KR20210054181A - Improvement of Switching Loss in DC-DC Quadratic Boost Converter - Google Patents

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KR20210054181A KR1020190139988A KR20190139988A KR20210054181A KR 20210054181 A KR20210054181 A KR 20210054181A KR 1020190139988 A KR1020190139988 A KR 1020190139988A KR 20190139988 A KR20190139988 A KR 20190139988A KR 20210054181 A KR20210054181 A KR 20210054181A
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Abstract

The present invention relates to a DC-DC converter with a relieved switching power loss, and a control method thereof. The DC-DC converter with a relieved switching power loss comprises: a quadratic boost converter (100); a charge pump circuit (200); and a third inductor (L3). According to the present invention, voltage stress of a quadratic boost converter can be relieved.

Description

스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 및 그 제어 방법 {Improvement of Switching Loss in DC-DC Quadratic Boost Converter}DC-DC converter with improved switching power loss and its control method {Improvement of Switching Loss in DC-DC Quadratic Boost Converter}

본 발명은 2차 승압형 컨버터(quadratic boost converter)의 스위칭 손실을 개선한 DC-DC컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a DC-DC converter with improved switching loss of a quadratic boost converter and a control method thereof.

최근 주목받고 있는 신재생 에너지, LED 조명, 전기자동차 등의 전력변환 분야에서 높은 입-출력 변환비가 필요하게 되면서 기존의 승압형 컨버터보다 높은 입-출력 변환비를 갖는 converter에 관한 연구가 진행되고 있다. 기생성분을 고려하지 않는 이상적인 승압형 컨버터(ideal boost converter)의 입-출력 변환비는 출력 전압이 VO, 입력 전압이 VIN, 스위치의 duty ratio가 D이고, CCM (Continuous Conduction Mode)로 동작할 때

Figure pat00001
로 나타낼 수 있다. 따라서 승압형 컨버터의 D가 커질수록 높은 입-출력 변환비를 갖게 된다. 하지만 승압형 컨버터를 구성하는 소자의 저항 성분을 고려한 실제 승압형 컨버터에서는 D > 0.6이 되는 구간부터 입-출력 변환비와 회로의 전력변환 효율이 이상적인 승압형 컨버터(ideal boost converter)에 비해 상당량 감소하게 되는 문제점이 있다.In the field of power conversion such as renewable energy, LED lighting, and electric vehicles, which has recently attracted attention, research on a converter having a higher input-output conversion ratio than the conventional step-up converter is being conducted as a high input-output conversion ratio is required. . The input-output conversion ratio of an ideal boost converter that does not take into account parasitics is that the output voltage is V O , the input voltage is V IN , the duty ratio of the switch is D, and it operates in CCM (Continuous Conduction Mode). when doing
Figure pat00001
It can be expressed as Therefore, the larger the D of the step-up converter, the higher the input-output conversion ratio. However, in the actual step-up converter considering the resistance component of the elements constituting the step-up converter, the input-output conversion ratio and the power conversion efficiency of the circuit are significantly reduced compared to the ideal boost converter from the section where D> 0.6. There is a problem to be done.

이러한 문제점을 해결하기 위해 동일한 D 조건에서 높은 출력 전압을 얻을 수 있는 2차 승압형 컨버터(quadratic boost converter)가 제안되었다. 2차 승압형 컨버터는 도 1과 같이 기존의 승압형 컨버터에 diode 2개, inductor 1개, capacitor 1개를 추가하여

Figure pat00002
의 입-출력 변환비를 갖게 되어 기존 승압형 컨버터 대비 낮은 D에서도 높은 출력 전압을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만 2차 승압형 컨버터는 switch가 off 될 경우 출력 전압이 스위치에 인가되어 스위치의 전압 스트레스가 높아져 스위치에서 발생하는 스위칭 손실이 증가하는 문제점이 발생한다.To solve this problem, a quadratic boost converter capable of obtaining a high output voltage under the same D condition has been proposed. As shown in FIG. 1, the secondary boosting converter adds 2 diodes, 1 inductor, and 1 capacitor to the existing boost converter.
Figure pat00002
As it has an input-output conversion ratio of, it has the advantage of obtaining a high output voltage even at a low D compared to the conventional step-up converter. However, in the case of the secondary boosting type converter, when the switch is turned off, the output voltage is applied to the switch, thereby increasing the voltage stress of the switch, resulting in an increase in switching loss occurring in the switch.

KR 10-0207020 B1KR 10-0207020 B1 KR 10-2018-0065271 AKR 10-2018-0065271 A KR 20-2009-0004002 UKR 20-2009-0004002 U KR 20-1997-0056221 UKR 20-1997-0056221 U

[1] 정두용, 김준구, 류동균, 송인범, 정용채, 원충연, “보조 공진회로를 갖는 영전압-영전류 천이 부스트 컨버터”The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 3, pp. 298-305, 2012[1] Doo-Yong Jung, Jun-Koo Kim, Dong-gyun Ryu, In-Bum Song, Yong-chae Jeong, and Choong-Yeon Won, “Zero-voltage-zero-current transition boost converter with auxiliary resonant circuit” 3, pp. 298-305, 2012 [2] Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, “Electronics: converters, applications and design”JOHN WILEY & SONS, INC., 3rd edition, 2002 [2] Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, “Electronics: converters, applications and design” JOHN WILEY & SONS, INC., 3rd edition, 2002

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2차 승압형 컨버터(quadratic boost converter)의 전압 스트레스를 개선하기 위한 컨버터 구조와 그에 따른 DC-DC컨버터의 스위칭 손실 개선 방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-described problem, and to provide a converter structure for improving voltage stress of a quadratic boost converter and a method for improving switching loss of a DC-DC converter accordingly.

상기의 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터에 있어서, 모스펫(SW), 출력단 커패시터(CO), 제1커패시터(C1), 출력단 저항(RO), 출력단 다이오드(DO), 제1다이오드(D1), 제2다이오드(D2), 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2)로 구성된 2차 승압형 컨버터(100); 제2커패시터(C2), 제3커패시터(C3), 제3다이오드(D3), 제4다이오드(D4)로 구성된 차지 펌프 회로(200) 및 상기 차지 펌프 회로(200)의 차지 펌핑 경로에 직렬 연결된 제3인덕터(L3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the converter performing a switching operation for generating and outputting the first DC power supplied from the outside according to the present invention for achieving the above object to the second DC power, the MOSFET (SW), the output terminal capacitor (C O ), 1 capacitor (C 1 ), output terminal resistance (R O ), output diode (D O ), first diode (D 1 ), second diode (D 2 ), first inductor (L 1 ) and second inductor (L 2 ) a secondary boosting type converter 100 consisting of; Charge pump circuit 200 composed of a second capacitor (C 2 ), a third capacitor (C 3 ), a third diode (D 3 ), and a fourth diode (D 4 ), and the charge pumping of the charge pump circuit 200 It characterized in that it comprises a third inductor (L 3 ) connected in series to the path.

또한, 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터의 제어 방법은, 2차 승압형 컨버터에 제2커패시터(C2), 제3커패시터(C3)와 제3다이오드(D3), 제4다이오드(D4)를 추가로 포함하여 구성되는 컨버터의 스위칭 손실 개선 방법으로, 모스펫(SW), 제4다이오드(D4)가 turn-on 되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3) 및 출력단 다이오드(DO)가 turn-off 되어 차지 펌프가 진행되는 Mode 1 단계(S100) 및 모스펫(SW), 제2다이오드(D2), 제4다이오드(D4)가 turn-off되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3)가 turn-on 되어 제1커패시터(C1)에 걸리는 전압(VC1)과 출력단 저항(RO)에 걸리는 전압(VO)으로 에너지를 전달하는 Mode 2 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control method of the DC-DC converter with improved switching power loss includes a second capacitor (C 2 ), a third capacitor (C 3 ), a third diode (D 3 ), and a fourth diode. As a method of improving the switching loss of a converter configured to include an additional (D 4 ), the MOSFET (SW) and the fourth diode (D 4 ) are turned on, the first diode (D 1 ), and the third diode (D 3 ) Mode 1 step (S100) in which the charge pump is in progress by turning off the output diode (D O ) and the MOSFET (SW), the second diode (D 2 ), and the fourth diode (D 4 ) are turned off. When the first diode (D 1 ) and the third diode (D 3 ) are turned on, the voltage applied to the first capacitor (C 1 ) (V C1 ) and the voltage applied to the output terminal resistance (R O ) (V O ) It characterized in that it comprises a Mode 2 step (S200) of delivering energy.

본 발명은 2차 승압형 컨버터의 전압 스트레스를 개선하여 스위치 손실을 저감하고 회로의 전력변환 효율을 향상시키는 효과를 갖는다.The present invention has the effect of reducing the switch loss by improving the voltage stress of the secondary boosting type converter and improving the power conversion efficiency of the circuit.

도 1은 종래의 2차 승압형 컨버터의 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 및 그 제어 방법의 동작 Mode를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터와 종래의 2차 승압형 컨버터의 PSIM을 이용한 실시 예에 따른 스위치 전압, 전류 파형이다.
도 5는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터에서 제3인덕터(L3)의 유무에 따른 PSIM을 이용한 실시 예 스위치 전압, 전류 파형이다.
도 6은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터의 구성도이다.
1 is a circuit diagram for explaining the structure of a conventional secondary step-up converter.
2 is a circuit diagram of a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention.
3 is a circuit diagram illustrating an operation mode of a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention and a control method thereof.
4 is a waveform of a switch voltage and a current according to an embodiment using a PSIM of a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention and a conventional secondary step-up converter.
5 is an exemplary switch voltage and current waveform using PSIM according to the presence or absence of the third inductor L 3 in the DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention.
6 is a block diagram of a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, it will be described with reference to the drawings according to an embodiment of the present invention, but this is for an easier understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "... 부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.When a part of the specification is said to "include" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "... unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" with another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element interposed therebetween. .

설명에 앞서 본 명세서에는 다수의 양태 및 실시양태가 기술되며, 이들은 단순히 예시적인 것으로서 한정하는 것이 아니다.Prior to the description, a number of aspects and embodiments are described herein, and these are merely illustrative and not limiting.

본 명세서를 읽은 후에, 숙련자는 다른 양태 및 실시예가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 가능함을 이해할 것이다.After reading this specification, those skilled in the art will understand that other aspects and embodiments are possible without departing from the scope of the invention.

도 1은 종래의 2차 승압형 컨버터의 구조를 설명하기 위한 회로도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 회로도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 및 그 제어 방법의 동작 Mode를 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터와 종래의 2차 승압형 컨버터의 PSIM을 이용한 실시 예에 따른 스위치 전압, 전류 파형이고, 도 5는 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터에서 제3인덕터(L3)의 유무에 따른 PSIM을 이용한 실시 예 스위치 전압, 전류 파형이고, 도 6은 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터의 구성도이다.1 is a circuit diagram for explaining the structure of a conventional secondary step-up converter, FIG. 2 is a circuit diagram of a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention, and FIG. 3 is a circuit diagram showing the switching power loss according to the present invention. A circuit diagram for explaining the operation mode of the improved DC-DC converter and its control method, and FIG. 4 is an implementation using a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention and PSIM of a conventional secondary step-up converter Switch voltage and current waveforms according to the example, Figure 5 is an embodiment switch voltage and current waveforms using PSIM according to the presence or absence of the third inductor (L 3 ) in the DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention. 6 is a block diagram of a DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention.

도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 및 그 제어 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.A DC-DC converter with improved switching power loss according to the present invention and a control method thereof will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6.

본 발명에 따른 외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터에 있어서, 모스펫(SW), 출력단 커패시터(CO), 제1커패시터(C1), 출력단 저항(RO), 출력단 다이오드(DO), 제1다이오드(D1), 제2다이오드(D2), 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2)로 구성된 2차 승압형 컨버터(100); 제2커패시터(C2), 제3커패시터(C3), 제3다이오드(D3), 제4다이오드(D4)로 구성된 차지 펌프 회로(200) 및 상기 차지 펌프 회로(200)의 차지 펌핑 경로에 직렬 연결된 제3인덕터(L3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the converter performing a switching operation for generating and outputting a first DC power supplied from an external source according to the present invention as a second DC power, a MOSFET (SW), an output terminal capacitor (C O ), and a first capacitor (C 1 ) , Output resistance (R O ), output diode (D O ), a first diode (D 1 ), a second diode (D 2 ), a first inductor (L 1 ), and a second inductor (L 2 ). Step-up converter 100; Charge pump circuit 200 composed of a second capacitor (C 2 ), a third capacitor (C 3 ), a third diode (D 3 ), and a fourth diode (D 4 ), and the charge pumping of the charge pump circuit 200 It characterized in that it comprises a third inductor (L 3 ) connected in series to the path.

또한, 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터의 제어 방법은, 2차 승압형 컨버터에 제2커패시터(C2), 제3커패시터(C3)와 제3다이오드(D3), 제4다이오드(D4)를 추가로 포함하여 구성되는 컨버터의 스위칭 손실 개선 방법으로, 모스펫(SW), 제4다이오드(D4)가 turn-on 되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3) 및 출력단 다이오드(DO)가 turn-off 되어 차지 펌프가 진행되는 Mode 1 단계(S100) 및 모스펫(SW), 제2다이오드(D2), 제4다이오드(D4)가 turn-off되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3)가 turn-on 되어 제1커패시터(C1)에 걸리는 전압(VC1)과 출력단 저항(RO)에 걸리는 전압(VO)으로 에너지를 전달하는 Mode 2 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control method of the DC-DC converter with improved switching power loss includes a second capacitor (C 2 ), a third capacitor (C 3 ), a third diode (D 3 ), and a fourth diode. As a method of improving the switching loss of a converter configured to include an additional (D 4 ), the MOSFET (SW) and the fourth diode (D 4 ) are turned on, the first diode (D 1 ), and the third diode (D 3 ) Mode 1 step (S100) in which the charge pump is in progress by turning off the output diode (D O ) and the MOSFET (SW), the second diode (D 2 ), and the fourth diode (D 4 ) are turned off. When the first diode (D 1 ) and the third diode (D 3 ) are turned on, the voltage applied to the first capacitor (C 1 ) (V C1 ) and the voltage applied to the output terminal resistance (R O ) (V O ) It characterized in that it comprises a Mode 2 step (S200) of delivering energy.

또한, 상기 제3인덕터(L3)는 상기 모스펫(SW)이 ON되는 순간 유입되는 차지 펌핑 전류의 피크를 제한하는 기능을 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the third inductor L 3 is characterized in that it functions to limit a peak of a charge pumping current introduced at the moment the MOSFET SW is turned on.

종래에는 높은 출력 전압을 얻을 수 있는 2차 승압형 컨버터(quadratic boost converter)가 제안되었다. 2차 승압형 컨버터는 도 1과 같이 기존의 승압형 컨버터에 다이오드(diode) 2개, 인덕터(inductor) 1개, 커패시터(capacitor) 1개를 추가하여

Figure pat00003
의 입-출력 변환비를 갖게 되어 기존 승압형 컨버터 대비 낮은 D에서도 높은 출력 전압을 얻을 수 있는 장점이 있다.Conventionally, a quadratic boost converter capable of obtaining a high output voltage has been proposed. As shown in FIG. 1, the secondary boosting converter adds 2 diodes, 1 inductor, and 1 capacitor to the existing boosting converter.
Figure pat00003
As it has an input-output conversion ratio of, it has the advantage of obtaining a high output voltage even at a low D compared to the conventional step-up converter.

하지만 2차 승압형 컨버터는 스위치(모스펫)가 off 될 경우 출력 전압이 스위치에 인가되어 스위치의 전압 스트레스가 높아져 스위치에서 발생하는 스위칭 손실이 증가하는 문제점이 발생한다.However, in the case of the secondary boosting type converter, when the switch (MOSFET) is turned off, the output voltage is applied to the switch, thereby increasing the voltage stress of the switch, resulting in an increase in switching loss occurring in the switch.

따라서, 본 발명에서는 도 2와 같이 2차 승압형 컨버터의 전압 스트레스를 개선하기 위한 컨버터 구조를 제안한다.Accordingly, in the present invention, as shown in FIG. 2, a converter structure for improving the voltage stress of the secondary step-up converter is proposed.

본 발명에서 제안하는 회로는 2차 승압형 컨버터에 커패시터 2개 (C2, C3), 다이오드 2개 (D3, D4)로 구성되는 차지 펌프(charge pump) 구조를 결합시켜 스위치에 인가되는 전압 스트레스를 출력 전압의 절반으로 감소시킨다. 또한, 차지 펌핑 경로(charge pumping path)에 인덕터 1개(L3)를 추가하여 스위치가 ON 되는 순간 스위치로 유입되는 charge pumping 전류의 피크(peak)를 제한한다.The circuit proposed in the present invention is applied to a switch by combining a charge pump structure composed of two capacitors (C 2, C 3 ) and two diodes (D 3 , D 4) to a secondary boosting type converter. Reduce the voltage stress to half of the output voltage. In addition, one inductor (L 3 ) is added to the charge pumping path to limit the peak of the charge pumping current flowing into the switch at the moment the switch is turned on.

제안된 회로의 동작 mode는 도 3과 같이 스위치가 on, off 되는 1주기를 기준으로 2가지 동작으로 구분된다. 간편한 해석을 위해 제안된 회로는 정상상태의 CCM으로 동작하며, 회로를 구성하는 모든 소자는 기생성분이 없는 이상적인 소자로 가정하여 등가회로를 구성하고 각 동작 mode를 설명하도록 한다.The operation mode of the proposed circuit is divided into two operations based on one cycle in which the switch is turned on and off as shown in FIG. 3. For simple analysis, the proposed circuit operates in a steady state CCM, and all elements constituting the circuit are assumed to be ideal elements without parasitics, and an equivalent circuit is constructed and each operation mode is explained.

먼저 Mode 1(S100)에 대해 상세히 설명하자면, Mode 1은 모스펫(SW), 제4다이오드(D4)가 turn-on 되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3), 출력단 다이오드(DO)가 turn-off 되어 제1인덕터(L1)와 제2인덕터(L2)에 에너지를 축적하는 동시에 C3-L3-D4-C2-SW의 charge pumping path를 통해 charge pump가 진행되는 구간이다. 따라서 제1인덕터(L1)와 제2인덕터(L2)에 에너지를 축적하는 전류와 charge pumping 하는 전류가 모두 모스펫(SW)을 통해 흐르게 된다. 이때 charge pumping 전류의 peak 성분은 L3의 값에 따라 기울기가 결정되어 SW가 ON 되는 순간 charge pumping 전류의 peak 성분을 제한할 수 있다. VC2는 charge pumping에 의해

Figure pat00004
의 값을 갖는다. 이때 L3의 값이 충분히 작다면
Figure pat00005
이 된다.First, to explain in detail about Mode 1 (S100), Mode 1 is the MOSFET (SW), the fourth diode (D 4 ) is turned on, the first diode (D 1 ), the third diode (D 3 ), the output terminal The diode (D O ) is turned off to accumulate energy in the first inductor (L 1 ) and the second inductor (L 2 ), and at the same time, through the charge pumping path of C 3 -L 3 -D 4 -C 2 -SW. This is the section where the charge pump is in progress. Accordingly, the current for accumulating energy in the first inductor L 1 and the second inductor L 2 and the current for charge pumping both flow through the MOSFET SW. At this time, the slope of the peak component of the charge pumping current is determined according to the value of L 3 , so that the peak component of the charge pumping current can be limited at the moment SW is ON. V C2 is determined by charge pumping.
Figure pat00004
Has the value of At this time, if the value of L 3 is sufficiently small
Figure pat00005
Becomes.

다음은 Mode 2(S200)에 대해 상세히 설명하자면, mode 2는 모스펫(SW), 제2다이오드(D2), 제4다이오드(D4)가 turn-off 되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3), 출력단 다이오드(DO)가 turn-on 되어 VC1과 VO로 에너지를 전달하는 구간이다. VC1의 전압은 VIN-L1-D1-VC1으로 연결되는 boost path를 따라 conventional boost converter의 입-출력비와 동일한

Figure pat00006
의 값을 갖는다. VC3의 전압은 VC1-L2-D3-V3로 연결되는 boost path를 따라
Figure pat00007
의 전압을 갖게 되며 이를 VIN으로 표시하면
Figure pat00008
이 된다. L3의 값이 충분히 작다면 출력 전압은 VC2 + VC3가 되어 제안된 컨버터의 입-출력 전압은
Figure pat00009
의 관계를 갖는다. 따라서 제안된 boost converter는 동일한 duty ratio 조건에서 charge pumping에 의해 quadratic boost converter보다 2배 높은 출력 전압을 얻을 수 있고, 스위치에 걸리는 전압은 출력 전압의 절반이 된다.In the following, mode 2 (S200) will be described in detail. In mode 2, the MOSFET (SW), the second diode (D 2 ), and the fourth diode (D 4 ) are turned off, and the first diode (D 1 ), The third diode (D 3 ) and the output diode (D O ) are turned on to transfer energy to V C1 and V O. Voltage V C1 is along a path that is connected to boost V IN -L 1 -D 1 -V C1 mouth of a conventional boost converter - the same as the output ratio
Figure pat00006
Has the value of The voltage of V C3 is along the boost path connected to V C1 -L 2 -D 3 -V 3
Figure pat00007
It has a voltage of, and if you mark it as V IN,
Figure pat00008
Becomes. If the value of L 3 is small enough, the output voltage becomes V C2 + V C3 , so the input-output voltage of the proposed converter is
Figure pat00009
Have a relationship. Therefore, the proposed boost converter can obtain an output voltage twice as high as that of a quadratic boost converter by charge pumping under the same duty ratio condition, and the voltage applied to the switch becomes half of the output voltage.

다음은 종래의 2차 승압형 컨버터와 본 발명에서 제안하는 컨버터의 동작을 PSIM 시뮬레이터 실시 예를 통해 비교해보도록 한다. 각 실시 예에 사용된 소자값은 하기 표 1과 같다.Next, the operation of the conventional secondary boosting type converter and the converter proposed in the present invention will be compared through an embodiment of the PSIM simulator. The device values used in each example are shown in Table 1 below.

Figure pat00010
Figure pat00010

<표 1. 종래의 2차 승압형 컨버터와 제안하는 컨버터의 소자값 비교><Table 1. Comparison of element values of the conventional 2nd step-up converter and the proposed converter>

제안된 회로의 동작을 검증하기 위해 PSIM simulator를 이용하여 종래의 2차 승압형 컨버터와 제안된 회로의 스위치 전압, 전류 파형을 비교하도록 한다. Simulation은 VIN = 10 V, VO = 50 V, RO = 50 Ω, 출력 전력 PO = 50 W, 스위칭 주파수 fsw = 350 kHz, 인덕터 L1, L2는 10 μH, L3는 1 μH, 커패시터 C1, C2, C3, CO는 10 μF을 사용하여 진행하도록 한다.In order to verify the operation of the proposed circuit, a PSIM simulator is used to compare the switch voltage and current waveforms of the conventional secondary step-up converter and the proposed circuit. Simulation is V IN = 10 V, V O = 50 V, R O = 50 Ω, output power P O = 50 W, switching frequency f sw = 350 kHz, inductor L 1 , L 2 is 10 μH, L 3 is 1 µH, capacitors C 1 , C 2 , C 3 , and C O use 10 μF to proceed.

도 4는 2차 승압형 컨버터의 스위치 전압, 전류와(도 4, a) 제안하는 컨버터의 스위치(모스펫, SW) 전압, 전류 (도 4, b)를 simulation 한 결과를 보여준다. 하기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 종래의 Quadratic boost converter의 경우 VIN = 10 V, VO = 50 V 조건에서 스위치의 온 듀티 비 D가 0.56이고, 스위치 전류의 최댓값은 8 A, 스위치 전압의 최댓값은 출력 전압과 동일한 50 V를 나타내었다. 본 발명에서 제안한 컨버터의 경우 종래의 2차 승압형 컨버터와 동일 입-출력 조건에서 스위치 온 듀티 비 D는 0.39, 스위치 전류의 최댓값은 12 A, 스위치 전압 최댓값은 출력 전압의 절반인 25 V를 나타내었다. 종래의 2차 승압형 컨버터와 제안한 컨버터의 스위치 전류, 전압 파형을 비교해 보면 제안한 컨버터에 추가된 차지 펌프(charge pump, 200) 구조에 의해 동일한 입-출력 전압 조건에서 제안한 컨버터의 D가 종래의 2차 승압형 컨버터보다 낮아짐을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 컨버터의 입-출력 변환 비율이 종래의 2차 승압형 컨버터보다 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 스위치 off 구간에서 제안한 컨버터의 스위치 양단에 걸리는 전압이 종래의 2차 승압형 컨버터의 스위치 전압 대비 절반으로 감소하는 것을 알 수 있다. FIG. 4 shows the result of simulation of the switch voltage and current (FIG. 4, a) and the switch (MOSFET, SW) voltage and current (FIG. 4, b) of the proposed converter of the secondary boosting type converter. As can be seen in Table 2 below, in the case of a conventional quadratic boost converter, the on-duty ratio D of the switch is 0.56 under the conditions V IN = 10 V and V O = 50 V, the maximum value of the switch current is 8 A, and the maximum value of the switch voltage. Represents 50 V, which is the same as the output voltage. In the case of the converter proposed in the present invention, the switch-on duty ratio D is 0.39, the maximum value of the switch current is 12 A, and the maximum value of the switch voltage is 25 V, which is half of the output voltage under the same input-output conditions as the conventional secondary step-up converter. I got it. When comparing the switch current and voltage waveforms of the conventional secondary boosting type converter and the proposed converter, the D of the proposed converter under the same input-output voltage condition is 2 due to the charge pump (200) structure added to the proposed converter. It can be seen that it is lower than that of the secondary step-up converter. That is, it can be seen that the input-output conversion ratio of the converter according to the present invention is higher than that of the conventional secondary step-up converter. In addition, it can be seen that the voltage applied to both ends of the switch of the proposed converter in the switch off period is reduced by half compared to the switch voltage of the conventional secondary boosting type converter.

Figure pat00011
Figure pat00011

<표 2. 입력 전압 10 V, 출력 전압 50 V, 출력 전력 50 W에서 PSIM 시뮬레이션 비교><Table 2. Comparison of PSIM simulation at input voltage of 10 V, output voltage of 50 V, and output power of 50 W>

도 5는 제안한 boost converter의 구조에서 제3인덕터(L3)의 역할을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 제3인덕터(L3)가 없을 때 (도 5, a) 스위치가 on 되는 순간 제3커패시터(C3)에서 제2커패시터(C2)로 전달되는 charge pumping 전류가 스위치를 통해 그대로 유입되면서 스위칭 turn-on 손실이 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 제3인덕터(L3)를 charge pumping path에 추가한 제안된 구조에서는 스위치가 on 되는 순간 charge pumping 전류가 제3인덕터(L3)에 의해 제한되어 스위칭 turn-on 손실을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.5 is a simulation result for comparing the role of the third inductor (L 3 ) in the structure of the proposed boost converter. When the third inductor (L 3 ) is not present (Fig. 5, a), the moment the switch is turned on , the charge pumping current transferred from the third capacitor (C 3 ) to the second capacitor (C 2 ) flows through the switch as it is and switches. It can be seen that the turn-on loss occurs significantly. In the proposed structure in which a third inductor (L 3 ) is added to the charge pumping path, the charge pumping current at the moment the switch is turned on is It can be seen that the switching turn-on loss can be reduced by being limited by the third inductor L 3.

따라서, 본 발명에서는 종래의 2차 승압형 컨버터의 스위칭 손실을 개선하는 DC-DC컨버터 및 그 제어 방법으로 스위치가 off 상태를 유지할 때 스위치 양단의 전압을 출력 전압의 절반으로 감소시키는 charge pump 구조와 스위치 turn-on 순간 스위치로 유입되는 charge pumping 전류의 피크(peak)를 제한할 수 있는 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 PSIM simulator를 이용하여 동작을 검증하였다. 제안된 구조를 통해 종래의 2차 승압형 컨버터의 스위치 손실을 저감하고 회로의 전력변환 효율을 향상할 수 있을 것으로 기대된다. Accordingly, in the present invention, a DC-DC converter that improves the switching loss of a conventional secondary step-up converter and a charge pump structure that reduces the voltage across the switch to half of the output voltage when the switch is in the off state by the control method thereof. A structure capable of limiting the peak of charge pumping current flowing into the switch turn-on momentary switch is proposed. The proposed structure was verified with the PSIM simulator. It is expected that the proposed structure can reduce the switch loss of the conventional secondary step-up converter and improve the power conversion efficiency of the circuit.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Although the above description has been made with reference to the drawings according to an embodiment of the present invention, a person of ordinary skill in the field to which the present invention belongs will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

100 : 2차 승압형 컨버터
SW : 모스펫
RO : 출력단 저항
CO : 출력단 커패시터 C1 : 제1커패시터
DO : 출력단 다이오드 D1 : 제1다이오드
D2 : 제2다이오드
L1 : 제1인덕터 L2 : 제2인덕터
200 : 차지 펌프 회로
C2 : 제2커패시터 C3 : 제3커패시터
D3 : 제3다이오드 D4 : 제4다이오드
L3 : 제3인덕터
100: 2nd step-up converter
SW: MOSFET
R O : Output terminal resistance
C O : Output terminal capacitor C 1 : First capacitor
D O : Output diode D 1 : First diode
D 2 : 2nd diode
L 1 : 1st inductor L 2 : 2nd inductor
200: charge pump circuit
C 2 : 2nd capacitor C 3 : 3rd capacitor
D 3 : 3rd diode D 4 : 4th diode
L 3 : 3rd inductor

Claims (3)

외부로부터 공급된 제1직류전원을 제2직류전원으로 생성 출력하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 컨버터에 있어서,
모스펫(SW), 출력단 커패시터(CO), 제1커패시터(C1), 출력단 저항(RO), 출력단 다이오드(DO), 제1다이오드(D1), 제2다이오드(D2), 제1인덕터(L1) 및 제2인덕터(L2)로 구성된 2차 승압형 컨버터(100);
제2커패시터(C2), 제3커패시터(C3), 제3다이오드(D3), 제4다이오드(D4)로 구성된 차지 펌프 회로(200) 및
상기 차지 펌프 회로(200)의 차지 펌핑 경로에 직렬 연결된 제3인덕터(L3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터.
In the converter performing a switching operation for generating and outputting the first DC power supplied from the outside to the second DC power,
MOSFET (SW), output capacitor (C O ), first capacitor (C 1 ), output resistance (R O ), output diode (D O ), first diode (D 1 ), second diode (D 2 ), A second boosting type converter 100 composed of a first inductor (L 1 ) and a second inductor (L 2 );
A charge pump circuit 200 composed of a second capacitor (C 2 ), a third capacitor (C 3 ), a third diode (D 3 ), and a fourth diode (D 4 ), and
DC-DC converter with improved switching power loss, comprising a third inductor (L 3 ) connected in series to the charge pumping path of the charge pump circuit (200).
청구항 1에 있어서,
상기 제3인덕터(L3)는 상기 모스펫(SW)이 ON되는 순간 유입되는 차지 펌핑 전류의 피크를 제한하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터.
The method according to claim 1,
The third inductor (L 3 ) is a DC-DC converter with improved switching power loss, characterized in that it serves to limit a peak of a charge pumping current introduced at the moment the MOSFET (SW) is turned on.
모스펫(SW), 출력단 커패시터(CO), 제1커패시터(C1), 출력단 저항(RO), 출력단 다이오드(DO), 제1다이오드(D1), 제2다이오드(D2), 제1인덕턴스(L1) 및 제2인덕턴스(L2)를 포함하는 2차 승압형 컨버터에 제2커패시터(C2), 제3커패시터(C3)와 제3다이오드(D3), 제4다이오드(D4)를 추가로 포함하여 구성되는 컨버터의 스위칭 손실 개선 방법에 있어서,
모스펫(SW), 제4다이오드(D4)가 turn-on 되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3) 및 출력단 다이오드(DO)가 turn-off 되어 차지 펌프가 진행되는 Mode 1 단계(S100) 및
모스펫(SW), 제2다이오드(D2), 제4다이오드(D4)가 turn-off되고, 제1다이오드(D1), 제3다이오드(D3)가 turn-on 되어 제1커패시터(C1)에 걸리는 전압(VC1)과 출력단 저항(RO)에 걸리는 전압(VO)으로 에너지를 전달하는 Mode 2 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전력 손실을 개선한 DC-DC컨버터 제어 방법.
MOSFET (SW), output capacitor (C O ), first capacitor (C 1 ), output resistance (R O ), output diode (D O ), first diode (D 1 ), second diode (D 2 ), A second capacitor (C 2 ), a third capacitor (C 3 ) and a third diode (D 3 ), and a fourth capacitor are used in the second step-up converter including the first inductance (L 1 ) and the second inductance (L 2 ). In the method for improving the switching loss of a converter configured to further include a diode (D 4 ),
The MOSFET (SW), the fourth diode (D 4 ) are turned on, the first diode (D 1 ), the third diode (D 3 ), and the output diode (D O ) are turned off, and the charge pump is operated. Mode 1 step (S100) and
The MOSFET (SW), the second diode (D 2 ), and the fourth diode (D 4 ) are turned off, and the first diode (D 1 ) and the third diode (D 3 ) are turned on, and the first capacitor ( the voltage across C 1) (V C1) and the output resistance (R O) take voltage (V O) which improve the switching power loss comprising the step Mode 2 (S200), which transfers energy to the DC- DC converter control method.
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