KR20080106240A - 인터리브 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터 - Google Patents

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KR20080106240A KR1020087022106A KR20087022106A KR20080106240A KR 20080106240 A KR20080106240 A KR 20080106240A KR 1020087022106 A KR1020087022106 A KR 1020087022106A KR 20087022106 A KR20087022106 A KR 20087022106A KR 20080106240 A KR20080106240 A KR 20080106240A
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인터리브 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터는 스위칭 폴 소자에 있어서의 턴온 스위칭 로스 및 다이오드 역 회복 로스를 실질적으로 감소시키도록 인터리브 방식으로 동작되는 스위칭 폴들을 포함한다. 스위칭 폴은 부하에 소정 전압, 전류 및/또는 전력 파형을 제공하도록 동작되는 브리지 회로 내에 배치된다. 스위칭 턴온 및 다이오드 역 회복 로스를 감소시킴으로써, 본 발명의 소프트 스위칭 파워 컨버터는 보다 높은 스위칭 주파수에서 효율적으로 동작할 수 있다. 본 발명의 소프트 스위칭 파워 컨버터는, 플라즈마 처리, 액티브 정류기, 분산 생성, 모터 구동 및 클래스 D 파워 앰프와 같은 대전력 고전압 응용에 적합하다.
Figure P1020087022106
파형, 브리지 회로, 소프트 스위칭, 파워 컨버터, 클래스 D 파워 앰프, 인터리브 소프트 스위칭

Description

인터리브 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터{INTERLEAVED SOFT SWITHCHING BRIDGE POWER CONVERTER}
본 발명은 일반적으로 스위칭 모드 파워 컨버터에 관한 것으로, 특히 예시적이나, 대전력, 고전압 DC-DC, AC-DC 및 DC-AC 변환에 적합한 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 특정 회로에 적용가능한 최고 주파수에서 스위칭 파워 서플라이를 동작시키는 것이 요망된다. 보다 높은 주파수로 동작시키는 것은 파워 서플라이의 인덕터 또는 커패시터 값이 감소되도록 함으로써, 물리적 크기 및 코스트를 감소시킴은 물론 파워 서플라이의 천이 응답을 향상시킨다. 플라즈마 아크와 같은 부하에 대한 방출에 이용될 수 있는 에너지의 아크를 감소시키는 것도 소망 목표이다. 고주파 동작은, 대용량 커패시터보다 적은 에너지를 저장하는 보다 작은 출력 필터 커패시터의 사용을 가능케 하며, 이는 플라즈마 아크에 공급될 수 있는 에너지를 감소시킨다. 그러나, 동작 주파수가 증가함에 따라 스위칭 손실이 과도하게 높아질 수 있기 때문에, 하드 스위칭 파워 컨버터를 이용하는 스위칭 모드 파워 서플라이에서의 동작 주파수는 제한된다.
AC-DC 및 DC-AC 브리지 파워 컨버터는 일반적으로 하나 이상의 심플 폴(pole) 회로 세트를 포함한다. 예컨대, 하드 스위칭되는 심플 스위칭 폴 회로에 있어서, 스위칭 장치가 양극과 액티브 폴 단자 간에 접속되고, 제2 스위칭 장치가 음극과 액티브 폴 단자 간에 접속된다. 폴 회로의 동작시, 액티브 폴 단자는 스위치들이 교대로 온/오프됨에 따라 포지티브 폴 단자와 네가티브 폴 단자 사이에 교대로 접속된다. 풀 브리지(full-bridge) 컨버터는 2극 회로를 필요로 하고, 하프 브리지(half-bridge) 컨버터는 1극 회로만을 갖는다. 다상 동작을 위해 구성된 브리지 컨버터는 다극 회로들을 갖는데, 예컨대 3상 하드 스위칭 브리지 컨버터는 3개의 액티브 단자를 갖는 3개의 심플 폴 회로를 구비한다. 하드 스위칭 브리지 컨버터가 어떻게 구성되고 이용되느냐에 따라, 파워가 액티브 단자로 흐를 수도 있고 그로부터 흐를 수도 있다. 스위칭 브리지 컨버터의 스위칭 장치는 일반적으로 액티브 스위치((예컨대, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 바이폴라 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터)) 또는 패시브 스위치로 기능하는 다이오드로 실현된다. 그러나, 하드 스위칭 컨버터 회로에 있어서는, 심플 폴 회로의 다른 스위치의 다이오드가 도통하는 동안 심플 폴 회로의 액티브 스위치가 ON될 때 상당한 손실이 초래될 수 있다.
파워 컨버터에 있어서의 스위칭 손실을 피하기 위해 보조 스위치들을 사용하는 소프트 스위칭 인버터 폴들을 채용하기 위한 각종 구조가 설계되고 있다. 보조 스위치들을 필요로 하는 것에 더하여, 이와 같은 소프트 스위칭 브리지 구조는 일반적으로 부가적 코스트를 더하고 순환 전류로 인해 손실이 야기되는 공진 회로를 포함한다.
클래스 D 증폭 회로는 스위칭 주파수에 비해 느린 속도로 변하는 AC 또는 DC 전압 또는 전류를 발생하기 위한 폴 회로(pole circuit)를 사용한다. 예컨대, 클래스 D 오디오 증폭기는 LC 로패스 필터를 통해 부하에 결합된 액티브 단자를 갖는 싱글 하드 스위칭 인버터 폴을 채용할 수도 있다. 또는, DC-DC 컨버터는 필터 인덕터들을 결합하도록 접속된 액티브 단자들을 갖는 2개의 하드 스위칭 인버터 폴 회로를 사용할 수 있다. 이들 폴 회로는 출력 회로에서의 리플을 감소시키는 인터리브 방식으로 스위칭되지만, 그 회로는 소프트 스위칭을 제공하지 않는다.
클래스 D 증폭 회로외 비슷하게, 역 전류(opposed-current) 컨버터는 스위칭 주파수에 비해 느린 속도로 변하는 AC 또는 DC 전압 또는 전류를 발생한다. 이들 컨버터는, 포지티브 폴 회로 및 네가티브 폴 회로로 구성되는 복합 폴 회로를 사용할 수도 있다. 포지티브 폴 단자들이 서로 접속되고 네가티브 폴 단자들이 서로 접속되어 있다. 상기 복합 폴 회로에 대한 액티브 폴 단자로 작용하는 노드와 2개의 인버터 폴들의 각각의 액티브 폴 단자 사이에는 인덕터가 접속되어 있다. 포지티브 및 네가티브 폴 회로에 있어서의 액티브 스위치들은 모두 동시에 온 되며, 이에 따라 출력 전류가 없을 때에도 이들 인덕터에는 상당한 전류가 흘러, 저 효율로 된다.
본 발명은 인터리브 소프트 스위칭 폴들을 갖는 인터리브 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터들을 제공한다. 일반적으로, 본 발명의 파워 컨버터는 전압원에 접속된 하나 이상의 스위칭 폴을 구비한다. 폴들은 스위칭 폴 소자들에 있어서의 턴온 스위칭 로스 및 다이오드 역회복 로스를 실질적으로 감소시키기 위해 인터리브 방식으로 동작된다.
본 발명의 1 실시예에서, 브리지 파워 컨버터는 포지티브 폴 단자, 네가티브 폴 단자 및 액티브 폴 단자를 갖는 적어도 하나의 복합(compopsite) 또는 연합(compound) 스위칭 폴을 구비한다. 각각의 복합 스위칭 폴은 직렬로 접속되고 액티브 단자에 결합된 2개의 스위치로 구성되는 복수의 심플 스위칭 폴을 포함하며, 각각의 스위치는 액티브 또는 패시브로 된다. 패시브 스위치들은 다이오드를 구비하고 액티브 스위치들은 역병렬(anti-parallel) 다이오드를 포함한다. 각 심플 스위칭 폴의 각각의 액티브 단자는 인덕터 조립체의 입력 단자에 접속된다. 복합 스위칭 폴의 액티브 스위치들은, 스위치 도통 인터벌 동안 턴온되는 액티브 스위치의 동작이 다른 스위치의 다이오드가 후속 정류 인터벌 시 턴오프되도록 야기하기 한 인터리브 상태로 동작돤다. 각각의 복합 스위칭 폴의 액티브 단자는 인덕터 조립체의 공통 단자에 접속된다.
본 발명의 각종 실시예에 의하면, 복합 스위칭 폴들은 하프(half) 브리지, 풀(full) 브리지, 또는 다상(poly-phase) 브리지와 같은 브리지 회로에 배치된다. 포지티브 폴 단자들은 함께 접속되어 포지티브 브리지 단자를 형성하고, 네가티브 폴 단자들은 함께 접속되어 네가티브 브리지 단자를 형성한다. 복합 스위칭 폴에 있어서의 스위치들은 브리지를 통한 전원의 흐름을 제어하도록 동작된다. 본 발명의 브리지 컨버터는, 소망 전압, 전류 및/또는 전력 파형을 부하에 제공하도록 동작된다.
스위칭 턴온 및 다이오드 역회복(reverse recovery) 로스를 감소시킴으로써, 본 발명의 소프트 스위칭 파워 컨버터는 보다 높은 스위칭 주파수에서 효율적으로 동작할 수 있다. 본 발명의 소프트 스위칭 파워 컨버터는, 플라즈마 처리, 액티브 정류기, 분산형 생성(distributed generation), 모터 구동 인버터 및 클래스 D 파워 앰프와 같은 대전력 고전압 응용에 매우 적합하다.
도1은 본 발명의 1 실시예에 따른 인터리브 소프트 스위칭 회로를 나타낸다.
도2는 본 발명의 1 실시예에 따른 반복 극성(repetive-polarity) 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로를 나타낸다.
도3 내지 도6은 필터링된 전류를 제공하는 도2의 인덕터 조립체 IA의 각종 실시예의 상세도이다.
도7 내지 도9는 필터링되지 않은 출력 전류를 제공하는 도2의 인덕터 조립체 IA의 각종 실시예의 상세도이다.
도10은 본 발명의 1 실시예에 따른 반복 극성 인터리브 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터를 나타낸다.
도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 교번 극성(alternating-polarity) 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로를 나타낸다.
도12는 본 발명의 1 실시예에 따른 교번 극성 인터리브 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터를 나타낸다.
도13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도1의 반복 극성 인터리브 소프트 스 위칭 폴 회로의 특정 구체예를 나타낸다.
도14는 도13의 반복 극성 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로의 파형들을 나타낸다.
도1은 본 발명의 1 실시예에 따른 인터리브 소프트 스위칭 회로를 나타낸다. 브리지 컨버터 회로(BC)는 스위치 조립체 SA1, SA1', SA2 및 SA2'를 구비하는 스위칭 폴 회로들을 포함한다. 스위치 조립체 SA1, SA1', SA2 및 SA2'의 각각은 역병렬 다이오드와 각각 병렬로 배치된 스위칭 반도체 스위칭 장치 S1, S1', S2 및 S2'를 포함한다. 스위치 S1'과 S2' 및 스위치 S1과 S2는 전압 서플라이(Vin)에 의해 공급되는 플러스 및 마이너스 전압에 걸쳐 각각 배치되는 제1 및 제2 폴 회로를 형성한다. 제어 회로(도시되지 않음)는 스위치 S1, S1', S2 및 S2'의 제어 단자에 접속되고 제어 펄스를 발하여 스위치들의 개폐를 제어한다. 스위치 S1'과 S2'를 포함하는 제1 폴 회로는 인덕터 L1에 접속된 액티브 폴 단자를 갖고 스위치 S1과 S2를 포함하는 제2 폴 회로는 인덕터 L2에 접속된 액티브 폴 단자를 갖는다. 인덕터 L1과 L2의 출력은 메인 인덕터 L0에 접속된다. 브리지 컨버터 회로의 출력 단자(인덕터 L0의 출력)은 부하(도시되지 않음)를 구동한다.
제1 스위칭 사이클에 있어서, 스위치 S1'는 닫히고 플러스 전류가 전압(Vin) 원으로부터 인덕터 L1 및 메인 인덕터 L0를 통해 회로 부하로 흐른다. 스위치 S1'는 제1 스위칭 사이클의 끝에서 개방되며, 그때 인덕터 전류가 스위치 조립체 SA2'의 역병렬 다이오드를 통해 제2 스위칭 사이클 동안 흐른다. 포지티브 부하 전류를 연속적으로 발하도록 스위치 S1'가 다시 닫히기 전에, 스위치 S1은 제3 스위칭 사이클 동안 닫힌다. 전류가 스위치 S1', 인덕터 L2 및 인덕터 L1을 통해 전압(Vin)원으로부터 흐르도록 하여, 스위치 조립체 SA2'의 역병렬 다이오드를 손실이 매우 감소된 상태로 회복시키는 제어된 전류 슬로프(Vin/(L1+L2)를 제공한다. 또한, 그 결과 포지티브 부하 전류를 연속적으로 발하도록 스위치 S1'가 다시 닫힐 때, 스위치 조립체 SA2'의 역병렬 다이오드에 의해 역 회복 전류로서 될 수 있는 S1'를 통해 흐르는 전류량이 상당히 감소된다.
유사하게, 스위치 S1이 개방될 때, 인덕터 전류는 스위치 조립체 SA2의 역병렬 다이오드를 통해 흐른다. 포지티브 부하 전류를 연속적으로 발하도록 스위치 S1'가 닫히면, 제어된 슬로프(Vin/(L1+L2)를 갖는 차단 전류 역시 스위치 S1', 인덕터 L1 및 인덕터 L2를 통해 스위치 조립체 SA2의 역병렬 다이오드에 제공된다. 이는, 스위치 조립체 SA2의 역병렬 다이오드에 의한 역 회복 전류를 감소시킨다. 또한, 스위치 S1이 다시 닫힐 때, 스위치 조립체 SA2의 역병렬 다이오드의 역 회복 손실은 매우 낮다.
브리지 컨버터(BC)의 제어 회로는 소망하는 포지티브 전류 파형을 부하에 제공하기 위한 기간 및 위상에 있어서 스위치 S1 및 S1'의 동작을 조정한다. 비슷하게, 소망하는 네가티브 전류 파형을 부하에 제공하기 위해 스위치 S2 및 S2'가 동작된다. 제1 네가티브 스위칭 사이클에 있어서, 스위치 S2가 닫히고 네가티브 전류가 전압(Vin)원으로부터 인덕터 L1 및 메인 인덕터 L0를 통해 회로 부하로 흐른다. 스위치 S2'는 제1 네가티브 스위칭 사이클의 끝에서 열리며, 그때 인덕터 전류가 스위치 조립체 SA1'의 역병렬 다이오드를 통해 제2 스위칭 사이클 동안 흐른다. 네가티브 부하 전류를 연속적으로 발하도록 스위치 S2'가 다시 닫히기 전에, 스위치 S2는 제3 스위칭 사이클 동안 닫힌다. 전류가 전압(Vin)원으로부터 스위치 S2, 인덕터 L2 및 인덕터 L1을 통해 흘러, 제어된 전류 슬로프(Vin/(L1+L2)를 갖는 차단 전류(shut-off current)가 스위치 조립체 SA1''의 역병렬 다이오드에 제공된다. 비슷하게, 스위치 S2가 열릴 때, 인덕터 전류가 스위치 조립체 SA1'의 역병렬 다이오드를 통해 흐른다. 포지티브 부하 전류를 연속적으로 발하도록 스위치 S2'가 닫히면, 차단 전류가 스위치 S2', 인덕터 L1 및 인덕터 L2를 통해 스위치 조립체 SA1의 역병렬 다이오드에도 제공된다.
인덕턴스 L1 및 L2는 스위칭 천이 동안 전류 슬로프를 제어하며, 그에 의해 다이오드 역 회복 전류와 관련된 손실을 초래한다. L1 및 L2의 값을 선택함으로써, 잔류 다이오드 전류의 양, 즉 부가적 턴온 손실이 제어 및 최소화될 수 있다. L1 및 L2의 값이 클수록 일반적으로 역 회복 및 잔류 전류가 적지만, 천이 시간은 길어진다. 따라서, 스위칭 주파수, 듀티 사이클 제어 범위의 로스, 및 컨버터의 전체 파워 손실들 간의 트레이드 오프를 최적화하도록 값들이 선택된다.
브리지 컨버터(BC)는 소망 전압, 전류 및/또는 전력 파형을 부하에 제공하도록 동작된다. 본 발명의 1 실시예에서, 브리지 컨버터는 예컨대 60Hz에서 저주파 AC파워를 발하도록 동작한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 브리지 컨버터는 예컨대 플라즈마 부하에, 중간 주파수 또는 무선 주파수에서 파워를 발하도록 동작한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 복수의 브리지 컨버터의 각각은 다상 파워 컨버터의 요소로서 동작한다. 1 실시예에서, 도1에 나타낸 바와 같이 3개의 브리지형 컨버터의 각각은 3상 인터리브 인버터의 하나의 레그(leg)로서 배치된다. 도1의 1 실시예와 관련하여 기술되는 바와 같이, 브리지 컨버터들의 스위치는 소망 출력 주파수에서 3상 인버터의 출력으로 3상 전압, 전류 및/또는 전력 파형을 발생하기 위한 기간 및 위상으로 동작 및 레귤레이트된다.
도2는 본 발명의 1 실시예에 따른 반복 극성(repetive-polarity) 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로(RPSSP)를 나타낸다. 복합 폴 회로는, 적어도 2개의 바이폴라 심플 스위칭 폴 회로 BSP1 및 BSP2를 포함한다. 각각의 바이폴라 심플 스위칭 폴 회로는 양극 단자 PPT와 액티브 폴 단자 APT 사이에 접속된 제1 액티브 스위치및, 음극 단자 NPT와 액티브 폴 단자 사이에 접속된 제2 액티브 스위치를 갖는다.
또는, 제N 바이폴라 폴 회로 BSPN에 대해 점선 접속으로 나타낸 바와 같이, N개의 바이폴라 폴 회로 전체에 대해 부가적 폴 회로들이 접속된다. 각 스위칭 폴의 양극 단자 PPT는 양극 단자 PPT4에 접속되고, 각 스위칭 폴의 음극 단자 NPT는 음극 단자 NPT4에 접속된다. 각 바이폴라 폴 회로 BSP1 ... BSPN의 액티브 단자 APT는 유도성 조립체 입력 단자 IAIT1 ... IAITN에서, 인덕터 조립체 IA에 접속된다. 인덕터 조립체 공통 단자 IACT는 반복 극성 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로(RPSSP)의 액티브 폴 단자 APT4에 접속되어 있다.
도2의 실시예는, 처리된 파워를 공유할 수 있는 다중 스위치의 사용을 가능케하면서, 스위칭 손실을 감소시킨다. 예컨대, 컨버터 회로의 스위치들의 전체 수가 2배로 되고, 반면에 컨버터 내의 파워 소비가 동일하게 유지될 경우, 어느 한 스위치로부터의 소비는 스위치들의 냉각을 간단히 할 수 있는 절반으로 감소된다.
도3 내지 도6은 액티브 폴 단자에서 흐르는 전류의 필터링이 요망될 때 도2의 인덕터 조립체(IA)의 다른 예들을 나타낸다. 한쌍의 연속적으로 동작되는 스위칭 폴 회로에 접속된 인덕터 조립체 입력 단자쌍들 간의 인덕턴스 Lii는 소프트 스위칭 동작에 있어서 중요한 파라미터이다. 인덕터 조립체 입력 단자와 인덕터 조립체 공통 단자 IACT간의 인덕턴스 Lic는 소프트 스위칭 폴 회로의 액티브 폴 단자를 통해 흐르는 리플 전류의 크기에 영향을 미친다. 바람직하게는, Lii의 인덕턴스값 은 Ljc의 인덕턴스의 1/5 미만이다.
도3 내지 도6의 인덕터 조립체는 모든 대응하는 단자쌍들 간에 동일한 인덕턴스를 갖도록 구성될 수 있다. 여러 인덕터 조립체에 대한 각종 단자쌍들 간의 인덕턴스가 동등할 경우, 동일한 동작 조건에 대한 컨버터의 파형 역시 동일하게 도고, 각 인덕터 조립체에 저장되는 전체 에너지가 동일하게 된다.
도3은 인덕터 조립체의 구체예 DIA를 나타내며 N개의 개별 정류 인덕터 LC1 ... LCN이 각각의 인덕터 조립체 입력 단자 IAT1 ... IATN과 인덕터 공통 정션 ICJ 사이에 접속되어 있다. 상기 정션 ICJ와 인덕터 조립체 공통 단자 IACT 사이에 메인 컨버터 인덕터 LM이 접속된다. 지나치게 긴 정류 시간을 방지하기 위해, 인덕터 조립체 입력 단자 IAT1과 IAT2 간의 인덕턴스가 이들 단자의 각각과 인덕터 조립체 공통 단자 IACT 간의 인덕턴스의 약 1/5 미만인 것이 바람직하다. 따라서, 도9에 있어서의 정류 인덕터의 인덕턴스는 메인 인덕터 LM의 인덕턴스의 약 1/9 미만인 것이 바람직하다.
도4는 시리즈-에이딩(series aiding) 결합 배치로 접속된 N쌍의 정류 인덕터를 갖는 인덕터 조립체 SAIA를 나타낸다. 하나의 인덕터가 인덕터 조립체 입력 단자 IAIT1A ... IAITNA, IAIT1B ... IAITNB와 인덕터 공통 정션 ICJB 사이에 접속되어 있다. 두개의 권선 이상이 이 형태의 인덕터 조립체에 사용될 경우, 그들은 쌍으로 되어야 하며, 스위칭 시퀀스는 그 시퀀스에 있어서의 모든 연속적인 스위칭 조립체가 역극성의 권선에 접속되도록 순서가 정해져야 한다. 결합 정류 인덕터 LC1A-LC1B ... LCNA-LCNB를 구현하는 두 가장 간단한 방법은 E코어 세트의 센터 레 그 주위에 권선들을 감거나 또는 C코어 세트의 동일측 주위에 권선들을 감는 것이다. 각 쌍의 정류 인덕터 권선들은 타이트하게 결합되는 것이 바람직하다(적어도 0.9의 결합 계수). 정류 인덕터 권선들의 인덕턴스는 거의 같은 것이 바람직하다. 시리즈 에이딩 배치로 접속된 권선들을 타이트하게 결합하기 위해 한쌍의 인덕터 조립체 입력 단자들 간의 인덕턴스는 하나의 권선의 인덕턴스의 4배에 근접한다. 메인 컨버터 인덕터 LMB는 인덕터 공통 정션 ICJB에서의 각 쌍의 권선들간의 공통 접속과 인덕터 조립체 공통 단자 IACTB 사이에 접속되어 있다.
대응하는 입력 단자들 간의 인덕턴스가 같고, 동작 조건들이 같으며, 다이오드들의 피크 역 회복 전류가 다이오드의 순방향 전류에 비해 최소일 때 도3의 정류 인덕터 LC1 .. LCN의 각각에 저장된 피크 에너지는 도4의 결합 정류 인덕터 IC1A-IC1B ... ICNA-ICNB의 각 쌍에 저장된 피크 에너지보다 약간 적다. 이에 따라, 도4의 결합 정류 인덕터의 사이즈는 도3의 개별 정류 인덕터의 같은 수의 조합 사이즈보다 상당히 작게 될 수 있다. 같은 인덕터 조립체 및 같은 동작 조건에 대해, 도4의 대응하는 메인 인덕터 LM에 저장된 피크 에너지보다 약간 많은데 그 이유는 두 구성에 대한 전체 피크 에너지가 같기 때문이다. 그러나, 이 LM에 대한 다소 증가된 에너지 저장 요구는 그의 물리적 크기에 대해 무시할 수 있는 효과를 갖는다.
도5는 3개의 스위칭 조립체에 의해 구동되는 3개의 결합 정류 인덕터 LLC1 ... LLC3를 갖는 인덕터 조립체의 구체예 CCIA를 나타낸다. 이 정류 인덕터들은 3상 변압기에 사용되는 것과 유사한 코어의 3개의 레그 주위에 감긴 3개의 권선으로 구현될 수 있다. 각 권선쌍 간의 결합의 세기는 0.5 미만으로 되어야 하고, 이에 따라 도3의 두개의 개별 인덕터에 비해 이 구성으로 가능한 관련 사이즈 감소가 도3의 두개의 개별 인덕터에 비해 도4의 두개의 타이트하게 결합된 권선에 대해 가능한 관련 사이즈 감소보다 대체로 작게 된다. 각 인덕터 조립체 입력 단자 IAICT1 ... IAICT3와 정션 ICJC 간에 하나의 정류 인덕터가 접속된다. 정션 ICJC와 인덕터 조립체 공통 단자 IACTC 간에 메인 인덕터 LMC가 접속된다.
도6은 두개의 메인 인덕터 권선 LMD1 및 LMD2가 시리즈 오포징(SERIES-OPPOSING) 결합 배치를 갖는 공통 코어 구조상에 감긴 인덕터 조립체 SOIA를 나타낸다. 정류 인덕터들은 없지만, 두 권선 간의 누설 인덕턴스로 인해 다이오드 정류 효과는 여전히 야기된다. 인덕터 조립체 입력 단자 IAITD1 및 IAITD2와 인덕터 조립체 공통 단자 IACTD 간의 인덕턴스는 안 입력 단자와 상기 공통 단자 IACT 간의 인덕턴스의 1/5 미만인 것이 바람직하다. 이들 조건은 결합 계수가 적어도 0.9인 것을 의미한다. 도6의 인덕터 조립체에 동을 이용하는 것은 주권선의 전류가 불불연속으로 되기 때문에 제3도의 것들만큼 좋지 않다. 한쌍의 권선을 갖는 도4에 나타낸 구성은 인덕터 조립체의 바람직한 실시예이다.
도7 내지 도9는 액티브 폴 단자에 흐르는 전류의 필터링이 요구되지 않을 때 도2의 인덕터 조립체 IA의 다른 구체예이다. 도7 내지 도9는, 메인 컨버터 인덕터 LM, LMB 및 LMC가 없는 것을 제외하고 인덕터 조립체 구체예 DIA, SAIA 및 XXIA와 각각 유사한 인덕터 조립체 구체예 DXIA, SAXIA 및 CCXIA를 나타낸다. 도3 내지 도6의 인덕터 조립체에 따라, 한쌍의 연속적으로 동작되는 스위칭 폴 회로에 접속된 인덕터 조립체 입력 단자쌍들 간의 인덕턴스 Lii는 소프트 스위칭 동작에 있어 중요한 파라미터이다. 인덕터 조립체 입력 단자와 인덕터 조립체 공통 단자 IACT 간의 인덕턴스 Lic는 필터링을 제공하기 위한 것이 아니다. Lii 인덕턴스 값들은 Lic 인덕턴스 값들보다 상당히 크다.
인덕터 조립체 IA의 각종 구체예에 있어서 인덕턴스 값들 간의 전술한 바람직한 값들은 메인 인덕터에 있어서의 일반적인 다이오드 정류 시간 및 일반적인 리플 레벨로부터 유도되지만, 이들은 단순히 예시를 위한 가이드 라인으로 설계 조건에 우선적인 것은 아니다.
도10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반복 극성 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터를 나타낸다. 이 형태의 컨버터는, 액티브 브리지 단자에 흐르는 전류의 출력 극성이 스위칭 주파수보다 매우 느린 레이트로 변하는 액티브 정류기 및 모터 구동과 같은 응용에 사용된다. 반복 극성 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터 RPSSB는 적어도 하나의 반복 극성 소프트 스위칭 폴 회로를 구비한다. 도10은 반복 극성 소프트 스위칭 폴 회로 RPSSP1-RPSSP3를 갖는 3상 컨버터를 나타낸다. 각 스위칭 폴의 양극 단자 PPT는 포지티브 브리지 단자 PBT1에 접속되고, 각 스위칭 폴의 음극 단자 NPT는 네가티브 브리지 단자 NBT1에 접속된다. 본 발명의 1 실시예에서, 각각의 반복 극성 소프트 스위칭 폴 회로에서 양극 단자와 액티브 폴 단자 간에 접속돤 SPA 스위치(SPA 위치 스위치)는 제1 시간 간격에 대해 교번 상태로 동작하고 음극 단자와 액티브 폴 단자 간에 접속돤 스위치(SNA 위치 스위치)는 제2 시간 간 격에 대해 교번 상태로 동작한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 각각의 심플 스위칭 폴에 있어서의 SPA 스위치 및 SNA 스위치들은 교대로 온/오프 스위칭되고, 다른 심플 스위칭 폴에 있어서의 대응하는 위치들의 스위치(즉, SPA 또는 SNA)들은 인터리브 스위칭 패턴으로 스위칭된다.
각각의 소프트 스위칭 폴 회로의 액티브 폴 단자 APT는 액티브 브리지 단자 ABT에 접속된다. 액티브 브리지 단자 ABT4-ABT6 사이에 흐르는 파워를 레귤레이트하기 위해 스위칭 패턴이 조정된다. 풀 브리지 컨버터는 두개의 소프트 스위칭 폴 회로를 요하고, 하프 브리지 컨버터는 단 1개의 소프트 스위칭 폴 회로를 갖는다. 도7 내지 도9의 인덕터 조립체는 전류를 평활하게 하기 위해 모터의 인덕턴스가 사용되는 모터 드라이브와 같은 응용에 사용될 수 있다.
도11은 본 발명의 1 실시예에 따른 교번 극성 소프트 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로를 나타낸다. 교번 극성 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로는 PSP1과 같은 포지티브 스위칭 폴 회로 및 NSP1과 같은 네가티브 스위칭 폴 회로를 포함하는 복합 폴 화로이다. 포지티브 스위칭 폴 회로는 SPA 위치에 있는 액티브 스위치 및 SNA 위치에 있는 패시브 스위치를 갖는다. 네가티브 스위칭 폴 회로는 SNA 위치에 있는 액티브 스위치 및 SPA 위치에 있는 패시브 스위치를 갖는다. 각 스위칭 폴의 포지티브 폴 단자 PPT는 포지티브 폴 단자 PPT5에 접속되고, 각 스위칭 폴의 네가티브 폴 단자 NPT는 네가티브 폴 단자 NPT5에 접속된다. 각 스위칭 폴 회로의 액티브 폴 단자 APT는 인덕터 조립체 입력 단자 IAITX1 ... IAITXN에서 인덕터 조립체 IAX에 접속되어 있다. 인덕터 조립체 공통 단자 IACTX는 소프트 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로 APSSP의 액티브 폴 단자 APT5에 접속된다. 인덕터 조립체 IAX는 도6 내지 도9의 인덕터 조립체로 실현될 수 있다.
도12는 본 발명의 1 실시예에 따른 교번 극성 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터 APSSB를 나타낸다. 이 형태의 컨버터는 액티브 브리지 단자에 흐르는 전류의 출력 극성이 스위칭 주파수와 같은 레이트로 변하는 고주파 인버터 응용에 사용된다. 교번 극성 소프트 스위칭 브리지 파워 컨버터 APSSB는 적어도 하나의 교번 극성 소프트 스위칭 폴 회로를 구비한다. 도12는 소프트 스위칭 폴 회로 APSSP1-APSSP3를 갖는 3상 컨버터를 나타낸다. 각 스위칭 폴의 양극 단자 PPT는 포지티브 브리지 단자 PBT2에 접속되고, 각 스위칭 폴의 음극 단자 NPT는 네가티브 브리지 단자 NBT2에 접속된다. 교번 극성 소프트 스위칭 폴 회로의 SPA 및 SNA 스위치들은 교번 상태로 동작한다. 각 스위칭 폴 회로의 액티브 폴 단자 APT는 액티브 브리지 단자 ABT에 접속된다. 액티브 브리지 단자 ABT7-ABT9 간에 흐르는 파워를 레귤레이트하기 위해 스위칭 패턴이 조정된다. 파워의 레귤레이션은, 대칭 및 비대칭 펄스폭 변조, 액티브 브리지 단자들의 전압들 간의 위상각 조정, 및 스위칭 주파수의 변경과 같은 공지 방법에 의해 달성될 수 있다. 풀 브리지 컨버터는 두개의 소프트 스위칭 폴 회로를 요하고, 하프 브리지 컨버터는 단 1개의 소프트 스위칭 폴 회로를 갖는다.
도13은 인덕터 조립체 IA2에 대해 도4에 나타낸 시리즈 에이딩 결하ㅈ 배치를 사용하는 도2의 반복 극성 인터리브 소프트 스위칭 폴 회로의 특정 구체예 RPSSP5 를 도시한다. 도14는 도13에 나타낸 회로의 동작으로부터의 파형들을 나타낸다. 액티브 폴 단자 APT5와 네가티브 폴 단자 NPT5 사이의 전압은 VAPT5로 표시되고, 액티브 폴 단자 APT6과 네가티브 폴 단자 NPT5 사이의 전압은 VAPT6으로 표시된다.
인덕터 공통 정션 ICJ2와 네가티브 폴 단자 NPT5 사이의 전압은 VICJ2로 표시된다. 전류 인덕터에서 ICJ2로 흐르는 전류는 ILC2A 및 ILC2B로 표시된다. ICJ2로부터 인덕터 LM2로 흐르는 전류는 ILM2로 표시된다. 도14의 파형들은 시간 t0로부터 개시하는 한 스위칭 기간, SPA 스위치(SPA5 및 SPA7)에 있어서의 액티브 스위칭 장치(SW5 및 SW7)가 액티브 폴 단자 APT7로부터 흐르는 전류를 제어하고, SNA 스위치(SNA6 및 SNA8)에 있어서의 액티브 스위칭 장치(SW6 및 SW8)가, 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드로 기능하고 대부분의 전류를 수반하는, 대응하는 역병렬 다이오드(APD6 및 APD8)와 실질적으로 동일한 시간에서 동작하는 동작 방식에 대한 시간 TS에서 끝나는 도13의 회로의 동작을 도시한다.
도14를 참조하면, 스위칭 장치 SW5는 시간 t0에서 ON된다. 역병렬 다이오드 APD6를 통하는 전류 IAPD6는, 일반적으로 이 시간에서 매우 적거나 또는 제로로 될 수 있으므로, APD6의 피크 역회복 전류 IRAPD6 역시 매우 적거나 또는 제로로 될 수 있다. 시간 t0에서, 다이오드 APD8을 통하는 전류 IAPD8은, LC2B를 통하는 전류와 같다. SW5의 ON 후, 그를 통하는 전류는 다이오드 APD8에서 증가하여 제로를 통해 감소한다. 암페어/초의 전류 천이의 기울기는 정류 인덕턴스 Lii로 나눠지는 양극과 음극 단자 간의 전압과 같다. Lii의 값은, 역병렬 다이오드에서의 역 회복 전류가 순방향 동작 전류의 피크치보다 매우 적도록 충분히 크게 선택되어야 한다.
SW5이 OFF하면, APT5에서의 전압은 즉시 감쇠(ring down)하고, APD6은 도통하기 시작하여 메인 인덕터 전류 ILM2를 취출한다. 동작 조건에 따라, SW5의 OFF시 LC2B에 흐르는 전류가 적게 될 수도 있다. 그때 LC2B에 흐르는 전류가 적어지면, SW5의 OFF 직후 IAPD7은 적은 역회복 전류로 오프되고 APT6에서의 전압은 APD8이 도통을 개시할 때까지 감쇠한다. 스위치 SW7은 시간 TS/2에서 ON하고, 그때 다이오드 APD8을 통하여 흐르는 전류는 거의 없기 때문에, 시간 T0에서의 SW5와 같이, SW7은 큰 전류 스파이크 없이 ON된다. 정류 인덕터 LC2A를 통한 전류는 APD6이 오프됨에 따라 반전하고, APD6이 최종적으로 오프될 때, 이 전류는 역병렬 다이오드 APD5가 도통할 때까지 APD5에서의 전압을 상승시키도록 한다. SW7이 ON될 때, APT6에서의 전압이 즉시 감쇠하고, APD8이 도통하기 시작하여, 메인 인덕터 전류 ILM2를 취출한다. 동작 조건에 따라, SW7의 OFF시 LC2B에 흐르는 전류가 적게 될 수도 있다. 그때 LC2B에 흐르는 전류가 있으면, SW7의 OFF 직후 IAPD5는 적은 역회복 전류로 오프되고, APT5에서의 전압은 APD6이 도통을 개시할 때까지 감쇠한다.
액티브 폴 단자 APT5를 통해 흐르는 전류의 크기 및 방향은 SNA 스위치 SW6 및 SW8의 듀티 사이클에 대해 SPA 스위치 SW5 및 SW7의 듀티 사이클을 조정함으로 써 제어된다. 소프트 스위칭 폴 회로 RPSSP5는 양방향으로 파워를 처리할 수 있기 때문에, 인버터 및 증폭기 모두에 유용하다. 본 발명의 다른 실시예에서, RPSSP5는 클래스 D 파워 앰프로서 사용된다.
양극 및 음극 단자에 대해 액티브 폴 단자에서의 전압은 정류 인덕터의 효과로 인해 스위치들의 듀티 사이클에 의해 영향을 받는 것에 더하여 액티브 단자에 흐르는 전류에 의해 영향을 받는다. 정류 인덕터로 인한 전압 강하의 평균치는 스위칭 기간 TS로 나뉘는 인덕터 조립체 입력 단자들 Lii 간의 인덕턴스 곱하기 액티브 폴 단자로부터 흐르는 전류의 평균치와 거의 같다. 이 효과는 소프트 스위칭 폴 회로 RPSSP5의 액티브 폴 단자 APT5의 임피던스를 증가시킨다. 정류 인덕턴스가 충분히 클 경우, 이 임피던스는 부품 공차로 인한 전류 공유 이슈에 관련됨이 없이 소프트 스위칭 폴 회로가 병렬로 접속되도록 한다.
도14에 나타낸 스위칭 패턴에 더하여, APT5로부터 흐르는 전류가 포지티브로 되는 것이 알려진 시간 간격 동안에는, SNA 스위치 SW6 및 SW8을 스위칭하지 않으면서 도14에 나타낸 동일한 시간 간격으로, SPA 스위치 SW5 및 SW7을 동작시키는 것이 가능하다. 비슷하게, 전류가 APT5로 흐르는 것이 알려진 시간 간격 동안에는 SPA 스위치 SW5 및 SW7을 OFF로 하면서 SNA 스위치 SW6 및 SW8이 인터리브 방식으로 동작될 수 있다. 많은 경우에, 동작 모드가 SPA 스위치의 스위칭으로부터 SNA 스위치의 스위칭 또는 그 반대로 변경되어야 할 때를 정확히 예측할 수 없는 경우가 있다. 도14의 스위칭 패턴은 이러한 어려움을 피하기 위한 것이다.
동작들의 특정 구성 및 상세를 예시하였으나, 이들 설명은 예시적이며 다른 실시예 및 등가물이 본 발명의 정신 및 관점을 벗어나지 않고 용이하게 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명의 관점 및 정신 내에 들어가는 이와 같은 변형예 및 대안적 구성을 포함한다.

Claims (1)

  1. 부하에 파워를 방출하는 방법으로서,
    (a) 전압 서플라이에 의해 공급된 포지티브 및 네가티브 전압에 걸쳐 배치된 제1 스위칭 폴 회로 및 전압 서플라이에 의해 공급된 포지티브 및 네가티브 전압에 걸쳐 배치된 제2 스위칭 폴 회로를 포함하는 스위칭 회로를 제공하고;
    (b) 상기 스위칭 회로로부터 부하에 전류를 방출하도록 상기 제1 스위칭 폴 회로의 적어도 하나의 스위치를 동작시키고;
    (c) 상기 스위칭 회로로부터 부하에 전류를 다시 방출하도록 상기 제2 스위칭 폴 회로의 적어도 하나의 스위치를 동작시키며, 상기 제2 스위칭 폴 회로의 적어도 하나의 스위치의 동작은, 상기 제1 스위칭 폴 회로에 있어서의 다이오드 역 회복 전류를 실질적으로 감소시키도록 상기 제1 스위칭 폴 회로의 적어도 하나의 스위치의 동작으로 인터리브되는, 부하에 파워를 방출하는 방법.
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