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KR102005881B1 - Dc-dc 변환 시스템 - Google Patents

Dc-dc 변환 시스템 Download PDF

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KR102005881B1
KR102005881B1 KR1020170164334A KR20170164334A KR102005881B1 KR 102005881 B1 KR102005881 B1 KR 102005881B1 KR 1020170164334 A KR1020170164334 A KR 1020170164334A KR 20170164334 A KR20170164334 A KR 20170164334A KR 102005881 B1 KR102005881 B1 KR 102005881B1
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Abstract

DC-DC 변환 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템은, 입력과 출력 사이에 서로 자기적으로 연결되는 제1 및 제2 인덕터, 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위치 및 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 병렬로 연결되는 제1 다이오드와 제3 스위치, 및 제2 다이오드와 제4 스위치를 포함하고, 상기 제3 및 제4 스위칭는 각각 상기 제2 및 제1 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 된다.

Description

DC-DC 변환 시스템{DC to DC Converting System}
본 발명은 DC-DC 변환 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템에 관한 것이다.
궤도위성의 PCU에 사용되는 BDR은 Solar Array와 ASR을 통해 전력을 공급받아 배터리 전력 충전, 방전 및 버스 전력 충전을 하는 Non-Isolation DC-DC 컨버터이다.
이러한 DC-DC 컨버터는 출력전류 리플이 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 극복하기 위해서 출력전류에 비해 큰 용량과, 큰 사이즈, 더 긴 수명의 버스 커패시터를 적용할 수 있으나, 이는 위성의 무게, 크기, 성능면에서 부담이 될 수 밖에 없다.
또한, 지상에서 배터리 시험 및 운용을 위해 사용하는 배터리 충방전기에서도 해당 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있으며, 배터리 성능, 수명 등을 위해 큰 출력전류 리플을 억제해야할 필요성이 있다.
본 발명은 Non-Isolation DC-DC 컨버터의 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템은, 입력과 출력 사이에 서로 자기적으로 연결되는 제1 및 제2 인덕터, 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 스위치 및 상기 한 쌍의 인덕터 각각에 병렬로 연결되는 제1 다이오드와 제3 스위치, 및 제2 다이오드와 제4 스위치를 포함하고, 상기 제3 및 제4 스위칭는 각각 상기 제2 및 제1 스위치의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 된다.
또한, 상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 및 제4 인덕터 및 상기 제4 인덕터에 직렬로 연결되는 제3 다이오드를 더 포함할 수 있고, 상기 제3 및 제4 인덕터는 서로 자기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 제3 다이오드를 통해 전류 경로가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치는 서로 교번하여 스위칭 동작할 수 있고, 상기 제1 및 제2 스위치는 50% 미만의 듀티비(duty ratio)를 가질 수 있다.
또한, 상기 제3 및 제4 스위치는 FET(Field Effect Transistor)이고, 상기 FET의 게이트 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치가 턴-온 상태일 때, 상기 제1 인덕터를 통해 흐르는 전류의 변화가 상기 제2 인덕터에 유도 전류를 생성할 수 있다.
본 발명은 Non-Isolation DC-DC 컨버터의 출력전류 리플을 억제할 수 있는 DC-DC 변환 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 출력전류 리플이 발생하는 경우의 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 출력전류 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은, 입력과 출력 사이에 배치되는 한 쌍의 인덕터를 포함한다. 상기 한 쌍의 인덕터는 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)는 서로 자기적으로 연결된다. 그리고, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 각각 직렬로 연결되는 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 포함되고, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 각각 병렬로 연결되는 제3 스위치(Q3) 제4 스위치(Q4)가 포함된다.
그리고, DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제3 스위치(Q3)에 직렬로 연결되는 제1 다이오드(D1), 상기 제4 스위치(Q4)에 직렬로 연결되는 제2 다이오드(D2)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 스위치 제어 신호 수신에 대응하여 스위칭 동작하는데, 서로 교번하여 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복할 수 있다. 한편, 상기 스위치 제어 신호는 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 동시에 턴-온 되는 구간이 존재하지 않도록 한다.
상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제1 스위치(Q1)가 턴-온 되면, 상기 제1 인덕터(L1)로 인가되는 전류에 의해 상기 제2 인덕터(L2)에 유도 전류가 발생하고 상기 전류는 상기 제3 스위치(Q3)를 통해 흐르게 된다.
마찬가지로, 상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제2 스위치(Q2)가 턴-온 되면, 상기 제2 인덕터(L2)로 인가되는 전류에 의해 상기 제1 인덕터(L1)에 유도 전류가 발생하고 상기 전류는 상기 제4 스위치(Q4)를 통해 흐르게 된다.
한편, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 입력과 출력 사이에 직렬로 연결되는 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4), 그리고 상기 제4 인덕터(L4)에 직렬로 연결되는 제3 다이오드(D3)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제3 및 제4 인덕터(L3, L4)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 서로 자기적으로 연결된다. 따라서, 상기 제3 인덕터(L3)에 흐르는 전류에 의하여 상기 제4 인덕터(L4)에 유도 전류가 발생한다.
상기 제3 및 제4 인덕터(L3, L4)와 상기 제3 다이오드(D3)는 상기 입력과 출력 사이에 전류 경로를 형성하므로 상기 스위치 제어 신호에 의해 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 모두 턴-오프 되면, 상기 제3 다이오드(D3)를 통해 전류가 흐르게 되어 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2) 쪽으로 전류가 유입되는 것을 방지한다.
따라서, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 교번하여 스위칭 할 때와, 모두 턴-오프 되었을 때 각각 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4) 또는 상기 제3 다이오드(D3)를 통해 전류를 출력쪽으로 도통하게 하여 출력전류가 연속적으로 흐르는 특성을 갖게 한다.
한편, 상기 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)에 의해 형성되는 트랜스포머(T1)의 기생 인덕턴스에 의해 상기 제1 스위치(Q1)가 턴-오프 되고 상기 제4 스위치(Q4)를 통해 흐르던 전류가 감소할 때 상기 제3 스위치(Q3) 출력 쪽과 순간적으로 연결되어 상기 제4 스위치(Q4)와 같은 전류가 도통하게 되고, 이는 출력전류에 추가되어 리플이 발생할 수 있다. 그리고, 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)이 없이 전류 경로가 다이오드로만 구성될 때에는 다이오드의 junction 커패시터에 의해 더 큰 리플이 발생할 수 있다.
이와 같이 출력전류 리플이 발생하는 것을 억제하기 위하여, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)는 각각 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 턴-온 구간에 대응하는 구간에서 턴-온 되도록 한다. 즉, 상기 제1 스위치(Q1)가 턴-온 되는 구간에서 상기 제3 스위치(Q3)가 턴-온 되고, 상기 제2 스위치(Q2)가 턴-온 되는 구간에서 상기 제4 스위치(Q4)가 턴-온 된다.
이때, 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)는 FET(Field Effect Transistor)일 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에서 DC-DC 변환 시스템(10)은 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 게이트 제어를 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 50% 미만의 듀티비(duty ratio)를 가질 수 있는데, 예컨대, 상기 듀티비는 40% 일 수 있고 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)가 모두 턴-오프 되는 20% 의 구간에서는 상기 게이트 제어 신호가 공급되지 않는다.
도 2는 출력전류 리플이 발생하는 경우의 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2(a)는 도 1을 참조로 하여 설명한 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)에 공급되는 게이트 신호를 나타내며, 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)는 모두 50% 미만의 듀티비를 갖게 되며, 서로 동일한 듀티비를 가질 수 있다.
도 2(b)는 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)를 도통하는 전류의 파형을 나타내며, 도 2(c)는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 도통하는 전류의 파형을 나타내는데, 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)가 연결되지 않는 경우의 파형으로 이해할 수 있다. 이러한 경우, 도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같이, 트랜스포머(T1)의 기생 인덕턴스와 다이오드의 junction 커패시터에 의해 스파이크(spike) 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. (t5~t6 구간 참조)
마지막으로, 도 2(d)는 입력 전류(Iin)와 출력 전류(Iout)의 파형을 나타내는데, 도 2(c)를 통해 확인한 스파이크 전류에 의해 출려 전류(Iout)의 리플이 발생하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 출력전류의 리플을 억제하기 위해 상기 제3 및 제4 스위치(Q3, Q4)의 스위칭 타이밍을 각각 상기 제1 및 제2 스위치(Q1, Q2)의 스위칭 타이밍에 동기화시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 시스템의 출력전류 파형을 예시적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3(b)를 참조하면, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 모두 턴-오프 되는 구간에서는 제3 다이오드(D3)를 통해서만 전류가 검출되는 것을 알 수 있고, 도 2(c)에서와 같은 스파이크 전류가 발생하지 않는다.
따라서, 도 3(a)에 도시되는 바와 같이, 출력 전류(Iout)에 리플이 최대한 억제되는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)은 출력전류 리플을 억제하여 출력 커패시터(도 1의 C)의 수명이 비정상적으로 감소하는 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 출력 커패시터는 위성의 전원 공급원이 되는 점을 고려하면 본 발명에 따른 DC-DC 변환 시스템(10)을 적용함으로써 위성의 기대 수명을 충분히 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: DC-DC 변환 시스템

Claims (9)

  1. 입력 단자와 출력 단자 사이의 제1 노드와 접지 사이에 연결되고, 서로 자기적으로 결합되는 제1 인덕터와 제2 인덕터를 포함하는 제1 트랜스포머;
    상기 제1 노드와 상기 접지 사이에서 상기 제1 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 스위치;
    상기 제1 노드와 상기 접지 사이에서 상기 제2 인덕터와 직렬로 연결되는 제2 스위치;
    상기 제2 인덕터와 상기 제2 스위치 사이의 제2 노드와 상기 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 제1 다이오드와 제3 스위치; 및
    상기 제1 인덕터와 상기 제1 스위치 사이의 제3 노드와 상기 출력 단자 사이에 직렬로 연결되는 제2 다이오드와 제4 스위치를 포함하고,
    상기 제3 스위치는 상기 제1 스위치가 턴-온될 때 턴-온되고 상기 제1 스위치가 턴-오프될 때 턴-오프되도록 상기 제1 스위치와 동일하게 제어되고,
    상기 제4 스위치는 상기 제2 스위치가 턴-온될 때 턴-온되고 상기 제2 스위치가 턴-오프될 때 턴-오프되도록 상기 제2 스위치와 동일하게 제어되며,
    상기 제1 스위치가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 전환할 때, 상기 제1 인덕터에 흐르던 전류가 상기 제2 다이오드를 통해 상기 출력 단자에 스파이크 전류로 발생하는 것을 방지하기 위해, 턴-오프되도록 제어되는 상기 제4 스위치에 의해 상기 제2 다이오드를 통한 전류 경로가 차단되고,
    상기 제2 스위치가 턴-온 상태에서 턴-오프 상태로 전환할 때, 상기 제2 인덕터에 흐르던 전류가 상기 제1 다이오드를 통해 상기 출력 단자에 스파이크 전류로 발생하는 것을 방지하기 위해, 턴-오프되도록 제어되는 상기 제3 스위치에 의해 상기 제1 다이오드를 통한 전류 경로가 차단되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 연결되고, 서로 자기적으로 결합되는 제3 인덕터와 제4 인덕터를 포함하는 제2 트랜스포머; 및
    상기 제4 인덕터에 연결되는 애노드 전극과 상기 출력 단자에 연결되는 캐소드 전극을 갖는 제3 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제3 인덕터는 상기 입력 단자와 상기 제1 노드 사이에 연결되고, 상기 제4 인덕터는 상기 제1 노드와 상기 제3 다이오드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치가 모두 턴-오프되는 구간에 상기 제3 다이오드를 통해 출력 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 서로 교대로 턴-온되되, 상기 제1 스위치가 턴-온될 때 상기 제2 스위치는 턴-오프되고, 상기 제2 스위치가 턴-온될 때 상기 제1 스위치는 턴-오프되고, 상기 제1 및 제2 스위치가 모두 턴-오프되는 구간을 갖는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 서로 동일한 듀티비(duty ratio)로 교대로 턴-온되며, 상기 듀티비는 50% 미만인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이오드는 상기 제2 노드에 연결되는 애노드 전극과 상기 출력 단자에 연결되는 캐소드 전극을 갖고,
    상기 제2 다이오드는 상기 제3 노드에 연결되는 애노드 전극과 상기 출력 단자에 연결되는 캐소드 전극을 갖고,
    상기 제3 스위치는 상기 제2 노드와 상기 제1 다이오드의 사이 또는 상기 제1 다이오드와 상기 출력 단자 사이에 위치하고,
    상기 제4 스위치는 상기 제3 노드와 상기 제2 다이오드의 사이 또는 상기 제2 다이오드와 상기 출력 단자 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 스위치는 게이트 전극에 수신되는 제1 제어 신호에 의해 제어되는 제1 FET(Field Effect Transistor)이고,
    상기 제4 스위치는 게이트 전극에 수신되는 제2 제어 신호에 의해 제어되는 제2 FET(Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 제어 신호를 상기 제1 FET의 상기 게이트 전극에 출력하고, 상기 제2 제어 신호를 상기 제2 FET의 상기 게이트 전극에 출력하도록 구성되는 제어부를 더 포함하는 DC-DC 변환 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 제1 제어 신호에 응답하여 상기 제1 FET와 동일하게 제어되고,
    상기 제1 스위치는 상기 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제2 FET와 동일하게 제어되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 변환 시스템.
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