기본 컨버터 비교

목표

변환 범위(conversion range), 절연(isolation), 제어 난이도에 따라 기본 컨버터 가운데 하나를 선택합니다.
각 컨버터가 트랜지스터에 얼마나 큰 부담을 주는지를 하나의 수치, 곧 트랜지스터 이용률(transistor utilization)로 비교합니다.
어떤 컨버터에 우반평면(right-half-plane, RHP) 영점이 있고, 어떤 컨버터의 입력 전류나 출력 전류가 펄스 형태인지 파악합니다.

이론

변환 범위와 절연

벅은 강압(step down)만 하고 부스트는 승압(step up)만 합니다(벅, 부스트). 벅-부스트는 강압과 승압을 모두 하며, 반전 출력(inverted output)을 냅니다(벅-부스트). 플라이백과 포워드 컨버터(forward converter)는 변압기를 추가합니다. 출력은 절연되며, 변환 범위는 권선비(turns ratio)에 비례하여 조정됩니다(플라이백, 포워드) [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6].

트랜지스터 스트레스와 이용률

주어진 전력을 전달하기 위해 높은 전압과 높은 실효 전류(rms current)에 대한 정격(rating)을 갖춘 트랜지스터가 필요한 컨버터는 그 트랜지스터를 제대로 활용하지 못합니다. 성능 지수(figure of merit) 가운데 하나는 트랜지스터 이용률입니다. 이는 부하 전력을 트랜지스터의 피크 전압과 실효 전류의 곱으로 나눈 값입니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6]. 리플이 작으면 트랜지스터 전류는 $D T_s$ 동안 지속되는 평평한 펄스이고, 이용률은 듀티비(duty ratio)만으로 정해집니다.

U = \sqrt{D}

$U$: 트랜지스터 이용률(utilization)
$D$: 듀티비(duty ratio)

벅 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

이상적(무손실) 스위치와 수동 소자
연속 전도 모드(CCM)
주기적 정상상태
소리플 근사로 계산한 실효 전류(윗면이 평평한 전류 펄스)

비고

부하 전력을 트랜지스터의 피크 전압

V_g

와 실효 전류의 곱으로 나눈 값입니다

출처

Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

util.buck · equations.yaml 항목

U = \frac{1 - D}{\sqrt{D}}

$U$: 트랜지스터 이용률(utilization)
$D$: 듀티비(duty ratio)

부스트 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

이상적(무손실) 스위치와 수동 소자
연속 전도 모드(CCM)
주기적 정상상태
소리플 근사로 계산한 실효 전류(윗면이 평평한 전류 펄스)

비고

트랜지스터는

V

를 차단하고

D T_s

동안 인덕터 전류를 흘립니다

출처

Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

util.boost · equations.yaml 항목

U = \left(1 - D\right) \sqrt{D}

$U$: 트랜지스터 이용률(utilization)
$D$: 듀티비(duty ratio)

벅-부스트·플라이백 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

이상적(무손실) 스위치와 수동 소자
연속 전도 모드(CCM)
주기적 정상상태
소리플 근사로 계산한 실효 전류(윗면이 평평한 전류 펄스)

비고

트랜지스터는

V_g + V

(플라이백:

V_g + V/n

)를 차단합니다. 권선비는 상쇄되며, 최댓값은

D = 1/3

에서 나옵니다

출처

Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

util.buckboost · equations.yaml 항목

U = \frac{\sqrt{D}}{1 + \frac{1}{n_r}}

$U$: 트랜지스터 이용률(utilization)
$D$: 듀티비(duty ratio)
$n_r$: 리셋 권선비(reset-winding ratio)

리셋 권선이 있는 포워드 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM✓ 테스트 7개로 검증됨

가정, 표기 규약, 출처

가정

이상적(무손실) 스위치와 수동 소자
연속 전도 모드(CCM)
주기적 정상상태
소리플 근사로 계산한 실효 전류(윗면이 평평한 전류 펄스)

비고

자화 전류는 무시합니다. 듀티비는 리셋 한계 아래로 유지해야 합니다

출처

Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)

유도

sympy 단계별 유도

수식 id

util.forward · equations.yaml 항목

벅은 듀티비가 클 때 트랜지스터를 거의 완전히 활용합니다. 부스트는 조금만 승압하는 작은 듀티비에서 이용률이 가장 높습니다. 벅-부스트와 플라이백은 트랜지스터가 입력 전압과 반사된 출력 전압(reflected output voltage)의 합을 차단(block)하므로 이용률이 가장 낮으며, 그 이용률은 $D = 1/3$ 에서 최대가 됩니다. $n_r = 1$ 인 포워드 컨버터는 $D \le 0.5$ 로 제한되고 입력 전압의 두 배를 차단하며, 이 때문에 이용률에도 상한이 생깁니다. 유도 과정(derivation)은 유도 과정 페이지에 있습니다.

제어와 전류 파형

벅과 포워드 컨버터는 L-C 필터를 통해 출력을 구동하며, 우반평면 영점이 없습니다. 부스트, 벅-부스트, 플라이백은 오프 구간(off-interval) 동안에만 출력에 에너지를 전달하며, 이로 인해 루프 대역폭(loop bandwidth)을 제한하는 우반평면 영점이 생깁니다. 벅은 입력에서 펄스 형태의 전류를 끌어오고 출력으로는 연속적인 전류를 내보냅니다. 부스트는 그 반대이고, 벅-부스트와 플라이백은 두 포트 모두에서 전류가 펄스 형태입니다 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6].

풀이 예제

모든 토폴로지에 같은 듀티비를 적용합니다.

한 듀티비에서의 비교 예제

기호	값	구하는 방법
$D$ 듀티비(duty ratio)	0.4	주어진 값
$n_r$ 리셋 권선비(reset-winding ratio)	1	주어진 값
${M}_{\mathrm{buck}}$ 변환비(conversion ratio)	0.4	벅(buck) 변환비, CCM
${M}_{\mathrm{boost}}$ 변환비(conversion ratio)	1.67	부스트(boost) 변환비, CCM
${M}_{\mathrm{bb}}$ 변환비(conversion ratio)	−0.667	벅-부스트(buck-boost) 변환비, CCM
${U}_{\mathrm{buck}}$ 트랜지스터 이용률(utilization)	0.632	벅 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM
${U}_{\mathrm{boost}}$ 트랜지스터 이용률(utilization)	0.949	부스트 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM
${U}_{\mathrm{bb}}$ 트랜지스터 이용률(utilization)	0.379	벅-부스트·플라이백 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM
${U}_{\mathrm{fwd}}$ 트랜지스터 이용률(utilization)	0.316	리셋 권선이 있는 포워드 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM

이 듀티비에서 벅의 이용률은 0.632이며, 벅-부스트의 이용률 0.379보다 훨씬 높습니다. 즉 같은 부하 전력에 대해 벅-부스트에는 전압 정격과 전류 정격의 곱이 더 큰 트랜지스터가 필요합니다.

직접 해 보기

▶ 수식 탐색기에서 열기: 벅-부스트·플라이백 컨버터의 트랜지스터 이용률, CCM
초기값을 가져온 예제 comparison-basic

$D$ 를 0부터 1까지 스윕(sweep)하면서 벅-부스트와 플라이백 이용률의 최댓값을 찾으십시오. 그런 다음 벅과 부스트의 이용률 수식을 열고 곡선을 비교하십시오.

벤치 실습

전류 프로브(current probe)와 실효값을 계산하는 오실로스코프로, 비슷한 전력을 공급하는 서로 다른 토폴로지의 평가 보드(evaluation board) 두 개에서 트랜지스터 전류와 드레인-소스 전압(drain-source voltage)을 측정하십시오. 피크 전압, 실효 전류, 측정한 출력 전력으로 각 트랜지스터의 이용률을 계산하고, 그 결과를 측정한 듀티비에서 위 수식이 주는 값과 비교하십시오.

주의할 점

이용률은 트랜지스터만 비교합니다. 다이오드 스트레스, 자성 부품(magnetics)의 크기, 스위칭 손실, 커패시터의 리플 전류는 반영하지 않습니다. 여러 기준 가운데 하나로 사용하십시오.
소리플 가정(small-ripple assumption)은 리플이 큰 컨버터를 실제보다 유리하게 보이게 합니다. 전류 리플이 크면 실효 전류가 평평한 펄스일 때의 값보다 커지고, 실제 이용률은 낮아집니다.
절연은 성능 지수가 아니라 요구 조건입니다. 응용에서 갈바닉 절연(galvanic isolation)이 필요하다면, 이용률과 관계없이 변압기 기반 토폴로지만 요건을 충족합니다.

더 알아보기

도서 챕터 Converter Circuits (Ch. 6) — R. W. Erickson, D. Maksimović · 확인일 2026-09-23
기본 토폴로지 사이의 관계와, 플라이백·포워드를 포함한 변압기 절연형 컨버터.
강의 노트 6.334 Lecture Notes — D. Perreault, MIT OpenCourseWare · 확인일 2026-09-23
dc/dc 컨버터, 자성 부품, 절연형 컨버터를 다루는 장 단위 강의 노트.
강좌 Converter Circuits — University of Colorado Boulder (Coursera) · 확인일 2026-09-23
같은 교재를 따르는 DCM 해석과 절연형 컨버터 회로.

퀴즈

어떤 응용에서 $3\,\mathrm{V}$ 와 $9\,\mathrm{V}$ 사이에서 변하는 입력으로부터 절연 없이 $5\,\mathrm{V}$ 를 얻어야 합니다. 이를 단독으로 해낼 수 있는 기본 컨버터는 무엇입니까?
1. 벅
2. 부스트
3. 벅-부스트(반전 출력을 감수하는 경우)
4. 기본 컨버터 중에는 없음
정답과 해설
정답: C 출력은 입력 전압이 낮을 때는 입력보다 높아야 하고, 입력 전압이 높을 때는 입력보다 낮아야 합니다. 승압과 강압을 모두 하는 것은 벅-부스트뿐이며, 그 대가는 반전 출력입니다.
$D = 0.25$ 에서 이상적인 CCM 벅의 트랜지스터 이용률은 얼마입니까?
1. 0.25
2. 0.5
3. 0.75
4. 1
정답과 해설
정답: B 벅의 이용률은 $\sqrt{D}$ 입니다. 트랜지스터는 $V_g$ 를 차단하고 부하 전류를 듀티비가 $D$ 인 펄스로 흘리며, 부하 전력은 $D V_g I$ 입니다.
벅-부스트와 플라이백의 이용률은 어느 듀티비에서 가장 큽니까?
1. $D = 1/4$
2. $D = 1/3$
3. $D = 1/2$
4. $D = 2/3$
정답과 해설
정답: B 이용률은 $(1 - D)\sqrt{D}$ 이며, 그 도함수는 $1 - 3D$ 가 0이 되는 곳에서 0이 됩니다.
다음 중 CCM에서 제어-출력 전달함수에 우반평면 영점이 있는 컨버터는 무엇입니까?
1. 벅
2. 포워드 컨버터
3. 플라이백
4. 해당 없음
정답과 해설
정답: C 플라이백은 부스트, 벅-부스트와 마찬가지로 오프 구간 동안에만 출력에 에너지를 전달합니다. 벅과 포워드 컨버터는 스위치가 켜져 있는 동안 L-C 필터를 통해 출력을 구동합니다.
플라이백의 트랜지스터 이용률이 권선비에 따라 달라지지 않는 이유는 무엇입니까?
1. 변압기가 에너지를 저장하지 않기 때문
2. 듀티비가 같으면 $n$ 과 관계없이 트랜지스터의 피크 전압과 실효 전류가 같고, 권선비는 출력 전압과 출력 전류만 바꾸기 때문
3. 플라이백은 항상 $D = 1/3$ 에서 동작하기 때문
4. 누설 인덕턴스가 권선비의 영향을 상쇄하기 때문
정답과 해설
정답: B CCM에서 트랜지스터는 $V_g + V/n$ 을 차단하며, 이는 $V_g/(1 - D)$ 와 같습니다. 부하 전력이 주어지면 트랜지스터 전류도 $n$ 에 따라 달라지지 않습니다. 권선비는 출력 측만 바꿉니다.
출력 커패시터에 연속적인 전류를 공급하고 입력에서 펄스 형태의 전류를 끌어오는 컨버터는 무엇입니까?
1. 벅
2. 부스트
3. 벅-부스트
4. 플라이백
정답과 해설
정답: A 벅의 인덕터는 스위치 노드와 출력 사이에 있으므로 출력에는 연속적인 인덕터 전류가 흐르고, 입력에는 스위치가 켜져 있는 동안에만 그 전류가 흐릅니다.

이 사이트의 예제, 프리셋, 연습 문제에 나오는 수치는 교육용으로 만든 어림수(합성 값)이며, 실제 설계의 데이터가 아닙니다.