KR20110127365A - 고효율 ｄｃ-ｄｃ 변환기 - Google Patents

고효율 ｄｃ-ｄｃ 변환기 Download PDF

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황영호
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Abstract

본 발명은 고효율 DC-DC 컨버터가 개시된다.
본 발명에 따른 고효율 DC-DC 컨버터는 입력단의 일측에 직렬로 접속된 제1 인덕터와, 상기 제1 인덕터의 일측에 직렬로 접속된 제1 캐패시터와, 상기 제1 캐패시터의 일측에 직렬로 접속된 제1 다이오드와, 상기 제1 인덕터와 제1 캐패시터 사이에 형성된 제1 노드에 일측이 접속된 제2 인덕터와, 상기 제2 인덕터와 접지 사이에 접속되며 디밍(Dimming) 신호에 따라 턴-온/오프 되는 스위치 단자와, 상기 제1 캐패시터와 제1 다이오드 사이에 형성된 제2 노드에 일측이 접속되는 제2 다이오드와, 상기 제2 다이오드의 타측과 접지 사이에 접속되며 상기 제2 인덕터와 공진 패스(path)를 형성하는 제2 캐패시터 및 상기 제2 다이오드와 상기 제2 캐패시터 사이에 형성된 제3 노드 및 제1 노드 사이에 접속된 제3 다이오드를 포함한다.

Description

고효율 ＤＣ-ＤＣ 변환기{DC-DC CONVERTER FOR HIGH EFFICIENCY}
본 발명은 DC-DC 변환기에 관한 것으로, 특히 단순한 회로 소자를 추가하여 스위치 소자의 노이즈를 최소화하는 고효율 DC-DC 변환기에 관한 것이다.
집적회로(IC)나 고집적회로(LSI) 등의 반도체 소자를 사용하는 컴퓨터, 전자계산기, 통신기기, 음향·영상 기기 및 의료 장비 등에서는 동작 전원으로서 여러 종류의 저전압 고품질을 갖는 직류 전원이 요구된다.
일반적으로, 직류 전원을 제어하기 위해 사용되고 있는 기존의 DC-DC 변환기는 PWM 방식으로 스위치 단자를 제어하며 상기 스위치 단자의 듀티(Duty, D)에 따라 입력전압과 출력 전압의 관계가 Vouy=Vin×1/(1-D)의 관계를 갖는 Inductor-Based 부스트 컨버터와, 인덕터와 캐패시터의 공진을 이용해서 소프트 스위칭(Soft Switching)을 하는 Quasi Resonant 컨버터 등을 포함한다.
상기 Inductor-Based 부스트 컨버터는 셋-업 컨버터의 한 종류로 1개의 스위치 단자와, 1개의 인덕터, 1개의 캐패시터 및 1개의 다이오드로 구성된다. 상기 Inductor-Based 부스트 컨버터의 스위치 단자는 하드 스위칭(Hard Switching) 동작을 하기 때문에 턴-온/오프(turn-on/off) 될 때 전력 손실이 크게 발생되고, 입력과 출력전압에 따른 노이즈가 발생하여 효율이 저하되는 문제가 있다.
상기 Quasi Resonant 컨버터는 스위치 단자의 턴-온/오프(turn-on/off) 시에 발생할 수 있는 손실을 최소화할 수 있지만, 인덕터와 캐패시터의 공진으로 인해 발생하는 높은 순환 전류에 의해 공진용 인덕터에 Conduction loss가 증가하게 되어 스위치 소자의 양단에 높은 전압 스트레스가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 이와 같은 DC-DC 컨버터를 구비한 제품의 경우 효율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 기존의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 간단한 회로 소자들을 추가하여 스위치 단자에서 발생할 수 있는 손실 및 노이즈를 최소화하는 고효율 DC-DC 컨버터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 고효율 DC-DC 컨버터는 입력단의 일측에 직렬로 접속된 제1 인덕터와, 상기 제1 인덕터의 일측에 직렬로 접속된 제1 캐패시터와, 상기 제1 캐패시터의 일측에 직렬로 접속된 제1 다이오드와, 상기 제1 인덕터와 제1 캐패시터 사이에 형성된 제1 노드에 일측이 접속된 제2 인덕터와, 상기 제2 인덕터와 접지 사이에 접속되며 디밍(Dimming) 신호에 따라 턴-온/오프 되는 스위치 단자와, 상기 제1 캐패시터와 제1 다이오드 사이에 형성된 제2 노드에 일측이 접속되는 제2 다이오드와, 상기 제2 다이오드의 타측과 접지 사이에 접속되며 상기 제2 인덕터와 공진 패스(path)를 형성하는 제2 캐패시터 및 상기 제2 다이오드와 상기 제2 캐패시터 사이에 형성된 제3 노드 및 제1 노드 사이에 접속된 제3 다이오드를 포함한다.
본 발명에 따른 고효율 DC-DC 컨버터는 인덕터와, 캐패시터 및 다이오드로 이루어진 간단한 회로를 기존의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 추가하여 스위치 단자에서 발생할 수 있는 loss 및 노이즈를 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 DC-DC 컨버터의 제1 구간에 따른 제1 구동 모드를 나타내는 회로 구성 및 각 회로 소자에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 DC-DC 컨버터의 제2 구간에 따른 제2 구동 모드를 나타낸 회로 구성 및 각 회로 소자에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 DC-DC 컨버터의 제3 구간에 따른 제3 구동 모드를 나타낸 회로 구성 및 각 회로 소자에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 5(a)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터의 스위치 단자에서 시간에 따른 파형을 나타낸 도면이고, 도 5(b)는 종래의 Quasi-Resonant 컨버터의 스위치 단자에서 시간에 따른 파형을 나타낸 도면이며, 도 5(c)는 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 스위치 단자에서 시간에 따른 파형을 나타낸 도면이다.
도 6(a)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터와 Quasi-Resonant 컨버터 및 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터를 입력 전압에 따른 효율을 비교한 파형도이고, 도 6(b)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터와 Quasi-Resonant 컨버터 및 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터를 출력 전류의 디밍(Dimming) 변화에 따른 효율을 비교한 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 기존의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 하나의 인덕터와 두 개의 캐패시터 및 두 개의 다이오드로 구성된 보조 회로부(110)를 포함한다.
상기 DC-DC 컨버터(100)는 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)와, 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)와, 제1 내지 제3 다이오드(D1 ~ D3) 및 제1 스위치 단자(SW1)를 포함한다. 이 중에서 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)와, 제2 인덕터(L2)와, 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)는 보조 회로부(110)를 구성할 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)는 제1 노드(N1)에 접속되고, 상기 제1 캐패시터(C1) 및 제1 다이오드(D1)은 상기 제1 노드(N1)에 접속된다. 상기 제1 스위치 단자(SW1)는 상기 제2 인덕터(L2)와 접지(그라운드 전압, GND) 사이에 접속되며, 상기 제2 다이오드(D2)는 상기 제1 캐피시터(C1)의 타측이 접속된 제2 노드(N2)와 상기 제1 다이오드(D1)의 타측이 접속된 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. 상기 제2 캐패시터(C2)는 상기 제3 노드(N3) 및 접지(그라운드 전압, GND) 사이에 접속된다.
상기 DC-DC 컨버터(100)의 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-온(turn-on) 되는 동안에 상기 제2 캐패시터(C2)에 저장된 에너지는 상기 제1 캐패시터(C1)에 충전되어 상기 제1 캐패시터(C1)의 전압(Vc1)은 상기 제2 캐패시터(C2)의 전압(Vc2)과 동일해진다.
또한, 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-오프(turn-off) 되면 상기 제2 캐패시터(C2)의 전압(Vc2)은 상기 Vc1+Vc2가 되어 기존의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 비해 동일한 스위치 온 듀티(Duty)와 입력 전압으로 2배 정도의 높은 출력 전압을 얻을 수 있다.
기존의 Inductor-Based 부스트 컨버터는 스위치 단자로 파워 MOSFET(Metal- Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 주로 사용하는데, 상기 MOSFET는 턴-온(turn-on) 되면 순간적으로 서지 전류(surge current)가 발생하게 되어 상기 서지 전류(surge current)는 상기 MOSFET의 턴-온(turn-on) 시의 로스(loss)와 노이즈의 주요 원인을 제공한다.
이때, 상기 제1 스위치 단자(SW1)와 직렬로 접속된 제2 인덕터(L2)에 의해 상기 MOSFET로 구성된 제1 스위치 단자(SW1)로 흐르는 서지 전류(surge current)가 억제되어 상기 제1 스위치 단자(SW1)의 턴-온(turn-on) 되는 동안에 발생할 수 있는 로스(loss) 및 노이즈를 최소화할 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터(100)는 상기 제1 스위치 단자(SW1)의 턴-온/오프(turn-on/off) 상태에 따라 세 구간으로 구분되어 3가지 모드로 구동된다. 상기 DC-DC 컨버터(100)의 세 구간에 따른 3가지 모드는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 DC-DC 컨버터의 제1 구간에 따른 제1 구동 모드를 나타내는 회로 구성 및 각 회로 소자에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 DC-DC 컨버터(100)의 제1 구간(①)은 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-오프(turn-off) 상태에서 턴-온(turn-on) 상태로 전환되는 순간부터 상기 제1 스위치 단자(SW1)에 흐르는 전류(Isw)가 입력 전류(Iin)가 될 때까지의 구간을 말한다.
상기 제1 구간(①)에서, 상기 제1 스위치 소자(SW1)가 턴-온(turn-on) 되는 순간 상기 제1 노드(N1)에 제공되는 전압(V1)은 상기 제2 캐패시터(C2)에 걸리는 전압(Vc2)와 동일해지고, 출력 전압(Vout)의 절반을 유지한다. 이때, 상기 제2 인덕터(L2)의 양단에 상기 제1 노드(N1)에 제공되는 전압(V1)이 인가되어 상기 제1 스위치 소자(SW1)의 전류(Isw)가 0에서 입력 전류(Iin)에 까지 선형적으로 증가한다.
상기 제1 구간(①)에서 상기 제1 및 제3 다이오드(D1, D3)는 도통되고, 상기 제2 다이오드(D2)는 차단된다.
도 3은 도 1의 DC-DC 컨버터의 제2 구간에 따른 제2 구동 모드를 나타낸 회로 구성 및 각 회로 소자에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 DC-DC 컨버터(100)의 제2 구간(②)은 상기 제1 스위치 단자(SW1)에 흐르는 전류(Isw)가 입력 전류(Iin)와 동일해지는 순간부터 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-오프(turn-off) 되기 전까지의 구간을 말한다.
상기 제2 구간(②)에서 상기 제1 다이오드(D1)가 차단되고, 상기 제2 다이오드(D2)가 도통되면서 상기 제2 캐패시터(C2)에서 상기 제1 캐패시터(C1)로 충전이 시작된다.
이때, 상기 제1 스위치 단자(SW1)의 전류(Isw)는 입력 전류(Iin)와 공진 전류(제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)와 제2 인덕터(L2) 사이에서 발생하는 공진에 의해 발생된 전류를 의미함)의 합(Isw=Iin+I1)이 된다.
상기 제2 구간(②)에서 상기 제1 다이오드(1)가 차단됨에 따라 상기 제1 캐패시터(C1)가 충전되면서 상기 제1 노드(N1)에 제공된 전압(V1)은 제2 캐패시터(C2)에 인가된 전압(Vc2)에서 0으로 감소하게 된다.
도 4는 도 1의 DC-DC 컨버터의 제3 구간에 따른 제3 구동 모드를 나타낸 회로 구성 및 각 회로 소자에 흐르는 전류를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 DC-DC 컨버터(100)의 제3 구간(③)은 상기 제1 스위치 소자(SW1)가 턴-오프(turn-off) 상태에서 턴-온(turn-on) 상태가 되기 전까지의 구간을 말한다.
상기 제3 구간(③)에서 상기 제1 및 제3 다이오드(D1, D3)가 도통되고, 상기 제2 다이오드(D2)가 차단되어 상기 DC-DC 컨버터(100)의 출력 전압(Vout)은 상기 제1 및 제2 캐패시터(V1, V2)에 각각 걸리는 전압(Vc1, Vc2)을 합한 전압이 된다.
상기 제3 구간(③)에서 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-오프(turn-off) 되면 입력 전류(Iin)는 출력측과 제2 캐패시터(C2)에 전달된다. 그리고, 상기 제1 스위치 단자(SW1)의 기생 캐패시터(Cp)와 상기 제2 인덕터(L2)가 공진을 하게 된다.
본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-온(turn-on) 되는 동안에 상기 제1 캐패시터(C1)에 인가된 전압(Vc1)과 상기 제2 캐패시터(C2)에 인가된 전압(Vc2)을 동일하게 하고, 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-오프(turn-off) 되는 동안에 제2 노드(N2)에 인가된 전압(V2)이 상기 Vc1과 Vc2를 합한 전압이 되게 한다.
이로 인해, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 비해 동일한 스위치 온 듀티(Duty, D)와 입력 전압으로 2배 정도 높은 출력 전압을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터(100)는 제1 스위치 단자(SW1)와 직렬로 연결된 제2 인덕터(L2)를 구비하여 상기 제1 스위치 단자(SW1)가 턴-온(turn-on) 되는 과정에서 순간적으로 발생하는 서지 전류(surge current)를 억제하여 상기 제1 스위치 단자(SW1)의 로스(loss) 및 노이즈를 최소화할 수 있다.
도 5(a)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터의 스위치 단자에서 시간에 따른 파형을 나타낸 도면이고, 도 5(b)는 종래의 Quasi-Resonant 컨버터의 스위치 단자에서 시간에 따른 파형을 나타낸 도면이며, 도 5(c)는 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 스위치 단자에서 시간에 따른 파형을 나타낸 도면이다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 입력 전압을 24V로, 출력 전압을 114V로, 출력 전류의 디밍(Dimming) 듀티(Duty)를 100%로 고정한 경우에 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터의 스위치 단자는 턴-온(turn-on) 될 때 순간적으로 서지 전류(surge current)가 발생하고, 턴-온/오프(turn-on/off) 시에 로스(loss)가 크게 발생한다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 입력 전압을 24V로, 출력 전압을 114V로 출력 전류의 디밍(Dimming) 듀티(Duty)를 100%로 고정한 경우에 종래의 Quasi-Resonant 컨버터의 스위치 단자는 턴-온(turn-on) 시에 발생하는 서지 전류(surge current)가 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 비해 감소한다.
하지만, 상기 스위치 단자가 턴-온(turn-on) 되는 과정에서 공진에 의해 전류 레벨이 급격하게 증가하게 되어 인덕터의 Conduction loss를 증가시킨다.
도 5(c)에 도시된 바와 같이, 입력 전압을 24V로, 출력 전압을 114V로 출력 전류의 디밍(Dimming) 듀티(Duty)를 100%로 고정한 경우에 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 스위치 단자는 턴-온(turn-on) 시에 발생하는 서지 전류(surge current)를 제거하고 동시에 소프트 스위칭(soft switching)을 하여 턴-온(turn-on)시의 로스(loss)를 최소화한다.
따라서, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 경우 스위치 단자에서의 로스(loss) 및 인덕터에서의 Conduction loss를 최소화할 수 있다.
도 6(a)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터와 Quasi-Resonant 컨버터 및 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터를 입력 전압에 따른 효율을 비교한 파형도이고, 도 6(b)는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터와 Quasi-Resonant 컨버터 및 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터를 출력 전류의 디밍(Dimming) 변화에 따른 효율을 비교한 파형도이다.
도 6(a)에 도시된 바와 같이, 출력 전류의 디밍(Dimming)을 100%로 고정시키고, 입력 전압을 21V ~ 27V로 1V 단위로 가변하면서 효율을 비교하면, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터가 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 비해 약 6.4% 정도 효율이 향상되고, 종래의 Quasi-Resonant 컨버터에 비해 약 1.6% 정도 효율이 향상됨을 알 수 있다.
도 6(b)에 도시된 바와 같이, 입력 전압을 24V로 고정시키고, 출력 전류의 디밍(Dimming)을 14.4% ~ 100%까지 10% 단위로 가변시키면서 효율을 비교하면, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터가 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 비해 출력 전류 디밍(Dimming) 듀티(Duty) 50% 이상에서 평균적으로 5.7%의 효율이 향상되었다.
또한, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터가 종래의 Quasi-Resonant에 비해 평균적으로 0.76%의 효율이 향상되었다.
이와 더불어, 출력 전류 디밍(Dimming) 듀티(Duty) 50% 이하에서 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는 종래의 Inductor-Based 부스트 컨버터에 비해 평균 7.1%의 효율이 향상되었고, 종래의 Quasi-Resonant에 비해 평균 5.49%의 효율이 향상되었다.
따라서, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는 스위치 단자의 턴-온(turn-on) 시에 순간적으로 발생하는 서지 전류(surge current)를 억제하여 스위치 단자의 턴-온(turn-om) 시의 로스(loss) 및 노이즈를 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있다.
100:DC-DC 컨버터 110:보조 회로부

Claims (6)

  1. 입력단의 일측에 직렬로 접속된 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터의 일측에 직렬로 접속된 제1 캐패시터;
    상기 제1 캐패시터의 일측에 직렬로 접속된 제1 다이오드;
    상기 제1 인덕터와 제1 캐패시터 사이에 형성된 제1 노드에 일측이 접속된 제2 인덕터;
    상기 제2 인덕터와 접지 사이에 접속되며 디밍(Dimming) 신호에 따라 턴-온/오프 되는 스위치 단자;
    상기 제1 캐패시터와 제1 다이오드 사이에 형성된 제2 노드에 일측이 접속되는 제2 다이오드;
    상기 제2 다이오드의 타측과 접지 사이에 접속되며 상기 제2 인덕터와 공진 패스(path)를 형성하는 제2 캐패시터; 및
    상기 제2 다이오드와 상기 제2 캐패시터 사이에 형성된 제3 노드 및 제1 노드 사이에 접속된 제3 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 DC-DC 컨버터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 인덕터는 상기 스위치 단자가 턴-온(turn-on) 상태가 되는 경우에 상기 스위치 단자에서 발생하는 서지 전류(surge current)를 방지하는 것을 특징으로 하는 고효율 DC-DC 컨버터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 인덕터와, 상기 제1 및 제2 캐패시터와, 상기 제2 및 제3 다이오드는 보조 회로부를 구성하는 것을 특징으로 하는 고효율 DC-DC 컨버터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치 단자가 턴-온(turn-on) 상태가 되면 상기 제2 캐패시터에서 상기 제1 캐패시터로 충전이 되어 상기 제2 인덕터와 상기 제1 및 제2 캐패시터 사이에 공진 패스(path)가 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 DC-DC 컨버터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치 단자가 턴-온(turn-on) 되어 상기 스위치 단자에 흐르는 전류가 선형적으로 증가하는 구간에 상기 제1 노드에 인가된 전압은 상기 제2 캐패시터에 인가되는 전압과 동일한 것을 특징으로 하는 고효율 DC-DC 컨버터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치 단자는 파워 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 고효율 DC-DC 컨버터.
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