부스트 변환기를 향상시키기위한 포괄적 인 안내서

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그림 1. 컨버터 부스트

Boost Converter 란 무엇입니까?

부스트 변환기는 DC-DC 변환기의 유형으로, 더 낮은 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 증가시킵니다.스텝 업 컨버터 또는 스텝 업 헬기라고도합니다.DC-DC 부스트 컨버터는 일반적으로 사용 가능한 공급 전압이로드에 직접 전원을 공급하기에 불충분 한 전자 시스템에서 일반적으로 사용됩니다.부스트 컨버터의 출력 전압은 항상 입력보다 크기 때문에 변동 또는 제한된 전원으로부터 안정적인 전압이 필요한 응용 분야에서 특히 유용합니다.소형 크기, 효율성 및 일관된 출력을 유지하는 능력은 현대 전력 관리 시스템에서 인기있는 선택입니다.

변환기 키 구성 요소 부스트

그림 2. 컨버터 구성 부스트

• 스위치 : 일반적으로 MOSFET 또는 IGBT는 인덕터의 에너지 저장을 제어하기 위해 상태와 꺼짐 상태를 번갈아 가며 있습니다.효율적인 전압 변환을 위해서는 타이밍이 필요합니다.

• 인덕터 (L) : 전류가 흐를 때 에너지를 자기장에 저장합니다.스위치가 열리면 인덕터는이 에너지를 출력으로 방출하여 스위칭 사이클 동안 지속적인 전류 흐름을 보장합니다.

• 출력 커패시터 (C) : 전압 리플 및 고주파 노이즈를 필터링하여 출력을 부드럽게하여 민감한 하중에 이상적인 정상 전압을 제공합니다.

• 다이오드 (D) : 스위치 오프 단계에서만 전류를 전도하고 인덕터에서 출력으로 에너지를 지시하고 회로를 보호하고 효율성을 유지하는 백 플로우를 방지합니다.

• 부하 저항 (R) : 변환기로 전원을 공급하는 실제 장치 또는 시스템을 나타내며, 조절 된 전압을 수신하고 요구 사항에 따라 전류를 드로잉합니다.

• 전위차계 : 피드백을 컨트롤러 IC로 변경하여 출력 전압을 조정하는 가변 저항.회전하면 출력 전압이 증가하거나 감소합니다.

부스트 컨버터가 어떻게 작동합니까?

DC-DC 부스트 컨버터는 에너지 저장 및 제어 스위칭을 사용하여 더 낮은 DC 입력 전압을 더 높은 조절 출력 전압으로 올려서 작동합니다.배터리 또는 태양 전지판과 같은 저전압 전원이 더 높은 작동 전압이 필요한 장치를 효율적으로 공급할 수 있도록합니다.

작동 중에 스위치 (일반적으로 MOSFET)가 켜져 전류가 인덕터를 통과 할 수 있습니다.이로 인해 인덕터는 자기장의 형태로 에너지를 저장하게됩니다.스위치가 켜져있는 동안 다이오드는 전류가 출력에 도달하는 것을 방지합니다.스위치가 꺼지면 인덕터의 자기장이 무너져 저장된 에너지가 방출됩니다.이 에너지는 다이오드를 통해 출력으로 밀려 들어 입력 레벨 위의 전압을 강화합니다.

하중으로 전달 된 전압을 안정화시키기 위해 커패시터가 출력에 배치됩니다.전압 잔물결과 고주파 스위칭 노이즈를 걸러내어 부드럽고 일관된 DC 전압을 제공합니다.

스위치는 펄스 폭 변조 (PWM)에 의해 조절되며, 여기서 듀티 사이클 또는 각 사이클에서 스위치가 켜진 시간의 비율은 출력 전압을 제어하기 위해 다양합니다.고정 주파수 PWM은 단순성과 신뢰성으로 인해 부스트 컨버터에서 일반적으로 사용됩니다.

Boost 변환기 작동은 스위치가 켜져있을 때와 스위치가 꺼질 때 두 가지 주요 모드를 검사함으로써 더 잘 이해할 수 있습니다.

모드 I 스위치 온 상태입니다

모드 I에서 스위치가 켜지고 다이오드가 꺼지고이 위상은 인덕터의 에너지 저장에 중점을 둡니다.

그림 3. 스위치 S가 닫힐 때 변환기 회로도 부스트

스위치가 켜져 있으면 어떻게됩니까?

모드 I에서, 스위치 (들)가 닫히고 입력 전압 소스와 인덕터 (L) 사이에 루프를 형성한다.다이오드 및 출력 단계를 우회하여 인덕터 및 스위치를 통한 입력에서 전류가 흐릅니다.다이오드는 역 바이어스로 유지되며 전류가 하중에 도달하는 것을 방지합니다.

이 기간 동안 인덕터는 자기장의 형태로 에너지를 저장합니다.이 저장된 에너지는 나중에 스위치가 꺼질 때 출력 전압을 향상시키는 데 사용됩니다.

인덕터 동작 및 전압 관계

스위치가 켜져 있으면 Kirchhoff의 전압 법칙 (KVL)이 적용됩니다.

인덕터 전압은 전류 변화 속도와 관련이 있기 때문에 다음과 같습니다.

우리는 쓸 수 있습니다 :

이것은 스위치가 닫히는 한 인덕터 전류가 선형으로 증가 함을 보여줍니다.

타이밍, 주파수 및 듀티 사이클

스위치는 톤으로 표시되고 Toff의 경우 꺼져 있습니다.총 사이클 시간 t는이 두 간격의 합입니다.

이것으로부터, 우리는 스위칭 주파수를 정의합니다.

한주기 동안 스위치가 켜진 시간을 나타내는 듀티 사이클은 다음과 같습니다.

이것은 부스트 컨버터의 출력 전압을 결정하는 데 중요한 매개 변수입니다.

인덕터 전류의 변화

DT 기간 동안 스위치가 켜져 있으므로 인덕터 전류 ΔI의 변화_엘 이 기간 동안 :

이 표현식은 스위치가 닫히는 동안 인덕터 저장 에너지의 양을 설명합니다.이 저장된 에너지는 다이오드가 수행 될 때 모드 II 동안 출력으로 방출됩니다.

모드 I은 부스트 컨버터의 에너지 저장 단계입니다.스위치가 켜지고 다이오드가 꺼지면 전류는 인덕터를 통해 흐르고 자기장에 에너지를 저장합니다.이 프로세스를 이해하는 것은 효율적인 DC-DC 변환기를 분석하고 설계하는 데 중요합니다.

다음으로 스위치가 꺼지고 다이오드가 켜지는 모드 II를 탐색하여 출력에 에너지를 전달하고 전압을 강화합니다.

그림 4. 스위치 S가 열리면 변환기 회로도 부스트

모드 II 스위치 오프 상태

모드 II에서 스위치가 꺼져 전류가 흐르지 않도록합니다.동시에, 다이오드는 전방 바이어스이며 전류가 통과 할 수 있습니다.이 변화는 이전 모드에서 충전 된 인덕터에 저장된 에너지가 회로로 방출됩니다.

인덕터는 에너지 원으로 작용하여 다이오드를 통해 전류를 출력 커패시터로 밀고 부하로 밀어 넣습니다.이 프로세스는 출력 전압을 증가시킵니다.이 단계에서 인덕터를 통한 전류는 감소하지만 동일한 방향으로 계속 흐르면 하중에 안정적인 공급을 유지하는 데 도움이됩니다.

Kirchhoff의 전압 법칙을 사용한 회로 분석

이 모드를 분석하려면 루프에 Kirchhoff의 전압 법칙 (KVL)을 적용하십시오.

방정식 재 작성 :

인덕터 전압 전류 관계에서 :

얻을 수있는 대체 :

이것은 스위치가 꺼질 때 시간이 지남에 따라 인덕터 전류가 어떻게 변하는지를 보여줍니다.

타이밍 및 듀티 사이클 관계

완전한 스위칭주기는 정시 (TON) 및 오프 타임 (TOFF)으로 구성됩니다.

듀티 사이클 DDD를 다음과 같이 정의하십시오.

모드 II 동안 전류 변화에 대한 방정식 사용 :

이것은 에너지를 하중으로 방출하는 반면 인덕터를 통한 전류 감소를 나타냅니다.

정상 상태 운영

정상 상태에서는 하나의 전체 사이클에 걸친 인덕터 전류의 총 변화는 0입니다.모드 I 동안의 전류 증가는 모드 II 동안 감소에 의해 취소됩니다.

두 표현을 모두 대체합니다.

전압 비율 해결 :

이것은 입력 전압 및 듀티 사이클을 기반으로 부스트 컨버터의 출력 전압을 설명하는 핵심 공식입니다.

듀티 사이클이 출력 전압에 어떤 영향을 미칩니 까?

듀티 사이클 D의 범위는 0에서 1 사이입니다. d가 증가함에 따라 출력 전압도 증가합니다.이론적으로, d가 1에 접근함에 따라, 출력 전압은 무한대를 향한 경향이있다.실제로 이것은 손실, 구성 요소의 한계 및 시스템 불안정성으로 인해 달성 할 수 없습니다.

불안정성을 피하기 위해 설계자는 일반적으로 듀티 사이클을 0.7 미만으로 제한합니다.D = 1에 가깝거나 가까이에서 작동하는 것은 전압 스파이크, 고전류 잔물결 및 효율 감소를 유발할 수 있기 때문에 실용적이지 않습니다.

부스트 컨버터의 모드 II는 인덕터의 저장된 에너지가 부하에 전력을 공급하고 출력 전압을 높이는 방법을 보여줍니다.이 모드를 이해하는 것은 효율적인 DC-DC 변환기를 설계하고 성능을 최적화하는 데 필수적입니다.듀티 사이클을 제어하면 전압 수준을 관리하고 다양한 애플리케이션에서 안정적인 작동을 유지할 수 있습니다.

스위치 타이밍 외에도 인덕터 전류의 동작은 전도 모드, 성능 및 설계에 영향을 미칩니다.이들은 연속적이고 불연속적인 전도 모드로 분류됩니다.

연속 대 불연속 전도 모드

이 모드는 전환 사이클 동안 인덕터를 통해 전류가 흐르는 방식을 설명하고 컨버터의 성능, 효율 및 구성 요소 선택에 크게 영향을 미칩니다.

연속 전도 모드 (CCM)

그림 5. 연속 전도 모드 (CCM)의 파형

파형에 표시된 바와 같이 부스트 컨버터의 연속 전도 모드 (CCM)에서 인덕터 전류 I_엘 (상단에서 두 번째 플롯)는 스위칭 사이클 동안 절대 0으로 떨어지지 않습니다.스위치가 켜져있을 때 (첫 번째 플롯), 인덕터 전류는 인덕터의 자기장에 에너지가 저장됨에 따라 선형으로 상승합니다.이것은 i의 상향 경사에 해당합니다_엘 파형.스위치가 꺼지면 인덕터는 저장된 에너지를 다이오드를 통해 출력에 방출하여 I의 하향 경사면에서 볼 수 있듯이 인덕터 전류가 선형으로 감소합니다._엘 파형.그러나 항상 0 이상으로 남아있어 연속 전도를 확인합니다.

다이오드 전류 i_디 (세 번째 플롯)는 스위치가 켜져있을 때 0이며 스위치가 꺼질 때 인덕터 전류와 같습니다.이것은 오프 기간 동안 만 보이는 삼각형 모양을 설명합니다.인덕터 리플 전류 i_엘 (네 번째 플롯) i 사이의 진동을 보여줍니다₁ 그리고 나₂, 평균 인덕터 전류에 중첩 된 잔물결을 나타냅니다.

스위치 v를 가로 지르는 전압_엘 (제 5 플롯) 0V (스위치 켜기)와 V 사이를 번갈아 가며_안에 이상적인 스위치 동작을 보여주는 (스위치 끄기).출력 전압 v₀ (하단 플롯)는 v보다 높습니다_안에 하중으로의 연속 에너지 전달로 인해 최소 잔물결로 비교적 일정합니다.

이러한 파형은 인덕터가 항상 전류를 수행하도록함으로써 CCM이 리플 및 효율적인 작동으로 안정적인 출력을 유지하는 방법을 명확하게 보여줍니다.

불연속 전도 모드 (DCM)

그림 6. 불연속 전도 모드 (DCM)의 파형

부스트 컨버터에서 불연속 전도 모드 (DCM)는 다음 스위칭 사이클이 시작되기 전에 인덕터 전류가 0으로 떨어질 때 발생합니다.이것은 전형적으로 전등 조건에서 발생하며, 스위치 온 단계 동안 인덕터에 저장된 에너지는 다음 사이클이 시작되기 전에 출력으로 완전히 전달됩니다.

파형 다이어그램에서 첫 번째 간격 동안 스위치가 켜져 있습니다 (D_티), 에너지를 저장함에 따라 인덕터 전류가 상승하게됩니다.스위치가 꺼지면 다음 간격 동안 인덕터는 다이오드를 통해 출력 으로이 에너지를 방출하고 전류가 감소합니다.DCM에서, 다음 사이클이 시작되기 전에 전류가 완전히 0으로 떨어지면서 각 스위칭 기간이 끝날 때 평평한 제로 전류 간격을 만듭니다.

이 제로 전류 기간은 DCM을 연속 전도 모드 (CCM)와 구별하고 사다리꼴 전류 파형을 초래합니다.인덕터 전압은 또한이 3 단계 작동을 반영합니다. 충전 중에는 양수이며, 방전 중 음수, 전류가 0 일 때 0이됩니다.커패시터로 인해 출력 전압은 대부분 정밀하게 유지되지만 Ripple은 DCM이 증가 할 수 있습니다.

DCM은 조명 또는 다양한 하중에 유용하며 더 작은 인덕터를 허용하여 설계를보다 컴팩트하게 만듭니다.그러나 피크 전류와 전압 리플이 더 높아 CCM에 비해 효율을 약간 줄일 수 있습니다.

CCM과 DCM을 선택합니다

연속 및 불연속 전도 모드 중에서 선택은 응용 프로그램의 부하 요구 사항, 크기 제약 조건 및 효율성 목표에 따라 다릅니다.

컨버터 효율 및 손실을 향상시킵니다

부스트 컨버터 효율은 단일 요인이 아니라 여러 유형의 손실의 결합 효과에 의해 정의됩니다.부스트 컨버터 손실의 각 소스를 식별하고 최소화함으로써보다 효율적이고 쿨러이며보다 안정적인 시스템을 만들 수 있습니다.

컨버터 장단점을 향상시킵니다

결론

올바른 구성 요소, 스위칭 방법 및 설계 고려 사항을 사용하면 Boost Converter는 저전압 소스에서 안정적인 고출력 전력을 제공 할 수 있습니다.부스트 변환기는 오늘날 광범위한 실제 응용 분야에서 발견됩니다.다양한 모드에서 Boost Converter 운영을 학습함으로써, 성능이 설계 선택에 의해 영향을 받는지 및 손실을 관리하는 방법을 통해 신뢰할 수 있고 에너지 효율적인 시스템을 만들 수 있습니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. 부스트 컨버터가 과부하가 걸리면 어떻게됩니까?

과부하가 발생하면 Boost 변환기가 과열되거나 보호가 활성화 된 경우 전압 감소를 경험하거나 종료 될 수 있습니다.장기간 과부하로 구성 요소가 손상 될 수 있습니다.

2. 부스트 컨버터가 반대로 작동 할 수 있습니까?

아니요, 부스트 컨버터는 전압을 낮출 수 없습니다.리버스 작동의 경우 벅 또는 벅-부스트 변환기가 필요합니다.

3. 부스트 컨버터에 대한 올바른 인덕터를 선택하는 방법은 무엇입니까?

주파수 및 하중 범위에서 잔물결을 낮게 유지하는 적절한 전류 등급, 저항 및 인덕턴스가있는 인덕터를 선택하십시오.

4. 부스트 컨버터의 이상적인 듀티 사이클 범위는 무엇입니까?

대부분의 설계는 효율성을 유지하고 불안정성을 피하며 과도한 응력으로 구성 요소를 보호하기 위해 듀티 사이클을 70% 미만으로 제한합니다.

5. 부스트 컨버터와 충전 펌프의 차이점은 무엇입니까?

부스트 컨버터는 인덕터 및 스위칭을 사용합니다.충전 펌프는 커패시터를 사용하여 전하를 이체합니다.부스트 변환기는 더 높은 전류를 처리하고 더 큰 하중에 더 효율적입니다.