KR20140022260A - 피에조 구동 회로 및 피에조 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예들은 피에조 구동 회로 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
피에조 구동 회로는 피에조 회로의 일단에 연결된 제1 구동 스위치, 상기 제1 구동 스위치에 대응하고 상기 피에조 회로의 타단에 연결된 제2 구동 스위치를 상기 피에조 회로에 흐르는 전류를 감지하기 위한 감지 저항을 이용하여 피에조 회로를 구동한다. 상기 제2 구동 스위치가 턴 온 된 상태에서, 상기 제1 구동 스위치가 턴 온 되는 시점에, 상기 감지 저항에 발생하는 감지 전압의 피크가 감소하도록 상기 상측 스위치의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절한다.

Description

피에조 구동 회로 및 피에조 구동 방법{PIEZO DRIVING CIRCUIT, AND PIEZO DRIVING METHOD}

본 발명은 피에조 회로를 구동하는 피에조 구동 회로 및 피에조 회로의 구동 방법에 관한 것이다.

피에조(Piezo) 회로는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 또 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 피에조 회로를 구동하기 위해 풀브릿지 구동 회로가 사용된다.

피에조 회로는 커패시터를 포함하고 있고, 풀브릿지 구동 회로의 스위칭 소자들이 스위칭 동작할 때, 피에조 회로에 공급되는 전압의 방향이 바뀐다. 피에조 회로에 공급되는 전압의 방향이 바뀔 때 마다, 피에조 회로의 커패시터를 충전하는 피크 전류가 발생한다.

본 발명의 실시 예를 통하여 피크 전류를 감소시킬 수 있는 피에조 구동 회로, 및 피에조 구동 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 방법은 피에조 회로의 일단에 연결된 제1 구동 스위치, 상기 제1 구동 스위치에 대응하고 상기 피에조 회로의 타단에 연결된 제2 구동 스위치를 상기 피에조 회로에 흐르는 전류를 감지하기 위한 감지 저항을 이용한다.

상기 피에조 구동 방법은, 상기 제2 구동 스위치가 턴 온 된 상태에서, 상기 제1 구동 스위치가 턴 온 되는 단계, 및 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점에, 상기 감지 저항에 발생하는 감지 전압의 피크가 감소하도록 상기 제1 구동 스위치의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계를 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점에 상기 감지 전압의 피크가 소정의 기준 전압보다 작아질 때의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 상기 제1 구동 스위치의 파이어앵글 및 듀티싸이클로 설정하는 단계를 포함하고, 상기 소정의 기준 전압은 허용 가능한 상기 피에조 회로 전류의 피크에 따라 결정된다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크가 상기 기준 전압 이상이고, 상기 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크인 현재 홀딩 전압이 상기 제1 구동 스위치의 직전 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크인 직전 홀딩 전압 이상일 때, 상기 턴 온 시점의 파이어앵글을 감소시키고, 상기 듀티싸이클을 증가시키는 단계 B를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 감소된 파이어앵글 및 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 단계를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 비교 결과 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상이고, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압보다 작을 때, 상기 현재 홀딩 전압을 상기 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 증가시키는 단계 C를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 증가된 파이어앵글에 따라 상기 제1 구동 스위치가 턴 온 된 시점의 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교한 결과에 따라 상기 단계 B 또는 상기 단계 C를 반복한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 비교 결과 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상이고, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상일 때, 상기 듀티싸이클을 증가시키고, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하며, 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 단계 D를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 단계 D에서, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상이면, 상기 단계 D를 반복한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 비교 결과 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상이고, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압보다 작을 때, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 감소시키는 단계를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 감소된 파이어앵글에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 감지 전압의 피크를 검출 및 홀딩하여 현재 홀딩 전압을 생성하는 단계, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 단계, 및 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교하는 단계를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압보다 작으면, 상기 파이어앵글을 다시 감소시키고, 상기 앞 단락의 단계들을 반복한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상이면, 상기 파이어앵글 및 상기 듀티싸이클을 증가시키고, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하는 단계를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 증가된 파이어앵글 및 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압이 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교하는 단계를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 보다 작으면, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 증가시키는 단계 E를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상이면, 상기 듀티싸이클을 다시 증가시키고, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하는 단계 F를 더 포함한다.

상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는, 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 따라, 단계 E 또는 단계 F를 반복한다.

본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로는, 제1 접점 및 제2 접점 사이에 연결된 피에조 회로를 구동한다. 상기 피에조 구동 회로는, 상기 제1 접점에 연결되어 있는 제1 스위치 및 제3 스위치, 및 상기 제2 접점에 연결되어 있는 제2 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 풀브릿지 회로, 및 상기 피에조 회로에 흐르는 전류를 감지하기 위해 상기 풀브릿지 회로와 소정의 전압 사이에 연결되어 있는 감지 저항을 포함한다.

상기 피에조 구동 회로는 제2 구동 스위치가 턴 온 된 상태에서, 제1 구동 스위치가 턴 온 되는 단계, 및 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점에, 상기 감지 저항에 발생하는 감지 전압의 피크가 감소하도록 상기 제1 구동 스위치의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계에 따라 동작한다.

상기 피에조 구동 회로의 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 어느 하나가 상기 제1 구동 스위치이고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 중 어느 하나가 상기 상기 제2 구동 스위치이다. 이 때, 상기 제1 스위치가 상기 제1 구동 스위치일 때, 상기 제4 스위치가 상기 제2 구동 스위치이다.

또는, 상기 제2 스위치가 상기 제1 구동 스위치일 때, 상기 제3 스위치가 상기 제2 구동 스위치이다.

상기 피에조 회로는, 제1 접점 및 제2 접점 사이에 연결된 외부 인덕터를 더 포함한다.

본 발명의 실시 예를 통하여 피크 전류를 감소시킬 수 있는 피에조 구동 회로, 및 피에조 구동 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로의 제어 전압, 스위치 전류들, 및 스위치들의 양단전압들을 나타낸 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 파이어앵글 및 듀티싸이클 조절 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 감지 전압의 피크와 상측 스위치의 양단 전압을 나타낸 파형도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파이어앵글 및 듀티싸이클 조절 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 피에조 구동 회로가 외부 인덕터를 더 포함하는 피에조 회로에 적용된 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 피에조 구동 회로의 제어 전압, 스위치 전류들, 및 스위치들의 양단전압들을 나타낸 파형도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로, 및 피에조 구동 방법을 설명한다. 피에조 구동 회로의 스위치들의 스위칭이 영전압스위칭(Zero Voltage Switching, 이하, ZVS)에 가까울수록 피크 전류가 감소한다. 본 발명의 실시 예의 설명에서 ZVS에 가까운 스위칭 동작은 유사영전압스위칭(Quasi-Zero Voltage Switching, 이하 QZVS)이라 한다. QZVS는 종래 half-ZVS 및 partial-ZVS 보다 개선된 ZVS를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 피에조 구동 회로(20)에 연결된 피에조 회로(10)는 일반적인 피에조 회로로서, 제1 인덕터(L), 제1 커패시터(CA), 및 저항(R)을 포함하는 직렬 공진 회로(11) 및 직렬 공진 회로(11)에 병렬 연결되어 있는 제2 커패시터(CB)를 포함한다.

도 1에 도시된 피에조 회로(10)를 등가회로로 표현한 일 예에 지나지 않는다, 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로(20)는 도 1에 도시된 피에조 회로(10)에 한정되지 않으며, 다른 등가 회로로 구현된 피에조 회로에 적용될 수 있다.

피에조 구동 회로(20)는 풀-브릿지 회로로 구현되고, 4 개의 구동 스위치(S1-S4)를 포함한다. 4 개의 구동 스위치(S1-S4)의 양 전극 사이에는 바디 다이오드(BD1-BD4) 및 기생 커패시터(C1-C4)가 병렬로 연결되어 있다. 피에조 구동 회로(20)는 직류전압(VDC)과 그라운드에 연결되어 있다. 이하, 4 개의 구동 스위치(S1-S4) 각각을 제1 내지 제4 스위치(S1-S4)라 한다.

제1 내지 제4 스위치(S1-S4) 중 직류전압(VDC)에 연결된 스위치를 상측 스위치라 하고, 그라운드에 연결된 스위치를 하측 스위치라 한다. 예를 들어, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)들은 상측 스위치이고, 제3 및 제4 스위치(S3, S4)들을 하측 스위치라 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 제1 내지 제4 스위치(S1-S4)는 n 채널 타입의 MOSFET으로 구현되어 있다. 제1 내지 제4 스위치(S1-S4)의 제1 전극은 드레인 전극이고, 제2 전극은 소스 전극이며, 제어 전극은 게이트 전극이다.

다만, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 내지 제4 스위치가 MOSFET에 한정되는 것은 아니고, MOSFET 대신 BJT 또는 IGBT로 구현될 수 있다.

피에조 회로(10)의 일단은 제1 스위치(S1)의 소스 전극과 제3 스위치(S3)의 드레인 전극의 접점(N1)에 연결되어 있고, 피에조 회로(10)의 타단은 제2 스위치(S2)의 소스 전극과 제4 스위치(S4)의 드레인 전극의 접점(N2)에 연결되어 있다.

피에조 회로(10)에서, 제1 커패시터(CA), 제1 인덕터(L) 및 저항(R)은 접점(N1) 및 접점(N2) 사이에 직렬 연결되어 있다. 직렬 연결되어 있는 제1 커패시터(CA), 제1 인덕터(L) 및 저항(R)은 직렬 공진 회로를 구성한다. 제2 커패시터(CB)는 접점(N1)과 접점(N2) 사이에 연결되어 있고, 직렬 공진 회로와 병렬 연결되어 있다.

전류(IM)는 직렬 공진 회로에 흐르는 전류이고, 전류(ICB)는 제2 커패시터(CB)에 흐르는 전류이며, 피에조 전류(IPIEZO)는 피에조 회로(10)에 공급되는 전류로서, 전류(IM)와 전류(ICB)의 합이다.

구체적으로, 제1 커패시터(CA)의 일단은 접점(N1)에 연결되어 있다. 제1 인덕터(L)의 일단은 제1 커패시터(CA)의 타단에 연결되어 있다. 저항(R)의 일단은 제1 인덕터(L)의 타단에 연결되어 있고, 저항(R)의 타단은 접점(N2)에 연결되어 있다.

제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 드레인 전극은 전압(VDC)에 연결되어 있고, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)의 소스 전극은 그라운드에 연결되어 있다.

제1 스위치(S1)의 게이트 전극에는 제1 제어 전압(VA)가 공급되고, 제2 스위치(S2)의 게이트 전극에는 제2 제어 전압(VB)가 공급된다. 제3 스위치(S3)의 게이트 전극에는 제3 제어 전압(VC)이 공급되고, 제4 스위치(S4)의 게이트 전극에는 제4 제어 전압(VD)가 공급된다.

제1 스위치 내지 제4 스위치(S1-S4)의 양단 전압을 제1 내지 제4 스위치 전압(VP1-VP4)이라 한다.

감지저항(RS)은 피에조 전류를 감지하기 위해 피에조 구동 회로(20)와 직류전압(VDC)사이에 연결되거나, 피에조 구동 회로(20)와 그라운드 사이에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 감지저항(RS)은 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)의 소스 전극과 그라운드 사이에 연결되어 있고, 피에조 전류(IPIEZO)는 감지저항(RS)을 통해 그라운드로 흐른다.

감지저항(RS)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 감지전압(VSE)은 상측에 위치한 제1 및 제2 스위치(S1, S2)의 파이어앵글과 듀티싸이클을 결정하는데 이용된다.

파이어앵글은 상측 스위치(S1 또는 S2)의 턴 온 시점이 하측 스위치(S4 또는 S3)의 턴 온 시점으로부터 시프트 된 정도를 의미한다. 예를 들어, 제4 스위치(S4)(또는 제3 스위치(S3))의 턴 온 시작 시점)으로부터 제1 스위치(S1)(또는 제2 스위치(S2))의 턴 온 시작 시점이 시프트된 정도가 파이어앵글이다. 듀티싸이클은 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 스위칭 주기 중 턴 온 되는 기간을 의미한다.

예를 들어, 제4 스위치(S4)의 턴 온 시점인 T3와 제1 스위치(S1)의 턴 온 시점인 T4 간의 차이, 또는 제3 스위치(S3)의 턴 온 시점인 T6와 제2 스위치(S2)의 턴 온 시점인 T7 간의 차이가 파이어 앵글에 대응된다.

ZVS에 가까운 정도에 따라 상측 스위치인 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 턴 온 되는 시점의 피크 전류가 변한다. ZVS에 멀어질수록 턴 온 시 해당 스위치의 양단 전압이 높기 때문에, ZVS일 때의 피크 전류가 가장 작고, ZVS에서 멀어질수록 피크 전류가 증가한다.

스위치의 피크 전류는 피에조 전류(IPIEZO)의 피크에 반영된다. 그러면 감지전압(VSE)도 피에조 전류(IPIEZO)의 피크에 따라 피크 전압을 가진다. 본 발명의 실시 예는 이를 감지하여 피크 전압이 감소하는 방향으로 제1 및 제2 스위치(S1, S2)의 파이어앵글과 듀티싸이클을 조절한다.

구체적으로 도 1에 도시된 스위치 제어부(30)는 감지 전압(VSE)을 입력받고, 감지전압(VSE)의 피크값이 감소하는 방향으로 파이어앵글과 듀티싸이클 중 적어도 하나를 조절한다.

파이어앵글의 증가 또는 감소에 따라 피에조 전류(IPIEZO)의 피크가 감소 또는 증가할 수 있다. 예를 들어 제4 스위치가 턴 온 된 후, 제1 스위치(S1)의 양단 전압(VP1)이 사인파로 감소할 때, 가장 낮은 전압일 때 제1 스위치(S1)를 턴 온 시켜야 피크 전류가 최소이다(ZVS에 가까운 QZVS). 스위치 제어부(30)는 사인파로 감소하는 스위치의 양단전압의 최저점에 해당 스위치가 턴 온 되도록 파이어앵글을 조절할 수 있다.

아울러, 듀티싸이클이 증가할수록 인덕터(L)에 저장된 에너지가 증가한다. 스위치가 턴 오프 된 후에 기생 커패시터 및 커패시터(CB)를 방전시키기 위해서는 충분한 에너지가 필요하므로, 듀티싸이클이 증가할 수록 ZVS에 유리하다.

예를 들어, 인덕터(L)에 저장된 에너지가 작을수록 기생 커패시터 및 커패시터(CB)를 방전시키기 위한 에너지가 적다. 그러면, 사인파를 따라 감소하는 전압(VP1)의 최저점과 영전압과의 차이가 증가한다. 따라서 제1 스위치(S1)가 턴 온 될 때 피크 전류가 증가한다.

본 발명의 실시 예에 따른 스위치 제어부(30)는 듀티싸이클을 조절하여 사인파로 감소하는 스위치의 양단 전압의 최저점이 허용 가능한 범위에서 가장 낮도록 제어하고, 이 최저점에 스위치가 턴 온 되도록 파이어앵글을 조절한다.

이하, 도 2를 참조하여 피에조 구동 회로(20)의 동작을 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 피에조 구동 회로의 제어 전압, 스위치 전류들, 및 스위치들의 양단전압들을 나타낸 파형도이다.

전압(VP2)의 사인파(sinewave)는 시점 T1에 가장 낮은 전압이 되고, 이 시점 T1에 따라 설정된 제2 스위치(S2)의 파이어앵글에 따라 제2 제어 전압(VB)이 시점 T1에 하이 레벨이 되어, 제2 스위치(S2)가 턴 온 된다(QZVS). 증가하던 제4 스위치 전압(VP4)은 제2 스위치(S2)의 턴 온에 따라 시점 T1에 전압(VDC)과 동일한 레벨이 된다.

그리고 설정된 듀티싸이클이 경과한 시점 T2에 제2 제어 전압(VB)이 로우 레벨이 되고, 제2 스위치(S2)가 턴 오프 된다.

시점 T1에 제3 제어 전압(VC)은 하이 레벨 상태이고, 제3 스위치(S3)가 온 상태이므로, 기간 T1-T2 동안 전압(VDC)이 피에조 회로(10)에 연결되고, 시점 T1에 제2 스위치 전류(IS2)에 피크가 발생한다. 기간 T1-T2 동안 제2 스위치 전류(IS2)는 상승한다.

기간 T1-T2 동안 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)는 오프 상태이므로, 제1 스위치 전압(VP1) 및 제4 스위치 전압(VP4)은 전압(VDC)이고, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 온 상태이므로, 제2 스위치 전압(VP2) 및 제3 스위치 전압(VP3)는 영전압이다.

시점 T2에 제2 스위치(S2)가 턴 오프된 후, 커패시터(C4)가 인덕터 전류(IM)에 의해 방전되어 제4 스위치 전압(VP4)이 감소한다. 시점 T2부터 감소하던 제4 스위치 전압(VP4)이 영전압에 도달한 시점 혹은 그보다 약간 뒤의 시점 T3에 제4 제어 전압(VD)이 하이 레벨이 되고, 제4 스위치(S4)가 턴 온 된다.

시점 T3에 제3 제어 전압(VC)은 로우 레벨이 되고, 제3 스위치(S3)가 턴 오프 된다. 실제로, 시점 T3로부터 소정의 데드 타임 전에 제3 제어 전압(VC)이 로우 레벨이 되어 제3 스위치(S3)가 턴 오프 될 수 있다.

제3 스위치(S3)가 턴 오프 되는 시점부터 커패시터(C1)는 방전되고 커패시터(C3)는 충전되므로, 제1 스위치 전압(VP1)은 시점 T3부터 감소하기 시작하고, 제3 스위치 전압(VP3)은 증가하기 시작한다.

사인파로 감소하던 제1 스위치 전압(VP1)이 시점 T4에 (사인파에서) 가장 낮은 전압에 도달한다. 시점 T4에 따라 설정된 제1 스위치(S1)의 파이어앵글에 따라 시점 T4에 제1 제어 전압(VA)이 하이 레벨이 되어 제1 스위치(S1)가 턴 온 된다(QZVS). 그리고 설정된 듀티싸이클이 경과한 시점 T5에 제1 제어 전압(VA)이 로우 레벨이 되고, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 된다.

증가하던 제3 스위치 전압(VP3)은 제1 스위치(S1)의 턴 온에 따라 시점 T4에 전압(VDC)과 동일한 레벨이 된다.

시점 T4에 제4 스위치(S4)는 온 상태이므로, 기간 T4-T5 동안 전압(VDC)이 피에조 회로(10)에 연결되고, 시점 T4에 제1 스위치 전류(IS1)에 피크가 발생한다.

시점 T5에 제1 제어 전압(VA)이 로우 레벨이 되고, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 된다. 기간 T4-T5 동안 제1 스위치 전류(IS1)는 상승한다. 기간 T4-T5 동안 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 오프 상태이므로, 제2 스위치 전압(VP2) 및 제3 스위치 전압(VP3)은 전압(VDC)이고, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)는 온 상태이므로, 제1 스위치 전압(VP1) 및 제4 스위치 전압(VP4)는 영전압이다.

시점 T5 이후에는 커패시터(C3)가 방전되어 제3 스위치 전압(VP3)이 감소한다. 감소하던 제3 스위치 전압(VP3)이 영전압에 도달한 시점 혹은 그보다 약간 뒤의 시점 T6에 제3 스위치(S3)가 턴 온 된다. 시점 T5부터 커패시터(C1)가 충전되어 제1 스위치 전압(VP1)이 상승한다.

시점 T6에 제3 스위치 전압(VP3)이 영전압이 되어, 시점 T6에 제3 제어 전압(VC)이 하이 레벨이 되고, 제3 스위치(S3)가 턴 온 된다.

시점 T6에 제4 제어 전압(VD)은 로우 레벨이 되고, 제4 스위치(S4)가 턴 오프 된다. 실제로, 시점 T6로부터 소정의 데드 타임 전에 제4 제어 전압(VD)이 로우 레벨이 되어 제4 스위치(S4)가 턴 오프 될 수 있다.

시점 T6부터 커패시터(C2)는 방전되어 제2 스위치 전압(VP2)이 감소하기 시작하고, 커패시터(C4)가 충전되어 제4 스위치 전압(VP4)이 증가하기 시작한다.

사인파로 감소하던 제2 스위치 전압(VP2)은 시점 T7에 (사인파에서) 가장 낮은 전압에 도달한다. 그러면, 제2 제어 전압(VB)이 하이 레벨이 되어 제2 스위치(S2)가 턴 온 된다(QZVS). 증가하던 제4 스위치 전압(VP4)은 제2 스위치(S2)의 턴 온에 따라 시점 T7에 전압(VDC)과 동일한 레벨이다.

그 다음의 동작은 시점 T1부터 시점 T7까지의 동작이 반복되므로 상세한 설명은 생략한다.

도 2에서, 기간 T3-T4은 제1 스위치(S1)의 파이어앵글로서, 파이어앵글이 감소할수록 시점 T4가 시점 T3에 가까워지고, 파어어 앵글이 증가할수록 시점 T4가 시점 T3으로부터 멀어진다. 기간 T4-T5은 제1 스위치(S1)의 듀티싸이클에 따라 결정된다.

이와 마찬가지로, 기간 T6-T7은 제2 스위치(S2)의 파이어앵글로서 파이어앵글이 감소할수록 시점 T7가 시점 T6에 가까워지고, 파어어 앵글이 증가할수록 시점 T7가 시점 T6으로부터 멀어진다. 기간 T7-T8(또는 기간 T1-T2)은 제2 스위치(S2)의 듀티싸이클에 따라 결정된다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 방법을 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 파이어앵글 및 듀티싸이클 조절 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 초기 듀티싸이클(D0), 초기 파이어앵글(N0), 단위 듀티싸이클(Dstep), 및 단위 파이어앵글(Nstep)이 설정된다(S100).

감지 전압(VSE)을 이용하여 피크 전류를 검출 및 홀딩한다(S110). 이 때 홀딩되는 전압을 직전 홀딩 전압(VS0)이라 한다.

파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

S120 단계 후, 증가된 파이어앵글(N)에 따라 발생하는 감지 전압(VSE)의 피크가 검출 및 홀딩되어(S130), 현재 홀딩 전압(VS1)이 생성된다.

S140단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref)보다 작은지 비교된다. 기준전압(Vref)은 설계에 따라 변경될 수 있으며 허용 가능한 피크 전류에 따라 결정된다. 도 2에 도시된 바와같이, 제1 스위치 및 제2 스위치(S1, S2)가 적어도 QZVS하고, 제3 및 제4 스위치(S3, S4)가 ZVS하는 조건에서 발생하는 피크 전류가 허용 가능하다고 설정된다. 이 때, QZVS는 스위치의 양단 전압이 사인파에 따라 감소할 때 가장 낮은 전압에서 해당 스위치가 턴 온 되는 스위칭을 의미한다.

S140단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 보다 작으면, 피에조 구동 회로의 피크 전류는 허용가능하므로, 해당 파이어앵글 및 듀티싸이클로 스위칭 동작이 제어되면 된다. 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 보다 작을 때의 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)이 상측 스위치(S1 또는 S2)의 파이어앵글 및 듀티싸이클로 설정된다(S150). 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)이 설정되면, 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)의 조절 작업은 종료된다.

S140단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 이상이면, 현재 홀딩 전압(VS1)과 직전 홀딩 전압(VS0)이 비교된다(S160). S160단계에서 비교 결과, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으면, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S170). 그리고 파이어앵글(N)을 증가시키는 S120단계로 이동한다.

S160단계에서 비교 결과, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0) 이상이면, S120단계에서 증가된 파이어앵글(N)이 다시 감소된다(S180). 이 때, 파이어앵글의 감소 정도는 단위 파이어앵글(Nstep)에 따른다.

그리고 듀티싸이클(D)이 단위 듀티싸이클(Dstep)만큼 증가된다(S190). 그리고 현재 홀딩 전압(VS1)은 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S200). 증가된 듀티싸이클(D)에 따라 발생하는 감지 전압(VSE)의 피크가 검출 및 홀딩되어(S210), 현재 홀딩 전압(VS1)이 생성된다.

S220단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref)보다 작은지 비교한다. S220단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 보다 작으면, 해당 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)이 설정된다(S240).

S220단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 이상이면, 현재 홀딩 전압(VS1)과 직전 홀딩 전압(VS0)을 비교한다(S230). S230단계에서 비교 결과, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으면, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S170). 그리고 다시 파이어앵글(N)을 증가시키는 S120단계로 이동한다.

S230단계에서 비교 결과, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0) 이상이면, 다시 듀티싸이클(N)을 증가시키는 S190단계로 이동한다.

본 발명의 실시 예에 따라 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)을 조절하면, 감지 전압(VSE)의 피크가 감소하다가 기준전압(Vref)보다 작아질 때의 파이어앵글(N)과 듀티싸이클(D)이 설정된다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 도 3에 순서에 따라 파이어앵글(N)과 듀티싸이클(D)이 조절되는 방법을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 감지 전압의 피크와 상측 스위치의 양단 전압을 나타낸 파형도이다. 예를 들어, 제1 스위치(S1)의 전압(VP1)이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 VSE의 피크 전압은 정현파를 따르는 피에조 전류(IPIEZO)의 파형에 존재하는 피크에 따르는 전압이다.

먼저, 초기 파이어앵글(N0) 및 듀티싸이클(D0)에 따라 시점 TP1에 제1 스위치(S1)가 턴 온 된다. 이 때, 전압(VP1)은 영전압에 비해 매우 높은 전압이므로 감지전압(VSE)의 피크 역시 매우 높다. 시점 TP1의 감지 전압(VSE)의 피크가 검출 및 홀딩 되어 직전 홀딩 전압(VS0)이 된다(S110).

파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep) 만큼 증가(S120)된 후, 시점 TP2에 감지 전압(VSE)의 피크가 검출 및 홀딩되고, 시점 TP2의 감지전압(VSE)의 피크는 현재 홀딩 전압(VS1)이다(S130). 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으므로, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)로 저장되고(S170), 다시 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

시점 TP3의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S130), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)와 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으므로, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)로 저장되고(S170), 다시 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

시점 TP4의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S130), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 크므로, 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 감소된다(S180). 듀티싸이클(D)은 단위 듀티싸이클(Dstep)만큼 증가되고(S190), 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다.

시점 TP5의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S210), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S220), 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교된다(S230). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으므로, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S170). 그리고 다시 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

시점 TP6의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S130), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)와 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으므로, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장되고(S170), 다시 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

시점 TP7의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S130), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 크므로, 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 감소된다(S180). 듀티싸이클(D)을 단위 듀티싸이클(Dstep)만큼 증가되고(S190), 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다.

시점 TP8의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S210), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S220), 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교된다(S230). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으므로, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S170). 그리고 다시 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

시점 TP9의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S130), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)와 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으므로, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)로 저장되고(S170), 다시 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 증가된다(S120).

시점 TP10의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S130), 기준 전압(Vref)보다 크므로(S140), 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교된다(S160). 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 크므로, 파이어앵글(N)이 단위 파이어앵글(Nstep)만큼 감소된다(S180). 듀티싸이클(D)을 단위 듀티싸이클(Dstep)만큼 증가되고(S190), 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다.

시점 TP11의 감지전압(VSE)의 피크가 현재 홀딩 전압(VS1)이 되고(S210), 기준 전압(Vref)보다 작으므로(S220), 현재의 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)이 설정된다(S240).

위와 같이 본 발명의 실시 예에서는 감지 전압(VSE) 즉, 피에조 전류(IPIEZO)의 피크를 감지하여 감지된 피크 전류가 소정의 기준 전류보다 작을 때의 파이어앵글 및 듀티싸이클로 피에조 회로를 구동시킨다.

도 4를 참조로 설명한 내용은 일 예에 지나지 않으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 듀티싸이클(D)을 증가시킨 후(S190)에 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)을 비교(S230)한 결과, 직전 홀딩 전압(VS0)이 현재 홀딩 전압(VS1) 이하인 경우 듀티싸이클(D)을 다시 증가시킨다(S190).

또한, 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 방법은 도 3에 한정되지 않으며, 본 발명의 다른 실시 예에서는 도 3과 그 방법을 달리한다.

이하, 도 5를 참조로 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파이어앵글 및 듀티싸이클의 조절 방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파이어앵글 및 듀티싸이클 조절 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 3에 도시된 앞선 실시 예와 비교해 단계 S310-S450이 동일하다. 두 실시 예 간의 차이점을 정리하면 아래와 같다.

즉, 듀티싸이클(D)을 단위 듀티싸이클(Dstep)만큼 증가시킨 후의 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작은 경우, 앞서 실시 예에서는 현재 홀딩 전압(VS1)을 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장한 후, 다시 파이어앵글(N)을 증가되는데 반해, 다른 실시 예는 파이어앵글(N)이 감소된다.

이어서, 파이어앵글(N)이 감소된 후의 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 크면 감소된 파이어앵글(N)이 증가되고, 듀티싸이클(D)이 증가된다. 그 후, 현재 홀딩 전압(VS1)은 직전 홀딩 전압(VS0)이 되고, 증가된 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)에 따르는 감지 전압(VSE)의 피크를 현재 홀딩 전압(VS1)으로 설정하여 기준전압(Vref) 및 직전 홀딩 전압(VS0)과 비교한다.

S460단계에서, 파이어앵글(N)이 감소된다. S470단계에서, 감소된 파이어앵글(N)에 따르는 감지 전압(VSE)의 피크가 검출 및 홀딩되어, 현재 홀딩 전압(VS1)이 생성된다.

S480단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준전압(Vref) 보다 작은지 비교된다. S480단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준전압(Vref)보다 작으면, 해당 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)이 설정된다.

S480단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준전압(Vref) 이상일 때, 현재 홀딩 전압(VS1) 및 직전 홀딩 전압(VS0)이 비교된다(S500). S500단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으면, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S450). 그리고 파이어앵글(N)을 증가시키는 S460단계로 이동한다.

S500단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0) 이상이면, 파이어앵글(N)이 증가되고(S510), 듀티싸이클(D)이 증가된다(S520). 그리고 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S450).

증가된 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)에 따라 발생하는 감지 전압(VSE)의 피크가 검출 및 홀딩되어(S540), 현재 홀딩 전압(VS1)이 생성된다.

S550단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref)보다 작은지 비교된다. S550단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 보다 작으면, 해당 파이어앵글(N) 및 듀티싸이클(D)이 유지된다(S570).

S550단계에서 현재 홀딩 전압(VS1)이 기준 전압(Vref) 이상이면, 현재 홀딩 전압(VS1)과 직전 홀딩 전압(VS0)을 비교한다(S560). S560단계에서 비교 결과, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)보다 작으면, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0)으로 저장된다(S580). 그리고 다시 파이어앵글(N)을 증가시키는 S320단계로 이동한다.

S560단계에서 비교 결과, 현재 홀딩 전압(VS1)이 직전 홀딩 전압(VS0) 이상이면, 다시 듀티싸이클(N)을 증가시키는 S520단계로 이동한다.

지금까지 피에조 회로(10)를 구동하는 피에조 구동 회로에서 상측 스위치들의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 방법에 대해서 설명하였으나, 하측 스위치들의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절할 수도 있다. 즉, 상측 스위치들(S1, S2)의 듀티 싸이클을 50%로 고정하고, 감지 전압(VSE)의 피크가 기준전압(Vref)보다 작을 때까지 하측 스위치(S3, S4)의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절한다.

아울러, 본 발명은 도 1에 도시된 피에조 회로(10)뿐만 아니라 다른 피에조 회로에 대해서도 적용가능하다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 피에조 구동 회로가 외부 인덕터를 더 포함하는 피에조 회로에 적용된 것을 나타낸 도면이다. 도 1과 비교해 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 상세한 설명은 생략한다.

피에조 회로(12)는 외부 인덕터(LEXT)를 더 포함한다. 외부 인덕터(LEXT)의 추가로 커패시터(CB) 및 기생 커패시터를 방전시키기에 충분한 에너지를 저장할 수 있다. 따라서 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 모든 스위치들의 ZVS가 가능하다. 외부 인덕터(LEXT)를 추가하지 않고, 누설 인덕턴스를 이용할 수 있다. 누설 인덕턴스는 피에조 회로 및 피에조 구동 회로에 전기적으로 연결된 트랜스포머의 누설 인덕턴스일 수 있다.

도 7을 참조하여, 피에조 회로(12)가 적용된 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 피에조 구동 회로의 제어 전압, 스위치 전류들, 및 스위치들의 양단전압들을 나타낸 파형도이다. 도 7에 도시된 스위치들의 양단 전압은 ZVS를 만족하는 조건에서의 전압 파형들이다.

전압(VP2)의 사인파(sinewave)는 시점 TQ11에 영전압이 되고, 이 시점 TQ11에 따라 설정된 제2 스위치(S2)의 파이어앵글에 따라 제2 제어 전압(VB)이 시점 TQ11에 하이 레벨이 되어, 제2 스위치(S2)가 턴 온 된다(ZVS). 그리고 설정된 듀티싸이클이 경과한 시점 TQ12에 제2 제어 전압(VB)이 로우 레벨이 되고, 제2 스위치(S2)가 턴 오프 된다.

시점 TQ11에 제3 제어 전압(VC)은 하이 레벨 상태이고, 제3 스위치(S3)가 온 상태이므로, 기간 TQ11-TQ12 동안 전압(VDC)이 피에조 회로(12)에 연결되고, 시점 TQ11에 제2 스위치 전류(IS2)에 피크가 발생한다. 기간 TQ11-TQ12 동안 제2 스위치 전류(IS2)는 상승한다. 앞서 도 2에 도시된 제2 스위치 전류(IS2)의 피크보다 도 7에 도시된 피크가 더 작다. 실제로 완전 ZVS 동작을 할 경우, 피크 전류는 거의 사라지게 된다. 여기서는 설명의 편의를 위해서 완전 ZVS 동작임에도 피크가 존재하는 것으로 표현했다.

시점 TQ12에 제2 스위치(S2)가 턴 오프된 후, 커패시터(C4)가 외부 인덕터 전류(IEXT)에 의해 방전되어 제4 스위치 전압(VP4)이 감소한다. 시점 TQ12부터 감소하던 제4 스위치 전압(VP4)이 영전압에 도달한 시점 혹은 그보다 약간 뒤의 시점 TQ13에 제4 제어 전압(VD)이 하이 레벨이 되고, 제4 스위치(S4)가 턴 온 된다.

시점 TQ13에 제3 제어 전압(VC)은 로우 레벨이 되고, 제3 스위치(S3)가 턴 오프 된다. 제3 스위치(S3)가 턴 오프 되는 시점부터 커패시터(C1)는 방전되고 커패시터(C3)는 충전되므로, 제1 스위치 전압(VP1)은 TQ13부터 감소하기 시작하고, 제3 스위치 전압(VP3)은 증가하기 시작한다.

사인파로 감소하던 제1 스위치 전압(VP1)이 시점 TQ14에 영전압에 도달한다. 시점 TQ14에 따라 설정된 제1 스위치(S1)의 파이어앵글에 따라 시점 TQ14에 제1 제어 전압(VA)이 하이 레벨이 되어 제1 스위치(S1)가 턴 온 된다(ZVS). 그리고 설정된 듀티싸이클이 경과한 시점 TQ15에 제1 제어 전압(VA)이 로우 레벨이 되고, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 된다.

시점 TQ14에 제4 스위치(S4)는 온 상태이므로, 기간 TQ14-TQ15 동안 전압(VDC)이 피에조 회로(12)에 연결되고, 시점 TQ14에 제1 스위치 전류(IS1)에 피크가 발생한다. 시점 TQ14에 발생하는 제1 스위치 전류(IS1)의 피크는 도 2에 도시된 시점 TQ4의 피크보다 작다.

시점 TQ15에 제1 제어 전압(VA)이 로우 레벨이 되고, 제1 스위치(S1)가 턴 오프 된 후에는 커패시터(C3)가 방전되어 제3 스위치 전압(VP3)이 감소한다. 감소하던 제3 스위치 전압(VP3)이 영전압에 도달한 시점 혹은 그보다 약간 뒤의 시점 TQ16에 제3 스위치(S3)가 턴 온 된다. 시점 TQ15부터 커패시터(C1)가 충전되어 제1 스위치 전압(VP1)이 상승한다.

시점 TQ16에 제3 스위치 전압(VP3)이 영전압이 되어, 시점 TQ16에 제3 제어 전압(VC)이 하이 레벨이 되고, 제3 스위치(S3)가 턴 온 된다. 시점 TQ6에 제4 제어 전압(VD)은 로우 레벨이 되고, 제4 스위치(S4)가 턴 오프 된다.

시점 TQ16부터 커패시터(C2)는 방전되어 제2 스위치 전압(VP2)이 감소하기 시작하고, 커패시터(C4)가 충전되어 제4 스위치 전압(VP4)이 증가하기 시작한다.

사인파로 감소하던 제2 스위치 전압(VP2)은 시점 TQ7에 영전압에 도달한다. 그러면, 제2 제어 전압(VB)이 하이 레벨이 되어 제2 스위치(S2)가 턴 온 된다(ZVS).

그 다음의 동작은 시점 TQ11부터 시점 TQ17까지의 동작이 반복되므로 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이, 도 3 및 5를 참조로 설명한 순서에 따라 파이어앵글 및 듀티싸이클을 설정하면, ZVS 또는 적어도 QZVS가 구현된다.

본 발명의 실시 예에서는, 상측 스위치(S1, S2)의 파이어 앵글 및 듀티 싸이클이 하측 스위치(S3, S4)를 기준으로 설정되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

구체적으로, 상측 스위치(S1, S2)의 듀티 싸이클을 50%로 설정하고, 상측 스위치(S1, S2)에 대응하는 하측 스위치(S1에 대응하는 S4, S2에 대응하는 S3)의 파이어 앵글 및 듀티 싸이클을 도 3 및 도 5를 참조하여 설명한 순서에 따라 설정할 수 있다. 그러면 ZVS 또는 적어도 QZVS가 구현된다.

본 발명의 실시 예들에 따른 피에조 구동 회로는 소프트 스위칭을 통해 피크 전류를 감소시켜 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있어서, 종래 피에조 구동 회로에 비해 입력 전력을 감소시킬 수 있는 효과도 제공한다. 즉, 구동 회로의 모든 스위치들이 ZVS하거나, 상측 스위치는 적어도 QZVS하고 나머지 두 스위치들은 ZVS하여 스위칭 손실을 감소시켜, 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

구체적으로, 피에조 회로의 기계적 에너지 예를 들어, 진동을 결정하는 전압은 커패시터(CA)의 양단 전압이다. 종래 피에조 회로가 커패시터(CA)의 양단 전압을 필요한 만큼 얻기 위해 필요한 입력 전력에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 입력 전력이 더 작다. 따라서 종래 피에조 회로와 비교해 동일한 기계적 에너지를 얻기 위해 필요한 전기 에너지가 적다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

피에조 회로(10, 12), 제1 인덕터(L), 외부 인덕터(LEXT), 제1 커패시터(CA)
제2 커패시터(CB), 저항(R), 피에조 구동 회로(20),
바디 다이오드(BD1-BD4), 기생 커패시터(C1-C4)
제1 스위치 내지 제4 스위치(S1-S4), 직렬 공진 회로(11)

Claims (20)

1. 피에조 회로의 일단에 연결된 제1 구동 스위치, 상기 제1 구동 스위치에 대응하고 상기 피에조 회로의 타단에 연결된 제2 구동 스위치를 상기 피에조 회로에 흐르는 전류를 감지하기 위한 감지 저항을 이용하는 피에조 구동 방법에 있어서,
   상기 제2 구동 스위치가 턴 온 된 상태에서, 상기 제1 구동 스위치가 턴 온 되는 단계, 및
   상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점에, 상기 감지 저항에 발생하는 감지 전압의 피크가 감소하도록 상기 제1 구동 스위치의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계를 포함하는 피에조 구동 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점에 상기 감지 전압의 피크가 소정의 기준 전압보다 작아질 때의 파이어앵글 및 듀티싸이클을 상기 제1 구동 스위치의 파이어앵글 및 듀티싸이클로 설정하는 단계를 포함하고,
   상기 소정의 기준 전압은 허용 가능한 상기 피에조 회로 전류의 피크에 따라 결정되는 피에조 구동 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크가 상기 기준 전압 이상일 때,
   상기 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크인 현재 홀딩 전압이 상기 제1 구동 스위치의 직전 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크인 직전 홀딩 전압보다 작을 때, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 증가시키는 단계 A를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 증가된 파이어앵글에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점에, 상기 감지 전압의 피크인 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 단계 A를 반복하는 피에조 구동 방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크가 상기 기준 전압 이상이고, 상기 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크인 현재 홀딩 전압이 상기 제1 구동 스위치의 직전 턴 온 시점의 상기 감지 전압의 피크인 직전 홀딩 전압 이상일 때,
   상기 턴 온 시점의 파이어앵글을 감소시키고, 상기 듀티싸이클을 증가시키는 단계 B를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 감소된 파이어앵글 및 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 비교 결과 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상이고, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압보다 작을 때,
   상기 현재 홀딩 전압을 상기 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 증가시키는 단계 C를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 증가된 파이어앵글에 따라 상기 제1 구동 스위치가 턴 온 된 시점의 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교한 결과에 따라 상기 단계 B 또는 상기 단계 C를 반복하는 피에조 구동 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
   상기 비교 결과 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상이고, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상일 때,
   상기 듀티싸이클을 증가시키고, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하며, 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 단계 D를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 단계 D에서, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상이면, 상기 단계 D를 반복하는 피에조 구동 방법.
11. 제6항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 비교 결과 상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상이고, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압보다 작을 때,
    상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 감소시키는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 감소된 파이어앵글에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 감지 전압의 피크를 검출 및 홀딩하여 현재 홀딩 전압을 생성하는 단계,
    상기 현재 홀딩 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 단계, 및
    상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교하는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압보다 작으면, 상기 파이어앵글을 다시 감소시키고, 상기 청구항 제12항의 단계들을 반복하는 피에조 구동 방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상이면, 상기 파이어앵글 및 상기 듀티싸이클을 증가시키고, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 증가된 파이어앵글 및 상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압이 기준 전압 이상일 때,
    상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교하는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 보다 작으면, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하고, 상기 파이어앵글을 증가시키는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 현재 홀딩 전압이 상기 직전 홀딩 전압 이상이면, 상기 듀티싸이클을 다시 증가시키고, 상기 현재 홀딩 전압을 직전 홀딩 전압으로 저장하는 단계를 더 포함하는 피에조 구동 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 파이어앵글 및 듀티싸이클을 조절하는 단계는,
    상기 증가된 듀티싸이클에 따른 상기 제1 구동 스위치의 턴 온 시점의 현재 홀딩 전압이 상기 기준 전압 이상일 때, 상기 현재 홀딩 전압과 상기 직전 홀딩 전압을 비교하고,
    상기 비교 결과에 따라, 상기 청구항 제16항의 단계 또는 상기 청구항 제17항의 단계를 반복하는 피에조 구동 방법.
19. 제1 접점 및 제2 접점 사이에 연결된 피에조 회로의 구동 회로에 있어서,
    상기 제1 접점에 연결되어 있는 제1 스위치 및 제3 스위치, 및 상기 제2 접점에 연결되어 있는 제2 스위치 및 제4 스위치를 포함하는 풀브릿지 회로, 및
    상기 피에조 회로에 흐르는 전류를 감지하기 위해 상기 풀브릿지 회로와 소정의 전압 사이에 연결되어 있는 감지 저항을 포함하고,
    상기 청구항 제1항의 구동 방법에 따르며,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 어느 하나가 상기 제1항의 상기 제1 구동 스위치이고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 중 어느 하나가 상기 제1항의 상기 제2 구동 스위치이며,
    상기 제1 스위치가 상기 제1 구동 스위치일 때, 상기 제4 스위치가 상기 제2 구동 스위치이고,
    상기 제2 스위치가 상기 제1 구동 스위치일 때, 상기 제3 스위치가 상기 제2 구동 스위치인 피에조 구동 회로.
20. 제19항에 있어서,
    상기 피에조 회로는,
    제1 접점 및 제2 접점 사이에 연결된 외부 인덕터를 더 포함하는 피에조 구동 회로.
    
    
    
    

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