KR20180128223A

KR20180128223A - 부스트 dc/dc 컨버터

Info

Publication number: KR20180128223A
Application number: KR1020170063467A
Authority: KR
Inventors: 우영진
Original assignee: 주식회사 실리콘웍스
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-12-03
Also published as: KR102394869B1

Abstract

본 발명은, 일반적인 부스트 컨버터에서 사용될 수 있는 부스트전력부와 더불어 출력노드로 보조전류를 공급할 수 있는 하이브리드전력부를 포함하는 DC/DC 컨버터를 제공함으로써 컨버터에서 출력캐패시터의 리플전압을 줄이고 인덕터의 전류 부담을 줄이는 기술을 제공한다.

Description

부스트 DC/DC 컨버터{BOOST DC/DC CONVERTER}

본 발명은 전력을 변환하는 컨버터에 관한 것이다.

전력을 변환하는 컨버터 중 입력전압보다 출력전압을 높혀서 출력하는 컨버터를 부스트 컨버터(boost converter)라고 한다. 경우에 따라서는 부스트 컨버터를 스텝업(step-up) 컨버터로 부르기도 한다.

일반적으로 부스트 컨버터는 제1시구간-DT에 해당되는 시구간(D는 duty, T는 스위칭주기)-에서 인덕터에 전류를 빌드업시키고 제2시구간-(1-D)T에 해당되는 시구간-에서 빌드업된 전류를 부하로 출력하는 구조를 가진다. 실제 구현에서는 인덕터 전류를 부하로 바로 공급할 수 없기 때문에 인덕터와 부하 사이에 출력캐패시터가 삽입되고 인덕터 전류는 출력캐패시터를 거쳐 부하로 공급되게 된다.

한편, 이러한 구조에서 인덕터의 전류는 제2시구간에서만 출력캐패시터로 전달되기 때문에 출력캐패시터의 리플전압이 크고, 인덕터의 전류 부담도 크게 나타난다.

출력캐패시터의 리플전압이 커지면 부하의 입장에서 불안정한 전압을 공급받는 문제가 있으며, 출력캐패시터의 입장에서도 내부저항에 따른 발열량이 증가하는 문제가 있거나 내부저항을 낮추기 위해 고가의 부품이 사용되어야 하는 문제가 있다.

그리고, 인덕터의 전류 부담이 커지면 인덕터를 구성하는 선(와이어)의 두께가 커지고 이에 따라 인덕터 전체의 부피가 증가하는 문제가 있다.

전자제품의 경박단소화의 추세에 따라 부스트 컨버터에서 각 부품들의 부피를 줄이기 위해서는 출력캐패시터의 리플전압을 줄이고 인덕터의 전류 부담을 줄일 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 부스트 컨버터에서 출력캐패시터의 리플전압을 줄이고 인덕터의 전류 부담을 줄이는 기술을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 일반적인 부스트 컨버터에서 사용될 수 있는 부스트전력부와 더불어 출력노드로 보조전류를 공급할 수 있는 하이브리드전력부를 포함하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.

이러한 컨버터에서, 부스트전력부는 입력노드와 연결되면서 스위칭주기의 제1시구간에서 인덕터전류를 빌드업하고 스위칭주기의 제2시구간에서 인덕터전류를 중간노드로 출력할 수 있다.

그리고, 하이브리드출력부는 제1시구간에서, 입력노드로부터 중간캐패시터를 제1방향으로 경유하여 출력노드에 이르는 제1전력경로를 형성하고, 제2시구간에서, 중간노드로부터 중간캐패시터를 제2방향으로 경유하여 출력노드에 이르는 제2전력경로를 형성할 수 있다.

부스트전력부는 인덕터를 포함할 수 있는데, 인덕터의 일측은 입력노드와 연결되고 인덕터의 타측은 제1시구간에서는 그라운드전압과 연결되고 제2시구간에서는 중간노드와 연결될 수 있다.

그리고, 부스트전력부는 인덕터의 타측과 그라운드전압을 연결시키는 제1스위치 및 인덕터의 타측과 중간노드를 연결시키는 제2스위치를 포함할 수 있는데, 제1스위치는 제1시구간에서 턴온되고, 제2시구간에서 턴오프될 수 있다. 그리고, 제2스위치는 제1시구간에서 턴오프되고 제2시구간에서 턴온될 수 있다.

하이브리드전력부는 서로 다른 전력경로를 형성하는 제3스위치 및 제4스위치를 포함할 수 있는데, 제3스위치는 중간캐패시터의 일측을 출력노드로 연결시키고 제4스위치는 중간캐패시터의 타측을 출력노드로 연결시킬 수 있다. 그리고, 제3스위치가 턴온되면 전술한 제1전력경로가 형성되고, 제4스위치가 턴온되면 전술한 제2전력경로가 형성될 수 있다.

그리고, 중간노드는 중간캐패시터의 일측과 연결될 수 있고, 하이브리드전력부는 중간캐패시터의 타측을 입력노드로 연결시킬 수 있는 제5스위치를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제5스위치는 인덕터전류가 중간캐패시터의 일측으로 출력되는 제2시구간에서 턴오프되고, 인덕터전류가 중간캐패시터의 일측으로 출력되지 않는 제1시구간에서 턴온될 수 있다.

한편, 입력노드에 형성되는 입력전압 대비 출력노드에 형성되는 출력전압의 비율(M)은 M=(2-D)/(2(1-D))을 따를 수 있다.

그리고, 중간캐패시터에는 입력노드에 형성되는 입력전압(Vi)에서 출력노드에 형성되는 출력전압(Vo)의 차이에 해당되는 전압(Vi-Vo)으로부터 일정 범위 이내의 전압이 형성될 수 있다.

그리고, 전술한 제1전력경로에 흐르는 전류를 제1시구간으로 누적시킨 적분값과 제2전력경로에 흐르는 전류를 제2시구간으로 누적시킨 적분값은 실질적으로 동일할 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은, 일측이 입력노드와 연결되고 타측이 제1교점노드와 연결되는 인덕터, 제1교점노드와 그라운드전압을 연결시키는 제1스위치 및 제1교점노드와 중간노드를 연결시키는 제2스위치를 포함하는 부스트전력부; 및 일측이 중간노드와 연결되고 타측이 제2교점노드와 연결되는 중간캐패시터, 중간노드와 출력노드를 연결시키는 제3스위치, 제2교점노드와 출력노드를 연결시키는 제4스위치 및 제2교점노드와 입력노드를 연결시키는 제5스위치를 포함하는 하이브리드전력부를 포함하는 DC/DC 컨버터를 제공한다.

이러한 컨버터에서, 제2스위치와 제5스위치가 교번하면서 턴온되고, 제3스위치는 제5스위치와 동기화되어 온오프(ON/OFF)되고, 제4스위치는 제2스위치와 동기화되어 온오프될 수 있다. 그리고, 제1스위치는 제3스위치 및 제5스위치와 동기화되어 온오프될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 출력캐패시터의 리플전압이 감소하고 인덕터의 전류 부담 및 부피가 감소하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 부스트 컨버터에서 제1스위치가 턴온될 때의 상태도이다.
도 2는 일반적인 부스트 컨버터에서 제1스위치가 턴오프될 때의 상태도다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 부스트 컨버터의 주요 파형도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 컨버터의 구성도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전력단의 구성도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력단의 제1시구간 상태도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 전력단의 제2시구간 상태도이다.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 일 실시예에 따른 전력단의 주요 파형도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 컨버터의 전압비를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 일반적인 부스트 컨버터에서 제1스위치가 턴온될 때의 상태도이고, 도 2는 일반적인 부스트 컨버터에서 제1스위치가 턴오프될 때의 상태도다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 부스트 컨버터(10)는 입력부(12), 부스트전력부(14) 및 출력부(16)를 포함할 수 있다.

입력부(12)는 입력전압(Vi)을 공급받는 입력캐패시터(Ci)를 포함하고, 부스트전력부(14)는 인덕터(L) 및 복수의 스위치(S1, S2)를 포함하며, 출력부(16)는 출력캐패시터(Co)를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 일반적인 부스트 컨버터(10)에서 제1스위치(S1)가 턴온되면 인덕터(L)에 전류(iL)가 빌드업된다. 이때, 제2스위치(S2)는 턴오프되기 때문에, 제2스위치전류(is2)는 0A가 된다. 제2스위치(S2)는 인덕터(L)와 출력캐패시터(Co)를 연결시켜 주기 때문에 제2스위치전류(is2)가 0A라는 것은 인덕터(L)에서 출력캐패시터(Co)로 전달되는 전류가 없다는 것을 의미한다.

도 2를 참조하면, 일반적인 부스트 컨버터(10)에서 제1스위치(S1)가 턴오프되면 인덕터(L)에 빌드업된 전류(iL)는 제2스위치(S2)를 경유하여 출력캐패시터(Co)로 전달되게 된다. 제1스위치(S1)가 턴오프될 때 제2스위치(S2)는 턴온되는데, 이때, 제2스위치전류(is2)는 인덕터전류(iL)와 같아지게 된다.

일반적인 부스트 컨버터(10)는 매 주기(T)마다 제1스위치(S1)가 턴온과 턴오프를 반복하고, 제2스위치(S2)는 턴오프와 턴온을 반복하면서 도 1의 상태와 도 2의 상태를 반복하게 된다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 부스트 컨버터의 주요 파형도이다.

한 주기(T)에서 출력캐패시터로 입력되는 제2스위치전류(is2)와 출력캐패시터에서 출력되는 부하전류(io)의 크기는 같기 때문에, 한 주기(T) 동안의 제2스위치전류(is2)의 평균값과 부하전류(io)의 평균값은 같게 된다. 그런데, 제2스위치전류(is2)는 제1스위치가 턴온되는 시구간(S1 ON)에서는 0A가 되는데, 이에 따라, 한 주기(T) 동안의 평균값이 부하전류(io)와 같아지기 위해서는 제1스위치가 턴오프되는 시구간(S1 OFF)에서 상대적으로 큰 값을 가져야 한다.

캐패시터로 입력되는 전류의 편차가 커지면 해당 캐패시터의 리플전압이 높아지게 되는데, 일반적인 부스트 컨버터는 제1스위치가 턴온되는 시구간(S1 ON)에서는 출력캐패시터로 입력되는 전류가 0A이었다가 제1스위치가 턴오프되는 시구간(S1 OFF)에서 상대적으로 큰 전류가 전달되면서 출력캐패시터전압(Vco)의 리플전압(ΔVco1)이 커지는 문제가 있다.

한편, 인덕터전류(iL)는 제1스위치가 턴오프되는 시구간(S1 OFF)에서는 제2스위치전류(is2)와 같아지고 이 시구간(S1 OFF)의 변동폭만큼 다른 시구간(S1 ON)에서도 변동하게 되는데, 이에 따라, 인덕터전류의 평균값(iLavg)은 제1스위치가 턴오프되는 시구간(S1 OFF)에서의 제2스위치전류(is2)의 평균값과 같아지게 된다. 그런데, 전술한 것과 같이 제1스위치가 턴오프되는 시구간(S1 OFF)에서 제2스위치전류(is2)가 상대적으로 큰 값을 가지기 때문에 인덕터전류의 평균값(iLavg)도 상대적으로 큰 값을 가지게 된다.

도 3에서는 비교를 위해, 인덕터전류의 평균값(iLavg)과 부하전류(io)의 전류차이(G1)를 표시하였는데, 이러한 전류차이(G1)가 커진다는 것은 부하전류(io)의 크기에 대비하여 인덕터의 전류 부담이 커지게 된다는 것을 의미하게 된다.

이러한 일반적인 부스트 컨버터에서의 출력캐패시터 리플전압 및 인덕터 전류 부담을 줄이기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터는 보조경로를 이용하여 전류 공급을 분담하는 구조를 제시한다.

일 실시예에 따른 컨버터에 의하면, 부스트 전력단이 출력캐패시터로 전류를 공급하지 않는 시구간에서 보조경로를 통해 출력캐패시터로 별도로 전류가 공급됨으로써 출력캐패시터의 입력 전류 편차가 줄어들고 이에 따라 출력캐패시터의 리플전압이 줄어들게 된다. 또한, 전류 공급의 분담에 따라 부스트 전력단을 통해 공급되는 전류가 줄어들면서 부스트 전력단에 포함되는 인덕터의 전류 부담도 감소하게 된다.

도 4는 일 실시예에 따른 컨버터의 구성도이다.

도 4를 참조하면, 컨버터(100)는 전력단(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.

전력단(110)은 인덕터 및 복수의 스위치를 포함할 수 있다.

제어부(120)는 제어신호(CTR)를 전력단(110)으로 전송하여 복수의 스위치를 온오프(ON/OFF)제어할 수 있다. 그리고, 전력단(110)은 스위치들의 온오프에 따라 부스트 컨버터로 작동될 수 있다.

전력단(110)이 부스트 컨버터로 작동되는 경우, 출력전압(Vo)은 입력전압(Vi)보다 높게 제어될 수 있다.

이하에서 전력단(110)의 구성 및 상태가 주로 설명되는데, 이러한 전력단(110)의 스위치들은 제어부(120)에 의해 제어되는 것으로 이해할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 전력단의 구성도이다.

도 5를 참조하면, 전력단(110)은 입력부(112), 부스트전력부(114), 출력부(116) 및 하이브리드전력부(118)를 포함할 수 있다.

입력부(112)는 입력전압(Vi)이 공급되는 입력캐패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 입력캐패시터(Ci)는 입력전압(Vi)을 일시적으로 저장하고 입력전압(Vi)에 포함된 노이즈를 필터링할 수 있다. 입력부(112)는 입력캐패시터(Ci)와 같은 용량성소자 이외에 필요에 따라 초크(choke)와 같은 유도성소자를 더 포함할 수 있다. 이러한 유도성소자는 전자파간섭(EMI: Electro Magnetic Interference)을 완화시키는 기능을 수행할 수 있다.

출력부(116)는 출력전압(Vo)을 부하로 공급하는 출력캐패시터(Co)를 포함할 수 있다. 출력캐패시터(Co)는 출력전압(Vo)을 일시적으로 저장하고 출력전압(Vo)에 포함된 노이즈를 필터링할 수 있다. 출력부(116)는 출력캐패시터(Co)와 같은 용량성소자 이외에 필요에 따라 출력인덕터와 같은 유도성소자를 더 포함할 수 있다. 이러한 유도성소자는 출력노이즈를 완화시키는 기능을 수행할 수 있다.

부스트전력부(114)는 인덕터(L) 및 복수의 스위치(S1, S2)를 포함할 수 있다.

부스트전력부(114)는 일측이 입력노드(Ni)와 연결되고 타측이 중간노드(Nc)와 연결될 수 있다. 부스트전력부(114)는 입력노드(Ni)로부터 공급되는 전력을 변환-예를 들어, 챠핑(chopping)-하여 중간노드(Nc)로 전달할 수 있다.

여기서, 입력노드(Ni)는 일 예로, 입력캐패시터(Ci)의 일측 노드와 연결될 수 있다. 그리고, 중간노드(Nc)는 하이브리드전력부(118)의 일 입력단과 연결될 수 있다.

부스트전력부(114)는 스위칭주기의 제1시구간에서 인덕터전류(iL)를 빌드업하고, 스위칭주기의 제2시구간에서 인덕터전류(iL)를 중간노드(Nc)로 출력할 수 있다.

부스트전력부(114)에서 인덕터(L), 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)는 하나의 교점노드에 연결될 수 있다. 설명의 편의를 위해 이러한 하나의 교점노드를 제1교점노드(N1)로 호칭한다.

부스트전력부(114)에서 인덕터(L)는 일측이 입력노드(Ni)와 연결되고 타측이 제1교점노드(N1)와 연결될 수 있다. 그리고, 제1스위치(S1)는 제1교점노드(N1)와 그라운드전압을 연결시킬 수 있고, 제2스위치(S2)는 제1교점노드(N1)와 중간노드(Nc)를 연결시킬 수 있다.

부스트전력부(114)에서 제1시구간에 제1스위치(S1)가 턴온되고 제2스위치(S2)는 턴오프되는데, 이때, 제1스위치(S1)의 턴온에 따라 인덕터(L)의 일측으로는 입력전압(Vi)이 공급되고 타측으로는 그라운드전압이 연결되면서 인덕터전류(iL)가 빌드업될 수 있다.

부스트전력부(114)에서 제2시구간에 제1스위치(S1)가 턴오프되고 제2스위치(S2)가 턴온되는데, 이때, 인덕터(L)에 빌드업된 전류(iL)가 제2스위치(S2)를 경유하여 중간노드(Nc)로 출력되게 된다.

하이브리드전력부(118)는 중간캐패시터(Cf) 및 복수의 스위치(S3, S4, S5)를 포함할 수 있다.

하이브리드전력부(118)에서 중간캐패시터(Cf)는 일측이 중간노드(Nc)와 연결되고 타측이 제2교점노드(N2)와 연결될 수 있다. 그리고, 제3스위치(S3)는 중간노드(Nc)와 출력노드(No)를 연결시키고, 제4스위치(S4)는 제2교점노드(N2)와 출력노드(No)를 연결시키며, 제5스위치(S5)는 입력노드(Ni)와 제2교점노드(N2)를 연결시킬 수 있다.

하이브리드전력부(118)는 제1시구간에서 입력노드(Ni)로부터 중간캐패시터(Cf)를 제1방향으로 경유하여 출력노드(No)에 이르는 제1전력경로(P1)를 형성할 수 있다. 그리고, 하이브리드전력부(118)는 제2시구간에서 중간노드(Nc)로부터 중간캐패시터(Cf)를 제2방향으로 경유하여 출력노드(No)에 이르는 제2전력경로(P2)를 형성할 수 있다.

하이브리드전력부(118)는 부스트전력부(114)에서 중간노드(Nc)로 출력하는 전류를 제2전력경로(P2)를 통해 출력캐패시터(Co)로 전달하는 것과 더불어 제2전력경로(P2)와 다른 제1전력경로(P1)를 통해 입력노드(Ni)로부터 공급되는 전류를 출력캐패시터(Co)로 전달할 수 있다. 제1전력경로(P1)와 제2전력경로(P2)는 서로 다른 시구간에서 형성되기 때문에 출력캐패시터(Co)의 리플전압이 감소되게 된다. 그리고, 제1전력경로(P1)와 제2전력경로(P2)가 전력 공급을 분담하게 되는데, 부스트전력부(114)는 제2전력경로(P2)에만 관여하기 때문에 부스트전력부(114)의 전력 부담이 감소하게 되고, 부스트전력부(114)에 포함된 인덕터(L)의 전류 부담도 줄어들게 된다.

도 6은 일 실시예에 따른 전력단의 제1시구간 상태도이다.

도 6을 참조하면, 제1시구간에서 제1스위치(S1), 제3스위치(S3) 및 제5스위치(S5)가 턴온되고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)는 턴오프될 수 있다. 실질적으로 일 실시예에서 제1스위치(S1), 제3스위치(S3) 및 제5스위치(S5)는 동기화되어 온오프(ON/OFF)되고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)는 동기화되어 온오프될 수 있다.

부스트전력부(114)에서 제1스위치(S1)가 턴온되면, 인덕터(L)의 일측으로 입력전압(Vi)이 공급되고 인덕터(L)의 타측으로 그라운드전압이 공급되면서 인덕터전류(iL)가 빌드업될 수 있다. 이때, 인덕터전류(iL)는 입력캐패시터(Ci)로부터 인덕터(L)를 경유하여 그라운드로 흐르게 된다.

제1스위치(S1)가 턴온될 때, 제2스위치(S2)는 턴오프되면서 제2스위치(S2)로는 전류가 흐르지 않게 된다.

하이브리드전력부(118)에서 제3스위치(S3) 및 제5스위치(S5)가 턴온되고, 제4스위치(S4)가 턴오프되면, 입력노드(Ni)로부터 중간캐패시터(Cf)를 제1방향으로 경유하여 출력노드(No)에 이르는 제1전력경로(P1)가 형성될 수 있다.

제1전력경로(P1)가 형성되면, 입력노드(Ni)로부터 공급되는 보조전류(ia)가 제5스위치(S5), 중간캐패시터(Cf) 및 제3스위치(S3)를 경유하여 출력캐패시터(Co)의 입력전류(ico)로서 공급되게 된다.

중간캐패시터(Cf)에 형성되는 전압(Vcf)은 출력전압(Vo)에서 입력전압(Vi)의 차이에 해당되는 전압(Vo-Vi)이다. 중간캐패시터(Cf)로 유출입되는 전류에 따라 중간캐패시터(Cf)에 형성되는 전압(Vcf)도 변하기 때문에 중간캐패시터(Cf)에 형성되는 전압(Vcf)은 실질적으로 Vo-Vi로부터 일정 범위 이내의 전압일 수 있다. 여기서, 중간캐패시터(Cf)의 용량에 따라 중간캐패시터전압(Vcf)의 변동폭이 정해질 수 있는데, 중간캐패시터(Cf)의 용량이 크면 클수록 중간캐패시터전압(Vcf)의 변동폭이 작아진다.

도 7은 일 실시예에 따른 전력단의 제2시구간 상태도이다.

도 7을 참조하면, 제2시구간에서 제1스위치(S1), 제3스위치(S3) 및 제5스위치(S5)가 턴오프되고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)는 턴온될 수 있다.

부스트전력부(114)에서 제1스위치(S1)가 턴오프되고, 제2스위치(S2)가 턴온되면, 인덕터(L)에 빌드업된 전류(iL)는 중간노드(Nc)로 출력될 수 있다. 그리고, 인덕터(L)의 일측으로는 입력전압(Vi)이 공급되고 타측으로는 2배의 출력전압(2Vo)과 입력전압(Vi)의 차이에 해당되는 전압(2Vo-Vi)이 공급되면서 인덕터전류(iL)는 서서히 감소하게 된다.

하이브리드전력부(118)에서는 제3스위치(S3) 및 제5스위치(S5)가 턴오프되고, 제4스위치(S4)가 턴온되면서, 중간노드(Nc)로부터 중간캐패시터(Cf)를 제2방향으로 경유하여 출력노드(No)에 이르는 제2전력경로(P2)가 형성될 수 있다.

이때, 중간노드(Nc)로는 인덕터전류(iL)가 공급되고 있기 때문에 제2전력경로(P2)에는 실질적으로 인덕터전류(iL)가 흐르게 되고, 이러한 인덕터전류(iL)가 출력캐패시터(Co)의 입력전류(ico)로서 공급되게 된다. 그리고, 이러한 인덕터전류(iL)는 동시에 중간캐패시터(Cf)를 충전하게 되는데, 제2시구간 동안 중간캐패시터(Cf)에 충전된 전하가 다시 제1시구간에서의 보조전류(ia)를 형성한다.

한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 출력캐패시터(Co)의 입력전류(ico)는 제1시구간에서는 보조전류(ia)가 되고, 제2시구간에서는 인덕터전류(iL)이 되면서 전체 스위치주기에서 출력캐패시터(Co)의 입력전류(ico)의 편차가 줄어들게 된다.

그리고, 제2전력경로(P2)에서 인덕터전류(iL)는 중간캐패시터(Cf)의 일측-중간노드(Nc)와 연결되는 측-으로부터 타측-제2교점노드(N2)와 연결되는 측-으로 흐르고-중간캐패시터(Cf)의 제2방향으로 흐르고-, 제1전력경로(P1)에서 보조전류(ia)는 중간캐패시터(Cf)의 타측으로부터 일측으로 흐르게 된다-중간캐패시터(Cf)의 제1방향으로 흐른다-. 이렇게 인덕터전류(iL)와 보조전류(ia)가 중간캐패시터(Cf)의 서로 다른 방향으로 흐르면서 중간캐패시터(Cf)의 전류 밸런싱이 유지되게 된다. 실질적으로 제1시구간으로 누적시킨 보조전류(ia)의 적분값과 제2시구간으로 누적시킨 인덕터전류(iL)의 적분값은 같을 수 있다.

도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 일 실시예에 따른 전력단의 주요 파형도이다.

출력캐패시터의 입력전류(ico)는 제1시구간(TIME #1)에서 보조전류(ia)와 같아지고, 제2시구간(TIME #2)에서 인덕터전류(iL)와 같아진다. 그리고, 한 주기(T) 동안의 부하전류(io)는 출력캐패시터의 입력전류(ico)와 같아지게 된다. 이에 따라, 인덕터전류(iL)는 도 3에 도시된 것보다 작아지게 되고 인덕터전류의 평균값(iLavg)과 부하전류(io)의 전류차이(G2)는 도 3에 도시된 것보다 작아지게 된다.

더불어, 한 주기(T) 동안에서 출력캐패시터의 입력전류(ico)의 전류 편차(최대값과 최소값의 차이)가 작기 때문에 출력캐패시터전압(Vco)의 리플전압(ΔVco2)도 도 3에 비해 작아지게 된다.

도 9는 일 실시예에 따른 컨버터의 전압비를 나타내는 그래프이다.

일 실시예에 따른 컨버터에서, 인덕터 전류가 연속모드(CCM: Continuous Conduction Mode)에서 동작할 때, 입력노드에 형성되는 입력전압 대비 출력노드에 형성되는 출력전압의 비율(M1)은 M1=(2-D)/(2(1-D))을 따를 수 있다-D는 스위칭주기 중 제1시구간의 비율(듀티)-.

일반적인 부스트 컨버터의 입력전압 대비 출력전압의 비율(M2)는 1/(1-D)를 따르는데, M1과 M2를 비교해 보면, M1이 듀티(D)에 대한 민감성이 낮은 것을 알 수 있다. 예를 들어, 일반적인 부스트 컨버터는 듀티의 변동에 따라 입력전압 대비 출력전압의 비율이 많이 변했는데, 일 실시예에 따른 컨버터는 듀티에 대한 민감성이 상대적으로 낮다. 듀티에 대한 민감성이 높으면 제어의 안정성이 낮아질 수 있는데, 이러한 관점에서 일 실시예에 따른 컨버터의 제어 안정성이 일반적인 부스트 컨버터보다 높다는 것을 알 수 있다.

이상에서 일 실시예에 따른 컨버터에 대해 설명하였는데, 이러한 실시예에 의하면, 출력캐패시터의 리플전압이 감소하고 인덕터의 전류 부담 및 부피가 감소하는 효과가 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

입력노드와 연결되고 스위칭주기의 제1시구간에서 인덕터전류를 빌드업하고 상기 스위칭주기의 제2시구간에서 상기 인덕터전류를 중간노드로 출력하는 부스트전력부; 및
상기 제1시구간에서, 상기 입력노드로부터 중간캐패시터를 제1방향으로 경유하여 출력노드에 이르는 제1전력경로를 형성하고, 상기 제2시구간에서, 상기 중간노드로부터 상기 중간캐패시터를 제2방향으로 경유하여 상기 출력노드에 이르는 제2전력경로를 형성하는 하이브리드전력부
를 포함하는 DC/DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 부스트전력부는 인덕터를 포함하고,
상기 인덕터의 일측은 상기 입력노드와 연결되고, 상기 인덕터의 타측은 상기 제1시구간에서 그라운드전압과 연결되고 상기 제2시구간에서 상기 중간노드와 연결되는 DC/DC 컨버터.
제2항에 있어서,
상기 부스트전력부는 상기 인덕터의 타측과 상기 그라운드전압을 연결시키는 제1스위치 및 상기 인덕터의 타측과 상기 중간노드를 연결시키는 제2스위치를 포함하고,
상기 제1스위치는 상기 제1시구간에서 턴온되고 상기 제2시구간에서 턴오프되고,
상기 제2스위치는 상기 제1시구간에서 턴오프되고 상기 제2시구간에서 턴온되는 DC/DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 하이브리드전력부는,
상기 중간캐패시터의 일측을 상기 출력노드로 연결시키는 제3스위치 및 상기 중간캐패시터의 타측을 상기 출력노드로 연결시키는 제4스위치를 포함하고,
상기 제3스위치의 턴온에 따라 상기 제1전력경로가 형성되고, 상기 제4스위치의 턴온에 따라 상기 제2전력경로가 형성되는 DC/DC 컨버터.
제4항에 있어서,
상기 중간노드는 상기 중간캐패시터의 일측과 연결되고,
상기 하이브리드전력부는,
상기 중간캐패시터의 타측을 상기 입력노드로 연결시키는 제5스위치를 포함하고,
상기 제5스위치는 상기 인덕터전류가 상기 중간캐패시터의 일측으로 출력되는 상기 제2시구간에서 턴오프되고, 상기 인덕터전류가 상기 중간캐패시터의 일측으로 출력되지 않는 상기 제1시구간에서 턴온되는 DC/DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 입력노드에 형성되는 입력전압 대비 상기 출력노드에 형성되는 출력전압의 비율(M)은 M=(2-D)/(2(1-D))을 따르는 DC/DC 컨버터-D는 상기 스위칭주기 중 상기 제1시구간의 비율임-.
제1항에 있어서,
상기 중간캐패시터에는 상기 입력노드에 형성되는 입력전압(Vi)에서 상기 출력노드에 형성되는 출력전압(Vo)의 차이에 해당되는 전압(Vi-Vo)으로부터 일정 범위 이내의 전압이 형성되는 DC/DC 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제1전력경로에 흐르는 전류를 상기 제1시구간으로 누적시킨 적분값과 상기 제2전력경로에 흐르는 전류를 상기 제2시구간으로 누적시킨 적분값이 실질적으로 동일한 DC/DC 컨버터.
일측이 입력노드와 연결되고 타측이 제1교점노드와 연결되는 인덕터, 상기 제1교점노드와 그라운드전압을 연결시키는 제1스위치 및 상기 제1교점노드와 중간노드를 연결시키는 제2스위치를 포함하는 부스트전력부; 및
일측이 상기 중간노드와 연결되고 타측이 제2교점노드와 연결되는 중간캐패시터, 상기 중간노드와 출력노드를 연결시키는 제3스위치, 상기 제2교점노드와 상기 출력노드를 연결시키는 제4스위치 및 상기 제2교점노드와 상기 입력노드를 연결시키는 제5스위치를 포함하는 하이브리드전력부
를 포함하는 DC/DC 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 제2스위치와 상기 제5스위치가 교번하면서 턴온되고,
상기 제3스위치는 상기 제5스위치와 동기화되어 온오프(ON/OFF)되고,
상기 제4스위치는 상기 제2스위치와 동기화되어 온오프되는 DC/DC 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 제1스위치는 상기 제3스위치 및 상기 제5스위치와 동기화되어 온오프되는 DC/DC 컨버터.