DC-DC 컨버터 기본 원리

안녕하세요

이번 시간부터는 DC-DC 컨버터의 기본 원리를 공부해보며

DC-DC 컨버터 토폴로지를 하나하나 살펴보도록 하겠습니다.

 

1. 정의

DC-DC 컨버터는

입력되는 직류전압을 부하가 필요로 하는 직류전압으로 변환하기 위해 사용되는 전력 변환장치입니다.

즉 입력 : DC / 출력 : DC입니다.

 

2. 기본 구성

DC-DC 컨버터는

전력반도체 스위치와 커패시터, 인덕터로 구성되며

토폴로지에 따라 변압기가 추가된 경우도 존재합니다.

변압기가 추가된 토폴로지는 절연형 DC-DC 컨버터로 따로 명칭 하게 되고

변압기가 없는 토폴로지는 비절연형 DC-DC 컨버터로 명칭 합니다.

 

인덕터와 커패시터는 에너지를 전달하는 매개 역할을 하며

출력 전압의 불필요한 리플 성분을 제거하기 위한 필터 역할을 담당하기도 합니다.

DC-DC 컨버터 개념도

3. 기본 회로의 동작

DC-DC 컨버터에서 사용되는 전력반도체 스위치를 이용하여 출력 전압 제어가 가능합니다.

다음 그림은 전력 반도체 소자를 스위치 개념으로 나타낸 개념도로

스위치가 b와 c에 연결되는 시간에 따라 출력 전압이 결정되게 됩니다.

기본적인 DC-DC 컨버터

스위치의 연결 시간에 따라 평균 출력 전압식을 도출하면 다음과 같습니다

여기서 DT : 스위치가 B에 붙어있는 시간이거나 전력반도체 스위치가 On 되어있는 시간입니다.

(1-D) T는 스위치가 C에 붙어있는 시간이거나 전력반도체 스위치가 Off 되어있는 시간을 나타냅니다.

출력전압 및 출력전류 파형

평균 출력 전력은

평균 출력 전압으로 출력 측에 전달되는 전력을 나타내며 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

4. 전력반도체 스위치

DC-DC 컨버터를 구성하는 전력반도체 스위치에서

많이 사용하는  MOSFET의 기본 구조를 살펴보겠습니다.

다음 시간에 배우는 컨버터 토폴로지에는 MOSFET 구성으로 토폴로지 해석을 진행하도록 하겠습니다.

 

MOSFET는

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor로 

G(gate), D(drain), S(source)로 핀이 구성되어 있습니다.

MOSFET 회로기호

MOSFET의 특징을 간단하게 살펴보면

VGS의 크기로 드레인 전류 Id의 흐름을 제어할 수 있으며

G와 S 단 의 전압 VGS에 의하여 온/오프 제어가 가능한 전압 제어 스위칭 소자입니다.

VGS > Vth 이상의 전압이 인가되면 스위치가 온 되며

VGS < Vth일 때는 스위치가 오프 됩니다.

따라서 Vth (문턱전압) : MOSFET가 동작할 수 있는 최소 전압을 기준으로

스위치를 턴온/턴오프 제어가 가능합니다.

 

또 다른 특징으로는 On동작시 양방향 전류 도통이 가능하며

Off 동작시 형성된 채널로 인하여 S에서 D로 전류 도통이 가능합니다.

MOSFET의 반도체 물성을 깊게 다루게 되면 알 수 있겠지만

기본적으로 역 병렬 다이오드를 가지고 있기 때문에 S에서 D로 전류 도통이 가능합니다.

MOSFET의 전압-전류 특성 및 이상적인 특성

이렇게 오늘은 DC-DC 컨버터의 기본개념을 살펴봤습니다.

다음 시간에는 DC-DC 컨버터 토폴로지 중 첫 번째 토폴로지인 Buck 컨버터에 대하여 

공부하는 시간을 가지도록 하겠습니다.

감사합니다.