KR20200126911A - 멀티 탭 자동변압기를 갖는 스위치식-캐패시터 변환기 - Google Patents

멀티 탭 자동변압기를 갖는 스위치식-캐패시터 변환기 Download PDF

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KR20200126911A
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tap
automatic transformer
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로베르토 리초라티
크리스티안 라이너
오토 비에덴바우어
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인피니언 테크놀로지스 오스트리아 아게
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Abstract

전원 시스템은 스위치식-캐패시터 변환기, 멀티 탭 자동변압기, 및 출력 스테이지를 포함한다. 멀티 탭 자동변압기는 다수의 일차 권선을 포함한다. 스위치식-캐패시터 변환기는 일차 권선들에 결합된 다수의 회로 경로를 포함한다. 예를 들어, 제1 회로 경로는 제1 캐패시터를 포함하고; 제2 회로 경로는 제2 캐패시터를 포함한다. 전원은 멀티 탭 자동변압기의 일차 권선들에 에너지를 전달하는, 제1 회로 경로 및 제2 회로 경로에 입력 전압을 제어가능하게 스위치하는 제어기를 추가로 포함한다. 전원의 출력 스테이지는 멀티 탭 자동변압기의 제1 일차 권선과 제2 일차 권선의 조합으로부터 에너지를 수신하도록 결합된다. 수신된 에너지를 통해, 출력 스테이지는 부하에 전력을 공급하는 출력 전압을 발생시킨다.

Description

멀티 탭 자동변압기를 갖는 스위치식-캐패시터 변환기{SWITCHED-CAPACITOR CONVERTER WITH MULTI-TAPPED AUTOTRANSFORMER}
그것의 이름이 제안하는 것과 같이, 종래의 스위치식-캐패시터 DC-DC 변환기는 수신된 DC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환한다.
하나의 종래의 응용에서, 종래의 스위치식-캐패시터 변환기로의 입력 전압은 40VDC 내지 60VDC의 범위 내에 든다. 이러한 예에서, 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들은 각각의 캐패시터들 내에 저장된 전하를 전달하도록 제어되어, 결국 48VDC와 같은 입력 전압의 소위 종래의 4:1 스위치식-캐패시터 변환기용의 12VDC와 같은 출력 전압으로의 변환을 초래한다. 바꾸어 말하면, 종래의 스위치식-캐패시터 변환기는 48VDC 전압을 12VDC 전압으로 변환하도록 구성될 수 있다.
스위치식-캐패시터 변환기에서 소위 하드 스위칭을 피하기 위해, 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들은 그들 양단에 거의 제로 전압이 있고 거의 제로 전류가 그들을 통해 흐를 때 바람직하게 스위치된다.
종래의 스위치식-캐패시터 변환기 내의 바람직하지 않은 하드 스위칭은 스위치식-캐패시터 변환기의 각각의 스테이지 내의 각각의 캐패시터와 직렬로 개별적인 인덕터를 배치함으로써 완화될 수 있다. 이것은 공진(또는 반공진) 스위칭 변환기를 초래한다. 이러한 스위치식-캐패시터 변환기는 때때로 스위치식 탱크 변환기(STC)라고 한다. 인덕터와 캐패시터의 직렬 접속에 의해 형성된 공진 탱크 회로는 이들 소자의 인덕턴스 및 캐패시턴스에 기초하는 연관된 공진 주파수를 갖는다.
각각의 공진 주파수에서의 종래의 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들의 스위칭은 소위 제로 전류 스위칭(ZCS)을 야기하여, 스위칭 손실들을 감소시키고 양호한 전력 변환 효율을 제공한다.
본 개시내용은 종래의 스위치식-캐패시터 변환기들의 전력 변환 효율이 개선될 수 있다는 견해를 포함한다. 예를 들어, 이 목적을 위해, 본원의 실시예들은 스위치식-캐패시터 변환기의 개선된 성능 및 대응하는 출력 전압의 효율적인 발생을 제공하는 신규한 방식들을 포함한다.
보다 구체적으로, 한 실시예에 따르면, (전원과 같은) 장치는 스위치식-캐패시터 변환기, 멀티 탭 자동변압기, 및 출력 스테이지를 포함한다. 멀티 탭 자동변압기는 다수의 일차 권선 및 (다수의 이차 권선과 같은) 적어도 하나의 이차 권선을 포함한다. 스위치식-캐패시터 변환기는 일차 권선들에 결합된 다수의 회로 경로를 포함한다. 예를 들어, 스위치식-캐패시터 변환기의 제1 회로 경로는 제1 캐패시터를 포함하고, 스위치식-캐패시터 변환기의 제2 회로 경로는 제2 캐패시터를 포함한다. 전원은 멀티 탭 자동변압기의 일차 권선들에 에너지를 전달하는, (일차 스테이지 내에서와 같은) 제1 회로 경로 및 제2 회로 경로에 입력 전압을 제어가능하게 스위치하는 제어기를 추가로 포함한다. 전원의 (이차 스테이지와 같은) 출력 스테이지는 멀티 탭 자동변압기의 제1 일차 권선과 제2 일차 권선의 조합으로부터 전달된 에너지를 수신하도록 결합된다. 수신된 에너지를 통해, 출력 스테이지는 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압을 발생시킨다.
스위치식-캐패시터 변환기, 변압기, 멀티 탭 자동변압기, 전압 변환기 제어기 등과 같은 전원의 소자들 중 하나 이상의 어느 것은 (회로와 같은) 하드웨어, 소프트웨어(및 대응하는 실행되는 명령어들), 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다는 점에 주목한다.
추가의 실시예들에 따르면, 본원에 설명되는 것과 같은 전원은 제1 일차 권선과 제2 일차 권선이 이차 권선에 대해 직렬로 접속되는 독특한 멀티 탭 자동변압기를 포함한다. 보다 구체적으로, 제1 일차 권선은 이차 권선과 직렬로 접속되고; 제2 일차 권선은 이차 권선과 직렬로 접속된다.
본원에 설명되는 것과 같은 멀티 탭 자동변압기는 이차 권선이 제1 일차 권선 및 제2 일차 권선과 유도성 결합되도록 구성될 수 있다는 점에 추가로 주목한다. 한 실시예에서, 제1 일차 권선, 제2 일차 권선, 및 이차 권선(들)은 서로 자기적으로 결합된다. 원한다면, 이차 권선(들)은 중심 탭된 권선의 출력으로부터 출력 전압을 발생시키는 것을 용이하게 하기 위해 중심 탭된다.
추가의 실시예들에 따르면, 본원에 설명되는 것과 같은 전원은 멀티 탭 자동변압기의 노드들 양단에 접속된 인덕터를 포함한다. 한 실시예에서, 인덕터는 멀티 탭 자동변압기의 하나 이상의 이차 권선과 병렬로 접속된다. 인덕터는 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들의 제로 전압 스위칭(ZVS)을 제공한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 본원에 설명되는 것과 같은 제로 전압 스위칭 능력은 멀티 탭 자동변압기와 연관된 자화 인덕턴스에 의해 제공될 수 있다는 점에 주목한다.
추가의 실시예들에 따르면, 스위치식-캐패시터 변환기는 다수의 스위치를 제어하는 제어 사이클들의 상이한 부분들 동안 (입력 전압과 같은) 전압원으로부터의 에너지를 제1 일차 권선 및 제2 일차 권선 각각에 전달하도록 동작가능한 다수의 스위치를 포함한다. 한 실시예에서, 스위치식-캐패시터 변환기는 입력 전압원으로부터의 에너지를 제1 일차 권선 및 제2 일차 권선에 전달하도록 동작가능한 다수의 공진 회로 경로를 포함한다. 스위치식-캐패시터 변환기의 제1 스위치(또는 스위치들)은 제1 공진 회로 경로를 입력 전압에 선택적으로 결합하고; 스위치식-캐패시터 변환기의 제2 스위치(또는 스위치들)은 제2 공진 회로 경로를 입력 전압에 결합한다.
추가의 실시예들에 따르면, 스위치식-캐패시터 변환기는 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터와 같은 다수의 캐패시터를 포함하고; 제1 공진 회로 경로는 제1 캐패시터와 제1 일차 권선의 조합을 포함하고; 제2 공진 회로 경로는 제2 캐패시터와 제2 일차 권선의 조합을 포함한다. 제어기는 i) 제1 공진 회로 경로(제1 캐패시터와 제1 일차 권선의 조합)를 입력 전압에 결합하는 것과, ii) 제2 공진 회로 경로(제2 캐패시터와 제2 일차 권선의 조합)를 입력 전압에 결합하는 것 사이에서 스위치한다. 이러한 예에서, 멀티 탭 자동변압기의 이차 권선은 제어 사이클의 상이한 부분들 동안 다수의 상이한 공진 회로 경로로부터 에너지를 수신한다.
다른 추가의 실시예들에 따르면, 제1 공진 회로 경로 내의 제1 캐패시터는 스위치식-캐패시터 변환기의 제1 플라잉 캐패시터이고; 제2 공진 회로 경로 내의 제2 캐패시터는 스위치식-캐패시터 변환기의 제2 플라잉 캐패시터이다.
본원의 실시예들은 종래의 기술들보다 유용하다. 예를 들어, 종래의 기술들과 대조적으로, 신규한 전원은 입력 전압을 각각의 출력 전압으로 변환하는 더 높은 효율을 총제적으로 제공하는 스위치식-캐패시터 변환기, 멀티 탭 자동변압기, 및 전압 변환기를 포함한다. 이러한 실시예는 각각의 출력 전압의 발생 동안 에너지의 더 낮은 손실을 제공한다.
이들 및 다른 보다 특정한 실시예들이 아래에 더 상세히 개시된다.
본원에 논의된 것과 같은 리소스들의 임의의 것은 본원에 개시된 방법 동작들의 임의의 것 또는 모두를 실행 및/또는 지원하는, 하나 이상의 컴퓨터화된 디바이스, 장치, 하드웨어 등을 포함할 수 있다는 점에 주목한다. 바꾸어 말하면, 하나 이상의 컴퓨터화된 디바이스 또는 프로세서는 본원에 설명되는 것과 같은 상이한 실시예들을 수행하기 위해 본원에 설명되는 것과 같이 동작하도록 프로그램 및/또는 구성될 수 있다.
본원의 또 다른 실시예들은 위에 요약되고 아래에 상세히 개시된 단계들 및/또는 동작들을 수행하는 소프트웨어 프로그램들을 포함한다. 한 이러한 실시예는 소프트웨어 명령어들이 후속하는 실행을 위해 인코드되는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체(즉, 임의의 컴퓨터 판독가능 하드웨어 저장 매체)를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품을 포함한다. 명령어들은 프로세서를 갖는 컴퓨터화된 디바이스(하드웨어)에서 실행될 때, 프로세서(하드웨어)로 하여금 본원에 개시된 동작들을 수행하게 하고/하거나 프로그램한다. 이러한 배열들은 전형적으로 소프트웨어, 코드, 명령어들, 및/또는 광학 매체(예를 들어, CD-ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 메모리 스틱, 메모리 디바이스 등과 같은 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체, 또는 하나 이상의 ROM, RAM, PROM 등 내의 펌웨어, 또는 주문형 집적 회로(ASIC) 등과 같은 다른 매체 상에 배열되거나 인코드된 다른 데이터(예를 들어, 데이터 구조들)로서 전형적으로 제공된다. 소프트웨어 또는 펌웨어 또는 다른 그러한 구성들이 컴퓨터화된 디바이스로 하여금 본원에 설명되는 기술들을 수행하게 하기 위해 컴퓨터화된 디바이스 상에 설치될 수 있다.
따라서, 본원의 실시예들은 본원에 논의된 것과 같은 동작들을 지원하는 방법, 시스템, 컴퓨터 프로그램 제품 등에 관한 것이다.
한 실시예는 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압의 발생을 용이하게 하는 명령어들이 저장되어 있는 컴퓨터 판독가능 저장 매체 및/또는 시스템을 포함한다. 명령어들은 컴퓨터 프로세서 하드웨어에 의해 실행될 때, (하나의 이상의 공동 배치되거나 분리 배치된 프로세서 디바이스 또는 하드웨어와 같은) 컴퓨터 프로세서 하드웨어로 하여금 입력 전압원으로부터 에너지를 수신하고; 입력 전압원으로부터의 에너지를 멀티 탭 자동변압기의 제1 일차 권선 및 제2 일차 권선에 전달하기 위해 다수의 캐패시터 회로 경로를 제어가능하게 스위치하고 - 멀티 탭 자동변압기는 출력 스테이지에 에너지를 전달하도록 동작가능함 - ; 출력 스테이지에서, 멀티 탭 자동변압기로부터 수신된 에너지를 통해, 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압을 발생시키게 한다.
상기 단계들의 순서는 명료성 목적을 위해 부가되었다. 본원에 논의된 것과 같은 처리 단계들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다는 점에 주목한다.
본 개시내용의 다른 실시예들은 위에 요약되고 아래에 상세히 개시된 방법 실시예 단계들 및 동작들의 임의의 것을 수행하는 소프트웨어 프로그램 및/또는 각각의 하드웨어를 포함한다.
본원에 논의된 것과 같은 시스템, 방법, 장치, 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상의 명령어들 등은 또한 소프트웨어 프로그램, 펌웨어로서, 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 펌웨어의 하이브리드로서, 또는 프로세서(하드웨어 또는 소프트웨어) 내에서와 같은 하드웨어 단독으로서, 또는 운영 체제 내에서 또는 소프트웨어 애플리케이션 내에서 엄밀하게 실시될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본원에 논의된 것과 같은 실시예들이 스위치식-캐패시터 변환기의 동작을 제어하는 것에 적용가능하지만, 본원에 개시된 개념들은 기타 적합한 전압 변환기 토폴로지들에 유리하게 적용될 수 있다는 점에 추가로 주목한다.
부가적으로, 본원에서, 상이한 특징들, 기술들, 구성들 등 각각이 본 개시내용의 상이한 위치들에서 논의될 수 있지만, 적합한 경우에 개념들 각각은 서로 독립적으로 또는 서로 조합하여 선택적으로 실행될 수 있도록 하고자 한다는 점에 주목한다. 따라서, 본원에 설명되는 것과 같은 하나 이상의 본 발명은 많은 상이한 방식들로 실시되고 고려될 수 있다.
또한, 본원의 실시예들의 이 예비적 논의(발명의 내용)는 모든 실시예들 및/또는 본 개시내용 또는 청구된 발명(들)의 점차적으로 신규한 양태를 의도적으로 특정하지 않는다는 점에 주목한다. 대신에, 이 발명의 내용은 단지 일반적인 실시예들 및 종래의 기술들보다 나은 신규성의 대응하는 점들을 단지 제시한다. 본 발명(들)의 추가적인 상세들 및/또는 가능한 관점들(치환들)에 대해, 독자는 (실시예들의 요약인) 상세한 설명 부분 및 아래에 추가로 논의되는 것과 같은 본 개시내용의 대응하는 도면들을 참조하면 된다.
도 1은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 및 멀티 탭 자동변압기를 포함하는 전원을 도시한 예시적인 도면이다.
도 2는 본원의 실시예들에 따른 제어기, 및 스위치식-캐패시터 변환기 및 멀티 탭 자동변압기를 포함하는 전원의 보다 상세한 해석을 도시한 예시적인 도면이다.
도 3은 본원의 실시예들에 따른 제어 신호들의 타이밍을 도시한 예시적인 타이밍도이다.
도 4는 본원의 실시예들에 따른 제어 신호들 및 출력 신호들의 타이밍도를 도시한 예시적인 도면이다.
도 5는 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들을 제어하는 제1 모드를 도시한 예시적인 도면이다.
도 6은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들의 데드 타임 또는 비활성화를 도시한 예시적인 도면이다.
도 7은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들을 제어하는 제2 모드를 도시한 예시적인 도면이다.
도 8은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들의 데드 타임 또는 비활성화를 도시한 예시적인 도면이다.
도 9는 본원의 실시예들에 따른 멀티 탭 자동변압기의 상세들을 도시한 예시적인 도면이다.
도 10은 본원의 실시예들에 따른 (2 요소 자동변압기를 갖는) 멀티 탭 매트릭스 자동변압기의 상세들을 도시한 예시적인 도면이다.
도 11은 본원의 실시예들에 따른 (M 요소 자동변압기를 갖는) (매트릭스) 멀티 탭 자동변압기의 상세들을 도시한 예시적인 도면이다.
도 12는 본원의 실시예들에 따른 하나 이상의 동작을 실행하도록 동작가능한 컴퓨터 아키텍처를 도시한 예시적인 도면이다.
도 13은 본원의 실시예들에 따른 일반적인 방법을 도시한 예시적인 도면이다.
본원의 실시예들의 상기 및 다른 목적들, 특징들, 및 장점들이 유사한 참조 문자들이 상이한 도면들에 걸쳐 동일한 부분들을 참조하는 첨부 도면들에 도시된 것과 같은, 본원의 다음의 보다 특정한 설명으로부터 분명해질 것이다. 도면들은 반드시 축척에 맞게 그려지지 않았고, 대신에 실시예들, 원리들, 개념들 등을 도시한 것에 강조하였다.
한 실시예에 따르면, 본원에 추가로 논의되는 것과 같이, 전원 시스템과 같은 장치는 스위치식-캐패시터 변환기, 신규한 멀티 탭 자동변압기, 및 출력 스테이지를 포함한다. 멀티 탭 자동변압기는 다수의 일차 권선 및 (다수의 이차 권선과 같은) 적어도 하나의 이차 권선을 포함한다. 스위치식-캐패시터 변환기는 일차 권선들에 결합된 다수의 회로 경로를 포함한다. 예를 들어, 스위치식-캐패시터 변환기의 제1 회로 경로는 제1 캐패시터를 포함하고, 스위치식-캐패시터 변환기의 제2 회로 경로는 제2 캐패시터를 포함한다. 전원은 멀티 탭 자동변압기의 일차 권선들에 에너지를 전달하는, 제1 회로 경로 및 제2 회로 경로에 입력 전압을 제어가능하게 스위치하는 제어기를 추가로 포함한다. (멀티 탭 자동변압기의 이차 권선들을 포함하는 것과 같은) 전원의 출력 스테이지는 멀티 탭 자동변압기의 제1 일차 권선과 제2 일차 권선의 조합으로부터 전달된 에너지를 수신하도록 결합된다. 이차 권선에서의 수신된 에너지를 통해, 출력 스테이지는 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압을 발생시킨다.
이제, 보다 구체적으로, 도 1은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 및 멀티 탭 자동변압기를 포함하는 전원을 도시한 예시적인 도면이다.
이 예시적인 실시예에 도시한 것과 같이, (장치, 전자 디바이스 등과 같은) 전원(100)은 제어기(140) 및 전압 변환기(135)를 포함한다. 전압 변환기(135)는 일차 스테이지(101) 및 이차 스테이지(102)를 포함한다.
일차 스테이지(101)는 스위치들(125)을 포함하는 스위치식-캐패시터 변환기(131), 멀티 탭 자동변압기(160)의 제1 일차 권선(161-1), 및 제2 일차 권선(161-2)을 포함한다. 멀티 탭 자동변압기(160)는 비제한적인 예시적인 실시예로서 도시되고 변압기, 변압기 디바이스, 변압기 장치 등과 같은 임의의 적합한 디바이스로서 예시될 수 있다는 점에 주목한다. 이차 스테이지는 멀티 탭 자동변압기(160)의 이차 권선(162) 및 출력 전압(123)(일반적으로 DC 전압과 같은, Vout)을 발생시키는 관련된 회로를 포함한다. 이차 권선(162)은 제1 이차 권선(162-1) 및 제2 이차 권선(162-2)을 포함한다.
본원에 설명되는 것과 같은 리소스들 각각은 적합한 방식으로 예시될 수 있다는 점에 주목한다. 예를 들어, 제어기(140), 스위치식-캐패시터 변환기(131), 멀티 탭 자동변압기(160) 등 각각은 (회로와 같은) 하드웨어, 소프트웨어(실행가능한 명령어들), 또는 하드웨어와 소프트웨어 리소스들의 조합으로서 예시될 수 있거나 그들을 포함할 수 있다.
동작 중에, 제어기(140)는 스위치식-캐패시터 변환기(150) 내의 각각의 제어 스위치들(125)의 상태들을 제어하는 (하나 이상의 펄스 폭 변조 신호와 같은) 제어 신호들(105)을 발생시킨다.
추가로 도시한 것과 같이, 스위치식-캐패시터 변환기(150)는 스위치식-캐패시터 변환기(131)에 공급되는 입력 전압(120)(DC 입력 전압과 같은, Vin)을 수신한다. 앞서 논의된 것과 같이, 멀티 탭 자동변압기(160)는 제1 일차 권선(161-1) 및 제2 일차 권선(162-1)을 포함한다. 한 실시예에서, 일차 권선들(161)은 이차 권선(162)과 적어도 유도성 결합된다. 추가의 실시예들에 따르면, 일차 권선들(161)은 이차 권선들(162)과 직렬로 접속된다.
본원에 추가로 논의되는 것과 같이, 전원(100)의 제어기(140)는 출력 전압(123)을 발생시키도록 입력 전압(Vin)으로부터의 에너지를 일차 권선(161)을 통해 이차 권선(162)에 전달하기 위해 멀티 탭 자동변압기(160)의 일차 권선들(161)을 포함하는 다수의 캐패시터 및 대응하는 공진 회로 경로들을 제어가능하게 스위치한다.
도 2는 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기를 도시한 예시적인 도면이다.
도시한 것과 같이, 전원(100)은 전압원 Vin, 스위치식-캐패시터 변환기(131), 및 멀티 탭 자동변압기(160)를 포함한다.
스위치식-캐패시터 변환기(131)(하드웨어, 회로 등과 같은 장치)는 (전계 효과 트랜지스터들 및 기타 적합한 유형의 스위치와 같은) 다수의 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6을 포함한다. 부가적으로, 스위치식-캐패시터 변환기(150)는 인덕터 Lzvs, 캐패시터 Cres1, 및 캐패시터 Cres2를 포함하는 다수의 회로 소자를 포함한다.
또한 이 예시적인 실시예에서, 멀티 탭 자동변압기(160)는 (N1 턴들과 같은) 일차 권선(161-1), (N1 턴들과 같은) 일차 권선(161-2), (N2 턴들과 같은) 이차 권선(162-1), 및 (N2 턴들과 같은) 이차 권선(162-2)을 포함한다. 일차 권선(161) 및/또는 이차 권선(162)과 연관된 권선들의 수(N1, N2 등)는 임의의 적합한 값일 수 있고 실시예에 따라 변화할 수 있다.
한 실시예에서, 멀티 탭 자동변압기(160)의 일차 권선들과 이차 권선들의 조합은 직렬로 접속된다. 예를 들어, 일차 권선(161-1)은 이차 권선(162-1)과 직렬로 접속되고; 이차 권선(162-1)은 이차 권선(162-2)과 직렬로 접속되고; 이차 권선(162-2)은 일차 권선(161-2)과 직렬로 접속된다.
추가의 실시예들에 따르면, (탭된 이차 권선, 또는 직렬로 접속된 다수의 이차 권선과 같은) 이차 권선(162)은 제1 일차 권선(161-1) 및 제2 일차 권선(161-2)과 유도성 결합된다. 바꾸어 말하면, 도시한 것과 같이, 제1 일차 권선(161-1), 제2 일차 권선(161-2), 및 이차 권선(들)(162)은 서로 자기적으로 결합된다. 원한다면, 이차 권선(162)은 중심 탭된 권선의 각각의 출력으로부터 출력 전압(123)의 발생을 용이하게 하는 중심 탭된 권선일 수 있다.
또한 이 예시적인 실시예에서, 스위치 Q1의 드레인 노드(D) 및 스위치 Q4의 드레인 노드(D)는 입력 전압원 Vin에 접속된다.
또한, 스위치 Q1의 소스 노드(S)는 스위치 Q2의 드레인 노드(D)(노드(213))에 결합된다. 스위치 Q4의 소스 노드(S)는 스위치 Q5의 드레인 노드(D)(노드(214))에 결합된다. 스위치 Q2의 소스 노드(S)는 노드(211)에 결합된다. 스위치 Q5의 소스 노드(S)는 노드(212)에 결합된다.
캐패시터 Cres1은 노드(213)와 일차 권선(161-2)의 각각의 노드 사이에 접속된다. 캐패시터 Cres2는 노드(214)와 일차 권선(161-1)의 각각의 노드 사이에 접속된다.
인덕터 Lzvs는 일차 권선(161)과 병렬로 결합되고 노드(211과 212) 사이에 배치된다.
스위치 Q3의 드레인(D)은 노드(211)에 접속되고; 스위치 Q3의 소스(S)는 접지에 접속된다. 스위치 Q6의 드레인(D)은 노드(212)에 접속되고; 스위치 Q6의 소스(S)는 접지에 접속된다.
이차 권선(162)의 중심 탭(com 노드)은 부하(118)(별칭으로, Ro)를 구동시키기 위해 전류 Iout 및 대응하는 출력 전압(123)을 출력한다.
한 실시예에서, 출력 전압(123)의 크기는 Vin/8이다. 그러므로, Vin = 48VDC이면, 출력 전압(123)의 크기는 6볼트이다. 그러나, 본원에 논의된 것과 같이, 전원(100) 내의 소자들의 설정들은 임의의 적합한 값의 출력 전압(123)(Vout)을 발생시키도록 조정될 수 있다. 일반적으로 출력 전압(123), Vout=Vin*(N2/(2*(2N2+N1)))이고, 여기서 N1은 일차 권선들(161) 상의 턴들의 수이고 N2는 이차 권선들(162) 각각 상의 턴들의 수이다.
한 실시예에서, N1은 각각의 일차 권선들의 턴들로서 정의되는 반면 N2는 각각의 이차 권선들의 턴들로서 정의되고; 이 경우에 Vout=Vin*N2/(2*(2*N2+N1))이다.
추가로 도시한 것과 같이, 동작 중에, 제어기(110)는 제어 신호들(105-1 및 105-2)을 발생시킨다.
또한 이 예시적인 실시예에서, 제어기(140)에 의해 발생된 제어 신호(105-1)는 각각의 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5의 게이트들(G)을 구동시킨다. 따라서, 제어 신호(105-1)는 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5 각각의 상태를 제어한다.
제어 신호(105-1)는 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5의 각각의 게이트들(G)을 구동시킨다. 따라서, 제어 신호(105-2)는 스위치들 Q2, Q4, 및 Q6 각각의 상태를 제어한다.
본원에 설명되는 것과 같은 스위치들 각각은 (금속 산화물 반도체) 전계 효과 트랜지스터들, 바이폴라 접합 트랜지스터들 등과 같은 임의의 적합한 디바이스들일 수 있다는 점에 주목한다.
캐패시터들 Cres1 및 Cres2의 설정들은 임의의 적합한 값일 수 있다. 한 실시예에서, 본원에 설명되는 것과 같은 전압 변환기(135)는 Cres1=Cres2일 때 더 양호한 성능을 제공하고, Cres1≠Cres2일 때에도 잘 동작한다.
인덕터 Lzvs는 임의의 적합한 값일 수 있다. 전원(100) 내의 스위치들에 제로 전압 스위칭을 제공하기 위해 인덕터 Lzvs의 예시적인 설정을 표시하는 도 4와 연관된 텍스트에서의 아래의 논의를 참조할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 한 실시예에서, 멀티 탭 자동변압기(160)와 병렬인 (인덕터 Lzvs와 같은) 추가적인 인덕턴스가 하나 이상의 스위치 Q1-Q6에 대한 제로 전압 스위칭(ZVS)을 달성하기 위해 선택적으로 존재한다. 아래에 추가로 논의되는 것과 같이, Lzvs 인덕턴스는 대안적으로 (각각의 코어 내에 갭들을 갖거나 더 낮은 투자율을 갖는 코어를 사용하는 것과 같은) 멀티 탭 자동변압기(161) 내에 통합될 수 있다.
앞서 논의된 것과 같이, 전원(100) 내의 스위치들은 2개의 스위치 그룹들: 각각의 제어 신호(105-1)에 의해 제어되는 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5를 포함하는 제1 스위치 그룹과, 제어 신호(105-1)의 타이밍에 대해 일반적으로 180도 위상 시프트되는, 각각의 제어 신호(105-2)에 의해 제어되는 스위치들 Q2, Q4, 및 Q6을 포함하는 제2 스위치 그룹으로 분할된다.
한 실시예에서, 제어 신호들(105)의 펄스 폭 변조는 최소 RMS 전류를 획득하기 위해 거의 50%이다.
출력 전압(123)의 크기는 턴들(이차 권선에 대한 일차 권선의 권선들 비 N1/N2의 #)에 의존한다. 한 실시예에서, 스위칭 주파수는 출력 전압의 크기를 직접 변화시키지 않지만, 일반적으로 그것을 변화시키는데 왜냐하면 손실들은 Fres와 Fsw 사이의 차이에 기초하여 증가 또는 감소하기 때문이고, 여기서 Fres는 Cres1 또는 Cres2에 의해 형성된 탱크의 공진 주파수 및 Cres1=Cres2일 때 멀티 탭 자동변압기의 누설이다.
본원의 실시예들은 상이한 제어 사이클들 동안 캐패시터들 Cres1 및 Cres2를 (소프트) 충전하기 위해 멀티 탭 자동변압기(160)의 누설 인덕턴스, Lk를 이용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 한 실시예에서, 캐패시터들 Cres1 및 Cres2는 고전적인 LLC 토폴로지와 비교하여 일차 측(스위치식-캐패시터 변환기(131))에서 더 낮은 전압 전계 효과 트랜지스터들의 사용을 가능하게 하는 플라잉 캐패시터들로서 기능한다.
본원에 설명되는 것과 같은 스위치식-캐패시터 변환기(131)의 추가의 이점은 이러한 회로의 대칭 거동이라는 점에 주목한다. 예를 들어, 본원에 추가로 논의되는 것과 같이, 전원(100)의 구현을 통해: i) 스위치식-캐패시터 변환기(131)에 각각의 제어 사이클에서의 상이한 시간들에서 입력 공급 전압 Vin이 거의 연속적으로 공급되어, 다른 기술들과 비교하여 입력 전류 리플을 감소시키고, ii) (캐패시터 Cres1 및 일차 권선(161-2)을 포함하는 제1 공진 회로 경로 및 캐패시터 Cres2 및 일차 권선(161-1)을 포함하는 제2 공진 회로 경로와 같은) 스위치식-캐패시터 변환기의 등가적인 공진 탱크 스위치식 회로 경로들에서, 2개의 공진 캡들은 멀티 탭 자동변압기의 누설 인덕턴스 Lk와 공진한다. 한 실시예에서, Cres1≠Cres2이면 공진 전이들은 불균형을 이루고, 실제로 동작을 위해 문제가 되지 않는다. 일반적으로, 차이가 허용오차(즉 ±10% ±20%)에 기초하여 Cres1과 Cres2 사이의 최대 차이이면, 변환기는 고효율로 여전히 동작한다. 이러한 예에서 변환기는 ZVS 동작으로 인해 여전히 잘 동작한다.
제안된 전원(100)의 고효율 및 고전력 밀도를 가능하게 하는 것은 더 낮은 전압 정격 전계 효과 트랜지스터들을 구현하는 능력 및 높은 캐패시턴스 밀도를 고유하게 제공하는, (캐패시터들 Cres1 및 Cres2와 같은) 등급 II 세라믹 캐패시터들의 구현이라는 점에 추가로 주목한다.
또한, 앞서 논의된 것과 같이, 추가적인 인덕터, Lzvs는 모든 스위칭 조건들 동안과 같은 스위치식-캐패시터 변환기(131) 내의 모든 전계 효과 트랜지스터들에 대한 ZVS 전이를 보장하기 위해 유도성 에너지를 제공한다. 예를 들어, 인덕터 Lzvs 내에 저장된 에너지는 아래에 추가로 논의되는 것과 같이 시간 T1과 T2 사이, 시간 T3과 T4 사이 등과 같은 데드 타임들 동안 각각의 스위치들의 기생 캐패시터들에 전하를 공급한다.
도 3은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 및 각각의 전압 변환기를 제어하는 제어 신호들의 발생을 도시한 예시적인 도면이다.
일반적으로, 그래프 300에 도시한 것과 같이, 제어기(110)는 제어 신호(105-1)의 반전이 될 제어 신호(105-2)를 발생시킨다. 각각의 제어 신호의 펄스 폭은 거의 49% 또는 다른 적합한 펄스 폭 변조 값이다.
시간 T0과 시간 T1 사이에서, 제어 신호(105-1)(논리 하이)가 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5의 세트를 ON 상태(낮은 임피던스 또는 단락 회로)로 제어할 때, 제어 신호(105-2)(논리 로우)는 스위치들 Q2, Q4, 및 Q6의 세트를 OFF 상태(매우 높은 임피던스 또는 개방 회로)로 제어한다.
반대로, 시간 T2와 시간 T3 사이에서, 제어 신호(105-2)(논리 하이)가 스위치들 Q2, Q4, 및 Q6의 세트를 ON 상태로 제어할 때, 제어 신호(105-1)(논리 로우)는 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5의 세트를 OFF 상태로 제어한다.
시간 T1과 시간 T2 사이의 기간, 시간 T3과 시간 T4 사이의 기간, T5와 T6 사이의 기간 등은 소위 데드 타임들을 나타내고 그 동안에 전원(100) 내의 스위치들(Q1-Q6) 각각은 OFF 상태로 비활성화된다는 점에 주목한다.
추가로 도시한 것과 같이, 제어 신호들(105)은 주기적이다. 예를 들어, 후속하는 사이클들에 대한 제어 신호들(105)의 설정들은 시간 T0과 시간 T4 사이의 사이클에 대한 것들과 동일하다. 보다 구체적으로, 시간 T3과 시간 T7 사이에 제어기(110)에 의해 발생된 제어 신호들(105)의 설정들은 시간 T0과 시간 T3 사이의 제어 신호들(105)의 설정들 등과 동일하다.
한 실시예에서, 제어기(110)는 임의의 적합한 주파수로 발생될 수 있는 제어 신호들(주기는 T0과 시간 T4 사이의 시간)의 주파수를 제어한다.
부가적으로, 앞서 언급된 것과 같이, 제어기(110)는 제어 신호들(105)의 펄스 기간을 데드-타임 기간에 따라 거의 49%이도록 제어하지만, 제어 신호들(105)은 임의의 적합한 펄스 폭 변조 값에서 발생될 수 있다.
출력 전압(123)의 크기는 멀티 탭 자동변압기(160) 턴들 비(N1/N2)에 의존한다. 입력 전압 Vin과 출력 전압 Vout 간의 비는 다음의 식으로 주어진다:
Vin/Vout = 4 + [(2 * N1) / N2]
그러므로, 본원에 설명되는 것과 같은 전력 변환기는 (5 대 1, 6 대 1, 7 대 1, 8 대 1,...과 같은) 상이한 가능한 비들 Vin/Vout을 갖는 비레귤레이트된 하이브리드 dc-dc 변환기의 새로운 패밀리를 청구하기를 실제로 유도하는, 단지 N1과 N2 간의 비를 설계함으로써 상이한 변환 비들로 스케일가능하다.
본원의 추가의 실시예들은 종래의(고전적인) LLC 변환기 토폴로지들과 비교하여 일차 측(일차 스테이지(101)) 내의 더 낮은 전압 관련 MOSFET들의 사용을 가능하게 하는 플라잉 캐패시터들로서 동작하는 캐패시터들 Cres1 및 Cres2를 소프트 충전하기 위해 멀티 탭 자동변압기(160)의 누설 인덕턴스를 이용한다는 점에 추가로 주목한다. 스위치들 Q1 및 Q4는 다음의 식에 의해 정의될 수 있는 입력 전압의 부분을 차단한다:
Vmax (Q1, Q4 ) = Vin/2 + Vout * N1/N2
동작 중에, 스위치 Q2 및 스위치 Q5는 전체적인 입력 전압 Vin을 차단하여야 하는 반면, 스위치 Q3 및 Q6은 2*Vout를 차단하여야 한다.
앞서 논의된 것과 같이, 본원에 설명되는 것과 같은 전원의 또 하나의 이점은 동적 부하(118)에 각각의 위상 동안 입력 공급 전압 Vin이 임의의 시간에 공급되는 이점을 제공하는 그것의 대칭 거동이고, 출력 전압(123) 상의 전류/전압 리플을 감소시킨다는 것이다.
출력 전압(123)(Vout)의 크기는 턴들(일차 권선들(161) 및 이차 권선들(162)과 연관된 권선들 N1 및 N2의 #)에 의존하고; N1은 각각의 일차 권선의 턴들이고 N2는 각각의 이차 권선들의 턴들이라는 점에 추가로 주목한다. 이러한 예에서, 입력과 출력 간의 다음의 관계: Vin/Vout = 4 + [(2 * N1) / N2]) 및 제어 신호들(105)의 스위칭 주파수가 존재한다. 이들은 임의의 적합한 설정들이도록 선택될 수 있다. 따라서, 스위치식-캐패시터 변환기(120)의 속성들은 임의의 입력 전압 레벨을 각각의 원하는(예를 들어, 비레귤레이트된) 출력 전압 레벨로 변환하도록 수정될 수 있다.
도 4는 본원의 실시예들에 따른 출력 신호들의 타이밍도를 도시한 예시적인 도면이다.
이 예시적인 실시예에서, 앞서 논의된 것과 같이, 전압 Vx는 일차 권선(161-1)과 이차 권선(162-1) 사이의 노드(211)에서의 전압을 표시하고; 전압 Vy는 일차 권선(161-2)과 이차 권선(162-2)의 노드(212)에서의 전압을 표시한다.
Icres1은 캐패시터 Cres1과 일차 권선(161-2)의 직렬 조합을 통하는 전류를 나타내고; Icres2는 캐패시터 Cres2와 일차 권선(161-1)의 직렬 조합을 통하는 전류를 나타낸다.
Izvs는 인덕터 Lzvs를 통하는 전류를 나타낸다.
Is1은 이차 권선(162-1)을 통하는 전류를 나타내고; Is2는 이차 권선(162-2)을 통하는 전류를 나타낸다.
Iout(전류 Is1과 전류 Is2의 합)은 멀티 탭 자동변압기(160)의 이차 권선(162)의 중심 탭에 의해 동적 부하(118)에 공급된 출력 전류(Iout)를 나타낸다. 시간 T0과 시간 T1 사이에서, 캐패시터 Cres1과 일차 권선(161-2)을 포함하는 공진 회로 경로가 스위치 Q1의 활성화를 통해 입력 전압에 결합될 때, 대응하는 발생된 전류 Is1은 전류 Iout를 발생시키기 위한 전류의 대부분을 제공한다. 반대로, 시간 T2와 시간 T3 사이에서, 캐패시터 Cres2 및 일차 권선(161-1)을 포함하는 공진 회로 경로가 스위치 Q2의 활성화를 통해 입력 전압에 결합될 때, 대응하는 발생된 전류 Is2는 전류 Iout를 발생시키기 위한 전류의 대부분을 제공한다.
도 5는 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들 및 전압 변환기를 제어하는 제1 모드(위상 #1)를 도시한 예시적인 도면이다.
위상 #1에 대해, 시간 T0과 시간 T1 사이에서, 스위치들 Q2, Q4, 및 Q6은 OFF로 턴되고; 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5는 ZVS에서 그리고 제로 전류 스위칭(ZCS)에서 ON으로 턴되고 제1 공진 모드 전이는 캐패시터 Cres1과 멀티 탭 자동변압기의 누설 인덕턴스 사이에서 일어나는 반면, 제2 공진 모드 전이는 캐패시터 Cres2와 멀티 탭 자동변압기(160)의 누설 인덕턴스 사이에서 일어난다.
이러한 예에서, 위상 #1 동안, 캐패시터 Cres1은 입력 전압원 Vin으로부터 소프트 충전되는 반면 캐패시터 Cres2는 소프트 방전된다.
보다 구체적으로, 앞서 논의된 것과 같이, 멀티 탭 자동변압기(160)의 일차 권선(161)은 제1 노드(211) 및 제2 노드(212)를 포함한다. 시간 T0 내지 시간 T1(제1 공진 주파수 모드) 동안, 제어기(140)는 캐패시터 Cres1을 입력 전압 Vin에 접속하는 제1 스위치식 회로 경로를 생성하고; 제어기(140)는 캐패시터 Cres2를 노드(212)에 접속함으로써 제2 스위치식 회로 경로를 추가로 생성한다. 앞서 논의된 것과 같이, 이러한 예에서, 캐패시터 Cres1은 입력 전압 Vin을 통해 소프트 충전되고, 캐패시터 Cres2(Vin/2로 충전된 플라잉 캐패시터)는 소프트 방전된다. 따라서, 위상 #1 동안, 상이한 정도로, 2개의 공진 회로 경로들은 부하(118)에 전력을 공급하는 출력 전압(123)의 발생에 기여한다.
캐패시턴스들이 Cres1의 캐패시턴스 = Cres2의 캐패시턴스와 같이 실질적으로 동일할 때, 각각의 캐패시터를 통하는 RMS(평균 제곱근) 전류는 거의 동일하다. 완벽한 균형이 캐패시터들 Cres1 및 Cres2를 통하는 실제 공진 전류 사이에 존재하면, i(Cres1)(t) = -i(Cres2)(t)이고, i(Cres1)(t) = Ires(t)를 고려하여 그것은 Is2(t) = 2 * Ires(t)인 것을 따른다. 이 시나리오에서, 다음의 식이 위상 #1에서 유효하다:
N1 * Ires (t) + N1 * Ires (t) = N2 * Is1(t) - N2 * Is2(t)
이는 도 4에 도시한 것과 같이
Is1(t) = [(2 * N1)/N2 + 2] * Ires (t)로서 기입될 수 있다.
이러한 위상#1에서, 변환기는 Cres1 및 Cres2의 실제 값에 기초하여 일반적으로 2개의 공진 모드들을 제시한다. 예를 들어 Cres1은 Fres1=1/(2*pi*sqrt(Cres1*Lk))에 의해 정의된 공진 스위칭을 갖는 공진 전류를 향하고 여기서 Lk는 멀티 탭 자동변압기의 누설이다.
반면 Cres2는 Fres2=1/(2*pi*sqrt(Cres2*Lk))에 의해 정의된 공진 스위칭을 갖는 공진 전류를 향하고 여기서 Lk는 멀티 탭 자동변압기의 누설이다.
도 6은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 모든 스위치들 및 전압 변환기의 데드 타임 또는 비활성화를 도시한 예시적인 도면이다.
시간 T1과 시간 T2 사이에서, 제어기(140)는 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5를 OFF로 턴한다. Q1의 기생 캐패시턴스는 Vin/2 + Vout * N1/N2로 충전되고; 스위치 Q3은 2 * Vout로 충전되고, 스위치 Q5는 입력 전압 Vin에서 충전되는 반면, 스위치들 Q2, Q4 및 Q6의 기생 캐패시턴스는 인덕터 Lzvs 내에 저장된 유도성 에너지를 사용하여, 제로로 방전된다. 스위치 Q2, Q4, 및 Q6의 캐패시턴스가 제로로 방전될 때, 그들의 본체 다이오드들은 ZVS 턴 온을 가능하게 하기 위해 도통하기 시작한다. ZVS 동작을 가능하게 하는 전류 Izvs(T1)은 도 4에 도시한 것과 같이 i(Lzvs,pk)로서 표시되고, 다음의 식으로 주어진다:
Figure pat00001
한 실시예에서, Lzvs의 값은 기본적으로 응용에 강력하게 의존하고 그것은 응용에서 사용된 입력 전압, 출력 전압, 및 MOSFET에 의존한다.
도 7은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 스위치들 및 전압 변환기를 제어하는 제2 모드(별칭으로, 위상 #3)를 도시한 예시적인 도면이다.
위상 #3에 대해, 시간 T2와 시간 T3 사이에서, t=T2에서 스위치들 Q2, Q4, 및 Q6은 ZVS 및 ZCS에서 ON으로 턴되고; 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5는 ZVS에서 그리고 제로 전류 스위칭(ZCS)에서 OFF이고 제1 공진 모드 전이는 캐패시터 Cres1과 멀티 탭 자동변압기의 누설 인덕턴스 사이에서 일어나는 반면, 제2 공진 모드 전이는 캐패시터 Cres2와 멀티 탭 자동변압기(160)의 누설 인덕턴스 사이에서 일어난다.
이러한 예에서, 위상 #3 동안, 캐패시터 Cres2는 입력 전압원 Vin으로부터 소프트 충전되는 반면 캐패시터 Cres1은 소프트 방전된다.
보다 구체적으로, 앞서 논의된 것과 같이, 멀티 탭 자동변압기(160)의 일차 권선(161)은 제1 노드(211) 및 제2 노드(212)를 포함한다. 시간 T2 내지 시간 T3(제2 공진 주파수 모드) 동안, 제어기(140)는 스위치 Q4를 통해 캐패시터 Cres2를 입력 전압 Vin에 접속하는 제1 스위치식 회로 경로를 생성하고; 제어기(140)는 캐패시터 Cres1을 노드(211)에 접속함으로써 제2 스위치식 회로 경로를 추가로 생성한다. 앞서 논의된 것과 같이, 이러한 예에서, 캐패시터 Cres1(플라잉 캐패시터)은 소프트 방전되고, 캐패시터 Cres2(Vin/2로 충전됨)는 소프트 충전된다. 따라서, 위상 #3 동안, 상이한 정도로, 2개의 공진 회로 경로들은 부하(118)에 전력을 공급하는 출력 전압(123)의 발생에 기여한다.
캐패시턴스들이 Cres1의 캐패시턴스 = Cres2의 캐패시턴스와 같이 실질적으로 동일할 때, 각각의 캐패시터를 통하는 RMS(평균 제곱근) 전류는 거의 동일하다. 완벽한 균형이 캐패시터들 Cres1 및 Cres2를 통하는 실제 공진 전류 사이에 존재하면, ICres1(t) = -ICres2(t)이고, ICres1(t) = Ires(t)를 고려하여, 그것은 Is1(t) = 2 * Ires(t)인 것을 따른다. 이 시나리오에서, 다음의 식이 위상 #3에서 유효하다:
- N1 * Ires (t) - N1 * Ires (t) = N2 * Is1(t) - N2 * Is2(t)
이는 도 4에 도시한 것과 같이
Is2(t) = [(2 * N1)/N2 + 2] * Ires (t)로서 기입될 수 있다.
이 변환기는 2개의 분리된 공진 탱크 회로들을 포함한다. 이러한 예에서, Cres1 및 Cres2의 실제 값에 기초한 2개의 공진 주파수들이 있다. 예를 들어, Cres1은 Fres1=1/(2*pi*sqrt(Cres1*Lk))에 의해 정의된 공진 스위칭을 갖는 공진 전류를 향하고 여기서 Lk는 멀티 탭 자동변압기의 누설이다.
반면 Cres2는 Fres2=1/(2*pi*sqrt(Cres2*Lk))에 의해 정의된 공진 스위칭을 갖는 공진 전류를 향하고 여기서 Lk는 멀티 탭 자동변압기의 누설이다.
도 8은 본원의 실시예들에 따른 스위치식-캐패시터 변환기 내의 모든 스위치들 및 전압 변환기의 데드 타임 또는 비활성화를 도시한 예시적인 도면이다.
시간 T3과 시간 T4 사이에서, 제어기(140)는 스위치 Q2, Q4, 및 Q6을 OFF로 턴하고 스위치 Q4의 기생 캐패시턴스는 Vin/2 + Vout * N1/N2로 충전되고, 스위치 Q2는 입력 전압, Vin에서 충전되고, 스위치 Q6은 2 * Vout로 충전되고, 반면 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5의 기생 캐패시턴스는 제로로 방전된다.
스위치들 Q1, Q3, 및 Q5의 캐패시턴스가 제로로 방전될 때, 그들 각각의 본체 다이오드들은 ZVS 턴 온을 가능하게 하기 위해 도통하기 시작한다. ZVS를 가능하게 하는 전류는 -IL(zvs,pk)에 대응하는 Izvs(t3)이다. 그러므로, IL(zvs,pk)는 ZVS 조건이 모든 스위치들에 달성될 때 확립하기 위한 양호한 지표이다.
t=T4에서, 스위치들 Q1, Q3, 및 Q5는 ZVS 및 ZCS(제로 전류 스위칭)에서 ON으로 턴되고, 스위칭 주기(즉, 시간 T0 내지 시간 T4)를 종결한다.
상이한 위상들(도 5-8)에서의 전원(100)의 동작에서 강조된 것과 같이, 전원(100) 변환기는 소자들의 허용오차와 관계없이 모든 부하 조건들에서 ZVS 조건들을 달성한다.
한 실시예에서, 예상된 ZVS 조건이 최악의 경우(Vin = V(in,min) 및 Lzvs + 허용오차(Lzvs))에 대해 설계되면, 본원에 설명되는 것과 같은 변환기는 모든 입력 전압들을 위한 모든 부하 조건들 및 부하 조건들에서 소프트 스위칭 동작을 달성할 수 있어서, 본원의 실시예들이 대량 생산에 적합하게 한다. 더구나, 앞서 보고된 것과 같이, 본원에 설명되는 것과 같은 전압 변환기(135)의 멀티 탭 자동변압기는 멀티 탭 매트릭스(별칭으로, MMTA)로 구현될 수 있어서 더 낮은 권선들 및 코어 손실들을 초래한다.
도 9는 본원의 실시예들에 따른 멀티 탭 자동변압기의 상세들을 도시한 예시적인 도면이다.
전압 변환기(135)(도 2) 내에 멀티 탭 자동변압기(160)를 구현하는 하나의 이점은 고효율 및 고전력 밀도라서, 고전적인 LLC 변환기와 비교하여 (스위치들 Q1-Q6에 대한 것과 같은) 더 낮은 전압 정격 MOSFET들의 사용을 가능하게 하고 높은 캐패시턴스 밀도를 고유하게 제공하는 (Cres1 및 Cres2에 대한 것과 같은) 등급 II 세라믹 캐패시터들을 구현하는 선택을 가능하게 한다.
더구나, 앞서 논의된 것과 같이, (멀티 탭 자동변압기의 자화 인덕턴스를 통해 대안적으로 구현되는) 추가적인 인덕터 Lzvs는 전압 변환기(135) 내의 (MOSFET들과 같은) 모든 스위치들에 대한 ZVS 전이를 보장하기 위해 유도성 에너지를 제공한다.
이들 이점 외에, 멀티 탭 자동변압기(160)의 또 하나의 이점은 고전적인 LLC 변환기들과 비교하여 고유하게 더 낮은 권선 손실들이고; (스위치들 Q1-Q6과 같은) 모든 FET들에 대한 전체적인 도통 스트레스들이 감소되어, 더 높은 신뢰성 전력을 제공한다.
도 2 및 도 9에 도시한 것과 같이, 제안된 멀티 탭 자동변압기(160)의 한 예는 4개의 권선들을 포함한다. 모든 권선들은 단자 노드 in1(노드 a)로부터 시작하여 단자 노드 in2(노드 h)에서 끝나게, 직렬로 배열된다. 보다 구체적으로, (노드 a와 노드 b 사이의) 일차 권선(161-1), (노드 c와 노드 d 사이의) 이차 권선(162-1), (노드 e와 노드 f 사이의) 이차 권선(162-2), 및 (노드 g와 노드 h 사이의) 일차 권선(161-2)의 조합은 노드 in1과 노드 in2 사이에 직렬로 접속된다. 멀티 탭 자동변압기(160)는 노드 in1에서의 소위 탭들, 탭 노드 ph1, 탭 노드 com, 탭 노드 ph2, 및 노드 in2를 포함한다.
아래의 논의는 멀티 탭 자동변압기(160)의 실시예의 자기 구조와 연관된 추가의 이해를 제공한다.
보다 구체적으로, 도 9의 이 예시적인 실시예에서, 멀티 탭 자동변압기(161)의 4개의 권선들이 공통 자기 코어(910) 상에 또는 주위에 감겨서, 멀티 탭 자동변압기를 형성한다. 앞서 논의된 것과 같이, 멀티 탭 자동변압기(160)의 권선들은 i) 노드 in1과 노드 ph1 사이의 그리고 노드 in2와 노드 ph2 사이의 일차 권선들에 의해 형성된 권선들(임의의 적합한 수의 권선들)의 제1 그룹; ii) 노드 PH1과 노드 PH2 사이에서와 같은 이차 권선들(162-1) 및 이차 권선들(162-2)을 포함하는 권선들(임의의 적합한 수의 권선들)의 제2 그룹을 포함한다.
이 가정에 기초하여, 그리고 이상적인 멀티 탭 자동변압기가 고려되면 그리고 기자력(MMF)이 이차 측에서의 Is1(별칭으로, Iph1) 및 Is2(별칭으로, Iph2)에 의해 확립된다고 고려하면, 그것은 Iin1 및 Iin2에 의해 확립된 일차 측에서의 MMF에 의해 대응되어야 한다. 이 시나리오에서 다음의 식들이 항상 유효하다:
N1 * Iin1 + N1 * Iin2 = N2 * iph1 + N2 * iph2
도 10은 본원의 실시예들에 따른 멀티 탭 자동변압기의 상세들을 도시한 예시적인 도면이다.
제안된 변환기(135)의 성능을 더욱 증가시키기 위해, 도 2의 멀티 탭 자동변압기(160)는 도 10에 도시한 것과 같은 향상된 멀티 탭 자동변압기(160-10)로 대체될 수 있다.
도 10의 이 예시적인 실시예에서, 멀티 탭 자동변압기(160-10)는 2개의 배선간 요소들을 포함하는 멀티 탭 매트릭스 자동변압기이다. 배선간 권선 요소들의 수는 실시예에 따라 변화할 수 있다는 점에 주목한다. 예를 들어, 본원에 설명되는 것과 같은 멀티 탭 자동변압기(160)는 직렬로 접속된 임의의 수의 일차 권선들을 포함할 수 있고; 멀티 탭 자동변압기(160)는 병렬로 접속된 임의의 수의 이차 권선들을 포함할 수 있다.
도 10의 이 예시적인 실시예에서, 멀티 탭 매트릭스 자동변압기(160-10)의 예시는 i) 노드들 a와 b 사이에 직렬로 접속된 다수(2개)의 일차 권선(161-11 및 161-12)(각각 N1 턴들), ii) 노드들 c와 d 사이에 병렬로 접속된 다수의 이차 권선(162-11 및 162-12)(각각 N2 턴들), iii) 노드들 e와 f 사이에 병렬로 접속된 다수의 이차 권선(162-21 및 162-22)(각각 N2 턴들), iv) 노드들 g와 h 사이에 직렬로 접속된 다수의 일차 권선(161-21 및 161-22)(각각 N1 턴들)을 포함한다.
앞서 논의된 것과 같이, 입력과 출력 전압 간의 실제 비는 권선들 N1과 N2 간의 비 및 직렬로 또는 병렬로 된 권선들의 수에 의존한다. (도 10의 멀티 탭 자동변압기(160-10)와 같은) 멀티 탭 매트릭스 자동변압기가 종래의 도면들의 전원(100)에서 구현될 때, 입력 전압 Vin과 출력 전압 Vout 간의 비는 다음의 식으로 주어진다:
Vin/Vout = 4+2 *(2N1)/N2
도 11은 본원의 실시예들에 따른 매트릭스 멀티 탭 자동변압기의 상세들을 도시한 예시적인 도면이다.
제안된 변환기(135)의 성능을 더욱 증가시키기 위해, 멀티 탭 자동변압기(160)는 도 11에 도시한 것과 같은 향상된 멀티 탭 자동변압기(160-11)로 대체될 수 있다.
도 11에 도시한 것과 같이, 멀티 탭 자동변압기(160-11) 내의 일차 권선들 및 이차 권선들의 수는 실시예에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 10의 상기 경우에서, M=2의 일차 권선들 및 이차 권선들이 있다.
전원(100)에서 구현되는 것과 같은 본원에 설명되는 것과 같은 멀티 탭 자동변압기(160)는 (직렬로 접속된) 임의의 수의 M(M=2, M=3, M=4 등과 같은 임의의 정수 값) 개의 일차 권선들 및 (병렬로 접속된) M(M=2, M=3, M=4 등과 같은 임의의 정수 값) 개의 이차 권선들을 포함할 수 있다는 점에 추가로 주목한다.
예를 들어, 멀티 탭 매트릭스 자동변압기(160-11)는 노드 a와 노드 b 사이에 직렬로 결합된 다수의 일차 권선(N1M=N12=N11=...=N1), 노드 c와 노드 d 사이에 병렬로 결합된 다수의 이차 권선(N2M=N21=N22=...=N2), 노드 e와 노드 f 사이에 병렬로 결합된 다수의 이차 권선(N21, N22,...N2M), 노드 g와 노드 h 사이에 직렬로 결합된 다수의 일차 권선(N11, N12,...N1M)을 포함한다.
이러한 예에서, 입력 전압 Vin과 출력 전압 Vout 간의 비는 다음의 식으로 주어진다:
Vin/Vout =4+2 (M*N1)/N2
여기서 (임의의 정수 값 1, 2, 3, 4, 5, 6 등과 같은) M은 일차 측에 직렬로 접속된 권선들의 수 및 이차 측에서 병렬로 접속된 권선들의 수이다.
제안된 토폴로지에서, 본원에 설명되는 것과 같은 멀티 탭 자동변압기(160)를 사용하는 이점들은 그것이 병렬로 접속된 이차 권선들 사이에 전류를 분리할 수 있어서 이차 루프 인덕턴스의 누설 인덕턴스를 감소시키고 전체적인 루프 손실들을 감소시키고; 더구나, 적절히 설계되면, 이것은 자속 상쇄를 가능하게 한다는 것이다.
한 실시예에서, X = Y이다. 멀티 탭 자동변압기(160)는 노드들 a와 b 사이에 직렬로 접속된 X개의 일차 권선들; 및 노드들 g와 h 사이에 직렬로 접속된 X개의 일차 권선들을 포함하도록 구성될 수 있다는 점에 주목한다. 동일한 회로에서, 변압기(160)는 노드들 c와 d 사이에 병렬로 접속된 X개의 이차 권선들; 및 노드들 e와 f 사이에 병렬로 접속된 X개의 이차 권선들을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 12는 본원의 실시예들에 따른 앞서 논의된 것과 같은 동작들 중 어느 것을 구현하기 위한 컴퓨터 시스템의 예시적인 블록도이다.
본원에 논의된 것과 같은 (제어기(140), 전압 변환기(135), 스위치식-캐패시터 변환기(131) 등과 같은) 리소스들 중 어느 것은 본원에 논의된 것과 같은 상이한 동작들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로세서 하드웨어 및/또는 대응하는 실행가능한 명령어들을 포함하도록 구성될 수 있다.
도시한 것과 같이, 본 예의 컴퓨터 시스템(1050)은 (디지털 정보가 저장되고 검색될 수 있는 임의의 적합한 유형의 하드웨어 저장 매체일 수 있는) 비일시적 유형의 매체들과 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체(1012), 프로세서(1013)(컴퓨터 프로세서 하드웨어), I/O 인터페이스(1014), 및 통신 인터페이스(1017)의 결합을 제공하는 상호접속부(1011)를 포함한다.
I/O 인터페이스(들)(1014)는 저장소(1080) 및 입력 리소스(1092)와의 접속을 지원한다.
컴퓨터 판독가능 저장 매체(1012)는 메모리, 광학 스토리지, 하드 드라이브, 플로피 디스크 등과 같은 임의의 하드웨어 저장 디바이스일 수 있다. 한 실시예에서, 컴퓨터 판독가능 저장 매체(1012)는 명령어들 및/또는 데이터를 저장한다.
도시한 것과 같이, 컴퓨터 판독가능 저장 매체(1012)는 본원에 논의된 것과 같은 동작들 중 어느 것을 수행하기 위해 (예를 들어, 명령어들을 포함하는) 제어기 애플리케이션(140-1)으로 인코드될 수 있다.
한 실시예의 동작 중에, 프로세서(1013)는 컴퓨터 판독가능 저장 매체(1012) 상에 저장된 제어기 애플리케이션(140-1) 내의 명령어들을 시작, 런, 실행, 인터프리트 혹은 수행하기 위해 상호접속부(1011)의 사용을 통해 컴퓨터 판독가능 저장 매체(1012)에 액세스한다. 제어기 애플리케이션(140-1)의 실행은 본원에 논의된 것과 같은 동작들 및 프로세스들 중 어느 것을 수행하기 위해 제어기 프로세스(140-2)를 발생시킨다.
본 기술 분야의 통상의 기술자들은 컴퓨터 시스템(1050)은 제어기 애플리케이션(140-1)을 실행하기 위해 하드웨어 리소스들의 할당 및 사용을 제어하는 운영 체제와 같은, 다른 프로세스들 및/또는 소프트웨어 및 하드웨어 소자들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
상이한 실시예들에 따르면, 컴퓨터 시스템은 전원, 스위치식-캐패시터 변환기, 전력 변환기, 이동 컴퓨터, 퍼스널 컴퓨터 시스템, 무선 디바이스, 무선 액세스 포인트, 기지국, 전화 디바이스, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑, 노트북, 넷북 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 휴대형 컴퓨터, 워크스테이션, 네트워크 컴퓨터, 애플리케이션 서버, 저장 디바이스, 카메라, 캠코더, 셋톱 박스, 이동 디바이스, 비디오 게임 콘솔, 휴대형 비디오 게임 디바이스와 같은 소비자 전자 제품들, 스위치, 모뎀, 라우터, 셋톱 박스, 콘텐트 관리 디바이스, 휴대형 원격 제어 디바이스와 같은 주변 디바이스, 임의의 유형의 컴퓨팅 또는 전자 디바이스 등을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 다양한 유형들의 디바이스들 중 임의의 것 내에 상주할 수 있다는 점에 주목한다. 컴퓨터 시스템(1050)은 본원에 논의된 것과 같은 기능성을 구현하기 위해 임의의 위치에 상주할 수 있거나 임의의 네트워크 환경 내의 임의의 적합한 리소스 내에 포함될 수 있다.
상이한 리소스들에 의해 지원되는 기능성이 이제 도 13의 플로우차트를 통해 논의될 것이다. 아래의 플로우차트들 내의 단계들은 임의의 적합한 순서로 실행될 수 있다는 점에 주목한다.
도 13은 본원의 실시예들에 따른 예시적인 방법을 도시한 플로우차트(1300)이다. 위에 논의된 것과 같은 개념들에 대해 일부 중첩이 있을 것이라는 점에 주목한다.
처리 동작(1310)에서, 전압 변환기(135)는 입력 전압원, Vin으로부터 에너지를 수신한다.
처리 동작(1320)에서, 제어기(140)는 입력 전압원, Vin으로부터의 에너지를 멀티 탭 자동변압기(160)의 제1 일차 권선(161-1) 및 제2 일차 권선(161-2)에 전달하기 위해 다수의 캐패시터 회로 경로를 제어가능하게 스위치한다. 앞서 논의된 것과 같이, 멀티 탭 자동변압기(160)는 전압 변환기(135)의 이차 스테이지(102)(출력 스테이지) 내의 멀티 탭 자동변압기의 이차 권선에 에너지를 전달한다.
처리 동작(1330)에서, 멀티 탭 자동변압기(160)로부터 수신된 에너지를 통해, 전압 변환기의 이차 스테이지(102)는 부하(118)에 전력을 공급하기 위해 출력 전압(123)을 발생시킨다.
본원의 기술들은 전력 공급 응용들에 사용하기에 잘 맞는다는 점에 다시 주목한다. 그러나, 본원의 실시예들은 이러한 응용들에서 사용하는 것으로 제한되지 않고 본원에 논의된 기술들은 다른 응용들에도 역시 잘 맞는다는 점에 주목하여야 한다.
본 발명이 그것의 양호한 실시예들을 참조하여 특히 도시되고 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자들은 형태 및 상세들에 있어서의 다양한 변화들이 첨부된 청구범위에 의해 정의된 것과 같은 본원의 취지 및 범위에서 벗어나지 않고 그 안에서 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 변화들은 본원의 범위에 의해 커버되는 것으로 한다. 이와 같이, 본원의 실시예들의 전술한 설명은 제한하는 것으로 하지 않는다. 오히려, 본 발명에 대한 어떤 제한들은 다음의 청구범위에서 제시된다.

Claims (20)

  1. 장치로서,
    다수의 캐패시터를 포함하는 스위치식-캐패시터 변환기;
    제1 일차 권선 및 제2 일차 권선을 포함하는 멀티 탭 자동변압기 - 회로 경로들에서 제어가능하게 스위치되는 상기 스위치식-캐패시터 변환기의 다수의 캐패시터는 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선을 포함함 - ; 및
    상기 멀티 탭 자동변압기의 상기 제1 일차 권선과 상기 제2 일차 권선의 조합으로부터 에너지를 수신하도록 결합되고, 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압을 발생시키도록 동작가능한 출력 스테이지
    를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선, 및 상기 이차 권선은 서로 자기적으로 결합되는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이차 권선은 중심 탭되고, 그 출력은 상기 출력 스테이지에서 상기 출력 전압을 발생시키는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 일차 권선과 상기 제2 일차 권선은 상기 이차 권선을 통해 직렬로 접속되는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 멀티 탭 자동변압기의 상기 이차 권선과 병렬로 접속된 인덕터를 추가로 포함하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이차 권선은 중심 탭되고, 그 출력은 상기 출력 전압을 발생시키는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위치식-캐패시터 변환기는 다수의 스위치를 포함하고;
    상기 인덕터는 상기 스위치식-캐패시터 변환기 내의 상기 다수의 스위치의 제로 전압 스위칭을 제공하도록 동작하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스위치식-캐패시터 변환기의 상기 다수의 캐패시터는 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터를 포함하고;
    상기 장치는
    상기 제1 캐패시터와 상기 제1 일차 권선의 조합을 포함하는 제1 공진 회로 경로; 및
    상기 제2 캐패시터와 상기 제2 일차 권선의 조합을 포함하는 제2 공진 회로 경로를 추가로 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    i) 상기 제1 공진 회로 경로를 입력 전압에 결합하는 것, 및 ii) 상기 제2 공진 회로 경로를 상기 입력 전압에 결합하는 것 사이에서 스위치하도록 동작가능한 제어기를 추가로 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 스위치식-캐패시터 변환기는 제1 플라잉 캐패시터 및 제2 플라잉 캐패시터를 포함하고, 상기 제1 플라잉 캐패시터는 상기 제1 일차 권선과 직렬로 결합되고 상기 제2 플라잉 캐패시터는 상기 제2 일차 권선과 직렬로 결합되는 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 스위치식-캐패시터 변환기는 전압원으로부터의 에너지를 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선 각각에 전달하도록 동작가능한 다수의 스위치를 포함하는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 스위치식-캐패시터 변환기는 입력 전압원으로부터의 에너지를 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선에 전달하도록 동작가능한 다수의 공진 회로 경로를 포함하는 장치.
  13. 방법으로서,
    입력 전압원으로부터 에너지를 수신하는 단계;
    상기 입력 전압원으로부터의 상기 에너지를 멀티 탭 자동변압기의 제1 일차 권선 및 제2 일차 권선에 전달하기 위해 다수의 캐패시터 회로 경로를 제어가능하게 스위치하는 단계 - 상기 멀티 탭 자동변압기는 상기 에너지를 출력 스테이지에 전달하도록 동작가능함 - ; 및
    상기 출력 스테이지에서, 상기 멀티 탭 자동변압기로부터 수신된 상기 에너지를 통해, 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압을 발생시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 다수의 캐패시터 회로 경로를 제어가능하게 스위치하는 단계는 상기 출력 전압을 발생시키기 위해 상기 멀티 탭 자동변압기의 출력을 정류하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 멀티 탭 자동변압기는 중심 탭된 이차 권선을 포함하고, 상기 중심 탭된 이차 권선은 상기 출력 전압을 발생시키는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 멀티 탭 자동변압기의 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선, 및 이차 권선은 직렬로 접속되는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 인덕터를 통해, 상기 스위치식-캐패시터 변환기 내의 상기 다수의 스위치의 제로 전압 스위칭을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 다수의 캐패시터 회로 경로는 i) 제1 캐패시터와 상기 제1 일차 권선의 조합을 포함하는 제1 공진 회로 경로, 및 ii) 상기 제2 캐패시터와 상기 제2 일차 권선의 조합을 포함하는 제2 공진 회로 경로를 포함하고;
    다수의 캐패시터 회로 경로를 제어가능하게 스위치하는 단계는 i) 상기 제1 공진 회로 경로를 입력 전압에 결합하는 것, 및 ii) 상기 제2 공진 회로 경로를 상기 입력 전압에 결합하는 것 사이에서 스위치하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 부하에 전력을 공급하기 위해 상기 출력 전압을 발생시키는 단계는 상기 멀티 탭 자동변압기의 출력을 상기 출력 전압으로 변환하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 명령어들이 저장되어 있는 컴퓨터 판독가능 저장 하드웨어로서, 상기 명령어들은 상기 컴퓨터 프로세서 하드웨어에 의해 수행될 때, 상기 컴퓨터 프로세서 하드웨어로 하여금
    상기 입력 전압원으로부터의 상기 에너지를 멀티 탭 자동변압기의 제1 일차 권선 및 제2 일차 권선에 전달하기 위해 다수의 캐패시터 회로 경로를 제어가능하게 스위치하고 - 상기 멀티 탭 자동변압기는 상기 에너지를 전압 변환기의 출력 스테이지에 전달하도록 동작가능함 - ; 및
    상기 출력 스테이지에서, 상기 멀티 탭 자동변압기로부터 수신된 상기 에너지를 통해, 부하에 전력을 공급하기 위해 출력 전압을 발생시키게 하는
    컴퓨터 판독가능 저장 하드웨어.
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