KR20130032585A - 효율이 높은 벅―부스트 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위칭 커패시터의 개념을 적용하여 벅 모드와 부스트 모드에서 서로다른 커패시터와 서로 다른 인덕터를 선택하여 각 모드가 실현되도록 함으로써 효율을 높일 수 있는 직류전력변환용 벅-부스트 회로에 관한 것이다.

Description

효율이 높은 벅―부스트 회로{Buck-Boost Circuit for High Efficiency}

본 발명은 벅-부스트 회로에 관한 것으로서, 특히, 효율이 높은 벅-부스트 회로에 관한 것이다.

최근에 다양한 형태의 에너지를 복합적이고 효과적으로 활용하기 위한 시스템에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 무정전 전원시스템, 하이브리드 전기자동차를 비롯한 자동차 전원 그리고 연료전지와 태양전지 등 대체에너지를 이용한 분산전원시스템(Distributed Generation System)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 시스템은 다양한 분산전원으로부터 공급되는 에너지를 효과적으로 활용하기 위하여 DC 버스와 저장장치 사이에 에너지를 주고받을 수 있는 충, 방전제어시스템, 또는 자동차와 같은 독립전원 시스템에서 부하 증가에 따른 승압 요구에 따라 사용되고 있는 이중전원시스템(Dual Voltage System) 등의 제어가 핵심이다. 따라서 이들 서로 다른 직류 전원사이에 에너지를 주고받으면서 이의 제어가 가능한 양방향 직류전력변환기가 필요하고, 이들 시스템의 에너지원이 한정적이기 때문에 이의 변환 효율은 매우 중요하다.

일반적으로 직류전력제어에 사용되고 있는 기존의 직류전력변환기는 도 1과 같이 출력전압이 강압 제어되는 벅 컨버터(Buck Converter), 도 2와 같이 승압 제어되는 부스트 컨버터(Boost Converter)가 사용된다.

강압형 컨버터인 벅 컨버터(buck converter)는 입력단과 출력단이 접지를 공유하며, 일정한 주기로 온/오프를 반복하는 스위칭 소자(S)를 이용하여 입력 전압을 공급받았다가 끊었다가 하는 동작을 반복적으로 한다. 벅 컨버터는 이와 같이 주기적으로 공급되는 입력 전압을 인턱터와 커패시터로 구성된 LC 필터를 통해 정류하여 직류전원을 출력하는 전압원 방식이다. 한 주기 내에서 스위치가 온되어 있는 시간이 길수록 펄스 전압의 폭이 넓어지고, 스위치가 온되어 있는 시간이 짧을수록 펄스 전압의 폭이 좁아진다. 스위칭 온/오프 시간의 비를 T라하고, 입력 전압을 VIN이라고 정의하면 출력 전압 Vout = T * Vin이다. 벅 컨버터의 출력 전압은 입력 전압보다 항상 낮다.

승압형 컨버터인 부스트 컨버터(boost converter)는 벅 컨버터와 마찬가지로 입력단과 출력단의 접지가 같고, 스위치(S)가 온 되어있는 동안은 인턱터(L)의 양단에 입력 전압이 연결되어서 전류의 충전이 이루어지고, 스위치가 오프되면 충전된 전하가 부하 즉, 커패시터(C) 등으로 이루어진 필터로 전달되도록 구성된다. 벅 컨버터와 달리 부스트 컨버터는 부하의 입장에서 볼 때 전류가 주기적으로 흘러 들어오다가 끊어지다를 반복하기 때문에 전류원 방식이라 불리며 출력 단의전류는 항상 입력단보다 작다. 회로 동작의 원리상 손실 성분이 없기 때문에 "입력 전류*입력 전압 = 출력 전류*출력 전압"의 관계에서 출력 전압은 입력 전압보다 항상 높다. 즉, VOUT = VIN/(1-T)이다.

벅-부스트 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터를 하나로 합한 것이다. 최근 휴대용 전자 기기의 응용 분야가다양해 지고, 휴대용 전화기와 같이 배터리로 동작함에도 불구하고 장시간 연속 동작하는 전자 기기의 수가 많아 짐에 따라서 효율적인 전원 관리에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 휴대용 전자 기기의 전원 회로로 사용되는 벅-부스트 컨버터는 소비 전력에 따라서 효율적인 전력 변환을 수행할 수 있는 스킴을 요구한다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 스위칭 커패시터의 개념을 적용하여 벅 모드와 부스트 모드에서 서로다른 커패시터와 서로 다른 인덕터를 선택하여 각 모드가 실현되도록 함으로써 효율을 높일 수 있는 벅-부스트 회로를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른 직류전력변환용 벅-부스트 회로는, 스위칭 커패시터의 개념을 적용하여 벅 모드와 부스트 모드에서 서로다른 커패시터와 서로 다른 인덕터를 선택하여 각 모드가 실현되도록 함으로써 효율을 높일 수 있는 구조를 포함한다.

본 발명에 따른 효율이 높은 벅-부스트 회로는, 스위칭 커패시터의 개념을 적용하여 벅 모드와 부스트 모드에서 서로다른 커패시터와 서로 다른 인덕터를 선택하여 각 모드를 실현함으로써 효율을 높일 수 있다.

도 1은 기존의 벅 컨버터의 일례이다.
도 2는 기존의 부스트 컨버터의 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 적용 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 일례이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 부스트 모드의 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 벅 모드의 시뮬레이션 결과이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 적용 환경을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 태양전지 등 전력 발생 수단에서 생성된 전력(직류 전력)은, 이를 이용하는 장치의 주제어부 중, ADC(Analog Digital Converter) 기능, 제어기능, MPPT(Maximum Power Point Tracking: 최대 전력 추적) 기능을 수행하는 각 부의 동작으로 본 발명의 벅-부스트 회로에 의해 직류 변환(DC/DC 변환)되어 효율적으로 벅-부스트 각 모드의 직류 전압을 출력할 수 있다.

특히, MPPT를 위한 제어 수단은, 태양전지 등 전력 발생 수단에서 생성된 전력(직류 전력)에 따라 벅-부스트 회로가 최대 전력을 출력할 수 있도록 제어한다. 이를 위해, 벅-부스트 회로의 동작 상태에 따라 MPPT를 위한 제어 수단은 PWM(Pulse Width Modulation) 회로를 제어하여 벅-부스트 회로의 스위치의 온/오프 스위칭 신호를 발생할 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 벅-부스트 회로는 스위칭 신호에 따라 벅 모드와 부스트 모드로 동작하여 리플 등이 개선된 효율적인 직류 전압을 출력할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 벅-부스트 회로는 스위칭 커패시터의 개념을 적용하여 벅 모드와 부스트 모드에서 서로다른 커패시터와 서로 다른 인덕터를 선택하여 각 모드를 실현함으로써 효율을 높일 수 있도록 한다.

본 발명의 벅-부스트 회로는 복수의 커패시터(C1, C2..)와 복수의 인덕터(L1, L2..), 및 이들 사이에 적절히 결합된 복수의 스위치 소자를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 4에서, 벅 모드에서는 C1, L1이 동작하고, PWM 스위칭 신호를 받는 스위치 소자들의 동작으로 리플 등이 개선된 효율적인 벅 모드의 직류 전압을 출력할 수 있다.

또한, 부스트 모드에서는 C2, L2이 동작하고, PWM 스위칭 신호를 받는 스위치 소자들의 동작으로 리플 등이 개선된 효율적인 부스트 모드의 직류 전압을 출력할 수 있다.

도 5는 도 4의 개념에 따른 벅-부스트 회로의 일례이다. 도 5와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로는, 입력측 회로(Cin, Lin, Q1, Q2), 출력측 회로(Cout, 다이오드 D, Lout, Q3, Q4)를 포함한다.

여기서, 반도체 트랜지스터에 해당하는 스위치 소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)의 온/오프는 MPPT를 위한 제어 수단에 의해 제어되며, 특히, 부스트 모드에서 Q2는 오프되고, Q1은 온되며, Q3 및 Q4는 PWM 스위칭 신호에 따라 온/오프가 교번되면서 부하(Cout, D)를 통해 부스트 모드의 직류 전압을 출력할 수 있다.

또한, 벅 모드에서 Q3는 오프되고, Q4은 온되며, Q1 및 Q2는 PWM 스위칭 신호에 따라 온/오프가 교번되면서 부하(Cout, D)를 통해 벅 모드의 직류 전압을 출력할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 부스트 모드의 동작에 대한 시뮬레이션 결과, 도 6과 같이, 인덕터(L1, L2)가 커질수록 리플이 줄어 들고 효율적인 직류 전압을 출력함을 확인하였다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 회로의 벅 모드의 동작에 대한 시뮬레이션 결과, 도 7과 같이, 인덕터(L1, L2)가 커질수록 리플이 줄어 들고 효율적인 직류 전압을 출력함을 확인하였다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

L1, L2, Lin, Lout: 인덕터
C1, C2, Cin, Cout: 커패시터
Q1, Q2, Q3, Q4: 스위치

Claims (1)

1. 스위칭 커패시터의 개념을 적용하여 벅 모드와 부스트 모드에서 서로다른 커패시터와 서로 다른 인덕터를 선택하여 각 모드가 실현되도록 함으로써 효율을 높일 수 있는 직류전력변환용 벅-부스트 회로.

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