KR101491658B1 - 스위칭 증폭기 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

스위칭 증폭기 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예는, N개의 인버터를 포함하되, N개의 인버터는 각각 복수의 스위칭 소자를 포함하며 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 복수의 스위칭 소자를 온 또는 오프 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 상기 스위칭에 따라 출력신호를 생성하는 인버터부; 및 N개의 인버터의 출력단에 각각 병렬 연결되며 N개의 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N개의 스위치를 포함하는 단속부를 포함하되, N개의 인버터의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무정지형 스위칭 증폭기 장치를 제공한다.

Description

스위칭 증폭기 장치 및 그 제어 방법{Switching Amplifier Apparatus and Control Method Thereof}
본 실시예는 스위칭 증폭기 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 절연된 전원으로 구동되는 복수의 인버터가 직렬 연결된 방식으로 구성되며 각 인버터의 출력단에는 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 스위치가 추가로 연결된 무정지형 스위칭 증폭기 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
증폭기란 작은 신호를 받아서 큰 신호로 바꾸어 주는 장치를 의미하며 주위에서 흔히 찾아볼 수 있는 증폭기의 예로는 오디오 앰프로 불리는 음향증폭기를 들 수 있다. 증폭기는 대부분 선형 증폭기로 구현되며, 선형증폭기는 트랜지스터라는 반도체 소자를 온 또는 오프의 경계영역에서 동작시킴으로써 입력신호를 증폭한 증폭신호를 생성한다. 한편, 선형증폭기의 경우 출력의 대역폭이 넓고 잡음이 작다는 장점이 있으나 출력전압이 입력전압에 비해서 낮을 경우에는 반도체 소자의 손실이 커져서 효율이 크게 나빠진다는 단점이 존재한다.
선형증폭기의 효율을 개선하기 위한 방법 중의 하나가 스위칭 증폭기이다. 스위칭 증폭기는 선형 증폭기와는 달리 반도체 소자를 온 또는 오프 두 가지 상태 중의 하나로만 동작시키며 반도체 소자의 온 또는 오프에 따라 입력전압의 최대와 최소를 갖는 구형파를 만들고 그 구형파를 저역 통과 필터로 고주파 성분을 줄여서 출력한다. 스위칭 증폭기에서는 반도체 소자가 온되어 전류가 흐를 때에 반도체 소자에는 입력전압에 비해 낮은 전압이 걸리기 때문에 선형증폭기보다 효율이 크게 개선된다는 장점이 있다. 하지만 출력의 대역폭보다 충분히 높은 주파수로 스위칭을 해야 하므로 충분한 대역폭을 얻는데 제한이 있고 스위칭에 따라 스위칭 소자에 흐르는 전압과 전류가 구형파가 되므로 잡음이 크다는 단점이 존재한다.
또한, 일반적인 증폭기에서는 증폭기가 고장 나는 경우, 증폭기의 고장이 복구되기 전까지 입력신호를 증폭시킬 수 없어 증폭기의 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있다.
본 실시예는, 절연된 전원으로 구동되는 복수의 인버터가 직렬 연결된 방식으로 구성되며 각 인버터의 출력단에 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 스위치가 추가로 연결된 무정지형 스위칭 증폭기를 이용하여 하나 또는 그 이상의 인버터가 고장 나더라도, 나머지 인버터로 정상 동작이 가능하도록 제어함으로써 스위칭 증폭기의 신뢰성을 증가시키고자 하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 고내압 저속 스위칭 소자로 구성된 인버터 및 저내압 고속 스위칭 소자로 구성된 인버터가 조합된 혼합형 스위칭 증폭기를 이용하여 고효율, 저잡음으로 증폭신호를 구현하면서도 스위칭 소자의 동작에 수반되는 도통손실 및 스위칭손실을 최소화하여 고효율로 신호를 증폭하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예는, N(N은 자연수)개의 인버터를 포함하되, 상기 N개의 인버터는 각각 복수의 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자를 온(On) 또는 오프(Off) 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 상기 스위칭에 따라 출력신호를 생성하는 인버터부; 및 상기 N개의 인버터의 출력단에 각각 병렬 연결되며 상기 N개의 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N개의 스위치를 포함하는 단속부를 포함하되, 상기 N개의 인버터의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무정지형 스위칭 증폭기 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있는 N-1(N은 1보다 큰 자연수)개의 인버터 및 상기 N-1개의 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 다른 전기적 특성을 갖는 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있는 M(M은 자연수)개의 인버터를 포함하되, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터는 각각의 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 상기 각각의 복수의 스위칭 소자를 온(On) 또는 오프(Off) 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 상기 스위칭에 따라 출력신호를 생성하는 인버터부; 및 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 출력단에 각각 병렬 연결되며 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N-1개의 스위치 및 M개의 스위치를 포함하는 단속부를 포함하되, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 무정지형 스위칭 증폭기 장치가 N개의 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법에 있어서, 입력신호 및 상기 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 제어 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 할 인버터의 개수를 계산하는 과정; 상기 계산하는 과정을 통해 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우 기 설정된 순서의 인버터가 추가로 온 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정; 상기 계산하는 과정을 통해 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정; 및 상기 계산하는 과정을 통해 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 생성하는 방법을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 혼합형 스위칭 증폭기 장치가 N-1개의 인버터 및 M개의 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법에 있어서, 입력신호 및 상기 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 제어 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 하는 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 개수를 각각 계산하는 과정; 상기 각각 계산하는 과정을 통해 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 추가로 온 해야 하는 인버터가 적어도 하나 이상 존재하는 경우, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 온 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정; 상기 각각 계산하는 과정을 통해 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정; 및 상기 각각 계산하는 과정을 통해 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 생성하는 방법을 제공한다.
본 실시예에 의하면, 절연된 전원으로 구동되는 복수의 인버터가 직렬 연결된 방식으로 구성되며 각 인버터의 출력단에 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 스위치가 추가로 연결된 무정지형 스위칭 증폭기를 이용하여 하나 또는 그 이상의 인버터가 고장 나더라도, 나머지 인버터로 정상 동작이 가능하도록 제어함으로써 스위칭 증폭기의 신뢰성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 고내압 저속 스위칭 소자로 구성된 인버터 및 저내압 고속 스위칭 소자로 구성된 인버터가 조합된 혼합형 스위칭 증폭기를 이용하여 고효율, 저잡음으로 증폭신호를 구현하면서도 스위칭 소자의 동작에 수반되는 도통손실 및 스위칭손실을 최소화하여 신호 증폭의 효율성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치가 PWM 신호에 따라 N개의 인버터의 동작을 제어하는 과정을 예시한 예시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치가 PWM 신호에 따라 N-1개의 인버터 및 M개의 인버터의 동작을 제어하는 과정을 예시한 예시도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치가 N개의 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치가 N-1개의 인버터 및 M개의 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
스위칭 증폭기 장치는 복수의 스위칭 소자를 포함한 인버터로 구성되며, 복수의 스위칭 소자에 입력되는 PWM 신호에 따라 복수의 스위칭 소자를 온(On) 또는 오프(Off) 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고, 스위칭에 따라 입력신호가 증폭된 증폭신호를 생성한다. 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 스위칭 증폭기를 구성하는 하나 또는 그 이상의 인버터가 고장 나더라도, 나머지 인버터로 정상 동작이 가능하도록 동작하여 스위칭 증폭기의 신뢰성을 증가시킬 수 있으며, 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 고효율, 저잡음으로 증폭신호를 구현하면서도 스위칭 소자의 동작에 수반되는 도통손실 및 스위칭손실을 최소화하여 신호 증폭의 효율성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 1에서 도시하듯이 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(제1(112) ~ 제N 인버터(118))를 포함한 인버터부(110), N개의 스위치(제1(122) ~ 제N 스위치(124))를 포함한 단속부(120), 저역 통과 필터(130) 및 부하(140)를 포함한다.
본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 내압이 낮고 스위칭 속도가 빠른 복수의 스위칭 소자로 구성된 N개의 인버터(112, 118)를 포함함으로써 입력신호를 증폭하는 과정에서 스위칭 소자의 동작에 수반되는 스위칭손실을 최소화할 수 있다. 또한, N개의 인버터(112, 118)가 직렬 연결됨으로써 스위칭 소자의 내압 및 스위칭 전압을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 증폭신호의 잡음을 감소시킬 수 있다. 또한, 직렬 연결된 각 인버터의 출력단에 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N개의 스위치(122, 124)를 추가로 포함함으로써 N개의 인버터(112, 118) 중 하나 또는 그 이상의 인버터가 고장 나더라도, 나머지 인버터로 정상 동작이 가능하도록 제어한다.
한편, 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 입력신호를 제공받고, 입력신호의 피드백 제어 결과에 따라 듀티비를 결정하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어부(105)를 더 포함할 수 있다. 즉, PWM 제어부(105)는 제공받은 입력신호를 기반으로 해당 입력신호를 기 설정된 증폭 레벨로 증폭하는 데 있어서 필요한 출력전압을 매 주기마다 파악하고, 이를 통해 해당 주기에 N개의 인버터(112, 118)가 필요한 출력전압을 생성하도록 듀티비를 결정하는 PWM 신호를 생성한다.
한편, 본 실시예에 따른 PWM 제어부(105)는 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호를 피드백 제어한 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 N개의 인버터(112, 118)에서 출력되어야 하는 전체 출력전압을 파악하고, 파악된 출력전압에 따라 N개의 인버터(112, 118) 중 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 인버터의 개수를 계산한다. 이후, PWM 제어부(105)는 N개의 인버터(112, 118) 중 적어도 어느 하나의 인버터가 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 경우, 기 설정된 인버터의 동작 순서에 따라 N개의 인버터(112, 118)를 온 또는 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다.
즉, PWM 제어부(105)는, 입력신호에 근거하여 N개의 인버터(112, 118) 중 적어도 어느 하나의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 기 설정된 동작 순서의 인버터가 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 해당 듀티비에서 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다.
예를 들어, PWM 제어부(105)는, 입력신호에 근거하여 N개의 인버터(112, 118) 중 적어도 어느 하나의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 기 설정된 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터를 해당 듀티비에서 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)에 포함된 N개의 인버터(112, 118) 각각에 적용되는 스위칭 주파수는 스위칭 증폭기 장치가 하나의 인버터로 구성된 경우 하나의 인버터에 적용되는 스위칭 주파수보다 일정 크기만큼 감소하게 되는 효과를 얻게 된다.
또한, 매 스위칭 주기마다 필요한 출력전압의 변화폭이 크지 않다면, PWM 제어부(105)는 매 스위칭 주기마다 오프 상태의 인버터 중 한 개의 인버터가 온 되고, 온 상태의 인버터 중 한 개의 인버터가 오프 되도록 PWM 신호를 생성함으로써, N개의 인버터(112, 118) 각각에 적용되는 스위칭 주파수가, 스위칭 증폭기 장치가 하나의 인버터로 구성된 경우 하나의 인버터에 적용되는 스위칭 주파수보다 최대 1/N 감소하게 되는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 내압이 낮고 스위칭 속도가 빠른 복수의 스위칭 소자를 포함한 N개의 인버터(112, 118)로 스위칭 증폭기 장치를 구성하고, 각각의 인버터의 등가적인 스위칭 주파수가 낮아지도록 제어함으로써 입력신호를 증폭하는 과정에서 스위칭 소자의 동작에 수반되는 스위칭손실을 최소화할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 N개의 인버터(112, 118)에 기 설정된 인버터의 동작 순서는 특정 방식에 한정되지 않고 다양한 방식을 통해 동작 순서가 결정될 수 있다.
인버터부(110)는 N(N은 자연수)개의 인버터(제1(112) ~ 제N 인버터(118)))를 포함하되, N개의 인버터(112, 118)는 각각 복수의 스위칭 소자(116)를 포함하며 복수의 스위칭 소자(116)로 입력되는 PWM 신호에 따라 복수의 스위칭 소자(116)를 온 또는 오프 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고, 스위칭에 따라 출력신호를 생성한다. 이때, N개의 인버터(112, 118)는 직류를 제공하는 직류전원부(114)를 각각 포함하며, 각각의 직류전원부(114)에는 Vs(기 설정된 최대 증폭 레벨에 필요한 출력전압)를 인버터의 개수로 나눈 Vs/N의 직류전압이 인가되는 것이 가장 단순하게 제어할 수 있다. 다른 전압이 인가되면 조금 더 복잡한 계산을 해야 한다.
한편, 도 1에 도시된 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)의 인버터부(110)는 MOSFET 형태로 구현된 N개의 인버터(112, 118)를 포함하고 있으며 이때, MOSFET 형태로 구현된 N개의 인버터(112, 118)에 포함된 복수의 스위칭 소자(116)는 복수의 스위칭 소자(116)의 동작에 수반되는 도통손실 및 스위칭손실 중에서 도통손실보다는 스위칭손실을 감소시키기 위해 낮은 내압의 상대적으로 빠른 스위칭 속도를 가지는 스위칭 소자가 사용되었다.
스위칭 증폭기에서 발생하는 손실은 도통 상태(On 상태)에서 전류가 흐름으로 해서 발생하는 도통손실과 스위칭을 할 때마다 발생하는 스위칭손실로 나눌 수 있다. 한편, 도통손실은 전류가 많이 흐를수록 증가하고 스위칭 소자의 도통시 전압강하가 클수록 증가하며, 스위칭손실은 스위칭 소자가 한번 스위칭할 때 발생하는 스위칭 에너지가 클수록 증가하고 스위칭 주파수가 높을수록 증가한다. MOSFET의 경우 도통 상태가 되면 MOSFET은 저항과 같은 특성을 갖게 된다. 즉, MOSFET을 구성하는 복수의 스위칭 소자를 병렬로 연결하여 저항을 감소시키면 도통손실을 필요로 하는 만큼 감소시킬 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118)를 MOSFET 형태로 구현하여 도통손실을 감소시키는 한편, N개의 인버터(112, 118)에 포함된 복수의 스위칭 소자를 도통손실 및 스위칭손실 중에서 도통손실보다는 스위칭손실을 감소시키기 위해 낮은 내압의 빠른 스위칭 속도를 가지는 스위칭 소자로 선택함으로써 스위칭손실을 최소화하였다.
한편, 본 실시예에 따른 인버터부(110)는 기 설정된 최대 증폭 레벨에 필요한 출력전압을 제공할 수 있는 인버터의 개수보다 적어도 하나 이상 많은 인버터를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, N개의 인버터(112, 118) 중 어느 하나의 장치가 고장 난 경우, 해당 인버터의 출력단에 연결된 스위치를 단락시키고 해당 인버터를 제외한 나머지 인버터를 통해 필요한 출력전압이 제공되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 N개의 인버터(112, 118)는 N개의 인버터(112, 118) 중 어느 하나의 인버터가 고장 나더라도, 고장 난 인버터를 제외한 나머지 인버터들은 지속적으로 동작하도록 구현되었다. 또한, 고장 난 인버터는 나머지 인버터들이 동작하는 중에 수리나 교체가 가능하며, 교체 후에 다시 해당 인버터가 동작을 시작할 수 있도록 구현되었다. 이를 통해 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 인버터의 고장 여부와 관계없이 지속적으로 동작할 수 있으며, 이를 통해 스위칭 증폭기 장치의 신뢰성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 1에서는 인버터부(110)가 MOSFET 형태로 구현된 N개의 인버터(112, 118)를 포함하고 있도록 도시되고, N개의 인버터(112, 118)에 포함된 복수의 스위칭 소자(116)가 복수의 스위칭 소자(116)의 동작에 수반되는 도통손실 및 스위칭손실 중에서 도통손실보다는 스위칭손실을 감소시키기 위해 낮은 내압의 상대적으로 빠른 스위칭 속도를 가지는 스위칭 소자를 사용하였다고 명시되었지만 반드시 이에 한정되지는 않고 다양한 형태의 인버터 및 다양한 전기적 특성을 가지는 복수의 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
단속부(120)는 N개의 인버터(112, 118)의 출력단에 각각 병렬 연결되며, N개의 인버터(112, 118)의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N개의 스위치(제1(122) ~ 제N 스위치(124))를 포함한다. 이때, N개의 스위치(122, 124)는 해당 스위치에 연결된 인버터가 정상 동작하고 있다고 판단되는 경우에는 개방되고, 해당 스위치에 연결된 인버터가 정상 동작하지 않는다고 판단되는 경우에는 단락 시킴으로써 정상 동작하지 않은 인버터로 인해 나머지 인버터의 동작이 방해되지 않도록 제어한다. 한편, 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118)의 정상동작 여부를 판단하고, 판단결과에 따라 N개의 스위치(122, 124)를 단락 또는 개방시키기 위한 제어명령을 생성하는 스위치 동작 제어부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
한편, N개의 인버터(112, 118)의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성한다. 이후, 생성된 증폭신호는 저역 통과 필터(Low Pass Filter, 130)를 거쳐 고주파 요소가 차단되고, 최종적으로 필요한 주파수 성분의 신호만 부하(140)에 제공된다.
도 2는 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2에서 도시하듯이 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1(N은 1보다 큰 자연수)개의 인버터(제1(222) ~ 제N-1 인버터(228))를 포함한 제1 인버터 그룹(220) 및 M개의 인버터(제1(232) ~ 제M 인버터(238))를 포함한 제2 인버터 그룹(230)을 포함한 인버터부(210), N-1개의 스위치(제1(242) ~ 제N-1 스위치(244)) 및 M개의 스위치(제1(246) ~ 제M 스위치(248))를 포함한 단속부(240), 저역 통과 필터(250) 및 부하(260)를 포함한다.
본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 내압이 높고 스위칭손실이 상대적으로 큰 복수의 스위칭 소자(226)로 구성된 N-1개의 인버터(222, 228) 및 N-1개의 인버터(222, 228)에 포함된 복수의 스위칭 소자(226)에 대비하여 내압이 낮고 스위칭손실이 상대적으로 작은 복수의 스위칭 소자(236)로 구성된 M개의 인버터(232, 238)를 혼합하여 구성함으로써 낮은 도통손실을 가지고, 높은 스위칭 주파수에서도 낮은 스위칭손실을 가지도록 동작한다.
한편, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 입력신호를 제공받고, 입력신호에 따라 피드백 제어한 결과에 의해 듀티비를 결정하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어부(205)를 더 포함할 수 있다. 즉, PWM 제어부(205)는 제공받은 입력신호를 기반으로 해당 입력신호를 기 설정된 증폭 레벨로 증폭하는 데 있어서 필요한 출력전압을 매 주기마다 파악하고, 이를 통해 해당 주기에 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)가 필요한 출력전압을 생성하도록 듀티비를 설정한 PWM 신호를 생성한다.
한편, 본 실시예에 따른 PWM 제어부(205)는 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 N-1개의 인버터(222, 228)의 스위칭 빈도수가 M개의 인버터(232, 238)의 스위칭 빈도수보다 낫도록 동작하게 하는 PWM 신호를 생성한다. 즉, PWM 제어부(205)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 스위칭 빈도수를 제어함으로써 N-1개의 인버터(222, 228)가 낮은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 입력신호를 증폭시키는 데 필요한 출력전압의 대부분을 공급하고, M개의 인버터(232, 238)가 높은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 나머지 출력전압을 제공하도록 동작시킨다.
한편, N-1개의 인버터(222, 228)가 입력신호를 증폭시키는 데 필요한 출력전압의 대부분을 공급하고, M개의 인버터(232, 238)가 나머지 출력전압을 제공하도록 하기 위한 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 인버터 구성은 인버터부(210)를 설명하는 과정에서 추가로 설명하도록 한다.
또한, PWM 제어부(205)는 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에서 출력되어야 하는 출력전압을 각각 파악하고, 파악된 출력전압에 따라 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 인버터의 개수를 각각 계산한다. 이후, PWM 제어부(205)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 어느 하나의 인버터가 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 경우, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 각각에 기 설정된 동작 순서에 따라 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)를 온 또는 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다.
즉, PWM 제어부(205)는, 입력신호에 근거하여 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 어느 하나의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 추가로 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터부터 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우는 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 해당 듀티비에서 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다.
예를 들어, PWM 제어부(205)는, 입력신호에 근거하여 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 어느 하나의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터가 해당 듀티비에서 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
이를 통해, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 앞서 명시된 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)와 마찬가지로 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)에 포함된 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 각각의 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있다. 또한, 매 스위칭 주기마다 필요한 출력전압의 변화폭이 크지 않다면 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 스위칭 주파수를 최대로 감소시킬 수 있어 상대적으로 고효율이면서도 작은 잡음으로 증폭신호를 생성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 인버터의 동작 순번은 특정 방식에 한정되지 않고 다양한 방식을 통해 동작 순번이 결정될 수 있다.
인버터부(210)는 복수의 스위칭 소자(226)를 포함하고 있는 N-1개의 인버터(제1(222) ~ 제N-1 인버터(228)) 및 N-1개의 인버터(222, 228)에 포함된 복수의 스위칭 소자(226)와 다른 전기적 특성을 갖는 복수의 스위칭 소자(236)를 포함하고 있는 M개의 인버터(제1(232) ~ 제M 인버터(238))를 포함하되, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)는 각각의 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 각각의 복수의 스위칭 소자를 온 또는 오프 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 스위칭에 따라 출력신호를 생성한다. 한편, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)는 직류를 제공하는 직류전원부(224, 234)를 각각 포함하고 있다.
한편, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)의 인버터부(210)는 Vs(기 설정된 최대 증폭 레벨에 필요한 출력전압)를 N(전체 인버터의 개수)등분한 경우, 각각의 인버터가 Vs/N의 출력전압을 생성할 수 있는 N-1개의 인버터(222, 228)의 전체 출력전압이 Vs(N-1)/N의 출력전압을 생성할 수 있고, 각각의 인버터가 Vs/(N x M)의 출력전압을 생성할 수 있는 M개의 인버터(232, 238)의 전체 출력전압이 Vs/N 만큼의 출력전압을 생성할 수 있어서 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)는 최대 Vs의 출력전압을 생성할 수 있다. 이를 통해, PWM 제어부(205)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 스위칭 빈도수를 제어함으로써 N-1개의 인버터(222, 228)가 낮은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 입력신호를 증폭시키는 데 필요한 출력전압의 대부분을 공급하도록 하고, M개의 인버터(232, 238)가 높은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 나머지 출력전압을 제공하도록 동작시키는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)의 인버터부(210)는 IGBT 형태로 구현된 N-1개의 인버터(222, 228) 및 MOSFET 형태로 구현된 M개의 인버터(232, 238)를 포함하고 있다. 도 1의 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)에서 명시된 바와 같이 MOSFET 형태로 구성된 인버터의 경우, MOSFET을 구성하는 복수의 스위칭 소자를 병렬로 연결하여 저항을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 도통손실을 필요로 하는 만큼 감소시킬 수 있다. IGBT 형태로 구성된 인버터의 경우, 높은 전압에 효율적이며 스위칭 소자의 도통 시의 전압강하가 MOSFET 보다 상대적으로 작기 때문에 도통손실을 감소시킬 수 있다(동일한 내압의 경우 반도체 소자 단위면적당 전류가 더 크다는 의미). 즉, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 IGBT 형태로 구현된 N-1개의 인버터(222, 228) 및 MOSFET 형태로 구현된 M개의 인버터(232, 238)를 통해 낮은 도통손실이 발생하도록 동작된다.
한편, 도 2에 도시된 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228)가 IGBT 형태로 구현되고, M개의 인버터(232, 238)가 MOSFET 형태로 구현된 것으로 명시하였지만 반드시 이에 한정되지는 않고 서로 다른 특성을 가지는 복수의 소자로 구성된다면 어떠한 형태로든 구현될 수 있다. 예를 들면 같은 내압의 MOSFET으로 IGBT를 대체할 수도 있다.
한편, IGBT 형태로 구현된 N-1개의 인버터(222, 228)에 포함된 복수의 스위칭 소자(226)는 MOSFET 형태로 구현된 M개의 인버터(232, 238)에 포함된 복수의 스위칭 소자(236)에 대비하여 내압이 높고 스위칭손실이 상대적으로 큰 스위칭 소자를 사용하였다. 또한, MOSFET 형태로 구현된 M개의 인버터(232, 238)에 포함된 복수의 스위칭 소자(236)는 IGBT 형태로 구현된 N-1개의 인버터(222, 228)에 포함된 복수의 스위칭 소자(226)에 대비하여 내압이 낮고 스위칭손실이 상대적으로 작은 스위칭 소자를 사용하였다. 즉, 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 서로 다른 전기적 특성을 가지는 스위칭 소자로 구성된 인버터가 혼합되어 구현됨으로써 낮은 도통손실을 가지고, 높은 스위칭 주파수에도 낮은 스위칭손실을 가지는 효과를 가진다.
한편, IGBT 형태로 구현된 N-1개의 인버터(222, 228)에 포함된 복수의 스위칭 소자(226)는 MOSFET 형태로 구현된 M개의 인버터(232, 238)에 포함된 복수의 스위칭 소자(236)에 대비하여 내압이 높고 스위칭손실이 상대적으로 큰 스위칭 소자를 사용하였다고 명시하였지만 반드시 이에 한정되지는 않고, 다수의 스위칭 소자에 대비하여 내압이 높고 스위칭손실이 상대적으로 큰 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
마찬가지로, MOSFET 형태로 구현된 M개의 인버터(232, 238)에 포함된 복수의 스위칭 소자(236)는 IGBT 형태로 구현된 N-1개의 인버터(222, 228)에 포함된 복수의 스위칭 소자(226)에 대비하여 내압이 낮고 스위칭손실이 상대적으로 작은 스위칭 소자를 사용하였다고 명시하였지만 반드시 이에 한정되지는 않고, 다수의 스위칭 소자에 대비하여 내압이 낮고 스위칭손실이 상대적으로 작은 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 인버터부(210)는 기 설정된 최대 증폭 레벨에 필요한 출력전압을 제공할 수 있는 인버터의 개수보다 적어도 하나 이상 많은 인버터를 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 더 포함할 수 있다. 이를 통해, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 어느 하나의 인버터가 고장 난 경우, 해당 인버터의 출력단에 연결된 스위치를 단락 시키고, 해당 인버터를 제외한 나머지 인버터를 통해 필요한 출력전압이 제공되도록 제어한다.
단속부(240)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 출력단에 각각 병렬 연결되며, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N-1개의 스위치(제1(242) ~ 제N-1 스위치(244)) 및 M개의 스위치(제1(246) ~ 제M 스위치(248))를 포함한다. 이때, N-1개의 스위치(242, 244) 및 N개의 스위치(246, 248)는 해당 스위치에 연결된 인버터가 정상 동작하고 있다고 판단되는 경우에는 개방 시키고, 해당 스위치에 연결된 인버터가 정상 동작하지 않는다고 판단되는 경우에는 단락 시킴으로써 정상 동작하지 않은 인버터로 인해 나머지 인버터의 동작이 방해되지 않도록 제어한다. 한편, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 정상동작 여부를 판단하고, 판단결과에 따라 N-1개의 스위치(242, 244) 및 M개의 스위치(246, 248)를 단락 또는 개방시키기 위한 제어명령을 생성하는 스위치 동작 제어부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
한편, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성한다. 이후, 생성된 증폭신호는 저역 통과 필터(Low Pass Filter, 250)를 거쳐 고주파 요소가 차단되고, 최종적으로 필요한 주파수 성분만 부하(260)에 제공된다.
도 3은 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)가 PWM 신호에 따라 N개의 인버터(112, 118)의 동작을 제어하는 과정을 예시한 예시도이다. 한편, 도 3에서는 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)가 총 12개의 인버터(112, 118)로 구성되어 있으며 각각 순서대로 1부터 12까지의 순번이 부여되어 있다고 가정하였다.
또한, 도 3에서 도 1에 예시된 동작 순서를 통해 N개의 인버터(112, 118) 중 적어도 어느 하나의 인버터가 추가로 온 또는 오프 되는 과정을 예시하였으나 반드시 이에 한정되지는 않고 다양한 동작 순서를 통해 N개의 인버터(112, 118) 중 적어도 어느 하나의 인버터가 추가로 온 또는 오프될 수 있다.
한편, 12개의 인버터(112, 118)가 각각 생성할 수 있는 최대 출력전압이 Vs/12이고, 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 첫 번째 주기에서 5.50×Vs/12의 전체 출력전압을 생성해야 한다고 가정한다면, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 스위칭 한 주기 동안 5개의 인버터가 100%로 켜지고 한 개의 인버터가 50%의 듀티비로 켜지도록 동작하면 된다. 즉, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 PWM 신호에 의해 첫 번째 주기에서 12개의 인버터(112, 118) 중 제3 ~ 제8 인버터를 온 상태로 동작시키고, 이 중 순번이 가장 낮은 제3 인버터가 50%의 듀티비에서 오프되도록 동작시킴으로써 한 주기 동안 전체 출력전압으로 5.50×Vs/12을 생성한다. 한편, 도 3에서는 첫 번째로 동작되는 인버터를 제3 인버터로 명시하였지만 이는 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)가 PWM 신호에 따라 12개의 인버터(112, 118)의 동작을 제어하는 과정을 설명하기 위한 예시에 불과하면 반드시 이에 한정되지는 않는다.
이후, 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 두 번째 주기에서 7.75×Vs/12의 전체 출력전압을 생성해야 한다고 가정한다면, 직전 주기 끝에서 5개의 인버터가 온 되어 있었고 다음 주기 시작에서는 8개의 인버터가 온 되어야 하므로 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 PWM 신호에 의해 추가로 다음 순번 3개의 인버터를 온 시키고, 온 상태의 인버터 중 제일 낮은 순번의 인버터를 75%의 듀티비에서 오프 되도록 동작시켜야 한다. 즉, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 이전 주기에서 제4 ~ 제8 인버터가 온 상태이기 때문에 다음 순번 제9 ~ 제11 인버터가 온 상태로 동작하고, 온 상태로 동작하는 제4 ~ 제11 인버터 중 순번이 가장 낮은 제4 인버터가 75%의 듀티비에서 오프 되도록 동작된다.
이후, 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 세 번째 주기에서 4.50×Vs/12의 전체 출력전압을 생성해야 한다고 가정한다면, 다음 주기 시작에서는 총 5개의 인버터가 온 상태가 되어야 한다. 한편, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 이전 주기 끝에서 제5 ~ 제11 인버터 7개가 온 상태로 동작하기 때문에 온 상태의 인버터 중 낮은 순번 2개의 인버터를 오프 시키고, 나머지 온 상태의 인버터 중 순번이 가장 낮은 인버터를 50%의 듀티비에서 오프 되도록 동작시켜야 한다. 즉, 제5 ~ 제6 인버터가 오프 되도록 동작하고, 나머지 온 상태의 인버터인 제7 ~ 제11 인버터 중 제일 낮은 순번의 제7 인버터가 50%의 듀티비에서 오프 되도록 동작된다.
이후, 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 네 번째 주기에서 11.25×Vs/N의 전체 출력전압을 생성해야 한다고 가정한다면, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 스위칭 주기의 시작에서 12개의 인버터가 온 상태가 되어야 한다. 한편, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 이전 주기에 제8 ~ 제11 인버터가 온 상태로 동작하기 때문에 추가로 다음 순번 8개의 인버터를 온 시키고, 온 상태의 인버터 중 제일 낮은 순번의 인버터를 25%의 듀티비에서 오프 되도록 동작시켜야 한다.
즉, 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 PWM 제어부(105)로부터 PWM 신호를 수신하여 N개의 인버터의 동작을 제어한다. 이때, PWM 제어부(105)는 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 N개의 인버터(112, 118)에서 출력되어야 하는 전체 출력전압을 파악하고, 파악된 출력전압에 따라 제1 내지 제N 인버터(112, 118) 중 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 인버터의 개수를 계산한다. 이후, PWM 제어부(105)는 N개의 인버터(112, 118) 중 적어도 어느 하나의 인버터를 추가로 온을 해야 하는 경우는 기 설정된 인버터의 동작 순번에 따라 순번이 높은 인버터부터 온 시키고, 오프를 해야 하는 경우는 순번이 낮은 인버터부터 오프 시키고, 듀티비를 갖고 오프 해야 하는 경우에도 순번이 낮은 인버터부터 오프 되도록 PWM 신호를 생성한다. 이를 통해 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)의 제1 내지 제N 인버터(112, 118) 각각에 적용되는 스위칭 주파수는 스위칭 증폭기 장치가 하나의 인버터로 구성된 경우 하나의 인버터에 적용되는 스위칭 주파수보다 최대 1/N이 될 수 있으며 스위칭 하는 전압이 1/N로 작아졌으므로 스위칭손실 또한 1/N보다 훨씬 작아지는 효과가 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)가 PWM 신호에 따라 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 동작을 제어하는 과정을 예시한 예시도이다. 한편, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)가 2500Vs의 최대 출력전압을 생성할 수 있고, N-1개의 인버터(222, 228)가 각각 생성할 수 있는 최대 출력전압이 500Vs, M개의 인버터(232, 238)가 각각 생성할 수 있는 최대 출력전압이 100Vs이라고 가정하면, N-1개의 인버터(222, 228)는 총 4개의 인버터로 구성되고, M개의 인버터(232, 238)는 총 5개의 인버터로 구성된다. 이때, N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에는 각각 1부터 4, 1부터 5까지의 순번이 각각 순서대로 부여되어 있다.
또한, 도 4에서 도 2에 예시된 동작 순서를 통해 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 어느 하나의 인버터가 추가로 온 또는 오프 되는 과정을 예시하였으나 반드시 이에 한정되지는 않고 다양한 동작 순서를 통해 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 어느 하나의 인버터가 추가로 온 또는 오프될 수 있다.
한편, 도 4에서는 설명을 쉽게 하기 위해서 출력전압이 최소전압에서 최대전압까지 선형적으로 증가했다가 감소한다고 가정해 보았다. 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)가 매 주기에서 생성해야 되는 전체 출력전압이 500Vs 이하의 값은 가지는 경우는 M개의 인버터(232, 238)가 순차적으로 온 되도록 동작하여 출력전압을 생성한다. 이후, 500Vs 이상의 출력전압을 생성해야 하는 경우는 N-1개의 인버터(222, 228) 중 한 개의 인버터가 온 상태로 동작하고, M개의 인버터(232, 238)는 온 또는 오프 상태로 동작하여 해당 출력전압을 제공하도록 동작한다. 즉, 650Vs의 출력전압을 생성해야 하는 경우, N-1개의 인버터(222, 228) 중 순번이 가장 낮은 제1 인버터가 온 상태로 동작하고, 나머지 150Vs의 출력전압을 제공하기 위해 M개의 인버터(232, 238) 중 순번이 낮은 제1 ~ 제2 인버터가 온 상태로 동작한다. 이후, 온 상태의 M개의 인버터(232, 238) 중 순번이 낮은 제1 인버터가 50%의 듀티비에서 오프 되도록 동작함으로써 650Vs의 출력전압을 생성하게 된다.
즉, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 PWM 제어부(205)를 이용하여 N-1개의 인버터(222, 228)가 낮은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 입력신호를 증폭시키는 데 필요한 출력전압의 대부분을 공급하도록 하고, M개의 인버터(232, 238)가 높은 스위칭 주파수로 스위칭 하면서 나머지 출력전압을 제공하도록 동작시키도록 하는 PWM 신호를 생성함으로써 낮은 도통손실을 가지고, 높은 스위칭 주파수에서도 낮은 스위칭손실을 가지도록 동작한다.
도 5는 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)가 N개의 인버터(112, 118)의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5에서 도시하듯이, 본 실시예에 따른 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)가 N개의 인버터(112, 118)의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법은 먼저 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)가 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 할 인버터의 개수를 계산하는 과정으로부터 시작된다(S510). 즉, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 N개의 인버터(112, 118)에서 출력 되어야 하는 전체 출력전압을 파악하고, 파악된 출력전압에 따라 N개의 인버터(112, 118) 중 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 인버터의 개수를 계산한다.
무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118) 중 추가로 온 해야 되는 인버터가 존재하는 경우(S520), 기 설정된 순서의 인버터가 추가로 온 되도록 PWM 신호를 생성한다(S530). 예를 들어, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118) 중 추가로 온 해야 되는 인버터가 존재하는 경우, 기 설정된 인버터의 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118) 중 오프 해야 되는 인버터가 존재하는 경우(S540), 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다(S550). 예를 들어, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118) 중 오프 해야 되는 인버터가 존재하는 경우 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118) 중 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우(S560), 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 해당 듀티비에서 오프 되도록 PWM 신호를 생성한다(S570). 예를 들어, 무정지형 스위칭 증폭기 장치(100)는 N개의 인버터(112, 118) 중 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우, 온 상태의 인버터 중에서 가장 낮은 순번을 가지는 인버터가 해당 듀티비에서 오프되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)가 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6에서 도시하듯이, 본 실시예에 따른 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)가 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법은 먼저 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)가 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프 해야 할 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)의 개수를 계산하는 과정으로부터 시작된다(S610). 즉, 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 입력신호 및 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에서 출력 되어야 하는 전체 출력전압을 파악하고, 파악된 출력전압에 따라 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 인버터의 개수를 계산한다.
혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 하나 이상의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우(S620), N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 온 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다(S630). 예를 들어, 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 하나 이상의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우, N-1개의 인버터 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 인버터의 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우(S640), N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다(S650). 예를 들어, 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우, 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 제1 내지 제M 인버터(222, 228) 및 제M+1 내지 제N 인버터(232, 238) 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우(S660), N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238)에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 해당 듀티비에서 오프 되도록 하는 PWM 신호를 생성한다(S670). 예를 들어, 혼합형 스위칭 증폭기 장치(200)는 N-1개의 인버터(222, 228) 및 M개의 인버터(232, 238) 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우, 온 상태의 인버터 중에서 가장 낮은 순번을 가지는 인버터가 해당 듀티비에서 오프되도록 하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
도 5 및 도 6에서는 단계 S510 내지 단계 S570 및 단계 S610 내지 단계 S670을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 5 및 도 6에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S510 내지 단계 S570 및 단계 S610 내지 단계 S670 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 5 및 도 6은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 무정지형 스위칭 증폭기 장치 105: PWM 제어기
110: 인버터부 112: 제1 인버터
118: 제N 인버터 120: 단속부
130: 저역 통과 필터 140: 부하
200: 혼합형 스위칭 증폭기 장치

Claims (18)

  1. N(N은 자연수)개의 인버터를 포함하되, 상기 N개의 인버터는 각각 복수의 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자를 온(On) 또는 오프(Off) 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 상기 스위칭에 따라 출력신호를 생성하는 인버터부;
    입력신호에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프 되어야 하는 인버터의 개수를 계산하고, 계산결과 및 기 설정된 인버터의 동작 순번에 따라 상기 N개의 인버터가 온 또는 오프 되도록 하는 상기 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어부; 및
    상기 N개의 인버터의 출력단에 각각 병렬 연결되며 상기 N개의 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N개의 스위치를 포함하는 단속부를 포함하되,
    상기 N개의 인버터의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성하는 것
    을 특징으로 하는 무정지형 스위칭 증폭기 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는, 상기 입력신호에 근거하여 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 상기 기 설정된 인버터의 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터를 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무정지형 스위칭 증폭기 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터부는 기 설정된 최대 증폭 레벨에 필요한 인버터의 개수보다 적어도 하나 이상 많은 인버터를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 무정지형 스위칭 증폭기 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 단속부는 상기 N개의 인버터 중 정상동작 하지 않는 인버터가 존재하는 경우, 해당 인버터에 대응되는 스위치를 단락 시키는 것을 특징으로 하는 무정지형 스위칭 증폭기 장치.
  7. 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있는 N-1(N은 1보다 큰 자연수)개의 인버터 및 상기 N-1개의 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 다른 전기적 특성을 갖는 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있는 M(M은 자연수)개의 인버터를 포함하되, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터는 각각의 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 상기 각각의 복수의 스위칭 소자를 온(On) 또는 오프(Off) 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 상기 스위칭에 따라 출력신호를 생성하는 인버터부; 및
    상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 출력단에 각각 병렬 연결되며 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N-1개의 스위치 및 M개의 스위치를 포함하는 단속부를 포함하되,
    상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성하고, 상기 N-1개의 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자는 상기 M개의 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자에 대비하여 내압이 높고 스위칭 손실이 상대적으로 큰 스위칭 소자로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    입력신호를 제공받고 상기 입력신호에 따라 듀티비를 결정하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는 상기 입력신호에 근거하여 상기 N-1개의 인버터의 스위칭 빈도수가 상기 M개의 인버터의 스위칭 빈도수보다 낮도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  11. 제 10항에 있어서
    상기 PWM 제어부는 상기 입력신호에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 하는 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 개수를 각각 계산하고, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 인버터의 동작 순서에 따라 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터가 계산된 개수만큼 온 또는 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는, 상기 입력신호에 근거하여 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 적어도 하나 이상의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터가 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 N-1개의 인버터와 상기 M개의 인버터는 각각 기 설정된 최대 증폭 레벨에 필요한 인버터의 개수보다 적어도 하나 이상 많은 인버터를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 단속부는 상기 N-1개의 인버터 또는 상기 M개의 인버터 중 정상 동작하지 않는 인버터가 존재하는 경우, 해당 인버터에 대응되는 스위치를 단락 시키는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  15. 무정지형 스위칭 증폭기 장치가 N개의 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법에 있어서,
    입력신호 및 상기 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 제어 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 할 인버터의 개수를 계산하는 과정;
    상기 계산하는 과정을 통해 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우 기 설정된 순서의 인버터가 추가로 온 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정;
    상기 계산하는 과정을 통해 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정; 및
    상기 계산하는 과정을 통해 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우 온 상태의 인버터 중에서 기 설정된 순서의 인버터가 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 생성하는 방법.
  16. 혼합형 스위칭 증폭기 장치가 N-1개의 인버터 및 M개의 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 방법에 있어서,
    입력신호 및 상기 입력신호에 따른 증폭신호의 피드백 제어 결과에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 하는 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 개수를 각각 계산하는 과정;
    상기 각각 계산하는 과정을 통해 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 추가로 온 해야 하는 인버터가 적어도 하나 이상 존재하는 경우, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 온 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정;
    상기 각각 계산하는 과정을 통해 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정; 및
    상기 각각 계산하는 과정을 통해 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 적어도 하나 이상의 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 순서의 인버터가 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 신호를 생성하는 방법.
  17. 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있는 N-1(N은 1보다 큰 자연수)개의 인버터 및 상기 N-1개의 인버터에 포함된 복수의 스위칭 소자와 다른 전기적 특성을 갖는 복수의 스위칭 소자를 포함하고 있는 M(M은 자연수)개의 인버터를 포함하되, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터는 각각의 복수의 스위칭 소자로 입력되는 PWM 신호에 따라 상기 각각의 복수의 스위칭 소자를 온(On) 또는 오프(Off) 제어하여 인가 받은 직류전압을 스위칭하고 상기 스위칭에 따라 출력신호를 생성하는 인버터부;
    입력신호에 근거하여 매 스위칭 주기의 시작점에서 추가로 온 또는 오프해야 하는 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 개수를 각각 계산하고, 계산결과, 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 인버터의 동작 순서에 따라 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터가 온 또는 오프 되도록 하는 상기 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어부; 및
    상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 출력단에 각각 병렬 연결되며 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 정상동작 여부에 따라 단락 또는 개방되는 N-1개의 스위치 및 M개의 스위치를 포함하는 단속부를 포함하되,
    상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터의 출력단은 서로 직렬 연결되어 각각의 인버터로부터 출력된 출력신호가 병합된 증폭신호를 생성하는 것
    을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는, 상기 입력신호에 근거하여 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터 중 적어도 하나 이상의 인버터를 추가로 온 해야 하는 경우에는 상기 N-1개의 인버터 및 상기 M개의 인버터에 각각 기 설정된 동작 순번 중 순번이 높은 인버터부터 추가로 온 되고, 온 상태의 인버터를 오프 시켜야 하는 경우에는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터부터 오프 되고, 온 상태의 인버터를 듀티비를 가지고 오프 시켜야 하는 경우는 온 상태의 인버터 중에서 낮은 순번을 가지는 인버터가 상기 듀티비에서 오프 되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 혼합형 스위칭 증폭기 장치.
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