KR20150131640A - 소프트 스위칭 방식의 영전류 천이형 벅 컨버터 - Google Patents

소프트 스위칭 방식의 영전류 천이형 벅 컨버터 Download PDF

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KR20150131640A
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Abstract

입력 전원으로부터 공급되는 전기 에너지를 축적하는 주 인덕터와, 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결 또는 차단하는 주 스위치, 및 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결하는 경우 상기 주 스위치에 인가되는 전압을 감소시키고, 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우 상기 주 스위치로 흐르는 전류를 감소시키도록 구성되는 보조 회로를 포함하는 벅 컨버터가 제공된다.

Description

소프트 스위칭 방식의 영전류 천이형 벅 컨버터 {ZERO-CURRENT-TRANSITION BUCK CONVERTER WITH SOFT SWITCHING}
본 발명은 벅 컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보조 회로를 이용하는 소프트 스위칭을 통해 주 스위치의 스위칭 시 영전류 천이를 구현하는 벅 컨버터에 관한 것이다.
DC-DC 컨버터는 DC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하여 출력하는 장치로, 입력 전압을 승압 변환하여 출력하는 부스트(boost) 컨버터와, 입력 전압을 강압 변환하여 출력하는 벅(buck) 컨버터, 및 입력 전압을 승압 또는 강압 변환하여 출력하는 벅/부스트 컨버터 등으로 구분될 수 있다.
상기와 같은 다양한 DC-DC 컨버터들은, 스위칭 소자의 듀티비를 조절하여 출력 전압을 조절하는데, 최근의 제품 소형화, 경량화 요구 추세에 따라 구조가 단순하고 제어가 용이하며 소형화가 가능한 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 스위칭 소자 제어 방식이 DC-DC 컨버터에 널리 이용되고 있다.
PWM 방식의 DC-DC 컨버터는 높은 스위칭 주파수로 인해 스위칭 손실이 커져 전력 변환 효율이 감소되는 단점을 가지므로, 이와 같은 단점을 해결하기 위해 스위칭 시 스위치의 전압이나 전류를 0으로 만들어 스위칭 손실을 줄이는 소프트 스위칭(soft switching) 기술이 연구되어 왔으며, 최근에는 순환 에너지의 발생을 줄여 전도 손실을 최소화함과 동시에 스위칭 손실을 최소화하기 위해 PWM 방식의 DC-DC 컨버터에 보조 회로(auxiliary circuit)를 부가하여 주 스위치 및 환류 스위치의 스위칭 시점에만 소프트 스위칭이 이루어지도록 하는 방식이 제안되었다.
상기와 같은 소프트 스위칭 방식의 경우, 보조 회로의 동작 구간이 짧아 보조 회로에서 발생하는 전도 손실을 최소화할 수 있고, 환류 스위치와 보조 회로에 구비된 보조 스위치 각각의 턴 온 및/또는 턴 오프 순간에도 소프트 스위칭이 가능하여 스위칭 손실을 줄일 수 있는 등의 장점이 있으나, 주 스위치의 턴 오프 시에는 하드 스위칭(hard switching)을 하기 때문에 높은 주파수로 스위칭 동작을 할 경우에는 여전히 스위칭 손실로 인한 전력 변환 효율이 감소되는 문제가 있어, 이를 해결할 필요성이 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주 스위치의 턴 오프 시 주 스위치의 기생 캐패시터를 통해 흐르는 전류의 크기를 줄여 주 스위치의 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 벅 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 입력 전원으로부터 공급되는 전기 에너지를 축적하는 주 인덕터와, 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결 또는 차단하는 주 스위치, 및 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결하는 경우 상기 주 스위치에 인가되는 전압을 감소시키고, 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우 상기 주 스위치로 흐르는 전류를 감소시키도록 구성되는 보조 회로를 포함하는 벅 컨버터가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 보조 회로는, 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결하는 경우, 상기 주 스위치의 기생 캐패시터와 공진하여 상기 주 스위치에 인가되는 전압을 감소시키도록 구성되는 공진부, 및 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우, 보조 전류 경로를 제공하여 상기 주 스위치로 흐르는 전류를 감소시키도록 구성되는 스너버를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스너버는, 일 단이 상기 주 스위치 및 상기 주 인덕터 각각의 일 단과 연결되는 제1 보조 다이오드, 및 일 단이 상기 제1 보조 다이오드의 타 단과 연결되며, 상기 제1 보조 다이오드와 상기 보조 전류 경로를 형성하는 보조 캐패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공진부는, 일 단이 상기 제1 보조 다이오드의 타 단과 연결되는 보조 스위치와, 일 단이 상기 보조 스위치의 타 단과 연결되며, 상기 주 스위치의 기생 캐패시터와 공진하는 공진 인덕터, 및 일 단이 상기 공진 인덕터의 타 단과 연결되고, 타 단이 상기 주 인덕터의 타 단과 연결되는 제2 보조 다이오드를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 벅 컨버터는, 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우, 상기 주 인덕터에 축적된 상기 전기 에너지가 부하측으로 공급되도록 환류 전류 경로를 형성하는 환류 스위치를 더 포함할 수 있고, 상기 환류 전류 경로는, 상기 보조 전류 경로와 다른 전류 경로일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 환류 스위치는, 일 단이 상기 제1 보조 다이오드의 일 단과 연결되고, 타 단이 상기 보조 캐패시터의 타 단과 연결될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 벅 컨버터는, 주 스위치의 턴 오프 순간에 주 인덕터를 통해 흐르는 전류가 흐를 수 있는 경로를 추가적으로 형성해 줌으로써 주 스위치의 기생 캐패시터를 통해 흐르는 전류의 크기를 줄일 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 기술적 사상에 의한 벅 컨버터는, 주 스위치의 턴 온 순간은 물론 주 스위치의 턴 오프 순간에도 스위칭 손실을 최소화할 수 있으며, 전력 변환 효율의 개선 및 주 인덕터의 코어 사이즈 감소를 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 벅 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 동작 모드 별 등가 회로를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 다상 벅 컨버터의 동작 모드에서 나타나는 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 벅 컨버터를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다. 또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 벅 컨버터(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 벅 컨버터(100)는 입력 전원(Vin)으로부터 공급되는 입력 전압을 강압 변환하여 부하(Ro)로 제공할 수 있고, 주 스위치(M1), 환류 스위치(D1), 주 인덕터(Lo), 보조회로(110) 및 출력 캐패시터(Co)로 구성될 수 있다.
주 스위치(M1)는 입력 전원(Vin)과 주 인덕터(Lo)를 연결(connect) 또는 차단(disconnect)할 수 있다. 주 스위치(M1)는 제어부(도시 생략)로부터 제공되는 스위칭 제어 신호(도시 생략)에 의해 턴 온 또는 턴 오프 되어, 입력 전원(Vin)과 주 인덕터(Lo)를 연결 또는 차단할 수 있다. 상기 주 스위치(M1)의 스위칭 제어 신호는 예컨대, 기 설정된 듀티비를 갖는 PWM 신호일 수 있다. 상기 주 스위치(M1)의 스위칭 제어 신호의 기 설정된 듀티비는 후술되는 보조 스위치(MAUX)의 턴 온 및 턴 오프를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 듀티비와 상이할 수 있다(도 3의 M1 및 MAUX 신호 파형 참조).
주 스위치(M1)는, 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 제1 노드(N1)는 입력 전원(Vin)의 고전위 단자일 수 있으며, 제2 노드(N2)는 주 인덕터(Lo)의 일 단일 수 있다. 즉, 주 스위치(M1)는 입력 전원(Vin)과 주 인덕터(Lo) 사이에 연결될 수 있다.
주 스위치(M1)는 예컨대, MOSFET(MOS Field-Effect-Transistor)과 같은 전력 반도체 소자로 구성될 수 있다. 한편, 입력 전원(Vin)은, 예컨대 DC(Direct Current) 전압 공급원일 수 있다.
환류 스위치(D1)는, 주 스위치(M1)가 턴 오프되어 입력 전원(Vin)과 주 인덕터(Lo)를 차단하는 경우, 주 인덕터(Lo)에 축적된 전기 에너지가 부하(Ro)로 공급되도록 환류 전류 경로를 형성할 수 있다.
환류 스위치(D1)는, 제2 노드(N2)와 제5 노드(N5) 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 제5 노드(N5)는 입력 전원(Vin)의 저전위 단자로 예컨대 접지 단자일 수 있다. 즉, 환류 스위치(D1)는 일 단이 제2 노드(N2)에서 주 스위치(M1)와 연결될 수 있으며, 타 단이 입력 전원(Vin)의 저전위 단자와 연결될 수 있다.
환류 스위치(D1)는 도 1에 도시된 바와 같이 다이오드로 구성될 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 환류 스위치(D1)는 MOSFET과 같은 전력 반도체 소자로 구성될 수도 있다(도 4의 제1 환류 스위치(MSR1) 및 제2 환류 스위치(MSR2) 참조). 이 경우, 환류 스위치(D1)는 상기 제어부로부터 제공되는 스위칭 제어신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프 되어 환류 전류 경로를 형성할 수 있다. 상기 환류 스위치(D1)의 스위칭 제어 신호는 예컨대, 기 설정된 듀티비를 갖는 PWM 신호일 수 있다. 또한, 상기 환류 스위치(D1)의 스위칭 제어 신호의 기 설정된 듀티비는, 주 스위치(M1)와 보조 스위치(MAUX) 각각의 턴 온 및 턴 오프를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 듀티비와 상이할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 환류 스위치(D1)가 다이오드로 구성되는 경우를 예로 들어 설명한다.
주 인덕터(Lo)는, 주 스위치(M1)가 턴 온되어 입력 전원(Vin)과 연결되면, 입력 전원(Vin)으로부터 공급되는 전기 에너지를 축적할 수 있다. 주 인덕터(Lo)는, 주 스위치(M1)가 턴 오프되면, 환류 스위치(D1)를 통해 형성되는 상기 환류 전류 경로를 통해 상기 축적된 전기 에너지를 부하(Ro)로 공급할 수 있다.
주 인덕터(Lo)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 위치할 수 있다. 여기서 제3 노드(N3)는 부하(Ro)의 일 단과 연결되는 접점일 수 있으며, 주 인덕터(Lo)는 주 스위치(M1)와 부하(Ro) 사이에 연결될 수 있다.
보조 회로(110)는 주 스위치(M1)의 스위칭 과도 구간에서 영전류 천이가 가능하도록 소프트 스위칭을 구현할 수 있다.
보조 회로(110)는, 주 스위치(M1)가 턴 온되어 입력 전원(Vin)과 주 인덕터(Lo)를 연결하는 경우, 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터와의 공진을 통해 주 스위치(M1)의 양단에 인가되는 전압(Vds1)을 감소시켜 영전류 천이 조건을 구현할 수 있다.
또한, 보조 회로(110)는, 주 스위치(M1)가 턴 오프 되어 입력 전원(Vin)과 주 인덕터(Lo)를 차단하는 경우, 환류 스위치(D1)를 통해 형성되는 환류 전류 경로(예컨대, 도 1에서 환류 스위치 전류(ID1)의 경로)와 별개의 전류 경로인 보조 전류 경로(예컨대, 도 1에서 보조 캐패시터 전류(ICr)의 경로)를 형성하여 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터를 통해 흐르는 전류(예컨대, 도 1에서 주 스위치 전류(IM1))를 감소시켜 영전류 천이 조건을 구현할 수 있다.
보조 회로(110)는 스너버(111) 및 공진부(113)로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 스너버(111)는 제2 노드(N2)와 제5 노드(N5) 사이에서 상호 직렬적으로 연결되는 제1 보조 다이오드(Dr1) 및 보조 캐패시터(Cr)로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 보조 다이오드(Dr1)의 일 단은 제2 노드(N2)에 연결될 수 있고, 보조 캐패시터(Cr)의 일 단은 제5 노드(N5)에 연결될 수 있으며, 제1 보조 다이오드(Dr1)의 타 단과 보조 캐패시터(Cr)의 타 단이 연결되어 제4 노드(N4)를 이룰 수 있다.
스너버(111)는, 환류 스위치(D1)와 병렬적으로 배치되어, 주 스위치(M1)의 턴 오프 시 직렬적으로 연결된 제1 보조 다이오드(Dr1) 및 보조 캐패시터(Cr)를 통해 상기 환류 전류 경로와 상이한 상기 보조 전류 경로를 형성할 수 있고, 이에 따라 주 인덕터(Lo)를 통해 흐르는 주 인덕터 전류(ILo)가 상기 환류 전류 경로와 상기 보조 전류 경로로 분리되어 흐를 수 있도록 한다. 이 때, 상술한 환류 스위치(D1)는 턴 온되고, 후술되는 보조 스위치(MAUX)는 턴 오프된다.
공진부(113)는 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에서 상호 직렬적으로 연결되는 제2 보조 다이오드(Dr2), 공진 인덕터(Lr) 및 보조 스위치(MAUX)로 구성될 수 있다. 예컨대, 제2 보조 다이오드(Dr2)의 일 단이 제3 노드(N3)에 연결되고, 보조 스위치(MAUX)의 일 단이 제4 노드(N4)에 연결되며, 제2 보조 다이오드(Dr2)와 보조 스위치(MAUX) 사이에 공진 인덕터(Lr)가 연결될 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 제2 보조 다이오드(Dr2)의 일 단이 제3 노드(N3)에 연결되고, 공진 인덕터(Lr)의 일 단이 제4 노드(N4)에 연결되며, 제2 보조 다이오드(Dr2)와 공진 인덕터(Lr) 사이에 보조 스위치(MAUX)가 연결될 수도 있다. 이와 같이, 제2 보조 다이오드(Dr2), 공진 인덕터(Lr) 및 보조 스위치(MAUX)는 다양한 순서로 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4) 사이에서 직렬적으로 연결될 수 있다.
공진부(113)는, 보조 스위치(MAUX)가 턴 온되고 공진 인덕터(Lr)가 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터(여기서, 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터는 주 스위치(M1) 자체의 기생 캐패시턴스만을 의미하는 것은 아니고, 외부에서 주 스위치와 병렬로 연결되는 캐패시턴스를 포함하는 개념임)와 공진하게 되면서, 주 스위치(M1)의 턴 온 시 주 스위치(M1)의 양단에 인가되는 전압(Vds1)을 감소시킬 수 있다.
한편, 공진부(113)의 보조 스위치(MAUX)는 MOSFET과 같은 전력 반도체 소자로 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 제어부로부터 제공되는 스위칭 제어 신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프 될 수 있다. 상기 보조 스위치(MAUX)의 스위칭 제어 신호는 예컨대, 기 설정된 듀티비를 갖는 PWM 신호일 수 있다. 상기 보조 스위치(MAUX)의 스위칭 제어 신호의 기 설정된 듀티비는 주 스위치(M1)의 턴 온 및 턴 오프를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호의 듀티비와 상이할 수 있다.
출력 캐패시터(Co)는, 제3 노드(N3)와 제5 노드(N5) 사이에서 부하(Ro)와 병렬적으로 위치할 수 있으며, 벅 컨버터(100)의 출력 전압 리플을 제거할 수 있다.
도 2a 내지 도 2g는 벅 컨버터(100)의 동작 모드 별 등가 회로를 설명하기 위한 도면들이고, 도 3은 벅 컨버터(100)의 동작 모드에서 나타나는 파형을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a 내지 도 3을 설명함에 있어서, 도 1 에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내므로, 설명의 편의를 위해 중복되는 설명은 생략하고, 도 1을 함께 참조하여 도 2a 내지 도 3을 설명한다.
한편, 도 2a 내지 도 2g에 도시된 각각의 등가 회로에서, 모든 동작은 정상 상태이고, 입력 전원(Vin)과 출력 전압(Vo)는 일정하고, 모든 인덕터의 기생 파라미터를 무시하는 것으로 가정하고 설명하다. 그리고, 모드 1이 시작되는 시간 t0 이전에는 모드 7과 유사한 환류 모드 상태, 즉 주 스위치(M1) 및 보조 스위치(MAUX)가 턴 오프되고 환류 스위치(D1)가 턴 온된 상태임을 가정한다.
모드 1(도 2a 및 도 3의 t 0 ~ t 1 )
도 1 및 도 2a를 참조하면, 모드 1은 시간 t0에서 환류 스위치(D1)에 순방향의 전압(VD1)이 인가된 상태로 보조 스위치(MAUX)가 턴 온되면서 시작된다.
이 때 보조 스위치(MAUX)는 공진 인덕터(Lr)로 인해 영전류 조건에서 턴 온되며, 환류 스위치(D1)를 통해 흐르는 환류 스위치 전류(ID1)는 선형적으로 감소하고, 동시에 공진 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 공진 인덕터 전류(ILr)는 선형적으로 증가한다. 환류 스위치 전류(ID1)는 계속적으로 감소되어 모드 1이 끝나는 시간 t1에는 0에 도달한다.
모드 2(도 2b 및 도 3의 t 1 ~ t 2 )
도 1 및 도 2b를 참조하면, 모드 2는 시간 t1에서 공진 인덕터 전류(ILr)의 크기가 계속적으로 증가하여 주 인덕터(Lo)를 통해 흐르는 주 인덕터 전류(ILo)의 크기를 초과하게 되면서 시작된다.
모드 2에서는 공진 인덕터(Lr)가 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터와 공진한다. 공진 인덕터(Lr)가 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터와 공진하다가 주 스위치(M1)에 역방향의 전류가 흐르게 되면, 주 스위치(M1)에는 입력 전원(Vin)에서 출력 캐패시터(Co)에 인가되는 출력 전압(Vo)의 두 배를 감한 크기의 전압이 인가된다.
이와 같이 주 스위치(M1)에 인가되는 전압의 크기가 감소되면서, 시간 t2에서 주 스위치(M1)의 턴 온 시 영전류 천이가 가능해질 수 있고, 이에 따라 주 스위치(M1)의 스위칭 손실이 저감될 수 있다.
모드 3(도 2c 및 도 3의 t 2 ~ t 3 )
도 1 및 도 2c를 참조하면, 모드 3은 공진 인덕터 전류(ILr)가 감소하여 주 인덕터 전류(ILo)와 동일하게 되고 주 스위치(M1)가 턴 온되면서 시작된다.
공진 인덕터(Lr) 양단에는 출력 전압(Vo)과 역방향의 입력 전원(Vin)이 인가되며, 공진 인덕터 전류(ILr)는 선형적으로 감소하여 모드 3이 끝나는 시간 t3에서 0에 도달하게 된다.
모드 4(도 2d 및 도 3의 t 3 ~ t 4 )
도 1 및 도 2d를 참조하면, 모드 4는 입력 전원(Vin)으로부터 공급되는 전기 에너지를 출력단인 부하(Ro)에 전달하는 모드로, 공진 인덕터 전류(ILr)가 0에 도달하기 까지 충분한 시간이 경과된 시간 t3에 시작된다.
보조 스위치(MAUX)는 시간 t4에서 턴 오프된다.
모드 5(도 2e 및 도 3의 t 4 ~ t 5 )
도 1 및 도 2e를 참조하면, 모드 5는 모드 4와 유사하게 입력 전원(Vin)으로부터 공급되는 전기 에너지를 출력단인 부하(Ro)에 전달하는 모드이다.
모드 6(도 2f 및 도 3의 t 5 ~ t 6 )
도 1 및 도 2f를 참조하면, 모드 6은 시간 t5에 주 스위치(M1)가 턴 오프 되면서 시작된다.
주 스위치(M1)의 턴 오프 시, 주 인덕터 전류(ILo)는 환류 스위치(D1)를 통해 형성되는 환류 전류 경로, 보조 캐패시터(Cr) 및 제1 보조 다이오드(Dr1)를 통해 형성되는 보조 전류 경로, 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터를 통해 형성되는 경로로 나누어 흐르게 된다.
일반적인 스위칭 방식의 경우에는, 주 인덕터를 통해 흐르는 전류가 단순히 환류 스위치를 통해 형성되는 환류 전류 경로와 주 스위치의 기생 캐패시터를 통해 형성되는 경로로 나뉘어 흐르게 된다.
반면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 벅 컨버터(100)에서는 보조 캐패시터(Cr) 및 제1 보조 다이오드(Dr1)를 통해 형성되는 보조 전류 경로로 주 인덕터 전류(ILo)가 분리되어 흐르므로, 일반적인 스위칭 방식에 비해 주 스위치(M1)의 기생 캐패시터로 흐르는 전류의 크기가 저감될 수 있다.
따라서, 벅 컨버터(100)는 주 스위치(M1)의 턴 오프 시에도 효율적으로 스위칭 손실을 줄일 수 있고, 이에 따라 전력 변환 효율의 향상과 고주파수 스위칭 동작이 가능해진다.
모드 7(도 2g 및 도 3의 t 6 ~ t 7 )
도 1 및 도 2g를 참조하면, 모드 7은 주 스위치(M1) 및 보조 스위치(MAUX)가 턴 오프된 상태로, 주 인덕터 전류(ILo)가 환류 스위치(D1)를 통해 흐르는 환류 모드이다.
모드 7 이후의 구간부터는 모드 1부터 모드 7까지의 동작이 반복된다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 다상 벅 컨버터(200)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 다상 벅 컨버터(200)는, 도 1에서 설명된 벅 컨버터(100)와 같은 단상 벅 컨버터로 구성되는 두 개의 셀이 결합 인덕터(coupled inductor)를 통해 상호 결합되는 2상 교호 (2-phase interleaved) 벅 컨버터를 예시한다. 도 4의 다상 벅 컨버터(200)를 설명함에 있어서, 다상 벅 컨버터(200)를 구성하는 제1 및 제2 셀(200a, 200b)의 구성이 도 1에서 설명된 벅 컨버터(100)와 실질적으로 동일하므로, 설명의 편의를 위해 중복되는 설명은 생략한다. 한편, 도 4에서는 2상 교호 벅 컨버터만을 예시하고 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 3상 이상의 다상 교호 벅 컨버터에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 4를 참조하면, 다상 벅 컨버터(200)는 입력 전원(Vin)에 병렬적으로 연결되되 기 설정된 권선비를 갖는 결합 인덕터부(250)를 통해 상호 연결되는 제1 셀(200a) 및 제2 셀(200b)을 포함할 수 있다.
다상 벅 컨버터(200)는 제1 셀(200a) 및 제2 셀(200b) 각각의 출력 전압을 하나의 출력 전압으로 합하여 부하(Ro)로 공급할 수 있다. 다상 벅 컨버터(200)는 부하(Ro)의 출력 전류 리플 및 코어의 플럭스 리플 저감 측면에서 효과가 있다. 다상 벅 컨버터(200)의 제1 셀(200a) 및 제2 셀(200b) 각각은 단상 벅 컨버터로 구성되며, 소정의 위상차, 예컨대 180도의 위상차를 갖고 구동될 수 있다.
제1 셀(200a)은, 제1 주 스위치(MM1), MOSFET과 같은 전력 반도체 소자로 구성되는 제1 환류 스위치(MSR1), 제1 주 인덕터(Lo1), 결합 인덕터(250)의 일 부분, 결합 인덕터(250)의 일 부분과 병렬 연결되는 인덕터(LM), 및 제1 보조 회로(210) 및 출력 캐패시터(Co)를 포함할 수 있다.
제1 셀(200a)은, 제1 주 스위치(MM1)가 턴 온되는 경우 공진을 통해 소프트 스위칭을 가능하게 하는 제1 공진부(213)와 제1 주 스위치(MM1)가 턴 오프되는 경우에 제1 주 스위치(MM1)로 흐르는 전류를 저감시키는 제1 스너버(211)로 구성되는 제1 보조 회로(210)를 포함함에 따라, 제1 주 스위치(MM1)의 스위칭 손실이 저감되는 효과가 있다.
제2 셀(200b)은, 제2 주 스위치(MM2), MOSFET과 같은 전력 반도체 소자로 구성되는 제2 환류 스위치(MSR2), 제2 주 인덕터(Lo2), 결합 인덕터(250)의 다른 부분, 및 제2 보조회로(230)를 포함할 수 있다.
제2 셀(200b)도 제1 셀(200a)과 마찬가지로, 제2 주 스위치(MM2)가 턴 온되는 경우 공진을 통해 소프트 스위칭을 가능하게 하는 제2 공진부(233)와 제2 주 스위치(MM2)가 턴 오프되는 경우에 제2 주 스위치(MM2)로 흐르는 전류를 저감시키는 제2 스너버(231)로 구성되는 제2 보조 회로(230)를 포함함에 따라, 제2 주 스위치(MM2)의 스위칭 손실이 저감되는 효과가 있다.
이에 따라, 다상 벅 컨버터(200)는 전력 변환 효율이 개선될 수 있고, 주 인덕터들의 코어 사이즈 감소가 가능할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
100, 200a, 200b: 단상 벅 컨버터
200: 다상 벅 컨버터
110, 210, 230: 보조 회로
111, 211, 231: 스너버
113, 213, 233: 공진부
250: 결합 인덕터

Claims (6)

  1. 입력 전원으로부터 공급되는 전기 에너지를 축적하는 주 인덕터(main inductor);
    상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결(connect) 또는 차단(disconnect)하는 주 스위치; 및
    상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결하는 경우 상기 주 스위치에 인가되는 전압을 감소시키고, 상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우 상기 주 스위치로 흐르는 전류를 감소시키도록 구성되는 보조 회로;
    를 포함하는 벅 컨버터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 보조 회로는,
    상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 연결하는 경우, 상기 주 스위치의 기생 캐패시터와 공진하여 상기 주 스위치에 인가되는 전압을 감소시키도록 구성되는 공진부; 및
    상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우, 보조 전류 경로를 제공하여 상기 주 스위치로 흐르는 전류를 감소시키도록 구성되는 스너버(snubber);를 포함하는, 벅 컨버터.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 스너버는,
    일 단이 상기 주 스위치 및 상기 주 인덕터 각각의 일 단과 연결되는 제1 보조 다이오드; 및
    일 단이 상기 제1 보조 다이오드의 타 단과 연결되며, 상기 제1 보조 다이오드와 상기 보조 전류 경로를 형성하는 보조 캐패시터;
    를 포함하는, 벅 컨버터.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 공진부는,
    일 단이 상기 제1 보조 다이오드의 타 단과 연결되는 보조 스위치;
    일 단이 상기 보조 스위치의 타 단과 연결되며, 상기 주 스위치의 기생 캐패시터와 공진하는 공진 인덕터; 및
    일 단이 상기 공진 인덕터의 타 단과 연결되고, 타 단이 상기 주 인덕터의 타 단과 연결되는 제2 보조 다이오드;
    를 포함하는, 벅 컨버터.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 주 스위치가 상기 입력 전원과 상기 주 인덕터를 차단하는 경우, 상기 주 인덕터에 축적된 상기 전기 에너지가 부하측으로 공급되도록 환류 전류 경로를 형성하는 환류 스위치;를 더 포함하되,
    상기 환류 전류 경로는, 상기 보조 전류 경로와 다른 전류 경로인, 벅 컨버터.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 환류 스위치는,
    일 단이 상기 제1 보조 다이오드의 일 단과 연결되고, 타 단이 상기 보조 캐패시터의 타 단과 연결되는, 벅 컨버터.
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