KR20120125768A - Zero voltage discharge circuit having active switching elements of parallel type - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로에 관한 것으로 특히, 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 방전시킬 수 있도록 변압기의 2차측이 풀브릿지 회로로 구성된 이차전지의 방전회로에 관한 것이다. The present invention relates to a zero-voltage discharge circuit having a parallel active switching element, and in particular, the secondary side of the transformer to a full bridge circuit to discharge a small amount of voltage (20% ~ 0%) remaining in the secondary battery It relates to a discharge circuit of a secondary battery configured.
영전압 방전(Zero Voltage Discharge)의 정의는 배터리를 방전하는 과정에 있어서, 배터리 전압이 0V에 도달할 때까지, 전류의 크기가 일정한 정전류 모드(CCM : Constant Current Mode)로 동작하는 것을 의미한다.The definition of zero voltage discharge means that the battery operates in a constant current mode (CCM) with a constant current until the battery voltage reaches 0V.
영전압 방전의 필요성으로서, 표 3에 나타낸 바와 같이, 충방전기는 이차전지(2차 전지)의 제품 제조시 사용되는 일반 충방전(Formation)용과, 제품 설계 및 연구를 위해 좀 더 많은 반복회수 동안 충방전을 반복하는 싸이클러(Cycler)용으로 구분되며, 싸이클러용 장비의 경우 전압 사용범위가 0 ~ 4.5V 이며 보다 낮은 전압까지 하강시켜 방전시켜야 하므로, 사용자의 요구 조건에 부합하기 위하여 영전압 방전 회로 구현이 중요하다.As the need for zero voltage discharge, as shown in Table 3, the charger and discharger is used for general charging and discharging (formation) used in the manufacture of the secondary battery (secondary battery), and for more iterations for product design and research. It is classified as a cycler that repeats charging / discharging, and the cycler equipment has a voltage range of 0 to 4.5V and must be discharged by lowering it to a lower voltage. Implementing a discharge circuit is important.
기존 회로에서 영전압 방전 구현이 안되는 이유로서는, 충방전기의 경우 부하 배선이 길어 (약 6 ~ 10m) 부하 배선에 전류가 도통할 시 전압 강하가 발생하거나 (약 0.7 ~ 1 V), 회로 내부 반도체 소자(다이오드, MOSFET 등)의 도통에 의한 전압 강하가 발생함으로써, 상기 전압 강하 성분들로 인해 배터리 전압이 낮은 영역에서 정전류 방전이 유지되지 못하는 것이다. 이러한 이유로, 종래의 충방전회로에서는 배터리 전압이 2V 이하에서는 정전류로 방전을 유지할 수 없었다. The reason why zero-voltage discharge is not realized in the existing circuits is that the charge / discharger has a long load wiring (approximately 6 to 10 m), and a voltage drop occurs when current flows to the load wiring (approximately 0.7 to 1 V), or the semiconductor inside the circuit The voltage drop caused by the conduction of the device (diode, MOSFET, etc.) occurs, so that the constant current discharge is not maintained in the region where the battery voltage is low due to the voltage drop components. For this reason, in the conventional charging / discharging circuits, the discharge cannot be maintained at a constant current when the battery voltage is 2V or less.
이와 같이, 이차전지의 시험(test)를 위하여 사용되어진 종래의 이차전지 충방전회로는, 이차전지의 일정 전압 이상(예 정격전압의 20%의 전압)까지만 방전시킬 수 있었고 그 이하로는 방전시키지 못하였었다. 따라서 이차전지를 충분히 시험하지 못하는 문제점이 있었다. As described above, the conventional secondary battery charge / discharge circuit used for the test of the secondary battery can only discharge up to a predetermined voltage of the secondary battery (for example, a voltage of 20% of the rated voltage). I couldn't. Therefore, there was a problem in not fully testing the secondary battery.
또한, 종래의 이차 전지 충방전회로는 회로구조상 대용량 충방전기에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.In addition, the conventional secondary battery charging and discharging circuit has a problem in that it is not suitable for large-capacity charging and discharging in the circuit structure.
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 별도의 보조 전원을 추가하지 않은 상태에서 스위칭 동작만으로 방전을 구현하여 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킬 수 있는 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로를 제공하는데 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to implement a discharge only by switching operation in a state in which a separate auxiliary power source is not added, and a small amount of voltage remaining in the secondary battery (20% or less to 0) %) Also provides a zero voltage discharge circuit having a parallel active switching element capable of sufficiently discharging.
또한, 본 발명의 다른 목적은 변압기 1차측 회로와 2차측 회로가 모두 풀브릿지(Full Bridge) 구조이므로, 대용량 충방전기에 적합한 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a zero voltage discharge circuit having a parallel active switching element suitable for a large-capacity charger, since both the transformer primary side circuit and the secondary side circuit have a full bridge structure.
한편, 본 발명의 또다른 목적은 변압기에 걸리는 전압의 극성이 한 주기 내에서 교차되므로 변압기 포화 문제가 해결되어 안전한 특성을 가진 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로를 제공하는데 있다. On the other hand, another object of the present invention is to solve the problem of transformer saturation because the polarity of the voltage across the transformer crosses within one period to provide a zero voltage discharge circuit having a parallel active switching element having a safe characteristic.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로는, 제어 수단으로부터 출력된 제어 신호에 따라, 직류 전원으로부터 출력된 직류 전압을 펄스 파형으로 변환시키는 제1 스위칭 수단과, 상기 스위칭 수단으로부터 수신된 펄스 파형을 받아서, 상기 직류전압보다 작은 크기의 교류전압으로 변압하는 변압기와, 상기 제어 수단으로부터 출력된 다른 제어 신호에 따라, 상기 변압기로부터 출력된 교류 전압을 받아서 평활회로를 거처 직류 파형으로 변환시켜 이차전지에 인가시키거나 상기 이차전지 내의 전압을 모두 방전시키도록 서로 병렬로 배치된 제2 스위칭 수단과 제3 스위칭 수단으로 이루어지며, 상기 제2 스위칭 수단과 제3 스위칭 수단은 상기 이차전지를 방전시키기 위한 펄스 파형을 형성시키도록 각각 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)로 구성된 풀브릿지 스위칭 회로인 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a zero voltage discharge circuit including a parallel active switching device according to the present invention includes a first switching for converting a DC voltage output from a DC power supply into a pulse waveform according to a control signal output from a control means. Means, receiving a pulse waveform received from the switching means, transforming the transformer into an AC voltage having a magnitude smaller than the DC voltage, and receiving an AC voltage output from the transformer according to another control signal output from the control means. A second switching means and a third switching means arranged in parallel with each other so as to convert the smoothing circuit into a direct current waveform to be applied to the secondary battery or to discharge all the voltages in the secondary battery. 3 switching means to form a pulse waveform for discharging said secondary battery Characterized in that each of the four switching devices (Q1, Q2, Q3, Q4) of the switching full bridge circuit composed of (A1, A2, A3, A4).
본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)에는, 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)가 턴온될 경우 전류 경로를 형성시키고 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)가 턴오프될 경우 전류 흐름을 차단하도록 전류 안내용 다이오드(D1, D2, D3, D4)(D5, D6, D7, D8)가 각각 직렬로 접속될 수 있다.In the present invention, the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) include the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4). When turned on to form a current path and the switching element (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3, A4) to turn off the current guide diode (D1, D2, D3, D4) (D5, D6, D7, D8) may be connected in series, respectively.
또한, 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)와 제1 스위칭 수단의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)에는, 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)(S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우 턴온되어 상기 스위칭 소자의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 내부 다이오드(D31, D32, D33, D34)(D41, D42, D43, D44)(D21, D22, D23, D24)가 각각 병렬로 접속될 수 있다.The switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) and the switching elements S1, S2, S3, S4 of the first switching means are provided with the switching elements Q1, Q2, When the Q3 and Q4 (A1, A2, A3, A4) (S1, S2, S3, S4) are turned off, the internal diodes D31, D32, which turn on to form a current flow between the source and the drain of the switching element. D33, D34 (D41, D42, D43, D44) (D21, D22, D23, D24) may be connected in parallel, respectively.
한편, 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)(S1, S2, S3, S4)는 상기 제어 수단에 의해 제어신호를 출력시켜 능동적으로 턴온/턴오프의 제어가 가능한 능동 스위칭 소자이다.On the other hand, the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) (S1, S2, S3, S4) output control signals by the control means to actively turn on / turn off. It is an active switching element that can be controlled.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 변압기 2차측에 각각 4개의 스위칭 소자로 구성된 제2 스위칭 수단과 제3 스위칭 수단을 서로 병렬로 접속시킴으로써, 이차전지의 전압을 0V까지 충분히 방전시킬 수 있고 대용량의 이차전지에도 충방전 시험용으로 사용할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention configured as described above, by connecting the second switching means and the third switching means each consisting of four switching elements on the transformer secondary side in parallel with each other, the voltage of the secondary battery can be sufficiently discharged to 0V, Secondary batteries also have an effect that can be used for charge and discharge testing.
또한, 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킴으로써, 이차전지의 성능 시험시 이차전지의 전압크기에 구애받지 않고 정확한 성능시험을 할 수 있는 효과가 있다. In addition, by sufficiently discharging a small amount of voltage (20% or less ~ 0%) remaining in the secondary battery, there is an effect that can be performed accurately performance test regardless of the voltage size of the secondary battery during the performance test of the secondary battery.
한편, 별도의 보조 전원을 추가하지 않은 상태에서 스위칭 동작만으로 방전을 구현하여 시험 장치의 구성을 간단히 할 수 있는 효과가 있다.On the other hand, it is possible to simplify the configuration of the test apparatus by implementing the discharge only by the switching operation in the state without adding a separate auxiliary power source.
한편, 본 발명에 따른 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로는 변압기 1차 측 회로와 2차 측 회로가 풀브릿지(Full Bridge) 구조이어서 대용량의 전압을 스위칭하기에 적합하므로, 대용량 충방전기에 적합한 효과가 있다.On the other hand, the zero-voltage discharge circuit having a parallel active switching element according to the present invention is a full bridge structure of the transformer primary side circuit and the secondary side circuit is suitable for switching a large capacity voltage, so There is an effect suitable for the discharger.
한편, 본 발명의 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로에 의하면, 변압기에 걸리는 전압의 극성이 한 주기 내에서 교차되므로 변압기 포화 문제가 해결되어 시험 회로의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.On the other hand, according to the zero-voltage discharge circuit having a parallel active switching element of the present invention, since the polarity of the voltage across the transformer crosses within one period, the transformer saturation problem is solved, thereby improving the safety of the test circuit.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로의 충전시의 게이트 파형도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로의 방전시의 게이트 파형도,
도 4는 충전 모드 중 MODE 1에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 5는 충전 모드 중 MODE 2와 MODE 4에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 6은 충전 모드 중 MODE 3에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 7은 방전 모드 중 MODE 1에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 8은 방전 모드 중 MODE 2에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 9는 방전 모드 중 MODE 2에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 10은 방전 모드 중 MODE 4에서의 전류 흐름을 나타낸 도 1의 회로도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라, 스위칭 소자들을 스위칭하기 위한 제어수단과 스위칭 신호 발생수단의 접속 상태를 나타낸 제어블록도.1 is a block diagram of a zero voltage discharge circuit having a parallel active switching device according to an embodiment of the present invention,
2 is a gate waveform diagram during charging of a zero voltage discharge circuit having a parallel active switching device according to an embodiment of the present invention;
3 is a gate waveform diagram during discharge of a zero voltage discharge circuit having a parallel active switching device according to an embodiment of the present invention;
4 is a circuit diagram of FIG. 1 showing a current flow in
FIG. 5 is a circuit diagram of FIG. 1 illustrating current flow in
6 is a circuit diagram of FIG. 1 showing the current flow in
7 is a circuit diagram of FIG. 1 showing a current flow in
8 is a circuit diagram of FIG. 1 showing a current flow in
9 is a circuit diagram of FIG. 1 showing a current flow in
10 is a circuit diagram of FIG. 1 showing a current flow in
FIG. 11 is a control block diagram showing a connection state between a control means for switching switching elements and a switching signal generating means, according to an embodiment of the present invention; FIG.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제어 수단(12)으로부터 출력된 제어 신호에 따라, 후술하는 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)들을 스위칭시키도록 스위칭 신호 발생 수단(14)이 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)의 각 게이트들에 접속되어 있다.1 and 10, the switching elements S1, S2, S3, S4 (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2) to be described later, in accordance with the control signal output from the control means 12. Switching signal generating means 14 switches each of the gates of the switching elements S1, S2, S3, S4 (Q1, Q2, Q3, Q4) A1, A2, A3, A4 to switch A3, A4. Is connected to.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 충방전 회로는 제1 스위칭 수단(4)과, 변압기(6)와, 제2 스위칭 수단(10) 및 제3 스위칭 수단(11) 그리고 인덕터(L) 및 커패시터(C)로 구성되어 있다. 상기 제1 스위칭 수단(4)은 직류 전원(2)으로부터 출력된 직류 전압의 방향을 절환(Switching)시키도록 상기 직류 전원(2)에 접속되어 있다. As shown in FIG. 1, the charge / discharge circuit of the present invention includes a first switching means 4, a
상기 직류 전원(2)은 상기 이차전지를 용이하게 충전시키기 위한 전원으로서, 이차전지의 전압(VB, 2V ~ 5V)의 약 10배 내지 80배의 크기를 가진 20V ~ 400V의 직류 전압(VS)을 출력하도록 사용자측에서 별도로 준비한 직류전원이다. The
상기 변압기(6)는 상기 직류 전원으로부터 출력된 큰 크기의 직류전압을 상기 제1 스위칭 수단(4)을 통해 펄스형태의 교류 전압으로 받아서, 작은 크기의 펄스형태의 교류 전압으로 변압하도록 상기 제1 스위칭 수단(4)에 접속되어 있다. 상기 변압기(6)는 상기 직류전원의 큰 크기의 전압을 이차전지의 작은 크기의 용량에 맞게 충전시키도록, 1차 코일(N1)과 2차 코일(N2)의 권선비율(N1:N2)이 5: 1 내지 20 :1의 크기를 가진 변압기이다. The
상기 제2 스위칭 수단(10) 및 제3 스위칭 수단(11)은 상기 제어 수단(12)으로부터 출력된 다른 제어 신호에 따라, 상기 변압기로부터 출력된 교류 전압을 받아서 평활용 필터를 통해 직류 전압으로 변환시켜 이차전지에 인가시키거나 상기 이차전지 내의 전압을 모두 방전시키도록 서로 병렬로 접속되어 있다.The second switching means 10 and the third switching means 11 receive an AC voltage output from the transformer according to another control signal output from the control means 12 and convert it into a DC voltage through a smoothing filter. In order to be applied to the secondary battery or to discharge all of the voltage in the secondary battery.
상기 제1 스위칭 수단(4)은 상기 직류 전원으로부터 출력된 전압이 상기 변압기(6)에 인가되는 방향을 절환시키는 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)와, 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)와 병렬로 접속되어 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)가 턴오프될 경우에 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 턴온용 다이오드(D21, D22, D23, D24)로 구성되어 있다. 상기 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4)은 상기 스위칭 소자(S1, S2)와 스위칭 소자(S3, S4)가 서로 교번적으로 턴온, 턴오프되는 풀 브릿지 스위칭 회로를 구성한다. The first switching means 4 includes switching elements S1, S2, S3, S4 for switching the direction in which the voltage output from the DC power source is applied to the
풀브릿지 스위칭 회로는 4개의 능동 스위칭 소자가 서로 대칭 형태로 병렬로 접속되어 교번되게 스위칭이 가능하도록 배치된 회로를 의미한다. 능동 스위칭의 의미는 제어 수단(12)에 의해 사용자가 원하는 주기 및 타이밍에 따라 스위칭 소자를 스위칭하는 것을 의미한다. The full bridge switching circuit refers to a circuit in which four active switching elements are arranged to be alternately switched by being connected in parallel to each other in a symmetrical form. Active switching means switching of the switching elements by the control means 12 in accordance with the period and timing desired by the user.
상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)는 상기 제어수단(12)에 의해 제어신호를 출력시켜 능동적으로 턴온/턴오프의 제어가 가능한 능동 스위칭 소자이며, 이 능동 스위칭 소자들은 예를 들면 FET(전계효과 트랜지스터, Field Effect Transistor)이다.The switching elements S1, S2, S3 and S4 (Q1, Q2, Q3 and Q4) A1, A2, A3 and A4 output a control signal by the control means 12 to actively turn on / turn off. An active switching element capable of controlling of the active element is an FET (Field Effect Transistor), for example.
상기 턴온용 다이오드(D21, D22, D23, D24)는 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4) 각각의 내부에 설치된 내부 다이오드로서, 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 턴오프시 전류의 흐름을 안내하는 다이오드이다.The turn-on diodes D21, D22, D23, and D24 are internal diodes installed in each of the switching elements S1, S2, S3, and S4, and currents when the switching elements S1, S2, S3, and S4 are turned off. The diode to guide the flow of.
상기 제2 스위칭 수단(10)과 제3 스위칭 수단(11)은 상기 이차전지를 방전시키기 위한 펄스 파형을 형성시키도록 각각 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)로 구성된 풀브릿지 스위칭 회로로 구성되어 있다. The second switching means 10 and the third switching means 11 respectively comprise four switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 (A1, A2, A3) to form a pulse waveform for discharging the secondary battery. It is composed of a full bridge switching circuit composed of A4).
상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)에는, 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)가 턴온될 경우 전류 경로를 형성시키고 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)가 턴오프될 경우 전류 흐름을 차단하도록 전류 안내용 다이오드(D1, D2, D3, D4)(D5, D6, D7, D8)가 각각 직렬로 접속될 수 있다.The switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) have a current path when the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) are turned on. And the current guiding diodes D1, D2, D3, D4 (D5, D1) to block current flow when the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) are turned off. D6, D7, and D8 may be connected in series, respectively.
상기 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)에 직렬로 접속된 다이오드(D1, D2, D3, D4)들과, 상기 제3 스위칭 수단(11)의 스위칭 소자들 (A1, A2, A3, A4)에 직렬로 접속된 다이오드(D5, D6, D7, D8)의 설치 방향은 각각의 스위칭 소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)이 턴오프시 내부 다이오드 (D31, D32, D33, D34)(D41, D42, D43, D44)의 경로 형성을 막기 위해 내부 다이오드 (D31, D32, D33, D34)(D41, D42, D43, D44)의 방향과 반대로 설치되어 있다.Diodes D1, D2, D3, D4 connected in series with the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 of the second switching means 10, and the switching elements of the third switching means 11. The installation directions of the diodes D5, D6, D7, and D8 connected in series to the fields A1, A2, A3, and A4 are the respective switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 (A1, A2, A3, A4) prevents internal diodes D31, D32, D33, D34 (D41, D42, D43, D44) from forming paths when turned off (D41, D42, D43) It is installed opposite to the direction of D44).
또한, 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)에는, 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)가 턴오프될 경우 턴온되어 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)의 소오스와 드레인 사이에서 전류 흐름을 형성시키는 내부 다이오드(D21, D22, D23, D24)(D31, D32, D33, D34)(D41, D42, D43, D44)가 각각 병렬로 접속되어 있다.Further, the switching elements S1, S2, S3, S4 (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3, A4) include the switching elements S1, S2, S3, S4 (Q1, Q2). , Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) is turned off and the switching elements (S1, S2, S3, S4) (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3, A4) Internal diodes D21, D22, D23, and D24 (D31, D32, D33, and D34) (D41, D42, D43, and D44) which form a current flow between the source and the drain of the C1 are connected in parallel.
상기 다이오드들(D21, D22, D23, D24)(D31, D32, D33, D34)(D41, D42, D43, D44)의 설치 방향에 대해서 언급하면, 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)가 턴오프될 경우 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)의 소오스와 드레인 사이에 형성되는 전류 방향과 일치하는 순서로, 상기 다이오드(D21, D22, D23, D24)(D31, D32, D33, D34)(D41, D42, D43, D44)의 애노드와 캐소드가 상기 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)에 접속되어 있다. Referring to the installation direction of the diodes (D21, D22, D23, D24) (D31, D32, D33, D34) (D41, D42, D43, D44), the switching elements (S1, S2, S3, S4) When (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3, A4) is turned off, the switching elements S1, S2, S3, S4 (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3) , Anodes of the diodes D21, D22, D23, and D24 (D31, D32, D33, and D34) (D41, D42, D43, and D44) in an order consistent with the current direction formed between the source and the drain of A4. And cathode are connected to the switching elements S1, S2, S3, S4 (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3, A4).
도 1에서 커패시터(C)는 상기 이차전지(8)에 충전되는 전압의 파형을 안정화시키기 위한 전압 안정화 커패시터이다.In FIG. 1, the capacitor C is a voltage stabilizing capacitor for stabilizing the waveform of the voltage charged in the
인덕터(L)는 충전시 변압기에서 출력된 펄스 형태의 전압을 받아 평활시켜서 직류 전압을 이차전지(8)로 전달하며, 방전시 상기 이차전지(8)로부터 방전되는 에너지를 승압하여 변압기(6)를 통해 직류 전원(2)으로 방전 에너지를 전달시키도록 상기 제2 스위칭 수단(10) 및 제3 스위칭 수단(11)과 이차전지(8) 사이에 설치되어 있다. The inductor L receives and smoothes a pulse-type voltage output from the transformer during charging to transfer the DC voltage to the
이하 상기와 같이 구성된 본 발명의, 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로의 동작을 도 2, 도 3의 파형도와, 표 1 및 표 2의 설명 그리고, 도 4 내지 도 10의 회로도를 참조하여 설명한다.The operation of the zero-voltage discharge circuit having a parallel active switching element of the present invention configured as described above will be described with reference to the waveform diagrams of FIGS. 2 and 3, the description of Tables 1 and 2, and the circuit diagrams of FIGS. 4 to 10. It demonstrates with reference.
먼저 충전 동작에 대해 설명한다. First, the charging operation will be described.
도2, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 충전 모드의 MODE1 ~ MODE4에서 변압기 2차측에서는 제3 스위칭 수단(11)의 스위칭 소자(A1, A2, A3, A4)들은 모두 턴온 상태이고, 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)들은 모두 턴오프상태이다. 따라서 충전 모드에서는 전류 경로가 제2 스위칭 수단(10)을 통해서만 형성된다. As shown in Figs. 2 and 4 to 7, the switching elements A1, A2, A3, and A4 of the third switching means 11 are all turned on at the secondary side of the transformer in MODE1 to MODE4 in the charging mode. The switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 of the second switching means 10 are all turned off. Therefore, in the charging mode, the current path is formed only through the second switching means 10.
제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자(S1, S4)(S2, S3)들은 교번적으로(alternatively) 스위칭한다. The switching elements S1, S4, S2, S3 of the first switching means 4 alternately switch.
상기 변압기(6)의 1차측에서, 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자들(S1, S4)(S2, S3)은 듀티비 0.5 이하로 스위칭 동작을 함으로써, 1차 측 변압기에 구형파(+VS, 0, -VS, 0) 전압을 생성시킨다. On the primary side of the
상기 변압기(6)의 2차 측에서, 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자(A1, A2, A3, A4)는 턴온상태를 유지함으로써, 다이오드(D5, D6, D7, D8)를 통해 교류 전압 파형을 구형파 직류 파형으로 정류시켜 출력함과 동시에, 인덕터(L)에 저장된 에너지의 방출 경로를 형성시킨다. On the secondary side of the
충전 모드의 동작 과정을 순차적으로 설명하면, 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 11의 제어 수단(12)으로부터 스위칭신호 발생수단(14)으로 도 2의 충전 모드에 대응하는 스위칭 제어신호가 출력된다. 도 2의 MODE 1의 초기시점에서, 상기 스위칭신호 발생수단(14)으로부터 상기 스위칭 소자(S1, S4)(A1, A2, A3, A4)의 게이트로 턴온 신호가 출력됨과 동시에, 상기 스위칭 소자(S2, S3)(Q1, Q2, Q3, Q4)로 턴오프 신호가 출력된다. 그러면 상기 스위칭 소자(S1, S4)(A1, A2, A3, A4)가 턴온됨과 동시에, 스위칭 소자들(S2, S3)(Q1, Q2, Q3, Q4)은 턴오프된다. Referring to the operation of the charging mode sequentially, first, as shown in FIG. 4, the switching control signal corresponding to the charging mode of FIG. 2 is transferred from the
본 발명의 실시예에서, 펄스의 한 주기(TS)내에서 변압기를 리셋시키기 위해 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 듀티비는 50% 이내로 제한한다. 상기 듀티비의 의미는 임의 펄스의 한 주기에 대해서 상기 펄스가 ON 상태인 시간의 비율을 의미한다.In the embodiment of the present invention, the duty ratio of the switching elements S1, S2, S3, S4 is limited to within 50% to reset the transformer in one period TS of pulses. The duty ratio means the ratio of the time that the pulse is ON for one period of the arbitrary pulse.
그러면 도 4에 나타난 바와 같이, 제1 스위칭 수단(4)에서는 직류전원의 + 단자 스위칭 소자(S1) 변압기의 1차 코일(N1)의 상측단자 변압기의 1차 코일(N1)의 하측단자 스위칭 소자(S4) 직류전원의 - 단자로 흐르는 폐회로가 형성되면서 변압기(6)에 전류가 흐른다. 4, in the first switching means 4, the lower terminal switching element of the primary coil N1 of the primary terminal transformer of the primary coil N1 of the + terminal switching element S1 transformer of the DC power supply. (S4) As the closed circuit flowing to the negative terminal of the DC power is formed, current flows in the transformer (6).
그러면 권선 비율(N1:N2)에 따라 변압기(6)의 2차 코일(N2)에 낮은 전압이 발생된다. 이 전압은 20 ~ 400V의 펄스파형의 전압이 10 ~ 20V의 펄스파형의 전압으로 낮추어진 강압 전압(하강 전압, Lowering Voltage)이다. 그러면, 상기 변압기(6)의 2차 코일(N2)의 상측단자 스위칭 소자(A1) 다이오드(D5) 인덕터(L) 이차전지(8)의 + 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 - 단자 다이오드(D8) 스위칭 소자(A4) 변압기의 2차 코일(N2)의 하측단자로 폐회로가 구성되어 상기 이차전지(8)가 충전된다. 동시에 상기 인덕터(L)에 전기적인 에너지가 축적된다. Then, a low voltage is generated in the secondary coil N2 of the
다음에 도 2의 충전 모드 중 MODE 2의 초기 시점에서 상기 스위칭신호 발생수단(14)으로부터 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트로 턴오프 신호가 계속 출력됨과 동시에, 상기 스위칭 소자(S1, S4, S2, S3)의 게이트로 턴오프 신호가 출력된다. 동시에 상기 스위칭 소자(A1, A2, A3, A4)의 게이트로 턴온신호가 계속 출력된다. Next, a turn-off signal is continuously output from the switching signal generating means 14 to the gates of the switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 at an initial time point of the
그러면 상기 스위칭 소자(S1, S4, S2, S3)와 상기 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)가 모두 턴오프된다. Then, the switching elements S1, S4, S2, and S3 and the switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 are all turned off.
그러면 도 5에 도시된 바와 같이, 인덕터(L) 이차전지(8)의 + 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 - 단자 다이오드(D7)와 다이오드(D8) 스위칭 소자(A3, A4) 스위칭 소자(A1, A2) 다이오드(D5)와 다이오드(D6) 인덕터(L)의 방향으로 폐회로가 형성된다. 그러면 상기 인덕터(L)에 축적된 전력 에너지가 상기 이차전지(8)에 공급됨으로써 상기 이차전지(8)가 충전된다. Then, as shown in FIG. 5, the + terminal of the inductor (L)
다음에는 도 6에 도시된 바와 같이, 충전모드의 MODE 3에서 상기 스위칭 소자(S2, S3)가 턴온되고, 스위칭 소자(S1, S4)가 턴오프된다. 그러면 직류전원(2)의 + 단자 스위칭 소자(S2) 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 스위칭 소자(S3) 직류전원(2)의 -단자 방향으로 전류 흐름이 형성된다. Next, as shown in FIG. 6, in the
그러면 상기 변압기(6)의 2차 코일(N2)에 전류가 흐름으로써, 변압기 2차코일(N2)의 하측단자 스위칭 소자(A2) 다이오드(D6) 인덕터(L) 이차전지(8)의 + 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 -단자 다이오드(D7) 스위칭 소자(A3) 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자의 방향으로 전류가 흐른다. 그러면 변압기(6)의 2차코일(N2)로부터 출력된 펄스형태의 전압이 다이오드들(D6, D7)에 의해 정류되어 직류 전압으로 이차전지(8)가 충전되며 동시에 인덕터(L)에서는 전력 에너지가 축적된다. Then, a current flows in the secondary coil N2 of the
다음에는 도 2에서 충전 모드의 MODE 4로서, 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)가 모두 턴오프되어, 변압기 2차측의 인덕터(L)에 축적된 전력 에너지가 이차전지(8)에 충전되는 과정이 실행된다. 이 충전 모드의 MODE 4는 충전모드의 도 5에 도시된 충전모드의 MODE 2에서의 동작과 동일하므로 반복된 설명을 생략한다.Next, as the
다음에는 본 발명의 방전 동작에 대해 설명한다.Next, the discharge operation of the present invention will be described.
방전 모드에서는 변압기(6)의 1차측에서, 스위칭 소자(S1, S4)와 스위칭 소자(S2, S3)의 교번 동작으로 방전 부스트 구간{인덕터(L)에 에너지를 저장하는 구간} 에서 이차전지(8)에 직렬로 보조전원을 추가하는 것과 등가적으로 동일한 동작을 함으로써, 이차전지(8) 전압이 낮은(2V 이하에서 0V까지) 영역에서 정전류를 유지할 수 있으며, 그 결과 영전압 방전이 가능하다. In the discharge mode, on the primary side of the
한편, 변압기(6)의 2차 측에서는 제3 스위칭 수단(11)의 스위칭 소자들(A1, A2, A3, A4)은 턴오프 상태를 유지함으로써 제3 스위칭 수단(11)에서는 전류 경로가 형성되지 않으며, 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자들(Q1, Q4)(Q2, Q3)은 교번적으로 오버랩되어 턴온/턴오프함으로써 제2 스위칭 수단(10)을 통하여 전류 경로가 형성된다. 이 경우 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자들(Q1, Q4)(Q2, Q3)은 고정듀티비로 동작하여 전류의 경로를 형성하는 역할을 하며 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자들(S1, S4)(S2, S3)의 듀티비가 가변되어 승압 변환기로 동작한다. On the other hand, on the secondary side of the
방전 모드의 동작을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the discharge mode will be described sequentially.
도 3의 파형도 및 도 7의 회로도에 나타난 바와 같이, 방전 모드의 MODE 1에서, 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자(S1, S4)가 턴온됨과 동시에, 스위칭 소자(S2, S3)은 턴오프 된다. 제2 스위칭 수단(10)에서는 스위칭 소자(Q2, Q3)가 턴온되고, 스위칭 소자(Q1, Q2)는 턴오프 된다. 제3 스위칭 수단(11)의 스위칭 소자들(A1, A2, A3, A4)은 턴오프 상태를 유지한다.As shown in the waveform diagram of FIG. 3 and the circuit diagram of FIG. 7, in the
그러면 상기 변압기(6)의 1차측에서는 직류전원의 + 단자 스위칭 소자(S1) 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 스위칭 소자(S4) 직류전원의 - 단자로 흐르는 폐회로가 형성되면서 변압기(6)의 1차 코일(N1)에 전류가 흐른다. 그러면 상기 변압기(6)의 1차 코일(N1)과 2차 코일(N2)의 권선비(N1/N2)에 따라 변압기(6)의 2차 코일(N2)로부터 낮은 전압이 유기된다. Then, on the primary side of the
그러면, 상기 변압기(6)의 2차측에서는 변압기(6) 2차 코일(N2)의 상측 단자 스위칭 소자(Q3) 다이오드(D3) 이차전지(8)의 - 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 + 단자 인덕터(L) 다이오드(D2) 스위칭 소자(Q3) 변압기(6) 2차 코일(N2)의 하측단자의 방향으로 폐회로가 구성되어, 상기 이차전지(8)의 전압이 방전된다. 동시에 상기 이차전지(8)로부터 방전된 전압에 의해, 상기 이차전지(8)에 직렬로 접속된 상기 인덕터(L)에 전기적인 에너지가 축적된다. Then, at the secondary side of the
다음에 방전 모드의 MODE 2에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭수단(4)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)가 모두 턴오프된다. Next, in the
동시에 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자(Q1, Q4)가 턴온되고, 다른 스위칭 소자(Q2, Q3) 및 제3 스위칭 수단(11)의 스위칭 소자들(A1, A2, A3, A4)이 턴오프된다. At the same time, the switching elements Q1, Q4 of the second switching means 10 are turned on, and the other switching elements Q2, Q3 and the switching elements A1, A2, A3, A4 of the third switching means 11 are turned on. Is turned off.
그러면, 인덕터(L)에 축적된 전압과 이차전지(8)에 남아 있는 전압을 합한 전압이 변압기(6)의 2차 코일(N2)에 인가되어 변압기(6)의 1차 코일(N1)을 통해 직류 전원(2)으로 유입된다. Then, the sum of the voltage accumulated in the inductor L and the voltage remaining in the
즉, 인덕터(L) 다이오드(D1) 스위칭 소자(Q1) 상기 변압기 2차 코일(N2)의 상측단자 상기 변압기 2차 코일(N2)의 하측단자 스위칭 소자(Q4) 다이오드(D4) 이차전지(8)의 - 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 +단자 인덕터(L) 방향으로 전류가 흐른다. That is, the inductor (L) diode (D1) switching element (Q1) the upper terminal of the transformer secondary coil (N2) the lower terminal switching element (Q4) of the transformer secondary coil (N2) diode (D4) secondary battery (8) The current flows in the negative terminal and capacitor (C) of the
이 전류에 의해 역으로, 변압기 1차 코일(N1)에 전류 흐름이 발생된다. 그러면 상기 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 다이오드(D21) 직류전원(2)의 + 단자 직류전원(2)의 - 단자 다이오드(D24) 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 방향으로 전류가 흐름으로써, 방전된 전압의 에너지가 직류전원(8)에 유입된다. Conversely, this current causes current flow in the transformer primary coil N1. Then, the current flows in the direction of the lower terminal of the + terminal
다음에 방전 모드의 MODE 3에서는 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자(S2, S3)가 턴온되며, 제2 스위칭 수단(10)에서는 스위칭 소자(Q1, Q4)가 턴온된다. 그러면 상기 변압기(6)의 2차측 코일(N2)에 -VS(N2/N1) 의 전압이 유기된다. 이 유기된 전압은 이차 전지의 전압(VB)의 크기를 보완하는 보조 전원의 역할을 하며, 배터리 전압(VB)과 변압기 2차 측에 유기된 전압이 합해져 직렬로 연결된 인덕터(L)에 에너지를 저장한다. Next, in the
도 9에 도시된 바와 같이, 변압기(6)의 1차측 경로로서는 직류 전원(2)의 +단자 스위칭 소자(S2) 변압기의 1차 코일(N1)의 하측 단자 변압기의 1차 코일(N1)의 상측 단자 스위칭 소자(S3) 직류 전원(2)의 - 단자의 경로로 전류가 흐른다.As shown in FIG. 9, as the primary side path of the
변압기(6)의 2차 측 경로로서는, 변압기 2차 코일(N2)의 하측 단자 스위칭 소자(Q4) 다이오드(D4) 이차전지(8)의 - 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 + 단자 인덕터(L) 다이오드(D1) 스위칭 소자(Q1) 변압기 2차 코일(N2)의 상측 단자의 방향으로 전류가 흐른다.As the secondary side path of the
다음에 방전 모드의 MODE 4에서는, 상기 인덕터(L)에 축적된 전압과 이차 전지(8)에 남아 있는 전압(VB)이 직렬로 합하여져서, 변압기(6)를 통해 직류 전원(2)으로 유입된다. Next, in the
구체적으로 설명하면, 도 3의 MODE4의 초기 시점에서 제1 스위칭 수단(4)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)가 모두 턴오프된다. 동시에 제2 스위칭 수단(10)의 스위칭 소자(Q1, Q4) 및 제3 스위칭 수단의 스위칭 소자들(A1, A2, A3, A4)가 턴오프되고, 제2 스위칭 수단(10)의 다른 스위칭 소자(Q2, Q3)가 턴온된다. Specifically, all of the switching elements S1, S2, S3, S4 of the first switching means 4 are turned off at the initial time of the
그러면 도 10에 도시된 바와 같이, 변압기(6)의 2차측에서, 인덕터(L) 다이오드(D2) 스위칭 소자(Q2) 상기 변압기 2차 코일(N2)의 하측단자 상기 변압기의 2차 코일(N2)의 상측단자 스위칭 소자(Q3) 다이오드(D3) 이차전지(8)의 - 단자 및 커패시터(C) 이차전지(8)의 + 단자 인덕터(L) 방향으로 전류가 흐름으로써, 상기 변압기 2차 코일(N2)에 전류가 흐른다. 그러면 상기 변압기 2차 코일(N2)에는 상기 인덕터(L)에 축적된 전압과 이차전지(8)에 남아 있는 전압(VB)을 합한 전압의 역전압이 인가된다. Then, as shown in FIG. 10, at the secondary side of the
그러면, 상기 변압기 1차 코일(N1)의 하측단자 다이오드(D22) 직류전원(2)의 + 단자 직류전원(2)의 - 단자 다이오드(D23) 변압기 1차 코일(N1)의 상측단자 방향으로 전류가 흐름으로써, 인덕터(L)에 축적되어 있던 에너지와 이차전지(8)에 남아 있던 전력이 상기 직류 전원(2)에 유입된다. 이러한 동작을 반복 함으로써 상기 이차전지(8)의 전압(VB)이 0전위인 0전압까지 방전된다. Then, the current is directed toward the upper terminal of the + terminal
상술한 바와 같이, 본 발명은 풀 브릿지 스위칭 회로로 이루어진 2개의 스위칭 수단(10, 11)을 서로 병렬로 변압기(6)의 2차측에 구성함으로써 별도의 전원을 사용하지 않고도 단지 스위칭 동작을 제어함으로써 이차전지(8)의 전압을 0V까지 충분히 방전시킬 수 있다.As described above, the present invention is provided by configuring two switching means 10 and 11 consisting of a full bridge switching circuit on the secondary side of the
2 : 직류 전원, 4 : 제1 스위칭 수단
6 : 변압기, 8 : 이차전지
10 : 제2 스위칭 수단 11 : 제3 스위칭 수단
12 : 제어 수단 14 : 스위칭 신호 발생 수단
L : 인덕터
S1, S2, S3, S4, Q1, Q2, Q3, Q4, A1, A2, A3, A4 : 스위칭 소자
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24, D31, D32, D33, D34, D41, D42, D43, D44 : 다이오드2: DC power supply, 4: first switching means
6: transformer, 8: secondary battery
10 second switching means 11 third switching means
12 control means 14 switching signal generating means
L: Inductor
S1, S2, S3, S4, Q1, Q2, Q3, Q4, A1, A2, A3, A4: switching element
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D21, D22, D23, D24, D31, D32, D33, D34, D41, D42, D43, D44: Diode
Claims (4)
상기 스위칭 수단으로부터 수신된 펄스 파형을 받아서, 상기 직류전압보다 작은 크기의 교류전압으로 변압하는 변압기와,
상기 제어 수단으로부터 출력된 다른 제어 신호에 따라, 상기 변압기로부터 출력된 교류 전압을 받아서 직류 파형으로 정류하여 이차전지에 인가시키거나 상기 이차전지 내의 전압을 모두 방전시키기 위해 스위칭 동작하도록 서로 병렬로 배치된 제2 스위칭 수단과 제3 스위칭 수단으로 이루어지며,
상기 제2 스위칭 수단과 제3 스위칭 수단은 상기 이차전지를 방전시키기 위한 펄스 파형을 형성시키도록 각각 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)(A1, A2, A3, A4)로 구성된 풀브릿지 스위칭 회로인 것을 특징으로 하는 병렬형 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로.First switching means for converting the DC voltage output from the DC power supply into a pulse waveform in accordance with the control signal output from the control means;
A transformer receiving the pulse waveform received from the switching means and transforming the voltage into an AC voltage having a magnitude smaller than the DC voltage;
According to another control signal output from the control means, the AC voltage output from the transformer is received and rectified in a DC waveform to be applied to the secondary battery or arranged in parallel with each other to switch operation to discharge all the voltage in the secondary battery. A second switching means and a third switching means,
The second switching means and the third switching means are each composed of four switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 (A1, A2, A3, A4) to form a pulse waveform for discharging the secondary battery. A zero voltage discharge circuit having a parallel active switching element, characterized in that the bridge switching circuit.
4. The switching element (Q1, Q2, Q3, Q4) (A1, A2, A3, A4) (S1, S2, S3, S4) is actively turned on by a control signal output from the control means. A zero-voltage discharge circuit having a parallel active switching element, characterized in that the active switching element that can control / turn off.
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