강압 컨버터와 승압 컨버터의 차이점 정리

둘 다 스위치, 코일, 다이오드(또는 두 번째 스위치), 커패시터라는 같은 부품으로 만드는 스위칭 방식 DC-DC 컨버터이지만, 배치가 다릅니다. 강압 컨버터는 입력과 코일 사이에 스위치를 두고, 온 시간의 비율(듀티비 D)에 따라 입력 전압을 잘게 잘라 평균해 이상적으로는 D배의 낮은 전압을 출력합니다. 승압 컨버터는 입력 쪽에 코일을 두고, 스위치로 그라운드에 연결해 코일에 에너지를 저장한 뒤 출력으로 방출해, 이상적으로는 1/(1−D)배의 높은 전압을 출력합니다.

비교 항목강압(벅) 컨버터승압(부스트) 컨버터
출력 전압 범위입력보다 낮음(0~입력 전압)입력보다 높음(입력 전압 이상)
이상적인 전압 변환비(전류 연속 모드)Vout/Vin = DVout/Vin = 1/(1−D)
예(D = 0.5일 때)12 V에서 6 V12 V에서 24 V
부품 배치스위치는 입력과 코일 사이, 코일은 출력 쪽. 다이오드는 스위치와 코일 사이의 점과 그라운드 사이코일은 입력 쪽, 스위치는 코일 뒤의 점과 그라운드 사이. 다이오드는 그 점과 출력 사이
동작온일 때 코일을 통해 출력으로 전류를 보내고, 오프일 때는 다이오드를 통해 코일 전류가 계속 흐름온일 때 코일에 에너지를 저장하고, 오프일 때 코일 전압이 입력에 더해져 출력으로 방출됨
입력 전류단속적(스위치가 온인 동안만 흐름). 입력 커패시터가 중요연속적(코일을 통해 계속 흐름)
출력 전류연속적(코일에서 계속 흐름). 출력 리플이 작음단속적(스위치가 오프인 동안만 전달됨). 출력 커패시터의 리플 전류가 큼
효율조건에 따라 80~95% 정도조건에 따라 80~95% 정도. 승압비가 크면 낮아짐
제어제어 루프를 설계하기 쉬움전류 연속 모드에서는 우반평면 영점이 있어 제어 루프 대역을 올리기 어려움
스위치를 멈췄을 때입력과 출력이 분리됨코일과 다이오드를 통해 입력 전압이 출력에 그대로 나옴. 완전히 차단하려면 별도 스위치가 필요
주요 용도12 V나 5 V에서 CPU나 SoC의 코어 전압(1 V 안팎)을 만들기, 배터리에서 낮은 전압 만들기리튬 이온 배터리(약 3.0~4.2 V)에서 5 V 만들기, 직렬 LED 구동, 교류 전원의 역률 개선(PFC)

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

강압(벅) 컨버터
입력보다 낮은 전압을 큰 전류로 효율 좋게 만들고 싶을 때. CPU나 SoC의 코어 전원, 12 V나 5 V로부터 각 전압 생성.
승압(부스트) 컨버터
입력보다 높은 전압이 필요할 때. 배터리에서 5 V USB 출력을 만들 때, 직렬로 연결한 LED를 구동할 때, PFC로 높은 직류 전압을 만들 때.
승강압
배터리 전압이 사용하는 동안 출력 전압의 위아래를 넘나들 때는 두 기능을 모두 가진 승강압(벅부스트) 컨버터를 사용합니다.

자주 묻는 질문

변환비 D와 1/(1−D)는 어떻게 구하나요?

정상 동작 중에는 코일에 걸리는 전압을 한 주기로 평균하면 0이 된다는 것(전압과 시간의 곱이 균형을 이룸)에서 구합니다. 강압에서는 온 동안 (Vin − Vout), 오프 동안 −Vout가 걸리므로 (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D)에서 Vout = D × Vin입니다. 승압에서는 Vin × D = (Vout − Vin) × (1 − D)에서 Vout = Vin/(1 − D)가 됩니다.

승압 컨버터에서 입력보다 높은 전압이 나오는 이유는 무엇인가요?

스위치가 온인 동안 코일에 전류를 흘려 에너지를 저장합니다. 스위치를 오프하면 코일은 전류를 계속 흘리려고 전압을 발생시키고, 그것이 입력 전압에 더해져 다이오드를 거쳐 출력으로 흐르므로 출력이 입력보다 높아집니다.

D를 1에 가깝게 하면 승압비를 얼마든지 크게 할 수 있나요?

이상적으로는 1/(1−D)가 한없이 커지지만, 실제로는 코일이나 스위치의 저항에 의한 손실이 늘어 출력 전압이 한계에 다다르고 효율도 떨어집니다. 실용적인 승압비는 몇 배 정도까지이며, 그보다 큰 비에는 트랜스를 쓰는 방식 등을 선택합니다.

동기 정류란 무엇인가요?

다이오드 대신 MOSFET을 사용해, 다이오드가 전류를 흘리는 타이밍에 온시키는 방식입니다. 다이오드의 순방향 전압(쇼트키 배리어 다이오드라도 0.3~0.5 V 정도)에 의한 손실을 줄일 수 있으므로, 출력 전압이 낮을수록 효율이 올라갑니다.

이해도 확인

이상적인 강압 초퍼(벅 컨버터)에서 입력 전압 12 V, 스위치의 듀티비 0.25일 때의 출력 전압은 얼마인가?

  1. A3 V
  2. B9 V
  3. C48 V
정답과 해설 보기

정답: A. 3 V

이상적인 강압 초퍼의 출력 전압은 '입력 전압 × 듀티비'이므로 12 V × 0.25 = 3 V입니다. 스위치의 온 시간 비율을 바꿔 출력을 조정하고, 코일과 커패시터로 평균화하여 매끄러운 직류로 만듭니다. 다이오드 대신 MOSFET을 사용하는 동기 정류로 효율은 90%를 넘습니다. CPU와 메모리의 낮은 전원 전압은 메인보드 위의 다상 강압 초퍼로 만들어집니다.

입력보다 높은 직류 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터는?

  1. A승압 초퍼(부스트 컨버터)
  2. B강압 초퍼(벅 컨버터)
  3. C브리지 정류 회로
정답과 해설 보기

정답: A. 승압 초퍼(부스트 컨버터)

승압 초퍼는 스위치가 온인 동안 코일에 에너지를 저장하고, 오프가 되었을 때 코일의 전압을 입력 전압에 더하여 출력합니다. 이상적으로는 출력 전압이 입력 전압 ÷ (1 − 듀티비)이며, 듀티비 0.5라면 2배입니다. 건전지 1개로 LED를 켜는 회로, 태양전지 전압의 승압, 하이브리드차 모터 구동 전압의 승압, PFC 회로 등에 사용됩니다.

전력 변환기의 스위칭 주파수를 높이는 것의 주된 이점은?

  1. A스위칭 손실이 반드시 줄어든다
  2. B코일이나 커패시터 등 수동 부품을 소형화할 수 있다
  3. C전자 노이즈가 반드시 줄어든다
정답과 해설 보기

정답: B. 코일이나 커패시터 등 수동 부품을 소형화할 수 있다

스위칭 주파수를 높이면 1주기당 코일이나 커패시터가 저장해야 하는 에너지가 작아져 부품을 소형화할 수 있고, 전원을 소형·경량으로 만들 수 있습니다. 예를 들어 트랜스의 크기는 주파수에 거의 반비례하여 작아집니다. 한편 스위칭 손실과 노이즈는 주파수와 함께 늘어나므로, 고속에서도 손실이 작은 SiC와 GaN이 고주파화를 가능하게 하고 있습니다.

  1. 리니어 레귤레이터(LDO 등)와 비교했을 때 스위칭 레귤레이터의 특징으로 올바른 것은 무엇입니까?
  2. 릴레이 코일 등의 유도성 부하에 병렬로 접속하는 다이오드(플라이휠 다이오드)의 목적으로 올바른 것은 무엇입니까?

전력 반도체 문제 풀기

주요 용어 설명

DC-DC 컨버터
직류 전압을 다른 크기의 직류 전압으로 변환하는 회로. 스위치, 코일, 커패시터를 사용하며, 입력보다 낮은 전압으로 만드는 강압형과 높은 전압으로 만드는 승압형이 있다.
듀티비(Duty Ratio)
주기적인 펄스 신호에서 1주기 중 출력이 High인 시간의 비율. PWM에서는 평균 전력을 결정한다.
쇼트키 배리어 다이오드(SBD)
금속과 반도체의 접합(쇼트키 접합)을 이용한 다이오드. 순방향 전압이 낮고 소수 캐리어의 축적이 없어 고속으로 스위칭할 수 있다.
PMIC
전원 관리 IC. 배터리 등에서 여러 전압을 만들고 전원을 켜는 순서와 전압 전환을 관리하는 부품.

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