KR20130079239A - 영 전압 스위칭 압전구동회로 - Google Patents

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Abstract

스위칭타입 전력 변환기에 사용하기 적합한, 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로이다. 회로는 반-브릿지 구동회로로부터 입력 DC전압을 수신하고, 또한 고압측 스위치 세트와 저압측 스위치 세트의 스위칭을 통해 이를 AC전압으로 변환하여, 이를 압전소자에 제공하여 부하를 구동한다. 여기서, 영 전압 스위칭(ZVS)을 위해 분로가 반-브릿지 구동회로와 압전소자 사이에 전기적으로 연결된다. 즉, 고압측 스위치 세트와 저압측 스위치 세트 둘 다가 스위치 오프되면, 분로는 그의 기생용량과 공진하여, 고압측 스위치 세트와 저압측 스위치 세트가 ZVS를 수행하여, 넓은 범위의 주파수에서 또한 큰 부하의 범위에서 ZVS를 실현한다.

Description

영 전압 스위칭 압전구동회로{Zero-Voltage Switching(ZVS) Piezoelectric Driving Circuit}
본 발명은 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로에 관한 것으로서, 특히 넓은 대역폭과 넓은 부하범위 내에서 동작할 수 있는 영 전압 스위칭(ZVS) 반-브리지(half-bridge) 회로의 압전구동회로에 관한 것이다.
컴팩트한 크기와, 얇은 프로파일과 그리고 전자기 간섭(Electromagnetic Interference:EMI)가 없는 장점으로 인해, 압전 변압기(Piezoelectric transformer)가 전력구동회로에 광범위하게 사용되어 왔다. 그러나, 그러나 압전 변압기는 여전히 극복할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 예컨대, 브릿지 스위칭회로에 압전 변압기를 적용할 때, 통상적으로 인덕터(inductor)는 브릿지 스위칭회로와 압전 변압기 사이에 연결되게 되어, 영 전압 스위칭을 이룬다. 그러나, 인덕터 그 자체는 압전 변압기보다 두꺼워(즉, 큰 치수를 가진다), 압전 변압기의 얇은 프로파일의 장점을 희생하게 된다. 이외에도, 주 회로에 인덕터의 배치는 추가적인 전력손실과 전자기 간섭(EMI)을 야기할 수 있다.
게다가, 압전 변압기 구동회로에 인덕터를 포함하지 않음으로써, 특정 부하범위에 대해 영 전압 스위칭(ZVS)을 달성할 수 있다 하더라도, 적용할 수 있는 주파수범위가 너무 협소하여, 주파수 변동 피드백 제어와 큰 범위 부하 변동의 상태들 하에서 압전 변압기는 ZVS 동작을 유지할 수 없다. 실제로, 압전 변압기를 인덕터와 협동하여 사용하는지에 상관없이, ZVS를 달성하기 위한 구동회로에 대한 주파수범위는 더 협소하다. 게다가, 실제 적용시에, 공진주파수로부터 멀리 떨어져 있으면, 압전 변압기는 가벼운 부하에 대해서도 ZVS를 달성하기가 어렵다. 이러한 이유로, 전력공급에서 압전 변압기의 개발과 응용이 더 제한된다.
따라서, 현재 압전 변압기의 설계와 성능은 충분히 만족스럽지 못하고, 또한 개선의 여지가 있다.
선행기술의 문제점과 단점의 관점에서 보아, 본 발명은 선행기술의 비효율성과 문제점을 극복하기 위하여, 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로를 제공한다.
본 발명의 주 목적은 가변 부하와 가변 동작주파수에 대해 ZVS를 달성하기 위하여, 반-브릿지 스위치의 부동시간(dead time)에서 공진(resonance)을 지원하기 위해 분로(shunt circuit)를 사용하는, 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로를 제공하는 것이다. 여기서, 주 전류 경로(the main current route)에서 분로를 보통의 인디케이터(indicator)로 대체하여, 점유 공간과 전력소모를 줄이고, 또한 전체 회로의 얇은 프로파일과 증가된 효과를 이루게 되어, 여기서 이 기술의 개발과 응용과 그리고 제품의 경쟁력을 향상시킨다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 보 발명은 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회도를 제공하고, 상기 회로는: 반-브릿지 구동회로와, 압전소자와 그리고 적어도 하나의 분로를 포함한다. 반-브릿지 구동회로는 입력 DC 전압을 수신하는데 사용되고, 또한 고압측 스위치 세트(hight-side switch set)와 저압측 스위치 세트(low-side switch set)를 통해 입력 DC 전압을 AC 전압으로 변환하기 위해, 직렬로 연결된 고압측 스위치 세트와 저압측 스위치 세트를 포함한다. 압전속자는 AC 전압을 수신하고 또한 부하를 구동하기 위하여, 반-브릿지 구동회로에 전기적으로 연결딘다. 분로는 반-브릿지 구동회로와 압전소자 사이에 전기적으로 연결된다. 분로는 반-브릿지 구동회로로 공진되어, 고압측 스위치 세트와 저압측 스위치 세트는 영 전압 스위칭(ZVS)을 형성한다.
본 발명의 다른 응용 범위는 이후에 주어지는 상세한 설명으로부터 명확히 알게 될 것이다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 상세한 설명과 특정 예들은 단지 설명으로 주어진 한편, 본 기술분야의 기술자라면 상세한 설명으로부터, 본 발명의 사상과 범위 내에 들어가는 다양한 변경안들과 수정안들 이해하게 될 것이다.
본 발명에 따라, 넓은 범위의 주파수에서 또한 큰 부하의 범위에서 ZVS를 실현한다.
본 발명의 상세한 설명과 관련해 관련 도면을 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로에서 AC 전압의 파형도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로에서 AC 전압의 파형도.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도.
본 발명의 목적과, 구조와, 특징들과, 기능들과 장점들은, 첨부도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명을 통해 완전하게 이해하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로(10)는 반-브릿지 구동회로(12)와, 압전소자(14)와 적어도 하나의 분로(16)를 포함한다. 반-브릿지 구동회로(12)는 직렬로 연결된 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)를 포함한다. 반-브릿지 구동회로(12)는 입력 DC 전압(VDC)을 수신하고, 그리고 이를, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)를 통해 구형파의 AC 전압으로 변환한다. 압전소자(14)는 반-브릿지 구동회로(12)에 전기적으로 연결되어, AC 전압을 수신하여 공진을 수행하고, 또한 부하(22)를 능동상태로 구동한다. 여기서, 부하(22)는 냉음극 형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp:CCFL), 열음극 형광램프(Hot Cathode Fluorescent Lamp:HCFL), 고광도 방전(High Intensity Discharge) 램프, 발광다이오드(LED), 정류회로, 압전 액추에이터 및 스위치회로일 수 있다. 분로(16)는 반-브릿지 구동회로(12)와 압전소자(14) 사이에 전기적으로 연결된다. 분로(16)는 반-브릿지 구동회로(12)와 공진하여, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)가 영 전압 스위칭(ZVS)을 수행하고, 이는 나중에 상세히 설명한다.
지금부터, 후속 회로의 동작의 설명을 용이하게 하기 위하여, 회로요소들을 상세히 설명한다. 고압측 스위치 세트(18)는 제1기생 용량(parasitic capacitance)(CK1)과 제1기생 다이오드(184)를 포함한다. 저압측 스위치 세트(200는 제2기생 용량(CK2)과 제2기생 다이오트(204)를 포함한다. 압전소자(14)는 압전 변압기 도는 압전 레조네이터일 수 있다. 여기서, 설명을 위해 압전 변압기를 예로 들고, 압전 변압기는 입력 용량(CP)을 포함한다. 제1실시예에서, 설명을 위해 한 세트의 분로(16)를 예로 들고, 분로는 분로 인덕터(shunt inductor)(LS)(162)와, 양방향(dual direction) 스위치(KS)(164)와, 그리고 분로 전원(VD/C/2)(166)를 포함한다. 여기서, 분로 전원(166)은 양방향 스위치(KS)(164)에 구동전압을 제공하여, 분로 전원(166)이 DC전압은 입력 DC전압(VDC)의 반이 된다.
다음에, 본 발명의 제1실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로에서 AC전압의 파형도인 도 2를 참조한다. 여기서, 압전구동회로(10)의 동작은, 어떻게 영 전압 스위칭(ZVS)를 달성하는지를 설명하기 위해 기술된다. 처음에, 동작주기(t0-t1)에서, 고압측 스위치 세트(K1)(18)이 스위칭 온되는 반면 저압측 스위치 세트(K2)(20)는 스위치 오프된다. 이때, 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)과, 제1기생용량(182)과, 그리고 분로 인덕터(162)가 공진을 시작하도록 분로(16)는 턴온되어, 입력량(142)과 제2기생용량(202)은 공진을 시작하고 또한 분로(16)를 통해 방전된다. 이 동안에, 제1기생용량(182)이 공진을 시작하고 또한 방전된다. 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(Vp)은 양의 또한 사인곡선 경사 0전압으로 감소하는 한편, 고압측 스위치 세트(18)에 걸친 전압은 입력 DC전압(VDC)의 준위로 증가하여, 저압측 스위치 세트(20)의 영 전압 스위칭(ZVS)을 위한 임계 상태로서 역할 수 있다. 물론, 동작시간(t1-t2)의 경우에서, 공진 방전전류(resonance discharge current)가 충분히 크지 않으면, 입력 커패시터(142)와 제2기생용량(202)이 0으로 완전히 방전될 수 없어서, 저압측 스위치 세트(20)는 다음 동작주기에서 영 전압 스위칭 온을 수행할 수 없다. 여기에서, 분로 인덕터(162)와 전체 용량의 공진주기(t1-t2)를 다음의 식 1을 통해 얻을 수 있다:
Figure pat00001
일반적으로, 동작주기(t1-t2)가 상당히 짧기 때문에, 공진 동안에, 압전구동회로(10)에서 전체 용량을 부합시키기(match) 위하여 작은 인덕터(분로 인덕터(162))를 분로(16)에 직접 사용할 수 있다. 전제 회로를 얇게 만들기 위하여, 분로(16)의 전도 와이어(conduction wire)에서 생성되는 기생 인덕턴스, 또는 분로(16)의 인쇄회로기판(PCB) 상의 와이어에 의해 생성되는 극히 작은 인덕턴스는 공진을 수행하기 위해 입력 커패시터(142)와, 제1기생용량(182)과, 그리고 제2기생용량(202)을 부합시키는데 사용할 수 있다. 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)이 0으로 방전되면, 이 동작주기는 종료된다.
계속하여, 동작주기(t3-t1)에서, 고압측 스위치 세트(18)와, 저압측 스위치 세트(20)와, 그리고 분로(16)는 동시에 스위치 오프된다. 이 동작주기에서, 저압측 스위치 세트(20)의 제2기생 다이오드(204)는 턴온되어, 전류(im)을 제공하여 압전소자(14)를 통해 흐르도록 한다. 저압측 스위치 세트(20)가 시작되어 스위치 온이 되게 되면, 이 동작주기는 종료한다.
그런 다음, 동작주기(t3-t4)에서, 고압측 스위치 세트(18)는 스위치 오프되는 한편, 저압측 스위치 세트(20)는 스위치 온된다. 이때, 분로(16)는 여전히 턴오프된다. 고압측 스위치 세트(18)가 스위칭 오프에서 스위칭 온으로 전환되면, 압전소자(14)의 입력전압은 0이 된다. 즉 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)이 0이고, 또한 스위치된 이후에도 계속 0에서 남아 있기 때문에, 영 전압 스위칭(ZVS)을 이루게 된다. 저압측 스위치 세트(20)가 스위치 오프되면, 이 동작주기는 종료한다.
게다가, 동작주기(t4-t5)에서, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20) 둘 다는 스위치 오프된다. 이때, 동작주기(t1-t2)에서와 동일하게 분로(16)는 개시되어 턴온된다. 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)이 공진을 개시하고 또한 분로(16)를 통해 방전을 하는 한편, 제1기생용량(182)이 공진을 시작하고 또한 방전하도록, 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)과, 제1기생용량(182)과, 그리고 분로 인덕터(162)는 공진을 개시한다. 여기서, 분로 인덕터(162)와 전체 용량의 공진주기(t4-t5)는 다음의 식 (2)를 통해 얻을 수 있다.
Figure pat00002
공진 동안에, 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)은 양의 및 사인곡선 경사로 입력 DC전압(VDC)의 준위로 증가하는 한편, 고압측 스위치 세트(18)에 걸친 전압은 양의 및 사인곡선 경사로 0으로 감소하여, 고압측 스위치 세트(18)의 영 전압 스위칭(ZVS)에 대한 임계 상태로서 역할할 수 있다. 물론, 동작주기(t4-t5)의 경우에서, 공진 방전전류가 충분히 크지 않으면, 입력 커패시터(142)는 0으로 완전히 방전될 수 없어서, 고압측 스위치 세트(18)는 다음 동작주기에서 영 전압 스위칭 온을 수행할 수 없다. 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)이 입력 DC전압(VDC)의 레벨로 충전되면, 이 동작주기는 종료된다.
그런 다음, 동작주기(t5-t0)에서, 고압측 스위치 세트(18)와, 저압측 스위치 세트(20)와, 그리고 분로(16)는 동시에 스위치 오프된다. 이때, 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)은 입력 DC전압(VDC)의 준위로 충전되기 시작한다. 이 동안, 고압측 스위치 세트(18)의 제1기생 다이오드(184)는 턴온되어, 전류(im)을 제공하여 압전소자(14)를 통해 흐르도록 한다. 고압측 스위치 세트(18)가 턴온되면, 이 동작주기는 종료한다. 고압측 스위치 세트(18)가 스위치 오프에서 스위치 온으로 전환될 때, 압전소자(14)의 입력전압(VP)은 입력 DC전압(VDC)의 준위로 충전되고, 스위치된 후에도 VDC 에서 남게 되어, 영 전압 스위칭(ZVS)을 이루게 된다.
상기에서 기술한 동작주기들로부터, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)는 각각 동작주기(t0-t1)와 동작주기(t3-t4)에서 스위치된다는 것을 알 수 있다. 다른 동작주기에서, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20) 둘 다는 스위치 오프되고, 이는 반-브릿지 구동회로(12)의 부동시간(dead time)들이다. 동작주기 (t1-t2)와 (t4-t5) 동안에, 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)과, 제1기생용량(182)과, 그리고 분로 인덕터(162)는 충전을 위해 공진을 시작하건, 또는 분로(16)를 통해 방전되어 영 전압 스위칭(ZVS)을 이룬다. 영 전압 스위칭(ZVS)를 이루어기 위한 다른 해결책은, 저압측 스위치 세트(20)의 제2기생 다이오드(204)와, 고압측 스위치 세트(18)의 제1기생 다이오드(184)가 대응하는 동작주기들 (t2-t3)와 (t5-t0)에서 동작하고, 또한 이들이 전류(im)을 제공하여 압전소자(14)를 통해 흐르게 하는 한편, 부하(22)가 압전소자(14)로부터 전류(im)에 의해 전달되는 에너지를 수신함으로써 작동 상태에 놓여지는 것이다. 압전소자(14)와 분로(16)는 이 동작에서 직접 관계를 가지지 않는다는 것을 주의해야 한다. 압전소자(14)는 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)에 의해 발생되는 구형파들에 의해 구동되는 한편; 분로(16)는 영 전압 스위칭(ZVS)만을 위해 사용된다.
여기서, 본 발명은 반-브릿지 구동회로(12)가 영 전압 스위칭(ZVS)을 달성하도록 하기 위하여 분로(16)를 사용하지만, 식(3) 내지 (6)에 도시된 바와 같이, 다음 두 가지 조건들을 먼저 충족하여야 한다:
1. 충분히 긴 부동시간(td), 즉 td 는 동작주기들 (t1-t3) 또는 (t4-t0)와 동일하다.
Figure pat00003
충분한 양의 충전 및 방전 전하 Q:
Figure pat00004
여기서, KS 는 양방향 스위치(164)이고, TS 는 동작주기 (t1-t2) 또는 (t4-t5)와 같은, 양방향 스위치(164)의 스위칭 온 주기이고; is 는 분로(16)의 전류이다.
식 (3) 내지 (6)으로부터, 영 전압 스위칭(ZVS)의 두 조건들은: 충분히 긴 부동시간과 분로(16)의 충분히 큰 전류(is)이고, 그리고 이들은 (주파수 및 부하와 같은) 다른 요인들에 관련되지 않는다는 것을 알 수 있다. 분로(16)의 전류(is)는 입력 DC전압(VDC)과, 분로 인덕터(162)(LS)와 입력 커패시터(142)(CP)와, 제1기생용량(182)(CK1)와, 제2기생용량(CK2)을 기반으로 결정되고, 또한 이들은 모두 통상적인 소자들이다. 따라서, 부동시간이 고정되면, 영 전압 스위칭(ZVS)에 대한 조건들이 고정되고, 그리고 이들은 영 전압 스위칭(ZVS)의 넓은 대역폭을 이루어기 위하여, 동작주파수와 부하에 관련되지 DKG는다. 여기서, 주기(td)에 대한 대응 주파수는 1/td 이어서, 분로(16)의 동작주파수의 상한은 1/td 가 된다.
본 발명의 제2실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도인 도 3을 참조한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예와 제1실시예의 차이점은, 제2실시예는 실제로 반-브릿지 구동회로를 통합하는 양방향 스위치의 설계라는 것이다. 즉, 분로가 두 그룹들로 설계된다는 것이다. 보다 특정하기 위해, 압전구동회로(10)에서, 두 개의 분로들은 반-브릿지 구동회로(12)와 압전소자(14) 사이에 전기적으로 연결된다. 즉, 제1분로(24)와 제2분로(26)가 연결된다. 제1분로(24)는 직렬로 연결된 제1분로 인덕터(242)(L1)와 제1단방향 스위치(244)(S1)를 포함한다. 제1분로(26)는 직렬로 연결된 제2분로 인덕터(262)(L2)와 제2단방향 스위치(264)(S2)를 포함한다. 여기서, 반-브릿지 구동회로(12)와 압전소자(14)의 구성들은 제1실시예와 동일하고, 간략화를 위해 여기서 다시 반복하지 않는다. 제1분로(24)는 구동전압(V1)으로서 사용되게 되는, 입력 DC전압(VDC)에 직접 연결되는 반면, 제2분로(26)는 구동전압(VS)으로서 사용되게 되는, 접지(OV)에 직접 연결된다. 이와 같이, 본 발명에서, 외부 전원이 생략될 수 있어서, 전체 회로 설계를 단순하게 한다.
계속하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로에서 AC전압의 파형도인 도 4를 참조한다. 여기에서, 영 전압 스위칭(ZVS)을 어떻게 이룰지에 대해 압전구동회로(10)의 동작을 설명한다. 먼저, 동작주기(t0-t1)에서, 고압측 스위치 세트(K1)(18)은 스위치 온되는 한편, 저압측 스위치 세트(K2)(20)는 스위치 오프된다. 이때, 제1분로(24)와 제2분로(26)는 턴오프된다. 따라서, 입력전류(ip)는 압전소자(14)로 흐르고, 또한 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)는 입력 DC전압(VDC)와 동일하고, 또한 이 전압은 양의 값이다. 이 동작주기의 말미에, 제1단방향 스위치(244)와 제2단방향 스위치(264)는 계속해서 스위치 오프된다.
그런 다음, 동작주기(t1-t2)에서, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20) 둘 다는 동시에 스위치 오프되는 한편, 제1분로(24)는 여전히 턴오프 되지만, 저압측 스위치 세트(20)는 시간 t1=t2 에서 스위치 온되게 된다. 이때, 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)과, 제1기생용량(182)과, 제2분로 인덕터(262)는 공진을 시작하는 한편, 입력 커패티서(142)와 제2기생용량(202)은 공진을 시작하여 제2분로(26)를 통해 방전한다. 이 동안, 제1기생용량(182)는 공진을 시작하고 충전된다. 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)가 양의 그리고 사인곡선 경사로 0전압으로 감소하는 반면, 고압측 스위치 세트(18)에 걸친 전압은 입력 DC전압(VDC)의 준위로 증가하게 되어, 저압측 스위치 세트(20)의 영 전압 스위칭(ZVS)를 위한 임계 상태로서 역할 수 있다는 것을 알아야 한다. 물론, 동작주기(t1-t2)의 경우에서, 공진 방전전류는 충분히 크지 않고, 그러면 입력 커패시터(142)와 제2기생용량(202)은 0으로 완전히 방전될 수 없어서, 저압측 스위치 세트(20)는 다음 동작주기에서 영 전압 스위칭 온을 수행할 수 없다. 여기서, 제1분로 인덕터(262)와 전체 용량의 공진주기(t1-t2)는 다음 식 7을 통해 얻을 수 있다:
Figure pat00005
통상적으로, 동작주기(t1-t2)는 상당히 짧기 때문에, 공진 동안에, 압전구동회로(10)에서 전체 용량을 부합시키기 위하여 작은 인덕터가 제1분로(24)와 제2분로(26)에 직접 사용될 수 있다. 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)이 0으로 방전되면, 이 동작주기는 종료된다.
계속하여, 동작주기(t2-t3)에서, 고압측 스위치 세트(18)와, 저압측 스위치 세트(20)와, 제1분로(24)가 동시에 스위치 오프된다. 동작주기(t2-t3) 동안에, 제2분로(26)의 제2단방향 스위치(264)는 여전히 스위치 온되지만, 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)은 0이 되게 된다. 이때, 저압측 스위치 세트(20)의 제2기생 다이오드(204)는 스위치 온되어, 전류(im)를 제공하여 압전소자(14)를 통해 흐르도록 한다. 이 동안, 제2분로(262)의 잔여 전류(iS2)는 선형적으로 방전된다. 제1분로(2620의 전하들이 완전히 방전되면, 제2분로(262)는 자동적으로 턴오프된다. 그러면, 영 전압 스위칭(ZVS)의 상태 하에서 제2단방향 스위치(264)는 본 동작주기 또는 다음 동작주기에서 스위치 오프될 수 있는데, 이는 제2분로(26)를 통해 전류가 흐르지 않기 때문이다. 실제로, 다음 동작주기에서, 제2단방향 스위치(264)는 낮은 스위칭속도로 스우치 오프된다. 저압측 스위치 세트(20)가 스위치 온되기 시작하면, 이 동작주기는 종료된다.
그런 다음, 동작주기(t3-t4)에서, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20) 둘 다가 스위치 온된다. 이때, 제1분로(24)와 제2분로(26) 둘 다가 턴오프된다. 따라서, 압전소자(14)의 입력전압이 0이다. 즉 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)가 0이다. 저압측 스위치 세트(20)가 스위치 오프로 전환되면, 이 동작주기는 종료된다.
게다가, 동작주기(t4-t5)에서, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20) 둘 다가 스위치 오프된다. 이때, 제2분로(24)는 여전히 턴오프되어, 동작주기 t=t4 에서, 제1단방향 스위치(244)는 스위치 온되기 시작한다. 동작주기(t1-t2)에서와 같이, 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)과, 제1기생용량(182)과, 제2분로 인덕터(264)는 공진하기 시작하여, 입력 커패시터(142)와 제2기생용량(202)은 공진을 시작하여 제1분로(24)를 통해 충전을 시작한다. 이 동안, 제1기생용량(182)을 공진을 시작하여 방전된다. 따라서, 공진 동안에, 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)는 양의 그리고 사인곡선 경사로 입력 DC전압(VDC)의 준위로 증가하는 한편, 고압측 스위치 세트(18)에 걸친 전압은 양의 또한 사인곡선 경사로 0전압으로 감소하여, 고압측 스위치 세트(18)의 영 전압 스위칭(ZVS)를 위한 임계 상태로서 역할할 수 있다. 물론, 동작주기(t4-t5)의 경우에서, 공진 방전전류가 충분히 크2지 않아, 입력 커패시터(142)가 완전히 0으로 방전될 수 없어서, 고압측 스위치 세트(18)가 다음 동작주기에서 영 전압 스위칭 온을 수행할 수 없다. 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)이 입력 DC전압(VDC)의 준위로 충전도면, 이 동작주기는 종료한다.
그런 다음. 동작주기(t5-t0)에서, 고압측 스위치 세트(18)와, 저압측 스위치 세트(20)와, 그리고 분로(24)는 동시에 스위치 오프되는 한편, 제1단방향 스위치(244)는 여전히 스위치 온된다. 이때, 입력 커패시터(142)에 걸친 전압(VP)는 입력 DC전압(VDC)의 준위로 충전되기 시작한다. 이때, 고압측 스위치 세트(18)의 제1기생 다이오드(184)는 턴온되어, 전류(im)를 제공하여 압전소자(14)를 통해 흐르도록 한다. 이 동안, 제1분로(242)의 잔여 전류(isl)는 0으로 선형적으로 방전되고, 그리고 제2분로(26)는 자동적으로 턴오프된다. 저압측 스위치 세트(20)가 스위치 온으로 시작되면, 이 동작주기는 종료한다.
상기에서 기술한 제2실시예의 동작주기들로부터, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)들은 동작주기(t0-t1) 및 (t3-t4)에서 각각 스위치 온된다는 것을 알 수가 있다. 다른 동작주기들)에서, 고압측 스위치 세트(18)와 저압측 스위치 세트(20)들은 스위치 오프되고, 이는 반-브릿지 구동회로(12)의 부동시간이다. 동작주기(t1-t2) 및 (t4-t5)들 동안에, 입력 커패시터(142)와, 제2기생용량(202)과, 제1기생용량(182)과, 그리고 제1분로 인덕터(242)와, 제2분로 인덕터(262)는 공진을 시작하여 충전을 시작하거나, 또는 이들은 제1분로 인덕터(242)와 제2분로 인덕터(246)를 통해 방전되어, 영 전압 스위칭(ZVS)를 이룬다. 영 전압 스위칭(ZVS)를 이루기 위한 다른 해결책은, 저압측 스위치 세트(20)의 제2기생 다이오드(204)와, 고압측 스위치 세트(18)의 제1기생 다이오드(184)가 대응하는 동작주기(t2-t3)와 동작주기(t5-t0)에서 동작할 때, 제1분로(24)와 제2분로(26)의 잔여 전류(iS1 및 iS2)가 방전되게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도인 도 5를 참조한다. 제3실시예와 제1실시예 간의 차이점은, 제3실시예에서, 제1커패시터(C1)(28)와, 제2커패시터(C2)(30)와, 분로 커패시터(CS)(32)가 추가된다는 것이다. 여기서, 고압측 스위치 세트(18)는 제1커패시터(28)에 병렬로 연결되고, 그리고 압전소자(14)는 제2커패시터(30)에 병렬로 연결된다. 도 5의 등가회로에 도시된 바와 같이, 분로 커패시터(32)는 제1커패시터(28)와 분로(16) 사이에 연결된다. 여기서, 제2커패시터(30)는 분로(16)에서 분로 전류(shunt current)(iS)의 양을 변경시킬 수 있고, 또한 제1커패시터(28)와 분로(16)의 공진주파수(fS)를 변경시킬 수 있다. 제1커패시터(28)와 제2커패시터(30)는 분로(16)에서 공진주파수(fS)를 감소시키고 도한 전류(iS)를 감소시키는데 사용될 수 있다. 상기에서 언급한 커패시터들의 주가는, 압전구동회로(1)의 영 전압 스위칭(ZVS)의 설계를 한층 더 유연하게 만들 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 제4실시예에 따른 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로의 회로도인 도 6을 참조한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제4실시예와 제1실시예 간의 차이점은, 제4실시예에서, 압전소자가 압전 공진기(resonator)(34)이고, 제3커패시터(CP2)가 제2커패시터(C2)를 대체하고, 초기 압전 변압기의 기계적 공진(Lm-Cm-Rm)이 압전 공진기(34)의 기계적 공진(Lm@-Cm2-Rm2)로 대체된다. 간략하게 설명하면, 에너지를 전달하기 위해 압전 공진기(34)가 압전 변압기를 대체하고, 이에 따라 최초 압전 변압기의 출력 커패시터(Cout)를 제거하게 된다. 더 특정하기 위하여, 최초 압전 변압기에 있어서, 전류(im)는 출력 커패시터(Cout)와 부하(22)를 통해 흐르게 되는 한편, 압전 공진기(34)의 예에서는, 전류(im)는 부하(22)로 직접 흐르게 된다. 전류(im)(진동속도)는 압전 공진기의 물리적 제한이기 때문에, 동일한 전류(im)의 조건에서, 압전 공진기(340는 부하(2)에 대해 많은 와트의 출력 전력을 얻을 수 있어서, 전체 회로 설계를 한 층 더 단순화시킨다.
상기를 요약하면, 선행기술의 압전 변압기 구동회로에서, 영 전압 스위칭(ZVS)은 주파수 변동 피드백 제어와 큰 범위 부하 변동에 대해 유지될 수 없고, 또한 적용 가능한 주파수 범위가 너무 협소하여, 이러한 기술의 개발과 응용을 제한한다. 이러한 이유로, 본 발명은 부피가 큰 인덕터를 대체하는 분로를 사용하는 것을 제안하고, 또한 반-브릿지 스위치의 부동시간에서 공진을 조력하는데 분로를 활용하여, 가변 부하와 가변 동작주파수에 대해 영 전압 스위칭(ZVS)을 유지할 수 있다. 게다가, 분로는 주 전류경로에서 통상적인 인덕터를 대체하여, 점유 공간을 절약하고 또한 에너지 손실을 줄인다. 이와 같이, 전체 회로는 얇은 프로파일일 될 수 있는 한편, 그 유효성이 상승하고, 이는 기술의 개발과 응용과 또한 제품의 경쟁성에서 이점이다.
상기 바람직한 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 특징과 사상을 보다 명확히 하는데 그 목적이 있다. 그러나, 상기에서 기술한 바람직한 실시예들은 본 발명의의 범위에 어떠한 제한도 주고자 하는 것은 아니다. 역으로, 첨부한 청구항의 범위 내에 있는 다양한 변경안들과 등가 구성들을 포함하는 것이 목적이다.

Claims (10)

  1. 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로에 있어서, 상기 회로는:
    입력 DC전압을 수신하는데 사용되고, 또한 직렬로 연결된 고압측 스위치 세트와 저압측 스위치 세트를 포함하여, 상기 고압측 스위치 세트와 상기 저압측 스위치 세트의 스위칭을 통해 상기 입력 DC전압을 AC전압으로 변환시키는, 반-브릿지 구동회로와;
    상기 반-브릿지 구동회로에 전기적으로 연결되어, 상기 AC전압을 수신하고 또한 부하를 작동상태로 구동하는 압전소자와; 그리고
    상기 반-브릿지 구동회로와 상기 압전소자 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 고압측 스위치 세트와 상기 저압측 스위치 세트가 영 전압 스위칭(ZVS)를 수행하도록, 상기 반-브릿지 구동회로와 공진하는 적어도 하나의 분로를 포함하는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고압측 스위치 세트와 상기 저압측 스위치 세트가 양 스위칭 오프의 부동시간에 있으면, 상기 분로가 턴온되어, 상기 고압측 스위치 세트와 상기 저압측 스위치 세트가 공진을 시작하여 충전 또는 방전을 하고, 그리고 상기 분로의 턴온 동안에, 충전전압은 상기 입력 DC전압과 동일하거나, 또는 방전전압은 0이 되어, 상기 고압측 스위치 세트와 상기 저압측 스위치 세트가 영 전압 스위칭(ZVS)을 수행하는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고압측 스위치 세트는 제1기생용량을 포함하고, 그리고 상기 저압측 스위치 세트는 제2기생용량을 포함하며, 상기 고압측 스위치 세트와 상기 저압측 스위치 세트가 스위치 오프되면, 상기 분로가 턴온도어, 상기 압전소자의 입력 커패시터와 상기 제2기생용량이 상기 분로를 통해 방전되는 한편, 상기 제1기생용량은 충전되는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분로는 직렬로 연결된 분로 인덕터와, 양방향 스위치와, 분로 전원을 포함하고, 상기 분로 인덕터와, 상기 제1기생용량과, 상기 제2기생용량과 그리고 상기 입력 커패시터가 공진을 시작하면, 상기 압전소자의 입력 AC전압은 0전압으로 감소하는 한편, 고압측 스위치 세트에 걸친 전압은 상기 입력 DC 전압의 준위로 증가하는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분로 인덕터는 상기 분로의 와이어 상의 기생 인덕턴스이거나, 또는 상기 분로의 PCB 상의 와이어의 경로에 의해 생성되는 상기 분로 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  6. 제4항에 있어서, 상기 분로 전원은 상기 양방향 스위치에 구동전압을 제공하고, 상기 분로 전원의 DC전압은 상기 입력 DC전압의 절반인 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  7. 제3항에 있어서, 두 개의 상기 분로들이 있고, 이들은 각각 제1분로와 제2분로이고, 상기 제1분로는 직렬로 연결된 제1분로 인덕터와 제1단방향 스위치를 포함하고, 상기 제2분로는 상기 제1분로에 연결되며, 그리고 상기 제2분로는 직렬로 연결된 제2분로 인덕터와 제2단방향 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 저압측 스위치 세트가 스위치 온되면, 상기 제1분로 인덕터와, 상기 제2분로 인덕터 및 상기 제1기생용량과, 상기 제2기생용량과, 그리고 상기 입력 커패시터가 공진을 시작아혀, 상기 입력 커패티서와 상기 제2기생용량은 상기 제1분로 인덕터와, 제2기생 다이오드와 그리고 상기 제2단방향 스위치를 통해 방전하고, 이 동안에 상기 제1기생용량은 충전되며, 이때, 상기 압전소자의 상기 입력 AC전압은 0전압으로 감소하는 한편, 상기 고압측 스위치 세트에 걸친 전압은 상기 입력 DC전압의 준위로 증가하고; 그리고
    상기 고압측 스위치 세트가 스위치 온되면, 상기 제1분로 인덕터와, 상기 제2분로 인덕터 및 상기 제1기생용량과, 상기 제2기생용량과, 그리고 상기 입력 커패시터는 공진을 시작하고, 상기 입력 커패시터와 상기 제2기생용량은 상기 제1분로 인덕터와, 제1기생 다이오드와, 그리고 상기 제1단방향 스위치를 통해 충전되는 한편, 상기 제1기생용량은 방전되며, 이때, 상기 압전소자의 상기 입력 AC전압은 상기 입력 DC전압의 준위로 상승하는 한편, 상기 고압측 스위치 세트에 걸친 전압은 0전압으로 감소하는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압전소자는 압전 변압기 또는 압전 공진기인 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고압측 스위치 세트는 제1커패시터에 병렬로 연결되고, 상기 압전소자는 제2커패시터에 병렬로 연결되며, 그리고 상기 제2커패시터가 상긱 분로에서 분로 전류를 변경시키고 또한 상기 제1커패시터와 상기 분로의 공진주파수를 변경시키도록, 분로 커패시터가 상기 제1커패시터와 상기 분로 사이에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 영 전압 스위칭(ZVS) 압전구동회로.
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