KR20170068494A - 멀티-페이즈 스위치형 전력 변환기 - Google Patents

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Abstract

멀티-페이즈 전력 변환기는 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 복수의 페이즈들을 포함하며, 복수의 페이즈들의 각각의 페이즈는 스위칭 엘리먼트 및 인덕턴스를 포함하며; 상기 복수의 페이즈들은 공통 스타 포인트(common star point)에 연결되며, 패시터가 공통 스타 포인트에 출력 커패시터가 연결된다. 멀티-페이즈 전력 변환기들의 페이즈들은 그들의 인덕턴스 측면에서 동일하지 않다. 따라서, 적어도 하나의 페이즈는, 저전력 동작에서, 상기 적어도 하나의 페이즈가 더 낮은 전류 레벨들에 최적이되도록 저전류에 대해 최적화될 수 있다.

Description

멀티-페이즈 스위치형 전력 변환기 {MULTI-PHASE SWITCHED POWER CONVERTER}
본 개시내용은 멀티-페이즈 스위치형 전력 변환기에 관한 것이다.
전력 변환기의 최신 설계들은, 특정된 성능 요건들, 이를테면 높은 효율성, 정확한 출력 조절, 고속 과도 응답(transient response), 낮은 솔루션 비용 등을 충족시키도록 선택된다. 전력 변환기는 정해진 입력 전압으로부터 부하(load)에 대한 출력 전압 및 전류를 생성한다. 이는 정상-상태 및 과도 조건들 동안 전류 조정 또는 부하 전압 요건을 충족시킬 필요가 있다. 특정 애플리케이션에 따라, 멀티-페이즈 스위치형 전력 변환기가 적합한 해결책일 수 있다.
일반적으로, 스위치형 전력 변환기는 입력 전압 소스로부터 서서히(bit by bit) 소량의 에너지를 받아 이들을 출력으로 이동시킴으로써 작동한다. 이는 전기 스위치 및 에너지가 출력으로 전달되는 레이트를 제어하는 제어기에 의해 달성된다.
스위치형 전력 변환기들은 스위칭가능한 전력 스테이지를 포함하며, 여기서 출력 전압은 스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 생성된다. 스위칭 신호는 출력 전압을 기준 전압으로 조정하는 제어기에 의해 생성된다. 스위치형 전력 스테이지는 하이측(high-side) 스위치, 로우측(low-side) 스위치, 인덕턴스로 이루어진 듀얼 스위치 및 커패시터를 포함한다. 충전 페이즈 동안, 스위칭 신호에 의해, 하이측 스위치가 턴온되고 로우측 스위치가 턴오프되어 커패시터가 충전된다. 방전 페이즈 동안, 하이측 스위치가 턴오프되고 로우측 스위치가 턴온되어 평균 인덕터 전류가 부하 전류에 매칭된다. 스위칭 신호는 제어 법칙에 의해 결정된 듀티 사이클을 갖는 디지털 펄스 폭 변조 신호로서 생성된다.
스위치형 전력 변환기들은 광범위한 부하 조건들에 대해 동작해야 한다. 벅(buck) 및 부스트(boost) 유도 변환기들은 고전류 애플리케이션들에 대해 2개 이상의 페이즈를 가질 수 있다. 페이즈는 듀얼 스위칭 엘리먼트 및 인덕터를 포함한다. 복수의 동일한 페이즈들이 공통 스타 포인트(common star point)에 연결되어 공통 출력 커패시터가 충전 또는 방전된다.
많은 애플리케이션들에서, 전력 변환기는 실질적으로 피크 전류보다 작은 전류에서 그리고 단일 페이즈에 대한 피크 전류보다 훨씬 더 작은 전류에서 동작할 수 있다. 따라서, 각각의 페이즈에 대해 동일한 페이즈들 및 전류 성능을 갖는 것이 최적이 아닐 수 있다.
실질적으로 도면들 중 적어도 하나의 도면과 관련하여 도시된 그리고/또는 설명된 멀티-페이즈 전력 변환기는 청구항에서 보다 완전히 설명된다.
멀티-페이즈 전력 변환기들의 페이즈들은 그들의 인덕턴스 측면에서 동일하지 않다. 따라서, 적어도 하나의 페이즈는, 저전력 동작에서, 상기 적어도 하나의 페이즈가 더 낮은 전류 레벨들에 최적이되도록 저전류에 대해 최적화될 수 있다.
게다가, 최적의 스위칭 디바이스 선택은 해당 페이즈의 동작 전류에 따르기 때문에, 스위칭 엘리먼트들이 각각의 페이즈에 대해 최적화될 수 있다.
본 개시내용의 이들 및 다른 장점들, 양상들 및 신규한 특징들뿐만 아니라 이들의 예시된 실시예들의 상세사항들은, 하기 설명 및 도면들로부터 보다 완벽히 이해될 것이다.
첨부 도면이 참조될 것이다.
도 1은 멀티-페이즈 전력 변환기의 블록도를 도시한다.
도 1에 도시된 멀티-페이즈 전력 변환기는 입력 전압(Vin) 및 스위칭 신호들에 따라 출력 전류 또는 전압을 생성하기 위한 스위칭 신호들(Vg1, Vg2, Vg3)에 의해 제어되는 3개의 페이즈들을 포함한다.
제 1 페이즈는 인버터(U1), 하이측 FET(field effect transistor)(Q1) 및 로우측 FET Q2를 포함하는 듀얼 스위칭 엘리먼트 및 인덕턴스(L1)를 포함한다. 제 2페이즈는 인버터(U2), 하이측 FET(Q3) 및 로우측 FET(Q4)를 포함하는 듀얼 스위칭 엘리먼트 및 인덕턴스(L2)를 포함한다. 제 3 페이즈는 인버터(U3), 하이측 FET(Q5) 및 로우측 FET(Q6)를 포함하는 듀얼 스위칭 엘리먼트 및 인덕턴스(L3)를 포함한다.
3개의 페이즈들은 커패시터(C1)가 연결되는 공통 스타 포인트에 연결된다. 각각의 페이즈는 커패시터(C1)를 충전하기 위한 동작 전류를 자체 생성한다.
종래 기술에서는 인덕턴스(L1, L2 및 L3)가 동일하고 FET들(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 및 Q6)이 동일하지만, 본 발명에 따라, 적어도 하나의 페이즈의 인덕턴스는 다른 페이즈의 인덕턴스와 상이하다. 적어도 하나의 페이즈는, 저전력 동작에서, 상기 적어도 하나의 페이즈가 더 낮은 전류 레벨들에 최적이되도록 저전류에 대해 최적화될 수 있다.
예를 들어, 제 3 페이즈는 더 낮은 전류 레벨들에 대해 최적화될 수 있다. L1은 L2와 같지만, L3는 L1 및 L2와 상이하다.
최적으로, 인덕턴스(L3)는 리플 전류(ripple current)가 피크 전류 값의 20% 내지 40%가 되도록 선택될 수 있다. 고정된 입력 및 출력 전압에 대해, 첫번째로, 리플 전류는 인덕턴스의 역수에 비례한다.
게다가, 최적의 스위칭 디바이스 선택은 해당 페이즈의 동작 전류에 따르기 때문에, 듀얼 스위칭 엘리먼트들이 각각의 페이즈에 대해 최적화될 수 있다. 스위칭 엘리먼트들(Q5 및 Q6)은, 예를 들어, 제 3 페이즈의 동작 전류에 대해 그들의 크기 및 비용과 관련하여 최적화될 수 있다. Q1은 Q3와 동일할 수 있지만, Q5는 Q1 및 Q3와 상이할 수 있다. Q2는 Q4와 동일할 수 있지만, Q6는 Q2 및 Q4와 상이할 수 있다.
복수의 페이즈들 각각의 인덕턴스는 다른 페이즈의 인덕턴스와 상이할 수 있다. 따라서, 각각의 페이즈는 그의 개별 동작 전류에 대해 최적화될 수 있다.
또한, 복수의 페이즈들 각각의 스위칭 엘리먼트는 다른 페이즈의 인덕턴스와 상이할 수 있다.
3-페이즈 벅 변환기는 단지 일 예이다. 개별 페이즈의 부하 조건들에 대한 최적화된 인덕턴스들 및 스위칭 엘리먼트들의 개념이 임의의 벅 또는 부스트 변환기 설계에 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 멀티-페이즈 전력 변환기(multi-phase power converter)로서,
    스위칭 신호 및 입력 전압에 따라 출력 전압을 생성하기 위한 복수의 페이즈들을 포함하며, 복수의 페이즈들의 각각의 페이즈는 스위칭 엘리먼트 및 인덕턴스를 포함하며; 상기 복수의 페이즈들은 공통 스타 포인트(common star point)에 연결되며, 상기 공통 스타 포인트에 출력 커패시터가 연결되며; 상기 적어도 하나의 페이즈의 인덕턴스는 다른 페이즈의 인덕턴스와 상이한, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인덕턴스는 리플(ripple) 인덕터 전류에 반비례(anti-proportional)하는, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 페이즈의 인덕턴스는 리플 동작 전류가 피크 전류의 20%-40%가 되도록 선택되는, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 페이즈들 각각의 인덕턴스는 다른 페이즈의 인덕턴스와 상이한, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 페이즈의 스위칭 엘리먼트는 다른 페이즈의 스위칭 엘리먼트와 상이한, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 페이즈의 스위칭 엘리먼트는 상기 페이즈의 동작 전류에 대해 최적화되는, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트는 듀얼 스위칭 엘리먼트인, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 페이즈들 각각의 스위칭 엘리먼트는 다른 페이즈의 인덕턴스와 상이한, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티-페이즈 전력 변환기는 벅-변환기(buck-converter)인, 멀티-페이즈 전력 변환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티-페이즈 전력 변환기는 부스트-변환기(boost-converter)인, 멀티-페이즈 전력 변환기.
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