KR102638689B1 - Dc-dc 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1노드와 입력전압의 정극성 단자 사이에 연결된 제1인덕터와, 상기 제1노드와 상기 입력전압의 부극성 단자 사이에 연결된 제1메인스위치와, 상기 입력전압의 정극성 단자에 제2전극이 연결된 제1출력캐패시터와, 상기 제1출력캐패시터의 제1전극과 상기 제1노드 사이에 연결된 제1정류스위치를 포함하는 제1컨버팅 회로와; 제2노드와 입력전압의 부극성 단자 사이에 연결된 제2인덕터와, 상기 제2노드와 상기 입력전압의 정극성 단자 사이에 연결된 제2메인스위치와, 상기 입력전압의 부극성 단자에 제1전극이 연결된 제2출력캐패시터와, 상기 제2출력캐패시터의 제2전극과 상기 제2노드 사이에 연결된 제2정류스위치를 포함하는 제2컨버팅 회로를 포함하는 DC-DC 컨버터를 제공한다.

Description

DC-DC 컨버터{DC-DC converter}
본 발명은 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
환경 오염 가능성이 높은 전력원에 대한 강력한 대안으로 주목받는 연료 전지와 기타 재생 에너지원은 추가적으로 해결해야할 과제가 있다. 이 중 하나는, 연료 전지 스택의 전압 대비 DC 버스의 요구 전압이 몇 배 더 높다는 것이다. 따라서, 이러한 문제를 극복하기 위해 입출력 전압 변환 비가 높은 토폴로지에 대한 연구가 진행되었으며, DDB(double-dual boost) 컨버터가 기존 부스트(boost) 컨버터 대비 높은 전압 이득을 갖기 때문에 많은 기기에 적용되기 적합한 것으로 관심을 받고 있다.
DDB 컨버터는 기존에 부스트 컨버터로서 많이 채택되는 인터리브드(interleaved) 부스트 컨버터와 비교하였을 때, 더 높은 전압 게인(gain)을 갖는다. 또한, 낮은 전압 정격의 스위치 소자 사용이 가능하다는 장점이 있어 인터리브드 부스트 컨버터를 대체하기에 장점이 많은 회로이다. 하지만, DDB 컨버터는 부스트 회로가 병렬 입력 및 직렬 출력(input-parallel output-series) 구조로 구성되기 때문에, 출력 전압을 구성하는 각 캐패시터의 전압 스트레스가 높다는 단점이 있다.
본 발명은 출력 캐패시터의 전압 스트레스를 감소시킬 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공하는 것에 과제가 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 제1노드와 입력전압의 정극성 단자 사이에 연결된 제1인덕터와, 상기 제1노드와 상기 입력전압의 부극성 단자 사이에 연결된 제1메인스위치와, 상기 입력전압의 정극성 단자에 제2전극이 연결된 제1출력캐패시터와, 상기 제1출력캐패시터의 제1전극과 상기 제1노드 사이에 연결된 제1정류스위치를 포함하는 제1컨버팅 회로와; 제2노드와 입력전압의 부극성 단자 사이에 연결된 제2인덕터와, 상기 제2노드와 상기 입력전압의 정극성 단자 사이에 연결된 제2메인스위치와, 상기 입력전압의 부극성 단자에 제1전극이 연결된 제2출력캐패시터와, 상기 제2출력캐패시터의 제2전극과 상기 제2노드 사이에 연결된 제2정류스위치를 포함하는 제2컨버팅 회로를 포함하는 DC-DC 컨버터를 제공한다.
여기서, 상기 제1메인스위치와 제1정류스위치가 상보적으로 동작하고, 상기 제2메인스위치와 제2정류스위치가 상보적으로 동작할 수 있다.
상기 제1출력캐패시터의 전압 V_C1은, V_C1 = D1*Vs/(1-D1)으로 표현되며, D1은 상기 제1메인스위치의 듀티 사이클이고, Vs는 상기 입력전압일 수 있다.
상기 제2출력캐패시터의 전압 V_C2는, V_C2 = D2*Vs/(1-D2)으로 표현되며, D2는 상기 제2메인스위치의 듀티 사이클이고, Vs는 상기 입력전압일 수 있다.
상기 제1출력캐패시터의 제1전극과 상기 제2출력캐패시터의 제2전극 사이에 부하가 연결될 수 있다.
본 발명의 DC-DC 컨버터는, 종래의 DC-DC 컨버터와 비교하여, 동일한 소자를 사용하며 다만 출력 캐패시터의 결선을 다르게 구성하여 벅-부스트 모드로 구동될 수 있다.
이에 따라, 출력 캐패시터의 전압 스트레스가 감소되어 낮은 전압 정격의 출력캐패시터를 사용하는 것이 가능하며, 이에 따라 컨버터의 부피 및 가격이 감소될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 개략적으로 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 출력캐패시터의 전압 및 출력전압을 도시한 파형도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터를 개략적으로 도시한 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터(CVT)는 제1컨버팅 회로(CC1)와 제2컨버팅회로(CC2)를 포함할 수 있다. 이와 같은 제1컨버팅 회로(CC1)와 제2컨버팅회로(CC2)는 서로 병렬로 배치될 수 있다.
제1컨버팅 회로(CC1)는 벅-부스트 동작을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제1컨버팅 회로(CC1)는 제1인덕터(L1)와 제1출력캐패시터(C1)와 제1메인스위치(QS1)와 제1정류스위치(QD1)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1인덕터(L1)의 제1단자는 DC 입력전압(Vs)의 정극성 단자(또는 제1단자)에 연결될 수 있다. 그리고, 제1메인스위치(QS1)는 제1단자가 입력전압(Vs)의 부극성 단자(또는 제2단자)에 연결될 수 있고, 제2단자가 제1인덕터(L1)의 제2단자에 연결될 수 있다.
또한, 제1출력캐패시터(C1)는 제2전극이 입력전압(Vs)의 정극성 단자에 연결될 수 있고, 제1전극이 제1정류스위치(QD1)에 연결될 수 있다. 제1정류스위치(QD1)는, 제1출력캐패시터(C1)의 제1전극과 제1인덕터(L1) 및 제1메인스위치(QS1) 간의 접점인 제1노드(N1) 사이에 연결될 수 있다.
한편, 제2컨버팅 회로(CC2)는 벅-부스트 동작을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제2컨버팅 회로(CC2)는 제2인덕터(L2)와 제2출력캐패시터(C2)와 제2메인스위치(QS2)와 제2정류스위치(QD2)를 포함할 수 있다.
여기서, 제2인덕터(L2)의 제1단자는 DC 입력전압(Vs)의 부극성 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 제2메인스위치(QS2)는 제1단자가 입력전압(Vs)의 정극성 단자에 연결될 수 있고, 제2단자가 제2인덕터(L2)의 제2단자에 연결될 수 있다.
또한, 제2출력캐패시터(C2)는 제1전극이 입력전압(Vs)의 부극성 단자에 연결될 수 있고, 제2전극이 제2정류스위치(QD2)에 연결될 수 있다. 제2정류스위치(QD2)는, 제2출력캐패시터(C2)의 제2전극과 제2인덕터(L2) 및 제2메인스위치(QS2) 간의 접점인 제2노드(N1) 사이에 연결될 수 있다.
한편, 제1캐패시터(C1)의 제1전극과 제2캐패시터(C2)의 제2전극 사이에는, 제1,2캐패시터(C1,C2)와 병렬로 배치된 부하가 연결될 수 있다.
위와 같이 구성된 본 실시예의 DC-DC 컨버터(CVT)는, 종래의 DC-DC 컨버터와 비교하여, 동일한 소자를 사용하며 다만 출력 캐패시터의 결선을 다르게 구성하여 벅-부스트 모드로 구동될 수 있다.
이러한 본 실시예의 DC-DC 컨버터(CVT)에서는, 전력 전달을 위한 제1메인스위치(QS1)와 이에 연결된 제1정류스위치(QD1)는 상보적으로 동작되는데 즉 서로 위상이 반대가 되어 온/오프 상태가 반대가 된다. 마찬가지로, 전력 전달을 위한 제2메인스위치(QS2)와 이에 연결된 제2정류스위치(QD2)는 상보적으로 동작되는데 즉 서로 위상이 반대가 되어 온/오프 상태가 반대가 된다.
이때, 제1메인스위치(QS1)의 듀티 사이클을 D1이라 하면, 제1출력캐패시터 (C1)의 전압 V_C1은, 아래 수식1로 표현된다.
수식1: V_C1 = D1*Vs/(1-D1).
그리고, 제2메인스위치(QS2)의 듀티 사이클을 D2라 하면, 제2출력캐패시터 (C2)의 전압 V_C2는, 아래 수식2로 표현된다.
수식2: V_C2 = D2*Vs/(1-D2)로 표현된다.
출력전압(Vo)은 제1,2출력캐패시터(C1,C2)의 전압의 합과 입력전압(Vs)을 더한 값으로서, 아래 수식3으로 표현된다.
수식3: Vo = V_C1 + V_C2 +Vs로 표현된다.
이 수식3에, 위의 수식1,2의 전압을 대입하여 입력전압 대비 출력전압의 게인을 구하면, 아래 수식4로 표현된다.
수식4: Vo/Vs = (1-D1*D2)/(1-D1-D2+D1*D2).
이 수식4에 따른 입출력전압 게인은 종래의 DC-DC 컨버터의 입출력전압 게인과 동일하다.
이와 관련하여 도 2를 더 참조하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 출력캐패시터의 전압 및 출력전압을 도시한 파형도이다.
도 2의 전압 파형은, 입력전압(Vs)은 60V이고, 제1,2인덕터(L1,L2) 각각의 인덕턴스는 100uH이고, 제1,2출력캐패시터(C1,C2) 각각의 캐패시턴스는 10uF이고, 출력이 300V/500W 일 때의 시뮬레이션 결과이다.
여기서, 제1,2메인스위치(QS1,QS2)의 듀티 사이클(D1,D2)은 동일하며, 이에 따라 V_C1과 V_C2의 한 주기 당 평균 전압 또한 동일하다.
본 실시예의 DC-DC 컨버터(CVT)에서는, 출력전압(Vo)이 300V이고 입력전압(Vs)이 60V이므로, 제1,2출력캐패시터(C1,C2) 각각의 평균 전압은 120V가 된다.
위와 동일한 시뮬레이션 조건에서, 종래의 DC-DC 컨버터는 각 출력캐패시터의 평균 전압이 180V로서 높은 전압 스트레스를 갖게 된다.
반면에, 본 실시예에서는, 각 출력캐패시터의 평균 전압이 120V로서 상당히 낮은 전압 스트레스를 갖게 된다.
이에 따라, 본 실시예의 DC-DC 컨버터(CVT)는 낮은 전압 정격의 출력캐패시터(C1,C2)를 사용하는 것이 가능하며, 이에 따라 컨버터의 부피 및 가격이 감소될 수 있게 된다.
결과적으로, 본 실시예의 DC-DC 컨버터(CVT)는 추가적인 소자 사용 없이 회로의 변형을 통해 종래의 DC-DC 컨버터의 높은 전압 스트레스 문제를 개선할 수 있고, 부피 및 가격을 절감할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.
CVT: 컨버터
Vs: 입력전압
CC1,CC2: 제1,2컨버팅 회로
QS1,QS2: 제1,2메인스위치
QD1,QD2: 제1,2정류스위치
L1,L2: 제1,2인덕터
C1,C2: 제1,2출력캐패시터

Claims (5)

  1. 제1노드와 입력전압의 정극성 단자 사이에 연결된 제1인덕터와, 상기 제1노드와 상기 입력전압의 부극성 단자 사이에 연결된 제1메인스위치와, 상기 입력전압의 정극성 단자에 제2전극이 연결된 제1출력캐패시터와, 상기 제1출력캐패시터의 제1전극과 상기 제1노드 사이에 연결된 제1정류스위치를 포함하는 제1컨버팅 회로와;
    제2노드와 입력전압의 부극성 단자 사이에 연결된 제2인덕터와, 상기 제2노드와 상기 입력전압의 정극성 단자 사이에 연결된 제2메인스위치와, 상기 입력전압의 부극성 단자에 제1전극이 연결된 제2출력캐패시터와, 상기 제2출력캐패시터의 제2전극과 상기 제2노드 사이에 연결된 제2정류스위치를 포함하는 제2컨버팅 회로
    를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1메인스위치와 제1정류스위치가 상보적으로 동작하고, 상기 제2메인스위치와 제2정류스위치가 상보적으로 동작하는
    DC-DC 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1출력캐패시터의 전압 V_C1은,
    V_C1 = D1*Vs/(1-D1)으로 표현되며,
    D1은 상기 제1메인스위치의 듀티 사이클이고, Vs는 상기 입력전압인
    DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2출력캐패시터의 전압 V_C2는,
    V_C2 = D2*Vs/(1-D2)으로 표현되며,
    D2는 상기 제2메인스위치의 듀티 사이클이고, Vs는 상기 입력전압인
    DC-DC 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1출력캐패시터의 제1전극과 상기 제2출력캐패시터의 제2전극 사이에 부하가 연결되는
    DC-DC 컨버터.
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B. N. Ch. V. Chakravarthi et al., A High Gain Novel Double-Boost Converter for DC Microgrid Applications, Journal of Circuits, Systems and Computers, vo.29, no.15 (2020) *
Carlos A. Villarreal-Hernandez et al., A Double Dual Boost Converter with Switching Ripple Cancellation for PEMFC Systems, Electronics, vo.9, is.10 (2020.09.29) *
Fellipe S. Garcia et al., Modeling and Control Design of the Interleaved Double Dual Boost Converter, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vo.60, is.8, pp.3283-3290 (2013.08) *

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