Buck 컨버터 기본구성 및 LPF 분석

안녕하세요

이번 시간에는 Buck 컨버터의 기본개념을 살펴보며

출력 측에 형성되어 있는 필터에 대한 분석을 진행하도록 하겠습니다.

 

1. Buck 컨버터 개요

Buck 컨버터는 직류 전압을 사용하고자 하는 출력 전압으로 강압하는 전력변환장치 입니다.

따라서 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 얻고자 할 때 사용하게 됩니다.

일상생활에서 Buck 컨버터는 

자동차 센서 구동전압 등에 사용되며 

차량용 배터리(12V 등)에서 Buck 컨버터를 사용하여 센서 구동전압(5V 3V 등)으로 강압하는 데 사용됩니다.

 

Buck컨버터의 기본 회로 구성은 다음과 같습니다.

buck 컨버터 기본회로

입력 전압과 스위치, 다이오드와 인덕터 커패시터, 부하로 구성되며

스위치의 온/ 오프에 따라 출력 전압이 제어됩니다.

2. 저역 통과 필터 (LPF)

출력 측에 있는 L과 C는 Low pass filter의 특징을 가지고 있습니다.

buck 컨버터 기본회로

전원에 포함된 불필요한 교류 성분을 제거하며

저주파 성분은 통과되고 고주파 성분은 차단하는 동작을 하게 됩니다.

이러한 필터는 저역 통과 필터 (LPF)라고 하며

이러한 특징을 가지는 이유는 

인덕터의 특성으로 고주파에서는 임피던스 값이 증가하기 때문에 통과가 어려워지고

커패시터의 특성으로 저주파에서 임피던스 값이 증가하여 저주파 통과가 어려워집니다.

따라서 입력 전원이 L을 통과하면서 고주파가 제거되고

그나마 남아있는 고주파 성분은 커패시터를 통해 GND로 빠지게 되면서 

부하 측에는 고주파 성분이 제거되는 효과를 가질 수 있습니다.

3. Voltage-Second 밸런스

Buck 컨버터의 동 분석에 앞서서 Voltage-Second 밸런스를 다시 한번 살펴보고 가겠습니다.

정상상태에서 인덕터의 한 주기 동안 유입된 자속과 유출된 자속이 동일하며

정상상태에서 인덕터 양단 전압의 평균값은 0입니다.

정상상태에서의 인덕터 전류 전압

Buck 컨버터에서

on 동작시 인덕터 전압의 면적 = off 동작시 인덕터 전압의 면적과 동일하기 때문에 아래 식처럼 표현할 수 있습니다.

따라서 전압 전달비 Gv는 입력 전압과 출력 전압의 비율이기 때문에 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

여기서 D는 듀티를 의미하며

듀티는 스위치의 전체 주기중 on 시간을 나타내는 용어입니다.

따라서 

듀티 0 일 때는 Gv가 최솟값이 되며

듀티 1 일 때는 Gv가 최댓값을 가지게 됩니다.

buck 컨버터의 스위치 on 시간을 조절함에 따라 출력 전압 제어가 가능하게 됩니다.

전압전달비와 듀티비의 관계 그래프

 

이렇게 이번 시간에는 Buck 컨버터의 기본 개념을 살펴보는 시간을 가졌습니다.

다음 시간에는 Buck 컨버터의 CCM 동작에 대하여 공부하는 시간을 가지도록 하겠습니다.

감사합니다.