KR20230150743A

KR20230150743A - 인덕터가 없는 전력 컨버터

Info

Publication number: KR20230150743A
Application number: KR1020230051885A
Authority: KR
Inventors: 요람 피에터 반 데르 벨덴
Original assignee: 넥스페리아 비 브이
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2023-04-20
Publication date: 2023-10-31
Also published as: US20230344342A1; JP2023160785A; EP4266565A1; TW202343948A; CN116937968A; NL2031660B1

Abstract

본 개시는, 입력 전압과 출력 전압 사이의 변환비로, 입력 단자의 입력 전압을 출력 단자의 출력 전압으로 변환하기 위한 인덕터가 없는 전력 컨버터에 관한 것으로서, 상기 전력 컨버터는 복수의 캐스케이드 커패시터 스테이지를 포함하고, 상기 각각의 커패시터 스테이지는 상기 커패시터 스테이지의 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍에 걸쳐 병렬로 연결된 플라잉 커패시터를 포함하고, 여기에서, 상기 각 캐스케이드된 스테이지 사이에는 스위칭 블록이 제공되고, 상기 스위칭 블록은 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍을 포함하고, 각각의 후속 캐스케이드된 커패시터 스테이지의 상판 또는 하판을 갖는 각각의 커패시터 스테이지의 커패시터의 상판 또는 하판 중 하나를 연결하기 위한, 상기 스위칭 블록의 출력 단자 중 하나에 상기 입력 단자 중 하나를 연결하기 위한 스위칭 수단을 포함하며, 여기에서, 상기 전력 컨버터는 각각 상이한 변환비를 나타내고 상기 각각의 스위칭 블록의 연결 상태를 포함하는 사전에 정의된 변환비 설정 목록에서 선택된 변환비 설정에 따라 상기 각 스위칭 블록의 스위칭 수단을 작동시키도록 배열된 제어 유닛을 추가로 포함하되, 상기 사전에 정의된 변환비 설정은 무손실 방식으로 변환비 설정 사이를 스위칭하기 위해, 상기 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압이 각 변환비 설정 사이에서 동일하도록 정의된다.

Description

인덕터가 없는 전력 컨버터{INDUCTOR-LESS POWER CONVERTER}

본 발명은 대체적으로 전력 컨버터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 임의의 변환비로 입력 전압을 출력 전압으로 변환시키기 위한 스위칭 커패시터의 여러 스테이지를 갖는 인덕터가 없는 전력 컨버터에 관한 것이다.

전력 컨버터는 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 전기 장치이다. 이러한 전압은 변환비에 따라 상이할 수 있고, 입력 전류는 출력 전류에 대해 형태 및/또는 주파수가 상이할 수 있다; 즉, 컨버터는 교류, AC, 입력 전압을 직류, DC, 출력 전압, 바람직하게는 상이한 차동 전압으로 변환하도록 배열될 수 있다.

전기 에너지를 일 전압 레벨에서 다른 전압 레벨로, 또는 일 주파수에서 다른 주파수로, 또는 일 유형에서 다른 유형으로 변환하기 위한 이러한 전력 컨버터는 일반적으로 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 장치에 사용되지만, 사물 인터넷, loT, 소자 또는 무선 센서 노드, WSN에도 널리 사용된다. 이러한 응용 분야에서, 주 전원 공급원은 종종 (주로) 배터리로부터 공급되며, 이러한 장치는 종종 배터리를 충전하고/하거나 부하에 전력을 공급하기 위해 에너지를 수확하는 에너지 수확 모듈을 갖는다.

일련의 스위치 및 커패시터를 중심으로 설계된 전력 컨버터는 공지되어 있으며 널리 사용되고 있다. 최근, 여러 스테이지를 갖는 스위치 커패시터 설계가 점차 대중화되고 있다. 이러한 설계는 자기 또는 대형 폼팩터(formfactor) 컴포넌트를 필요로 하지 않기 때문에, 공지된 인덕터 기반 전력 컨버터에 비해 장점을 가지며, 소형 통합 설계, 또는 심지어 완전 통합 구현에 적합하다.

또한, 이러한 설계는 더미 부하를 필요로 하지 않으며 보다 넓은 범위의 부하에서서 사용 가능하다. 또한, 이러한 전력 컨버터의 변환 효율은 일반적으로 인덕터 기반 대안 설계의 변환 효율보다 높다. 대체로, 이러한 인덕터가 없는 모든 설계는 일반적으로 배터리 구동식 응용 분야에에 이상적이다.

그러나, 인덕터 기반 전력 컨버터는 연속적인 변환비가 큰 반면, 인덕터가 없는 설계는 제한된 이산 변환비의 값과 낮은 최대 및/또는 최소 변환비를 갖기 때문에, 인덕터가 없는 설계는 또한 인덕터 기반 대체 설계에 비해 단점을 갖는다. 또한, 인덕터가 없는 전력 컨버터는 상이한 변환비를 가질 수 있지만, 해당 비 간 스위칭은 에너지 손실을 초래하여 컨버터의 전체 성능을 저하시키며, 특히 일 비에서 다른 비로의 전환이 에너지 손실을 초래하지 않도록 연속적인 변환비를 갖는 인덕터 기반 대안 설계와 비교할 때 더욱 그렇다.

따라서, 전력 컨버터가 복수의 변환비 사이에서 스위칭하도록 구성되고, 여기에서 전력 컨버터의 전체 에너지 손실이 개선되도록 하는, 개선된 인덕터가 없는 전력 컨버터에 대한 요구가 존재한다.

제1 양태에서, 입력 전압과 출력 전압 사이의 변환비로, 입력 단자의 입력 전압을 출력 단자의 출력 전압으로 변환하기 위한 인덕터가 없는 전력 컨버터가 제공되며, 상기 전력 컨버터는 복수의 캐스케이드 커패시터 스테이지를 포함하고, 각각의 커패시터 스테이지는 상기 커패시터 스테이지의 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍에 걸쳐 병렬로 연결된 플라잉 커패시터를 포함하고, 여기에서, 각 캐스케이드된 스테이지 사이에는 스위칭 블록이 제공되고, 상기 스위칭 블록은 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍을 포함하고, 각각의 후속 캐스케이드된 커패시터 스테이지의 상판 또는 하판을 갖는 각각의 커패시터 스테이지의 커패시터의 상판 또는 하판 중 하나를 연결하기 위한 스위칭 블록의 출력 단자 중 하나에 입력 단자 중 하나를 연결하기 위한 스위칭 수단을 포함하며, 여기에서, 전력 컨버터는 각각 상이한 변환비를 나타내고 각각의 스위칭 블록의 연결 상태를 포함하는 사전에 정의된 변환비 설정 목록에서 선택된 변환비 설정에 따라 각 스위칭 블록의 스위칭 수단을 작동시키도록 배열된 제어 유닛을 추가로 포함하되, 사전에 정의된 변환비 설정은 무손실 방식으로 변환비 설정 사이를 스위칭하기 위해, 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압이 각 변환비 설정 사이에서 동일하도록 정의된다.

제안된 컨버터는 입력 전압으로부터 출력 전압으로의, 직류, DC를 DC, DC-DC로의 변환을 위해 구성된 인덕터가 없는 전력 컨버터이다. 입력 전압은 입력 단자 쌍에서 제공되는 반면, 출력 전압은 출력 단자 쌍에서 제공된다. 입력 전압과 출력 전압 사이의 비율은 변환비를 정의하고, 변환비는 1보다 크거나 작을 수 있으며, 이는 즉, 전압이 승압되거나 강압되어 증가하거나 감소할 수 있다는 것을 의미한다.

컨버터는 스위치 커패시터 컨버터, 또는 특히 DC-DC 스위치 커패시터 컨버터이다. 컨버터는 각각 커패시터 또는 플라잉 커패시터를 갖는 캐스케이드 스테이지로 간주될 수 있는 여러 스테이지로 이루어진다. 커패시터는 이들이 연결되는 방식에 따라 충전 및 방전될 수 있다. 커패시터가 연결되는 방식은 각각의 플라잉 커패시터 사이에 연결되는 스위칭 블록이 작동되는 방식으로 정의되거나, 커패시터 스테이지로서 정의된다. 따라서, 컨버터는 n개의 커패시터 스테이지를 가짐으로써, n개의 플라잉 커패시터를 가지며, 각 커패시터 스테이지 사이에는 스위칭 수단(예를 들어, 트랜지스터와 같은 집적된 스위칭 수단을 포함함)을 갖는 스위칭 블록을 갖는다. 스위칭 블록은 또한 각 커패시터 스테이지와 입력 단자 및 출력 단자 사이에 존재할 수 있다.

각 스위칭 블록의 스위칭 수단은 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍의 4개의 단자, 즉, 선행 커패시터 스테이지의 상판에 연결된 단자 중 하나(또는 제1 스위칭 블록의 입력 단자), 후속 커패시터 스테이지의 상판에 연결된 단자 중 하나(또는 마지막 스위칭 블록의 출력 단자), 선행 커패시터 스테이지의 하판에 연결된 단자 중 하나(또는 제1 스위칭 블록에 대한 접지), 및 후속 커패시터 스테이지의 하판에 연결된 단자 중 하나(또는 마지막 스위칭 블록에 대한 접지)를 가질 수 있다. 스위칭 수단은 입력 단자 쌍 중 어느 하나를 출력 단자 쌍 중 하나와 연결하도록, 즉, 선행 커패시터 스테이지의 상판을 후속 커패시터 스테이지의 상판과 연결하거나, 선행 커패시터 스테이지의 상판을 후속 커패시터 스테이지의 하판과 연결하거나, 선행 커패시터 스테이지의 하판을 후속 커패시터 스테이지의 상판과 연결하거나, 선행 커패시터 스테이지의 하판을 후속 커패시터 스테이지의 하판과 연결하도록 배열된다.

스위칭 수단의 다양한 제어 방법과 이에 따른 각 커패시터가 연결되는 방식을 감안할 때, 커패시터 스테이지 수와 또한 이에 따른 스위칭 블록 수는 변환비 옵션의 수를 정의한다. 스테이지가 증가하면 구성 가능한 변환비의 수가 증가한다.

스위칭 수단은 여러 변환비 설정에 따라 작동될 수 있지만, 이러한 설정 사이의 스위칭은 컨버터의 효율 손실을 야기할 수 있음이 밝혀진 바 있다. 특히, 본 발명자는 이러한 효율 손실이 일부 경우 감소되거나 심지어 제거될 수 있음을 발견하였다. 본 발명자는, 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압이 변환비 사이에서 동일하게 유지될 경우, 변환비 간의 스위칭이 무손실 방식으로 달성될 수 있으므로, 최소 효율 손실 없이 또는 적어도 최소 효율 손실로 달성될 수 있다는 것을 통찰하였다. 따라서, 모든 가능한 변환비에서, 제어 유닛은 이러한 요구가 유지될 때의 변환비 설정의 선택만을 허용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 전류 변환비는, 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압이 전류 및 후속 변환비 사이에서 동일하게 유지되는 것으로 결정된 모든 변환비 설정의 목록 또는 서브-선택에 따라, 컨트롤러에 의해 다음 변환비, 따라서 변환비 설정으로 변경될 수 있다.

제안된 전력 컨버터를 사용함으로써, 다수의 이산 변환비에 따른 변환을 달성할 수 있으며, 예를 들어 벅-모드 또는 부스트-모드에서 컨버터를 작동하는 것과 같이 스텝 업 또는 스텝 다운 변환에 따라 변환할 수 있다. 제안된 전력 컨버터는 플라잉 커패시터의 방전 및/또는 충전과 연관된 에너지 손실이 최소화되거나 완전히 해결된다는 장점을 갖는다. 또한, 플라잉 커패시터 또는 스위칭 커패시터를 기반으로 하는 종래의 전력 컨버터는 동작 효율성 및 효율을 저하시키는 변환비 설정 사이의 안정화 시간을 필요로 할 수 있다. 제안된 전력 컨버터는 또한 완전히 통합된 IC 설계가 가능하다는 장점을 갖는다.

일례로, 컨버터는 4개의 캐스케이드된 커패시터 스테이지를 포함한다.

일례로, 컨버터는 5개의 스위칭 블록을 포함한다.

일례로, 제어 유닛은 사전에 정의된 변환비 설정의 목록을 저장하는 메모리 유닛을 포함하며, 여기에서 사전에 정의된 변환비 설정의 목록은 모든 변환비 설정의 서브-선택이 된다.

일례로, 컨버터는 직류, DC, 입력 전압에 대해 배치된다.

일례로, 컨버터는 10 μWatt 내지 100mWatt, 보다 바람직하게는 50 μWatt 내지 50 mWatt 사이의 전력 범위에서 입력 전압을 출력 전압으로 변환하도록 배치된다.

일례로, 컨버터는 센서 모듈, IoT 디바이스, USB 디바이스, 또는 블루투스 모듈 중 하나 이상에 전력을 공급하기 위해 배치된다.

일례로, 컨버터는 각각 상이한 출력 전압 레벨을 갖는 복수의 출력부를 포함하는 복수의 출력 전압 레일을 추가로 포함하되, 각각의 출력부는 출력부에 걸쳐 병렬로 연결된 출력 커패시터를 포함할 뿐만 아니라, 전압 레일을 각각의 출력부에 연결하기 위한 스위칭 출력 수단을 포함한다.

일례로, 각각의 스위칭 출력 수단은 각각의 출력 커패시터를 순차적인 방식으로 충전하기 위해 순차적으로 활성화된다.

일례로, 컨버터는 각각 상이한 입력 전압 레벨을 갖는 복수의 입력부를 포함하는 복수의 입력 전압 레일을 추가로 포함하되, 각각의 입력부는 입력부에 걸쳐 병렬로 연결된 입력 커패시터를 포함할 뿐만 아니라, 전압 레일을 각각의 입력부에 연결하기 위한 스위칭 입력 수단을 포함한다.

일례로, 각각의 스위칭 입력 수단은 각각의 입력 커패시터를 순차적인 방식으로 충전하기 위해 순차적으로 활성화된다.

본 개시의 추가의 양태에서, 에너지 수확 장치가 제공되며, 이는:

- 주변 에너지, 바람직하게는 태양열, 열, 운동 또는 무선 주파수 에너지 중 하나를 수확하고, 수확된 에너지를 입력 전압으로서 에너지 수확 장치에 제공하는, 에너지 수확 모듈;

- 이전의 청구항 중 어느 하나에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터를 포함한다.

통상의 기술자는 전술한 에너지 수확 모듈이 단지 예에 불과하며, 본 개시가 이들 예에만 한정되는 것이 아니라, 임의의 다른 유형의 적용가능한 에너지원이 적합한 유형의 에너지 수확 모듈에 대해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

일례로, 전술한 장치는:

- 최대 전력점 추적 모듈로서, 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압에 따라 각 변환비 설정 간 동일하도록 선택된 최대 전력점 추적 알고리즘에 따라, 전력 컨버터의 각 스위칭 블록의 스위칭 수단을 작동하기 위해, 인덕터가 없는 전력 컨버터의 제어 유닛으로서 작동되는, 최대 전력점 추적 모듈을 추가로 포함한다.

본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 특정 구현예를 통해 보다 상세히 설명될 것이며, 여기에서 동일 또는 유사한 부품 및/또는 컴포넌트는 동일한 참조 부호로 지정된다. 본 발명은 개시된 구현예에 결코 제한되지 않는다.

본 발명은 이제, 다음의 도면을 참조하여, 제1 양태에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터 및 제2 양태에 따른 에너지 수확 장치의 구현예의 설명에 의해 기술될 것이다.
도 1은 본 개시의 제1 양태에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터의 일 구현예의 개략적인 개념도를 도시하며, 여기에서, 스위칭 블록 중 하나의 입력 단자와 출력 단자 사이의 가능한 연결이 표시된다.
도 2는 도 1의 인덕터가 없는 전력 컨버터의 개략적인 개념도를 도시하며, 여기에서, 스위칭 블록 중 하나의 스위칭 블록의 구현예가 표시된다.
도 3은 4개의 상이한 변환비에 대한 본 개시의 제1 양태에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터의 구성의 예를 도시한다.
도 4는 본 개시의 제1 양태에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터의 다른 구현예의 개략적인 개념도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 제2 양태에 따른 에너지 수확 장치의 일 구현예의 개략적인 개념도를 도시한다.

도 1 및 도 2는, 인덕터가 없는 전력 컨버터(1)의 입력 단자에서의 입력 전압(V_A)을 인덕터가 없는 전력 컨버터(1)의 출력 단자에서의 출력 전압(V_B)으로 변환하기 위한 인덕터가 없는 전력 컨버터(1)를 도시한다. 전력 컨버터(1)는 n = 1 내지 4개인 4개의 캐스케이드된 커패시터 스테이지(CS_n)를 포함하고, 여기에서 각 커패시터 스테이지는 커패시터 스테이지(CS_n)의 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍에 걸쳐 통해 병렬로 연결된 플라잉 커패시터(C_n)를 포함한다.

각 캐스케이드된 스테이지(CS_n) 사이에는 m = 1 내지 n+1의 스위칭 블록(SB_m)이 제공된다. 각 스위칭 블록(SB_m)은 입력 단자 쌍과 출력 단자 쌍, 및 스위칭 블록(SB_m)의 입력 단자 쌍 중 하나를 출력 단자 쌍 중 하나에 연결하기 위한 스위칭 수단을 포함한다. 스위칭 블록(SB₂)에 대해, 도 1은 다른 스위칭 블록(SB_m)에 적용 가능한, 각각의 스위칭 블록(SB₂)의 입력 단자와 출력 단자 사이의 4개의 가능한 연결을 보다 상세히 도시한다.

제1 스위칭 블록(SB₁)은 제1 스위칭 블록(SB₁)의 출력 단자에 연결된 커패시터(C1)의 상판 또는 하판을 전력 컨버터(1)의 입력 전압(V_A) 또는 접지에 연결하도록 배열된다. 마지막 스위칭 블록(SB₅)은 마지막 스위칭 블록(SB₅)의 입력 단자에 연결된 커패시터(C4)의 상판 또는 하판을 전력 컨버터(1)의 출력 전압(V_A) 또는 접지에 연결하도록 배열된다.

m = 2 내지 4인 스위칭 블록(SB_m)은, 각각의 스위칭 블록(SB_m)의 입력 단자에 연결된 커패시터(C_m-1)의 상판 또는 하판을 각각의 스위칭 블록(SB_m)의 출력 단자에 연결된 커패시터(C_m)의 상판 또는 하판과 연결하도록 배열된다.

전력 컨버터(1)의 제어 유닛(21)(명확성을 위해 도 1-3에 도시되지 않음)는 사전에 정의된 변환비 설정 목록 중 선택된 변환비 설정에 따라 각 스위칭 블록(SB_m)의 스위칭 수단을 작동시키도록 배열된다. 각각의 사전에 정의된 변환비 설정은 입력 전압(V_A)과 출력 전압(V_B) 사이의 상이한 변환비를 나타내고, 각각의 개별 스위칭 블록(SB_m)의 연결 상태를 포함한다. 사전에 정의된 변환비 설정은, 무손실 방식의 변환비 설정 간 스위칭을 위해, 각 플라잉 커패시터(C_n)의 정상 상태 전압이 각 변환비 설정 간에 동일하도록 정의된다.

도 2는 스위칭 블록(SB_m)의 일 구현예를 도시하며, 여기에서 스위칭 블록(SB_m)은 스위칭 블록(SB_m)의 입력 단자 및 출력 단자 각각을 공통 내부 노드(V_int,m)에 연결하기 위한 4개의 스위칭 수단을 포함한다. 스위칭 수단, 예를 들어 트랜지스터는 전력 컨버터(1)의 제어 유닛(21)에 의해 제어된다.

제어 유닛(21)은 사전에 정의된 변환비 설정의 목록을 저장하는 메모리 유닛(23)을 포함하며, 여기에서 사전에 정의된 변환비 설정의 목록은 모든 변환비 설정의 서브-선택이 된다.

각 커패시터의 전압은, 이어지는 내부 노드 전압(V_int,m+1)을 생성하기 위해, 각각의 내부 노드 전압(V_int,m)으로부터 더해지거나 빼질 수 있다. 내부 전압(V_int,m)에 대해, 다음이 적용된다:

x = n = 1 내지 4인 가중치 계수(w_A, w_B 및 w_x)는 커패시터가 함께 연결되는 방식을 정의한다. 가중치 계수(w_A)는, 접지 단자가 스위칭 블록(SB₁)의 입력 단자에 연결될 경우 0이 될 수 있고, 전력 컨버터(1)의 입력 전압(V_A)이 스위칭 블록(SB₁)의 입력 단자에 연결될 경우 1이 될 수 있다. 가중치 계수(w_B)는, 접지 단자가 스위칭 블록(SB₅)의 출력 단자에 연결될 경우 0이 될 수 있고, 전력 컨버터(1)의 출력 전압(V_B)이 스위칭 블록(SB₅)의 출력 단자에 연결될 경우 1이 될 수 있다. x = n인 커패시터 가중치 계수(w_x)는, 커패시터(C_n)이 바이패스될 경우 0이 될 수 있고, 커패시터 전압(V_Cn)이 강압될 경우 -1이 될 수 있으며, 커패시터 전압(V_Cn)이 승압될 경우 1이 될 수 있다. 가중치 계수(w_A, w_B 및 w_x)에 대해, 다음이 적용된다:

다음의 내용이 가정된다: 전력 컨버터(1)의 입력 전압(V_A)은, 예를 들어 배터리 또는 공급 레일에 의해 제공되는 고정 전압이고, 커패시터(C_n)에 걸친 정상 상태 전압은 고정되고, V_Cx = V_A·k_x인 전력 컨버터(1)의 입력 전압(V_A)의 일부인 것으로 가정되며, 전력 컨버터(1)의 입력 전압(V_A)과 전력 컨버터(1)의 출력 전압(V_B) 사이의 비는 변환비(V_B = V_A·M)으로 정의된다.

내부 노드 전압(V_int,m)에 대한 방정식을 사용하여, 다음을 적용한다:

이는 다음과 간략화될 수 있다:

다음의 방정식은 일 변환비에서의 각각의 상(phase)에 유효하다:

다음의 예는 동일한 k-벡터로 다중 변환비(M)를 만들 수 있는 방법을 보여주며, 여기에서 k의 크기는 커패시터의 수(n)와 동일하다. 이 예에서, 전력 컨버터(1)는 4개의 커패시터(C_n, n = 1 내지 4) 및 5개의 스위칭 블록(SB_m, m = 1 내지 5)을 포함한다. 이에 해당하는 방정식은 전력 컨버터(1)가 더 많거나 더 적은 커패시터(C_n)를 포함하는 것에 따라 확장될 수 있다.

도 3은, k = [2/3 1/3]을 갖는, 2개의 커패시터(C_n, n = 1 내지 2) 및 3개의 스위칭 블록(SB_m, m = 1 내지 3)을 갖는 전력 컨버터(1)에 대한 완전한 구성을 예시하며, 여기에서 V_C1 = V_A·2/3이고, V_C2 = V_A·1/3이며 가능한 변환비는 4개이다. 이에 대해, 가중치 행렬에는 다음이 적용된다:

도 4는 본 개시의 제1 양태에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터(10)의 다른 구현예를 도시한다. 전력 컨버터(10)는 다중 출력 전압 레일(15)을 추가로 포함한다. 다중 출력 전압 레일(14)은 각각 다른 출력 전압 레벨을 갖는, y = 1 내지 N인 복수의 출력부, 출력부(y)를 포함한다. 각 출력부(y)는 전압 레일(14)을 각각의 출력부(y)에 연결하기 위한, 출력부(y), 및 스위칭 출력 수단(S_y)에 걸쳐 병렬로 연결된 출력 커패시터(C_y)를 포함한다.

각 스위칭 출력 수단(S_y)은, 제어 유닛(21)에 의해, 상기 출력 커패시터(C_y) 각각을 순차적으로 충전하기 위해 순차적인 방식으로 활성화된다.

도 5는 본 개시의 제2 양태에 따른 에너지 수확 장치(100)의 일 구현예를 도시한다. 에너지 수확 장치(100)는 주변 에너지, 바람직하게는 태양열, 운동 또는 무선 주파수 에너지 중 하나를 수확하기 위한 에너지 수확기를 포함한다. 수확된 에너지는 전술한 바와 같이 인덕터가 없는 전력 컨버터(1)에 입력 전압으로서 제공된다. 인덕터가 없는 전력 컨버터(1)의 출력 전압은 배터리에 제공된다.

에너지 수확 장치(100)는 최대 전력점 추적(MPPT) 모듈(11)을 추가로 포함하며, 여기에서 MPPT 모듈(11)은 인덕터가 없는 전력 컨버터(1)의 제어 유닛(21)으로서 작동된다. MPPT 모듈(11)은 각 플라잉 커패시터(C_n)의 정상 상태 전압에 따라 선택된 최대 전력점 추적 알고리즘에 따라, 전력 컨버터(1)의 각 스위칭 블록(SB_m)의 스위칭 수단을 각 변환비 설정 간에 동일하도록 제어한다.

전술한 설명에 기초하여, 통상의 기술자는 개시된 방법 및 배열에 대한 수정 및 추가를 제공할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 추가는 모두 첨부된 청구항의 범위에 의해 이루어질 것이다.

Claims

입력 전압과 출력 전압 사이의 변환비로, 입력 단자의 입력 전압을 출력 단자의 출력 전압으로 변환하기 위한 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 상기 전력 컨버터는 복수의 캐스케이드 커패시터 스테이지를 포함하고, 상기 각각의 커패시터 스테이지는 상기 커패시터 스테이지의 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍에 걸쳐 병렬로 연결된 플라잉 커패시터를 포함하고, 여기에서, 상기 각 캐스케이드된 스테이지 사이에는 스위칭 블록이 제공되고, 상기 스위칭 블록은 입력 단자 쌍 및 출력 단자 쌍을 포함하고, 각각의 후속 캐스케이드된 커패시터 스테이지의 상판 또는 하판을 갖는 각각의 커패시터 스테이지의 커패시터의 상판 또는 하판 중 하나를 연결하기 위한, 상기 스위칭 블록의 출력 단자 중 하나에 상기 입력 단자 중 하나를 연결하기 위한 스위칭 수단을 포함하며, 여기에서, 상기 전력 컨버터는 각각 상이한 변환비를 나타내고 상기 각각의 스위칭 블록의 연결 상태를 포함하는 사전에 정의된 변환비 설정 목록에서 선택된 변환비 설정에 따라 상기 각 스위칭 블록의 스위칭 수단을 작동시키도록 배열된 제어 유닛을 추가로 포함하되, 상기 사전에 정의된 변환비 설정은 무손실 방식으로 변환비 설정 사이를 스위칭하기 위해, 상기 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압이 각 변환비 설정 사이에서 동일하도록 정의되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 컨버터는 4개의 캐스케이드 커패시터 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 또는 제2항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 컨버터는 5개의 스위칭 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 제어 유닛은 상기 사전에 정의된 변환비 설정의 목록을 저장하는 메모리 유닛을 포함하며, 여기에서 상기 사전에 정의된 변환비 설정의 목록은 모든 변환비 설정의 서브-선택이 되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 상기 컨버터는 직류, DC, 입력 전압에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 상기 컨버터는 10 μWatt 내지 100 mWatt, 보다 바람직하게는 50 μWatt 내지 50 mWatt 사이의 전력 범위에서 입력 전압을 출력 전압으로 변환하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 상기 인덕터는 센서 모듈, IoT 디바이스, USB 디바이스, 또는 블루투스 모듈 중 하나 이상에 전력을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 상기 컨버터는 각각 상이한 출력 전압 레벨을 갖는 복수의 출력부를 포함하는 복수의 출력 전압 레일을 추가로 포함하되, 각각의 출력부는 상기 출력부에 걸쳐 병렬로 연결된 출력 커패시터를 포함할 뿐만 아니라, 상기 전압 레일을 상기 각각의 출력부에 연결하기 위한 스위칭 출력 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제8항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 각각의 스위칭 출력 수단은 상기 각각의 출력 커패시터를 순차적으로 충전하기 위해 순차적인 방식으로 활성화되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 상기 컨버터는 각각 상이한 입력 전압 레벨을 갖는 복수의 입력부를 포함하는 복수의 입력 전압 레일을 추가로 포함하되, 각각의 입력부는 상기 입력부에 걸쳐 병렬로 연결된 입력 커패시터를 포함할 뿐만 아니라, 상기 전압 레일을 상기 각각의 입력부에 연결하기 위한 스위칭 입력 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
제10항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터로서, 각각의 스위칭 입력 수단은 상기 각각의 입력 커패시터를 순차적인 방식으로 충전하기 위해 순차적으로 활성화되는 것을 특징으로 하는, 인덕터가 없는 전력 컨버터.
에너지 수확 장치로서,
- 주변 에너지, 바람직하게는 태양열, 열, 운동 또는 무선 주파수 에너지 중 하나를 수확하고, 상기 수확된 에너지를 입력 전압으로서 상기 에너지 수확 장치에 제공하는, 에너지 수확 모듈;
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 인덕터가 없는 전력 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 수확 장치.
제12항에 따른 에너지 수확 장치로서, 상기 장치는:
- 최대 전력점 추적 모듈로서, 각 플라잉 커패시터의 정상 상태 전압에 따라 각 변환비 설정 간 동일하도록 선택된 최대 전력점 추적 알고리즘에 따라, 상기 전력 컨버터의 각 스위칭 블록의 스위칭 수단을 작동하기 위해, 상기 인덕터가 없는 전력 컨버터의 상기 제어 유닛으로서 작동되는, 최대 전력점 추적 모듈을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 수확 장치.