KR20170129619A - 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스 - Google Patents

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KR20170129619A
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

기술되는 용량성 부하(CPIEZO)를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스는 제1 공급 단자 및 제2 공급 단자를 갖는 제1 커패시터(CDCDC)를 갖고, 각각 커패시터(CDCDC)의 제1 공급 단자 및 제2 공급 단자에 접속되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 갖는 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)로서, 컨버터(BUCK/BOOST)의 제2 입력 단자는 그라운드 단자(GND)에 접속되고, 제1 스위칭 소자(M1)와 제2 스위칭 소자(M2)의 직렬 회로는 제1 입력 단자와 제2 입력 단자 사이에 배열되고, 그리고 2개의 스위칭 소자(M1, M2)의 접속점은 주 코일(LMAIN)을 통해 컨버터(BUCK/BOOST)의 제1 출력 단자에 접속되되, 컨버터(BUCK/BOOST)의 제2 출력 단자는 그라운드 단자(GND)에 접속되는 다운-업 컨버터를 갖고, 그리고 컨버터(BUCK/BOOST)의 출력 단자에 접속되는 제1 출력 회로 단자와 제2 출력 회로 단자 사이에 배열되는 용량성 부하(CPIEZO)를 갖는 출력 회로를 갖는다. 방전 회로는 출력 회로, 주 코일(LMAIN) 및 제2 스위칭 소자(M2)로 형성되고, 거기에는 특정된 전압(VNEG, VSHIFT)으로 충전시키기 위한 충전 회로(DCDC2; SW2, DGl; MPRT)에 접속되는 부가적 커패시터(CNEG, CSHIFT)가 배열되되, 전압(VNEG, VSHIFT)의 극성은 용량성 부하(CPIEZO)의 충전된 상태에서의 부하 전압(VPIEZO)의 극성에 대응한다.

Description

용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스{DEVICE FOR CHARGING AND DISCHARGING A CAPACITIVE LOAD}
본 발명은, 예컨대, 압전 분사 밸브(인젝터)를 충전 및 방전시키는데 사용되는, 스위칭-모드 전력 공급 장치(DC-DC 컨버터)의 작동 범위를 확장시킬 수 있는, 회로 기술에 관한 것이다. 이러한 경우에 압전 밸브(압전 인젝터)는 컨버터에 대한 용량성 부하를 표현한다.
압전 분사 밸브의 사용은 각각의 연소 사이클에 대한 연료가 복수의 정밀한 부분에 걸쳐 분배되는, 그리고 그리하여 연료 및 산소의 개선된 혼합이 달성될 수 있는 연소 기관에 대해 이점을 갖는다. 이러한 식으로 연소 과정은 더 낮은 오염 및 더 많은 효율을 위해 설계될 수 있다.
특히, 직접 구동형 압전 분사 밸브에서, 연료 처리율은 제트 니들과 결합된 압전 드라이브(스택)가 정의된 전하/에너지를 받게 된다는 점에서 조절된다. 인가된 에너지는 기계식 또는 유압식 결합된 제트 니들에서 편향을 발생시키는 드라이브에서 비례 힘을 생성하고, 그래서 연료 처리율의 조정을 허용한다.
이것은, 보통은 DC-DC 컨버터의 형태로 구현되는, 충전/방전 전자부품에 대한 높은 요구를 한다. 전자부품은 양호한 반복성으로 그리고 높은 정밀도, 강건 및 효율로 단시간에 압전 인젝터의 용량성 동작 드라이브에 정의된 전하/에너지를 인가하여야 하고, 그리고 분사 과정의 끝에서 정의된 방식으로 그것을 다시 방전시켜야 한다. 그리하여, 서로 바싹 따르는 다수의 분사는 가장 균질의 가능한 연료-공기 혼합물을 생성하기 위해 각각의 연소 사이클에서 발생될 수 있다.
컨버터는 전류 제어 하에 단시간에 압전 인젝터에 정의된 전하를 급전하고, 부하를 0 V로부터 250 V로까지 충전시켜야 한다. 분사 과정의 끝에서, 부하는 또한 250 V로까지부터 아래로 0 V로 다시 방전되어야 한다. 전력 손실, 비용 및 효율의 이유로, 인젝터로부터 컨버터로 역 전달된 전하의 가장 높은 가능한 비율을 회복하는 것이 바람직하다.
컨버터의 내부 스토어로부터 부하로 그리고 역으로 다시 컨버터로 양방향 동작 하에서 전하를 전달하기 위해 보통은 2-쿼드런트 스위칭-모드 전력 공급 장치가 이것에 사용된다.
EP 0 871 230 B1은, 도 1에서 예시되는 바와 같이, 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스 및 방법을 개시하고 있다.
그 문서는, 분사 밸브의 압전 소자를 표현하는 용량성 부하(CPIEZO)와 함께, 선택 회로(SELECTION), 방전 경로(LINEAR DISCHARGE), 및 제1 상류 DC-DC 컨버터(DCDC1)를 갖는 단순 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)에 관한 것이다.
다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는 제2 트랜지스터(M2)가 직렬로 접속되는 제1 트랜지스터(M1)를 갖는 하프-브리지로서 구축되는 한편, 예컨대, 기판 다이오드 형태의 다이오드(D1, D2)는, 각각, 트랜지스터(M1, M2)의 각각과 병렬로 접속된다. 2개의 트랜지스터(M1, M2)의 접속점은 주 코일(LMAIN) 및 LC 로우-패스 필터를 통해 용량성 부하(PIEZO)의 공급 단자에 접속된다. LC 로우-패스 필터는 필터 커패시터(CFILT) 및 필터 코일(LEMC)로 형성되고, 그리고 전류 측정에 사용되는 제1 분류 저항기(RSH1)를 통해 회로의 그라운드 단자(GND)에 접속된다.
제1 DC-DC 컨버터(DCDC1)는 예시된 실시형태에서는 플라이백 컨버터로서 형성되지만, 그렇지만 또한 다른 컨버터 유형으로 실현될 수 있다. 그것은 변압기를 포함하며, 그 일차 권선(PW)은 일측에서는 EMC(Electro Magnetic Compatibility) 필터를 통해 배터리 전압의 양의 단자(VBAT)에, 그리고 타측에서는 다이오드가 병렬로 접속되는 트랜지스터(M0)를 통해 배터리 전압의 그라운드 단자(GND)에 접속된다. 이차 권선(SW)의 하나의 단자는 중간 회로 커패시터(CDCDC)의 양의 전압을 반송하는 단자에 다이오드(DDCDC)를 통해 접속되고, 그리고 이차 권선(SW)의 다른 단자는 중간 회로 커패시터(CDCDC)의 다른 단자가 또한 접속되는 그라운드 단자(GND)에 접속된다.
용량성 부하(CPIEZO)의 공급 단자는 방전 트랜지스터(M7), 병렬로 접속된 다이오드, 및 방전 트랜지스터(M7)와 직렬로 접속되는 전류 측정 저항기(RSP)를 통해 그라운드 단자(GND)에 접속된다.
용량성 부하(CPIEZO)의 다른 단자는 병렬로 접속된 다이오드를 갖는 선택 트랜지스터(M3), 및 선택 트랜지스터(M3)와 직렬로 접속되어 전류를 측정하도록 역할하는 제2 분류 저항기(RSH2)를 통해 회로의 그라운드 단자(GND)에 접속된다. 선택 트랜지스터(M3)와 그리고 제2 분류 저항기(RSH2)와 용량성 부하(CPIEZO)의 직렬 회로는 그것과 병렬로 접속된 그러한 직렬 회로를 더 가질 수 있는데, 연소 기관용 분사 밸브에 대한 응용에서는 자주 있는 경우이다.
제1 DC-DC 컨버터(DCDC1)는 중간 회로 커패시터(CDCDC)에서 버퍼링된 중간 회로 전압(UDC)을 생성한다. 압전 소자(CPIEZO)가 충전되고 있는 동안, 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는, 단순하게 생각될 때, 스텝-다운 컨버터(벅 모드)로서, 그리고 방전 동안 스텝-업 컨버터(부스트 모드)로서 동작한다. 충전 동안, 전류는 제1 트랜지스터(M1)의 펄스-폭-변조된 온-스위칭에 의해 주 코일(LMAIN)에서 생성된다. 제1 트랜지스터(M1)가 온 스위칭되는 동안, 다이오드(D2)는 처음에는 차단 모드에 있고, 그리고 주 코일(LMAIN)에서의 전류는 등식(1)에 따라 상승한다:
Figure pat00001
제1 트랜지스터(M1)가 온 스위칭될 때의 위상 동안 주 코일(LMAIN)에서의 미분 전류는 등식(2)에 의해 근사적으로 기술될 수 있다:
Figure pat00002
제1 트랜지스터(M1)가 오프 스위칭될 때의 시간 동안, 다이오드(D2)는 코일 전류에 대한 프리휠링 경로로서 역할하고, 그리고 주 코일(LMAIN)에 축적된 에너지는 용량성 부하(CPIEZO)로의 전류의 흐름에 의해 제거된다. 이러한 위상에서 주 코일(LMAIN)을 통하는 미분 전류는 등식(3)에 의해 근사적으로 기술될 수 있다:
Figure pat00003
등식(2)에 따라, 전류에서의 하강은 중간 회로 커패시터(CDCDC)에서의 전압(VDC)과 용량성 부하(CPIEZO)에서의 전압(VPIEZO) 간 전위차에 종속하는데, 부하 전압(VPIEZO)이 상승함에 따라 점점 더 작게 된다. 전위차가 작을수록, 주 코일(LMAIN)에서의 설정 전류가 발달할 시간은 길어진다. VPIEZO가 VDC에 더 가까워지면, 주 코일(LMAIN)을 통하는 충전 전류는 시스템의 본성에 의해 제한되고, 그리고 핀치 오프 된다. 그리하여, 중간 회로 전압(VDC)보다 더 낮은 부하 전압(VPIEZO)에만 도달될 수 있다.
부하를 방전시킬 때, 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는, 단순하게 생각될 때, 스텝-업 컨버터로서 동작한다. 부하는, 충전 때와 같이, 펄스-폭 변조로 동작되는, 컨버터에 대한 전압원으로서 기능한다. 제2 트랜지스터(M2)가 온 스위칭되는 동안, 전류는 주 코일(LMAIN)에서 등식(4)에 따라 발달된다. 이러한 경우에, 제1 트랜지스터(M1)의 다이오드(D1)는 차단하고 있다.
Figure pat00004
제2 트랜지스터(M2)가 오프 스위칭되는 위상 동안, 주 코일(LMAIN )에 축적된 에너지의 중간 회로 커패시터(CDCDC)로의 피드백(회복)이 일어난다. 이러한 경우에, 전류는 용량성 부하(CPIEZO)로부터 나가 다이오드(D1)를 통해 역으로 CDCDC로 흐른다. 여기에서 등식(5)이 적용된다. 여기에서 다이오드(D2)는 차단하고 있다.
Figure pat00005
확장된 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는 DE 10 2012 204 576 A1에서 기술되고 그리고 도 2에서 예시되어 있다. 거기에서 동일한 부품에는 도 1에서와 동일한 참조 부호가 주어진다.
도 1의 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)와는 대조적으로, DE 10 2012 204 576 A1의 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는, 제1 하프-브리지의 트랜지스터(M1, M2)에 부가하여, 직렬로 접속된 트랜지스터(M21, M22)를 갖는 제2 하프-브리지를 포함하는 풀 브리지로 형성되되, 재차 (기판) 다이오드(D21, D22)는 각각 이들 트랜지스터(M21, M22)의 각각과 병렬로 접속된다. 주 코일(LMAIN)은, 각각 2개의 하프-브리지의, 각각의 트랜지스터(M1와 M2, M21과 M22)의 접속점들 사이에 접속된다. 제2 하프-브리지는, 주 코일(LMAIN)을 충전시킬 때 전류에 대한 전류 측정 저항기로서 제1 분류 저항기(RSH1)가 또한 사용될 수 있도록, 필터 커패시터(CFILT)와 병렬로 접속된다.
여기에서 재차, 제1 DC-DC 컨버터(DCDC1)는 중간 회로 커패시터(CDCDC)에서 버퍼링된 중간 회로 VDC를 발생시킨다. 2개의 하프-브리지를 갖는 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는 충전 및 방전 동안, 단순하게 생각될 때, 플라이백 컨버터로서 동작한다. 충전 동안, 전류는 트랜지스터(M1, M22)의 동시 펄스-폭-변조된 온-스위칭에 의해 주 코일(LMAIN)에서 생성된다. 트랜지스터(M1, M22)가 온 스위칭되는 동안, 다이오드(D2, D21)는 처음에는 차단 모드에 있고, 그리고 주 코일(LMAIN)에서의 전류는 등식(6)에 따라 상승한다:
Figure pat00006
트랜지스터(M1, M2)가 온 스위칭될 때의 위상 동안 주 코일(LMAIN)에서의 미분 전류는 등식(7)에 의해 기술될 수 있다:
Figure pat00007
트랜지스터(M1, M22)가 오프 스위칭될 때의 시간 동안, 다이오드(D2, D21)는 코일 전류에 대한 프리휠링 경로로서 역할하고, 그리고 주 코일(LMAIN)에 축적된 에너지는 용량성 부하(CPIEZO)로의 전류의 흐름에 의해 제거된다. 여기에서 주 코일(LMAIN)에서의 미분 전류는 등식(8)에 의해 기술될 수 있다:
Figure pat00008
등식(7)에 따라, 주 코일(LMAIN)에서의 전류의 발달은 중간 회로 커패시터(CPIEZO)에서의 전압(VDC)에 종속하지만, 부하 전압(VPIEZO)에는 독립적이다. 이것은, 출력 전압의 레벨에 무관하게, 후에 프리휠링 위상 동안 용량성 부하(CPIEZO)에 전달되는 에너지가 주 코일(LMAIN)에 항상 축적될 수 있다는 결과를 갖는다. 이것은 중간 회로 전압(VDC)보다 더 높은 출력 전압(VPIEZO)의 발생을 가능하게 한다. 그리하여, 부하 전압(VPIEZO)은 바라는 만큼 높게 될 수 있고, 사용 중인 부품의 유전 강도에 의해서만 제한된다.
용량성 부하를 방전시킬 때, 컨버터는, 충전 때와 유사하게, 플라이백 컨버터로서 동작한다. 부하는, 펄스-폭 변조로 또한 동작되는, 컨버터에 대한 전압원으로서 기능한다. 트랜지스터(M2, M21)가 온 스위칭되는 동안, 전류는 주 코일(LMAIN)에서 등식(9)에 따라 발달된다.
Figure pat00009
트랜지스터(M2, M21)가 오프 스위칭되는 위상 동안, 주 코일(LMAIN)에 축적된 에너지의 중간 회로 커패시터(CDCDC)로의 피드백(회복)이 일어난다. 이러한 경우에, 주 코일(LMAIN)은 다이오드(D1, D22)를 통해 역으로 중간 회로 커패시터(UDC)로 전류를 구동한다. 여기에서 등식(10)이 적용된다.
Figure pat00010
지금, 위에서 기술된 2개의 해법으로는, 등식(4) 및 등식(9)의 결과로서, 주 코일(LMAIN)에서의 전류의 발달이 부하 전압(VPIEZO)에 종속하여, 부하(CPIEZO)가 점점 더 방전되게 됨에 따라 점점 더 작게 되는 문제가 방전 때 생긴다. 부하 전압(VPIEZO)이 작을수록, 주 코일(LMAIN)에서의 설정 전류가 발달할 시간은 길어진다. 부하 전압(VPIEZO)이 임계 전압에 다가가면, 방전 전류는 제한되고 핀치 오프 된다. 이것은 부하가 완전 방전될 수 없고, 그리고 잔류 전하가 인젝터에 남아있다는 결과를 갖는다.
지금까지, 이러한 문제에 대한 해법 중 하나는, 방전 위상의 끝에서, 선형 전류 조정기 또는 저항기(LINEAR DISCHARGE)가 부하와 병렬로 접속되고, 그리고 남아있는 전하가 열로 변환되는 것이었다. 전류 조정기(LINEAR DISCHARGE)의 스위칭 소자(M7)는 적합한 조정 및 보호 회로를 가져야 한다.
특히, 높은 에너지 요건 및 높은 분사율을 갖는 인젝터의 경우에, 이러한 방법은, 남아있는 잔류 에너지가 손실된 전력으로서 소산되어야 하므로, 전자부품을 가열하는 것을 통해 문제를 점점 더 생성한다. 회복되지 않는 전하는 중간 회로 컨버터(DCDC1)에 의해 부가적 에너지로서 공급되어야 한다. 부가적으로, 선형 조정 경로의 긴 지연/정착 및 활성화 시간에 기인하여 순차적 분사 펄스들 간 최소 간격의 관점에서 제한이 수락되어야 하고, 그리고 이것은 전반적 시스템의 성능을 손상시킨다.
무엇보다도, 인젝터를 닫을 때 소망의 센서 효과를 손상시키거나 센서를 통한 드라이브의 평가를 불가능하게 할 수 있는 클로킹 및 선형 동작 모드들 간 과도에서의 방전 전류의 동기화가 또한 문제이다.
본 발명의 목적은 높은 열 스트레스 없이 부하의 가장 완전한 가능한 방전이 가능하게 되는 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스를 제공하는 것이다.
그 목적은 청구항 제1항에서 청구된 바와 같은 디바이스에 의해 달성된다. 유익한 개량은 종속 청구항에서 주어진다.
그에 따라, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스는 제1 공급 단자 및 제2 공급 단자를 갖는 제1 커패시터에 부가하여, 각각 커패시터의 제1 공급 단자 및 제2 공급 단자에 접속되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 갖는 다운-업 컨버터를 포함하되, 컨버터의 제2 입력 단자는 그라운드 단자에 접속되고, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자의 직렬 회로는 제1 입력 단자와 제2 입력 단자 사이에 배열되고, 그리고 2개의 스위칭 소자의 접속점은 주 코일을 통해 컨버터의 제1 출력 단자에 접속되되, 컨버터의 제2 출력 단자는 그라운드 단자에 접속된다. 그것은 또한 컨버터의 출력 단자에 접속되는 제1 출력 회로 단자와 제2 출력 회로 단자 사이에 배열되는 용량성 부하를 갖는 출력 회로, 및 출력 회로, 주 코일 및 제2 스위칭 소자로 형성된 방전 회로를 포함하고, 거기에는 특정된 전압으로 충전시키기 위한 충전 회로에 접속되는 부가적 커패시터가 배열되되, 전압의 극성은 용량성 부하의 충전된 상태에서의 부하 전압의 극성에 대응한다.
그리하여, 부가적 커패시터에서의 전압과 용량성 부하에서의 전압은, 그것들 양자가 방전 때 주 코일을 충전시키는 것에 기여하도록, 동일한 산술 부호로 방전 회로의 루프 전류 등식에 입력된다.
본 발명의 제1 실현에서, 부가적 커패시터는 제2 스위칭 소자와 그라운드 단자 사이에 배열된다. 이러한 부가적 커패시터에 대한 충전 회로는, 예컨대, 추가적 스위칭-모드 컨버터일 수 있다. 그렇지만, 여기에서, 특히, 부가적 커패시터의 등가 직렬 저항에는, 부품이 주 코일의 전 피크 전류를 받게 되므로, 증가된 요구가 놓인다.
본 발명의 유익한 대안의 구현에서, 필터 회로 및 부가적 커패시터는 다운-업 컨버터와 출력 회로 사이에 출력 회로에 배열된다.
이러한 조치를 통해, 다운-업 컨버터는 용량성 부하에 축적된 전하를 거의 전적으로 역으로 제1 커패시터에 전달할 수 있게 되되, 부가적 커패시터는 필터 회로에 의해 평활화된 전류만을 받게 될 뿐이고, 그래서 높은 피크 전류에 대해 설계될 필요가 없다.
여기에서 부가적 커패시터는 출력 회로의 하이-사이드 경로에서 용량성 부하와 필터 회로 사이에 접속될 수 있지만, 그렇지만 동등하게 로우-사이드 경로에서 용량성 부하와 그라운드 단자 사이에 배열될 수 있다.
다운-업 컨버터의 추가적 개량에서, 제3 스위칭 소자는 주 코일과 필터 회로 사이에 배열되고, 그리고 제4 스위칭 소자는 주 코일과 그라운드 단자 사이에 배열된다. 이러한 식으로, 제1 커패시터에서의 전압보다 더 큰 전압으로 용량성 부하의 충전을 가능하게 하는 풀-브리지 컨버터가 생성된다.
유익한 개량에서, 충전 스위칭 소자는 부가적 커패시터와 용량성 부하의 접속점과 그라운드 전위 사이에 배열된다. 제1 트랜지스터 및 주 코일과 함께, 이러한 충전 스위칭 소자는 부가적 커패시터가 특정된 전압으로까지 제1 커패시터로부터 충전될 수 있게 하는 충전 회로를 형성한다. 여기에서, 용량성 부하의 방전 후에, 주 코일로의 전류의 흐름을 유지하는 잔류 전하가 부가적 커패시터 상에 여전히 남아있도록, 부가적 커패시터의 커패시턴스에 종속하여, 용량성 부하의 전하보다 더 큰 전하가 인가된다는 것이 요점이다.
부가적 커패시터에 대한 충전 회로의 대안의 형성에서, 제1 커패시터는 플라이백 컨버터의 출력에 접속되고, 그리고 플라이백 컨버터의 변압기는 정류기를 통해 부가적 커패시터의 단자에 출력 단자가 접속되는 제2 이차 코일을 포함한다.
여기에서, 부가적 커패시터는 제1 커패시터에서의 전압 조정과 보조를 맞추어 재충전될 수 있다.
유익한 개량에서, 부가적 커패시터는 용량성 부하보다 적어도 10배 더 큰 커패시턴스를 갖는다. 이것을 통해, 용량성 부하에서 충전 및 방전 과정 동안 부가적 커패시터에서의 전압 가변성은 감축될 수 있다.
용량성 부하의 음의 충전을 회피하기 위해, 차단 방향으로 편극된 보호 다이오드는 유익하게는 부가적 커패시터와 용량성 부하의 접속점과 그라운드 전위 사이에 배열될 수 있다.
여기에서, 보호 다이오드는 충전 스위칭 소자와 병렬로 접속될 수 있고, 특히, 이러한 부하 스위칭 소자의 기판 다이오드에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스를 사용하여 병렬로 접속된 복수의 출력 회로를 충전 및 방전시킬 수 있기 위해, 출력 회로 또는 출력 회로들은 용량성 부하와 직렬로 선택 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명은 예시적 실시형태에 기반하여 그리고 도면의 도움으로 아래에서 더 상세히 기술된다. 여기에서
도 1은 종래 기술에 따라 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스의 도면,
도 2는 종래 기술에 따라 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 대안의 디바이스의 도면,
도 3은 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제1 실시형태의 도면,
도 4는 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제2 실시형태의 도면,
도 5는 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제2 실시형태의 제1 개량의 도면,
도 6은 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제2 실시형태의 제2 개량의 도면, 및
도 7은 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제2 실시형태의 제3 개량의 도면.
도 3은, 도 1에 따른 회로에서 제2 트랜지스터(M2)와 그라운드 전위(GND) 사이에 접속되는, 부가적 커패시터(CNEG)를 갖는 본 발명에 따른 디바이스의 제1 실시형태를 도시하고 있다. 여기에서, 부가적 커패시터(CNEG)는 제2 트랜지스터(M2)와 부가적 커패시터(CNEG)의 접속점에서 그라운드 전위(GND)에 대해 음인 전위를 생성하는 전압(VNEG)으로 제2 스위치-모드 조정기(DCDC2)로 형성된 충전 회로에 의해 충전되며, 그에 대비하여 용량성 부하(CPIEZO)는, 용량성 부하(CPIEZO)에 축적된 에너지가 제1 커패시터(CDCDC)로 피드백된다는 점에서, 주 코일(LMAIN)을 통해 항상 거의 완전히 방전될 수 있다. 그렇지만, 주 코일(LMAIN)을 통하는 피크 전류는 부가적 커패시터(CNEG)를 통해 흘러서, 그것이 적합하게 강건한 설계로 될 것을 요구한다.
도 1 및 도 2의 부가적 소산성 방전 경로(LINEAR DISCHARGE)는 이제 생략되어, 회로의 이러한 부분이 제거되었다는 점에서 표시될 수 있다.
도 3의 실시형태는 또한 도 2에 따른 풀-브리지 컨버터에서 실현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 대안의 유익한 실시형태를 도시하고 있다. 거기에서는, 도 1에 따른 회로 토폴로지에서, 필터 회로(CFILT, LEMC)와 용량성 부하(CPIEZO) 사이에 부가적 커패시터(CSHIFT)가 배열되며, 상기 커패시터는 전압(VSHIFT)으로 충전되고, 그 전압은 용량성 부하(CPIEZO)에서의 전압에 정렬된다. 그라운드 전위(GND)와 용량성 부하(CPIEZO)와 부가적 커패시터(CSHIFT)의 접속점 사이에 접속된 보호 다이오드(DPROT)가 또한 제공된다. 그것은 용량성 부하(CPIEZO)가 방전될 때 음으로 충전되는 것을 방지한다.
용량성 부하(CPIEZO)가 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)에 의해 방전될 때, 부가적 커패시터(CSHIFT) 양단의 강하 전압(VSHIFT)에 의해 올려진 작동 전압은 용량성 부하(CPIEZO)의 그리고 부가적 커패시터(CSHIFT)의 직렬 접속으로부터 초래되는 VSHIFT와 VPIEZO의 합 전압으로부터 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)에 대해 생성된다. 부가적 커패시터(CSHIFT)에서의 전압(VSHIFT)의 레벨의 적합한 선택을 통해, 작동점은 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)가 항상 정의된 작동점에서 동작하고, 그리고 주 코일(LMAIN)에서의 전류의 발달을 발생시킬 수 있게 되도록 조절될 수 있다. 이것은 등식(11)에 의해 기술될 수 있다.
Figure pat00011
이러한 식으로, VPIEZO = 0 V의 부하 전압에서도, 전류는 주 코일(LMAIN)에서 발달될 수 있고, 그리고 용량성 부하(CPIEZO)의 완전 방전은, 심지어 아래로 음의 전압 범위로, 일어날 수 있다. 용량성 부하(CPIEZO)의 방전 전류가 또한 부가적 커패시터(CSHIFT)를 방전시키므로, 이것은, 그것이 방전된 후에 충분한 전압(VSHIFT)이 부가적 커패시터(CSHIFT) 양단에 여전히 존재하도록, 용량성 부하(CPIEZO)보다 더 높은 전하를 지원해야 한다는 것이 된다.
부하를 반대로 과도하게 높은 음의 전압 값으로 충전시키는 것은, 예컨대, 후에 용량성 부하(CPIEZO)에서의 음의 전위를 선택 트랜지스터(M3)에서의 전압(V(D_M3))과 보호 다이오드(DPROT)에서의 전압(V(D_PROT))의 합의 순방향 전압으로 제한하는, 보호 다이오드(DPROT)의 사용을 통해 달성될 수 있다. 전하가 용량성 부하로부터 완전히 제거된 후에 클로킹 방전 경로가 계속 구동되면, 보호 다이오드(DPROT)는, 그것이 적합한 우회 전류 경로를 표현하므로, 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)로부터 용량성 부하(CPIEZO)의 "접속해제"를 달성한다. 그리하여, 방전의 끝의 복잡한 검출은 불필요하다.
위에서 기술된 토폴로지의 추가적 이점은 완전 충전-방전 사이클 후에 부가적 커패시터(CSHIFT)에서 내재적 전하 평형이다. 부가적 커패시터(CSHIFT) 및 용량성 부하(CPIEZO)를 통해 충전 때에도 그리고 방전 때에도 동일한 전하가 흐른다. 그래서, 사이클 전과 같이 사이클 후에 부하에서 동일한 전하 레벨에 도달하면(예컨대, 0 ㎂s), 그때 부가적 커패시터(CSHIFT)에서의 전하는 재차 균형잡힌다. 그래서, 부가적 커패시터(CSHIFT)에서 일어날 수 있는 초기 충전 및 어느 누설 전류라도 제외하고는, 이상적 경우에, 부가적 커패시터(CSHIFT)에 공급하기 위한 추가적 전력은 필요하지 않다. 용량성 부하(CPIEZO)에 축적된 전하는 스위칭 소자 및 도전성 트랙의 RDSon, ESR로부터 초래되는 더 작은 전력 손실은 별문제로 하고 완전히 회복될 수 있다.
실용적 응용에서, 부가적 커패시터(CSHIFT)를 갖는 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는 사이클 후 방전이 충전보다 항상 조금 더 크게 되도록(5...10%), 그리고 부가적 커패시터(CSHIFT)의 단순 재충전이 균형잡기에 충분하게 되도록 동작될 수 있다.
그 커패시턴스의 크기는 그것에서 허용될 최대 전압 스윙에 종속하고, 그리고 부하 커패시턴스의 다수 배이어야 한다. 부하 전압의 기껏해야 2%의 부가적 커패시터(CSHIFT)에서의 실용적 응용에서의 전압 스윙이 달성되어야 하면, 그때 부가적 커패시터(CSHIFT)의 커패시턴스는 최대 부하 커패시턴스보다 약 50배 더 커야 한다.
도 5는 도 4에 따른 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)의 개량을 도시하고 있다. 거기에서 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)는 도 2에서와 같이 풀-브리지 컨버터로서 설계되되, 제3 스위칭 소자(M21)가 주 코일(LMAIN)과 필터 회로(CFILT, LEMC) 사이에 배열되고, 그리고 제4 스위칭 소자(M22)가 주 코일(LMAIN)과 그라운드 단자(GND) 사이에 배열된다. 이러한 식으로 형성된 제3 및 제4 스위칭 소자(M21, M22)의 직렬 회로는 필터 회로(CFILT, LEMC)의 커패시터(CFILT)와 병렬로 접속된다. 전류 측정 저항기(RSH1)는 이러한 병렬 회로와 그라운드 단자(GND) 사이에 접속될 수 있다.
정의된 전압으로 부가적 커패시터(CSHIFT )의 초기 충전은 여러 방법을 사용하여 행해질 수 있다. 도 6에 따른 제1 실시형태에서는, 트랜지스터(MPRT)를 갖는 부가적 충전 경로를 갖는 클로킹 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)를 통하여 급전이 이루어질 수 있다.
보호 다이오드(DPROT)가 능동 스위치(MPRT)에 의해 대체되면, 그때는 부하가 선택 트랜지스터(M3)에 의해 선택되지 않을 때(M3 차단) 그리고 트랜지스터(MPRT)가 도통하고 있으면, 부가적 커패시터(CSHIFT)는 존재하는 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)를 통하여 충전될 수 있다. 부가적 커패시터(CSHIFT)의 음극이 충전 위상 동안 그라운드 전위(GND)에 접속되므로, 부가적 커패시터(CSHIFT)에서의 전압(VSHIFT)은 단순 그라운드-참조된 전압 측정에 의해 조정될 수 있다.
도 7은 부가적 커패시터(CSHIFT)에 대한 초기 충전 회로를 도시하며, 이것에는 고정된 권선 비로 제1 DC-DC 컨버터(DCDC1)의 변압기의 제2 이차 권선(SW2)이 결합되어 있다. 그것은 이러한 경우에서는 단순 다이오드로서 구현되는 정류기(DGL)를 통해 부가적 커패시터(CSHIFT)에 접속된다.
변압기의 표유 인덕턴스가 무시될 수 있을 정도로 작으면, 그때는, 보조 권선(SW2)이 중간 회로 전압(VDC)을 비례하여 추적하므로, 부가적 커패시터(CSHIFT)에 대한 충전 경로에 구체적 조정은 요구되지 않는다. 그리하여, 결합된 출력 전압(VDC, VSHIFT)은 변압기 권선 비에 의해 결정된다. 그리하여, 중간 회로 전압(VDC)의 조정은 또한 부가적 커패시터(CSHIFT)에서의 전압을 결정한다.
본 발명에 따른 디바이스는 DC-DC 컨버터의 작동 범위가 그것이 용량성 부하를 아래로 0 V의 전압 범위로 방전시킬 수 있는 정도까지 단순 조치를 통해 확장될 수 있다는 이점을 갖는다. 방전은 낮은 손실로 아래로 0 V의 부하 전압으로 일어날 수 있고, 그리고 부하에 축적된 전하는 큰 정도로까지 중간 회로로 피드백될 수 있다. 부가적으로, 부하와 직렬로 소정 전압으로 예비-충전된 리액티브 축적 소자의 삽입을 통해, 거의 전적으로 회복될 수 있는, 무효 전력만이 동작 동안 요구된다.
주 코일(LMAIN)의, 더 높은 피크 전류보다는, 필터링된 그리고 평균된 부하 전류만이 부가적 커패시터(CSHIFT)를 통해 통과되어야 하므로, 부가적 커패시터(CSHIFT)의 배치의 제2 변종에서 전기적 직렬 전압의 요건은 감축된다. 그리하여, 음의 보조 전압을 발생시키기 위한 제2의, 비싼, DC-DC 컨버터가 회피될 수 있다.
부가적 커패시터(CSHIFT)의 위치는 선택된 토폴로지와는 독립적이고, 그리하여, 예컨대, 도 1에 따른 하프-브리지 토폴로지의 경우에 그리고 도 2에 따른 풀-브리지 토폴로지에서 사용될 수 있고 - 그리고, 예컨대, 부하 회로의 로우-사이드 경로에서 또는 하이-사이드 경로(도 4 내지 도 6 참조)에서와 같은 여러 다른 위치에서 삽입될 수 있다.

Claims (11)

  1. 용량성 부하(CPIEZO)를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스로서,
    - 제1 공급 단자 및 제2 공급 단자를 갖는 제1 커패시터(CDCDC),
    - 각각 상기 커패시터(CDCDC)의 상기 제1 공급 단자 및 상기 제2 공급 단자에 접속되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 갖는 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)로서, 상기 컨버터(BUCK/BOOST)의 상기 제2 입력 단자는 그라운드 단자(GND)에 접속되되,
    - 제1 스위칭 소자(M1)와 제2 스위칭 소자(M2)의 직렬 회로는 상기 제1 입력 단자와 상기 제2 입력 단자 사이에 배열되고, 그리고 2개의 상기 스위칭 소자(M1, M2)의 접속점은 주 코일(LMAIN)을 통해 상기 컨버터(BUCK\BOOST)의 제1 출력 단자에 접속되되, 상기 컨버터(BUCK/BOOST)의 제2 출력 단자는 상기 그라운드 단자(GND)에 접속되는 상기 다운-업 컨버터, 및
    - 상기 컨버터(BUCK/BOOST)의 상기 출력 단자에 접속되는 제1 출력 회로 단자와 제2 출력 회로 단자 사이에 배열되는 용량성 부하(CPIEZO)를 갖는 출력 회로를 갖되,
    상기 출력 회로, 상기 주 코일(LMAIN) 및 상기 제2 스위칭 소자(M2)로 형성된 방전 회로에는 특정된 전압(VNEG, VSHIFT)으로 충전시키기 위한 충전 회로(DCDC2; SW2, DGl; MPRT)에 접속되는 부가적 커패시터(CNEG, CSHIFT)가 배열되되, 상기 전압(VNEG, VSHIFT)의 극성은 상기 용량성 부하(CPIEZO)의 충전된 상태에서의 부하 전압(VPIEZO)의 극성에 대응하는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부가적 커패시터(CNEG)는 상기 제2 스위칭 소자(M2)와 상기 그라운드 단자(GND) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 충전 회로는 제2 DC-DC 컨버터(DCDC2)인 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 필터 회로(CFILT, LEMC)는 상기 다운-업 컨버터(BUCK/BOOST)와 상기 출력 회로 사이에 배열되고, 그리고 상기 부가적 커패시터(CSHIFT)는 상기 필터 회로(CFILT, LEMC)와 상기 출력 회로 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 제3 스위칭 소자(M21)는 상기 주 코일(LMAIN)과 상기 필터 회로(CFILT, LEMC) 사이에 배열되고, 그리고 제4 스위칭 소자(M22)는 상기 주 코일(LMAIN)과 상기 그라운드 단자(GND) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 충전 스위칭 소자(MPRT)는 상기 부가적 커패시터(CSHIFT)와 상기 용량성 부하(CPIEZO)의 접속점과 상기 그라운드 전위(GND) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 커패시터(CDCDC)는 플라이백 컨버터(DCDC1)의 출력에 접속되고, 그리고 상기 플라이백 컨버터(DCDC1)의 변압기는 정류기(DGL)를 통해 상기 부가적 커패시터(CSHIFT)의 단자에 출력 단자가 접속되는 제2 이차 코일(SW2)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부가적 커패시터(CSHIFT)는 상기 용량성 부하(CPIEZO)보다 적어도 10배 더 큰 커패시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 차단 방향으로 편극된 보호 다이오드(DPROT)는 상기 부가적 커패시터(CSHIFT)와 상기 용량성 부하(CPIEZO) 접속점과 상기 그라운드 전위(GND) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 충전 스위칭 소자(MPRT)는 상기 보호 다이오드(DPROT)와 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 회로는 상기 용량성 부하(CPIEZO)와 직렬로 선택 스위치(M3)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는, 용량성 부하를 충전 및 방전시키기 위한 디바이스.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017106424B4 (de) * 2017-03-24 2021-09-02 Infineon Technologies Austria Ag Leistungswandlerschaltung mit einem Hauptwandler und einem Hilfswandler
CN109066943A (zh) * 2018-07-20 2018-12-21 江苏大学 一种压力发电蓄电池储能控制系统
CN108964234A (zh) * 2018-07-20 2018-12-07 江苏大学 一种超级电容压力发电储能控制系统
RU2698578C1 (ru) * 2018-12-04 2019-08-28 Общество с ограниченной ответственностью "РЭНК" (ООО "РЭНК") Устройство питания шагового пьезоэлектрического двигателя (варианты)
US10756630B1 (en) * 2019-02-15 2020-08-25 Microchip Technology Incorporated Line discharge circuit with low power components
US10698465B1 (en) * 2019-05-13 2020-06-30 Quanta Computer Inc. System and method for efficient energy distribution for surge power
DE102020103166A1 (de) * 2020-02-07 2021-08-12 Hanon Systems Verfahren zum Vorwärmen einer Zwischenkreiskapazität
CN111654187B (zh) * 2020-06-09 2021-12-14 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 压电驱动电路和压电驱动方法
KR20220050662A (ko) 2020-10-16 2022-04-25 삼성전자주식회사 스위칭 레귤레이터 및 이것의 동작 방법
CN112445261B (zh) * 2021-01-28 2021-04-30 华中科技大学 一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010515419A (ja) * 2006-12-30 2010-05-06 アドバンスト・アナロジック・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 降圧誘導性スイッチングプリレギュレータと容量性スイッチングポストコンバータとを含む高効率ｄｃ／ｄｃ電圧コンバータ
US20130201729A1 (en) * 2012-02-03 2013-08-08 Sheikh Mohammad Ahsanuzzaman Low-volume programmable-output pfc rectifier with dynamic efficiency and transient response optimization
US20150138848A1 (en) * 2012-06-08 2015-05-21 The Governing Council Of The University Of Toronto System and method to reduce the energy storage requirements of a cascaded converter system
WO2016069799A1 (en) * 2014-10-28 2016-05-06 Advanced Charging Technologies, LLC Electrical circuit for delivering power to consumer electronic devices

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19632837A1 (de) 1996-08-14 1998-02-19 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes
DE19714616A1 (de) 1997-04-09 1998-10-15 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements
US7777459B2 (en) 2006-12-30 2010-08-17 Advanced Analogic Technologies, Inc. High-efficiency DC/DC voltage converter including capacitive switching pre-converter and down inductive switching post-regulator
DE102012204576A1 (de) 2012-03-22 2013-09-26 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung
US8919559B2 (en) 2012-03-28 2014-12-30 Aventisub Ii Inc. Package with break-away clamshell
DE102013217037B3 (de) * 2013-08-27 2014-12-11 Continental Automotive Gmbh Vorrichtung zum Laden und Entladen eines kapazitiven Stellgliedes und Anordnung mit einer solchen Vorrichtung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010515419A (ja) * 2006-12-30 2010-05-06 アドバンスト・アナロジック・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 降圧誘導性スイッチングプリレギュレータと容量性スイッチングポストコンバータとを含む高効率ｄｃ／ｄｃ電圧コンバータ
US20130201729A1 (en) * 2012-02-03 2013-08-08 Sheikh Mohammad Ahsanuzzaman Low-volume programmable-output pfc rectifier with dynamic efficiency and transient response optimization
US20150138848A1 (en) * 2012-06-08 2015-05-21 The Governing Council Of The University Of Toronto System and method to reduce the energy storage requirements of a cascaded converter system
WO2016069799A1 (en) * 2014-10-28 2016-05-06 Advanced Charging Technologies, LLC Electrical circuit for delivering power to consumer electronic devices

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