buck converter ( 벅컨버터) 동작흐름

벅컨버터의 동작

안녕하세요.

지난 포스팅에서 벅컨버터 대해 알아보았지만 조금 더 설명이 필요한 부분이 있어 이번 포스팅에서도 벅컨버터의 동작에 대하여 추가로 설명드리겠습니다.

 

▶DC-DC 컨버터의 개념도

아래 사진은 DC-DC 컨버터의 기본 개념을 알 수 있는 개념도 입니다.

 

DC-DC컨버터 개념도

 

 

DC-DC컨버터는 DC 전압 입력을 받아 원하는 DC 전압값으로 변환하여 출력하는 장치입니다.

* Unregulated dc 입력 → regulated dc 출력

* DC-DC 컨버터의 구성

1. switch (MOSFET, IGBT, Diode) : Energy flow control 역할

2. 인덕터, 커패시터 : 에너지 전달 매개체, Low pass filter (ripple 감소)

3. 변압기 : 전압이득 조절, 전기적인 isolation

4. 제어기 

 

 

▶간략한 형태의 DC-DC 컨버터

아래 사진은 간단한 DC-DC 컨버터 회로를 구성한 모습인데요, DC입력전압을 중간의 스위치가 On,OFF 하면서 전압을 끊어 구형파의 형태로 출력되게 되고 펄스(pulse)파의 형태입니다. 이때 펄스의 한 주기에서 스위치가 ON되는 비율을 듀티비(D)라고 합니다. 이 듀티비를 조정하여 출력 전압값을 조절하게 되는 원리가 벅컨버터와 부스트 컨버터에 적용 됩니다.

간단한 DC-DC컨버터 회로

 

 

 

▶Buck 컨버터 기본회로와 파형

아래 사진은 벅컨버터의 기본회로와 그에 따른 입출력 파형입니다. 

벅컨버터는 입력 DC 전압을 스위치로 On, Off 주기를 조절하여 출력 전압을 원하는 크기로 강압하는 강압형 컨버터 입니다. 일정한 DC전압을 스위치가 OFF 되면서 끊어주면 전압이 0V로 떨어지고 이게 반복되어 구형파를 만들게 됩니다.

그렇게 만들어진 구형파가 LC 필터를 지나게 되면 정류된 DC 전압이 출력됩니다.

 

벅컨버터 회로와 입출력 파형

 

 

 

▶듀티비(Duty Ratio)와 전압전달비

 

듀티비와 전압전달비 그래프

 

 

 

▶Buck 컨버터의 실제 회로도 구성

아래 회로도는 실제 벅컨버터의 회로 구성도를 보여주고 있습니다.

스위치로 모스펫이 사용되었으며 다이오드, L, C 부하, 입력전원으로 구성되어 있습니다.

여기서 다이오드의 역할은 스위치가 off 되는 동안 인덕터 전류가 흐를 수 있는 길을 만드는 역할을 합니다.

 

 

 

실제 벅컨버터 회로도

 

 

 

 

 

▶스위치 On,OFF 시 벅컨버터 회로의 전류 흐름 이해하기

이제부터 벅컨버터의 스위치가 ON, OFF 될 때 회로에 전류는 어떻게 흐르는지 알아보겠습니다.

 

먼저 아래 사진은 회로도의 스위치가 ON일 때 회로의 전류 흐름을 보여줍니다.

입력전원에서 시작하여 스위치를 지난 전류는 역전압이 걸리는 다이오드로 흐르지 못하고 인덕터를 통해 흐르게 되며 LC 필터를 거쳐 부하로 흐르게 됩니다. 또 인덕터에는 전류가 흐르몀 에너지가 저장되게 됩니다.

 

스위치 on 일때 전류 흐름

 

 

 

 

 

 

[S_ON] 스위치 ON 일 때 전류 흐름 정리 정리

 

1.VS=0  : 전선이 도통되어 전압이 걸리지 않는 상태

2.IS=IL :  입력전원에 의해 인덕터에 흐르는 전류는 같다(전선이 도통이고 방해하는 소자는 없다)

3.D_OFF :  다이오드 위쪽이 전위차가 더 크기 때문에 흐르지 않는 상태

4. 다이오드 전압은 입력전압과 같고(VD=VI) 다이오드는 개방 상태이므로 다이오드 전류 ID=0 이다

인덕터 전압에 걸리는 전압은 VI-VO 이고 0보다 크다 ( VI > VO )

인덕터 전류는 상승한다. 전기에너지를 자기 에너지로 저장하는 역할을 가지고 있어 전류는 증가

인덕터의 전력은 0보다 크다 (PL = VL*IL > 0)

EL =

1/2*LI제곱 → 감소

스위치가 ON 일 때 커패시터는 인덕터의 교류 성분만 충전하는 역할

 

 

아래 사진은 스위치가 OFF 일 때 전류의 흐름을 보여줍니다. 스위치 OFF 시 입력전원에서는 부하쪽으로 전류가 흐르지 못하며 인덕터에 저장되었던 에너지에 의해 전류는 아래 사진처럼 다이오드를 통해 구성된 폐회로로 흐르게 됩니다.

 

스위치 off 일때 전류 벅컨버터 전류 흐름

 

 

[S_OFF] 스위치가 OFF일 때 전류 흐름

스위치에 걸리는 전압은 VI=VS VI=VS와 같다. 스위치가 개방이므로 스위치 전류는 0이다(IS=0)

다이오드는 ON이 되고 역방향바이어스로 인해 전류가 흐르게 된다.

다이오드 도통이므로 전압이 걸리지 않고 VD=0이고 다이오드 전류와 인덕터 전류는 같다.(ID=IL)

인덕터에 걸리는 전압은 0-VO 이므로 –VO 이다 ( -VO < 0 )

인덕터 전류는 자기 에너지를 전기에너지로 방출하여 인덕터 전류는 감소하게 된다.

인덕터 전력은 전류가 전압과 전류가 감소하므로0보다 작다 (PL = VL * IL < 0)

EL = 1/2 *LI제곱 → 감소

스위치가 OFF 일 때 커패시터는 충전된 전류를 방전한다.

 

 

 

벅컨버터 동작파형

 

 

스위치가 ON 일 때 전류 흐름

 

인덕터 전류는 전기에너지를 자기 에너지로 저장하여 인덕터 전류는 증가한다.

스위치 전류는 스위치가 ON이 되어 도통이므로 스위치 전류와 인덕터 전류는 증가하게 된다.

그리고 스위치 전압은 전선이 도통이므로 전압이 걸리지 않는다.

 

다이오드는 회로상 위쪽이 전압차가 더 크므로 다이오드 쪽으로 전류는 흐르지 않아 O이고

VI와 다이오는 병렬이므로 병렬은 전압이 일정하므로 VI 전압이 걸린다.

(다이오드 상태는 개방이다.)

 

스위치 OFF일 때 전류 흐름

 

인덕터 전류는 자기 에너지를 전기에너지로 바꾸어 방출하므로 인덕터 전류는 감소한다.

스위치 전류는 스위치가 OFF 되어 전류가 흐르지 않으므로 스위치 전류는 0이다.

스위치 전압은 스위치가 개방 이므로 VI 전압이 걸린다. ( VS = VI )

 

다이오는 전류는 그래프처럼 감소하는 이유는 인덕터는 저장된 에너지를 방출하므로 그래프가 감소하는 모습으로 나타난다.  다이오드 전압은 전선이 도통이므로 (숏트) 전압이 걸리지 않는다.

 

이렇게 오늘은 벅컨버터의 스위치가 ON, OFF 일 때 회로의 전류 흐름에 대해 알아보았습니다.

 

오늘도 보디빌더 전력전자 이야기에 방문해 주셔서 감사합니다