KR20120028091A

KR20120028091A - 부스트 컨버터

Info

Publication number: KR20120028091A
Application number: KR1020100090082A
Authority: KR
Inventors: 김효영; 김종락; 오성훈; 김진환
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-22
Also published as: CN102403906B; US20120063172A1; CN102403906A; KR101161981B1; US8854837B2

Abstract

본 발명은 각 소자의 내압을 저감시키고 특히 출력 다이오드에 인가되는 전압을 입력 전압과 출력 전압의 차로 클램핑하여 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 제2 권선으로부터 출력되는 전원을 정류하는 출력 다이오드를 구비하여 출력 전원을 안정화시키는 안정화부와, 상기 스위칭부의 스위칭 온 시에 상기 출력 다이오드에 인가되는 전압을 상기 입력 전원과 출력 전원의 차로 클램핑하는 클램프부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터를 제공한다.

Description

부스트 컨버터{BOOST CONVERTER}

본 발명은 부스트 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 소자의 내압을 저감시키고 특히 출력 다이오드에 인가되는 전압을 입력 전압과 출력 전압의 차로 클램핑하여 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, 도 1에 도시된 바와 같은 탭 인덕터(tap inductor)를 채용한 부스트 컨버터(10)가 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 각 소자의 내압을 저감시키고 특히 출력 다이오드에 인가되는 전압을 입력 전압과 출력 전압의 차로 클램핑하여 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 제2 권선으로부터 출력되는 전원을 정류하는 출력 다이오드를 구비하여 출력 전원을 안정화시키는 안정화부와, 상기 스위칭부의 스위칭 온 시에 상기 출력 다이오드에 인가되는 전압을 상기 입력 전원과 출력 전원의 차로 클램핑하는 클램프부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터를 제공할 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 인덕턴스 성분과, 상기 제1 권선의 일단 및 타단에 병렬 연결되는 자기 인덕턴스 성분을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭부는 상기 제1 권선의 타단 및 상기 제2 권선의 일단이 연결된 접합점과 접지사이에 연결되는 스위치를 포함하고, 상기 클램프부는 상기 입력 전원단의 일단에 연결되는 애노드와 상기 출력 다이오드의 일단에 연결되는 캐소드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되는 일단 및 상기 제2 권선의 타단에 연결된 타단을 갖는 제1 캐패시터를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 출력 다이오드의 일단은 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제1 캐패시터의 일단에 연결되고, 상기 안정화부는 상기 출력 다이오드의 타단과 접지에 연결되는 출력 캐패시터를 더 포함할 수 있다.

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

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 캐패시터는 상기 스위치의 스위칭 온 되는 동안 상기 제2 권선으로부터의 전압과 입력 전압을 충전하고, 상기 스위치의 스위칭 오프시에 충전된 전압을 상기 안정화부로 전달할 수 있다.

본 발명에 따르면, 각 소자의 내압을 저감시키고 특히 출력 다이오드에 인가되는 전압을 입력 전압과 출력 전압의 차로 클램핑하여 별도의 손실 스너버 채용없이 소자의 내압을 저감시킬 수 있으며, 기존의 탭 인덕터 부스트 컨버터에 대비하여 동일한 출력을 내기 위한 듀티비를 감소할 수 있어 전력 변환 효율이 증가하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 부스트 컨버터의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 부스트 컨버터의 개략적인 구성도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 부스트 컨버터의 개략적인 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 부스트 컨버터(100)는 트랜스포머(110), 스위칭부(120), 안정화부(130) 및 클램프부(140)를 포함할 수 있다.

트랜스포머(110)는 제1 권선(Np)과 제2 권선(Ns)를 포함할 수 있고, 누설 인덕턴스 성분(Lk)와 자화 인덕턴스 성분(Lm)을 더 포함할 수 있다.

제1 권선(Np)와 제2 권선(Ns)는 각각 사전에 설정된 권선수를 갖고, 제1 권선(Np)와 제2 권선(Ns)는 서로 전자기 결합되어 사전에 설정된 권선비(N)을 형성할 수 있다.

스위치부(120)는 적어도 하나의 스위치(M)를 포함할 수 있으며, 스위칭 온 및 오프하여 트랜스포머(110)의 제1 권선(Np)에서 제2 권선(Ns)으로 전원 전달을 제어할 수 있다.

안정화부(130)는 출력 다이오드(D3)와 출력 캐패시터(Co)를 포함할 수 있으며, 출력되는 전원을 안정화시킬 수 있다.

클램프부(140)는 제1 다이오드(D2)와 제1 캐패시터(Cs)를 포함할 수 있으며, 스위치부(120)의 스위치(M)의 스위칭 온시에 출력 다이오드(D3)에 인가되는 전압을 입력 전압과 출력 전압의 차로 클램핑할 수 있다. 한편, 제1 캐패시터(Cs)는 스위치(M)의 스위칭 온 되는 동안 제2 권선(Ns)으로부터의 전압과 입력 전압(Vin)을 충전하고, 스위치(M)의 스위칭 오프시에 충전된 전압을 출력 다이오드(D3)에 전달할 수 있다.

도 2에 도시된 각 구성 요소의 연결 관계를 보다 상세하게 설명하면, 트랜스포머(110)의 제1 권선(Np)의 타단은 스위칭부(120)의 스위치(M)의 일단에 연결될 수 있다. 스위치(M)의 타단은 접지에 연결될 수 있고, 제1 다이오드(D2)의 애노드는 상기 입력 전원단의 일단에 연결되고 캐소드는 제1 캐패시터(Cs)의 타단에 연결될 수 있으며, 출력 다이오드(D3)의 애노드는 제1 캐패시터(Cs)의 타단에 연결되고 캐소드는 캐패시터(Co)의 일단에 연결될 수 있고, 캐패시터(Co)의 타단은 접지에 연결될 수 있다. 제1 캐패시터(Cs)의 일단은 제2 권선(Ns)의 타단에 연결될 수 있고, 제2 권선(Ns)의 일단은 스위칭부(120)의 스위치(M)의 일단에 연결될 수 있다. 제1 권선(Np)의 일단은 누설 인덕턴스 성분(Lk)을 통해 입력 전원(Vin)이 입력되는 입력 전원단의 일단에 연결될 수 있고, 제1 권선(Np)에 병렬 연결되는 자화 인덕턴스 성분이 형성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 스위치(M)의 스위칭 온 시의 전류 흐름을 점선으로 표시한 식별부호 ①로 나타내고, 스위칭 오프시의 전류 흐름을 식별부호 ①과 다른 점선으로 표시한 식별부호 ②로 나타낼 수 있다.

스위칭 온 시의 전류 흐름은 두개의 경로로 볼 수 있는데, 하나는 입력 전원(Vin)-제1 권선(Ns)-스위치(M)로 이루어지는 경로와 다른 하나는 제1 다이오드(D2)-제1 캐패시터(Cs)-제2 권선(Ns)-스위치(M)-입력전원(Vin)으로 이루어지는 경로일 수 있다.

스위칭 오프시에는 입력 전원(Vin)-제1 권선(Np)-제2 권선(Ns)-제1 캐패시터(Cs)-출력 다이오드(D3)로 이루어지는 경로로 전류가 흐를 수 있다.

스위치(M)의 스위칭 온시에는 입력 전원(Vin)은 트랜스포머(110)의 제1 권선(Np)에 인가되어 제1 권선(Np)의 전압(Vpri)는 입력 전원(Vin)이 되고, 제2 권선(Ns)는 제1 권선(Np)과의 권선비(n)에 따른 입력 전원(Vin)을 링크 캐패시터(C_Link)에 전달하여, 링크 캐패시터(C_Link)의 전압(V_{C_Link})는 제2 권선(Ns)의 전압(Vsec)와 같으며 이는 입력 전원(Vin)과 권선비(n)에 따른 입력 전원(Vin)의 합과 같다.

이에 따라, 스위치(M)가 스위칭 온되는 동안에는 제1 권선(Np)에 입력 전원(Vin)의 전압 레벨이 인가될 수 있고, 스위칭 오프되는 동안에는 제1 권선(Np)에 인가되는 전압(Vpri)은 다음의 수식1과 같을 수 있다.

(수식1)

여기서, n은 권선비를 의미하고, Vc는 제1 캐패시터(Cs)에 인가되는 전압이고, Vo는 출력 전원의 전압 레벨을 의미한다.

이를 제2 권선(Ns)에 인가되는 전압으로 유도하면, 다음의 수식2가 될 수 있다.

(수식2)

여기서, D는 스위칭 듀티를 의미한다.

이를 출력 전원(Vo)로 정리하면, 다음의 수식3이 될 수 있다.

(수식3)

상술한 바와 같은 수식에 따라 종래의 탭 인덕터 부스트 컨버터와 본 발명의 부스트 컨버터의 전기적 특징으로 표를 참조하여 설명하도록 한다.

(표)

상기한 표를 참조하면, 출력 전압을 120V로 설정하고, 권선비를 2로 설정할 경우, 도 1에 도시된 종래의 탭 인덕터 부스트 컨버터는 듀티 0.57에 스위치(M)에 인가되는 전압(Vds)가 56V이고, 출력 다이오드(D3)에는 128V가 인가될 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 부스트 컨버터는 동일한 출력 전압과 권선비를 가질 경우 듀티 0.25에 스위치(M)에 인가되는 전압(Vds)가 32V이고, 제1 다이오드(D2)에 인가되는 전압(VD2)이 96V이고, 제1 캐패시터(Cs)에 인가되는 전압(Vc)이72V이며, 출력 다이오드(D3)에는 128V가 인가될 수 있어서, 종래의 탭 인덕터 부스트 컨버터에 대비하여 동일 출력 전압의 경우 듀티비를 저감하고, 스위치(M) 및 출력 다이오드(D3)에 인가되는 전압 스트레스를 저감시킬 수 있고 전원 변환 효율을 증대할 ㅅ수 있으며, 동일한 듀티일 경우를 고려하면 종래의 탭 인덕터 부스트 컨버터에 대비하여 높은 승압비를 가질 수 있는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각 소자의 내압을 저감시키고 특히 출력 다이오드에 인가되는 전압을 입력 전압과 출력 전압의 차로 클램핑하여 별도의 손실 스너버 채용없이 소자의 내압을 저감시킬 수 있으며, 기존의 탭 인덕터 부스트 컨버터에 대비하여 동일한 출력을 내기 위한 듀티비를 감소할 수 있어 전력 변환 효율이 증가할 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...안정화부
140...클램프부

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 제2 권선으로부터 출력되는 전원을 정류하는 출력 다이오드를 구비하여 출력 전원을 안정화시키는 안정화부; 및
상기 스위칭부의 스위칭 온 시에 상기 출력 다이오드에 인가되는 전압을 상기 입력 전원과 출력 전원의 차로 클램핑하는 클램프부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 트랜스포머는 상기 제1 권선의 일단과 상기 입력 전원이 전달되는 입력 전원단의 일단 사이에 직렬 연결되는 누설 인덕턴스 성분과, 상기 제1 권선의 일단 및 타단에 병렬 연결되는 자기 인덕턴스 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제2항에 있어서,
상기 스위칭부는 상기 제1 권선의 타단 및 상기 제2 권선의 일단이 연결된 접합점과 접지사이에 연결되는 스위치를 포함하고,
상기 클램프부는 상기 입력 전원단의 일단에 연결되는 애노드와 상기 출력 다이오드의 일단에 연결되는 캐소드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결되는 일단 및 상기 제2 권선의 타단에 연결된 타단을 갖는 제1 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제3항에 있어서,
상기 출력 다이오드의 일단은 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제1 캐패시터의 일단에 연결되고,
상기 안정화부는 상기 출력 다이오드의 타단과 접지에 연결되는 출력 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제1 권선과 상기 제2 권선은 권선 방향이 동일한 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.
제3항에 있어서,
상기 제1 캐패시터는 상기 스위치의 스위칭 온 되는 동안 상기 제2 권선으로부터의 전압과 입력 전압을 충전하고, 상기 스위치의 스위칭 오프시에 충전된 전압을 상기 안정화부로 전달하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터.