Buck 컨버터 동작 원리 / DC-DC 컨버터

본문에서는 Buck 컨버터의 동작 원리 및 기본 내용에 대해서 이야기하겠습니다.

 

DC-DC 컨버터는 크게 구조에 따라서 비절연형/절연형으로 분류하게 되는데,

Buck 컨버터는 비절연형 DC-DC 컨버터 기본 3종 중 하나로서 전력변환장치를 배울때 가장 먼저 배우는 토폴로지입니다.

 

Buck 컨버터는 입력전압이 출력전압보다 큰 (Vin > Vout)인 감압형 컨버터인데요.

지금부터 Buck 컨버터가 어떻게 감압동작을 수행하는지 알아보도록하겠습니다.

 

아래 [그림 1]은 Buck 컨버터 토폴로지입니다.

보시다시피 1개의 스위칭 소자(S)와 1개의 다이오드(D) 그리고 1개의 인덕터(L)로 구성되어 있습니다.

[그림 1] Buck 컨버터 토폴로지

 

구조가 간단한만큼 동작 모드는 [그림 2], [그림 3]과 같이 2가지로 분류할 수 있습니다.

[그림 2] 충전 모드(S = On)

[그림 3] 방전 모드(S = Off)

 

[그림 2]는 S가 On 된 상태로 입력전원이 인덕터를 충전시키는 충전 모드이며,

[그림 3]은 S가 Off 된 상태로 충전된 인덕터가 부하(출력 측)에 전원을 공급하는 방전모드입니다.

(그림 2,3에 표기된 인덕터 전압의 극성은 인덕터 극성의 반전을 강조하기 위해 표기하였습니다.)

 

왜 Buck 컨버터가 감압형 컨버터인지 쉽게 말하자면,

입력 전원이 출력에 전원을 공급할 때에는 인덕터가 전원을 일부 뺏어서 보내고 입력 전원이 출력과 끊어졌을 때는 뺏었던 전원을 공급하기 때문에 항상 Buck 컨버터의 출력전압은 출력전압보다 작게 됩니다.

 

위 개념을 수식적으로 이야기하자면 하기와 같습니다.

 

인덕터 전압은 [식 1]과 같이 표현이 가능하며, 정상상태의 인덕터는 Short 상태로 이야기됩니다.

즉, 정상상태에서 인덕터 전압은 '0'이 되어야 하며, [식 2]와 같이 충전 모드의 인덕터 전압과 방전 모드의 인덕터 전압의 합은 0이 됩니다. 하기 식의 D는 Duty비로 S가 On 되는 비율입니다.

[식 1] 인덕터 평균 전압

위 식을 정리하면 [식 2]와 같은 Buck 컨버터의 전압전달비(전압이득비, 전력전달비)로 표현이 가능합니다.

[식 2] Buck 컨버터의 전압전달비

D는 위에서 말한 것과 같이 S가 On 되는 비율이기 때문에 항상 1보다 작으며,

따라서 Vout은 항상 Vin 보다 작기 때문에 Buck 컨버터는 감압형 컨버터임을 수식적으로 확인할 수 있습니다.

 

마지막으로 동작 모드에 따른 파형인 [그림 4]로 마무리 하겠습니다.

(그림 4의 인덕터 전압 극성 기준은 그림 1의 인덕터 좌측(입력측)이 +, 우측(출력측)이 - 입니다.)

[그림 4] Buck 컨버터 모드 별 동작 파형

관련하여 문의사항들은 댓글 등을 통해 남겨 주시면 확인하여 답변드리도록 하겠습니다.