KR102604619B1 - 전기부하를 구동하는 회로 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 전류 파형 발생기(110), 및 입력시 상기 발생기(110)와 출력시 각각의 피구동 전기부하(105)에 연결된 패시브 필터(150)를 포함하고, 상기 패시브 필터(150)는 입력시 전류 파형 중 하나 이상의 고조파의 조건화로 인해 발생한 전류 파형을 발생하도록 튜닝되는 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로가 기술된다.
Description
본 발명은 일반적으로 하나 이상의 저항성, 정전용량성, 유도성 또는 혼합 전기부하를 시간에 따라 변하는 전류 파형으로 구동하는 회로 및 방법에 관한 것이다.
전기부하를 시간에 따라 가변적인 전류 파형으로 구동하는 것은 일반적으로 저전력 주파수를 부하에 정확히 전력을 공급하기에 충분히 강력한 신호로 변환하도록 구성된 전압 및/또는 전류의 증폭기 회로를 사용하여 수행된다.
전력 공급되는 부하의 타입에 따라, 이들 회로는 충실도는 좋지만 에너지 효율이 낮은 것을 특징으로 하는(가령, 오디오 신호를 증폭시키기 위해 사용되는 것과 같은) 선형 타입의 배선도, 비선형 다이어그램(예를 들어, SMOS 스테이지에 기초하거나 디지털 신호를 증폭시킬 수 있는 BJT 쌍을 이용하는 다이어그램), 일반적으로 트랜스포머, LC 공진기 또는 기타 공진회로(예를 들어, E급 또는 F급 증폭기)를 기반으로 하는 D급 증폭기 또는 공진 다이어그램에 기반한 다이어그램을 구현할 수 있다.
구동이 특히 중요한 부문은 부하가 액티브 스위치의 게이트, 예를 들어 MOSFET, IGBT, HEMT 트랜지스터 또는 상당한 게이트 커패시턴스를 갖는 다른 장치로 구성되는 경우이며, 여기에 일반적으로 게이트 기생 저항 및 게이트 기생 인덕턴스가 추가된다.
특히, 고주파 스위칭 회로 분야에서 액티브 스위치가 사용되는 경우 특히 구동이 문제가 되며, 스위치 그 자체가 일반적으로 포화 영역 또는 컷오프 영역에서 사용된다.
사실, 저주파수에서 액티브 스위치는 일반적으로 무시할 수 있는 (예를 들어, 수 nF 또는 수백 pF 미만의) 기생 커패시턴스를 갖기 때문에 동작중인 전류는 거의 무시할만하나, 고주파에서 전류는 통상적으로 최대 10 암페어까지 도달할 수 있어 이에 따라 구동이 어려워진다.
필요한 고전류뿐만 아니라, 상술한 액티브 스위치의 구동은 종종 실질적으로 필연적인 상당한 에너지 소산을 야기한다.
실제로, 스위치의 각 스위치 온/오프 사이클마다, 게이트 커패시턴스는 하기의 에너지 손실:
로 적절히 부하걸리거나 걸리지 않는다. 여기서, Ed는 소산된 에너지를 나타내고, C는 일반적으로 비선형이며 구동 전류의 함수로서 감소하는 스위치의 기생 커패시턴스를 나타내며, V는 장치의 최대 구동 전류를 나타낸다.
이 손실에는 게이트 저항과 게이트 부하/무부하에 필요한 전류의 유효 RMS 값의 제곱에 비례하고 따라서 게이트 커패시턴스의 제곱에 비례하는 게이트 저항 손실이 추가된다. 커패시턴스의 총 게이트 부하를 고려하면 고려사항이 같아질 수 있다.
일반적으로 구동 주파수가 1Mhz를 초과하면, 전력 장치의 구동회로(또한 드라이버라고도 함)의 손실은 더 높은 주파수에 대해 또는 특히 작동 주파수를 실질적으로 더 증가시키지 못하게 하고 장치가 파손될 위험이 있는 기생 현상에 영향을 받는 스위치, 예를 들어 MOSFETs이 사용되는 경우에 와트 단위로 수십 또는 수백 와트에까지 이르며 커진다.
이 문제는 실리콘 또는 헤테로 반도체(예를 들어, SiC)를 기반으로 하는 RF 필드 또는 게이트 커패시턴스를 감소시킬 수 있는 III-V 반도체(예를 들어, GaN)를 기반으로 하는 HEMD에 액티브 스위치를 사용하여 부분적으로 해결될 수 있다.
그러나, 이들 반도체는 일반적으로 고비용과 반도체의 구동을 어렵게 하는 다른 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 고전압 SiC 기반 액티브 스위치는 구동되기 위해 높은 게이트 전압을 필요로 하며, 결과적으로 게이트 커패시턴스의 감소로부터 얻는 이점을 부분적으로 포기한다. 다른 한편으로, III-V 헤테로 접합(예를 들어, GaN)을 기반으로 한 HEMT 장치는 구동하는데 음의 전압이 필요한 문제가 있어, 특히 배선도들을 스위칭하는데 있어, 캐스코드(cascode) 또는 멀티스테이지 타입의 아키텍쳐 수단에 의지하지 않는다면, 현재의 전력 하드웨어 아키텍처와의 호환성이 떨어진다.
높은 게이트 커패시턴스를 갖는 액티브 스위치의 구동 문제를 해결하기 위해 RF(radiofrequency) 분야에서 채택된 가능한 해결책은 유도 또는 공진 배선도를 사용하는 것으로서, 게이트 구동은 실질적으로 트랜스포머 또는 공진회로(예를 들어, E급 또는 F급 또는 간단한 LC 공진기)로 실행된다. 이러한 타입의 회로는 적절하게 치수가 정해지면 게이트 기생 커패시턴스에 축적된 에너지를 소산시키지는 않지만 기생 현상으로 인한 손실은 제외하고 각 사이클에서 이를 재사용할 수 있다는 장점이 있다.
다른 한편으로, 이러한 타입의 공진 다이어그램은 부하를 실질적으로 사인파로 구동하며, 이는 일부 하드웨어, 예를 들어, 효율은 중요하지 않지만 일반적으로는 스위칭 회로 분야에서 액티브 스위치를 구동하는데 유해한 회로들에 유용할 수 있으며, 사인파에서 온/오프 및 오프/온 전환단계 동안 스위치의 동적 손실을 제한하기 위해 전단의 상승 시간 및 하강 시간이 가능한 한 선명해져야 한다.
따라서, 사인파를 이용하여 액티브 스위치를 온오프시킴으로써 게이트 손실을 줄일 수 있으나, 전력 공급 단계에서 전압 및 전류 교차를 방지 및/또는 최소화하기에는 온/오프 및 오프/온 전환의 기울기가 일반적으로 충분히 가파르지 않기 때문에, 전원회로의 동적 손실이 크게 증가된다.
이러한 문제는 전류 파형과 함께 임의의 정전용량성 타입의 부하를 구동할 때, 그리고 특히 기능하는 고주파수의 경우 장치를 온오프하기 위해 두 가지 레벨의 전류가 사용되는 시스템(스위칭 시스템)에서 발생할 수 있다.
각 게이트의 기생 커패시턴스가 특히 작지만 현재의 매우 높은 집적도로 인해 여하튼 (오늘날 실질적으로 수 GHz로 제한되는) 전체 게이트 정전용량이 실질적으로 최대 기능 주파수로 제한되어 지며, 마이크로 프로세서, 메모리, 마이크로 컨트롤러, 센서, 케이블 로직, FPGA 및 임의의 다른 디지털 디바이스의 전력 소비도 크게 증가하기 때문에, 논리회로(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR 타입 등의 논리 게이트, 메모리, 버퍼, 다소 복잡한 집적회로, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서, CMOS 센서 등)에도 유사한 문제가 또한 있다. 동기화 클록, 구동 가능 게이트의 최대 갯수를 고려한 클록을 재생성하기 위한 버퍼, PLL 및 논리 게이트의 모든 구동 시스템은 일반적으로 단독으로 현대 디지털 시스템에서 손실의 약 50%를 차지한다.
유도 부하 또는 저항 부하의 고주파 전원 장치에도 유사한 타입의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 부하의 정확한 기능에 상응하는 전류 파형과 함께 정전용량성 및/또는 저항성 및/또는 유도성 거동을 갖는 전기부하를 구동하는데 유용한 회로를 구현함으로써 손실을 실질적으로 감소시키는 동시에 공지의 회로에 대해 가능한 최대 구동 주파수를 증가시키는데 있다.
본 발명에의 실시예는:
- 전류 파형(예를 들어, 주요 고조파의 주파수가 Mhz 이상, 약 10 또는 약 100MHz, 때로는 1GHz 또는 수십 또는 수백 GHz 이상인 전류 파형) 발생기;
- 입력시 상기 발생기에 및 출력시 각각의 피구동 전기부하에 연결되는 패시브 필터를 포함하고,
상기 패시브 필터는 입력시 상기 전류 파형의 하나 이상의 고조파의 조건화로 인해 발생한 전류 파형을 생성하도록 튜닝되는 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로에 관한 것이다.
전류 파형의 고조파를 조건화한다는 것은 전류 파형의 특정 고조파 성분(고조파)을 선택적으로 증가(증폭) 또는 감소(감쇠)할 수 있음을 의미한다.
이런 식으로, 전기부하(들)를 구동하는 전류 파형을 효과적으로 "형상"할 수 있어 손실을 최소화하고/하거나 피구동 부하(들)의 특정 요구를 기반으로 한 효율 및 구동 효과를 높이기 위해 (시간 영역에서) 가장 적합한 형상을 부여할 수 있다.
본 발명에서, 전기부하(들)는 실질적으로 임의의 타입, 예를 들어, 저항성, 정전용량성, 유도성 부하 또는 저항성, 정전용량성 및 유도성 부하의 조합일 수 있다
그러나, 본 발명은 기생 저항 및 인덕턴스와 관련된 다른 효과를 추가할 수 있는 널리 퍼진 정전용량성 구성요소를 특징으로 하는 부하를 구동하는데 특히 유용하다.
효과적으로 구동 가능한 부하들 중에서, 본 발명에서는, 예를 들어, BJT, MOSFET, IGBT, HBT, HEMT, MEMS, 압전 센서와 액추에이터, 논리 게이트 및 가령CMOS, 버퍼 및 클록 타입을 포함하나 유일하지 않는 기기와 같은 타입의 트랜지스터와 같은 액티브 스위치의 드라이버 단자(예를 들어, 게이트)가 있다.
본 발명에 의해 효과적으로 구동될 수 있는 다른 부하는 전기 모터, 솔레노이드, 안테나, 트랜스포머 및 우세하게 유도성 거동을 갖는 기타 부하이다.
본 발명의 태양으로, 전류 파형 발생기는:
- 직류 발생기; 및
- 직류를 전류 파형으로 변환할 수 있는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
이 방안으로, 큰 고조파 성분을 갖는 전류 파형을 효과적으로 생성할 수 있으며, 따라서 필터링되어 피구동 부하의 다양한 요건에 적합한 광범위한 전류 파형을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 스위칭 회로는 적어도:
- 액티브 스위치; 및
- 액티브 스위치를 온오프할 수 있는 전기 구동신호를 생성하는 드라이버를 포함할 수 있다.
액티브 스위치는 트랜지스터, 예를 들어 BJT, MOT 또는 IGBT 트랜지스터, 고체상태 릴레이, MEMS 스위치 및 HEMT 스위치, HBT 스위치 또는 다른 스위치일 수 있다.
일부 실시예에서, 스위칭 회로는 예를 들어, 하프-브릿지 구성의 2개의 액티브 스위치 또는 풀 H 브릿지 구성의 4개의 액티브 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 태양에서, 스위칭 회로는 직류 발생기와 액티브 스위치 사이에 직렬로 연결된 인덕턴스를 포함할 수 있으며, 패시브 필터는 입력 단자가 인덕턴스와 액티브 스위치 사이에 삽입된 전기 노드와 연결된다.
이러한 방식으로, 인덕턴스는 액티브 스위치가 온인 시간 동안 부하가 걸리는 한편, 언로드되고 다운스트림에 전력을 공급하는 동안, 액티브 스위치가 오프되는 동안 부하해제하고 하류 측 부하에 전력을 공급하는 대략 직류 발생기로서 실질적으로 행동한다.
본 발명의 또 다른 태양으로, 상기 스위칭 회로는 또한 상기 인덕턴스와 직렬로 연결되고 상기 액티브 스위치와 병렬로 연결된 커패시턴스를 포함할 수 있다.
커패시턴스는 스위칭 회로의 에너지 효율을 극대화하여, 액티브 스위치를 온/오프하는 동안 인덕턴스와 액티브 스위치를 연결하는 노드에 높은 텐션과 전류가 있지 않도록 보장한다.
본 발명의 다른 태양으로, 패시브 필터는 인덕터 및 캐패시터를 포함하는 공진 리액티브 필터일 수 있으며, 이는 별개의 부분으로 된 소자들의 형태 및 분산된 소자들, 예를 들어, 전송 라인의 형태 모두로 실현될 수 있다.
이 태양은, 적절히 구성되고 튜닝된 경우, 입력에 수신된 전류 파형의 하나 이상의 고조파들을 선택적으로 증폭 및/또는 감쇠시킬 수 있는 패시브 필터를 구현하는 비교적 간단한 방안을 제공한다.
이와 관련하여, 본 발명의 일 태양에서, 패시브 필터는 정사각형/직사각형 형상 또는 정사각형/직사각형 형상과 상당히 유사한 전류 파형을 출력에 제공하도록 튜닝될 수 있다.
예를 들어, 패시브 필터는 입력에 적어도 전류 파형의 제 2 고조파, 더 바람직하게는 짝수 고조파의 가능한 가장 큰 수를 완전히 또는 거의 감쇠시키고, 제 1 고조파의 배수 인수의 1/3과 같은 증폭 인수를 갖는 제 3 고조파, 더 바람직하게는 제 1 고조파보다 더 큰 차수의 홀수 고조파의 가장 큰 수를 증폭시키기 위해 튜닝될 수 있으며, 1차 고조파의 증폭 인수와 관계는 해당 고조파의 역차수이다. 예로서 주어진 이 방안은 실제로 손실을 없애거나 어떤 경우에도 최소화하며 실질적으로 정사각형인 전류 파형으로 부하(들)에 전원을 공급할 수 있다.
이 방안은 온/오프 및 오프/온 스위칭 단계 동안 스위치의 동적 손실을 효과적으로 제한하는 것을 목적으로 스위칭 회로의 액티브 스위치를 구동하는데 특히 유리하다.
보다 상세하게 설명하면, 패시브 필터는 복수의 전기 모듈(즉, 적어도 2개 이상)을 포함할 수 있으며, 상기 전기 모듈 각각은 적어도 :
- 전류 파형 발생기 및 다른 모듈의 제 1 전기 브랜치와 직렬로 연결된 제 1 전기 브랜치;
- 제 1 전기 브랜치를 기준 전위(예를 들어, 접지)에 연결할 수 있는 제 2 전기 브랜치;
- 제 2 전기 브랜치를 따라 위치된 커패시턴스; 및
- 제 2 전기 브랜치를 따라 또는 대안으로 제 2 전기 브랜치의 상류에 있는 제 1 전기 브랜치 상에 커패시턴스와 직렬로 배치될 수 있는 인덕턴스를 포함한다.
이는 예를 들어 실질적으로 정사각파형을 갖는 전류 파형을 출력에 구현하기 위해 경제적이고 튜닝하기 쉬운 매우 단순한 패시브 필터를 구현할 수 있게 한다.
이 기본 방식에서 시작하여, 각 모듈에는 설계 단계 중에 보다 복잡한 회로 튜닝을 하면서 출력에 요청된 양식에 보다 충실히 응답하는 전류 파형을 제공할 수 있는 필터링의 더 많은 자유도를 도입하기 위한 목적으로 추가 리액티브 구성요소가 제공될 수 있다.
이러한 의미에서, 각각의 전기 모듈은 제 2 전기 브랜치의 상류에 있는 제 1 전기 브랜치 상에 위치된 추가 커패시턴스를 포함할 수 있다. 각각의 모듈은 제 2 전기 브랜치의 상류 측의 제 1 전기 브랜치 상에 위치된 제 1 인덕턴스 및 제 2 전기 브랜치를 따른 커패시턴스와 직렬로 배열된 제 2 인덕턴스를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 모듈은 각각의 인덕턴스에 병렬로 연결된 커패시턴스를 포함할 수 있다.
본 발명의 태양에서, 피구동 전기부하는 패시브 필터의 제 1 및 제 2 모듈 사이에 위치된 전기 노드에 연결된다.
이러한 방식으로, 부하에 도달하는 전류 파형에서, 제 1 고조파에 이은 홀수 고조파의 위상은 제 1 고조파의 위상과 자동으로 동위상이 되며, 특히 정사각형/직사각형 파형으로 부하를 구동하는데 특히 유용한다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 구동회로는 패시브 필터의 출력에 직렬로 연결된 조절가능한 리액티브 부하를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 태양은 이중 장점을 제공한다: 즉, 이는 전류 파형의 형상을 변화시키는 것이 필요하다면 패시브 필터의 거동을 맞출 수 있고, 부하가 일정하지 않다면 상류 측 스위칭 회로가 충분히 안정되고 일정한 임피던스를 갖는 전체 부하(피구동 부하 더하기 추가 리액티브 부하)에 전력을 공급하도록 피구동 부하의 발생한 변화를 또한 다룰 수 있다.
일반적으로, 이러한 태양은 모든 기능 조건에서 최대의 효율을 보장하기 위해 부하의 함수로서 구동회로를 조절할 수 있게 한다.
보다 상세하게, 조절가능한 리액턴스 부하는 서로 병렬로 연결된 복수의 전기 브랜치(즉, 적어도 2개 이상의 전기 브랜치)를 포함할 수 있으며, 각각의 전기 브랜치는 패시브 필터의 출력을 기준 전위(예를 들어 접지)와 연결하고, 각각의 전기 브랜치는 적어도 하나의 리액턴스 및 상기 리액턴스와 직렬로 연결된 적어도 하나의 스위치를 더 포함한다.
이러한 방식으로, 스위치를 선택적으로 개폐함으로써 리액티브 부하 실체가 필요에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 상기 구동회로는:
- 패시브 필터의 출력과 피구동 부하 사이에 직렬로 연결된 절연 커패시터; 및
- 상기 절연 캐패시터와 상기 피구동 부하 사이에 포함된 노드에 연결된 제 2 직류 발생기를 더 포함할 수 있다.
이러한 방식으로, 효과적으로 패시브 필터로부터 출력시 전류 파형에 적절한 직류를 더하거나 뺄 수 있으며, 이는 필터로부터 출력시 파에 적절한 음의 전류를 합산하기에 충분하기 때문에 피구동 부하에 또는 음의 전류를 필요로 하는 부하, 예를 들어, III-V 타입의 헤테로 접합(예를 들어, GaN)에 기초한 HEMT 장치를 또한 매우 간단하게 구동시키기 위해 인가되는 전력을 증가시키는데 사용될 수 있다.
일반적으로 이 방안은 전기부하를 구동하는데 효과적으로 사용되는 전류 파형의 전압으로부터 패시브 필터의 입력에서 생성된 전류 파형의 전압 및 전류 레벨 간의 효과적인 분리를 가능하게 한다.
본 발명의 태양에서, 인덕턴스는 직류의 제 2 발생기와 피구동 부하 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
이러한 방식으로, 패시브 필터로부터의 출력에서 구동회로에 의해 발생된 파 (일반적으로 고주파)는 직류 발생기와 음으로 작용하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에서, 회로는 (패시브 필터에 입력시) 전류 파형 발생기의 기준 전위와 부하의 기준 전위 사이에 직렬로 연결된 제 2 절연 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
이러한 방식으로, 패시브 필터와 구동 부하 사이의 갈바닉 디커플링이 발생하므로, 이에 따라 패시브 필터 및 피구동 부하에 대한 매스 기준 및 별도의 전원 장치가 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 :
- 전류 파형을 생성하는 단계;
- 하나 이상의 고조파를 조건화하도록 전류 파형을 필터링하는 단계; 및
- 필터링된 전류 파형을 전기부하에 인가하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 전기부하를 구동하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이 실시예는 상술한 회로와 실질적으로 동일한 이점, 특히 전기부하(들)를 구동하는 전류 파형을 적절히 "형상화"할 수 있는 이점을 얻음으로써, 가장 적합한 형상이 (시간 영역에서) 손실을 최소화하고 및/또는 피구동 부하의 특정 요구에 기초하여 효율 및 구동 효과를 증가시키게 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 방법에서, 필터링 단계는 정사각형/직사각형 형상 또는 적어도 정사각형/직사각형 형상에 충분히 근접한 전류 파형을 출력에 제공할 수 있다.
구동회로와 관련하여 상술한 본 발명의 모든 태양은 본 방법에 대해서도 유효하다.
특히, 상기 방법은, 예를 들어, 직류 발생기에 연결된 액티브 스위치를 온 또는 오프시킴으로써 전류 파형에서 직류 전류를 변환하는 단계를 포함하는 전류 파형의 생성을 포함할 수 있다.
상기 방법은 조절가능한 리액티브 부하를 패시브 필터와 직렬로 그리고 피구동 부하와 병렬로 연결하여 부하가 변하는 경우를 포함하여 모든 기능 조건에서 최대 효율을 보장할 수 있다.
이 방법은 피구동 부하에 일정 전류를 인가하기 전에 필터링된 전류 파형에 일정 전류를 더하여, 패시브 필터에 입력시 생성된 전류 파형의 전압 및 전류 레벨과 전기부하를 효과적으로 구동하는데 사용된 전류 파형의 전압 및 전류 레벨을 분리시킬 수 있다.
이 방법은 또한 패시브 필터와 구동 부하의 매스 기준과 전원 장치를 분리할 수 있도록 피구동 부하에서 패시브 필터를 갈바닉적으로 분리하는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부도면에 도시된 도면의 도움으로 비제한적인 예로서 제공된 하기의 설명을 읽음으로써 드러날 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 두 실시예에 따른 구동회로의 개략도이다.
도 3은 가능한 피구동 전기부하가 도시된 도 1의 다이어그램이다.
도 4 내지 도 6은 조절가능한 리액티브 부하의 가능한 실시예가 도시된 도 1의 다이어그램이다.
도 7 내지 도 12는 패시브 필터의 6개의 가능한 실시예가 도시된 도 1의 다이어그램이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 두 실시예에 따른 구동회로의 개략도이다.
도 3은 가능한 피구동 전기부하가 도시된 도 1의 다이어그램이다.
도 4 내지 도 6은 조절가능한 리액티브 부하의 가능한 실시예가 도시된 도 1의 다이어그램이다.
도 7 내지 도 12는 패시브 필터의 6개의 가능한 실시예가 도시된 도 1의 다이어그램이다.
도면은 하나 이상의 전기부하(105)를 시간에 따라 가변적인 전류 파형으로 구동하도록 구성된 전기회로(100)를 도시한 것이다.
일반적인 용어로, 전기부하(들)(105)는 하기에 더 상세하게 기술된 바와 같이 실질적으로 임의의 타입, 예를 들어, 저항성 부하, 정전용량성 부하 또는 저항성, 정전용량성 및 유도성 부하의 조합일 수 있다.
드라이버 회로(100)는 주로 전체적으로 110으로 표시된 전류 파형 발생기를 포함한다.
그러나, 도시된 예에서, 발생기(110)는 제 1 단자가 적절한 기준 전위(120), 예를 들어 접지에 연결되고 제 2 단자가 참조부호 125로 전체적으로 표시되는 스위칭 회로에 연결된 직류 발생기(115)를 포함하고, 상기 스위칭 회로는 발생기(115)에 의해 생성된 직류 전류를 전류 파형, 즉 각각의 전류 펄스가 입력시 직류 전류의 엔티티에 따라 그리고 스위칭 회로(125)의 타입에 따라 뿐만 아니라 상기 회로(125)가 구동되는 방식에 따라 가령 실질적으로 반드시 0 값일 필요는 없으나 최소값에서 최대값으로 변하는 일련의 전류 펄스로 변환할 수 있다.
직류 발생기(115)는 예를 들어 배터리일 수 있지만, 교류 전원에 의해 생성된 교류를 정류하는 방식으로 교류 전원, 예를 들어 일반적인 230V 및 50Hz 전기 분배망에 연결될 수 있는 단일 다이오드, 이중 결합 다이오드, 동기 정류기 또는 다른 정류기를 갖는, 가령, 다이오드 브릿지 정류기일 수 있다. 안정화 필터는 정류기의 바로 하류에 있을 수 있다. 이러한 두 번째의 경우에서, 발생기(115)는 AC/DC 컨버터로서 보다 적절하게 구성될 것이다.
스위칭 회로(125)는 제 2 발생기 단자(115)에 연결된 통상적으로 초크 또는 피드 인덕턴스라고 하는 인덕턴스(130)를 포함할 수 있다. 상기 인덕턴스(130)와 직렬로, 스위칭 회로(125)는 제 1 단자(예를 들어, N형 MOSFET에 대한 드레인)가 인덕턴스(130)의 출력 단자에 연결되고, 제 2 단자(예를 들어, N형 MOSFET의 경우 소스)가 발생기(115)의 기준 전위(120)에 연결되며, 제 3 구동 단자(예를 들어 FET형 트랜지스터의 경우에 게이트 또는 BJT형 트랜지스터의 경우에 베이스)가 신호 발생기 또는 드라이버(140)에 연결된 액티브 스위치(135), 예를 들어 BJT, MOS, IGBT 트랜지스터, 릴레이, 고체상태 릴레이, MEMS, HEMT, HBT 스위치 또는 다른 스위치를 포함할 수 있다. 드라이버(140)는 발생기(115)와 동일한 기준 전위(120)로 참조될 수 있거나, 기준 전위(120)와 절연되고 별개일 수 있어 이에 따라 트랜스포머, 광커플러, 정전용량성 절연, 적절한 증폭 스테이지 등에 의해 연결될 수 있으며, 적절한 전기 드라이버 신호, 예를 들어 액티브 스위치(135)를 온시키고(즉, 포화시키고) 오프시킬 수 있는(컷오프되게 할 수 있는) 기설정된 듀티 사이클을 갖는 정사각파/직사각형 파형을 액티브 스위치(135)의 구동 단자에 인가할 수 있는 전기/전자 장치(140)이다.
인덕턴스(130)와 액티브 스위치(135) 사이의 중간 노드에 리액턴스, 예를 들어 커패시턴스(145)가 연결될 수 있으며, 액티브 스위치의 제 2 단자는 발생기(115)와 동일한 기준 전위(120)에 연결된다. 이런 식으로, 커패시턴스(145)는 인덕턴스(130)와 직렬로 연결되지만 액티브 스위치(135)와 병렬로 연결된다.
대안으로, 발생기(110)는, 예를 들어 제 2 스위치가 인덕턴스(130)를 대체하는 하프-브릿지 또는 완전한 H 브릿지에 기초한 전형적인 선형 또는 스위칭 증폭 다이어그램에 기초한 교류 전류의 종래의 발생기일 수 있다.
예를 들어, 도 2는 스위칭 회로(125)가 서로 직렬로 배열되고 직류 발생기(115)와 직렬로 배열된 2개의 액티브 스위치(135A 및 135B)를 포함하며, 액티브 스위치가 번갈아 스위치 온오프하는 식으로 드라이버(140)에 의해 구동되는, 즉, 스위치(135A)가 온일 때 스위치(135B)는 오프이고, 반대의 경우도 마찬가지인 하프-브릿지로 제조되는 방안을 도시한 것이다.
이 경우에도 역시, 상술한 바와 같이, 커패시턴스(145)가 또한 연결될 수 있는 액티브 스위치(135A, 135B) 사이의 중간 노드와 발생기(110)의 출력 노드가 또한 연결될 수 있다.
구동회로(100)는 전체적으로 150으로 표시되는 패시브 필터를 더 포함하며, 상기 패시브 필터는 인덕턴스(130)와 액티브 스위치(135)(또는 2개의 액티브 스위치(135A 및 135B))가 연결된 중간 노드에 연결된 입력 단자와, 피구동 부하(105)에 직렬로 연결된 출력 단자를 포함한다. 패시브 필터(150)는 또한 제 3 단자가 발생기(115)의 동일한 기준 전위(120)에 연결될 수 있다.
패시브 필터(150)는 일반적으로 리액티브성, 정전용량성 및 유도성 구성부품을 포함하고, 또한 가능하게는 저항소자를 포함할 수 있다.
제어하에 조절가능한 가변 커패시턴스 또는 다른 적절한 리액티브 부하(155)가 패시브 필터(150)에 연결될 수 있으며, 패시브 필터(150)는 발생기(115)와 동일한 기준 전위(120)에 연결된 제 2 단자를 갖는다.
구동회로(100)는 패시브 필터(150)의 출력과 피구동 부하(105) 사이에 직렬로 연결된 절연 커패시터(160)를 더 포함할 수 있다. 이러한 식으로, 절연 커패시터(160)는 구동회로(100)를 적절한 전류 파형을 생성할 수 있는 1차 회로(커패시터(160)의 상류)와 제 1 커패시터와 전기적으로 절연되고 전류 파형을 부하(105)로 전달할 수 있는 2차 회로(커패시터(160)의 하류)로 구분한다.
이에 대해, 피구동 부하(105)가 발생기(150)의 기준 전위(120)와 다른 기준 전위(120')를 참조하게 하여, 1차 회로를 2차 회로에서 완전히 분리하는데 유용한 제 2 절연 커패시터(165)가 현시점에 또한 있을 수 있다. 이는 특히 가령 전력 회로 상에 고전류 또는 고전압 값이 있고 일반적으로 특히 과도한 텐션에 민감한 로직 부분을 보존하는 것이 바람직할 때 유용하다.
따라서, 제 2 절연 커패시터가 있다면, 상기 제 2 절연 커패시터(165)는 제 1 단자가 발생기(115)의 기준 전위(120)에 연결되고 제 2 단자가 부하(105)의 기준 전위(120')에 연결된다. 다른 한편으로 제 2 절연 커패시터(165)가 없다면, 부하(105)의 기준 전위는 발생기(115)의 전위와 일치해야 하는 것이 명백하다.
여하튼, 절연 커패시터/들(160/165)은 부하(105)가 구동되는 파형을 크게 바꾸지 않으나 패시브 필터(150)로부터 2차 회로에 나타난 별도의 전류로 출력시 발생된 전류 파형의 합산을 가능하게 하도록 충분히 클 수 있다.
대안으로, 절연 커패시터/들(160/165)은 리액티브 회로의 나머지 부분과 상당히 상호작용하는 치수일 수 있다. 이 타입의 치수는 주어진 성능에 대한 회로의 부피를 최소화하는 데 특히 유용할 수 있다
구동회로(100)의 2차 회로는 제 1 단자가 피구동 부하(105)의 기준 전위(120')에 연결되고 제 2 단자가 절연 캐패시터(160) 및 부하(105) 사이에 포함 된 전기 노드에 연결된 제 2 직류 발생기(170)를 포함할 수 있다.
이러한 방식으로, 발생기(170)는 패시브 필터(150) 하류의 1차 회로에 의해 생성된 전류에 적절한 직류를 합하거나 빼는데 유용할 수 있다.
일반적으로 고주파 영역에서 동작하는 구동회로(100)의 1차 회로가 발생기(170)와 상호 작용하는 것을 방지하기 위해, 발생기(170)와 부하(105) 사이에, 보다 정확하게는 절연 캐패시터(160)와 부하(105) 사이에 포함된 노드와 발생기(170) 사이에 직렬로 연결된 인덕터(175)를 포함하는 것이 유용할 수 있다.
이 인덕터(175)는 패시브 필터(150)로부터 나온 모든 고주파를 차단할 정도로 충분히 클 수 있다.
기능
드라이버(140)에 의해 구동되는 인덕턴스(130) 및 액티브 스위치(135)로 구성된 시스템은 스위칭 모드로 동작하여, 시간 영역에서 패시브 필터(150)를 가로지르는 전류 파형을 생성한다.
실제로, 액티브 스위치(135)가 온되는 시간 동안, 인덕턴스(130)가 부하가 걸리는 반면, 액티브 스위치(135)가 오프되는 시간 동안 인덕턴스(130)는 패시브 필터(150)에 부하가 걸리지 않는다. 따라서, 인덕턴스(130)는 상기 인덕턴스(130)의 치수의 함수인 리플(ripple)을 갖는 전류 발생기로서 제 1 근사로 거동한다. 이는 가령 시스템의 부피를 최소화할 목적으로 또는 인덕턴스(130)를 구성하는 도체의 섹션을 증가시키는 목적으로, 전체 공진 시스템의 통합부를 만들어 인덕턴스(130)의 치수를 최소화하고 따라서 기생 손실을 줄이고 시스템의 에너지 효율을 증가시키는 것이 얼마나 유용한지 강조된다.
액티브 스위치(135)와 병렬로 위치된 커패시턴스(145)는 스위칭 회로(125)의 에너지 효율을 최대화할 수 있어서, 액티브 스위치(135)의 온 및/또는 오프 스위칭시에 인덕턴스(130)와 액티브 스위치(135)를 연결하는 동일한 시간에 노드에 높은 텐션과 전류가 없는 것을 보장한다. 고주파에서, 커패시턴스(145)가 물리적으로 존재하지 않을 수 있지만, 종종 회로의 정확한 튜닝에 필요한 커패시턴스와 동일한 크기의 차수를 갖기 때문에, 스위치(135)의 기생 커패시턴스가 동일한 목적으로 사용되는 것이 가능하다.
그런 후, 스위칭 회로(125)에 의해 생성된 전류 파형은 패시브 필터(150)에 의해 적절하게 변경/조건화되어, 시간 영역에서 미리 결정된 파형을 갖는 전류 파형으로 부하(105)에 전력이 공급된다.
특히, 패시브 필터(150)는 적절하게 연결된 인덕터 및 커패시터를 포함하는 공진형 리액티브 필터일 수 있으며, 이는 입력에 수신된 전류 파형의 적절한 고조파를 증폭시키고, 부하(105)가 제공되어야 하는 파형의 함수로서 다른 모든 것들은 감쇠시킬 수 있다.
바꾸어 말하면, 스위칭 회로(125)에 의해 생성된 파형에 따라, 패시브 필터(150)는 미리 결정된 형태를 가지며 부하(105)를 구동시키는 것에 대응하는 필터링된 전류 파형을 출력에 제공하도록 튜닝될 수 있다.
예를 들어, 정사각파/직사각파로 부하(105)를 구동하는 것이 요구된다면, 패시브 필터(150)는 기본 고조파의 1/3 증폭에 해당하는 3차 고조파, 기본 고주파의 1/5에 해당하는 5차 고조파, 등등의 증폭 인수와 함께, 그리고 모든 또는 많은 동일한 고조파들을 동시에 완전히 또는 거의 완전하게 흡수하는 방식으로 신호의 기본 주파수 및 모든 또는 다수의 홀수 고조파를 증폭하도록 튜닝될 것이다.
상기 필터(150)에 의해 적절히 조건화된 고조파의 개수가 더 많을수록 출력 파와 원하는 파, 예를 들어 정사각파와의 유사성이 더 양호해진다.
명백하게, 출력에서 원하는 신호를 변경함으로써, 결과적으로, 특히 입력 신호를 증폭 또는 감쇠하도록 필터(150)를 튜닝함으로써 패시브 필터(150)의 튜닝을 변경하여, 출력시 원하는 전류 파형의 스펙트럼 내용을 가능한 한 충실하게 재현할 필요가 있다.
여하튼, 패시브 필터(150)의 리액티브 성분의 튜닝은 본 발명의 목적이 제로 전압 스위칭(ZVS) 모드에서 그리고 이에 따라 스위치를 온/오프 스위칭하는 단계 동안 무전압으로 동작하는 것이 더 쉽고 더 편하더라도 ZCS(Zero Current Switching) 모드 또는 ZVS(Zero Voltage Switching) 모드로 구현될 수 있다.
이와 관련해, 조절가능한 리액티브 부하(155)는 2개의 가능한 기능을 제거 할 수 있다. 제 1 기능은 부하(105)의 구동 파형을 변화시킬 필요가 있을 때(예를 들어, 원하는 듀티 사이클이 변경되거나 일반적으로 더 바람직한 파형인 경우) 패시브 필터(150)를 적응시킬 가능성과 관련된다. 조절가능한 리액티브 부하(155)의 제 2 기능은, 일정하지 않으면, 부하(105)의 최종 변화를 보상할 가능성에 있으며, 패시브 필터(150)는 충분히 안정하고 일정한 임피던스를 갖는 부하에 전력을 공급하도록 요구된다.
전반적으로, 구동회로(100)는 원하는 파형을 얻기 위해 적절하게 캘리브레이션된 각각의 고조파에 대한 이득과 함께 선택적으로 대상 고조파에 대한 공진 소프트 스위칭 증폭기로서, 그리고 부하(105)에 대한 바람직하지 않는 고조파에 대한 소프트 스위칭 댐퍼로서 간주될 수 있다. 또한, 바람직하지 않은 고조파에 관해서는, 패시브 필터(150)가 리액티브 단락 회로로서 거동하고, 따라서 에너지 발산없이 이에 따라 고효율을 유지하며 바람직하지 않은 고조파를 완전히 흡수할 수 있기 때문에, 구동회로(100)는 고효율을 갖는다는 점에 유의해야 한다.
구동회로(100)는 패시브 필터(150)가 기본 고조파에 대해 더 큰 고조파를 부하(105)에 공급하기 때문에 D, E, F, E/F, E-1, F-1 급 또는 다른 유사한 회로의 공진 증폭기와 같은 다른 증폭기와 구별되고, 각각의 고조파는 정확히 간단한 사인파 형태와는 다른 부하 파형을 얻을 수 있도록 적절하게 증폭 또는 감쇠되며, 이는 대신 용이하고 즉각적으로 구현하는 것으로 잘 알려진 현재 회로의 특별한 경우를 구성한다.
특히, 패시브 필터(150)는 피구동 부하(105)에 요망하는 구동신호를 구성하는데 유용한 적절하게 증폭 또는 감쇠된 고조파를 공급하고, 동시에 이론상 100%에 도달할 수 있고 실제 효율이 90% 이상인 에너지 효율을 보장한다.
하기의 내용에서, 구동회로(100)의 다양한 구성요소와 관련하여 더 명확히 설명할 것이다.
피구동 부하
도 3을 참조하면, 피구동 부하(105)는 액티브 스위치, 예를 들어 BJT, MOSFET, IGBT, HEMT, HBT 트랜지스터의 구동 단자, 압전 부하(예를 들어 압전 센서 또는 액츄에이터) 또는 우세한 및/또는 상당한 정전용량 구성요소를 갖는 것을 특징으로 하는 또 다른 부하일 수 있다.
특히, 전기부하는 고주파 신호로, 예를 들면 기본 주파수가 RF 타입 시스템의 경우 MHz, 수십 또는 수백 MHz 또는 심지어 GHz인 신호로 구동되는 MOS 트랜지스터의 구동 단자, 또는 수십 MHz 또는 GHz에 도달할 수 있는 주파수로 구동되는 HEMT 타입의 FET(예를 들어, GaN)의 구동 단자 또는 GHz 주파수보다 높은 주파수로 구동되는 논리 게이트의 게이트일 수 있다.
이와 관련하여, 상술한 구동회로(100)는 심각한 문제를 발생시키지 않고 손실을 상당히 감소시키고 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 구동회로(100)는 저손실로 고주파 전력 스위치의 구동 단자를 구동하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 구동회로(100)는 높은 임계 전류(15V 이상)를 특징으로 하며 따라서 실리콘계 반도체와 관련하여 지금까지 매우 많이 페널티화된 SiC와 같은 이진 반도체를 기반으로 하는 MOSFET을 효과적으로 구동하는데 유용할 수 있다.
실제로, 구동회로(100)는 정사각파가 진폭이 크고, 전단의 상승 및 하강 시간이 짧고 RMS 값에 대한 피크 전류가 낮은 MOS를 구동할 수 있게 하여, 동시에 매우 소비가 낮으며 매우 높은 스위칭 주파수를 보장한다 .
다른 실시예에서, 피구동 부하(105)는 메모리, 그래픽 카드 뿐만 아니라 팬 아웃을 향상시키기 위한 적절한 버퍼가 제공되는 클록이 각 로직 구성요소의 논리 게이트에 부하 및 무부하를 걸어야 하는 CMOS 기술로 구현된 현재의 임의의 디바이스를 포함한 최신 마이크로 스위치 또는 마이크로 프로세서 계산 시스템을 구성하는 모든 논리 게이트의 동기화 클록의 경우와 같이 동일한 개수의 트랜지스터의 다수의 구동 단자를 포함할 수 있다.
이 모든 경우에, 부하는 실질적으로 정전용량성이며 각 구동 사이클(예를 들어, 각 클록 사이클)마다 적절한 구동을 통해 각 단일 트랜지스터의 커패시턴스를 부하 및 무부하시켜야 한다. 상술한 구동회로(100)에 의해 이 구동을 실행함으로써, 부하 및 무부하 사이클에 통상적으로 연계된 에너지의 소산을 없애거나 또는 현저히 감소시키는 것이 유리하게 가능하다.
실제로, 액티브 스위치(135), 패시브 필터(150)와 추가 리액턴스(130, 145, 155)의 어셈블리 및 부하 리액턴스(105)로 구성된 시스템은 ZCS 및/또는 ZVS 모드로 기능하고 따라서 부하(105)의 연속적인 부하 및 무부하 사이클과 관련된 손실을 제거할 수 있도록 튜닝된 하나 이상의 주파수를 갖는 공진 시스템을 구성한다. 전체 공진회로가 실제로 부하걸리면, 원하는 고조파에 관해서는 구동회로로부터 부하까지, 그리고 부하 상에 원하지 않는 고조파에 관해서는 구동회로의 리액티브 성분들 중에, 저항성 기생 소자에 손실된 에너지를 제외하고 추가 에너지를 회로에 공급할 필요가 없이 각 고조파의 에너지의 연속적 도약이 있다. 명백히, 필터(150)는 각 고조파의 진폭이 원하는 고조파이도록 보장할뿐만 아니라 부하(105)에 도달해야 하는 고조파에 관해, 심지어 고조파의 위상이 기본 고조파의 위상과 관련해 적절하게 지연되거나 예상되도록 보장해 전체적인 원하는 파형을 부하(105)에 보장하도록 설계되어야 한다.
이러한 타입의 비소산 기능은 액티브 스위치(135)의 소프트 스위칭 구동과 함께 기능의 매우 높은 에너지 절약 및 매우 높은 주파수를 가능하게 한다.
마찬가지로, 구동회로(100)는 매우 많은 논리 게이트(높은 팬-아웃)를 동기시키고 손실을 실질적으로 0으로 할 수 있는 클록을 생성하여 결과적으로 연결된 논리 게이트의 어떤 특정 개수 이상의 클록 신호를 재생하는데 유용한 버퍼링 시스템의 요구를 감소시키는데 사용될 수 있어 전력 손실을 크게 줄인다. 따라서, 현대의 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 또는 클록을 가진 다른 전자 장치는 요즘에는 정전용량성 부하가 초 당 수백만회 부하 및 무부하되고 시스템의 논리 게이트를 구성하는 게이트들의 총합으로 구성되는 정전용량성 부하는 이러한 타입의 손실을 0으로 하는 것을 목표로 하여, 구동회로(100)를 클록으로 사용함으로써 향상될 수 있다.
이 경우에, 조절가능한 리액티브 부하(155)는 주어진 순간에 활성화되는 논리 게이트 개수의 통상적인 가변성을 밸런싱하기 위해 효과적으로 사용될 수 있으므로, 전체적으로 클록 생성 시스템은 실질적으로 일정하고 주어진 순간에 논리 게이트와 별개인 정전용량성 부하를 예측한다.
구동회로(100)를 부하(105)로부터 절연시키고/시키거나 부하(105)를 분극화하기 위해 직류를 변경하는 것이 필요한 경우, 패시브 필터(150)의 출력에서 커패시턴스(160, 165)를 통한 구동 고조파의 통과를 보장하고 인덕턴스(175)를 통해 발생기(170)를 향한 고조파의 통과를 차단하기에 충분히 큰 값으로 치수가 정해진 절연 커패시터(160 및 165) 및 인덕턴스(175)를 직렬로 추가하는 것이 가능하다.
이 다이어그램은 예를 들어 상류 패시브 필터(150)에 의해 생성된 파에 적절한 직류 오프셋을 추가하거나 제거할 수 있게 하며, 또한 구동회로를 부하에서 갈바닉적으로 디커플링하는 데 유용하다.
이 다이어그램은 가령 특정 스위치에 연결된 온/오프 임계값을 보상하고, 전력단의 간단한 "인에이블" 시스템을 보장할 뿐만 아니라, 부하에 높은 전류가 구동회로 상의 민감한 부품들을 손상시키는 것을 방지하는데 특히 이점적이다.
예를 들어, 스위칭 모드에서 가령 GaN 타입의 HEMT, 또는 통상적으로 ON 채널 및 음의 전류가 컷-오프로 보내지는 필요성을 특징으로 하는 다른 헤테로접합을 토대로 한 스위치를 이용할 수 있도록 음의 오프셋이 이 구동회로에 사용될 수 있다.
따라서, 제안된 시스템은 실리콘 반도체 기반의 논리 스위치나 게이트뿐만 아니라 가령 SiC, GaN, GaAs, AlGaN, AlGaAs, InGaN, InGaP 등과 같은 이진 또는 삼진 반도체에도 효율적인 드라이버 또는 클록 시스템을 구현할 수 있다. .
그러나, 임의의 타입의 부하, 심지어 비정전용량성 부하, 예를 들어, 전기 모터, 솔레노이드, 안테나, 트랜스포머 등과 같은 가령 유도성 또는 저항성 부하를 공급하기 위해 구동회로(100)가 효과적으로 사용될 수 있음에 유의할 필요가 있다.
모든 경우(정전용량성, 유도성 또는 저항성 부하)에서, 구동회로(100)는 부하(105)의 임피던스 값을 튜닝하거나 커패시턴스(145), 패시브 필터 및 조절가능한 리액티브 부하(155)로 구성된 가상 부하에 대해 미미한 부하(105)를 고려하는 것을 포함해 튜닝될 수 있다.
조절가능한 리액티브 부하
도 4를 참조하면, 조절가능한 리액티브 부하(155)는 병렬로 서로 연결된 복수의 전기 브랜치(180)를 포함할 수 있으며, 각각의 브랜치는 (있다면) 제 1 단자가 절연 커패시터(160)의 상류에 패시브 필터(150)의 출력에 연결되고 제 2 단자가 발생기(115)의 기준 전위(120)에 연결된다. 각각의 리액턴스는 각각의 전기 브랜치(180), 예를 들어, 커패시턴스를 따라 삽입되고, 리액티브 스위치(190)는 상기 리액턴스(185)와 기준 전위 사이에 직렬로 위치된다.
스위치(190)는 액티브 스위치, 예를 들어 가능하게는 CMOS, MEMS, 기술의 MOSFET, BJT, 릴레이, 고체 상태 릴레이 또는 임의의 다른 타입의 스위치일 수 있다.
이러한 방식으로, 스위치들(190) 중 하나 이상을 스위치 온함으로써, 각각의 리액턴스들(185)은 부하(105)와 병렬이다. 반대의 경우도 마찬가지로, 스위치(190)가 오프되면, 각각의 리액턴스(185)가 플로팅되고 따라서 스위치-온 스위치(190)에 지향된 리액턴스(185), 부하(105)의 리액턴스 및 패시브 필터(150)의 리액턴스의 합으로 구성된 총 임피던스를 변경하지 못한다. 따라서, 스위치 온 및 스위치 오프 스위치(190)의 개수를 적절히 바꿈으로써, 총 임피던스의 전반적인 제어를 달성한다.
스위치(190)는 스위치(135)를 구동하는 통상적으로 고주파 신호에 대해 완전히 독립적으로 구동될 수 있음을 강조한다.
조절가능한 리액티브 부하(155)는 상대 리액턴스(185) 및 상대 스위치(190)와 함께 전기 브랜치(180) 중 하나만을 포함하거나, 또는 임의의 다른 조절가능한 리액턴스, 예를 들어 하나 이상의 가변 커패시턴스를 포함할 수 있음을 강조하는 것이 더 바람직하다.
예를 들어, 대안은 도 5에 도시된 것일 수 있으며, 조절가능한 리액티브 부하(155)의 각 스위치(190), 예를 들어 조절가능한 부하의 리액턴스를 포함/배제하는데 유용한 상술한 MOSFET 또는 BJT가 리액턴스(185)와 직렬로 연결된 다이오드(300), 예를 들어 커패시턴스 및 리액턴스(185)와 다이오드(300) 사이에 포함된 브랜치(180)의 노드에 연결된 전기 브랜치(305)로 대체된다.
전기 브랜치(305)로, 이 중간 노드에 적절한 디지털 신호를 인가할 수 있다.
이러한 방식으로, 디지털 신호가 충분히 낮은 전류가 되면, 다이오드(300)는 컷오프되고, 리액턴스(185), 예를 들어 커패시턴스는 리액턴스 회로에서 배제된다. 반대의 경우도 마찬가지로, 디지털 신호가 충분히 높은 전류이면, 다이오드(300)는 도전 상태가 되고, 따라서 보상 리액턴스가 시스템의 전체 공진에 개입한다.
전기 브랜치(305)상에 저항(310)과 인덕턴스(315)가 직렬로 배치될 수 있으며, 상기 저항(310)은 다이오드(300)의 분극 전류를 제한하는 반면 인덕턴스(315)는 고주파 신호가 다이오드(300)의 디지털 분극 신호와 상호 작용하는 것을 방지한다.
다수의 이들 회로를 병렬로 사용함으로써, 메인 회로의 부하 또는 파형 변화를 보상할 수 있는 디지털 구동신호의 함수로서 가변 리액턴스를 실현할 수 있다.
추가의 대안이 도 6에 도시되어 있으며, 조절가능한 리액티브 부하(155)는 배리캡 다이오드에 인가되는 전류의 함수인 높은 기생용량을 갖는 배리캡 타입의 다이오드에 의해 실현된다.
예를 들어, 조절가능한 리액티브 부하(155)는 직렬로, 특히 각각의 캐소드를 함께 연결하는 2개의 배리캡 다이오드(320)와, 상기 배리캡 다이오드(320)의 캐소드에 조절가능한 튜닝 전류를 인가할 수 있는 직류 발생기(325)를 포함할 수 있다.
이 경우에도 역시, 발생기(325)가 고주파 신호와 상호 작용하는 것을 방지하기 위해, 인덕턴스(330)가 배리캡(320)의 2개의 캐소드의 연결점과 발생기(325) 사이에 직렬로 삽입될 수 있다.
이러한 방식으로, 리액티브 회로는 실질적으로 배리캡 다이오드(320)의 캐소드에 인가된 DC 전류의 함수인 가변 커패시턴스를 갖는다.
패시브 필터
상술한 바와 같이, 패시브 필터(150)는 스위칭 회로(125)에 의해 생성된 전류 파형의 결정된 고조파를 적절히 증폭하고 다른 것들을 감쇠시키는 것을 목적으로 한다. 이를 수행하기 위해, 패시브 필터(150)는 바람직하게는 정전용량성 및 유도성 타입의 적절한 리액턴스가 직렬 및 병렬로 배치되고, 부하(105)를 구동하기 위해 출력시 원하는 신호를 생성하는데 유용한 기본 주파수에 대해 각각의 고조파의 정확한 레벨의 증폭/감쇠를 얻도록 치수화된 다중 공진 시스템인 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 패시브 필터(150)는 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 서로 연결된 일련의 모듈(195)(즉, 적어도 2개의 모듈)을 구성함으로써 실현될 수 있다.
각각의 모듈(195)은, 인덕턴스(130)와 액티브 스위치135) 사이에 포함된 전기 노드를 갖는 예에서, 전류 파형 발생기(110) 및 다른 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200)와 직렬로 연결된 제 1 전기 브랜치(200)를 포함할 수 있다.
각 모듈(195)은 각각의 제 1 전기 브랜치(200)의 출력 단자에 연결되고 제 1 전기 브랜치(200)를 발생기(115)의 기준 전위(120), 예를 들어 접지에 연결할 수 있는 제 2 전기 브랜치(205)를 더 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 실시예에 따르면, 입력 커패시턴스(210)는 각 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200) 상에 있을 수 있고, 커패시턴스(220)와 병렬로 배치된 인덕턴스(215)를 포함하는 병렬 LC 공진회로가 뒤따른다. 동시에, LC 공진회로는 커패시턴스(225) 다음에 인덕턴스(230)를 포함한 각 모듈(195)의 제 2 전기 브랜치(205)에 있을 수 있다. 각각의 모듈(195)은 가능하게는 또한 직렬 LC 공진회로와 병렬로 배치된 추가 커패시턴스(235)를 포함할 수 있다.
후속 모듈(195) 및/또는 피구동 부하(105)에 연결될 수 있는 각 모듈(195)의 출력 노드는 제 1 전기 브랜치(200)와 제 2 전기 브랜치(205) 사이, 도 4의 에에서 병렬 공진기와 직렬 공진기 사이 노드에 공통으로 구성된다.
패시브 필터(150)를 구현하기 위한 다양한 가능한 회로 구현 및 토폴로지가 존재하며, 이들 모두는 몇몇 고조파의 증폭 및 기본 주파수에 대한 다른 주파수들의 감쇠의 원하는 목적을 달성하기에 적절하게 치수가 정해질 수 있음이 강조된다.
예를 들어, 앞서 설명된 모듈(195)은 시스템에 대한 자유도를 보장하면서도 적절하게 단순화될 수 있고, 다양한 고조파들 사이의 증폭 관계에 대한 제약을 만족시키고 부하(105)에 전력을 공급하기 위한 원하는 파형을 구성하는데 유용할 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에 따르면, 병렬 LC 공진회로만이 커패시턴스(220)에 병렬로 배치된 인덕턴스(215)를 포함하는 각 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200) 상에 삽입되는 한편, 커패시턴스(225)만이 각각의 모듈(195)의 제 2 전기 브랜치(205)에 삽입된다.
도 9에 도시된 실시예에 따르면, 인덕턴스(215)만이 각 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200)에 삽입된 반면, 커패시턴스(235)는 상기 커패시턴스 다음에 인덕턴스(230)를 포함한 직렬 LC 공진회로(225)와 병렬로 각 모듈(195)의 제 2 전기 브랜치(205) 상에 삽입된다.
도 10에 도시된 실시예에 따르면, 인덕턴스(215)만이 각 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200)에 삽입된 반면, 직렬 LC 공진회로만이 커패시턴스(225) 다음에 인덕턴스(230)를 포함한 각 모듈(195)의 제 2 전기 브랜치(205) 상에 삽입된다.
도 11에 도시된 실시예에 따르면, 어떠한 리액티브 구성부품도 각 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200)에 삽입되지 않는 반면에, 직렬 LC 공진회로만이 커패시턴스(225) 다음에 인덕턴스(230)를 포함하는 각 모듈(195)의 제 2 전기 브랜치(205) 상에 삽입된다.
상기 모든 경우에, 피구동 부하(105)는 모듈(195) 중 임의의 하나의 출력 노드에 연결될 수 있다. 구체적으로, 피구동 부하(105)는 각각의 고조파가 원하는 구동 신호를 구성하기 위해 다른 고조파에 대하여 정확한 위상으로 부하(105)에 도달할 수 있도록 선택된 모듈(195)의 출력 노드에 연결될 수 있다.
예를 들면, 전기부하(105)를 (입력시의 파형의 기본 주파수 및 그 파형의 홀수 고조파를 증폭시키고 동일 고조파를 감쇠시킴으로써 얻어진) 정사각파로 구동하는 경우, 부하(105)는 제 1 모듈(195)의 출력 노드, 즉 제 1 및 제 2 모듈 사이에 이점적으로 연결되어, 홀수 고조파가 기본 주파수에 대해 자동으로 모두 동위상이되도록 한다.
미리 선택된 다이어그램이 무엇이든간에, 패시브 필터(150)는 구동회로(100)의 에너지 효율을 높게 유지하기 위해 전체적으로 낮은 기생 값을 갖는 것이 더 바람직하다. 이를 위해,예를 들어 낮은 ESR(등가 직렬 저항) 및 낮은 자체 방전을 제공하는 세라믹 커패시터와 자성 재료의 손실이 낮은 인덕터(예를 들어, 동작시 또는 공기에 또는 비강자성 재료에 실제로 둘러싸여 있는 고주파에 적합한 페라이트)를 사용할 수 있다. 이는 특히 동작시 고주파로 인해 가능한데, 상기 고주파로 예를 들어 커패시턴스 크기가 pF, 수십 pF, 수백 pF 또는 기껏해야 수 pF이고 인덕터의 값이 수 nH에서 최대 uH까지 크기인 부품들로 소형화될 수 있다.
제안된 모든 변형은, 적절한 크기 및 조정이 이루어지면, 구동회로(100)로부터 부하(105)의 갈바니 절연 및 부하에 인가된 DC 값의 시프팅(shifting) 레벨을 동시적으로 수행할 가능성과 함께 고도의 효율성(이상적으로 무손실) 및 부하의 매우 높은 구동 주파수로 피구동 부하(105)에 원하는 파형을 전달할 수 있다.
도 12에 도시된 다른 실시예에서, 패시브 필터(150)는 예를 들어 전송 라인(240)에 의해 분배된 리액턴스 성분을 사용하여 실현될 수 있다.
전송 라인들(240)은 제어적으로 각각의 고조파를 증폭 및 감쇠시키는 목적을 달성하도록 적절하게 치수가 정해진 패시브 필터(150)를 달성하기 위해 예를 들어 동축 케이블, 마이크로 스트립, 트위스트 페어, 쿼드 스타, 트윈 리드, 레처 라인 또는 단일 케이블 라인과 같은 밸런스 라인 또는 심지어 루프형의 다른 타입의 전송 라인의 길이에 기초할 수 있다.
전송 라인(240)은 사실상 자체적으로 분산형 커패시턴스에 병렬로 분포된 적어도 하나의 인덕턴스를 포함하는 모델가능요소이며, 따라서 전송의 기하학적 및 구조적 특성에 의존하는 기본 주파수의 배수인 무한 주파수 값에 대해 공진할 수 있다.
따라서, 하나 이상의 전송 라인(240) 및 가능한 중앙집중된 적응성 리액티브 부하를 적절히 연결함으로써, 구동회로(100)를 실현하는데 유용한 원하는 필터를 얻을 수 있다.
명백히, 상기 기술 분야의 전문가는 다음에 설명하는 본 발명의 청구범위를 망각하지 않고도 상술한 구동회로(100) 및 관련 기능 방법에 기술적으로 적용될 수 있는 본질을 변경할 수도 있다.
Claims (22)
- 적어도,
- 피구동 전기부하(105),
- 제 1 전류 파형의 발생기(110), 및
- 입력에서 상기 발생기(110)와 연결되고 출력에서 피구동 전기부하(105)와 연결되는 패시브 필터(150)를 포함하는, 하나 이상의 전기부하(105)를 구동하기 위한 회로(100)로서,
상기 패시브 필터(150)는 입력되는 제 1 전류 파형의 하나 이상의 고조파들(harmonics)을 조절(conditioning)하여 생성되는 제 2 전류 파형을 발생하도록 튜닝되며,
상기 피구동 전기부하(105)는 액티브 스위치의 구동단자를 포함하고,
상기 패시브 필터(150)는 인덕터와 커패시터를 포함한 공진 리액티브 필터이며,
상기 패시브 필터(150)는 제 1 전류 파형의 제 1 고조파를 배수 인수로 증폭시키고, 제 1 전류 파형의 제 2 고조파를 완전히 감쇠시키며, 제 1 전류 파형의 제 3 고조파를 제 1 고조파의 상기 배수 인수의 1/3인 증폭 인수로 증폭시킴으로써 상기 제 2 전류 파형을 발생하도록 튜닝되고,
상기 제 1 전류 파형의 발생기(110)는:
- 직류 발생기(115); 및
- 직류 발생기로부터 발생한 직류를 제 1 전류 파형으로 변환할 수 있는 스위칭 회로(125)를 포함하고,
상기 스위칭 회로(125)는 적어도 :
- 액티브 스위치(135); 및
- 상기 액티브 스위치(135)를 온오프로 스위치할 수 있는 전기 구동신호를 생성하는 드라이버(140)를 포함하며,
상기 스위칭 회로(125)는 직류 발생기(115)와 액티브 스위치(135) 사이에 직렬로 연결된 인덕턴스(130)를 포함하고, 패시브 필터(150)는 입력 단자가 인덕턴스(130)와 액티브 스위치(135) 사이에 개입된 전기 노드에 연결되고,
패시브 필터(150)는 적어도 제 1 전기 모듈 및 제 2 전기 모듈을 포함하는 복수의 전기 모듈(195)을 포함하며,
상기 제 1 전기 모듈은 적어도 :
- 입력 단자로부터 분기한 제 1 전기 브랜치(200);
- 상기 제 1 전기 브랜치(200)의 출력 단자를 기준 전위에 연결하기 위한 제 2 전기 브랜치(205);
- 상기 제 2 전기 브랜치(205)에 포함된 커패시턴스(225);
- 상기 제 1 전기 브랜치(200)에 포함된 인덕턴스(215); 및
- 상기 제 2 전기 브랜치(205)에 포함된 인덕턴스(230)를 포함하고,
상기 제 2 전기 모듈은 적어도 :
- 상기 제 1 전기 모듈의 제 1 전기 브랜치(200)의 출력 단자에 연결된 제 1 전기 브랜치(200);
- 상기 제 2 전기 모듈의 상기 제 1 전기 브랜치(200)의 출력 단자를 기준 전위에 연결하기 위한 제 2 전기 브랜치(205);
- 상기 제 2 전기 모듈의 상기 제 2 전기 브랜치(205)에 포함된 커패시턴스(225);
- 상기 제 2 전기 모듈의 상기 제 1 전기 브랜치(200)에 포함된 인덕턴스(215); 및
- 상기 제 2 전기 모듈의 상기 제 2 전기 브랜치(205)에 포함된 인덕턴스(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 1 항에 있어서,
각 전기 모듈(195)은 제 1 전기 브랜치(200)의 제 1 인덕턴스(215)에 병렬로 연결된 커패시턴스(220)를 포함하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 1 항에 있어서,
각 전기 모듈(195)은 제 1 전기 브랜치(200)에 포함된 다른 커패시턴스(210)를 포함하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 1 항에 있어서,
피구동 전기부하(105)가 패시브 필터(150)의 제 1 전기 모듈(195)의 제 1 전기 브랜치(200)의 출력 단자에 연결되는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 1 항에 있어서,
패시브 필터(150)의 출력에 연결된 조절가능한 리액티브 부하(155)를 포함하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 5 항에 있어서,
조절가능한 리액티브 부하(155)는 패시브 필터(150)의 출력부를 기준 전위와 연결하고 리액턴스(185)를 포함하는 적어도 하나의 전기 브랜치(180) 및 상기 리액턴스(185)와 직렬로 연결된 적어도 하나의 스위치(190)를 포함하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 5 항에 있어서,
조절가능한 리액티브 부하(155)는 패시브 필터(150)의 출력부를 기준 전위와 연결하고 리액턴스(185)를 포함하는 전기 브랜치(180), 다이오드(300), 상기 리액턴스(185)와 상기 다이오드(300) 사이에 포함된 전기 브랜치(180)의 노드에 연결된 다른 전기 브랜치(305), 및 상기 다른 전기 브랜치(305)에 가해지는 디지털 신호를 포함하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 7 항에 있어서,
저항(310) 및 인덕턴스(315)가 상기 다른 전기 브랜치(305) 상에 직렬로 배열되는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 제 5 항에 있어서,
조절가능한 리액티브 부하(155)는 패시브 필터(150)의 출력부를 기준 전위와 연결하고 함께 연결된 각각의 캐소드들과 함게 전기 브랜치(180) 상에 위치된 2개의 배리캡 다이오드(320)를 포함한 적어도 하나의 전기 브랜치(180), 및 상기 배리캡 다이오드(320)의 캐소드에 조절가능한 튜닝 전류를 인가하기 위한 직류 발생기(325)를 포함하는, 하나 이상의 전기부하를 구동하기 위한 회로. - 삭제
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