KR102393680B1

KR102393680B1 - Multi-Level Step-Up DC-DC Converter With High Conversion Ratio

Info

Publication number: KR102393680B1
Application number: KR1020200055648A
Authority: KR
Inventors: 배윤호; 김광순; 신문수; 이은철
Original assignee: 주식회사 에코스
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2022-05-04
Also published as: KR20210137629A

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 N-레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터는, 제1 단자가 입력단에 접속되고, 제2 단자가 제1 노드에 접속되는 인덕터와, 상기 제1 노드와 출력단 사이에 직렬로 연결되는 복수의 다이오드와, 상기 제1 노드와 상기 출력단 사이에 직렬로 연결되는 복수의 전력 스위치와, 상기 복수의 다이오드와 상기 복수의 전력 스위치의 사이에 배치되는 복수의 커패시터와, 상기 출력단에 병렬로 접속된 출력 저항, 및 상기 제1 노드로부터 접지로 연결되는 패스 스위치를 포함할 수 있다. 상기 패스 스위치는, 상기 제1 노드에 제1 측이 연결되고, 접지에 제2 측이 연결되고, 상기 복수의 전력 스위치의 게이팅 신호를 AND 연산하여 얻어진 게이팅 신호에 의해 동작할 수 있다.An N-level flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes an inductor having a first terminal connected to an input terminal and a second terminal connected to a first node, the first node and an output terminal A plurality of diodes connected in series therebetween, a plurality of power switches connected in series between the first node and the output terminal, a plurality of capacitors disposed between the plurality of diodes and the plurality of power switches; It may include an output resistor connected in parallel to the output terminal, and a pass switch connected to the ground from the first node. The pass switch may operate by a gating signal obtained by performing an AND operation of a first side connected to the first node, a second side connected to a ground, and an AND operation on the gating signals of the plurality of power switches.

Description

Multi-Level Step-Up DC-DC Converter With High Conversion Ratio}

본 발명은 고효율 및 고승압비를 갖는 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter having high efficiency and a high step-up ratio.

출력전압을 입력전압보다 높게 만드는 승압 DC-DC 컨버터(Step-Up DC-DC converter)는 전력변환 과정에서 낮은 전압으로부터 높은 직류 출력전압이 요구되는 계통연계 전력변환 장치에 필수적으로 사용될 수 있다. 예로서, 태양광 전력변환 장치, 연료전지 시스템, 배터리 기반 전기자동차 등의 응용분야에 승압 DC-DC 컨버터가 사용될 수 있다.A step-up DC-DC converter that makes the output voltage higher than the input voltage can be essentially used in a grid-connected power converter that requires a high DC output voltage from a low voltage in the power conversion process. For example, the step-up DC-DC converter may be used in applications such as a solar power conversion device, a fuel cell system, and a battery-based electric vehicle.

전력용량이 증가함에 따라 승압 DC-DC 컨버터에 기본적으로 요구되는 특성은 높은 효율(high efficiency)과 높은 승압비(high step-up ratio)이다. 이와 함께, 부피(volume)와 무게가 적게 나가고, 소자의 개수가 가능한 적은 승압 DC-DC 컨버터가 요구되고 있다.As power capacity increases, characteristics that are basically required for a step-up DC-DC converter are high efficiency and a high step-up ratio. At the same time, there is a demand for a step-up DC-DC converter having a small volume and weight and having as few elements as possible.

종래의 부스트 DC-DC 컨버터(boost DC-DC converter)는 높은 전압 변환비를 얻기 위해 듀티비를 1에 가깝게 동작시킬 수 있다. 이 경우, 전력 반도체 스위치와 다이오드 전류 스트레스가 커지고, 효율이 감소하여 승압비도 3배 이내로 제한될 수 있다.A conventional boost DC-DC converter may operate a duty ratio close to 1 in order to obtain a high voltage conversion ratio. In this case, the current stress of the power semiconductor switch and the diode increases, and the efficiency decreases, so that the step-up ratio may be limited to 3 times or less.

기존의 부스트 컨버터가 갖는 기술적인 단점을 극복하고자 새로운 고승압 DC-DC 컨버터의 회로 구성에 대한 연구가 이루어졌다. 최근 연구되고 있는 멀티레벨 플라잉 커패시터(FC: flying capacitor) 방식의 DC-DC 컨버터는 고승압비를 구현하면서도 비교적 효율도 높아 주목받고 있다.In order to overcome the technical shortcomings of the conventional boost converter, research on the circuit configuration of a new high-voltage DC-DC converter has been conducted. A DC-DC converter of a multilevel flying capacitor (FC) method, which is being researched recently, is attracting attention due to its relatively high efficiency while implementing a high step-up ratio.

도 1은 기존의 일반적인 플라잉 커패시터 승압 DC-DC 컨버터(20)를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a conventional conventional flying capacitor step-up DC-DC converter 20 .

도 1을 참조하면, 플라잉 커패시터 승압 DC-DC 컨버터(20)는 플라잉 커패시터 방식의 멀티레벨 컨버터(multilevel converter) 토폴로지(topology)로부터 유도될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the flying capacitor step-up DC-DC converter 20 may be derived from a flying capacitor type multilevel converter topology.

도 1에서는 5-레벨의 플라잉 커패시터(FC) 승압 DC-DC 컨버터(20)를 일례로 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 플라잉 커패시터(FC) 승압 DC-DC 컨버터(20)에 더 많은 수의 레벨을 적용할 수 있다.In FIG. 1 , the 5-level flying capacitor (FC) boosting DC-DC converter 20 is illustrated as an example, but the present invention is not limited thereto, and a larger number of the flying capacitor (FC) boosting DC-DC converter 20 is provided. level can be applied.

도 2는 기존의 일반적인 3-레벨 FC 승압 컨버터(30)를 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating a conventional 3-level FC step-up converter 30 .

도 2를 참조하면, 3-레벨 FC 승압 컨버터(30)가 정상 상태로 동작할 때, 커패시터 C1에는 으로 충전이 되어있고, 이론적인 전압이득 는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 2 , when the 3-level FC step-up converter 30 operates in a normal state, the capacitor C1 is charged with , and the theoretical voltage gain can be expressed as Equation 1 below.

수학식 1에서, 'D'는 듀티비를 나타낸다.In Equation 1, 'D' represents a duty ratio.

3-레벨 FC 승압 컨버터(30)는 사용된 전력 반도체 스위치와 다이오드의 전압 스트레스가

가 되어 절반으로 감소할 수 있다. 이러한, 3-레벨 FC 승압 컨버터(30)에서 인덕터에 흐르는 전류의 유효 스위칭 주파수가 2배가 되어 인덕터의 사이즈가 그만큼 줄어드는 효과가 있다. 하지만, 많은 소자가 직렬로 연결되도록 동작하는 과정에서 도전 손실이 증가하여 고승압비를 얻는데 한계가 있고, 다양한 산업 분야에서 요구되는 승압비 효율을 얻는 것에도 한계가 있다. The 3-level FC step-up converter 30 reduces the voltage stress of the used power semiconductor switches and diodes.

can be reduced by half. In the 3-level FC step-up converter 30 , the effective switching frequency of the current flowing through the inductor is doubled, so that the size of the inductor is reduced by that much. However, there is a limit in obtaining a high step-up ratio due to an increase in conduction loss in the process of operating many devices to be connected in series, and there is a limit in obtaining the step-up ratio efficiency required in various industrial fields.

도 3 및 도 4는 기존의 FC 승압 DC-DC 컨버터(30)의 스위칭 패턴을 나타내는 도면이다. 도 5a 내지 도 5d는 기존의 FC 승압 DC-DC 컨버터(30)의 동작모드를 나타내는 도면이다.3 and 4 are diagrams illustrating a switching pattern of the conventional FC step-up DC-DC converter 30 . 5A to 5D are diagrams illustrating an operation mode of the conventional FC step-up DC-DC converter 30 .

도 3 내지 도 4, 및 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 3-레벨 FC 승압 컨버터(30)의 동작 원리는 설명하기로 한다.An operating principle of the 3-level FC step-up converter 30 will be described with reference to FIGS. 3 to 4 and FIGS. 5A to 5D .

3-레벨 FC 승압 컨버터(30)의 전력 스위치 S₁과 전력 스위치 S₂의 게이팅 신호를 발생시키기 위하여, 2개의 캐리어 신호(carrier signal) )

,

와 1개의 듀티비 신호 D를 사용할 수 있다. 전력 스위치 S₁의 게이팅 신호는 캐리어

과 듀티비 D를 비교하여 얻을 수 있는데,

일 때,

이면,

이 될 수 있다. 마찬가지로, 전력 스위치 S₂의 게이팅 신호는 캐리어

와 듀티비 D를 비교하여 얻을 수 있는데, D>tri₂ 이면 S₂=1이 되고, D<tri₂ 이면 S₂=0이 될 수 있다. 여기서, S_x=1은 전력 스위치 S_x을 턴온(turn on) 시킨다는 의미이고, S_x=0은 전력 스위치 S_x을 턴오프(turn off) 시킨다는 의미일 수 있다.To generate the gating signal of the power switch S ₁ and the power switch S ₂ of the 3-level FC step-up converter 30, two carrier signals (carrier signal )

,

and one duty ratio signal D can be used. The gating signal of the power switch S ₁ is the carrier

It can be obtained by comparing the duty ratio D with

when,

this side,

this can be Likewise, the gating signal of the power switch S ₂ is

It can be obtained by comparing the and duty ratio D. If D>tri ₂ , S ₂ =1, and if D<tri ₂ , S ₂ =0. Here, S _x =1 may mean to turn on the power switch S _x , and S _x =0 may mean to turn off the power switch S _x .

3-레벨 FC 승압 컨버터(30)에는 2개의 능동 전력 스위치 S₁과 S₂가 배치되어 있는데, 두 개의 전력 스위치 S₁과 S₂의 스위칭 상태에 따라서 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이, 4종류의 컨버터 동작모드를 나타낼 수 있다.Two active power switches S ₁ and S ₂ are disposed in the 3-level FC step-up converter 30, and as shown in FIGS. 5A to 5D according to the switching state of the two power switches S ₁ and S ₂ , Four types of converter operation modes can be represented.

도 5a 내지 도 5d는 4종류의 컨버터의 동작모드를 식별한 등가회로를 나타낸 도면이다.5A to 5D are diagrams showing equivalent circuits in which operation modes of four types of converters are identified.

도 5a 내지 도 5d에서, 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(30)에서 각각의 전력 스위치(S₁, S₂)에 표시된 원(○)은 해당 전력 스위치가 턴온(turn on) 상태임을 나타낸다. 또한, 3-레벨 FC 승압 컨버터(30)의 회로도에서 적색으로 표시된 것은 전류의 흐름을 나타낸다.5A to 5D, in the 3-level FC step-up DC-DC converter 30, a circle (○) indicated on each power switch S ₁ , S ₂ indicates that the corresponding power switch is turned on. . In addition, in the circuit diagram of the 3-level FC step-up converter 30, the red color indicates the flow of current.

동작모드 M1을 살펴보면, 두 개의 전력 스위치 S₁과 S₂가 모두 턴온(turn on)되어 있는 상태이다.Looking at the operation mode M1, both power switches S ₁ and S ₂ are turned on.

동작모드 M2를 살펴보면, 전력 스위치 S₁은 턴오프(turn off)되어 있고, 전력 스위치 S₂는 턴온(turn on)되어 있는 상태에다.Looking at the operation mode M2, the power switch S ₁ is turned off (turn off), the power switch S ₂ is in a turned on (turn on) state.

동작모드 M3을 살펴보면, 전력 스위치 S₁은 턴온(turn on)되어 있고, 전력 스위치 S₂는 턴오프(turn off)되어 있는 상태에다.Looking at the operation mode M3, the power switch S ₁ is turned on (turn on), the power switch S ₂ is in a turned off (turn off) state.

동작모드 M4를 살펴보면, 두 개의 전력 스위치 S₁과 S₂가 모두 턴오프(turn off)되어 있는 상태이다.Looking at the operation mode M4, both power switches S ₁ and S ₂ are turned off.

도 3과 도 4를 살펴보면, 2개의 캐리어 신호 tri와 tr2는 서로 위상이 180도 차이가 나는데, 그로 인하여 듀티비 D가 0.5보다 클 때와, 듀티비 D가 0.5보다 작을 때, 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(30)의 스위칭 패턴이 서로 다르게 된다.3 and 4, the two carrier signals tri and tr2 are 180 degrees out of phase with each other, so that when the duty ratio D is greater than 0.5 and the duty ratio D is less than 0.5, 3-level FC The switching patterns of the step-up DC-DC converter 30 are different from each other.

도 3에 도시된 바와 같이, 듀티비 D가 0.5보다 작은 경우, 동작모드의 변화가 M4→M2→M4→M3의 순서로 변경될 수 있다. 이때에는 동작모드 M1은 존재하지 않는다. 이 경우, 전체 스위칭 주가 가운데 동작모드 M4가 차지하는 시간비율이 가장 크게 된다. 동작모드 M4는 두 개의 능동 전력 스위치(S₁, S₂)가 모두 턴오프(turn off) 된 상태이며, 이 경우 두 개의 다이오드(D₁, D₂)가 턴온(turn on)될 수 있다.As shown in FIG. 3 , when the duty ratio D is less than 0.5, the change of the operation mode may be changed in the order of M4→M2→M4→M3. At this time, the operation mode M1 does not exist. In this case, the time ratio occupied by the operation mode M4 among the total switching stock prices becomes the largest. In the operation mode M4, both active power switches (S ₁ , S ₂ ) are turned off. In this case, the two diodes (D ₁ , D ₂ ) may be turned on (turn on).

도 4에 도시된 바와 같이, 듀티비 D가 0.5보다 큰 경우, 동작모드의 변화가 M1→M2→M1→M3의 순서로 변경될 수 있다. 이 경우, 전체 스위칭 주가 가운데 동작모드 M1이 차지하는 시간비율이 가장 크게 된다. 동작모드 M1은 두 개의 능동 전력 스위치(S₁, S₂)가 모두 턴온(turn on)된 상태이며, 이 경우 두 개의 다이오드(D₁, D₂)는 턴오프(turn off)될 수 있다.As shown in FIG. 4 , when the duty ratio D is greater than 0.5, the change of the operation mode may be changed in the order of M1→M2→M1→M3. In this case, the time ratio occupied by the operation mode M1 among the total switching stock prices becomes the largest. In the operation mode M1, both active power switches (S ₁ , S ₂ ) are in a turned on state, and in this case, the two diodes ( D ₁ , D ₂ ) may be turned off.

3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(30)에서 고승압비를 얻기 위하여 듀티비 D는 적어도 0.5 이상의 값으로 동작시키므로, 고승압 동작시 동작모드 M1, M2, M3만의 동작에만 의존하여 출력전압을 얻게 된다. 여기서 유의할 점은 듀티비 D를 0.75 이상의 값으로 동작시킬 때, 도 4에 도시된 바와 같이 동작모드 M1이 차지하는 시간의 비율을 보면 스위칭 주기의 거의 50% 이상이 될 수 있다.In order to obtain a high step-up ratio in the 3-level FC step-up DC-DC converter 30, the duty ratio D is operated at a value of at least 0.5 or more. get it It should be noted here that when the duty ratio D is operated with a value of 0.75 or more, the ratio of the time occupied by the operation mode M1 as shown in FIG. 4 may be almost 50% or more of the switching period.

다이오드와 전력반도체 스위치 소자의 도전 손실은 컨버터 전체의 효율과 매우 밀접한 관계에 있다. 다이오드의 온드롭 전압(on-drop voltage)과 온 저항(on resistance) 및 MOSFET 스위치의 턴온 저항(turn-on resistance)에 의하여 발생하는 도전 손실은 전체 전력 손실 가운데 비교적 많은 부분을 차지하는 것으로 분석되고 있다. 특히, 동작모드 M1의 경우 두 개의 전력 스위치(S₁, S₂)가 직렬로 연결되어 있으므로 턴온 저항 값이 개별 MOSFET 스위치 턴온 저항의 2배인 것을 알 수 있다. The conduction loss of the diode and the power semiconductor switch element is closely related to the overall efficiency of the converter. Conduction losses caused by on-drop voltage and on resistance of diodes and turn-on resistance of MOSFET switches are analyzed to account for a relatively large portion of the total power loss. . In particular, in the case of the operation mode M1, since the two power switches (S ₁ , S ₂ ) are connected in series, it can be seen that the turn-on resistance value is twice that of the individual MOSFET switch turn-on resistance.

도 1에 도시된 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(20)의 경우, 4개의 MOSFET 스위치가 직렬로 연결된 상태가 되면 도전 저항값이 개별 MOSFET 스위치 턴온 저항의 4배로 더욱 크게 증가하게 되어 효율이 낮아지는 문제점이 있다.In the case of the 5-level FC step-up DC-DC converter 20 shown in Fig. 1, when the four MOSFET switches are connected in series, the conduction resistance value is further increased to 4 times the turn-on resistance of the individual MOSFET switches, so that the efficiency is increased. There is a problem with lowering.

본 발명은 FC 승압 컨버터의 레벨 수를 증가시키는 경우에도 고효율 전력변환이 가능한 구성의 새로운 구성의 FC 승압 컨버터의 회로구성과 그 제어방법을 제안한다.The present invention proposes a circuit configuration of an FC step-up converter of a new configuration capable of high-efficiency power conversion even when the number of levels of the FC step-up converter is increased, and a method for controlling the same.

전술한 요구 사항에 부응하기 위한 본 발명의 목적은 고효율 및 고승압비를 갖는 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to meet the above requirements to provide a multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter having high efficiency and a high step-up ratio.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터는, 제1 단자가 입력단에 접속되고, 제2 단자가 제1 노드에 접속되는 인덕터와, 상기 제1 노드와 출력단 사이에 직렬로 연결되는 복수의 다이오드와, 상기 제1 노드와 상기 출력단 사이에 직렬로 연결되는 복수의 전력 스위치와, 상기 복수의 다이오드와 상기 복수의 전력 스위치의 사이에 배치되는 복수의 커패시터와, 상기 출력단에 병렬로 접속된 출력 저항을 포함할 수 있다. 패스 스위치는, 상기 제1 노드에 제1 측이 연결되고, 접지에 제2 측이 연결되고, 상기 복수의 전력 스위치의 게이팅 신호를 AND 연산하여 얻어진 게이팅 신호에 의해 동작할 수 있다.A multilevel flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes an inductor having a first terminal connected to an input terminal and a second terminal connected to a first node; a plurality of diodes connected in series between the first node and the output terminal, a plurality of power switches connected in series between the first node and the output terminal, and disposed between the plurality of diodes and the plurality of power switches It may include a plurality of capacitors and an output resistor connected in parallel to the output terminal. The pass switch may operate by a gating signal obtained by performing an AND operation of a first side connected to the first node, a second side connected to a ground, and an AND operation on the gating signals of the plurality of power switches.

본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는, 상기 제1 노드에는 상기 복수의 다이오드 중 제1 다이오드, 상기 복수의 전력 스위치 중 제1 전력 스위치, 상기 패스 스위치가 접속될 수 있다. 상기 패스 스위치의 제2 측은 접지에 접속되고, 상기 제1 전력 스위치의 제2 측은 상기 복수의 전력 스위치 중 제2 전력 스위치와 접속될 수 있다.In the multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, a first diode among the plurality of diodes, a first power switch among the plurality of power switches, and the pass switch may be connected to the first node. . A second side of the pass switch may be connected to a ground, and a second side of the first power switch may be connected to a second power switch among the plurality of power switches.

본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는, 상기 복수의 다이오드 중 제1 다이오드의 제1 단자는 상기 제1 노드에 접속되고, 상기 제1 다이오드의 제2 단자는 상기 복수의 다이오드 중 제2 다이오드에 접속될 수 있다.In the multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, a first terminal of a first diode among the plurality of diodes is connected to the first node, and a second terminal of the first diode is connected to the plurality of diodes. It may be connected to a second diode among the diodes.

본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는, 상기 복수의 커패시터 중 제1 커패시터의 제1 단자는 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드 사이에 접속되고, 상기 제1 커패시터의 제2 단자는 상기 제1 전력 스위치와 상기 제2 전력 스위치의 사이에 접속될 수 있다.In the multi-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, a first terminal of a first capacitor among the plurality of capacitors is connected between the first diode and the second diode, and the first terminal of the first capacitor is The second terminal may be connected between the first power switch and the second power switch.

본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는, 상기 복수의 전력 스위치를 통과하는 제1 경로 및 상기 제1 노드로부터 패스 스위치를 통하여 접지(GND)로 연결되는 제2 경로를 포함할 수 있다.A multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a first path passing through the plurality of power switches and a second path connected from the first node to a ground (GND) through a pass switch. can do.

본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터는, 모든 전력 스위치가 턴온(turn on)될 때, 상기 패스 스위치가 턴온(turn on)될 수 있다.In the multilevel FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention, when all power switches are turned on, the pass switch may be turned on.

본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터는 1개의 패스 스위치 S_pass를 추가함으로써, 기존의 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 장점을 모두 가지면서 동시에 고승압비를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터는 기존의 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터보다 개선된 효율을 얻을 수 있다.The FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present invention can obtain a high step-up ratio while having all the advantages of the existing n-level FC step-up DC-DC converter by adding one pass switch S _pass . . In addition, the FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present invention can obtain improved efficiency than the conventional n-level FC step-up DC-DC converter.

본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터에 추가되는 패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호는 모든 전력 스위치의 게이팅 신호를 모두 AND 연산함으로써 산출할 수 있다. 따라서, 패스 스위치 S_pass의 제어를 위한 별도의 제어회로 및 제어 알고리즘을 필요로 하지 않는다.The gating signal of the pass switch S _pass added to the FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present disclosure may be calculated by performing an AND operation on the gating signals of all power switches. Therefore, a separate control circuit and control algorithm for controlling the pass switch S _pass is not required.

본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터는 고효율 및 고승압비를 구현하므로 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.Since the FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present invention implements high efficiency and a high step-up ratio, it can be applied to various industrial fields.

본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터는 고수명을 보장함과 아울러, 신뢰성과 수명향상을 기대할 수 있다.The FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present invention guarantees a high lifespan, and can be expected to improve reliability and lifespan.

도 1은 기존의 일반적인 플라잉 커패시터(FC: flying capacitor) 방식의 승압 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 3-레벨 FC 승압 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 기존이ㅡ FC 승압 DC-DC 컨버터의 스위칭 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 기존의 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작모드를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 7은 패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호의 발생을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에서 제안된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작모드 M1의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에서 제안 된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작모드 M2의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에서 제안된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작모드 M3의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 12a는 패스 스위치 S_pass가 없는 종래 기술의 3-레벨 FC DC-DC 컨버터의 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작파형을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 N-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a conventional step-up DC-DC converter of a conventional flying capacitor (FC: flying capacitor) method.
2 is a view showing a typical 3-level FC step-up converter.
3 and 4 are diagrams showing a switching pattern of a conventional FC step-up DC-DC converter.
5A to 5D are diagrams illustrating an operation mode of a conventional FC step-up DC-DC converter.
6 is a diagram illustrating a 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating generation of a gating signal of a pass switch S _pass .
8 is a diagram showing the operation waveform of the 3-level FC step-up DC-DC converter proposed in the present invention.
9 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the operation mode M1 of the 3-level FC step-up DC-DC converter shown in FIG. 6 .
10 is a diagram showing an equivalent circuit of the operation mode M2 of the 3-level FC step-up DC-DC converter proposed in the present invention.
11 is a diagram showing an equivalent circuit of the operation mode M3 of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 proposed in the present invention.
12A is a diagram illustrating an operation waveform of a prior art 3-level FC DC-DC converter without a pass switch S _pass .
12B is a diagram illustrating an operation waveform of a 3-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating a 5-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating an N-level FC step-up DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Accordingly, in some embodiments, well-known process steps, well-known device structures, and well-known techniques have not been specifically described in order to avoid obscuring the present invention. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In order to clearly express various layers and regions in the drawings, the thicknesses are enlarged. Throughout the specification, like reference numerals are assigned to similar parts. When a part, such as a layer, film, region, plate, etc., is "on" another part, it includes not only the case where it is "directly on" another part, but also the case where there is another part in between. Conversely, when we say that a part is "just above" another part, we mean that there is no other part in the middle. Also, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “under” another part, it includes not only the case where the other part is “directly under” but also the case where there is another part in the middle. Conversely, when a part is said to be "just below" another part, it means that there is no other part in the middle.

상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.Relative terms "below", "beneath", "lower", "above", "upper", etc., as shown in the drawings, refer to one element or It can be used to easily describe the correlation between components and other devices or components. Spatially relative terms should be understood as terms including different orientations of the device during use or operation in addition to the orientation shown in the drawings. For example, when an element shown in the figures is turned over, an element described as "beneath" or "beneath" another element may be placed "above" the other element. Accordingly, the exemplary term “below” may include both directions below and above. The device may also be oriented in other orientations, and thus spatially relative terms may be interpreted according to orientation.

본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part is said to be connected to another part, this includes not only a case in which it is directly connected, but also a case in which it is electrically connected with another element interposed therebetween. In addition, when it is said that a part includes a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as first, second, third, etc. may be used to describe various components, but these components are not limited by the terms. The above terms are used for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second or third component, and similarly, the second or third component may also be alternately named.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular.

본 개시에 있어서 일 실시 예는 본 개시의 다양한 실시 형태, 관점 또는 측면 중 하나를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 이하의 설명은 본 개시에 대한 이해를 돕기 위한 예시적인 것이며, 본 개시가 이하에 설명된 실시 예로만 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부 도면은 설명의 편의를 위해 구성의 일부 또는 전부를 확대, 과장하거나, 간략히 도시 또는 생략한 것일 수 있다.In the present disclosure, an embodiment may be used in a sense including one of various embodiments, aspects, or aspects of the present disclosure. The following description is illustrative for helping understanding of the present disclosure, and the present disclosure is not limited only to the embodiments described below. In addition, the accompanying drawings may enlarge, exaggerate, briefly show or omit some or all of the configuration for convenience of description.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)를 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating a 3-level FC step-up DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)는 입력단, 인덕터(Ls), 제1 다이오드(D₁), 제2 다이오드(D₂), 패스 스위치(S_pass), 제1 전력 스위치(S₁), 제2 전력 스위치(S₂), 제1 커패시터(C₁), 제2 커패시터(C₂), 출력저항(Ro), 및 출력단을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention includes an input terminal, an inductor Ls, a first diode D ₁ , a second diode D ₂ , and a pass. a switch S _pass , a first power switch S ₁ , a second power switch S ₂ , a first capacitor C ₁ , a second capacitor C ₂ , an output resistance Ro, and an output terminal can do.

인덕터(Ls)의 제1 단자는 입력단에 접속되고, 인덕터(Ls)의 제2 단자는 P점 노드에 접속될 수 있다. 출력저항(Ro)은 출력단자에 병렬로 접속될 수 있다. 출력저항(Ro)의 제1 단자는 포지티브 단자에 접속되고, 출력저항(Ro)의 제2 단자는 접지 단자에 접속될 수 있다. P점 노드에는 제1 다이오드(D₁), 패스 스위치 S_pass, 제1 전력 스위치(S₁)가 접속될 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 제1 측은 P점 노드 및 제1 전력 스위치 S₁의 제1측과 접속될 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 제2 측은 접지 단자에 접속될 수 있다. 제1 다이오드(D₁)와 제2 다이오드(D₂)는 직렬로 연결될 수 있다. 제1 다이오드(D₁)의 제1 단자는 P점 노드에 접속될 수 있다. 제1 다이오드(D₁)의 제2 단자는 제2 다이오드(D₂)의 제1 단자 및 제1 커패시터(C₁)에 접속될 수 있다. 제1 다이오드(D₁)와 제2 다이오드(D₂) 사이에 제1 커패시터(C₁)의 제1 단자가 접속될 수 있다. 제2 다이오드(D₂)의 제1 단자는 제1 다이오드(D₁)의 제2 단자 및 제1 커패시터(C₁)에 접속될 수 있다. 제2 다이오드(D₂)의 제2 단자는 출력단자에 접속될 수 있다.A first terminal of the inductor Ls may be connected to an input terminal, and a second terminal of the inductor Ls may be connected to a P-point node. The output resistor Ro may be connected in parallel to the output terminal. A first terminal of the output resistor Ro may be connected to a positive terminal, and a second terminal of the output resistor Ro may be connected to a ground terminal. A first diode D ₁ , a pass switch S _pass , and a first power switch S ₁ may be connected to the point P node. The first side of the pass switch S _pass may be connected to the P-point node and the first side of the first power switch S ₁ . A second side of the pass switch S _pass may be connected to the ground terminal. The first diode D ₁ and the second diode D ₂ may be connected in series. A first terminal of the first diode D ₁ may be connected to the P-point node. The second terminal of the first diode D ₁ may be connected to the first terminal of the second diode D ₂ and the first capacitor C ₁ . A first terminal of the first capacitor C ₁ may be connected between the first diode D ₁ and the second diode D ₂ . The first terminal of the second diode D ₂ may be connected to the second terminal of the first diode D ₁ and the first capacitor C ₁ . A second terminal of the second diode D ₂ may be connected to an output terminal.

제1 커패시터(C₁)의 제1 단자는 제1 다이오드(D₁)와 제2 다이오드(D₂) 사이에 접속되고, 제1 커패시터(C₁)의 제2 단자는 제1 전력 스위치(S₁)와 제2 전력 스위치(S₂) 사이에 접속될 수 있다. 제2 커패시터(C₂)의 제1 단자는 제2 다이오드(D₂)와 출력단 사이에 접속되고, 제2 커패시터(C₂)의 제2 단자는 제2 전력 스위치(S₂)와 출력단 사이에 접속될 수 있다.The first terminal of the first capacitor C ₁ is connected between the first diode D ₁ and the second diode D ₂ , and the second terminal of the first capacitor C ₁ is connected to the first power switch S ₁ ) and the second power switch (S ₂ ) may be connected between. The first terminal of the second capacitor C ₂ is connected between the second diode D ₂ and the output terminal, and the second terminal of the second capacitor C ₂ is connected between the second power switch S ₂ and the output terminal. can be connected.

제1 전력 스위치 S₁과 제2 전력 스위치 S₂는 직렬로 연결될 수 있다. 제1 전력 스위치 S₁의 제1 측은 P점 노드 및 패스 스위치 S_pass와 접속될 수 있다. 제1 전력 스위치 S₁의 제2 측은 제2 전력 스위치 S₂의 제1 측과 접속될 수 있다. 제2 전력 스위치 S₂의 제1 측은 제1 커패시터(C₁) 및 제1 전력 스위치 S₁의 제2 측에 접속될 수 있다. 제2 전력 스위치 S₂의 제2 측은 제2 커패시터(C₂) 및 접지에 접속될 수 있다.The first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ may be connected in series. A first side of the first power switch S ₁ may be connected to the P-point node and the pass switch S _pass . A second side of the first power switch S ₁ may be connected to the first side of the second power switch S ₂ . A first side of the second power switch S ₂ may be connected to the first capacitor C ₁ and a second side of the first power switch S ₁ . A second side of the second power switch S ₂ may be connected to the second capacitor C ₂ and the ground.

패스 스위치 S_pass는 P점으로부터 직접 접지로 통하는 도전 경로를 제공하는 역할을 한다.The pass switch S _pass serves to provide a conductive path from the point P to the ground directly.

패스 스위치 S_pass는 제1 전력 스위치 S₁과 제2 전력 스위치 S₂가 동시에 턴온(turn on)되는 시간 동안만(즉, 동작모드 M1 동안만) 턴온(turn on) 되도록 동작할 수 있다. 따라서, 동작모드 M1의 시간 동안 P점으로부터 접지로 이르는 2개의 경로를 확보하게 된다. 즉, 동작모드 M1의 시간 동안 인덕터 전류 i_s는 패스 스위치 S_pass의 경로와 제1 전력 스위치 S₁-제2 전력 스위치 S₂ 경로로 분기해서 접지로 흐르게 되어 각 스위치의 전류 스트레스가 감소하게 되는 효과가 있다.The pass switch S _pass may operate to be turned on only during a time during which the first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ are simultaneously turned on (ie, only during the operation mode M1). Accordingly, during the time of the operation mode M1, two paths from the point P to the ground are secured. That is, during the time of the operation mode M1, the inductor current i _s branches into the path of the pass switch S _pass and the first power switch S ₁ -the second power switch S ₂ path and flows to the ground, so that the current stress of each switch is reduced. It works.

또한, 패스 스위치 S_pass와 제1 전력 스위치 S₁ 및 제2 전력 스위치 S₂ 모두 턴온(turn on) 되었을 때, P점으로부터 접지로 이르는 2개의 경로의 유효 합성 저항은 패스 스위치 S_pass가 없는 경우보다 감소할 수 있다. 따라서, 도전 손실이 감소하여 전체 효율을 높이는 효과를 갖는다. In addition, when the pass switch S _pass and the first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ are both turned on, the effective combined resistance of the two paths from the point P to the ground is the pass switch S _pass when there is no pass switch S pass . can be further reduced. Accordingly, the conduction loss is reduced, and thus the overall efficiency is increased.

도 7은 패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호의 발생을 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating generation of a gating signal of a pass switch S _pass .

도 7을 참조하면, 패스 스위치 S_pass는 제1 전력 스위치 S₁ 및 제2 전력 스위치 S₂가 동시에 턴온(turn on)되는 동안만 턴온(turn on)될 수 있다. 즉, 제1 전력 스위치 S₁=1, 및 제2 전력 스위치 S₂=1인 경우에만 패스 스위치 S_pass=1이 되도록 한다. 즉, S_pass=S₁^S₂ 연산(여기서, “^”는 AND 연산자를 의미함)으로 산출할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the pass switch S _pass may be turned on only while the first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ are simultaneously turned on. That is, the pass switch S _pass = 1 only when the first power switch S ₁ =1 and the second power switch S ₂ =1. That is, it can be calculated by S _pass =S ₁ ^S ₂ operation (here, “^” means AND operator).

도 8은 본 발명에서 제안된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 동작파형을 나타내는 도면이다.8 is a diagram showing the operation waveform of the 3-level FC step-up DC-DC converter proposed in the present invention.

도 8을 참조하면서, 가장 간단한 구성의 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터의 경우를 예로 들어 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작 원리를 설명하기로 한다. 주기가 T인 삼각파형의 캐리어를 사용하는 경우, 각 동작모드의 지속시간은 다음의 수학식 2 내지 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.The operating principle of the FC step-up DC-DC converter 100 will be described with reference to FIG. 8 , taking the case of the 3-level FC step-up DC-DC converter having the simplest configuration as an example. When a carrier of a triangular waveform having a period of T is used, the duration of each operation mode may be expressed as in Equations 2 to 4 below.

수학식 2는 동작모드 M1의 지속시간을 나타낸다.Equation 2 represents the duration of the operation mode M1.

수학식 3은 동작모드 M2의 지속시간을 나타낸다.Equation 3 represents the duration of the operation mode M2.

수학식 4는 동작모드 M3의 지속시간을 나타낸다.Equation 4 represents the duration of the operation mode M3.

출력전압의 평균값을 Vo라고 할 때, 다음의 수학식 5와 같이 출력전압의 평균값(Vo)을 산출할 수 있다.When the average value of the output voltage is Vo, the average value Vo of the output voltage can be calculated as in Equation 5 below.

여기서, 입력전압은

의 리플 없는 일정한 직류라고 가정한다. 컨버터의 평균입력전력 Pi는 평균출력전력 Po와 동일함으로,

로 나타낼 수 있다. 따라서, 평균 입력전류 Is는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Here, the input voltage is

is assumed to be a constant direct current without ripple of Since the average input power Pi of the converter is the same as the average output power Po,

can be expressed as Therefore, the average input current Is can be expressed as in Equation 6 below.

도 9는 도 6에 도시된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작모드 M1의 등가회로를 나타내는 도면이다.9 is a diagram showing an equivalent circuit of the operation mode M1 of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 shown in FIG. 6 .

도 6, 도 8 및 도 9를 참조하면, 동작모드 M1에서는 제1 전력 스위치S₁ 및 제2 전력 스위치 S₂가 동시에 턴온(turn on)될 수 있다.6, 8 and 9 , in the operation mode M1, the first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ may be simultaneously turned on.

동작모드 M1에서는 제1 전력 스위치S₁ 및 제2 전력 스위치 S₂가 동시에 턴온(turn on)됨으로, 패스 스위치 S_pass가 턴온(turn on)될 수 있다. 도 9에서, MOSFET 스위치는 온(on) 저항 R_on으로 대치되었다.In the operation mode M1, since the first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ are simultaneously turned on (turn on), the pass switch S _pass may be turned on. In FIG. 9 , the MOSFET switch has been replaced with an on resistance R _on .

동작모드 M1일 때, 인덕터(Ls)의 전류는 지수함수적으로 증가하며, 출력 측의 부하전압(Vo)은 지수함수적으로 감소할 수 있다. 이해의 편의를 위하여 입력단과 출력단의 시상수가 각각 스위칭 주기에 비하여 매우 큰 값이라고 수학식 7, 수학식 8과 같이 가정할 수 있다.In the operation mode M1, the current of the inductor Ls increases exponentially, and the load voltage Vo on the output side may decrease exponentially. For convenience of understanding, it can be assumed as in Equations 7 and 8 that the time constants of the input terminal and the output terminal are respectively very large compared to the switching period.

수학식 7 및 수학식 8에서, R_M1은 P점(도 6 참조)으로부터 접지로 연결된 저항의 합성저항이며, 합성저항 R_M1은 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.In Equations 7 and 8, R _M1 is the combined resistance of the resistance connected from the P point (see FIG. 6 ) to the ground, and the combined resistance R _M1 can be expressed as in Equation 9 below.

수학식 7과 수학식 8의 가정하에 인덕터(Ls)의 전류는 선형적으로 증가할 수 있고, 출력전압(ν_o)은 선형적으로 감소할 수 있다. 따라서, 입력전류는 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Under the assumptions of Equations 7 and 8, the current of the inductor Ls may increase linearly, and the output voltage ν _o may decrease linearly. Therefore, the input current can be expressed as in Equation 10 below.

수학식 10에서 I_smin은 동작모드 M1의 초기 상태에서 인덕터(Ls)의 전류를 의미한다. 동작모드 M1은 수학식 2에 나타낸 시간만큼 지속되고, 동작모드 M1의 마지막 시각에 입력전류는 최대값 I_smax에 도달할 수 있다.In Equation 10, I _smin means the current of the inductor Ls in the initial state of the operation mode M1. The operation mode M1 lasts for the time shown in Equation 2, and the input current may reach the maximum value I _smax at the last time of the operation mode M1.

M1의 마지막 시각에 입력전류는 다음의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.The input current at the last time of M1 can be expressed as Equation 11 below.

따라서, 인덕터(Ls) 전류의 리플

는 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the ripple of the inductor (Ls) current

can be expressed as in Equation 12 below.

동작모드 M1 동안 제1 커패시터 C₁(도 6 참조)는 회로의 어떤 부분에도 연결되지 않음으로, Vc1 전압 값은 변동이 없다.Since the first capacitor C ₁ (see FIG. 6 ) is not connected to any part of the circuit during the operation mode M1, the voltage value of Vc1 does not change.

도 10은 본 발명에서 제안 된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작모드 M2의 등가회로를 나타내는 도면이다.10 is a diagram showing an equivalent circuit of the operation mode M2 of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 proposed in the present invention.

도 6, 도 8 및 도 10을 참조하면, 동작모드 M2에서는 제1 전력 스위치 S₁는 턴오프(turn off)되고, 제2 전력 스위치 S₂ 는 턴온(turn on)될 수 있다. 도 10에서, 제1 다이오드(D₁)은 온드롭(on-drop)을 나타내는 전압 V_d와 온(on) 저항 R_d로 모델링 되었고, MOSFET 스위치 S₂는 온(on) 저항 Ron으로 대치되었다.6, 8 and 10 , in the operation mode M2, the first power switch S ₁ may be turned off, and the second power switch S ₂ may be turned on. In FIG. 10 , the first diode D ₁ was modeled as an on-drop voltage V _d and an on-resistance R _d , and the MOSFET switch S ₂ was replaced with an on-resistance Ron. .

동작모드 M2일 때, 인덕터(Ls)의 전류에 의하여 제1 커패시터(C₁)은 충전되어 전압이 증가하므로, 인덕터(Ls)의 에너지는 감소하고 제1 커패시터(C₁)의 에너지는 증가할 수 있다.In the operation mode M2, since the first capacitor C ₁ is charged by the current of the inductor Ls and the voltage increases, the energy of the inductor Ls decreases and the energy of the first capacitor C ₁ increases. can

인덕터(Ls)에 흐르는 전류가 충분히 크다면, 커패시터는 정전류원에 의하여 충전되는 것처럼 제1 커패시터 전압 v _c1은 거의 선형적으로 증가할 수 있다. 또한, 제1 커패시터 C₁의 평균전압 V _c1이 (1/2)Vo의 값으로 거의 정전압으로 유지될 수 있다. 만일 시상수 T_M2가 스위칭 주기보다 매우 크다면 다음의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.If the current flowing through the inductor Ls is sufficiently large, the first capacitor voltage v _c1 may increase almost linearly as if the capacitor is charged by the constant current source. Also, the average voltage V _c1 of the first capacitor C ₁ may be maintained at a substantially constant voltage with a value of (1/2) Vo. If the time constant T _M2 is much larger than the switching period, it can be expressed as Equation 13 below.

수학식 13의 조건을 만족한다면, 인덕터(Ls)의 전류 i_s는 거의 선형적으로 감소할 수 있다. 동작모드 M2 동안 제2 커패시터 C₂는 방전을 지속하게 되는데,

이면, 출력전압 Vo는 거의 선형적으로 감소할 수 있다.If the condition of Equation 13 is satisfied, the current i _s of the inductor Ls may decrease almost linearly. During the operation mode M2, the second capacitor C ₂ continues to discharge,

, the output voltage Vo may decrease almost linearly.

도 11은 본 발명에서 제안된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작모드 M3의 등가회로를 나타내는 도면이다.11 is a diagram showing an equivalent circuit of the operation mode M3 of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 proposed in the present invention.

도 6, 도 8 및 도 11을 참조하면, 동작모드 M3에서는 제1 전력 스위치 S₁는 턴온(turn on)되고, 제2 전력 스위치 S2 는 턴오프(turn off)될 수 있다. 도 11에서, 제2 다이오드(D₂)는 온드롭(on-drop)을 나타내는 전압 V_d와 온(on) 저항 R_d로 모델링 되었다. 또한, MOSFET 스위치 S₁은 온(on) 저항 Ron으로 대치되었다.6, 8 and 11 , in the operation mode M3, the first power switch S ₁ may be turned on, and the second power switch S2 may be turned off. In FIG. 11 , the second diode D ₂ was modeled with a voltage V _d representing on-drop and an on-resistance R _d . In addition, the MOSFET switch S ₁ was replaced with an on-resistance Ron.

동작모드 M3일 때, 인덕터(Ls)의 전류에 의하여 제1 커패시터 C₁은 방전되어 전압이 감소할 수 있다. 동작모드 M3일 때, 인덕터(Ls) 양단의 전압 V_L은

가 되는데,

,

이므로, 다음의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.In the operation mode M3, the first capacitor C ₁ may be discharged by the current of the inductor Ls, so that the voltage may decrease. In operation mode M3, the voltage V _L across the inductor (Ls) is

will go,

,

Therefore, it can be expressed as Equation 14 below.

수학식 14와 같이, 인덕터에 음(-)의 전압이 인가되므로, 인덕터(Ls)의 전류도 감소할 수 있다. 즉, 동작모드 M3에서 인덕터(Ls)와 제1 커패시터(C₁)의 에너지는 감소할 수 있다. 인덕터(Ls)에 흐르는 전류가 충분히 크다면 제1 커패시터(C₁)는 정전류원에 의하여 방전되는 것처럼 제1 커패시터 전압 v _c1은 거의 선형적으로 감소할 수 있다. 또한, 시상수 T_M3가 스위칭 주기보다 매우 크다면 다음의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.As in Equation 14, since a negative voltage is applied to the inductor, the current of the inductor Ls may also decrease. That is, in the operation mode M3, the energy of the inductor Ls and the first capacitor C ₁ may decrease. If the current flowing through the inductor Ls is sufficiently large, the first capacitor voltage v _c1 may decrease almost linearly as the first capacitor C ₁ is discharged by the constant current source. In addition, if the time constant T _M3 is much larger than the switching period, it can be expressed as in Equation 15 below.

수학식 15를 가정하면, 인덕터(Ls)의 전류 i_s는 거의 선형적으로 감소할 수 있다. 동작모드 M3 동안 제2 커패시터(C₂)는 인덕터(Ls)의 전류 i_s에 의하여 충전될 수 있다. 이때, 부하가 충분히 크다면 출력전압 Vo는 거의 선형적으로 증가할 수 있다.Assuming Equation 15, the current i _s of the inductor Ls may decrease almost linearly. During the operation mode M3, the _second capacitor C ₂ may be charged by the current is of the inductor Ls. At this time, if the load is sufficiently large, the output voltage Vo may increase almost linearly.

본 발명에서 제안된 N-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 효율개선 효과를 입증하기 위하여, 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)를 적용하였다. 도2에 도시된 종래 기술의 패스 스위치 S_pass가 없는 3-레벨 FC DC-DC 컨버터(30)의 효율과 도 6에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 효율을 비교하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했다.In order to prove the efficiency improvement effect of the N-level FC step-up DC-DC converter 100 proposed in the present invention, a 3-level FC step-up DC-DC converter 100 was applied. The efficiency of the 3-level FC DC-DC converter 30 without the prior art pass switch S _pass shown in FIG. 2 and the 3-level FC step-up DC-DC converter according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 6 ( 100), a computer simulation was performed to compare the efficiency.

시뮬레이션에서 사용된 회로정수 및 제어 정수는 다음의 표 1과 같다. The circuit constants and control constants used in the simulation are shown in Table 1 below.

표 1에서 입력전압이 50V로 설정되고, 출력전압의 명령 값이 400V로 설정될 수 있다. 즉, 시뮬레이션에 사용된 FC 승압 DC-DC 컨버터는 8배 승압하는 동작을 하며, 듀티비 D는 0.875이다.In Table 1, the input voltage may be set to 50V, and the command value of the output voltage may be set to 400V. That is, the FC step-up DC-DC converter used in the simulation performs an 8-fold step-up operation, and the duty ratio D is 0.875.

도 12a는 스위치 S_pass가 없는 종래 기술의 3-레벨 FC DC-DC 컨버터(30)의 동작파형을 나타내는 도면이다. 도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작파형을 나타내는 도면이다.12A is a diagram showing the operation waveform of the prior art 3-level FC DC-DC converter 30 without the switch S _pass . 12B is a diagram illustrating an operation waveform of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 according to an embodiment of the present invention.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 위로부터 3개의 파형은 제1 전력 스위치(S1), 제2 전력 스위치(S2), 및 패스 스위치(S_pass)의 게이팅 신호를 의미할 수 있다.12A and 12B , three waveforms from the top may mean gating signals of the first power switch S1 , the second power switch S2 , and the pass switch S _pass .

패스 스위치 S_pass가 없는 3-레벨 FC DC-DC 컨버터(30)에는 패스 스위치(S_pass)가 없음으로, 도 12a 동작파형에서, 패스 스위치(S_pass)의 게이트 신호는

가 되어 항상 오프 상태로 설정하였다.Since the 3-level FC DC-DC converter 30 without the pass switch S _pass does not have the pass switch S _pass , in the operation waveform of FIG. 12A , the gate signal of the pass switch S _pass is

and is always set to OFF.

도 12a에서 입력전류 i_s, 제1 커패시터(C₁)의 전압 V_c1, 출력전압 Vo의 파형을 살펴보면, 종래 기술의 3-레벨 FC DC-DC 컨버터(30)가 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. _{Looking at the waveforms of the input current is, the voltage V c1} _of the first capacitor C ₁ , and the output voltage Vo in FIG. 12A , it can be confirmed that the conventional 3-level FC DC-DC converter 30 operates normally. .

도 12a에서 입력전류 i_s의 평균 값(I_s)는 97.08[A]이고, 출력전압 v_o의 평균 값(V_o) 383.03[V]가 됨을 확인할 수 있다. 입력전압 V_s는 50[V]이고, 출력측 저항 Ro는 32[Ω]이므로 종래 기술의 컨버터 효율

은 다음의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.In FIG. 12A , it can be seen that the average value (I _s ) of the input current i _s is 97.08 [A], and the average value (V _o ) of the output voltage v _o becomes 383.03 [V]. Since the input voltage V _s is 50 [V] and the output resistance Ro is 32 [Ω], the converter efficiency of the prior art

can be expressed as in Equation 16 below.

도 12b에서, 전력 스위치(S₁), 제2 전력 스위치(S₂), 및 패스 스위치(S_pass)의 게이팅 신호와 입력전류 i_s, 제1 커패시터(C₁)의 전압 Vc1, 출력전압 vo의 파형을 나타내고 있다. 도 12b의 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 동작파형과 도 8에 도시된 동작 파형이 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)가 정상적으로 동작함을 알 수 있다.In FIG. 12B , the gating signal and the input current is of the power switch _S ₁ , the second power switch S ₂ , and the pass switch S _pass , the voltage Vc1 of the first capacitor C ₁ , and the output voltage v The waveform of o is shown. It can be seen that the operation waveform of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 of FIG. 12B matches the operation waveform illustrated in FIG. 8 , and the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 operates normally can be known

도 12b에서 입력전류 i_s의 평균 값(Is)는 98.62[A]이고 출력전압 vo의 평균 값(Vo)은 389.1[V가] 됨을 확인할 수 있다. 입력전압 Vs는 50[V]이고, 출력측 저항 Ro는 32[Ω]이므로, 본 발명에서 제안된 컨버터의 효율

는 다음의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.It can be seen from FIG. 12b that the average value _Is of the input current is is 98.62 [A] and the average value Vo of the output voltage v o is 389.1 [V]. Since the input voltage Vs is 50 [V] and the output-side resistance Ro is 32 [Ω], the efficiency of the converter proposed in the present invention is

can be expressed as in Equation 17 below.

시뮬레이션 검증 결과, 패스 스위치 S_pass가 없는 종래 기술의 3-레벨 FC DC-DC 컨버터(30)의 효율과 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)의 효율을 비교하면 약 1.49 %의 효율개선 효과가 있음을 확인할 수 있다. 95% 근처의 컨버터 효율에서 1%가 넘는 효율 개선은 단지 한 개의 패스 스위치 S_pass를 포함하는 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(100)가 고승압비 상태에서 고효율을 구현하는데 매우 효과적임을 입증한다.As a result of the simulation verification, the efficiency of the conventional 3-level FC DC-DC converter 30 without the pass switch S _pass is compared with the efficiency of the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 according to the embodiment of the present invention. It can be confirmed that there is an efficiency improvement effect of about 1.49%. The efficiency improvement of more than 1% in the converter efficiency near 95% proves that the 3-level FC step-up DC-DC converter 100 including only one pass switch S _pass is very effective in realizing high efficiency in the high step-up ratio state. do.

도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(200)를 나타내는 도면이다.13 is a diagram illustrating a 5-level FC step-up DC-DC converter 200 according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(200)는 입력단, 인덕터(Ls), 제1 다이오드(D₁), 제2 다이오드(D₂), 제3 다이오드(D₃), 제4 다이오드(D₄), 적어도 하나의 패스 스위치(S_pass), 제1 전력 스위치(S₁), 제2 전력 스위치(S₂), 제3 전력 스위치(S₃), 제4 전력 스위치(S₄), 제1 커패시터(C₁), 제2 커패시터(C₂), 제3 커패시터(C₃), 출력 커패시터(C_out), 출력저항(R_L), 및 출력단을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the 5-level FC step-up DC-DC converter 200 according to an embodiment of the present invention includes an input terminal, an inductor Ls, a first diode D ₁ , a second diode D ₂ , and a second 3 diode (D ₃ ), fourth diode (D ₄ ), at least one pass switch (S _pass ), first power switch (S ₁ ), second power switch (S ₂ ), third power switch (S ₃ ) ), a fourth power switch S ₄ , a first capacitor C ₁ , a second capacitor C ₂ , a third capacitor C ₃ , an output capacitor C _out , an output resistance R _L , and It may include an output stage.

인덕터(Ls)의 제1 단자는 입력단에 접속되고, 인덕터(Ls)의 제2 단자는 P점 노드에 접속될 수 있다. 출력저항(R_L)은 출력단자에 병렬로 접속될 수 있다. 출력저항(R_L)의 제1 단자는 포지티브 단자에 접속되고, 출력저항(R_L)의 제2 단자는 접지 단자에 접속될 수 있다. P점 노드에는 제1 다이오드(D₁)와 패스 스위치 S_pass, 제1 전력 스위치(S₁)가 접속될 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 제1 측은 P점 노드 및 제1 전력 스위치 S₁의 제1측과 접속될 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 제2 측은 접지 단자에 접속될 수 있다. 제1 다이오드(D₁) 내지 제4 다이오드(D₄)는 직렬로 연결될 수 있다. 제1 전력 스위치(S₁) 내지 제4 전력 스위치(S₄)는 직렬로 연결될 수 있다.A first terminal of the inductor Ls may be connected to an input terminal, and a second terminal of the inductor Ls may be connected to a P-point node. The output resistor (R _L ) may be connected in parallel to the output terminal. A first terminal of the output resistor R _L may be connected to a positive terminal, and a second terminal of the output resistor R _L may be connected to a ground terminal. A first diode D ₁ , a pass switch S _pass , and a first power switch S ₁ may be connected to the point P node. The first side of the pass switch S _pass may be connected to the P-point node and the first side of the first power switch S ₁ . A second side of the pass switch S _pass may be connected to the ground terminal. The first diode D ₁ to the fourth diode D ₄ may be connected in series. The first power switch S ₁ to the fourth power switch S ₄ may be connected in series.

제1 다이오드(D₁)의 제1 단자는 P점 노드에 접속될 수 있다. 제1 다이오드(D₁)의 제2 단자는 제2 다이오드(D₂)의 제1 단자 및 제1 커패시터(C₁)에 접속될 수 있다. 제1 다이오드(D₁)와 제2 다이오드(D₂) 사이에 제1 커패시터(C₁)의 제1 단자가 접속될 수 있다. 제2 다이오드(D₂)의 제1 단자는 제1 다이오드(D₁)의 제2 단자 및 제1 커패시터(C₁)에 접속될 수 있다. 제2 다이오드(D₂)의 제2 단자는 제2 커패시터(C₂)에 접속될 수 있다. 제3 다이오드(D₃)의 제1 단자는 제2 다이오드(D₂)의 제2 단자 및 제2 커패시터(C₂)에 접속될 수 있다. 제3 다이오드(D₃)의 제2 단자는 제3 커패시터(C₃) 및 제4 다이오드(D₄)의 제1 단자에 접속될 수 있다. 제4 다이오드(D₄)의 제2 단자는 출력단자에 접속될 수 있다.A first terminal of the first diode D ₁ may be connected to the P-point node. The second terminal of the first diode D ₁ may be connected to the first terminal of the second diode D ₂ and the first capacitor C ₁ . A first terminal of the first capacitor C ₁ may be connected between the first diode D ₁ and the second diode D ₂ . The first terminal of the second diode D ₂ may be connected to the second terminal of the first diode D ₁ and the first capacitor C ₁ . A second terminal of the second diode D ₂ may be connected to the second capacitor C ₂ . A first terminal of the third diode D ₃ may be connected to a second terminal of the second diode D ₂ and a second capacitor C ₂ . A second terminal of the third diode D ₃ may be connected to a first terminal of the third capacitor C ₃ and the fourth diode D ₄ . A second terminal of the fourth diode D ₄ may be connected to an output terminal.

제1 커패시터(C₁)의 제1 단자는 제1 다이오드(D₁)와 제2 다이오드(D₂) 사이에 접속되고, 제1 커패시터(C₁)의 제2 단자는 제1 전력 스위치(S₁)와 제2 전력 스위치(S₂) 사이에 접속될 수 있다. 제2 커패시터(C₂)의 제1 단자는 제2 다이오드(D₂)와 제3 다이오드(D₃) 사이에 접속되고, 제2 커패시터(C₂)의 제2 단자는 제2 전력 스위치(S₂)와 제3 전력 스위치(S₃) 사이에 접속될 수 있다. 제3 커패시터(C₃)의 제1 단자는 제3 다이오드(D₃)와 제4 다이오드(D₄) 사이에 접속되고, 제3 커패시터(C₃)의 제2 단자는 제3 전력 스위치(S₃)와 제4 전력 스위치(S₄) 사이에 접속될 수 있다. 출력 커패시터(C_out)의 제1 단자는 제4 다이오드와 출력단 사이에 접속되고, 출력 커패시터(C_out)의 제2 단자는 제4 전력 스위치(S₄)와 접지 사이에 접속될 수 있다.The first terminal of the first capacitor C ₁ is connected between the first diode D ₁ and the second diode D ₂ , and the second terminal of the first capacitor C ₁ is connected to the first power switch S ₁ ) and the second power switch (S ₂ ) may be connected between. The first terminal of the second capacitor C ₂ is connected between the second diode D ₂ and the third diode D ₃ , and the second terminal of the second capacitor C ₂ is connected to the second power switch S ₂ ) and the third power switch (S ₃ ) may be connected between. The first terminal of the third capacitor C ₃ is connected between the third diode D ₃ and the fourth diode D ₄ , and the second terminal of the third capacitor C ₃ is connected to the third power switch S ₃ ) and the fourth power switch (S ₄ ) may be connected between. A first terminal of the output capacitor C _out may be connected between the fourth diode and the output terminal, and a second terminal of the output capacitor C _out may be connected between the fourth power switch S ₄ and the ground.

제1 전력 스위치 S₁과 제2 전력 스위치 S₂는 직렬로 연결될 수 있다. 제1 전력 스위치 S₁의 제1 측은 P점 노드 및 패스 스위치 S_pass와 접속될 수 있다. 제1 전력 스위치 S₁의 제2 측은 제2 전력 스위치 S₂의 제1 측과 접속될 수 있다. 제2 전력 스위치 S₂의 제1 측은 제1 전력 스위치 S₁의 제2 측 및 제1 커패시터(C₁)에 접속될 수 있다. 제2 전력 스위치 S₂의 제2 측은 제3 전력 스위치 S₃의 제1 측과 접속될 수 있다. 제3 전력 스위치 S₃의 제1 측은 제2 전력 스위치 S₂의 제2 측 및 제2 커패시터(C₂)와 접속될 수 있다. 제3 전력 스위치 S₃의 제2 측은 제3 커패시터(C₃) 및 제4 전력 스위치 S₄의 제1 측에 접속될 수 있다. 제4 전력 스위치 S₄의 제1 측은 제3 전력 스위치 S₃의 제2 측 및 제3 커패시터(C₃)에 접속될 수 있다. 제4 전력 스위치 S₄의 제2 측은 출력 커패시터(C_out) 및 접지 단자에 접속될 수 있다.The first power switch S ₁ and the second power switch S ₂ may be connected in series. A first side of the first power switch S ₁ may be connected to the P-point node and the pass switch S _pass . A second side of the first power switch S ₁ may be connected to the first side of the second power switch S ₂ . The first side of the second power switch S ₂ may be connected to the second side of the first power switch S ₁ and the first capacitor C ₁ . A second side of the second power switch S ₂ may be connected to a first side of the third power switch S ₃ . The first side of the third power switch S ₃ may be connected to the second side of the second power switch S ₂ and the second capacitor C ₂ . The second side of the third power switch S ₃ may be connected to the first side of the third capacitor C ₃ and the fourth power switch S ₄ . The first side of the fourth power switch S ₄ may be connected to the second side of the third power switch S ₃ and the third capacitor C ₃ . A second side of the fourth power switch S ₄ may be connected to an output capacitor C _out and a ground terminal.

5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(200)에서 패스 스위치 S_pass의 제1 측은 P점 노드 및 제1 전력 스위치 S₁의 제1측과 접속될 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 제2 측은 접지 단자에 접속될 수 있다.In the 5-level FC step-up DC-DC converter 200 , the first side of the pass switch S _pass may be connected to the P point node and the first side of the first power switch S ₁ . A second side of the pass switch S _pass may be connected to the ground terminal.

이와 같이, 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에 패스 스위치 Spass가 추가됨으로써, 제1 전력 스위치(S₁), 제2 전력 스위치(S₂), 제3 전력 스위치(S₃), 및 제4 전력 스위치(S₄)를 통과하는 경로(예: 제1 경로)와 함께 인덕터(Ls)의 제2 단에 접속된 P점으로부터 직접 접지(GND)로 연결되는 또 다른 도전 통로(예: 제2 경로)가 확보될 수 있다.As such, by adding the pass switch Spas to the 5-level FC step-up DC-DC converter, the first power switch S ₁ , the second power switch S ₂ , the third power switch S ₃ , and the fourth Another conductive path (eg second path) from point P connected to the second end of inductor Ls with a path (eg first path) through power switch S ₄ directly to ground (GND). path) can be obtained.

이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(200)에서 도전 통로(예: 제2 경로)가 추가로 확보되어, 도전 손실이 감소하게 된다.In this way, a conductive path (eg, a second path) is additionally secured in the 5-level FC step-up DC-DC converter 200 according to the embodiment of the present invention, so that the conduction loss is reduced.

본 발명의 실시 예에 따른 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(200)에서 도전 손실이 감소함으로써, 본 발명의 실시 예에 따른 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(200)의 전체 효율은 증가하고, 동시에 고승압비를 구현할 수 있다.By reducing the conduction loss in the 5-level FC step-up DC-DC converter 200 according to the embodiment of the present invention, the overall efficiency of the 5-level FC step-up DC-DC converter 200 according to the embodiment of the present invention is increased. And at the same time, it is possible to implement a high step-up ratio.

패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호는 제1 전력 스위치(S₁), 제2 전력 스위치(S₂), 제3 전력 스위치(S₃), 및 제4 전력 스위치(S₄)의 게이팅 신호를 AND 연산하여 구할 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호 다음의 수학식 18에 의해 구할 수 있다.The gating signal of the pass switch S _pass is an AND operation of the gating signals of the first power switch S ₁ , the second power switch S ₂ , the third power switch S ₃ , and the fourth power switch S ₄ . can be saved by The gating signal of the pass switch S _pass can be obtained by the following Equation (18).

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)를 나타내는 도면이다.14 is a diagram illustrating an n-level FC step-up DC-DC converter 300 according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)를 구현할 수 있다. n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)에 적어도 하나의 패스 스위치(S_pass)가 배치될 수 있다.Referring to FIG. 14 , an n-level FC step-up DC-DC converter 300 may be implemented. At least one pass switch S _pass may be disposed in the n-level FC step-up DC-DC converter 300 .

n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)에서 패스 스위치 S_pass의 제1 측은 P점 노드 및 제1 전력 스위치 S₁의 제1 측과 접속될 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 제2 측은 접지 단자에 접속될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)는 입력단, 인덕터(Ls), n-1개의 다이오드, 적어도 하나의 패스 스위치(S_pass), n-1개의 전력 스위치, n-1개의 커패시터, 출력저항(R_L), 및 출력단을 포함할 수 있다.In the n-level FC step-up DC-DC converter 300 , a first side of the pass switch S _pass may be connected to a P-point node and a first side of the first power switch S ₁ . A second side of the pass switch S _pass may be connected to the ground terminal. An n-level FC step-up DC-DC converter 300 according to an embodiment of the present invention includes an input terminal, an inductor (Ls), n-1 diodes, at least one pass switch (S _pass ), n-1 power switches, It may include n-1 capacitors, an output resistor (R _L ), and an output terminal.

이와 같이, n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터에 패스 스위치 Spass가 추가됨으로써, n-1개의 전력 스위치를 통과하는 경로(예: 제1 경로)와 함께 인덕터(Ls)의 제2 단에 접속된 P점으로부터 직접 접지(GND)로 연결되는 또 다른 도전 통로(예: 제2 경로)가 확보될 수 있다.In this way, by adding the pass switch Spas to the n-level FC step-up DC-DC converter, it is connected to the second end of the inductor Ls together with a path (eg, the first path) passing through n-1 power switches. Another conductive path (eg, a second path) directly connected from the point P to the ground (GND) may be secured.

이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)에서 도전 통로(예: 제2 경로)가 추가로 확보되어, 도전 손실이 감소하게 된다.In this way, a conductive path (eg, a second path) is additionally secured in the n-level FC step-up DC-DC converter 300 according to an embodiment of the present invention, thereby reducing conduction loss.

본 발명의 실시 예에 따른 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)에서 도전 손실이 감소함으로써, 본 발명의 실시 예에 따른 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터(300)의 전체 효율은 증가하고, 동시에 고승압비를 구현할 수 있다.By reducing the conduction loss in the n-level FC step-up DC-DC converter 300 according to the embodiment of the present invention, the overall efficiency of the n-level FC step-up DC-DC converter 300 according to the embodiment of the present invention is increased. And at the same time, it is possible to implement a high step-up ratio.

패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호는 n-1개의 전력 스위치의 게이팅 신호를 AND 연산하여 구할 수 있다. 패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호 다음의 수학식 19에 의해 구할 수 있다.The gating signal of the pass switch S _pass can be obtained by ANDing the gating signals of n-1 power switches. The gating signal of the pass switch S _pass can be obtained by the following Equation (19).

본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터에 추가되는 패스 스위치 S_pass의 게이팅 신호는 복수의 전력 스위치의 게이팅 신호를 모두 AND 연산함으로써 산출할 수 있다. 따라서, 패스 스위치 S_pass의 제어를 위한 별도의 제어회로 및 제어 알고리즘을 필요로 하지 않는다.The gating signal of the pass switch S _pass added to the FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present disclosure may be calculated by performing an AND operation on all of the gating signals of the plurality of power switches. Therefore, a separate control circuit and control algorithm for controlling the pass switch S _pass is not required.

본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 FC 승압 DC-DC 컨버터는 고효율 및 고승압비를 구현하므로 다양한 산업분야에 적용될 수 있다. Since the FC step-up DC-DC converter according to various embodiments of the present invention implements high efficiency and a high step-up ratio, it can be applied to various industrial fields.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고효율 및 고승압비를 갖는 멀티 레벨 FC(flying capacitor) 승압 DC-DC 컨버터를 실현할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to realize a multi-level flying capacitor (FC) step-up DC-DC converter having high efficiency and a high step-up ratio.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the technical field to which the present invention pertains that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have the knowledge of

10 : 부스트 DC-DC 컨버터
20 : 기존의 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터
100 : 제안된 3-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터
200 : 제안된 5-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터
300 : 제안된 n-레벨 FC 승압 DC-DC 컨버터10: boost DC-DC converter
20: Conventional 5-level FC step-up DC-DC converter
100: Proposed 3-level FC step-up DC-DC converter
200: Proposed 5-level FC step-up DC-DC converter
300: Proposed n-level FC step-up DC-DC converter

Claims

an input unit connected to an input terminal on one side and connected to a ground on the other side;
an inductor having a first terminal connected to an input terminal and a second terminal connected to a first node;
a plurality of diodes connected in series between the first node and an output terminal;
a plurality of power switches connected in series between the first node and the ground;
a pass switch having a first side connected to the first node and a second side connected to the ground;
a plurality of capacitors disposed between the plurality of diodes and the plurality of power switches; and
and an output resistor connected in parallel to the output terminal;
The pass switch operates by a gating signal obtained by performing an AND operation on the gating signals of the plurality of power switches, and a first path passing through the plurality of power switches and from the first node through the pass switches to the ground A multi-level step-up DC-DC converter having a high conversion ratio, characterized in that it includes a second path connected thereto.

According to claim 1,
A first diode of the plurality of diodes, a first power switch of the plurality of power switches, and the pass switch are connected to the first node,
The second side of the first power switch is connected to a second power switch among the plurality of power switches.

According to claim 1,
A first terminal of a first diode among the plurality of diodes is connected to the first node, and a second terminal of the first diode is connected to a second diode among the plurality of diodes. Multilevel step-up DC-DC converter.

4. according to any one of claims 2 or 3,
a first terminal of a first capacitor among the plurality of capacitors is connected between the first diode and the second diode;
A second terminal of the first capacitor is connected between the first power switch and the second power switch.

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According to claim 1,
A multi-level step-up DC-DC converter with a high conversion ratio, characterized in that when all the power switches are turned on, the pass switch is turned on.