KR20190064963A - DC to DC Converting System - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 DC-DC 변환 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a DC-DC conversion system, and more particularly, to a DC-DC conversion system capable of suppressing output current ripple.
궤도위성의 PCU에 사용되는 BDR은 Solar Array와 ASR을 통해 전력을 공급받아 배터리 전력 충전, 방전 및 버스 전력 충전을 하는 Non-Isolation DC-DC 컨버터이다.BDR, which is used in the orbit satellite PCU, is a non-isolation DC-DC converter that is powered by the solar array and ASR to charge and discharge the battery power and charge the bus power.
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.In order to overcome this problem, a DC-DC converter with a larger capacity and a larger size and a longer life can be used to overcome this problem, It will be a burden on performance.
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.In addition, a DC / DC converter can be used in a battery charger / discharger used for battery testing and operation on the ground, and there is a need to suppress large output current ripple for battery performance and life.
본 발명은 Non-Isolation DC-DC 컨버터의 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.Disclosed is a DC-DC conversion system capable of suppressing output current ripple of a non-isolation DC-DC converter.
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 제1 다이오드와 제3 스위치, 및 제2 다이오드와 제4 스위치를 포함하고, 상기 제3 및 제4 스위칭는 각각 상기 제2 및 제1 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 된다.A DC-DC conversion system according to an embodiment of the present invention includes first and second inductors magnetically coupled to each other between an input and an output, first and second inductors connected in series to the pair of inductors, And a first diode and a third switch connected in parallel to each of the pair of inductors, and a second diode and a fourth switch, wherein the third and fourth switches are respectively connected to the first and second switches, And is turned on in the section corresponding to the ON section.
또한, 상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 인덕터 및 상기 제4 인덕터에 직렬로 연결되는 제3 다이오드를 더 포함할 수 있고, 상기 제3 및 제4 인덕터는 서로 자기적으로 연결될 수 있다.The apparatus may further include third and fourth inductors connected in series between the input and the output, and a third diode connected in series to the fourth inductor, wherein the third and fourth inductors magnetically Can be connected.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 제3 다이오드를 통해 전류 경로가 형성될 수 있다.Also, when the first and second switches are in the turn-off state, a current path can be formed through the third diode.
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.In addition, the first and second switches may be alternately switched, and the first and second switches may have a duty ratio of less than 50%.
또한, 상기 제3 및 제4 스위치는 FET(Field Effect Transistor)이고, 상기 FET의 게이트 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The third and fourth switches may be a field effect transistor (FET), and may further include a control unit for outputting a control signal for gate control of the FET.
또한, 상기 제1 스위치가 턴-온 상태일 때, 상기 제1 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 상기 제2 인덕터에 유도 전류를 생성할 수 있다.Also, when the first switch is in a turn-on state, a change in the current flowing through the first inductor may generate an inductive current in the second inductor.
본 발명은 Non-Isolation DC-DC 컨버터의 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a DC-DC conversion system capable of suppressing output current ripple of a non-isolation DC-DC converter.
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.FIG. 1 is a diagram schematically showing a structure of a DC-DC conversion system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram exemplarily showing a waveform when output current ripple occurs.
3 is a diagram exemplarily showing an output current waveform of the DC-DC conversion system according to an embodiment of the present invention.
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.Brief Description of the Drawings The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described in conjunction with the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments shown herein but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the preferred embodiments of the present invention. do. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other aspects of the present invention will become more apparent by describing in detail preferred embodiments thereof with reference to the attached drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof. The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a diagram schematically showing a structure of a DC-DC conversion system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은, 입력과 출력 사이에 배치되는 한 쌍의 인덕터를 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.Referring to FIG. 1, a DC-
그리고, DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제3 스위치(Q3)에 직렬로 연결되는 제1 다이오드(D1), 상기 제4 스위치(Q4)에 직렬로 연결되는 제2 다이오드(D2)를 포함한다.The DC-
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.The first and second switches Q1 and Q2 are turned on in response to the reception of the switch control signal and can alternately turn on and turn off. On the other hand, the switch control signal prevents a period in which the first and second switches Q1 and Q2 are simultaneously turned on.
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.When the first switch Q1 is turned on by the switch control signal, an inductive current is generated in the second inductor L2 due to the current applied to the first inductor L1, 3 switch Q3.
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.Similarly, when the second switch Q2 is turned on by the switch control signal, an induced current is generated in the first inductor L1 due to the current applied to the second inductor L2, And flows through the fourth switch Q4.
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 제3 다이오드(D3)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.The DC-
상기 제3 및 제4 인덕터(L3, L4)와 상기 제3 다이오드(D3)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 제3 다이오드(D3)를 통해 전류가 흐르게 되어 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2) 쪽으로 전류가 유입되는 것을 방지한다.The third and fourth inductors L3 and L4 and the third diode D3 form a current path between the input and the output so that the first and second switches Q1 and Q2 are turned on by the switch control signal, The current flows through the third diode D3 to prevent current from flowing into the first and second switches Q1 and Q2.
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 제3 다이오드(D3)를 통해 전류를 출력쪽으로 도통하게 하여 출력전류가 연속적으로 흐르는 특성을 갖게 한다.Therefore, the DC-
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)이 없이 전류 경로가 다이오드로만 구성될 때에는 다이오드의 junction 커패시터에 의해 더 큰 리플이 발생할 수 있다.The first switch Q1 is turned off by the parasitic inductance of the transformer T1 formed by the first and second inductors L1 and L2 and the current flowing through the fourth switch Q4 The third switch Q3 is momentarily connected to the output side of the third switch Q3 so that the same current as the fourth switch Q4 is conducted, which may be added to the output current to cause ripple. And, when the current path is composed of only the diode without the third and fourth switches Q3 and Q4, a larger ripple can be generated by the junction capacitor of the diode.
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.In order to prevent the output current ripple from occurring, the DC-
이때, 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)는 FET(Field Effect Transistor)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.In this case, the third and fourth switches Q3 and Q4 may be FETs (Field Effect Transistors), and in another embodiment of the present invention, the DC-
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.The first and second switches Q1 and Q2 may have a duty ratio of less than 50%. For example, the duty ratio may be 40% and the first and second switches Q1 and Q2 ) Are all turned off, the gate control signal is not supplied.
도 2는 출력전류 리플이 발생하는 경우의 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.2 is a diagram exemplarily showing a waveform when output current ripple occurs.
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.2A shows a gate signal supplied to the first and second switches Q1 and Q2 described with reference to FIG. 1. The first and second switches Q1 and Q2 all have a duty ratio of less than 50% , And they can have the same duty ratio.
도 2(b)는 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)를 도통하는 전류의 파형을 나타내며, 도 2(c)는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 도통하는 전류의 파형을 나타내는데, 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)가 연결되지 않는 경우의 파형으로 이해할 수 있다. 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)2 (b) shows the waveform of the current that conducts the first and second switches Q1 and Q2. FIG. 2 (c) shows the waveform of the current that conducts the first and second diodes D1 and D2 And it can be understood as a waveform when the third and fourth switches Q3 and Q4 are not connected. In this case, as described with reference to FIG. 1, a spike current is generated by the parasitic inductance of the transformer T1 and the junction capacitor of the diode. (see sections t5 to t6)
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.2 (d) shows the waveforms of the input current I in and the output current I out . It can be seen from FIG. 2 (c) that ripple of the output current Iout is generated by the spike current Able to know.
본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 출력전류의 리플을 억제하기 위해 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 스위칭 타이밍을 각각 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 스위칭 타이밍에 동기화시킨다.The DC-
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 출력전류 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.3 is a diagram exemplarily showing an output current waveform of the DC-DC conversion system according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 3(b)를 참조하면, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 모두 턴-오프 되는 구간에서는 제3 다이오드(D3)를 통해서만 전류가 검출되는 것을 알 수 있고, 도 2(c)에서와 같은 스파이크 전류가 발생하지 않는다.Referring to FIG. 3 (b), it can be seen that current is detected only through the third diode D3 during the period when both the first switch Q1 and the second switch Q2 are turned off, The spike current as shown in Fig. 2 (c) does not occur.
따라서, 도 3(a)에 도시되는 바와 같이, 출력 전류(Iout)에 리플이 최대한 억제되는 것을 확인할 수 있다.Therefore, as shown in Fig. 3 (a), it can be confirmed that the ripple is suppressed to the output current I out as much as possible.
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.As a result, the DC-
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.Considering that the output capacitor serves as a power supply source of the satellite, the DC-
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.The use of all examples or exemplary language (e.g., etc.) in this invention is for the purpose of describing the present invention only in detail and is not intended to be limited by the scope of the claims, But is not limited thereto. It will also be appreciated by those skilled in the art that various modifications, combinations, and alterations may be made depending on design criteria and factors within the scope of the appended claims or equivalents thereof.
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.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and all ranges that are equivalent to or equivalent to the claims of the present invention as well as claims Category.
10: DC-DC 변환 시스템10: DC-DC conversion system
Claims (8)
상기 한 쌍의 인덕터 각각에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위치; 및
상기 한 쌍의 인덕터 각각에 병렬로 연결되는 제1 다이오드와 제3 스위치, 및 제2 다이오드와 제4 스위치;
를 포함하고,
상기 제3 및 제4 스위치는 각각 상기 제2 및 제1 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 되는 DC-DC 변환 시스템.First and second inductors magnetically coupled to each other between an input and an output;
First and second switches connected in series to each of the pair of inductors; And
A first diode and a third switch connected in parallel to each of the pair of inductors, and a second diode and a fourth switch;
Lt; / RTI >
And the third and fourth switches are respectively turned on in a section corresponding to a turn-on period of the second and first switches.
상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 인덕터; 및
상기 제4 인덕터에 직렬로 연결되는 제3 다이오드를 더 포함하는 DC-DC 변환 시스템.The method according to claim 1,
Third and fourth inductors connected in series between the input and the output; And
And a third diode connected in series to the fourth inductor.
상기 제3 및 제4 인덕터는 서로 자기적으로 연결되는 DC-DC 변환 시스템.3. The method of claim 2,
And the third and fourth inductors are magnetically coupled to each other.
상기 제1 및 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 제3 다이오드를 통해 전류 경로가 형성되는 DC-DC 변환 시스템.3. The method of claim 2,
And a current path is formed through the third diode when the first and second switches are in a turn-off state.
상기 제1 및 제2 스위치는 서로 교번하여 스위칭 동작하는 DC-DC 변환 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first and second switches are alternately switched.
상기 제1 및 제2 스위치는 50% 미만의 듀티비(duty ratio)를 갖는 DC-DC 변환 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first and second switches have a duty ratio of less than 50%.
상기 제3 및 제4 스위치는 FET(Field Effect Transistor)이고,
상기 FET의 게이트 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 제어부를 더 포함하는 DC-DC 변환 시스템.The method according to claim 1,
The third and fourth switches are FETs (Field Effect Transistors)
And a control unit for outputting a control signal for gate control of the FET.
상기 제1 스위치가 턴-온 상태일 때, 상기 제1 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 상기 제2 인덕터에 유도 전류를 생성하는 DC-DC 변환 시스템.The method according to claim 1,
Wherein when the first switch is in a turn-on state, a change in current flowing through the first inductor generates an inductive current in the second inductor.
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