KR20120032318A - 절연형 벅 부스트 ｄｃ?ｄｃ 컨버터 - Google Patents

절연형 벅 부스트 ｄｃ?ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 입력 전류의 전류 리플을 감소시킬 수 있는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명은 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 있어서, 일측이 전원부와 각각 연결되는 제1 인덕터와 제2 인덕터; 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치의 일측이 연결된 접점에 상기 제1 인덕터의 타측이 연결되고 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치의 일측이 연결된 접점에 상기 제2 인덕터의 타측이 연결되는 스위칭부; 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 타측이 연결된 접점과 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치의 타측이 연결된 접점 사이에 연결되는 제1 커패시터; 1차측 권선의 일측이 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치의 일측이 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선의 타측이 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치의 일측이 연결된 접점에 연결되는 변압기; 및 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 및 제4 다이오드를 포함하며, 상기 제1 다이오드와 상기 제3 다이오드의 접점에 상기 변압기 2차측 권선의 일측이 연결되고 상기 제2 다이오드와 상기 제4 다이오드의 접점에 상기 변압기 2차측 권선의 타측이 연결되는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

절연형 벅 부스트 ＤＣ?ＤＣ 컨버터{Isolated buck-boost dc-dc converter}
본 발명은 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 보다 상세하게는 입력 전류의 전류 리플을 크게 감소 시키고 크기를 최소화하며 제작 단가의 상승을 억제함과 동시에 대용량에서도 활용 가능한 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
DC-DC 컨버터는 직류 전압을 입력받아 다른 크기의 직류 전압으로 변환하여 출력하는 장치로써 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 이러한 DC-DC 컨버터의 종류로는 전압원 방식으로 동작하며 출력 전압이 입력 전압보다 항상 낮은 벅 컨버터(Buck converter), 전류원 방식으로 동작하며 출력 전압이 입력 전압보다 항상 높은 부스트 컨버터(Boost converter), 및 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 일체형으로써 입력된 직류 전압에 대한 승압과 강압을 모두 수행할 수 있는 벅-부스트 컨버터(Buck-boost converter) 등이 있다.
이 중 벅 부스트 컨버터의 경우 입력된 직류 전압에 대한 승압과 강압을 모두 수행할 수 있으므로 입력 전압 범위가 넓고 입력 전압의 전 범위에서 고효율을 달성할 수 있다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다.
벅 부스트 DC-DC 컨버터 중 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터인 플라이백 컨버터(Flyback converter)의 경우 입출력 절연과 최소의 부품으로 구성이 가능한 등의 장점을 가져 실제 제품에 가장 많이 적용되고 있지만 500W 미만의 소용량에서만 사용 가능한 문제점이 있었다.
또한, 대용량에서도 사용 가능한 벅 부스트 DC-DC 컨버터인 듀얼 브릿지 절연형 벅 부스트 컨버터(Dual-bridge buck-boost converter)와 qZ-source DC-DC 컨버터의 경우, 듀얼 브릿지 절연형 벅 부스트 컨버터는 변압기 1차측과 2차측의 스위치 위상 지연을 이용하여 동작하는 특성상 변압기의 1차측과 2차측에 모두 능동소자를 써야하므로 시스템의 신뢰성 저하와 제작 단가 상승 등의 문제점이 있었으며, qZ-Source 인버터를 DC-DC 컨버터에 적용하고 스위치의 상단락(Shoot-through)을 이용하여 부스트 기능을 구현하는 qZ-source DC-DC 컨버터는 입력 측에 2개의 인덕터, 2개의 커패시터, 및 1개의 다이오드로 구성된 Z-source network로 인해 qZ-source DC-DC 컨버터의 전체 사이즈가 대형화와 제작 비용 상승 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 2 위상 천이 방식에 의해 입력 전류의 전류 리플을 크게 감소 시키고, 스위칭 소자의 사용을 최소화하여 시스템의 신뢰성과 제작 단가 절감을 담보하며, 1차 측의 구성을 간소화하여 크기를 최소화함과 동시에 대용량에서도 활용 가능한 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절연형 벅 부스트 dc-dc 컨버터는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 있어서, 일측이 전원부와 각각 연결되는 제1 인덕터와 제2 인덕터; 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치의 일측이 연결된 접점에 상기 제1 인덕터의 타측이 연결되고 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치의 일측이 연결된 접점에 상기 제2 인덕터의 타측이 연결되는 스위칭부; 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 타측이 연결된 접점과 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치의 타측이 연결된 접점 사이에 연결되는 제1 커패시터; 1차측 권선의 일측이 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치의 일측이 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선의 타측이 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치의 일측이 연결된 접점에 연결되는 변압기; 및 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 및 제4 다이오드를 포함하며, 상기 제1 다이오드와 상기 제3 다이오드의 접점에 상기 변압기 2차측 권선의 일측이 연결되고 상기 제2 다이오드와 상기 제4 다이오드의 접점에 상기 변압기 2차측 권선의 타측이 연결되는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일측이 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드의 접점에 연결되고 타측이 부하와 연결되는 제3 인덕터와 상기 제3 인덕터와 병렬 연결되는 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 미리 결정된 시비율(Duty cycle)에 따라 동시에 온오프 동작하며, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 온인 경우 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 오프일 수 있다.
또한, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 미리 결정된 시비율(Duty cycle)에 따라 동시에 온오프 동작하며, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 온인 경우 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 오프일 수 있다.
또한, 상기 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 전압 이득(Voltage gain)은 아래의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
여기에서, Vi는 입력 전압, Vo는 출력 전압, n은 상기 변압기의 권선비, 및 D는 상기 스위칭부의 듀티 사이클(Duty cycle)을 의미한다.
또한, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제4 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
본 발명에 의하면 스위칭부의 스위칭 동작이 2 위상 천이(2 phase interleved) 방식으로 이루어져 종래에 비해 입력 전류의 전류 리플을 현저히 감소시키므로 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터와 연결되는 전압원의 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 1차 측의 구성을 간소화하여 종래에 비해 컨버터의 사이즈를 줄이고 제작 단가 상승을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 1차 측에만 능동 소자를 사용함으로써 시스템의 신뢰성을 담보하고 제작 단가 상승을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 회로도,
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 동작 참고도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 동작 파형 그래프, 및
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 전압 게인 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)는 제1 인덕터(10), 제2 인덕터(20), 스위칭부(30), 제1 커패시터(40), 정류부(50), 변압기(60), 제3 인덕터(70), 및 제2 커패시터(80)를 포함한다.
제1 인덕터(10)와 제2 인덕터(20)는 각각 일측이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)의 동작을 위한 직류 전원을 공급하는 전원부(V)와 연결된다.
스위칭부(30)는 풀 브릿지(Full bridge) 형태로 구성되는 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)를 포함하며, 제1 스위치(32)와 제3 스위치(36)의 일측이 연결된 접점에 제1 인덕터(10)의 타측이 연결되고, 제2 스위치(34)와 제4 스위치(38)의 일측이 연결된 접점에 제2 인덕터(20)의 타측이 연결된다.
이때, 제1 스위치(32)와 제4 스위치(38)는 미리 결정된 시비율(Duty cycle)에 따라 동시에 온오프(On/off) 동작하고, 제1 스위치(32)와 제4 스위치(38)가 온(On)인 경우 제2 스위치(34)와 제3 스위치(36)는 오프(Off)일 수 있다.
또한, 제2 스위치(34)와 제3 스위치(36)는 미리 결정된 시비율에 따라 동시에 온오프 동작하고, 제2 스위치(34)와 제3 스위치(36)가 온인 경우 제1 스위치(32)와 제4 스위치(38)는 오프일 수 있다.
또한, 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)을 게이트에 구성한 접합형 트랜지스터로써 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
제1 커패시터(40)는 제1 스위치(32)와 제2 스위치(34)의 타측이 연결된 접점과 제3 스위치(36)와 제4 스위치(38)의 타측이 연결된 접점 사이에 연결된다.
정류부(50)는 풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 다이오드(52), 제2 다이오드(54), 제3 다이오드(56), 및 제4 다이오드(58)를 포함한다.
변압기(60)는 1차측 권선(62)의 일측이 제1 스위치(32)와 제3 스위치(36)이 일측이 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선(62)의 타측이 제2 스위치(34)와 제4 스위치(38)의 일측이 연결된 접점에 연결되며, 2차측 권선(64)의 일측이 제1 다이오드(52)와 제3 다이오드(56)의 접점에 연결되고 2차측 권선(64)의 타측이 제2 다이오드(54)와 제4 다이오드(58)의 접점에 연결된다.
따라서, 변압기(60)는 1차측 권선(62)의 일측이 제1 인덕터(10)의 타측과 연결되고 1차측 권선(62)이 타측이 제2 인덕터(20)이 타측과 연결될 수 있다.
제3 인덕터(70)는 일측이 제1 다이오드(52)와 제2 다이오드(54)의 접점에 연결되고, 타측이 부하(L)의 일측과 연결되고 연결되며, 제2 커패시터(80)는 평활 커패시터로써 일측이 제3 인덕터(70)와 연결되고 부하(L)와 병렬로 연결된다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 동작 참고도, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 동작 파형 그래프이다.
도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이 제1 스위치(42)와 제4 스위치(48)가 온(On) 되면(도 6의 t0~t1 구간) 전원부(V)에서 공급되는 직류 전압인 입력 전압(Vin)이 제1 인덕터(10)와 제2 인덕터(20)에 공급된다.
이때, 제2 인덕터(20) 양단에는 입력 전압(Vin)이 인가되므로 제2 인덕터(20)에 흐르는 전류는 Vin/L2의 기울기를 가지고 상승하게 되며, 제2 인덕터(20) 측으로 공급되는 입력 전류(IL2)는 제2 인덕터(20)와 온 상태인 제4 스위치(38)를 거쳐 다시 전원부(V) 측으로 흐르게 된다.(도 2의 ②)
그리고, 제1 인덕터(20)의 양단에는 Vin-Vpn이 인가되는데 Vpn이 Vin보다 크므로 제1 인덕터(10)에 흐르는 전류는 (Vin-Vpn)/L1의 기울기를 가지고 하강하게 되며, 제1 인덕터(10) 측으로 공급되는 입력 전류(IL1)는 제1 인덕터(10)와 제1 스위치(32)와 병렬 연결된 바디 다이오드(D1)를 거쳐 제1 커패시터(40)를 충전시킨다.(도 2의 ①)
여기에서, VPN은 풀 브릿지 형태로 구성되는 스위칭부(30) 단의 DC link 전압, L1은 제1 인덕터(20)의 인덕턴스를, 및 L2는 제2 인덕터(20)의 인덕턴스를 의미한다.
다음으로, 제1 커패시터(40)에 충전된 전하가 온 상태인 제1 스위치(42)를 통과한 후 변압기(60)의 1차측 권선(62)으로 공급된다.(도 2의 ③)
또한, 변압기(60)의 1차측 권선(62)에 흐르는 전류(itr)의 방향으로 인해 변압기(60)의 2차측 권선(64)에 유도된 후 흐르는 전류가 변압기(60)의 2차측에 위치한 정류부(50)의 제1 다이오드(52)와 제4 다이오드(58)을 턴온(Turn-on) 시키면서 제3 인덕터(70)와 제2 커패시터(80)를 통과하여 부하(L) 측으로 전력이 전달될 수 있게 되며(도 2의 ④), 변압기(60)의 1차측 전압 Vtr은 Vpn이 되고 정류부(50)의 다음단 전압 Vrec도 VPN이 된다.
여기에서, Llk는 이상적인 변압기인 경우 0이지만 실제 변압기의 경우 일정크기로 존재하는 변압기(60)의 누설 인덕턴스를 의미하며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)의 경우 Llk는 500nH일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)가 모두 오프(Off) 되면(도 6의 t1~t2 구간) 전원부(V)로부터 제1 인덕터(10)로 공급되는 입력 전류(IL1)는 제1 인덕터(10)를 통과한 후 제1 스위치(32)와 제3 스위치(36)의 접점에서 분기되어 제1 스위치(32)에 병렬 연결된 바디 다이오드(D1)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킴과 동시에 변압기(60)의 1차측 권선(62)과 제2 스위치(34)에 병렬 연결된 바디 다이오드(D2)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킨다.(도 3의 ①)
또한, 전원부(V)로부터 제2 인덕터(20)로 공급되는 입력 전류(IL2)는 제2 인덕터(20), 제2 스위치(34)에 병렬 연결된 바디 다이오드(D2)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킨다.(도 3의 ②)
그리고, 제3 인덕터(70)에 저장된 에너지가 부하(L) 측으로 전달되면서 정류부(60)의 제1 다이오드(62), 제2 다이오드(64), 제3 다이오드(66), 및 제4 다이오드(68)가 모두 턴온 되며(도 3의 ③), 변압기(60)의 1차측 전압과 2차측 전압은 0이 된다.
도 4에 도시된 바와 같이 제2 스위치(34)와 제3 스위치(36)가 온(On) 되면 (도 6의 t2~t3 구간) 전원부(V)에서 공급되는 직류 전압인 입력 전압(Vin)이 제1 인덕터(10)와 제2 인덕터(20)에 공급된다.
이때, 제1 인덕터(10) 양단에는 입력 전압(Vin)이 인가되어 제1 인덕터(20)에 흐르는 전류는 Vin/L1의 기울기를 가지고 상승하게 되며, 제1 인덕터(10) 측으로 공급되는 입력 전류(IL1)는 제1 인덕터(10)와 제3 스위치(34)를 통과하여 전원부(V) 측으로 유입된다.(도 4의 ①)
또한, 제2 인덕터(20) 양단에는 (Vin-Vpn)의 전압이 걸리게 되는데, Vpn 전압이 Vin 보다 크므로 제2 인덕터(30)에 흐르는 전류는 (Vin-Vpn)/L2의 기울기를 가지고 하강하게 되며, 제2 인덕터(20) 측으로 공급되는 입력 전류(IL2)는 제2 인덕터(20)와 제2 스위치(34)에 병렬 연결된 바디 다이오드(D2)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킨다.(도 4의 ②)
또한, 변압기(60) 1차측 권선(62)에 흐르는 전류(itr)의 방향에 의해 변압기(60)의 2차측 권선(64)에 흐르는 전류가 변압기(60)의 2차측에 위치한 정류부(50)의 제2 다이오드(54)와 제3 다이오드(56)을 턴온(Turn-on) 시키면서 제3 인덕터(70)와 커패시터(80)를 통과하여 부하(L) 측으로 전력이 전달될 수 있게 되며(도 4의 ③), 변압기(60)의 1차측 전압은 -Vpn이 되고 정류부(50)의 다음단 전압 Vrec은 VPN이 된다.
도 5에 도시된 바와 같이 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)가 모두 오프(Off) 되면(도 6의 t3~t4 구간), 전원부(V)로부터 제1 인덕터(10)로 공급되는 입력 전류(IL1)는 제1 인덕터(10)와 제1 스위치(32)에 병렬 연결되는 바디 다이오드(D1)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킨다.(도 5의 ①)
또한, 전원부(V)로부터 제2 인덕터(20)로 공급되는 입력 전류(IL2)는 제2 인덕터(20)를 통과한 후 제2 스위치(34)와 제4 스위치(38)의 점점에서 분기되어 제2 스위치(34)에 병렬 연결된 바디 다이오드(D2)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킴과 동시에 변압기(60)의 1차측 권선(62)과 제1 스위치(32)에 병렬 연결된 바디 다이오드(D1)를 통과한 후 제1 커패시터(40)를 충전시킨다.(도 5의 ②)
제3 인덕터(70)에 저장된 에너지가 부하(L) 측으로 전달되면서 정류부(60)의 제1 다이오드(62), 제2 다이오드(64), 제3 다이오드(66), 및 제4 다이오드(68)가 모두 턴온 되며(도 5의 ③), 변압기(60)의 1차측 전압과 2차측 전압은 0이 된다.
도 6에 도시된 바와 같이 제1 인덕터(10) 또는 제2 인덕터(20)의 전압-시간 균형 상태(Volt-sec balance condition)에 따라 입력 전압 Vin과 풀 브릿지 형태로 구성된 스위칭부(30) 단의 DC link 전압인 Vpn의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기에서, Vin은 입력전압, VPN은 풀 브릿지 형태로 구성된 스위칭부(30) 단의 DC link 전압, 및 D는 스위칭부(30)의 시비율(Duty cycle)을 의미하며, 상기 수학식 1에 따라 VPN은 Vin보다 큰 값을 갖게 된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 제3 인덕터(70)의 전압-시간 균형 상태(Volt-sec balance condition)에 따라 출력 전압 Vo와 풀 브릿지 형태로 구성된 스위칭부(30) 단의 DC link 전압 Vpn의 관계는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기에서, VO는 출력 전압, VPN은 풀 브릿지 형태로 구성된 스위칭부(30) 단의 DC link 전압, n은 변압기(60)의 권선비(N2/N1), 및 D는 스위칭부(30)의 시비율(Duty cycle)을 의미한다.
따라서, 상기 수학식 1과 수학식2 에 의해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)의 전압 이득(Voltage Gain)은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기에서, Vin은 입력 전압, VO는 출력 전압, n은 변압기(60)의 권선비(N2/N1), 및 D는 스위칭부(30)의 시비율(Duty cycle)을 의미한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 전압 이득 그래프이다.
이때, 변압기(60)의 권선비 n=1로 하였으며 도 7에 도시된 바와 같이 스위칭부(30)의 시비율(Duty cycle) D가 D<0.33인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)는 감압 모드(Buck mode)로 동작하고, D>0.33인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)는 승압 모드(Boost mode)로 동작하며, D=0.33인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)의 입력 전압 Vin과 출력 전압 VO는 동일한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)는 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)의 동작을 위한 직류 전원을 공급하는 전원부(V)와 일측이 각각 연결되는 제1 인덕터(10)와 제2 인덕터(20), 풀 브릿지 형태로 구성되며 제1 스위치(32)와 제4 스위치(34)가 동시에 온오프(On/off) 동작하고 제2 스위치(34)와 제3 스위치(36)가 동시에 온오프 동작하는 스위칭부(30)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 입력 측을 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)는 1차 측을 제1 인덕터(10), 제2 인덕터(20), 및 제1 커패시터(40)로 구성함으로써 1차 측에 2개의 인덕터, 2개의 커패시터, 및 1개의 다이오드로 구성된 Z-source network가 구성되어 있는 qZ-source DC-DC 컨버터와 비교 시 컨버터의 사이즈를 줄이고 제작 단가 상승을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 1차 측에만 능동 소자인 제1 스위치(32), 제2 스위치(34), 제3 스위치(36), 및 제4 스위치(38)를 포함하는 스위칭부(30)를 구성함으로써 1차 측과 2차 측 모두 능동소자 사용하는 듀얼 브릿지 절연형 벅 부스트 컨버터(Dual-bridge buck-boost converter)와 비교시 시스템의 신뢰성을 담보하고 제작 단가 상승을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 스위칭부(30)의 스위칭 동작이 2 위상 천이(2 phase interleved) 방식으로 이루어지므로 종래에 비래 입력 전류(Iin)의 전류 리플을 현저히 감소시킬 수 있는 효과를 갖는다.
여기에서, 2 위상 천이 방식이란 제1 스위치(32)와 제3 스위치(36)로 구성되는 페이즈 암(Phase arm)을 Phase A라 하고 제2 스위치(34)와 제4 스위치(38)로 구성되는 페이즈 암(Phase arm)을 Phase B라 하는 경우, Phase A와 Phase B가 서로 180도 위상 천이를 가지면서 스위칭을 하는 방식을 의미하며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)에 있어서 스위칭부(30)의 스위칭 동작이 2 위상 천이 방식으로 이루어지는 경우 제1 인덕터(10)와 제2 인덕터(20)에 인가되는 전류는 입력 전류 (Iin)의 절반의 값인 DC 성분을 가지면서 아래의 수학식 4와 같은 교류 전류 리플을 갖게 된다.
Figure pat00005
여기에서, ΔIL은 교류 전류 리플, Vi는 입력 전압, L은 제1 인덕터(10) 또는 제2 인덕터(20)의 인덕턴스, D는 스위칭부(30)의 시비율(Duty cycle), 및 Ts는 스위칭부(30)의 스위칭 주기를 의미한다.
그러나, 입력 전류(Iin)의 경우 스위칭부(30)의 2 위상 천이(2 phase interleved) 방식의 스위칭 동작에 따라 제1 인덕터(10)와 제2 인덕터(20)의 전류 리플보다 훨씬 작은 전류 리플을 갖게 된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터(1)를 밧데리 또는 연료 전지와 같은 전압원의 입력에 적용되는 경우 전압원의 전류 스트레스를 감소시켜 밧데리 또는 연료 전지의 수명을 연장시키는 것이 가능해진다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(1) : 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터 (10) : 제1 인덕터
(20) : 제2 인덕터 (30) : 스위칭부
(32) : 제1 스위치 (34) : 제2 스위치
(36) : 제3 스위치 (38) : 제4 스위치
(40) : 제1 커패시터 (50) : 정류부
(52) : 제1 다이오드 (54) : 제2 다이오드
(56) : 제3 다이오드 (58) : 제4 다이오드
(60) : 변압기 (62) : 1차 권선
(64) : 2차 권선 (70) : 제3 인덕터
(80) : 제2 커패시터

Claims (6)

  1. 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터에 있어서,
    일측이 전원부와 각각 연결되는 제1 인덕터와 제2 인덕터;
    풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치의 일측이 연결된 접점에 상기 제1 인덕터의 타측이 연결되고 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치의 일측이 연결된 접점에 상기 제2 인덕터의 타측이 연결되는 스위칭부;
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치의 타측이 연결된 접점과 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치의 타측이 연결된 접점 사이에 연결되는 제1 커패시터;
    1차측 권선의 일측이 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치의 일측이 연결된 접점에 연결되고 1차측 권선의 타측이 상기 제2 스위치와 상기 제4 스위치의 일측이 연결된 접점에 연결되는 변압기; 및
    풀 브릿지 형태로 구성되는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 및 제4 다이오드를 포함하며, 상기 제1 다이오드와 상기 제3 다이오드의 접점에 상기 변압기 2차측 권선의 일측이 연결되고 상기 제2 다이오드와 상기 제4 다이오드의 접점에 상기 변압기 2차측 권선의 타측이 연결되는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서,
    일측이 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드의 접점에 연결되고 타측이 부하의 일측과 연결되는 제3 인덕터와 상기 부하와 병렬 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 미리 결정된 시비율(Duty cycle)에 따라 동시에 온오프 동작하며, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치가 온인 경우 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 오프인 것을 특징으로 하는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 미리 결정된 시비율(Duty cycle)에 따라 동시에 온오프 동작하며, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치가 온인 경우 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 오프인 것을 특징으로 하는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터의 전압 이득(Voltage gain)은 아래의 수학식과 같은 것을 특징으로 하는 절연형 벅 부스트 DC-DC 컨버터.
    [수학식]
    Figure pat00006

    여기에서, Vi는 입력 전압, Vo는 출력 전압, n은 상기 변압기의 권선비, 및 D는 상기 스위칭부의 듀티 사이클(Duty cycle)을 의미한다.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 및 상기 제4 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 벅 부스트 DC-DC 컨버터.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103944397A (zh) * 2014-04-11 2014-07-23 燕山大学 Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法
KR20150010011A (ko) * 2013-07-16 2015-01-28 엘지이노텍 주식회사 전력변환장치 및 그의 구동방법
WO2015156597A1 (ko) * 2014-04-09 2015-10-15 숭실대학교 산학협력단 리플 제거를 위한 전력변환 장치
CN105553283A (zh) * 2016-03-04 2016-05-04 盐城工学院 一种升压型直直变换器的控制方法
WO2024096184A1 (ko) * 2022-10-31 2024-05-10 에스케이시그넷 주식회사 래깅 레그 제거 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 회로

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101315143B1 (ko) 2012-08-22 2013-10-14 전북대학교산학협력단 높은 승압 비를 갖는 고효율 ｄｃ/ｄｃ 컨버터

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4855888A (en) 1988-10-19 1989-08-08 Unisys Corporation Constant frequency resonant power converter with zero voltage switching
US5231563A (en) * 1990-09-07 1993-07-27 Itt Corporation Square wave converter having an improved zero voltage switching operation
EP1278294B9 (en) 2001-07-16 2010-09-01 CPAutomation S.A. An electrical power supply suitable in particular for dc plasma processing

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150010011A (ko) * 2013-07-16 2015-01-28 엘지이노텍 주식회사 전력변환장치 및 그의 구동방법
WO2015156597A1 (ko) * 2014-04-09 2015-10-15 숭실대학교 산학협력단 리플 제거를 위한 전력변환 장치
KR20150117330A (ko) * 2014-04-09 2015-10-20 숭실대학교산학협력단 리플 제거를 위한 전력변환 장치
US9948172B2 (en) 2014-04-09 2018-04-17 Soongsil University Research Consortium Techno-Park Power converter for eliminating ripples
CN103944397A (zh) * 2014-04-11 2014-07-23 燕山大学 Boost型隔离DC/DC变换器及其控制方法
CN105553283A (zh) * 2016-03-04 2016-05-04 盐城工学院 一种升压型直直变换器的控制方法
CN105553283B (zh) * 2016-03-04 2018-09-25 盐城工学院 一种升压型直直变换器的控制方法
WO2024096184A1 (ko) * 2022-10-31 2024-05-10 에스케이시그넷 주식회사 래깅 레그 제거 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 회로

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