Dsn) 및 상기 다이오드(Dsn)의 캐소드에 일단이 연결되고 타단이 상기 제1인덕터(110)의 일단에 연결되는 커패시터(Csn)를 포함한다.
자기구동 동기 스위치부(400)는 상기 구동 인덕터(130)를 통한 상기 스위치 전압(vs)의 입력 여부에 따라 온 또는 오프되어 출력부(500)로 출력전압(Vout)을 전달하거나 차단한다.
상기 자기구동 동기 스위치부(400)는 상기 제2인덕터(120)의 타단에 소스가 연결되고 구동 인덕터(130)의 타단에 게이트가 연결되며 출력부(500)에 드레인이 연결되는 동기 스위치(Ssyn), 애노드가 상기 동기 스위치의 드레인에 연결되고 애노드가 상기 소스에 연결되는 다이오드 및 상기 다이오드에 병렬 연결되는 동기 스위치 커패시터를 포함한다.
출력부(500)는 상기 주 스위치가 오프되고 상기 자기구동 동기 스위치가 온될 때 상기 제1인덕터(110) 및 제2인덕터(120)의 권선비에 따른 출력전압을 출력한다.
상기 출력부(500)는 일단이 상기 동기 스위치의 드레인에 연결되고 타단이 접지되는 출력 커패시터(Cout) 및 출력 커패시터에 병렬로 연결되는 출력 저항을 포함한다. 상기 출력 커패시터는 이상적으로 매우 크다고 가정한다.
도 4는 제안한 컨버터 정상상태의 이론적 동작 파형을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 동작 모드별 등가회로를 나타낸 도면이다. 이하 도 4와 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
제안한 컨버터의 동작은 각 회로요소의 전압, 전류의 상태에 따라 5개의 동작모드로 구분된다.
도 5 내지 도 9에서 선의 짙고 옅음은 각각 전류의 도통과 미도통 부분을 나타내며, 설명의 편의상, 전력의 주된 흐름에 관계된 부분만 표시하기 위해 동기스위치 구동권선 Nsyn의 표시는 생략한다. 각 동작모드별 컨버터 회로의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다.
모드 1(t1∼t2) : 시간 t=t1에서 주스위치 S가 턴오프된다. 그러면 S의 출력커패시턴스 CS는 자화전류 iM에 의해 선형적으로 충전된다. 그러다가 CS의 전압(스위치 전압) vS가 직렬 전압 Vi+vCsn과 같아지면(vS=Vi+vCsn), 시간 t=t1 직후(t1ㅄ지점) LCD 스너버의 다이오드 Dsn이 턴온되어 스너버 커패시터 Csn을 충전하고 시간 t=t2에서 스위치 전압 vS는 하기 수학식 4와 같이 제한된다.
Figure 112020091813187-pat00009
여기서 D는 주스위치 S의 듀티비이고 k는 탭형 인덕턴스의 결합계수로 하기 수학식 5와 같이 정의된다.
Figure 112020091813187-pat00010
모드 2(t2∼t3) : 시간 t=t2에서 스위치 전압 vS가 충전되어 입력전압 Vi와 같아지면, 주스위치 전류 iS는 0이 된다. 하지만 이 때 동기스위치 Ssyn이 턴온되어 자화인덕턴스 LM에 음(-) 전압이 인가되므로 자화전류 iM은 선형적으로 감소하면서 계속 흐른다. 그리고 LCD 스너버 다이오드 Dsn은 계속 도통하고, 스너버 커패시터 Csn은 누설인덕턴스 LK와 공진하여 시간 t=t3 직전(t3ㅄ 지점)에 충전된 에너지를 출력측으로 방전하기 시작한다. 그리고 이 때 자화인덕턴스 LM에 충전된 에너지가 탭형 승압부(100)의 2차측으로 방전되기 시작한다. 스너버 커패시터 전압 vCsn과 출력전류 io는 각각 다음의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112020091813187-pat00011
Figure 112020091813187-pat00012
모드 3(t3∼t4) : 모드 2에서의 출력전류 io가 수학식 7과 같이 선형적으로 증가하다가, 시간 t=t3에서 방전하는 LCD 스너버 커패시터 Csn의 전류 ??iCsn과 같아진다(io=??iCsn). 그러면 스너버 다이오드 Dsn의 전류 iDsn이 0이 되어 Dsn이 턴오프 된다. 이 때 동기스위치 Ssyn이 계속 도통되는 상태에서 출력전류 io는 선형적으로 감소하며 Csn에 충전된 에너지는 출력측으로 방전된다.
모드 4(t4∼t5) : 시간 t=t4에서 주스위치 S의 게이트 단에 구동전압을 인가하면, S는 턴온되어 스위치 전류 iS를 다음의 수학식 8과 같이 흘린다.
Figure 112020091813187-pat00013
이 때, 동기스위치 Ssyn의 구동신호는 주스위치 S와 부논리(Ssyn=
Figure 112020091813187-pat00014
)이므로 턴오프된다. 한편 iS가 증가하면서 자화인덕턴스 전류 iM과 같아질 때까지 누설인덕턴스 LK는 빠르게 충전되고, LCD 스너버 커패시터 Csn의 전류 iCsn이 방전하며 감소하여 시간 t=t4의 직후 (t4ㅄ 지점)에 0이 된다. 그 직후, 시간 t=t4ㅄ∼t5 동안 Ssyn의 기생커패시터 Csyn과 탭형 승압부(100)의 2차측으로 반영된 인덕턴스 LM/a2 및 Csyn에 의한 공진전류 iCsn이 정현파적으로 작게 흐르다가 다시 0이 되면, 이 모드는 끝이 난다.
모드 5(t5∼t6) : 모드 4에서 시작된 주스위치 S와 동기스위치 Ssyn의 도통상태와 차단상태가 각각 유지된다. 따라서 입력전류 ii는 자화인덕턴스 LM과 누설인덕턴스 LK를 입력전압 Vi에 의해 충전하면서 다음의 수학식 9와 같이 선형적으로 증가한다.
Figure 112020091813187-pat00015
시간 t=t6에서 주스위치 S가 턴오프되면, 이 모드가 끝남과 동시에 컨버터의 한 주기 동작도 끝이 난다. 그리고 다음 동작 주기가 다시 시작된다.
도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터의 자기구동 동기 스위치의 동작 개념을 설명하기 위한 도면이다. 이하 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 컨버터의 동기스위치의 동작 개념을 간략하게 보인다. 도 10은 설명의 편의를 위해 동기스위치의 동작과 관련된 부분만을 표시한 회로도이고 도 11과 도 12는 동기스위치의 턴오프(DTs 구간)와 턴온((1-D)Ts 구간) 모드의 등가회로를 각각 보인다. 또한 도 13은 동기 스위치의 주요부의 이론적인 동작파형을 보인다. 탭형 승압부(100)의 각 권선 Np, Ns, Nsyn은 단일 코어내에 함께 권선된다.
상기 구동 인덕터(130)의 권선수(Nsyn)는 하기 수학식 10에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112020091813187-pat00016
여기서 vgsyn은 자기구동 동기 스위치의 구동전압으로, MOSFET 턴-온 문턱전압(Threshold Voltage)보다 다소 큰 값으로 선정된다.
도 11과 같이, 주스위치 S가 턴온 되면 입력전원의 에너지가 자화인덕턴스 LM에 충전되면서 제1인덕터(110)의 1차측 전압 vp는 양(+)의 입력전압 Vi가 된다(vp=Vi>0). 그러면 구동권선의 전압 vgsyn은 하기의 수학식 11과 같이 음(-)으로 유기되어 직전 턴온 모드에서 충전되었던 턴온 게이트 전압을 방전하므로 동기 스위치는 턴오프된다.
Figure 112020091813187-pat00017
또한 도 12와 같이, 주스위치 S가 턴오프 되면 동기 스위치 Ssyn의 턴오프 모드 때 자화인덕턴스 LM에 충전된 에너지가 탭형 승압부(100)의 1차 권선 Np와 2차 권선 Ns를 통하여 방전된다. 그러면 동기스위치의 구동전압 vgsyn은 양(+)의 전압이 됨과 동시에 다음 수학식 12와 같이 되어 동기스위치 Ssyn의 게이트단을 충전하므로, vgsyn이 MOSFET 턴온 문턱전압(threshold voltage) Vth 보다 크게 되고 Ssyn은 턴온된다.
Figure 112020091813187-pat00018
여기서 동기스위치 구동권선 Nsyn은 구동스위치의 게이트 전압 vgsyn이 Vth보다 크게 되도록 하는 권선수로 탭형 승압부(100)내에 포함하여 권선된다.
이러한 방식으로 구동되는 동기스위치를 자기구동 동기스위치(self-driven synchronous switch)라고 한다. 이렇게 동기 스위치를 자기구동 방식으로 구동하면 별도의 구동전원이 필요없고 탭형 승압부(100) 내에 수 턴의 동기스위치 구동권선만 포함하면 되므로 그 구조가 매우 간단한 장점을 가진다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
100: 탭형 승압부 110: 제1인덕터
120: 제2인덕터 130: 구동 인덕터
200: 주 스위치부 300: 전압스트레스 저감부
400: 자기구동 동기 스위치부 500: 출력부

Claims (7)

  1. 제1권선수(NP)로 권선되고 자화인덕턴스와 누설인덕턴스를 가지는 제1인덕터, 제2권선수(NS)로 권선되는 제2인덕터를 포함하고, 상기 제2인덕터에 일단이 연결되고 제3권선수(Nsyn)로 권선되어 구동 신호(전압)를 공급하는 구동 인덕터를 포함하며, 입력되는 입력전압(Vi)을 승압한 출력전압(Vout)을 출력하는 탭형 승압부;
    상기 제1인덕터 및 제2인덕터 사이에 일단이 연결되고 타단이 입력 전압단(+)에 연결되어 상기 누설인덕턴스로 인한 높은 스위치 전압스트레스를 저감하는 전압스트레스 저감부;
    스위치 구동 전압(vgs)에 의해 온 또는 오프되어 상기 입력전압에 대한 스위치 전압(vs)을 출력하는 주 스위치부;
    상기 스위치 전압(vs)이 상기 구동 인덕터를 통해 상기 구동 신호(전압)로 공급되며 상기 구동 신호(전압)의 입력 여부에 따라 온 또는 오프되는 자기구동 동기 스위치부; 및
    상기 주 스위치부가 오프되고 상기 자기구동 동기 스위치부가 온될 때 상기 제1인덕터 및 제2인덕터의 권선비(a=NP/NS)에 따른 상기 출력전압(Vout)을 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탭형 승압부의 상기 제1인덕터는 일단이 상기 입력전압(Vi)의 플러스(+) 단에 연결되고 타단이 상기 제2인덕터의 일단에 연결되며,
    상기 제2인덕터의 타단은 상기 구동 인덕터의 일단 및 상기 자기구동 동기 스위치부의 소스에 연결되고,
    상기 구동 인덕터의 타단은 상기 자기구동 동기 스위치부의 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압스트레스 저감부는,
    무손실 커패시터-다이오드(LCD) 스너버로,
    상기 제1인덕터의 타단 및 상기 제2인덕터의 일단 사이에 연결되는 다이오드; 및
    상기 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 타단이 상기 제1인덕터의 일단에 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력전압(Vi) 및 상기 출력전압(Vout)에 의한 전압 이득은 하기 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
    [수학식 2]
    Figure 112022009619991-pat00019

    여기서 D는 상기 주 스위치부의 상기 스위치 구동 전압(Vgs)의 듀티비이고, a는 상기 제1인덕터 및 상기 제2인덕터의 권선비로 a=NP/NS이며, NP는 상기 제1인덕터의 권선수인 제1권선수이고, NS는 상기 제2인덕터의 권선수인 제2권선수이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주 스위치부의 스위치 전압은,
    하기 수학식 4에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
    [수학식 4]
    Figure 112022009619991-pat00020

    여기서, D는 상기 주 스위치부의 상기 스위치 구동 전압(Vgs)의 듀티비이고, k는 탭형 인덕턴스의 결합계수로 다음 수학식 5와 같이 정의되고, Vi는 입력전압이고, a는 제1인덕터 및 제2인덕터의 권선비로 a=Np/Ns이며, NP는 상기 제1인덕터의 권선수인 제1권선수이고, NS는 상기 제2인덕터의 권선수인 제2권선수이다.
    [수학식 5]
    Figure 112022009619991-pat00021

    여기서, LM은 자화 인덕턴스, LK는 누설 인덕턴스이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자화인덕턴스는 하기 수학식 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
    [수학식 3]
    Figure 112022009619991-pat00022

    여기서 DTS는 상기 주 스위치부의 턴온시간이고, Vi는 입력전압이고, LM은 자화 인덕턴스이고, LK는 누설 인덕턴스이고, ΔiM은 자화 전류의 변화량이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구동 인덕터의 권선수는 하기 수학식 10에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 자기구동 동기 스위치를 이용한 비절연 고전압 출력 DC-DC 컨버터.
    [수학식 10]
    Figure 112022009619991-pat00023

    여기서, vgsyn은 상기 자기구동 동기 스위치부의 구동 전압으로, 상기 자기 구동 동기 스위치부를 구성하는 MOSFET 턴-온 문턱전압(Threshold Voltage)보다 큰 값으로 선정되고, Vi는 입력전압이고, Vout은 출력전압이고, a는 상기 제1인덕터 및 상기 제2인덕터의 권선비로 a=Np/Ns이며, NP는 상기 제1인덕터의 권선수인 제1권선수이고, NS는 상기 제2인덕터의 권선수인 제2권선수이다.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Yi-Ping Hsieh et al.,"High-Conversion-Ratio Bidirectional DC-DC Converter With Coupled Inductor" IEEE Transactions on Industrial Electronics, vo.61, is.1 (2014.01.)
유두희, 정강률, "간단한 클램프회로를 이용한 고효율 결합인덕터 부스트 직류-직류 변환기", 조명전기설비학회논문지 26(3), pp.31-39 (2012.3)

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