KR20220012059A - 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터에 관한 것으로, 메인 인덕터와 메인 커패시터를 포함하는 메인 LC 필터, 입력 전원과 메인 인덕터 사이에 위치하여 입력 전원과 메인 인덕터를 연결 또는 차단하는 메인 스위치, 캐소드는 메인 인덕터와 메인 스위치의 접점에 연결되고, 애노드는 메인 커패시터에 연결되는 메인 다이오드, 보조 인덕터와 보조 커패시터를 포함하는 보조 LC 필터, 그리고 보조 인덕터와 보조 커패시터의 접점과 메인 인덕터와 메인 스위치의 접점을 연결 또는 차단하는 보조 스위치를 포함한다. 본 발명에 의하면 영전류 스위칭을 통하여, 벅 컨버터의 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 가격이 저렴한 IGBT 소자를 적용하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

Description

영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터{Buck Converter with Zero-Current-Switching}
본 발명은 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터에 관한 것이다.
벅-컨버터는 스위칭을 통하여 일정 범위를 갖는 입력 전압으로부터, 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 얻을 수 있는 전력변환회로이며, 최근 연료전지 자동차의 전력변환장치 및 전기자동차의 충전기 등에 적용되고 있다.
도 1은 일반적인 벅 컨버터의 회로도이고, 도 2는 도 1에 예시한 벅 컨버터의 동작 파형도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 일반적인 벅-컨버터는 인덕터(LM), 커패시터(CM)와 두 개의 스위치(보통 트랜지스터(QM)와 다이오드(DM) 각 한 개씩)를 사용하여 구성된다. 벅-컨버터는 인덕터(LM)와 입력 전원(Vin) 사이를 연결하여, 인덕터(LM)에 에너지를 저장하는 모드 1(Mode1)과 인덕터(LM)에 저장된 에너지를 부하로 방전하는 모드 2(Mode2)를 반복하면서 동작한다.
트랜지스터(QM)가 온(on)되는 모드 1로 동작할 때, 벅 컨버터는 ⓐ와 같은 전류 도통 경로가 구성된다. 모드 1에서 벅 컨버터는 입력 전원(Vin)의 입력 전압이 인덕터(LM)와 커패시터(CM)로 구성되는 LC 필터에 전달되며, 인덕터(LM)에 흐르는 전류(I_LM)는 선형적으로 상승한다. 인덕터(LM)에 전류가 충전된다. 다이오드(DM)는 입력 전원(Vin)에 의해 역방향 전압이 걸리므로 전류가 흐르지 않는다.
한편 트랜지스터(QM)가 오프(off)되는 모드 2로 동작할 때, 벅 컨버터는 ⓑ와 같은 전류 도통 경로가 구성된다. 모드 2에서 벅 컨버터는 다이오드(DM)에 순방향 전압이 걸리고 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가되며, 인덕터 전류(ILM)는 감소하며, 인덕터(LM)에서 전류가 방전된다.
그런데 종래 벅 컨버터는 트랜지스터(QM)의 높은 스위칭 손실로 인하여, 전력변환 효율이 낮은 단점이 있다. 최근 SiC MOSFET를 적용하여 스위칭 손실을 저감할 수 있지만, 가격이 높아지는 단점이 있었다.
한국공개특허 제2015-0131640호(공개일자: 2015년 11월 25일)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스위칭 손실을 저감하면서 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 메인 인덕터와 메인 커패시터를 포함하는 메인 LC 필터, 입력 전원과 상기 메인 인덕터 사이에 위치하여 상기 입력 전원과 상기 메인 인덕터를 연결 또는 차단하는 메인 스위치, 캐소드는 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점에 연결되고, 애노드는 상기 메인 커패시터에 연결되는 메인 다이오드, 보조 인덕터와 보조 커패시터를 포함하는 보조 LC 필터, 그리고 상기 보조 인덕터와 상기 보조 커패시터의 접점과 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점을 연결 또는 차단하는 보조 스위치를 포함한다.
상기 벅 컨버터는, 애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 보조 인덕터와 연결되는 보조 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 벅 컨버터는, 애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 메인 스위치와 연결되는 블로킹 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 벅 컨버터의 동작 모드는, 미리 정해진 제1 시간동안 상기 메인 스위치가 온(on)되는 제1 모드, 상기 제1 모드 후, 미리 정해진 제2 시간동안 상기 메인 스위치가 오프(off)되고 상기 보조 스위치가 온되는 제2 모드, 그리고 상기 제2 모드 후, 미리 정해진 제3 시간동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프되는 제3 모드를 포함할 수 있다.
상기 제1 모드에서, 상기 입력 전원의 입력 전압에 의해 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되고, 상기 제2 모드에서, 상기 입력 전압보다 높은 전압으로 상기 제3 모드에서 충전된 상기 보조 커패시터가 방전되면서 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되며, 상기 제3 모드에서, 상기 입력 전압이 LC 공진을 통해 상기 보조 커패시터를 충전하고, 상기 메인 다이오드가 온 되어 상기 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가될 수 있다.
상기 제3 모드에서 상기 보조 다이오드로 인해 상기 보조 LC 필터의 LC 공진이 반주기로 끝나고, 상기 보조 커패시터에는 상기 입력 전압의 2배의 전압이 충전될 수 있다.
상기 벅 컨버터의 동작 모드는, 상기 제3 모드 후, 미리 정해진 제4 시간 동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프된 상태로 유지하는 제4 모드를 더 포함하고, 상기 제1 모드 내지 상기 제4 모드를 순차적으로 반복할 수 있다.
상기 메인 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)일 수 있다.
본 발명에 의하면 영전류 스위칭을 통하여, 벅 컨버터의 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 가격이 저렴한 IGBT 소자를 적용하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 벅 컨버터의 회로도이다.
도 2는 도 1에 예시한 벅 컨버터의 동작 파형도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 주요 동작 파형도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 제1 모드 내지 제4 모드에서의 도통 경로를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 주요 동작 파형도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 영전류 스위칭이 가능한 벅 컨버터는 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM), 메인 다이오드(DM), 메인 스위치(QM), 보조 스위치(QA), 보조 커패시터(CA), 보조 인덕터(LA), 보조 다이오드(DA) 및 블록킹 다이오드(DB)를 포함할 수 있다.
도 4에 예시한 것과 같이, 입력 전원(Vin)의 입력 전압은 메인 스위치(QM)의 스위칭 동작에 따라 메인 인덕터(LM)와 메인 커패시터(CM)를 포함하는 메인 LC 필터를 거쳐 출력된다. 메인 LC 필터에서 고주파 성분은 그라운드(GND)를 통해 빠져나가고, 저주파 성분만 출력 전압(Vout)으로 출력된다.
메인 스위치(QM)는 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM) 사이에 위치한다. 메인 스위치(QM)는 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM)를 연결 또는 차단할 수 있다. 도 4에서 모드 1 구간에는 메인 스위치(QM)가 온(ON) 되어, 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM)를 연결한다. 모드 2 ~ 모드 4 구간에는 메인 스위치(QM)가 오프(OFF)되어 입력 전원(Vin)과 메인 인덕터(LM)를 차단할 수 있다.
메인 스위치(QM)는 컨트롤러(미도시)를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온 또는 오프될 수 있다.
메인 스위치(QM)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)로 구현할 수 있다. 물론 실시예에 따라서 메인 스위치(QM)는 SiC MOSFET 등과 같은 다른 스위칭 소자로 구현할 수도 있다.
메인 다이오드(DM)는 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점에 캐소드가 연결되고, 메인 커패시터(CM)에 애노드가 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 벅 컨버터는 메인 LC 필터에 추가하여 보조 커패시터(CA)와 보조 인덕터(LA)를 포함하는 보조 LC 필터를 더 포함할 수 있다.
보조 스위치(QA)는 보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)의 접점과 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점을 연결 또는 차단할 수 있다. 모드 2 구간에는 보조 스위치(QA)가 온(ON) 되어, 보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)의 접점과 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점을 연결할 수 있다. 그리고 모드 1, 모드 3 및 모드 4 구간에는 보조 스위치(QA)가 온(OFF) 되어, 보조 인덕터(LA)와 보조 커패시터(CA)의 접점과 메인 인덕터(LM)와 메인 스위치(QM)의 접점을 차단할 수 있다.
보조 스위치(QA)는 컨트롤러(미도시)를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 온 또는 오프될 수 있다.
보조 다이오드(DA)는 입력 전원(Vin)의 고전위 단자(양극 단자)와 애노드가 연결되고, 보조 인덕터(LA)와 캐소드가 연결될 수 있다.
한편 블록킹 다이오드(DB)는 입력 전원(Vin)의 고전위 단자와 애노드가 연결되고, 메인 스위치(QM)와 캐소드가 연결될 수 있다.
입력 전원(Vin)의 저전위 단자(음극 단자), 보조 커패시터(CA), 메인 다이오드(DM)와 메인 커패시터(CM)는 그라운드(GND)에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 벅 컨버터는 제1 모드 내지 제4 모드를 포함하는 동작 모드를 가지며, 순차적으로 제1 모드 내지 제4 모드를 반복할 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 컨버터의 제1 모드 내지 제4 모드에서의 도통 경로를 나타낸 것이다.
도 5를 참고하면, 벅 컨버터는 제1 모드에서 메인 스위치(QM)가 온 되고, 보조 스위치(QA)가 오프된다. 제1 모드에서 벅 컨버터는 입력 전원(Vin), 블록킹 다이오드(DB), 메인 스위치(QM), 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM)로 이루어지는 전류 도통 경로(①)를 가질 수 있다.
제1 모드에서 메인 스위치(QM)가 온 됨에 따라, 입력 전원(Vin)의 입력 전압이 메인 LC 필터에 전달되고, 메인 인덕터(LM)에 전류(I_LM)가 상승하며 충전된다.
도 6을 참고하면, 벅 컨버터는 제2 모드에서 메인 스위치(QM)가 오프 되고, 보조 스위치(QA)가 온 된다. 제2 모드에서 벅 컨버터는 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM), 보조 커패시터(CA), 보조 스위치(QA)로 이루어지는 전류 도통 경로(②)를 가질 수 있다.
제2 모드에서 벅 컨버터는 보조 스위치(QA)가 온 되고 보조 커패시터(CA)에 이미 입력 전압보다 높은 전압이 충전된 상태이므로, 보조 커패시터(CA)에서 메인 인덕터(LM)로 전류를 공급하게 된다. 메인 스위치(QM)가 오프 되어, 메인 스위치(QM)에 흐르는 전류(I_QM)은 '0'이 된다. 그리고 제2 모드에서 시간이 경과함에 따라 보조 커패시터(CA)에 충전되어 있던 전압은 인덕터(LM)로 모두 방전되어 '0'이 된다.
제2 모드에서 메인 스위치(QM)의 오프와 보조 스위치(QA)의 온을 거의 동시에 할 수도 있으나, 실시예에 따라서 메인 스위치(QM)를 오프하기 전에 보조 스위치(QA)를 온 하도록 구현하는 것도 가능하다.
도 7을 참고하면, 벅 컨버터는 제3 모드에서 메인 스위치(QM)와 보조 스위치(QA)가 모두 오프 된다. 제3 모드에서 벅 컨버터는 2개의 전류 도통 경로(③, ④)가 형성될 수 있다.
전류 도통 경로(③)는 입력 전원(Vin), 블록킹 다이오드(DB), 보조 다이오드(DA), 보조 인덕터(LA), 보조 커패시터(CA)로 형성된다. 그리고 전류 도통 경로(④)는 메인 인덕터(LM), 메인 커패시터(CM), 메인 다이오드(DM)로 형성될 수 있다.
전류 도통 경로(③)에서, 입력 전압이 보조 커패시터(CA)와 보조 인덕터(LA)의 LC 공진을 통해 보조 커패시터(CA)를 충전하게 된다. 전류 도통 경로(③)에 의한 보조 커패시터(CA)의 충전은 보조 다이오드(DA)로 인해 보조 LC 필터의 공진이 반주기로 끝날때까지 이루어지며, 입력 전압의 2배 만큼의 전압이 보조 커패시터(CA)에 충전될 수 있다.
전류 도통 경로(④)에서 메인 다이오드(DM)에 순방향 전압이 걸린다. 메인 다이오드(DM)가 온 되어 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가된다. 따라서 메인 인덕터(LM)에서 전류(I_LM)가 하강하며 방전된다.
도 8을 참고하면, 벅 컨버터는 제4 모드에서 메인 스위치(QM)와 보조 스위치(QA)가 모두 오프 상태를 유지할 수 있다. 제4 모드에서 벅 컨버터는 하나의 전류 도통 경로(⑤)가 형성될 수 있다. 전류 도통 경로(⑤)는 도 7에서 전류 도통 경로(④)와 동일하다.
제4 모드에서 보조 커패시터(CA)는 입력 전압의 2배 만큼의 전압이 충전된 상태를 유지하고, 메인 인덕터(LM)는 메인 다이오드(DM)가 온 되어 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가되고, 메인 인덕터(LM)에서 전류(I_LM)가 하강하며 방전된다.
이와 같이 본 발명에 따른 벅 컨버터는 메인 스위치(QM)로 흐르는 전류를 보조 스위치(QA)를 추가하여 등가 전압원으로 우회시킴으로써, 영전류 조건에서 턴-오프 시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

  1. 메인 인덕터와 메인 커패시터를 포함하는 메인 LC 필터,
    입력 전원과 상기 메인 인덕터 사이에 위치하여 상기 입력 전원과 상기 메인 인덕터를 연결 또는 차단하는 메인 스위치,
    캐소드는 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점에 연결되고, 애노드는 상기 메인 커패시터에 연결되는 메인 다이오드,
    보조 인덕터와 보조 커패시터를 포함하는 보조 LC 필터, 그리고
    상기 보조 인덕터와 상기 보조 커패시터의 접점과 상기 메인 인덕터와 상기 메인 스위치의 접점을 연결 또는 차단하는 보조 스위치
    를 포함하는 벅 컨버터.
  2. 제 1 항에서,
    애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 보조 인덕터와 연결되는 보조 다이오드
    를 더 포함하는 벅 컨버터.
  3. 제 2 항에서,
    애노드는 상기 입력 전원의 고전위 단자와 연결되고, 캐소드는 상기 메인 스위치와 연결되는 블로킹 다이오드
    를 더 포함하는 벅 컨버터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에서,
    상기 벅 컨버터의 동작 모드는,
    미리 정해진 제1 시간동안 상기 메인 스위치가 온(on)되는 제1 모드,
    상기 제1 모드 후, 미리 정해진 제2 시간동안 상기 메인 스위치가 오프(off)되고 상기 보조 스위치가 온되는 제2 모드, 그리고
    상기 제2 모드 후, 미리 정해진 제3 시간동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프되는 제3 모드
    를 포함하는 벅 컨버터.
  5. 제 4 항에서,
    상기 제1 모드에서, 상기 입력 전원의 입력 전압에 의해 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되고,
    상기 제2 모드에서, 상기 입력 전압보다 높은 전압으로 상기 제3 모드에서 충전된 상기 보조 커패시터가 방전되면서 상기 메인 인덕터에 전류가 충전되며,
    상기 제3 모드에서, 상기 입력 전압이 LC 공진을 통해 상기 보조 커패시터를 충전하고, 상기 메인 다이오드가 온 되어 상기 메인 LC 필터에 영 전압(Zero-voltage)이 인가되는 벅 컨버터.
  6. 제 5 항에서,
    상기 제3 모드에서 상기 보조 다이오드로 인해 상기 보조 LC 필터의 LC 공진이 반주기로 끝나고, 상기 보조 커패시터에는 상기 입력 전압의 2배의 전압이 충전되는 벅 컨버터.
  7. 제 6 항에서,
    상기 벅 컨버터의 동작 모드는,
    상기 제3 모드 후, 미리 정해진 제4 시간 동안 상기 메인 스위치와 상기 보조 스위치가 모두 오프된 상태로 유지하는 제4 모드를 더 포함하고,
    상기 제1 모드 내지 상기 제4 모드를 순차적으로 반복하는 벅 컨버터.
  8. 제 1 항에서,
    상기 메인 스위치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)인 벅 컨버터.
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KR20150131640A (ko) 2014-05-15 2015-11-25 주식회사 이지트로닉스 소프트 스위칭 방식의 영전류 천이형 벅 컨버터
US20170040883A1 (en) * 2015-08-04 2017-02-09 Power Integrations, Inc. Reverse current blockage through buck controller block

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