추크 컨버터

Chicuk 컨버터^[1]( Serbo-Croatian:[t ɕûːk], 영어: / ˈt ʃu ːk/)은 낮은 리플 전류를 갖는 벅 부스트 컨버터의 일종입니다. 추크 컨버터는 부스트 컨버터와 벅 컨버터의 조합으로, 하나의 스위칭 소자와 상호 커패시터를 구비하여 에너지를 커플링하는 것으로 볼 수 있습니다.

반전 토폴로지를 갖는 벅-부스트 컨버터와 마찬가지로, 비절연 쵸크 컨버터의 출력 전압은 일반적으로 입력 전압에 대해 더 낮거나 더 높은 값으로 반전됩니다. 일반적으로 DC 컨버터에서 인덕터는 주요 에너지 저장 구성 요소로 사용됩니다. 추크 컨버터에서 주요 에너지-저장 구성 요소는 커패시터입니다. 이 디자인을 처음 선보인 캘리포니아 공과대학의 슬로보단 추크(Slobodan Chuk)의 이름을 따서 지어졌습니다.^[3]

비절연 추크 컨버터

기본 추크 컨버터에는 변형이 있습니다. 예를 들어 코일은 단일 자기 코어를 공유하여 출력 리플을 떨어뜨리고 효율성을 추가할 수 있습니다. 전력 전송이 커패시터를 통해 연속적으로 흐르기 때문에 이 유형의 스위처는 EMI 방사선을 최소화했습니다. 추크 컨버터는 다이오드와 스위치를 사용하여 양방향으로 에너지가 흐르게 합니다.

작동원리

절연되지 않은 Chuk 컨버터는 인덕터 2개, 커패시터 2개, 스위치(일반적으로 트랜지스터) 및 다이오드로 구성됩니다. 도식은 그림 1에서 확인할 수 있습니다. 반전 컨버터이므로 출력 전압은 입력 전압에 대해 음의 값을 갖습니다.

이 컨버터의 주요 장점은 컨버터의 입력과 출력에서 연속적인 전류입니다. 주요 단점은 스위치의 높은 전류 스트레스입니다.^[4]

커패시터 C는₁ 에너지를 전달하는 데 사용됩니다. 트랜지스터와 다이오드의 정류를 통해 컨버터의 입력과 출력에 번갈아 연결됩니다(그림 2 및 3 참조).

두₁ 개의 인덕터 L과_s L은 각각 입력 전압원_2o(V)과 출력 전압원(V)을 전류원으로 변환하는 데 사용됩니다. 짧은 시간 규모에서 인덕터는 일정한 전류를 유지하기 때문에 전류원으로 간주될 수 있습니다. 커패시터를 전압원에 직접 연결하면 기생 저항에 의해서만 전류가 제한되어 높은 에너지 손실이 발생하기 때문에 이 변환이 필요합니다. 커패시터를 전류원(인덕터)으로 충전하면 저항 전류 제한 및 관련 에너지 손실을 방지할 수 있습니다.

Chuk 컨버터는 다른 컨버터(벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터)와 마찬가지로 연속 또는 불연속 전류 모드로 작동할 수 있습니다. 그러나 이러한 컨버터와 달리 불연속 전압 모드(커패시터 양단의 전압이 정류 사이클 동안 0으로 떨어짐)로도 작동할 수 있습니다.

연속모드

정상 상태에서 인덕터에 저장된 에너지는 정류 사이클의 시작과 끝에서 동일하게 유지되어야 합니다. 인덕터의 에너지는 다음과 같습니다.

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}LI^{2}}$

이는 인덕터를 통과하는 전류가 정류 사이클의 시작과 끝에서 동일해야 함을 의미합니다. 인덕터를 통한 전류의 진화는 인덕터 양단의 전압과 관련이 있습니다.

${\displaystyle V_{L}=L{\frac {dI}{dt}}}$

정상 상태 요건을 충족하려면 정류 기간 동안의 인덕터 전압의 평균 값이 0이어야 함을 알 수 있습니다.

커패시터 C와₁ C가₂ 전압 리플이 무시할 수 있을 정도로 큰 경우 인덕터 전압은 다음과 같습니다.

• 오프 상태에서 인덕터 L은₁ V_s 및 C와₁ 직렬로 연결됩니다(그림 2 참조). $따라서$ ${VL}_{}$ $1_{}$ = $V$ $s_{}$-$$ 1 {\textstyle V_{L1} = V_{s}-V_{C1}}입니다. 다이오드 D가 순방향 바이어스이므로(영전압 강하를 고려합니다) L은 출력 커패시터에 직접 연결됩니다. $따라서$ ${\displaystyle {VL}_{}}$ ${\displaystyle 2_{}}$ = ${\displaystyle {Vo}_{}}$ ${\$displaystyle $V_{$L2} = V_{$o}}$
• 온 상태에서 인덕터 L은₁ 입력 소스에 직접 연결됩니다. $따라서$ ${VL}_{}$ $1_{}$ = $V_{}$ ${\$textstyle $V_{$L1}= $V_{s}}.$ 인덕터 L은 C와 출력 커패시터가 직렬로 연결되므로 VL 2 = Vo + V C {\display V_{L2}= V_{o}+V_{C}}

컨버터는 $t$ = ${\$$textstyle$ t = 0}에서 t = D T {\textstyle t = DT$}($D는 듀티 사이클)까지의 온 상태와 D·T에서 T까지의 오프 상태(즉, (1 - D) T {\textstyle (1 - D) T}와 동일한 기간 동안)에서 작동합니다. 따라서_L1 V와 V의_L2 평균값은 다음과 같습니다.

${\displaystyle {\bar {V}}_{L1}=D\cdot V_{s}+\left(1-D\right)\cdot \left(V_{s}-V_{C}\right)=\left(V_{s}-(1-D)\cdot V_{C}\right)}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{L2}=D\left(V_{o}+V_{C}\right)+\left(1-D\right)\cdot V_{o}=\left(V_{o}+D\cdot V_{C}\right)}$

정상 상태 조건을 만족하려면 두 평균 전압이 모두 0이어야 하므로 마지막 방정식을 사용하여 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

${\displaystyle V_{C}=-{\frac {V_{o}}{D}}$

따라서₁ L을 가로지르는 평균 전압은 다음과 같습니다.

${\displaystyle {\bar {V}}_{L1}=\left(V_{s}+(1-D)\cdot {\frac {V_{o}}{D}}\right)=0}$

다음과 같이 쓸 수 있습니다.

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{s}}}=-{\frac {D}{1-D}}}$

이 관계는 벅-부스트 컨버터에서 얻은 관계와 동일함을 알 수 있습니다.

불연속모드

모든 DC/DC 컨버터와 마찬가지로 추크 컨버터는 정류기 필터의 커패시터가 연속 전압을 제공하는 것과 거의 같은 방식으로 회로의 인덕터가 연속 전류를 제공하는 능력에 의존합니다. 이 인덕터가 너무 작거나 "임계 인덕턴스"보다 작으면 전류가 0이 되는 곳에서 인덕터 전류 기울기가 불연속적으로 됩니다. 이 작동 상태는 일반적으로 최소 인덕턴스가 중요한 이유를 입증하는 것 이상으로 많이 연구되지는 않지만 컨버터가 설계한 것보다 훨씬 낮은 전류로 대기 전압을 유지할 때 발생할 수 있습니다.

최소 인덕턴스는 다음과 같습니다.

${\displaystyle L_{1}min={\frac {(1-D)^{2}R}{2Df_{s}}}}$

$여기$서 ${\displaystyle {fs}_{}}$ ${\$는 전환 주파수입니다.

절연된 추크 컨버터

격리된 버전의 Chuk 컨버터의 경우 AC 트랜스포머와 추가 커패시터를 추가해야 합니다.^[5] 절연된 Chuk 컨버터가 분리되어 있으므로 출력-전압 극성을 자유롭게 선택할 수 있습니다.

절연되지 않은 Chuk 컨버터로서, 절연된 Chuk 컨버터는 1:1 AC 변압기를 사용하더라도 입력 전압 크기보다 크거나 작은 출력 전압 크기를 가질 수 있습니다. 그러나 입력 측의 장치 스트레스를 줄이기 위해 턴 비율을 제어할 수 있습니다. 또한, 트랜스포머의 기생 소자, 즉 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 이용하여 회로를 공진형 컨버터 회로로 변경하여 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

관련 구조물

인덕터 커플링

두 개의 이산 인덕터 구성 요소를 사용하는 대신, 많은 설계자들은 동일한 코어에 두 개의 인덕터를 모두 포함하는 단일 자기 구성 요소를 사용하여 결합된 인덕터 추크 변환기를 구현합니다. 구성 요소 내부의 인덕터 사이의 변압기 작용은 두 개의 독립적인 이산 인덕터 구성 요소를 사용하는 쵸크 변환기보다 출력 리플이 낮은 커플링 인덕터 쵸크 변환기를 제공합니다.^[6]

제타 변환기

제타 변환기는 비절연, 비반전, 벅 부스트 전원 공급 토폴로지입니다.

싱글 엔드 프라이머리-인덕턴스 컨버터(SEPIC)

SEPIC 컨버터는 전압을 승압 또는 감압할 수 있습니다.

특허

• 1979년에 출원된 미국 특허 4257087,^[7] "입력 및 출력 전류 리플이 0인 DC-DC 스위칭 컨버터 및 집적 자기 회로", 발명자 슬로보단 추크.
• 1979년에 출원된 미국 특허 4274133,^[8] "DC-DC 컨버터는 조정의 필요 없이 리플을 감소시켰다", 발명자 슬로보단 추크(Slobodan Chuk) 및 R. D. 미들브룩(R. D. Middlebrook).
• 1977년에 출원된 미국 특허 4184197,^[9] "DC-DC 스위칭 컨버터", 발명자 슬로보단 추크 및 R.D. 미들브룩.

더보기

• Power Electronics, Vol. 4: 상태-공간 평균과 추크 변환기; 추크 슬로보단; 378페이지; 2016; ISBN978-1519520289.

참고문헌

외부 링크

• 토폴로지 배경