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DC-DC Converter

원리로 이해하는 전력전자공학, 4장

아래 글은 이해하기 어려움.

Buck과 Boost 컨버터는 같은 부품을 사용하지만, 스위치·인덕터·다이오드의 위치가 다르기 때문에 에너지를 저장하고 전달하는 방식이 달라집니다. 이로 인해 Buck은 전압을 낮추고, Boost는 전압을 높이는 효과가 생깁니다.

🔧 핵심 원리: 인덕터의 에너지 저장과 방출 방식

항목Buck (Step-down)Boost (Step-up)
스위치 ON일 때인덕터에 전류가 흐르며 에너지 저장인덕터에 전류가 흐르며 에너지 저장
스위치 OFF일 때인덕터가 출력으로 에너지 방출 → 낮은 전압인덕터가 다이오드를 통해 출력으로 에너지 방출 → 높은 전압
출력 전압입력보다 낮음입력보다 높음

Buck 컨버터에서는 스위치가 인덕터 앞에 있어서, 스위치가 꺼질 때 인덕터가 출력으로 직접 연결되어 전압이 낮아집니다.
Boost 컨버터에서는 인덕터가 스위치와 다이오드 사이에 있어, 스위치가 꺼지면 인덕터가 다이오드를 통해 출력으로 전류를 밀어내며 전압을 높입니다.

⚡ 인덕터의 역할이 결정적

  • 인덕터는 전류가 흐를 때 자기장에 에너지를 저장하고,
  • 전류가 끊기면 자기장을 붕괴시키며 전류를 밀어냅니다.
    이때 어디로 밀어내느냐가 Buck과 Boost의 차이를 만듭니다.

🧠 직관적으로 이해하기

  • Buck: 인덕터가 출력에 직접 연결 → 전압 낮춤
  • Boost: 인덕터가 출력과 분리되어 있다가 다이오드를 통해 연결 → 전압 높임

DC-DC Converter

Buck · Boost · Step Down · Step Up · Inductor · Switch · Duty Ratio · Volt-Second Balance

1. DC-DC Converter 구성

이미지에서는 DC-DC Converter의 기본 구성요소를 다음과 같이 기록한다.

  • L : Inductor
  • S : Switch
  • C : Capacitor
  • R : Load
          DC-DC Converter

          L        S        C        R
        ─coil─   switch    ─||─    /\/\/

Buck은 Step Down, Boost는 Step Up Converter로 구분한다.

Buck → Step Down
Boost → Step Up

2. Duty Ratio

스위치의 ON 시간과 OFF 시간을 이용하여 Duty Ratio D를 정의한다.

D = Ton / ( Ton + Toff )
T = Ton + Toff
Ton = DT
Toff = (1-D)T

3. Volt-Second Balance

이미지에서는 Buck과 Boost의 출력전압을 구할 때 Inductor의 Volt-Second Balance를 이용한다.

Inductor → Volt-Second Balance

한 주기의 ON 구간과 OFF 구간에서 인덕터에 걸리는 전압과 시간을 이용하여 출력전압을 계산한다.

4. Buck Converter

Buck Converter는 입력전압을 낮추는 Step Down Converter로 기록되어 있다. 

            S              L
      Vi ──o/ o──────────coil───────+── Vo
                                    │
                                    R
                                    │
                                   GND
Buck → Step Down

5. Buck — Switch ON

Switch가 ON일 때 입력전압이 인덕터와 부하 쪽에 연결된다. 

       S = ON

          Vi
           │
           ├────── L ────── Vo
           │
           └─────────────── GND

이미지에서는 인덕터 전압을 다음과 같이 기록한다.

VL = Vi – Vo

6. Buck — Switch OFF

Switch가 OFF되면 입력전원은 분리되고, 인덕터에 저장된 에너지가 출력측으로 전달되는 회로를 그려 놓았다. 

       S = OFF

          Vi      OPEN

                  L
             ───coil─────── Vo
                │           │
              Diode         R
                │           │
               GND         GND

이미지에는 OFF 구간의 인덕터 전압 크기를 Vo와 연결하여 기록한다.

7. Buck의 Volt-Second Balance

ON과 OFF 구간의 인덕터 전압을 이용해 다음 관계를 기록한다.

( Vi – Vo ) Ton = Vo Toff

Ton=DT, Toff=(1-D)T를 대입하면

( Vi – Vo ) DT = Vo (1-D)T
Vo = D Vi
0 < D < 1
Buck에서는 Vo = DVi로 정리되어 입력전압보다 낮은 출력전압을 만드는 관계가 기록되어 있다.

8. Buck의 인덕터 동작

별도 이미지에서는 Buck Converter에서 인덕터 전류와 출력전압의 관계를 다음 식과 함께 정리한다.

V = L di/dt

스위치가 ON되는 동안 인덕터 전류 iL가 증가하는 파형을 그려 놓았다. 

      SW
          OFF      ON       OFF
      ────────┌────────┐──────────
              │        │
              └────────┘

      i_L
                /\
               /  \
      ________/    \________

      Vout
                /\
               /  \
      ________/    \________

9. Buck과 LPF

이미지 하단에는 Buck Converter를 LPF와 연결하여 기록한다.

LPF → Step Down

인덕터와 출력측 요소를 이용하여 스위칭 파형에서 출력전압을 얻는 구조를 LPF와 연결해서 메모하였다.

10. Boost Converter

Boost Converter는 입력전압을 높이는 Step Up Converter로 기록되어 있다. 

              L
      Vi ───coil─────+────|>|──────+── Vo
                     │              │
                     S              C
                     │              │
                    GND             R
                                    │
                                   GND
Boost → Step Up

11. Boost — Switch ON

Switch가 ON되면 인덕터가 입력전원과 연결되어 전류가 증가하는 회로를 그려 놓았다. 

       S = ON

           L
      Vi ─coil───+
                 │
                 S
                 │
                GND

이미지에서는 이 구간의 인덕터 전압을 다음과 같이 기록한다.

VL = Vi
Vi Ton

12. Boost — Switch OFF

Switch가 OFF되면 인덕터가 출력측과 연결되는 회로가 된다. 

       S = OFF

             L
      Vi ──coil────|>|────+── Vo
                            │
                            C
                            │
                            R
                            │
                           GND

이미지에서는 OFF 구간의 인덕터 전압을 다음과 같이 기록한다.

VL = Vi – Vo

13. Boost의 Volt-Second Balance

ON/OFF 구간의 전압과 시간을 이용하여 다음 관계를 기록한다.

Vi Ton = ( Vo – Vi ) Toff

이미지의 후반 전개에서는 Duty Ratio를 적용하여 다음 출력식을 얻는다.

Vo = 1 / (1-D) · Vi
Boost에서는 D가 증가하여 1-D가 작아질수록 출력전압이 커지는 관계로 기록되어 있다.

14. Duty Ratio와 Boost 출력

Vo = Vi / (1-D)
1-D → 0에 가까워짐 → Vo 증가

이미지에는 “1-D가 0에 가까워지면 크게”라는 메모가 있다.

15. Boost의 인덕터 전류

별도 이미지에서는 Boost Converter에서 Switch가 ON되는 동안 인덕터 전류가 증가하는 파형을 그려 놓았다. 

      SW
           OFF      ON       OFF
      ──────────┌────────┐──────────
                │        │
                └────────┘

      i_L
               /|
              / |
             /  |
      ______/   |__________

인덕터 관계식으로 다음 식이 함께 기록되어 있다.

V = L di/dt

16. Boost와 Surge

Boost 관련 이미지에는 Switch 상태가 바뀔 때 인덕터 전류 변화율과 출력전압의 관계를 Surge와 연결하여 기록한다.

V = L di/dt

이미지에는 “Surge를 booster로 사용”이라는 메모가 적혀 있다.

이 표현은 원본 이미지의 메모를 그대로 반영하였다. 외부 전력전자 이론으로 표현을 수정하지 않았다.

17. Buck과 Boost의 핵심 차이

구분 Buck Boost
기능 Step Down Step Up
출력식 Vo = DVi Vo = Vi/(1-D)
ON 구간 VL = Vi-Vo VL = Vi
Duty 증가 출력전압 증가 출력전압 증가
기본 원리 Inductor의 Volt-Second Balance

18. Buck 전체 흐름

                  Buck
                   │
                   ▼
              Step Down
                   │
                   ▼
              Switch ON
                   │
                   ▼
          V_L = V_i - V_o
                   │
                   ▼
              Switch OFF
                   │
                   ▼
             V_L ↔ V_o
                   │
                   ▼
         Volt-Second Balance
                   │
                   ▼
             V_o = D V_i

19. Boost 전체 흐름

                 Boost
                   │
                   ▼
                Step Up
                   │
                   ▼
              Switch ON
                   │
                   ▼
               V_L = V_i
                   │
                   ▼
           Inductor Energy
                   │
                   ▼
              Switch OFF
                   │
                   ▼
          V_L = V_i - V_o
                   │
                   ▼
         Volt-Second Balance
                   │
                   ▼
         V_o = V_i / (1-D)

20. 이미지 핵심 정리

항목 이미지 내용
DC-DC Converter L, S, C, R로 구성
Buck Step Down
Boost Step Up
Duty Ratio D = Ton/(Ton+Toff)
Inductor V = L di/dt
Buck ON VL = Vi-Vo
Buck 출력 Vo = DVi
Boost ON VL = Vi
Boost OFF VL = Vi-Vo
Boost 출력 Vo = Vi/(1-D)
해석 방법 Inductor Volt-Second Balance
Buck 메모 LPF → Step Down
Boost 메모 Surge를 booster로 사용
이 HTML은 페이지 본문과 YouTube 자료를 사용하지 않고, 해당 페이지에 삽입된 일반 이미지 5장만 직접 시각 판독하여 작성하였다. 이 페이지에서는 NeoStudio PDF가 확인되지 않았다. 첫 번째 세 이미지에는 Buck·Boost 회로, Duty Ratio, Switch ON/OFF 등가회로, Inductor Volt-Second Balance, Buck의 V_o = DV_i, Boost의 V_o = V_i/(1-D) 전개가 기록되어 있다. 나머지 두 이미지에는 Buck과 Boost의 인덕터 전류 파형, V = L di/dt, Buck의 LPF 메모, Boost의 Surge 관련 메모가 기록되어 있다. 첫 번째 이미지에는 Boost 식을 V_o=(1-D)V_i로 적은 초기 메모도 있으나, 뒤 이미지의 실제 전개에서는 V_o=V_i/(1-D)로 정리되어 있다. 여기서는 각 이미지의 전개를 그대로 반영하고, 최종 정리에는 뒤쪽에서 완성된 식을 사용하였다. 이미지에 없는 추가적인 CCM/DCM, Ripple 계산, Capacitor 설계, Switching Loss 등의 내용은 추가하지 않았다.
DC-DC Converter, Buck Converter, Boost Converter, Step Down, Step Up, Inductor, Switch, Capacitor, Load, Duty Ratio, Duty Cycle, Ton, Toff, Volt-Second Balance, Vi, Vo, VL, V = L di/dt, LPF, Surge

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