KR101564561B1

KR101564561B1 - 부스트 컨버터 그리고 부스트 컨버터 상에서 전기 부하를 동작시키기 위한 방법

Info

Publication number: KR101564561B1
Application number: KR1020117008781A
Authority: KR
Inventors: 베른트 루돌프
Original assignee: 오스람 게엠베하
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2015-11-02
Also published as: EP2324564A1; WO2010031432A1; CN102160273A; KR20110056421A; CN102160273B; EP2324564B1

Abstract

본 발명은 입력 전압(U_E)을 인가하기 위한 제 1 입력 접속부(E1) 및 제 2 입력 접속부(E2)를 포함한 입력부; 출력 전압(U_A)을 제공하기 위한 제 1 출력 접속부(A1) 및 제 2 출력 접속부(A2)를 포함한 출력부; 부스트 인덕터(L1); 부스트 다이오드(D13) ― 이 경우 상기 부스트 인덕터(L1) 및 상기 부스트 다이오드(L13)는 상기 제 1 입력 접속부(E1)와 상기 제 1 출력 접속부(A1) 사이에 직렬로 결합됨; 한편으로는 상기 부스트 인덕터(L1)와 상기 부스트 다이오드(D13)의 접속 지점 사이에 결합되고, 다른 한편으로는 상기 제 2 입력 접속부(E2)에 결합되는 부스트 스위치(T11); 상기 제 1 출력 접속부(A1)와 상기 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되는 부스트 커패시터(C17); 그리고 상기 부스트 스위치(T11)를 동작시키기 위하여 자신의 출력부(A_S)에서 동작 신호를 제공하도록 설계된 제어 장치(10) ― 이 경우 상기 제어 장치(10)는 상기 출력 전압(U_A)과 상관되는 신호가 결합되는 제 1 입력부(E_A)를 포함하며, 상기 제어 장치(10)는 상기 출력 전압(U_A)의 목표값 범위 내에서 비선형성을 갖는 전달 함수를 구비한 제어 증폭기(12)를 포함함 ― 를 구비하는 부스트 컨버터에 관한 것으로서, 상기 부스트 컨버터에 있어서 상기 제어 증폭기(12)는 전류 미러(T13, T14)를 포함하며, 상기 전달 함수는 상기 전류 미러(T13, T14)의 출력 전류와 상기 부스트 컨버터의 출력 전압(U_A)의 비율과 상관된다. 본 발명은 또한 부스트 컨버터 상에서 전기 부하를 동작시키기에 적합한 방법과도 관련이 있다.

Description

부스트 컨버터 그리고 부스트 컨버터 상에서 전기 부하를 동작시키기 위한 방법 {BOOST CONVERTER AND METHOD FOR OPERATING AN ELECTRICAL LOAD ON A BOOST CONVERTER}

본 발명은 입력 전압을 인가하기 위한 제 1 입력 접속부 및 제 2 입력 접속부를 포함한 입력부; 출력 전압을 제공하기 위한 제 1 출력 접속부 및 제 2 출력 접속부를 포함한 출력부; 부스트 인덕터; 부스트 다이오드 ― 이 경우 상기 부스트 인덕터와 상기 부스트 다이오드는 상기 제 1 입력 접속부와 상기 제 1 출력 접속부 사이에 직렬로 결합됨 ―; 한편으로는 상기 부스트 인덕터와 상기 부스트 다이오드의 접속 지점 사이에 결합되고, 다른 한편으로는 상기 제 2 입력 접속부에 결합되는 부스트 스위치; 상기 제 1 출력 접속부와 상기 제 2 출력 접속부 사이에 결합되는 부스트 커패시터; 그리고 상기 부스트 스위치를 동작시키기 위하여 자신의 출력부에서 동작 신호를 제공하도록 설계된 제어 장치 ― 이 경우 상기 제어 장치는 상기 출력 전압과 상관되는 신호가 결합되는 제 1 입력부를 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 출력 전압의 목표값 범위 내에서 비선형성을 갖는 전달 함수를 구비한 제어 증폭기를 포함함 ― 를 구비하는 부스트 컨버터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기와 같은 유형의 부스트 컨버터 상에서 전기 부하를 동작시키기 위한 방법과도 관련이 있다.

EP 0 256 231 B1호에는 종래의 부스트 컨버터가 공지되어 있다. 이와 같은 유형의 부스트 컨버터는 역률 보정(PFC = Power Factor Correction)을 위한 경제적인 비용의 제어 회로로서 사용된다. 상기 부스트 컨버터에서 사용된 제어 증폭기는 내부 기준 전압을 갖는 분로 조정기를 포함한다(이와 관련해서는 전술한 문서의 도 2의 컴포넌트(D6)를 참조). 상기 컴포넌트(D6)는 예컨대 STM 사(社)의 모듈 TL 431에 의해 구현될 수 있다. 상기와 같은 유형의 모듈은 한편으로는 그 값이 비싸고, 다른 한편으로는 정적 전류 소비가 상대적으로 높다. 또한, 전술한 회로는 출력부 상의 과전압을 방지하기 위한 보호 부재를 포함하고는 있지만, 상기 보호 부재는 몇십 ms의 시간 지연(time delay)에 의해 비로소 효과가 나타나는데, 그 이유는 대략 사인파 형태의 선전류 소비를 보증하기 위하여 주 조정 시간 상수가 C13에 상응하게 형성되어야 하기 때문이다. 이러한 시간 상수 형성은 다수의 정밀 부품들에 있어서는 너무 길 수 있다.

마지막으로 과전압 보호에 대한 반응 임계값은 상당히 부정확한데, 그 이유는 슈미트-트리거-인버터(Schmitt-Trigger-Inverter)의 스위칭 임계값, 더 정확히 말하자면 Schmidt-Trigger-Inverter(STb)의 스위칭 임계값이 직접 상기 과전압 보호에 이용되기 때문이다.

따라서 본 발명의 과제는 전술한 선행 기술의 단점들이 방지되는 방식으로 종래의 부스트 컨버터 또는 종래의 방법을 개선하는 것이다.

상기 과제는 특허 청구항 1에 기재된 특징들을 갖는 부스트 컨버터 그리고 특허 청구항 8에 기재된 특징들을 갖는 방법에 의해서 해결된다.

본 발명은 제어 증폭기의 기본 구조물로서 전류 미러가 사용되는 경우에 전술한 과제가 해결될 수 있다는 인식을 기본으로 한다. 이러한 경우 전류 미러를 적합하게 결선(wiring)함으로써 필요한 제어 증폭기의 함수가 발생될 수 있다. 이러한 함수 발생의 본질은 출력 전압의 임계값 범위에서 비선형성을 갖는 전달 함수를 제공하는 데 있다. 출력 전압이 사전에 정해진 임계값을 초과할 경우, 이러한 비선형성에 의해 우선 사전에 정해진 스위치-온 시간에 작동된 부스트 스위치가 조기에 스위치-오프될 수 있다. 그 결과로 출력 전압이 사전에 정해진 값으로 유지될 수 있다.

따라서, 역률 보정을 달성하기 위해 주전원 반주기(mains half-cycle) 동안에 거의 일정하게 유지되어야 하는 부스트 스위치의 스위치-온 시간이 제어된다. 전류 미러들은 ― 특히 양극성(bipolar) 구현시에 ― 비교적 저렴한 비용으로 구입이 가능하며 이미 몇십 μΑ부터 확실히 작동된다.

제어 장치는 바람직하게 제 1 인버터, 제 2 인버터 그리고 제 3 인버터를 포함하고, 이 경우 상기 제 1 인버터의 입력부는 부스트 인덕터와 부스트 다이오드의 접속 지점에 결합되며, 상기 제 2 인버터의 입력부는 한편으로는 상기 제 1 인버터의 출력부에 결합되고, 다른 한편으로는 제어 증폭기의 출력부에 결합되며, 상기 제 3 인버터의 입력부는 상기 제 2 인버터의 출력부에 결합되며, 상기 제 3 인버터의 출력부는 상기 제어 장치의 출력부에 결합된다. 이러한 구조는 기본적으로 언급한 EP 0 256 231 A2호에 공지되어 있기는 하지만 본 발명의 범주에서 (아래 참조) 다양하고 바람직한 개선예들을 실현한다.

전류 미러는 바람직하게 입력 트랜지스터 및 출력 트랜지스터를 포함하고, 이 경우 상기 출력 트랜지스터의 기준 전극과 기준 전위 사이에는 보조 트랜지스터가 결합되며, 상기 보조 트랜지스터의 제어 전극은 분압기의 탭(tap)에 결합되고, 상기 분압기는 제 1 출력 접속부와 제 2 출력 접속부 사이에 결합되며, 하나 이상의 제 1 옴 저항 및 제 1 제너 다이오드를 포함한다. 상기 제 1 제너 다이오드에 의해 출력 전압의 임계값 범위 내에서 원하는 비선형성이 형성된다.

대안적으로 또는 부가적으로 상기 전류 미러는 상기 제 1 출력 접속부에 결합되어 있는 입력부를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 제 1 출력 접속부와 상기 전류 미러의 입력부 사이에는 비선형 소자, 특히 제너 다이오드 및 하나 이상의 옴 저항의 직렬 회로가 결합되어 있다. 상기 변형예에서는 비선형 소자, 여기서는 특히 제너 다이오드가 전술한 실시 예와는 다른 방식으로 전류 미러에 연결되어 있다. 첫 번째로 전술한 실시 예에서는 제너 다이오드가 표준적으로 1% 이하의 허용 오차 내에서 유지될 수 있는 저전압 다이오드로서 수행될 수 있는 반면, 두 번째로 전술한 실시 예에 있어서는 실제로 전압이 400 V까지 유지될 수 있는 고전압 제너 다이오드가 필요하다. 또한, 첫 번째로 전술한 실시 예는 두 번째로 전술한 실시 예에 비해 비교적 적은 손실을 특징으로 한다.

또한, 선택된 실시 예와는 무관하게 제어 장치가 제 1 추가 인버터를 포함하는 경우가 바람직하며, 상기 제 1 추가 인버터의 입력부는 분압기의 탭에 결합되고, 상기 분압기는 제너 다이오드 및 하나 이상의 옴 저항을 포함하며, 상기 제 1 출력 접속부와 상기 제 2 출력 접속부 사이에 결합되며, 이 경우 상기 제 1 추가 인버터의 출력부와 기준 전위 사이에는 추가 제너 다이오드와 옴 저항의 직렬 회로가 결합되고, 상기 추가 제너 다이오드와 상기 옴 저항의 접속 지점은 상기 제어 장치의 출력부에 결합된다. 이 경우 분압기로는 제 1 실시 예 및 제 2 실시 예에와 관련하여 언급된, 각각 하나의 제너 다이오드를 포함하는 분압기도 사용될 수 있다. 전술한 개선 예에 의해 소위 "언더전압 록 아웃(Undervoltage Lockout)"의 구현이 가능하다. 이로 인해 전압이 너무 낮은 경우에 부스트 스위치가 스위치-오프 상태로 유지되는 것이 보장된다.

동시에 상기 제어 장치는 바람직하게 제 2 추가 인버터를 포함하며, 이 경우 상기 추가 제너 다이오드와 상기 옴 저항의 접속 지점은 상기 제 2 추가 인버터의 입력부에 결합되고, 상기 제 2 추가 인버터의 출력부는 상기 제 3 인버터의 입력부에 결합된다. 이러한 방식으로 기본적으로 추가 제너 다이오드 및 옴 저항에 의해 등록된 저전압 강하가 매우 간단하게 부스트 스위치의 스위치-오프에 사용될 수 있다.

상기 제 1 인버터의 입력부는 바람직하게 제 1 다이오드를 통해서 보조 전압에 결합되고, 제 2 다이오드를 통해서는 기준 전위에 결합되며, 제 2 인버터의 입력부는 제 3 다이오드를 통해서 보조 전압에 결합되고, 제 4 다이오드를 통해서는 기준 전위에 결합된다. 그럼으로써 상기 제 1 인버터와 상기 제 2 인버터의 입력부들은 이 입력부들이 (한편으로는 부스트 인덕턴스(인버터 1)의 탈자기화 상태를 검출하기 위해 그리고 제어 증폭기(인버터 2)의 출력 신호를 공급하기 위해) 공급된 신호들에 맞게 사용될 수 있도록 알맞은 상태로 조절된다.

추가의 바람직한 실시 예들은 종속항들에 제시된다.

본 발명에 따른 부스트 컨버터와 관련하여 도시된 바람직한 실시 예들 및 상기 실시 예들의 장점들은 ― 적용 가능한 테두리 안에서 ― 본 발명에 따른 방법에도 상응하게 유효하다.

본 발명에 따른 부스트 컨버터의 두 가지 실시 예는 첨부된 도면들을 참조하여 하기에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 부스트 컨버터의 제 1 실시 예의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 부스트 컨버터의 제 2 실시 예의 개략도이다.

후속해서 동일한 또는 유사한 구성 요소들에 대한 상이한 실시 예들의 설명에서는 동일한 도면 부호들이 사용된다. 따라서 상기 도면 부호들은 한 번만 소개된다.

도 1은 본 발명에 따른 부스트 컨버터의 제 1 실시 예를 개략도로 보여주고 있다. 상기 부스트 컨버터는 입력 전압(U_E)을 인가하기 위한 제 1 입력 접속부(E1) 및 제 2 입력 접속부(E2)를 포함한 입력부를 구비하며, 이 경우 상기 입력 전압(U_E)은 특히 정류된 주전원 교류 전압일 수 있다. 커패시터(C15)는 부스트 인덕터(L1)의 충전 전류 회로 및 방전 전류 회로를 교류에 따라 폐쇄하기 위해 제공된다. 부스트 컨버터의 출력부에는, 즉 제 1 출력 접속부(A1)와 제 2 출력 접속부(A2) 사이에는 출력 전압(U_A)이 제공된다. 입력 접속부(E1)와 제 1 출력 접속부(A1) 사이에는 부스트 인덕터(L1) 및 부스트 다이오드(D13)의 직렬 회로가 제공된다. 부스트 스위치로는 전계 효과 트랜지스터(T11)가 제공되며, 상기 전계 효과 트랜지스터는 한편으로는 부스트 인덕터(L1)와 부스트 다이오드(D13)의 접속 지점 사이에 결합되고, 다른 한편으로는 제 2 출력 접속부(A2)에 결합된다. 출력 전압(U_A)을 안정화할 목적으로 사용되는 커패시터(C17)는 출력부(A1, A2)에 대해 병렬로 제공된다. 본 경우에는 부스트 스위치(T11)가 바이폴러 트랜지스터(T12)와 옴 저항(R31)의 조합에 의해 결선되며, 상기 바이폴러 트랜지스터와 옴 저항의 조합은 부스트 스위치(T11)의 스위치 오프를 가속화한다.

충전 단계 동안에는 전류가 회로(C15, L1, T11) 내에서 흐르고, 방전 단계 동안에는 전류가 회로(C15, L1, D13, C17) 내에서 흐른다.

부스트 스위치(T11)를 동작시키기 위하여 제어 장치(10)가 제공되며, 상기 제어 장치의 입력부(E_H)에는 보조 전압(U_H)이 제공된다. 추가 입력부(E_Z)에 의해서는 상기 제어 장치가 커패시터(C16)와 옴 저항(R30)의 직렬 회로를 통해서 부스트 인덕터(L1)와 부스트 다이오드(D13) 사이의 접속 지점에 결합된다. 이렇게 함으로써 부스트 인덕터(L1)의 탈자기화 상태가 검출되고 그리고 상기 상태는 부스트 스위치(T11) 제어시에 고려될 수 있다(Critical Conduction 또는 Transition Mode). 옴 저항(R32)에 의해서는 출력 전압(U_A)과 상관되는 신호가 입력부(E_A)를 통해서 제어 장치(10) 내로 주입된다. 제어 장치(10)는 자신의 출력부(A_S)에서 부스트 스위치(T11)를 위한 제어 신호를 제공한다.

제어 장치(10)는 실제로 3개의 인버터(IC1-A, IC1-B 및 IC1-C)의 캐스케이드 그리고 제어 증폭기(12)를 포함한다. 상기 인버터 캐스케이드의 기본 작동 방식은 이미 언급한 EP 0 256 231 B1호에 공지되어 있다.

스타트 회로는 인버터(IC1-A)의 입력부(상기 인버터의 입력부에서는 파선으로 표시된 기생 커패시턴스(C_P)가 나타남)가 더블 다이오드(D14)의 중점에 결합됨으로써 구현되며, 이 경우 상부 다이오드의 캐소드는 보조 전압(U_H)에 결합되고 그리고 하부 다이오드의 애노드는 기준 전위에 결합된다. 인버터(IC1-A)의 입력부와 상기 인버터의 출력부 사이에는 옴 저항(R33)이 결합된다.

상기 기생 커패시턴스(C_P) 및 상기 옴 저항(R33)에 의해서는 프리 런닝하는 RC-발진기가 형성된다. 인버터(IC1-A)의 출력부 전압(U_IC1-A)은 보조 전압 전위(U_H)를 기준으로 하여 높거나 낮다. U_IC1-A이 높으면, 기생 커패시턴스(C_P)는 옴 저항(R33)을 통해서 충전된다. 반대로 U_IC1-A이 낮은 경우에는 기생 커패시턴스(C_P)가 옴 저항(R33)을 통해서 방전된다. 인버터(IC1-A)의 출력부에서 생성되는 교류 신호(alternating signal)는 제 2 인버터(IC1-B) 및 제 3 인버터(IC1-C)를 통해서 부스트 스위치(T11)의 입력부에 결합되고, 결과적으로 상기 부스트 스위치를 온/오프 시킨다.

스위치(T11)의 최대 스위치 온 시간은 커패시터(C18) 및 옴 저항(R37)에 의해 정해지는데, 대개 (U_H-1 V)와 Schmitt-Trigger-Inverter의 하위 스위칭 임계값("negative-going input voltage switching level")의 차이로 정해진다. 커패시터(C18)는 제 1 인버터(IC1-A)의 출력부와 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부 사이에 직렬로 결합되는 반면, 옴 저항(R37)은 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부와 기준 전위 사이에 결합된다. 제 1 인버터(IC1-A)와 마찬가지로 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부는 더블 다이오드(D15)의 사용하에 보조 전압 전위(U_H)에 결합된다. 이 경우 커패시터(C18)는 다이오드(D15)를 통해서 보조 전압원(U_H) 쪽으로 방전될 수 있다. 전압(U_IC1-A)이 낮으면, 커패시터(C18)는 옴 저항(R37)을 통해서 기준 전위로 방전된다. 그러므로 전압(U_IC1-A)이 높아지면, 전압(U_R37)도 상응하게 높아진다. 그러한 이유로 제 2 인버터(IC1-B)의 출력부 전압(U_IC1-B)은 낮아진다. 그 후에 제 3 인버터(IC1-C)의 출력부 전압(U_IC1-C)은 높아지고 부스트 스위치(T11)를 스위치-온 시킨다.

커패시터(C16) 및 옴 저항(R30)에 의해 전압은 지점(N)에서 감지된다. 이러한 전압은 부스트 인덕터(L1)가 탈자기화되면 입력 전압(U_E)의 순간 피크 값으로 (예를 들면 400 V에서 325 V로) 강하된다. 그렇게 하여 네거티브 전류는 기생 커패시턴스(C_P)를 방전하는 커패시터(C16)에 의해 형성된다. 그로 인해 기생 커패시턴스(C_P)에서 전압(U_CP)은 네거티브로 되고 다이오드(D14)에 의해 약 -1 V로 고정된다. 결과적으로 제 1 인버터(IC1-A)의 출력 전압(U_IC1-A)은 높아지고 이미 언급한 캐스케이드를 통해서 부스트 스위치(T11)를 스위치-온 시킨다. 그로 인해 부스트 인덕터(L1)는 새로이 충전된다.

최대 스위치-온 시간이 종료된 후에 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부 전압(U_R37)은 하위 스위칭 레벨("negative-going input voltage switching level")로 내려가며, 결과적으로 상기 제 2 인버터(IC1-B)는 스위칭됨에 따라 ― 제 3 인버터(IC1-C)를 통해서 ― 부스트 스위치(T11)를 스위치-오프 시킨다.

제어 증폭기(12)에 대하여: 상기 제어 증폭기(12)는 자신의 입력부(E_A)를 통해 출력 전압(U_A)의 값에 대한 정보를 얻는다. 상기 제어 증폭기의 출력부(A_R)는 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부에 결합된다. 그에 따라 옴 저항(R37)에는 가변 임피던스가 병렬로 접속된다. 그로 인해 커패시터(C18)는 오직 옴 저항(R37)을 통한 경우보다 더욱 신속하게 충전된다. 이러한 사실은 커패시터(C18) 및 옴 저항(R37)에 의해 정해진 최대 스위치-온 시간보다 더 짧은 스위치(T11)의 스위치 온 시간을 가능하게 한다.

제어 증폭기(12)는 입력 트랜지스터(T13) 및 출력 트랜지스터(T14)를 구비한 전류 미러를 포함한다. 상기 전류 미러의 입력부는 옴 저항(R32)과 옴 저항(R35)의 직렬 회로에 의해 제 1 출력 접속부(A1)에 결합된다. 출력 트랜지스터(T14)의 기준 전극과 기준 전위 사이에는 트랜지스터(T15)가 결합되고, 이 경우 트랜지스터(T15)의 제어 전극은 분압기의 탭에 결합되며, 상기 분압기는 제 1 출력 접속부(A1)와 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되며, 그리고 상기 언급한 옴 저항(R32) 외에 제너 다이오드(D18), 옴 저항(R40, R41) 그리고 커패시터(C21)를 포함한다. 이 경우 상기 제너 다이오드(D18)는 기준 전압을 설정하는데 사용된다. 트랜지스터(T15)는 제너 다이오드(D18)에 의해 정해진 출력 전압(U_A) 값 미만에서 차단된다. 전류 미러 내로 삽입된 전류는 출력 트랜지스터 기준 전극에 결합되어 있는 옴 저항(R39) 및 커패시터(C20)를 통해서 기준 전위 쪽으로 흐른다. 저항(R41) 및 커패시터(C21)는 그들의 시간 상수가 주전원 주기보다 크게 치수 설계된다. 그로 인해 부스트 스위치(T11)의 스위치-온 시간이 주전원 주기 내에서 조절되지 않도록 보장된다. 출력 전압(U_A)이 사전에 정해진 값에 도달하면, 트랜지스터(T15)는 전도 가능하게 접속되고 그로 인해 임피던스의 병렬 접속을 위하여 옴 저항(R37)으로 리드된다. 이렇게 하여 부스트 스위치(T11)의 스위치-온 시간(T_EIN)은 최대 스위치-온 시간에 비해 단축된다.

입력부가 제너 다이오드(D18)와 옴 저항(R40) 사이의 접속 지점에 결합되어 있는 추가 인버터(IC1-D)는 출력 전압(U_A)이 과도 현상시에 또는 선간 전압이 너무 높거나 또는 부하가 발생하는 경우에 사전 설정된 값을 초과하는 것을 방지한다. 인버터(IC1-D)의 입력부에서 생성되는 전압(U_R41)은 출력 전압(U_A)의 최대값이 사전에 설정 가능할 경우에 상기 인버터(IC1-D)의 상위 스위칭 임계값이 달성되도록 선택된다. 이러한 스위칭 임계값이 달성되면, 인버터(IC1-D)의 출력부 전압(U_IC1 _-D)이 낮아진다. 그에 따라 인버터(IC1-D)의 출력부와 인버터(IC1-C)의 입력부 사이에 결합되어 있는 추가 인버터(IC1-E)의 전압(U_IC1 _-E)이 높아진다. 다이오드(D17) 및 옴 저항(R38)에 의해 인버터(IC1-C)의 출력이 낮아지고, 그 결과 부스트 스위치(T11)는 스위치-오프되고, 출력 전압(U_A)은 부스트 컨버터 자체에 의해서는 더 이상 상승될 수 없다.

이 경우 언더전압 록 아웃은 인버터(IC1-D)의 출력부와 인버터(IC1-E)의 입력부 사이에 결합되어 있는 제너 다이오드(D38) 및 옴 저항(R34)에 의해 구현된다. 예컨대 본 발명에 따른 부스트 컨버터의 스타트 시에 (또는 스위치 오프 시에도) 전압(U_H)이 계속해서 사전 설정된 임계값보다 낮으면, 부스트 스위치(T11)는 확실하게 동작될 수 없는데, 그 이유는 상기 동작을 위해서는 특정한 전압 진폭이 필요하기 때문이다.

본 발명에서는 전압(U_H)이 사전 설정된 임계값보다 낮은 한, 부스트 스위치(T11)의 스위치 오프가 보장된다: 보조 전압(U_H)은 더 정확히 말하자면 인버터들에 의해 제공되는 상위 레벨(high-level)에 대해 책임이 있다. 이 때문에 상기 보조 전압은 각각의 인버터에 결합되어 있는데, 그러나 이는 도 1에서는 도면을 간략화하기 위해 도시되지 않았다. 인버터(IC1-D)의 출력부가 상위 레벨로 높아지면(그러나 실제로는 보조 전압(U_H)의 감소로 인해 비교적 약간 낮은 레벨이 되면), 제너 다이오드(D38) 및 옴 저항(R34)에 의해 인버터(IC1-E)의 입력부 레벨이 확실히 낮아지는 것이 보장된다. 이를 위해 보조 전압(U_H)과 제너 다이오드(D38)에서 강하하는 전압(U_D38)의 차이는 인버터(IC1-E)의 하위 스위칭 임계값보다 작아야 한다. 결과적으로 인버터(IC1-E)의 출력부 전압(U_IC1-E)이 높아지고, 인버터(IC1-C)의 출력부 전압(U_IC1-C)은 낮아짐으로써 부스트 스위치(T11)가 스위치-오프된다.

도 2는 본 발명에 따른 부스트 컨버터의 제 2 실시 예를 보여주고 있다. 이하에서는 도 1에 도시된 제 1 실시 예와의 차이점들에 대해서만 논의된다. 도 2의 실시 예에서는 제너 다이오드(D18)가 더 이상 전류 미러의 입력부에 병렬 접속된 측면 분기 내에 배치되지 않고, 전류 미러의 입력부에 직렬로 놓인다. 이 경우에도 역시 제너 다이오드(D18)에 의해 비선형성이 제어(부) 내로 공급되며, 상기 비선형성의 공급은 출력 전압(U_A)이 사전 설정가능한 값을 초과할 경우 부스트 스위치(T11)가 스위치-오프되도록 보증한다. 하지만, 도 2의 실시 예에서는 고전압 제너 다이오드가 요구된다. 이러한 고전압 제너 다이오드는 비교적 높은 전압으로 인해 도 1에 따른 실시 예의 경우보다 높은 손실로 작동된다. 반대로, 전류 미러의 우측 분기가 항상 스위치-온되는 도 1의 실시 예에서는 제너 다이오드(D18)가 작은 전류에 의해서만 관류된다. 또한, 전압의 대부분은 이미 도 1의 옴 저항(R32)을 통해서 수신됨으로써, 상기 제너 다이오드(D18)는 저전압 다이오드로서 수행될 수 있다.

두 실시 예는 스위칭 신뢰도를 상승시키기 위하여 부스트 스위치(T11) 내 전류 측정을 위한 측정 장치에 의해 계속해서 보충될 수 있다. 사전 설정가능한 한계값을 초과하면 사전 설정가능한 시간 또는 사전 설정가능한 소수의 주기들에 대한 제어 스위칭 출력 신호가 낮게 전환될 수 있다. 이러한 보호 기능은 정상 상태에서는 필요하지 않으며 단지 오작동 시에 특히 부스트 스위치(T11)를 보호하기 위해 필요하므로, 이와 관련해서는 비교적 부정확한 측정도 충분하다. 따라서, 부스트 스위치(T11)의 스위치-온 시간 동안 상기 부스트 스위치의 채널 저항(R_SDONT11)을 자체적으로 이용하는 것이 제안된다.

Claims

부스트 컨버터로서,
입력 전압(U_E)을 인가하기 위한 제 1 입력 접속부(E1) 및 제 2 입력 접속부(E2)를 포함한 입력부;
출력 전압(U_A)을 제공하기 위한 제 1 출력 접속부(A1) 및 제 2 출력 접속부(A2)를 포함한 출력부;
부스트 인덕터(L1);
부스트 다이오드(D13) ― 상기 부스트 인덕터(L1)와 상기 부스트 다이오드(D13)는 상기 제 1 입력 접속부(E1)와 상기 제 1 출력 접속부(A1) 사이에 직렬로 결합됨 ―;
한편으로는 상기 부스트 인덕터(L1)와 상기 부스트 다이오드(D13)의 접속 지점 사이에 결합되고, 다른 한편으로는 상기 제 2 입력 접속부(E2)에 결합되는 부스트 스위치(T11);
상기 제 1 출력 접속부(A1)와 상기 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되는 부스트 커패시터(C17); 및
상기 부스트 스위치(T11)를 동작시키기 위하여 자신의 출력부(A_S)에서 동작 신호를 제공하도록 설계된 제어 장치(10) ― 상기 제어 장치(10)는 상기 출력 전압(U_A)과 상관되는 신호가 결합되는 제 1 입력부(E_A)를 포함하며, 상기 제어 장치(10)는 상기 출력 전압(U_A)의 목표값 범위 내에서 비선형성을 갖는 전달 함수를 구비한 제어 증폭기(12)를 포함함 ―
를 구비하고,
상기 제어 증폭기(12)가 전류 미러(T13, T14)를 포함하며, 상기 전달 함수는 상기 전류 미러(T13, T14)의 출력 전류와 상기 부스트 컨버터의 출력 전압(U_A)의 비율과 상관되고,
상기 제어 장치(10)가 제 1 추가 인버터(IC1-D)를 포함하고, 상기 제 1 추가 인버터의 입력부는 분압기의 탭에 결합되며, 상기 분압기는 제너 다이오드(D18) 및 하나 이상의 옴 저항(R41)을 포함하고, 상기 제 1 출력 접속부(A1)와 상기 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되며, 상기 제 1 추가 인버터(IC1-D)의 출력부와 기준 전위 사이에는 추가 제너 다이오드(D38)와 옴 저항(R34)의 직렬 회로가 결합되고, 상기 추가 제너 다이오드(D38)와 상기 옴 저항(R34)의 접속 지점은 상기 제어 장치(10)의 출력부(A_S)에 결합되는,
부스트 컨버터.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치(10)가 제 1 인버터(IC1-A), 제 2 인버터(IC1-B) 그리고 제 3 인버터(IC1-C)를 포함하며, 상기 제 1 인버터(IC1-A)의 입력부는 상기 부스트 인덕터(L1)와 상기 부스트 다이오드(D13)의 접속 지점에 결합되고, 상기 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부는 한편으로는 상기 제 1 인버터(IC1-A)의 출력부에 결합되고, 다른 한편으로는 상기 제어 증폭기(12)의 출력부에 결합되며, 상기 제 3 인버터(IC1-C)의 입력부는 상기 제 2 인버터(IC1-B)의 출력부에 결합되고, 상기 제 3 인버터(IC1-C)의 출력부는 상기 제어 장치(10)의 출력부(A_S)에 결합되는,
부스트 컨버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전류 미러(T13, T14)가 입력 트랜지스터(T13) 및 출력 트랜지스터(T14)를 포함하며, 상기 출력 트랜지스터(T14)의 기준 전극과 기준 전위 사이에는 보조 트랜지스터(T15)가 결합되고, 상기 보조 트랜지스터(T15)의 제어 전극은 분압기(R32, D18, R40, R41, C21)의 탭에 결합되며, 상기 분압기는 상기 제 1 출력 접속부(A1)와 상기 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되고, 하나 이상의 제 1 옴 저항(R32, R40, R41) 및 제 1 제너 다이오드(D18)를 포함하는,
부스트 컨버터.
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제 2 항에 있어서,
상기 제어 장치(10)가 제 2 추가 인버터(IC1-E)를 포함하며, 상기 추가 제너 다이오드(D38)와 상기 옴 저항(R34)의 접속 지점은 상기 제 2 추가 인버터(IC1-E)의 입력부에 결합되고, 상기 제 2 추가 인버터(IC1-E)의 출력부는 상기 제 3 인버터(IC1-C)의 입력부에 결합되는,
부스트 컨버터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 인버터(ICI-A)의 입력부가 제 1 다이오드(D14)를 통해서 보조 전압(U_H)에 결합되고, 제 2 다이오드(D14)를 통해서는 기준 전위에 결합되며, 그리고 상기 제 2 인버터(IC1-B)의 입력부가 제 3 다이오드(D15)를 통해서 보조 전압(U_H)에 결합되고, 제 4 다이오드(D15)를 통해서는 기준 전위에 결합되는,
부스트 컨버터.
입력 전압(U_E)을 인가하기 위한 제 1 입력 접속부(E1) 및 제 2 입력 접속부(E2)를 포함한 입력부;
출력 전압(U_A)을 제공하기 위한 제 1 출력 접속부(A1) 및 제 2 출력 접속부(A2)를 포함한 출력부;
부스트 인덕터(L1);
부스트 다이오드(D13) ― 상기 부스트 인덕터(L1)와 상기 부스트 다이오드(D13)는 상기 제 1 입력 접속부(E1)와 상기 제 1 출력 접속부(A1) 사이에 직렬로 결합됨 ―;
한편으로는 상기 부스트 인덕터(L1)와 상기 부스트 다이오드(D13)의 접속 지점 사이에 결합되고, 다른 한편으로는 상기 제 2 입력 접속부(E2)에 결합되는 부스트 스위치(T11);
상기 제 1 출력 접속부(A1)와 상기 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되는 부스트 커패시터(C17); 및
상기 부스트 스위치(T11)를 동작시키기 위하여 자신의 출력부(A_S)에서 동작 신호를 제공하도록 설계된 제어 장치(10) ― 이 경우 상기 제어 장치(10)는 상기 출력 전압(U_A)과 상관되는 신호가 결합되는 제 1 입력부(E_A)를 포함하며, 상기 제어 장치(10)는 상기 출력 전압(U_A)의 목표값 범위 내에서 비선형성을 갖는 전달 함수를 구비한 제어 증폭기(12) 및 제 1 추가 인버터(IC1-D)를 포함하고, 상기 제 1 추가 인버터의 입력부는 분압기의 탭에 결합되며, 상기 분압기는 제너 다이오드(D18) 및 하나 이상의 옴 저항(R41)을 포함하고, 상기 제 1 출력 접속부(A1)와 상기 제 2 출력 접속부(A2) 사이에 결합되며, 상기 제 1 추가 인버터(IC1-D)의 출력부와 기준 전위 사이에는 추가 제너 다이오드(D38)와 옴 저항(R34)의 직렬 회로가 결합되고, 상기 추가 제너 다이오드(D38)와 상기 옴 저항(R34)의 접속 지점은 상기 제어 장치(10)의 출력부(A_S)에 결합됨 ― 를 구비하는,
부스트 컨버터 상에서 전기 부하를 동작시키기 위한 방법으로서,
a) 상기 출력 전압(U_A)과 상관되는 신호를 상기 제어 증폭기(12)의 전류 미러(T13, T14)의 입력부에 결합하는 단계;
b) 상기 제어 장치(10)의 출력부(A_S)에서의 신호를 상기 전류 미러(T13, T14)의 출력 전류와 상관시키는 단계; 및
c) 상기 부스트 스위치(T11)를 동작시키기 위한 동작 신호로서 상기 제어 장치(10)의 출력부(A_S)에서 신호를 제공하는 단계
를 포함하는,
부스트 컨버터 상에서 전기 부하를 동작시키기 위한 방법.