디시디시컨버터
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1. 개요
DC-DC 컨버터는 직류 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 전자 회로이다. 전력 반도체 기술 발전 이전에는 진동자와 변압기를 사용하여 AC로 변환한 후 다시 DC로 변환하거나, 전동발전기를 사용하여 전압을 변환했다. 전력 반도체와 집적 회로의 등장으로 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터가 개발되어 효율을 높였다. DC-DC 컨버터는 입력 전압과 출력 전압의 관계에 따라 강압형, 승압형, 벅-부스트 컨버터 등으로 분류되며, 절연 여부에 따라 절연형과 비절연형으로 구분된다. 동작 원리는 인덕터, 변압기, 커패시터 등의 에너지 저장 소자를 이용하여 전력을 변환하며, 스위칭 소자의 On/Off 제어를 통해 전압을 제어한다. DC-DC 컨버터는 휴대용 전자기기, LED 전원, 태양광 발전 시스템 등 다양한 분야에 활용되며, 전자기 간섭(EMI) 및 카오스 현상의 영향을 받을 수 있다.
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| 디시디시컨버터 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 강압 컨버터 승압 컨버터 벅-부스트 컨버터 초크리스 커패시터 분할 커패시터 Cuk 컨버터 SEPIC 컨버터 ZETA 컨버터 |
| 적용 분야 | 휴대 전화 노트북 컴퓨터 전기 자동차 휴대용 전자 기기 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | DC-to-DC 컨버터는 한 레벨의 직류 전압을 다른 레벨로 변환하는 전기 회로이다. |
| 사용 예시 | 배터리로 전원을 공급하는 휴대용 전자 기기에서 DC-DC 컨버터는 배터리 전압이 감소하더라도 일정한 전압을 유지하는 데 도움이 된다. |
| 전력 변환 효율 | 더 높은 효율을 위해 DC-DC 컨버터는 종종 스위치 모드 전원 공급 장치 (SMPS) 토폴로지를 사용하여 전력을 변환한다. |
2. 역사
전력 반도체가 개발되기 전에는 직류(DC) 전압을 다른 전압으로 변환하기 위해 기계적인 방식이 주로 사용되었다. 저전력 환경에서는 진동자를 이용해 직류를 교류로 바꾼 뒤 변압기로 전압을 높이고 다시 정류기를 거쳐 직류로 만드는 방식을 사용했으며,[1][2] 더 높은 전력이 필요할 때는 전동기가 발전기를 돌리는 전동발전기 장치를 이용했다. 이러한 기계식 방식은 진공관을 사용하는 자동차 라디오처럼 특별히 높은 전압이 필요할 때 쓰였으나, 비효율적이고 비용이 많이 들었다.[1]
전력 반도체와 집적 회로가 등장하면서 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터 기술이 발전하여 경제성을 갖추게 되었다. 이 방식은 직류 전원을 고주파 교류로 변환하여 작은 변압기를 통해 전압을 조절한 후 다시 직류로 정류하는 방식으로, 기존 기계식 방식에 비해 훨씬 효율적이고 작고 가볍게 만들 수 있었다.[3] 1976년 이후 트랜지스터 라디오는 고전압이 필요 없게 되었지만, 일부 아마추어 무선 분야에서는 여전히 진동자나 다이나모터를 사용하기도 했다.[4]
한편, 높은 전압을 낮은 전압으로 변환할 때는 선형 레귤레이터나 저항기를 사용할 수도 있었지만, 이는 초과되는 전력을 열로 소모시켜 에너지 효율이 매우 낮았다. 에너지 효율적인 전압 변환은 솔리드 스테이트 스위치 모드 회로가 등장하면서 본격적으로 가능해졌다.
2. 1. 전력 반도체 이전
전력 반도체가 개발되기 전에는 직류(DC) 전압을 다른 전압으로 변환하기 위해 주로 기계적인 방식이 사용되었다.
저전력 응용 분야에서는 진동자(vibrator)를 이용하는 방식이 있었다. 이는 직류 전원을 기계적인 진동을 통해 교류(AC)로 변환한 뒤, 변압기를 사용하여 원하는 전압으로 높이고, 마지막으로 정류기를 거쳐 다시 직류로 만드는 방식이었다.[1][2] 이 방식은 특히 진공관(vacuum tube)을 사용하는 구형 자동차 라디오처럼, 자동차 배터리 전압(6V 또는 12V)보다 훨씬 높은 전압이 필요할 때 사용되었다.[1] 진동자는 작동 시 특유의 윙윙거리는 소리를 냈다.[1]
더 높은 전력이 필요한 경우에는 전동발전기(motor-generator set)가 사용되었다. 이는 전동기가 발전기를 구동하여 원하는 전압을 생성하는 방식으로, 전동기와 발전기가 분리된 형태이거나 하나의 장치로 결합된 다이나모터(dynamotor) 형태가 있었다.[4] 다이나모터는 모터 코일과 발전기 코일이 하나의 회전자(rotor)에 감겨 있고, 같은 자기장(field coil)을 공유하는 구조이다.[4] 전동발전기는 다양한 종류의 전압(DC, AC)과 위상 표준 간의 변환이 가능하여 산업용 전력 변환이나, 이동식 송수신기와 같이 높은 전압이 필요한 진공관 장비에 전원을 공급하는 데 사용되었다. 하지만 이러한 기계식 변환 방식들은 효율이 낮고 비용이 많이 드는 단점이 있었다.[1]
1976년 이후 트랜지스터를 사용한 자동차 라디오는 더 이상 높은 전압을 필요로 하지 않게 되었지만, 일부 아마추어 무선 운영자들은 이동식 송수신기를 위해 진동자 전원 공급 장치나 다이나모터를 계속 사용하기도 했다.[4]
한편, 높은 전압에서 낮은 전압으로 낮추는 경우에는 선형 레귤레이터나 저항기를 사용할 수도 있었지만, 이 방식들은 초과되는 전력을 열로 소모시켜 에너지 효율이 매우 낮았다. 에너지 효율적인 전압 변환은 이후 솔리드 스테이트 스위치 모드 회로가 등장하면서 가능해졌다.
2. 2. 전력 반도체 이후
전력 반도체와 집적 회로의 도입으로 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터가 경제성을 확보하게 되었다. 이는 DC 전원 공급 장치를 고주파 AC로 변환하여 변압기를 거친 후 다시 DC로 정류하는 방식이다. 고주파를 사용하면 변압기를 작고 가볍고 저렴하게 만들 수 있다는 장점이 있다.[3] 1976년까지 트랜지스터 자동차 라디오 수신기는 고전압을 필요로 하지 않았지만, 일부 아마추어 무선 운영자는 트랜지스터 전원 공급 장치를 사용할 수 있었음에도 불구하고 높은 전압이 필요한 이동식 송수신기를 위해 구형 방식인 진동자 전원 공급 장치나 다이나모터를 계속 사용하기도 했다.[4]선형 레귤레이터나 저항기를 사용하여 더 높은 전압에서 낮은 전압을 얻을 수도 있지만, 이 방법들은 초과 전력을 열로 소모하여 에너지 효율이 낮다. 에너지 효율적인 변환은 솔리드 스테이트 스위치 모드 회로를 통해서 가능해졌다.
'''스위칭 컨버터''' 또는 스위치 모드 DC-DC 컨버터는 입력 에너지를 인덕터, 변압기와 같은 자기장 저장 부품이나 커패시터와 같은 전기장 저장 부품에 일시적으로 저장한 다음, 이 에너지를 더 높거나 낮은 다른 전압의 출력으로 내보낸다. 이 변환 방식은 전압을 높이거나 낮출 수 있다. 스위칭 변환은 불필요한 전력을 열로 소모하는 선형 전압 조절 방식보다 전력 효율이 훨씬 높다(일반적으로 효율은 75%~98%). 높은 효율을 달성하기 위해서는 반도체 소자의 빠른 상승 및 하강 시간이 필수적이다. 그러나 이러한 빠른 스위칭 속도는 회로 레이아웃의 기생 효과와 결합되어 회로 설계를 복잡하게 만들 수 있다.[5] 스위치 모드 컨버터의 높은 효율성은 필요한 방열판 크기를 줄이고 휴대용 기기의 배터리 수명을 늘리는 데 기여한다. 1980년대 후반부터 전력 FET가 사용되면서 효율성이 더욱 향상되었다. 전력 FET는 전력 바이폴라 트랜지스터보다 더 높은 주파수에서 낮은 스위칭 손실로 더 효율적으로 작동하며, 구동 회로도 덜 복잡하다.
DC-DC 컨버터의 또 다른 중요한 개선은 전력 FET를 사용하여 플라이백 다이오드를 동기 정류 방식으로 대체한 것이다.[6] 이 방식은 FET의 "온 저항(on-resistance)"이 기존 다이오드보다 훨씬 낮아 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있다. 전력 반도체가 널리 보급되기 전, 저전력 DC-DC 동기 컨버터는 전자 기계식 진동자와 진공관 또는 반도체 정류기, 혹은 진동기의 동기 정류 접점을 이용한 전압 승압 변압기로 구성되었다.
대부분의 DC-DC 컨버터는 전력을 입력에서 출력으로, 즉 한 방향으로만 전달하도록 설계된다. 그러나 모든 스위칭 레귤레이터 토폴로지는 다이오드를 독립적으로 제어되는 능동 정류로 대체하여 양방향으로 전력을 이동시킬 수 있다. 이러한 양방향 컨버터는 차량의 회생 제동과 같이 에너지를 양방향으로 전달해야 하는 응용 분야에서 유용하다. 예를 들어, 주행 중에는 배터리에서 바퀴로 동력을 전달하고, 제동 시에는 바퀴에서 발생한 에너지를 다시 배터리로 회수하는 방식이다.
스위칭 컨버터는 비교적 적은 부품으로 구성되지만 전자적으로는 복잡하다. 모든 고주파 회로와 마찬가지로 안정적인 작동을 보장하고 스위칭 노이즈(EMI / RFI)를 허용 가능한 수준으로 유지하려면 부품을 신중하게 선택하고 물리적으로 배치해야 한다.[7] 전압 강하(step-down) 용도에서는 선형 레귤레이터보다 비용이 더 높지만, 칩 설계 기술의 발전으로 비용은 점차 감소하고 있다.
DC-DC 컨버터는 추가 부품이 거의 필요 없는 집적 회로(IC) 형태로 제공되거나, 전자 어셈블리 내에서 바로 사용할 수 있는 완전한 하이브리드 회로 모듈 형태로도 제공된다.
한편, 선형 레귤레이터는 입력 전압이 불안정하더라도 줄 열을 통해 초과 전압을 열로 소산시켜 안정적인 DC 전압을 출력한다. 비록 DC 전압을 다른 DC 전압으로 변환하지만, 일반적으로 'DC-DC 컨버터'라고 부르지는 않는다. (단순히 전압 강하 저항을 사용하거나 전압 조정기, 제너 다이오드로 안정화하는 경우도 마찬가지이다.)
또한, 다이오드와 커패시터를 사용하여 DC 전압을 정수배로 높이는 간단한 전압 배가기 및 딕슨 멀티플라이어와 같은 커패시티브(capacitive) 회로도 존재하며, 주로 적은 전류를 필요로 하는 경우에 사용된다.
3. 종류
디시디시컨버터는 휴대 전화, 랩톱과 같은 다양한 휴대용 전자기기에서 필수적으로 사용된다. 이러한 기기들은 내부의 여러 회로가 각각 다른 전압을 필요로 하는 경우가 많으며, 전지나 외부 전원으로부터 공급되는 전압을 각 회로에 맞게 변환해야 한다. 특히 배터리 전압은 사용함에 따라 점차 낮아지는데, 디시디시컨버터는 부분적으로 낮아진 배터리 전압을 필요한 수준으로 높여주거나 낮춰주어 기기가 안정적으로 작동하도록 돕는다. 이를 통해 여러 개의 배터리를 사용하지 않고도 다양한 전압 요구 사항을 충족시킬 수 있어 기기의 소형화에도 기여한다.
대부분의 디시디시컨버터는 출력 전압을 일정하게 제어하는 기능을 갖추고 있다. 디시디시컨버터는 구조와 작동 방식에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 가장 기본적인 분류 기준은 입력과 출력 사이의 전기적 분리(절연) 여부이며, 이에 따라 비절연형 컨버터와 절연형 컨버터로 크게 나눌 수 있다. 이 외에도 에너지 흐름 방향이나 사용되는 주요 소자에 따라 다양한 방식으로 분류되며, 각각의 특성과 용도에 맞게 선택되어 사용된다.
3. 1. 비절연형 컨버터
(내용 없음)3. 2. 절연형 컨버터
'''절연형 컨버터'''는 입력과 출력이 전기적으로 분리되어 있는 디시디시컨버터이다. 이는 안전성을 높이고 잡음(노이즈)의 전달을 막는 데 유리하다. 주로 변압기를 사용하여 절연 기능을 구현한다.- '''플라이백 컨버터 (Flyback converter)''': 변압기를 사용하여 입력과 출력을 절연하는 가장 기본적인 방식이다. 변압기가 에너지를 저장하는 인덕터 역할도 겸한다. 구조가 간단하고 비용이 저렴하여 저전력 어댑터 등에 널리 사용된다.
- '''포워드 컨버터 (Forward converter)''': 플라이백 컨버터와 유사하게 변압기를 사용하지만, 변압기가 에너지를 직접 전달하는 방식으로 동작한다. 플라이백 방식보다 높은 효율과 전력 용량을 가지며, 스위칭 손실을 줄이기 위한 추가적인 회로가 필요하다.
- '''푸시-풀 컨버터 (Push-Pull converter)''': 두 개의 스위칭 소자가 번갈아 작동하며 변압기의 1차측 권선을 구동하는 방식이다. 변압기 코어를 효율적으로 활용할 수 있어 높은 전력 밀도를 구현할 수 있다.
- '''하프 브리지 컨버터 (Half Bridge converter)''': 푸시-풀 컨버터의 변형으로, 두 개의 스위칭 소자와 두 개의 커패시터를 사용하여 브리지 형태의 회로를 구성한다. 스위칭 소자에 걸리는 전압 스트레스를 줄일 수 있는 장점이 있다.
- '''풀 브리지 컨버터 (Full Bridge converter)''': 네 개의 스위칭 소자를 사용하여 브리지 회로를 구성하는 방식으로, 하프 브리지 방식보다 더 높은 전력 용량을 처리할 수 있다. 고전력 응용 분야에 주로 사용된다.
- '''듀얼 액티브 브리지 (Dual Active Bridge, DAB) 컨버터''': 입력 측과 출력 측 모두에 풀 브리지 회로를 사용하는 양방향 전력 변환 방식이다. 높은 효율과 전력 밀도를 가지며, 에너지 저장 시스템(ESS), 전기자동차 충전기 등 고전력 양방향 전력 변환이 필요한 분야에 활용된다.
3. 3. 양방향 DC-DC 컨버터
양방향 DC-DC 컨버터는 이름 그대로 에너지 흐름이 양방향으로 가능한 것이 특징이다. 이 컨버터는 서로 다른 두 직류(DC) 전압 레벨 사이에 연결되어 에너지를 양방향으로 주고받을 수 있게 한다. 회생 제동과 같이 에너지를 회수해야 하는 다양한 응용 분야에서 사용된다.[14]주요 양방향 DC-DC 컨버터는 다음과 같다.
| 종류 |
|---|
| 부스트 양방향 DC-to-DC 컨버터 |
| 벅 양방향 DC-to-DC 컨버터 |
| 부스트-벅 비반전 양방향 DC-to-DC 컨버터 |
| 부스트-벅 반전 양방향 DC-to-DC 컨버터 |
| SEPIC 양방향 DC-to-DC 컨버터 |
| CUK 양방향 DC-to-DC 컨버터 |
입력과 출력 사이의 갈바닉 절연이 필요한 경우에는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터를 사용한다.[15]
| 종류 |
|---|
| 양방향 플라이백 |
| 절연 ĆUK & SEPIC/ZETA |
| 푸시풀 |
| 포워드 |
| 듀얼 액티브 브리지(DAB) |
| 듀얼 하프 브리지 |
| 하프 풀 브리지 |
| 멀티포트 DAB |
3. 4. 커패시티브 컨버터
스위치드 커패시터 컨버터는 커패시터를 입력과 출력 사이에 번갈아 연결하는 방식으로 작동한다. 예를 들어, 스위치드 커패시터 강압 컨버터의 경우, 두 개의 커패시터를 직렬로 연결하여 충전한 뒤, 병렬로 연결하여 방전시킨다. 이론적으로 이 방식은 입력 전압의 절반에 해당하는 전압과 두 배의 전류를 출력으로 생성할 수 있다(효율 손실 제외). 이 컨버터는 이산적인 양의 전하를 이용하기 때문에 전하 펌프 컨버터라고도 불린다.주로 비교적 작은 전류를 사용하는 응용 분야에 적합하다. 전류 요구량이 더 높은 경우에는 스위치 모드 컨버터가 효율성과 크기 면에서 더 유리하기 때문이다.[16] 또한, 자기 부품이 고전압 환경에서 고장날 위험이 있어 매우 높은 전압이 필요한 경우에도 사용된다.
4. 동작 원리
'''스위칭 컨버터'''(Switched-mode DC-DC converter)는 입력된 직류(DC) 전력을 일시적으로 저장했다가, 다른 전압 레벨의 직류로 변환하여 출력하는 장치이다.[5] 에너지는 주로 자기장 저장 소자(인덕터, 변압기)나 전기장 저장 소자(커패시터)에 저장된다. 이 방식은 입력 전압보다 높거나 낮은 출력 전압을 모두 만들어낼 수 있다.
스위칭 컨버터는 트랜지스터(주로 MOSFET, IGBT 등)와 같은 스위칭 소자를 빠르게 켜고 끄는 동작을 반복한다. 이 스위칭 동작을 통해 에너지 저장 소자에 에너지를 저장하고 방출하는 과정을 제어하며, 스위치가 켜져 있는 시간의 비율인 듀티 사이클(Duty Cycle)을 조절하여 출력 전압을 원하는 값으로 유지한다.
이 방식은 선형 레귤레이터처럼 불필요한 전력을 열로 소모하지 않아 전력 효율이 매우 높다(일반적으로 75% ~ 98%).[5] 높은 효율 덕분에 방열판 크기를 줄일 수 있고, 휴대용 기기의 배터리 사용 시간을 늘리는 데 유리하다. 효율을 높이기 위해서는 스위칭 소자의 빠른 상승 및 하강 시간이 중요하지만, 이는 회로 설계 시 전자기 간섭(EMI / RFI) 등 노이즈 문제를 발생시킬 수 있어 주의가 필요하다.[5][7]
1980년대 후반부터는 전력 FET가 널리 사용되면서 효율이 더욱 향상되었다. FET는 기존의 바이폴라 트랜지스터보다 더 높은 주파수에서 낮은 스위칭 손실로 더 효율적으로 동작할 수 있으며, 구동 회로도 비교적 간단하다. 또한, 다이오드 대신 전력 FET를 이용한 동기 정류(Synchronous Rectification) 기술[6]은 FET의 낮은 '온 저항' 특성을 활용하여 스위칭 손실을 더욱 줄였다.
대부분의 DC-DC 컨버터는 입력에서 출력으로 한 방향으로만 전력을 전달하지만, 다이오드를 능동 정류(Active Rectification) 소자로 대체하고 제어 방식을 바꾸면 양방향으로 전력 전송이 가능한 컨버터도 만들 수 있다. 이는 자동차의 회생 제동 시스템처럼 에너지를 양방향으로 주고받아야 하는 경우 유용하다.
스위칭 컨버터는 비교적 적은 부품으로 구성되지만, 안정적인 동작과 노이즈 억제를 위해 전자적으로는 복잡한 설계가 필요하다.[7] 과거에는 선형 레귤레이터보다 비용이 높았지만, 집적 회로(IC) 기술의 발달로 비용이 점차 낮아지고 있다. 현재는 단일 칩 IC 형태나, 필요한 부품들이 통합된 하이브리드 회로 모듈 형태로도 제공되어 전자 회로 설계에 편리하게 사용된다.
한편, 선형 레귤레이터 역시 입력 전압을 낮춰 안정적인 DC 출력을 제공하지만, 이는 줄 발열을 통해 과도한 전력을 열로 소산시키는 방식이므로 스위칭 컨버터와는 동작 원리가 다르다. 또한, 커패시터와 다이오드를 이용해 전압을 정수배로 높이는 커패시티브 방식(예: 전압 배가기, 딕슨 멀티플라이어)도 존재하며, 주로 적은 전류를 필요로 하는 곳에 사용된다. 스위칭 컨버터 중 가장 널리 사용되는 방식은 자기 에너지를 이용하는 방식이며, 이에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.
4. 1. 자기(Magnetic) 방식
(에너지가 자기장을 통해 직접 전달)(에너지가 자기장에 저장되었다 전달)
(변압기 없음)
(변압기 사용)