벅 변환기

벅 변환기는 강압 직류-직류 변환기이다. 기본 구조는 승압 부스트 변환기와 유사하며, 부스트 변환기와 마찬가지로 모드 스위칭 전력 공급장치의 한 형태이다. 일반적으로 두 개의 스위치(트랜지스터와 다이오드 각각 하나), 인덕터 하나, 커패시터 하나로 구성된다.

직류 전원의 전압을 낮추는 가장 간단한 방법은 선형 조정기(예: 7805)를 사용하는 것이지만, 선형 조정기는 잉여 전력을 열로 소산하므로 에너지 손실이 크다. 반면 벅 변환기는 매우 높은 효율을 가질 수 있으며(IC의 경우 95% 이상), 전형적인 노트북 배터리 전압인 를 CPU 등에서 요구하는 수 볼트 수준으로 낮추는 데 적합하다.

 작동 이론 
섬네일|그림 1: 벅 변환기 회로도
섬네일|그림 2: 벅 변환기의 두 작동 상태 — 스위치가 닫힌 온 상태와 열린 오프 상태
섬네일|300px|그림 3: 벅 변환기의 구성 요소와 전압·전류 표기
섬네일|350px|그림 4: 연속 모드에서 이상적인 벅 변환기의 시간에 따른 전압과 전류 변화

벅 변환기의 작동 원리는 비교적 단순하다. 인덕터 하나와 이를 제어하는 두 개의 스위치(보통 트랜지스터와 다이오드)를 사용하여, 인덕터에 에너지를 저장하는 단계와 그 에너지를 부하로 전달하는 단계를 반복한다.

 연속 모드 
벅 변환기가 연속 모드(Continuous Conduction Mode)로 동작한다는 것은 인덕터 전류(IL)가 스위칭 주기 동안 0으로 떨어지지 않는다는 뜻이다. 이 모드에서의 작동 과정은 그림 4에 나타나 있다.

 스위치가 닫히면(온 상태, 그림 2 상단) 인덕터 전압은 가 되며, 인덕터 전류는 선형적으로 증가한다. 이때 다이오드는 역방향 바이어스되어 전류가 흐르지 않는다.
 스위치가 열리면(오프 상태, 그림 2 하단) 다이오드가 순방향 바이어스된다. 인덕터 전압은(다이오드 전압 강하를 무시하면) 가 되며, 인덕터 전류는 감소한다.

인덕터 L에 저장되는 에너지는 다음과 같다.

따라서 온 상태에서는 인덕터 전류가 증가하면서 에너지가 축적되고, 오프 상태에서는 그 에너지가 부하로 전달된다. 인덕터 전류의 변화율은 다음 식으로 표현된다.

온 상태에서의 전류 증가는 다음과 같다.

오프 상태에서의 전류 감소는 다음과 같다.

정상 상태에서는 한 주기 동안 인덕터 전류의 증가량과 감소량이 같아야 하므로,

여기서 , 이며, D는 0과 1 사이의 값을 갖는 듀티율이다. 이를 정리하면 다음과 같은 관계를 얻는다.

즉, 출력 전압은 입력 전압에 듀티율을 곱한 값이며, 항상 가 된다. 이 때문에 벅 변환기는 감압 변환기라 불린다.

예를 들어 12 V를 3 V로 낮추려면, 이상적인 경우 듀티율은 25%가 된다.

 불연속 모드 
섬네일|그림 5: 불연속 모드에서 이상적인 벅 변환기의 전압·전류 변화

부하가 요구하는 에너지가 매우 작을 경우, 인덕터 전류는 스위칭 주기의 일부 구간에서 0이 된다. 이를 불연속 모드(Discontinuous Conduction Mode)라고 한다. 이 경우 인덕터는 주기 종료 전에 완전히 방전되며, 이는 연속 모드와는 다른 특성을 보인다.

불연속 모드에서는 인덕터 전류가 0으로 떨어진 이후 출력 커패시터가 부하를 공급하게 되며, 이 과정에서 스위칭 손실이 증가할 수 있다. 이러한 손실을 줄이기 위해 펄스 주파수 변조(pulse-frequency modulation)와 같은 제어 기법이 사용된다.

 참고 문헌 

 P. Julián, A. Oliva, P. Mandolesi, and H. Chiacchiarini, “Output discrete feedback control of a DC-DC Buck converter,” Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE’97), Guimarães, Portugal, 1997, pp. 925–930.

 외부 링크 
  벅 컨버터 설계의 원리 

분류:제어공학
분류:전동기
분류:전력장치
분류:전기공학