KR20230059588A - 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 제1 인덕터(L1)와, 상기 제1 인덕터(L1)와 자기결합(coupled)되고, 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬연결되는 제2 인덕터(L2)와, 상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)와 자기결합되고, 상기 제1 인덕터(L1)에 병렬연결되고 상기 제2 인덕터(L2)에 직렬 연결되는 제3 인덕터(L3)와, 상기 제1 인덕터(L1)와 제3 인덕터(L3)는 입력측의 전원(Vin)에 연결되고, 상기 제2 인덕터(L2)는 출력측의 부하(R)에 연결되며, 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되, 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬 연결되는 제1 스위칭소자(Q1)와, 상기 제3 인덕터(L3)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되, 상기 제3 인덕터(L3)에 직렬 연결되는 제3 스위칭소자(Q3)와, 상기 제2 인덕터(L2)의 출력단에 직렬 연결되는 역류방지 다이오드(D1)와, 부하(R)에 병렬 연결되어서 상기 역류방지 다이오드(D1)의 출력단에 연결되는 충전캐패시터(C1)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 이에 의하면 듀티비를 낮추고 고전압 및 고출력을 구현할 수 있는 이점이 있다.

Description

스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터{High-voltage booster converter with reduced switching loss}
본 발명은 부스터 컨버터에 관한 것으로, 특히 자기 결합된 3 개의 인덕터를 이용하여 스위칭 손실을 절감하고 고승압을 구현할 수 있도록 하기에 적당하도록 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터에 관한 것이다.
최근 들어, 연로전지나 배터리 기반의 전기 구동 시스템, 반도체 제조장비, 대형 디스플레이 장치, 초음파 및 엑스레이(X-ray) 장치 등을 위해 낮은 DC전압을 승합할 수 있는 다양한 전원장치들이 연구 개발되고 있다.
이러한 전원장치로는 부스트 컨버터를 대표적인 전원장치로 볼 수 있다.
일반적인 부스트 컨버터로는 높은 승압비를 획득하기 관리하여, 기존에는 복수의 부스트 컨버터를 직렬로 연결하여 높은 승압비를 얻었으나 이는 전력변환 효율의 감소와 사용 부품의 증가로 인한 가격상승, 출력(전압, 전류)측에 리플 등의 문제점이 있다.
이를 해소하기 위해 탭 인덕터(tap inductor)를 채용한 부스트 컨버터가 개발되었으나, 고효율의 전력변환 시스템을 위해서는 전력변환을 위한 스위치의 스위칭 주파수를 높여야 하지만 그에 비례하여 스위칭 손실이 증가하기 때문에 일정한 듀티비 이상으로 증가할 수 없었다.
또한 커플드 인덕터를 이용한 부스터 컨버터의 경우 높은 전압을 얻기 위해 듀티비를 증가 시키게 되면 스위칭시 발생하는 전력손실이 증가하여 일정 듀티비 이상으로 사용할 수 없었다.
그리고, 커플드 인덕터를 이용한 부스터 컨버터의 경우 스위칭소자의 전압스트레스로 일정 듀티 이상을 증가 시킬 수 없었다.
이를 보완 하고자 스위칭 손실 저감을 위한 소프트 스위칭 기법의 인터리브 방식의 연구를 하고 있지만, 기존의 인터리브드 방식은 같은 부스터 컨버터 회로 2개를 단순 병렬로 연결한 구조로 첫번째 부스터 컨버터와 두번째 부스터 컨버터 간에 충전에너지 차가 발생할 수밖에 없으며 이로 인하여 제1부스터 컨버터와 제2부스터 컨버터를 개별적으로 제어를 해줘야하기 때문에 인터리브드 방식의 부스트 컨버터를 구현하는데 어려움이 있다.
문헌1: 공개특허공보 제10-2013-0125229호(공개일: 2013년 11월 18일)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터의 목적은,
첫째, 입력측에 제1 인덕터와 제3 인덕터를 병렬 연결하고 출력측에 제2 인덕터를 이들에 직렬 연결하므로써, 기존의 인터리브드 부스터 컨버터에서 발생되는 충전에너지 차이가 발생하지 않고, 제3 인덕터에서 자기유도된 전압, 전류를 다시 입력으로 사용할 수 있고 자기에너지의 상승에 따라서 높은 승압비[높은 전력변환(높은 효율)]를 구현할 수 있도록 하고,
둘째, 제1 인덕터와 제3 인덕터를 병렬 연결하고 제2 인덕터를 이들에 직렬 연결하므로써 낮은 듀티온비[T1/(T1+T2+Toff)](0.5 이하)를 구현할 수 있고, 이와 같이 듀티온비가 낮아지고, 듀티온비의 감소로 스위칭소자(반도체 스위치로서 예컨대 MOSFET)의 전력 손실을 줄일 수 있도록 하며,
셋째, 또한 스위칭소자에 걸리는 전압은 제1 인덕터와 제3 인덕터가 직렬 연결된 결합부분에서 스위칭을 함으로써 제1 인덕터와 제3 인덕터 사이의 전압분배에 따라 출력전압보다 낮은 전압이 스위치에 걸리게 되므로 전력반도체 스위치의 턴오프시 발생하는 전력반도체 스위치 소자의 전압스트레스를 낮출 수 있도록 하며, 그리하여, 자기 결합된 3 개의 인덕터를 이용한 고승압 부스터 컨버터를 사용한다면 스위칭시 낮은 전력손실과 높은 전력변환, 스위치에 걸리는 전압 스트레스를 낮춰 장비의 안전성을 높일 수 있도록 하며,
넷째, 동일한 출력전압을 구현하는 경우에 낮은 주파수의 사용으로 입력 전류의 크기를 감소시킬 수 있어서 인덕터와 충전캐패시터 및 스위칭소자(반도체 스위치) 등의 용량이 작아져서 사이즈를 줄일 수 있고 동시에 제어의 단순성을 확보할 수 있도록 하며,
다섯째, 기존보다 리플(전압, 전류)이 감소하고, 따라서 리플에 민감한 기기의 전력공급용으로 활용할 수 있도록 하기에 적당하도록 한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터는, 제1 인덕터와, 상기 제1 인덕터와 자기결합(coupled)되고, 상기 제1 인덕터에 직렬연결되는 제2 인덕터와, 상기 제1 인덕터 및 제2 인덕터와 자기결합되고, 상기 제1 인덕터에 병렬연결되고 상기 제2 인덕터에 직렬 연결되는 제3 인덕터와, 상기 제1 인덕터와 제3 인덕터는 입력측의 전원에 연결되고, 상기 제2 인덕터는 출력측의 부하에 연결되며, 상기 제1 인덕터와 제2 인덕터의 사이에 연결되되, 상기 제1 인덕터에 직렬 연결되는 제1 스위칭소자와, 상기 제3 인덕터와 제2 인덕터의 사이에 연결되되, 상기 제3 인덕터에 직렬 연결되는 제3 스위칭소자와, 상기 제2 인덕터의 출력단에 직렬 연결되는 역류방지 다이오드와, 부하에 병렬 연결되어서 상기 역류방지 다이오드의 출력단에 연결되는 충전캐패시터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명인 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 입력측에 제1 인덕터와 제3 인덕터를 병렬 연결하고 출력측에 제2 인덕터를 이들에 직렬 연결하므로써, 기존의 인터리브드 부스터 컨버터에서 발생되는 충전에너지 차이가 발생하지 않고, 제3 인덕터에서 자기유도된 전압, 전류를 다시 입력으로 사용할 수 있고 자기에너지의 상승에 따라서 높은 승압비[높은 전력변환(높은 효율)]를 구현할 수 있다.
둘째, 제1 인덕터와 제3 인덕터를 병렬 연결하고 제2 인덕터를 이들에 직렬 연결하므로써 낮은 듀티온비[T1/(T1+T2+Toff)](0.5 이하)를 구현할 수 있고, 이와 같이 듀티온비가 낮아지고, 듀티온비의 감소로 스위칭소자(반도체 스위치로서 예컨대 MOSFET)의 전력 손실을 줄일 수 있다.
셋째, 또한 스위칭소자에 걸리는 전압은 제1 인덕터와 제3 인덕터가 직렬 연결된 결합부분에서 스위칭을 함으로써 제1 인덕터와 제3 인덕터 사이의 전압분배에 따라 출력전압보다 낮은 전압이 스위치에 걸리게 되므로 전력반도체 스위치의 턴오프시 발생하는 전력반도체 스위치 소자의 전압스트레스를 낮추는 효과가 발생한다.
따라서 자기 결합된 3 개의 인덕터를 이용한 고승압 부스터 컨버터를 사용한다면 스위칭시 낮은 전력손실과 높은 전력변환, 스위치에 걸리는 전압 스트레스를 낮춰 장비의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.
넷째, 동일한 출력전압을 구현하는 경우에 낮은 주파수의 사용으로 입력 전류의 크기를 감소시킬 수 있어서 인덕터와 충전캐패시터 및 스위칭소자(반도체 스위치) 등의 용량이 작아져서 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있고 동시에 제어의 단순성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 기존보다 리플(전압, 전류)이 감소하고, 따라서 리플에 민감한 기기의 전력공급용으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터의 회로 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터에 있어서 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)에 제1,2 스위칭 제어신호의 입력에 따른 전류의 파형도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터의 변형된 실시예에 의한 주요부의 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터의 변형된 회로 블록 구성도이다.
다음은 본 발명인 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터는, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)와 제3 인덕터(L3)와 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)와 역류방지 다이오드(D1)와 충전캐패시터(C1)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 인덕터(L1)는 입력측인 입력전원(Vin)에 연결되어서 자기에너지를 저장하는 에너지 저장 소자이다.
상기 제2 인덕터(L2)는 출력측인 부하(RL)에 연결되고, 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)와 자기결합(coupled)되고 상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)에 직렬연결되는 소자이다.
상기 제3 인덕터(L3)는 입력측인 입력전원(Vin)에 연결되어서 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)와 자기결합되고, 상기 제1 인덕터(L1)에 병렬연결되고 또한 상기 제2 인덕터(L2)에 직렬 연결되는 소자이다.
상기 제1 스위칭소자(Q1)는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되, 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬 연결되고 제2 인덕터(L2)에 병렬 연결되는 스위칭소자이다.
상기 제3 스위칭소자(Q3)는 제3 인덕터(L3)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되, 상기 제3 인덕터(L3)에 직렬 연결되고 제3 인덕터(L3)에 병렬 연결되는 소자이다.
상기 제3 스위칭소자(Q3)는 제1 스위칭소자(Q1)에 병렬 연결되어 있다.
상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)는 반도체 스위치로 구성된다.
상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)는 180 도의 위상차로서 스위칭 온오프 동작된다.
그리고, 실시예에 따라서는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)에 병렬 연결되는 제4 스위칭 소자(Q4)가 더 포함되어서 구성될 수 있을 것이다.
구체적으로 상기 제4 스위칭소자(Q4)는 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)에 병렬 연결되고, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬 연결되고 제2 인덕터(L2)에 병렬 연결되는 스위칭소자이다.
이 경우, 상기 제4 스위칭소자(Q4)가 추가로 구비되는 경우, 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)와 제4 스위칭소자(Q)의 3 개의 스위칭소자는 120 도의 위상차로서 스위칭 온오프 동작된다.
또한 실시예에 따라서는 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)와 제4 스위칭소자(Q)에 병결 연결되는 제5 스위칭소자(미도시)가 더 포함될 수도 있으며, 이 경우에도 본원발명의 기술적 범위에 속함은 물론이다.
구체적으로 상기 제5 스위칭소자는 제1 스위칭소자(Q1), 제2 스위칭소자(Q2)및 제4 스위칭소자(Q4)에 병렬 연결되고, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬 연결되고 제2 인덕터(L2)에 병렬 연결되는 스위칭소자이다.
이 경우, 상기 제5 스위칭소자가 추가로 구비되는 경우, 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)와 제4 스위칭소자(Q4)와 제5 스위칭소자의 4 개의 스위칭소자는 90 도의 위상차로서 스위칭 온오프 동작된다.
그리고 실시예에 따라서는 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)와 제4 스위칭소자(Q) 및 제5 스위칭소자(미도시)에 병결 연결되는 제6 스위칭소자(미도시)가 더 포함될 수도 있으며, 이 경우에도 본원발명의 기술적 범위에 속함은 물론이다.
바람직하게는 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 MOSFET으로 구성된다. 마찬가지로 제5,6 스위칭소자도 MOSFET으로 구성된다.
그리고 상기 역류방지 다이오드(D1)는 제2 인덕터(L2)의 출력단에 직렬 연결되는 소자이다.
상기 충전캐패시터(C1)는 부하(R)에 병렬 연결되어서 상기 역류방지 다이오드(D1)의 출력단에 연결되고, 상기 제2 인덕터(L2)에 저장된 자기에너지에 의해서 충전되고 또한 역류방지 다이오드(D1)를 통과하는 출력전류에 의해서 충전되는 충전소자이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터에 있어서, 상기 제1 스위칭소자(Q1)가 듀티온 타임(T1) 동안 스위칭온되는 경우 상기 제1 인덕터(L1)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되고, 상기 제3 스위칭소자(Q3)가 듀티온 타임(T3) 동안 스위칭온되는 경우 상기 제3 인덕터(L3)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되며, 상기 제1 스위칭소자(Q1)가 듀티온 타임(T1)인 경우에는 제3 스위칭소자(Q3)는 듀티오프 타임(Toff)이어서 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 공급되지 않고, 마찬가지로 상기 제3 스위칭소자(Q3)가 듀티온 타임(T3)인 경우에는 제1 스위칭소자(Q1)는 듀티오프 타임(Toff)이어서 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 공급되지 않으며, 상기 제1 스위칭소자(Q1)의 듀티온 타임(T1) 후의 바로 이어서 동작되는 제3 스위칭소자(Q3)의 듀티온 타임(T3)과의 사이의 시간(T2)[즉, 동시 듀티오프 타임(T2)]에는 제1 스위칭소자(Q1) 및 제3 스위칭소자(Q3) 모두가 듀티오프 타임(T2)으로 되어서 전원의 입력전류(Iin)는 모두 제2 인덕터(L2)로 전류가 흐르고, 충전캐패시터(C1)에 전류가 충전되며, 상기 제1 인덕터(L1)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되거나, 또는 상기 제3 인덕터(L3)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되는 경우에는, 상기 제2 인덕터(L2)로 입력전류(Iin)가 흐르지는 않지만 제1 인덕터(L1) 및 제3 인덕터(L3)에 커플드된 제2 인덕터(L2)로 유도자기에 의한 자기에너지가 저장되고, 또한 충전캐패시터(C1)에 충전된 전압에 의해서 충전전류(Ic)가 흐르는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터에 있어서, 상기 제1 스위칭소자(Q1)로 제1 스위칭 제어신호를 출력하고, 상기 제3 스위칭소자(Q3)로 제3 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부(10)가 더 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(10)는, 제1 스위칭소자(Q1)의 듀티온 타임(T1), 제1 스위칭소자(Q1)과 제3 스위칭소자(Q3)의 동시 듀티오프 타임(T2) 및 제3 스위칭소자(Q3)의 듀티온 타임(T3)의 시퀀스 타임을 갖고, 또한 제1 스위칭소자(Q1)가 듀티온 타임(T1)인 경우에는 제3 스위칭소자(Q3)는 듀티오프 타임(Toff)이고, 제3 스위칭소자(Q3)가 듀티온 타임(T3)인 경우에는 제1 스위칭소자(Q1)는 듀티오프 타임(Toff)이 되는 제1,3 스위칭 제어신호를 생성하며, 제1 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T1)에 제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭 온하고, 제1 스위칭 제어신호의 듀티오프 타임(T2+Toff)에 제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭 오프하며, 제3 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T3)에 제3 스위칭소자(Q3)가 스위칭 온하고, 제3 스위칭 제어신호의 듀티오프 타임(T2+Toff)에 제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭 오프하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부(10)는, 제1,3 스위칭 제어신호의 듀티오프 타임이 중첩되는 동시 듀티오프 타임(T2)에는 제1 스위칭소자(Q1) 및 제3 스위칭소자(Q3) 모두가 듀티오프 타임이므로 전원의 입력전류(Iin)는 모두 제2 인덕터(L2)로 전류가 흐르고, 충전캐패시터(C1)에 전류가 충전되며, 제1 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T1)에는 상기 제1 인덕터(L1)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되어서 상기 제2 인덕터(L2)로 입력전류(Iin)가 흐르지는 않지만 제2 인덕터(L2)로 유도자기에 의한 자기에너지가 저장되고, 또한 충전캐패시터(C1)에 충전된 전압에 의해서 충전전류(Ic)가 흐르고, 제3 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T3)에는 상기 제3 인덕터(L3)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되어서 상기 제2 인덕터(L2)로 입력전류(Iin)가 흐르지는 않지만 제2 인덕터(L2)로 유도자기에 의한 자기에너지가 저장되고, 또한 충전캐패시터(C1)에 충전된 전압에 의해서 충전전류(Ic)가 흐르는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 입력측에 제1 인덕터(L1)와 제3 인덕터(L3)를 병렬 연결하고 출력측에 제2 인덕터(L2)를 이들에 직렬 연결하므로써, 기존의 인터리브드 부스터 컨버터에서 발생되는 충전에너지 차이가 발생하지 않고, 제3 인덕터(L3)에서 자기유도된 전압, 전류를 다시 입력으로 사용할 수 있고 자기에너지의 상승에 따라서 높은 승압비[높은 전력변환(높은 효율)]를 구현할 수 있다.
또한, 제1 인덕터(L1)와 제3 인덕터(L3)를 병렬 연결하고 제2 인덕터(L2)를 이들에 직렬 연결하므로써 낮은 듀티온비[T1/(T1+T2+Toff)](0.5 이하)를 구현할 수 있고, 이와 같이 듀티온비가 낮아지고, 듀티온비의 감소로 스위칭소자(반도체 스위치로서 예컨대 MOSFET)의 전력 손실을 줄일 수 있다.
그리고, 스위칭소자(Q1,Q3)에 걸리는 전압은 제1 인덕터(L1)과 제3 인덕터(L3) 직렬 연결된 결합부분에서 스위칭을 함으로써 제1 인덕터(L1)와 제3 인덕터((L3) 사이의 전압분배에 따라 출력전압보다 낮은 전압이 스위치에 걸리게 되므로 전력반도체 스위치의 턴오프시 발생하는 전력반도체 스위치 소자의 전압스트레스를 낮출 수 있다.
따라서 자기 결합된 3 개의 인덕터를 이용한 고승압 부스터 컨버터를 사용한다면 스위칭시 낮은 전력손실과 높은 전력변환, 스위치에 걸리는 전압 스트레스를 낮춰 장비의 안전성을 높이게 된다.
또한 동일한 출력전압을 구현하는 경우에 낮은 주파수의 사용으로 입력 전류의 크기를 감소시킬 수 있어서 인덕터와 충전캐패시터 및 스위칭소자(반도체 스위치) 등의 용량이 작아져서 사이즈를 줄일 수 있고 동시에 제어의 단순성을 확보할 수 있다.
그리고, 기존보다 리플(전압, 전류)이 감소하고, 따라서 리플에 민감한 기기의 전력공급용으로 활용이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터에 있어서, 상기 제1 인덕터(L1)는, 복수의 인덕터(L1a,L1b,...,L1n)가 병렬 연결되어서 구성되는 것을 특징으로 한다.
마찬가지로 상기 제2 인덕터(L2)는, 복수의 인덕터(L2a,L2b,...,L2n)가 병렬 연결되어서 구성된다.
그리고, 상기 제3 인덕터(L3)는, 복수의 인덕터(L3a,L3b,...,L3n)가 병렬 연결되어서 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제3 스위칭소자(Q3)는 180 도의 위상차로 듀티온 제어가 수행된다.
다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터의 동작에 대하여 기술한다.
[제1 스위칭소자 듀티온 타임(T1)]
제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭온되고 제3 스위칭소자(Q3)는 스위칭오프되도록 제어부(10)는 스위칭소자(Q1,Q3)로 스위칭제어신호를 출력한다.
제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭온되면 제1 인덕터(L1)에서는 충전이 시작되고, 역류방지 다이오드(D1)에서는 역전압이 발생(역류방지 다이오드(D1)와 충전캐패시터(C1)가 전기적 연결이 끊긴 현상 발생)하여 충전캐패시터(C1)에서 방전을 시작하고, 부하(R)에 에너지가 공급된다.
[제1 스위칭소자 듀티오프 타임(T1+Toff)]
제1 스위칭소자(Q1)의 오프 동작에서는 제1 인덕터(L1)에 충전된 에너지와 입력된 에너지가 합해져서 승압된 에너지가 제2 인덕터(L2)를 통하여 방전[역류방지 다이오드(D1) 순방향]을 시작하면서 부하(R)와 충전캐패시터에 에너지를 공급한다.
다음으로 제1 스위칭소자(Q1)와 180 도 위상차로 제3 스위칭소자(Q3)가 동작한다.
제3 스위칭소자(Q3)가 스위칭온되고 제1 스위칭소자(Q1)는 스위칭오프되도록 제어부(10)는 스위칭소자(Q1,Q3)로 스위칭제어신호를 출력한다.
[제3 스위칭소자 듀티온 타임(T3)] - 듀티비에 의해 스위칭 됨
제3 스위칭소자(Q3)가 스위칭온되면 제3 인덕터(L3)에서는 충전이 시작되고, 역류방지 다이오드(D1)에서는 역전압이 발생하여 충전캐패시터(C1)에서 방전을 시작하고, 부하(R)에 에너지가 공급된다.
[제3 스위칭소자 듀티오프 타임(T1+Toff)]
제3 스위칭소자(Q3)의 오프 동작에서는 제3 인덕터(L3)에 충전된 에너지와 입력된 에너지가 합해져서 승압된 에너지가 제2 인덕터(L2)를 통하여 방전[역류방지 다이오드(D1) 순방향]을 시작하면서 부하(R)와 충전캐패시터에 에너지를 공급한다.
[제1 스위칭소자(Q1)과 제3 스위칭소자(Q3)의 동시 듀티오프 타임(T2)]
제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q1,Q3)가 모두 오프된 상태인 동시 듀티오프 타임(T2)의 경우, 제1,3 스위칭소자(Q1,Q3)가 모두 스위칭오프되도록 제어부(10)가 스위칭소자(Q1,Q3)로 스위칭제어신호를 출력한다.
이 경우에는 제1 인덕터(L1)와 제3 인덕터(L3)에 충전된 에너지와 입력된 에너지가 합해져서 승압된 에너지가 제2 인덕터(L2)를 통하여 방전[역류방지 다이오드(D1) 순방향]을 시작하면서 부하(R)와 충전캐패시터(C1)에 에너지를 공급한다.
한편, 역방향차단 다이오드를 MOSFET로 치환하는 경우, 양방향 벅-부스트 컨버터로 구현할 수 있어서 DAB Converter로 동작가능할 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것은 해당 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
L1 : 제1 인덕터 L2 : 제2 인덕터
L3 : 제3 인덕터 Q1 : 제1 스위칭소자
Q3 : 제3 스위칭소자 D1 : 역류방지 다이오드
C1 : 충전캐패시터 Iin : 입력전류
Vin : 입력전원 Io : 출력전류
Ic : 충전전류 10 : 제어부

Claims (4)

  1. 제1 인덕터(L1)와,
    상기 제1 인덕터(L1)와 자기결합(coupled)되고, 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬연결되는 제2 인덕터(L2)와,
    상기 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)와 자기결합되고, 상기 제1 인덕터(L1)에 병렬연결되며, 상기 제2 인덕터(L2)에 직렬 연결되는 제3 인덕터(L3)와,
    상기 제1 인덕터(L1)와 제3 인덕터(L3)는 입력측의 입력전원(Vin)에 연결되고,
    상기 제2 인덕터(L2)는 출력측의 부하(R)에 연결되며,
    상기 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되, 상기 제1 인덕터(L1)에 직렬 연결되는 제1 스위칭소자(Q1)와,
    상기 제3 인덕터(L3)와 제2 인덕터(L2)의 사이에 연결되되, 상기 제3 인덕터(L3)에 직렬 연결되는 제3 스위칭소자(Q3)와,
    상기 제2 인덕터(L2)의 출력단에 직렬 연결되는 역류방지 다이오드(D1)와,
    부하(R)에 병렬 연결되어서 상기 역류방지 다이오드(D1)의 출력단에 연결되는 충전캐패시터(C1)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자(Q1)가 듀티온 타임(T1) 동안 스위칭온되는 경우 상기 제1 인덕터(L1)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되고,
    상기 제3 스위칭소자(Q3)가 듀티온 타임(T3) 동안 스위칭온되는 경우 상기 제3 인덕터(L3)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되며,
    상기 제1 스위칭소자(Q1)가 듀티온 타임(T1)인 경우에는 제3 스위칭소자(Q3)는 듀티오프 타임(Toff)이어서 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 공급되지 않고, 상기 제3 스위칭소자(Q3)가 듀티온 타임(T3)인 경우에는 제1 스위칭소자(Q1)는 듀티오프 타임(Toff)이어서 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 공급되지 않으며,
    상기 제1 스위칭소자(Q1)의 듀티온 타임(T1) 후의 바로 이어서 동작되는 제3 스위칭소자(Q3)의 듀티온 타임(T3)과의 사이의 시간(T2)에는 제1 스위칭소자(Q1) 및 제3 스위칭소자(Q3) 모두가 듀티오프 타임으로 되어서 전원의 입력전류(Iin)는 모두 제2 인덕터(L2)로 전류가 흐르고, 충전캐패시터(C1)에 전류가 충전되며,
    상기 제1 인덕터(L1)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되거나, 또는 상기 제3 인덕터(L3)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되는 경우에는, 상기 제2 인덕터(L2)로 입력전류(Iin)가 흐르지는 않지만 제1 인덕터(L1) 및 제3 인덕터(L3)에 커플드된 제2 인덕터(L2)로 유도자기에 의한 자기에너지가 저장되고, 또한 충전캐패시터(C1)에 충전된 전압에 의해서 충전전류(Ic)가 흐르는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 스위칭소자(Q1)로 제1 스위칭 제어신호를 출력하고, 상기 제3 스위칭소자(Q3)로 제3 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부(10)가 더 포함되어서 구성되고,
    상기 제어부(10)는,
    제1 스위칭소자(Q1)의 듀티온 타임(T1), 제1 스위칭소자(Q1)과 제3 스위칭소자(Q3)의 동시 듀티오프 타임(T2) 및 제3 스위칭소자(Q3)의 듀티온 타임(T3)의 시퀀스 타임을 갖고,
    또한 제1 스위칭소자(Q1)가 듀티온 타임(T1)인 경우에는 제3 스위칭소자(Q3)는 듀티오프 타임(Toff)이고, 제3 스위칭소자(Q3)가 듀티온 타임(T3)인 경우에는 제1 스위칭소자(Q1)는 듀티오프 타임(Toff)이 되는 제1,3 스위칭 제어신호를 생성하며,
    제1 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T1)에 제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭 온하고, 제1 스위칭 제어신호의 듀티오프 타임(T2+Toff)에 제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭 오프하며,
    제3 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T3)에 제3 스위칭소자(Q3)가 스위칭 온하고, 제3 스위칭 제어신호의 듀티오프 타임(T2+Toff)에 제1 스위칭소자(Q1)가 스위칭 오프하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부(10)는,
    제1,3 스위칭 제어신호의 듀티오프 타임이 중첩되는 동시 듀티오프 타임(T2)에는 전원의 입력전류(Iin)는 모두 제2 인덕터(L2)로 전류가 흐르고, 충전캐패시터(C1)에 전류가 충전되며,
    제1 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T1)에는 상기 제1 인덕터(L1)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되어서 상기 제2 인덕터(L2)로 입력전류(Iin)가 흐르지는 않지만 제2 인덕터(L2)로 유도자기에 의한 자기에너지가 저장되고, 또한 충전캐패시터(C1)에 충전된 전압에 의해서 충전전류(Ic)가 흐르고,
    제3 스위칭 제어신호의 듀티온 타임(T3)에는 상기 제3 인덕터(L3)로 입력전원(Vin)의 입력전류(Iin)가 입력되어서 상기 제2 인덕터(L2)로 입력전류(Iin)가 흐르지는 않지만 제2 인덕터(L2)로 유도자기에 의한 자기에너지가 저장되고, 또한 충전캐패시터(C1)에 충전된 전압에 의해서 충전전류(Ic)가 흐르는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실 절감형 고승압 부스터 컨버터.
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