KR20210111472A - 단일 인덕터를 이용해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 수행하는 부스트 컨버터 - Google Patents

단일 인덕터를 이용해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 수행하는 부스트 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 인덕터를 이용해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 수행하는 부스트 컨버터에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터는 포지티브 및 네거티브 노드에 직렬로 결선된 두개의 스위칭 소자를 제어하여 부스팅 인덕터를 충전 또는 방전시킴과 아울러, 두개의 스위칭 소자의 동작에 따라 디커플링 제어회로의 버퍼 커패시터를 충전 또는 방전시킨다. 이에, 부스팅 동작에 이용되는 부스팅 인덕터와 디커플링 동작에 이용되는 부스팅 인덕터를 공용으로 이용할 수 있으며, 컨버터의 부피와 제조 비용이 증가되지 않도록 하면서 부하에 공급되는 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단할 수 있다.

Description

단일 인덕터를 이용해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 수행하는 부스트 컨버터{BOOST CONVERTER WITH BOOSTING AND DECOUPLING OPERATION USING SINGLE INDUCTOR}
본 발명은 단일 인덕터를 이용해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 수행할 수 있는 부스트 컨버터에 관한 것이다.
컨버터는 다이오드 및 전력 스위칭 소자를 포함하며, 다이오드 및 전력 스위칭 소자를 이용한 전류 단속을 통해 전력을 변환한다. 특히, 전력 스위칭 소자는 온 상태 또는 오프 상태로 제어되어 전류를 단속하므로 컨버터 내 전류 또는 전압은 급격히 변화하고, 이는 노이즈를 발생시킨다. 이와 같이 발생한 노이즈가 부하에 제공되지 않도록 하기 위해 일반적으로 컨버터에는 디커플링 커패시터가 구비된다.
도 1은 종래 기술에 따른 부스트 컨버터의 동작을 설명하기 위한 구성 블록도이다. 이하, 도 1을 참조하여 종래의 부스트 컨버터에서 수행되는 디커플링 동작을 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 전력 스위칭 소자(S)가 턴 온 제어되면, 교류 전압원(Vac)에서 출력되는 교류 전류는 풀 브리지(full-bridge) 형태로 연결된 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 통해 직류 전류로 변환되어 인덕터(L)에 저장된다. 이후, 전력 스위칭 소자(S)가 턴 오프 제어되면, 복수의 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 통해 변환된 직류 전류와 인덕터(L)에 저장된 직류 전류가 부하(R)에 제공된다.
이 때, 전력 스위칭 소자(S)에서는 스위칭 동작에 의한 노이즈가 발생하며, 이러한 노이즈가 부하에 제공되는 것을 방지하기 위해, 종래 부스트 컨버터는 부하와 병렬로 연결된 디커플링 커패시터(C)를 포함한다.
이러한 디커플링 커패시터(C)는 패시브 디커플링 동작(passive decoupling operation)을 수행한다. 구체적으로 디커플링 커패시터(C)는 부하에 제공되는 교류 성분의 전력을 그라운드로 흘려 보냄으로써, 부하에 직류 성분의 안정적인 전력만이 공급되도록 기능한다.
이러한 기능을 위해서는 디커플링 커패시터(C)의 용량이 클 것이 요구되며, 이에 따라 디커플링 커패시터(C)로는 전해(electrolytic) 커패시터가 사용되어 왔다.
다만, 최근에는 컨버터의 소형화, 전력 변환 효율 개선 및 수명 증가를 위해, 전해 커패시터가 필름(film) 커패시터로 대체되고 있는데, 필름 커패시터의 경우 전해 커패시터에 비해 상대적으로 용량이 작아 전술한 패시브 디커플링 동작을 제대로 수행할 수 없다.
이에 따라, 커패시터의 용량에 기초한 패시브 디커플링 동작 대신에, 액티브 디커플링 동작(active decoupling operation)을 수행할 수 있는 컨버터가 요구되고 있다.
특히, 컨버터에서 액티브 디커플링 동작이 수행되도록 하기 위해서는 별도로 인덕터와 스위칭 소자 등이 구비된 보조 회로를 추가 해야하기 때문에, 컨버터의 부피와 제조 비용이 증가하는 문제가 발생한다.
본 발명은 부스팅 동작에 이용되는 인덕터를 액티브 디커플링 동작시에도 이용할 수 있는 부스트 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 버퍼 커패시터와 스위칭 소자를 이용해서 부하로 공급되는 전력을 보상할 수 있는 부스트 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체할 수 있는 부스트 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 부스팅 제어회로의 포지티브 및 네거티브 노드에 직렬로 결선된 두개의 스위칭 소자를 제어하여 부스팅 인덕터를 충전 또는 방전시킴과 아울러, 두개의 스위칭 소자의 동작에 따라 디커플링 제어회로의 버퍼 커패시터를 충전 또는 방전시킴으로써 부스팅 동작에 이용되는 부스팅 인덕터와 디커플링 동작에 이용되는 부스팅 인덕터를 공용으로 이용한다.
또한, 디커플링 제어회로의 버퍼 커패시터에 의해 액티브 디커플링 동작이 수행되도록 함과 아울러, 출력단 회로로 공급되는 부스팅 전력이 보상되도록 한다.
또한, 본 발명은 일반적인 AC-DC 컨버터 내부에 액티브 디커플링 동작을 수행하는 디커플링 회로를 구비함으로써, 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체할 수 있다.
아울러, 본 발명에서 제어부는 출력단 회로에 부스팅 인덕터의 부스팅 전력이 공급되도록 하는 부스팅 전력 충방전 기간, 및 출력단 회로에 부스팅 인덕터의 부스팅 전력과 함께 디커플링 제어회로의 보상 전력이 공급되도록 하는 보상 전력 충방전 기간을 구분해서 부스팅 제어회로의 2개 스위칭 소자를 순차적으로 제어한다. 즉, 부스팅 전력 충방전 기간과 보상 전력 충방전 기간 별로 2개 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 순서대로 수행시킬 수 있다.
본 발명에 따른 부스트 컨버터는 부스팅 동작에 이용되는 인덕터를 액티브 디커플링 동작시에도 이용함으로써, 컨버터의 부피와 제조 비용이 증가되지 않도록 하면서 부하에 공급되는 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 컨버터는 적어도 하나의 버퍼 커패시터와 스위칭 소자를 이용해서 부하로 공급되는 전력을 보상함으로써, 부하가 요구하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 컨버터는 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체함으로써, 부스트 컨버터의 소형화가 가능하고, 전력 변환 효율을 개선시킬 수 있으며, 그 수명을 증가시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 기술에 따른 부스트 컨버터의 동작을 설명하기 위한 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터의 내부 구성을 개략적으로 도시한 구성 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 회로를 예시적으로 도시한 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 변환 회로, 부스트 회로, 디커플링 회로, 및 출력단 회로의 연결 구조를 구체적으로 나타낸 회로도이다.
도 5는 인덕터와 버퍼 커패시터의 충방전을 통한 부스팅 및 디커플링 동작을 순서대로 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 부스트 회로와 디커플링 회로의 제1 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 7은 부스트 회로와 디커플링 회로의 제2 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 8은 부스트 회로와 디커플링 회로의 제4 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 9는 부스트 회로와 디커플링 회로의 제3 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 단일 인덕터를 이용해서 부스팅 및 액티브 디커플링 동작을 수행할 수 있는 부스트 컨버터에 관한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터의 내부 구성을 개략적으로 도시한 구성 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부스터 컨버터(100)는 전력 변환 회로(110), 부스팅 제어회로(120), 디커플링 제어회로(130), 출력단 회로(140) 및 제어부(150)를 포함한다. 도 2에 도시된 부스터 컨버터(100) 구조는 일 실시예에 따른 구성을 나타낸 것이며, 그 구성요소들이 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
전력 변환 회로(110)는 외부의 교류 전원 입력단(Vac)으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환해서 부스팅 제어회로(120)와 디커플링 제어회로(130)로 공급한다. 일 예로, 전력 변환 회로(110)는 계통(예를 들어, 상용 교류 전원)과 연결될 수 있고, 계통으로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
보다 구체적으로, 전력 변환 회로(110)는 교류 전원에서 출력되는 교류 전류를 이용하여 직류 전압을 생성할 수 있다. 이를 위해 전력 변환 회로(110)는 다양한 회로 소자를 포함하여 구현될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 회로를 예시적으로 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 전력 변환 회로(110)는 풀 브리지 타입의 정류 회로를 포함해서 구성될 수 있다. 풀 브리지 타입의 정류 회로는 계통(예를 들어, 상용 교류 전원)과 연결될 수 있고, 계통으로부터 공급되는 교류 전원을 정류할 수 있다.
이를 위해, 풀 브리지 타입의 정류 회로는 교류 전원 입력단(Vac)의 교류 전압이 입력되는 제1 레그(110a), 제1 레그(110a)에 병렬로 연결되는 제2 레그(110b), 및 제1 레그(110a)와 제2 레그(110b)의 출력단에 직렬로 연결된 부스팅 인덕터(L)를 포함한다.
교류 전압이 입력되는 제1 레그(110a)에는 제1 및 제2 다이오드(Da,Db)가 한 쌍의 토템폴(totme-pole) 구조로 직렬 연결되며, 제1 및 제2 다이오드(Da,Db)의 사이 노드로 교류 전압이 입력된다.
제2 레그(110b)에는 제3 및 제4 다이오드(Dc,Dd)가 한 쌍을 이루어 직렬로 결선되며, 제3 및 제4 다이오드(Dc,Dd)의 사이 노드로 교류 전압이 입력된다.
교류 전원 입력단(Vac)으로 입력되는 포지티브한 교류 전류(+)는 제1 다이오드(Da)와 제4 다이오드(Dd)를 통해 출력단으로 전송되고, 교류 전원 입력단(Vac)으로 입력되는 네거티브한 교류 전류(-)는 제2 다이오드(Db)와 제3 다이오드(Dc)를 통해 반전되어 출력단으로 제공됨으로써, 교류 전원은 전파 정류(full-wave rectification)될 수 있다.
제1 내지 제4 다이오드(Da,Db,Dc,Dd)에 의해 전파 정류된 직류 전원은 출력단의 부스팅 인덕터(L)로 공급되며, 부스팅 인덕터(L)는 부스팅 제어회로(120)의 스위칭 동작에 따라 직류 전원을 충전해서 부스팅하거나, 부스팅된 전력을 디커플링 제어회로(130)나 출력단 회로(140)로 출력한다.
풀 브리지 타입의 정류 회로는 도 3으로 도시된 회로 이외에도, 토템폴 구조로 결선된 한 쌍의 스위칭 소자를 포함해서 교류 전원을 정류하는 다양한 회로로 구현될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 풀 브리지 정류 회로가 도 3에 도시된 구조를 갖는 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 변환 회로, 부스트 제어회로, 디커플링 제어회로, 및 출력단 회로의 연결 구조를 구체적으로 나타낸 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전력 변환 회로(110)의 출력단과 디커플링 제어회로(130)의 사이에는 부스팅 인덕터(L)의 충방전 동작을 제어하는 부스팅 제어회로(120)가 배치된다.
부스팅 제어회로(120)는 전력 변환 회로(110) 및 부스팅 인덕터(L)를 통해 출력되는 전력의 출력 경로를 전환함으로써, 전력 변환 회로(110)의 부스팅 인덕터(L)가 충전 및 방전 동작을 반복하도록 스위칭 제어한다.
이를 위해, 부스팅 제어회로(120)는 전력 변환 회로(110)와는 병렬 구조로 전력 변환 회로(110)의 포지티브 출력 노드(+)와 네거티브 출력 노드(-)의 사이에 직렬로 연결된 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 포함한다. 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)는 IGBT(Insulated/Isolated Gate bi-polar Transistor) 등의 전력 스위칭 소자로 구성될 수 있다.
제1 스위칭 소자(S1)는 제어부(150)로부터 입력되는 제1 스위칭 신호(Q1)에 따라 부스팅 인덕터(L)가 제1 스위칭 소자(S1)를 통해 전력 변환 회로(110)의 입력단과 폐회로(closed-circuit)를 이루도록 스위칭한다. 이와 달리, 부스팅 인덕터(L)에 충전된 전력이 디커플링 제어회로(130) 및 출력단 회로(140)로 전송되도록 경로를 제어할 수 있다.
제2 스위칭 소자(S2)는 제어부(150)로부터 입력되는 제2 스위칭 신호(Q2)에 따라 부스팅 인덕터(L)가 제1 스위칭 소자(S1) 및 전력 변환 회로(110)의 입력단과 폐회로를 이루도록 스위칭한다. 이와 달리, 부스팅 인덕터(L)에 충전된 전력이 디커플링 제어회로(130)로 입력되도록 전류 흐름 경로를 형성할 수도 있다.
구체적으로, 제1 스위칭 소자(S1)는 제1 스위칭 신호(Q1)에 의해 턴 온되면 부스팅 인덕터(L)가 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 통해 전력 변환 회로(110)의 입력단과 폐회로를 형성하도록 해서 부스팅 인덕터(L)에 직류 전원이 충전되도록 한다. 반면, 제1 스위칭 소자(S1)가 제1 스위칭 신호(Q1)에 의해 턴 오프되면, 부스팅 인덕터(L)에 충전된 전력은 포지티브 노드의 출력단을 따라 디커플링 제어회로(130)나 출력단 회로(140)로 전송되도록 한다.
제2 스위칭 소자(S2)는 제어부(150)로부터 입력되는 제2 스위칭 신호(Q2)에 의해 턴 온되면 부스팅 인덕터(L)가 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 통해 전력 변환 회로(110)의 입력단과 폐회로를 형성해서 부스팅 인덕터(L)에 직류 전원이 충전되도록 한다. 반면, 만일, 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 오프된 상태에서 제2 스위칭 소자(S2)만 턴 온되면, 부스팅 인덕터(L)와 디커플링 제어회로(130) 및 전력 변환 회로(110)가 폐회로를 형성하므로 디커플링 제어회로(130)에 부스팅 전력이 충전된다.
만일, 제어부(150)의 제어에 따라 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)가 모두 턴 오프되는 경우에는 부스팅 인덕터(L)에 충전된 부스팅 전력이 출력단 회로(140)의 부하로 공급된다.
디커플링 제어회로(130)는 부스팅 인덕터(L)와 병렬 구조로 부스팅 제어회로(120) 및 출력단 회로(140)의 사이에 구성된다. 이에, 디커플링 제어회로(130)는 부스팅 인덕터(L)로부터 부스팅된 전력을 저장하거나 저장된 전력을 출력단 회로(140)로 공급함으로써 디커플링 동작과 보상 전력 공급 동작을 수행한다.
일반적으로, 디커플링 제어회로(130)는 액티브 디커플링 동작 수행을 위해 수동 소자인 인덕터, 버퍼 커패시터, 및 적어도 하나의 스위치가 필요하다. 그러나, 본 발명에서는 부스팅 동작에 이용되는 부스팅 인덕터(L)를 버퍼 커패시터를 이용한 디커플링 동작시에 겸용으로 이용하는 것을 특징으로 한다.
디커플링 제어회로(130)는 부스팅 인덕터(L)를 디커플링 동작시에도 겸용해서 이용하기 위한 구성으로, 부스팅 제어회로(120)에 구성된 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)의 사이 노드(N1)와 부스팅 인덕터(L)의 포지티브 출력 노드의 사이에 전기적으로 연결되어, 제1 스위칭 소자(S1)와는 병렬 구조로 배치되는 버퍼 커패시터(Cb)를 포함한다.
디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb)는 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 오프된 상태에서 제2 스위칭 소자(S2)만 턴 온되면, 부스팅 인덕터(L)와 제2 스위칭 소자(S2) 및 전력 변환 회로(110)를 통해 폐회로를 이루므로 부스팅 인덕터(L)에서 출력되는 전력을 충전하게 된다.
반면, 버퍼 커패시터(Cb)는 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프된 상태에서 제1 스위칭 소자(S1)만 턴 온되면, 양단 간 전압차에 따라 자체적으로 저장하고 있는 전력을 출력단 회로(140)의 부하로 공급한다. 버퍼 커패시터(Cb)는 출력단 회로(140)로 전력이 전송되는 포지티브 노드의 전압이 낮아진 상태에서만 자체적으로 저장하고 있는 전력을 출력단 회로(140)로 공급하기 때문에 버퍼 커패시터(Cb)에서 출력되는 전력은 보상 전력으로 공급된다.
이와 같이, 디커플링 제어회로(130)는 부스팅 인덕터(L)로부터 부스팅된 전력을 저장하거나 저장된 전력을 출력단 회로(140)로 공급함으로써, 전력 변환 회로(110)와 부스팅 제어회로(120)에서 발생된 노이즈를 능동적으로 제거하면서도 보상 전력 공급 동작을 수행하게 된다.
또한, 출력단 회로(140)로 전력이 전송되는 포지티브 노드에는 역전류 방지를 위한 복수의 역전류 방지 소자(D1,D2)가 추가로 구성될 수 있다.
출력단 회로(140)는 디커플링 제어회로(130)의 출력단에 연결될 수 있다. 출력단 회로(140)에는 부스팅 동작에 의한 전력과 디커플링 동작에 의한 전력이 공급될 수 있다.
출력단 회로(140)는 디커플링 제어회로(130)의 출력단에 연결된 출력단 커패시터(Co)와 출력단 커패시터(Co)로부터 출력 전압(Vout)을 공급받는 부하(R)를 포함할 수 있다. 출력단 커패시터(Co)는 디커플링 제어회로(130)의 출력단에서 제공되는 전류를 출력 전압(Vout)의 형태로 저장할 수 있고, 부하(R)는 출력단 커패시터(Co)와 병렬로 연결되어 출력 전압(Vout)을 공급받을 수 있다.
제어부(150)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소로 구현될 수 있다.
도 5는 인덕터와 버퍼 커패시터의 충방전을 통한 부스팅 및 디커플링 동작을 순서대로 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(150)는 입력 전원(Ts)의 위상에 따라 부스팅 제어회로(120)의 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 동작을 제어함으로써, 출력단 회로(140)에 부스팅 전력과 보상 전력이 공급되도록 할 수 있다.
구체적으로, 제어부(150)는 출력단 회로(140)에 부스팅 인덕터(L)의 부스팅 전력이 공급되도록 하는 부스팅 전력 충방전 기간(Tc), 및 출력단 회로(140)에 부스팅 인덕터(L)의 부스팅 전력과 함께 디커플링 제어회로(130)의 보상 전력이 공급되도록 하는 보상 전력 충방전 기간(Td)을 구분해서 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 동작을 제어한다. 즉, 부스팅 전력 충방전 기간(Tc)과 보상 전력 충방전 기간(Td) 별로 다르게 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이에 따라, 부스팅 전력 충방전 기간(Tc)과 보상 전력 충방전 기간(Td) 별 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)의 스위칭 제어 순서를 순차적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 부스팅 전력 충방전 기간(Tc)의 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2) 제어 순서를 순서대로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 부스트 회로와 디커플링 제어회로의 제1 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
먼저, 부스팅 전력 충방전 기간(Tc)의 부스팅 인덕터(L) 충전 기간인 제1 상태 제어 기간(ST1)에 제어부(150)는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)가 모두 턴 온 되도록 제1 및 제2 스위칭 신호(Q1,Q2)를 생성해서 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)로 전송한다.
제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)가 모두 턴 온되면, 전력 변환 회로(110)의 부스팅 인덕터(L)는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 통해 전력 변환 회로(110)의 입력단과 폐회로를 이루게 된다(A' 화살표 방향으로 전류 흐름 제어). 이에 따라, 부스팅 인덕터(L)에는 전력 변환 회로(110)로부터 입력되는 직류 전원이 충전 및 부스팅된다.
이렇게, 제1 상태 제어시 인덕터 전류는 점차 증가하여 부스팅되며, 디커플링 제어회로(130) 내에서는 전류 흐름이 발생되지 않기 때문에 버퍼 커패시터(Cb) 전압은 변하지 않고 그대로 유지될 수 있다.
도 7은 부스트 회로와 디커플링 회로의 제2 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb) 충전 기간인 제2 상태 제어 기간(ST2)에 제어부(150)는 제1 스위칭 소자(S1)는 턴-오프되고 제2 스위칭 소자(S2)만 턴 온 되도록 제2 스위칭 신호(Q2)를 생성해서 제2 스위칭 소자(S2)로 전송한다.
제1 스위칭 소자(S1)는 턴-오프되고 제2 스위칭 소자(S2)만 턴 온되면, 부스팅 인덕터(L)와 디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb) 및 전력 변환 회로(110)가 폐회로를 이루게 된다(B' 화살표 방향으로 전류 흐름 제어).
이때는 버퍼 커패시터(Cb) 전압이 낮은 상태이므로 폐회로 내에서는 인덕터 전류에 의한 전류 흐름이 발생할 수 있고, 이에 따라 버퍼 커패시터 전압은 점차 증가하면서 인덕터 전류는 점차 감소하게 된다. 즉, 디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb)에는 부스팅 인덕터(L)로부터의 부스팅 전력이 저장된다.
도 8은 부스트 회로와 디커플링 회로의 제4 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
부스팅 인덕터(L)에 충전된 부스팅 전력이 출력단 회로(140)의 부하로 공급되는 제4 상태 제어 기간(ST4)에 제어부(150)는 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 턴 오프시킨다.
제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)가 모두 턴 오프되면, 부스팅 인덕터(L)와 출력단 회로(140) 및 전력 변환 회로(110)가 폐회로를 이루게 된다(C' 화살표 방향으로 전류 흐름 제어).
이에, 부스팅 인덕터(L)의 인덕터 전류는 출력단 커패시터(Cout) 및 부하(R)로 제공될 수 있고, 이에 따라 출력 전압(Vout)은 증가할 수 있다. 출력단 회로(140)에 전력이 제공될 때, 즉, 제4 상태 제어가 시작되는 시점에서 인덕터 전류는 항상 일정할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 부스터 컨버터(100)는 교류 성분이 제거된 일정한 출력 전압(Vout)을 부하(R)에 공급할 수 있다.
다음으로, 보상 전력 충방전 기간(Td)의 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2) 제어 순서를 순서대로 설명하면 다음과 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 보상 전력 충방전 기간(Td)에는 먼저 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 모두 턴 온시켜서 부스팅 인덕터(L)가 충전되도록 제1 상태 제어를 수행한다(도 6을 통해 구체적으로 설명된 바와 같음). 그리고, 다음으로 디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb) 방전 기간인 제3 상태 제어를 수행하게 된다.
도 9는 부스트 회로와 디커플링 회로의 제3 상태 제어에 따른 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb) 방전 기간인 제3 상태 제어 기간(ST3)에 제어부(150)는 제1 스위칭 소자(S1)만 턴 온 되고 제2 스위칭 소자(S2)는 턴 오프되도록 제1 스위칭 신호(Q1)를 생성해서 제1 스위칭 소자(S1)로 전송한다.
제1 스위칭 소자(S1)만 턴 온되면 부스팅 인덕터(L)와 디커플링 제어회로(130)의 버퍼 커패시터(Cb), 출력단 회로(140) 및 전력 변환 회로(110)가 폐회로를 이루게 된다(D' 화살표 방향으로 전류 흐름 제어).
이에, 부스팅 인덕터(L)의 인덕터 전류와 함께 버퍼 커패시터(Cb)에 저장된 전류 또한 출력단 커패시터(Cout) 및 부하(R)로 제공될 수 있고, 이에 따라 출력 전압(Vout)은 증가할 수 있다.
출력단 회로(140)로 전력이 전송되는 포지티브 노드의 전압이 낮아진 상태에서만 버퍼 커패시터(Cb)에 저장된 전력이 출력단 회로(140)로 공급되므로, 버퍼 커패시터(Cb)에서 출력되는 전력은 보상 전력으로 공급된다.
이 후, 제어부(150)는 도 8에 도시된 바와 같이 제4 상태 제어가 수행되도록 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 턴 오프시켜서, 부스팅 인덕터(L)와 출력단 회로(140) 및 전력 변환 회로(110)가 폐회로를 이루도록 제어한다.
출력단 회로(140)에 전력이 제공될 때, 즉, 제4 상태 제어가 시작되는 시점에서 인덕터 전류는 항상 일정할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 부스터 컨버터(100)는 교류 성분이 제거된 일정한 출력 전압(Vout)을 부하(R)에 공급할 수 있다.
이상에서 살술한 바와 같이, 본 발명에 따른 부스트 컨버터(100)는 부스팅 동작에 이용되는 부스트 인덕터(L)를 액티브 디커플링 동작시에도 이용함으로써, 컨버터의 부피와 제조 비용이 증가되지 않도록 하면서 부하에 공급되는 교류 성분의 노이즈를 능동적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 컨버터(100)는 적어도 하나의 버퍼 커패시터(Cb)와 제1 및 제2 스위칭 소자(S1,S2)를 이용해서 부하(R)로 공급되는 전력을 보상함으로써, 부하(R)가 요구하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 부스트 컨버터(100)는 부하에 전압을 공급하는 출력단 커패시터를 전해 커패시터에서 필름 커패시터로 대체함으로써, 부스트 컨버터의 소형화가 가능하고, 전력 변환 효율을 개선시킬 수 있으며, 그 수명을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
Vac: 교류 전원 입력단
110: 전력 변환 회로
120: 부스팅 제어회로
130: 디커플링 제어회로
140: 출력단 회로
150: 제어부

Claims (14)

  1. 교류 전원 입력단에 병렬로 연결된 복수의 레그 및 상기 복수의 레그 출력단에 연결된 부스팅 인덕터를 이용해서 교류 전원을 정류하는 전력 변환 회로;
    전력 변환 회로에서 출력되는 전류의 출력 경로를 전환함으로써 상기 부스팅 인덕터의 충방전 동작이 제어되도록 스위칭하는 부스팅 제어회로;
    상기 부스팅 인덕터로부터 부스팅된 전력을 저장하거나 저장된 전력을 출력단 회로로 공급함으로써 액티브 디커플링 동작과 보상 전력 공급 동작을 수행하는 디커플링 제어회로; 및
    상기 부스팅 제어회로의 스위칭 동작을 제어해서 상기 부스팅 인덕터의 충방전 동작과 디커플링 제어회로의 액티브 디커플링 동작을 제어하는 제어부를 포함하는
    부스트 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 회로는
    풀 브리지 타입의 정류 회로 구조로 구성되며, 상기 교류 전원 입력단의 교류 전압이 입력되는 제1 레그, 및 상기 제1 레그에 병렬로 연결되는 제2 레그를 포함하고,
    상기 부스팅 인덕터는 상기 병렬로 연결된 제1 레그와 상기 제2 레그의 출력단에 직렬로 연결된
    부스트 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 레그에는 제1 및 제2 다이오드가 한 쌍의 토템폴(totme-pole) 구조로 직렬 연결되며 상기 제1 및 제2 다이오드의 사이 노드로 상기 교류 전압이 입력되고,
    상기 제2 레그에는 상기 제3 및 제4 다이오드가 한 쌍을 이루어 직렬로 연결되며 상기 제3 및 제4 다이오드의 사이 노드로 교류 전압이 입력되는
    부스트 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 다이오드에 의해 전파 정류된 직류 전원은 상기 부스팅 인덕터로 공급되며,
    상기 부스팅 인덕터는 상기 부스팅 제어회로의 스위칭 동작에 따라 상기 직류 전원을 충전해서 부스팅하거나, 부스팅된 전력을 상기 디커플링 제어회로 또는 상기 출력단 회로로 출력하는
    부스트 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스팅 제어회로는
    상기 전력 변환 회로의 출력단과 상기 디커플링 제어회로의 사이에 구성되며, 상기 전력 변환 회로와는 병렬 구조로 상기 전력 변환 회로의 포지티브 출력 노드와 네거티브 출력 노드의 사이에 직렬로 연결된 제1 및 제2 스위칭 소자를 포함해서 구성된
    부스트 컨버터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자는
    상기 제어부의 제어에 따라 턴 온되면 상기 부스팅 인덕터가 상기 전력 변환 회로의 입력단과 폐회로를 이루어서 상기 부스팅 인덕터에 상기 직류 전원이 충전되도록 전류 흐름 경로를 형성하거나,
    상기 제어부의 제어에 따라 턴 오프되면 상기 부스팅 인덕터의 전류가 포지티브 노드의 출력단을 따라 상기 디커플링 회로나 상기 출력단 회로로 전송되도록 하는
    부스트 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자는
    상기 제어부의 제어에 따라 턴 온되면 상기 부스팅 인덕터가 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 전력 변환 회로의 입력단과 폐회로를 이루어서 상기 부스팅 인덕터에 상기 직류 전원이 충전되도록 하거나,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴 오프시에 상기 제어부의 제어에 따라 턴 온되면 상기 부스팅 인덕터와 상기 디커플링 회로의 버퍼 커패시터 및 상기 전력 변환 회로가 폐회로를 이루도록 해서 상기 버퍼 커패시터에 부스팅 전력이 저장되도록 전류 흐름 경로를 형성하는
    부스트 컨버터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 디커플링 제어회로는
    상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 사이 노드와 상기 부스팅 인덕터의 포지티브 출력 노드의 사이에 전기적으로 연결되어, 상기 제1 스위칭 소자와는 병렬 구조로 배치된 버퍼 커패시터를 포함하는
    부스트 컨버터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 버퍼 커패시터는
    상기 제1 스위칭 소자가 턴 오프된 상태에서 상기 제2 스위칭 소자만 턴 온되면 상기 부스팅 인덕터와 및 상기 전력 변환 회로와 폐회로가 형성됨에 따라 상기 부스팅 인덕터의 부스팅 전력이 공급받아 저장하고,
    제2 스위칭 소자가 턴 오프된 상태에서 상기 제1 스위칭 소자만 턴 온되면 양단 간 전압차에 따라 자체적으로 저장하고 있는 전력을 보상 전력으로써 상기 출력단 회로의 부하로 공급하는,
    부스트 컨버터.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 출력단 회로에 상기 부스팅 인덕터의 부스팅 전력이 공급되도록 하는 부스팅 전력 충방전 기간; 및
    상기 출력단 회로에 상기 부스팅 인덕터의 부스팅 전력과 함께 디커플링 제어회로의 보상 전력이 공급되도록 하는 보상 전력 충방전 기간을 구분하고,
    상기 부스팅 전력 충방전 기간과 상기 보상 전력 충방전 기간 별로 상기 제1 및 제2 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는
    부스트 컨버터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부스팅 전력 충방전 기간과 상기 보상 전력 충방전 기간의 부스팅 인덕터 충전 기간에 상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 모두 턴 온시킴으로써,
    상기 부스팅 인덕터가 상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 통해 상기 전력 변환 회로의 입력단과 폐회로를 이루도록 해서 상기 부스팅 인덕터에 상기 전력 변환 회로로부터의 직류 전원이 충전되도록 제어하는
    부스트 컨버터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는
    부스팅 전력 충방전 기간의 버퍼 커패시터 충전 기간에 상기 제1 스위칭 소자는 턴-오프시키고 상기 제2 스위칭 소자만 턴 온시킴으로써,
    상기 부스팅 인덕터, 상기 디커플링 회로의 버퍼 커패시터, 상기 제2 스위칭 소자 및 상기 전력 변환 회로가 폐회로를 이루도록 해서 상기 버퍼 커패시터에 상기 부스팅 인덕터의 출력 전류가 저장되도록 제어하는
    부스트 컨버터.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부스팅 전력 충방전 기간과 상기 보상 전력 충방전 기간의 부스팅 전력 출력 기간에 상기 제1 및 제2 스위칭 소자를 모두 턴 오프시킴으로써,
    상기 부스팅 인덕터와 상기 출력단 회로 및 상기 전력 변환 회로가 폐회로를 이루도록 해서 상기 부스팅 인덕터의 전력이 상기 출력단 회로의 부하로 공급되도록 제어하는
    부스트 컨버터.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 보상 전력 충방전 기간의 버퍼 커패시터 방전 기간에 상기 제1 스위칭 소자만 턴 온 되고 상기 제2 스위칭 소자는 턴 오프시킴으로써,
    상기 부스팅 인덕터, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 버퍼 커패시터, 상기 출력단 회로, 및 전력 변환 회로가 폐회로를 이루도록 해서 상기 버퍼 커패시터에 저장된 전력이 상기 출력단 회로의 부하로 공급되도록 제어하는
    부스트 컨버터.
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