KR101245080B1 - 직류 - 직류 컨버터의 영전압 스위칭 범위를 확장하는 방법 및 장치 - Google Patents

직류 - 직류 컨버터의 영전압 스위칭 범위를 확장하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

DC/DC 전력 변환 시 ZVS(zero voltage switching) 범위를 확장시키는 장치가 제공된다. 상기 장치는 의사-공진 모드로 동작하고 (i) 변압기, (ii) 상기 변압기의 1차 권선에 결합되어 상기 1차 권선을 통하는 전류의 흐름을 제어하는 1차 스위치, 및 (iii) 상기 변압기에 결합되어 상기 1차 스위치에서의 양단 전압의 하강을 가속시키는 버랙터를 포함하는 DC/DC 컨버터를 포함한다.

Description

직류 - 직류 컨버터의 영전압 스위칭 범위를 확장하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR EXTENDING ZERO-VOLTAGE SWITCHING RANGE IN A DC TO DC CONVERTER}
본원은 2008년 3월 26일에 출원된 미국 가출원번호 61/070,799, 발명의 명칭 "Apparatus for Extending Zero-Voltage Switching Range in a DC to DC Converter"을 기초로 우선권을 주장하며, 이하 그 전체는 참조로 도입된다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 전력 변환에 관한 것으로, 보다 구체적으로, DC/DC 컨버터에서 영전압 스위칭(zero-voltage switching, ZVS) 범위를 확장시키는 장치에 관한 것이다.
DC/DC 컨버터에 대한 일반적인 토폴로지는 의사-공진(quasi-resonant) 모드로 플라이백(flyback) 컨버터를 동작시키는 것이며, 여기서 1차 스위치는 드레인 전압의 골짜기(즉, 드레인-소스 전압 중 최소 지점)에서 활성화된다. 의사-공진 플라이백은 하드 스위치 플라이백(hard switched flyback)의 변동이며, 이는 스위치의 기생 커패시턴스를 이용하거나 심지어 추가된 커패시턴스를 이용하여 DC/DC 컨버터 변압기의 누설 인덕턴스에 의해 야기된 누설 인덕턴스 에너지를 흡수한다. 추가적으로, 스위치의 활성화 시간을 적절히 선택함으로써, ZVS 활성 특성뿐만 아니라 ZVS 비활성 특성까지 가지는 것이 가능하여, 전체적인 효율을 개선할 수 있다.
이러한 접근에 대한 한 가지 이슈는, 진정한 ZVS 전환이 오직 제한된 입력 전압 범위에서만 일어나며 모든 동작 조건에 대해 달성될 수 없다는 것이다. 예를 들어, ZVS 활성화를 위해 2차 반사 전압은 입력 전압보다 더 높아야 한다. 이러한 조건이 만족되지 않으면, 1차 스위치 주변의 커패시턴스에 저장된 에너지는, 1차 스위치에 인가된 전압이 스위치가 턴온됨에 따라 낭비되어, 심각한 효율 손실을 유발한다.
따라서, DC/DC 컨버터에서 ZVS 범위를 확장시키는 기능이 필요하다.
본 발명은 DC/DC 컨버터에서 영전압 스위칭(zero-voltage switching, ZVS) 범위를 확장시키는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 DC/DC 전력 변환 도중 영전압 스위칭(ZVS)을 확장시키는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 의사-공진 모드에서 동작하며, (i) 변압기, (ii) 변압기의 1차 권선에 결합된 1차 스위치, 및 (iii) 변압기에 결합되어 1차 스위치에 인가되는 전압의 하강을 가속시키는 버랙터(varactor)를 포함하는 DC/DC 컨버터를 포함한다.
본 발명의 상술한 특징이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에 간략하게 요약된 본 발명의 상세한 설명이 실시예를 참조로 하여 기술되고 일부는 첨부된 도면에 도시될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 오직 본 발명의 일반적인 실시예만을 도시할 뿐이며, 따라서 본 발명의 범위를 제한하도록 고려되지 않으며, 본 발명은 다른 균등하게 효과적인 실시예를 용인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 1차 스위치에 인각된 드레인-소스 전압 Vds의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 ZVS(zero voltage switching)을 증가시키는 방법의 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(120)의 개략도이다. 일부 실시예에서, DC/DC 컨버터(120)는 의사-공진 모드에서 동작하는 플라이백 컨버터일 수 있으며; 대안적인 실시예는 상이한 타입의 DC/DC 컨버터, 예컨대 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter, 벅-부스트 컨버터 등을 포함할 수 있다. DC/DC 컨버터(120)는 DC/DC 전력 변환을 위해 단독으로 구성될 수 있거나, 또는 다른 전력 변환 장치, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같은 DC/AC 인버터(124)와 함께 또는 그 컴포넌트로서 이용될 수 있다. DC/AC 인버터(124)는 추가적으로 DC/DC 컨버터(120)의 출력 전압을 AC 출력 전압으로 변환하도록 DC/DC 컨버터(120)에 결합된 DC/AC 변환 모듈(122)을 포함한다. DC/AC 인버터(124)는, 태양 전력 시스템과 같은 하나 또는 그 이상의 DG(distributed generators)에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하도록 이용될 수 있다.
DC/DC 컨버터(120)는 입력 전압 Vin을 받도록 DC/DC 컨버터(120)의 두 입력 단자에 걸쳐 결합된 커패시터(102)를 포함한다. 변압기(110)의 1차 권선과 반도체 스위치(106)("1차 스위치")는 상호 직렬로 결합되어 있으며, 직렬 결합된 조합체 양단에 걸쳐 상기 캐패시터(102)가 또한 결합되어 있다. 1차 스위치(106)는 종래에 알려진 하나 또는 그 이상의 스위치, 예컨대 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors), BJT(bipolar junction transistors), ESBT(emitter switched bipolar transistors) 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 커패시터(108)는 1차 스위치(106)의 드레인과 소스 단자에 걸쳐 결합되며; 대안적으로, 커패시터(108)는 1차 스위치(106)에 걸쳐 물리적으로 결합되지 않으나, 노드에 존재하는 기생 커패시턴스를 나타내며, 예를 들어 반도체 1차 스위치(106)의 커패시턴스, PCB(printed circuit board) 커패시턴스, 스트레이 커패시턴스 등일 수 있다.
1:n의 권선비를 가지는 변압기(110)의 2차 권선은 다이오드(114)와 출력 커패시터(116)의 직렬 결합에 걸쳐 결합되며, 다이오드(114)의 애노드 단자는 2차 권선의 제 1 단자에 결합된다. DC/DC 컨버터(120)의 두 출력 단자들은 출력 전압 Vout을 제공하도록 출력 커패시터(116) 양단에 걸쳐 결합된다.
본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따르면, 버랙터(112)(즉, 전압 가변 커패시터)는 다이오드(114) 양단에 걸쳐 결합되며; 대안적으로, 버랙터(112)는 다이오드(114)를 대신할 수 있다. 일부 실시예에서, 버랙터(112)는 다음과 같은 접합 커패시턴스 Cvar를 가진다:
Figure 112010066984884-pct00001
여기서, Vvar는 버랙터 전압이며, C0, Vj 및 M은 도입된 특정 버랙터에 의존하는 계수이다. 버랙터(112)는 다이오드, MOSFET, BJT, 세라믹 커패시터 등으로 구성될 수 있다.
DC/DC 컨버터(120)는 입력 전압 Vin을 받고 입력 전압을 출력 전압 Vout으로 변환한다. 이러한 변환 도중, 전류 IC는 커패시터(102)를 통해 흐르고, 1차 스위치(106)의 게이트 단자에 결합된 제어 회로(104)에 의해 구동됨에 따라, 전류 IP("1차 전류")는 1차 스위치(106)의 타이밍(즉, 열고 닫힘)에 따라 변압기(110)의 1차 권선에 공급된다. 1차 스위치(106)가 열리면, 전류는 변압기(110)의 1차 권선을 통해 흐르지 않으며(즉, IP=0) 전류 IC는 커패시터(102)를 충전한다. 1차 스위치(106)가 닫히면, 커패시터(102)는 방전되고 1차 전류 IP는 변압기(110)의 1차 권선을 통해 선형적으로 증가한다. 실질적으로 1차 권선과 직렬로 연결된 변압기(110)의 누설 인덕턴스를 통해 1차 전류 IP가 추가적으로 흐른다.
1차 스위치(106)가 열리면, 1차 스위치(106)를 통하는 1차 전류 IP의 흐름은 멈추고 누설 인덕턴스는 그 전압을 역전시켜, 다이오드(114)의 임계전압에 도달될 때까지 1차 스위치(106)를 가로지르는 드레인-소스 전압 Vds가 급격하게 상승하고 다이오드(114)는 도통되기 시작한다. 변압기(110)의 자기장에 저장된 에너지로 인해, 전류 IS~IP/n ("2차 전류")는 2차 권선에 유도되고 선형적으로 영을 향해 감소한다. 2차 전류 IS가 영에 도달함에 따라, 코어 리셋 주기가 시작되고 드레인-소스 전압 Vds는 1차 측에서 바라본 1차 권선의 인덕턴스, 커패시터(108)의 커패시턴스 및 버랙터(112)의 반사된 커패시턴스를 포함하는 LC 공진 회로의 주파수로 정현파 형태로 진동하며, 이러한 진동은 저항 손실에 의해 감쇄된다.
2차 전류 IS가 영에 도달할 때, 버랙터 전압 Vvar가 영에 가까우므로 버랙터(112)의 커패시턴스는 큰 값(즉, 약 C0임)을 가진다. 드레인-소스 전압 Vds가 아래로 하강하기 시작함에 따라, 버랙터 전압 Vvar은 증가한다. 상승하는 버랙터 전압 Vvar는 버랙터 커패시턴스 Cvar를 감소시키며, 그에 의해 드레인-소스 전압 Vds의 하강 도중 LC 공진 회로의 주파수를 증가시키며, 그 결과 드레인-소스 전압 Vds의 하강을 가속시킨다. 가속된 드레인-소스 전압의 하강은 ZVS 스위칭이 발생하도록 드레인-소스 전압 Vds에 보다 깊은 골짜기를 생성함으로써 ZVS 범위를 확장시킨다. 따라서, 1차 스위치(106)는 버랙터(112)가 영향을 미치지 않은 채 가능한 것보다 영 값에 더 가까운 Vds에서 활성화될 수 있다. 일부 실시예에서, ZVS 범위는 적어도 30%의 증가를 경험할 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 1차 스위치(106)를 가로지르는 드레인-소스 전압 Vds의 그래프이다. 1차 스위치(106)는 도 1에 대하여 전술된 바와 같이 DC/DC 컨버터(120) 내에서 동작한다. T0 전에, 1차 스위치(106)는 닫히고 전류는 1차 스위치(106)를 통해 흐른다. 시간 T0에서, 1차 스위치(106)는 열리고(즉, 턴오프됨), 그에 의해 1차 스위치(106)를 통하는 전류의 흐름은 종료한다. 추가적으로, 변압기(110)의 누설 인덕턴스는 그 전압을 역전시켜, 드레인-소스 전압 Vds의 급격한 상승을 유발한다. 다이오드(114)의 임계전압에 도달되면, 다이오드(114)는 도통되기 시작하고 2차 전류 IS ~ IP/n는 2차 권선에 유도되고 선형적으로 영 값을 향해 감소한다.
시간 T1에서, 2차 전류 IS는 영 값에 도달하고 버랙터 전압 Vvar는 영에 가까워져, 큰 값의 버랙터(112) 커패시턴스(즉, 약 C0)를 유발한다. 코어 리셋 주기가 시작되고, 드레인-소스 전압 Vds는 LC 공진 회로의 주파수로 진동하기 시작한다.
시간 T1에서 T2까지, 드레인-소스 전압 Vds이 감소하기 시작함에 따라, 버랙터 전압 Vvar는 상승하고 버랙터 커패시턴스 Cvar를 감소시키며, 그에 의해 드레인-소스 전압 Vds의 하강 도중 LC 공진 회로의 공진 주파수를 증가시킨다. 시간 T2에서 T3까지, 증가된 공진 주파수는 Vds의 하강을 가속시켜, LC 회로의 공진 주파수가 변하지 않은 경우(즉, 버랙터(112)가 없는 경우) 일어날 Vds 하강(204)보다 더 급속한 Vds 하강(202)을 유발한다.
가속된 Vds 하강(202)은 시간 T3에서 드레인-소스 전압 Vds에, 버랙터(112)가 없는 경우 일어날 골짜기보다 더 낮은 골짜기를 유발하며, 그 결과 확장된 ZVS 범위(206)를 생성한다. 확장된 ZVS 범위(206)는 1차 스위치(106)가, 버랙터(112)가 영향을 미치지 않은 채 발생할 수 있는 경우(즉, V2)보다 더 낮은 드레인-소스 전압 Vds(즉, V1)에서 활성화되도록 하여,
Figure 112010066984884-pct00002
의 에너지를 절약하며, 여기서 C는 커패시터(108)의 커패시턴스이다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(120)의 개략도이다. 일부 실시예에서, DC/DC 컨버터(120)는 의사-공진 모드에서 동작하는 플라이백 컨버터일 수 있으며; 대안적으로, DC/DC 컨버터(120)는 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter, 벅-부스트 컨버터 또는 유사한 타입의 DC/DC 컨버터일 수 있다. DC/DC 컨버터(120)는 DC/DC 전력 변환을 위해 단독으로 구성될 수 있거나, 또는 다른 전력 변환 장치, 예컨대 도 3에 도시된 바와 같은 DC/AC 인버터(124)와 함께 또는 그 컴포넌트로서 이용될 수 있다. 추가적으로, 전술된 바와 같이, DC/AC 인버터(124)는 DC/DC 컨버터(120)의 출력 전압을 AC 출력 전압으로 변환하도록 DC/DC 컨버터(120)에 결합된 DC/AC 변환 모듈(122)을 포함한다. DC/AC 인버터(124)는, 태양 전력 시스템과 같은 하나 또는 그 이상의 DG(distributed generators)에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하도록 이용될 수 있다.
DC/DC 컨버터(120)는 입력 전압 Vin을 받도록 DC/DC 컨버터(120)의 두 입력 단자에 걸쳐 결합된 커패시터(102)를 포함한다. 커패시터(302)는 변압기(310)의 1차 권선과 반도체 스위치(306)("1차 스위치")의 직렬 결합에 걸쳐 더 결합된다. 1차 스위치(306)는 종래에 알려진 하나 또는 그 이상의 스위치, 예컨대 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors), BJT(bipolar junction transistors), ESBT(emitter switched bipolar transistors) 등을 포함할 수 있다. 다이오드(318), 버랙터(320), 커패시터(322) 및 저항(324)을 포함하는 전압 클램프 회로(308)는 이하 더 기술되는 바와 같이 변압기(310)로부터의 누설 인덕턴스 에너지에 의해 생성된 드레인-소스 전압 내 스파이크(spike)를 제어하도록 1차 스위치(306) 양단에 결합된다. 추가적으로, 커패시터(312)는 1차 스위치(306)의 양단에 결합되도록 도시되어 노드에 존재하는 기생 커패시턴스, 예컨대 반도체 1차 스위치(306)의 커패시턴스, PCB(printed circuit board) 커패시턴스, 스트레이 커패시턴스 등을 나타낸다.
다이오드(318)의 애노드 단자와 버랙터(320)의 제 1 단자는 1차 스위치(306)의 드레인 단자에 결합되며; 다이오드(318)의 캐소드 단자와 버랙터(320)의 제 2 단자는 커패시터(322)의 제 1 단자와 저항(324)의 제 1 단자에 결합된다. 커패시터(322)의 제 2 단자와 저항(324)의 제 2 단자는 1차 스위치(306)의 소스 단자에 결합된다. 일부 실시예에서, 버랙터(320)는 다음과 같은 접합 커패시턴스 Cvar를 가진다:
Figure 112010066984884-pct00003
여기서, Vvar는 버랙터 전압이며, C0, Vj 및 M은 도입된 특정 버랙터에 의존하는 계수이다. 버랙터(320)는 다이오드, MOSFET, BJT, 세라믹 커패시터 등으로 구성될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 대안적인 실시예에서, 버랙터(320)는 다이오드(318)를 대체할 수 있다.
1:n의 권선비를 가지는 변압기(310)의 2차 권선은 다이오드(314)와 출력 커패시터(316)의 직렬 결합 양단에 결합되며, 다이오드(314)의 애노드 단자는 2차 권선의 제 1 단자에 결합되며; 일부 실시예에서, 변압기의 권선비는 1 미만일 수 있다(즉, 강압 변압기). DC/DC 컨버터(120)의 두 출력 단자들은 출력 전압 Vout을 제공하도록 출력 커패시턴스(316) 양단에 결합된다.
전술된 동작과 유사하게, DC/DC 컨버터(120)는 입력 전압 Vin을 받고 입력 전압을 출력 전압 Vout으로 변환한다. 이러한 변환 도중, 전류 IC는 커패시터(302)를 통해 흐르고, 1차 스위치(306)의 게이트 단자에 결합된 제어 회로(304)에 의해 구동됨에 따라, 1차 전류 IP는 1차 스위치(306)의 타이밍(즉, 열고 닫힘)에 따라 변압기(310)의 1차 권선에 공급된다. 1차 스위치(306)가 열리면, 전류는 변압기(310)의 1차 권선을 통해 흐르지 않으며(즉, IP=0) 전류 IC는 커패시터(302)를 충전한다. 1차 스위치(306)가 닫히면, 커패시터(302)는 방전되고 1차 전류 IP는 변압기(310)의 1차 권선을 통해 선형적으로 증가한다. 실질적으로 1차 권선과 직렬로 연결된 변압기(310)의 누설 인덕턴스를 통해 1차 전류 IP가 추가적으로 흐른다.
1차 스위치(306)가 열리면, 1차 스위치(306)를 통하는 1차 전류 IP의 흐름은 멈추고 누설 인덕턴스는 그 전압을 역전시켜, Vout/n의 반사된 전압을 훨씬 초과하는 스파이크를 유발하는 드레인-소스 전압 Vds의 급격한 상승을 유발한다. 저항(324), 커패시터(322) 및 다이오드(318)는 RCD(resistor/capacitor/diode) 클램프로서 동작하여 이러한 스파이크를 제한하고 1차 스위치(306)에 대한 손상을 방지한다.
1차 스위치(306)의 개방 후 드레인-소스 전압 Vds이 증가함에 따라, 다이오드(314)에 인가되는 전압은 임계전압에 도달될 때까지 증가하고 다이오드(314)는 도통되기 시작한다. 변압기(310)의 자기장에 저장된 에너지로 인해, 전류 IS ~ IP/n는 2차 권선에 유도되고 선형적으로 영을 향해 감소한다. 도 1에 대하여 전술된 동작과 유사하게, 2차 전류 IS가 영에 도달하면, 드레인-소스 전압 Vds는 1차 측에서 바라본 버랙터(320)로부터의 용량 성분을 포함하는 LC 공진 회로로 인해 정현파 형태로 진동하기 시작하며, 여기서 진동은 저항 손실에 의해 감쇄된다. 드레인-소스 전압 Vds이 감소함에 따라, 버랙터 전압 Vvar는 증가하고 버랙터 커패시턴스 Cvar를 감소시킨다. 버랙터 커패시턴스 Cvar의 감소는 드레인-소스 전압 Vds의 하강 도중 LC 공진 회로의 주파수를 증가시켜, 드레인-소스 전압 Vds의 하강을 가속시킨다. 이러한 가속된 하강은 발생될 ZVS 스위칭에 대해 보다 깊은 골짜기를 생성함으로써 ZVS 범위를 확장시킨다. 일부 실시예에서, ZVS 범위는 적어도 30%의 증가를 경험할 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 따른 ZVS를 확장하는 방법(400)의 흐름도이다. 상기 방법(400)은 단계(402)에서 시작하고 단계(404)로 진행한다. 단계(404)에서, DC/DC 컨버터는 의사-공진 모드로 동작한다. 단계(404)에서, DC/DC 컨버터는 1:n의 권선비를 가지는 변압기를 포함하고, 이는 플라이백 컨버터, 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터 또는 유사한 타입의 DC/DC 컨버터일 수 있다. 일부 실시예에서, DC/DC 컨버터는 DC/DC 전력 변환을 위해 단독으로 구성될 수 있거나; 대안적으로, DC/DC 컨버터는 다른 전력 변환 장치, 예컨대 DC/AC 인버터(124)와 함께 또는 그 컴포넌트로서 이용될 수 있다. 이러한 DC/AC 인버터는 태양 전력 시스템과 같은 하나 또는 그 이상의 DG(distributed generators)에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하도록 이용될 수 있다.
단계(406)에서, 변압기의 1차 권선과 직렬로 결합된 DC/DC 컨버터의 스위치("1차 스위치")는 1차 권선을 통하는 전류("1차 전류")를 생성하도록 활성화되고, 1차 전류는 선형적으로 증가한다. 단계(408)에서, 1차 스위치는 비활성화되고 1차 전류는 차단된다. 1차 권선의 누설 인덕턴스로 인해, 1차 스위치에 인가되는 드레인-소스 전압은, 변압기의 2차 권선에 결합된 다이오드가 활성화될 때까지 급격하게 증가하고 전류("2차 전류")는 2차 권선에 유도된다. 일부 실시예에서, 이러한 급격한 증가 도중 드레인-소스 전압의 스파이크는 1차 권선에 결합된 전압 클램프 회로에 의해 제한된다.
2차 전류는 영을 향해 선형적으로 감소한다. 2차 전류가 영에 도달하면, 드레인-소스 전압은 DC/DC 컨버터의 LC 공진 회로로 인해 정현파 형태로 진동하기 시작하며, 상기 진동은 저항 손실에 의해 감쇄된다. 상기 방법(400)은 단계(410)으로 진행한다.
단계(410)에서, LC 공진 회로의 주파수는 진동하는 드레인-소스 전압의 하강 도중 예를 들어, 이 시기의 LC 공진 회로의 커패시턴스의 감소에 의해 증가된다. 일부 실시예에서, 대응하는 버랙터 전압이 증가함에 따라 감소하는 접합 커패시턴스를 가지는 버랙터는 LC 공진 회로의 용량 성분을 제공하도록 이용될 수 있으며, 여기서 버랙터 전압은 드레인-소스 전압이 감소함에 따라 증가된다. 이러한 버랙터는 변압기의 2차 권선에 결합될 수 있으며; 대안적으로, 버랙터는 1차 권선에 결합된 전압 클램프 회로의 일부일 수 있다. 증가된 공진 주파수는 드레인-소스 전압의 하강을 가속시켜, 발생될 스위칭에 대해 더 깊은 골짜기(즉, 확장된 ZVS 범위)를 생성한다.
단계(412)에서, 1차 스위치는 드레인-소스 전압의 골짜기에서 활성화되고, 1차 전류는 전술한 바와 같이 1차 권선을 통해 흐른다. 일부 실시예에서, 1차 스위치는 진동하는 드레인-소스 전압의 제 1 골짜기에서 활성화될 수 있으며; 대안적으로, 1차 스위치는 다음 골짜기에서 활성화될 수 있다. 상기 방법(400)은 단계(414)로 진행하며, 여기서 DC/DC 컨버터의 동작을 계속할지 여부가 결정된다. 예로 결정되면, 상기 방법(400)은 단계(408)로 되돌아가며; 아니오로 결정되면, 상기 방법(400)은 종료하는 단계(416)으로 진행한다.
전술한 바가 본 발명의 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 추가적인 실시예가 본 발명의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않은 채 고안될 수 있으며, 본 발명의 범위는 이어지는 청구범위에 의해 결정된다.
102: 커패시터 104: 제어 회로
106: 1차 스위치 108: 커패시터
110: 변압기 112: 버랙터
114: 다이오드 116: 출력 커패시터
120: DC/DC 컨버터 122: DC/AC 변환 모듈

Claims (20)

  1. DC/DC 전력 변환 시 ZVS(zero voltage switching) 범위를 확장시키는 장치에 있어서,
    의사-공진 모드에서 동작하고, (i) 변압기, (ii) 상기 변압기의 1차 권선에 결합되어 상기 1차 권선을 통하는 전류의 흐름을 제어하는 1차 스위치, 및 (iii) 상기 변압기에 결합되어 상기 1차 스위치의 양단에 걸리는 전압의 하강 도중 공진 회로의 공진 주파수를 증가시켜 상기 하강을 가속시키는 버랙터를 포함하는 DC/DC 컨버터를 포함하는 ZVS 범위 확장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 버랙터의 커패시턴스는 상기 전압이 감소함에 따라 감소하는 ZVS 범위 확장 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 버랙터는 상기 변압기의 2차 권선에 결합되는 ZVS 범위 확장 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전압을 제한하도록 상기 1차 스위치의 양단에 결합된 전압 클램프 회로를 더 포함하고, 상기 전압 클램프 회로는 상기 버랙터를 포함하는 ZVS 범위 확장 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 다이오드 및 출력 커패시터를 더 포함하고, (i) 상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 변압기의 2차 권선의 제 1 단자 및 상기 버랙터의 제 1 단자에 결합되고, (ii) 상기 출력 커패시터의 제 1 단자는 상기 다이오드의 캐소드 단자, 상기 버랙터의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 출력 단자에 결합되고, (iii) 상기 출력 커패시터의 제 2 단자는 상기 2차 권선의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 2 출력 단자에 결합되며, 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 및 제 2 출력 단자는 출력 전압을 제공하는 ZVS 범위 확장 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 출력 커패시터를 더 포함하고, (i) 상기 변압기의 2차 권선의 제 1 단자는 상기 버랙터의 제 1 단자에 결합되고, (ii) 상기 출력 커패시터의 제 1 단자는 상기 버랙터의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 출력 단자에 결합되고, (iii) 상기 출력 커패시터의 제 2 단자는 상기 2차 권선의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 2 출력 단자에 결합되며, 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 및 제 2 출력 단자는 출력 전압을 제공하는 ZVS 범위 확장 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 다이오드, 커패시터 및 저항을 더 포함하고, (i) 상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 버랙터의 제 1 단자 및 상기 1차 스위치의 드레인 단자에 결합되고, (ii) 상기 다이오드의 캐소드 단자는 상기 버랙터의 제 2 단자, 상기 커패시터의 제 1 단자 및 상기 저항의 제 1 단자에 결합되고, (iii) 상기 저항의 제 2 단자는 상기 커패시터의 제 2 단자 및 상기 1차 스위치의 소스 단자에 결합되는 ZVS 범위 확장 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 커패시터 및 저항을 더 포함하고, (i) 상기 버랙터의 제 1 단자는 상기 1차 스위치의 드레인 단자에 결합되고, (ii)상기 버랙터의 제 2 단자는 상기 커패시터의 제 1 단자 및 상기 저항의 제 1 단자에 결합되고, (iii) 상기 저항의 제 2 단자는 상기 커패시터의 제 2 단자 및 상기 1차 스위치의 소스 단자에 결합되는 ZVS 범위 확장 장치.
  9. DC/AC 전력 변환 시 ZVS 범위를 확장시키는 인버터에 있어서,
    DC 입력 전력을 DC 출력 전력으로 변환하고, 의사-공진 모드로 동작하며 (i) 변압기, (ii) 상기 변압기의 1차 권선에 결합되어 상기 1차 권선을 통하는 전류의 흐름을 제어하는 1차 스위치, 및 (iii) 상기 변압기에 결합되어 상기 1차 스위치의 양단에 걸리는 전압의 하강 도중 공진 회로의 공진 주파수를 증가시켜 상기 하강을 가속시키는 버랙터를 포함하는 DC/DC 컨버터; 및
    상기 DC 출력 전력을 AC 출력 전력으로 변환하는 DC/AC 변환 모듈을 포함하는 ZVS 범위 확장 인버터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 버랙터는 상기 변압기의 2차 권선에 결합되는 ZVS 범위 확장 인버터.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 전압을 제한하도록 상기 1차 스위치의 양단에 결합되는 전압 클램프 회로를 더 포함하고, 상기 전압 클램프 회로는 상기 버랙터를 포함하는 ZVS 범위 확장 인버터.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 다이오드 및 출력 커패시터를 더 포함하고, (i) 상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 변압기의 2차 권선의 제 1 단자 및 상기 버랙터의 제 1 단자에 결합되고, (ii) 상기 출력 커패시터의 제 1 단자는 상기 다이오드의 캐소드 단자, 상기 버랙터의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 출력 단자에 결합되고, (iii) 상기 출력 커패시터의 제 2 단자는 상기 2차 권선의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 2 출력 단자에 결합되며, 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 및 제 2 출력 단자는 출력 전압을 제공하는 ZVS 범위 확장 인버터.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 출력 커패시터를 더 포함하고, (i) 상기 변압기의 2차 권선의 제 1 단자는 상기 버랙터의 제 1 단자에 결합되고, (ii) 상기 출력 커패시터의 제 1 단자는 상기 버랙터의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 출력 단자에 결합되고, (iii) 상기 출력 커패시터의 제 2 단자는 상기 2차 권선의 제 2 단자 및 상기 DC/DC 컨버터의 제 2 출력 단자에 결합되며, 상기 DC/DC 컨버터의 제 1 및 제 2 출력 단자는 출력 전압을 제공하는 ZVS 범위 확장 인버터.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 다이오드, 커패시터 및 저항을 더 포함하고, (i) 상기 다이오드의 애노드 단자는 상기 버랙터의 제 1 단자 및 상기 1차 스위치의 드레인 단자에 결합되고, (ii) 상기 다이오드의 캐소드 단자는 상기 버랙터의 제 2 단자, 상기 커패시터의 제 1 단자 및 상기 저항의 제 1 단자에 결합되고, (iii) 상기 저항의 제 2 단자는 상기 커패시터의 제 2 단자 및 상기 1차 스위치의 소스 단자에 결합되는 ZVS 범위 확장 인버터.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 커패시터 및 저항을 더 포함하고, (i) 상기 버랙터의 제 1 단자는 상기 1차 스위치의 드레인 단자에 결합되고, (ii) 상기 버랙터의 제 2 단자는 상기 커패시터의 제 1 단자 및 상기 저항의 제 1 단자에 결합되고, (iii) 상기 저항의 제 2 단자는 상기 커패시터의 제 2 단자 및 상기 1차 스위치의 소스 단자에 결합되는 ZVS 범위 확장 인버터.
  16. DC/DC 전력 변환 시 ZVS 범위를 확장시키는 방법에 있어서,
    의사-공진 모드로 동작하는 DC/DC 컨버터의 1차 권선을 통하는 전류의 흐름을 제어하는 상기 DC/DC 컨버터의 1차 스위치를 비활성화시키는 단계; 및
    상기 1차 스위치의 양단에 걸리는 전압의 하강 도중 상기 DC/DC 컨버터의 공진 회로의 공진 주파수를 증가시켜 상기 하강을 가속시키는 단계를 포함하는 ZVS 범위 확장 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 공진 주파수의 증가는 상기 DC/DC 컨버터의 커패시턴스의 감소에 의해 유발되는 ZVS 범위 확장 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 커패시턴스는 버랙터에 의해 변경되는 ZVS 범위 확장 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 버랙터는 변압기의 2차 권선에 결합되는 ZVS 범위 확장 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 전압에서 스파이크를 제한하는 단계를 더 포함하고, 상기 제한하는 단계는 상기 1차 스위치에 결합된 전압 클램프 회로에 의해 수행되며, 상기 전압 클램프 회로는 상기 버랙터를 포함하는 ZVS 범위 확장 방법.
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IEEE 논문1(제목: Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Technique - A Novel Approach to Improve Performance of High-Frequency Quasi-Resonant Converters) 논문발표 1988년 4월 *
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IEEE 논문2(제목: A High Power Density 1.75mm2 Fully Integrated Closed-loop Buck Converter with Varactor Control Scheme) 논문발표 2008년 2월 *
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