DC/DC 컨버터의 기생성분

안녕하십니까

이번 시간에는 지난 시간까지 배운 DC/DC 컨버터에 존재하는 기생성분에 살펴보며

Buck converter에서 확인할 수 있는 기생성분에 공부하도록 하겠습니다.

 

1. 기생 성분

기생성분은 회로 내에 소자를 추가하지 않았지만 자연적으로 생기는 성분을 의미합니다.

기생 저항, 기생 커패시터, 기생 인덕터 등 이상적인 조건에서는 0으로 생각하지만

실제 회로에서는 무조건적으로 존재하게 됩니다.

눈에 보이지 않지만 회로 내 존재하는 기생 저항과 기생 인덕턴스 성분, 기생 커패시터 성분이

실제 설계 값에 영향을 미치게 되고 요구하는 조건을 만족시키기 위해 많은 방해요소로 작용하게 되어 

기생성분을 줄이는데 많은 노력이 필요합니다.

 

2. Buck converter에서의 기생성분

Buck converter에서의 기생성분은 크게 3가지로

"인덕터 저항 (r_L), 다이오드 순방향 전압 강하 (V_D), 스위치의 온(도통)손실 (r_Q) 등이 있습니다.

인덕터 저항 (r_L)

: 인덕터에 존재하는 저항 값으로 인덕터 전류의 리플을 무시하고 평균값만을 고려합니다.

회로 내 인덕터 저항은 다음 그림과 같이 표현합니다.

Buck converter 인덕터 저항

인덕터 저항에 걸리는 전압 V_r은 다음과 같습니다

인덕터에서 Voltage seccond 밸런스 조건을 대입하면 다음과 같습니다.

이에 전압 전달비를 도출하면 다음과 같고

rL이 이상적이라면 Buck 컨버터의 전압전달비와 같음을 확인할 수 있습니다.

다음 그림은 이상적인 전압전달비와 r_L의 값에 따른 입출력 전압비를 나타내는 그래프입니다.

인덕터 저항을 고려한 입출력 전압전달비

따라서 이상적인 인덕터로 계산하였을 때와 기생성분이 존재하였을 때를 비교하면

저항성분으로 인하여 전달되는 전압이 감소됨을 확인할 수 있습니다.

 

다이오드 순방향 전압강하 (V_D)

: 이상적인 다이오드에서는 전압강하가 발생하지 않지만 실제 다이오드에서는 전압강하가 발생합니다.

따라서 다이오드를 사용함에 따라 전압강하 발생을 필수로 확인하여야 합니다.

다음 그림은 Buck 컨버터에서 다이오드의 on과 off 상태일 때 나타나는 다이오드 전압강하는 표현한 그림입니다.

다이오드가 off 인 경우 buck 컨버터의 회로는 다음과 같습니다.

Buck converter diode off

Bcuk 컨버터의 스위치 off로 입력단과 분리 될 때 다이오드는 on 동작을 하며 이때 다이오드의 전압강하가 발생합니다.

다이오드 on 동작에 따른 전압강하를 표현한 등가회로는 다음과 같습니다.

Buck converter diode on

buck 컨버터 스위치 off에 따른 다이오드 on동작을 아직 모르시는 분은 다음 글을 참고 바랍니다.

2022.06.08 - [전력전자/전력전자기초] - Buck 컨버터 CCM 분석

Buck 컨버터 CCM 분석

따라서 인덕터에서 발생하는 Voltage second 밸런스 조건을 적용시키면 다음과 같고

이를 출력전압으로 정리하면 다음과 같습니다.

따라서 출력전압이 다이오드 전압강하에 영향을 받게 됨을 확인할 수 있으며

다이오드에 의해서 요구되는 출력전압보다 낮게 출력될 수 있습니다.

또한 원하지 않던 다이오드 전압강하 발생으로 효율이 저하되는 특징이 있으며

수식을 통해 확인할 수 있습니다.

스위치 온(도통) 저항 (r_Q)

: 전력용 반도체 스위치의 구조에 의하여 반도체 내부에 저항성분이 존재합니다.

따라서 스위치의 온, 오프에 따라 저항성분이 보이게 될 때와 보이지 않을 때가 발생하여

저항에 전압이 인가되기 때문에 효율 저항에 영향을 끼치게 됩니다.

 

다음은 스위치의 on과 off에 따른 기생 스위치 저항을 나타냅니다.

스위치 off 시 스위치 양단에는 전류가 도통하지 않으며 off이므로 기생 저항이 나타나지 않습니다. 

하지만 스위치 on 동작 시 다음 그림과 같은 형태로 스위치 저항이 나타나게 되며 V_Q의 값으로 전압이 인가됩니다.

 

buck converter switch on

따라서 인덕터의 전류 리플값을 무시하고 평균값만을 고려하여

Voltage second 밸런스를 적용하면 다음과 같습니다.

따라서 전압전달비는 다음과 같이 정리할 수 있으며

스위치에 존재하는 기생저항 성분으로 효율이 저하됨을 확인할 수 있습니다.

Buck converter 기생성분

: 앞에서 살펴본 인덕터 저항 r_L, 다이오드 전압강하 V_D, 스위치 도통저항 r_Q를 적용한 회로는 다음과 같습니다.

Buck converter 기생성분

따라서 기생성분이 없는 이상적인 상태와 모든 기생성분이 적용되었을 때의 수식을 비교하면 다음과 같습니다.

구분	기생 성분이 없는 이상적인 상태	기생성분이 존재하는 상태
인덕터 전압 (스위치 on)
인덕터 전압 (스위치 off)
전압전달비
효율
출력전압

 

이번 시간에는 기생성분의 기초와 buck 컨버터에 존재하는 기생성분에 대하여 살펴보았습니다.

기생성분은 회로 내에 존재하는 불필요한 성분으로 효율 저감의 원인이 됩니다.

기생성분은 없앨 수가 없으므로 최소한하는 설계가 필요합니다.

다음 시간에는 boost 컨버터에 존재하는 기생성분에 대하여 공부하도록 하겠습니다.

감사합니다.