KR20180102934A - 이중 강압형 dc/dc 컨버터 및 그 구동방법 - Google Patents

이중 강압형 dc/dc 컨버터 및 그 구동방법 Download PDF

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KR20180102934A
KR20180102934A KR1020170029693A KR20170029693A KR20180102934A KR 20180102934 A KR20180102934 A KR 20180102934A KR 1020170029693 A KR1020170029693 A KR 1020170029693A KR 20170029693 A KR20170029693 A KR 20170029693A KR 20180102934 A KR20180102934 A KR 20180102934A
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차헌녕
김기수
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시 예에 따른 복수의 동작모드를 기반으로 입력전원을 포함하는 입력단과 출력 커패시터 및 출력저항의 병렬회로를 포함하는 출력단 사이에서 전압 변환을 수행하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 입력전원의 음의 단자에 소스 단자가 연결되고, 상기 출력단의 하측에 드레인 단자가 연결되는 제1스위치; 병렬로 연결된 제1레그 및 제2레그를 포함하고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 상측 접점은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 하측 접점은 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제1레그에는 제1커패시터 및 제3스위치가 마련되고, 상기 제2레그에는 제2스위치 및 제4스위치가 마련되고, 상기 제1커패시터 및 상기 제3스위치 사이의 제1지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제1입력선에는 제1인덕터가 마련되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 제2지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제2입력선에는 제2인덕터가 마련되는 변환회로; 및 상기 제1지점과 상기 입력전원의 음의 단자에 연결되는 제2커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터를 개시한다.

Description

이중 강압형 DC/DC 컨버터 및 그 구동방법{Double step-down DC/DC converter and control method thereof}
본 발명은, 기동 시 스위치 전압 상승 문제를 해결할 수 있는 이중 강압형 DC/DC 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.
자동차 산업, 에너지 저장 장치 등의 전력 전자 분야에서 에너지의 고승압, 강압 또는 절연을 위해 DC-DC 컨버터가 사용되고 있다.
DC-DC 컨버터는 전압 승압 또는 강압, 양방향 전압 전달, 절연 등을 실현시키기 위해 하프 브릿지 회로, 공진 회로 또는 듀얼 액티브 브릿지 회로에 기반하여 마련될 수 있다.
특히, 하프 브릿지 회로 기반의 DC-DC 컨버터는 간단하게 마련할 수 있으며 변압기의 포화 문제도 없어 가장 널리 사용되고 있다. 그러나, 하프 브릿지 회로 기반의 DC-DC 컨버터는 소프트 스위칭이 불가능하며, 하프 브릿지 회로에 마련된 스위치에서 높은 전압 스트레스가 발생할 수 있다.
이에, 스위치의 전압 스트레스를 경감시켜 보다 효율적인 DC-DC 컨버터를 제공하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터에서 입력단의 스위치 위치를 전원의 음의 단자로 이동하고, 입력단에 커패시터 하나를 전원과 병렬로 추가 연결하여, 컨버터 기동 시 스위치 전압의 상승을 제어할 수 있고, 이에 따라 고효율의 이중 강압형 DC/DC 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터 및 기존의 컨버터는 입력전류가 불연속적이므로 입력필터가 필요한데, 기존의 컨버터와 비교하여 입력전류의 주파수를 늘리고, 입력전류의 크기를 감소시킴으로써 입력전류의 실효값(RMS:Root Mean Square)을 줄여서 입력필터의 크기, 무게, 가격을 줄일 수 있다.
이에 따라, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터와 비교하여 두 개의 커패시터에 통과하는 커패시터 전류의 최대값이 기존의 이중 강압형 벅 컨버터의 커패시터 전류의 최대값보다 감소되고, 기존의 이중 강압형 벅 컨버터의 리플 전압과 동일한 리플 전압을 유지하기 위해서 두 개의 커패시터의 전기 용량(Capacitance)을 감소시킬 수 밖에 없으므로, 비록 입력단과 출력단이 공통 접지 특성을 가지지 않고 입력단에 커패시터를 하나 더 추가함에도 불구하고 기존의 컨버터에 비하여 전체적인 컨버터의 크기는 감소될 수 있다.
일 실시 예에 따른 복수의 동작모드를 기반으로 입력전원을 포함하는 입력단과 출력 커패시터 및 출력저항의 병렬회로를 포함하는 출력단 사이에서 전압 변환을 수행하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 입력전원의 음의 단자에 소스 단자가 연결되고, 상기 출력단의 하측에 드레인 단자가 연결되는 제1스위치; 병렬로 연결된 제1레그 및 제2레그를 포함하고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 상측 접점은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 하측 접점은 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제1레그에는 제1커패시터 및 제3스위치가 마련되고, 상기 제2레그에는 제2스위치 및 제4스위치가 마련되고, 상기 제1커패시터 및 상기 제3스위치 사이의 제1지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제1입력선에는 제1인덕터가 마련되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 제2지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제2입력선에는 제2인덕터가 마련되는 변환회로; 및 상기 제1지점과 상기 입력전원의 음의 단자에 연결되는 제2커패시터;를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 복수의 동작모드는 제1동작모드, 제2동작모드, 제3동작모드 및 제4동작모드를 포함하며, 상기 제1동작모드는 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제2동작모드와 상기 제4동작모드는 상기 제3스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제3동작모드는 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 오프 상태로 설정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1레그의 상측에 마련되는 상기 제1커패시터의 일단은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1커패시터의 타단은 상기 제1레그의 하측에 마련되는 상기 제3스위치의 드레인 단자와 연결되고, 상기 제3스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제2레그의 상측에 마련되는 상기 제2스위치의 드레인 단자는 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제2스위치의 소스 단자는 상기 제2레그의 하측에 마련되는 상기 제4스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제4스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1입력선에 마련된 상기 제1인덕터의 일단은 상기 출력단의 상측과 연결되며, 상기 제1인덕터의 타단은 상기 제2커패시터의 일단과 연결되고, 상기 제2커패시터의 타단은 상기 제1스위치의 소스 단자와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1커패시터 및 상기 제2커패시터를 포함하는 직렬회로는 상기 입력전원과 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치 및 상기 제2스위치의 시비율과 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 시비율은 서로 다르게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치는 N-채널 파워 MOSFET 일 수 있다.
일 실시 예에 따른 1커패시터의 전기 용량(Capacitance)과 상기 제2커패시터의 전기 용량은 동일하게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1인덕터의 인덕턴스(Inductance)와 상기 제2인덕터의 인덕턴스는 동일하게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 복수의 동작모드를 기반으로 입력전원을 포함하는 입력단과 출력 커패시터와 출력저항의 병렬회로를 포함하는 출력단 사이에서 전압 변환을 수행하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법에 있어서, 상기 입력전원을 통하여 입력단에서 제1전압을 입력받는 단계; 및 상기 복수의 동작모드를 기반으로 상기 제1전압을 상기 출련단의 제2전압으로 변환하는 단계; 를 포함하며, 상기 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 상기 입력전원의 음의 단자에 소스 단자가 연결되고, 상기 출력단의 하측에 드레인 단자가 연결되는 제1스위치; 병렬로 연결된 제1레그 및 제2레그를 포함하고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 상측 접점은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 하측 접점은 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제1레그는 제1커패시터 및 제3스위치가 마련되고, 상기 제2레그에는 제2스위치 및 제4스위치가 마련되고, 상기 제1커패시터 및 상기 제3스위치 사이의 제1지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제1입력선에는 제1인덕터가 마련되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 제2지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제2입력선에는 제2인덕터가 마련되는 변환회로; 및 상기 제1지점과 상기 입력전원의 음의 단자에 연결되는 제2커패시터;를 포함하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법을 제공한다.
일 실시 예에 따른 복수의 동작모드는 제1동작모드, 제2동작모드, 제3동작모드 및 제4동작모드를 포함하며, 상기 제1동작모드는 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제2동작모드와 상기 제4동작모드는 상기 제3스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제3동작모드는 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 오프 상태로 설정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1레그의 상측에 마련되는 상기 제1커패시터의 일단은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1커패시터의 타단은 상기 제1레그의 하측에 마련되는 상기 제3스위치의 드레인 단자와 연결되고, 상기 제3스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제2레그의 상측에 마련되는 상기 제2스위치의 드레인 단자는 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제2스위치의 소스 단자는 상기 제2레그의 하측에 마련되는 상기 제4스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제4스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1입력선에 마련된 상기 제1인덕터의 일단은 상기 출력단의 상측과 연결되며, 상기 제1인덕터의 타단은 상기 제2커패시터의 일단과 연결되고, 상기 제2커패시터의 타단은 상기 제1스위치의 소스 단자와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1커패시터 및 상기 제2커패시터를 포함하는 직렬회로는 상기 입력전원과 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치 및 상기 제2스위치의 시비율과 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 시비율은 서로 다르게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치는 N-채널 파워 MOSFET 일 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1커패시터의 전기 용량(Capacitance)과 상기 제2커패시터의 전기 용량은 동일하게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1인덕터의 인덕턴스(Inductance)와 상기 제2인덕터의 인덕턴스는 동일하게 설정될 수 있다.
도1은 종래의 이중 강압형 벅 컨버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도2는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도3a 내지 도3c는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 제1동작모드 내지 제4동작모드에서 작동하는 개념도를 도시한 도면이다.
도4는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 복수의 동작모드에서 출력하는 각 소자에 걸리는 전압 파형 및 각 소자에 흐르는 전류 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
도5a 내지 도5b는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터와 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 출력하는 입력전류 파형 및 커패시터에 흐르는 전류 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
도6a 내지 도6b는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터와 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 스위치 기동 시 출력하는 각 스위치에 걸리는 전압 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변형을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 다양한 실시 예들은 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 종래의 이중 강압형 벅 컨버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도1는 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 일 예로 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 회로도를 도시한 도면이다.
예를 들면, 도1에서 도시한 바와 같이 커패시터 C1(20)의 전기 용량(Capacitance)와 출력 커패시터 CO(40)의 전기 용량이 동일한 경우, 정상 상태에서 커패시터C1(20)에 걸리는 전압은 Vin/2 이 될 수 있다. 이에 따라, 스위치(10-1,10-3,10-4)에 걸리는 전압은 Vin/2가 될 수 있고, 스위치(10-2)에 걸리는 전압은 Vin이 될 수 있다.
구체적으로 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)에서는 커패시터 C1 (20)를 기반으로 스위치(10-1,10-3,10-4)에 걸리는 전압이 입력 전압의 반으로 강하함으로써 직류/직류 컨버터의 스위치 전압 스트레스를 감소시켜 스위치의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 커패시터C1(20)의 전하 균형 조건(Charge balance condition)을 기반으로 두 인덕터의 전류(iL1, iL2)가 자동 밸런싱될 수 있다.
그러나 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)를 기동 시, 커패시터C1(20)는 영 볼트에서 충전이 시작되기 때문에, 과도 상태에서 모든 스위치(10-1,10-2,10-3,10-4)에 걸리는 전압은 입력전압 Vin 이 되어 여전히 스위치 전압 스트레스를 가질 수 있다. 즉, 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)는 기동 시 스위치의 정격 전압이 정상 상태일 때 스위치의 정격 전압보다 높을 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기동 시 스위치 전압이 상승하는 문제를 해결하기 위하여, 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 회로를 변형하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도2는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 회로도를 도시한 도면이다.
일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 도1의 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 입력단의 스위치 S1(10-1)를 입력전원의 음의 단자로 이동하고, 입력전원의 음의 단자와 커패시터C1(20)의 사이에 커패시터 C2를 추가할 수 있다. 이에 따라, 커패시터C1 와 커패시터 C2 는 직렬 연결되고, 커패시터C1 와 커패시터 C2 를 포함하는 직렬회로는 입력전원과 병렬 연결될 수 있다.
도1의 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)를 상술한 바와 같이 변형을 하면, 도2에서 도시한 바와 같이 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 구현될 수 있다.
도2에서 도시한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 입력전원Vin을 포함하는 입력단(1000)과 출력커패시터CO(400) 및 출력저항RO(500)의 병렬회로를 포함하는 출력단(3000) 사이에서 복수의 동작모드를 기반으로 전압 변환을 수행할 수 있다.
도2에서 도시한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 제1레그(2100), 제2레그(2300), 제1인덕터 (300-1) 및 제2인덕터 (300-2)를 포함하는 변환회로(2000), 제1스위치 (100-1) 및 제2커패시터 (200-2)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치 (100-1)는 입력전원의 음의 단자에 소스 단자가 연결되고, 출력단(3000)의 하측에 드레인 단자가 연결될 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 달리 입력단(1000)과 출력단(3000)은 공통 접지 (common ground) 되지 않는다.
일 실시 예에 따른 변환회로(2000)는 병렬로 연결된 제1레그(2100) 및 제2레그(2300)를 포함하고, 제1인덕터 (300-1) 및 제2인덕터 (300-2)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1레그(2100) 및 제2레그(2300)는 병렬로 연결되어 있고, 제1레그(2100) 및 제2레그(2300)의 상측 접점은 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 제1레그 및 제2레그의 하측 접점은 제1스위치(100-1)의 드레인 단자와 연결될 수 있다.
예를 들면, 제1레그(2100)에는 제1커패시터 (200-1) 및 제3스위치 (100-3)가 포함되고, 제2레그(2300)에는 제2스위치 (100-2) 및 제4스위치 (100-4)가 포함될 수 있다.
이 경우, 일 실시 예에 따른 제1커패시터(200-1) 및 제3스위치(100-3) 사이의 제1지점(A)와 출력단(3000)의 상측을 연결하는 제1입력선에는 제1인덕터(300-1)가 마련되고, 제2스위치(100-2) 및 제4스위치(100-4) 사이의 제2지점(B)와 출력단(3000)의 상측을 연결하는 제2입력선에는 제2인덕터(300-2)가 마련될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 제1레그(2100)의 상측에 마련되는 제1커패시터(200-1)의 일단은 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 제1커패시터(200-1)의 타단은 제1레그(2100)의 하측에 마련되는 제3스위치(100-3)의 드레인 단자와 연결되고, 제3스위치(100-3)의 소스 단자는 제1스위치(100-1)의 드레인 단자와 연결될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 제2레그(2300)의 상측에 마련되는 제2스위치(100-2)의 드레인 단자는 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 제2스위치(100-2)의 소스 단자는 제2레그(2300)의 하측에 마련되는 제4스위치(100-4)의 드레인 단자와 연결되며, 제4스위치(100-4)의 소스 단자는 제1스위치(100-1)의 드레인 단자와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치(100-1), 제2스위치(100-2), 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)는 N-채널 파워 MOSFET 일 수 있다.
예를 들면, 제1스위치(100-1), 제2스위치(100-2), 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)는 바디 다이오드(Body diode)를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 제1입력선에 마련된 제1인덕터(300-1)의 일단은 출력단(3000)의 상측과 연결되며, 제1인덕터(300-1)의 타단은 제2커패시터(200-2)의 일단과 연결되고, 제2커패시터(200-2)의 타단은 제1스위치(100-1)의 소스 단자와 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1인덕터(300-1)의 인덕턴스(Inductance)와 상기 제2인덕터(300-2)의 인덕턴스는 동일하게 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제2커패시터(200-2)는 제1커패시터(200-1) 및 제3스위치(100-3) 사이의 제1지점(A)과 입력전원의 음의 단자에 연결된다. 이 경우, 일 실시 예에 따른 제1커패시터 및 제2커패시터를 포함하는 직렬회로는 입력전원과 병렬로 연결될 수 있다.
이에 따라, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 제1커패시터(200-1) 및 제2커패시터(200-2)에는 기동 전에 이미 제1커패시터(200-1) 전압 VC1 및 제2커패시터(200-2)의 전압 VC2 가 걸려있을 수 있다. 이 때 제1커패시터(200-1) 전압 VC1 및 제2커패시터(200-2)의 전압 VC2 의 합은 입력전원 Vin 이 될 수 있다. 예를 들면, 제1커패시터(200-1)의 전기 용량(Capacitance)과 제2커패시터(200-2)의 전기 용량은 동일하게 설정될 수 있는데, 이 경우 제1커패시터(200-1) 전압 VC1 및 제2커패시터(200-2)의 전압 VC2 에는 입력전원의 절반(Vin/2)이 걸릴 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기동 시 스위치 전압과 정상상태에서의 스위치 전압이 동일하므로, 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 달리 기동 시에도 스위치 전압이 상승하지 않아 스위치의 손상을 방지할 수 있고, 고효율의 컨버터 성능을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 달리 입력단(1000)과 출력단(3000) 사이에 제1스위치(100-1)를 연결하여 입력단(1000)과 출력단(3000)이 공통 접지 특성을 가지지 않으며, 제2커패시터(200-2)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 제1동작모드, 제2동작모드, 제3동작모드 및 제4동작모드를 포함하는 복수의 동작모드를 기반으로 전압 변환을 수행할 수 있다.
예를 들면, 제1동작모드는 제1스위치(100-1)와 제4스위치(100-4)를 턴 온 상태 및 제2스위치(100-2)와 제3스위치(100-3)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 제2동작모드와 제4동작모드는 제3스위치(100-3)와 제4스위치(100-4)를 턴 온 상태 및 제1스위치(100-1)와 제2스위치(100-2)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 제3동작모드는 제2스위치(100-2)와 제3스위치(100-3)를 턴 온 상태 및 제1스위치(100-1)와 제4스위치(100-4)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1스위치(100-1) 및 제2스위치(100-2)의 시비율과 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)의 시비율은 서로 다르게 설정될 수 있다.
도3a 내지 도3c는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 제1동작모드 내지 제4동작모드에서 작동하는 개념도를 도시한 도면이다.
도3a 내지 도3c에서 실선은 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1 의 이동경로이고, 1점 쇄선은 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2 의 이동경로이고, 2점 쇄선은 출력단에 흐르는 전류의 이동경로일 수 있다. 이 경우, 출력단에 흐르는 전류는 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1 와 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2의 합일 수 있다.
도3a는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 제1동작모드에서 작동하는 개념도를 도시한 도면이다. 예를 들면, 제1동작모드는 제1스위치(100-1)와 제4스위치(100-4)를 턴 온 상태 및 제2스위치(100-2)와 제3스위치(100-3)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다.
도3a 에서 도시된 바와 같이 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1는 입력전원, 제1커패시터(200-1), 제2커패시터(200-2), 제1인덕터(300-1), 출력단(3000), 제1스위치(100-1)를 통해 흐를 수 있다.
한편, 도3a 에서 도시된 바와 같이 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2는 제2인덕터(300-2)에 저장된 전기 에너지를 기반으로 제2인덕터(300-2), 출력단 및 제4스위치(100-4)의 바디 다이오드를 통해 환류될 수 있다.
따라서, 제1인덕터(300-1)는 입력에 의하여 충전되고, 제2인덕터(300-2)는 출력으로 방전될 수 있다. 또한, 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1에 의해 제1커패시터(200-1)는 충전되고, 제2커패시터(200-2)는 방전될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 제2스위치(100-2)에 걸리는 전압 vS2은 제1커패시터(200-1)에 걸리는 전압 VC1 과 제2커패시터(200-2)에 걸리는 전압 VC2의 합일 수 있다.
도3b는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 제2동작모드 및 제4동작모드에서 작동하는 개념도를 도시한 도면이다. 예를 들면, 일 실시 예에 따른 제2동작모드와 제4동작모드는 제3스위치(100-3)와 제4스위치(100-4)를 턴 온 상태 및 제1스위치(100-1)와 제2스위치(100-2)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다.
도3b 에서 도시된 바와 같이 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1는 제1인덕터(300-1)에 저장된 전기 에너지를 기반으로 제1인덕터(300-1), 출력단(3000) 및 제3스위치(100-3)의 바디 다이오드를 통해 환류될 수 있다.
한편, 도3b 에서 도시된 바와 같이 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2는 제2인덕터(300-2)에 저장된 전기 에너지를 기반으로 제2인덕터(300-2), 출력단 및 제4스위치(100-4)의 바디 다이오드를 통해 환류될 수 있다.
따라서, 제1인덕터(300-1) 및 제2인덕터(300-2)는 출력으로 방전될 수 있다. 또한, 제1커패시터(200-1) 및 제2커패시터(200-2)에는 전류가 흐르지 않는다.
도3c는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 제3동작모드에서 작동하는 개념도를 도시한 도면이다.
예를 들면, 일 실시 예에 따른 제3동작모드는 제2스위치(100-2)와 제3스위치(100-3)를 턴 온 상태 및 제1스위치(100-1)와 제4스위치(100-4)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다.
도3c 에서 도시된 바와 같이 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1는 제1인덕터(300-1)에 저장된 전기 에너지를 기반으로 제1인덕터(300-1), 출력단(3000) 및 제3스위치(100-3)의 바디 다이오드를 통해 환류될 수 있다.
한편, 도3c 에서 도시된 바와 같이 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2는 입력전원, 제2스위치(100-2), 제2인덕터(300-2), 출력단, 제4스위치(100-4)의 바디 다이오드, 제1커패시터(200-1) 및 제2커패시터(200-2)를 통해 흐를 수 있다.
따라서, 제1인덕터(300-1)는 출력에 의하여 방전되고, 제2인덕터(300-2)는 입력으로 충전될 수 있다. 또한, 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2에 의해 제1커패시터(200-1)는 방전되고, 제2커패시터(200-2)는 충전될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 제3스위치(100-3)의 바디 다이오드에 흐르는 전류는 출력단(3000)에 흐르는 전류로써, 제1인덕터(300-1)에 흐르는 전류 iL1 와 제2인덕터(300-2)에 흐르는 전류 iL2의 합일 수 있다.
도4는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 복수의 동작모드에서 출력하는 각 소자에 걸리는 전압 파형 및 각 소자에 흐르는 전류 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
도4는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수(fs)가 50kHz, 입력전압(Vin)이 300V, 출력전압(VO)이 48V 인 경우, 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 복수의 동작모드에서 출력하는 각 소자에 걸리는 전압 파형 및 각 소자에 흐르는 전류 파형을 도시한 도면이다.
또한, 일 실시 예에 따른 제1커패시터(200-1)의 전기 용량(Capacitance)과 상기 제2커패시터(200-2)의 전기 용량은 동일하게 설정될 수 있다. 이에 따라, 제1커패시터(200-1) 전압 VC1 및 제2커패시터(200-2)의 전압 VC2는 입력전압의 절반인 Vin/2 가 될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제1인덕터(300-1)의 인덕턴스(Inductance)와 상기 제2인덕터(300-2)의 인덕턴스는 동일하게 설정될 수 있다.
도4에서 도시한 바와 같이 일 실시 예에 따른 제1동작모드는 제1스위치(100-1)와 제4스위치(100-4)를 턴 온 상태 및 제2스위치(100-2)와 제3스위치(100-3)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 제2동작모드와 제4동작모드는 제3스위치(100-3)와 제4스위치(100-4)를 턴 온 상태 및 제1스위치(100-1)와 제2스위치(100-2)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 제3동작모드는 제2스위치(100-2)와 제3스위치(100-3)를 턴 온 상태 및 제1스위치(100-1)와 제4스위치(100-4)를 턴 오프 상태로 설정된 동작모드일 수 있다.
또한, 도4에서 도시한 바와 같이 일 실시 예에 따른 제1스위치(100-1) 및 제2스위치(100-2)의 시비율(D)과 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)의 시비율(1-D)은 서로 다르게 설정될 수 있다. 제1스위치(100-1) 및 제2스위치(100-2)의 시비율(D)과 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)의 시비율(1-D)이 다른 경우, 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 포화 문제없이 동작할 수 있다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 제1스위치(100-1), 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)의 각각에 걸리는 전압 vs1 , vs3 , vs4 는 0 ~ Vin/2 범위에서 변할 수 있다. 또한, 제2스위치(100-2)에 걸리는 전압 vs2 는 0 ~ Vin범위에서 변할 수 있다.
또한, 도4에서 도시한 바와 같이, 제1인덕터(300-1) 및 제2인덕터(300-2)의 각각에 걸리는 전압 vL1, vL2 는 -VO ~ (0.5 Vin - VO) 범위에서 변할 수 있다.
이 경우, 제1인덕터(300-1) 및 제2인덕터(300-2)의 플럭스 균형 조건(Flux balance condition)을 기반으로 수학식 1 이 도출될 수 있고, 수학식1을 이용하여 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 전압이득인 수학식2를 도출할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
한편, 제1커패시터(200-1) 및 제2커패시터(200-2)의 전하 균형 조건(Charge balance condition)을 기반으로 두 인덕터의 전류(iL1, iL2)가 아래의 수학식3처럼 도출될 수 있고, 이에 따라 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 내장형 인덕터 자동 밸런싱 기능을 유지할 수 있다.
Figure pat00003
도 3a 내지 도3c 및 도4에서 상술한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 복수의 동작모드에서 작동 시 각 소자에서 출력하는 주요 파형은, 도1에서 상술한 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)가 동작모드에서 작동 시 각 소자에서 출력하는 주요 파형과 유사하다.
그러나, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 비교하여, 입력단(1000)과 출력단(3000)이 공통 접지 특성을 가지지 않으며 입력전류(iin) 및 커패시터에 흐르는 전류(iC1, iC2) 가 다를 수 있다. 이에 관하여는 도5a 내지 도5b 에서 참조하여 후에 자세히 살펴보기로 한다.
도5a 내지 도5b는 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터와 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 출력하는 입력전류 파형 및 커패시터에 흐르는 전류 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
아래의 표1은 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 리플전압, 입력전류의 최대값과 실효값, 커패시터에 흐르는 전류, 입력전류의 주파수, 스위치에 걸리는 전압 및 스위치에 흐르는 전류 등을 나타낸다.
Figure pat00004
상술한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 비교하여, 입력단(1000)과 출력단(3000)이 공통 접지 특성을 가지지 않으며, 추가 커패시터를 더 포함할 수 있다.
도5a 는 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 출력하는 입력전류 파형 및 커패시터에 흐르는 전류 파형의 일 예를 도시한 도면이고, 도5b 는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 출력하는 입력전류 파형 및 커패시터에 흐르는 전류 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
도5a 내지 도5b 및 표1에서 도시한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 입력전류의 주파수는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 입력전류 주파수의 두 배일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 입력전류의 최대값은 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 입력전류의 최대값의 절반일 수 있다.
이에 따라, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 비교하여 추가 커패시터를 더 포함할 수 있으나, 도5a 내지 도5b 및 표1에서 도시한 바와 같이, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 커패시터에 흐르는 전류(iC1, iC2)는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 커패시터에 흐르는 전류보다 작을 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 리플 전압을 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 리플 전압과 동일하게 유지하기 위하여, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 제1커패시터(200-1) 및 제2커패시터(200-2)의 전기 용량은 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 캐피시터의 전기 용량의 절반일 수 있다.
따라서, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 추가 커패시터를 더 포함하지만, 전체 커패시터의 크기는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 커패시터의 크기와 같아질 수 있다.
한편, 표1에서 도시한 바와 같이 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 입력전류의 실효값은 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 입력전류의 실효값보다 감소되므로, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와 비교하여, 입력필터의 크기 및 무게를 줄일 수 있고, 가격적인 측면에서도 유리할 수 있다.
결과적으로, 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 입력단(1000)과 출력단(3000)이 공통 접지 특성을 가지지 않으며, 제2커패시터(200-2)를 더 포함할 수 있으나, 제1커패시터(200-1) 및 제2커패시터(200-2)를 포함한 전체 커패시터의 크기 및 무게는 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)의 커패시터의 크기 및 무게보다 감소될 수 있다.
도6a 내지 도6b는 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터와 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터가 스위치 기동 시 출력하는 각 스위치에 걸리는 전압 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
아래의 표2는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터에서 사용 가능한 회로 소자의 값(S1, S2, S3, S4, L1, L2, C1, C2) 및 출력전력(PO), 입력전압(Vin), 출력전압(VO), 스위칭 주파수(fs) 등을 나타낸 표이다. 아래의 수치는 하나의 예시로서 다른 회로 소자의 값(S1, S2, S3, S4, L1, L2, C1, C2) 및 출력전력(PO), 입력전압(Vin), 출력전압(VO), 스위칭 주파수(fs) 가 사용될 수 있다.
Figure pat00005
도6a 는 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터 기동 시, 각 스위치에 걸리는 전압 파형의 일 예를 도시한 도면이고, 도6b는 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터 기동 시, 각 스위치에 걸리는 전압 파형의 일 예를 도시한 도면이다.
도6a 내지 도6b에서 도시한 바와 같이, 두 개의 컨버터의 제2스위치(100-2)에는 기동 시(과도상태) 또는 정상상태에서 모두 입력전압(Vin)이 걸리게 된다. 또한, 두 개의 컨버터는 정상상태에서 제1스위치(100-1), 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)에 입력전원의 절반(Vin/2)이 걸릴 수 있다. 따라서, 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터와 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 정상 상태에서는 각 스위치에 걸리는 전압(vs1, vs2, vs3, vs4)이 동일하다.
그러나, 도6a 에서 도시한 바와 같이 기존의 이중 강압형 DC/DC 컨버터는 기동 시 제1스위치(100-1), 제3스위치(100-3) 및 제4스위치(100-4)에 정상상태일 때의 전압보다 높은 전압이 걸리게 되는 바, 기동 시 스위치 전압이 상승하게 되는 문제가 있었다. 예를 들면, 도6a 에서 도시한 바와 같이 제1스위치(100-1) 및 제3스위치(100-3)에는 입력전원의 크기를 최대값으로 가지는 발진현상(Oscillation)이 있고, 제4스위치(100-4)에는 입력전원의 크기보다 낮은 값을 최대값으로 가지는 발진현상(Oscillation)이 있을 수 있다.
한편, 도6b 에서 도시한 바와 같이 일 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 각 스위치에는 기동 시에도 정상상태와 같은 전압(Vin/2)이 걸리는 바, 기존의 이중 강압형 벅 컨버터(SC Buck Converter)와는 다르게 기동 시 스위치 전압이 상승하지 않을 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 이중 강압형 DC/DC 컨버터 기동 시에도 스위치의 손상을 방지할 수 있고, 고효율의 컨버터 성능을 가질 수 있다.
다양한 실시 예에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 메모리(permanent storage), 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다.
소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명에서 인용하는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 등을 포함하는 모든 문헌들은 각 인용 문헌이 개별적으로 및 구체적으로 병합하여 나타내는 것 또는 에서 전체적으로 병합하여 나타낸 것과 동일하게 에 병합될 수 있다.
본 발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시 예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 특정 용어에 의해 이 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
1000: 입력단 2000: 변환회로
2100: 제1레그 2300: 제2레그
3000: 출력단 100-1: 제1스위치
100-2: 제2스위치 100-3: 제3스위치
100-4: 제4스위치 200-1: 제1커패시터 200-2: 제2커패시터 300-1: 제1인덕터 300-2: 제2인덕터 400: 출력커패시터
500: 출력저항

Claims (18)

  1. 복수의 동작모드를 기반으로 입력전원을 포함하는 입력단과 출력 커패시터 및 출력저항의 병렬회로를 포함하는 출력단 사이에서 전압 변환을 수행하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터에 있어서,
    상기 입력전원의 음의 단자에 소스 단자가 연결되고, 상기 출력단의 하측에 드레인 단자가 연결되는 제1스위치;
    병렬로 연결된 제1레그 및 제2레그를 포함하고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 상측 접점은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 하측 접점은 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며,
    상기 제1레그에는 제1커패시터 및 제3스위치가 마련되고, 상기 제2레그에는 제2스위치 및 제4스위치가 마련되고,
    상기 제1커패시터 및 상기 제3스위치 사이의 제1지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제1입력선에는 제1인덕터가 마련되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 제2지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제2입력선에는 제2인덕터가 마련되는 변환회로; 및
    상기 제1지점과 상기 입력전원의 음의 단자에 연결되는 제2커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동작모드는 제1동작모드, 제2동작모드, 제3동작모드 및 제4동작모드를 포함하며, 상기 제1동작모드는 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제2동작모드와 상기 제4동작모드는 상기 제3스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제3동작모드는 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 오프 상태로 설정하는 것을 특징으로 하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1레그의 상측에 마련되는 상기 제1커패시터의 일단은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1커패시터의 타단은 상기 제1레그의 하측에 마련되는 상기 제3스위치의 드레인 단자와 연결되고, 상기 제3스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며,
    상기 제2레그의 상측에 마련되는 상기 제2스위치의 드레인 단자는 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제2스위치의 소스 단자는 상기 제2레그의 하측에 마련되는 상기 제4스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제4스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1입력선에 마련된 상기 제1인덕터의 일단은 상기 출력단의 상측과 연결되며, 상기 제1인덕터의 타단은 상기 제2커패시터의 일단과 연결되고, 상기 제2커패시터의 타단은 상기 제1스위치의 소스 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터를 포함하는 직렬회로는 상기 입력전원과 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 시비율과 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 시비율은 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치는 N-채널 파워 MOSFET 인 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1커패시터의 전기 용량(Capacitance)과 상기 제2커패시터의 전기 용량은 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1인덕터의 인덕턴스(Inductance)와 상기 제2인덕터의 인덕턴스는 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터.
  10. 복수의 동작모드를 기반으로 입력전원을 포함하는 입력단과 출력 커패시터와 출력저항의 병렬회로를 포함하는 출력단 사이에서 전압 변환을 수행하는 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법에 있어서,
    상기 입력전원을 통하여 입력단에서 제1전압을 입력받는 단계; 및
    상기 복수의 동작모드를 기반으로 상기 제1전압을 상기 출련단의 제2전압으로 변환하는 단계; 를 포함하며,
    상기 이중 강압형 DC/DC 컨버터는
    상기 입력전원의 음의 단자에 소스 단자가 연결되고, 상기 출력단의 하측에 드레인 단자가 연결되는 제1스위치;
    병렬로 연결된 제1레그 및 제2레그를 포함하고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 상측 접점은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1레그 및 상기 제2레그의 하측 접점은 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며,
    상기 제1레그는 제1커패시터 및 제3스위치가 마련되고, 상기 제2레그에는 제2스위치 및 제4스위치가 마련되고,
    상기 제1커패시터 및 상기 제3스위치 사이의 제1지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제1입력선에는 제1인덕터가 마련되고, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 제2지점과 상기 출력단의 상측을 연결하는 제2입력선에는 제2인덕터가 마련되는 변환회로; 및
    상기 제1지점과 상기 입력전원의 음의 단자에 연결되는 제2커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 동작모드는 제1동작모드, 제2동작모드, 제3동작모드 및 제4동작모드를 포함하며, 상기 제1동작모드는 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제2동작모드와 상기 제4동작모드는 상기 제3스위치와 상기 제4스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제2스위치를 턴 오프 상태로 설정하고, 상기 제3동작모드는 상기 제2스위치와 상기 제3스위치를 턴 온 상태 및 상기 제1스위치와 상기 제4스위치를 턴 오프 상태로 설정하는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1레그의 상측에 마련되는 상기 제1커패시터의 일단은 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제1커패시터의 타단은 상기 제1레그의 하측에 마련되는 상기 제3스위치의 드레인 단자와 연결되고, 상기 제3스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되며,
    상기 제2레그의 상측에 마련되는 상기 제2스위치의 드레인 단자는 상기 입력전원의 양의 단자와 연결되고, 상기 제2스위치의 소스 단자는 상기 제2레그의 하측에 마련되는 상기 제4스위치의 드레인 단자와 연결되며, 상기 제4스위치의 소스 단자는 상기 제1스위치의 드레인 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1입력선에 마련된 상기 제1인덕터의 일단은 상기 출력단의 상측과 연결되며, 상기 제1인덕터의 타단은 상기 제2커패시터의 일단과 연결되고, 상기 제2커패시터의 타단은 상기 제1스위치의 소스 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터를 포함하는 직렬회로는 상기 입력전원과 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 시비율과 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치의 시비율은 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1스위치, 상기 제2스위치, 상기 제3스위치 및 상기 제4스위치는 N-채널 파워 MOSFET 인 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제1커패시터의 전기 용량(Capacitance)과 상기 제2커패시터의 전기 용량은 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 제1인덕터의 인덕턴스(Inductance)와 상기 제2인덕터의 인덕턴스는 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는, 이중 강압형 DC/DC 컨버터의 구동방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220109557A (ko) * 2021-01-29 2022-08-05 경북대학교 산학협력단 비대칭 펄스폭 변조 직렬-커패시터 고강압 직류 변환기 및 그 구동 방법
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