SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter) 동작 원리 / DC-DC 컨버터

본문에서는 SEPIC 에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

Buck, Boost, Buck-Boost 와 달리 SEPIC에서는 Capacitor가 전력변환 동작을 수행하는 구성요소로 포함이 됩니다.

그만큼 Topology를 이해하는데 상대적으로 어려울 수 있습니다만 지금부터 차근차근 이야기 해보도록 하겠습니다.

 

[그림 1]은 SEPIC의 기본 Topology를 보여줍니다.

[그림 1] SEPIC Topology

Filter Capacitor인 Cout을 제외하면 SEPIC의 구성요소는 인덕터(L1, L2) 2개 / 커패시터(Cs) 1개 / 스위칭 소자(S) 1개 / 다이오드(D) 1개입니다. Buck / Boost / Buck-Boost 컨버터들보다 구성요소가 더 많죠, 결국에 구성요소가 많다는 것은 제어도 복잡해지고 더 비싸진다는 뜻이 됩니다. 이러한 단점에도 불구하고 SEPIC을 사용하는 영역이 있다는 것은 그만한 장점이 있기 때문입니다. 먼저 Duty에 따라 승압 및 감압 동작을 전부 수행할 수 있는 Topology일 뿐만 아니라 Buck-Boost 컨버터의 단점이였던 입/출력 전압 극성 반전이 없다는 점이 장점이라고 볼 수 있습니다.

 

(그 외의 장점들도 있겠지만 SEPIC을 직접 설계해본 경험이 없어서 이론적인 내용밖에 ㅎㅎㅎㅎㅎ 추후 경험이 생긴다면 업데이트 하도록 하겠습니다.)

 

이제 스위칭 소자(S)의 On / Off state에 따른 동작 모드와 전압전달비를 살펴보도록 하겠습니다.

하기 [그림 2], [그림 3]은 S 의 On / Off 동작 모드를 보여줍니다. 이전에는 충전 모드, 방전 모드 등으로 명명했지만 SEPIC은 충방전이 복합적으로 동작되기 때문에 On 모드, Off 모드로 명명하겠습니다.

[그림 2] SEPIC On 모드

[그림 3] SEPIC Off 모드

[그림 2]의 On 모드에서는 L1은 입력 전원(Vin)에 의해 충전되며, Cs는 방전되면서 L2를 충전시키는 동작을 수행합니다.

[그림 3]은 Off 모드를 보여주며, L1이 방전되면서 Cs를 충전시키고, Cs가 정상상태가 되면 Open 됩니다. 동시에 L2는 방전되면서 출력 측에 전류를 도통시키게 됩니다.

 

Filter Capacitor가 있기는 하지만 기본적인 SEPIC은 출력 측과 가장 가까운 구성요소는 다이오드인 것을 알 수 있는데, 이는 다이오드의 성능이 SEPIC의 성능에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있는 부분입니다.

(그래서 듣기로는 SEPIC을 설계 할 때, 고성능 Diode를 주로 선정한다고 합니다.)

 

이제 전압전달비를 수식적으로 살펴보겠습니다.

[식 1] 입력 측 인덕터(L1)의 정상상태 평균 전압 및 커패시터(Cs) 전압

입력 측 인덕터의 정상상태 평균 전압은 0이 되어야 하기 때문에 [식 1]과 같이 표현할 수 있는데요

크게 어려운 부분은 없으나 Off 상태일 때의 익덕터 전압이 왜 'vin - vcs'가 아니라 'vin - (vcs + vout)'인지 궁금하신 분들이 있을 것 같습니다. 어렵지 않습니다. 커패시터 Cs의 - 노드가 영(0)전위가 아니라 vout의 + 노드에 연결되어 있기 때문에 L1 우측에서 본 Cs의 전위는 'vcs + vout '이 되어 상기 식처럼 표현되었다고 보시면 됩니다.

[식 2] 출력 측 인덕터(L2)의 정상상태 평균 전압 및 커패시터(CS) 전압

출력 측 인덕터의 평균 전압은 [식 2]와 같이 표현할 수 있습니다.

[식 1], [식 2]에서 vcs에 대해서 정리하였기 때문에 두 식을 정리하면 하기의 [식 3]과 같은 SEPIC의 전압전달비를 확인할 수 있으며, 'Duty = 0.5'를 기준으로 감압과 승압 동작을 수행하는 것을 알 수 있습니다.

[식 3] SEPIC 전압전달비

추후에 기회가 있다면 SEPIC을 주로 사용하는 분야나 설계 시 고려해야 될 점들과 같은 심화적인 부분을 살펴보도록 하며, 본문은 동작 원리에 대한 글이기 때문에 기본적인 부분만 이야기하며 마치도록 하겠습니다.

 

(궁금하신 내용이 있다면 글 남겨주세요)