Buck-Boost 컨버터 동작 원리 / DC-DC 컨버터

비절연형 DC-DC 컨버터 Topology 기본 3대장 중 마지막인 Buck-Boost 컨버터에 대해서 살펴보겠습니다.

 

Buck-Boost 컨버터의 장점은 Duty에 의해서 감압과 승압 동작이 가능한 것인데요.

이런 장점에도 불구하고 실제 산업 현장에서는 주로 사용되지 않고 있습니다.

 

그 이유는 입력 전압 극성과 출력 전압 극성이 반전된다는 큰 단점이 있기 때문인데요.

자세한 내용은 지금부터 이야기해보도록 하겠습니다.

 

[그림 1]은 Buck-Boost 컨버터의 구성을 보여줍니다.

다이오드의 방향만 살펴보더라도 출력 측의 전류 Path가 상단에서 하단으로 형성되기 어려울 것으로 보이네요.

[그림 1] Buck-Boost 컨버터 Topology

스위칭 소자 S의 On / Off 상태에 따라서 [그림 2]와 [그림 3]으로 동작 모드를 분류하였습니다.

 

그림을 살펴보기에 앞서 학부 회로이론 조교 시절에 소자의 전압극성을 헷갈려 하는 학생들이 많았던 기억이 나서 이 부분부터 짚고 넘어가겠습니다.

 

커패시터든 인덕터든 어떠한 소자든지 간에 충전(또는 흡수)과 같은 외부의 전류를 받아들일 경우에는 받아들여지는 측이 양(+)극이 됩니다. [그림 2], [그림 3]에서는 붉은색으로 표기한 전류 Path가 이 때에 해당됩니다.

반면 방전(또는 방출)과 같이 보유하고 있는 에너지(전하? 등등)을 내보내는 경우에는 전류가 나가는 곳이 양(+)극이 되죠, [그림 2], [그림 3]에서는 푸른색으로 표기한 전류 Path가 이 때에 해당됩니다.

 

다만 여기서 충전 모드, 방전 모드의 명명 기준은 인덕터를 기준으로 하고 있기 때문에 [그림 2]는 충전 모드, [그림 3]은 방전 모드로 명명하겠습니다.

[그림 2] Buck-Boost 컨버터의 충전 모드

[그림 3] Buck-Boost 컨버터의 방전 모드

 

즉, 출력 측은 외부에서 전류를 받아들이기 때문에 전류가 유입되는 측이 양(+)극이 되는데 [그림 2], [그림 3]에서 보는 것과 같이 전류 방향이 하단에서 상단으로 흐르기 떄문에 입력측과 전압 극성이 반대가 되게 됩니다.

 

이 특성은 접지단을 공용화 할 수 없다는 큰 단점이 되게 됩니다.

 

입/출력 전압 극성이 반전되는 것을 살펴 보았으니, 이제는 Duty에 따른 전압전달비를 수식적으로 살펴보겠습니다.

전압전달비 수식은 정상상태에서의 인덕터는 Short로 보이는 특성을 이용하여 하기 [식 1]을 정리하면 확인할 수 있습니다.

 

[식 1] Buck-Boost 컨버터의 정상상태 인덕터 전압

[식 2] Buck-Boost 컨버터 전압전달비

즉, Duty 0.5를 기준으로 감압 동작과 승압 동작이 제어된다는 것을 확인할 수 있습니다.