비반전 Buck-Boost 컨버터 / DC-DC 컨버터

  주파수, 진폭, 위상 등 여러 특성을 갖는 교류(Alternating Current, AC)와 달리 직류(Direct Current, DC)는 크기만 가지고 있기 때문에 DC-DC 컨버터는 크게 감압형(Vin > Vout), 승압형(Vin < Vout), 승/감압형 3가지로 크게 분류가 가능하다. 이 중 승/감압형 DC-DC 컨버터는 입력전압이 출력전압만 커야만 하는 감압형 DC-DC 컨버터, 작아야만 하는 승압형 DC-DC 컨버터와 달리 비교적 넓은 입력 전압 범위를 사용할 수 있는 장점을 갖는다. 승/감압형 DC-DC 컨버터의 기초적인 회로인 Buck-Boost 컨버터는 각 1개씩의 인덕터, 다이오드, 스위칭 소자(IGBT, MOSFET 등)로 승압과 감압 동작을 전부 수행이 가능하다. 그러나 구조상 출력전압의 극성이 입력전압 대비 반전되기 때문에 설계 시 입력단과 출력단의 접지를 공용으로 사용할 수 없는 단점이 있다.

  [그림 1]은 Buck-Boost 컨버터의 입/출력 전압 극성 반전 문제를 해결한 비반전 Buck-Boost DC-DC 컨버터(Non-inverting Buck-Boost DC-DC Converter)를 보여준다. 구성요소가 3가지인 Buck-Boost 컨버터와 달리 5개의 구성요소(인덕터 1개, 스위칭 소자 4개)로 이루어진다. 구성요소의 증가는 가격경쟁력 저하와 제어복잡성 증가, 잠재적 고장요소의 증가로 인한 신뢰성 문제 등으로 이어질 수 있으나, 입/출력 전압 극성이 동일한 승/감압형 DC-DC 컨버터라는 장점으로 인해 비반전 Buck-Boost 컨버터는 다양한 Application 영역에서 검토하는 Topology 중 하나이다.

 

[그림 1] 비반전 Buck-Boost 컨버터 Topology

 

  비반전 Buck-Boost 컨버터는 2개의 스위칭 소자가 직렬 연결되어 있는 Leg가 인덕터를 기준으로 입력단과 출력단에 각각 위치한 구조이다. 비반전 Buck-Boost 컨버터는 이 두 개의 Leg를 어떻게 제어하느냐에 따라서 크게 3가지 제어 방식으로 분류하는데 각각 Buck 제어 방식, Boost 제어 방식, Buck-Boost 제어 방식이다.

 

 

  1. Buck 제어 방식

    Buck 제어 방식은 [그림 2]와 같이 출력단 Leg의 상단 스위치(S3)를 Full Turn-On 시키고, 하단 스위치(S4)를 Full Turn-Off 한 상태에서 입력단 Leg의 스위치(S1, S2)만 스위칭 동작을 수행하고 제어하는 방식이다. 출력단 Leg의 스위칭 상태는 고정되어 있기 때문에 Buck 컨버터와 동일한 구조를 갖으며 동작 모드 및 전압이득비는 Buck 컨버터와 동일하다. 그렇기 때문에 해당 제어 방식의 출력전압은 항상 입력전압보다 같거나 작은 감압형 제어 동작만 수행할 수 있다.

 

[그림 2] 비반전 Buck-Boost 컨버터의 Buck 제어 방식

 

 

  2. Boost 제어 방식

    Boost 제어 방식은 출력전압이 입력전압과 같거나 큰 승압 동작을 수행하기 위한 제어 방식으로, [그림 3]과 같이 입력단 Leg의 상단 스위치(S1)를 Full Turn-On 시키고, 하단 스위치(S2)를 Full Turn-Off 한 상태에서 출력단 Leg만 제어하는 방식이다. 해당 제어 방식은 Boost 컨버터와 구조가 동일하기 때문에 동작 모드 및 전압이득비와 같은 특성들은 Boost 컨버터와 동일하다.

 

[그림 3] 비반전 Buck-Boost 컨버터의 Boost 제어 방식

 

 

  3. Buck-Boost 제어 방식

    Buck 제어 방식과 Boost 제어 방식은 하나의 Leg의 스위칭 상태는 고정 시킨 후 남은 하나의 Leg만 제어하며, 각각 감압과 승압만 가능한 제어 방식이다. 반면 Buck-Boost 제어 방식은 두 개의 Leg를 모두 제어하는 승압과 감압이 전부 가능한 제어 방식으로 S1과 S4는 동시에 Turn-On / Turn-Off 되고 S2와 S3는 Turn-On / Turn-Off 되며 S1, S4와 S2, S3는 상보적으로 동작한다. Buck-Boost 제어 방식은 [그림 4], [그림 5]와 같이 인덕터의 동작을 기준으로 충전 모드와 방전 모드로 동작한다.

 

[그림 4] Buck-Boost 제어 방식의 충전 모드

[그림 5] Buck-Boost 제어 방식의 방전 모드

    Buck-Boost 제어 방식의 전압이득비는 인덕터의 정상상태 전압 [식 1]을 기준으로 [식 2]와 같이 표현할 수 있다. 즉 Duty가 0.5를 기준으로 감압과 승압 동작이 결정되며, 감압 동작 시의 파형은 [그림 6]과 같고 승압 동작 시의 파형은 [그림 7]과 같다.

[식 1] 비반전 Buck-Boost 컨버터의 인덕터 정상전압

[식 2] 비반전 Buck-Boost 컨버터의 전압이득비

[그림 6] Buck-Boost 제어 방식 동작 파형(D = 0.33)

[그림 7] Buck-Boost 제어 방식 동작 파형(D = 0.67)

Buck 제어 방식과 Boost 제어 방식은 2개의 스위칭 소자만 스위칭하기 때문에 4개의 소자가 모두 스위칭하는 Buck-Boost 제어 방식 대비 스위칭 손실이 적게 발생하여 효율이 높은 장점이 있지만 스위칭 상태가 고정되어 있는 Leg에서는 상단 스위치에만 전도 손실이 발생하기 때문에 손실 불균형 및 수명 불균형 문제가 발생한다는 단점을 가지고 있다. 그렇기 때문에 비반전 Buck-Boost 컨버터를 사용할 경우 원하는 제어 영역별로 어떠한 제어 방법을 사용할 것인지에 대한 검토도 중요하다.