KR20170011007A - 벅-부스트 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류 경로 상의 소자가 감소된 벅-부스트 컨버터가 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 컨버터는 입력 전력을 스위칭하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부와 동기되어 스위칭 온 및 오프하는 제2 스위칭부; 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 스위칭된 전력의 에너지를 충전 및 방전하는 인덕터; 및 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 오프시 상기 인덕터에 충전된 전력의 출력 경로를 제공하는 단일 다이오드를 갖는 경로 제공부를 포함할 수 있다.

Description

벅-부스트 컨버터{BUCK-BOOST CONVERTER}

본 발명은 출력 전압을 입력 전압보다 높이거나 낮출 수 있는 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다.

최근 들어, 환경 문제로 인해 에너지 소비의 효율성에 대한 관심이 커지고 있다.

이에 따라, 전기 제품의 고효율화를 요구하고 있으며, 저전력 전기 제품에서 고전력 전기 제품에 이르기까지 전 부분에 걸쳐 전력 손실을 줄이기 위한 노력으로 이어지고 있다.

이러한 전기 제품에 일반적으로 들어가는 직류-직류 컨버터에서는 저전력 전기 제품의 경우, 2개의 스위치 구조를 갖는 벅-부스트 컨버터가 주로 사용되고 있다.

상술한 벅-부스트 컨버터는 출력 전압을 입력 전압보다 높이거나 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있고, 기존의 벅-부스트 컨버터에 비해, 반도체 소자들의 전압 스트레스를 낮출 수 있기 때문이다.

하지만, 전류 경로 입장에서 봤을 때, 전력 변환 동작 시 2개의 스위치 또는 2개의 다이오드로 전류 경로가 형성이 되어 전도 손실(conduction loss)이 높아지는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류 경로 상의 소자가 감소된 벅-부스트 컨버터가 제공된다.

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 벅-부스트 컨버터는 입력 전력을 스위칭하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부와 동기되어 스위칭 온 및 오프하는 제2 스위칭부; 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 스위칭된 전력의 에너지를 충전 및 방전하는 인덕터; 및 상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 오프시 상기 인덕터에 충전된 전력의 출력 경로를 제공하는 단일 다이오드를 갖는 경로 제공부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2개의 스위치를 갖는 벅-부스트 컨버터에 있어서, 인덕터에 충전된 전력은 단일 다이오드로 전달되어 전도 손실이 단일 다이오드에서만 발생되어 전력 손실이 저감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 개략적인 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 동작에 따른 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 벅-부스트 컨버터와 비교하기 위한 일반적인 벅-부스트 컨버터의 개략적인 회로도이며, 도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 일반적인 벅-부스트 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 개략적인 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터(100)는 제1 스위칭부(110), 제2 스위칭부(120), 경로 제공부(130) 및 인덕터(L)를 포함할 수 있으며, 클램핑부(140) 및 출력 캐패시터(Co)을 더 포함할 수 있다.

제1 스위칭부(110)는 제1 스위치(S1)을 포함할 수 있고, 제2 스위칭부(120)는 제2 스위치(S2)를 포함할 수 있다.

경로 제공부(130)은 단일 다이오드(D)를 포함할 수 있다.

클램핑부(140)는 제1 클램핑 다이오드(Dc1) 및 제2 클램핑 다이오드(Dc2)를 포함할 수 있다.

상술한 구성의 연결 관계를 살펴보면,

제1 스위치(S1)의 일단은 입력 전력(Vs)이 인가되는 입력단의 일단과 전기적으로 연결되고, 제1 스위치(S1)의 타단은 제1 클램핑 다이오드(Dc1)의 캐소드, 제2 클램핑 다이오드(Dc2)의 애노드 및 제2 스위치(S2)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다.

단일 다이오드(D)의 애노드는 제1 클램핑 다이오드(Dc1)의 애노드와 전기적으로 연결되고, 단일 다이오드(D)의 캐소드는 제2 클램핑 다이오드(Dc2)의 캐소드와 전기적으로 연결되며, 인덕터(L)의 일단은 상기 입력단의 타단 및 단일 다이오드(D)의 애노드와 전기적으로 연결되고, 인덕터(L)의 타단은 제2 스위치(S2)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다.

출력 캐패시터(Co)는 단일 다이오드(D)의 캐소드와 인덕터(L)의 타단 간에 전기적으로연결될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)가 스위칭 온되면 인덕터(L)와 하나의 루프가 형성되어, 인덕터(L)에 입력 전력(Vs)의 전류가 충전될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 제1 및 제2 스위치(S1,S2)가 스위칭 오프되면 인덕터(L), 단일 다이오드(D) 및 출력 캐패시터(Co)는 전류 경로가 형성되어 인덕터(L)에 충전된 전류가 방전되어 출력 전력(Vo)가 단일 다이오드(D)를 통해 출력단으로 출력될 수 있다.

한편, 제1 클램핑 다이오드(Dc1)은 입력 전력(Vs)의 전압 레벨이 제1 스위치(S1)에 인가되도록 전압 레벨을 클램핑할 수 있고, 제2 클램핑 다이오드(Dc2)는 출력 전력(Vo)의 전압 레벨이 제2 스위치(S2)에 인가되도록 전압 레벨을 클램핑할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 벅-부스트 컨버터의 동작에 따른 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 1, 도 2a, 도 2b와 함께, 도 3을 참조하면, 도 3에 도시된 그래프 (a)에 도시된 바와 같이 입력 전력(Vs)은 100V, 출력 전력(Vo)는 50V/10A로 전력을 설정하는 경우, 그래프 (b)에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 스위치(S1,S2)는 게이트 전압(Vg_S1,Vg_S2)이 인가되어 동시에 스위칭 온하거나, 동시에 스위칭 오프할 수 있다.

그래프 (c)에 도시된 바와 같이, 이때의 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)에 각각 인가되는 전압 레벨은 제1 클램핑 다이오드(Dc1)에 의해 제1 스위치(S1)에는 입력 전력(Vs)의 전압 레벨(Vds_S1)이 인가될 수 있으며, 제2 클램핑 다이오드(Dc2)에 의해 제2 스위치(S2)에는 출력 전력(Vo)의 전압 레벨(Vds_S2)이 인가될 수 있다.

마찬가지로, 그래프 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 클램핑 다이오드(Dc1)에 입력 전력(Vs)의 전압 레벨(Vd_Dc1)이 인가될 수 있고, 제2 클램핑 다이오드(Dc2)에 출력 전력(Vo)의 전압 레벨(Vd_Dc2)이 인가될 수 있다. 한편, 단일 다이오드(D)에는 출력 전력(Vo)와 입력 전력(Vs)의 합에 해당하는 전압 레벨(Vd_D)가 인가될 수 있다.

상술한 바와 같이, 단일 다이오드(D)는 인덕터에 충전된 전류가 방전시 출력단으로 전달되는 경로 중에 유일한 소자일 수 있으며, 이는 그래프 (e)에 도시된 바와 같이, 인덕터(L)에 충방전되는 전류(I(L))는 제1 및 제2 스위치(S1,S2)에 스위칭에 의해 단일 다이오드(D)에 흐르는 전류(I(D))와 제1 또는 제2 스위치(S1,S2)에 흐르는 전류 (I(S1),I(S2))의 합과 같음을 통해 알 수 있다.

이에 따라, 전력의 출력 경로에 단일 다이오드(D) 만이 배치되어 전력 손실을 저감할 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 벅-부스트 컨버터와 비교하기 위한 일반적인 벅-부스트 컨버터의 개략적인 회로도이며, 도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 일반적인 벅-부스트 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 일반적인 벅-부스트 컨버터로 2개의 스위치(Q1,Q2)를 갖는 벅-부스트 컨버터가 도시된다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 5a에 도시된 바와 같이 일반적인 벅-부스트 컨버터는 2개의 스위치(Q1,Q2)가 스위칭 온하여 인덕터(L1)에 전류가 충전될 수 있다. 반면에 도 5b에 도시된 바와 같이 2개의 스위치(Q1,Q2)가 스위칭 오프하면 인덕터(L1)에 충전된 전류가 출력단으로 전달되는 전달 경로에 2개의 다이오드(D1,D2)가 배치되어, 출력 전력의 전달 경로에 단일 다이오드를 갖는 본 발명의 벅-부스트 컨버터에 대비하여 전력 손실이 증가함을 알 수 있으며, 이는 출력 전류가 클수록 더 심각해지게 된다. 특히, 스위치의 경우는 전압 스트레스가 온 저항에 큰 영향을 주지만, 다이오드의 경우는 전압 강하(voltage drop)에 큰 영향을 주지 않는다. 따라서, 다이오드의 경우는 가능한 전류 전달 경로상에 수를 줄이는 것이 전력 손실 저감에 유리하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2개의 스위치를 갖는 벅-부스트 컨버터에 있어서, 인덕터에 충전된 전력은 단일 다이오드로 전달되어 전도 손실이 단일 다이오드에서만 발생되어 전력 손실이 저감될 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: 벅-부스트 컨버터
110: 제1 스위칭부
120: 제2 스위칭부
130: 경로 제공부
140: 클램핑부
S1: 제1 스위치
S2: 제2 스위치
D: 단일 다이오드
L: 인덕터
Dc1: 제1 클램핑 다이오드
Dc2: 제2 클램핑 다이오드
Co: 출력 캐패시터

Claims (6)

1. 입력 전력을 스위칭하는 제1 스위칭부;
   상기 제1 스위칭부와 동기되어 스위칭 온 및 오프하는 제2 스위칭부;
   상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 스위칭된 전력의 에너지를 충전 및 방전하는 인덕터; 및
   상기 제1 및 제2 스위칭부의 스위칭 오프시 상기 인덕터에 충전된 전력의 출력 경로를 제공하는 단일 다이오드를 갖는 경로 제공부
   를 포함하는 벅-부스트 컨버터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭부는 상기 입력 전력을 스위칭하는 제1 스위치를 포함하고,
   상기 제2 스위칭부는 상기 제1 스위치에 동기되어 스위칭 동작하는 제2 스위치를 포함하며,
   상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 스위칭 온시 상기 인덕터와 하나의 루프(loop)를 형성하는 벅-부스트 컨버터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 스위칭부에 인가되는 전력의 전압 레벨을 클램핑하는 클램핑부를 더 포함하는 벅-부스트 컨버터.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 스위치에 인가되는 전력의 전압 레벨을 입력 전력의 전압 레벨로 클램핑하는 제1 클램핑 다이오드; 및
   상기 제2 스위치에 인가되는 전력의 전압 레벨을 출력 전력의 전압 레벨로 큼램핑하는 제2 클램핑 다이오드를 갖는 클램핑부를 더 포함하는 벅-부스트 컨버터.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 스위치의 일단은 입력 전력이 인가되는 입력단의 일단과 전기적으로 연결되고,
   상기 제1 스위치의 타단은 상기 제1 클램핑 다이오드의 캐소드, 상기 제2 클램핑 다이오드의 애노드 및 상기 제2 스위치의 일단과 전기적으로 연결되며,
   상기 단일 다이오드의 애노드는 상기 제1 클램핑 다이오드의 애노드와 전기적으로 연결되고, 상기 단일 다이오드의 캐소드는 상기 제2 클램핑 다이오드의 캐소드와 전기적으로 연결되며,
   상기 인덕터의 일단은 상기 입력단의 타단 및 상기 단일 다이오드의 애노드와 전기적으로 연결되고, 상기 인덕터의 타단은 상기 제2 스위치의 타단과 전기적으로 연결되는 벅-부스트 컨버터.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 인덕터의 타단과 상기 단일 다이오드의 캐소드 사이에 전기적으로 연결된 출력 캐패시터를 더 포함하는 벅-부스트 컨버터.
   

Images