KR20190127250A

KR20190127250A - 스텝업 컨버터

Info

Publication number: KR20190127250A
Application number: KR1020180051634A
Authority: KR
Inventors: 우영진
Original assignee: 주식회사 실리콘웍스
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-11-13
Also published as: US20190341845A1; CN110445371A

Abstract

일 실시예는 플라잉캐패시터를 이용하는 스텝업 컨버터에서 각각의 제어주기의 일 시구간에서 보조캐패시터를 플라잉캐패서터에 병렬로 연결시키고 다른 일 시구간에서 보조캐패시터를 플라잉캐패시터에 직렬로 연결시켜 플라잉캐패시터의 충방전 밸런스를 제어하는 기술을 제공한다.

Description

스텝업 컨버터{STEP-UP CONVERTER}

본 발명은 전력을 변환하는 컨버터에 관한 것이다.

전력을 변환하는 컨버터 중 입력전압보다 출력전압을 높혀서 출력하는 컨버터를 스텝업(step-up) 컨버터라고 한다. 경우에 따라서는 스텝업 컨버터를 부스트 컨버터(boost converter)로 부르기도 한다.

일반적으로 스텝업 컨버터는 일 시구간-DT에 해당되는 시구간(D는 duty, T는 스위칭주기)-에서 인덕터에 전류를 빌드업시키고 다른 일 시구간-(1-D)T에 해당되는 시구간-에서 빌드업된 전류를 부하로 출력하는 구조를 가진다. 실제 구현에서는 인덕터 전류를 부하로 바로 공급할 수 없기 때문에 인덕터와 부하 사이에 출력캐패시터가 삽입되고 인덕터 전류는 출력캐패시터를 거쳐 부하로 공급되게 된다.

한편, 입력전압과 출력전압의 전압비를 변화시키기 위해 스텝업 컨버터에 플라잉캐패시터가 포함될 수 있다. 스텝업 컨버터는 각각의 제어주기에서 플라잉캐패시터를 충방전시키면서 전압비를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

그런데, 플라잉캐패시터를 포함하는 종래의 스텝업 컨버터는 플라잉캐패시터의 충방전 밸런스를 유지하는데 기술적인 어려움을 가지고 있었다. 플라잉캐패시터의 충방전 밸런스가 유지되지 않으면 출력전압이 비정상적으로 형성되는 문제가 있다. 종래의 스텝업 컨버터는 이러한 문제를 해결하기 위해, 플라잉캐패시터의 전압을 피드백받아 제어를 수행하였는데, 이러한 방법은 출력전압과 플라잉캐패시터의 전압을 모두 제어해야하기 때문에 제어로직이 복잡하고 비용이 추가되는 문제가 있었다.

이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 플라잉캐패시터의 충방전 밸런스를 쉽게 제어할 수 있는 스텝업 컨버터 기술을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 인덕터부, 파워스위치부, 보조캐패시터 및 제어부를 포함하는 스텝업 컨버터를 제공한다.

상기 인덕터부는 일측으로 입력전압을 전달받고, 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다.

상기 파워스위치부는 직렬로 연결되는 적어도 4개의 파워스위치를 포함하고, 상기 적어도 4개의 파워스위치 중 적어도 2개의 파워스위치와 병렬로 연결되는 적어도 하나의 플라잉캐패시터를 포함하며, 상기 적어도 2개의 파워스위치 사이의 일 노드가 상기 인덕터부의 타측과 연결될 수 있다.

상기 보조캐패시터는 보조스위치를 통해 상기 일 노드와 연결될 수 있다.

그리고, 상기 제어부는 상기 파워스위치부를 제어하여 상기 입력전압을 출력전압으로 변환하고, 각각의 제어주기의 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 병렬로 연결시키고 다른 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 직렬로 연결시킬 수 있다.

상기 제어부는, 각각의 제어주기에서 상기 일 노드의 전압이 4번 이상 변하도록 상기 파워스위치부를 제어할 수 있다.

상기 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터는 충전되고, 상기 다른 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터는 방전될 수 있다.

상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터는, 상기 다른 일 시구간에서 상기 출력전압이 형성되는 출력캐패시터와 병렬로 연결될 수 있다.

상기 파워스위치부의 양단에 그라운드 전압 및 상기 출력전압이 형성되고, 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터에 플라잉캐패시터전압이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제어부는, 상기 파워스위치부를 제어하여, 제1시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 더한 레벨의 전압을 형성시키고, 제3시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 차감한 레벨의 전압을 형성시킬 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1시구간과 상기 제3시구간에서 상기 보조스위치를 턴오프시키고, 상기 제2시구간과 상기 제4시구간에서 상기 보조스위치를 턴온시켜 상기 보조캐패시터를 상기 일 노드에 연결시킬 수 있다.

상기 파워스위치부의 양단에 그라운드 전압 및 상기 출력전압이 형성되고, 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터에 플라잉캐패시터전압이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제어부는, 상기 파워스위치부를 제어하여, 제1시구간에서 상기 일 노드에 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 더한 레벨의 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압을 형성시키고, 제3시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 차감한 레벨의 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압을 형성시킬 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1시구간과 상기 제3시구간에서 상기 보조스위치를 턴온시켜 상기 보조캐패시터를 상기 일 노드에 연결시키고, 상기 제2시구간과 상기 제4시구간에서 상기 보조스위치를 턴오프시킬 수 있다.

다른 실시예는, 인덕터부, 파워스위치부, 보조캐패시터 및 제어부를 포함하는 스텝업 컨버터를 제공한다.

상기 보조캐패시터는 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 양단에 각각 연결되는 2개의 보조스위치를 통해 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 연결될 수 있다.

상기 제어부는 상기 파워스위치부를 제어하여 상기 입력전압을 출력전압으로 변환하고, 각각의 제어주기의 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 병렬로 연결시키고 다른 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 직렬로 연결시킬 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1시구간과 상기 제3시구간에서 제1보조스위치 및 제2보조스위치를 턴오프시키고, 상기 제2시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 양(+)극단에 연결되는 상기 제1보조스위치를 턴온시키고 상기 제2보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 양극단에 연결시키고, 상기 제4시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 음(-)극단에 연결되는 상기 제2보조스위치를 턴온시키고 상기 제1보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 음극단에 연결시킬 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제2시구간과 상기 제4시구간에서 제1보조스위치 및 제2보조스위치를 턴오프시키고, 상기 제1시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 양(+)극단에 연결되는 상기 제1보조스위치를 턴온시키고 상기 제2보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 양극단에 연결시키고, 상기 제3시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 음(-)극단에 연결되는 상기 제2보조스위치를 턴온시키고 상기 제1보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 음극단에 연결시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 스텝업 컨버터에 사용되는 플라잉캐패시터의 충방전 밸런스를 쉽게 제어할 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제1시구간의 상태도이다.
도 2는 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제2시구간의 상태도이다.
도 3은 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제3시구간의 상태도이다.
도 4는 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제4시구간의 상태도이다.
도 5는 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터에서의 플라잉캐패시터의 전압에 대한 파형도이다.
도 6은 실시예들이 적용될 수 있는 스텝업 컨버터의 구성도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제1예시 구성도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제2예시 구성도이다.
도 9는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이다.
도 10은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다.
도 11은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이다.
도 12는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.
도 13은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이다.
도 14는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다.
도 15는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이다.
도 16은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.
도 17은 다른 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제1예시 구성도이다.
도 18은 다른 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제2예시 구성도이다.
도 19는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이다.
도 20은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다.
도 21은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이다.
도 22는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.
도 23은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이다.
도 24는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다.
도 25는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이다.
도 26은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제1시구간의 상태도이고, 도 2는 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제2시구간의 상태도이다. 그리고, 도 3은 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제3시구간의 상태도이고, 도 4는 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터의 제4시구간의 상태도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터(10)는 입력부(12), 인덕터부(14), 스위치부(16) 및 출력부(16)를 포함한다.

입력부(12)는 입력전압(Vi)을 공급받는 입력캐패시터(Ci)를 포함한다.

인덕터부(14)는 인덕터(L)를 포함하는데, 인덕터(L)의 일측은 입력캐패시터(Ci)와 연결되고, 타측은 스위치부(16)와 연결된다.

스위치부(16)는 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4) 및 플라잉캐패시터(Cf)로 구성되고, 제2스위치(S2)와 제3스위치(S3)가 연결되는 노드가 인덕터(L)의 타측과 연결되며, 플라잉캐패시터(Cf)의 양단은 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)의 사이 노드 및 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)의 사이 노드와 연결된다.

출력부(18)는 출력캐패시터(Co)를 포함하고, 출력캐패시터(Co)는 제4스위치(S4)와 연결된다.

멀티레벨 스텝업 컨버터(10)는 제어주기의 제1시구간(TP1)에서 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)를 턴온하여 인덕터(L)에 전류(iL)를 빌드업시킨다. 그리고, 멀티레벨 스텝업 컨버터(10)는 제2시구간(TP2)에서 제1스위치(S1)와 제3스위치(S3)를 턴온시켜 인덕터(L)의 전류(iL)를 플라잉캐패시터(Cf)를 거쳐 출력캐패시터(Co)로 전달시킨다.

그리고, 멀티레벨 스텝업 컨버터(10)는 제어주기의 제3시구간(TP3)에서 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)를 턴온하여 인덕터(L)에 전류(iL)를 빌드업시킨다. 그리고, 멀티레벨 스텝업 컨버터(10)는 제4시구간(TP4)에서 제2스위치(S2)와 제4스위치(S4)를 턴온시켜 인덕터(L)의 전류(iL)를 플라잉캐패시터(Cf)를 거쳐 그라운드로 전달시킨다.

한편, 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터(10)에서 제어주기의 제2시구간(TP2)에서는 플라잉캐패시터(Cf)가 방전되고, 제4시구간(TP4)에서는 플라잉캐패시터(Cf)가 충전된다. 그런데, 이때, 각 제어주기에서 플라잉캐패시터(Cf)의 충전량과 방전량이 불일치하게 되면, 각 제어주기에서의 플라잉캐패시터(Cf)의 전압이 다르게 형성되어 제어가 불안정해지거나 출력전압(Vo)이 불안정해지는 문제가 발생한다.

도 5는 일반적인 멀티레벨 스텝업 컨버터에서의 플라잉캐패시터의 전압에 대한 파형도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 플라잉캐패시터(Cf)는 제1시구간(TP1)에서 플로팅되기 때문에 일정한 전압(VA)을 유지한다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)는 제2시구간(TP2)에서 인덕터 전류(iL)에 의해 방전되면서 그 전압(Vcf)이 작아지게 된다.

그리고, 플라잉캐패시터(Cf)는 제3시구간(TP3)에서 다시 플로팅되면서 제2시구간(TP2)의 마지막 순간에 결정된 전압이 유지되고, 제4시구간(TP4)에서 인덕터 전류(iL)에 의해 충전되면서 그 전압(Vcf)이 커지게 된다.

이러한 과정에서, 제2시구간(TP2)에서의 방전량과 제4시구간(TP4)에서의 충전량에 불일치가 발생하면, 도 5에 도시된 것과 같이 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)은 제1제어주기(T1)의 제1시구간(TP1)에서의 전압(VA)과 제2제어주기(T2)의 제1시구간(TP1)에서의 전압(VA')이 전압 차이(ΔVA)를 가지면서 다르게 형성되는 문제가 발생한다.

각 제어주기에서의 플라잉캐패시터의 전압이 다르게 형성되면, 제어가 불안정해지거나 출력전압이 불안정해질 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 스텝업 컨버터는 이러한 문제가 발생하지 않도록 플라잉캐패시터의 충방전 밸런스를 쉽게 제어할 수 있는 구조를 제시한다.

도 6은 실시예들이 적용될 수 있는 스텝업 컨버터의 구성도이다.

도 6을 참조하면, 스텝업 컨버터(100)는 전력단(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.

전력단(110)은 인덕터 및 복수의 스위치를 포함할 수 있다.

제어부(120)는 제어신호(CTR)를 전력단(110)으로 전송하여 복수의 스위치를 온오프(ON/OFF)제어할 수 있다. 그리고, 전력단(110)은 스위치들의 온오프에 따라 멀티레벨 스텝업 컨버터로 작동될 수 있다.

전력단(110)은 멀티레벨 스텝업 컨버터로 작동되면서, 출력전압(Vo)을 입력전압(Vi)보다 높게 형성할 수 있다.

이하에서 전력단(110)의 구성 및 상태가 주로 설명되는데, 이러한 전력단(110)의 스위치들은 제어부(120)에 의해 제어되는 것으로 이해할 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제1예시 구성도이다.

도 7을 참조하면, 전력단(710)은 입력부(712), 인덕터부(714), 보조캐패시터부(715), 파워스위치부(716) 및 출력부(718) 등을 포함할 수 있다.

입력부(712)는 적어도 하나의 입력캐패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 입력캐패시터(Ci)의 일측으로 입력전압(Vi)이 공급되고, 입력캐패시터(Ci)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

인덕터부(714)는 적어도 하나의 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 인덕터부(714)의 일측은 입력부(712)와 연결되고, 입력부(712)로부터 입력전압(Vi)을 전달받을 수 있다.

보조캐패시터부(715)는 직렬로 연결되는 보조스위치(Sa) 및 보조캐패시터(Ca)를 포함할 수 있다. 보조캐패시터부(715)의 일측은 제1노드(N1)와 연결되고 타측은 그라운드와 연결될 수 있다. 여기서, 제1노드(N1)는 인덕터부(714)의 타측과 연결되는 노드이다. 보조스위치(Sa)의 턴온/턴오프에 따라 제1노드(N1)에 대한 보조캐패시터(Ca)의 연결이 제어될 수 있다.

파워스위치부(716)는 직렬로 연결되는 적어도 4개의 파워스위치(SU1 ~ SUn, SD1 ~ SDn)를 포함할 수 있다. 그리고, 파워스위치부(716)는 인덕터부(714)와 연결되는 제1노드(N1)를 기준으로 고전압측으로 적어도 2개의 파워스위치(SU1 ~ SUn)를 포함하고, 저전압측으로 적어도 2개의 파워스위치(SD1 ~ SDn)를 포함할 수 있다.

직렬로 연결되는 적어도 4개의 파워스위치(SU1 ~ SUn, SD1 ~ SDn)의 일단은 고전압(VH)과 연결되고, 타단은 저전압(VL)과 연결될 수 있다. 고전압(VH)은 출력전압(Vo)일 수 있고, 저전압(VL)은 그라운드에 형성되는 전압일 수 있다. 본 명세서에서 그라운드 혹은 그라운드 전압은 전술한 저전압(VL)의 일 예로 이해될 수 있다.

인덕터부(714)의 일측은 입력부(712)와 연결되고, 타측은 파워스위치부(716)의 제1노드(N1)와 연결되는데, 일 예로서, 인덕터부(714)에 포함된 인덕터(L)의 일측은 입력부(712)와 연결되고 타측은 파워스위치부(716)의 제1노드(N1)와 연결될 수 있다.

파워스위치부(716)는 적어도 하나의 플라잉캐패시터(Cf)를 포함할 수 있다. 플라잉캐패시터(Cf)는 파워스위치부(716)에 포함된 적어도 4개의 파워스위치(SU1 ~ SUn, SD1 ~ SDn) 중 적어도 2개의 파워스위치와 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 플라잉캐패시터(Cf)의 양단은, 제1노드(N1)를 기준으로 고전압측으로 배치되는 적어도 2개의 파워스위치들(SU1 ~ SUn) 사이에 형성되는 제2노드(N2)와 저전압측으로 배치되는 적어도 2개의 파워스위치들(SD1 ~ SDn) 사이에 형성되는 제3노드(N3)와 연결될 수 있다. 이러한 연결에 따라, 플라잉캐패시터(Cf)는 제2노드(N2)와 제3노드(N3) 사이에 배치되는 복수의 파워스위치들과 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 병렬로 연결되는 파워스위치들의 사이에 형성되는 제1노드(N1)가 인덕터부(714)의 타측과 연결될 수 있다.

출력부(718)는 출력캐패시터(Co)를 포함할 수 있다. 출력캐패시터(Co)의 일측으로 출력전압(Vo)이 공급되고, 출력캐패시터(Co)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 파워스위치부(716)를 제어하여 입력전압(Vi)을 출력전압(Vo)으로 변환할 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기에서 제1노드(N1)의 전압이 4번 이상 변하도록 파워스위치부(716)를 제어할 수 있다.

제1예시제어로서, 제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)을 형성시키고, 제2시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압을 형성시킬 수 있다. 그리고, 제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)을 형성시키고, 제4시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)에 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압을 형성시킬 수 있다. 여기서, 고전압(VH)은 출력전압(Vo)이고, 저전압(VL)은 그라운드 전압일 수 있다.

제2예시제어로서, 제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)을 형성시키고, 제2시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)에 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압을 형성시킬 수 있다. 그리고, 제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)을 형성시키고, 제4시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압을 형성시킬 수 있다. 여기서, 고전압(VH)은 출력전압(Vo)이고, 저전압(VL)은 그라운드 전압일 수 있다.

제3예시제어로서, 제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)을 형성시킬 수 있다. 그리고, 제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)에 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)을 형성시킬 수 있다. 여기서, 고전압(VH)은 출력전압(Vo)이고, 저전압(VL)은 그라운드 전압일 수 있다.

제4예시제어로서, 제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간에서 제1노드(N1)에 저전압(VL)에 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)을 형성시킬 수 있다. 그리고, 제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 제1노드(N1)에 고전압(VH)을 형성시킬 수 있다. 여기서, 고전압(VH)은 출력전압(Vo)이고, 저전압(VL)은 그라운드 전압일 수 있다.

한편, 제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기의 일 시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 병렬로 연결시키고, 다른 일 시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 직렬로 연결시킬 수 있다.

플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 병렬로 연결될 때, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 전하를 공유하면서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)과 보조캐패시터의 전압(Vca)이 같아질 수 있다.

그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 때, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)에 출력전압(Vo)이 분배되면서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)이 각 제어주기에서 일정하게 유지될 수 있다. 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 때, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)는 출력캐패시터(Co)와 병렬로 연결될 수 있는데, 이러한 연결 구조에 따라 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)에는 출력전압(Vo)이 분배되어 형성될 수 있다.

플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 연결은 보조스위치(Sa)의 턴온/턴오프에 따라 제어될 수 있다. 보조스위치(Sa)가 턴온되면 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 연결되고, 보조스위치(Sa)가 턴오프되면 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 연결이 해제될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 플라잉캐패시터(Cf)가 충전되거나 방전될 때, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 연결시킬 수 있다.

예를 들어, 전술한 제1예시제어에서 플라잉캐패시터(Cf)는 제2시구간에서 방전하고 제4시구간에서 충전할 수 있는데, 제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 직렬로 연결시키고, 제4시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 병렬로 연결시킬 수 있다.

다른 예로서, 전술한 제2예시제어에서 플라잉캐패시터(Cf)는 제2시구간에서 충전하고 제4시구간에서 방전할 수 있는데, 제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 병렬로 연결시키고, 제4시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 직렬로 연결시킬 수 있다.

또 다른 예로서, 전술한 제3예시제어에서 플라잉캐패시터(Cf)는 제1시구간에서 방전하고 제3시구간에서 충전할 수 있는데, 제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 직렬로 연결시키고, 제3시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 병렬로 연결시킬 수 있다.

또 다른 예로서, 전술한 제4예시제어에서 플라잉캐패시터(Cf)는 제1시구간에서 충전하고 제3시구간에서 방전할 수 있는데, 제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 병렬로 연결시키고, 제3시구간에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)를 직렬로 연결시킬 수 있다.

제어방법에 따라, 제어부(도 6의 120 참조)는 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 출력전압(Vo)의 1/2에서 변동되도록 제어할 수 있다. 플로팅캐패시터(Cf)가 충전되는 구간에서는 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)이 출력전압(Vo)의 1/2보다 다소 커질 수 있고, 플로팅캐패시터(Cf)가 방전되는 구간에서는 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)이 출력전압(Vo)의 1/2보다 다소 작아질 수 있으나, 각각의 제어주기의 동일한 시구간에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)은 실질적으로 동일할 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제2예시 구성도이다.

도 8을 참조하면, 전력단(810)은 입력부(812), 인덕터부(814), 보조캐패시터부(815), 파워스위치부(816) 및 출력부(818) 등을 포함할 수 있다.

입력부(812)는 적어도 하나의 입력캐패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 입력캐패시터(Ci)의 일측으로 입력전압(Vi)이 공급되고, 입력캐패시터(Ci)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

출력부(818)는 적어도 하나의 출력캐패시터(Co)를 포함할 수 있다. 출력캐패시터(Co)의 일측으로 출력전압(Vo)이 공급되고, 출력캐패시터(Co)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

인덕터부(814)는 적어도 하나의 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 인덕터부(L)의 일측은 입력캐패시터(Ci)와 연결되면서 입력전압(Vi)을 전달받고, 인덕터부(L)의 타측은 제1노드(N1)와 연결될 수 있다.

보조캐패시터부(815)는 직렬로 연결되는 보조스위치(Sa) 및 보조캐패시터(Ca)를 포함할 수 있다. 보조스위치(Sa)의 일측은 제1노드(N1)와 연결되고 타측은 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 그리고, 보조캐패시터(Ca)의 일측은 보조스위치(Sa)와 연결되고 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

파워스위치부(816)는 직렬로 연결되는 4개의 스위치(S1 ~ S4)를 포함할 수 있다. 그리고, 파워스위치부(816)는 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)와 병렬로 연결되는 플라잉캐패시터(Cf)를 포함할 수 있다.

제1스위치(S1)는 일측이 출력캐패시터(Co)와 연결되고, 타측이 제2노드(N2)와 연결될 수 있다. 그리고, 제2스위치(S2)는 일측이 제2노드(N2)와 연결되고 타측이 제1노드(N1)와 연결될 수 있다. 그리고, 제3스위치(S3)의 일측이 제1노드(N1)와 연결되고 타측이 제3노드(N3)와 연결될 수 있다. 그리고, 제4스위치(S4)의 일측이 제3노드(N3)와 연결되고 타측이 그라운드와 연결될 수 있다.

도 9는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이고, 도 10은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다. 도 11은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이고, 도 12는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.

도 9 내지 도 12를 참조하면, 제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기를 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 순차적으로 분할하여 제어할 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간(TP1) 및 제3시구간(TP3)에서 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)를 턴온시켜, 인덕터(L)의 전류(iL)를 빌드업시킬 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간(TP1) 및 제3시구간(TP3)에서 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)를 턴오프시켜, 인덕터 전류(iL)가 출력캐패시터(Co)로 흐르지 않게 하고, 플라잉캐패시터(Cf)를 플로팅시킬 수 있다.

그리고, 제어부(도 6의 120 참조)는 보조스위치(Sa)를 턴오프시켜, 보조캐패시터(Ca)도 플로팅시킬 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간(TP2)에서 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)를 턴오프시키고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)를 턴온시킬 수 있다. 이러한 제어에 따라, 인덕터 전류(iL)는 플라잉캐패시터(Cf)를 충전시키면서 그라운드로 전달될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간(TP2)에서 보조스위치(Sa)를 턴온시킬 수 있다. 보조스위치(Sa)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 병렬로 연결되고 서로 전하를 공유할 수 있다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 전압이 같아질 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제4시구간(TP4)에서 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)를 턴온시키고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)를 턴오프시킬 수 있다. 이러한 제어에 따라, 인덕터 전류(iL)는 플라잉캐패시터(Cf)를 방전시키면서 출력캐패시터(Co)로 전달될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제4시구간(TP4)에서 보조스위치(Sa)를 턴온시킬 수 있다. 보조스위치(Sa)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 수 있다.

플라잉캐패시터(Cf)에서 상대적으로 높은 전압이 형성되는 단자를 양극단이라하고 상대적으로 낮은 전압이 형성되는 단자를 음극단이라고 할 때, 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단은 제2노드(N2)와 연결되고 음극단은 제3노드(N3)와 연결될 수 있다. 그리고, 제4시구간(TP4)에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 때, 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단은 출력캐패시터(Co)와 연결되고 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단은 제1노드(N1)를 통해 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 그리고, 출력캐패시터(Co)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단과 연결되고 타측은 그라운드와 연결되며, 보조캐패시터(Ca)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단과 연결되고 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

이러한 연결 구조에 따라, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)에는 출력전압(Vo)이 분배되어 형성될 수 있다. 출력캐패시터(Co)의 용량이 충분히 크다고 할 때, 출력전압(Vo)은 일정하게 유지되는 것으로 가정될 수 있다. 이러한 가정에 의하면, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)는 각각의 용량에 반비례하면서 출력전압(Vo)이 분배될 수 있다. 출력전압(Vo)이 각각의 제어주기에서 일정하게 제어되면, 플라잉캐패시터(Cf)의 전압과 보조캐패시터(Ca)의 전압도 각각의 제어주기에서 일정하게 유지될 수 있다.

이러한 일 실시예의 제1제어방법에 의해, 인덕터(L)와 연결되는 제1노드(N1)에 셋 이상의 전압레벨이 형성되는데, 예를 들어, 제1노드(N1)에 그라운드 전압의 레벨, 출력전압(Vo)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압레벨, 및 그라운드 전압에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압레벨이 형성될 수 있다.

이러한 제어방법을 멀티레벨 스텝업 제어라고 부르기도 하며, 일 실시예의 제1제어방법에 의하면, 출력전압(Vo)이 입력전압(Vi)의 2배 이상이 될 수 있다.

도 13은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이고, 도 14는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다. 도 15는 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이고, 도 16은 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.

도 13 내지 도 16을 참조하면, 제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기를 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 순차적으로 분할하여 제어할 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간(TP1)에서 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)를 턴오프시키고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)를 턴온시킬 수 있다. 이러한 제어에 따라, 인덕터 전류(iL)는 플라잉캐패시터(Cf)를 충전시키면서 그라운드로 전달될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간(TP1)에서 보조스위치(Sa)를 턴온시킬 수 있다. 보조스위치(Sa)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 병렬로 연결되고 서로 전하를 공유할 수 있다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 전압이 같아질 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간(TP2) 및 제4시구간(TP4)에서 제1스위치(S1) 및 제2스위치(S2)를 턴온시켜, 인덕터(L)와 연결되는 제1노드(N1)에 출력전압(Vo)을 형성시킬 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간(TP2) 및 제4시구간(TP4)에서 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)를 턴오프시켜, 인덕터 전류(iL)가 그라운드로 흐르지 않게 하고, 플라잉캐패시터(Cf)를 플로팅시킬 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간(TP3)에서 제1스위치(S1) 및 제3스위치(S3)를 턴온시키고, 제2스위치(S2) 및 제4스위치(S4)를 턴오프시킬 수 있다. 이러한 제어에 따라, 인덕터 전류(iL)는 플라잉캐패시터(Cf)를 방전시키면서 출력캐패시터(Co)로 전달될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간(TP3)에서 보조스위치(Sa)를 턴온시킬 수 있다. 보조스위치(Sa)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 수 있다.

제3시구간(TP3)에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 때, 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단은 출력캐패시터(Co)와 연결되고 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단은 제1노드(N1)를 통해 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 그리고, 출력캐패시터(Co)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단과 연결되고 타측은 그라운드와 연결되며, 보조캐패시터(Ca)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단과 연결되고 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

이러한 제2제어방법에 의해, 인덕터(L)와 연결되는 제1노드(N1)에 셋 이상의 전압레벨이 형성되는데, 예를 들어, 제1노드(N1)에 출력전압(Vo)의 레벨, 출력전압(Vo)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압레벨, 및 그라운드 전압에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압레벨이 형성될 수 있다.

이러한 일 실시예의 제2제어방법에 의하면, 출력전압(Vo)이 입력전압(Vi) 이상이고 입력전압(Vi)의 2배 미만이 될 수 있다.

도 17은 다른 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제1예시 구성도이다.

도 17을 참조하면, 전력단(1710)은 입력부(1712), 인덕터부(1714), 보조캐패시터부(1715), 파워스위치부(1716) 및 출력부(1718) 등을 포함할 수 있다.

입력부(1712)는 적어도 하나의 입력캐패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 입력캐패시터(Ci)의 일측으로 입력전압(Vi)이 공급되고, 입력캐패시터(Ci)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

인덕터부(1714)는 적어도 하나의 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 인덕터부(1714)의 일측은 입력부(1712)와 연결되고, 입력부(1712)로부터 입력전압(Vi)을 전달받을 수 있다.

파워스위치부(1716)는 직렬로 연결되는 적어도 4개의 파워스위치(SU1 ~ SUn, SD1 ~ SDn)를 포함할 수 있다. 그리고, 파워스위치부(1716)는 인덕터부(1714)와 연결되는 제1노드(N1)를 기준으로 고전압측으로 적어도 2개의 파워스위치(SU1 ~ SUn)를 포함하고, 저전압측으로 적어도 2개의 파워스위치(SD1 ~ SDn)를 포함할 수 있다.

인덕터부(1714)의 일측은 입력부(1712)와 연결되고, 타측은 파워스위치부(1716)의 제1노드(N1)와 연결되는데, 일 예로서, 인덕터부(1714)에 포함된 인덕터(L)의 일측은 입력부(1712)와 연결되고 타측은 파워스위치부(1716)의 제1노드(N1)와 연결될 수 있다.

파워스위치부(1716)는 적어도 하나의 플라잉캐패시터(Cf)를 포함할 수 있다. 플라잉캐패시터(Cf)는 파워스위치부(1716)에 포함된 적어도 4개의 파워스위치(SU1 ~ SUn, SD1 ~ SDn) 중 적어도 2개의 파워스위치와 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 플라잉캐패시터(Cf)의 양단은, 제1노드(N1)를 기준으로 고전압측으로 배치되는 적어도 2개의 파워스위치들(SU1 ~ SUn) 사이에 형성되는 제2노드(N2)와 저전압측으로 배치되는 적어도 2개의 파워스위치들(SD1 ~ SDn) 사이에 형성되는 제3노드(N3)와 연결될 수 있다. 이러한 연결에 따라, 플라잉캐패시터(Cf)는 제2노드(N2)와 제3노드(N3) 사이에 배치되는 복수의 파워스위치들과 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 병렬로 연결되는 파워스위치들의 사이에 형성되는 제1노드(N1)가 인덕터부(1714)의 타측과 연결될 수 있다.

보조캐패시터부(1715)는 두 개의 보조스위치(Sa1, Sa2) 및 보조캐패시터(Ca)를 포함할 수 있다. 보조캐피시터부(1715)에서 제1보조스위치(Sa1)는 일측이 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단과 연결되고 타측이 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 그리고, 제2보조스위치(Sa2)는 일측이 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단과 연결되고 타측이 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 다른 측면에서, 제1보조스위치(Sa1)는 일측이 제2노드(N2)와 연결되고 타측이 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있고, 제2보조스위치(Sa2)는 일측이 제3노드(N3)와 연결되고 타측이 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 보조캐패시터(Ca)는 일측이 제1보조스위치(Sa1) 및 제2보조스위치(Sa2)와 연결되고 타측이 그라운드와 연결될 수 있다.

출력부(1718)는 출력캐패시터(Co)를 포함할 수 있다. 출력캐패시터(Co)의 일측으로 출력전압(Vo)이 공급되고, 출력캐패시터(Co)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 파워스위치부(1716)를 제어하여 입력전압(Vi)을 출력전압(Vo)으로 변환할 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기에서 제1노드(N1)의 전압이 4번 이상 변하도록 파워스위치부(1716)를 제어할 수 있다.

플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 연결은 보조스위치(Sa1, Sa2)의 턴온/턴오프에 따라 제어될 수 있다. 제1보조스위치(Sa1)가 턴온되면 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 병렬로 연결되고, 제2보조스위치(Sa2)가 턴온되면 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 수 있다. 제1보조스위치(Sa1)와 제2보조스위치(Sa2)가 모두 턴오프되면 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 연결이 해제될 수 있다.

도 18은 다른 일 실시예에 따른 스텝업 컨버터의 전력단의 제2예시 구성도이다.

도 18을 참조하면, 전력단(1810)은 입력부(1812), 인덕터부(1814), 보조캐패시터부(1815), 파워스위치부(1816) 및 출력부(1818) 등을 포함할 수 있다.

입력부(1812)는 적어도 하나의 입력캐패시터(Ci)를 포함할 수 있다. 입력캐패시터(Ci)의 일측으로 입력전압(Vi)이 공급되고, 입력캐패시터(Ci)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

출력부(1818)는 적어도 하나의 출력캐패시터(Co)를 포함할 수 있다. 출력캐패시터(Co)의 일측으로 출력전압(Vo)이 공급되고, 출력캐패시터(Co)의 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

인덕터부(1814)는 적어도 하나의 인덕터(L)를 포함할 수 있다. 인덕터부(L)의 일측은 입력캐패시터(Ci)와 연결되면서 입력전압(Vi)을 전달받고, 인덕터부(L)의 타측은 제1노드(N1)와 연결될 수 있다.

파워스위치부(1816)는 직렬로 연결되는 4개의 스위치(S1 ~ S4)를 포함할 수 있다. 그리고, 파워스위치부(1816)는 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)와 병렬로 연결되는 플라잉캐패시터(Cf)를 포함할 수 있다.

보조캐패시터부(1815)는 두 개의 보조스위치(Sa1, Sa2) 및 보조캐패시터(Ca)를 포함할 수 있다. 제1보조스위치(Sa1)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단-제2노드(N2)-과 연결되고 타측은 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 제2보조스위치(Sa2)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단-제3노드(N3)-과 연결되고 타측은 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 그리고, 보조캐패시터(Ca)의 일측은 제1보조스위치(Sa1) 및 제2보조스위치(Sa2)와 연결되고 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

도 19는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이고, 도 20은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다. 도 21은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이고, 도 22는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제1제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.

도 19 내지 도 22를 참조하면, 제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기를 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 순차적으로 분할하여 제어할 수 있다.

그리고, 제어부(도 6의 120 참조)는 두 개의 보조스위치(Sa1, Sa2)를 턴오프시켜, 보조캐패시터(Ca)도 플로팅시킬 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제2시구간(TP2)에서 제1보조스위치(Sa1)를 턴온시키고 제2보조스위치(Sa2)를 턴오프시킬 수 있다. 제1보조스위치(Sa1)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 병렬로 연결되고 서로 전하를 공유할 수 있다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 전압이 같아질 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제4시구간(TP4)에서 제1보조스위치(Sa1)를 턴오프시키고, 제2보조스위치(Sa2)를 턴온시킬 수 있다. 제2보조스위치(Sa2)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 수 있다.

제4시구간(TP4)에서 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 때, 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단은 출력캐패시터(Co)와 연결되고 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단은 제1노드(N1)를 통해 보조캐패시터(Ca)와 연결될 수 있다. 그리고, 출력캐패시터(Co)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 양극단과 연결되고 타측은 그라운드와 연결되며, 보조캐패시터(Ca)의 일측은 플라잉캐패시터(Cf)의 음극단과 연결되고 타측은 그라운드와 연결될 수 있다.

이러한 다른 일 실시예의 제1제어방법에 의해, 인덕터(L)와 연결되는 제1노드(N1)에 셋 이상의 전압레벨이 형성되는데, 예를 들어, 제1노드(N1)에 그라운드 전압의 레벨, 출력전압(Vo)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압레벨, 및 그라운드 전압에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압레벨이 형성될 수 있다.

이러한 제어방법을 멀티레벨 스텝업 제어라고 부르기도 하며, 다른 일 실시예의 제1제어방법에 의하면, 출력전압(Vo)이 입력전압(Vi)의 2배 이상이 될 수 있다.

도 23은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제1시구간 상태도이고, 도 24는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제2시구간 상태도이다. 도 25는 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제3시구간 상태도이고, 도 26은 다른 일 실시예의 제2예시에 따른 전력단을 제2제어방법으로 제어할 때의 제4시구간 상태도이다.

도 23 내지 도 26을 참조하면, 제어부(도 6의 120 참조)는 각각의 제어주기를 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 순차적으로 분할하여 제어할 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제1시구간(TP1)에서 제1보조스위치(Sa1)를 턴온시키고 제2보조스위치(Sa2)를 턴오프시킬 수 있다. 제1보조스위치(Sa1)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 병렬로 연결되고 서로 전하를 공유할 수 있다. 그리고, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)의 전압이 같아질 수 있다.

제어부(도 6의 120 참조)는 제3시구간(TP3)에서 제1보조스위치(Sa1)를 턴오프시키고 제2보조스위치(Sa2)를 턴온시킬 수 있다. 제2보조스위치(Sa2)가 턴온되면서, 플라잉캐패시터(Cf)와 보조캐패시터(Ca)가 직렬로 연결될 수 있다.

이러한 다른 일 실시예의 제2제어방법에 의해, 인덕터(L)와 연결되는 제1노드(N1)에 셋 이상의 전압레벨이 형성되는데, 예를 들어, 제1노드(N1)에 출력전압(Vo)의 레벨, 출력전압(Vo)에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 차감한 전압레벨, 및 그라운드 전압에서 플라잉캐패시터의 전압(Vcf)을 더한 전압레벨이 형성될 수 있다.

이러한 다른 일 실시예의 제2제어방법에 의하면, 출력전압(Vo)이 입력전압(Vi) 이상이고 입력전압(Vi)의 2배 미만이 될 수 있다.

한편, 도 9 내지 도 16을 참조하여 설명한, 일 실시예의 제1제어방법 및 제2제어방법에서, 한 제어주기가 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 구성되고, 복수의 제어주기에서, 제1시구간(TP1)에서 제4시구간(TP4)으로의 제어 순서(TP1

TP2

TP3

TP4)가 반복되는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라서는 한 제어주기의 구성 및 제어 순서가 달라질 수도 있다.

도 9 내지 도 12를 참조하면, 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 제1시구간(TP1), 제4시구간(TP4), 제3시구간(TP3) 및 제2시구간(TP2)의 순서(TP1

TP4

TP3

TP2)로 제어될 수 있고, 복수의 제어주기가 서로 다른 제어 순서를 가질 수 있다.

한 제어주기가 제1시구간(TP1) 내지 제4시구간(TP4)을 모두 구비하지 않고, 그 중 일부만 구비할 수 있는데, 일 예로, 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제2시구간(TP2)으로 구성될 수 있고, 다른 예로, 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 제1시구간(TP1), 제4시구간(TP4), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 구성될 수 있다. 한 제어주기의 구성은 플로팅캐패시터의 전압(Vcf) 크기에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들어, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 작으면, 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제4시구간(TP4)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제2시구간(TP2)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다. 반대로, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 크면, 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제2시구간(TP2)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제4시구간(TP4)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다.

도 13 내지 도 16을 참조하면, 일 실시예의 제2제어방법에서, 한 제어주기는 제3시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제1시구간(TP1) 및 제4시구간(TP4)의 순서(TP3

TP2

TP1

TP4)로 제어될 수 있고, 복수의 제어주기가 서로 다른 제어 순서를 가질 수 있다.

한 제어주기가 제1시구간(TP1) 내지 제4시구간(TP4)을 모두 구비하지 않고, 그 중 일부만 구비할 수 있는데, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 작으면, 일 실시예의 제2제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제3시구간(TP3)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제1시구간(TP1)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다. 반대로, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 크면, 제2제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제1시구간(TP1)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제3시구간(TP3)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다.

그리고, 도 19 내지 도 26을 참조하여 설명한, 다른 일 실시예의 제1제어방법 및 제2제어방법에서, 한 제어주기가 제1시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제3시구간(TP3) 및 제4시구간(TP4)으로 구성되고, 복수의 제어주기에서, 제1시구간(TP1)에서 제4시구간(TP4)으로의 제어 순서(TP1

TP2

TP3

도 19 내지 도 22를 참조하면, 다른 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 제1시구간(TP1), 제4시구간(TP4), 제3시구간(TP3) 및 제2시구간(TP2)의 순서(TP1

TP4

TP3

한 제어주기가 제1시구간(TP1) 내지 제4시구간(TP4)을 모두 구비하지 않고, 그 중 일부만 구비할 수 있는데, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 작으면, 다른 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제4시구간(TP4)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제2시구간(TP2)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다. 반대로, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 크면, 다른 일 실시예의 제1제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제2시구간(TP2)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제4시구간(TP4)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다.

도 23 내지 도 26을 참조하면, 다른 일 실시예의 제2제어방법에서, 한 제어주기는 제3시구간(TP1), 제2시구간(TP2), 제1시구간(TP1) 및 제4시구간(TP4)의 순서(TP3

TP2

TP1

한 제어주기가 제1시구간(TP1) 내지 제4시구간(TP4)을 모두 구비하지 않고, 그 중 일부만 구비할 수 있는데, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 작으면, 다른 일 실시예의 제2제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제3시구간(TP3)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제1시구간(TP1)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다. 반대로, 플로팅캐패시터의 전압(Vcf)이 1/2 * Vo 보다 크면, 제2제어방법에서, 한 제어주기는 플로팅캐패시터가 충전되는 시구간-제1시구간(TP1)-을 포함하지 않거나 플로팅캐패시터가 방전되는 시구간-제3시구간(TP3)-보다 적은 횟수 혹은 적은 시간으로 포함할 수 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

일측으로 입력전압을 전달받고, 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 인덕터부;
직렬로 연결되는 적어도 4개의 파워스위치를 포함하고, 상기 적어도 4개의 파워스위치 중 적어도 2개의 파워스위치와 병렬로 연결되는 적어도 하나의 플라잉캐패시터를 포함하며, 상기 적어도 2개의 파워스위치 사이의 일 노드가 상기 인덕터부의 타측과 연결되는 파워스위치부;
보조스위치를 통해 상기 일 노드와 연결되는 보조캐패시터; 및
상기 파워스위치부를 제어하여 상기 입력전압을 출력전압으로 변환하고, 각각의 제어주기의 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 병렬로 연결시키고 다른 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 직렬로 연결시키는 제어부
를 포함하는 스텝업 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
각각의 제어주기에서 상기 일 노드의 전압이 4번 이상 변하도록 상기 파워스위치부를 제어하는 스텝업 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터는 충전되고, 상기 다른 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터는 방전되는 스텝업 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터는,
상기 다른 일 시구간에서 상기 출력전압이 형성되는 출력캐패시터와 병렬로 연결되는 스텝업 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 파워스위치부의 양단에 그라운드 전압 및 상기 출력전압이 형성되고, 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터에 플라잉캐패시터전압이 형성되며,
상기 제어부는,
상기 파워스위치부를 제어하여, 제1시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 더한 레벨의 전압을 형성시키고, 제3시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 차감한 레벨의 전압을 형성시키는 스텝업 컨버터.
제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1시구간과 상기 제3시구간에서 상기 보조스위치를 턴오프시키고,
상기 제2시구간과 상기 제4시구간에서 상기 보조스위치를 턴온시켜 상기 보조캐패시터를 상기 일 노드에 연결시키는 스텝업 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 파워스위치부의 양단에 그라운드 전압 및 상기 출력전압이 형성되고, 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터에 플라잉캐패시터전압이 형성되며,
상기 제어부는,
상기 파워스위치부를 제어하여, 제1시구간에서 상기 일 노드에 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 더한 레벨의 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압을 형성시키고, 제3시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 차감한 레벨의 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압을 형성시키는 스텝업 컨버터.
제7항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1시구간과 상기 제3시구간에서 상기 보조스위치를 턴온시켜 상기 보조캐패시터를 상기 일 노드에 연결시키고,
상기 제2시구간과 상기 제4시구간에서 상기 보조스위치를 턴오프시키는 스텝업 컨버터.
일측으로 입력전압을 전달받고, 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 인덕터부;
직렬로 연결되는 적어도 4개의 파워스위치를 포함하고, 상기 적어도 4개의 파워스위치 중 적어도 2개의 파워스위치와 병렬로 연결되는 적어도 하나의 플라잉캐패시터를 포함하며, 상기 적어도 2개의 파워스위치 사이의 일 노드가 상기 인덕터부의 타측과 연결되는 파워스위치부;
상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 양단에 각각 연결되는 2개의 보조스위치를 통해 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 연결되는 보조캐패시터; 및
상기 파워스위치부를 제어하여 상기 입력전압을 출력전압으로 변환하고, 각각의 제어주기의 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 병렬로 연결시키고 다른 일 시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터를 직렬로 연결시키는 제어부
를 포함하는 스텝업 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 제어부는,
각각의 제어주기에서 상기 일 노드의 전압이 4번 이상 변하도록 상기 파워스위치부를 제어하는 스텝업 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터와 상기 보조캐패시터는,
상기 다른 일 시구간에서 상기 출력전압이 형성되는 출력캐패시터와 병렬로 연결되는 스텝업 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 파워스위치부의 양단에 그라운드 전압 및 상기 출력전압이 형성되고, 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터에 플라잉캐패시터전압이 형성되며,
상기 제어부는,
상기 파워스위치부를 제어하여, 제1시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 더한 레벨의 전압을 형성시키고, 제3시구간에서 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 차감한 레벨의 전압을 형성시키는 스텝업 컨버터.
제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1시구간과 상기 제3시구간에서 제1보조스위치 및 제2보조스위치를 턴오프시키고,
상기 제2시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 양(+)극단에 연결되는 상기 제1보조스위치를 턴온시키고 상기 제2보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 양극단에 연결시키고,
상기 제4시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 음(-)극단에 연결되는 상기 제2보조스위치를 턴온시키고 상기 제1보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 음극단에 연결시키는 스텝업 컨버터.
제9항에 있어서,
상기 파워스위치부의 양단에 그라운드 전압 및 상기 출력전압이 형성되고, 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터에 플라잉캐패시터전압이 형성되며,
상기 제어부는,
상기 파워스위치부를 제어하여, 제1시구간에서 상기 일 노드에 상기 일 노드에 상기 그라운드 전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 더한 레벨의 전압을 형성시키고, 제2시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압을 형성시키고, 제3시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압에서 상기 플라잉캐패시터전압을 차감한 레벨의 전압을 형성시키고, 제4시구간에서 상기 일 노드에 상기 출력전압을 형성시키는 스텝업 컨버터.
제14항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제2시구간과 상기 제4시구간에서 제1보조스위치 및 제2보조스위치를 턴오프시키고,
상기 제1시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 양(+)극단에 연결되는 상기 제1보조스위치를 턴온시키고 상기 제2보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 양극단에 연결시키고,
상기 제3시구간에서 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 음(-)극단에 연결되는 상기 제2보조스위치를 턴온시키고 상기 제1보조스위치를 턴오프시켜 상기 보조캐패시터를 상기 적어도 하나의 플라잉캐패시터의 상기 음극단에 연결시키는 스텝업 컨버터.