벅컨버터
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1. 개요[편집]
직류/직류 변환 회로 중 하나로써, 입력전압 보다 낮은 전압이 필요할때 사용되는 강압 변환회로이다. 강압 변환을 위해서는 정전압 회로나 제너 다이오드를 사용하는 것도 가능하지만 이들은 줄어든 전압을 열로 낭비하기 때문에 효율적이지 않다.
2. 동작[편집]
첫번째 동작에선 인덕터에 에너지를 충전한다.
두번째 스위칭 소자(주로 트랜지스터)가 끊겨 에너지공급이 중단되면 다이오드는 인덕터의 에너지가 커패시터에 흐르도록 만들어진다.
이와같이 주기적으로 소자를 스위칭해 lc필터를 통하여 직류전압이 만들어진다.
3. 사용 방법[편집]
전자기기 내에서 공급 전원이 필요 전압보다 높음과 동시에 전압 변환 손실이 적어야 하는 경우 활용된다.
일상에서는 대표적으로 자동차 시거잭에 연결되는 충전기에 사용된다. 차량의 12/24V 전압을 5V, 9V(고속 충전) 등의 보다 낮은 전압으로 바꾸어준다. 컴퓨터 메인보드와 그래픽 카드에도 파워 서플라이에서 받은 12V 전압을 낮추기 위한 벅 컨버터 회로가 존재하며, 노트북에도 배터리로부터 공급받은 전력을 USB 등 낮은 전압으로 출력하기 위한 회로가 있다. 고속 충전을 지원하는 전자기기 내부에서도 공급받은 9V의 전압을 강압하여 리튬 이온 전지를 안전하게 충전할 수 있는 전압으로 낮추기 위해 사용된다.
4. 정전압 회로와의 비교[편집]
출력 전압이 입력 전압보다 낮다는 점에서는 벅 컨버터와 정전압 회로 모두 동일하지만, 정전압 회로는 (입력 전압 - 출력 전압) × 전류 만큼의 손실을 발생시키므로 효율이 낮을 수 밖에 없으며, 특히 입력 전압이 출력 전압보다 크거나 출력 전류가 클수록 손실은 더욱 높아지게 된다. 그러나 벅 컨버터는 입력 전력 대부분을 그대로 출력할 수 있다. 벅 컨버터의 단점으로는 회로가 상대적으로 복잡하며 스위칭으로 인한 노이즈가 발생한다는 것이 있다. 따라서 오디오 회로와 같이 노이즈에 민감한 회로에서는 낮은 효율을 감수하더라도 정전압 회로를 사용한다.
5. 종류[편집]
- 동기 정류 벅 컨버터: 회로의 다이오드를 교대로 스위칭하는 두번째 트랜지스터로 대체한 회로. 전력용 MOSFET 트랜지스터에는 다이오드와 달리 순방향 전압강하가 없으며, 매우 낮은 내부 저항(수십 mΩ)을 가지므로 높은 효율(최대 90% 이상)을 가질 수 있다. 특히 다이오드의 전압 강하가 효율을 크게 깎아먹을 수 있는 저전압 벅 컨버터에서는 필수적이다.[1] 또한 동기 정류 부스트 컨버터와 구조가 같기 때문에 회생 제동과 같이 두 전압간의 쌍방향 변환을 위한 목적으로도 활용될 수 있다. 보통 P-채널 MOSFET을 사용하는 일반 벅 컨버터와 달리 두개의 트랜지스터 모두 N-채널 MOSFET을 사용한다. 그러나 하나가 아닌 두 트랜지스터를 제어해야 하므로 회로 설계가 일반 벅 컨버터보다 어렵다는 단점이 있다. 또한 선형적으로 오르는 다이오드의 손실과 달리 MOSFET의 저항 손실은 전류의 제곱에 비례하여 늘기 때문에 매우 큰 전류가 흐르는 벅 컨버터에서는 다이오드가 오히려 효율적일 수 있다. 이에 대한 대책으로는 내부 저항이 매우 낮은 MOSFET을 사용하거나 다상 벅 컨버터로 만들어서 전류를 분산시키는 방법이 있다.
일상생활에서는 보기 힘든 유형의 전원장치였으나, 2010년대부터는 MOSFET과 부트스트랩 다이오드[2]를 비롯한 각종 부품들을 하나로 통합한 IC칩들이 대중화되기 시작하여 차량용 충전기를 비롯한 다양한 기기에서 동기 정류 방식을 채택하는 경우가 늘고 있다.
- 다상 벅 컨버터: 동기 정류 벅 컨버터 여러개를 병렬한 구조의 컨버터로, 각 컨버터는 위상차를 두고 동작한다. 수십 A 이상의 대전력을 변환할 수 있으며, 다른 종류의 벅 컨버터에 비해 출력 리플이 적다는 장점을 가진다. 컴퓨터 메인 보드나 그래픽카드에 있는 벅 컨버터는 이 구조를 가진다. 특히 CPU는 10mV 미만의 매우 낮은 리플을 가진 전원을 필요로 하므로 적어도 3~4개, 많으면 10개 이상의 동기 정류 벅 컨버터를 병렬하여 사용한다.
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