KR101831371B1 - 안정화된 스위칭 주파수를 갖는 벅 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 스위칭가능한 벅-변환기의 일정한 스위칭 주파수 동작을 허용하기 위해, 로드 전류의 함수로서 인덕턴스를 갖는 비-선형 인덕터(25)를 포함하는 영 전압 스위칭 능력을 갖는 스위칭가능한 벅-변환기에 관한 것이다.

Description

안정화된 스위칭 주파수를 갖는 벅 변환기{BUCK CONVERTER WITH A STABILIZED SWITCHING FREQUENCY}
본 발명은 안정화된 스위칭 주파수를 갖는 SBCM(sub-boundary conduction mode) 영 전압 스위칭 벅(buck) 변환기에 관한 것이다.
벅 전압 변환은, DC 전력 공급부로부터의 전력을 집적 회로의 로드 포인트들에 분산시키기 위해 집적 회로들에서 광범위하게 채택되어 왔다. 통상적으로, 벅 변환기는, 벅 변환기의 스위칭가능한 전력 스테이지를 드라이빙(drive)하는 펄스 폭 변조(PWM) 제어 회로에 의해 드라이빙된다. PWM 듀티 사이클(duty cycle)은 요구되는 전압 저감(reduction)을 수용하도록 설계된다.
도 1은, 개별적 하이-사이드(high-side) 제어부(17)를 갖는 하이-사이드 스위치(11), 개별적 로우-사이드 제어부(18)를 갖는 로우-사이드 스위치(12), 스위치 노드(13)에 접속되는 인덕터(15), 인덕터(15)에 접속되는 커패시터(16) 및 접지(14)를 포함하는 최신 기술 벅 변환기를 도시한다. 충전 페이즈에서, 하이-사이드 스위치(11)는 스위치 온(switch on)되고 로우-사이드 스위치(12)는 스위치 오프(switch off)된다. 커패시터(16)는 인덕터(15)를 통하여 충전된다. 방전 페이즈에서, 하이-사이드 스위치(11)는 스위치 오프되고 로우-사이드 스위치(12)는 스위치 온된다. 통상적으로, 스위치들은 MOSFET(metal-oxide semiconductor field effect transistor)들로 구현된다. 그러한 MOSFET들에서, 방전 페이즈로부터 충전 페이즈로 스위칭하는 경우 스위칭 손실들이 발생한다. 하이-사이드 MOSFET이 턴 온 되고 로우-사이드 MOSFET이 턴 오프됨에 따라, 로우-사이드 MOSFET의 바디(body) 다이오드가 자신의 역방향 회복 시간(reverse recovery time) 동안 쇼트(short) 회로로서 여겨지므로, 매우 큰 전류가 MOSFET 쌍을 통해 흐른다. 하이-사이드 MOSFET 출력 커패시턴스의 방전 및 로우-사이드 MOSFET에서의 역방향 회복으로 인해 다른 손실들이 발생한다. 스위칭 주파수 또는 입력 전압이 증가하는 경우 이러한 손실들이 증가된다. 이들 손실들을 극복하기 위해, 벅 변환기들에 대해 영 전압 스위칭이 채택되었다. 여전히 PWM 기반이지만, ZVS 동작을 허용하기 위해 PWM 타이밍에 별개의 페이즈가 부가된다. 이것은, 하이-사이드 MOSFET에 대한 스위칭에 앞서 큰 전류의 바디 도통을 제거하고, 하이-사이드 MOSFET의 드레인-소스 전압을 0으로 또는 0에 근접하게 하며, 어떠한 높은 전류 스파이크(spike)들 또는 데미징 링잉(damaging ringing)도 생성하지 않는다. 하이-사이드 MOSFET에 적용되는 영 전압 스케일링(scaling)은, 스위칭 온에서의 그에 대한 밀러(Miller) 효과를 제거하고, 더 작은 드라이버 및 더 낮은 게이트 드라이브의 사용을 허용한다. 부가되는 페이즈를 이용하여, 영 전압 스케일링이 클램프 스위치(19) 및 회로 공진에 의해 구현되어, 하이-사이드 MOSFET 및 동기의(synchronous) 로우-사이드 MOSFET을 소프트(soft) 스위칭으로 효율적이게 동작시킬 수도 있으며, 그 MOSFET들이 종래의 PWM 동작 및 타이밍 동안 발생시키는 손실들을 회피한다.
따라서, SBCM 벅 변환기는 종래의 하드 스위칭(hard switched) 시스템과 비교하여 0에 근접한 스위칭 손실들을 나타낸다. 이것은, 더 큰 스위칭 주파수에서의 동작 및 연관된 수동 컴포넌트들의 전반적인 사이즈 감소를 허용한다.
그러나, 이러한 동작 모드는, 설명될 바와 같이, 로드 전류에 반비례하는 스위칭 주파수 또는 일정한 주파수 중 어느 하나, 및 최대 출력 전류의 적어도 두 배의 인덕터 리플(ripple) 전류를 요구한다.
SBCM 벅 변환기 전체에 걸친 전력은 다음과 같이 표현될 수도 있다.
Figure 112015110803340-pct00001
여기서, V0는 출력 전압이고, I0는 출력 전류이고,
Figure 112015110803340-pct00002
및
Figure 112015110803340-pct00003
이고, L0는 출력 인덕터의 인덕턴스이고, fsw는 입력 전압이다.
수학식 (1)로부터, 주어진 출력 전압에 대한 전력 스루풋(throughput)은 출력 인덕터 전류
Figure 112015110803340-pct00004
의 절반에 비례함이 관측될 수 있다.
스위칭 주파수 fsw는 다음과 같이 표현될 수도 있다.
Figure 112015110803340-pct00005
수학식 (2)로부터, 일정한 인덕턴스 L0에 대한 변하는 로드 전류에 대해, 스위칭 주파수는 도 2에 도시된 바와 같이, 변하는 로드 전류 I0에 반비례하게 변할 것임이 명백하다.
이러한 가변 주파수 동작은, 일정한 주파수 동작을 초래하는 2I0MAX의 인덕터 전류
Figure 112015110803340-pct00006
을 제공하도록 L0를 설계함으로써 어드레싱(address)된다. 그렇다면, 스위칭 주파수는 다음과 같이 표현될 수도 있다.
Figure 112015110803340-pct00007
이러한 파형의 RMS(root mean squared) 컴포넌트는 다음에 의해 주어진다.
Figure 112015110803340-pct00008
수학식 4는, 더 낮은 출력 전류들에서 수용가능하지 않은 손실들을 발생시키는 출력 전류 I0에 독립적인 인덕터 전류의 일정한 RMS 컴포넌트가 존재함을 도시한다.
따라서, 로드 전류에 반비례하는 스위칭 주파수 또는 일정한 주파수, 및 최대 출력 전류의 적어도 두 배의 인덕터 리플 전류의 전제조건(prerequisite)들은, 전반적인 성능의 중대한 제한일 수 있다.
그러므로, 위에 언급된 문제점들을 극복하기 위한 솔루션이 요구된다. 구체적으로는, 일정한 스위칭 주파수로 동작하는 경우 현재 솔루션들과 비교하여 더 낮은 손실들을 갖는 솔루션이 요구된다.
이러한 솔루션은 독립항들에 따른 벅-변환기를 이용하여 달성된다. 종속항들은 본 발명의 추가적인 양상들에 관한 것이다.
본 발명은, 스위칭가능한 벅-변환기의 일정한 스위칭 주파수 동작을 허용하도록 설계된 (로드 전류의 함수로서) 인덕턴스를 갖는 비-선형 인덕터를 포함하는, 영 전압 스위칭 능력을 갖는 스위칭가능한 벅-변환기에 관한 것이다.
근본적으로, 로드 전류 변화에 대해 일정한 스위칭 주파수 fsw를 유지하기 위해, 인덕턴스 L0는 로드 전류의 함수여야 한다. 로드 전류에 대한 이러한 변하는 인덕턴스는 비-선형 인덕터에 의해 달성된다.
인덕터가 로드 전류의 함수로서 자신의 인덕턴스를 변경하는 경우, RMS 출력 전류는 다음과 같다.
Figure 112015110803340-pct00009
수학식 5로부터, 인덕터 전류의 RMS 값은 로드 전류 I0에 비례함이 명백하며, 따라서, 손실들은 로드 전력에 비례한다. 그러므로, I0에 독립적인 어떠한 손실들도 발생하지 않는다.
일정한 스위칭 동작을 허용하도록 설계된 비-선형 인덕턴스는, 동기식 정류기들로 사용되는 경우, 순방향(forward) 변환기들, 푸시 풀(push pull) 변환기들, 풀 앤 하프 브릿지(full and half bridge) 변환기들과 같은 벅 변환기의 모든 멤버(member)들 또는 파생물(derivative)들에 제공될 수도 있다.
스위칭가능한 벅 변환기는 하이-사이드 스위치 및 로우-사이드 스위치를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 제어 신호에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 출력 스테이지를 포함할 수도 있으며, 스위치들 각각은, 개별적 제 1 및 제 2 메인 단자들, 및 제어 신호에 따라 구성되는 개별적 드라이버에 의해 드라이빙되는 개별적 제어 단자를 갖는다. 제 1 로우-사이드 메인 단자는 접지에 접속될 수도 있다. 제 2 로우-사이드 메인 단자 및 제 1 하이-사이드 메인 단자는 스위치 노드에 접속될 수도 있다. 제 2 하이-사이드 메인 단자는 입력 전압 단자에 접속될 수도 있다. 출력 스테이지는 스위치 노드에 접속되는 비-선형 인덕터를 포함한다. 출력 커패시터는 접지에 접속될 수도 있다. 벅-변환기는, 하이-사이드 스위치가 스위치 온되고 로우-사이드 스위치가 스위치 오프되는 것으로 충전 페이즈에서 동작가능하다. 벅-변환기는 추가로, 하이-사이드 스위치가 스위치 오프되고 로우-사이드 스위치가 스위치 온되는 것으로 방전 페이즈에서 동작가능하다. 드라이버들은, 방전 페이즈로부터 충전 페이즈로 스위칭하는 경우, 하이-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 거의 0이도록 스위치 노드에 흐르는 인덕터 전류를 허용함으로써, 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성된다. 하이-사이드 스위치 및 로우-사이드 스위치는 MOSFET들로 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 양상은 스위칭가능한 벅 변환기의 영 전압 스위칭 속성에 관한 것이며, 이는 종래의 벅 변환기들에서 발견되는 스위칭 손실들을 제거한다. 이를 달성하기 위해, 인덕터 전류가 0을 거쳐 스위치 노드 전위, 즉, 스위치 노드 커패시턴스를 하이-사이드 스위치를 스위칭 온하기에 앞서 다시 입력 전압으로 드라이빙하기에 충분한 크기의 네거티브 값에 도달하게 하도록 하는 것이 필요하다. 네거티브 인덕터 전류는 스위치 노드에 흐르는 인덕터 전류이다. 따라서, 인덕터 전류는 네거티브가 되는 경우 자신의 방향을 반전시킨다. 그러므로, 로우-사이드 드라이버는, 스위치 노드의 전위가 입력 전압과 동일할 때까지 로우-사이드 스위치 온을 유지함으로써 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성된다.
이것은, 인덕터 전류 반전 기간 동안 인덕터 전류를 측정하고, 래칭(latch)된 스위치 드라이브 신호에 의해 로우-사이드 스위치의 스위치-시간을 제어함으로써 달성될 수도 있다. 드라이브 신호는, 입력 전압 민감성(sensitive) 임계치가 풀(full) 입력 전압 범위에 대해 영 전압 스케일링 동작을 보장하기 위해 요구되는 임계 레벨로 도달될 때까지, 래칭되어 유지된다.
첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다.
도 1은 최신 SBCM 벅 변환기를 도시한다.
도 2는 벅 변환기 대한 스위칭 주파수 대 출력 전류를 나타내는 도면을 도시한다.
도 3은 비-선형 인덕터를 갖는 SBCM 벅 변환기를 도시한다.
도 4는 인덕터 전류, 스위치 노드 전압, 및 하이-사이드 스위치 전압을 나타내는 도면을 도시한다.
도 5는, 일정한 스위칭 주파수를 유지하기 위한 이상적 인덕턴스 대 로드 전류 관계를 나타내는 도면을 도시한다.
도 6은, 선형 영역, 포화 제어 영역, 및 포화 영역을 포함하는 자기 물질의 자화 커브를 도시한다.
도 7은, 비-선형 인덕터 설계 및 이상적 인덕턴스의 계산된 인덕턴스 가변도(variance) 커브를 나타내는 도면을 도시한다.
도 8은, 선형 및 비-선형 인덕터에 대해 로드 전류에 대한 스위칭 주파수의 종속성 사이의 비교를 나타내는 도면을 도시한다.
도 3은 비-선형 인덕터(25) 및 커패시터(26)를 갖는 출력 스테이지를 포함하는 SBCM 벅 변환기를 도시한다. 출력 스테이지는 제어 신호 및 입력 전압에 따라 출력 전압을 생성한다. 스위칭가능한 벅 변환기는, 각각이 제 1 및 제 2 메인 단자들 및 제어 신호에 따라 구성되는 개별적 드라이버(27, 28)에 의해 드라이빙되는 개별적 제어 단자를 갖는 하이-사이드 스위치(21) 및 로우-사이드 스위치(22)를 포함한다. 제어 신호는 펄스 폭 변조 신호이다. 하이-사이드 스위치(21)의 드라이브 신호는 PWM 신호에 대응하고, 로우-사이드 스위치(22)의 드라이브 신호는 PWM 신호의 보수(complement)에 대응한다. 제 1 로우-사이드 메인 단자는 접지에 접속된다. 제 2 로우-사이드 메인 단자 및 제 1 하이-사이드 메인 단자는 스위치 노드(23)에 접속된다. 제 2 하이-사이드 메인 단자는 입력 전압 단자에 접속된다. 출력 스테이지는 스위치 노드(23)에 접속되는 비-선형 인덕터(25)를 포함한다. 출력 커패시터(26)는 접지에 접속된다. 스위칭가능한 벅-변환기는, 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 온되고 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 오프되는 것으로 충전 페이즈에서 동작가능하다. 스위칭가능한 벅-변환기는 추가로, 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 오프되고 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 온되는 것으로 방전 페이즈에서 동작가능하다.
로우-사이드 스위치(22)를 드라이빙하기 위한 로우-사이드 스위치 드라이버(28)는, 로우-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 임계치를 초과할 때까지 로우-사이드 스위치(22)를 스위치 온되게 유지함으로써 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성된다. 로우-사이드 드라이버(28)는, 로우-사이드 스위치(22)에 걸친 전압 강하를 감지하기 위한 수단, 임계치 VT에 대하여 로우-사이드 스위치(22)에 걸친 전압 강하를 비교하기 위한 비교기(29), 및 인덕터 전류가 스위치 노드(23)로 흐르는 경우, 로우-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 임계치 VT를 초과할 때까지 로우-사이드 드라이버(210)의 드라이브 신호를 래칭하기 위한 래치(210)를 포함한다. 로우-사이드 스위치(22)의 드라이브 신호는, 방전 페이즈로부터 충전 페이즈로의 스위칭에 앞서 래칭되는 PWM 신호의 보수이다. 하이-사이드 스위치(21)의 드라이브 신호는, PWM 신호에 대응하고, 하이-사이드 드라이버(27)에 의해 생성된다. 스위치 드라이브들(27, 28)에 의해 구현되는 영 전압 스위칭은, 전력 변환기를 방전 페이즈로부터 충전 페이즈로 스위칭하는 경우, 하이-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 0에 근접하는 것을 초래한다.
도 4(하단)는 인덕터 전류를 도시한다. 로우-사이드 스위치 스위치-오프 레벨은 0.94A로 셋팅되어 있다. 도4(상단)는 스위치 노드 전압(실선) 및 하이-사이드 스위치 전압(점선)을 도시한다. 영 전압 스위칭 동작이 명확하게 관측될 수 있다. 스위치 노드는 하이-사이드 스위치가 스위치 온되기에 앞서 입력 전압에 도달한다.
스위칭 주파수를 안정화시키기 위해 비-선형 인덕터(25)가 제공된다. 이러한 디바이스에서, 전류가 증가하는 경우 인덕턴스는 감소한다.
도 5는 일정한 스위칭 주파수를 유지하기 위한 이상적 인덕턴스 대 로드 전류 관계를 도시한다. 이러한 인덕턴스 가변도를 달성하기 위해, 비-선형 인덕터는 자기 코어 물질의 자기 포화 속성들을 이용한다.
도 6은 연자성(soft magnetic) 물질들에서 발견되는 3개의 영역들을 도시한다. 선형 영역에서, 연자성 물질들은, 일정한 인덕턴스가 주어지면, 물질의 실효 투자율(effective permeability)(ue)을 통하여 플럭스 밀도(flux density)(B)와 자기장 강도(H) 사이의 선형 관계를 나타낸다. 그러나, 일단 플럭스 밀도가 물질의 포화에 접근하면, 밀도 레벨은 급격하게 감소되기 시작하며, 인덕턴스에서의 감소를 야기한다.
이러한 포화 속성은 비-선형 인덕터에서 활용된다. 이들은, 코어 내의 제어 포화 영역들 또는 소프트 포화 물질 조성들 중 어느 하나로 설계되고, 요구되는 이상적 비-선형 인덕턴스에 양호하게 부합하도록 설계된다. 도 7은, 비-선형 인덕터 설계 및 이상적 인덕턴스의 계산된 인덕턴스 가변도를 도시한다.
그러므로, 비-선형 인덕터는, 자기 물질의 코어를 포함할 수도 있고, 자기 물질의 제어 포화 영역에서 동작하도록 구성된다. 또한, 비-선형 인덕터는, 인덕터 전류의 함수의 자신의 인덕턴스가 미리-계산된 인덕턴스에 대응하도록 구성될 수도 있다. 미리-계산된 인덕턴스는, 인덕터 전류가 벅 변환기의 일정한 주파수 동작을 허용하는 것을 초래한다.
도 8은, 선형 및 비-선형 인덕터에 대해 로드 전류에 대한 스위칭 주파수의 종속성 사이의 비교를 도시한다. 설계된 비-이상적 컨덕턴스가 벅-변환기의 일정환 스위칭 주파수 동작을 가능하게 하는 이상적 인덕턴스에 근접하게 부합한다는 것이 관측될 수 있다.
선형 인덕턴스와 비교하여, 영 전압 스위칭을 이용하는 벅 변환기에서 비-선형 인덕턴스를 이용하는 경우, 상당한 전력 절감이 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 영 전압 스위칭 능력을 갖는 스위칭가능한 벅-변환기(buck-converter)로서,
    상기 스위칭가능한 벅-변환기의 일정한 스위칭 주파수 동작을 허용하기 위해, 로드 전류의 함수로서 인덕턴스를 갖는 비-선형 인덕터(25); 및
    하이-사이드(high-side) 스위치(21) 및 로우-사이드(low-side) 스위치(22)를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 제어 신호에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 출력 스테이지를 포함하며,
    각각의 스위치는, 개별적 제 1 및 제 2 메인 단자들, 및 상기 제어 신호에 따라 구성되는 상기 스위칭가능한 벅 변환기의 개별적 드라이버(27, 28)에 의해 드라이빙(drive)되는 개별적 제어 단자를 갖고;
    제 1 로우-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 접지에 접속되고;
    제 2 로우-사이드 메인 단자 및 제 1 하이-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 스위치 노드(23)에 접속되고;
    제 2 하이-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 입력 전압 단자에 접속되고;
    상기 출력 스테이지는, 상기 스위치 노드에 접속되는 비-선형 인덕터(25) 및 상기 출력 스테이지의 접지에 접속되는 출력 커패시터(26)를 포함하고;
    상기 벅-변환기는, 상기 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 온(switch on)되고 상기 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 오프(switch off)되는 것으로 충전 페이즈에서 동작가능하고;
    상기 벅-변환기는 추가로, 상기 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 오프되고 상기 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 온되는 것으로 방전 페이즈에서 동작가능하고;
    상기 드라이버들(27, 28)은, 상기 방전 페이즈로부터 상기 충전 페이즈로 스위칭하는 경우, 상기 하이-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 0이도록 상기 스위치 노드(23)에 흐르는 인덕터 전류를 허용함으로써, 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성되고,
    로우-사이드 드라이버(28)는, 상기 스위치 노드(23)에 흐르는 상기 인덕터 전류가, 상기 하이-사이드 스위치(21)를 스위칭 온하기에 앞서 상기 스위치 노드(23)의 전위를 다시 상기 입력 전압으로 드라이빙하는 크기의 값에 도달하게 하도록 상기 로우-사이드 스위치(22)를 스위치 온되게 유지함으로써 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성되는,
    스위칭가능한 벅-변환기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 영 전압 스위칭 능력을 갖는 스위칭가능한 벅-변환기(buck-converter)로서,
    상기 스위칭가능한 벅-변환기의 일정한 스위칭 주파수 동작을 허용하기 위해, 로드 전류의 함수로서 인덕턴스를 갖는 비-선형 인덕터(25); 및
    하이-사이드(high-side) 스위치(21) 및 로우-사이드(low-side) 스위치(22)를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 제어 신호에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 출력 스테이지를 포함하며,
    각각의 스위치는, 개별적 제 1 및 제 2 메인 단자들, 및 상기 제어 신호에 따라 구성되는 상기 스위칭가능한 벅 변환기의 개별적 드라이버(27, 28)에 의해 드라이빙(drive)되는 개별적 제어 단자를 갖고;
    제 1 로우-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 접지에 접속되고;
    제 2 로우-사이드 메인 단자 및 제 1 하이-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 스위치 노드(23)에 접속되고;
    제 2 하이-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 입력 전압 단자에 접속되고;
    상기 출력 스테이지는, 상기 스위치 노드에 접속되는 비-선형 인덕터(25) 및 상기 출력 스테이지의 접지에 접속되는 출력 커패시터(26)를 포함하고;
    상기 벅-변환기는, 상기 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 온(switch on)되고 상기 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 오프(switch off)되는 것으로 충전 페이즈에서 동작가능하고;
    상기 벅-변환기는 추가로, 상기 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 오프되고 상기 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 온되는 것으로 방전 페이즈에서 동작가능하고;
    상기 드라이버들(27, 28)은, 상기 방전 페이즈로부터 상기 충전 페이즈로 스위칭하는 경우, 상기 하이-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 0이도록 상기 스위치 노드(23)에 흐르는 인덕터 전류를 허용함으로써, 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성되고,
    로우-사이드 드라이버(28)는, 상기 스위치 노드(23)에 흐르는 인덕터 전류가 미리-결정된 값을 초과할 때까지 상기 로우-사이드 스위치(22)를 스위치 온되게 유지함으로써 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성되는,
    스위칭가능한 벅-변환기.
  5. 영 전압 스위칭 능력을 갖는 스위칭가능한 벅-변환기(buck-converter)로서,
    상기 스위칭가능한 벅-변환기의 일정한 스위칭 주파수 동작을 허용하기 위해, 로드 전류의 함수로서 인덕턴스를 갖는 비-선형 인덕터(25); 및
    하이-사이드(high-side) 스위치(21) 및 로우-사이드(low-side) 스위치(22)를 포함하는 스위칭 엘리먼트에 의한 입력 전압 및 제어 신호에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 출력 스테이지를 포함하며,
    각각의 스위치는, 개별적 제 1 및 제 2 메인 단자들, 및 상기 제어 신호에 따라 구성되는 상기 스위칭가능한 벅 변환기의 개별적 드라이버(27, 28)에 의해 드라이빙(drive)되는 개별적 제어 단자를 갖고;
    제 1 로우-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 접지에 접속되고;
    제 2 로우-사이드 메인 단자 및 제 1 하이-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 스위치 노드(23)에 접속되고;
    제 2 하이-사이드 메인 단자는 상기 출력 스테이지의 입력 전압 단자에 접속되고;
    상기 출력 스테이지는, 상기 스위치 노드에 접속되는 비-선형 인덕터(25) 및 상기 출력 스테이지의 접지에 접속되는 출력 커패시터(26)를 포함하고;
    상기 벅-변환기는, 상기 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 온(switch on)되고 상기 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 오프(switch off)되는 것으로 충전 페이즈에서 동작가능하고;
    상기 벅-변환기는 추가로, 상기 하이-사이드 스위치(21)가 스위치 오프되고 상기 로우-사이드 스위치(22)가 스위치 온되는 것으로 방전 페이즈에서 동작가능하고;
    상기 드라이버들(27, 28)은, 상기 방전 페이즈로부터 상기 충전 페이즈로 스위칭하는 경우, 상기 하이-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 0이도록 상기 스위치 노드(23)에 흐르는 인덕터 전류를 허용함으로써, 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성되고,
    로우-사이드 드라이버(28)는, 상기 로우-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 임계치를 초과할 때까지 상기 로우-사이드 스위치(22)를 스위치 온되게 유지함으로써 영 전압 스위칭을 구현하도록 구성되는,
    스위칭가능한 벅-변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 로우-사이드 드라이버(28)는,
    상기 로우-사이드 스위치에 걸친 전압 강하를 감지하기 위한 수단;
    상기 임계치에 대하여 상기 로우-사이드 스위치에 걸친 전압 강하를 비교하기 위한 비교기(29); 및
    상기 로우-사이드 스위치에 걸친 전압 강하가 상기 임계치를 초과할 때까지 상기 로우-사이드 드라이버(28)의 드라이브 신호를 래칭(latch)하기 위한 래치(210)를 포함하는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 임계치는, 풀(full) 입력 전압 범위에 대해 영 전압 스위칭을 허용하는 값을 갖는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  8. 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비-선형 인덕터(25)는, 인덕터 전류가 증가하는 경우 인덕턴스가 감소하도록, 상기 인덕터 전류의 함수의 상기 인덕턴스를 갖는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 비-선형 인덕터(25)는 자기 물질을 포함하는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 물질은, 플럭스 밀도(flux density)와 자기장 강도 사이의 포화 관계를 나타내는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 비-선형 인덕터(25)는, 자기 물질의 코어를 포함하고, 상기 자기 물질의 제어 포화 영역에서 동작하도록 구성되는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 비-선형 인덕터(25)는, 소프트(soft) 포화 자기 물질 조성들을 포함하는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 비-선형 인덕터(25)는, 상기 인덕터 전류의 함수의 상기 비-선형 인덕터(25)의 인덕턴스가 미리-계산된 인덕턴스에 대응하도록 구성되는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 미리-계산된 인덕턴스는, 상기 벅 변환기의 일정한 주파수 동작을 허용하게 하는 인덕터 전류를 초래하는, 스위칭가능한 벅-변환기.
  15. 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 펄스 폭 변조 신호이고,
    상기 하이-사이드 스위치의 드라이브 신호는 PWM 신호에 대응하고, 상기 로우-사이드 스위치의 드라이브 신호는 상기 PWM 신호의 보수(complement)에 대응하는, 스위칭가능한 벅-변환기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11036269B2 (en) 2014-09-02 2021-06-15 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Power module and manufacturing method thereof
CN105449987B (zh) 2014-09-02 2019-06-25 台达电子工业股份有限公司 电源装置
US10447166B2 (en) 2015-08-31 2019-10-15 Delta Electronics, Inc. Power module
CN106329930B (zh) * 2015-07-06 2019-02-12 台达电子工业股份有限公司 功率变换器
CN106033929B (zh) * 2015-03-16 2018-11-02 台达电子工业股份有限公司 一种功率转换器及其控制方法
US10224813B2 (en) * 2016-03-24 2019-03-05 Nvidia Corporation Variable frequency soft-switching control of a buck converter
WO2017174138A1 (en) * 2016-04-07 2017-10-12 Huawei Technologies Co., Ltd. A power converter, a controller and a system
DE102016226001A1 (de) * 2016-12-22 2018-06-28 Osram Gmbh Steuerschaltung mit einem zweipunktregler zur regelung eines getakteten wandlers
CN108270211B (zh) * 2016-12-30 2021-06-15 致茂电子(苏州)有限公司 具有并联保护的双向电源供应装置及其方法
TWI610525B (zh) * 2016-12-30 2018-01-01 致茂電子股份有限公司 具有並聯保護的雙向電源供應裝置及其方法
CN115917952A (zh) * 2020-06-29 2023-04-04 都得有限公司 电源装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090231081A1 (en) 2008-03-14 2009-09-17 Alexandr Ikriannikov Voltage Converter Inductor Having A Nonlinear Inductance Value

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4727308A (en) * 1986-08-28 1988-02-23 International Business Machines Corporation FET power converter with reduced switching loss
KR20090034525A (ko) * 2007-10-04 2009-04-08 현대자동차주식회사 Ｄｃ-ｄｃ 컨버터 및 그 전류모드 제어 방법
US8008902B2 (en) * 2008-06-25 2011-08-30 Cirrus Logic, Inc. Hysteretic buck converter having dynamic thresholds

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090231081A1 (en) 2008-03-14 2009-09-17 Alexandr Ikriannikov Voltage Converter Inductor Having A Nonlinear Inductance Value

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IVO BARBI et al. "A NEW FAMILY OF PULSE-WIDTH MODULATED ZERO-VOLTAGE SWITCHING DC-TO-DC CONVERTERS: TOPOLOGIES, ANALYSIS AND EXPERIMENTATION" . IEEE. 1990.*
S. Mariethoz et al. "Model Predictive Control of Buck DC-DC Converter with Nonlinear Inductor". IEEE. 2008.

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