KR20230102635A - 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터 - Google Patents

게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터 Download PDF

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KR20230102635A
KR20230102635A KR1020210192918A KR20210192918A KR20230102635A KR 20230102635 A KR20230102635 A KR 20230102635A KR 1020210192918 A KR1020210192918 A KR 1020210192918A KR 20210192918 A KR20210192918 A KR 20210192918A KR 20230102635 A KR20230102635 A KR 20230102635A
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load

Abstract

게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터는 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 출력단을 포함하고, 상기 제1 스테이지는 전압원이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치; 상기 전압원과 상기 제1 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제2 스테이지는 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 반도체 스위치와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치에 연결되는 제4 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 상기 제3 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드; 및 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드에 연결되는 제2 커패시터를 포함한다.

Description

게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터{New Boost Converter to Improve and Increase the Range of Gain}
본 발명은 게인의 범위 개선 및 확장을 위한 새로운 부스트 컨버터의 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply; SMPS) 등의 전원 기기에 적용되는 직류/직류 컨버터(DC/DC converter)는 직류 전압을 승압하거나 감압하여 원하는 직류 전압으로 변환하는 장치이다.
이 중에서 부스트 컨버터(Boost converter)는 직류/직류 컨버터를 대표하는 회로 중 하나로서, 인가되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 승압한 후, 다시 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 안정된 출력 전압을 발생 시키는 회로를 말한다. 이러한 부스트 컨버터는 승압형 컨버터라고도 하며, 입력단과 출력단의 접지(GND) 가 동일할 경우에만 사용할 수 있다.
낮은 직류 전압 전원 기기에서 큰 출력을 내기 위해 큰 직류 전압으로 변환하는 부스트 컨버터와 벅-부스트 컨버터는 비교적 출력 전압의 리플이 커서 인가된 주변기기에 큰 부담을 줄 수 있는 단점이 있다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 과거 적은 ESR과 큰 커패시턴스를 갖는 커패시터, 또는 LC 필터를 사용하여 전압 상승 컨버터의 출력 리플을 저감시키는 회로들이 개발되었다. 하지만, 이러한 부스트 컨버터 또는 벅-부스트 컨버터는 연속 전 도 모드(Continuous Conduction Mode; CCM)에서 전달함수의 극점으로 인한 안정도 문제(Right Half Plane Zero; RHPZ)가 발생되는 단점이 있다.
한국등록특허 제10-1861442호(2018.05.18)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 우반면 제로(Right Half Plane Zero; RHPZ) 문제를 해결하고 스위치 온/오프 동작에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터를 제공하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터는 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 출력단을 포함하고, 상기 제1 스테이지는 전압원이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치; 상기 전압원과 상기 제1 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제2 스테이지는 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 반도체 스위치와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치에 연결되는 제4 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 상기 제3 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드; 및 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드에 연결되는 제2 커패시터를 포함하고, 상기 출력단은 상기 제2 스테이지의 제2 다이오드와 제2 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 인덕터; 상기 인덕터의 일단이 연결되는 출력 커패시터; 및 상기 출력 커패시터에 병렬 연결되는 출력 저항을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 오프(off)될 경우(모드 1), 상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) + 제1 커패시터 양단 전압(VC1) + 제2 커패시터 양단 전압(VC2) - 출력 전압(VOUT)이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 온(on)될 경우(모드 2), 상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) - 출력 전압(VOUT)이고, 커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터 및 제2 커패시터 각각에 입력전압(VIN)이 충전된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 D
Figure pat00001
Ts이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)
Figure pat00002
Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-, 상기 부스트 컨버터의 게인은 1+2D 이다.
본 발명의 실시예에 따른 제2 스테이지는 동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지가 병렬로 추가 연결 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 복수의 제2 스테이지의 수가 n 개일 경우, 제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 D
Figure pat00003
Ts이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)
Figure pat00004
Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-, 상기 부스트 컨버터의 게인은 1+(n+1)D 이다.
본 발명의 실시예들에 따른 새로운 부스트 컨버터를 통해 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 우반면 제로(Right Half Plane Zero; RHPZ) 문제를 해결하고 스위치 온/오프 동작에 따라 게인의 범위를 개선 및 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 듀티 비에 따른 게인을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 부스트 컨버터는 입력 전압을 승압하여 안정된 출력 전압을 발생시키는 회로이다. 이러한 부스트 컨버터는, 부하 측 입장에서 볼 때, 부하로 전류가 주기적으로 흘러 들어오다 끊어지기를 반복하기 때 문에 전류원(current-fed) 방식이라고도 하며, 출력 단의 전류는 항상 입력 단의 전류보다 작고 회로의 동작 원리상 손실 성분이 없기 때문에 입력 전류 Х 입력 전압 = 출력 전류 Х 출력 전압의 관계식으로부터 출력 전압이 입력 전압보다 항상 높게 나타난다.
도 1(a)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 도 1(b)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 커패시터 충전 전류 패스를 나타낸다.
모드 1은 제1 스위치(S1)가 오프(Off)되고, 제2 스위치(S2) 온(on)될 때의 전류 패스를 나타낸다.
도 1(a)를 참조하면, 모드 1에서의 인덕터 전류 패스는 C1
Figure pat00005
L
Figure pat00006
Co
Figure pat00007
C3
Figure pat00008
S2이다.
도 1(b)를 참조하면, 모드 1에서의 커패시터 충전 전류 패스는 D1
Figure pat00009
C2
Figure pat00010
S2이다.
도 2는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 도 2(b)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스를 나타내고, 도 2(c)는 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스를 나타낸다.
모드 2는 제1 스위치(S1)가 온(on)되고, 제2 스위치(S2) 오프(Off)될 때의 전류 패스를 나타낸다.
도 2(a)를 참조하면, 모드 2에서의 인덕터 전류 패스는 S1
Figure pat00011
C2
Figure pat00012
D2
Figure pat00013
L
Figure pat00014
Co
Figure pat00015
D3이다.
도 2(b)를 참조하면, 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스는 S1
Figure pat00016
C3
Figure pat00017
D3이다.
도 2(c)를 참조하면, 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스는 S1
Figure pat00018
C2
Figure pat00019
D2
Figure pat00020
C1이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 모드 1에서 인덕터 양단의 인가 전압은 VIN + VC1 - (VOUT - VC3)이며 커패시터 충전전류 패스에 의해 제2 커패시터(C2)에 VC2 (= VIN)가 충전된다. 모드 2에서 인덕터 양단 인가 전압은 VIN + VC2 - VOUT 이며 커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터(C1), 제3 커패시터(C3)에 각각 VC1, VC3 (= VIN)가 충전된다.
제1 스위치(S1)의 턴 온(Turn on) 시간을 (1-D)
Figure pat00021
Ts, 제1 스위치(S1)의 턴 오프(Turn off) 시간을 D
Figure pat00022
Ts 라 하면, 부스트 컨버터의 게인은 Volt
Figure pat00023
Sec 법칙에 따라 아래와 같고, 여기서 D 는 듀티 비(duty ratio)이다:
Figure pat00024
.
Figure pat00025
이므로,
Figure pat00026
이며, 따라서, 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 게인은 2+D 가 된다.
도 3은 종래기술에 따른 부스트 컨버터의 듀티 비에 따른 게인을 나타내는 그래프이다.
종래기술에 따른 부스트 컨버터는 게인이 2+D로 듀티 비의 값에 따라
Figure pat00027
의 범위로 결정된다. 최소 게인(Minimum Gain) 값은 2이므로 1과 2 사이의 값을 가질 수 없으며, 더 높은 게인을 얻기 위한 구동회로의 확장이 어렵다. 도 3은 듀티 비에 따른 게인을 나타낸 그래프이다. 종래기술에 따른 부스트 컨버터는 동작의 한계로 인해 'A영역'의 게인을 얻을 수 없다.
따라서, 본 발명에서는 부스트 컨버터의 게인 범위를 향상시키고 더 높은 게인을 얻기 위한 구동회로의 확장이 가능한 새로운 부스트 컨버터를 제안한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 회로도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(Stage 2)를 갖는 부스트 컨버터의 회로도이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 제2 스테이지(Stage 2)를 갖는 부스트 컨버터의 회로도이다.
도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부스트 컨버터는 제1 스테이지(Stage 1)(410), 제2 스테이지(Stage 2)(420) 및 출력단을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 스테이지(Stage 1)(410)는 전압원(VIN)이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치(S1) 및 제2 반도체 스위치(S2), 상기 전압원(VIN)과 상기 제1 반도체 스위치(S1)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드(D1) 및 상기 제1 반도체 스위치(S1)와 상기 제2 반도체 스위치(S2)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드(D1)에 연결되는 제1 커패시터(C1)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 제2 스테이지(Stage 2)(420)는 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치(S3); 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 반도체 스위치(S1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치(S3)에 연결되는 제4 반도체 스위치(S4), 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 상기 제3 반도체 스위치(S3)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드(D2), 및 상기 제3 반도체 스위치(S3)와 상기 제4 반도체 스위치(S4)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드(D2)에 연결되는 제2 커패시터(C2)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 출력단은 상기 제2 스테이지(Stage 2)(420)의 제2 다이오드(D2)와 제2 커패시터(C2)의 연결 노드에 일단이 연결되는 인덕터(L); 상기 인덕터(L)의 일단이 연결되는 출력 커패시터(Co) 및 상기 출력 커패시터(Co)에 병렬 연결되는 출력 저항(Ro)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 반도체 스위치(S1) 및 제2 반도체 스위치(S2)는 큰 전류를 흘릴 수 있는 트랜지스터 소자로서, BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 등으로 구성될 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부스트 컨버터는 제1 스테이지(Stage 1)(410), n개의 제2 스테이지(Stage 2)(420) 및 출력단을 포함할 수 있다.
도 4(b)와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부스트 컨버터는 동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지가 병렬로 추가 연결 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지(Stage 2)(420)를 포함하는 부스트 컨버터에 있어서, 제2 스테이지(Stage 2)(420)가 n 개일 때 n 번째 제2 스테이지(Stage 2)(420)는 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되는 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1)); 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 반도체 스위치(S1)와 제1 커패시터(C1)의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1))에 연결되는 제(2n+2) 반도체 스위치(S(2n+2)), 상기 제1 스테이지(Stage 1)(410)의 제1 다이오드(D1)와 상기 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1))의 연결 노드에 일단이 연결되는 제(n+1) 다이오드(D(n+1)), 및 상기 제(2n+1) 반도체 스위치(S(2n+1))와 상기 제(2n+2) 반도체 스위치(S(2n+2))의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제(n+1) 다이오드(D(n+1))에 연결되는 제(n+1) 커패시터(C(n+1))를 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 1에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 설명의 편의를 위해 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터를 예시로서 설명한다.
모드 1은 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 오프(off)될 경우를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 모드 1에서의 인덕터 전류 패스는 S1
Figure pat00028
C1
Figure pat00029
S3
Figure pat00030
C2
Figure pat00031
L
Figure pat00032
Co이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 동작원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 인덕터 전류 패스를 나타내고, 도 6(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스를 나타내고, 도 6(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터의 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스를 나타낸다. 설명의 편의를 위해 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터를 예시로서 설명한다.
모드 2은 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 온(on)될 경우를 나타낸다.
도 6(a) 참조하면, 모드 2에서의 인덕터 전류 패스는 D1
Figure pat00033
D2
Figure pat00034
L
Figure pat00035
Co이다.
도 6(b) 참조하면, 모드 2에서의 제1 커패시터 충전 전류 패스는 D1
Figure pat00036
C1
Figure pat00037
S2이다.
도 6(c) 참조하면, 모드 2에서의 제2 커패시터 충전 전류 패스는 D1
Figure pat00038
D2
Figure pat00039
C2
Figure pat00040
S4
Figure pat00041
S2이다.
다시 도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(420)를 갖는 부스트 컨버터는 모드 1에서 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 오프(off)될 경우, 인덕터(L) 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) + 제1 커패시터 양단 전압(VC1) + 제2 커패시터 양단 전압(VC2) - 출력 전압(VOUT)이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(420)를 갖는 부스트 컨버터는 모드 2에서 제1 반도체 스위치(S1) 및 제3 반도체 스위치(S3)가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치(S2) 및 제4 반도체 스위치(S4)가 온(on)될 경우, 상기 인덕터(L) 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) - 출력 전압(VOUT)이고, 커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2) 각각에 입력전압(VIN)이 충전된다.
제1 반도체 스위치(S1)의 턴 온(Turn on) 시간이 D
Figure pat00042
Ts이고, 제1 반도체 스위치(S1)의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)
Figure pat00043
Ts 라 하면, 부스트 컨버터의 게인은 Volt
Figure pat00044
Sec 법칙에 따라 아래와 같고, 여기서 D 는 듀티 비(duty ratio)이다:
Figure pat00045
.
VC1 = VC2 = VC3 = VIN 이므로, VOUT / VIN = 1+2D 이며, 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+2D이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 스테이지(410)의 구성으로 얻을 수 있는 게인은 1+D 이고, 제2 스테이지(420)의 적용으로 추가되는 게인은 D이다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 제2 스테이지(420)를 갖는 부스트 컨버터는 1+2D의 게인을 가지게 된다. 제2 스테이지(420)를 계속 추가하게 되면 게인의 확장이 가능하다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 n개의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 아래와 같다:
Figure pat00046
이므로, 본 발명의 실시예에 따른 n 개의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+(1+n)D 이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
시뮬레이션은 입력전압 50V, 스위칭 주파수 100kHz, 듀티 비 0.5에서 수행되었다. 출력은 100V/1A이며, 소자들의 전압강하를 포함한 출력 결과는 도 7과 같다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
시뮬레이션은 입력전압 50V, 스위칭 주파수 100kHz, 듀티 비 0.54에서 수행되었다. 출력은 100V/1A이며, 소자들의 전압강하를 포함한 출력 결과는 도 8과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터에 있어서, 하나의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+2D 로써 1≤Gain≤3 값을 갖는다. 제안하는 새로운 부스트 컨버터의 스위치, 다이오드 및 커패시터 내압은 모두 입력전압으로 동일하며 상승이 없다.
본 발명의 실시예에 따른 게인의 범위 개선 및 증가를 위한 새로운 부스트 컨버터에 있어서, 복수의 제2 스테이지를 추가함으로써 게인을 확대할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 n 개의 제2 스테이지를 갖는 부스트 컨버터의 게인은 1+(1+n)D로 확장 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. 부스트 컨버터에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는 제1 스테이지, 제2 스테이지 및 출력단을 포함하고,
    상기 제1 스테이지는,
    전압원이 인가되는 입력단에 병렬로 연결되는 직렬 연결된 제1 반도체 스위치 및 제2 반도체 스위치; 상기 전압원과 상기 제1 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 반도체 스위치와 상기 제2 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제1 다이오드에 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 제2 스테이지는,
    상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 제3 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 반도체 스위치와 제1 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제3 반도체 스위치에 연결되는 제4 반도체 스위치; 상기 제1 스테이지의 제1 다이오드와 상기 제3 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되는 제2 다이오드; 및 상기 제3 반도체 스위치와 상기 제4 반도체 스위치의 연결 노드에 일단이 연결되고, 또 다른 일단은 상기 제2 다이오드에 연결되는 제2 커패시터를 포함하고,
    상기 출력단은,
    상기 제2 스테이지의 제2 다이오드와 제2 커패시터의 연결 노드에 일단이 연결되는 인덕터; 상기 인덕터의 일단이 연결되는 출력 커패시터; 및 상기 출력 커패시터에 병렬 연결되는 출력 저항
    을 포함하는 부스트 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 온(on)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 오프(off)될 경우(모드 1),
    상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) + 제1 커패시터 양단 전압(VC1) + 제2 커패시터 양단 전압(VC2) - 출력 전압(VOUT)인
    부스트 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 반도체 스위치 및 제3 반도체 스위치가 오프(off)되고, 제2 반도체 스위치 및 제4 반도체 스위치가 온(on)될 경우(모드 2),
    상기 인덕터 양단 인가 전압은 입력전압(VIN) - 출력 전압(VOUT)이고,
    커패시터 충전전류 패스에 의해 제1 커패시터 및 제2 커패시터 각각에 입력전압(VIN)이 충전되는
    부스트 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 D
    Figure pat00047
    Ts이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)
    Figure pat00048
    Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-,
    상기 부스트 컨버터의 게인은 1+2D 인
    부스트 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스테이지는,
    동일한 구조를 갖는 복수의 제2 스테이지가 병렬로 추가 연결 가능한
    부스트 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제2 스테이지의 수가 n 개일 경우,
    제1 반도체 스위치의 턴 온(Turn on) 시간이 D
    Figure pat00049
    Ts이고, 제1 반도체 스위치의 턴 오프(Turn off) 시간이 (1-D)
    Figure pat00050
    Ts 일 때 -여기서 D는 듀티 비(duty ratio)-,
    상기 부스트 컨버터의 게인은 1+(n+1)D 인
    부스트 컨버터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101861442B1 (ko) 2016-11-03 2018-05-28 인하대학교 산학협력단 벅부스트 컨버터 효율 개선 회로
KR20190135252A (ko) * 2018-05-28 2019-12-06 인하대학교 산학협력단 부스트 컨버터
KR20210137629A (ko) * 2020-05-11 2021-11-18 주식회사 에코스 고변환비를 갖는 멀티레벨 승압 ｄｃ-ｄｃ 컨버터

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