5DC-DC 장 컨버터 5-1 전력변환의기본원리cfs8.blog.daum.net/upload_control/download.blog?fhandle... · 2015. 1. 21. · 5DC-DC장 컨버터 5-1전력변환의기본원리

장 컨버터5 DC-DC

전력변환의 기본원리5-1

컨버터 임의의 직류전원을 부하가 요구하는 형태의 직류전원으로 변환시키는DC-DC• ➜전력변환장치로 라고도 한다DC Chopper .

응용분야 전원장치: Switching Regulator,•휴대기기의 충전장치 정보통신기기 컴퓨터 등의 직류 정전압 전원장치( , ,모든 전자기기에는 반드시 전원장치가 들어있다.)➜

전원으로부터 안정된 직류전압을 얻는 방법AC■가지 방식 방식 방식- 2 Linear Regulator , Switching Regulator➜

방식Linear Regulator①입력전압을 일종의 가변저항에 의해 가변시켜 일정한 전압을 얻는 방법➜여기서 가변저항이란 저항기뿐 만 아니라 트랜지스터나 기타 여러 를 사용한 회로( , , IC까지 포함시킨 등가적인 가변저항을 말한다.)종류- : Series Regulator, Shunt Regulator

예 단자) 3 Regulator

트랜지스터를 활성영역에서 동작하여 필요한 출력전압을 얻는다- .전력손실이 커서 효율이 정도로 낮다 미만에서 주로 사용30~60% . (20W .)➜

입출력사이의 전기적 절연을 위해서는 큰 저주파 변압기가 요구된다- (60Hz) .

방식Switching Regulator②

스위치 반도체 소자 를 함으로서 원하는 출력전압을 얻는다- ( ) On, Off .

평균출력전압을 제어하는 방법 펄스폭 변조 스위칭(PWM : Pulse Width Modulation)➜일정주파수 즉 일정 스위칭 주기( ,➜ 로 스위칭) 하고 스위칭 온기간 과 오프기간 을조정하여 출력전압의 평균값을 제어

시비율 또는 통류율(Duty ratio)➜ 를 변동시킴으로써 평균출력전압을 원하는 값으로제어할 수 있다.

방식으로 제어시 출력전압PWM• 의 평균값

장점 효율이 정도로 높다 필요로 하는 변압기의 크기가 작아진다- : 70~90% . .단점 고주파 스위칭에 의해 가 발생된다- : EMI(Electro-Magnetic Interference) .

컨버터의 구성DC-DC■전력 반도체 스위치 커패시터 인덕터 변압기로, , ,➜구성.전력 반도체 스위치 입출력 간에 전달되는- :

에너지 제어 기능 수행커패시터 인덕터 에너지 전달의 매개체- , : ,

출력 전압 및 전류의 리플을제거하는 필터 역할(Filter)

변압기 입출력 간 전압 이득 조절과 절연 제공- : (Isolation)

컨버터의 종류DC-DC■입출력 전압 관계-Step-down : Buck Converter①Step-up : Boost Converter②Step-down/up : Buck-Boost, Cuk Converter③

전력의 흐름에 따른 분류-전압 전류 상class A : (+) (+) 1 Chopper①전압 전류 상class B : (+) (-) 1 Chopper②전압 전류 상class C : (+) (+,-) 2 Chopper③전압 전류 상class D : (+,-) (+) 2 Chopper④전압 전류 상class E : (+,-) (+,-) 4 Chopper⑤

컨버터5-2 BUCK ➜ 강압 컨버터, Step-down Converter

동작원리5-2-1

• 컨버터Buck➜ 기본회로의 출력에 의 저역통과L-C 필터

가 부착되어 출력전압과 전류의(Low-pass Filter)리플을 제거하도록 한 회로이다.

• 평균출력전압 제어 방법 제어: PWM➜ 일정 스위칭 주기 에서 스위치의 온기간 을제어하여 평균출력전압을 제어

• 평균출력전압 와 직류입력전압 와의 관계

여기서, 스위칭 주기: ,: 시비율 통류율, (Duty ratio)

• 전압전달비 :

- Duty ratio 를 까지 조절함으로써 출력전압을0~10~ 까지 조절할 수 있다.

컨버터의 평균출력전압은 직류입력전압- Buck보다 낮기 때문에 강압 컨버터라고 한다.

정상상태 해석5-2-2

이상적인 인덕터 에 흐르는 전류 일정 커패시터 의 전압 일정 정상상태에서- L-C filter : L , C ( )실제 의 전류 의 전압에 이 포함된다- L-C filter : L , C Ripple .

실제 의 경우 정상상태 해석을 살펴본다- L-C filter .

중요 기본 원리* ↓

* “정상상태에서 스위칭 한주기 동안 인덕터 전류의 변화량은 영이다.”The Principle of inductor volt-second balance➜

→

이러한 사실로부터 컨버터의 입출력전압관계를 알 수 있다.➜* “정상상태에서 스위칭 한주기 동안 커패시터 전압의 변화량은 영이다.”The Principle of capacitor amp-second balance or capacitor charge balance➜

→

인덕터 전류[1]① 스위치 ON : 전류 상승구간➜• 인덕터 전압

➜ 전류 증가:

• 인덕터 전류 : 에서 최소에서 최대

➜

• 전류 변화량 전류리플( )

② 스위치 OFF : 전류 하강구간➜• 인덕터 전압

➜ 전류 감소:

• 인덕터 전류 : 에서 최대에서 최소

➜

• 전류 변화량 전류리플( )

(1)

∗ 정상상태에서 인덕터 전류의 증가 감소량은 같다, .

➜ ➜ 입출력 전압관계식:

▶ 인덕터 전류

정상상태에서 커패시터 전류의 평균값즉 커패시터 전압의 증가 감소분은 같다( , , .)

➜ (2)➜ 인덕터 전류의 평균값 부하전류=

인덕터 전류- 의 평균값

➜ (3)

식 과 으로 부터(1) (2), (3)

최대 인덕터 전류- :

최소 인덕터 전류- :

➜ 으로 하여 인덕터 전류의 불연속에 대한 값을 구할 수 있다= 0 L .

출력 전압의 리플성분[2]커패시터 전류는 인덕터 전류- 의교류성분이다.

➜

출력 전압의 리플성분은 부하와는 관계없이 결정된다.➜주어진➜ 조건에 대해 커패시터 의 용량을 결정하는데 사용된다C .

실제적인 구성5-2-3• 스위치 스위칭 주파수를 크게할 수 있는➜

반도체 소자 로 구현(MOSFET)최대 스위치 전압- :최대 스위치 전류- :

• 다이오드가 추가됨최대 다이오드 전압- :최대 다이오드 전류- :

전류 불연속 모드5-2-4인덕터 전류가 불연속이면• 입출력 전압 관계는 부하에 따라 달라지고 비선형이 된다.

전류 리플- ( )부하와는 관계없다.➜

부하가 증가되면 출력 직류 전류는-감소되나 리플 크기는 변함없다.출력 전류가 감소되어 출력 평균 직류 전류 이 되면 인덕터 전류가 불연속이 된다.

인덕터 전류 불연속 조건•

< 0

➜ 이면 전류 불연속특정부하에서 인덕터 전류 연속을 위한 최소 값을 구할 수 있다L .➜

■ 인덕터 전류 불연속 시 입출력 전압 관계Principle of inductor volt-second balance•

입출력 전압 관계 :➜

• 계산

-

➜

➜

-

➜➜

➜ ,

*부하에 따라 달라진다Nonlinear, .➜

컨버터5-3 Boost

동작원리5-3-1컨버터는 직류 입력전압보다 컨버터의 평균출력전압이 더 크기 때문에Boost•

승압 컨버터(Step-up Converter) 라고 한다.

컨버터 회로Boost•컨버터에서 스위치와 다이오드 위치를Buck➜

바꾸고 인덕터를 전원 측으로 배치한 회로

입출력 전압 관계■ 식 인덕터 전압으로부터 유도:가정 가 매우 커서 의 전류와 의 전압은 일정 리플이 없다- : L, C L C ( .)

① 스위치 동안On (DT ) 인덕터에 에너지 축적:

- 인덕터 전압 :다이오드 역전압( off)➜

② 스위치 동안Off ([1-D]T ) 인덕터에 축적된:에너지는 입력전원과 함께 부하에 전달

- 인덕터 전압 :스위치 역전압( )

정상상태에서 인덕터 전압의 한주기 평균값• = 0

➜

전압전달비 :•

➜ 를 변경시킴에 따라 이론적으로 출력전압을 에서까지 제어 가능

실제적으로는 인덕터 및 스위치의 손실로 배( 3~4정도까지 가능)

정상상태 해석5-3-2입출력 전압 관계 인덕터 전류로부터 유도:■

의 전류 의 전압에 이 포함된 경우의 정상상태 해석 가정 인덕터 전류 연속- L , C Ripple ( : )[1] 인덕터 전류

① 스위치 ON : 구간

• 인덕터 전압

전류 증가➜• 인덕터 전류 : 에서 최소

에서 최대

➜

스위치 동안 전류 변화량 전류 리플On ( ) :•

② 스위치 OFF :

• 인덕터 전압

전류 감소➜

• 인덕터 전류 : 에서 최대에서 최소

➜

스위치 동안 전류 변화량 전류리플Off ( ) :•

스위칭 한주기 동안 인덕터 전류■ 의 증가 감소량은 같다, .

➜ 입출력 전압 관계식:

• 인덕터 전류 입력전류=

인덕터 전류- 의 평균값

➜ 입력전류의 평균값=

최대 인덕터 전류-

최소 인덕터 전류- :

입력전류 인덕터 전류 와 출력전류와의 관계( )•

컨버터의 평균 입력 전력 평균 출력 전력- = ➜

➜ 입력 인덕터 전류는 출력 부하 전류보다 크다: ( ) ( ) .요구되는 의 용량이 크다( L .)

최대 스위치 및 다이오드 전류 :• ,

[2] 출력 전압의 리플성분

출력전류의 평균값- 은 다이오드 전류의평균값이다

➜

출력 전압의 리플성분은 부하에 영향을 받는다.➜

전류 불연속 모드5-2-4인덕터 전류가 불연속이면 입출력 전압 관계가 부하에 따라 달라진다.•

불연속시에는➜ 관계가 성립하지 않는다.최소 인덕터 전류 이면 불연속구간이< 0•존재한다.경부하에서 인덕터 전류의 리플이 큰➜경우에 인덕터 전류는 불연속이 된다.

< 0

인덕터 전류가 연속이기 위한 최소 인덕터의 값- :

불연속 인덕터 전류시 입출력 전압 관계■* Principle of inductor volt-second balance

= 0

입출력 전압 관계 :➜• 계산

-

이므로

➜ = ➜

➜

* ,➜ 부하에 따라 입출력 전압 관계가 달라진다.

• 장점 변압기 없이 전압을 높일 수 있다: .입력전류가 연속이다.

단점 스위치의 전류가 크다 인덕터 전류 입력전류 가 부하전류보다 크다: . ( ) .•컨버터 보다 커패시터와 인덕터 용량이 크다Buck .➜

컨버터5-4 Buck-Boost Step-down/up Converter➜

동작원리5-4-1컨버터Buck-Boost•

컨버터의 회로에서 과 다이오드Buck L➜위치를 바꾼 회로이다.

⋆ 컨버터와는 달리Buck, Boost Buck-Boost컨버터에서는 출력전압의 극성은음 으로 입력전원과 반대이다(Negative) .

입출력 전압관계 인덕터 전압으로부터 유도:■

가정 가 매우 커서 의 전류와 의 전압( ) L, C L C 는 일정.① 스위치 On :

인덕터에 에너지 축적.➜

• 인덕터 전압 :다이오드 역전압Off ( :• )

② 스위치 Off :인덕터에 축적된 에너지는 다이오드를➜통해 부하에 전달.

• 인덕터 전압 :다이오드 On• • 스위치 역전압정상상태에서 인덕터 전압의 스위칭 한주기 평균값■ = 0

➜

➜ 를 변경시킴에 따라 출력전압을 이론적으로 에서0까지 제어할 수 있다.

- 평균출력전압> 0.5 : 입력전압>- 평균출력전압< 0.5 : 입력전압<

정상상태 해석5-4-2입출력 전압관계 인덕터 전류로부터 유도:■

의 전류 의 전압에 이 포함된 경우- L , C Ripple .인덕터 전류[1]

① 스위치 ON :

• 인덕터 전압 :

전류 증가➜

• 인덕터 전류 : 에서 최소에서 최대

➜

전류 변화량 전류리플( ) :•

② 스위치 OFF :

• 인덕터 전압 :

전류 감소➜

• 인덕터 전류 : 에서 최대에서 최소

➜

전류 변화량 전류리플( ) :•

■ 정상상태에서 스위칭 한주기 동안 인덕터 전류 의 증가 감소분은 같다, .

➜ ➜ 입출력 관계식:

파형•

인덕터 전류▶

인덕터 평균 전류 :• , 에서는 같다(Buck )또한 스위치 전류 입력전류( ) ,

컨버터에서 평균입력 전력 평균출력 전력 이므로“ = ”➜➜ 인덕터 전류는 부하전류보다 크다: .

최대 인덕터 전류- :

최소 인덕터 전류- :

출력 전압의 리플성분[2]와 동일( Boost converter )➜

( )

출력전류의 평균값은 다이오드 전류의➜평균값이다.

전류 불연속 모드5-2-4

인덕터 전류가 불연속이면 입출력*전압 관계가 부하에 따라 달라진다.

➜ 관계 성립하지 않음

인덕터 전류가 연속이기 위한 최소 인덕터 값■

< 0

➜ 와 동일( Boost converter )➜불연속 인덕터 전류시 입출력 전압 관계■

* Principle of inductor volt-second balance

= 0

입출력 전압 관계 :➜

• 계산

➜ 이므로

➜

∴ ,

부하에 따라 달라진다.➜

특징 입력특성은 불연속전류 과 같고 출력특성은 불연속전류 와 같다: Buck( ) , Boost( ) .•스위치 전류가 크다.

컨버터5-5 Cuk Step-down/up Converter➜동작원리5-5-1

컨버터처럼 출력전압의Buck-Boost•극성은 음 으로 입력전원과(Negative)반대이다.

• 커패시터가 인덕터와 함께 에너지 전달역할을 한다.

입출력 전압 관계 인덕터 전압으로부터 유도:■

가정 가 매우 커서 의 전류와 의 전압은 일정( ) L, C L C .의 전압 은 , 보다 크다 즉,➜

① 스위치 On :

- 의 전압 에 의해 다이오드 Off.다이오드 역전압( = )

- 인덕터 L1 전압전류 증가➜

인덕터( L1에 에너지 축적)

- 인덕터 L2 전압> 0

➜ 이므로 전류 증가( 는 방전, L2 전류 는 증가,즉, 의 에너지가 와 부하에전달된다.)

스위치 전류- :

② 스위치 Off :- 인덕터 L1 전압

< 0➜ 이므로 전류 감소( L1과 전원의 에너지가에 전달되어 은 충전)

- 인덕터 L2 전압전류 감소➜

( 의 에너지가 부하에 전달된다.)

다이오드 전류- :스위치 역전압- =

에너지 전달과정 전원:• ➜ ➜ ➜ 부하➜

정상상태에서 인덕터* L1 전압의 평균값 = 0

➜ ----- ①

정상상태에서 인덕터* L2 전압의 평균값 = 0➜ ----- ②

과 에서 입출력 전압 관계 :■ ① ② 와 동일( Buck-Boost .)➜

정상상태 해석5-5-2

의 전류 의 전압에 이 포함된 경우의 입출력 전압관계 인덕터 전류로부터 유도L , C Ripple :■

인덕터[1] L1 전류 입력전류➜① 스위치 On ( )

• 인덕터 L1 전압 :

➜ 전류 증가➜

• 인덕터 L1 전류 : 에서 최소에서 최대

➜• 전류 변화량 전류리플( )

② 스위치 OFF ( )

• 인덕터 L1 전압 :

➜ 전류 감소➜

• 인덕터 L1 전류 : 에서 최대에서 최소

➜• 전류 변화량 전류리플( )

정상상태에서 인덕터 전류• 의 증가 감소분은 같다, .

➜ ----------- ③입력특성은 와 유사하다( Boost .)

인덕터[2] L2 전류 출력 부하 전류( )➜① 스위치 ON :

• 인덕터 L2 전압

➜ 전류 증가➜

• 인덕터 L2 전류 : 에서 최소에서 최대

➜• 전류 변화량 전류리플( )

② 스위치 OFF :

• 인덕터 L2 전압 :

➜ 전류 감소:

• 인덕터 L2 전류 : 에서 최대에서 최소

➜• 전류 변화량 전류리플( )

정상상태에서 인덕터 전류• 의 증가 감소분은 같다, .

➜ -------------- ④출력특성은 와 유사하다( Boost .)

과 에서 입출력 전압 관계 :③ ④

■ 인덕터 L1의 전류 입력전류(= )

• 인덕터 전류 의 평균값

➜

➜

인덕터- L1의 최대 전류 :인덕터- L1의 최소 전류 :

인덕터 L■ 2의 전류• 인덕터 전류 의 평균값

출력전류의 평균값(= )

인덕터- L2의 최대 전류 :인덕터- L2의 최소 전류 :

[3] 커패시터 의 리플전압

커패시터• 의 전류스위치 시- On :스위치 시- Off :

[4] 출력 커패시터( 의 리플전압)

커패시터• 의 전류➜ 전류의 리플성분임,즉

출력 전압의 리플성분은 컨버터와 같다Buck .➜

장점 : L• 1의 전류 입력 전류 가 언제나 거의 연속이다 낮은 스위칭 손실 효율이 좋다( ) . , .단점 스위치의 전류가 크다 큰 용량의: . C• 1이 필요하다 부가적인 과 가 요구된다. L C .특징 입력특성은 연속전류 와 같고 출력특성은 연속전류 과 같다: Boost( ) , Buck( ) .•