KR102571734B1 - Dc-dc 컨버터 - Google Patents

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Abstract

제1 인덕터와 직렬 연결된 제1 스위치를 포함하는 벅 컨버터를 포함하는 DC-DC 변환 구조로서, 상기 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터는 입력과 출력 사이에 스위치형 접속부(switched connection)를 제공하며, 제2 스위치는 출력 양단에 접속되며, DC 부스트 배열(arrangement)은 상기 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터 사이에 접속되며, 상기 DC 부스트 배열은 자기적으로 연결된 제2 인덕터 및 제3 인덕터를 포함하며, 상기 제2 인덕터는 상기 제1 스위치와 상기 제1 인덕터 사이에 직렬로 연결되며, 상기 제3 인덕터는 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터의 중간 지점에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터의 권선은 상기 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류를 보충하는 부스트 전류를 제3 인덕터에 유도하게 하는 권선인, DC-DC 변환 구조가 기술된다.

Description

DC-DC 컨버터
본 발명은 예를 들어 입력 DC 전압을 원하는 출력 DC 전압 레벨로 강압(stepping-down)하고 이에 따라 출력 전류를 승압(stepping-up)시키는 DC-DC 변환 방법에 관한 것이다. 입력 DC 신호의 승압 및 강압에 사용하기 위한 방법 및 장치가 설명된다.
다수의 DC-DC 변환 구조(scheme)들이 공지되어 있다. 이들은 일반적으로 파워 서플라이에 사용되며, 예를 들어 컴퓨터나 텔레비전 및 오디오 장비, 변속 모터, 전동 차량 등과 같은 기타 전자 장비에 공급되는 출력 전압을 제어한다. 그러한 구조를 제공하는 것이 바람직할 수 있는 또 다른 응용은 발전기로부터의, 예를 들어 광전지에 기초한 전기 생성 구조로부터의, 전력 서플라이 또는 분배 네트워크(distribution network) 또는 그리드로의 공급 전압을 제어하는 것이다.
DC-DC 변환 구조의 한 형태는 선형 레귤레이터를 포함한다. 대안 구조는 소위 벅(Buck) 컨버터를 사용하는 것이다. 벅 컨버터의 사용은 열로 손실되는 에너지가 더 적다는 점에서 선형 레귤레이터의 사용에 비해 유리하다. 도 1은 간단한 형태의 벅 컨버터를 도시한다. 도 1에 도시된 벅 컨버터는 서플라이(3)와 부하(5) 사이에 직렬로 제공된 인덕터(1)와 스위치(2)를 포함한다. 이 경우 다이오드(4) 형태인 제2 스위치는 부하(5)를 가로질러 접속된다. 사용 시, 스위치(2)가 개방된 상태에서 시작하여, 인덕터(1)를 통해 부하(5)에 흐르는 전류가 없을 것이다. 그 후 스위치(2)가 닫히면, 인덕터(1)를 통해 부하(5)에 흐르는 전류가 상승할 것이다. 인덕터(1)는 전류의 증가에 대항하는 emf를 생성할 것이고, 인덕터(1) 내에 에너지가 저장될 것이다. 이에 상응하여 부하(5)의 양단 전압은 공급 전압보다 낮을 것이다. 그 후의 스위치(2) 개방은 서플라이(3)와 부하(5) 간의 접속을 차단할 것이고, 또한 부하(5)와 다이오드(4)를 통한 인덕터(1) 내에 저장된 에너지의 방전을 야기할 것이다. 스위치(2)를 반복적으로 열고 닫음으로써, 이 사이클이 반복될 수 있다. 출력 전압, 즉 부하(5) 양단의 전압은 그러한 배열에서 항상 상기 서플라이(3)로부터의 입력 전압보다 낮을 것이다. 이러한 구조를 통해 부하(5) 양단의 전압이 입력 또는 서플라이(3)의 전압에 비해 감소될 수 있다. 그러나 입력에 비해 증가된 출력을 제공하는 것이 요구되는 상황이 존재한다.
본 발명의 목적은 전술한 전형적인 벅 변환 구조와 비교하여 향상된 효율의 DC-DC 변환 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 제1 인덕터와 직렬 연결된 제1 스위치를 포함하는 벅 컨버터를 포함하는 DC-DC 변환 구조로서, 상기 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터는 입력과 출력 사이에 스위치형 접속부(switched connection)를 제공하며, 제2 스위치는 상기 출력 양단에 접속되며, 상기 제1 스위치 및 상기 제1 인덕터 사이에 DC 부스트 배열(arrangement)이 접속되며, 상기 DC 부스트 배열은 자기적으로 연결된 제2 인덕터 및 제3 인덕터를 포함하며, 상기 제2 인덕터는 상기 제1 스위치와 상기 제1 인덕터 사이에 직렬로 접속되며, 상기 제3 인덕터는 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터의 중간 지점에 전기적으로 접속되며, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터의 권선은 상기 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류를 보충하는 부스트 전류를 제3 인덕터에 유도하게 하는 권선인, DC-DC 변환 구조가 제공된다.
편리하게(conveniently), 상기 제2 스위치는 다이오드를 포함한다. 상기 제2 스위치는 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이의 지점에 연결될 수 있다. 대안적으로, 상기 제2 스위치는 상기 제2 인덕터와 상기 제1 스위치 사이의 지점에 연결될 수 있다.
예를 들어 다이오드 형태인 추가 스위치가 상기 제3 인덕터를 통한 전류 흐름의 방향을 제어하도록 접속될 수 있다.
이러한 배열을 이용하여, 상기 제1 스위치가 개방되어 상기 입력으로부터 상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터로 전류가 흐르지 않는 상태에서 시작하여, 상기 제1 스위치가 닫힐 때, 전류는 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 통해 출력으로 흐르기 시작한다. 상기 제2 인덕터를 통한 전류 흐름의 변화는 제2 인덕터와 제3 인덕터 간의 자기적 연결로 인해 제3 인덕터에 emf를 유도하는 자속을 생성한다. 상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터의 권선 방향은 상기 유도된 emf가 제3 인덕터에 유도된 전류를 야기하여 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류를 보충하게 하는 방향이다.
스위치를 반복적으로 열고 닫음으로써, 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류가 실질적으로 연속적으로 변하는 결과로, 상기 제3 인덕터에 유도된 전류의 영향이 중요할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 스위칭 주파수는 제1 인덕터, 제2 인덕터 및 제3 인덕터의 인덕턴스에 어느 정도 의존할 수 있다. 스위칭 주파수는 1 kHz 보다 높을 것으로 예상되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
이러한 유형의 배열은 효율적인 DC-DC 변환 구조를 제공하여, 제1 스위치가 닫힐 때 벅 컨버터의 제1 인덕터에 공급되는 전류의 크기를 효과적으로 증가시켜, 제1 인덕터의 인덕턴스의 크기를 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 인덕터의 인덕턴스는 상기 제3 인덕터의 인덕턴스보다 크다. 결과적으로, 제3 인덕터를 통한 전류 흐름의 방향을 제어하기 위해 추가 스위치 또는 다이오드가 제공되지 않는 경우에도, 제2 인덕터 및 제3 인덕터의 조합은 상기 입력에 높은 임피던스를 제공할 수 있다.
제2 인덕터를 통한 전류 흐름의 방향을 제어하기 위해, 예를 들어 다이오드 형태의 부가적인 스위치가 제공될 수 있다. 이러한 다이오드의 제공은 제1 스위치를 보호하는 역할을 할 수 있다. 상대적으로 낮은 전압 응용에서 그러한 스위치 또는 다이오드가 항상 필요한 것은 아니라고 생각된다.
출력 전압에 대한 추가적인 제어를 제공하기 위해, 출력 제어 회로가 상기 출력에 접속될 수 있으며, 상기 출력 제어 회로는 서로 전기적으로 접속되고 자기적으로 연결된 제4 인덕터 및 제5 인덕터를 포함하며, 상기 출력은 제4 인덕터 및 제5 인덕터의 중간 지점에 접속되며, 제4 인덕터와 그라운드 사이에 스위치형 접속부(switched connection)가 제공되며, 한 쌍의 출력 다이오드들은 상기 출력과 상기 제5 인덕터를 출력 단자에 접속시킨다.
이와 같은 배열에서, 상기 스위치형 접속부가 닫힐 때, 제5 인덕터에 전류를 유도하는 전류가 제4 인덕터를 통해 흐를 것이다.
DC 링크 회로는 상기 벅 컨버터와 상기 출력 사이에 포함될 수 있다. 편리하게, 상기 DC 링크 회로는 자기적으로 연결된 제4 인덕터 및 제5 인덕터, 그리고 상기 제4 인덕터와 그라운드 사이의 스위치형 접속부를 포함한다. 상기 스위치의 동작에 대한 적절한 제어에 의해, 상기 출력에서의 전압의 크기가 제어될 수 있다. 그러한 배열은 가변 속도 구동 등과 같이 제어 가능한 출력이 요구되는 배열에서 특히 유익할 수 있음이 이해될 것이다.
또한 본 발명은 전술한 바와 같은 DC-DC 변환 구조를 사용하여 DC-DC 변환을 달성하는 방법으로서, 상기 방법은 : 상기 제1 스위치가 닫혀있을 때 상기 제2 인덕터를 통해 흐르는 변화하는 전류가 상기 제3 인덕터에 상기 제2 인덕터를 통해 흐르는 전류를 보충하는 전류를 유도함으로써 상기 벅 컨버터에 공급되는 전류를 부스팅하도록 상기 제1 스위치를 반복적으로 열고 닫는 단계를 포함하는, 방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 상기 제1 스위치는 1kHz 보다 높은 스위칭 주파수로 개방 상태 및 폐쇄 상태 사이에서 스위칭된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 메인 인덕터, 제1 회로 레그 및 제2 회로 레그를 포함하는 DC-DC 변환 구조로서, 각 회로 레그는 주 스위치, 보조 스위치 및 주 인덕터를 포함하며, 각 레그의 주 스위치 및 주 인덕터는 입력과 출력 사이의 메인 인덕터와 직렬로 연결되며, 각 레그의 보조 스위치는 관련 주 스위치와 관련 레그의 주 인덕터의 중간 지점에 연결된 스위치형 그라운드 연결부(switched ground connection)를 제공하며, 상기 제1 레그의 주 인덕터 및 상기 제2 레그의 주 인덕터는 자기적으로 연결되는, DC-DC 변환 구조가 제공된다.
각 레그는 보조 인덕터를 포함할 수 있으며, 상기 보조 인덕터들은 각 레그의 주 인덕터에 자기적으로 연결될 수 있다. 각각의 스위치형 그라운드 연결부는 각 레그의 주 인덕터와 관련 레그의 보조 인덕터의 중간 지점에 접속될 수 있다.
이러한 유형의 배열은 부스트 회로로서 동작하도록 구성될 수 있으며, 상기 출력에서의 전압은 상기 입력에서의 전압보다 클 수 있다. 이러한 배열에서, 편리하게는, 각각의 주 스위치는 다이오드의 형태를 취하고, 각 보조 스위치는 제어 가능한 스위치의 형태를 취하고, 각 제어 가능한 스위치의 동작은 예를 들어 관련 전자 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 적절한 트랜지스터 또는 트랜지스터형 기기들이 보조 스위치들로서 사용될 수 있다.
대안적으로, 각각의 주 스위치는, 예를 들어 관련 전자 제어 유닛을 사용하여 제어되는, 적절하게 제어되는 스위치 기기의 형태를 취할 수 있으며, 그리고 각 보조 스위치는 다이오드 형태를 취할 수 있다. 이러한 배열은 벅형 회로로서 사용될 수 있으며, 이 때 출력 전압은 입력에서의 전압 보다 낮다.
본원에서는 제1 스위치 또는 제2 스위치로서 다이오드의 사용에 대해 언급하였지만, 본 발명은 이에 국한되지 않고, 필요하다면 다른 기기들 또는 컴포넌트들이 다이오드 대신 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
또한 본 발명은 전술한 유형의 회로의 동작 방법으로서, 동작의 적어도 특정 단계들 동안, 상기 주 스위치들 모두 또는 상기 보조 스위치들 모두가 동시에 폐쇄 상태를 점유하는(occupying), 회로 동작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 효과는 본 명세서에 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 더 설명될 것이다.
도 1은 전술한 바와 같은 전형적인 벅 변환 구조를 도시하는 개략도이다.
도 2는 광전지(photovoltaic) 패널 에너지 추출 구조의 출력의 변환에 사용되는, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 변환 구조를 나타내는 회로도이다.
도 3은 대안 실시예에 따른 구조를 도시한다.
도 4는 변형예를 도시한다.
도 5는 일 동작 모드에 있는 다른 DC-DC 변환 회로를 도시한다.
도 6은 다른 동작 모드에 있는 도 5에 도시된 회로의 변형예를 도시한다.
도 7은 일 동작 모드에 있는 도 5의 회로의 동작을 도시하는 다이어그램이다.
도 8은 다른 회로 구성을 도시하는 도 5 및 도 6과 유사한 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, DC-DC 변환 구조(10)가 도시되어 있으며, 상기 구조(10)은 전기 서플라이 또는 분배 네트워크 또는 그리드(미도시)로의 H-브리지 회로(16)를 통한 출력을 위해 광전지 패널(14)과 관련된 에너지 추출 구조(12)로부터의 변화하는 DC 출력을 변환하도록 배치된다.
상기 구조(10)는 제2 인덕터(22)에 직렬 연결된 제1 인덕터(20)를 포함하며, 상기 제1 인덕터(20) 및 상기 제2 인덕터(22)는 상기 에너지 추출 구조(12)의 출력에 연결된 입력(24)을 상기 H-브리지 회로(16)의 입력에 연결된 출력(26)에 연결한다. 제1 스위치(28)는 상기 입력(24)과 상기 제2 인덕터(22) 사이에 배치된다. 상기 제1 인덕터(20) 및 상기 제2 인덕터(22)는 제3 인덕터(30)도 연결되는 접속점에서 상호 접속된다. 상기 제2 인덕터(22)와 상기 제3 인덕터(30)는 공통 코어(32) 주위에서 권취되어 서로 자기적으로 연결된다. 그 결과, 제2 인덕터(22)를 통해 흐르는 가변적인 전류는 사용시 자속을 생성할 것이며, 그 자속은 제3 인덕터(30)에 emf를 생성하여 제3 인덕터에 전류를 유도할 것이다. 제2 인덕터(22) 및 제3 인덕터(30)가 권취되는 방향은 제1 스위치(28)가 닫힐 때 제3 인덕터(30)에 유도되는 전류가 제2 인덕터(22)를 통해 흐르는 전류를 보충하도록 하는 방향이다.
도시된 바와 같이, 다이오드 형태의 제2 스위치(34)는 제1 인덕터(20)와 출력(26) 양단에 연결된다. 다이오드 형태의 추가 스위치(36)는 제3 인덕터(30)에 연결되고, 제3 인덕터(30)를 통과하는 전류 흐름의 방향을 제어하도록 동작 가능하다. 스위치들(34, 36)은 다이오드 형태를 취하는 것으로 도시되어 있지만, 원한다면 적절히 제어되는 전자 스위치 기기 등을 포함하는 다른 기기들로 대체될 수 있음이 이해될 것이다.
제1 인덕터(20)와 제1 스위치(28) 및 제2 스위치(34)는 함께 벅 컨버터 회로를 형성하고, 자기적으로 연결된 제2 인덕터(22)와 제3 인덕터(30)는 사용 시 상기 벅 컨버터 회로의 제1 인덕터(20)에 공급되는 전류를 부스트하도록 동작 가능한 전류 부스트 구조를 형성함이 이해될 것이다.
따라서, 사용시, 제1 스위치(28)가 개방된 상태에서 시작하여, 어떠한 전류도 입력(24)으로부터 출력(26)으로 흐르지 않는다는 것을 알 수 있다. 이후 제1 스위치(28)가 닫히면 제2 인덕터(22) 및 제1 인덕터(20)를 통해 출력(26)으로 흐르기 시작하는 전류가 야기된다. 제2 인덕터(22)를 통해 흐르는 전류의 변화는 가변 자속을 생성한다. 제2 인덕터(22) 및 제3 인덕터(30)가 서로 자기적으로 연결되기 때문에, 생성된 자속은 제3 인덕터(30) 양단에 emf를 생성한다. 제2 인덕터(22) 및 제3 인덕터(30)의 권선 방향은, 생성된 emf가 (이 경우 다이오드 형태인) 추가 스위치(36)를 켜고 전류를 유도하여 상기 제2 인덕터(22)를 통해 공급된 전류를 보충하고 이로써 제1 인덕터(20)에 공급되는 전류가 증가되도록 하는 방향이다. 생성된 emf의 레벨에 따라, 스위치(36)를 형성하는 다이오드는 부분적으로만 켜질(ON) 수 있다.
상기 제1 인덕터(20)는 전술한 바와 같이 벅 컨버터의 일부를 형성하고, 제1 인덕터(20)에 공급된 증가된 전류는 통상의 방식으로 그 내부에 에너지 저장을 발생시킨다.
이후 제1 스위치(28)의 재개방은 제2 인덕터(22)의 입력(24)으로의 접속을 차단하고, 제2 인덕터(22)를 통해 제1 인덕터(20)에 전류가 더 이상 공급되지 않는다. 초기에, 제1 스위치(28)의 개방시, 추가 스위치(36)를 형성하는 다이오드는 계속해서 전도(conducting)할 것이다. 상기 구조의 동작에서 이 단계(phase) 동안, 벅 컨버터를 이용할 때 통상적인 것처럼, 제1 인덕터(20)는 방전할 것이다.
사용 시 제1 인덕터(20)에 공급되는 전류가 부스트됨에 따라, 출력(26)에서 특정 효과를 달성하기 위해 제1 인덕터(20)의 인덕턴스가 감소될 수 있음이 이해될 것이다. 결과적으로, 상기 구조의 효율이 향상될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 필요하다면, 제1 스위치(28)를 손상 또는 파괴로부터 보호하기 위해 부가적인 다이오드(38)가 제공될 수 있다. 이는 상대적으로 낮은 전압 응용에서 요구되지 않을 수 있지만, 높은 전압 응용에서는 바람직할 수 있다고 생각된다.
도 2는 광전지 패널로부터의 출력을 전기 서플라이 또는 분배 네트워크 또는 그리드에 의한 사용에 적합한 레벨로 변환하는 본 발명의 사용을 예시하고 있지만, 본 발명은 다수의 다른 응용에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예로서, 이는 컴퓨터 장비, 텔레비전 및 오디오 장비와 같은 광범위한 전기 또는 전자 장비와 관련된 전력 서플라이에 채용될 수 있다. 또한, 이는 전기 자동차에 사용되는 것과 같은 전기 모터와 관련된 전력 제어 시스템에 통합될 수 있다. 이들은 단지 본 발명이 이용될 수 있는 응용의 예들에 불과하며, 본 발명이 이에 국한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
도 4는 도 2의 회로에 대한 변형예를 도시한다. 도 4의 변형예에서, 부분적으로 제1 인덕터(20) 및 출력(26)에 의해 형성된 벅 컨버터 사이에 DC 링크 회로(40)가 연결된다. 상기 DC 링크 회로(40)는 제4 인덕터(42) 및 제5 인덕터(44)를 포함하며, 상기 제4 인덕터(42) 및 제5 인덕터(44)는 공통 자기 코어 상에 감겨져 서로 자기적으로 연결된다. 또한, 상기 제4 인덕터(42) 및 제5 인덕터(44)는 제1 인덕터(20)가 연결된 지점(46)에서 서로 전기적으로 연결된다. 제4 인덕터(42)는 스위치(48)를 통해 그라운드에 연결되고, 제5 인덕터(44)는 다이오드(50)를 통해 출력(26)에 연결된다.
사용 시, 스위치(48)가 개방될 때, 제4 인덕터(42)를 통해 그라운드로 전류가 흐르지 않는다. 스위치(48)의 후속 개방 시, 제4 인덕터(42)를 통해 전류가 흐르기 시작한다. 제4 인덕터(42)를 통해 흐르는 전류의 변화는 제5 인덕터(44) 양단에 전위차를 유도한다. 스위치(46)의 개폐를 적절히 제어함으로써, 출력(26)에서의 출력 전압의 크기가 제어될 수 있음을 알 수 있다. 출력(26)에서의 전압과 입력(24)에서의 전압 간의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다 :
V_out/V_in = D_1/(1-D_2/2)
Vout 및 Vin은 각각 출력(26) 및 입력(24)에서의 전압이며, D1 및 D2는 각각 스위치들(28, 48)이 폐쇄되는 시간의 비율을 나타낸다.
도 4에 도시된 변형예는 가변 속도 구동 응용에서와 같이, 출력 전압의 크기를 제어하거나 변화시키는 것이 요구되는 응용에서 특히 유익할 것이라는 것이 이해될 것이다. 상기 배열의 또 다른 이점은 회로의 동작이, 서플라이에 부정적 영향을 미치는 것을 피하기 위해 필터링(filtration)을 필요로 하는 중요한 고조파 또는 다른 효과의 발생을 초래하지 않는다는 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 배열에 대한 변형예를 도시한다. 도 3에서, 제2 스위치(34)는 제1 인덕터(20) 및 제2 인덕터(22) 사이의 지점에 연결되는 대신에, 스위치(28)와 제2 인덕터(22) 사이의 지점에 연결된다. 도 3의 배열의 동작은 도 2의 동작과 상당히 동일하므로 더 상세히 설명되지 않을 것이다. 필요한 경우, 도 4의 DC 링크 회로가 이 회로에 적용될 수 있다.
전술한 배열은 회로가 간단하고 적은수의 컴포넌트들을 포함한다는 점에서 유리하다. 따라서, 전술한 배열의 제조는 경제적으로 달성될 수 있다. 필요한 경우, 인덕터는 멀티-코어 형태일 수 있다.
인덕터는 매우 작은 크기일 것으로, 예를 들어 각 인덕터가 몇 개의 권선만을 포함하는 것으로 예상된다. 예를 들어, 각각의 인덕터는 4-6 개의 권선을 가질 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
다음으로 도 5를 참조하면, 한 쌍의 병렬 암들(112, 114)과 직렬 연결된 메인 인덕터(110)를 포함하는 DC-DC 변환 회로가 도시되어 있다. 상기 한 쌍의 병렬 암들(112, 114)은 각각 주 인덕터(116a, 116b), 보조 인덕터(118a, 118b), 그리고 주 스위치(120a, 120b)를 포함하며, 이들은 모두 서로 직렬로 연결되어 있다. 또한, 상기 한 쌍의 병렬 암들(112, 114)은 각각 관련된 주 인덕터(116a, 116b)와 주 스위치(120a, 120b) 사이의 중간 지점에 스위치된 그라운드 접속부를 제공하는 보조 스위치(122a, 122b)를 포함한다. 도시된 배열에서, 주 스위치들(120a, 120b)은 다이오드의 형태를 취하며, 따라서 회로가 동작하는 구조에 따라 스위치 온되어 도전성이 된다. 보조 스위치들(122a, 122b)은 단순한 스위치로 도시되어 있지만 일반적으로 트랜지스터 또는 트랜지스터형 기기들과 같은 적절하게 제어되는 전자 스위치 기기의 형태를 취할 것이다. 광범위한 기기들이 가능하며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(124)이 제공되어 보조 스위치들(122a, 122b)의 동작을 제어한다.
제1 레그(112)의 주 인덕터(116a) 및 보조 인덕터(118a) 그리고 제2 레그(114)의 주 인덕터(116b) 및 보조 인덕터(118b)는 모두 공통 자기 코어(미도시) 상에 감겨지며, 이로써 서로 자기적으로 연결된다. 권선 방향은 도 5에 도시된 바와 같다. 인덕터들(116a, 116b, 118a, 118b)의 개별 인덕턴스는 매우 낮다. 예를 들어, 각각의 인덕터는 단지 몇 개의 권선만으로 구성될 수 있다. 그러나 필요한 경우 더 많은 수의 권선이 사용될 수 있다.
회로가 입력(126)과 출력(128) 사이에 접속된 상태에서, 보조 스위치들(122a, 122b) 모두가 닫혀 있을 때(on 일때), 메인 인덕터(110)를 통해 흐르는 전류는 △i 만큼 상승하여, 전류의 증가에 대항하여 메인 인덕터(110)에 emf를 유도한다. 이 상태로부터, 보조 스위치들(122a, 122b) 중 하나가 개방(오프)되고 다른 하나가 폐쇄(온)될 때, 메인 인덕터(110)를 통해 흐르는 전류는 △i 만큼 떨어지고, 하강 전류는 반대 방향으로 메인 인덕터(110)에 emf를 유도한다.
보조 스위치들(122a, 122b) 모두가 개방(오프)되는 경우가 없고 보조 스위치들(122a, 122b) 중 하나 또는 다른 하나가 폐쇄(온)되는 것을 항상 보장하면서 보조 스위치들(122a, 122b)을 반복적으로 열고 닫음으로써, 그리고 스위칭 주파수의 적절한 선택에 의해, 메인 인덕터(110)를 통해 흐르는 전류는 연속적으로 변화할 수 있음이 이해될 수 있다.
바람직하게는, 주 인덕터들(116a, 116b) 및 보조 인덕터들(118a, 118b)의 인덕턴스는 주 인덕터들(116a, 116b)의 인덕턴스가 서로 동일하고 보조 인덕터들(118a, 118b)의 인덕턴스가 서로 동일하다는 점에서 대칭이다. 결과적으로, 임의의 주어진 시간에서 보조 스위치들(122a, 122b) 중 어느 것이 동작되는지에 관계없이 전류 변화의 크기 및 그 결과 유도된 emf는 동일할 것이다.
두 개의 보조 스위치들(122a, 122b)이 닫히면, 도 5에 도시된 바와 같이 지점 Vn에서의 전위는 0이므로,
V_in=L_m △i/t_on
이다.
이 때, t_on은 보조 스위치들(122a, 122b) 모두가 닫혀있는 기간이며, 도 5에 도시된 용어를 사용한다. 도 7은 시간에 따른 보조 스위치들(122a, 122b)의 위치 변화를 나타내며, 보조 스위치들(122,a 122b) 모두가 폐쇄되는 전체 스위칭 사이클의 주기(T)의 이러한 기간들(T_on)을 식별한다. 스위칭 사이클의 주파수는 kHz 영역에 있을 것으로 예상되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
보조 스위치들(122a, 122b) 중 하나 또는 다른 하나가 개방될 때(그리고 나머지가 폐쇄될 때), Vn은 Vα인, 상기 개방 보조 스위치(122a, 122b)와 연관되는 레그(122, 114)의 주 인덕터(116a, 116b)를 가로지르는 전압과 동일하며,
V_in-V_α= [-L]_m △i/(T-t_on )이다.
이 때, T는 도 7에 도시된 바와 같이 스위칭 사이클의 주기이다.
듀티 사이클 D를 다음과 같이 정의한다 :
D = t_on/T
위에서 설명한 방정식을 풀어 다음의 전달 함수를 생성할 수 있다 :
V_out/V_in =(2+η) 1/((1-D))
이 때,
η = √(L_b/L_a )=√(L_d/L_c )
입력 전압에 대한 출력 전압의 비율은 듀티 사이클에 대한 제어에 의해, 즉 보조 스위치들(122a, 122b) 모두가 폐쇄(on) 상태를 차지하는 시간 비율을 변화시킴으로써, 그리고/또는 주 인덕터(116a, 116b)에 대한 보조 인덕터(118a, 118b)의 인덕턴스의 선택에 의해 제어될 수 있다는 것을 상기 식에서 알 수 있다.
따라서 도 5에 도시된 회로는 입력(126)에서의 전압에 비해 출력(128)에서의 전압을 제어 가능한 양만큼 증가시키는 부스트 회로로서 작용할 수 있다. 이 회로는 사용 시 매우 높은 효율을 가지며, 최소한의 손실이 발생한다.
도 7은 보조 스위치들(122a, 122b)이 제어될 수 있는 하나의 가능한 모드를 도시하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 전술한 바와 같이, 듀티 사이클에 대한 적절한 제어에 의해, 회로를 사용하여 달성되는 부스트의 레벨이 제어될 수 있다. 두개의 스위치가 동시에 개방되는 시간 기간들이 없는 방식으로 회로를 동작시키는 것이 특히 유리하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
일부 구성들에서 바람직할 수 있는 또 다른 스위칭은 스위칭되는 스위치들(122a, 122b) 양단의 전위차가 0인 동작 사이클의 지점에서 보조 스위치들(122a, 122b)이 스위칭되도록 스위칭을 제어하는 것을 포함한다. 그러한 제어가 달성될 수 있는 다수의 기술이 가능하다. 하나의 가능성은 주 인덕터들(116a, 116b)과 독립적이지만 자기적으로 연관된 추가 감지 권선을 포함하여 상기 감지 권선(sensing winding)에 유도된 EMF가 관련 인덕터들(116a, 116b) 내에서 흐르는 전류와 관련되게 하는 것이다. 감지 권선에 유도된 EMF를 모니터링함으로써, 스위치들(122a, 122b) 양단의 전위차가 0일 때, 따라서 그러한 제로 전압 스위칭이 발생해야할 때를 결정할 수 있다.
도 5의 회로는 부스트 컨버터가 아닌 벅 컨버터로서 기능하도록 약간 변형되거나 재구성될 수 있다. 도 6은 이러한 구조로 재구성된 회로를 도시한다. 도 5와 도 6을 비교함으로써, 회로의 재구성은 출력을 위한 입력을 스위칭하는 것, 주 스위치들(120a, 120b)을 형성하는 다이오드를 제어 가능한 스위치들로 대체하는 것, 그리고 보조 스위치들(122a, 122b)로서 사용된 스위치들을 다이오드로 대체하는 것을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
도 6의 회로는 도 5의 회로와 실질적으로 동일한 구조로 동작하지만, 사용 시에 보조 스위치들(122a, 122b)이 아닌 주 스위치들(120a, 120b)이 적극적으로(positively) 제어된다. 이 회로의 전달 함수는 다음과 같이 표현될 수 있다 :
V_out/V_in =D+((1-D))/((2+η))
도 6의 회로는 듀티 사이클 및 인덕터 값들의 비율 모두와 관련된 오프셋 및 벅 요소(듀티 사이클 D)를 포함한다는 점이 위에 설명된 전달 함수에서 분명하다. 따라서, 도 5의 회로에서와 같이, 출력 전압은 듀티 사이클(D)을 제어함으로써, 주 스위치들(120a, 120b)의 동작에 대한 적절한 제어에 의해, 또는 제1 레그(112) 및 제2 레그(114)에 사용된 인덕턴스들의 상대적인 크기들에 대한 제어에 의해 입력 전압에 대해 제어될 수 있다.
도 5의 회로와 마찬가지로, 도 6의 회로는 바람직하게는 주 스위치들(120a, 120b)이 동시에 그들의 개방 위치를 점유하지 않는 구조로 동작되며, 회로는 필요한 경우 이것이 발생하는 구조로 동작될 수 있다.
주 스위치들(120a, 120b) 및 보조 스위치들(122a, 122b) 모두가 제어 가능한 형태라면, 입력 및 출력 사이에 접속되는 구조에 따라, 그리고 제어되는 구조에 따라 부스트 컨버터 또는 벅 컨버터로서 사용될 수 있는 단일 회로가 생성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 5의 배열에서와 같이, 도 6의 회로는 제로 전압 스위칭이 발생하는 구조로 제어되는 것이 바람직하다.
도 8은 도 5의 부스트 회로와 직렬로 배열된 도 6의 벅 회로를 포함하는 구성을 도시하며, 상기 부스트 회로 및 벅 회로는 단일 메인 인덕터(110)를 공유한다. 도 8의 회로의 스위치들의 동작에 대한 적절한 제어에 의해, 범용 DC-DC 컨버터 구조가 제공되어, 출력 신호가 입력 신호보다 높거나 낮도록 제어될 수 있게 한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 회로는 가변적인 입력 신호를 가짐에도 불구하고 출력 신호를 일정한 레벨로 유지하는 것이 요구되는 응용들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 광범위한 응용들에 사용될 수 있다.
전술한 회로들에서, 두 개의 레그들(112, 114)의 인덕터들의 인덕턴스는 대칭으로 배열된다. 이것이 바람직한 반면, 그렇지 않은 경우도 있을 수 있음이 이해될 것이다.
도 5 및 도 6의 부스트 및 벅 컨버터 회로들은 높은 효율로 출력 신호가 입력에서의 신호에 비해 증가 또는 감소되도록 한다. 회로들은 비교적 간단하므로 부품 비용이 상대적으로 낮다.
필요하다면, 도 5, 도 6 및 도 8의 회로들은 도 2 및 도 4에 도시된 일반적인 형태의 회로들에 통합될 수 있음이 이해될 것이다.
첨부된 도면들은 본 발명의 범위에 속하는 특정 회로들을 예시하였지만, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 변형 또는 변경이 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (26)

  1. 메인 인덕터, 제1 회로 레그 및 제2 회로 레그를 포함하는 DC-DC 변환 회로로서,
    각 회로 레그는 주 스위치, 보조 스위치 및 주 인덕터를 포함하며,
    각 회로 레그의 주 스위치 및 주 인덕터는 입력과 출력 사이에서 메인 인덕터와 직렬로 접속되며,
    각 회로 레그의 보조 스위치는 관련 회로 레그의 주 인덕터와 관련 주 스위치의 중간 지점에 접속된 스위치형 그라운드 접속부(switched ground connection)를 제공하며,
    상기 제1 회로 레그의 주 인덕터 및 상기 제2 회로 레그의 주 인덕터는 자기적으로 연결되며,
    각 회로 레그의 보조 스위치들은 상기 회로의 작동시 보조 스위치들 모두가 동시에 개방(오프)되지 않도록 제어되어, 메인 인덕터를 통해 흐르는 전류가 연속적으로 변화하게 하며, 회로 작동의 특정 단계들 동안, 보조 스위치들 모두가 동시에 폐쇄(온) 상태를 점유(occupying)하게 하며,
    각 회로 레그는 보조 인덕터를 포함하며,
    각 회로 레그의 보조 인덕터는 관련 주 인덕터와 관련 주 스위치 사이에 직렬로 접속되어, 사용시, 상기 입력과 상기 출력 사이의 관련 주 인덕터 및 보조 인덕터를 통해 전류가 흐르게 하며,
    각 회로 레그의 보조 인덕터는 관련 주 인덕터에 자기적으로 연결되며,
    각각의 스위치형 그라운드 접속부는 각 회로 레그의 주 인덕터와 관련 회로 레그의 보조 인덕터의 중간 지점에 접속되는, DC-DC 변환 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC-DC 변환 회로는 부스트 회로로서 동작하도록 구성되며,
    상기 출력에서의 전압은 상기 입력에서의 전압보다 큰, DC-DC 변환 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    각각의 주 스위치는 다이오드 형태를 취하고,
    각 보조 스위치는 제어 가능한 스위치 형태를 취하는, DC-DC 변환 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    각 제어 가능한 스위치의 동작은 관련 전자 제어 유닛에 의해 제어되는, DC-DC 변환 회로.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    각 제어 가능한 스위치는 트랜지스터 또는 트랜지스터형 기기를 포함하는, DC-DC 변환 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC-DC 변환 회로는 벅 회로로서 동작하도록 구성되며,
    상기 출력에서의 전압은 상기 입력에서의 전압보다 낮은, DC-DC 변환 회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    각 주 스위치는 제어 가능한 스위치 형태를 취하며,
    각 보조 스위치는 다이오드 형태를 취하는, DC-DC 변환 회로.
  8. 청구항 7에 있어서,
    각 제어 가능한 스위치의 동작은 관련 전자 제어 유닛에 의해 제어되는, DC-DC 변환 회로.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    각 제어 가능한 스위치는 트랜지스터 또는 트랜지스터형 기기를 포함하는, DC-DC 변환 회로.
  10. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    스위칭은 스위칭되는 각 회로 레그의 보조 스위치 양단의 전위차가 0일 때 발생하도록 구성되는, DC-DC 변환 회로.
  11. 청구항 10에 있어서,
    스위칭되는 각 회로 레그의 보조 스위치 양단의 전위차가 0인 때를 판단하는데 사용하기 위해 감지 권선(sensing winding)이 제공되는, DC-DC 변환 회로.
  12. 메인 인덕터, 제1 회로 레그 및 제2 회로 레그를 포함하는 회로의 동작 방법으로서,
    각 회로 레그는 주 스위치, 보조 스위치 및 주 인덕터를 포함하며,
    각 회로 레그의 주 스위치 및 주 인덕터는 입력과 출력 사이에서 메인 인덕터와 직렬로 접속되며,
    각 회로 레그의 보조 스위치는 관련 회로 레그의 주 인덕터와 관련 주 스위치의 중간 지점에 접속된 스위치형 그라운드 접속부(switched ground connection)를 제공하며,
    상기 제1 회로 레그의 주 인덕터 및 상기 제2 회로 레그의 주 인덕터는 자기적으로 연결되며,
    각 회로 레그는 보조 인덕터를 포함하며,
    각 회로 레그의 보조 인덕터는 관련 주 인덕터와 관련 주 스위치 사이에 직렬로 접속되어, 사용시, 상기 입력과 상기 출력 사이의 관련 주 인덕터 및 보조 인덕터를 통해 전류가 흐르게 하며,
    각 회로 레그의 보조 인덕터는 관련 회로 레그의 주 인덕터에 자기적으로 연결되며,
    각각의 스위치형 그라운드 접속부는 각 회로 레그의 주 인덕터와 관련 회로 레그의 보조 인덕터의 중간 지점에 접속되며,
    적어도 특정 동작 단계 동안, 상기 보조 스위치들 모두가 동시에 폐쇄(온) 상태를 점유하며(occupying),
    각 회로 레그의 보조 스위치들은 상기 회로의 작동시 보조 스위치들 모두가 동시에 개방(오프)되지 않도록 제어되어, 메인 인덕터를 통해 흐르는 전류가 연속적으로 변화하게 하는, 회로 동작 방법.
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