3-Level Buck Converter / DC-DC Converter

1. 개발 배경

  기존 Buck 컨버터는 스위칭 소자의 On / Off 상태에 따라 인덕터 전압이 2-Level ('Vin - Vout', '- Vout' )로 나타나는 2-Level 컨버터이다. Buck 컨버터는 감압형 DC-DC 컨버터이므로 'Vin - Vout' 관계가 항상 성립하기 때문에 2-Level Buck 컨버터에서 인덕터 전류가 증가하는 양(+)전압 레벨과 감소하는 음(-)전압 레벨은 항상 고정되어 있게 된다. 인덕터 전류는 좌측 식과 같이 인덕터 전압(vL)과 인덕턴스(L)에 의해 결정된다. 그러므로 이미 인덕터 전압이 고정된 2-Level Buck 컨버터에서 전류 리플 값을 저감하기 위해서는 인덕턴스를 증가시켜야만 한다. 그러나 인덕턴스가 증가시키기 위해서는 이와 비례하게 인덕터 부피 및 무게가 증가하기 때문에 설계 시 제한사항이 존재한다. 또한 최근 더 가볍고 더 작은 고밀도 시스템 설계가 요구되면서 시스템에서 비교적 큰 부피를 차지하는 인덕터의 부피 및 무게를 줄이기 위한 연구들이 진행되었다.

  이러한 연구에서 나온 결과 중 하나는 3-level Buck 컨버터이다. 3-level Buck 컨버터는 동작 시 인덕터 양단에 걸리는 전압의 크기가 3종류로써 동일 인덕턴스를 사용하는 2-Level Buck 컨버터 대비 전류리플이 저감되는 장점을 갖는다. 그러나 2-level Buck 컨버터 대비 스위칭 소자가 2배 증가하는 단점이 있지만 1개의 스위칭 소자가 부담하는 저지 전압의 크기가 절반으로 감소하므로 비교적 저스펙의 스위칭 소자 사용이 가능하게 된다.

 

2. Topology 분석

 

 

 

  3-Level Buck 컨버터는 기존 2-Level Buck 컨버터의 스위칭 소자 사이 '커패시터 전압(Vc) 발생 회로'가 추가된 구조로 'Vc 발생 회로'는 전류 리플 감소를 위한 핵심 요소이다. 양방향으로 설계하지 않을 경우 Diode 소자로 대체할 수 있는 스위칭 소자가 있지만 본문에서는 양방향 설계를 기본으로 간주하여 분석을 진행한다. 3-Level Buck 컨버터의 4개의 능동소자는 2개의 단으로 분류하여 동작하게 되는데, S1과 S2가 동시에 On 되지 않도록 상보동작을 수행하며 Q1과 Q2가 동시에 On 되지 않도록 상보동작을 수행한다. 이 때 S단과 Q단은 180º의 위상차를 가지고 동작하도록 제어하는데 이는 하기 그림과 같이 인덕터 전류의 변화량이 큰 구간을 균일하게 분배하여 전류 리플을 최소화 하는 효과를 갖는다.

  위 그림에서 인덕터 전류의 3-Level Buck 컨버터는 S단과 Q단의 스위칭 상태에 따라 4가지 동작모드로 동작한다.

 

  2-1. Mode-A, Mode-D

    Mode-A는 S단과 Q단의 상단 스위치가 모두 On인 상태로 'Vin-Vout' 크기의 전압이 인덕터에 인가된다. 감압형 컨버터인 Buck 컨버터 특성에 따라 출력 전압인 Vout은 입력 전압인 Vin 보다 클 수 없기 때문에 Mode-A에서는 인덕터에 항상 양(+)전압이 인가되며 전류는 증가하게 된다. Mode-D는 S단과 Q단의 하단 스위치가 On 상태인 경우로 인덕터에는 항상 음전압인 '-Vout' 이 걸리기 때문에 전류는 감소하게 된다.

 

  2-2 Mode-B, Mode-C

 

  커패시터 전압(vc)는 'Vin-Vout'과 '-Vout' 사이 중간 크기의 인덕터 전압 생성에 있어 주요 Factor이다. 안정적인 전력변환동작을 위해서는 Mode-B와 Mode-C의 동작시간을 통해 커패시터 전압이 '0.5*Vin'이 되도록 제어하여야 한다. Mode-B는 입력전원을 통해 커패시터를 충전하여 커패시터 전압을 증가시키고, Mode-C는 방전하여 커패시터 전압을 감소시킨다. 이 때 각 Mode의 동작시간은 S단과 Q단의 Duty를 통해 결정되는데 두 Duty가 동일할 경우에는 Mode-B와 Mode-C의 동작시간이 같지만 Duty가 상이할 경우 동작시간에 차이가 발생한다. 'S단의 Duty' > 'Q단의 Duty' 일 경우 커패시터 전압은 증가하며 반대의 경우에는 감소하는데 그 원리는 'Duty = 0.5'를 기준으로 다르게 적용된다.

  Duty가 0.5보다 작을 경우에는 S단의 Duty를 증가시켜 Mode-B의 동작시간을 연장하고 Q단의 Duty를 증가시켜 Mode-C의 동작시간을 연장한다. 그러나 Duty가 0.5보다 클 경우에는 S단의 Duty를 증가하여 Mode-C의 동작시간을 단축하고, Q단의 Duty를 증가하여 Mode-B의 동작시간을 단축하게 된다.

    위에서 안정적인 전력변환동작을 위해 커패시터 전압을 '0.5*Vin'으로 제어하여야 한다고 언급하였다. 그 이유는 정상상태에서는 커패시터에 전류 Path가 형성되는 Mode-B와 Mode-C의 동작시간이 동일하여 우측과 같은 식이 성립되기 때문이다.

 

3. 동작 분석

  정상상태에서 커패시터 전압은 0.5*Vin이므로 정상상태의 Mode-B와 정상상태의 Mode-C의 인덕터 전압은 '(0.5*Vin)-Vout'으로 동일하다. 이 때 Vout이 '0.5*Vin' 대비 큰 값인지, 작은 값인지에 따라 3-Level Buck 컨버터는 동작이 분류된다.

 

  3-1. D < 0.5

  3-Level Buck 컨버터의 전압이득비를 계산하기 위해 인덕터의 특성인 '인덕터 정상상태 전압 = 0'을 이용하면 하기 식과 같다. 해당 구간에서는 S단과 Q단의 Duty가 중복되는 구간이 없기 때문에 Mode-A로 동작하는 구간이 없으며, Mode-B, C, D로 전력변환동작을 수행한다. Mode-D에서 인덕터 전압은 음(-)전압이므로 전류가 하강하게 되고 남은 Mode-B, C 구간의 인덕터 전압은 양(+)전압으로 전류가 증가한다. S단과 Q단의 위상차를 통해 전류 하강구간을 분할함으로써 인덕터 전류 증가 구간의 전압 레벨을 낮추어 전류 리플을 저감한 것보다 더욱 전류 리플을 저감하였다.

  3-2. D > 0.5

  Duty가 0.5보다 이상인 구간에서 전압이득비는 하기 식과 같이 Duty가 0.5보다 작은 영역과 동일하므로 3-Level Buck 컨버터는 전압변조영역이 선형적인 것을 알 수 있다. 해당 구간에서 S단과 Q단의 Duty가 중복되는 구간은 Mode-A로 동작하며, 남은 구간은 Mode-B, C로 동작한다. Mode-A는 인덕터에 양(+)전압이 인가되어 전류가 증가하며, Mode-B, C는 인덕터에 음(-)전압을 인가하여 전류를 감소시킨다. 해당 구간에서는 2-Level Buck 컨버터 대비 전류 하강 구간의 인덕터 전압 레벨을 낮추어 전류 리플을 저감시켰다.