직류 전원 변환기 ( DC-DC Converter )

직류 전원 변환기 ( DC-DC Converter )

: 임의의 직류 전원을 부하가 요구하는 형태의 직류 전원으로 변환시키는 전력변환기.
전력변환의 방식으로는크게  출력전압과 입력전압의 비를 이용하는 Duty Ratio 방식, 전력반도체 소자를 이용한 방식, 컨버터를 구성하는 방식이 있다.

모두 각기다른 특징을 지니지만 입력 전력과 출력 전력의 차이를 줄이는 것이 목표이다. 

DC-DC Converter 개념도

 

과도상태 : 전압 전류의 파형이 안정적이지 못하고 값이 변하고 있는 상태.

정상상태 : 전압 전류의 파형이 안정적인 상태.

 

듀티비 ( Duty Ratio )

: 스위치를 통해 전력의 차단, 공급을 반복함으로써 평균적인 전압을 조절하는 방식.

기본적인 형태의 DC-DC Converter와 해당 회로의 출력 전압과 전류 파형

 

$$V_{o}=\frac{1}{T}[DT \cdot V_{i}+(1-D)T\cdot 0]=DV_{i}, P_{o}=\frac{1}{T}[DT \cdot \frac{V^2_{i}}{R}+(1-D)T\cdot 0]=D \frac{V^2_{i}}{R}$$

 

MOSFET 스위치

: 기본적인 전력변환 스위치 중의 하나. 게이트 - 소스간 전압으로 드레인 전류룰 제어한다.

OFF 상태에서는 드레인 전류가 흐르지 않으며, ON 상태에서는 \(-I_{n}~I_p\)의 드레인 전류가 흐르며, 이때의 저항은 \(r_{ds(on)}\)이다. 
MOSFET에서 발생하는 손실의 양은 \(I^2_{d}r_{ds(on)}\)로 계산되며 손실 발생량이 적을수록 좋고 비싸다.

 

MOSFET의 전압 전류 특성 및 이상적 특성

다음은 MOSFET의 특징이다.

1. \(V_{gs}\)에 의해 ON/OFF 가 결정되는 전압제어 스위칭 소자이다.

2. 문턱 전압보다 높은 \(V_{gs}\)가 인가되어야 ON 상태이다.

3. 문턱 전압보다 낮은 \(V_{gs}\)가 인가되는 경우 OFF 상태이다.

4. 드레인 - 소스 간 견딜 수 있는 최대 전압인 정격 전압 이하의 전압이 인가되어야 한다. 

5. \(25^{\circ }C\)에서 드레인 - 소스 간 견딜 수 있는 최대연속전류인 정격 전류 이하에서 동작한다.

6. MOSFET이 ON 상태에서 드레인 - 소스 간의 저항인 ON 저항이 존재한다.

 

DC-DC Converter에서 다이오드의 사용 ( Use of DIODE in DC-DC Converter ) 

: DC-DC Converter의 경우 고속 주파수를 사용하므로 스위칭에 따른 손실이 많을 수 밖에 없다. 그러므로 스위칭 시의 손실을 줄이기 위한 방안으로 역회복 시간이 짧은 쇼트키 또는 SiC 다이오드를 사용한다.

DIODE의 전압 전류 특성 및 이상적 특성

 

필터의 동작

: DC-DC Converter의 경우 Ripple이 존재하는 경우가 많으므로 이를 줄여 평균전압과 순시 전압을 비슷하게 하기위해 필터를 사용한다. 대표적인 필터는 아래와 같이 동작한다.

 

각 필터의 출력은 아래와 같이 구할 수 있다.

LPF : \(V_{out}=\frac{\frac{1}{j\omega C}}{j\omega L + \frac{1}{j\omega C}}V_{in}\)

HPF : \(V_{out}=\frac{j\omega L}{j\omega L + \frac{1}{j\omega C}}V_{in}\)

BPF : \(V_{out}=\frac{\frac{1}{j\omega C_{2}}+j\omega L_{2}}{j\omega L_{1}+\frac{\frac{1}{j\omega C_{1}(\frac{1}{j\omega C_{2}+j\omega L_{2}})}}{\frac{1}{j\omega C_{1}}+\frac{1}{j\omega C_{2}}+j\omega L_{2}}}\frac{j\omega L_{2}}{j\omega L_{2} + \frac{1}{j\omega C_{2}}}V_{in}\)

 

입력 전압에 대한 출력 전압의 비의 절대값을 \(\left|G \right|\) 라고 하며 각 필터에 대한 그래프는 아래와 같다.

 

* 사진은 노의철, 정규범, 최남섭 공저, 문운당 출판사의 전력전자공학(제4판)에서 발췌하였습니다.