최근 수정 시각 : 2024-11-19 14:52:48

부스트 컨버터


1. 개요2. 동작3. 용도4. 종류

1. 개요

Boost converter

boost라는 단어는 증진시킨다는 의미이고, 컨버터는 변환시켜준다는 의미다. 직류/직류 컨버터를 대표하는 회로로써, 외부에서 유입되는 직류 전압을 펄스화된 직류로 변환하여 승압한 후, 다시 직류 전압으로 변환하여 안정된 출력 전압을 발생시키는 회로이다. 언뜻 생소하지만 현대인들은 일상적으로 컨버터를 사용하고 있다. 예를 들어 220V의 교류를 공급했을 때, 기기마다 모두 220V를 받고 곧장 사용하는 게 아니라 안에서 바꿔서 사용한다는 것을 떠올리면 어렵지 않다. 상술했듯, 부스트 컨버터는 일상적으로 사용되는 전기 변환 장치이므로 전기, 전자 공학에서는 필수요소라고 할 수 있다. 다만 출력 전압을 입력 전압보다 높이는 기능밖에 하지 못하며, 입력 전압보다 출력 전압이 낮아야 한다면 벅컨버터를, 입력 전압이 출력 전압보다 위아래일 수 있다면 벅-부스트나 SEPIC 컨버터를 사용해야 한다.

2. 동작

부스트 컨버터와 벅 컨버터의 원리를 소개하는 동영상.

스위치(주로 트랜지스터)가 켜지면 인덕터에 에너지가 충전되고, 꺼지면 인덕터의 기전력이 배터리의 기전력과 합쳐저 배터리가 내는 전압보다 더 높은 전압으로 커패시터를 충전시킨다. 다이오드는 커패시터에서 배터리/스위치로 역전류가 흐르는 것을 막는다.

3. 용도

콘덴서나 전지 등을 이용한 전자기기에서 전기의 흐름을 조절하는 역할을 하므로 회로에서 전력원과 연결해 전류/전압을 조절해야 한다. 이 때문에 공돌이들이 코일건 등의 회로를 설계할 때 거의 빠지지 않는다.

일상에서는 대표적으로 보조배터리의 전원 출력장치에 쓴다. 대부분의 리튬 이온 배터리의 출력전압은 배터리 충전 정도에 따라 다르지만 공칭전압은 3.7V, 최대전압은 4.2V이므로, 5V나 9V를 받아들이는 장치에선 승압이 필요하다. 이때문에 승압을 위한 부스트 컨버터와 보조배터리의 리튬 이온 배터리를 충전시키기 위한 각종 보호회로(과충전, 과방전 보호회로 등)가 내장되어 있다. 다만, 부스트 업을 하면서 컨버터는 요구되는 전력을 발생시키기 위해 배터리의 용량을 더 사용하게 된다. (어플리케이션이 5V, 1A를 요구하면 3.7V, 1.35A를 소비해야 5W가 된다. 물론 부스트 업 손실등도 고려하면 더 많은 전력이 소모된다.) 또한 LCD 모니터의 LED 백라이트 밝기 제어용으로도 사용된다. 내/외장 SMPS로부터 12~18V의 전압을 받은 뒤 36V 이상으로 승압해 출력한다. 컴퓨터 파워 서플라이나 노트북 충전기의 PFC 회로에서도 사용된다. 150W[1] 이상의 용량을 가진 파워서플라이 라벨에 100~240V 프리볼트로 표기되어 있으면 PFC 부스트 컨버터를 포함하는 제품이다.

일상 외에서는 태양광 발전용 MPPT 컨트롤러[2], USB 킬러, 산업용 장비의 PFC등에서 사용된다.

4. 종류

  • PFC 부스트 컨버터
    브릿지 다이오드에 커패시터를 바로 연결한 간단한 정류 회로로 직류 전원을 공급하면 교류 전압이 첨두값에 가까울 때만 큰 전류가 흐르게 되어 역률이 나쁘다. 이를 개선하기 위해 브릿지 다이오드의 출력을 부스트 시켜서 약 380V까지 끌어올린다. PWM과 1개의 인덕터, FET(일부 고전력 제품에서는 IGBT를 사용하기도 한다) 등의 스위치 소자와 다이오드로 구성된다. 별도의 절환 스위치 없이 프리볼트를 구현 가능하다는 장점도 가진다. 보통 액티브 PFC라 하면 이것이 내장되어 있다. SMPS 토폴로지에 따라 PFC 회로를 다중으로 내장하는 경우도 간혹 있다.
  • 동기 정류 부스트 컨버터
    다이오드를 교대로 스위칭하는 두번째 FET로 변경한 회로이다. FET는 다이오드에 비해 순방향 전압 강하로 인한 손실이 적으므로 더 높은 효율을 가진다. 동기 정류 벅 컨버터와 구조가 동일하므로 양방향성으로 설계되는 경우도 있다. PFC 등의 회로에서 교류 전원을 입력받을 경우 브릿지 다이오드 대신 아예 FET로 정류 회로를 구성하는 Totem-pole 방식 부스트 컨버터도 존재한다.
  • 다상 부스트 컨버터
    여러 개의 부스트 컨버터들을 병렬로 연결시킨 구조의 회로로, 각 컨버터는 위상차를 두고 작동한다. 대전력 변환 혹은 출력 리플이 매우 낮아야 하는 경우 사용된다.
[1] 전력량이 이 미만일 경우 부스트 컨버터 없이 플라이백 회로만으로도 프리볼트를 구현 가능하다. 그러나 역률 개선을 위해 플라이백 토폴로지를 사용함에도 PFC 부스트 컨버터를 포함한 제품도 점차 흔해지고 있다.[2] 용도에 따라 벅컨버터나 벅-부스트 컨버터를 대신 사용하는 경우도 있다.

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