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KR20190136294A - Ｄｃ-ｄｃ 변환 장치 - Google Patents

Ｄｃ-ｄｃ 변환 장치 Download PDF

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KR20190136294A
KR20190136294A KR1020180061815A KR20180061815A KR20190136294A KR 20190136294 A KR20190136294 A KR 20190136294A KR 1020180061815 A KR1020180061815 A KR 1020180061815A KR 20180061815 A KR20180061815 A KR 20180061815A KR 20190136294 A KR20190136294 A KR 20190136294A
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switch
diode
series
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이나영
최재동
장진백
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 DC-DC 변환 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 DC-DC 변환 장치는 입력 전원과 출력 사이에 직렬 연결된 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 포함하는 입력 인덕터부, 서로 자기적으로 연결된 제3 인덕터 및 제4 인덕터를 포함하는 변압부, 제3 인덕터에 직렬 연결되는 제1 스위치와 제4 인덕터에 직렬 연결되는 제2 스위치를 포함하는 스위칭부, 제2 인덕터에 직렬 연결되는 제1 다이오드, 제3 인덕터에 병렬 연결되는 제2 다이오드, 제4 인덕터에 병렬 연결되는 제3 다이오드, 그리고 제2 인덕터와 제1 다이오드의 접점과 입력 전원의 음극 사이에 직렬 연결된 제1 커패시터 및 제3 스위치를 포함한다. 본 발명에 의하면 DC-DC 컨버터의 출력 전류 리플을 억제할 수 있다. 또한 출력 전류 리플을 저감함으로써 출력 필터 크기를 저감할 수 있어 DC-DC 컨버터의 부피 저감이 가능하다. 또한 출력 다이오드 전압 내압 조건의 감소를 통해 효율 면에서 더 좋은 사양을 가지는 다이오드의 사용을 가능케 하고 이를 통해 얻는 효율 상승의 이점을 통해 방열 설계 시 부피 저감이 가능한 장점이 있다.

Description

ＤＣ-ＤＣ 변환 장치{DC to DC Converting Apparatus}
본 발명은 DC-DC 변환 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 출력 전류 리플을 저감할 수 있는 DC-DC 변환 장치에 관한 것이다.
종래 궤도 위성의 PCU(Power Control Unit)에 사용되는 BDR(Blocking Discharge Regulator) 컨버터는 부스트에서 파생된 푸시-풀(push-pull) 방식의 토폴로지 구조를 가진다.
BDR 컨버터는 입력 인덕터, 교번 동작하는 스위치 및 다이오드, 변압기, 출력 필터, 출력 커패시터 등으로 구성되는 DC-DC 컨버터를 이용할 수 있다. 그런데 이러한 궤도 위성용 PCU의 BDR 컨버터의 수명은 구성 부품 중에서 수명이 가장 짧은 출력 커패시터에 의해 결정되는데, 출력 커패시터에 흐르는 전류의 크기가 클수록 BDR 컨버터의 수명이 감소한다.
출력 커패시터에 흐르는 전류를 최소화하기 위해서 보다 큰 출력 필터의 사용을 고려할 수 있으나, 이는 위성의 무게, 크기, 성능 면에서 부담이 될수 밖에 없다.
따라서 DC-DC 컨버터인 PCU의 BDR 컨버터에서 출력 전류의 RMS 값을 줄여 출력 커패시터의 수명을 늘리고, 출력 필터 크기는 줄일 수 있는 DC-DC 변환 장치에 대한 필요성이 증대되고 있다.
한국등록특허 제10-1214381호(공고일자: 2012년 12월 21일)
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 출력 커패시터 수명을 길게 가져가고 출력 전류의 RMS 값을 줄여 출력 커패시터의 수명을 늘리고, 출력 필터 크기는 줄일 수 있는 DC-DC 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치는 입력 전원과 출력 사이에 직렬 연결된 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 포함하는 입력 인덕터부, 서로 자기적으로 연결된 제3 인덕터 및 제4 인덕터를 포함하는 변압부, 상기 제3 인덕터에 직렬 연결되는 제1 스위치와 상기 제4 인덕터에 직렬 연결되는 제2 스위치를 포함하는 스위칭부, 상기 제2 인덕터에 직렬 연결되는 제1 다이오드, 상기 제3 인덕터에 병렬 연결되는 제2 다이오드, 상기 제4 인덕터에 병렬 연결되는 제3 다이오드, 그리고 상기 제2 인덕터와 상기 제1 다이오드의 접점과 상기 입력 전원의 음극 사이에 직렬 연결된 제1 커패시터 및 제3 스위치를 포함한다.
상기 제1 다이오드의 양극에 상기 제2 인덕터의 일단과 상기 제1 캐피시터의 일단이 연결되고, 상기 제2 다이오드의 양극에 상기 제3 인덕터의 일단과 제1 스위치의 일단이 연결되며, 상기 제3 다이오드의 양극에 상기 제4 인덕터의 일단과 제2 스위치의 일단이 연결될 수 있다.
상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치가 동작하다 턴-오프되면, 상기 제3 스위치가 턴-온되어 동작할 수 있다.
상기 제3 스위치는 출력 전류가 '0'이 되기 전에 턴-오프될 수 있다.
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 교번하여 스위칭 동작할 수 있다.
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 제1 다이오드를 통해 전류 경로가 형성될 수 있다.
상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터의 접점과 상기 제3 인덕터 및 상기 제4 인덕터의 접점이 연결될 수 있다.
본 발명에 의하면 출력 전류의 하강시간을 빠르게 하여 출력 전류의 RMS 값을 줄임으로써, 출력 커패시터의 수명을 종래보다 길게 가져갈 수 있고, 출력 필터 크기도 기존 보다 줄일 수 있는 DC-DC 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한 출력 다이오드 전압 내압 조건의 감소를 통해 효율 면에서 더 좋은 사양을 가지는 다이오드의 사용을 가능케 하고 이를 통해 얻는 효율 상승의 이점을 통해 방열 설계 시 부피 저감이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1의 DC-DC 변환 장치의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 3의 DC-DC 변환 장치의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 DC-DC 변환 장치의 등가 모델이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치를 나타낸 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치는 입력 인덕터부(110), 변압부(120), 스위칭부(130), 제1 내지 제3 다이오드(D2, D3), 필터부(140) 및 출력 커패시터(Co)를 포함할 수 있으며, 입력 전원(Vs)의 전압을 승압하여 부하(Ro) 측으로 출력할 수 있다.
입력 인덕터부(110)는 입력 전원(Vs)과 부하(Ro) 사이에 직렬 연결된 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)는 자기적으로 연결될 수 있다. 입력 인덕터부(110)는 기생 인덕턱스 성분(Llkg1)을 포함할 수 있다.
변압부(120)는 서로 자기적으로 연결된 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)를 포함하고, 기생 인덕턱스 성분(Llkgm)을 포함할 수 있다.
제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)의 접점과 제3 인덕터(L3) 및 제4 인덕터(L4)의 접점이 연결될 수 있다.
제1 다이오드(D1)는 입력 인덕터부(110)에 직렬 연결될 수 있다. 보다 자세하게는 제1 다이오드(D1)의 양극(anode)은 제2 인덕터(L2)의 일단에 연결되고, 제1 다이오드(D1)의 음극(cathode)은 출력에 연결된다.
제2 다이오드(D2)와 제3 다이오드(D3)는 각각 제3 인덕터(L3)와 제4 인덕터(L4)에 병렬 연결된다.
제2 다이오드(D2)의 양극에 제3 인덕터(L3)의 일단과 제1 스위치(Q1)의 일단이 연결된다. 그리고 제3 다이오드(D3)의 양극에 제4 인덕터(L4)의 일단과 제2 스위치(Q2)의 일단이 연결된다.
스위칭부(130)는 제3 인덕터(L3)에 직렬 연결되는 제1 스위치(Q1)와 제4 인덕터(L4)에 직렬 연결되는 제2 스위치(Q2)를 포함한다.
제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)는 FET(Field Effect Transistor), 사이리스터(Thyristor) 등으로 구현할 수 있다.
필터부(140)는 인덕터(Lf2)와 커패시터(Cf2)로 구현되어, 부하(Ro)에 고주파 성분이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치는 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)에 스위칭 제어 신호를 인가하여 스위칭 동작을 제어하는 제어부(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)는 스위칭 제어 신호 수신에 대응하여 스위칭 동작하는데, 서로 교번하여 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복할 수 있다. 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 동시에 턴-온되는 구간이 존재하지 않도록 한다.
스위칭 제어 신호가 인가되어 제1 스위치(Q1)가 턴-온되면, 제3 인덕터(L3)로 인가되는 전류에 의해 제4 인덕터(L4)에 유도 전류가 발생하고, 발생된 유도 전류는 제3 다이오드(D3)를 통해 흐르게 된다.
한편 스위칭 제어 신호가 인가되어 제2 스위치(Q2)가 턴-온되면, 제4 인덕터(L4)로 인가되는 전류에 의해 제3 인덕터(L3)에 유도 전류가 발생하고, 발생된 유도 전류는 제2 다이오드(D2)를 통해 흐르게 된다.
그리고 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 모두 턴-오프 상태일 때, 제1 다이오드(D1)를 통해 전류 경로가 형성되어, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 쪽으로 전류가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 모두 턴-오프 상태일 때, 제1 다이오드(D1)를 통해 전류 경로가 형성되어, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 쪽으로 전류가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1의 DC-DC 변환 장치의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 스위칭부(130)의 도통 구간(제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 턴-온 되는 구간)(M1,M2,M5,M6)에서는 제1 스위치(Q1), 제2 스위치(Q2), 제2 다이오드(D2) 및 제3 다이오드(D3)에 부하 전류(ILOAD)가 흐르게 된다. 그리고 스위칭부(130)의 차단 구간(제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 턴-오프 되는 구간)(M3,M4,M7,M8)에서는 제1 다이오드(D1)에 부하 전류(ILOAD)가 흐르게 된다.
이상적인 경우 부하 전류(ILOAD)는 일정하고, 출력 커패시터(Co)에는 제1 인덕터(L1)의 전류 리플과 부하 전류(ILOAD)의 차이에 해당하는 전류(ICO)만 흐르게 된다.
도 1의 DC-DC 변환 장치에서, 제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 턴-온된 직후와 턴-오프된 직후 기생 인덕턴스 성분(Llkg1, Llkgm)으로 인해 다이오드(D1, D2, D3)의 전류 교차 구간(M1, M3, M5, M7)이 존재한다. 제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 턴-온된 직후 발생하는 전류 교차 구간(M1, M5)에서는 제2 다이오드(D2) 및 제3 다이오드(D3)에 부하 전류(ILOAD)가 나눠 흐른다. 그리고 제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 턴-오프된 직후 발생하는 전류 교차 구간(M3, M7)에서는 제2 다이오드(D2) 및 제3 다이오드(D3)에 부하 전류(ILOAD)가 나눠 흐르고, 제1 다이오드(D1)에 부하 전류(ILOAD)가 추가로 흐르기 때문에 출력 전류(IO)가 ILOAD에서 2ILOAD로 증가하는 전류 스파이크(spike) 현상이 발생하게 된다. 이 구간은 기생인덕턴스에 흐르는 전류의 크기가 2ILOAD에서 ILOAD로 감소하는 동안 지속된다.
전류 교차 구간(M3, M7)은 기생 인덕턴스의 전류가 (VO-VS)/(Llkg1+Llkgm)으로 감소하는 것으로 미뤄 볼 때 입력전압이 클 때 전류 스파이크의 양이 최대로 증가하게 된다. 따라서, 높은 입력 전압에서 전류 스파이크를 고려하게 되면 도 1의 DC-DC 변환 장치에서는 매우 큰 출력 필터 설계가 요구된다.
이상적일 때 제1 다이오드(D1)는 제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 턴-온될 때 차단되고, 이때 전압 내압은 입력 전압(VS)으로 일정하게 유지된다. 그런데 기생 성분을 고려하면, 제1 다이오드(D1)는 제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 턴-온될 때 차단되고, 이 때 기생 인덕턴스 성분과 제1 다이오드(D1)의 기생 커패시터가 공진하며, 제1 다이오드(D1)의 전압 스트레스는 입력 전압(Vs)의 2배로 증가하게 된다.
따라서 제1 다이오드(D1)의 설계 시 입력 전압의 2배보다 큰 내압을 갖는 소자를 선정해야 하는데, 다이오드의 내압이 큰 소자일수록 순방향 전압 강하가 큰 특성이 있다. 따라서, 제1 다이오드(D1)의 높은 전압 스트레스를 고려한 소자 선정으로 인해 제1 다이오드(D1)의 도통 손실이 크게 발생한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3을 참고하면, 도 3의 DC-DC 변환 장치는 도 1의 DC-DC 변환 장치에 예시된 구성 요소를 동일하게 포함하고, 추가로 DC-DC 변환 장치의 양극과 음극 사이를 직렬로 연결하는 제1 커패시터(CA) 및 제3 스위치(QA)를 포함한다.
제1 커패시터(CA)는 제1 다이오드(D1)의 양극과 제2 인덕터(L2)의 접접에 일단이 연결되고, 타단은 제3 스위치(QA)에 연결될 수 있다.
제3 스위치(QA)는 일단은 제1 커패시터(CA)에 연결되고, 타단은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환 장치의 음극에 연결될 수 있다. 제3 스위치(QA)는 FET(Field Effect Transistor), 사이리스터(Thyristor) 등으로 구현할 수 있다.
제1 다이오드(D1)의 양극에 제2 인덕터(L2)의 일단과 제1 커패시터(CA)의 일단이 연결될 수 있다.
제어부는 도 1의 실시예에서와 마찬가지로, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)를 서로 교번하여 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복하도록 제어할 수 있다. 그리고 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)가 동시에 턴-온되는 구간이 존재하지 않도록 한다.
제어부는 도 1의 DC-DC 변환 장치에서 발생하는 출력 전류의 스파이크 구간을 감소시키기 위해서, 스위칭 제어 신호를 인가하여 제3 스위치(QA)를 다음과 같이 동작하도록 제어할 수 있다.
제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 동작하다 턴-오프되면 제3 스위치(QA)가 턴-온되어 동작하도록 하고, 출력 전류(Io)가 '0'이 되기 전이나 '0'이 될 때에 제3 스위치(QA)가 턴-오프되게 제어할 수 있다. 이를 위해 제어부는 제1 스위치(Q1) 또는 제2 스위치(Q2)가 동작하다 턴-오프되는 시점부터 미리 정해진 시간 동안 제3 스위치(QA)가 턴-온되었다가 턴-오프되게 스위칭 제어 신호를 인가하도록 미리 설정될 수 있다.
도 4는 도 3의 DC-DC 변환 장치의 동작 파형을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3의 DC-DC 변환 장치에서 제1 다이오드의 전압 감소 방식을 설명하기 위해 제공되는 등가 모델이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 제3 스위치(QA)가 턴-온되는 구간(M3, M7)에는 DC-DC 변환 장치의 기생 인덕턴스에 흐르는 전류의 기울기가 Vo/(Llkg1+Llkgm)이 된다. 따라서, 기생 인덕턴스에 흐르는 전류가 2ILOAD에서 ILOAD로 감소하는 시간이 입력 전압(Vs)과 무관하게 출력 전압(Vo)에 의해서만 결정될 뿐만 아니라 그 구간(M3, M7)의 크기가 도 1의 DC-DC 변환 장치보다 매우 크게 감소한다.
도 3의 DC-DC 변환 장치는 제3 스위치(QA)의 도통을 통해 감소시킨 전류 교차구간을 통해 출력 전류 스파이크가 감소하는 이득을 볼 수 있다.
한편 제1 다이오드(D1)의 차단 직후, 제1 다이오드(D1)의 전압이 VO-VCA를 초과하게 되면 제3 스위치(QA)의 기생 다이오드가 도통된다. 따라서, 제1 다이오드(D1)의 전압은 VO-VCA 이하로 일정하게 유지될 뿐만 아니라, 제1 다이오드(D1)의 공진 에너지가 제3 스위치(QA)를 통해 출력으로 전달되기 때문에 별도의 스너빙 손실이 없다. 이때 커패시터(CA)의 전압(VCA)은 제1 스위치(Q1) 혹은 제2 스위치(Q2)가 턴-오프된 직후 턴-온되는 제3 스위치(QA)의 도통 시간에 비례해 증가하게 되며, 전압(VCA)을 VO-VS으로 일정하게 유지할 경우 제1 다이오드(D1)의 전압 스트레스는 이상적일 때의 제1 다이오드(D1)의 전압 스트레스와 같은 VS까지 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 입력 전원과 출력 사이에 직렬 연결된 제1 인덕터 및 제2 인덕터를 포함하는 입력 인덕터부,
    서로 자기적으로 연결된 제3 인덕터 및 제4 인덕터를 포함하는 변압부,
    상기 제3 인덕터에 직렬 연결되는 제1 스위치와 상기 제4 인덕터에 직렬 연결되는 제2 스위치를 포함하는 스위칭부,
    상기 제2 인덕터에 직렬 연결되는 제1 다이오드,
    상기 제3 인덕터에 병렬 연결되는 제2 다이오드,
    상기 제4 인덕터에 병렬 연결되는 제3 다이오드, 그리고
    상기 제2 인덕터와 상기 제1 다이오드의 접점과 상기 입력 전원의 음극 사이에 직렬 연결된 제1 커패시터 및 제3 스위치
    를 포함하는 DC-DC 변환 장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 제1 다이오드의 양극에 상기 제2 인덕터의 일단과 상기 제1 캐피시터의 일단이 연결되고,
    상기 제2 다이오드의 양극에 상기 제3 인덕터의 일단과 제1 스위치의 일단이 연결되며,
    상기 제3 다이오드의 양극에 상기 제4 인덕터의 일단과 제2 스위치의 일단이 연결되는 DC-DC 변환 장치.
  3. 제 2 항에서,
    상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치가 동작하다 턴-오프되면, 상기 제3 스위치가 턴-온되어 동작하는 DC-DC 변환 장치.
  4. 제 3 항에서,
    상기 제3 스위치는,
    출력 전류가 '0'이 되기 전에 턴-오프되는 DC-DC 변환 장치.
  5. 제 1 항에서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 교번하여 스위칭 동작하는 DC-DC 변환 장치.
  6. 제 1 항에서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴-오프 상태일 때, 상기 제1 다이오드를 통해 전류 경로가 형성되는 DC-DC 변환 장치.
  7. 제 1 항에서,
    상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터의 접점과 상기 제3 인덕터 및 상기 제4 인덕터의 접점이 연결되는 DC-DC 변환 장치.
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