KR20060004281A - 직류-직류 컨버터의 구동회로 - Google Patents

직류-직류 컨버터의 구동회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류-직류 컨버터의 구동회로에 관한 것으로, 벅크 모드 제어신호와 부스트 모드 제어신호를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로에 있어서, 상기 벅크 모드 제어신호를 출력하는 벅크 모드 펄스폭 변조부; 상기 부스트 모드 제어신호를 출력하는 부스트 모드 펄스폭 변조부; 상기 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 상기 부스트 모드 펄스폭 변조부에서 출력되는 제어신호를 반전 신호 및 비반전 신호로 변환하여 직류-직류 컨버터로 출력하는 펄스 트랜스포머; 및 상기 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 상기 부스트 모드 펄스폭 변조부에서 출력되는 제어신호 중 하나를 선택하여 상기 펄스 트랜스포머로 연결시키는 릴레이를 포함하여 구성된다. 따라서, 비교적 가격이 저렴하면서도, 인쇄회로기판상에서 차지하는 공간을 감소시킬 수 있는 직류-직류 컨버터의 구동회로를 제공할 수 있다.
MOSFET, 컨버터, 펄스 트랜스포머, 릴레이

Description

직류-직류 컨버터의 구동회로{Driving circuit of DC-DC Convertor}
도 1은 종래의 구동 IC를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로,
도 2는 종래의 펄스 트랜스포머를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로,
도 3은 본 발명에 대한 차량용 직류-직류 컨버터의 전원회로,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 직류-직류 컨버터의 구동회로를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100: 펄스폭 변조부, 200: 펄스폭 변조부,
300: 제어부, 400: 릴레이,
500: 펄스 트랜스포머, Q1, Q2: MOSFET,
L1: 인덕터, C2: 캐패시터,
Vi: 입력단자, Vo: 출력단자.
본 발명은 직류-직류 컨버터의 구동회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직류-직류 컨버터의 전원 MOSFET 온/오프 제어를 위한 제어회로로써 릴레이와 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하여 구성한 직류-직류 컨버터의 구동회로에 관한 것이다.
일반전으로, 직류-직류(DC-DC) 컨버터는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(당업자)에게 잘 알려져 있다. 예를들어, 42V의 직류 전압 공급원으로부터 14V의 직류 전압을 필요로 하는 부하에 제공하기 위하여, 하나의 DC 전압 레벨을 다른 전압 레벨로 변환하는데 직류-직류 컨버터가 일반전으로 사용된다. 또한, MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor; 모스 전계 효과 트랜지스터)는 MOS 기술로 만들어진 단일 트랜지스터로서, 전도 채널이 산화물 층에 의해 게이트 단자로부터 절연되어 있다. 그러므로, MOSFET는 게이트에 역전압이 가해지더라도 전도하지 않는다. MOSFET는 바이폴라 트랜지스터보다 적은 전력으로 작동할 수 있으며, 전기 신호의 증폭에 널리 사용된다.
Buck(Step-down)(벅크) 모드는 주 스위치(Q)가 ON이 되면 입력으로부터 전류가 인턱터(L)를 통하여 출력으로 흐름과 동시에 인덕터(L)에 에너지가 축적되고, 주 스위치(Q)가 OFF 되면 인덕터(L)에 축적된 에너지가 환류 다이오드(D)를 통하여 출력측으로 방출하게 된다. 스위칭 주기 Ts를 한 주기로 하여 이 동작이 반복되면서 입력 전력을 원하는 출력 전력으로 변환하게 된다. Buck 모드는 출력 전압이 입력 전압보다 낮은 범위에서 나타나며, 이러한 이유로 "강압형 컨버터" 라고도 한다.
Boost(Step-up)(부스트) 모드는 주 스위치(Q)가 ON이 되면 인덕터 전류에 의해서 인턱터(L)에 에너지가 축적되고, 다음에 주 스위치(Q)가 차단되면 인덕터(L) 에 축적된 에너지가 환류 다이오드 D를 통하여 출력측으로 방출된다. Boost 모드는 출력 전압이 항상 입력 전압보다 높은 값으로 "승압형 컨버터" 라고도 한다.
도 1은 종래의 구동 IC를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로이다.
도 1을 참조하면, Buck 모드의 펄스폭 변조부(10), Boost 모드의 펄스폭 변조부(20), Buck 모드의 펄스폭 변조부와 연결되어 있는 구동 IC(12)(14), Boost 모드의 펄스폭 변조부(20)와 연결되어 있는 구동 IC(22)(24), MOSFET(S1)(S2), MOSFET(S1)(S2)와 각각의 모드에 해당하는 구동 IC와의 연결을 미도시된 제어부의 제어에 의하여 단속하는 스위치(SW1)(SW2), MOSFET(S1)의 드레인과 연결되어 있는 입력단자(In), MOSFET(S1)의 소스와 MOSFET(S2)의 게이트의 연결점과 출력단자(Out)사이에 있는 인덕터(L), 출력단자(Out)와 병렬로 연결되어 있는 평탄화용 커패시터(C)로 이루어져 있다.
도 2는 종래의 펄스 트랜스포머를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로이다.
도 2를 참조하면, Buck 모드의 펄스폭 변조부(10'), Boost 모드의 펄스폭 변조부(20'), Buck 모드의 펄스폭 변조부(10')에서 출력되는 신호를 변압해주는 펄스 트랜스포머(30), Boost 모드의 펄스폭 변조부(20')에서 출력되는 신호를 변압해주는 펄스 트랜스포머(40), MOSFET(S1)(S2), MOSFET(S1)(S2)와 각각의 모드에 해당하는 펄스 트랜스포머와의 연결을 단속하는 스위치(SW1')(SW2'), MOSFET(S1')의 드레인과 연결되어 있는 입력단자(In'), MOSFET(S1')의 소스와 MOSFET(S2')의 게이트의 연결점과 출력단자(Out')사이에 있는 인덕터(L'), 출력단자(Out')와 병렬로 연결되어 있는 평탄화용 커패시터(C')로 이루어져 있다.
그러나, 종래의 직류-직류 컨버터의 구동회로에서 MOSFET의 온/오프를 단속함에 있어서, 전용의 구동 IC를 이용하는 경우에는 구동 IC의 가격이 비싸고, 구동 IC에 전원공급을 위한 별도의 전원이 필요하다는 문제점이 있다. 또한, 두개의 펄스 트랜스포머를 이용하는 경우에는 MOSFET 구동을 위하여 가격이 저렴하다는 이점이 있으나, 인쇄회로기판에서 두개의 펄스 트랜스포머가 차지하는 공간이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 직류-직류 컨버터의 MOSFET 온/오프 제어를 위한 제어회로로써 릴레이와 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하여 구성한 직류-직류 컨버터의 구동회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 벅크 모드 제어신호와 부스트 모드 제어신호를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로에 있어서, 상기 벅크 모드 제어신호를 출력하는 벅크 모드 펄스폭 변조부; 상기 부스트 모드 제어신호를 출력하는 부스트 모드 펄스폭 변조부; 상기 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 상기 부스트 모드 펄스폭 변조부에서 출력되는 제어신호를 반전 신호 및 비반전 신호로 변환하여 직류-직류 컨버터로 출력하는 펄스 트랜스포머; 및 상기 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 상기 부스트 모드 펄스폭 변조부에서 출력되는 제어신호 중 하나를 선택하여 상기 펄스 트랜스포머로 연결시키는 릴레이를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 구동회로를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 차량용 직류-직류 컨버터의 전원회로이다.
도 3을 참조하면, 직류-직류 컨버터 회로는 입력전압이 Vin인 입력단자(Vi); 출력전압이 Vout인 출력단자(Vo); 입력단자(Vi)와 병렬로 접속된 캐패시터(C1); 출력단자(Vo)와 병렬로 접속된 평탄화용 캐패시터(C2); 입력단자(Vi)와 커패시터(C1)의 연결점과 드레인이 직렬로 접속되어 있는 MOSFET(Q1); MOSFET(Q1)의 소스와 출력단자(Vo) 사이에 연결되어 있는 인턱터(L1); 및 MOSFET(Q1)의 소스와 인턱터(L1)사이의 연결점에 드레인이 연결되고 접지에 소스가 연결되어 있는 MOSFET(Q2)로 이루어져 있다. 상기 MOSFET(Q1)(Q2)의 게이트(gate)는 MOSFET 제어회로(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 상기 MOSFET 제어회로로부터의 스위칭 신호 입력에 의하여 각각 온-오프가 제어되게 된다.
여기에서, 도 3이 Buck(벅크) 모드인 경우에는 주스위치는 MOSFET(Q1)이 되고, 환류 다이오드 역할을 하는 스위치는 MOSFET(Q2)가 된다.
동작원리는 우선 MOSFET(Q1)이 턴온되면 입력단자(Vi)로부터 입력전압 Vin(예를 들어, 42V)로부터 전류가 인덕터(L1)을 통하여 출력단자(Vo)에 출력전압 Vout(예를 들어, 14V)으로 흐름과 동시에 인덕터(L1)에는 에너지가 축적된다. 한편, MOSFET(Q1)이 턴오프되고 환류다이오드 역할을 하는 MOSFET(Q2)가 턴온되면 인덕터(L1)에 축적된 에너지가 MOSFET(Q2)를 통하여 출력단자(Vo)측으로 방출되게 된다. 이와 같이, 스위칭 주기(Ts)를 한 주기로 하여 이 동작이 반복되면서 입력전압(Vin)을 출력단자(Vo)측으로 전달하게 된다.
한편, 도 3이 Boost(부스트) 모드인 경우에는 주스위치는 MOSFET(Q2)이 되고, 궤환다이오드 역할을 하는 스위치는 MOSFET(Q1)이 된다.
동작원리는 우선 MOSFET(Q2)이 턴온되면 출력단자(Vo)로부터 출력전압 Vout(예를 들어, 14V)으로부터 전류가 인덕터(L1)를 통하여 축적된다. 한편, MOSFET(Q2)이 턴오프되고 궤환다이오드 역할을 하는 MOSFET(Q1)이 턴온되면 인덕터(L1)에 축적되었던 에너지를 MOSFET(Q1)을 통하여 입력단자(Vi) 측으로 전달하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 직류-직류 컨버터의 구동회로를 나타낸다.
도 4를 참조하면, Buck 모드의 펄스폭 변조부(100), Boost 모드의 펄스폭 변조부(200), 상기 각각의 펄스폭 변조부와 연결되어 있는 릴레이(400), 상기 릴레이(400)와 직렬로 1차측 코일이 연결되어 있고 2차측 코일은 두개로 분리되어 있는 펄스 트랜스포머(500), 상기 펄스 트랜스포머(500) 두개의 2차측 코일과 각각 연결되어 있는 MOSFET(Q1)(Q2), MOSFET(Q1)의 드레인과 연결되어 있는 입력단자(Vi), MOSFET(Q1)의 소스와 MOSFET(Q2)의 게이트의 연결점과 출력단자(Vo)사이에 있는 인덕터(L1), 출력단자(Vo)와 병렬로 연결되어 있는 평탄화용 커패시터(C2)로 이루어져 있다. 제어부(300)는 상기 릴레이(400)를 제어하게 된다.
이와같이, 구성된 직류-직류 컨버터 구동회로의 구체적인 작용, 효과를 살펴보기로 한다.
Buck 모드의 펄스폭 변조부(100)와 Boost 모드의 펄스폭 변조부(200)는 각각 출력단(A)와 출력단(B)를 가지고 있다. 상기 각각의 출력단(A)(B)에서는 제어신호를 인가받아 일정한 형태의 구형파를 출력하게 된다.
릴레이(400)는 신호입력단(410), 펄스폭 변조부(100)의 출력단(A)과의 연결단(420), 펄스폭 변조부(200)의 출력단(A)과의 연결단(430), 펄스폭 변조부(100)의 출력단(B)과의 연결단(440), 펄스폭 변조부(200)의 출력단(B)과의 연결단(450), 출력단(A)과 연결되는 스위치(460), 출력단(B)과 연결되는 스위치(470) 및 접지단(480)으로 이루어져 있다.
이와 같은, 릴레이(400)는 제어부(300)로부터 출력되는 Buck 모드 또는 Boost 모드를 선택하는 제어신호를 신호입력단(410)을 통하여 입력받아, 내부적인 자속의 변화를 통하여 스위치(460)(470)를 Buck 모드의 펄스폭 변조부(100)의 출력단(A)(B)에 각각 접속시키도록 하거나, Boost 모드의 펄스폭 변조부(200)의 출력단(A)(B)에 각각 접속시키도록 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서 릴레이는 내부적인 자속의 변화와 다른 형태로, Buck 모드의 펄스폭 변조부(100)의 출력단(A)(B)에 각각 접속시키도록 하거나, Boost 모드의 펄스폭 변조부(200)의 출력단(A)(B)에 각각 접속시키도록 할 수 있다.
Buck 모드의 펄스폭 변조부(100) 또는 Boost 모드의 펄스폭 변조부(200)의 출력단(A)(B)으로부터의 출력신호는 펄스 트랜스포머(500)에 인가된다.
펄스 트랜스포머(500)란 펄스 파형의 특징을 포착해서, 펄스 파형의 전송을 목적으로 설계 제조된 트랜스포머를 말한다. 본 발명의 일실시예에서, 펄스 트랜스 포머(500)는 1차측 코일(510), 2차측 비반전 코일(520) 과 2차측 반전 코일(530)로 이루어져 있다. 1차측 코일(510)과 2차측 비반전 코일(520) 및 2차측 반전 코일(530)은 소정의 권선비로 감겨져 있다.
1차측 코일(510)에서 1단자(511)는 스위치(460)와 연결되어 있고, 1차측 코일(510)에서 2단자(512)는 스위치(470)와 연결되어 있다.
2차측 비반전 코일(520)의 1단자(521)는 MOSFET(Q1)의 게이트에 연결되어 있고, 2차측 비반전 코일(520)의 2단자(522)는 MOSFET(Q1)의 소스에 연결되어 있다.
2차측 반전 코일(530)의 1단자(531)는 MOSFET(Q2)의 게이트에 연결되어 있고, 2차측 반전 코일(530)의 2단자(532)는 MOSFET(Q2)의 소스에 연결(접지)되어 있다.
본 발명의 일실시예에서, MOSFET(Q1)와 MOSFET(Q2)는 n-채널 증가형(enhancement) MOSFET로 구성되어 있다.
1차측 코일(510)에서의 신호는, 출력단(A)에서의 신호와 출력단(B)에서의 신호의 차가 된다.
2차측 비반전 코일(520)에서의 신호는, 1차측 코일(510)에서의 신호와 같은 비반전된 신호가 나타나게 된다. 2차측 반전 코일(530)에서의 신호는, 1차측 코일(510)에서의 신호가 반전된 신호가 나타나게 된다.
2차측 비반전 코일(520)과 게이트가 연결되어 있는 MOSFET(Q1)는 2차측 비반전 코일(520)을 통하여 출력되는 신호를 입력받는데, 하이(high)신호가 입력되는 경우에 턴온되게 된다. MOSFET(Q1)의 드레인은 입력단자(Vi)와 연결되어 있다.
2차측 반전 코일(530)과 게이트가 연결되어 있는 MOSFET(Q2)는 2차측 반전 코일(530)을 통하여 출력되는 신호를 입력받는데, 하이(high)신호가 입력되는 경우에 턴온되게 된다. MOSFET(Q2)의 소스는 접지되어 있다.
특허청구범위에서, MOSFET(Q1)는 입력측 MOSFET라 하고, MOSFET(Q2)는 접지측 MOSFET라 한다. MOSFET(Q1)와 MOSFET(Q2)는 동시에 온상태에 되지 않도록 제어 된다. 즉, MOSFET(Q1)과 MOSFET(Q2)중에서 어느 하나가 온상태로 있도록 제어하게 된다. 또한, 나아가 MOSFET(Q1)와 MOSFET(Q2)가 동시에 일정 시간동안 오프되도록 할 수 있다.
이와 같이, MOSFET(Q1)와 MOSFET(Q2)의 온 또는 오프상태를 제어함에 따라서, 도 3에서 설명한 바와 같은 직류-직류 컨버터를 통하여 입력 직류전압을 소정의 출력 직류전압으로 변환할 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에서, 제어신호는 도 5에서 보이는 바와 같이 도시되어 있으나, 다른 여러 형태의 제어신호를 인가하여 상기와 같은 직류-직류 컨버터의 모으에프이티를 구동할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명은 직류-직류 컨버터의 구동회로에 관한 것으로 다음과 같은 효과가 있다.
직류-직류 컨버터의 MOSFET 온/오프를 구동함에 있어서, 릴레이와 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하여 이용함으로써 비교적 가격이 저렴하면서도, 인쇄회로기판상에서 차지하는 공간을 감소시킬 수 있는 직류-직류 컨버터의 구동회로를 제공할 수 있다. 또한, 구동 IC를 이용하는 경우에는 구동 IC를 위한 별도의 전원이 필요하였으나, 릴레이와 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하여 이용하는 경우에는 별도의 전원이 필요없는바 회로구성상의 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 벅크 모드 제어신호와 부스트 모드 제어신호를 이용한 직류-직류 컨버터의 구동회로에 있어서,
    상기 벅크 모드 제어신호를 출력하는 벅크 모드 펄스폭 변조부;
    상기 부스트 모드 제어신호를 출력하는 부스트 모드 펄스폭 변조부;
    상기 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 상기 부스트 모드 펄스폭 변조부에서 출력되는 제어신호를 반전 신호 및 비반전 신호로 변환하여 직류-직류 컨버터로 출력하는 펄스 트랜스포머; 및
    상기 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 상기 부스트 모드 펄스폭 변조부에서 출력되는 제어신호 중 하나를 선택하여 상기 펄스 트랜스포머로 연결시키는 릴레이를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 구동회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류-직류 컨버터는 입력측 MOSFET와 접지측 MOSFET를 포함하여 이루어져, 상기 입력측 MOSFET에 연결된 입력단자의 입력 직류전압을 소정의 출력 직류전압으로 변환하여 출력단자로 출력하도록 하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 구동회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 트랜스포머에서 출력된 신호 중에서 비반적 신호는 상기 입력측 MOSFET로 입력되고, 반전 신호는 상기 접지측 MOSFET으로 입력되는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 구동회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 릴레이는 벅크 모드 펄스폭 변조부 또는 부스트 모드 펄스폭 변조부를 선택하는 제어신호에 의하여, 상기 벅크 모드 펄스폭 변조부와 부스트 모드 펄스폭 변조부의 출력단중 하나를 선택적으로 스위칭하여 상기 펄스 트랜스포머와 연결하는 것을 특징으로 하는 직류-직류 컨버터의 구동회로.
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