KR20190064962A - Dc-dc 변환 시스템 - Google Patents

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Abstract

DC-DC 변환 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템은, 입력과 출력 사이에 서로 자기적으로 연결되는 제1 및 제2 인덕터, 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위치 및 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 병렬로 연결되는 제3 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제3 및 제4 스위치는 각각 상기 제1 및 제2 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 된다.

Description

DC-DC 변환 시스템{DC to DC Converting System}
본 발명은 DC-DC 변환 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템에 관한 것이다.
궤도위성의 PCU에 사용되는 BDR은 Solar Array와 ASR을 통해 전력을 공급받아 배터리 전력 충전, 방전 및 버스 전력 충전을 하는 Non-Isolation DC-DC 컨버터이다.
이러한 DC-DC 컨버터는 출력전류 리플이 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 극복하기 위해서 출력전류에 비해 큰 용량과, 큰 사이즈, 더 긴 수명의 버스 커패시터를 적용할 수 있으나, 이는 위성의 무게, 크기, 성능면에서 부담이 될 수 밖에 없다.
또한, 지상에서 배터리 시험 및 운용을 위해 사용하는 배터리 충방전기에서도 해당 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있으며, 배터리 성능, 수명 등을 위해 큰 출력전류 리플을 억제해야할 필요성이 있다.
본 발명은 Non-Isolation DC-DC 컨버터의 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템은, 입력과 출력 사이에 서로 자기적으로 연결되는 제1 및 제2 인덕터, 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위치 및 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 병렬로 연결되는 제3 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제3 및 제4 스위치는 각각 상기 제1 및 제2 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 된다.
또한, 상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 인덕터 및 상기 제4 인덕터에 직렬로 연결되는 다이오드를 더 포함할 수 있고, 상기 제3 및 제4 인덕터는 서로 자기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 다이오드를 통해 전류 경로가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치는 서로 교번하여 스위칭 동작할 수 있고, 상기 제1 및 제2 스위치는 50% 미만의 듀티비(duty ratio)를 가질 수 있다.
또한, 상기 제3 및 제4 스위치는 사이리스터이고, 상기 사이리스터의 게이트 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치가 턴-온 상태일 때, 상기 제1 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 상기 제2 인덕터에 유도 전류를 생성할 수 있다.
본 발명은 Non-Isolation DC-DC 컨버터의 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 출력전류 리플이 발생하는 경우의 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 출력전류 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은, 입력과 출력 사이에 배치되는 한 쌍의 인덕터 및 두 쌍의 스위치를 포함한다. 상기 한 쌍의 인덕터는 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)는 서로 자기적으로 연결된다. 그리고, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 각각 직렬로 연결되는 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 포함되고, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 각각 병렬로 연결되는 제3 스위치(Q3) 제4 스위치(Q4)가 포함된다.
상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 스위치 제어 신호 수신에 대응하여 스위칭 동작하는데, 서로 교번하여 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복할 수 있다. 한편, 상기 스위치 제어 신호는 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 동시에 턴-온 되는 구간이 존재하지 않도록 한다.
상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제1 스위치(Q1)가 턴-온 되면, 상기 제1 인덕터(L1)로 인가되는 전류에 의해 상기 제2 인덕터(L2)에 유도 전류가 발생하고 상기 전류는 상기 제3 스위치(Q3)를 통해 흐르게 된다.
마찬가지로, 상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제2 스위치(Q2)가 턴-온 되면, 상기 제2 인덕터(L2)로 인가되는 전류에 의해 상기 제1 인덕터(L1)에 유도 전류가 발생하고 상기 전류는 상기 제4 스위치(Q4)를 통해 흐르게 된다.
한편, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4), 그리고 상기 제4 인덕터(L4)에 직렬로 연결되는 다이오드(D1)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제3 및 제4 인덕터(L3, L4)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 서로 자기적으로 연결된다. 따라서, 상기 제3 인덕터(L3)에 흐르는 전류에 의하여 상기 제4 인덕터(L4)에 유도 전류가 발생한다.
상기 제3 및 제4 인덕터(L3, L4)와 상기 다이오드(D1)는 상기 입력과 출력 사이에 전류 경로를 형성하므로 상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 모두 턴-오프 되면, 상기 다이오드(D1)를 통해 전류가 흐르게 되어 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2) 쪽으로 전류가 유입되는 것을 방지한다.
따라서, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 교번하여 스위칭 할 때와, 모두 턴-오프 되었을 때 각각 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4) 또는 상기 다이오드(D1)를 통해 전류를 출력쪽으로 도통하게 하여 출력전류가 연속적으로 흐르는 특성을 갖게 한다.
한편, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 의해 형성되는 트랜스포머(T1)의 기생 인덕턴스에 의해 상기 제1 스위치(Q1)가 턴-오프 되고 상기 제4 스위치(Q4)를 통해 흐르던 전류가 감소할 때 상기 제3 스위치(Q3) 출력 쪽과 순간적으로 연결되어 상기 제4 스위치(Q4)와 같은 전류가 도통하게 되고, 이는 출력전류에 추가되어 리플이 발생할 수 있다. 그리고, 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)가 다이오드로 구성될 때에는 다이오드의 junction 커패시터에 의해 더 큰 리플이 발생할 수 있다.
이와 같이 출력전류 리플이 발생하는 것을 억제하기 위하여, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)는 각각 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 되도록 한다. 즉, 상기 제1 스위치(Q1)가 턴-온 되는 구간에서 상기 제3 스위치(Q3)가 턴-온 되고, 상기 제2 스위치(Q2)가 턴-온 되는 구간에서 상기 제4 스위치(Q4)가 턴-온 된다.
이때, 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)는 사이리스터(Thyristor)일 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에서 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 게이트 제어를 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)는 상기 제어부에서 출력되는 게이트 제어 신호가 공급될때에만 턴-온 되고, 상기 게이트 제어 신호가 공급되지 않으면 즉시 턴-오프 되는 특성을 갖는 것으로 이해할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 50% 미만의 듀티비(duty ratio)를 가질 수 있는데, 예컨대, 상기 듀티비는 40% 일 수 있고 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 모두 턴-오프 되는 20% 의 구간에서는 상기 게이트 제어 신호가 공급되지 않는다.
도 2는 출력전류 리플이 발생하는 경우의 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 도 1을 참조로 하여 설명한 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)에 공급되는 게이트 신호를 나타내며, 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 모두 50% 미만의 듀티비를 갖게 되며, 서로 동일한 듀티비를 가질 수 있다.
도 2(b)는 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)를 도통하는 전류의 파형을 나타내며, 도 2(c)는 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)를 도통하는 전류의 파형을 나타내는데, 이때 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)로 다이오드를 사용하였다. 이러한 경우, 도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같이, 트랜스포머(T1)의 기생 인덕턴스와 다이오드의 junction 커패시터에 의해 스파이크(spike) 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. (t5~t6 구간 참조)
마지막으로, 도 2(d)는 입력 전류(Iin)와 출력 전류(Iout)의 파형을 나타내는데, 도 2(c)를 통해 확인한 스파이크 전류에 의해 출려 전류(Iout)의 리플이 발생하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 출력전류의 리플을 억제하기 위해 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)로 사이리스터(Thyristor)를 사용하고, 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 스위칭 타이밍을 각각 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 스위칭 타이밍에 동기화시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 출력전류 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3(b)를 참조하면, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 모두 턴-오프 되는 구간에서는 제1 다이오드(D1)를 통해서만 전류가 검출되는 것을 알 수 있고, 도 2(c)에서와 같은 스파이크 전류가 발생하지 않는다.
따라서, 도 3(a)에 도시되는 바와 같이, 출력 전류(Iout)에 리플이 최대한 억제되는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 출력전류 리플을 억제하여 출력 커패시터(도 1의 C)의 수명이 비정상적으로 감소하는 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 출력 커패시터는 위성의 전원 공급원이 되는 점을 고려하면 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)을 적용함으로써 위성의 기대 수명을 충분히 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: DC-DC 변환 시스템

Claims (8)

  1. 입력과 출력 사이에 서로 자기적으로 연결되는 제1 및 제2 인덕터;
    상기 한 쌍의 인덕터 각각에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위치; 및
    상기 한 쌍의 인덕터 각각에 병렬로 연결되는 제3 및 제4 스위치;
    를 포함하고,
    상기 제3 및 제4 스위치는 각각 상기 제1 및 제2 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 되는 DC-DC 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 인덕터; 및
    상기 제4 인덕터에 직렬로 연결되는 다이오드를 더 포함하는 DC-DC 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 인덕터는 서로 자기적으로 연결되는 DC-DC 변환 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 다이오드를 통해 전류 경로가 형성되는 DC-DC 변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 서로 교번하여 스위칭 동작하는 DC-DC 변환 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는 50% 미만의 듀티비(duty ratio)를 갖는 DC-DC 변환 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 스위치는 사이리스터이고,
    상기 사이리스터의 게이트 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 제어부를 더 포함하는 DC-DC 변환 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치가 턴-온 상태일 때, 상기 제1 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 상기 제2 인덕터에 유도 전류를 생성하는 DC-DC 변환 시스템.
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