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안녕하세요, 제어쟁이입니다.

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벅 컨버터에서 스위치가 off일 때의 핵심은 스위치가 꺼졌는데 왜 전류가 계속 흐르느냐가 아니라, “인덕터 전류는 순간적으로 끊길 수 없다”는 점입니다. 스위치가 on일 때는 입력 전원이 스위치와 인덕터를 거쳐 부하로 전류를 공급합니다. 이때 스위치 노드 전압은 거의 입력 전압 Vin까지 올라가고, 인덕터 양단에는 Vin - Vout 정도의 양의 전압이 걸립니다. 그래서 인덕터 전류는 증가하고, 인덕터에는 에너지가 저장됩니다.

그런데 스위치가 off되면 입력 전원과 인덕터 사이의 직접 경로는 끊깁니다. 이 순간에도 인덕터에 흐르던 전류는 바로 0이 될 수 없기 때문에, 인덕터는 기존 전류 방향을 유지하려고 합니다. 즉 인덕터는 자기 자신이 전원처럼 동작하면서 계속 부하 쪽으로 전류가 흐르게 됩니다. 이때 인덕터 양단의 전압 극성이 on 상태와 반대로 바뀝니다. 출력 쪽 전압은 출력 커패시터와 부하 때문에 어느 정도 Vout 근처로 유지되고 있는데, 인덕터 전류를 같은 방향으로 계속 흐르게 하려면 스위치 노드 쪽 전압은 출력 쪽보다 낮아져야 합니다. 그래서 스위치가 off되는 순간 스위치 노드 전압이 아래로 떨어지고, 결국 GND보다 약간 낮은 전압까지 내려가면서 프리휠 다이오드가 순방향 바이어스됩니다.

다이오드가 켜지면 전류는 인덕터 → 부하 → GND → 다이오드 → 다시 인덕터 쪽으로 순환하게 됩니다. 즉 off 상태에서 전류를 계속 흘려주는 주체는 입력 전원이 아니라, on 구간 동안 에너지를 저장해 둔 인덕터입니다.

여기서 “왜 벅 컨버터의 출력 전압이 입력 전압보다 낮아지는가”도 같이 이해할 수 있습니다. 벅 컨버터는 입력 전압을 계속 그대로 출력에 연결하는 회로가 아니라, 스위치를 빠르게 on/off 하면서 인덕터와 커패시터가 그 스위칭 파형을 평균화하는 회로입니다. on 구간에는 스위치 노드가 거의 Vin이 되고, off 구간에는 스위치 노드가 다이오드에 의해 거의 0V 또는 약간 음의 전압 근처로 내려갑니다. 출력단의 인덕터와 커패시터는 이 스위칭 노드 전압을 그대로 내보내는 것이 아니라 평균값에 가까운 DC 전압으로 만들어 줍니다. 이상적인 경우에는 출력 전압이 대략 Vout = D × Vin이 됩니다. 여기서 D는 듀티비입니다. 예를 들어 입력이 24V이고 듀티비가 50%라면 출력은 대략 12V가 됩니다. 듀티비가 30%라면 출력은 대략 7.2V가 됩니다. 즉 출력 전압이 낮아지는 이유는 인덕터가 전압을 그냥 소모해서가 아니라, 스위치가 켜져 있는 시간 비율만큼만 입력 에너지가 전달되고, 인덕터와 커패시터가 그 값을 평균화하기 때문입니다.

또한 인덕터 관점에서 보면, 정상상태에서는 인덕터 양단 전압의 평균이 0이 되어야 합니다. on 구간에서는 인덕터에 Vin - Vout의 양의 전압이 걸려 전류가 증가하고, off 구간에서는 인덕터에 대략 -Vout의 음의 전압이 걸려 전류가 감소합니다. 이 증가량과 감소량이 한 주기 동안 같아지는 지점에서 일정한 출력 전압이 만들어집니다. 그래서 듀티비를 조절하면 on 구간과 off 구간의 비율이 바뀌고, 그 결과 출력 전압도 바뀌게 됩니다.

2.

인버터의 데드타임도 비슷한 관점으로 보면 이해가 쉽습니다. 인버터에서 상측 스위치와 하측 스위치를 동시에 켜면 DC 링크가 바로 단락되는 shoot-through가 발생할 수 있기 때문에, 스위치를 전환할 때 아주 짧은 시간 동안 위아래 스위치를 모두 off시키는 데드타임을 넣습니다. 그런데 모터 같은 부하는 인덕턴스 성분이 크기 때문에, 데드타임 동안 스위치가 둘 다 꺼져도 부하 전류가 순간적으로 사라지지 않습니다. 전류는 계속 흐르려고 하고, 그 전류 방향에 따라 인버터의 스위치 노드 전압이 위쪽 또는 아래쪽으로 밀리게 됩니다. 그러다가 상측 또는 하측 MOSFET의 바디 다이오드가 순방향이 되는 순간, 그 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다.

정리하면, 데드타임 때 어떤 다이오드로 전류가 흐르는지는 "부하 전류가 어느 방향으로 흐르고 있는가"에 의해 결정됩니다. 한 상의 전류를 인버터에서 모터 쪽으로 나가는 방향을 양의 전류라고 정의하면, 데드타임 동안 그 전류를 유지하기 위해 보통 하측 바디 다이오드 쪽으로 프리휠 전류 경로가 만들어집니다. 반대로 모터에서 인버터 쪽으로 전류가 들어오는 방향이면 상측 바디 다이오드가 도통하면서 전류가 흐릅니다. 즉 부하 전류의 방향이 바뀌면 데드타임 동안 도통하는 다이오드도 바뀝니다.

결국 벅 컨버터와 인버터 모두 공통적으로 봐야 할 점은 인덕터 전류는 순간적으로 끊길 수 없다는 것입니다. 스위치를 off한다고 해서 전류가 바로 멈추는 것이 아니라, 인덕턴스가 기존 전류 방향을 유지하려고 하면서 필요한 전압을 스스로 만들어 냅니다. 그 결과 다이오드가 순방향으로 켜질 수 있는 조건이 만들어지고, 다이오드를 통해 전류가 계속 흐르게 됩니다. 벅 컨버터에서는 이 역할을 프리휠 다이오드가 하고, 인버터에서는 데드타임 동안 상측 또는 하측 스위치의 바디 다이오드가 그 역할을 한다고 이해하시면 됩니다.

추가 질문사항 있으시면 언제든지 문의주세요.

감사합니다 ㅎㅎ

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안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 구구콘님.

벅 컨버터의 동작 원리를 이해하는 데 어려움을 겪고 계시군요. 벅 컨버터는 스위칭 모드 전력 공급 장치의 한 종류로, 기본적으로 스위치, 다이오드, 인덕터, 커패시터로 구성됩니다.

벅 컨버터 스위치 Off일 때의 동작

1. 스위치 Off 상태:

   • 스위치가 Off 되는 순간, 인덕터에 저장된 에너지가 밖으로 방출되면서 전류가 끊어집니다. 이때 인덕터는 전류의 계속적인 흐름을 유지하기 위해 역기전력을 생성하게 됩니다.
     

2. 다이오드 역할:

   • 스위치가 Off 상태일 때, 인덕터에서 방출된 에너지가 계속 흐르기 위해 다이오드를 통과하게 됩니다. 이 과정에서 인덕터와 다이오드가 함께 작용해 전류가 원활하게 흐를 수 있도록 합니다.
     

3. 전류의 경로:

   • 인덕터의 에너지는 다이오드를 통해 부하로 계속 공급되며, 커패시터는 이 에너지를 일정하게 유지시킵니다. 이 과정에서 다이오드는 전류가 인덕터에서 부하로 흐르도록 도와줍니다.
     

인버터의 경우도 유사하게 동작하며, 주로 스위칭 기술을 이용해 교류 전력을 직류로 변환하거나 그 반대로 변환하는 장치입니다. 벅 컨버터와의 차이는 전류의 흐름 제어 방식과 변환 목적에 있습니다.

관련된 추가 정보와 설명은 전동킥보드로 배우는 임베디드 실전 프로젝트 강의에서도 다루고 있으니 참고하시기를 추천드립니다.

저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다.
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