스위치, 다이오드(또는 두 번째 스위치), 인덕터, 커패시터로 입력보다 낮은 직류 전압을 만드는 DC-DC 컨버터. 스위치가 온인 시간의 비율(듀티비) D를 바꾸어 출력을 조정하며, 전류 연속 모드의 이상적인 출력 전압은 D × 입력 전압이 된다. CPU나 SoC 코어의 전원, 12 V나 5 V로부터의 각종 전압 생성 등에 쓰이며, 가장 널리 사용되는 비절연형 컨버터이다.
일본어 명칭: 降圧チョッパ(バックコンバータ)
강압 초퍼(벅 컨버터)은(는) 파워 일렉트로닉스 회로, 전력 반도체 등 2개 분야의 연습 문제 10개에 나와요.
분야: 파워 일렉트로닉스 회로
스위치가 온인 동안 인덕터에는 (Vin − Vout)이 걸려 전류가 늘고, 오프인 동안은 다이오드(환류 다이오드)를 통해 −Vout이 걸려 전류가 줄어듭니다. 정상 상태에서는 이 두 전압과 시간의 곱이 평형을 이루므로, (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D)에서 Vout = D × Vin입니다. 예를 들어 12 V에서 D = 0.25로 3 V를 얻을 수 있습니다.
인덕터 전류의 리플은 ΔI = (Vin − Vout) × D/(L × f)이며, 출력 전류의 20~40% 정도가 되도록 L을 고르는 것이 하나의 기준입니다. 출력 전류가 ΔI/2보다 작아지면 전류가 0까지 내려가는 전류 불연속 모드가 됩니다. 출력 전압의 리플은 이상적인 커패시터에서는 ΔI/(8fC)이며, 실제로는 여기에 ESR에 의한 ΔI × ESR이 더해집니다.
주된 손실은 스위치와 다이오드의 도통 손실, 스위칭 손실, 인덕터 권선과 철심의 손실입니다. 출력 전압이 낮으면 다이오드 순방향 전압의 비율이 크므로, 다이오드를 MOSFET으로 바꾸는 동기 정류가 표준적으로 사용됩니다. 12 V에서 1 V처럼 변환비가 크면 듀티비는 약 8%로 작아지고, 1 MHz에서는 온 시간이 약 83 ns밖에 없으므로 제어와 소자의 속도가 과제가 됩니다.
듀티비 D는 0에서 1 사이이므로, 이상적인 출력 전압 D × Vin은 입력 전압을 넘지 않습니다. 출력은 입력을 잘게 자른 전압의 평균값이라고 생각할 수 있습니다. 입력보다 높은 전압이 필요할 때는 승압 초퍼나 승강압 초퍼를 사용합니다.
다이오드로 환류하는 강압 초퍼는 부하가 가벼워지면 전류 불연속 모드가 됩니다. 인덕터 전류가 0인 기간에는 스위치 접속점의 전압이 출력 전압과 같아지므로 그 평균이 올라가, 출력 전압이 D × Vin보다 높아집니다. 실제 전원에서는 피드백 제어로 듀티비를 낮춰 출력을 일정하게 유지합니다.
이상적인 강압 초퍼의 출력 전압은 '입력 전압 × 듀티비'이므로 12 V × 0.25 = 3 V입니다.
이상적인 강압 초퍼(벅 컨버터)에서 입력 전압 12 V, 스위치의 듀티비 0.25일 때의 출력 전압은 얼마…강압 초퍼에서는 스위치가 온인 동안 입력에서 인덕터를 거쳐 출력으로 전류가 흐르고, 인덕터에 에너지가 저장됩니다.
강압 초퍼(벅 컨버터)에서 스위치가 오프인 동안 인덕터 전류가 흐르는 경로로 올바른 것은?강압 초퍼에서는 온인 동안 (Vin − Vout), 오프인 동안 −Vout이 걸리므로, (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D)에서 Vout = D × Vin을 얻습니다.
강압 초퍼의 이상적인 출력 전압 Vout = D × Vin을 유도할 때의 근거로 올바른 것은?동기 정류 강압 초퍼에서는 인덕터 전류가 음의 방향으로도 흐를 수 있으므로, 경부하에서도 전류 연속 모드의 동작을 계속할 수 있습니다.
입력 전압 12 V, 출력 전압 3 V, 인덕턴스 15 µH, 스위칭 주파수 300 kHz인 이상적인 강압…D × Vin인 3 V는 강압 초퍼의 식입니다.
이상적인 승압 초퍼(부스트 컨버터)에서 입력 전압 5 V, 스위치의 듀티비 0.6일 때, 전류 연속 모드에…듀티비(Duty Ratio) 동기 정류(Synchronous Rectification) 전류 연속 모드 승압 초퍼(부스트 컨버터) 승강압 초퍼(벅-부스트 컨버터) 데드 타임(Dead Time) 바디 다이오드(Body Diode) 역회복 시간 관통 전류(Shoot-through Current) 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)