KR102587290B1 - New Boost Converter to Improve and Increase the Range of Gain - Google Patents
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Abstract
게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터는 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 출력단을 포함하고, 상기 제1 스테이지는 전압원이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치; 상기 전압원과 상기 제1 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제2 스테이지는 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 반도체 스위치와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치에 연결되는 제4 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 상기 제3 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드; 및 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드에 연결되는 제2 커패시터를 포함한다. A new boost converter is presented to improve and increase the range of gain. A new boost converter for improving and increasing the range of gain proposed in the present invention includes a first stage, a second stage, and an output stage, and the first stage is a first semiconductor connected in series and connected in parallel to an input stage to which a voltage source is applied. a switch and a second semiconductor switch; a first diode whose end is connected to a connection node of the voltage source and the first semiconductor switch; and a first capacitor having one end connected to a connection node of the first semiconductor switch and the second semiconductor switch and another end connected to the first diode, wherein the second stage is the first capacitor of the first stage. 1 A third semiconductor switch whose end is connected to the connection node of the diode and the first capacitor; a fourth semiconductor switch, one end of which is connected to the connection node of the first semiconductor switch of the first stage and the first capacitor, and the other end of which is connected to the third semiconductor switch; a second diode whose one end is connected to the connection node of the first diode of the first stage and the third semiconductor switch; and a second capacitor, one end of which is connected to the connection node of the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch, and the other end of the capacitor connected to the second diode.
Description
본 발명은 게인의 범위 개선 및 확장을 위한 새로운 부스트 컨버터의 구동회로에 관한 것이다.The present invention relates to a new boost converter driving circuit for improving and expanding the gain range.
일반적으로 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply; SMPS) 등의 전원 기기에 적용되는 직류/직류 컨버터(DC/DC converter)는 직류 전압을 승압하거나 감압하여 원하는 직류 전압으로 변환하는 장치이다. A DC/DC converter, which is generally applied to power devices such as Switching Mode Power Supply (SMPS), is a device that converts DC voltage to a desired DC voltage by boosting or reducing DC voltage.
이 중에서 부스트 컨버터(Boost converter)는 직류/직류 컨버터를 대표하는 회로 중 하나로서, 인가되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 승압한 후, 다시 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 안정된 출력 전압을 발생 시키는 회로를 말한다. 이러한 부스트 컨버터는 승압형 컨버터라고도 하며, 입력단과 출력단의 접지(GND) 가 동일할 경우에만 사용할 수 있다. Among these, the boost converter is one of the representative circuits of the DC/DC converter. It converts the applied DC voltage into AC voltage, boosts it, and then converts the AC voltage back into DC voltage to generate a stable output voltage. It refers to a circuit. This boost converter is also called a step-up converter and can be used only when the ground (GND) of the input and output terminals are the same.
낮은 직류 전압 전원 기기에서 큰 출력을 내기 위해 큰 직류 전압으로 변환하는 부스트 컨버터와 벅-부스트 컨버터는 비교적 출력 전압의 리플이 커서 인가된 주변기기에 큰 부담을 줄 수 있는 단점이 있다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 과거 적은 ESR과 큰 커패시턴스를 갖는 커패시터, 또는 LC 필터를 사용하여 전압 상승 컨버터의 출력 리플을 저감시키는 회로들이 개발되었다. 하지만, 이러한 부스트 컨버터 또는 벅-부스트 컨버터는 연속 전 도 모드(Continuous Conduction Mode; CCM)에서 전달함수의 극점으로 인한 안정도 문제(Right Half Plane Zero; RHPZ)가 발생되는 단점이 있다. Boost converters and buck-boost converters, which convert low DC voltage power devices into large DC voltages to produce large output, have the disadvantage of having a relatively large output voltage ripple, which can place a large burden on the applied peripheral devices. To solve this technical problem, circuits were developed in the past to reduce the output ripple of the voltage boost converter using capacitors with low ESR and large capacitance, or LC filters. However, this boost converter or buck-boost converter has the disadvantage of causing a stability problem (Right Half Plane Zero; RHPZ) due to the extreme point of the transfer function in continuous conduction mode (CCM).
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 우반면 제로(Right Half Plane Zero; RHPZ) 문제를 해결하고 스위치 온/오프 동작에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터를 제공하는데 있다. The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the Right Half Plane Zero (RHPZ) problem of the prior art boost converter and to provide a new boost converter to improve and increase the range of gain according to switch on/off operation. I'm doing it.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터는 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 출력단을 포함하고, 상기 제1 스테이지는 전압원이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치; 상기 전압원과 상기 제1 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제2 스테이지는 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 반도체 스위치와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치에 연결되는 제4 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 상기 제3 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드; 및 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드에 연결되는 제2 커패시터를 포함하고, 상기 출력단은 상기 제2 스테이지의 제2 다이오드와 제2 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 인덕터; 상기 인덕터의 일단이 연결되는 출력 커패시터; 및 상기 출력 커패시터에 병렬 연결되는 출력 저항을 포함한다. In one aspect, the new boost converter for improving and increasing the range of gain proposed in the present invention includes a first stage, a second stage, and an output stage, and the first stage is connected in parallel to an input stage to which a voltage source is applied. A first semiconductor switch and a second semiconductor switch connected in series; a first diode whose end is connected to a connection node of the voltage source and the first semiconductor switch; and a first capacitor having one end connected to a connection node of the first semiconductor switch and the second semiconductor switch and another end connected to the first diode, wherein the second stage is the first capacitor of the first stage. 1 A third semiconductor switch whose end is connected to the connection node of the diode and the first capacitor; a fourth semiconductor switch, one end of which is connected to the connection node of the first semiconductor switch of the first stage and the first capacitor, and the other end of which is connected to the third semiconductor switch; a second diode whose one end is connected to the connection node of the first diode of the first stage and the third semiconductor switch; and a second capacitor, one end of which is connected to the connection node of the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch, and the other end of which is connected to the second diode, and the output terminal is connected to the second diode of the second stage. and an inductor whose end is connected to the connection node of the second capacitor; an output capacitor to which one end of the inductor is connected; and an output resistor connected in parallel to the output capacitor.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 오프(off)될 경우(모드 1), 상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) + 제1 커패시터 양단 전압(VC1) + 제2 커패시터 양단 전압(VC2) - 출력 전압(VOUT)이다. According to an embodiment of the present invention, when the first semiconductor switch and the third semiconductor switch are turned on and the second semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are turned off (mode 1), the voltage applied to both ends of the inductor is the input voltage (V IN ) + the voltage across the first capacitor (V C1 ) + the voltage across the second capacitor (V C2 ) - the output voltage (V OUT ).
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 온(on)될 경우(모드 2), 상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) - 출력 전압(VOUT)이고, 커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터 및 제2 커패시터 각각에 입력전압(VIN)이 충전된다. According to an embodiment of the present invention, when the first semiconductor switch and the third semiconductor switch are turned off and the second semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are turned on (mode 2), the voltage applied to both ends of the inductor is the input voltage (V IN ) - the output voltage (V OUT ), and the input voltage (V IN ) is charged to each of the first and second capacitors by the capacitor charging current pass.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 DTs이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-, 상기 부스트 컨버터의 게인은 1+2D 이다. According to an embodiment of the present invention, the turn on time of the first semiconductor switch is D Ts, and the turn off time of the first semiconductor switch is (1-D) When Ts - where D is the duty ratio -, the gain of the boost converter is 1+2D.
본 발명의 실시예에 따른 제2 스테이지는 동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지가 병렬로 추가 연결 가능하다. In the second stage according to an embodiment of the present invention, a plurality of second stages having the same structure can be additionally connected in parallel.
본 발명의 실시예에 따른 복수의 제2 스테이지의 수가 n 개일 경우, 제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 DTs이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-, 상기 부스트 컨버터의 게인은 1+(n+1)D 이다. When the number of the plurality of second stages according to an embodiment of the present invention is n, the turn on time of the first semiconductor switch is D Ts, and the turn off time of the first semiconductor switch is (1-D) When Ts - where D is the duty ratio -, the gain of the boost converter is 1+(n+1)D.
본 발명의 실시예들에 따른 새로운 부스트 컨버터를 통해 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 우반면 제로(Right Half Plane Zero; RHPZ) 문제를 해결하고 스위치 온/오프 동작에 따라 게인의 범위를 개선 및 증가시킬 수 있다. Through the new boost converter according to embodiments of the present invention, the Right Half Plane Zero (RHPZ) problem of the prior art boost converter can be solved and the range of gain can be improved and increased according to the switch on/off operation. You can.
도 1은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 듀티 비에 따른 게인을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. Figure 1 is a diagram for explaining the operating principle in mode 1 of a boost converter according to the prior art.
Figure 2 is a diagram for explaining the operating principle in
Figure 3 is a graph showing gain according to duty ratio of a boost converter according to the prior art.
Figure 4 is a circuit diagram of a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram for explaining the operating principle in mode 1 of the boost converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram for explaining the operating principle in
Figure 7 is a diagram showing simulation results of a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing simulation results of a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. Figure 1 is a diagram for explaining the operating principle in mode 1 of a boost converter according to the prior art.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 부스트 컨버터는 입력 전압을 승압하여 안정된 출력 전압을 발생시키는 회로이다. 이러한 부스트 컨버터는, 부하 측 입장에서 볼 때, 부하로 전류가 주기적으로 흘러 들어오다 끊어지기를 반복하기 때 문에 전류원(current-fed) 방식이라고도 하며, 출력 단의 전류는 항상 입력 단의 전류보다 작고 회로의 동작 원리상 손실 성분이 없기 때문에 입력 전류 Х 입력 전압 = 출력 전류 Х 출력 전압의 관계식으로부터 출력 전압이 입력 전압보다 항상 높게 나타난다. Referring to Figure 1, a boost converter according to the prior art is a circuit that generates a stable output voltage by boosting the input voltage. From the load side's point of view, this boost converter is also called a current-fed type because the current periodically flows into and out of the load, and the current at the output stage is always higher than the current at the input stage. Since it is small and there is no loss component due to the operating principle of the circuit, the output voltage always appears higher than the input voltage from the relational equation of input current Х input voltage = output current Х output voltage.
도 1(a)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 도 1(b)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 커패시터 충전 전류 패스를 나타낸다. Figure 1(a) shows an inductor current path in mode 1 of a boost converter according to the prior art, and Figure 1(b) shows a capacitor charging current path in mode 1 of a boost converter according to the prior art.
모드 1은 제1 스위치(S1)가 오프(Off)되고, 제2 스위치(S2) 온(on)될 때의 전류 패스를 나타낸다. Mode 1 represents a current pass when the first switch (S1) is turned off and the second switch (S2) is turned on.
도 1(a)를 참조하면, 모드 1에서의 인덕터 전류 패스는 C1LCoC3S2이다. Referring to Figure 1(a), the inductor current path in mode 1 is C1 L Co C3 It is S2.
도 1(b)를 참조하면, 모드 1에서의 커패시터 충전 전류 패스는 D1C2S2이다. Referring to Figure 1(b), the capacitor charging current path in mode 1 is D1 C2 It is S2.
도 2는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for explaining the operating principle in
도 2(a)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 도 2(b)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스를 나타내고, 도 2(c)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스를 나타낸다. Figure 2(a) shows the inductor current path in
모드 2는 제1 스위치(S1)가 온(on)되고, 제2 스위치(S2) 오프(Off)될 때의 전류 패스를 나타낸다.
도 2(a)를 참조하면, 모드 2에서의 인덕터 전류 패스는 S1C2D2LCoD3이다. Referring to Figure 2(a), the inductor current path in
도 2(b)를 참조하면, 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스는 S1C3D3이다. Referring to Figure 2(b), the first capacitor charging current pass in
도 2(c)를 참조하면, 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스는 S1C2D2C1이다. Referring to Figure 2(c), the second capacitor charging current pass in
도 1 및 도 2를 참조하면, 모드 1에서 인덕터 양단의 인가 전압은 VIN + VC1 - (VOUT - VC3)이며 커패시터 충전전류 패스에 의해 제2 커패시터(C2)에 VC2 (= VIN)가 충전된다. 모드 2에서 인덕터 양단 인가 전압은 VIN + VC2 - VOUT 이며 커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터(C1), 제3 커패시터(C3)에 각각 VC1, VC3 (= VIN)가 충전된다. Referring to Figures 1 and 2, in mode 1, the applied voltage across the inductor is V IN + V C1 - (V OUT - V C3 ), and V C2 (= V) is applied to the second capacitor C2 by the capacitor charging current pass. IN ) is charged. In
제1 스위치(S1)의 턴 온(Turn on) 시간을 (1-D)Ts, 제1 스위치(S1)의 턴 오프(Turn off) 시간을 DTs 라 하면, 부스트 컨버터의 게인은 VoltSec 법칙에 따라 아래와 같고, 여기서 D 는 듀티 비(duty ratio)이다: Turn on time of the first switch (S1) is (1-D) Ts, turn off time of the first switch (S1) is D If Ts, the gain of the boost converter is Volts According to the Sec law, where D is the duty ratio:
. .
이므로, 이며, 따라서, 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 게인은 2+D 가 된다. Because of, , and therefore, the gain of the boost converter according to the prior art is 2+D.
도 3은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 듀티 비에 따른 게인을 나타내는 그래프이다. Figure 3 is a graph showing gain according to duty ratio of a boost converter according to the prior art.
종래기술에 따른 부스트 컨버터는 게인이 2+D로 듀티 비의 값에 따라 의 범위로 결정된다. 최소 게인(Minimum Gain) 값은 2이므로 1과 2 사이의 값을 가질 수 없으며, 더 높은 게인을 얻기 위한 구동회로의 확장이 어렵다. 도 3은 듀티 비에 따른 게인을 나타낸 그래프이다. 종래기술에 따른 부스트 컨버터는 동작의 한계로 인해 'A영역'의 게인을 얻을 수 없다. The boost converter according to the prior art has a gain of 2+D and varies depending on the value of the duty ratio. is determined by the range of Since the minimum gain value is 2, it cannot have a value between 1 and 2, and it is difficult to expand the driving circuit to obtain a higher gain. Figure 3 is a graph showing gain according to duty ratio. The boost converter according to the prior art cannot obtain gain in the 'A area' due to limitations in operation.
따라서, 본 발명에서는 부스트 컨버터의 게인 범위를 향상시키고 더 높은 게인을 얻기 위한 구동회로의 확장이 가능한 새로운 부스트 컨버터를 제안한다. Therefore, the present invention proposes a new boost converter that can improve the gain range of the boost converter and expand the driving circuit to obtain higher gain.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 회로도이다. Figure 4 is a circuit diagram of a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to an embodiment of the present invention.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(Stage 2)를 갖는 부스트 컨버터의 회로도이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 제2 스테이지(Stage 2)를 갖는 부스트 컨버터의 회로도이다. Figure 4(a) is a circuit diagram of a boost converter having one second stage (Stage 2) according to an embodiment of the present invention, and Figure 4(b) is a circuit diagram of a plurality of second stages according to an embodiment of the present invention. This is a circuit diagram of a boost converter with (Stage 2).
도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터는 제1 스테이지(Stage 1)(410), 제2 스테이지(Stage 2)(420) 및 출력단을 포함한다. Referring to FIG. 4(a), the boost converter according to an embodiment of the present invention includes a first stage (Stage 1) 410, a second stage (Stage 2) 420, and an output stage.
본 발명의 실시예에 따른 제1 스테이지(Stage 1)(410)는 전압원(VIN)이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치(S1) 및 제2 반도체 스위치(S2), 상기 전압원(VIN)과 상기 제1 반도체 스위치(S1)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드(D1) 및 상기 제1 반도체 스위치(S1)와 상기 제2 반도체 스위치(S2)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드(D1)에 연결되는 제1 커패시터(C1)를 포함한다. The first stage (Stage 1) 410 according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor switch (S1) and a second semiconductor switch (S2) connected in series and connected in parallel to an input terminal to which a voltage source (V IN ) is applied, A first diode (D1), one end of which is connected to the connection node of the voltage source (V IN ) and the first semiconductor switch (S1), and a connection node of the first semiconductor switch (S1) and the second semiconductor switch (S2) It includes a first capacitor (C1), one end of which is connected to and the other end of which is connected to the first diode (D1).
본 발명의 실시예에 따른 제2 스테이지(Stage 2)(420)는 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치(S3); 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 반도체 스위치(S1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치(S3)에 연결되는 제4 반도체 스위치(S4), 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 상기 제3 반도체 스위치(S3)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드(D2), 및 상기 제3 반도체 스위치(S3)와 상기 제4 반도체 스위치(S4)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드(D2)에 연결되는 제2 커패시터(C2)를 포함한다. The second stage (Stage 2) 420 according to an embodiment of the present invention has one end connected to the connection node of the first diode (D1) and the first capacitor (C1) of the first stage (Stage 1) 410. a third semiconductor switch (S3); One end is connected to the connection node of the first semiconductor switch (S1) and the first capacitor (C1) of the first stage (Stage 1) 410, and the other end is connected to the third semiconductor switch (S3) A fourth semiconductor switch (S4), a second diode (D2) whose one end is connected to the connection node of the first diode (D1) of the first stage (Stage 1) 410 and the third semiconductor switch (S3), and a second capacitor (C2), one end of which is connected to the connection node of the third semiconductor switch (S3) and the fourth semiconductor switch (S4), and the other end of which is connected to the second diode (D2). .
본 발명의 실시예에 따른 출력단은 상기 제2 스테이지(Stage 2)(420)의 제2 다이오드(D2)와 제2 커패시터(C2)의 연결 노드에 일단이 연결되는 인덕터(L); 상기 인덕터(L)의 일단이 연결되는 출력 커패시터(Co) 및 상기 출력 커패시터(Co)에 병렬 연결되는 출력 저항(Ro)을 포함한다. The output terminal according to an embodiment of the present invention includes an inductor (L) whose one end is connected to the connection node of the second diode (D2) and the second capacitor (C2) of the second stage (Stage 2) 420; It includes an output capacitor (Co) connected to one end of the inductor (L) and an output resistor (Ro) connected in parallel to the output capacitor (Co).
본 발명의 실시예에 따른 제1 반도체 스위치(S1) 및 제2 반도체 스위치(S2)는 큰 전류를 흘릴 수 있는 트랜지스터 소자로서, BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 등으로 구성될 수 있다. The first semiconductor switch (S1) and the second semiconductor switch (S2) according to an embodiment of the present invention are transistor devices capable of flowing a large current, and include a BJT (Bipolar Junction Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and MOSFET ( It may be composed of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), etc.
도 4(b)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부스트 컨버터는 제1 스테이지(Stage 1)(410), n개의 제2 스테이지(Stage 2)(420) 및 출력단을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4(b), a boost converter according to another embodiment of the present invention may include a first stage (Stage 1) 410, n second stages (Stage 2) 420, and an output stage. there is.
도 4(b)와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부스트 컨버터는 동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지가 병렬로 추가 연결 가능하다. As shown in FIG. 4(b), the boost converter according to another embodiment of the present invention allows a plurality of second stages having the same structure to be additionally connected in parallel.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지(Stage 2)(420)를 포함하는 부스트 컨버터에 있어서, 제2 스테이지(Stage 2)(420)가 n 개일 때 n 번째 제2 스테이지(Stage 2)(420)는 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1)); 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 반도체 스위치(S1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1))에 연결되는 제(2n+2) 반도체 스위치(S(2n+2)), 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 상기 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1))의 연결 노드에 일단이 연결되는 제(n+1) 다이오드(D(n+1)), 및 상기 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1))와 상기 제(2n+2) 반도체 스위치(S(2n+2))의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제(n+1) 다이오드(D(n+1))에 연결되는 제(n+1) 커패시터(C(n+1))를 포함한다. In the boost converter including a plurality of second stages (Stage 2) 420 having the same structure according to another embodiment of the present invention, when there are n second stages (Stage 2) 420, the nth stage Stage 2 (Stage 2) 420 is a (2n+1) semiconductor switch whose one end is connected to the connection node of the first diode (D1) and the first capacitor (C1) of the first stage (Stage 1) 410. (S(2n+1)); One end is connected to the connection node of the first semiconductor switch (S1) and the first capacitor (C1) of the first stage (Stage 1) 410, and the other end is connected to the (2n+1) semiconductor switch (S) The (2n+2) semiconductor switch (S(2n+2)) connected to (2n+1)), the first diode (D1) of the first stage (Stage 1) 410, and the (2n+) 1) a (n+1) diode (D(n+1)) whose one end is connected to the connection node of the semiconductor switch (S(2n+1)), and the (2n+1)th semiconductor switch (S(2n) +1)) and the (2n+2)th semiconductor switch (S(2n+2)), one end is connected to the connection node, and the other end is connected to the (n+1)th diode (D(n+1) ) includes a (n+1)th capacitor (C(n+1)) connected to
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. Figure 5 is a diagram for explaining the operating principle in mode 1 of the boost converter according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 설명의 편의를 위해 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터를 예시로서 설명한다. Figure 5 shows an inductor current path in mode 1 of a boost converter according to an embodiment of the present invention, and for convenience of explanation, a boost converter with one second stage is explained as an example.
모드 1은 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 오프(off)될 경우를 나타낸다. Mode 1 represents a case where the first semiconductor switch (S1) and the third semiconductor switch (S3) are turned on, and the second semiconductor switch (S2) and the fourth semiconductor switch (S4) are turned off.
도 5를 참조하면, 모드 1에서의 인덕터 전류 패스는 S1C1S3C2LCo이다. Referring to Figure 5, the inductor current path in mode 1 is S1 C1 S3 C2 L Co.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다. Figure 6 is a diagram for explaining the operating principle in
도 6(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 도 6(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스를 나타내고, 도 6(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스를 나타낸다. 설명의 편의를 위해 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터를 예시로서 설명한다. Figure 6(a) shows the inductor current path in
모드 2은 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 온(on)될 경우를 나타낸다.
도 6(a) 참조하면, 모드 2에서의 인덕터 전류 패스는 D1D2LCo이다. Referring to Figure 6(a), the inductor current path in
도 6(b) 참조하면, 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스는 D1C1S2이다. Referring to Figure 6(b), the first capacitor charging current pass in
도 6(c) 참조하면, 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스는 D1D2C2S4S2이다. Referring to Figure 6(c), the second capacitor charging current pass in
다시 도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(420)를 갖는 부스트 컨버터는 모드 1에서 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 오프(off)될 경우, 인덕터(L) 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) + 제1 커패시터 양단 전압(VC1) + 제2 커패시터 양단 전압(VC2) - 출력 전압(VOUT)이다. Referring again to FIG. 4(a), in the boost converter having one second stage 420 according to an embodiment of the present invention, the first semiconductor switch S1 and the third semiconductor switch S3 are in mode 1. When it is on and the second semiconductor switch S2 and the fourth semiconductor switch S4 are off, the voltage applied across the inductor L is the input voltage V IN + the voltage across the first capacitor ( V C1 ) + voltage across the second capacitor (V C2 ) - output voltage (V OUT ).
본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(420)를 갖는 부스트 컨버터는 모드 2에서 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 온(on)될 경우, 상기 인덕터(L) 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) - 출력 전압(VOUT)이고, 커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2) 각각에 입력전압(VIN)이 충전된다. In a boost converter with one second stage 420 according to an embodiment of the present invention, in
제1 반도체 스위치(S1)의 턴 온(Turn on) 시간이 DTs이고, 제1 반도체 스위치(S1)의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)Ts 라 하면, 부스트 컨버터의 게인은 VoltSec 법칙에 따라 아래와 같고, 여기서 D 는 듀티 비(duty ratio)이다: Turn on time of the first semiconductor switch (S1) is D Ts, and the turn off time of the first semiconductor switch (S1) is (1-D) If Ts, the gain of the boost converter is Volts According to the Sec law, where D is the duty ratio:
. .
VC1 = VC2 = VC3 = VIN 이므로, VOUT / VIN = 1+2D 이며, 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+2D이다. Since V C1 = V C2 = V C3 = V IN , V OUT / V IN = 1+2D, and therefore, the gain of the boost converter with one second stage according to the embodiment of the present invention is 1+2D.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스테이지(410)의 구성으로 얻을 수 있는 게인은 1+D 이고, 제2 스테이지(420)의 적용으로 추가되는 게인은 D이다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(420)를 갖는 부스트 컨버터는 1+2D의 게인을 가지게 된다. 제2 스테이지(420)를 계속 추가하게 되면 게인의 확장이 가능하다. The gain that can be obtained by configuring the first stage 410 according to an embodiment of the present invention is 1+D, and the gain added by applying the second stage 420 is D. Therefore, the boost converter with one second stage 420 according to an embodiment of the present invention has a gain of 1+2D. If the second stage 420 is continuously added, the gain can be expanded.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 n개의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 아래와 같다: In other words, the gain of the boost converter with n second stages according to an embodiment of the present invention is as follows:
이므로, 본 발명의 실시예에 따른 n 개의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+(1+n)D 이다. Therefore, the gain of the boost converter with n second stages according to the embodiment of the present invention is 1+(1+n)D.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. Figure 7 is a diagram showing simulation results of a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to an embodiment of the present invention.
시뮬레이션은 입력전압 50V, 스위칭 주파수 100kHz, 듀티 비 0.5에서 수행되었다. 출력은 100V/1A이며, 소자들의 전압강하를 포함한 출력 결과는 도 7과 같다.The simulation was performed at an input voltage of 50V, a switching frequency of 100kHz, and a duty ratio of 0.5. The output is 100V/1A, and the output results including the voltage drop of the elements are shown in Figure 7.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. Figure 8 is a diagram showing simulation results of a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to another embodiment of the present invention.
시뮬레이션은 입력전압 50V, 스위칭 주파수 100kHz, 듀티 비 0.54에서 수행되었다. 출력은 100V/1A이며, 소자들의 전압강하를 포함한 출력 결과는 도 8과 같다.The simulation was performed at an input voltage of 50V, a switching frequency of 100kHz, and a duty ratio of 0.54. The output is 100V/1A, and the output results including the voltage drop of the elements are shown in Figure 8.
본 발명의 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터에 있어서, 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+2D 로써 1≤Gain≤3 값을 갖는다. 제안하는 새로운 부스트 컨버터의 스위치, 다이오드 및 커패시터 내압은 모두 입력전압으로 동일하며 상승이 없다. In a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to an embodiment of the present invention, the gain of the boost converter with one second stage is 1+2D, which has a value of 1≤Gain≤3. The withstand voltages of the switch, diode, and capacitor of the proposed new boost converter are all the same as the input voltage and there is no rise.
본 발명의 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터에 있어서, 복수의 제2 스테이지를 추가함으로써 게인을 확대할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 n 개의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+(1+n)D로 확장 가능하다. In a new boost converter for improving and increasing the range of gain according to an embodiment of the present invention, the gain can be expanded by adding a plurality of second stages. The gain of the boost converter having n second stages according to an embodiment of the present invention can be expanded to 1+(1+n)D.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.
Claims (6)
상기 부스트 컨버터는 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 출력단을 포함하고,
상기 제1 스테이지는,
전압원이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치; 상기 전압원과 상기 제1 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
상기 제2 스테이지는,
상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 반도체 스위치와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치에 연결되는 제4 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 상기 제3 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드; 및 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드에 연결되는 제2 커패시터를 포함하고,
상기 출력단은,
상기 제2 스테이지의 제2 다이오드와 제2 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 인덕터; 상기 인덕터의 타단에 연결되는 출력 커패시터; 및 상기 출력 커패시터에 병렬 연결되는 출력 저항
을 포함하고,
제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 오프(off)될 경우(모드 1),
상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) + 제1 커패시터 양단 전압(VC1) + 제2 커패시터 양단 전압(VC2) - 출력 전압(VOUT)이고,
제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 온(on)될 경우(모드 2),
상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) - 출력 전압(VOUT)이고,
커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터 및 제2 커패시터 각각에 입력전압(VIN)이 충전되어,
제1 스테이지의 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치의 온-오프 동작과 제2 스테이지의 제3 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치의 온-오프 동작에 따라 인덕터 양단 인가 전압이 결정되는
부스트 컨버터. In the boost converter,
The boost converter includes a first stage, a second stage, and an output stage,
The first stage is,
A first semiconductor switch and a second semiconductor switch connected in series and connected in parallel to an input terminal to which a voltage source is applied; a first diode whose end is connected to a connection node of the voltage source and the first semiconductor switch; And a first capacitor with one end connected to a connection node of the first semiconductor switch and the second semiconductor switch and another end connected to the first diode,
The second stage is,
a third semiconductor switch, one end of which is connected to the connection node of the first diode and the first capacitor of the first stage; a fourth semiconductor switch, one end of which is connected to the connection node of the first semiconductor switch of the first stage and the first capacitor, and the other end of which is connected to the third semiconductor switch; a second diode whose one end is connected to the connection node of the first diode of the first stage and the third semiconductor switch; And a second capacitor with one end connected to the connection node of the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch and another end connected to the second diode,
The output stage is,
an inductor whose end is connected to a connection node of the second diode and the second capacitor of the second stage; an output capacitor connected to the other end of the inductor; and an output resistor connected in parallel to the output capacitor.
Including,
When the first semiconductor switch and the third semiconductor switch are on, and the second semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are off (mode 1),
The voltage applied across the inductor is input voltage (V IN ) + voltage across the first capacitor (V C1 ) + voltage across the second capacitor (V C2 ) - output voltage (V OUT ),
When the first semiconductor switch and the third semiconductor switch are off and the second semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are on (mode 2),
The voltage applied to both ends of the inductor is input voltage (V IN ) - output voltage (V OUT ),
The input voltage (V IN ) is charged to each of the first and second capacitors by the capacitor charging current pass,
The voltage applied across the inductor is determined according to the on-off operation of the first semiconductor switch and the second semiconductor switch of the first stage and the on-off operation of the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch of the second stage.
Boost converter.
제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 DTs이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-,
상기 부스트 컨버터의 게인은 1+2D 인
부스트 컨버터. According to paragraph 1,
Turn on time of the first semiconductor switch is D Ts, and the turn off time of the first semiconductor switch is (1-D) When Ts -where D is the duty ratio-,
The gain of the boost converter is 1+2D
Boost converter.
상기 제2 스테이지는,
동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지가 병렬로 추가 연결 가능한
부스트 컨버터. According to paragraph 1,
The second stage is,
Multiple second stages with the same structure can be additionally connected in parallel
Boost converter.
상기 복수의 제2 스테이지의 수가 n 개일 경우,
제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 DTs이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-,
상기 부스트 컨버터의 게인은 1+(n+1)D 인
부스트 컨버터. According to clause 5,
When the number of the plurality of second stages is n,
Turn on time of the first semiconductor switch is D Ts, and the turn off time of the first semiconductor switch is (1-D) When Ts -where D is the duty ratio-,
The gain of the boost converter is 1+(n+1)D.
Boost converter.
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Legal Events
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |