KR101030776B1

KR101030776B1 - 승압형 직류/직류 변환기

Info

Publication number: KR101030776B1
Application number: KR1020090092525A
Authority: KR
Inventors: 왕세원; 우영진; 조규하
Original assignee: (주)제이디에이테크놀로지
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-27
Also published as: KR20110034998A

Abstract

본 발명은 승압형 직류/직류 변환기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 승압형 직류/직류 변환기는 일단이 입력단과 접속된 충전 인덕터, 일단이 충전 인덕터의 타단과 접속된 충전 커패시터, 충전 인덕터의 일단과 충전 커패시터의 타단 사이에 접속되고, 충전 커패시터에 에너지를 충전하기 위한 제1 충전 스위치, 충전 인덕터의 타단과 충전 커패시터의 일단을 연결하는 접속 노드와 접지 사이에 접속되고, 충전 인덕터에 에너지를 충전하기 위한 제2 충전 스위치, 충전 커패시터의 타단과 출력단 사이에 접속되고, 충전 인덕터 및 충전 커패시터에 충전된 에너지를 출력단으로 전달하기 위한 출력 스위치, 출력단과 접지 사이에 연결된 출력 커패시터, 및 출력단과 접지 사이에 접속된 출력 부하를 포함한다.

본 발명에 따르면, 충전 인덕터 양단의 전압 차이를 줄이고, 출력으로 전달되는 평균전류 대비 충전 인덕터의 첨두 전류를 줄여줌으써, 종래의 승압형 직류/직류 변환기에 비해 전체적인 효율이 향상될 수 있다.

혼합방식 승압형 직류/직류 변환기(hybrid type boost DC/DC converter), 첨두 전류(peak current), 제곱평균전류(RMS current)

Description

승압형 직류/직류 변환기{BOOST DC/DC CONVERTER}

본 발명은 승압형 직류/직류 변환기에 관한 것이다.

직류/직류 변환기는, 다양한 정보 전자 기기에 전기를 공급하는 필수적인 구성요소로서, 입력의 직류 전압을 부하가 원하는 전압으로 승압하거나 강압하여 출력하는 장치이다. 이러한 직류/직류 변환기에는 입력직류전원을 승압하기 위한 승압형 직류/직류 변환기, 입력직류전원을 강압하기 위한 강압형 직류/직류 변환기 그리고, 입력직류전원을 승압/강압하기 위한 승강압형 직류/직류 변환기 등이 있다.

도 1a는 종래의 승압형 직류/직류 변환기(100)를 나타낸 도면이다.

도 1a를 참조하면, 종래의 승압형 직류/직류 변환기(100)는 충전 인덕터(110), 충전 스위치(120), 출력 스위치(130), 출력 커패시터(140), 및 출력 부하(150)를 포함한다.

도 1b를 참조하여 도 1a에 도시된 종래의 승압형 직류/직류 변환기(100)의 구동방식을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 충전 스위치(120)가 턴 온되면, 충전 인덕터(110)는 입력단(Vin)의 입 력전압에 상응하는 에너지를 충전한다. 이때, 출력 스위치(130)는 턴 오프 상태를 유지한다.

다음, 충전 스위치(120)가 턴 오프되고, 출력 스위치(130)가 턴 온되면, 출력 스위치(130)를 통해 충전 인덕터(110)에 충전된 에너지가 출력단(Vout)으로 전달될 수 있다.

이와 같이, 종래의 승압형 직류/직류 변환기(100)는 충전 인덕터(110)를 사용하여 출력전압을 입력전압보다 높은 전압으로 만들어 줄 수 있다.

그러나 입력전압과 출력전압의 차이가 많이 커지게 되면, 충전 인덕터(110)의 첨두 전류(peak current)가 증가하게 되어, 변환기의 전체적인 효율이 감소하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 종래의 승압형 직류/직류 변환기 보다 출력단으로 전달되는 평균전류 대비 인덕터의 첨두 전류를 줄여 줌으로써, 전체적인 효율이 향상된 승압형 직류/직류 변환기를 제공함에 그 목적이 있다.

제1 충전 스위치, 제2 충전 스위치, 및 출력 스위치의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부를 더 포함하고,

제어부는,

제1 충전 스위치와 제2 충전 스위치가 동시에 턴 온/오프되도록 제어하기 위한 제1 제어신호를 출력하고,

출력 스위치의 동작을 제어하기 위한 제2 제어신호를 출력하고,

제1 제어신호와 제2 제어신호의 위상은 서로 반대이다.

제1 충전 스위치는,

전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET), 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 및 다이오드(diode) 중 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

제2 충전 스위치는,

전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) 및 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 중 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

출력 스위치는,

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 승압형 직류/직류 변환기는, 충전 인덕터 양단의 전압 차이를 줄이고, 출력으로 전달되는 평균전류 대비 충전 인덕터의 첨두 전류를 줄여줌으써, 종래의 승압형 직류/직류 변환기에 비해 전체적인 효율이 향상될 수 있다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 승압형 직류/직류 변환기에 대해 상세하게 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 승압형 직류/직류 변환기(200)를 나타낸 도면이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 승압형 직류/직류 변환기(200)는 충전 인덕터(210), 충전 커패시터(220), 제1 충전 스위치(230a), 제2 충전 스위치(230b), 출력 스위치(240), 출력 커패시터(250), 출력 부하(260), 및 제어부(270)를 포함한다.

[구성]

충전 인덕터(210)는 일단이 입력단(Vin)과 전기적으로 연결되고, 타단이 충전 커패시터(220)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다.

충전 커패시터(220)는 일단이 충전 인덕터(210)의 타단과 전기적으로 연결되고, 타단이 출력 스위치(240)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 충전 스위치(230a)는 제어신호에 따라 입력전압(Vin)에 상응하는 에너지가 충전 커패시터(220)에 충전되도록 스위칭 동작을 할 수 있다. 이를 위하여, 제1 충전 스위치(230a)는 충전 인덕터(210)의 일단과 충전 커패시터(220)의 타단 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제1 충전 스위치(230a)의 일단은 충전 인덕터(210)의 일단과 전기적으로 연결되고, 타단은 출력 커패시터(240)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한, 제1 충전 스위치(230a)는 MOSFET, BJT 및 DIODE 중 어느 하나를 포함하여 형성된 것일 수 있다.

제2 충전 스위치(230b)는 제어신호에 따라 입력전압(Vin)에 상응하는 에너지가 충전 인덕터(210)에 충전될 수 있도록 스위칭 동작을 할 수 있다. 이를 위하여, 충전 커패시터(220)는 접속 노드 A와 접지 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 여 기서, 접속 노드 A는 충전 인덕터(210)의 타단과 충전 스위치(240)의 일단 사이를 전기적으로 연결하는 노드를 의미할 수 있다. 이러한, 제2 충전 스위치(230b)는 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) 및 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT 중 하나를 포함하여 형성된 것일 수 있다.

출력 스위치(240)는 제어신호에 따라 충전 인덕터(210)와 충전 커패시터(220)에 충전된 에너지가 출력단(Vout)으로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 출력 스위치(240)는 충전 커패시터(220)의 타단과 출력단(Vout) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 출력 스위치(240)의 일단은 출력 커패시터(220)의 타단과 전기적으로 연결되고, 타단은 출력단(Vout)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한, 출력 스위치(240) 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET), 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 및 다이오드(diode) 중 하나를 포함하여 형성된 것일 수 있다.

출력 커패시터(250)와 출력 부하(260)는 출력단(Vout)과 접지 사이에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.

제어부(270)는 제1 충전 스위치(230a), 제2 충전 스위치(230b), 및 출력 스위치(240)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(270)는 제1 충전 스위치(230a)와 제2 충전 스위치(230b)가 동시에 턴 온/오프될 수 있도록 제1 제어신호를 출력할 수 있다. 또한, 출력 스위치(240)가 제1 충전 스위치(230a)와 제2 충전 스위치(230b)의 스위칭 동작과 반대의 동작이 이루어 질 수 있도록 제2 제어신호를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 제어신호와 제2 제어신호는 펄스 신호일 수 있으며 서로 위상이 반대이다.

[동작]

도 2b는 도 2a에 도시된 승압형 직류/직류 변환기(200)의 각 스위치로 인가되는 제어신호의 상태 및 본 발명의 일 실시예에 따른 직류/직류 변환기(200)에서의 인덕터 전류(Li2)와 종래의 승압형 직류/직류 변환기에서의 인덕터 전류(Li1)를 비교하여 나타낸 도면이다.

먼저, 승압형 직류/직류 변환기(200)의 제1 충전 스위치(230a)와 제2 충전 스위치(230b)에 각각 인가되는 제1 제어신호가 하이 레벨이 되면, 제1 충전 스위치(230a)와 제2 충전 스위치(230b)는 턴온 상태가 된다. 이에 따라, 충전 인덕터(210)와 충전 커패시터(220)에 각각 에너지가 충전된다.

이후, 제1 제어신호가 로우 레벨이 되면서, 출력 스위치(240)에 인가되는 제2 제어신호가 하이 레벨이 되면, 충전 인덕터(210)와 충전 커패시터(220)에 충전된 에너지는 출력 스위치(240)를 통하여 출력 커패시터(250)로 전달되며, 전달된 에너지는 출력 부하(260)에 의해 출력단(Vout)으로 출력될 수 있다.

이때, 충전 커패시터(220)의 양단의 전압 차는 일정하게 유지되게 되며, 이에 따라 충전 인덕터(210)의 양단의 전압 차는 도 1a에 도시된 종래의 변환기에서 충전 인덕터(110) 하나만을 사용했을 때와 비교하여 추가된 충전 커패시터(220)의 양단의 전압 차이만큼 줄어들게 된다.

따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 충전 인덕터(210) 양단의 전압 차로 결정되는 인덕터 전류(Li2)의 방전 기울기는, 종래의 인덕터 전류(Li1)의 방전 기울기 보다 완만해지게 되고 이로 인해, 평균전류 대비 첨두 전류는 종래의 승압형 변환기보다 줄어들 수 있게 된다. 이는 결국 승압형 변환기의 스위치 손실에 영향을 미치는 제곱평균전류(RMS current)를 기존보다 줄여줌으로써 변환기의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 종래의 승압형 직류/직류 변환기에서 에너지 전달 매체로서 충전 커패시터(220)를 추가 사용하고, 제1 충전 스위치(230a)와 충전 커패시터(220)를 이용하여, 충전 인덕터(210) 양단의 전압 차이를 줄이고, 출력으로 전달되는 평균전류 대비 충전 인덕터(210)의 첨두 전류를 줄여줌으로써, 종래의 승압형 직류/직류 변환기에 비해 전체적인 효율이 향상될 수 있다.

이상에서 보는 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1a는 종래의 승압형 직류/직류 변환기를 나타낸 도면.

도 1b는 도 1a에 도시된 승압형 직류/직류 변환기에 구성된 각 스위치에 인가되는 신호의 상태를 나타낸 도면.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 승압형 직류/직류 변환기를 나타낸 도면.

도 2b는 도 2a에 도시된 승압형 직류/직류 변환기의 각 스위치로 인가되는 신호의 상태, 및 본 발명의 일 실시예에 따른 직류/직류 변환기에서의 인덕터 전류와 종래의 승압형 직류/직류 변환기에서의 인덕터 전류를 비교하여 나타낸 도면.

********* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *********

210: 충전 인덕터

220: 충전 커패시터

230a: 제1 충전 스위치

230b: 제2 충전 스위치

240: 출력 스위치

250: 출력 커패시터

260: 출력 부하

270: 제어부

Claims

일단이 입력단과 접속된 충전 인덕터;

일단이 상기 충전 인덕터의 타단과 접속된 충전 커패시터;

상기 충전 인덕터의 일단과 상기 충전 커패시터의 타단 사이에 접속되고, 상기 충전 커패시터에 에너지를 충전하기 위한 제1 충전 스위치;

상기 충전 인덕터의 타단과 상기 충전 커패시터의 일단을 연결하는 접속 노드와 접지 사이에 접속되고, 상기 충전 인덕터에 에너지를 충전하기 위한 제2 충전 스위치;

상기 충전 커패시터의 타단과 출력단 사이에 접속되고, 상기 충전 인덕터 및 상기 충전 커패시터에 충전된 에너지를 상기 출력단으로 전달하기 위한 출력 스위치;

상기 출력단과 접지 사이에 연결된 출력 커패시터; 및

상기 출력단과 접지 사이에 접속된 출력 부하

를 포함하는 승압형 직류/직류 변환기.
제1항에 있어서,

상기 제1 충전 스위치, 상기 제2 충전 스위치, 및 상기 출력 스위치의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부를 더 포함하고,

상기 제어부는,

상기 제1 충전 스위치와 상기 제2 충전 스위치가 동시에 턴 온/오프되도록 제어하기 위한 제1 제어신호를 출력하고,

상기 출력 스위치의 동작을 제어하기 위한 제2 제어신호를 출력하고,

상기 제1 제어신호와 상기 제2 제어신호의 위상은 서로 반대인, 승압형 직류/직류 변환기.
제1항에 있어서,

상기 제1 충전 스위치는,

전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET), 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 및 다이오드(diode) 중 하나를 포함하는, 승압형 직류/직류 변환기.
제1항에 있어서,

상기 제2 충전 스위치는,

전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) 및 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 중 하나를 포함하는, 승압형 직류/직류 변환기.
제1항에 있어서,

상기 출력 스위치는,

전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET), 바이폴라 정션 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 및 다이오드(diode) 중 하나를 포함하는, 승압형 직류/직류 변환기.