KR102427269B1 - Active clamp buck converter - Google Patents
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Abstract
실시예는 능동형 클램프 벅 컨버터에 관한 것이다.
구체적으로, 이러한 벅 컨버터는 기존 벅 컨버터에 아래에서와 같이 제 1 커패시터와, 제 2 스위치, 제 1 인덕터, 제 2 인덕터, 제 2 다이오드를 추가하여 제 1, 2 스위치의 영 전압 스위칭이 가능한 스텝 다운 컨버터(step down converter) 구조이다.
이러한 일실시예에 따른 벅 컨버터는 총 4개의 구조로 구분되고, 이러한 구조는 구형파 생성부와 공진부, 정류부 및 출력 필터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이를 통해 벅 컨버터를 통해 전력변환을 할 경우, 스위칭 소자로부터의 스위칭 손실을 줄여 고속 스위칭을 통해 구동 신뢰성과 전체 시스템의 수명을 높인다.An embodiment relates to an active clamp buck converter.
Specifically, this buck converter is a step in which zero voltage switching of the first and second switches is possible by adding a first capacitor, a second switch, a first inductor, a second inductor, and a second diode to the existing buck converter as shown below. It is a step down converter structure.
The buck converter according to this embodiment is divided into a total of four structures, and this structure is characterized in that it consists of a square wave generator, a resonator, a rectifier, and an output filter.
Therefore, when power is converted through the buck converter through this, the switching loss from the switching element is reduced, and the driving reliability and the lifespan of the entire system are increased through high-speed switching.
Description
본 명세서에 개시된 내용은 벅 컨버터 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벅 컨버터를 통해 전력변환을 할 경우, 스위칭 소자로부터의 스위칭 손실을 줄여 고속 스위칭을 통해 전체 시스템의 수명을 높이는 기술에 관한 것이다.The present disclosure relates to the field of buck converter technology, and more particularly, to a technology for increasing the lifespan of an entire system through high-speed switching by reducing switching loss from a switching device when power is converted through a buck converter. .
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the material described in this section is not prior art to the claims of this application, and inclusion in this section is not an admission that it is prior art.
일반적으로, 전압 조정은 예컨대 디지털 IC, 반도체 메모리, 디스플레이 모듈, 하드 디스크 드라이브, RF 회로, 마이크로 프로세서, 디지털 신호처리기 및 아날로그 IC와 같은 다양한 마이크로 소자에서, 특히 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 소비자 제품과 같은 배터리를 사용하는 응용에서 공급 전압의 변동(variations)을 방지하는데 흔히 요구된다.In general, voltage regulation is applied in various micro devices such as digital ICs, semiconductor memories, display modules, hard disk drives, RF circuits, microprocessors, digital signal processors and analog ICs, especially in cellular phones, notebook computers and consumer products. In battery-powered applications, it is often required to avoid variations in supply voltage.
제품의 배터리 또는 DC 입력 전압은 종종 더 높은 DC 전압으로 승압되거나, 더 낮은 DC 전압으로 감압되어야 하기 때문에, 이러한 조정기(regulator)는 DC-DC 변환기라고 한다. 흔히 부스트 변환기(boost converter)라고 하는 승압 변환기는 배터리 전압이 부하에 전력을 공급하는데 필요한 전압보다 낮은 경우에 필요하다. 승압 변환기는 유도성 스위칭 조정기나 용량성 전하 펌프를 포함할 수도 있다. 이에 반해, 흔히 벅 변환기(buck converter)라고 하는 감압 변환기는 배터리 전압이 원하는 부하 전압보다 높을 때 사용된다. 감압 변환기(step-down converter)는 유도성 스위칭 조정기, 용량성 전하 펌프, 및 선형 조정기를 포함할 수도 있다.Because the product's battery or DC input voltage often must be boosted to a higher DC voltage or stepped down to a lower DC voltage, these regulators are called DC-DC converters. A step-up converter, commonly referred to as a boost converter, is needed when the battery voltage is lower than the voltage required to power the load. The step-up converter may include an inductive switching regulator or a capacitive charge pump. In contrast, a step-down converter, often called a buck converter, is used when the battery voltage is higher than the desired load voltage. A step-down converter may include an inductive switching regulator, a capacitive charge pump, and a linear regulator.
이러한 기존 벅 컨버터의 문제점은 아래와 같다(도 1 참조).The problems of such a conventional buck converter are as follows (see FIG. 1).
1. SW의 Hard-switching에 의한 스위칭 손실이 발생하여 회로의 효율을 감소한다.1. Switching loss occurs due to hard-switching of SW, reducing the efficiency of the circuit.
2. 다이오드의 역 회복 전류에 의한 스위칭 손실이 증가한다.2. The switching loss due to the reverse recovery current of the diode increases.
3. 이러한 스위칭 손실은 스위치 구동 주파수에 비례하여 증가하기 때문에 회로의 크기와 부피를 줄이기 위한 고속 스위칭의 한계가 발생된다.3. Since this switching loss increases in proportion to the switch driving frequency, there is a limitation of high-speed switching to reduce the size and volume of the circuit.
4. 입-출력 전압 변환비가(Vout = D x Vin) 큰 경우 SW의 Duty ratio(D)가 너무 작아 SW의 고속 스위칭 주파수 구동에서 SW의 on time 확보가 어려워진다.4. When the input-output voltage conversion ratio (Vout = D x Vin) is large, the SW duty ratio (D) is too small, making it difficult to secure the SW on time in the high-speed switching frequency drive of SW.
ex) 입력전압 12V, 출력전압 1.2V, 스위칭 주파수 500kHz, CCM으로 동작하는 Buck converter의 경우 Duty ratio D = 0.1이 되어야 한다. 이때 SW의 on time(DTs)는 0.2us가 필요하다. 스위칭 주파수가 증가하면 증가할수록 on time 확보가 어려워진다. ex) In case of Buck converter operating with input voltage 12V, output voltage 1.2V, switching frequency 500kHz, CCM, duty ratio D = 0.1. At this time, on time (DTs) of SW needs 0.2us. As the switching frequency increases, it becomes difficult to secure on time.
이러한 배경의 선행기술문헌은 아래의 특허문헌 등이다.Prior art documents in this background are the following patent documents and the like.
(특허문헌 0001) KR1020110019 B1(Patent Document 0001) KR1020110019 B1
참고적으로, 위의 특허문헌 1의 기술은 본 제안 기술과 관련하여 반감되는 특성을 가진 스너버 망을 내포한 영전류 스위칭하는 의사 공진 펄스 폭 변조 벅 컨버터를 제안한 것이다. 그러나, 본 제안 기술과는 다르게 이 컨버터는 이미 소개된 기존의 의사 공진형에 단지 수동소자만으로 구성된 폴딩 스너버망을 결합하여 구현한 것이다.For reference, the technique of
개시된 내용은, 벅 컨버터를 통해 전력변환을 할 경우, 스위칭 소자로부터의 스위칭 손실을 줄여 고속 스위칭을 통해 구동 신뢰성과 전체 시스템의 수명을 높일 수 있도록 하는 능동형 클램프 벅 컨버터를 제공하고자 한다.The present disclosure aims to provide an active clamp buck converter capable of increasing driving reliability and overall system lifespan through high-speed switching by reducing switching loss from a switching element when power is converted through a buck converter.
실시예에 따른 능동형 클램프 벅 컨버터는,Active clamp buck converter according to the embodiment,
기존 벅 컨버터에 아래에서와 같이 제 1 커패시터와, 제 2 스위치, 제 1 인덕터, 제 2 인덕터, 제 2 다이오드를 추가하여 제 1, 2 스위치의 영 전압 스위칭이 가능한 스텝 다운 컨버터(step down converter) 구조이다.A step down converter capable of zero voltage switching of the first and second switches by adding a first capacitor, a second switch, a first inductor, a second inductor, and a second diode to the existing buck converter as shown below is the structure
이러한 일실시예에 따른 벅 컨버터는 총 4개의 구조로 구분되고, 이러한 구조는 구형파 생성부와 공진부, 정류부 및 출력 필터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The buck converter according to this embodiment is divided into a total of four structures, and this structure is characterized in that it consists of a square wave generator, a resonator, a rectifier, and an output filter.
보다 상세하게, 이러한 능동형 클램프 벅 컨버터는,More specifically, this active clamp buck converter comprises:
입력 교류전원을 제어부의 제어신호에 따라 벅 모드로 스위칭하는 제 1 스위치; 및a first switch for switching the input AC power to a buck mode according to a control signal from the controller; and
상기 제 1 스위치에 의해 발생된 전원출력에 대해 스너버 구성으로 동작하여 부하 측에 제공되도록 하는 제 1 다이오드; 를 포함하고 있으며,a first diode that operates in a snubber configuration with respect to the power output generated by the first switch to be provided to the load side; contains,
상기 제 1 스위치와 상보적으로 턴-온과 턴-오프를 수행하는 제 2 스위치;a second switch that performs turn-on and turn-off complementary to the first switch;
상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치의 사이에 설치된 커패시터;a capacitor installed between the first switch and the second switch;
상기 제 1 스위치와 상기 커패시터의 연결된 일단과 상기 제 1 다이오드의 사이에 설치된 제 1 인덕터;a first inductor installed between one end of the first switch and the capacitor and the first diode;
상기 제 1 인덕터와 상기 제 1 다이오드의 사이로부터 설치된 제 2 인덕터; 및a second inductor installed between the first inductor and the first diode; and
상기 제 1 다이오드에 연결되어 정류부를 형성하는 제 2 다이오드; 를 포함하고,a second diode connected to the first diode to form a rectifying unit; including,
a) 상기 벅 모드로 동작될 경우에, 상기 입력 교류전원과 상기 제 1 스위치, 상기 커패시터 및, 상기 제 2 스위치에 의해 구형파를 생성하고,a) when operating in the buck mode, generating a square wave by the input AC power supply, the first switch, the capacitor, and the second switch,
b) 상기 제 1 스위치와 상기 커패시터, 상기 제 2 스위치, 상기 제 1 인덕터 및, 상기 제 2 인덕터에 의해 공진을 수행해서, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 상보적으로 턴-온과 턴-오프를 수행할 경우에 상기 제 1 인덕터의 전류 흐름을 이용하여 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)을 하고,b) the first switch, the capacitor, the second switch, the first inductor, and the second inductor perform resonance, so that the first switch and the second switch are complementarily turned on and turned on - When performing off, zero voltage switching (ZVS) is performed using the current flow of the first inductor,
c) 상기 생성된 구형파와 상기 공진에 의해 생성된 비대칭 AC 파형을 상기 제 1 인덕터의 전류 흐름으로 상기 제 1 다이오드와 상기 제 2 다이오드에 의한 전류 기울기가 제어되어 정류하는 것; 을 특징으로 한다.c) rectifying the generated square wave and the asymmetric AC waveform generated by the resonance by controlling the current gradient by the first diode and the second diode with the current flow of the first inductor; is characterized by
실시예들에 의하면, 벅 컨버터를 통해 전력변환을 할 경우, 스위칭 소자로부터의 스위칭 손실을 줄여 고속 스위칭을 통해 구동 신뢰성과 전체 시스템의 수명을 높인다.According to embodiments, when power conversion is performed through a buck converter, a switching loss from a switching device is reduced to increase driving reliability and lifespan of the entire system through high-speed switching.
도 1은 일반적인 벅 컨버터의 구성을 도시한 회로도
도 2는 일실시예에 따른 능동형 클램프 벅 컨버터의 구성을 도시한 회로도
도 3 내지 도 5는 일실시예에 따른 벅 컨버터의 동작 모드를 설명하기 위한 도면
도 6과 도 7은 일실시예에 따른 벅 컨버터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면1 is a circuit diagram showing the configuration of a general buck converter
2 is a circuit diagram illustrating the configuration of an active clamp buck converter according to an embodiment;
3 to 5 are diagrams for explaining an operation mode of a buck converter according to an embodiment
6 and 7 are views showing simulation results of a buck converter according to an embodiment;
도 2는 일실시예에 따른 능동형 클램프 벅 컨버터의 구성을 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a configuration of an active clamp buck converter according to an embodiment.
도 2에 도시된 바와 같이, 일실시예의 벅 컨버터는 기존 벅 컨버터에 제 1 커패시터(112)와, 제 2 스위치(111), 제 1 인덕터(113), 제 2 인덕터(114), 제 2 다이오드(115)를 추가하여 제 1, 2 스위치(101, 111)의 영 전압 스위칭이 가능한 스텝 다운 컨버터(step down converter) 구조이다.As shown in FIG. 2, the buck converter of one embodiment includes a
이러한 일실시예에 따른 벅 컨버터는 총 4개의 구조로 구분되고, 이러한 구조는 구형파 생성부와 공진부, 정류부 및 출력 필터로 이루어진다.The buck converter according to this embodiment is divided into a total of four structures, and this structure includes a square wave generator, a resonator, a rectifier, and an output filter.
구체적으로는, 이러한 벅 컨버터는 아래의 구성으로 이루어진다.Specifically, such a buck converter consists of the following configuration.
즉, 상기 벅 컨버터는,That is, the buck converter is
기존 벅 컨버터와 같이, 기본적으로 입력 교류전원을 제어부의 제어신호에 따라 벅 모드로 스위칭하는 제 1 스위치(101); 및Like the conventional buck converter, basically a
상기 제 1 스위치(101)에 의해 발생된 전원출력에 대해 스너버 구성으로 동작하여 부하 측에 제공되도록 하는 제 1 다이오드(102); 를 포함하고 있다.a first diode (102) configured to operate in a snubber configuration with respect to the power output generated by the first switch (101) so as to be provided to the load side; contains
이러한 상태에서, 상기 제 1 스위치(101)와 상보적으로 턴-온과 턴-오프를 수행하는 제 2 스위치(111);In this state, a
상기 제 1 스위치(101)와 상기 제 2 스위치(111)의 사이에 설치된 커패시터(112);a
상기 제 1 스위치(101)와 상기 커패시터(112)의 연결된 일단과 상기 제 1 다이오드의 사이에 설치된 제 1 인덕터(113);a
상기 제 1 인덕터(113)와 상기 제 1 다이오드(102)의 사이로부터 설치된 제 2 인덕터(114); 및a second inductor (114) installed between the first inductor (113) and the first diode (102); and
상기 제 1 다이오드(102)에 연결되어 정류부를 형성하는 제 2 다이오드(115); 를 포함한다.a second diode (115) connected to the first diode (102) to form a rectifier; includes
그리고, 이러한 경우 아래의 동작을 수행한다.And, in this case, the following operation is performed.
a) 즉 상기 벅 모드로 동작될 경우에, 상기 입력 교류전원과 상기 제 1 스위치(102), 상기 커패시터(112) 및, 상기 제 2 스위치(111)에 의해 구형파를 생성한다.a) That is, when operating in the buck mode, a square wave is generated by the input AC power supply, the
b) 그리고, 상기 제 1 스위치(102)와 상기 커패시터(112), 상기 제 2 스위치(111), 상기 제 1 인덕터(113) 및, 상기 제 2 인덕터(114)에 의해 공진을 수행해서, 상기 제 1 스위치(101)와 상기 제 2 스위치(111)가 상보적으로 턴-온과 턴-오프를 수행할 경우에 상기 제 1 인덕터(113)의 전류 흐름을 이용하여 영 전압 스위칭을 한다. b) And, by performing resonance by the
c) 또한, 상기 생성된 구형파와 상기 공진에 의해 생성된 비대칭 AC 파형을 상기 제 1 인덕터(113)의 전류 흐름으로 상기 제 1 다이오드(102)와 상기 제 2 다이오드(105)에 의한 전류 기울기가 제어되어 정류한다.c) In addition, as the generated square wave and the asymmetric AC waveform generated by the resonance are the current flow of the
이러한 일실시예에 따른 벅 컨버터의 동작을 위에서 설명한 4개의 구조로서 설명한다.The operation of the buck converter according to this embodiment will be described as the four structures described above.
1. Vin - SW1 - C1 - SW2 로 구성되는 구형파 생성부.1. A square wave generator composed of Vin - SW1 - C1 - SW2.
- 구형파 생성부의 SW1은 1주기 (Ts) 중 D (Duty ratio) x Ts의 시간동안 Turn on 된다.- SW1 of the square wave generator is turned on for a time of D (Duty ratio) x Ts in one cycle (Ts).
- SW2는 Ts 동안 (1 - D) x Ts의 시간동안 Turn on이 된다.- SW2 turns on for (1 - D) x Ts during Ts.
- C1은 VC1(C1 양단의 전압) 전압 리플이 무시될 수 있을 정도로 큰 캐패시터를 사용한다.- C1 uses a capacitor large enough that VC1 (voltage across C1) voltage ripple is negligible.
정상상태에서(steady state) VC1의 전압 리플을 무시한다면 의 전압을 유지한다.If we ignore the voltage ripple of VC1 in steady state maintain the voltage of
- 이때, Va에는 DTs의 시간동안 VIN의 전압이, (1 - D)Ts의 시간동안 -VC1 만큼의 - At this time, in Va, the voltage of VIN for the time of DTs and -VC1 for the time of (1 - D)Ts
전압으로 이루어진 구형파가 Ts의 주기동안 발생한다. A square wave of voltage is generated during the period of Ts.
2. SW1 - C1 - SW2 - Lr - Lm 으로 구성되는 공진부(ZVS 부)2. Resonant part consisting of SW1 - C1 - SW2 - Lr - Lm (ZVS part)
- Lr<<Lm으로 설계가 필요하다.- Design is required as Lr<<Lm.
- 트랜스포머로 구성된 LLC Half-bridge 구조에서 트랜스포머를 제거한 구조와 동일하다.- It is the same as the structure in which the transformer is removed from the LLC half-bridge structure composed of transformers.
- 단, C1을 충분히 큰 값을 사용하여 스위치 전압, 전류 파형이 sine 파형으로 나타나지 않는다.- However, by using a sufficiently large value for C1, the switch voltage and current waveforms do not appear as sine waveforms.
- SW1,SW2가 교대로 턴-온/오프 하는 과정에서 Lr의 전류 흐름을 이용하여 SW1과 SW2가 ZVS 동작을 하도록 한다.- In the process of alternately turning on/off SW1 and SW2, the current flow of Lr is used to cause SW1 and SW2 to perform ZVS operation.
3. DO - Df 로 구성되는 정류부3. Rectification part composed of DO - Df
- 구형파 - 공진부를 통과한 비대칭 AC 파형을 DC로 변환한다.- Square wave - Converts an asymmetric AC waveform that has passed through the resonator to DC.
- Lr에 의해 DO, Df의 전류 기울기가 제어되기 때문에 역 회복 전류(reverse recovery current)에 의한 스위칭 손실이 발생하지 않는다.- Since the current slope of DO and Df is controlled by Lr, there is no switching loss due to the reverse recovery current.
4. LO - CO로 구성되는 L-C 필터부4. L-C filter part composed of LO - CO
- 기존의 벅 컨버터 구조와 동일하며, 제안된 회로의 LO 전류파형은 동일한 입-출력 조건을 가지는 벅 컨버터의 인덕터 전류 파형과 동일하다.- It is the same as the existing buck converter structure, and the LO current waveform of the proposed circuit is the same as the inductor current waveform of the buck converter with the same input-output conditions.
보다 상세하게, 이러한 일실시예에 따른 벅 컨버터의 동작 모드를 아래에서 설명한다.In more detail, the operation mode of the buck converter according to this embodiment will be described below.
도 3 내지 도 5는 일실시예에 따른 벅 컨버터의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.3 to 5 are diagrams for explaining an operation mode of a buck converter according to an embodiment.
구체적으로는, 도 3은 일실시예에 따른 벅 컨버터의 총 6가지 모드를 전체적으로 보여주는 도면이다. 그리고, 도 4는 이러한 벅 컨버터의 타이밍도이다. 또한 도 5는 이러한 벅 컨버터의 동작 모드를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.Specifically, FIG. 3 is a view showing a total of six modes of a buck converter according to an embodiment. And, Figure 4 is a timing diagram of such a buck converter. In addition, FIG. 5 is a diagram for explaining the operation mode of the buck converter in more detail.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 벅 컨버터는 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치의 1주기 교번에 따라 총 6가지 동작 모드로 구분된다.3 to 5, the buck converter according to an embodiment is divided into a total of six operation modes according to one cycle of alternating the first switch and the second switch.
1. 모드 1: t0<t<t1 1. Mode 1: t 0 <t<t 1
- SW1의 body diode가 turn-on 되면서 SW1의 ZVS가 시작된다.- As SW1's body diode turns on, SW1's ZVS starts.
- DO, Df는 on 상태를 유지하고 SW2는 off 상태를 유지한다.- DO and Df maintain on state and SW2 maintains off state.
- 이므로, SW1의 전류는 VIN/Lr의 기울기로 증가한다.- Therefore, the current of SW1 increases with the slope of V IN /L r .
- 모드 1은 SW1의 전류가 0에 도달하는 순간 종료된다.-
2. 모드 2: t1<t<t2 2. Mode 2: t 1 < t < t 2
- SW1이 온전히(fully) turn-on 되는 구간, 등가회로는 Mode1과 동일하다.- The section where SW1 is fully turned on, the equivalent circuit is the same as in Mode1.
- 이므로, SW1의 전류는 VIN/Lr의 기울기로 증가한다.- Therefore, the current of SW1 increases with the slope of V IN /L r .
- 모드 2는 Df의 전류(iDf)가 0에 도달하는 순간 종료된다.-
3. 모드 3: t2<t<t3 3. Mode 3: t 2 < t < t 3
- Df가 turn-off 되고 SW1, DO는 on을 유지하고, SW2는 off를 유지한다. - Df turns off, SW1, DO keep on, SW2 keeps off.
- 가 되므로, SW1의 전류는 (VIN-vLm)/Lr의 기울기로 증가한다.- Therefore, the current of SW1 increases with a slope of (V IN -v Lm )/L r .
- 모드 3은 SW1이 turn-off 되면 종료된다.-
4. 모드 4: t3<t<t4 4. Mode 4: t 3 < t < t 4
- SW1은 turn-off, Df는 turn-on되며 SW2의 body diode가 turn-on 되면서 SW2의 ZVS turn-on이 시작되는 구간이다. DO는 on 상태를 유지한다.- SW1 is turn-off, Df is turn-on, and SW2's body diode turns on and SW2's ZVS turn-on starts. DO remains on.
- 가 되므로, SW2의 전류는 (VC)/Lr의 기울기로 증가한다.- Since , the current of SW2 increases with a slope of (V C )/L r .
- 모드 4는 SW2의 전류가 0에 도달하는 순간 종료된다.-
5. 모드 5: t4<t<t5 5. Mode 5: t 4 < t < t 5
- SW2가 fully turn-on 된다. 모드 4의 등가회로와 동일하기 때문에 SW2의 전류는 (VC)/Lr의 기울기로 증가한다.- SW2 is fully turned on. Since it is the same as the equivalent circuit of
- 모드 5는 DO의 전류가 0에 도달하는 순간 종료된다.- Mode 5 is terminated as soon as the current of DO reaches zero.
6. 모드 6: t5<t<t6 6. Mode 6: t 5 < t < t 6
- DO가 turn-off되고 SW1은 off, SW2, Df는 on 상태를 유지한다.- DO is turned off, SW1 is off, SW2, and Df remain on.
- 가 되므로, SW2의 전류는 의 기울기로 증가한다.- , so the current in SW2 is increases with the slope of
- 모드 6은 SW1이 turn-on 되는 순간 종료된다.-
도 6과 도 7은 일실시예에 따른 벅 컨버터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.6 and 7 are diagrams showing simulation results of a buck converter according to an embodiment.
구체적으로는, 도 6은 일실시예에 따른 벅 컨버터와 conventional buck의 스위치 전압 전류 파형을 비교한 도면이다. 그리고, 도 7은 일실시예에 따른 벅 컨버터와 conventional buck의 다이오드 전류 파형을 비교한 도면이다.Specifically, FIG. 6 is a diagram comparing the switch voltage and current waveforms of a buck converter and a conventional buck according to an embodiment. And, FIG. 7 is a diagram comparing diode current waveforms of a buck converter and a conventional buck according to an embodiment.
먼저 일실시예에 따른 벅 컨버터는 시뮬레이션에 대해 설명하기에 앞서, 먼저 아래의 경우를 가정한다.First, before describing the simulation of the buck converter according to an embodiment, the following case is first assumed.
1. PSIM simulator를 이용하여 제안하는 회로와 기본 벅 컨버터의 스위치 전압 전류, 다이오드 전류를 비교한다.1. Using the PSIM simulator, compare the switch voltage current and diode current of the proposed circuit and the basic buck converter.
시뮬레이션 조건은 다음과 같다.The simulation conditions are as follows.
- 입력전압 VIN=12V, 출력전압 VO=1.8V, 스위칭 주파수 fsw=350kHz, 출력 저항 1Ω, 다이오드는 역회복 전류를 모델링한 소자 사용, 다이오드 이외의 모든 소자는 이상적인 소자 사용- Input voltage V IN =12V, output voltage V O =1.8V, switching frequency f sw =350kHz, output resistance 1Ω, diodes are modeled with reverse recovery current, and all devices other than diodes are ideal.
- 제안된 회로의 소자 값: Lr = 3uH, Lm = 80uH, Lo = 10uH, C1 = 10uF, Co = 50uF- Device values of the proposed circuit: Lr = 3uH, Lm = 80uH, Lo = 10uH, C1 = 10uF, Co = 50uF
- conventionalbuck소자 값: Lo = 10uH, Co = 50uF- conventionalbuck device value: Lo = 10uH, Co = 50uF
* 제안 회로와 conventional buck의 스위치 전압 전류 파형 비교(도 6 참조)* Comparison of switch voltage and current waveforms of the proposed circuit and conventional buck (see Fig. 6)
1. - Duty ratio 확보: 동일한 스위칭 주파수와 입출력 조건에서 제안 회로의 duty ratio는 0.34, conventional buck converter의 duty ratio는 0.16의 값을 가짐. 따라서 고속 스위칭 동작에서 입-출력 변환비가 클 경우, 스위칭 on-time 확보에 제안한 회로가 유리 함을 알 수 있음. 1. - Securing Duty Ratio: Under the same switching frequency and input/output conditions, the duty ratio of the proposed circuit is 0.34 and that of the conventional buck converter is 0.16. Therefore, it can be seen that the proposed circuit is advantageous for securing switching on-time when the input-output conversion ratio is large in high-speed switching operation.
- 다이오드의 역회복 전류 특성: conventional buck converter의 경우 SW가 turn-on 되는 순간 다이오드에서 발생하는 peak 5.61A의 전류 (역회복 전류)가 SW로 유입된다. 이러한 구동은 switching turn-on 손실을 증가시키는 문제가 발생한다. 또한, 다이오드의 기생 inductance에 의해 스위치가 turn-off 하는 순간 전압 peak가 (77.5V) 발생한다. 이러한 전압 peak를 개선하기 위해서는 스위치나 다이오드에 별도의 스너버 회로를 추가해야 한다. 제안한 회로의 경우 다이오드에서 발생하는 역회복 전류 peak가 Lr에 의해 제한되며 각 스위치가 turn-on 되는 순간 스위치로 유입되지 않기 때문에 다이오드 역회복 전류에 의한 switching turn-on 손실이 발생하지 않는다.- Reverse recovery current characteristics of diode: In the case of conventional buck converter, peak 5.61A current (reverse recovery current) generated from the diode flows into SW the moment SW is turned on. This drive has the problem of increasing the switching turn-on loss. Also, a voltage peak (77.5V) occurs when the switch turns off due to the parasitic inductance of the diode. To improve this voltage peak, a separate snubber circuit must be added to the switch or diode. In the case of the proposed circuit, the reverse recovery current peak generated by the diode is limited by Lr, and the switching turn-on loss does not occur due to the diode reverse recovery current because it does not flow into the switch the moment each switch is turned on.
-ZVS특성: 제안한 회로의 SW1, SW2는 Zero voltage switching을 하면서 switching turn-on 손실이 발생하지 않는 반면 conventional buck converter는 hard switching에 의해 switching turn-on 손실이 발생한다.-ZVS characteristics: Switching turn-on loss does not occur in SW1 and SW2 of the proposed circuit while performing zero voltage switching, whereas in the conventional buck converter, switching turn-on loss occurs due to hard switching.
* 제안 회로와 conventional buck의 다이오드 전류 파형 비교(도 7 참조)* Comparison of the diode current waveform between the proposed circuit and the conventional buck (see Fig. 7)
- 다이오드 역회복 전류 특성 개선: 동일한 스위칭 주파수, 입-출력 조건에서 - Improved diode reverse recovery current characteristics: at the same switching frequency and input-output conditions
Conventional buck converter의 diode에서는 4.04A의 역회복 peak 전류가 발생하며 In the diode of the conventional buck converter, a reverse recovery peak current of 4.04A occurs.
이 전류는 스위치 SW가 turn-on 되는 순간 스위치로 유입되어 switching turn-on 손This current flows into the switch at the moment the switch SW is turned on and causes switching turn-on damage.
실을 급격히 증가시킨다. 반면, 제안한 회로에서는 DO, Df가 turn-off 되기 전 까지 Increase the thread sharply. On the other hand, in the proposed circuit, until DO and Df turn-off
Lr에 의해 전류의 기울기가 일정하게 감소하면서 역회복 peak 전류가 각각 0.28A, As the slope of the current decreased by Lr, the reverse recovery peak current was 0.28A, respectively.
0.54A로 개선되었다. 또한 제안한 회로에서 발생한 역 회복 전류는 스위치가 turn-onimproved to 0.54A. In addition, the reverse recovery current generated in the proposed circuit is
되는 순간이 아닌 fully turn-on 되는 순간 스위치로 유입되기 때문에 다이오드에서 Because it flows into the switch at the moment it is fully turned on, not the moment when it is turned on, the diode
발생한 역회복 전류에 의해 switching turn-on 손실이 발생하지 않는다.Switching turn-on loss does not occur due to the generated reverse recovery current.
한편, 부가적으로 이러한 실시예에 따른 벅 컨버터가 전술한 바에 따른 스위칭을 할 경우, 아래의 실시예에 따른 구성으로부터 스위칭 출력 전압을 안정화함으로써, 보다 향상된 회로의 전력밀도를 높일 수 있도록 하는 효과 등을 얻는다.On the other hand, when the buck converter according to this embodiment additionally performs the switching as described above, by stabilizing the switching output voltage from the configuration according to the embodiment below, the effect of increasing the power density of a more improved circuit, etc. get
이를 위해, 상기 구성은 아래와 같이 이루어진다.To this end, the configuration is made as follows.
즉, 상기 구성은 상기 제 1 스위치의 입력 측에 목적 온도에 따라 상이한 개수의 부성특성(-)을 가진 서브 다이오드를 연결해서, 상이한 목적 온도별로 출력전압을 안정화한다.That is, in the above configuration, sub-diodes having different numbers of negative characteristics (-) according to the target temperature are connected to the input side of the first switch to stabilize the output voltage for each target temperature.
부연하면, 이러한 구성은 전력변환을 위한 스위칭을 할 경우, 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소하게 되는 온도 보상용 수단으로부터 전압 안정도를 구현함으로써, 향상된 전압 안정도를 구현한다.In other words, this configuration implements improved voltage stability by implementing voltage stability from the means for temperature compensation in which the resistance value decreases as the temperature increases when switching for power conversion.
그리고, 이에 더하여 이렇게 출력전압을 안정화할 경우, 상기 서브 다이오드에 저항을 추가적으로 연결해서, 향상된 출력전압의 안정화를 이루도록 한다.In addition, when stabilizing the output voltage in this way, a resistor is additionally connected to the sub-diode to achieve improved stabilization of the output voltage.
또한, 이러한 경우에 상기 저항은 다수개가 직렬로 연결되어 이루어지며, 이러한 다수개의 저항은 동일한 저항값으로 이루어짐으로써, 보다 향상된 출력전압의 안정화를 이루도록 한다.In addition, in this case, a plurality of the resistors are connected in series, and the plurality of resistors have the same resistance value, thereby achieving more improved output voltage stabilization.
101 : 제 1 스위치 102 : 제 1 다이오드
111 : 제 2 스위치 112 : 커패시터
113 : 제 1 인덕터 114 : 제 2 인덕터
115 : 제 2 다이오드101: first switch 102: first diode
111: second switch 112: capacitor
113: first inductor 114: second inductor
115: second diode
Claims (5)
상기 제 1 스위치(101)에 의해 발생된 전원출력에 대해 스너버 구성으로 동작하여 부하 측에 제공되도록 하는 제 1 다이오드(102); 를 포함하고 있으며,
상기 제 1 스위치(101)와 상보적으로 턴-온과 턴-오프를 수행하는 제 2 스위치(111);
상기 제 1 스위치(101)와 상기 제 2 스위치(111)의 사이에 설치된 커패시터(112);
상기 제 1 스위치(101)와 상기 커패시터(112)의 연결된 일단과 상기 제 1 다이오드(102)의 사이에 설치된 제 1 인덕터(113);
상기 제 1 인덕터(113)와 상기 제 1 다이오드(102)의 사이로부터 설치된 제 2 인덕터(114); 및
상기 제 1 다이오드(102)에 연결되어 정류부를 형성하는 제 2 다이오드(105); 를 포함하고,
a) 상기 벅 모드로 동작될 경우에, 상기 입력 교류전원과 상기 제 1 스위치(101), 상기 커패시터(112) 및, 상기 제 2 스위치(111)에 의해 구형파를 생성하고,
b) 상기 제 1 스위치(101)와 상기 커패시터(112), 상기 제 2 스위치(111), 상기 제 1 인덕터(113) 및, 상기 제 2 인덕터(114)에 의해 공진을 수행해서, 상기 제 1 스위치(101)와 상기 제 2 스위치(111)가 상보적으로 턴-온과 턴-오프를 수행할 경우에 상기 제 1 인덕터(113)의 전류 흐름을 이용하여 영 전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)을 하고,
c) 상기 생성된 구형파와 상기 공진에 의해 생성된 비대칭 AC 파형을 상기 제 1 인덕터(113)의 전류 흐름으로 상기 제 1 다이오드(102)와 상기 제 2 다이오드(105)에 의한 전류 기울기가 제어되어 정류하는 것; 을 특징으로 하는 능동형 클램프 벅 컨버터.a first switch 101 for switching the input AC power to the buck mode according to the control signal of the controller; and
a first diode (102) configured to operate in a snubber configuration with respect to the power output generated by the first switch (101) so as to be provided to the load side; contains,
a second switch 111 performing turn-on and turn-off complementary to the first switch 101;
a capacitor 112 installed between the first switch 101 and the second switch 111;
a first inductor (113) installed between one end of the first switch (101) and the capacitor (112) and the first diode (102);
a second inductor (114) installed between the first inductor (113) and the first diode (102); and
a second diode (105) connected to the first diode (102) to form a rectifier; including,
a) when operating in the buck mode, generating a square wave by the input AC power supply, the first switch 101, the capacitor 112, and the second switch 111,
b) Resonance is performed by the first switch 101, the capacitor 112, the second switch 111, the first inductor 113, and the second inductor 114, so that the first When the switch 101 and the second switch 111 complementarily perform turn-on and turn-off, zero voltage switching (ZVS) using the current flow of the first inductor 113 is used. ) and
c) the generated square wave and the asymmetric AC waveform generated by the resonance to the current flow of the first inductor 113, the current slope by the first diode 102 and the second diode 105 is controlled, rectifying; Active clamp buck converter featuring a.
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