DC-DC 컨버터

DC-to-DC converter
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전력 시스템 구성 요소

DC-DC 컨버터는 직류(DC) 소스를 전압 레벨에서 다른 전압 레벨로 변환하는 전자 회로 또는 전기 기계 장치입니다.이것은 일종의 전력 변환기입니다.전력 레벨은 매우 낮은 수준(소형 배터리)에서 매우 높은 수준(고전압 전력 전송)까지 다양합니다.

역사

다음 항목도 참조하십시오.앤티크 라디오 » 자동차 라디오

전력 반도체가 개발되기 전에는 저전력 어플리케이션에서 DC 전원 전압을 더 높은 전압으로 변환하는 방법 중 하나는 진동자를 사용하여 AC로 변환한 다음 승압 변압기를 사용하여 최종적으로 [1][2]정류기로 변환하는 것이었습니다.더 높은 출력이 필요한 경우, 모터-발전기 장치가 종종 사용되었으며, 이 장치에서는 전기 모터가 원하는 전압을 생성하는 발전기를 구동했습니다.(모터와 발전기는 별개의 장치일 수도 있고 외부 동력축이 없는 단일 "다이나모터" 장치로 결합될 수도 있습니다.이러한 상대적으로 비효율적이고 비싼 설계는 자동차 라디오(6V 또는 12V 차량 [1]배터리에서 사용 가능한 것보다 훨씬 높은 전압을 필요로 하는 열전자 밸브(튜브)를 사용)에 전력을 공급하기 위해 대안이 없을 때만 사용되었습니다.전력 반도체와 집적회로의 도입에 의해, 이하에 나타내는 기술을 사용해 경제성을 실현했습니다.예를 들어, 우선 DC 전원장치를 변압기의 입력으로 고주파 AC로 변환하는 것입니다(고주파수로 인해 작고 가볍고 저렴함). DC로 [3]복구되는 전압을 변경합니다.1976년까지 트랜지스터 자동차 라디오 수신기는 고전압을 필요로 하지 않았지만, 일부 아마추어 무선 사업자는 트랜지스터화된 전원을 사용할 [4]수 있었지만 고전압을 필요로 하는 모바일 트랜시버에 진동자 공급과 동력기를 계속 사용했습니다.

선형 조절기 또는 저항기를 사용하여 더 높은 곳에서 더 낮은 전압을 도출할 수 있었지만, 이러한 방법은 초과 전압을 열로 방산했습니다. 에너지 효율적인 변환은 솔리드 스테이트 스위치 모드 회로에서만 가능했습니다.

사용하다

다음 항목도 참조하십시오.고전압 직류

DC-DC 컨버터는 주로 배터리에서 전력을 공급받는 휴대폰이나 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 사용됩니다.이러한 전자 장치에는 종종 여러 개의 하위 회로가 포함되어 있으며, 각 회로에는 배터리 또는 외부 전원에서 공급되는 전압 레벨과 다른 전압 레벨 요구 사항이 있습니다(때로는 전원 전압보다 높거나 낮습니다).또한 저장된 에너지가 소모됨에 따라 배터리 전압이 감소합니다.스위치드 DC-DC 컨버터는 부분적으로 낮은 배터리 전압에서 전압을 높이는 방법을 제공하므로 동일한 작업을 수행하기 위해 여러 배터리를 사용하는 대신 공간을 절약할 수 있습니다.

대부분의 DC-DC 컨버터 회로는 출력 전압도 조절합니다.일부 예외로는 고효율 LED 전원(LED를 통해 전류를 조절하는 DC-DC 컨버터의 일종)과 출력 전압을 2배 또는 3배로 하는 단순 충전 펌프 등이 있습니다.

태양광 발전 시스템과 풍력 터빈의 에너지 수확을 최대화하도록 설계된 DC-DC 변환기를 전력 최적화 장치라고 합니다.

50~60Hz의 주 주파수에서 전압 변환에 사용되는 변압기는 몇 와트를 초과하는 전력의 경우 크고 무거워야 합니다.이로 인해 비용이 많이 들고 와인딩과 코어 내 와전류 때문에 에너지 손실이 발생합니다.변압기 또는 인덕터를 사용하는 DC-DC 기술은 훨씬 더 높은 주파수에서 작동하며 훨씬 작고 가볍고 저렴한 감김 구성 요소만 필요합니다.따라서 이러한 기법은 주전압 변압기를 사용할 수 있는 곳에서도 사용됩니다. 예를 들어 가정용 전자제품의 경우 주전압을 DC로 교정하고 스위치 모드 기법을 사용하여 원하는 전압에서 고주파 AC로 변환한 다음 일반적으로 DC로 교정합니다.전체 복잡한 회로는 동일한 출력의 단순한 주 변압기 회로보다 저렴하고 효율적입니다.DC-DC 변환기는 다양한 전압 레벨의 맥락에서 DC 마이크로 그리드 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

전자 변환

실용적인 전자 변환기는 전환 기술을 사용합니다.스위치 모드 DC-DC 변환기는 입력 에너지를 일시적으로 저장한 후 다른 전압으로 출력에 방출함으로써 DC 전압 레벨을 높거나 낮거나 할 수 있는 다른 레벨로 변환합니다.저장소는 자기장 저장 부품(인덕터, 변압기) 또는 전기장 저장 부품(캐패시터)에 있을 수 있습니다.이 변환 방법은 전압을 높이거나 낮출 수 있습니다.스위칭 변환은 불필요한 전력을 열로 방출하는 선형 전압 조절보다 전력 효율(일반 효율은 75~98%)이 높은 경우가 많습니다.효율화를 위해서는 빠른 반도체 장치의 상승 및 하강 시간이 필요하지만, 이러한 빠른 이행은 레이아웃 기생 효과와 결합되어 회로 설계가 [5]어려워집니다.스위치 모드 컨버터의 효율이 높기 때문에, 필요한 히트 싱크가 저감 되어, 휴대 기기의 배터리 내구성이 향상됩니다.효율은 1980년대 후반부터 전력 FET의 사용으로 향상되었습니다.전력 FET는 전력 양극 트랜지스터보다 높은 주파수에서 스위칭 손실[de]로 보다 효율적으로 전환할 수 있고 복잡한 드라이브 회로를 덜 사용할 수 있습니다.DC-DC 컨버터의 또 다른 중요한 개선점은 플라이백 다이오드를 전원 FET를 사용하여 동기식[6] 정류로 교체하는 것입니다. 이 전원 FET는 "온 저항"이 훨씬 낮기 때문에 스위칭 손실이 감소합니다.전력 반도체가 널리 보급되기 전에는 저전력 DC-DC 동기 변환기가 전기 기계식 진동자, 이어서 진공관 또는 반도체 정류기에 공급되는 전압 승압 변압기 또는 진동자의 동기 정류 접점으로 구성되었습니다.

대부분의 DC-DC 컨버터는 전력을 전용 입력에서 출력으로 한 방향으로만 이동하도록 설계되어 있습니다.단, 모든 스위칭 레귤레이터 토폴로지는 쌍방향으로 할 수 있으며 독립적으로 제어되는 액티브 정류로 모든 다이오드를 교체함으로써 전력을 어느 방향으로도 이동할 수 있습니다.양방향 변환기는 예를 들어 주행 중에는 휠에 동력이 공급되고 제동 시에는 휠에 의해 동력이 공급되는 차량의 회생 제동이 필요한 경우에 유용합니다.

부품은 거의 필요 없지만 스위칭 컨버터는 전자적으로 복잡합니다.모든 고주파 회로와 마찬가지로 컴포넌트를 신중하게 지정하고 물리적으로 배치하여 안정된 동작을 실현하고 스위칭 노이즈(EMI/RFI)를 허용 가능한 [7]수준으로 유지해야 합니다.전압 강하 애플리케이션에서는 리니어 레귤레이터보다 비용이 높지만 칩 설계의 진보로 인해 비용이 감소하고 있습니다.

DC-DC 컨버터는 추가 컴포넌트가 거의 필요하지 않은 집적회로(IC)로 사용할 수 있습니다.컨버터는 완전한 하이브리드 회로 모듈로도 사용할 수 있으며, 전자 어셈블리 내에서 사용할 수 있습니다.

과도한 전압암페어를 열로 소멸시킴으로써 입력전압 및 출력부하에 의존하지 않고 안정적인 DC를 출력하기 위해 사용되는 리니어 레귤레이터는 문자 그대로 DC-DC 변환기라고 할 수 있지만 일반적인 사용법은 아닙니다.(다음 전압 레귤레이터 또는 제너 다이오드에 의해 안정화되는지 여부에 관계없이 단순한 전압 드로퍼 저항도 마찬가지입니다.)

또한 다이오드 및 캐패시터를 사용하여 DC 전압에 정수 값을 곱하여 일반적으로 소량의 전류만 전달하는 단순한 용량성 전압 더블러 및 Dickson 승수 회로도 있습니다.

마그네틱

이러한 DC-DC 변환기에서 에너지는 인덕터 또는 변압기의 자기장 내에 정기적으로 저장되며 일반적으로 300kHz~10MHz의 주파수 범위 내에서 방출됩니다.충전전압의 듀티사이클(즉 온/오프시간의 비율)을 조정함으로써 부하에 전달되는 전력량을 보다 쉽게 제어할 수 있지만 이 제어는 입력전류, 출력전류에도 적용할 수 있고 정전력을 유지할 수 있다.변압기 기반 변환기는 입력과 출력을 분리할 수 있습니다.일반적으로 DC-DC 컨버터라는 용어는 이러한 스위칭컨버터 중 하나를 가리킵니다.이러한 회로는 스위치 모드 전원 장치의 심장입니다.많은 토폴로지가 존재합니다.다음 표에 가장 일반적인 항목을 보여 줍니다.

순방향(자기장을 통한 에너지 전달) 플라이백(에너지는 자기장에 저장됨)
변압기 없음(비절연)
  • 비반전:출력 전압은 입력과 같은 극성입니다.
    • 스텝업(부스트) - 출력 전압이 입력 전압보다 높습니다.
    • SEPIC - 출력 전압은 입력보다 낮거나 높을 수 있습니다.
  • 반전: 출력 전압이 입력과 반대 극성입니다.
  • True buck-boost - 출력 전압은 입력과 동일한 극성으로 더 낮거나 더 높을 수 있습니다.
  • Split-pi(부스트벅) - 입력과 동일한 극성으로 출력 전압을 양방향으로 변환할 수 있으며 더 낮거나 더 높을 수 있습니다.
변압기 포함(분리 가능)
  • 전진 - 1 또는 2 트랜지스터 드라이브.
  • 푸시 풀(하프 브리지) - 2개의 트랜지스터 구동
  • 풀 브리지 - 4개의 트랜지스터 [8]구동

또한 각 토폴로지는 다음과 같습니다.

하드 스위치
트랜지스터는 최대 전압과 최대 전류에 노출되어 있는 동안 빠르게 전환됩니다.
공명
LC 회로는 전압 또는 전류가 0일 때 트랜지스터가 전환되도록 트랜지스터와 트랜지스터 사이의 전압을 형성합니다.

자기 DC-DC 변환기는 주 자기 부품(인덕터 또는 변압기)의 전류에 따라 두 가지 모드로 작동할 수 있습니다.

계속되는
전류가 변동하지만 절대 0으로 내려가지 않습니다.
불연속
전류가 사이클 중에 변동하여 각 사이클이 종료되기 전에 0으로 내려갑니다.

컨버터는 고출력에서는 연속 모드로, 저전력에서는 불연속 모드로 동작하도록 설계할 수 있다.

하프 브리지와 플라이백 토폴로지는 코어가 포화되지 않도록 자기 코어에 저장된 에너지를 분산해야 한다는 점에서 유사합니다.플라이백 회로의 전력 전송은 코어에 저장할 수 있는 에너지의 양에 의해 제한되며, 포워드 회로는 보통 스위치의 I/V 특성에 의해 제한됩니다.

MOSFET 스위치는 최대 전류와 전압을 동시에 허용할 수 있지만(열응력과 전자화가 MTBF를 단축할 수 있지만), 일반적으로 바이폴라 스위치는 스너버(또는 2개)를 사용할 필요가 없습니다.

고전류 시스템에서는 인터리브 [9][10][11]컨버터라고도 불리는 다상 컨버터를 사용하는 경우가 많습니다.다상 규제 기관은 단상 규제 [12]기관보다 더 나은 파급력과 응답 시간을 가질 수 있습니다.

많은 노트북 및 데스크톱 메인보드에는 인터리브 버크 레귤레이터가 포함되어 있으며 전압 레귤레이터 [13]모듈로도 사용할 수 있습니다.

양방향 DC-DC 변환기

비절연 스위칭 DC-DC 컨버터 토폴로지 비교:벅, 부스트, 벅 부스트, 추크입력은 왼쪽, 로드가 있는 출력은 오른쪽입니다.스위치는 일반적으로 MOSFET, IGBT 또는 BJT 트랜지스터입니다.
모터와 제너레이터가 분리된 모터 제너레이터.

이러한 변환기의 고유성은 에너지가 변환기의 양방향으로 흐른다는 것입니다.이러한 변환기는 다양한 애플리케이션에서 일반적으로 사용되며 두 레벨의 DC 전압 사이에 연결되어 에너지가 한 레벨에서 다른 [14]레벨로 전달됩니다.

  • 부스트 양방향 DC-DC 컨버터
  • Buck 양방향 DC-DC 컨버터
  • 부스트벅 비반전 양방향 DC-DC 컨버터
  • 부스트-벅 반전 양방향 DC-DC 컨버터
  • SEPIC 양방향 DC-DC 변환기
  • CUK 양방향 DC-DC 컨버터

복수의 절연된 양방향 DC-DC 변환기도 갈바닉 격리가 필요한 [15]경우에 일반적으로 사용됩니다.

  • 양방향 플라이백
  • 격리된 ćCHUK 및 SEPIC/ZETA
  • 푸시풀
  • 포와드
  • 듀얼 액티브브릿지(DAB)
  • 듀얼 하프 브리지
  • 하프풀브릿지
  • 멀티포트 DAB

용량

주요 기사:충전 펌프

스위치드 캐패시터 컨버터는 다양한 토폴로지의 입력 및 출력에 캐패시터를 번갈아 연결합니다.예를 들어 스위치드 캐패시터 리덕션컨버터는 2개의 캐패시터를 직렬로 충전한 후 병렬로 방전할 수 있습니다.이것에 의해, 입력 전압의 절반과 전류의 2배의 출력 전력(100%미만의 효율로 손실되는 전력)이 산출됩니다.이들은 별개의 전하량으로 작동하기 때문에 충전 펌프 컨버터라고도 합니다.이들은 일반적으로 비교적 작은 전류를 필요로 하는 용도에 사용됩니다. 높은 전류에서는 효율이 높아지고 스위치 모드 변환기의 크기가 작으면 더 나은 [16]선택이 되기 때문입니다.자기장치는 또한 매우 높은 전압에서도 사용되는데, 이러한 전압에서는 자기장이 분해되기 때문입니다.

전기 기계 변환

주요 기사:모터 발전기

모터-발전기 세트는 주로 역사적 관심사가 있으며, 전기 모터와 발전기가 함께 결합되어 있다.동력기는 두 기능을 하나의 장치로 결합하고 모터 및 제너레이터 기능을 하나의 로터에 감싼 코일과 결합합니다. 두 코일은 동일한 외부 필드 코일 또는 [4]자석을 공유합니다.일반적으로 모터 코일은 제너레이터 코일이 샤프트의 다른 쪽 끝에 있는 다른 정류자로 출력될 때 샤프트의 한쪽 끝에 있는 정류자에서 구동됩니다.전체 로터와 샤프트 어셈블리는 한 쌍의 기계보다 크기가 작으며 노출된 구동축이 없을 수 있습니다.

모터-발전기는 DC 및 AC 전압과 위상 표준의 모든 조합 간에 변환할 수 있습니다.대형 모터-발전기 세트는 산업용 전력량을 변환하는 데 널리 사용되었으며, 소형 장치는 배터리 전력(6, 12 또는 24V DC)을 높은 DC 전압으로 변환하는 데 사용되었으며, 이는 진공관(열전자 밸브) 장비를 작동시키는 데 필요했습니다.

차량 배터리에서 공급되는 전압보다 높은 전압에서 저전력 요건을 위해 진동자 또는 "버저" 전원 공급 장치를 사용했습니다.진동자는 초당 여러 번 배터리의 극성을 전환하는 접점을 통해 기계적으로 진동하여 DC를 사각파 AC로 효과적으로 변환하고, 이 AC는 필요한 출력 전압의 변압기에 공급될 수 있습니다.[1]특유의 윙윙거리는 소리가 났다.

전기화학적 변환

바나듐 레독스 배터리와 같은 레독스 플로우 배터리를 사용하여 킬로와트~메가와트 범위에서 직류-직류 변환의 또 다른 수단을 제시한다.

무질서한 행동

DC-DC 변환기는 분기,[17] 위기 및 [18][19]간헐성과 같은 다양한 유형의 혼돈 역학의 영향을 받습니다.

용어.

스텝다운
출력 전압이 입력 전압보다 낮은 컨버터(버크 컨버터 등)
스텝업
입력 전압보다 높은 전압을 출력하는 컨버터(부스트 컨버터 등).
연속 전류 모드
전류, 따라서 유도 에너지 저장소의 자기장은 절대 0에 도달하지 않습니다.
불연속 전류 모드
전류, 따라서 유도 에너지 저장소의 자기장은 0에 도달하거나 교차할 수 있습니다.
노이즈
원치 않는 전기 및 전자기 신호 노이즈(일반적으로 아티팩트 전환).
RF 노이즈
스위칭 컨버터는 본질적으로 스위칭 주파수와 그 고조파로 전파를 방출합니다.연속 전류 모드의 Split-Pi, Forward Converter 또는 Chuk Converter 등 삼각 스위칭 전류를 생성하는 스위칭컨버터는 다른 [20]스위칭컨버터보다 고조파 노이즈가 적습니다.RF 노이즈가 발생하면 Electronagnetic Interference(EMI; 전자파 간섭)가 발생합니다.허용 수준은 요건에 따라 달라집니다.예를 들어 RF 회로에 근접하면 단순히 규정을 충족하는 것 이상의 억제 기능이 필요합니다.
코일 내장 DC/DC 컨버터
여기에는 전원 제어 IC, 코일, 캐패시터 및 저항이 포함될 수 있습니다. 단일 통합 솔루션에서 소수의 컴포넌트로 설치 공간을 줄일 수 있습니다.
입력 노이즈
입력 전압에 지워지지 않는 노이즈가 있을 수 있습니다.또한 컨버터가 날카로운 부하 에지로 입력을 로드하면 컨버터는 공급 전원 라인에서 RF 노이즈를 방출할 수 있습니다.이 문제는 컨버터의 입력 단계에서 적절한 필터링을 통해 방지해야 합니다.
출력 노이즈
이상적인 DC-DC 컨버터의 출력은 평탄하고 일정한 출력 전압입니다.그러나 실제 변환기는 DC 출력을 생성하며, DC 출력에 일정 수준의 전기 노이즈가 중첩됩니다.스위칭 컨버터는 스위칭 주파수와 그 고조파에서 스위칭 노이즈를 발생시킵니다.또, 모든 전자 회로에 약간의 열 노이즈가 있습니다.일부 민감한 무선 주파수 및 아날로그 회로에서는 노이즈가 거의 없는 전원 장치가 필요하며 선형 [21]레귤레이터에서만 전원을 공급할 수 있습니다.비교적 노이즈가 적은 전원 공급기가 필요한 일부 아날로그 회로는 노이즈가 적은 스위칭 컨버터(예: 사각파가 [20][failed verification]아닌 연속 삼각 파형 사용)를 허용할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  3. ^ 티라트론 가스가 채워진 튜브를 사용하는 매우 큰(냉장고 크기의 캐비닛 3개) 및 복잡한 프리 트랜지스터 스위칭 레귤레이터의 예가 적어도 하나 있습니다. 단, DC-DC 변환보다는 조정기로 사용되는 것으로 보입니다.이는 IBM 704 컴퓨터를 위한 1958년식 전원 공급 장치로서 90kW의 전력을 사용했습니다.[1]
  4. ^ a b 라디오 아마추어 핸드북 1976, 펍, ARL, p331-332
  5. ^ Andy Howard (2015-08-25). "How to Design DC-to-DC Converters". YouTube. Retrieved 2015-10-02.
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외부 링크