#32. Boost Conveter (부스트 컨버터) 쉽게 이해하기

Boost converter는 DC 전압을 또 다른 DC 전압 레벨로 바꿔주기 때문에 DC-DC converter 라고도 하고, 낮은 전압을 높은 전압으로 올려주기 때문에 Step up converter (승압 컨버터) 라고도 합니다. (반대로 높은 전압에서 낮은 전압으로 내려주는 소자는 Buck converter 라고 합니다) 아래 그림 1에서 Boost converter가 어떻게 생겨먹었는지 확인해 봅시다.

 

[그림 1. Boost Converter (부스트 컨버터) 회로]

 

Boost converter는 Buck converter와 마찬가지로 스위칭용 MOSFET, 다이오드, 인덕터, 커패시터, PWM Controller로 구성됩니다. PWM Controller는 MOSFET을 ON/OFF 하기 위해 펄스 신호를 생성하고, duty를 조절하는 회로부로 이해하면 됩니다.

 

PWM Controller에서 생성하는 펄스 신호가 High 일 때와 Low 일 때, 회로 동작을 구분하여 이해해 봅시다.아래 그림 2는 펄스 신호가 High 일 때, MOSFET이 ON 되는 경우이고, 전류의 흐름은 빨간색 실선과 동일 합니다. 커패시터 C와 부하저항 RLoad에서도 전류의 흐름이 발생하는 이유는 MOSFET이 OFF 상태에서 커패시터 C에 Vin에 의한 전압이 충전되었기 때문에 MOSFET이 ON 되는 순간 다이오드가 OPEN 되면서 커패시터 C에 충전되어 있던 전류가 부하저항 R_Load를 통해 흐르기 때문입니다.

[그림 2. 펄스 Low 일 때, 전류 흐름]

 

MOSFET이 ON 상태이기 때문에 V_m 노드 전압은 0V가 됩니다. 전류는 V_in에서 인덕터 L과 MOSFET을 거쳐 접지(GND)로 흐릅니다. 인덕터는 커패시터가 전압을 충전하는 것처럼 전류를 충전하는 것으로 이해할 수 있는데 이를 수식으로 나타내면 수식 1)과 같이 표현할 수 있습니다.

 

수식 1)

 

MOSFET이 ON이 되면 V_m은 0V로 내려가고 인덕터 L에 걸리는 전압 V_L은 V_in이 됩니다. 결국 인덕터로 흐르는 전류 I_L,on은 MOSFET이 ON 되어 있는 시간동안 전압 V_L의 적분 형태로 표현됩니다. 그리고 MOSFET이 ON 되어 있는 시간 T_on이 커질수록 I_L,on 또한 증가하는 일차함수의 형태를 가집니다.

 

V_m이 0V로 떨어지면 커패시터 C에 충전된 전압으로 인해 다이오드에 역전압이 발생하고, 다이오드는 OPEN 됩니다. 따라서, 커패시터 C에 충전되어 있는 전압은 부하 저항 R_Load를 통해 방전됩니다.

 

이제 펄스를 Low로 변경하여 MOSFET을 OFF하면 그림 3과 같이 다이오드가 ON 되어 빨간색 실선 방향으로 전류가 흐르는 것을 알 수 있습니다.

 

[그림 3. 펄스 High 일 때, 전류 흐름]

 

이 때, 인덕터로 흐르는 전류 I_L,off는 아래 수식 2)와 같이 표현할 수 있습니다.

 

수식 2)

 

 

MOSFET이 OFF되면 V_m 전압은 V_out+V_d(다이오드 전압)이 되는데 여기서 다이오드 전압은 계산의 편의상 무시할 수 있다고 가정합니다. 따라서, V_m 전압은 곧 V_out이 됩니다. Boost converter에서 V_out은 V_in 보다 크기 때문에 I_L,off는 MOSFET이 OFF되어 있는 T_off 시간 동안 마이너스 기울기의 일차함수를 가지는 것을 알 수 있습니다.

 

다이오드는 드롭 전압이 약 0.7V로 무시하기로 했지만 사실상 0.7V는 작은 전압이 아니기 때문에 무시할 수 있는 수준이 아닙니다. 따라서, 드롭 전압이 낮은 MOSFET으로 대체하여 그림 4와 같이 수정해 봅시다. 그리고 MOSFET M₁과 M₂의 ON, OFF 상태는항상 반대라는 사실을 명심해야 합니다.

 

[그림 4. 일반적인 Boost Converter (부스트 컨버터) 회로]

 

이제 MOSFET M₁, M₂의 ON/ OFF에 따라 각 노드의 전압과 전류가 어떻게 달라지는지 한번 그래프로 정리해서 살펴 보도록 합시다.

 

[그림 5. MOSFET ON/OFF 시 전압 및 전류 파형]

 

1-1. M₁ ON, M₂ OFF 일 때 전압

V_in은 인가되는 전압이기 때문에 항상 일정한 DC 전압 값을 가집니다. M₁이 ON 되면 V_m 노드는 GND와 연결되므로 0V가 됩니다. 이 때 V_L전압은 V_in-V_m 이고 V_m은 0V 이므로 결국 V_in이 되겠죠. 그리고 M₂는 ON 상태에서 OFF 되므로 커패시터 C에 충전되었던 V_out은 R_Load에 의해 방전되면서 서서히 전압레벨이 떨어집니다. 

 

1-2 M₁ OFF, M₂ ON 일 때 전압

V_in은 역시 일정한 DC 전압 값을 가지고, M₁이 OFF, M₂가 ON 됨에 따라 V_m 전압은 V_out 전압과 동일하게 됩니다. 따라서, 인덕터 전압 V_L은 V_in-V_out이 되겠죠. M₁이 ON일 때, 인덕터에 저장되어 있던 전류가 M₁이 OFF 됨에 따라 V_out으로 흘러감으로써 일종의 전원 역할을 하기 때문에 V_out은 V_in에 L*dI/dt 만큼의 전압이 더한 값이 됩니다.

 

2-1. M₁ ON, M₂ OFF 일 때 전류

인덕터에 흐르는 전류 I_L은 M₁이 ON되어 있는 동안 충전 됩니다. 수식 1)에서 설명했듯 시간이 지남에 따라 서서히 증가하는 형태가 됩니다. 이 전류가 그대로 M₁으로 흐르기 때문에 M₁ 전류는 I_L과 동일합니다. 그리고 M₂가 ON에서 OFF 되므로 커패시터에 충전 되어있던 전류 I_C는 R_Load를 통해 흐르게 됩니다. 이 전류의 합은 키리히호프의 전류 법칙에 의해 0A가 되는 것을 알 수 있습니다. 

 

2-2. M₁ OFF, M₂ ON 일 때 전류

M₁이 ON일 때 인덕터 L에 충전 되어있던 전류 I_L은 M₁이 OFF 되고, M₂가 ON되면서 M₂를 따라 방전 됩니다. 따라서, 전류 I_L은 수식 2)와 같이 시간이 지남에 따라 서서히 감소하게 됩니다. M₂에 흐르는 전류는 그대로 I_C와 I_RLoad로 흐르기 때문에 I_C+I_RLoad는 I_L과 동일합니다. 하지만 M₁은 OFF 상태이므로 전류가 흐르지 않겠죠. 

 

위 그림 5에서 MOSFE의이 ON, OFF 상태에 따라 각 노드별 전압과 전류에 대한 설명들이 다 이해가 된다면 이미 Boost converter의 동작원리를 마스터 했다고 할 수 있을 겁니다. 이렇게 그림으로 그려 보지 않고 머릿속으로만 이해하기는 쉽지 않기 때문에 그림을 하나하나 따라가면서 이해해보는 것이 많은 도움이 됩니다.

 

그리고 Boost converter에서 알아야 하는 중요한 내용 중 한가지는 V_out 값을 결정하는 요소 입니다. PWM Controller의 펄스 duty 값에 의해 V_out이 결정되는데 duty란 펄스 파형의 한 주기 T동안 ON되어 있는 시간을 퍼센트(%)로 표현한 값입니다. 즉, 펄스가 High를 유지하는 시간 T_on과 Low를 유지하는 시간 T_off가 같다면 duty는 50%입니다. 그림 6에서 상세하게 내용을 확인할 수 있습니다.

 

[그림 6. Duty에 대한 이해]

 

자, 그럼 V_out의 값은 어떻게 결정될까요? V_out은 V_in과 duty에 의해 결정되므로 원하는 V_out 값을 얻기 위해 아래 수식 3)을 참고하여 V_in과 duty를 결정하면 됩니다.

 

 수식 3)

 

여기까지 Boost converter를 이해하는 가장 기본적인 원리에 대해 설명 하였습니다. Buck converter 만큼 많이 사용하지는 않지만 종종 사용하는 경우가 있기 때문에 동작 원리를 알고 있으면 언젠가는 써먹을데가 있을 거에요. 사실, 대부분의 실무에서는 입출력 전압, 효율 그리고 Ripple voltage 정도만 보고 IC를 선정하고, 데이터시트에 일반적으로 레퍼런스 회로를 제공하기 때문에 똑같이 따라서 회로를 그리면 동작하는데 문제가 없긴 합니다. 하지만 노이즈나 효율 등 IC의 성능을 최적화하여 사용하려면 Boost converter의 기본적인 원리를 알고 있어야 제대로 활용할 수 있습니다. 자, 여기까지 Boost converter에 대한 설명을 마치도록 하겠습니다~!