KR20120010635A

KR20120010635A - 부스트 컨버터

Info

Publication number: KR20120010635A
Application number: KR1020100070979A
Authority: KR
Inventors: 한상규; 홍성수; 노정욱; 김진환; 김종락; 유영종
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-06
Also published as: KR101141400B1

Abstract

본 발명은 소자에 전달되는 전압을 전원 변환 중의 충전 전압 또는 출력 전압으로 클램프하여 별도의 손실 스너버 채용없이 소자의 내압을 저감시키는 부스트 컨버터에 관한 것으로, 입력 전원을 전달받는 제1 권선과, 상기 제1 권선과 전자기 결합하여 사전에 설정된 권선비를 갖는 제2 권선을 구비하는 트랜스포머와, 사전에 설정된 듀티에 따라 상기 제1 권선에 전달되는 상기 입력 전원을 스위칭 온 오프하는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 스위칭부에 인가되는 전압을 출력측에 전달되는 링크 전압으로 클램프하고, 상기 스위칭부의 스위칭 온 시에 상기 제2 권선에 유기되는 전원을 충전하는 제1 캐패시터를 갖는 클램프부와, 상기 클램프부로부터 출력되는 전원을 안정화시키는 안정화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터를 제공한다.

Description

부스트 컨버터{BOOST CONVERTER}

본 발명은 부스트 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소자에 전달되는 전압을 전원 변환 중의 충전 전압 또는 출력 전압으로 클램프하여 별도의 손실 스너버 채용없이 소자의 내압을 저감시키는 부스트 컨버터에 관한 것이다.

최근 들어, 연료전지나 배터리 기반의 전기 구동 시스템, 반도체 제조장비, 대형 디스플레이 장치, 초음파 및 엑스레이(X-ray) 장치 등을 위해 낮은 DC 전압을 승압할 수 있는 다양한 전원 장치들이 연구 개발되고 있다.

이러한 전원 장치로는 부스트 컨버터를 대표적인 전원 장치로 볼 수 있다.

일반적인 부스트 컨버터로는 높은 승압비를 획득하기 곤란하여, 기존에는 복수의 부스트 컨버터를 직렬로 연결하여 높은 승압비를 얻었으나 이는 전력 변환 효율의 감소와 사용 부품의 증가로 인한 가격 상승의 문제점이 있다.

이를 해소하기 위해, 탭 인덕터(tap inductor)를 채용한 부스트 컨버터가 개시되었으나, 전원 변환 스위칭시에 발생되는 서지(surge) 형태의 전압을 저감하기 위한 손실 스너버(subber)의 채용이 필수적이다.

그러나, 이 또한 손실 스너버에 의한 전력 변환 효율의 감소와 서지 형태의 전압이 여전히 발생하기 때문에 내압이 높은 소자를 채용하여야하여 제조 비용이 상승하는 문제점이 여전히 남아 있다.

본 발명의 목적은 소자에 전달되는 전압을 전원 변환 중의 충전 전압 또는 출력 전압으로 클램프하여 별도의 손실 스너버 채용없이 소자의 내압을 저감시키는 부스트 컨버터를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 전원을 전달받는 제1 권선과, 상기 제1 권선과 전자기 결합하여 사전에 설정된 권선비를 갖는 제2 권선을 구비하는 트랜스포머와, 사전에 설정된 듀티에 따라 상기 제1 권선에 전달되는 상기 입력 전원을 스위칭 온 오프하는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 스위칭부에 인가되는 전압을 출력측에 전달되는 링크 전압으로 클램프하고, 상기 스위칭부의 스위칭 온 시에 상기 제2 권선에 유기되는 전원을 충전하는 제1 캐패시터를 갖는 클램프부와, 상기 클램프부로부터 출력되는 전원을 안정화시키는 안정화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제2 권선에 유기되는 전압 레벨은 상기 링크 캐패시터에 충전되는 전압 레벨보다 높을 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 트랜스포머는 상기 제1 권선의 일단과 상기 입력 전원이 전달되는 입력 전원단의 일단 사이에 직렬 연결되는 누설 인덕터와, 상기 제1 권선의 일단 및 타단에 병렬 연결되는 자기 인덕터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭부는 상기 제1 권선의 타단과 접지사이에 연결되는 스위치를 포함하고, 상기 클램프부는 상기 제1 권선의 타단에 연결되는 애노드와 상기 제2 권선의 일단에 연결되는 캐소드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결되어 상기 링크 전압을 충전하는 링크 캐패시터와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되는 애노드와 상기 안정화부에 연결되는 캐소드를 갖는 제2 다이오드를 더 포함하고, 상기 제1 캐패시터는 상기 제2 권선의 타단과 상기 제2 다이오드의 캐소드 사이에 연결될 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 안정화부는 상기 제2 권선의 타단에 연결된 애노드를 갖는 제3 다이오드와, 상기 제3 다이오드의 캐소드와 접지에 연결되는 제2 캐패시터를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선은 권선 방향이 동일할 수 있다.

본 발명에 따르면, 소자에 전달되는 전압을 전원 변환 중의 충전 전압 또는 출력 전압으로 클램프하여 별도의 손실 스너버 채용없이 소자의 내압을 저감시켜, 손실 스너버에 의한 전력 변환 효율의 감소를 방지하고, 내압이 낮은 소자를 채용할 수 있어 제조 비용이 저감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 부스트 컨버터의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 부스트 컨버터의 주요 부분의 신호 파형도.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 신호 파형에 따른 전류 흐름도.
도 4a는 스위칭 온 구간에서의 제1 다이오드의 전류 파형이고, 도 4b는 스위칭 오프 구간에서의 제2 다이오드의 전류 파형.
도 5는 본 발명의 부스트 컨버터의 모의 실험 그래프.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 부스트 컨버터의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 부스트 컨버터(100)는 트랜스포머(110), 스위칭부(120), 클램프부(130) 및 안정화부(140)를 더 포함할 수 있다.

트랜스포머(110)는 제1 권선(Np)과 제2 권선(Ns)를 구비할 수 있고, 제1 권선(Np)과 제2 권선(Ns)은 서로 전자기 결합하여 사전에 설정된 권선비를 형성할 수 있다.

스위칭부(120)는 사전에 설정된 듀티에 따라 제1 권선(Np)에 전달되는 입력 전원을 스위칭하는 스위치(M)를 구비할 수 있다.

클램프부(130)는 전원을 전달하는 제1 및 제2 다이오드(D1,D2), 링크 캐패시터(C_Link)와, 제1 캐패시터(Cc)를 구비할 수 있다.

안정화부(140)는 출력되는 전원을 안정화시키는 제3 다이오드(D3)와 캐패시터(Co)를 포함할 수 있다.

트랜스포머(110)의 제1 권선(Np)의 일단은 입력 전원(Vin)이 입력되는 입력 전원단의 일단에 연결될 수 있고, 제1 권선(Np)의 타단은 스위칭부(120)의 스위치(M)의 일단에 연결될 수 있다. 스위치(M)의 타단은 접지에 연결될 수 있고, 링크 캐패시터(C_Link)의 타단은 접지에 연결될 수 있으며, 제1 다이오드(D1)의 애노드는 스위치(M)의 일단에 연결되고 캐소드는 링크 캐패시터(C_Link)의 일단에 연결될 수 있다. 제2 권선(Ns)의 일단은 링크 캐패시터(C_Link)의 일단에 연결될 수 있고, 제2 다이오드(D2)의 애노드는 링크 캐패시터(C_Link)의 일단에 연결되고 캐소드는 제1 캐패시터(Cc)의 일단에 연결될 수 있고, 제1 캐패시터(Cc)의 타단은 제2 권선(Ns)의 타단에 연결될 수 있다. 제3 다이오드(D3)의 애노드는 제2 다이오드(D2)의 캐소드에 연결되고 제3 다이오드(D3)의 캐소드는 캐패시터(Co)의 일단에 연결될 수 있고, 캐패시터(Co)의 타단은 접지에 연결될 수 있다.

도 2는 본 발명의 부스트 컨버터의 주요 부분의 신호 파형도이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 신호 파형에 따른 전류 흐름도이다.

설명에 앞서 해석의 편의를 위해 다음의 가정을 둔다. 누설 인덕터(Llk)는 자화 인덕터(Lm)에 비해 매우 작고, 자화 인덕터(Lm)은 매우커서 자화 인덕터의 전류 리플은 무시할 만큼 작으며, 링크 캐패시터의 전압(V_link), 제1 캐패시터의 전압(Vc) 및 캐패시터의 전압(Vo)은 일정하고, 모든 동작은 정상 상태이며 도시된 부분을 제외한 모든 기생 성분은 없는 것으로 가정한다.

도 1과 함께, 도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 먼저, 시간 t0~t1의 모드1에서의 동작은 스위치(M)이 턴온 하면 트래스포머의 권선 시작점에 양의 전압이 인가되므로, 제2 다이오드(D2)는 턴온 되고, 제1 다이오드(D1)에는 링크 캐패시터의 전압(V_link)이 인가되며, 제3 다이오드(D3)에는 캐패시터의 전압(Vo)과 링크 캐패시터의 전압(V_link)의 차(Vo-V_link)가 인가되어 제1 다이오드(D1)와 제3 다이오드(D3)는 모두 턴 오프되므로 도 3a와 같은 도통 경로가 형성된다. 따라서, 자화 인덕터(Lm)에는 제1 캐패시터(Cc)의 전압을 권선비로 나눈 전압(Vc/N)이 인가되고, 누설 인덕터(Llk)에는 입력전원(Vin)과 자화 인덕터(Lm)에 인가된 전압(Vc/N)의 차(Vin-Vc/N)가 인가되어 (Vin-Vc/N)/Lm의 기울기로 전류가 상승한다. 이때, 누설 인덕터(Llk)의 인가되는 전류(i_in)와 자화 인덕터(Lm)의 전류(i_Lm)의 차이가 트랜스포머(110)를 통해 2차측으로 전달되어 제1 캐패시터(Cc)에 충전된다.

다음으로, 시간 t1~t2의 모드2에서의 동작은 스위치(M)이 턴 오프하면, 도 3b와 같이 트랜스포머(110)의 누설 인덕터(Llk)에 입력되는 전류(i_in)가 제1 다이오드(D1)을 따라 링크 캐패시터(C_link)로 흐르므로, 트랜스포머(110)의 권선의 시작점에 음전압이 인가되어 제2 다이오드(D2)는 턴 오프된다, 이때 자화 인덕터(Lm)의 전류(i_LM)는 트랜스포머(110)를 통해 2차측으로 전달되어 제3 다이오드(D3)를 통해 출력측으로 흐르게 되므로, 자화 인덕터(Lm)에는 -(Vo-Vc-V_link)/N의 전압이 인가되고, 누설 인덕터(Llk)에는 -Vin-V_link+(Vo-Vc-V_link)/N의 큰 전압이 인가된다. 따라서, 누설 인덕터(Llk)의 전류(i_lk)는 -Vin-V_link+(Vo-Vc-Vlink)/N/Lm의 기울기로 급격히 감소한 후 자화 인덕터의 전류(i_Lm)와 동일해 지고나면 링크 캐패시터(C_link)의 전하 평형이 이루어질 때까지 서서히 감소한다. 이때, 트랜스포머(110)의 제2 권선(Ns)의 전류와 동일한 제3 다이오드(D3)의 전류(i_D3)는 자화 인덕터(Lm)의 전류(iLM)와 누설 인덕터(Llk)의 전류(i_lk)의 차이만큼 흐르게 된다. 상술한 모드 2는 누설 인덕터(Llk)의 전류(i_lk)가 '0'이 될 때까지 지속된다.

마지막으로 시간 t2~t3의 모드3에서의 동작은 누설 인덕터(Llk)의 전류(i_lk)가 '0'가 되고 나면 제1 다이오드(D1)이 오프되고, 자화 인덕터(Lm)의 전류(iLm)가 모두 트랜스포머(110)를 통해 출력측으로 전달된다.

상술한 모드1 내지 모드3의 동작이 반복된다.

상술한 링크 캐패시터(C_link)의 전하 평형에 관하여 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 4a는 스위칭 온 구간에서의 제1 다이오드의 전류 파형이고, 도 4b는 스위칭 오프 구간에서의 제2 다이오드의 전류 파형이다.

링크 캐패시터(C_link)의 평균 전류는 전하 평형 원리에 의해 '0'이 되어야 하므로, 다음과 같은 수학식1이 성립한다.

<수학식1>

따라서, 제1 다이오드(D1)의 평균 전류(<i_D1>)은 출력 전류(i_o)와 동일해야 하므로 T_fall은 다음의 수학식2로부터 유도될 수 있다.

<수학식2>

여기서, 트랜스포머(110)의 제2 권선(Ns)에 제1 캐패시터(Cc)가 연결되어 있어 전류(ic)의 평균이 '0'이 되므로 자화 인덕터(Lm)의 평균 전류(iLm)는 다음의 수학식3과 같다.

<수학식3>

따라서, 상기한 수학식2 및 3에 의해 출력 전압은 다음의 수학식4와 같다.

<수학식4>

한편, 도 4b와 같이 제2 다이오드(D2)에는 스위치(M)이 턴 온되었을 때 누설 인덕터(Llk)의 전류(i_lk)와 자화 인덕터(Lm)의 전류(i_Lm)의 차이가 트랜스포머(110)를 통해 2차측으로 전달되므로 도 4b에서의 전류 피크치(i_peak)는 다음의 수학식5와 같다.

<수학식5>

또한, 제2 다이오드(D2)의 평균 전류(<i_D2>)는 출력 전류(io)와 동일해야 하므로 다음의 수학식6을 만족하여야 된다.

<수학식6>

상술한 수학식4, 수학식5 및 수학식6을 이용하여 다음의 수학식7과 같이 제1 캐패시터(Cc)의 전압(Vc)를 유도할 수 있다.

<수학식7>

여기서 자화 인덕터(Lm)의 전압 평균이 '0'이 되어야 하므로 다음의 수학식8이 만족되어야 한다.

<수학식8>

따라서, 상기한 수학식7 및 8로부터 링크 캐패시터(C_link)의 전압(V_link)는 다음의 수학식9와 같다.

<수학식9>

도 5는 본 발명의 부스트 컨버터의 모의 실험 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 부스트 컨버터는 상기한 바와 같이, 트랜스포머의 인덕터 성분과 기생 캐패시터의 공진에 관계 없이 각 소자의 전압은 입출력 전압에 의해 클램핑 괴오 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

100...부스트 컨버터
110...트랜스포머
120...스위칭부
130...클램프부
140...안정화부

Claims

입력 전원을 전달받는 제1 권선과, 상기 제1 권선과 전자기 결합하여 사전에 설정된 권선비를 갖는 제2 권선을 구비하는 트랜스포머;
사전에 설정된 듀티에 따라 상기 제1 권선에 전달되는 상기 입력 전원을 스위칭 온 오프하는 스위칭부;
상기 스위칭부의 스위칭에 의해 상기 스위칭부에 인가되는 전압을 출력측에 전달되는 링크 전압으로 클램프하고, 상기 스위칭부의 스위칭 온 시에 상기 제2 권선에 유기되는 전원을 충전하는 제1 캐패시터를 갖는 클램프부; 및
상기 클램프부로부터 출력되는 전원을 안정화시키는 안정화부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제2 권선에 유기되는 전압 레벨은 상기 링크 캐패시터에 충전되는 전압 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 트랜스포머는 상기 제1 권선의 일단과 상기 입력 전원이 전달되는 입력 전원단의 일단 사이에 직렬 연결되는 누설 인덕터와, 상기 제1 권선의 일단 및 타단에 병렬 연결되는 자기 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제3항에 있어서,
상기 스위칭부는 상기 제1 권선의 타단과 접지사이에 연결되는 스위치를 포함하고,
상기 클램프부는 상기 제1 권선의 타단에 연결되는 애노드와 상기 제2 권선의 일단에 연결되는 캐소드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결되어 상기 링크 전압을 충전하는 링크 캐패시터와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되는 애노드와 상기 안정화부에 연결되는 캐소드를 갖는 제2 다이오드를 더 포함하고,
상기 제1 캐패시터는 상기 제2 권선의 타단과 상기 제2 다이오드의 캐소드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제4항에 있어서,
상기 안정화부는 상기 제2 권선의 타단에 연결된 애노드를 갖는 제3 다이오드와, 상기 제3 다이오드의 캐소드와 접지에 연결되는 제2 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제1 권선과 상기 제2 권선은 권선 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제6항에 있어서,
상기 제2 권선에 유기되는 전압 레벨은 상기 링크 캐패시터에 충전되는 전압 레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제6항에 있어서,
상기 트랜스포머는 상기 제1 권선의 일단과 상기 입력 전원이 전달되는 입력 전원단의 일단 사이에 직렬 연결되는 누설 인덕터와, 상기 제1 권선의 일단 및 타단에 병렬 연결되는 자기 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제8항에 있어서,
상기 스위칭부는 상기 제1 권선의 타단과 접지사이에 연결되는 스위치를 포함하고,
상기 클램프부는 상기 제1 권선의 타단에 연결되는 애노드와 상기 제2 권선의 일단에 연결되는 캐소드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 접지 사이에 연결되어 상기 링크 전압을 충전하는 링크 캐패시터와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 연결되는 애노드와 상기 안정화부에 연결되는 캐소드를 갖는 제2 다이오드를 더 포함하고,
상기 제1 캐패시터는 상기 제2 권선의 타단과 상기 제2 다이오드의 캐소드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 안정화부는 상기 제2 권선의 타단에 연결된 애노드를 갖는 제3 다이오드와, 상기 제3 다이오드의 캐소드와 접지에 연결되는 제2 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.