KR20220101673A - 직류 전력 변환기 - Google Patents

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KR20220101673A
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port
power switch
switches
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KR1020227020070A
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마르케즈 호세 안토니오 코보스
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디퍼렌셜 파워, 에스엘
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Abstract

본 발명은 DC 또는 AC 에너지 원을 포함하는 1차 포트와 DC 또는 AC 부하를 포함하는 2차 포트를 연결하는 직류 전력 변환기, DPX에 관한 것으로서, 상기 전력 변환기는: 변압기 또는 단권변압기; 2개의 전원 단자와 제1 제어 단자를 갖는 2개의 노드 사이의 제1 전원 스위치; 및 2개의 전원 단자와 제2 제어 단자를 갖는 다른 2개의 노드 사이의 제2 전원 스위치를 포함하고, 상기 스위치들은 변압기 또는 단권변압기를 통해 1차 포트 에너지 원을 2차 포트 부하에 연결하도록 구성된다. 상기 제1 및 제2 전원 스위치는 모든 전원 스위치가 동시에 온 상태에 있거나 모든 전원 스위치가 동시에 오프 상태에 있을 때 전도 상태를 제공하는 논리 제어 신호의 작동 하에서 동시에 작동하며, 변압기를 1차 포트 및 2차 포트에 동시에 연결하거나 연결 해제하도록 구성된다.

Description

직류 전력 변환기
본 발명의 제1 양태는 1차 포트를 2차 포트와 연결하기 위해 변압기 또는 단권변압기를 포함하는 전력 변환기에 관한 것으로서, 1차 포트는 DC 에너지 원 또는 AC 에너지 원을 포함하고 2차 포트는 DC 부하 또는 AC 부하를 포함한다.
따라서, 본 발명은 DC 또는 AC 입력 에너지 원(energy source)으로부터 DC 또는 AC 부하(load) 출력으로 전력을 처리하는 전력 변환기(electrical power converter) 분야에 관한 것으로서, 여기서 전력은 단지 에너지 원과 부하를 교체하기만 하면 양방향으로 흐를 수 있다.
DC/DC 전력 변환 셀은 DC/AC, AC/AC 및 AC/DC 전력 변환기를 구현하는 데 사용될 수 있다.
본 설명에서는 다음 정의에 따라 전력 변환기의 성능 지수 개념이 사용된다.
고밀도 전력 변환기의 일반적인 성능 지수(Figure of Merit: FOM)는 "전력 손실(power loss)"에 "체적(volume)"을 곱한 값이다. 고전류 변환기에 대한 보다 구체적인 FOM은 "전원 스위치의 전도 전력 손실"에 "전원 스위치의 풋프린트"를 곱한 값이다. DC-DC 변환기의 dc-포트에 있는 모든 전원 스위치가 동일한 면적을 갖는다고 가정하면, 단순화된 FOM*포트는 다음과 같이 FOM포트로 정규화될 수 있다:
Figure pct00001
해당 DC 포트의 각각의 전원 스위치(반전 전원 스위치 또는 정류 전원 스위치)에 대해 j를 계산하고, ij_rms는 각각의 전원 스위치를 통해 흐르는 전류의 rms 값이며, I포트는 각각의 DC 포트에 들어오거나 나가는 평균 값이다.
본 발명의 제2 양태는 복수의 전력 변환기 토폴로지에 적합한 3-전원-단자 전원 스위치 장치, 3PTPS에 관한 것이다.
본 발명이 3-전원-단자 전원 스위치를 언급하지만, 4개 이상의 추가 전원 단자를 포함하는 추가 전원 스위치 구현도 이 설명에 포함된다.
1966년 E.T. Moore와 T.G. Wilson은 "Basic Considerations for DC to DC Conversion Networks"이라는 기본 논문을 발표했다. 1969년 매사추세츠 공과대학의 Dan Holden Wolaver 박사는 그의 박사 학위 논문 "Fundamental study of DC to DC conversion systems"를 대중에게 공개했다. 두 연구 모두 스위치 모드 DC-DC 변환기에서, "ac" 또는 "교류" 전력을 생성하는 적어도 하나의 전원 스위치와 "ac" 전력을 "dc" 전력으로 정류하는 적어도 하나의 전원 스위치가 있음을 보여준다. 그 당시, 전원 스위치는 가변 저항으로 표현되었다. "Rac" 및 "Rdc"는 반전 전원 스위치 및 정류 전원 스위치를 나타낸다.
이러한 전원 스위치는 번갈아 가며 온 상태 및 오프 상태에 있으며, 이는 전원 스위치 중 적어도 하나의 전원 스위치가 50% 이하의 듀티 사이클(duty cycle)로 작동함을 의미한다.
전력 변환기의 일반적인 스위치 모드 전원 공급장치 토폴로지는, 벅, 부스트, 벅-부스트, 세픽/쿡, 제타, 플라이백 및 2개의 전원 스위치 플라이백, 능동 클램프/단일 전원 스위치/2개의 전원 스위치 포워드, 푸시-풀, 베인베르그, 하프-브리지, 풀-브리지, 위상 변이 풀-브리지, 공진 LLC 및 최신 기술에서 보다 정교한 기타 많은 변환기이다.
마이크로프로세서, 일반적으로 CPU, GPU, 및 XPU, 가령, 인공지능 집적회로, 서비스 기기, 전기 자동차, 통신 및 기타의 전기 설비와 같은 복잡한 부하에 의해 요구되는 고전력으로 인해, 소형, 고성능 및 효율적인 전력 변환기에 대한 요구가 증가하고 있다.
준-정적 DC-DC 셀로 구성된 DC-AC, AC-DC 및 ac-ac 전력 변환기를 포함하는 스위치 모드 DC-DC 전력 변환기는 2개 이상의 전원 스위치를 포함한다. 　 전원 스위치는 전력 트랜지스터(제어가능 장치)와 전력 다이오드(비-제어 장치)를 포함한다. 전원 스위치(제어가능 장치) 중 한 전원 스위치는 전압(또는 전류) 이득 조정을 구현하는 데 필요한, "ac 전원"을 생성하는데, 이 전원은 "간접 전원(indirect power)"이라고도 지칭된다. 제2 전원 스위치(단방향 전력 변환기의 다이오드 또는 트랜지스터 혹은 양방향 변환기의 트랜지스터)는 해당 "ac" 또는 "간접" 전력을 정류하고 이 전력을 출력 포트에 공급하는 데 필요하다.
DC-DC 전력 변환기의 기본 셀은 벅(스텝-다운), 부스트(스텝-업) 및 2개의 전원 스위치가 동시에 작동하지 않는 벅-부스트(스텝-업/다운)이다.
듀티 사이클 "d"는 스위칭 기간(T)에 대해 전원 스위치가 온 상태인 시간(t온)의 비율로 정의되며 즉, d=t온/T이다. 두 전원 스위치가 동시에 온 되지 않고 교대로 온 되기 때문에, 전원 스위치 중 적어도 하나의 전원 스위치의 듀티 사이클은 50% 이하이다.
코-패키지된(co-packaged) 다양한 2-전원-단자 전원 스위치가 상업적으로 이용 가능하다. 이러한 전원 스위치는 독립적으로 구동되며 전원 공급장치에서 교대로 구동된다.
몇몇 경우에는, 2개의 교대 스위치가 단일 논리 제어 신호로 구동되는데, 그 이유는 온 상태 및 오프 상태가 상호보완적인 논리에 의해 결정되기 때문이다.
기타 다른 경우에는, 2개의 전원 스위치가 병렬로 연결되어, 단일 전원 스위치보다 우수한 성능(즉, 온-저항)으로 단일 2-전원-단자 전원 스위치로서 작동한다.
본 발명은, 도 2b에 도시된, 공지의 2중 전원 스위치 구성과 관련이 없는데, 왜냐하면 본 발명의 3-전원-단자 전원 스위치 실시예에 비해, 차이점은, 마지막으로 전력 변환기의 모든 전원 스위치가 단일 논리 제어 신호(100a)의 작동 하에서 동시에 온 상태와 오프 상태에서 작동되도록 구성되며, 즉 모든 다른 전원 스위치는 동시에 온 상태에 있거나 또는 동시에 오프 상태에 있다는 점이다.
US 2003090237, JP 2011130552, EP 1115203 및 US 2013181723은 모든 전원 스위치가 온 상태 또는 오프 상태에서 동시에 작동되지 않는 3-전원-단자 전원 스위치 장치를 개시하고 있다.
US 2003090237에서, 스위치(128 및 130)(도 1 참조)가 위상이 다르게 작동되는데, 즉 하나의 논리 제어 신호, 예를 들어 단일 게이트 드라이버에 의해 교대로 작동된다. 이는 스위치(128 및 130)가 상이한 유형(N-채널 및 P-채널)이고, 한 스위치(128)는 높은 논리 레벨로 스위치-온 되고 다른 스위치(130)는 낮은 논리 레벨로 스위칭되기 때문에 가능하다.
특허 US4561046 및 US5521807에서는, 변압기의 "공진 리셋"을 위한 전략이 구현되어 있다. 두 경우 모두, 본 발명에 비해, 회로가 작동하려면 추가 회로가 필요하다. US4561046에는, 적어도 LC 출력 필터 및 다이오드가 있는데, 이들은 AC 에너지를 저장 및 전달하고 전압 조정을 용이하게 한다. US5521807에서는, 변압기의 자기 소거를 담당하는 "플라이백" 연결에 적어도 보조 권선이 있다.
종래 기술에서, 기본 셀의 교대 스위치의 전원 스위치의 듀티 사이클이 dac 및 ddc인 경우, 전원 스위치가 동시에 전도되지 않고 교대로 전도되기 때문에 dac+ddc ≤ 1이 항상 적용된다.
종래 기술의 전원 토폴로지는 교대 전원 스위치를 사용하므로 입력 및 출력 포트에 있는 전원 스위치의 최적 FOM(낮을수록 좋음)을 독립적으로 선택할 수 없다. 도 3c는 듀티 사이클의 높은 값(즉, 90%)에 대해 최상의 FOM이 얻어짐을 도시한다(지점 B). 종래 기술의 변환기에서, 포트(입력 또는 출력) 중 하나에 대해 높은 듀티 사이클이 선택되면 다른 포트(출력 또는 입력)는 더 나쁜(더 높은) FOM을 갖는 낮은 듀티 사이클(즉 10%)로 작동된다(지점 A).
반대로, 본 발명에서, 입력 및 출력 포트의 스위치는 모두 양호한 FOM(d > 50%, 즉 90%)으로 작동될 수 있는데, 그 이유는 두 스위치가 동시에 온 상태고 동시에 오프 상태에 있기 때문이다.
본 발명에서, 공진 리셋 자기제거(demagnetization)는 자화 인덕턴스와 기생(또는 추가된) 커패시턴스 사이에서 발생하며, 상기의 추가 회로를 필요로 하지 않는다.
본 발명은 1차 포트를 2차 포트와 연결하도록 구성된 전력 변환기에 관한 것으로서, 1차 포트는 DC 에너지 원(energy source) 또는 AC 에너지 원을 포함하고 2차 포트는 DC 부하 또는 AC 부하를 포함하며, 상기 전력 변환기는:
변압기 또는 단권변압기(autotransformer), 및 선택적으로는 전력 변환기의 복수의 노드에 연결된 커패시터, 인덕터 또는 레지스터의 수동 네트워크; 및
상기 복수의 노드 중 2개의 노드 사이에 제1 전원 스위치(power switch)를 포함하되, 상기 제1 전원 스위치는 2개의 전원 단자 및 적어도 제1 제어 단자를 갖고;
상기 복수의 노드 중 상이한 2개의 노드 사이에 적어도 제2 전원 스위치를 포함하되, 적어도 제2 전원 스위치는 2개의 전원 단자 및 적어도 제2 제어 단자를 가지며,
상기 제1 전원 스위치와 적어도 제2 전원 스위치는 상기 복수의 노드를 상호 연결하도록 구성되고,
제1 및 제2 전원 스위치의 적어도 제1 및 제2 제어 단자는 상이한 단자 또는 단일 단자이다.
본 발명에 따르면, 제1 및 적어도 제2 전원 스위치는 입력 DC 또는 AC 포트, 에너지 원을 변압기 또는 단권변압기를 통해 출력 DC 또는 AC 부하에 연결하여, 전원 변환을 조절하기 위한 "AC 전원"의 제어 및 생성 및 비-저장 없이도, DC 경로를 통해서만 전력 전송을 제공하고, 이러한 전원 스위치들은 모든 전원 스위치가 동시에 온 상태(On state) 또는 오프 상태(Off state)에 있을 때 전도 상태(conducting status)를 제공하는 논리 제어 신호의 작동 하에서 동시에 작동하며, 변압기 또는 단권변압기를 1차 포트 및 2차 포트에 연결하거나 연결해제하여(disconnecting), 직류 전력 변환기, DPX(Direct Electrical Power Converter)를 형성하도록 구성된다.
이러한 상황 하에서, 전원 스위치가 동시에 작동되는 주어진 시간 주기에서, 모든 전원 스위치의 온 상태 시간은 모든 전원 스위치에서 심지어 50%보다 높은 전도 듀티 사이클(conduction duty cycle)을 제공하며, 주어진 평균 변환기 입력 및 출력 전류에 대해서 전원 스위치를 통해 흐르는 전류의 RMS 값을 감소시킨다.
일 실시예에서, 제1 및 적어도 제2 전원 스위치는 3-전원-단자의 단일 구조에 통합되고, 제1 및 적어도 제2 전원 스위치는 공통 노드에서 함께 연결된다. 상기 구조는 3-전원-단자 전원 스위치 장치를 제공하는데, 3-전원-단자 전원 스위치 장치의 단일 제어 단자가 제1 및 적어도 제2 전원 스위치의 제어 단자를 대체한다(substitute). 논리 제어 신호는 장치의 단일 제어 단자에 제공된다.
트랜지스터 또는 다이오드와 같은 추가 전원 스위치를 포함하고 변압기를 포함할 수 있는 전력 스테이지의 회로 토폴로지(topology)는 매우 다양하다. 일반적인 회로 토폴로지는 "플라이백(Flyback)", "포워드(Forward)", "푸시-풀(Push-pull)", "하프-브리지(Half-Bridge)" 및 "풀-브리지(Full-Bridge)"이다. 또한, 이러한 회로 토폴로지의 "전류-공급(Current-fed)" 버전 및 "공진(resonant)" 버전도 있다. 다양한 출력 필터, 가령, C 필터, LC 필터 및 "배 전류기(Current doubler)"도 있다. 소프트-스위칭(제로-전압 또는 제로-전류 스위칭)을 구현하기 위해, 일부 추가 능동 또는 수동 네트워크가 추가될 수 있다. 일부 경우에서, 세픽(Sepic), 쿡(Cuk) 또는 제타(Zeta) 변환기와 같은 일부 중복 전원 스위치를 제거함으로써 여러 기본 셀이 상호 연결되고 단순화된다. 또한, 이들은 그 구조에서 변압기를 포함할 수도 있다. 　
이들 모두의 공통된 특징은 d > 50%로 모든 전원 스위치를 작동하지 않는다는 것이다. 심지어 d > 50%로 모두 마이너스 원 스위칭을 갖는 경우에도, d < 50%로 작동되는 적어도 하나의 전원 스위치가 있다. 한 제한 사례는 모든 전원 스위치가 50%에서 작동하도록 하는 것이다. 전력 토폴로지의 모든 전원 스위치에 대해 d > 50%인 스위치 모드 전력 변환기는 없다.
제안된 발명에서는, DC-DC 변환을 제공하기 위해서 AC 전원이 필요하지 않기 때문에, 반전 및 정류 전원 스위치가 존재하지 않는다(도 3A 참조).
반대로, 전력은 자기 구성요소(magnetic component)를 통해 입력으로부터 출력으로 직접 흐르고 전압 변환은 변압기 또는 단권변압기 권선비(turn ratio)에 의해 구현되며, 이는 AC 경로(도 1 참조)가 아니라 도 3a의 DC 경로에 있는 두 전원 스위치를 통해 입력 및 출력 포트에 동시에 연결된다.
이러한 방식으로, 동시에 작동하여 DC 경로를 통해 전력 전송을 제공하는 모든 관련 전원 스위치는 50%보다 높은 듀티 사이클로 작동될 수 있다. 온 상태 동안, 변압기 또는 자동 변압기의 자화가 재설정되고, 오프 상태 동안에는, 변압기 또는 자동 변압기의 자화 인덕턴스와 전원 스위치의 기생(또는 병렬로 추가된) 커패시턴스 간의 공진에 의해 재설정된다.
일 실시예에서, 전력 변환기는, 스위칭 손실(switching loss)을 줄이기 위하여, 온 상태와 오프 상태 사이에서 전원 스위치 전환 동안, 전원 스위치 각각에 제공된 논리 제어 신호에 대해 물리적 구동 신호를 진행시키거나 또는 지연시킬 수 있는 추가 타이밍 제어를 제공하도록 구성된 추가 제어 수단을 포함한다.
일 실시예에서, 제1 또는 적어도 제2 전원 스위치는 변압기 또는 단권변압기의 권선(winding) 또는 권선의 일부에 삽입된다.
적어도 2개의 제1 및 제2 전원 스위치는 모두 트랜지스터로 구현된 제어된 스위치이거나 혹은 트랜지스터로 구현된 적어도 하나의 제어된 스위치 및 다이오드로 구현된 적어도 하나의 비-제어 스위치를 포함한다.
대안으로, 적어도 2개의 제1 및 제2 전원 스위치는 전기기계 장치로 구현된다.
추가로, 전력 변환기의 전원 스위치의 온 상태 시간은 정상 상태에 도달하는 변압기 또는 단권변압기의 2차 권선을 통해 전류를 제공하기에 충분히 길고, 여기서 변환기 이득(gain)은 온 상태 시간의 특정 지속시간에 좌우되지 않는다.
하지만, 대안의 실시예에서, 전력 변환기의 이득은 전력 변압기 또는 단권변압기의 누설 인덕턴스 또는 직렬로 추가된 인덕턴스를 사용함으로써 조정되는데, 즉 전원 스위치의 듀티 사이클을 변경하거나 및/또는 주파수 스위칭에 의해 조정되며, 여기서 스위치의 온 시간은 스위칭 사이클 내에서 전원 스위치를 통해 흐르는 전류의 정상 상태에 도달하기에 충분하지 않다.
본 발명의 전력 변환기 및 3-전원-단자 전원 스위치 장치는, Si, GaN, SiC, 또는 접합 또는 이종-접합, 이종 구조, 압전 구조, 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 바이폴라 접합 트랜지스터, 게이트 턴-오프 사이리스터 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 반도체 중에서, 선택되는 반도체 기술을 사용하여 구현될 수 있다.
본 발명의 그 밖의 다른 특징은 하기에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 2개의 전원 스위치를 포함하는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에 따른 기존의 전력 변환기에서 DC 에너지원과 부하 사이의 전력 전달 개념을 개략적으로 보여주는 도면으로서, 제1 전원 스위치는 반전 전원 스위치로 작동하고 제2 전원 스위치는 정류 전원 스위치로 작동하며, 작동 시에 하나의 전원 스위치는 온 상태에 있고 다른 하나는 오프 상태에 있거나 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 2a는 2개의 전원 스위치를 갖는 종래 기술의 전원 장치의 실시예를 도시한다.
도 2b는 2중 전원 스위치 구성을 갖는 도 2a의 장치와 유사한 전원 장치의 실시예를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 전력 변환기, 즉 직류 전력 변환기(DPX)를 사용하여 전력 전송의 개념을 개략적으로 도시하며, 관련 전원 스위치는 전력 변환을 구현하기 위해 AC 전력 생성 없이, DC 경로를 통한 전력 전송만을 제공하면서 동시에 활성화된다.
도 3b는 동시에 활성화되는 관련 전원 스위치의 듀티 사이클을 도시한다.
도 3c는 듀티 사이클의 함수로서 전원 스위치의 반전 및 정류 조합의 성능 지수를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 도시하며, 전원 스위치는 둘 다 온 상태이거나 둘 다 동시에 오프 상태이고, 제1 및 제2 전원 스위치는 3개의 전원 단자를 포함하는 단일 구조에 통합되어 3-전원-단자 전원 스위치(3PTPS)를 형성한다.
도 5a는 본 발명의 3-전원-단자 전원 스위치에 대한 전기 기호를 도시한다.
도 5b는 3-전원 단자 전원 스위치의 전기 기호가 온 상태에 있는 것을 도시한다.
도 5c는 3-전원 단자 전원 스위치의 전기 기호가 오프 상태에 있는 것을 도시한다.
도 6은 점선으로 표시된 3-전원-단자 전원 스위치를 포함하거나 더 많은 전원 스위치를 포함하는 본 발명에 따른 전력 변환기의 회로를 도시한다.
도 7a는 본 발명에 따라 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치를 포함하는 변압기를 갖는 전력 변환기의 회로의 실시예를 도시한다.
도 7b는 전원 스위치에 대해 3PTPS를 사용하는 도 7a와 동일한 도면이다.
도 8a는 본 발명에 따라 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치를 포함하는 단권변압기를 갖는 일 실시예의 회로를 도시한다.
도 8b는 단권변압기를 갖는 또 다른 배열의 도 8a의 회로를 도시한다.
도 8c는 3-전원-단자 전원 스위치 장치(3PTPS)를 사용하는 도 8b의 회로에 상응한다.
도 9는 본 발명에 따라 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치를 포함하는 단권변압기를 갖는 회로의 또 다른 실시예이다.
도 10은 트랜지스터로 구현된 하나의 제어 스위치 및 다이오드로 구현된 하나의 비-제어 스위치를 포함하는 실시예이다.
도 11a는 본 발명에 따라 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치를 포함하는 단권변압기의 또 다른 실시예를 도시하며, 여기서 하나의 전원 스위치는 동일한 자기 구조에 결합된 단권변압기의 권선 또는 권선의 일부 사이에 포함된다.
도 11b는 단권변압기 대신에 변압기와 절연이 있는 도 11a의 회로를 도시한다.
도 12a는 본 발명에 따라 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치를 포함하는 단권변압기가 있는 도 9의 회로의 동일한 실시예를 도시하는데, 여기서는 전력 변환기의 양방향성 특징을 나타내는 반대 방향으로 에너지가 흐른다.
도 12b는 3PTPS 장치를 갖는 도 12a의 회로를 도시한다.
도 13a는 본 발명에 따라 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치를 포함하는 다중 출력 및 변압기를 갖는 회로를 도시한다.
도 13b는 3PTPS 장치를 갖는 도 13a의 회로이다.
도 14는 동시에 작동되도록 구성된 2개의 전원 스위치 및 전력 변환기의 기생 또는 추가 요소를 포함하는 본 발명의 전력 변환기의 등가 회로를 도시한다.
도 15는 제로 전압 스위칭(ZVS) 세부사항을 보여주는 본 발명의 전력 변환기의 거동을 예시하는 그래프이다.
도 16은 제로 전류 스위칭(ZCS) 세부사항을 보여주는 본 발명의 전력 변환기의 거동을 예시하는 그래프이다.
도 17은 누설 인덕턴스가 직렬로 추가되어 변환기의 이득을 조절할 수 있는 도 10과 같은 실시예이다.
도 18은 대안의 실시예의 또 다른 등가 회로이다.
도 19는, 온 시간이 충분히 길어서 전압 이득이 조절되지 않거나 충분히 짧아서 충전 제어를 제공하고 그에 따른 전압 조정을 제공하는 것을 예시하는 상이한 기생 정전용량의 상이한 값의 영향에 대해, 변압기 또는 단권변압기에서, 전류 대 시간의 여러 곡선을 나타내는 그래프이다. 기생 인덕턴스의 상이한 값의 영향에 대해, 다른 곡선을 얻을 수 있다.
도 20 및 21은 본 발명의 DPX 변환기와 벅 변환기의 통합을 포함하여 3 포트 벅-DPX 조절 변환기를 형성하는 전력 변환기를 도시한다.
도 22는 "에너지 버퍼 AC-DC 전력 변환기"로 작동하는 3-포트 벅-DPX 변환기를 도시하는데, 여기서 포트 2는 에너지 버퍼, 포트 1은 정류된 AC 전압, 그리고 포트 3은 DC 부하이다.
도 23a는 정류된 AC 전압(DC 포트 1)으로부터 에너지 버퍼(DC 포트 2) 및 DC 부하(DC 포트 3)로의 전력 흐름을 나타내는 도 22의 3-포트 전력 변환기를 도시한다.
도 23b는 정류된 AC 전압(DC 포트 1)과 에너지 버퍼(DC 포트 2)로부터 DC 부하(DC 포트 3)로의 전력 흐름을 보여주는 도 22의 3-포트 전력 변환기를 도시한다.
도 23c는 에너지 버퍼(DC 포트 2)로부터 DC 부하(DC 포트 3)로의 전력 흐름을 보여주는 도 22의 3-포트 전력 변환기를 도시한다.
도 24는 정류된 AC(DC 포트 1)의 전압(점선)과 입력 전류 및 그에 따라 버퍼링되어 DC 포트 3에서 예시된 일정한 DC 전력으로 변환되는 맥동 입력 전력(점선)의 파형 예를 도시한다.
본 발명은 1차 포트를 2차 포트와 연결하도록 구성된 전력 변환기에 관한 것으로서, 1차 포트는 DC 에너지 원 또는 AC 에너지 원을 포함하고 2차 포트는 DC 부하 또는 AC 부하를 포함하며, 상기 전력 변환기는:
변압기 또는 단권변압기(autotransformer), 및 선택적으로는 전력 변환기의 복수의 노드에 연결된 커패시터, 인덕터 또는 레지스터의 수동 네트워크; 및
상기 복수의 노드 중 2개의 노드 사이에 제1 전원 스위치(power switch)를 포함하되, 상기 제1 전원 스위치는 2개의 전원 단자 및 적어도 제1 제어 단자를 갖고;
상기 복수의 노드 중 상이한 2개의 노드 사이에 적어도 제2 전원 스위치를 포함하되, 적어도 제2 전원 스위치는 2개의 전원 단자 및 적어도 제2 제어 단자를 가지며,
상기 제1 전원 스위치와 적어도 제2 전원 스위치는 상기 복수의 노드를 상호 연결하도록 구성된다.
본 발명은, 제1 및 적어도 제2 전원 스위치(31, 32)가 논리 제어 신호(100a)의 작동 하에서 동시에 작동되도록 구성되는 여러 토폴로지로부터 발생하는 전력 변환기(2)를 제공하고, 모든 전원 스위치(31, 32)가 동시에 온 상태에 있거나 모든 전원 스위치가 오프 상태에 있는 전도 상태를 제공하며, 변압기 또는 단권변압기를 1차 포트 및 2차 포트에 동시에 연결하거나 연결해제하고, 직류 전력 변환기(Direct Electrical Power Converter: DPX)를 형성하는, 완전히 다른 접근 방식을 제안한다.
이러한 방식으로, 전원 스위치(31, 32)가 동시에 작동되는 주어진 시간 주기에서, 모든 전원 스위치(31, 32)의 온 상태 시간은 모든 전원 스위치(31, 32)에서 심지어 50%보다 높은 전도 듀티 사이클을 제공하며, 이에 따라, 주어진 평균 변환기 출력 전류에 대해서 전원 스위치(31, 32)를 통해 흐르는 전류의 RMS 값을 감소시킨다.
제안된 전력 변환기(2)는, 직렬로, 병렬로 또는 직렬과 병렬의 조합으로 그들 사이에 연결되는 2개 이상의 전원 스위치(31, 32)를 포함한다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)는 3-전원-단자(11, 12, 13)의 단일 구조로 통합되고; 도 4에 도시된 바와 같이, 장치(100)의 단일 제어 게이트는 제1 및 제2 전원 스위치(101, 102)의 제어 게이트를 대체하고(도 2a 및 2b의 종래 기술 실시예 참조) 두 전원 스위치(31, 32)를 동시에 작동시키며, 제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)는 턴-온 되거나 턴-오프 되어, 3-전원-단자 전원 스위치 장치(1)와 장치(100)의 단일 제어 게이트에 제공된 단일 논리 제어 신호(100a)의 작동 하에서 상이한 노드의 연결 또는 연결해제가 얻어진다.
3-전원-단자의 전압 및 전류는 양 또는 음일 수 있으며 이는 전압 및 전류의 양방향성을 의미하므로 전원이 장치의 입력 포트로부터 출력 포트로 또는 그 반대로 흐를 수 있다.
본 발명의 제안에 따른 3-전원-단자 전원 스위치 장치(1)에서, 장치(100)의 단일 제어 게이트에 제공된 단일 논리 제어 신호(100A)의 작동 하에서 동시에 턴-온 되거나 또는 턴-오프 되는 적어도 2개의 제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)가 직렬로 또는 병렬로 서로 연결된다.
개시된 3-전원-단자 전원 스위치 장치의 일 실시예에서, 적어도 2개의 제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)는 함께 연결되지 않는다.
본 발명은 또한 3-전원-단자 전원 스위치 장치(1)가 적어도 2개의 제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)의 턴-온 또는 턴-오프의 동시 작용에 의해 최적화된 성능 지수를 갖는 것을 특징으로 한다.
제안된 전력 변환기에 이전에 표시된 바와 같이, 스위칭 손실을 줄이기 위하여, 공통의 온 상태와 오프 상태 사이에서 전원 스위치 전환 동안, 전원 스위치 각각에 제공된 논리 제어 신호를 진행시키거나 또는 지연시킬 수 있는 추가 타이밍 제어를 제공하도록 구성된 추가 제어 수단이 제공된다.
본 발명의 전력 변환기(2)의 이득은 변압기 또는 단권변압기를 통한 에너지 전달에 기초하며, 도 6에 도시된 바와 같이, 전력 변환기(2)는 조절이 있거나 없는 전압 및 전류 이득을 갖는다.
제안된 전력 변환기(2)에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 전력은 단권변압기를 통해 입력에서 출력으로 직접 흐를 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3-전원-단자 전원 스위치(1)는 2개 이상의 전원 스위치를 포함하는 준-정적 DC-DC 셀로 구성된 준-정적 방식으로 동작하도록 구성된다.
제안된 전력 변환기는 다음과 같이 구성된 제어 수단을 추가로 포함할 수 있다:
- 자체 전압이 0에 가깝거나 0과 같으면, 적어도 2개의 전원 스위치 중 적어도 하나의 전원 스위치가 턴-온 되도록, 논리 제어 신호를 조정함으로써 모든 전원 스위치의 오프 시간을 구성하고;
- 자체 전류가 0에 가깝거나 0과 같으면, 제2 전원 스위치(32)가 턴-오프 되고, 적어도 제2 전원 스위치(32)가 제1 전원 스위치(31)에 대해 약간의 지연을 두고 턴-오프 되도록, 논리 제어 신호를 조정함으로써 모든 전원 스위치의 온 시간을 구성하며;
- 주어진 제약 조건 하에서, 전원 스위치의 피크 전압을 유지하기 위해 전원 스위치의 듀티 사이클을 조정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 제어 수단은 전력 변압기 또는 단권변압기의 누설 인덕턴스(도 17 참조) 또는 전원 스위치의 듀티 사이클을 변경하거나 및/또는 주파수 스위칭에 의해 조절될 전력 변환기의 이득을 적응시키도록 구성된 직렬의 추가된 인덕턴스를 추가로 포함하며, 스위치의 온 시간은 스위칭 사이클 내에서 전원 스위치(31, 32)를 통해 흐르는 전류의 정상 상태에 도달하기에 충분하지 않다.
ZVS 제로 전압 스위칭
본 발명의 전력 변환기에서, 단일 논리 제어 신호(100a)는, 전원 스위치(32)의 전압이 0에 가깝거나 0과 같으면, 적어도 2개의 전원 스위치 장치(31, 32) 중 적어도 하나의 전원 스위치(31)가 턴-온 되도록 조정되고, 제로 전압 스위칭, ZVS이며, 전원 스위치(32)의 전압 또는 전류는 타이밍 시퀀스를 구현하기 위해 감지되거나 계산될 수 있는데, 타이밍 시퀀스에 따라, 전원 스위치(31)의 온 시간 동안에는 자화 전류가 증가하고 오프 시간 동안에는 공진이 발생하며, 자화 인덕턴스에 저장된 에너지는 커패시턴스 C1 및 C2에 전달되어 공진 방식으로 전압을 최대로 증가시키고 다시 0으로 복귀시키고, 제1 전원 스위치(31) 및 제2 전원 스위치(32)의 오프 시간은 전압을 "감지"하거나 다른 수단에 의해 제1 전원 스위치(31) 및 제2 전원 스위치(32)의 전압을 계산함으로써 결정된다. 전원 스위치의 전압 또는 전류 또는 그 등가물은 이 타이밍 시퀀스를 구현하기 위해 감지되거나 계산될 수 있다.
ZVS가 달성되는 방법을 이해하기 위해, 도 14에서 볼 수 있는 것처럼 회로를 단순화한다. 전원 스위치가 동시에 열리면, 변압기는 공진 방식으로 기생 커패시터를 통해 자기를 제거한다.
이 공진은 자화 인덕턴스와 기생 커패시터로 인해 발생하므로, 전원 스위치의 용량을 2차로부터 1차로 참조하면, 다음 공식으로 표현할 수 있다:
도 15의 그래프에서 ZVS 타이밍을 보다 자세히 볼 수 있다.
Figure pct00002
자기 구성요소의 자화 인덕턴스와 기생 또는 의도적으로 전원 스위치와 병렬로 추가된 커패시턴스 사이에 공진이 생성되는데, 그 등가 회로가 도 14에 도시된다:
- S1 및 S2의 온 시간 동안, 자화 전류가 증가하고;
- 오프 시간 동안에는, 자화 인덕턴스의 에너지가 커패시턴스 C1 및 C2로 전달되어 전압이 최대로 증가하고 공진 방식으로 다시 0으로 돌아가는 공진이 발생한다.
스위치 S1 및 S2는 전원 단자의 전압이 0 부근으로 감소할 때 턴-온 되는데, 이는 문헌에서 "제로 전압 스위칭"으로 알려져 있다.
S1 및 S2의 오프 시간은 전압을 "감지"하거나 다른 수단으로 S1 및/또는 S2의 전압을 "추정"함으로써 결정된다.
ZCS 제로 전류 스위칭:
도 16은 본 발명의 전력 변환기(2)의 이러한 작동 모드를 도시하는데, 하나의 전원 스위치(31)는 또 다른 전원 스위치(32)에 대해 약간의 지연을 두고 턴-오프 되고, 하나의 전원 스위치(32)는 전류가 0에 가깝거나 0과 같으면 턴-오프 되며, 제로 전류 스위칭, ZCS이고, 전원 스위치(31)의 전압 또는 전류는 타이밍 시퀀스를 구현하기 위해 감지되거나 계산될 수 있으며, 이러한 타이밍 시퀀스에 따라, 제1 전원 스위치(31)가 오프 상태로 변할 때 전류 i1 및 i2가 감소하기 시작하고, 약간의 지연 시간 t지연 동안에는, 제2 전원 스위치(32)는 온 상태에 유지되며, 그 후, 제2 전원 스위치(32)를 통해 흐르는 전류가 0 부근으로 감소될 때까지 제1 전원 스위치(31)는 턴-오프 되는데, 이는 문헌에서 제로 전류 스위칭, ZCS으로 알려져 있다. 제1 전원 스위치(31)가 턴-오프 되고 제2 전원 스위치(32)가 턴-오프 되는 사이의 시간 지연, t지연은 전류를 감지하거나 다른 수단에 의해 제2 전원 스위치(32)의 전류를 계산함으로써 결정된다.
달리 말하면, 하나의 전원 스위치는 다른 전원 스위치에 대해 약간의 지연을 두고 턴-오프 되어, 전류가 0에 가깝거나 0과 같으면 턴-오프 되며, 즉 제로 전류 스위칭, ZCS이고, 또한 전원 스위치의 전압 또는 전류 또는 그 등가물은 상기 타이밍 시퀀스를 구현하기 위해 감지될 수 있다.
제로 전류 스위칭, ZCS는 2차 전원 스위치보다 조금 먼저 1차 전원 스위치를 턴-오프 하는 간단한 방법으로 얻을 수 있다.
전류는 이 짧은 시간에 2차 전원 스위치를 통해 흐르는 것을 멈추므로 2차 전원 스위치는 도 15에서 볼 수 있는 것처럼 높은 출력 전류로 턴-오프 되지 않는다.
전류 i1 및 i2는 S1의 논리 제어 신호가 오프 상태가 될 때 감소하기 시작한다.
S2의 논리 제어 신호는 약간의 시간 지연, t지연 동안 온 상태로 유지되며, 전원 스위치 S2를 통해 흐르는 전류가 0 부근으로 감소될 때까지 S1이 턴-오프 되는데, 이는 문헌에서 제로 전류 스위칭, ZCS로 알려져 있다.
S1 턴-오프와 S2 턴-오프 사이의 시간 지연 t지연는 전류를 "감지"하거나 다른 수단에 의해 S2의 전류를 "계산"함으로써 결정된다.
본 발명의 원리에 의해 구현된 공지된 토폴로지의 결과에 대한 세부사항은 다음과 같다.
표 1은 DC-DC 변환기의 입력 포트, FOM포트, 최대 전압 및 듀티 사이클 범위에 대한 일반적인 전력 토폴로지를 도시한다:
Figure pct00003
표 2는 DC-DC 변환기의 출력 포트, FOM포트, 최대 전압 및 듀티 사이클 범위에 대한 일반적인 전력 토폴로지를 도시한다:
Figure pct00004
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 전력 변환기(2), DPX는 도 21에 도시된 3-포트 벅-DPX(4) 조절 DC-DC-DC 변환기를 획득하는 벅 변환기(3)(도 20 참조)의 통합을 추가로 포함하는데, 여기서 DPX 변환기(2)의 자화 인덕턴스는 벅 변환기(3)의 인덕턴스로서 작동하고, 입력 포트와 출력 포트 사이의 변환기 이득은 듀티 사이클을 변경하거나 및/또는 주파수 스위칭에 의해 조절되고, 전력은 상기 3개의 포트 중 적어도 하나의 포트로부터 다른 나머지 포트 중 적어도 하나의 포트로 흐를 수 있다.
대안의 실시예에서, 도 22의 3-포트 벅-DPX(4)는 조정된 AC-DC-DC 변환기이다.
도 21 및 22의 실시예에 대해, DPX(2)의 전원 스위치(31)와 벅 변환기(3)의 전원 스위치(33)는 준-정적 DC-DC 셀로서 3-포트 벅-DPX(4)를 작동하도록 구성되며, 제1 DC 입력 포트(201)는 정류된 고역률 AC 전원으로부터 DC 준-정적 전압을 수용하고, 제2 DC 출력 포트(202)는 에너지 버퍼로 작동하도록 구성되며 제3 DC 출력 포트(203)는 엄격한 DC 전압 조정을 갖도록 구성된다.
또한, 도 21 및 22 실시예에 대해, 본 발명은 3개의 상이한 작동 전원 경로에 따른 전력 흐름을 제공하기 위해, 3-포트 벅-DPX(4)의 벅 변환기(3)의 전원 스위치(33)와 DPX(2)의 전원 스위치(31)의 스위칭 주파수 및 듀티 사이클의 제어 수단을 제안한다:
A. AC 입력 포트(201)로부터, 전력은 제1 DC 출력 포트(202) 및 제2 DC 출력 포트(203)를 통해 흐르고(도 23a 참조);
B. AC 입력 포트(201) 및 제1 DC 출력 포트(202)로부터, 전력은 제2 DC 출력 포트(203)로 흐르며(도 23b 참조);
C. 제1 DC 출력 포트(202)로부터, 전력은 제2 DC 출력 포트(203)로 흐른다(도 23c 참조).
3-포트 벅-DPX(4)의 추가 실시예에서, 에너지 버퍼는 입력 전압의 RMS 값에 관한 전압 평균값으로 간접 전력을 최소화하도록 동적으로 조정되게끔 구성된 하나 이상의 커패시터를 포함한다. 도 24는 범용 입력 전압(85-264Vac)의 고전압 범위에 대한 AC 라인 전압을 도시한다.

Claims (16)

1차 포트를 2차 포트와 연결하도록 구성된 전력 변환기(2)로서, 1차 포트는 DC 에너지 원 또는 AC 에너지 원을 포함하고 2차 포트는 DC 부하 또는 AC 부하를 포함하며, 상기 전력 변환기(2)는:
변압기 또는 단권변압기, 및 선택적으로는 전력 변환기의 복수의 노드에 연결된 커패시터, 인덕터 또는 레지스터의 수동 네트워크; 및
상기 복수의 노드 중 2개의 노드(31a, 31b) 사이에 제1 전원 스위치(31)를 포함하되, 상기 제1 전원 스위치(31)는 2개의 전원 단자 및 적어도 제1 제어 단자(101)를 갖고;
상기 복수의 노드 중 상이한 2개의 노드(32a, 32b) 사이에 적어도 제2 전원 스위치(32)를 포함하되, 적어도 제2 전원 스위치(32)는 2개의 전원 단자 및 적어도 제2 제어 단자(10)를 가지며,
제1 전원 스위치(31)와 적어도 제2 전원 스위치(32)는 변압기 또는 단권변압기를 통해 1차 포트 에어지 원을 2차 포트 부하에 연결하도록 구성되고;
제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)의 적어도 제1 및 제2 제어 단자(101, 102)는 상이한 단자 또는 단일 단자(100)이며,
제1 및 적어도 제2 전원 스위치(31, 32)는 모든 전원 스위치(31, 32)가 동시에 온 상태 또는 오프 상태에 있을 때 전도 상태를 제공하는 논리 제어 신호(100a)의 작동 하에서 동시에 작동하며, 변압기 또는 단권변압기를 상기 1차 포트 및 2차 포트에 연결하거나 연결해제하여, 직류 전력 변환기, DPX를 형성하도록 구성되며,
전원 스위치(31, 32)가 동시에 작동되는 주어진 시간 주기에서, 모든 전원 스위치(31, 32)의 온 상태 시간은 모든 전원 스위치(31, 32)에서 심지어 50%보다 높은 전도 듀티 사이클을 제공하며, 주어진 평균 변환기 출력 전류에 대해서 전원 스위치(31, 32)를 통해 흐르는 전류의 RMS 값을 감소시키는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 제1 및 적어도 제2 전원 스위치(31, 32)는 3-전원-단자(11, 12, 13)의 단일 구조에 통합되고, 제1 및 적어도 제2 전원 스위치(31, 32)는 공통 노드에서 함께 연결되어 3-전원-단자 전원 스위치 장치(1)를 제공하며, 3-전원-단자 전원 스위치 장치(1)의 단일 제어 단자(100)가 제1 및 적어도 제2 전원 스위치(31, 32)의 제어 단자(101, 102)를 대체하고, 논리 제어 신호(100a)는 장치(1)의 단일 제어 단자(100)에 제공되는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 스위칭 손실을 줄이기 위하여, 온 상태와 오프 상태 사이에서 전원 스위치 전환 동안, 전원 스위치(31, 32) 각각에 제공된 논리 제어 신호(100a)를 진행시키거나 또는 지연시킬 수 있는 추가 타이밍 제어를 제공하도록 구성된 제어 수단을 추가로 포함하는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 적어도 2개의 제1 및 제2 전원 스위치(31, 32)는 모두 트랜지스터로 구현된 제어된 스위치이거나 혹은 트랜지스터로 구현된 적어도 하나의 제어된 스위치 및 다이오드로 구현된 적어도 하나의 비-제어 스위치를 포함하는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 전원 스위치(31, 32)의 온 상태 시간은 정상 상태에 도달하는 변압기 또는 단권변압기의 2차 권선을 통해 전류를 제공하기에 충분히 길고, 여기서 변환기 이득은 온 상태 시간의 특정 지속시간에 좌우되지 않는, 전력 변환기(2).
제1항 또는 제2항에 있어서, Si, GaN, SiC, 또는 접합 또는 이종-접합, 이종 구조, 압전 구조, 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 바이폴라 접합 트랜지스터, 게이트 턴-오프 사이리스터 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 반도체 중에서, 선택되는 반도체 기술을 사용하여 구현되는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 제1 또는 적어도 제2 전원 스위치(31, 32)는 변압기 또는 단권변압기의 권선 또는 권선의 일부에 삽입되는, 전력 변환기(2).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 자체 전압이 0에 가깝거나 0과 같으면, 적어도 2개의 전원 스위치(31, 32) 중 적어도 하나의 전원 스위치(31)가 턴-온 되도록, 논리 제어 신호(100a)를 조정함으로써 모든 전원 스위치의 오프 시간을 구성하는 제어 수단을 포함하는, 전력 변환기(2).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 자체 전류가 0에 가깝거나 0과 같으면, 제2 전원 스위치(32)가 턴-오프 되고, 적어도 제2 전원 스위치(32)가 제1 전원 스위치(31)에 대해 약간의 지연을 두고 턴-오프 되도록, 논리 제어 신호(100a)를 조정함으로써 모든 전원 스위치의 온 시간을 구성하는 제어 수단을 포함하는, 전력 변환기(2).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 주어진 제약 조건 하에서, 전원 스위치(31, 32)의 피크 전압을 유지하기 위해 전원 스위치의 듀티 사이클을 조정하도록 구성된 제어 수단을 포함하는, 전력 변환기(2).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은 전력 변압기 또는 단권변압기의 누설 인덕턴스 또는 전원 스위치의 듀티 사이클을 변경하거나 및/또는 주파수 스위칭에 의해 조절될 전력 변환기의 이득을 적응시키도록 구성된 직렬의 추가된 인덕턴스를 추가로 포함하며, 스위치의 온 시간은 스위칭 사이클 내에서 전원 스위치(31, 32)를 통해 흐르는 전류의 정상 상태에 도달하기에 충분하지 않는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 전력 변환기(2)는 3-포트 벅-DPX(4) 조절 DC-DC-DC 변환기를 형성하는 벅 변환기의 통합을 추가로 포함하는데, 여기서 DPX 변환기의 자화 인덕턴스는 벅 변환기의 인덕턴스로서 작동하고, 입력 포트와 출력 포트 사이의 변환기 이득은 듀티 사이클을 변경하거나 및/또는 주파수 스위칭에 의해 조절되고, 전력은 3개의 포트 중 적어도 하나의 포트로부터 다른 나머지 포트 중 적어도 하나의 포트로 흐를 수 있는, 전력 변환기(2).
제1항에 있어서, 전력 변환기(2)는 3-포트 벅-DPX(4) 조절 AC-DC-DC 변환기를 형성하는 전원 스위치(33)를 포함하는 벅 변환기의 통합을 추가로 포함하는데, 여기서 DPX 변환기(2)의 자화 인덕턴스는 벅 변환기(3)의 인덕턴스로서 작동하고, 입력 포트와 출력 포트 사이의 변환기 이득은 듀티 사이클을 변경하거나 및/또는 주파수 스위칭에 의해 조절되고, 전력은 3개의 포트 중 적어도 하나의 포트로부터 다른 나머지 포트 중 적어도 하나의 포트로 흐를 수 있는, 전력 변환기(2).
제13항에 있어서, DPX(2)의 전원 스위치(31)와 벅 변환기(3)의 전원 스위치(33)는 준-정적 DC-DC 셀로서 3-포트 벅-DPX(4)를 작동하도록 구성되며, 제1 DC 입력 포트(201)는 정류된 고역률 AC 전원으로부터 DC 준-정적 전압을 수용하고, 제2 DC 출력 포트(202)는 에너지 버퍼로 작동하도록 구성되며 제3 DC 출력 포트(203)는 엄격한 DC 전압 조정을 갖도록 구성되는, 전력 변환기(2).
제14항에 있어서, 3개의 작동 전원 경로에 따른 전력 흐름을 제공하기 위해, 3-포트 벅-DPX(4)의 벅 변환기(3)의 전원 스위치(33)와 DPX(2)의 전원 스위치(31)의 스위칭 주파수 및 듀티 사이클의 제어 수단을 포함하되:
A. AC 입력 포트(201)로부터, 전력은 제1 DC 출력 포트(202) 및 제2 DC 출력 포트(203)를 통해 흐르고;
B. AC 입력 포트(201) 및 제1 DC 출력 포트(202)로부터, 전력은 제2 DC 출력 포트(203)로 흐르며;
C. 제1 DC 출력 포트(202)로부터, 전력은 제2 DC 출력 포트(203)로 흐르는, 전력 변환기(2).
제14항 또는 제15항에 있어서, 에너지 버퍼는 입력 전압의 RMS 값에 관한 전압 평균값으로 간접 전력을 최소화하도록 동적으로 조정되게끔 구성된 하나 이상의 커패시터를 포함하는, 전력 변환기(2).
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4561046A (en) 1983-12-22 1985-12-24 Gte Automatic Electric Incorporated Single transistor forward converter with lossless magnetic core reset and snubber network
JPS62163568A (ja) * 1986-01-14 1987-07-20 Kikusui Denshi Kogyo Kk フォワード型スイッチング電源回路
US5521807A (en) 1992-12-31 1996-05-28 Interpoint Corporation DC-To-DC converter with secondary flyback core reset
US6424131B1 (en) 1999-06-18 2002-07-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Output controller
WO2003041238A2 (en) 2001-11-05 2003-05-15 Shakti Systems, Inc. Monolithic battery charging device
US6707690B1 (en) * 2002-09-16 2004-03-16 Texas Instruments Incorporated Power converter employing switched split transformer primary
US8385087B2 (en) * 2009-09-17 2013-02-26 Linear Technology Corporation Extending achievable duty cycle range in DC/DC forward converter with active clamp reset
JP5523811B2 (ja) 2009-12-16 2014-06-18 川崎重工業株式会社 ソフトスイッチング降圧チョッパおよび電力供給システム
US8854065B2 (en) 2012-01-13 2014-10-07 Infineon Technologies Austria Ag Current measurement in a power transistor
US9509220B2 (en) * 2014-01-24 2016-11-29 Texas Instruments Incorporated Bi-modal voltage converter
US10367420B2 (en) * 2015-12-31 2019-07-30 Texas Instruments Incorporated Load regulation for the isolated output in an isolated buck converter

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