KR101997844B1 - Step-wise split capacitor charging with high energy efficiency - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위치드 커패시터 어레이를 포함하는 컨버터를 충전하는 방법 및 장치에 관한 발명이다. 특히, 구동 기간은 짧고, 슬립 기간은 긴 타입의 부하를 구동하는데 사용되는 컨버터의 경우, 본 발명은 커패시터 어레이에 포함되는 커패시터를 복수의 분할 커패시터로 분할하고, 분할 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 단계적으로 제어하고, 분할 커패시터에 대하여 단계적으로 충전함으로써, 충전효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method and apparatus for charging a converter including a switched capacitor array. Particularly, in the case of a converter in which a driving period is short and a sleep period is used to drive a long type of load, the present invention is characterized in that the capacitor included in the capacitor array is divided into a plurality of divided capacitors, and a series connection and a parallel connection The charge efficiency can be remarkably improved by stepwise controlling and charging stepwise with respect to the divided capacitor.
Description
본 발명은 스위치드 커패시터를 포함하는 전압 변환기 또는 전압 스케일러에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 부하를 구동하는 전압 변환기의 커패시터를 높은 에너지 효율로 충전하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage converter or voltage scaler including a switched capacitor, and more particularly to a method and apparatus for charging a capacitor of a voltage converter that drives a load with high energy efficiency.
종래에는 높은 에너지 효율이 요구되는 경우에 인덕터 기반의 DC-DC전압 변환기 또는 전압 스케일러가 많이 사용되었으며, 소형이 요구되는 경우에는 LDO (Low Drop Out Voltage) 전압 변환기가 많이 사용되었다. 그러나, 인덕터 기반의 DC-DC 전압 변환기는 인덕터를 하나의 칩에 집적하기 어렵다는 문제점이 있으며, 칩 외부 소자로서 인덕터의 사이즈가 크기때문에 소형 디바이스에의 적용하기 곤란하다는 문제점도 있다. 한편, LDO 전압 변환기는 크기는 작지만, 에너지 효율이 낮은 단점때문에 저전력 응용회로에는 적용하기 어렵다.Conventionally, inductor-based DC-DC voltage converters or voltage scalers have been widely used when high energy efficiency is required, and LDO (Low Drop Out Voltage) voltage converters have been widely used when small size is required. However, the inductor-based DC-DC voltage converter has a problem that it is difficult to integrate the inductor into a single chip, and it is difficult to apply the inductor to a small device because the size of the inductor is large as a chip external device. On the other hand, LDO voltage converters are small in size but difficult to apply to low power applications due to their low energy efficiency.
근래에는 스위치드 커패시터 전압 변환기 (컨버터) 가 상대적으로 작은 크기, 반도체 칩으로의 집적가능성, 다양한 출력전압 레벨 등의 장점으로 인하여 시스템 온 칩 (SoC) 컨버터에 많이 사용되는 추세이다.In recent years, switched capacitor voltage converters (converters) have been widely used in system-on-chip (SoC) converters due to their relatively small size, integration into semiconductor chips, and various output voltage levels.
스위치드 커패시터 컨버터는 스위칭 소자와 커패시터가 결합된 스위치드 커패시터를 구성요소로 하는 컨버터로서, 커패시터의 일단 및 타단에 접속된 스위치를 제어하여 커패시터를 충전 또는 방전함으로써 컨버터의 출력단에서 원하는 출력 전압을 원하는 시점에 출력할 수 있게 한다.The switched capacitor converter is a converter with a switched capacitor that is a combination of a switching element and a capacitor. The switched capacitor converter controls a switch connected to one end and the other end of the capacitor to charge or discharge the capacitor, Output.
한편, 스위치드 커패시터 컨버터들은 일정한 DC 출력전압을 얻기 위하여 에너지 저장소자인 커패시터가 일정전압 이하로 방전되면 커패시터를 전원에 연결하여 다시 충전하며, 커패시터에 충전된 에너지는 컨버터의 출력단에 접속된 부하에서 소모되거나 컨버터 내부의 누설전류로서 낭비된다. In order to obtain a constant DC output voltage, the switched capacitor converters connect the capacitors to the power source and recharge them when the capacitors of the energy reservoirs are discharged to a certain voltage or less. The energy charged in the capacitors is consumed in the load connected to the output terminal of the converter It is wasted as leakage current inside the converter.
특히, 컨버터의 출력단에 접속된 부하가 듀티비가 낮은 부하 즉 긴 슬립 모드에 비하여 짧은 액티브 모드를 갖는 타입의 부하라면 커패시터에 충전된 에너지는 액티브 모드에서 소모되는 전력에 비하여 모드 전환 과정 및 충전 과정에서 낭비되는 전력 비율이 상대적으로 증가하여 비효율적이라는 문제가 있다. 종래의 스위치드 커패시터 컨버터들은 액티브 모드 시간이 긴 (듀티비가 높은) 타입의 부하를 구동하는 것을 목표로 설계되어 있으므로, 낮은 듀티비의 부하를 구동하기에는 에너지 효율면에서 바람직하지 않다.In particular, if the load connected to the output of the converter is a load with a low duty ratio, that is, a type of load having a short active mode as compared to a long sleep mode, the energy charged in the capacitor is higher than the power consumed in the active mode, There is a problem that the power ratio to be wasted is relatively increased, which is inefficient. Conventional switched-capacitor converters are designed to drive a type of load with a long active-mode time (high duty ratio), so it is not desirable in terms of energy efficiency to drive a load with a low duty ratio.
이러한 에너지 비효율의 문제를 해결하기 위하여, 컨버터의 커패시터를 단계적으로 충전하는 방법이 제안되었으나, 이를 위해서는 추가적인 커패시터 뱅크가 요구되거나 인덕커 기반의 컨버터를 사용하는 것이 요구되어 또 다른 문제를 야기한다. To overcome this energy inefficiency problem, a step-by-step method of charging the capacitor of the converter has been proposed, but this requires another capacitor bank or the use of an inductor-based converter, which poses another problem.
다른 한편으로, 추가적인 커패시터 뱅크나 인덕터 기반의 컨버터를 사용하지 않는 대신에 비대칭적 커패시터 뱅크를 사용하는 방법이 제안되기도 하였으나, 비대칭적 커패시터 뱅크를 사용할 경우에는 커패시터에 저장된 전압이 쉽게 누설되어 결과적으로 에너지 효율을 저하시킨다는 문제를 야기한다.On the other hand, a method of using an asymmetrical capacitor bank instead of an additional capacitor bank or an inductor-based converter has been proposed. However, when an asymmetrical capacitor bank is used, the voltage stored in the capacitor easily leaks, Thereby causing a problem of lowering the efficiency.
본 발명은 듀티비가 낮은 부하를 구동하기 위한 스위치드 커패시터 컨버터를 높은 효율로 충전하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for charging a switched capacitor converter for driving a load with a low duty ratio at a high efficiency.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 분할 커패시터 충전장치는 복수의 스위치와 충전용 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 어레이와 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하며, 충전용 커패시터는 N개 (N은 1보다 큰 정수) 의 분할 커패시터로 구성되어 있으며, 분할 커패시터 각각의 커패시턴스는 충전용 커패시터의 커패시턴스의 1/N로 동일하며, 제어부는 충전모드에서 복수의 스위치를 단계적으로 제어하여 분할 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 단계적으로 변경함으로써, 충전용 커패시터를 단계적으로 충전하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a divided capacitor charging apparatus including a switched capacitor array including a plurality of switches and a charging capacitor, and a controller for controlling the plurality of switches, (N is an integer larger than 1) divided capacitors, and the capacitance of each of the divided capacitors is equal to 1 / N of the capacitance of the charging capacitor, and the control unit steps the plurality of switches in the charging mode The charging capacitor is charged step by step by changing the series connection and the parallel connection between the divided capacitors step by step.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분할 커패시터 충전장치는 제어부가 충전모드 제1단계에서 분할 커패시터의 개수인 N의 인수를 크기순으로 나열하고 인수들 중 최상위 인수인 N개의 분할 커패시터를 직렬접속시킴으로써 N개의 분할 커패시터가 모두 하나의 직렬접속브랜치에 포함되도록 복수의 스위치를 제어하여 충전용 커패시터를 제1단계 충전하며, 제어부는 충전모드의 제2단계에서 N의 인수들 중 차상위 인수만큼의 분할 커패시터들로 이루어진 복수의 직렬접속브랜치를 형성하고 복수의 직렬접속브랜치들이 서로 병렬접속되도록 복수의 스위치를 제어하여 충전용 커패시터를 제2단계 충전하며, 제어부는 각 직렬접속브랜치에 1개의 분할 커패시터만 포함될 때까지 순차적으로 낮은 순위의 인수만큼의 분할 커패시터들로 이루어진 복수의 직렬접속브랜치를 형성하고 복수의 직렬접속브랜치들이 서로 병렬접속되도록 복수의 스위치를 제어하여 충전용 커패시터를 충전하는 것을 반복하는 것을 특징으로 한다.The divided capacitor charging apparatus according to another embodiment of the present invention is characterized in that the controller arranges the N number of divided capacitors in order of magnitude in the charging mode first stage and serially connects the N divided capacitors, The control unit controls the plurality of switches so that all of the divided capacitors are included in one serial connection branch to charge the charge capacitor in the first stage, And the charging capacitor is charged in the second stage by controlling the plurality of switches so that the plurality of series connecting branches are connected in parallel to each other. When the control unit includes only one divided capacitor in each series connecting branch And a plurality of series-connected capacitors Forming a plurality of series-connected to the branch and branches to control a plurality of switches connected in parallel to each other, characterized by repeating to charge the charging capacitor.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분할 커패시터 충전장치에서는 분할 커패시터의 개수인 N은 2, 4, 6, 8, 12, 24 중 어느 한 값인 것을 특징으로 한다.In the divided capacitor charging apparatus according to another embodiment of the present invention, the number N of divided capacitors is any one of 2, 4, 6, 8, 12, and 24.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분할 커패시터 충전장치는 충전용 커패시터의 각 단계별 출력 전압과 목표전압의 차이를 임계전압과 비교하는 비교기를 추가로 포함하며, 제어기는 차이가 임계전압보다 작다면 현재 단계에서의 충전을 종료하고 충전모드의 다음 단계로 진행하도록 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.The divided capacitor charging apparatus according to another embodiment of the present invention may further include a comparator for comparing the difference between the output voltage and the target voltage of each step of the charging capacitor with a threshold voltage and if the difference is smaller than the threshold voltage, And controls the plurality of switches so as to proceed to the next step of the charging mode.
본 발명에서 제안한 다양한 실시예에 따라 본발명은 충전 커패시터를 복수의 분할 커패시터로 구성하고 복수의 분할 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 단계적으로 변경하고, 복수의 분할 커패시터를 단계적으로 충전함으로써 충전과정에서 소비되는 전력을 저감시켜 높은 효율로 분할 커패시터를 충전하는 장치 및 방법을 제공한다.According to various embodiments of the present invention, the present invention is characterized in that the charging capacitor is constituted by a plurality of divided capacitors, the serial connection and the parallel connection between the plurality of divided capacitors are changed stepwise, and the plurality of divided capacitors are charged stepwise, An apparatus and method for charging divided capacitors with high efficiency by reducing power consumption are provided.
도 1은 1 개의 커패시터로 구성된 컨버터에 부하가 접속된 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터에 전원 및 부하가 접속된 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제1단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제2단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터에 전원 및 부하가 접속된 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제1단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제2단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제3단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 8개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터에 전원 및 부하가 접속된 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 8개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제1단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 8개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제2단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 8개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제3단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 8개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제4단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 6개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터에 전원 및 부하가 접속된 회로도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 6개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제1단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 6개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제2단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 6개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제3단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 6개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터를 충전모드 제4단계에서 충전할 때의 회로도이다.
도 19는 2개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터 (변환비 1/2)를 충전모드와 구동모드에서 도시한 회로도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 4개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터 (변환비 1/2)를 충전모드와 구동모드에서 도시한 회로도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터 (변환비 2)를 충전모드와 구동모드에서 도시한 회로도이다.1 is a circuit diagram in which a load is connected to a converter constituted by one capacitor.
2 is a circuit diagram in which a power supply and a load are connected to a converter composed of two divided capacitors according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram when charging the converter composed of two split capacitors in the first charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a circuit diagram when charging a converter composed of two split capacitors in the second charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
5 is a circuit diagram in which a power supply and a load are connected to a converter composed of four split capacitors according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram when charging a converter composed of four split capacitors in the first charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram when charging a converter composed of four split capacitors in the second charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 8 is a circuit diagram when charging a converter composed of four split capacitors in the third charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
9 is a circuit diagram in which a power supply and a load are connected to a converter composed of eight divided capacitors according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a circuit diagram when charging a converter composed of eight divided capacitors in the first charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
11 is a circuit diagram when charging the converter composed of eight divided capacitors in the second charging mode in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram when charging a converter composed of eight divided capacitors in the third charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 13 is a circuit diagram when charging a converter composed of eight divided capacitors in the fourth charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
14 is a circuit diagram in which a power supply and a load are connected to a converter constituted by six divided capacitors according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a circuit diagram when charging the converter composed of six divided capacitors in the first charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 16 is a circuit diagram when charging a converter composed of six split capacitors in the second charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 17 is a circuit diagram when charging a converter composed of six split capacitors in the third charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 18 is a circuit diagram when charging the converter composed of six split capacitors in the fourth charging mode in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
19 is a circuit diagram showing a converter (conversion ratio 1/2) composed of two split capacitors in a charge mode and a drive mode.
20 is a circuit diagram showing a converter (conversion ratio 1/2) composed of four split capacitors in a charge mode and a drive mode according to an embodiment of the present invention.
21 is a circuit diagram showing a converter (conversion ratio 2) composed of two split capacitors in a charge mode and a drive mode according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시예는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.Brief Description of the Drawings The advantages and features of the embodiments disclosed herein, and how to accomplish them, will be apparent with reference to the embodiments described below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. But only to provide a complete picture of the categories.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. The terms used in this specification will be briefly described, and the disclosed embodiments will be described in detail.
본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. Although the terminology used herein should be interpreted taking into account the functions of the disclosed embodiments, it is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Also, in certain cases, there may be a term arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the detailed description of the corresponding specification. Accordingly, the terms used in the present disclosure should be defined based on the meanings of the terms, not on the names of the terms, but on the entire contents of the specification.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The singular expressions herein include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements as well, without departing from the spirit or scope of the present invention. Also, as used herein, the term "part " refers to a hardware component such as software, FPGA or ASIC, and" part " However, "part" is not meant to be limited to software or hardware. "Part" may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to play back one or more processors. Thus, by way of example, and not limitation, "part (s) " refers to components such as software components, object oriented software components, class components and task components, and processes, Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. The functions provided in the components and "parts " may be combined into a smaller number of components and" parts " or further separated into additional components and "parts ".
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description will be omitted.
도 1은 1개의 커패시터로 구성된 컨버터에 부하가 접속되어 있는 회로도이다. 이하에서는 도 1을 참조하여 스위치드 커패시터로 구성된 컨버터의 충전모드에서 충전할 때 얼마만큼의 에너지가 손실되는지를 기술한다.1 is a circuit diagram in which a load is connected to a converter composed of one capacitor. Hereinafter, with reference to FIG. 1, how much energy is lost when charging in a charging mode of a converter constituted by a switched capacitor will be described.
2개의 스위치 (13, 14)와 1개의 커패시터 (15)로 구성된 컨버터 (10) 는 전원 Vs (11) 과 저항 (12)에 접속되어 있으며, 스위치 (14)를 사이에 두고 부하 (16) 에 접속되어 있다. 제어부 (100)는 컨버터 (10)에 접속되어 컨버터 (10) 내의 스위치들의 온오프 상태를 제어한다.The
충전모드에서는 제어부 (100)에 의하여 스위치 (14) 가 오프상태로 제어되며 스위치 (13)는 온상태로 제어된다. 이때, 커패시터 (15) 양단의 전압 Vc(t)는 수식1과 같이 계산되며 커패시터 (15) 에 흐르는 전류 ic(t)는 수식 2와 같다.In the charging mode, the
여기서, V0는 커패시터 (15)의 초기전압을 나타낸다.Here, V 0 represents the initial voltage of the capacitor 15.
한편, 저항 (12) 양단의 전압 VR(t)는 수식 (3)과 같다.On the other hand, the voltage V R (t) across the
따라서, 충전과정에서 저항 (12)에서 소모되는 전력 PR(t)은 수식 (4)와 같다.Therefore, the power P R (t) consumed in the
PR(t)를 시간에 따라 적분하면, 충전과정에서 저항 (12)에서 소모되는 에너지 ER를 수식 (5)와 같이 구할 수 있다.If P R (t) is integrated over time, the energy E R consumed in the
한편, 충전과정에서 커패시터 (15) 에 충전되는 에너지 EC는 수식 (6)과 같다.On the other hand, the energy E C charged in the capacitor 15 during the charging process is equal to Equation (6).
따라서, 충전과정에서 전원에 의하여 제공되는 총에너지에 대한 커패시터에 충전되는 에너지로 정의되는 충전효율은 수식 (7)과 같다.Therefore, the charge efficiency defined by the energy charged in the capacitor with respect to the total energy supplied by the power source in the charging process is expressed by Equation (7).
수식 (7)에 따르면, 컨버터의 충전효율은 V0/Vs, 즉 커패시터의 초기전압과 최종전압의 비에 의하여 결정된다.According to equation (7), the charging efficiency of the converter is determined by V 0 / V s , that is, the ratio of the initial voltage to the final voltage of the capacitor.
만약, 충전모드에서 커패시터 (15)의 초기전압이 제로라면 충전효율은 50%가 된다. 따라서, 충전효율을 높이기 위해서는 커패시터를 제로의 초기전압에서 최종전압까지 한번에 충전하는 대신에, 최종전압까지 단계적으로 충전시킬 필요가 있다.If the initial voltage of the capacitor 15 in the charging mode is zero, the charging efficiency becomes 50%. Therefore, in order to increase the charging efficiency, it is necessary to gradually charge the capacitor to the final voltage, instead of charging the capacitor from the initial voltage of zero to the final voltage at once.
도 2는 5개의 스위치 (13, 14, 25, 26, 27)와 2개의 분할 커패시터 (28, 29)로 구성된 컨버터 (20)가 전원 (11), 제어부 (200), 및 부하 (16)와 접속되어 있는 회로도이다. 이하에서는 도 2를 참조하여, 2개의 분할 커패시터를 포함하는 컨버터를 단계적으로 충전하는 방법을 기술한다.2 shows a configuration in which a
도 1에서는 커패시턴스가 C인 1 개의 커패시터 (14)와 2개의 스위치 (13, 15) 로 구성된 컨버터를 사용한 반면에, 도 2에서는 도 1에서 사용된 1개의 커패시터를 분할하여 커패시턴스가 C/2인 2 개의 분할 커패시터 (28, 29) 와 5개의 스위치 (13, 14, 25, 26, 27) 로 구성된 컨버터를 사용한다. 1 uses a converter composed of one
충전모드에서는 제어부 (200)에 의하여 스위치 (23)가 온상태로 제어되며 스위치 (24)는 오프상태로 제어된다. 충전모드는 다시 몇 단계로 나누어지는데, 충전모드의 제1단계에서는 제어부 (200)에 의하여 스위치 (25)는 오프상태로 제어되고, 스위치 (26) 은 온상태로 제어되며, 스위치 (27) 은 오프상태로 제어됨으로써, 2개의 분할 커패시터 (28, 29)가 직렬접속된 상태로 충전이 이루어진다. 도 3은 위에서 설명한 충전모드 제1단계에서 분할 커패시터들 간의 접속을 도시한 회로도이다.In the charge mode, the
도 2 및 도 3을 참조하면, 충전모드 제1단계에서는, 각 분할 커패시터 (28, 29) 는 초기전압 제로로부터 Vs/2 까지 충전된다. 이를 수식 (7)에 대입하여 보면, 충전모드 제1단계에서의 충전효율 η1은 50%가 된다.Referring to Figs. 2 and 3, in the first stage of the charging mode, each divided
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/2)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제2단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 2) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the voltage difference between the comparison capacitors is smaller than the threshold value,
충전모드 제2단계에서는 제어부 (200)에 의하여 스위치 (25) 는 온상태로 제어되고, 스위치 (26)은 오프상태로 제어되며, 스위치 (27)은 온상태로 제어된다. 따라서, 2 개의 분할 커패시터 (28, 29) 는 도 4에 도시된 바와 같이 병렬접속된 상태로 충전된다.In the second charging mode, the
도 2 및 도 4을 참조하면, 충전모드 제2단계에서는, 각 분할 커패시터 (28, 29) 는 초기전압 Vs/2로부터 Vs까지 충전된다. 이를 수식 (7)에 대입하여 보면, 충전모드 제2단계에서의 충전효율 η2은 75%가 된다. Referring to FIGS. 2 and 4, in the second charging mode, each divided
충전모드 제2단계는 충전모드 제1단계에 비하여 2배의 에너지가 제공되는 것을 감안하여 충전모드 전체에서의 가중평균으로 충전효율을 계산하면 수식 (8)과 같다.In the second stage of the charging mode, the charging efficiency is calculated as a weighted average over the entire charging mode in consideration of providing twice the energy as compared with the first stage of the charging mode.
이상 살펴본 바와 같이, 컨버터의 충전 커패시터로서 1개의 커패시터 (커패시턴스 C) 를 사용하는 대신에 2개의 분할 커패시터 (커패시턴스 2/C) 를 사용하고, 충전모드를 2개의 단계로 구분하고, 분할 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 단계별로 변경하여 단계적으로 충전함으로써, 충전효율을 50%로부터 66.38%로 향상시킬 수 있다.As described above, instead of using one capacitor (capacitance C) as the charging capacitor of the converter, two divided capacitors (capacitance 2 / C) are used, the charging mode is divided into two stages, The charging efficiency can be improved from 50% to 66.38% by charging stepwise by changing the connection and the parallel connection step by step.
도 5는 11개의 스위치 (13, 14, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69)와 4개의 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58)로 구성된 컨버터 (50)가 전원 (11), 제어부 (500), 및 부하 (16)와 접속되어 있는 회로도이다. 이하에서는 도 5를 참조하여, 4개의 분할 커패시터를 포함하는 컨버터를 단계적으로 충전하는 방법을 기술한다.5 shows a
도 5에서는 도 1에서 사용된 1개의 커패시터를 분할하여 커패시턴스가 C/4인 4 개의 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58) 와 11개의 스위치로 구성된 컨버터를 사용한다. In FIG. 5, one capacitor used in FIG. 1 is divided to use a converter composed of four divided
충전모드에서는 제어부 (500)에 의하여 스위치 (13)가 온상태로 제어되며 스위치 (14)는 오프상태로 제어된다. 충전모드는 다시 몇 단계로 나누어지는데, 충전모드의 제1단계에서는 제어부 (500)에 의하여 스위치 (61, 63, 64, 66, 67, 69)는 오프상태로 제어되고, 스위치 (62, 65, 68) 은 온상태로 제어됨으로써, 4개의 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58)가 1개의 직렬접속브랜치를 형성하고 직렬접속된 상태로 충전이 이루어진다. 즉, 분할 커패시터 개수인 4의 인수 (1, 2, 4) 중 최상위 값 (4) 만큼의 분할 커패시터가 1개의 직렬접속브랜치를 형성한다. 도 6은 위에서 설명한 충전모드 제1단계에서 분할 커패시터들 간의 직렬접속상태를 도시한 회로도이다.In the charge mode, the
도 5 및 도 6을 참조하면, 충전모드 제1단계에서는, 각 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58) 는 초기전압 제로로부터 Vs/4 까지 충전되며, 충전모드 제1단계에서의 충전효율 η1은 약 49.7%가 된다.5 and 6, in the first charging mode, each of the divided
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/4)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제2단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 4) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the voltage difference between the comparison capacitors is smaller than the threshold value,
충전모드 제2단계에서는 제어부 (500)에 의하여 스위치 (62, 64, 66, 68) 는 온상태로 제어되고, 스위치 (61, 63, 65, 67, 69)는 오프상태로 제어된다. 따라서, 충전모드 제2단계에서는 분할 커패시터의 개수인 4의 인수중 차상위 값인 2만큼의 분할 커패시터를 포함하는 2개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 2개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 7은 충전모드 제2단계에서 4개의 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58)들의 접속관계를 도시한 회로도이다.In the second charging mode, the
도 5 및 도 7을 참조하면, 충전모드 제2단계에서, 각 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58) 는 초기전압 Vs/4로부터 Vs/2까지 충전되며, 충전모드 제2단계에서의 충전효율 η2은 75%가 된다. 5 and 7, in the second stage of the charging mode, each of the divided
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/2)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제3단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 2) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown), and the voltage difference between the comparison capacitors is smaller than the threshold value,
충전모드 제3단계에서는 제어부 (500)에 의하여 스위치 (61, 63, 64, 66, 67, 69) 는 온상태로 제어되고, 스위치 (62, 65, 68)는 오프상태로 제어된다. 따라서, 충전모드 제3단계에서는, 분할 커패시터의 개수인 4의 인수중 최하위값인 1만큼의 분할 커패시터를 포함하는 4개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 4개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 8은 충전모드 제3단계에서 4개의 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58)들의 접속관계를 도시한 회로도이다.In the third charging mode, the
도 5 및 도 8을 참조하면, 충전모드 제3단계에서는, 각 분할 커패시터 (55, 56, 57, 58) 는 초기전압 Vs/2로부터 Vs까지 충전된다. 이를 수식 (7)에 대입하여 보면, 충전모드 제3단계에서의 충전효율 η3은 75%가 된다. Referring to FIGS. 5 and 8, in the third charging mode, each divided
충전모드 제1단계, 제2단계, 및 제3단계의 충전효율을 가중평균으로 계산하면, 충전효율 η은 약 72.7%가 된다. Charging Mode When the charging efficiency of the first, second, and third steps is calculated as a weighted average, the charging efficiency? Becomes about 72.7%.
따라서, 1개의 커패시터를 4개로 분할하고, 3단계로 나누어 충전하게 되면, 1개의 커패시터를 1개의 단계로 충전하는 것에 비하여 22.7%의 충전효율 향상을 가져오며, 1개의 커패시터를 2개로 분할하여 2단계로 나누어 충전하는 것에 비하여도 충전효율이 약 6.3% 향상된다는 것을 알 수 있다.Therefore, when one capacitor is divided into four and charged in three stages, charge efficiency is improved by 22.7% compared to charging one capacitor in one step, and one capacitor is divided into two to obtain 2 It can be seen that the charging efficiency is improved by about 6.3% compared with the case where the charging is divided into the steps.
도 9는 23개의 스위치 (12, 13, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107)와 8개의 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88)로 구성된 컨버터 (90)가 전원 (11), 제어부 (900), 및 부하 (16)와 접속되어 있는 회로도이다. 이하에서는 도 9를 참조하여, 8개의 분할 커패시터를 포함하는 컨버터를 단계적으로 충전하는 방법을 기술한다. FIG. 9 is a block diagram of an embodiment of the present invention, which includes 23
도 9에서는 도 1에서 사용된 1개의 커패시터를 분할하여 커패시턴스가 C/8인 8 개의 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88) 와 23개의 스위치로 구성된 컨버터를 사용한다. In FIG. 9, one capacitor used in FIG. 1 is divided into eight divided
충전모드에서는 제어부 (900)에 의하여 스위치 (13)가 온상태로 제어되며 스위치 (14)는 오프상태로 제어된다. 충전모드는 다시 몇 단계로 나누어지는데, 충전모드의 제1단계에서는 제어부 (900)에 의하여 스위치 (71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97)는 오프상태로 제어되고, 스위치 (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107) 은 온상태로 제어됨으로써, 8개의 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88)가 1개의 직렬접속브랜치를 형성하고 직렬접속된 상태로 충전이 이루어진다. 도 10은 위에서 설명한 충전모드 제1단계에서 분할 커패시터들 간의 직렬접속상태를 도시한 회로도이다.In the charge mode, the control unit 900 controls the
도 9 및 도 10을 참조하면, 충전모드 제1단계에서는, 각 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88) 는 초기전압 제로로부터 Vs/8 까지 충전되며, 충전모드 제1단계에서의 충전효율 η1은 약 49.5%가 된다.9 and 10, in the first charging mode, each divided
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/8)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제2단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 8) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the voltage difference between the comparison capacitors is smaller than the threshold value,
분할 커패시터의 개수인 8의 인수는 1, 2, 4, 8이므로, 충전모드 제2단계에서는 제어부 (900)에 의하여 스위치 (101, 102, 103, 94, 74, 105, 106, 107) 는 온상태로 제어되고, 스위치 (71, 72, 73, 91, 92, 93, 104, 75, 76, 77, 95, 96, 97)는 오프상태로 제어됨으로써, 각각이 4개의 분할 커패시터를 포함하는 2개의 직렬접속브랜치가 형성되며, 2개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 11은 충전모드 제2단계에서 8개의 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88)들의 접속관계를 도시한 회로도이다.The switches 101, 102, 103, 94, 74, 105, 106, and 107 are turned on by the control unit 900 in the second stage of the charging mode since the number of the divided
도 9 및 도 11을 참조하면, 충전모드 제2단계에서는, 각 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88) 는 초기전압 Vs/8로부터 Vs/4까지 충전되며, 충전모드 제2단계에서의 충전효율 η2은 74.9%가 된다. 9 and 11, in the second charging mode, the divided
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/4)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제3단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 4) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the voltage difference is smaller than the threshold value,
충전모드 제3단계에서는 제어부 (900)에 의하여 스위치 (101, 92, 72, 103, 94, 74, 105, 96, 76, 107)) 는 온상태로 제어되고, 스위치 (71, 91, 102, 73, 93, 104, 75, 95, 106, 77, 97)는 오프상태로 제어됨으로써, 각각이 2개의 분할 커패시터를 포함하는 4개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 4개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 12는 충전모드 제3단계에서 8개의 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88)들의 접속관계를 도시한 회로도이다.In the third charging mode, the control unit 900 controls the switches 101, 92, 72, 103, 94, 74, 105, 96, 76, 107) 73, 93, 104, 75, 95, 106, 77, 97 are controlled to be in an OFF state so that four series connection branches each including two divided capacitors are formed, . 12 is a circuit diagram showing the connection relationship of the eight divided
도 9 및 도 12를 참조하면, 충전모드 제3단계에서는, 각 분할 커패시터는 초기전압 Vs/4로부터 Vs/2까지 충전되며, 충전모드 제3단계에서의 충전효율 η3은 75%가 된다. 9 and 12, in the third charging mode, each divided capacitor is charged from the initial voltage Vs / 4 to Vs / 2, and the charging efficiency? 3 in the charging mode third step is 75%.
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/2)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제4단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 2) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the comparison result voltage difference is smaller than the threshold value,
충전모드 제4단계에서는 제어부 (900)에 의하여 스위치 (71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97)는 온상태로 제어되고, 스위치 (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107)는 오프상태로 제어된다. 따라서, 충전모드 제4단계에서는 각각이 1개의 분할 커패시터를 포함하는 8개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 8개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 13은 충전모드 제4단계에서 8개의 분할 커패시터 (81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88)들의 접속관계를 도시한 회로도이다.In the fourth charging mode, the control unit 900 controls the switches 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 91, 92, 93, 94, 95, 96, (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107) are controlled to be in an off state. Therefore, in the fourth charging mode, eight series connection branches each including one split capacitor are formed, and eight series connection branches are charged in a mutually parallel connection state. 13 is a circuit diagram showing the connection relationship of the eight divided
도 9 및 도 13를 참조하면, 충전모드 제4단계에서는, 각 분할 커패시터는 초기전압 Vs/2로부터 Vs까지 충전되며, 충전모드 제4단계에서의 충전효율 η4은 75%가 된다.9 and 13, in the fourth charging mode, each divided capacitor is charged from the initial voltage Vs / 2 to Vs, and the charging efficiency? 4 in the charging mode 4 is 75%.
충전모드 제1단계, 제2단계, 제3단계 및 제4단계의 충전효율을 가중평균으로 계산하면, 충전효율 η은 74.4%가 된다. 따라서, 1개의 커패시터를 8개의 분할 커패시터로 분할하고, 4단계로 나누어 충전하게 되면, 1개의 커패시터를 1개의 단계로 충전하는 것에 비하여 24,4%의 충전효율 향상을 가져오며, 1개의 커패시터를 2개로 분할하여 2단계로 나누어 충전하는 것에 비하여 충전효율이 약 8% 향상되며, 1개의 커패시터를 4개로 분할하여 3단계로 나누어 충전하는 것에 비하여 충전효율이 1.7% 향상되는 것을 알 수 있다.When the charging efficiency of the first, second, third and fourth charging modes is calculated as a weighted average, the charging efficiency? Becomes 74.4%. Therefore, when one capacitor is divided into eight divided capacitors and divided into four stages, charging efficiency is improved by 24,4% compared to charging one capacitor in one stage, and one capacitor It can be seen that the charging efficiency is improved by about 8% and the charging efficiency is improved by 1.7% as compared with the case where one capacitor is divided into four and divided into three stages.
도 14는 6개의 분할 커패시터로 구성된 컨버터 (140)가 전원 (11), 제어부 (1000), 및 부하 (16)와 접속되어 있는 회로도이다. 이하에서는 도 14를 참조하여, 6개의 분할 커패시터를 포함하는 컨버터를 단계적으로 충전하는 방법을 기술한다.14 is a circuit diagram in which a
도 14에서는 도 1에서 사용된 1개의 커패시터를 분할하여 커패시턴스가 C/6인 6 개의 분할 커패시터와 스위치로 구성된 컨버터를 사용한다. In FIG. 14, one capacitor used in FIG. 1 is divided into a converter composed of six divided capacitors and a switch having a capacitance of C / 6.
충전모드에서는 제어부 (1000)에 의하여 스위치 (13)가 온상태로 제어되며 스위치 (14)는 오프상태로 제어된다. 충전모드는 다시 몇 단계로 나누어지는데, 충전모드의 제1단계에서는 6 개의 분할 커패시터를 포함하는 1개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 6개의 분할 커패시터가 직렬접속된 상태로 충전이 이루어진다. 도 15는 위에서 설명한 충전모드 제1단계에서 분할 커패시터들 간의 직렬접속상태를 도시한 회로도이다.In the charge mode, the control unit 1000 controls the
충전모드 제1단계에서는, 각 분할 커패시터는 초기전압 제로로부터 Vs/6 까지 충전되며, 충전모드 제1단계에서의 충전효율 η1은 약 49.6%이다.In the first stage, each divided capacitor is charged from the initial voltage zero to Vs / 6, and the charging efficiency? 1 in the first stage of the charging mode is about 49.6%.
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/8)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제2단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 8) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the voltage difference between the comparison capacitors is smaller than the threshold value,
분할 커패시터의 개수인 6의 인수는 1, 2, 3, 6이므로, 충전모드 제2단계에서는 제어부 (1000)에 의하여 복수의 스위치들이 제어됨으로써, 각각이 3개의 분할 커패시터를 포함하는 2개의 직렬접속브랜치가 형성되며, 2개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 16은 충전모드 제2단계에서 6개의 분할 커패시터들의 접속관계를 도시한 회로도이다.Since the number of divided capacitors 6 is 1, 2, 3, and 6, in the second charging mode, the plurality of switches are controlled by the controller 1000 so that two serial connections A branch is formed, and the two series connection branches are charged in a mutually parallel connection. 16 is a circuit diagram showing a connection relationship of six divided capacitors in the second charging mode step.
충전모드 제2단계에서, 각 분할 커패시터는 초기전압 Vs/6로부터 Vs/3까지 충전되며, 충전모드 제2단계에서의 충전효율 η2은 75%가 된다. In the second stage of charging mode, each divided capacitor is charged from the initial voltage Vs / 6 to Vs / 3, and the charging efficiency? 2 in the charging mode second stage becomes 75%.
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/3)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제3단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 3) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the comparison result voltage difference is smaller than the threshold value,
충전모드 제3단계에서는 제어부 (1000)에 의하여 스위치들이 제어됨으로써, 각각이 2개의 분할 커패시터를 포함하는 3개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 3개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 17은 충전모드 제3단계에서 6개의 분할 커패시터들의 접속관계를 도시한 회로도이다.In the third charging mode, the switches are controlled by the control unit 1000 so that three series connection branches each including two divided capacitors are formed, and the three series connection branches are charged in a mutually connected state. 17 is a circuit diagram showing a connection relation of six divided capacitors in the third charging mode.
충전모드 제3단계에서는, 각 분할 커패시터는 초기전압 Vs/3로부터 Vs/2까지 충전되며, 충전모드 제3단계에서의 충전효율 η3은 83%가 된다. In the third charging mode, each divided capacitor is charged from the initial voltage Vs / 3 to Vs / 2, and the charging efficiency? 3 in the charging mode third stage is 83%.
한편, 분할 커패시터의 출력전압 Vout 과 목표전압 (Vs/2)의 차가 비교기 (미도시)에서 소정의 임계치와 비교되며, 비교결과 전압차가 임계치보다 작다면 충전모드 제4단계로 진행한다.On the other hand, if the difference between the output voltage Vout of the split capacitor and the target voltage (Vs / 2) is compared with a predetermined threshold value in a comparator (not shown) and the comparison result voltage difference is smaller than the threshold value,
충전모드 제4단계에서는 제어부 (1000)에 의하여 스위치들이 제어됨으로써, 각각이 1개의 분할 커패시터를 포함하는 6개의 직렬접속브랜치가 형성되고, 6개의 직렬접속브랜치들은 상호 병렬접속된 상태로 충전된다. 도 18은 충전모드 제4단계에서 6개의 분할 커패시터들의 접속관계를 도시한 회로도이다.In the fourth charging mode, the switches are controlled by the control unit 1000 so that six series connection branches including one divided capacitor are formed, and six series connection branches are charged in a mutually parallel connection state. 18 is a circuit diagram showing a connection relationship of six divided capacitors in the fourth charging mode step.
충전모드 제4단계에서는, 각 분할 커패시터는 초기전압 Vs/2로부터 Vs까지 충전되며, 충전모드 제4단계에서의 충전효율 η4은 75%가 된다.In the fourth charging mode, each divided capacitor is charged from the initial voltage Vs / 2 to Vs, and the charging efficiency? 4 in the charging mode fourth step is 75%.
충전모드 제1단계, 제2단계, 제3단계 및 제4단계의 충전효율을 가중평균으로 계산하면, 충전효율 η은 75%가 된다. When the charging efficiency of the first, second, third and fourth charging modes is calculated as a weighted average, the charging efficiency? Becomes 75%.
이상 기술한 바와 같이, 분할 커패시터의 개수를 증가시키고 충전 단계의 수를 증가시킴에 따라 이론상의 충전효율은 향상된다. 충전 단계의 수는 분할 커패시터의 개수 및 컨버터의 변환비에 따라 다양하게 선택할 수 있다. As described above, the theoretical charging efficiency is improved by increasing the number of divided capacitors and increasing the number of charging stages. The number of charge stages can be selected variously according to the number of split capacitors and the conversion ratio of the converter.
한편, 충전단계의 수가 증가할수록 커패시터의 개수가 증가하고 그만큼 회로구성이 복잡해지고 회로간 부정합을 야기하게 되므로 실용적인 측면에서 충전효율이 오히려 감소하게 된다. 따라서, 컨버터의 변환비가 1인 경우 분할 커패시터의 개수는 2, 4, 6, 8, 12, 24 정도가 바람직하다.On the other hand, as the number of charging steps increases, the number of capacitors increases, the circuit configuration becomes complicated, and mismatching between circuits is caused, so that the charging efficiency is rather reduced from a practical point of view. Therefore, when the conversion ratio of the converter is 1, the number of divided capacitors is preferably about 2, 4, 6, 8, 12, and 24.
예를 들어, 컨버터의 변환비가 1/2인 경우에 분할 커패시터를 2개 사용한다고 가정하면, 도 19에 도시된 바와 같이, 충전모드에서는 2개의 분할 커패시터를 직렬접속하여 하나의 단계에서 충전하며, 구동모드에서 2개의 분할 커패시터를 병렬접속한 상태에서 부하를 구동하게 된다. 따라서, 분할 커패시터를 2개 사용한다면 하나의 단계에서만 충전가능하므로, 본 발명에 따른 고효율 충전 방법을 구현할 수 없다. For example, assuming that two split capacitors are used when the conversion ratio of the converter is 1/2, as shown in Fig. 19, two divided capacitors are connected in series in the charge mode to charge in one step, The load is driven in a state in which two divided capacitors are connected in parallel in the driving mode. Therefore, if two split capacitors are used, the high efficiency charging method according to the present invention can not be implemented since charging is possible in only one step.
도 20에서는 컨버터의 변환비가 1/2인 경우에 분할 커패시터를 4개 사용할 경우의 회로도이다. 충전모드 제1단계에서는 4개의 분할 커패시터를 직렬접속하여 충전하고, 충전모드 제2단계에서는 각각이 2개의 분할 커패시터를 포함하는 2개의 직렬접속브랜치가 상호 병렬접속되도록 하여 충전하며, 구동모드에서는 4개의 분할 커패시터를 상호 병렬접속하여 부하를 구동함으로써, 본 발명에 따른 고효율 충전방법을 사용하면서 1/2의 컨버터 변환비를 구현할 수 있다. 20 is a circuit diagram when four split capacitors are used when the conversion ratio of the converter is 1/2. In the charging mode, the four divided capacitors are connected in series and charged. In the second charging mode, two series connecting branches each including two divided capacitors are connected in parallel to each other to charge them. In the driving mode, By driving the load by connecting the divided capacitors in parallel to each other, the converter conversion ratio of 1/2 can be realized while using the high efficiency charging method according to the present invention.
한편, 컨버터의 변환비가 2라면, 2개의 분할 커패시터를 사용하여도 본 발명에 따른 고효율 충전방법을 사용할 수 있다. 이하에서는 도 21을 참조하여 기술한다.On the other hand, if the conversion ratio of the converter is 2, the high efficiency charging method according to the present invention can also be used by using two divided capacitors. Hereinafter, description will be made with reference to FIG.
충전모드 1단계에서는 2개의 분할 커패시터를 직렬접속하여 충전하며, 충전모드 2단계에서는 2개의 분할 커패시터를 병렬접속하여 충전하며, 구동모드에서는 2개의 분할 커패시터를 직렬접속하여 부하를 구동한다. 따라서, 2개의 분할 커패시터만으로도 본 발명에 따른 고효율 충전방법을 사용하면서 컨버터의 변환비 1을 구현할 수 있다.In the charging mode 1, two divided capacitors are connected in series to charge. In the charging mode 2, two divided capacitors are connected in parallel to charge. In the driving mode, two divided capacitors are connected in series to drive the load. Therefore, the conversion ratio 1 of the converter can be realized while using the high-efficiency charging method according to the present invention with only two divided capacitors.
이상, 도 1 내지 도 21을 참조하여, 본 발명에 따른 분할 커패시터의 고효율 충전장치 및 충전방법을 기술하였다. 그러나 이는 본 발명의 몇가지 실시예로서, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 컨버터의 변환비 커패시터의 개수 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.The high-efficiency charging apparatus and charging method of the divided capacitor according to the present invention have been described above with reference to Figs. 1 to 21. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and may be variously modified according to the number of conversion non-capacitors of the converter.
11 전원 16 부하
112 저항
10, 20, 50, 90, 140 컨버터
100, 200, 500, 900, 1000 제어부
12, 13, 14, 15, 25, 26, 27, 61~69, 71~77, 91~97, 101~107 스위치
15, 28, 29, 55~58, 81~88 커패시터11
112 resistance
10, 20, 50, 90, 140 converters
100, 200, 500, 900,
12, 13, 14, 15, 25, 26, 27, 61 to 69, 71 to 77, 91 to 97,
15, 28, 29, 55 to 58, 81 to 88 Capacitors
Claims (8)
상기 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 충전용 커패시터는 N개 (N은 1보다 큰 정수) 의 분할 커패시터로 구성되어 있으며, 상기 분할 커패시터 각각의 커패시턴스는 상기 충전용 커패시터의 커패시턴스의 1/N로 동일하며,
상기 제어부는 충전모드에서 상기 복수의 스위치를 단계적으로 제어하여 상기 분할 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 단계적으로 변경함으로써, 상기 충전용 커패시터를 단계적으로 충전하고,
상기 제어부는 충전모드 제1단계에서 상기 분할 커패시터의 개수인 N의 인수를 크기순으로 나열하고 인수들 중 최상위 인수인 N개의 분할 커패시터를 직렬접속시킴으로써 상기 분할 커패시터가 모두 하나의 직렬접속브랜치에 포함되도록 상기 복수의 스위치를 제어하여 상기 충전용 커패시터를 제1단계 충전하며,
상기 제어부는 충전모드의 제2단계에서 상기 N의 인수들 중 차상위 인수만큼의 분할 커패시터들로 이루어진 복수의 직렬접속브랜치를 형성하고 상기 복수의 직렬접속브랜치들이 서로 병렬접속되도록 상기 복수의 스위치를 제어하여 상기 충전용 커패시터를 제2단계 충전하며,
상기 제어부는 각 직렬접속브랜치에 1개의 분할 커패시터만 포함될 때까지 순차적으로 낮은 순위의 인수만큼의 분할 커패시터들로 이루어진 복수의 직렬접속브랜치를 형성하고 상기 복수의 직렬접속브랜치들이 서로 병렬접속되도록 상기 복수의 스위치를 제어하여 상기 충전용 커패시터를 충전하는 것을 반복하는 것을 특징으로 하는 분할 커패시터 충전장치.A switched capacitor array including a plurality of switches and a charging capacitor; And
And a control unit for controlling the plurality of switches,
Wherein the charging capacitor is composed of N divided capacitors (N is an integer larger than 1), the capacitance of each of the divided capacitors being equal to 1 / N of the capacitance of the charging capacitor,
Wherein the controller is configured to charge the charging capacitor stepwise by gradually changing the serial connection and the parallel connection between the divided capacitors by controlling the plurality of switches stepwise in the charging mode,
In the first stage of the charging mode, the controller arranges the N number of the divided capacitors in order of magnitude and connects the N divided capacitors, which are the most significant ones of the arguments, in series so that the divided capacitors are all included in one serial connecting branch The plurality of switches are controlled so as to charge the charging capacitor in the first step,
Wherein the control unit forms a plurality of series connection branches consisting of divided capacitors of the second order among the factors of N in the second step of the charging mode and controls the plurality of switches so that the plurality of series connection branches are connected in parallel with each other The charging capacitor is charged in the second step,
Wherein the control unit forms a plurality of series connection branches consisting of divided capacitors of sequentially lower rank order until each of the series connection branches includes only one divided capacitor and the plurality of series connection branches are connected in parallel so that the plurality And the charging of the charging capacitor is repeated by controlling the switch of the divided capacitor.
상기 N은 2, 4, 6, 8, 12, 24 중 어느 한 값인 것을 특징으로 하는 분할 커패시터 충전장치.The method according to claim 1,
And the N is a value of 2, 4, 6, 8, 12, or 24. The divided-
상기 충전용 커패시터의 각 단계별 출력 전압과 목표전압의 차이를 임계전압과 비교하는 비교기를 추가로 포함하며,
상기 제어기는 상기 차이가 임계전압보다 작다면 현재 단계에서의 충전을 종료하고 충전모드의 다음 단계로 진행하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 분할 커패시터 충전장치.The method according to claim 1,
Further comprising a comparator for comparing a difference between an output voltage and a target voltage of each step of the charging capacitor with a threshold voltage,
Wherein the controller controls the plurality of switches to terminate charging at the current stage and proceed to the next stage of the charging mode if the difference is less than the threshold voltage.
상기 충전용 커패시터를 N개 (N은 1보다 큰 정수) 의 분할 커패시터로 구성하며, 상기 분할 커패시터 각각의 커패시턴스는 상기 충전용 커패시터의 커패시턴스의 1/N로 설정하며,
상기 제어부를 통하여 충전모드에서 상기 복수의 스위치를 단계적으로 제어하여 상기 분할 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 단계적으로 변경함으로써, 상기 충전용 커패시터를 단계적으로 충전하고,
상기 단계적으로 충전하는 것은, 충전모드 제1단계에서 상기 분할 커패시터의 개수인 N의 인수를 크기순으로 나열하고 인수들 중 최상위 인수인 N개의 분할 커패시터를 직렬접속시킴으로써 상기 분할 커패시터가 모두 하나의 직렬접속브랜치에 포함되도록 상기 제어부를 통하여 상기 복수의 스위치를 제어하여 상기 충전용 커패시터를 제1단계 충전하며,
충전모드의 제2단계에서 상기 N의 인수들 중 차상위 인수만큼의 분할 커패시터들로 이루어진 복수의 직렬접속브랜치를 형성하고 상기 복수의 직렬접속브랜치들이 서로 병렬접속되도록 상기 제어부를 통하여 상기 복수의 스위치를 제어하여 상기 충전용 커패시터를 제2단계 충전하며,
각 직렬접속브랜치에 1개의 분할 커패시터만 포함될 때까지 순차적으로 낮은 순위의 인수만큼의 분할 커패시터들로 이루어진 복수의 직렬접속브랜치를 형성하고 상기 복수의 직렬접속브랜치들이 서로 병렬접속되도록 상기 제어부를 통하여 상기 복수의 스위치를 제어하여 상기 충전용 커패시터를 충전하는 것을 반복하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 분할 커패시터 충전장치의 충전방법.A method for charging a divided capacitor charging apparatus including a switched capacitor array including a plurality of switches and a charging capacitor, and a control unit for controlling the plurality of switches,
(N is an integer greater than 1) split capacitors, the capacitance of each of the split capacitors being set to 1 / N of the capacitance of the charge capacitor,
The step of controlling the plurality of switches in the charge mode through the control unit to stepwise change the serial connection and the parallel connection between the split capacitors,
The step-by-step charging is performed by arranging the N number of the divided capacitors in the order of magnitude in the first stage of the charging mode and serially connecting N divided capacitors, which are the most significant ones of the factors, The plurality of switches are controlled through the control unit to be included in the connection branch to charge the charging capacitor in the first step,
In a second stage of the charge mode, a plurality of series connection branches consisting of split capacitors as much as the next higher one of the factors of N are formed, and the plurality of switches are connected to each other through the control section so that the plurality of series connection branches are connected in parallel And charging the charging capacitor in the second step,
A plurality of series connection branches consisting of divided capacitors of the order of low rank order are formed until each of the series connection branches includes only one divided capacitor, and the plurality of series connection branches are connected in parallel through the control section And repeating charging the charging capacitor by controlling the plurality of switches.
상기 N은 2, 4, 6, 8, 12, 24 중 어느 한 값인 것을 특징으로 하는 분할 커패시터 충전장치의 충전방법.6. The method of claim 5,
And N is a value of 2, 4, 6, 8, 12, or 24. The method of charging the divided capacitor charging apparatus according to claim 1,
상기 충전용 커패시터의 각 단계별 출력 전압과 목표전압의 차이를 임계전압과 비교하는 비교기를 추가로 포함하며,
상기 차이가 임계전압보다 작다면 현재 단계에서의 충전을 종료하고 충전모드의 다음 단계로 진행하도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 분할 커패시터 충전장치의 충전방법.
6. The method of claim 5,
Further comprising a comparator for comparing a difference between an output voltage and a target voltage of each step of the charging capacitor with a threshold voltage,
And if the difference is smaller than the threshold voltage, controlling the plurality of switches so as to terminate charging at the current stage and proceed to the next stage of the charging mode.
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| JP2013034298A (en) * | 2011-08-01 | 2013-02-14 | Institute Of National Colleges Of Technology Japan | Dc/dc converter and power supply module |
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| 김형원 외. "Energy Recycling Voltage Scaler Based on Reconfigurable Capacitive Array". 대한전자공학회. 2016. |
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