지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL ) Intelligent Power Conversion Laboratory

제 5 장 DC-DC 컨버터 제 5 장 DC-DC 컨버터

• 전력변환의 기본원리

• Buck 컨버터

• Boost 컨버터

• Buck-Boost 컨버터

• Forward 컨버터

• Flyback 컨버터

Forward Converter Forward Converter

1 : n₁

i T

D nv nv

v n

1 1 1 2

1 2

1 N

N

=

=

=

0<t<DT : S on

v_s=0 v_T1=V_i v_T2=n₁v_T1

v_T2>0 à D₁ on, D₂ off à v_D2=n₁v_T1=n₁V_i : L charge DT<t<T : S off

D₁ off, D₂ on à D2 freewheeling, L discharge

Buck 컨버터

변압기 : voltage step-up

전기적인 절연 (isolation) 변압기

Forward converter = Isolated Buck 컨버터

변압기의 1차측 전압과 필터 전단의 전압 : 이상적인 변압기 경우

변압기의 1차측 전압과 필터 전단의 전압 : 이상적인 변압기 경우

Buck Forward converter G_v = D G_v=n₁D

변압기 등가회로 : 자화 인덕터 변압기 등가회로 : 자화 인덕터

변압기 : Magnetizing inductor (L_M) 고려 S가 off일 때 L_M에 흐르는 전류 path가 필요함

à 3 winding transformer N₁ : primary winding N₂ : 2ndary winding

N₃ : 3^rd winding for flux reset

Ideal transformer

1 : n₁

변압기 : Magnetizing inductor (L_M) 고려

V₁ V₂

I₁ I₂

V₁ : V₂ = 1 : n₁ I₁ : I₂ = n₁ : 1 Ideal transformer I_M

1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1

N n N N I N N I

V N

V = = =

Forward 컨버터의 실제적인 구성 Forward 컨버터의 실제적인 구성

1 3 3 1

2

1 n

n N

N N

N =

L_M :변압기 Magnetizing inductor = 3 winding transformer

N₁ : primary winding N₂ : 2ndary winding

N₃ : 3^rd (auxiliary) winding for flux reset i_M : 자화 인덕터 전류 (magnetizing current)

Forward 컨버터의 등가회로 Forward 컨버터의 등가회로

S on (0<t<DT)

S off, D₃ on (DT<t<t_M)

S off, D₃ off (t_M<t<T)

자화 인덕터 전류 i _M

(전류상승구간: I _L 은 일정하다고 가정) 자화 인덕터 전류 i _M

(전류상승구간: I _L 은 일정하다고 가정)

DT t <

£ 0

L t i V

M i M =

M i

MAX L

DT I = V

iL

n

i₁ = ₁ t

L i V n i

M i L s = ₁ + S on (0<t<DT)

v₁=V_i=v₃/n₃

à v_D3=V_i+n₃v₁=(1+n₃)V₁ 로D₃ reverse bias àoff v₂=n₁V_i

S on, D₁ on, L charge D₂ off, D₃ off

+ v_D3 -

자화 인덕터 전류 i _M

(전류하강구간: I _L 은 일정하다고 가정) 자화 인덕터 전류 i _M

(전류하강구간: I _L 은 일정하다고 가정)

tM

t DT £ <

) 1 (

3

DT n t

V I L

i ⁱ

M MAX

M = - · · -

S off, D₃ on (DT<t<t_M)

S off, v₃=-V_i, v₁=-V_i/n₃, v_D3=V_i+v₃=0 à on v₂=n₁v₁=n₁(-V_i)/n₃à D₁ off

L discharge & D₂ on for freewheeling action L_M에 저장된 에너지는 D₃와 N₃ 권선을 통해 입력 전원으로 discharge (회생: regeneration)

i i

i

s V

n n

V V

v 1 )

1 (

3 3

+

= +

= + v_D3 -

자화 인덕터 전류 i _M

(영전류구간: I _L 은 일정하다고 가정) 자화 인덕터 전류 i _M

(영전류구간: I _L 은 일정하다고 가정)

T t t_M £ <

S off, D₃ off (t_M<t<T)

i_M=0, v_s=V_i v₁=v₂=v₃=0 D₁, D₃ off

D₂ freewheeling & L discharge

자화 인덕터 전류 평형조건 자화 인덕터 전류 평형조건

DT n DT

n DT

L DT V V

L DT n

V I L DT n

t

M i i

M i

MAX M M

) 1

( ₃

3

3 3

+

= +

=

+

= +

=

3

max 1

1 D n

= +

i_M의 평형조건

t_M : i_M=0이 되는 시간 (flux가 reset 되 는 시간)

t_M 최대치 = T일 때 D=D_max n₃=1이면 D_max=0.5

If t_M>T, i_M의 지속적 증가 à 변압기 포화 문제점 D_max 를 줄이기 위해서 n₃ 감소 à 전류 하강구간에서 v_s=V_i+V_i/n₃ 이므로 스위치 S의 내압 고려

)) 1 (

1 (

3 3

3

3 t DT

n V I L

n n

i i ⁱ

M MAX

M = - -

=

M i

M MAX

M t DT DT t t

n V I L

i = - 1 · · ( - ) < <

3

인덕터 평균전류 I _L

인덕터 평균전류 I _L

인덕터 전류 i _L (전류상승구간) 인덕터 전류 i _L (전류상승구간)

DT t <

£ 0

L v V n dt

di_{L 1 i} - ₀

= ^{1 0} t I_min

L V V

i_L n ⁱ - +

=

o i

L nV v

v = ₁ -

인덕터 전류 (전류하강구간) 인덕터 전류 (전류하강구간)

max 0 (t DT) I L

i_L -V - +

=

R I V I_L = ₀ = ⁰

L T D I V

I _L

2 ) 1

0(

max

+ -

=

L T D I V

I _L

2 ) 1

0(

min

- -

=

o

L V

v =-

I

=I

,

n turn Buck

1 1

0

즉

계산 주어 고려해 만

비 컨버터에서

리플전압을 DVi

n V =

커패시터 리플 전압 커패시터 리플 전압

) 8 1 (

2 2

2 1 1

min max

min max

0

I T C I

T I

I v C

× -

=

÷ × ø ç ö

è

æ -

= D

DT L D

n V

L T D I V

I

i × - ×

=

×

= - -

) 1 (

) 1 (

1 0 min max

8 ) 1 (

1 ₁ ²

0

T D DV

n

v LC ⁱ - ×

= D

Buck 컨버터의 커패시터 리플전압 8

) 1 (

1 ²

0

T D D V

v LC ⁱ - ×

= D

Flyback 컨버터 Flyback 컨버터

Flyback converter = Isolated transformer + Buck-boost 컨버터

1 2

1 N

n = N

절연특성을 무시한 Flyback 컨버터 절연특성을 무시한 Flyback 컨버터

n₁=1 일때 절연특성을 무시한 경우의 flyback 컨버터 à Buck-boost 컨버터와 동작원리 같음 Magnetizing inductance L_M이 buck-boost converter의 inductor L 역활을 한다.

à 회로소자 L 생략 à more compact converter

S on : L_M에 energy charge by V_i, D off

S off : L_M discharge to C, D on for freewheeling

1 2

1 N

n = N

스위칭 동작에 따른 각부의 파형 스위칭 동작에 따른 각부의 파형

S on (0<t<DT)

S off, D on (DT<t<T)

Negative polarity

자화 인덕터 전류 i _M

자화 인덕터 전류 i _M

M i S

i

in VI DVI

P = =

R D

V n D R

I V V

P ⁱ

× -

= ×

=

= ₂

2 1 2

0 0 0

0 (1 )

) (

) 1 ( ) 1 ( )

1 (

0 1 0

1 2

2 1

D I n D

R V n D

R

DV I_M n ⁱ

= - -

= × -

= × DT

L I V

I

M i

M + ×

= 2

max DT

L I V

I

M i

M - ×

= 2

min

D I I_M n ^O

= - 1

1

D I I_S = _M ×

) 1

1

( D I n I

I

M O D

-

=

= 0<t<DT i_M 상승: i_S=i_M

DT<t<T i_M 하강:

i_D=i_M/n₁

P_i=P_o

자화 인덕터 전류 (전류상승구간) 자화 인덕터 전류 (전류상승구간)

DT t <

£ 0

M i M

L V dt

di = DT

L I V

I i

M i

M = - = ·

D _{max min} S on (0<t<DT)

S on : v₁=V_i, v₂=-n₁V_i < 0 à D off L_M에 charge

입력 V와 출력 부하 R 의 분리 àC가 부하공급

Negative polarity

자화 인덕터 전류 (전류하강구간) 자화 인덕터 전류 (전류하강구간)

T t DT £ <

(

)

n i V

M o

M = -

D ¹ 1

M M

L n V dt

di - ₀ / ₁

=

S off, D on (DT<t<T)

S off

1) turn-off 순간에 i_M은 감소하기 시작하며, v₁의 극성이 바뀐다 : v₁ < 0

2) v₂=-n₁v₁ > 0에 의하여 v₂ 극성이 바뀌며 v₂ > V_o인 순간에 D on à v₂=V_o로 clamp 됨 3) L_M discharge to C directly

4) v_s=V_i-v₁=V_i+V_o/n₁ à 스위치 S 내압 고려

1 1

2

1 n

V n

v v - ^o

- =

=

커패시터 전압 v _O 커패시터 전압 v _O

R i₀ = v⁰

R I V i₀ » ₀ = ⁰

I0

i i_C = _D -

) / 1 (

1

0 0

0 DT V R

I C C DT

v = × × = × ×

D

스위치 S on구간 동안 커패시터가 전부하를 공급한다.

i_D=i_C+i_O

DC-DC 컨버터의 종류 및 특성

DC-DC 컨버터의 종류 및 특성