KR100601040B1 - Power circuit apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영전류 스위칭을 통해 역률 개선부의 손실을 감소시키고 출력전압 제어부의 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키는 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a low loss power factor improvement and high efficiency power circuit device for reducing the loss of the power factor improving unit through zero current switching and improving the efficiency through soft switching of the output voltage controller.

이를 위한 본 발명은, 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치에 있어서, 영전류 스위칭을 통해 손실을 감소시키는 역률 개선부; 및 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키는 출력전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. To this end, the present invention provides a power supply circuit device having a low loss type power factor improvement and a high efficiency, the power factor improving unit reducing loss through zero current switching; And an output voltage controller for improving efficiency through soft switching.

Description

전원회로 장치{Power circuit apparatus} Power circuit apparatus

도 1은 본 발명에 따른 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치의 회로 구성도. 1 is a circuit diagram of a low loss power factor improvement and high efficiency power circuit device according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 역률 개선부(부스트 컨버터 회로)100: power factor improvement unit (boost converter circuit)

200 : 출력전압 제어부(하프-브리지 플라이백 컨버터 회로)200: output voltage control unit (half-bridge flyback converter circuit)

300 : 부하300: load

L : 부스트 인덕터L: Boost Inductor

S1 : 부스트 스위치 소자S 1 : boost switch element

Da, Cd : 부스트 컨버터 출력 다이오드, 콘덴서D a , C d : Boost converter output diode, capacitor

S2, S3 : 하프-브리지 플라이백 컨버터 스위치 소자S 2 , S 3 : half-bridge flyback converter switch element

Cr : 공진 콘덴서C r : resonant capacitor

T1 : 트랜스포머T 1 : Transformer

Do, Co : 하프-브리지 플라이백 컨버터 출력 다이오드, 콘덴서D o , C o : half-bridge flyback converter output diode, capacitor

본 발명은 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 영전류 스위칭을 통해 역률 개선부의 손실을 감소시키고 출력전압 제어부의 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키는 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a low loss power factor improvement and a high efficiency power circuit device, and more particularly, a low loss that reduces the loss of the power factor improving unit through zero current switching and improves efficiency through soft switching of the output voltage control unit. The present invention relates to a power factor correction device for improving power factor and high efficiency.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 전원 공급 장치는 일반적으로 고조파 저감을 위한 역률 개선부와 출력전압 제어를 위한 출력전압 제어부로 구성된다. 고조파 저감을 위한 역률 개선부에서는 역률 개선 및 일정한 출력전압을 만들게 되고, 출력전압 제어부는 상기 역률 개선부의 출력전압을 입력으로 하여 원하는 출력전압을 출력하여 제공한다. As is well known to those skilled in the art, a power supply generally includes a power factor improving unit for harmonic reduction and an output voltage controller for output voltage control. The power factor improving unit for reducing harmonics improves the power factor and makes a constant output voltage, and the output voltage controller outputs and provides a desired output voltage using the output voltage of the power factor improving unit as an input.

상기 역률 개선부를 위한 역률 개선 회로로는 주로 부스트(boost) 컨버터가 이용되고 있고, 종래기술에 의한 회로에서는 원하는 출력전압을 제공하기 위한 컨버터부로 플라이백(flyback) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 직렬공진 컨버터(series-resonant converter: SRC) 등을 사용하고 있다.A boost converter is mainly used as a power factor improving circuit for the power factor improving unit. In a circuit according to the related art, a converter unit for providing a desired output voltage is used as a flyback converter, a forward converter, a series. Resonant converters (series-resonant converters, etc.) are used.

그러나 종래의 플라이백 컨버터 혹은 포워드 컨버터는 상대적으로 회로가 간단하다는 특징을 지니지만, 높은 전압 스트레스와 하드 스위칭(hard switching)에 의하여 전원 장치의 효율을 감소시키는 문제점을 가지고 있다. 또한 종래의 주파수 제어 직렬공진 컨버터는, 소프트 스위칭으로 인하여 효율은 좋으나 가변 주파수 제어 특성으로 과도 응답특성이나 과전류 보호 특성이 좋지 못하여 신뢰성이 떨어지 는 문제점을 가지고 있다. However, the conventional flyback converter or forward converter has a relatively simple circuit, but has a problem of reducing the efficiency of the power supply device due to high voltage stress and hard switching. In addition, the conventional frequency controlled series resonant converter has a problem in that the efficiency is good due to soft switching, but the reliability is deteriorated because the transient response characteristic or the overcurrent protection characteristic is poor due to the variable frequency control characteristic.

한편 역률 개선부에서는 일반적으로 스위치의 도통 시 정류용 다이오드의 스위칭 과정에서 상기 다이오드의 역회복 특성(reverse recovery characteristic)으로 인하여 스위칭 소자와 다이오드의 스위칭 손실이 발생되는 문제점이 있다. 일반적으로 반도체 소자들의 하드 스위칭 동작에 따른 스위칭 손실은 전원 회로의 효율 감소라는 문제점을 안고 있다. On the other hand, the power factor improving unit generally has a problem in that switching losses between the switching element and the diode are generated due to the reverse recovery characteristic of the diode during the switching of the rectifying diode when the switch is connected. In general, switching losses due to hard switching operations of semiconductor devices have a problem of decreasing efficiency of power circuits.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기한 종래기술의 여러가지 문제점을 해결하기 위하여 별도의 스너버 회로를 구비하지 않고, 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭을 통해 손실을 감소시키는 역률 개선부와, 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키는 출력전압 제어부로 구성된 고효율의 전원회로 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a power factor for reducing the loss through zero current switching of the boost converter output diode Da without a separate snubber circuit in order to solve various problems of the prior art. The present invention provides a high efficiency power circuit device including an improvement unit and an output voltage control unit for improving efficiency through soft switching.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치에 있어서, 영전류 스위칭을 통해 손실을 감소시키는 역률 개선부; 및 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키는 출력전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치가 제공된다. The present invention, in order to achieve the above technical problem, low loss type power factor improvement and high efficiency power supply circuit device, power factor improving unit for reducing the loss through zero current switching; And an output voltage controller for improving efficiency through soft switching.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 역률 개선부는 부스트(boost) 컨버터 회로를 포함하고, 상기 출력전압 제어부는 일정한 출력전압을 제어하기 위한 하프-브리지 플라이백(half-bridge flyback) 컨버터 회로를 포함하며, 상기 역률 개선부의 부스트 컨버터 회로는 가변 주파수로 운전되고, 상기 출력전압 제어부는 고정 주파수로 운전된다. In a preferred embodiment of the present invention, the power factor improving unit includes a boost converter circuit, and the output voltage control unit includes a half-bridge flyback converter circuit for controlling a constant output voltage. The boost converter circuit of the power factor improving unit is operated at a variable frequency, and the output voltage controller is operated at a fixed frequency.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 역률 개선부 및 상기 출력전압 제어부에는 각각 소프트 스위칭 기법이 적용된다. In a preferred embodiment of the present invention, a soft switching technique is applied to each of the power factor improving unit and the output voltage control unit.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 부스트 컨버터 회로는: 부스트 인덕터와 스위치 소자, 부스트 컨버터의 출력 다이오드 및 출력 콘덴서를 포함하여 이루지고, 상기 스위치 소자가 소거(off)된 후, 상기 부스트 인덕터에 흐르는 전류의 검출을 통해 별도의 스너버 회로를 구비하지 않고, 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭으로 스위칭 손실을 줄일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the boost converter circuit comprises: a boost inductor and a switch element, an output diode of the boost converter and an output capacitor, and after the switch element is turned off, By detecting the flowing current, switching loss can be reduced by zero current switching of the boost converter output diode Da without a separate snubber circuit.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 하프 브리지 플라이백 컨버터 회로는: 2개의 스위치 소자와 공진 콘덴서, 트랜스포머, 플라이백 컨버터의 출력 다이오드 및 출력 콘덴서를 포함하여 이루어지고, 상기 2개의 스위치 소자를 고정 주파수 하에서 서로 반대 신호로 제어하는 비대칭 펄스폭 변조방식에 의하여 소프트 스위칭으로 동작시킴으로써 영전압 스위칭으로 스위칭 손실을 줄일 수 있다. In a preferred embodiment of the invention, the half bridge flyback converter circuit comprises: two switch elements and a resonant capacitor, a transformer, an output diode and an output capacitor of the flyback converter, and fix the two switch elements. Switching loss can be reduced by zero voltage switching by operating soft switching by an asymmetric pulse width modulation method that controls opposite signals under frequency.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the low-loss power factor improvement and high efficiency power circuit device according to the present invention. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

도 1은 본 발명에 따른 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치의 회 로 구성도이다. 1 is a circuit diagram of a low loss power factor improvement and high efficiency power circuit device according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전원회로 장치는, 영전류 스위칭을 통해 손실을 감소시키는 구조의 역률 개선부(100)와, 소프트 스위칭을 통해 효율을 향상시키는 구조의 출력전압 제어부(200)를 포함하여 이루어진다. 도 1에서 부재번호 300은 부하(load)를 나타내고, 부재기호 IL은 역률 개선 방식에 따라 인덕터(L)에 흐르는 전류를 나타내고, Vi는 교류전압을 정류한 입력 맥류전압을 나타내고, Vo는 직류전압(Vd)으로부터 제어된 출력전압이다. Referring to FIG. 1, the power circuit device according to the present invention includes a power factor improving unit 100 having a structure for reducing loss through zero current switching and an output voltage controller 200 having a structure for improving efficiency through soft switching. It is made, including. In FIG. 1, reference numeral 300 denotes a load, reference numeral I L denotes a current flowing through the inductor L according to the power factor improvement method, V i denotes an input pulse current voltage rectified by an AC voltage, and V o. Is the output voltage controlled from the DC voltage V d .

본 발명에 따른 전원회로 장치의 주요한 직류-직류(dc-dc) 회로는 역률 개선부(100)인 부스트(boost) 컨버터 회로와, 일정한 출력전압을 제어하는 출력전압 제어부(200)인 하프-브리지 플라이백(half-bridge flyback) 컨버터 회로로 이루어진다. 역률 개선부(100)로서 부스트 컨버터는 가변 주파수로 운전되고, 출력전압 제어부(200)는 고정 주파수로 운전되며, 역률 개선부(100)와 출력전압 제어부(200)에는 각각 소프트 스위칭 기법이 적용된다. The main DC-DC circuit of the power circuit device according to the present invention includes a boost converter circuit, which is a power factor improving unit 100, and a half-bridge, which is an output voltage controller 200 for controlling a constant output voltage. It consists of a half-bridge flyback converter circuit. As the power factor improving unit 100, the boost converter is operated at a variable frequency, the output voltage controller 200 is operated at a fixed frequency, and a soft switching technique is applied to the power factor improving unit 100 and the output voltage controller 200, respectively. .

역률 개선부(100)로서 부스트 컨버터 회로는 도시한 바와 같이 부스트 인덕터(L)와, 스위치 소자(S1), 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da) 및 출력 콘덴서(Cd)를 포함하여 이루지는 데, 이와 같은 부스트 컨버터 회로(L, S1, Da, Cd)는 스위치 소자(S1)의 소거(off) 후, 부스트 인덕터(L)에 흐르는 전류의 검출을 통한 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭으로 스위칭 손실을 줄인다.And a power factor correction unit 100, the boost converter circuit includes a boost inductor (L) As shown in the figure, the switching element (S 1), the boost converter output diode (D a) and an output capacitor having not form, including (C d) , the boost converter circuit of (L, S 1, d a, C d) is a switching element (S 1) of the erase (off) after the boost inductor boost converter output diode through the detection of the current flowing in the (L) (Da Zero-current switching reduces switching losses.

또한 출력전압 제어부(200)인 하프 브리지 플라이백 컨버터 회로는 도시한 바와 같이 스위치 소자(S2, S3)와 공진 콘덴서(Cr), 트랜스포머(T 1), 플라이백 컨버터의 출력 다이오드(Do) 및 출력 콘덴서(Co)를 포함하여 이루어지는 데, 이와 같은 하프 브리지 플라이백 컨버터 회로(S2, S3, Cr, T1, D o, Co)에서는 스위치 소자(S2, S3)를 고정 주파수 하에서 서로 반대 신호로 제어하는 비대칭 펄스폭 변조방식에 의하여 소프트 스위칭으로 동작시킴으로서 영전압 스위칭으로 스위칭 손실을 줄이게 된다. In addition, the half-bridge flyback converter circuit, which is the output voltage control unit 200, includes the switch elements S 2 and S 3 , the resonant capacitor C r , the transformer T 1 , and the output diode D of the flyback converter, as shown. o ) and an output capacitor (C o ), which is a switch element (S 2 , S) in such a half bridge flyback converter circuit (S 2 , S 3 , C r , T 1 , D o , C o ) The switching loss is reduced by zero voltage switching by operating soft switching by asymmetric pulse width modulation method that controls 3 ) as opposite signal under fixed frequency.

역률 개선부(100)는 입력 맥류전압(Vi)를 입력받아 출력 다이오드(Da)의 역회복 특성에 따른 스위칭 손실을 줄이기 위한 부스트 인덕터(L)의 영전류 검출 및 일정한 출력전압(Vd)를 제공하는 부스트 컨버터로 이루어짐을 알 수 있다. 역률 개선부(100)에 있어서, 스위치 소자(S1)의 소거 후, 부스트 인버터(L)의 감소하는 전류가 영전류에 도달한 후 스위치(S1)을 도통(on)시킴으로써 부스트 출력 다이오드(Da)는 영전류 조건에서 소거될 수 있다.The power factor improving unit 100 receives an input pulse current voltage (V i ) and detects a zero current and a constant output voltage (V d ) of the boost inductor (L) to reduce switching loss due to the reverse recovery characteristic of the output diode (D a ). It can be seen that it consists of a boost converter that provides In the power factor improving unit 100, after the switch element S 1 is erased, the boost output diode is turned on by turning on the switch S 1 after the decreasing current of the boost inverter L reaches zero current. D a ) can be erased at zero current conditions.

상기와 같이 역률 개선부(100)에서는 별도의 스너버 회로를 구비하지 않고, 가변 주파수 동작을 통한 부스트 인덕터(L)의 영전류를 검출함으로써 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 역회복 특성을 해소하고 스위치 소자(S1)와 출력 다이오드(Da)에서 영전류 스위칭을 이룰 수 있으며, 이로써 역률 개선부(100)의 효율 상승을 달성한다. As described above, the power factor improving unit 100 does not include a separate snubber circuit, and solves the reverse recovery characteristic of the boost converter output diode Da by detecting the zero current of the boost inductor L through the variable frequency operation. Zero current switching may be achieved between the switch element S1 and the output diode Da, thereby achieving an increase in efficiency of the power factor improving unit 100.

출력전압 제어부(200)는 역률 개선부(100)의 일정 출력전압(Vd)를 입력으로 받아 원하는 출력전압(Vo)를 제어하기 위하여 비대칭 펄스폭 변조방식(asymmetrical pulse-width modulation)을 이용한 하프-브리지 플라이백 컨버터로 구성됨을 알 수 있다. 출력전압 제어부(200)에서 비대칭 펄스폭 변조 방식을 이용하게 되면, 공진 콘덴서(Cr)와 트랜스포머(T1)의 자화 인덕턴스 및 누설 인덕턴스간의 공진을 통하여 스위치 소자(S2, S3)에서 영전압 스위칭과 출력 다이오드(Do)에서 영전류 스위칭을 이룰 수 있고, 이를 통하여 전원장치의 효율을 상승시킨다. The output voltage controller 200 receives a constant output voltage V d of the power factor improving unit 100 as an input and uses an asymmetrical pulse-width modulation to control a desired output voltage V o . It can be seen that it consists of a half-bridge flyback converter. The use of an asymmetrical pulse width modulation in the output voltage control unit 200, a zero at the resonant capacitor (C r) and the switching element (S 2, S 3) via the resonance between the magnetizing inductance and the leakage inductance of the transformer (T 1) Voltage switching and zero current switching at the output diode (D o ) can be achieved, thereby increasing the efficiency of the power supply.

이로써, 본 발명은 부스트 인덕터(L)의 영전류 검출을 통한 부스트 출력 다이오드(Da)의 역회복 특성을 해소하여 스위칭 손실을 줄이고, 비대칭 펄스폭 변조방식을 이용한 하프-브리지 플라이백 컨버터 회로에 의해 고효율의 전원회로를 달성한다. Accordingly, the present invention reduces the switching loss by eliminating the reverse recovery characteristic of the boost output diode (D a ) through the zero current detection of the boost inductor (L), and in the half-bridge flyback converter circuit using an asymmetric pulse width modulation scheme This achieves a high efficiency power supply circuit.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치는, 별도의 스너버 회로를 구비하지 않고, 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭을 통해 역률 개선부의 손실을 감소시키는 이점과, 출력전압 제어부의 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키는 이점을 제공한다. The low-loss power factor improvement and high efficiency power circuit device according to the present invention as described above does not have a separate snubber circuit, and reduces the loss of the power factor improvement unit through zero current switching of the boost converter output diode Da. In addition, the present invention provides an advantage of improving efficiency through soft switching of the output voltage controller.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의 된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.

Claims (5)

저손실형 역률 개선 및 고효율의 전원회로 장치에 있어서, In the low loss power factor improvement and high efficiency power circuit device, 스너버 회로를 구비하지 않고, 가변 주파수 동작에 따른 부스트 인덕터(L)의 영전류의 검출에 의한 스위칭 방식을 통하여, 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭을 통해 스위칭 손실을 감소시키는 부스트(boost) 컨버터 회로로 이루어지는 역률 개선부 및 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 효율을 향상시키고 일정한 출력전압을 제어하기 위한 하프-브리지 플라이백(half-bridge flyback) 컨버터 회로로 이루어지는 출력전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치. Boost, which does not include a snubber circuit and reduces switching losses through zero current switching of the boost converter output diode Da through a switching method by detecting the zero current of the boost inductor L according to the variable frequency operation ( a power factor improving unit comprising a boost converter circuit and an output voltage control unit including a half-bridge flyback converter circuit for improving efficiency and controlling a constant output voltage through soft switching. Power circuit device, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 역률 개선부의 부스트 컨버터 회로는 가변 주파수로 운전되고, 상기 출력전압 제어부는 고정 주파수로 운전되는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치. The boost converter circuit of the power factor improving unit is operated at a variable frequency, and the output voltage control unit is operated at a fixed frequency. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 역률 개선부 및 상기 출력전압 제어부에는 각각 스너버 회로 없이 소프트 스위칭 기법이 적용되는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치. And a soft switching technique is applied to the power factor improving unit and the output voltage control unit without a snubber circuit, respectively. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 부스트 컨버터 회로는, 부스트 인덕터와 스위치 소자, 부스트 컨버터의 출력 다이오드 및 출력 콘덴서를 포함하여 이루지고, The boost converter circuit includes a boost inductor and a switch element, an output diode of the boost converter, and an output capacitor, 상기 스위치 소자가 소거(off)된 후, 상기 부스트 인덕터에 흐르는 전류의 검출을 통해 부스트 컨버터 출력 다이오드(Da)의 영전류 스위칭으로 스위칭 손실을 줄이도록 된 것을 특징으로 하는 전원회로 장치. And after the switch element is turned off, switching loss is reduced by zero current switching of a boost converter output diode Da by detecting a current flowing through the boost inductor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 하프 브리지 플라이백 컨버터 회로는, 2개의 스위치 소자와 공진 콘덴서, 트랜스포머, 플라이백 컨버터의 출력 다이오드 및 출력 콘덴서를 포함하여 이루어지고,The half bridge flyback converter circuit includes two switch elements, a resonance capacitor, a transformer, an output diode and an output capacitor of a flyback converter, 상기 2개의 스위치 소자를 고정 주파수 하에서 서로 반대 신호로 제어하는 비대칭 펄스폭 변조방식에 의하여 소프트 스위칭으로 동작시킴으로써 영전압 스위칭으로 스위칭 손실을 줄이게 하는 것을 특징으로 하는 전원회로 장치. And switching switching to zero voltage switching to reduce switching losses by operating a soft switching by an asymmetric pulse width modulation method in which the two switch elements are controlled by signals opposite to each other under a fixed frequency.
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