KR20230161558A - 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터 - Google Patents

플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 스위칭 노드와 그라운드 단자 사이에 직렬 연결된 인덕터, 출력 전압이 출력되는 출력 단자와 그라운드 단자 사이에 연결된 출력 커패시터, 입력 전압이 입력되는 입력 단자와 톱 플레이트 노드 사이에 연결된 제1 스위치, 상기 톱 플레이트 노드와 상기 스위칭 노드 사이에 연결된 제2 스위치, 상기 스위칭 노드와 바텀 플레이트 노드 사이에 연결된 제3 스위치, 상기 바텀 플레이트 노드와 그라운드 단자 사이에 연결된 제4 스위치, 상기 톱 플레이트 노드와 상기 바텀 플레이트 노드 사이에 연결된 플라잉 커패시터, 상기 스위칭 노드와 밸런싱 노드 사이에 연결된 밸런싱 스위치, 상기 입력 단자와 상기 밸런싱 노드 사이에 연결된 톱 밸런싱 커패시터 및 상기 밸런싱 노드와 상기 출력 단자 사이에 연결된 바텀 밸런싱 커패시터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 3 레벨 벅-부스트 컨버터에서 플라잉 커패시터 전압 균형을 간단한 회로로 구현함으로써 스위치들의 양단 전압이 균등하게 인가되게 하고 인덕터 전류 리플을 줄임으로 효율을 개선할 수 있으며, 빠른 속도로 플라잉 커패시터 전압 균형이 이루어지게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터{3 LEVEL BUCK-BOOST CONVERTER WITH FLYING CAPACITOR VOLTAGE BALANCING CIRCUIT}
본 발명은 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 3 레벨 벅-부스트 컨버터에서 플라잉 커패시터 전압 균형을 간단한 회로로 구현함으로써 스위치들의 양단 전압이 균등하게 인가되게 하고 인덕터 전류 리플을 줄임으로 효율을 개선할 수 있으며, 빠른 속도로 플라잉 커패시터 전압 균형이 이루어지게 할 수 있는 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, 3 레벨 벅-부스트 컨버터는 2 레벨 벅-부스트 컨버터에 비해 낮은 내압의 스위치 사용이 가능하고, 낮은 인턱던스 값을 갖는 인덕터를 사용하면서도 전류 리플을 줄이는 것이 가능하기 때문에, 컨버터의 효율을 개선할 수 있다.
그러나 3 레벨 벅-부스트 컨버터에서 플라잉 커패시터 전압이 불균형 상태일 경우 스위치들의 전압 스트레스가 증가하고 추가 손실이 발생하기 때문에, 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 장점을 유지하기 위해서는 플라잉 커패시터 전압의 균형을 유지하는 것이 중요하지만, 현재까지 알려진 종래기술은 이에 대한 효율적인 대처방안을 제공하지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 3 레벨 벅-부스트 컨버터에서 플라잉 커패시터 전압 균형을 간단한 회로로 구현함으로써 스위치들의 양단 전압이 균등하게 인가되게 하고 인덕터 전류 리플을 줄임으로 효율을 개선할 수 있는 3 레벨 벅-부스트 컨버터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 빠른 속도로 플라잉 커패시터 전압 균형이 이루어지게 할 수 있는 3 레벨 벅-부스트 컨버터를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터로서, 스위칭 노드와 그라운드 단자 사이에 직렬 연결된 인덕터, 출력 전압이 출력되는 출력 단자와 그라운드 단자 사이에 연결된 출력 커패시터, 입력 전압이 입력되는 입력 단자와 톱 플레이트 노드 사이에 연결된 제1 스위치, 상기 톱 플레이트 노드와 상기 스위칭 노드 사이에 연결된 제2 스위치, 상기 스위칭 노드와 바텀 플레이트 노드 사이에 연결된 제3 스위치, 상기 바텀 플레이트 노드와 상기 출력 단자 사이에 연결된 제4 스위치, 상기 톱 플레이트 노드와 상기 바텀 플레이트 노드 사이에 연결된 플라잉 커패시터, 상기 스위칭 노드와 밸런싱 노드 사이에 연결된 밸런싱 스위치, 상기 입력 단자와 상기 밸런싱 노드 사이에 연결된 톱 밸런싱 커패시터 및 상기 밸런싱 노드와 상기 출력 단자 사이에 연결된 바텀 밸런싱 커패시터를 포함한다.
본 발명에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 있어서, 상기 플라잉 커패시터는 상기 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 동작 중의 일부 시간 동안 상기 톱 밸런싱 커패시터와 병렬 연결되고, 상기 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 동작 중의 다른 일부 시간 동안 상기 바텀 밸런싱 커패시터에 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 있어서, 상기 플라잉 커패시터의 전압, 상기 톱 밸런싱 커패시터의 전압, 상기 바텀 밸런싱 커패시터의 전압은 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 있어서, 상기 플라잉 커패시터의 전압, 상기 톱 밸런싱 커패시터의 전압, 상기 바텀 밸런싱 커패시터의 전압은 상기 입력 전압에서 상기 출력 전압을 감산한 값을 2로 나눈 값을 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 있어서, 듀티비(duty ratio, D)가 0.5 미만인 경우, 제1 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 톱 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고, 상기 제1 시간이 경과한 후, 상기 제1 시간에 이어지는 제2 시간 동안 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되고, 상기 제2 시간이 경과한 후, 상기 제1 시간과 동일한 제3 시간 동안 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 바텀 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고, 상기 제3 시간이 경과한 후, 상기 제2 시간과 동일한 제4 시간동안 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우, 제5 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 톱 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고, 상기 제5 시간이 경과한 후, 상기 제5 시간과 동일한 제6 시간 동안 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 바텀 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터에 있어서, 듀티비가 0.5 초과인 경우, 제7 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 톱 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고, 상기 제7 시간이 경과한 후, 상기 제7 시간에 이어지는 제8 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치가 온되고 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되고, 상기 제8 시간이 경과한 후, 상기 제7 시간과 동일한 제9 시간 동안 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 바텀 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고, 상기 제9 시간이 경과한 후, 상기 제8 시간과 동일한 제10 시간동안 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치가 온되고 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 3 레벨 벅-부스트 컨버터에서 플라잉 커패시터 전압 균형을 간단한 회로로 구현함으로써 스위치들의 양단 전압이 균등하게 인가되게 하고 인덕터 전류 리플을 줄임으로 효율을 개선할 수 있다.
또한, 빠른 속도로 플라잉 커패시터 전압 균형이 이루어지게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비(duty ratio, D)가 0.5 미만인 경우의 예시적인 동작 타이밍도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 미만인 경우의 각 동작 모드의 회로도를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 미만인 경우의 각 동작 모드의 간략화된 회로도를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우의 예시적인 동작 타이밍도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우의 각 동작 모드의 회로도를 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우의 각 동작 모드의 간략화된 회로도를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비(duty ratio, D)가 0.5 초과인 경우의 예시적인 동작 타이밍도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 초과인 경우의 각 동작 모드의 회로도를 나타낸 도면이고,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 초과인 경우의 각 동작 모드의 간략화된 회로도를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예는 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터로서, 인덕터(L), 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB), 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD), 플라잉(flying) 커패시터(CFLY), 밸런싱(balancing) 스위치(QBAL1, QBAL2), 톱(top) 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T) 및 바텀(bottom) 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)를 포함하여 구성된다.
이하의 설명에서, 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB), 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)는 전계효과트랜지스터일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
인덕터(L) 는 스위칭 노드(SW)와 그라운드 단자 사이에 직렬 연결되어 있다.
출력 커패시터(COUT)는 출력 전압(VOUT)이 출력되는 출력 단자(VOUT)와 그라운드 단자 사이에 연결되어 있다.
제1 스위치(QA)는 입력 전압(VIN)이 입력되는 입력 단자(VIN)와 톱 플레이트 노드(CP) 사이에 연결되어 있다.
제2 스위치(QB)는 톱 플레이트 노드(CP)와 스위칭 노드(SW) 사이에 연결되어 있다.
제3 스위치(QC)는 스위칭 노드(SW)와 바텀 플레이트 노드(CN) 사이에 연결되어 있다.
제4 스위치(QD)는 바텀 플레이트 노드(CN)와 출력 단자(VOUT) 사이에 연결되어 있다.
플라잉 커패시터(CFLY)는 톱 플레이트 노드(CP)와 바텀 플레이트 노드(CN) 사이에 연결되어 있다.
밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)는 스위칭 노드(SW)와 밸런싱 노드(BA) 사이에 연결되어 있다.
톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)는 입력 단자와 밸런싱 노드(BA) 사이에 연결되어 있다.
바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)는 밸런싱 노드(BA)와 출력 단자(VOUT) 사이에 연결되어 있다.
예를 들어, 플라잉 커패시터(CFLY)는 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 동작 중의 일부 시간 동안 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)와 병렬 연결되고, 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 동작 중의 다른 일부 시간 동안 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)에 병렬 연결되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)은 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)의 전압, 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)의 전압은 동일한 값을 갖도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY), 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)의 전압, 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)의 전압은 입력 전압에서 출력 전압을 감산한 값을 2로 나눈 값을 유지하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 구체적이고 예시적인 동작 구성을 설명한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터가 0.5 미만의 듀티비(duty ratio, D)에서 동작하는 경우, 1) 제1 시간 동안 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)가 병렬 연결되고, 2) 제1 시간이 경과한 후, 제1 시간에 이어지는 제2 시간 동안 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD)가 온되고 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되고, 3) 제2 시간이 경과한 후, 제1 시간과 동일한 제3 시간 동안 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)가 병렬 연결되고, 4) 제3 시간이 경과한 후, 제2 시간과 동일한 제4 시간동안 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD)가 온되고 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되도록 구성될 수 있다.
이러한 예시적인 구성을 도 2 내지 도 4를 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비(duty ratio, D)가 0.5 미만인 경우의 예시적인 동작 타이밍도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 미만인 경우의 각 동작 모드의 회로도를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 미만인 경우의 각 동작 모드의 간략화된 회로도를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 먼저, 제1 시간 동안 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD)가 오프되고, 플라잉 커패시터(CFLY)와 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)가 병렬 연결되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 입력 전압(VIN)으로 상승하고, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)으로 상승하며, 이 값(VIN-VCFLY)은 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값을 2로 나눈 값((VIN+VOUT)/2)에 근사화되어 실질적으로 동일한 값이다. 또한, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)으로 상승하며, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 상승한다.
다음으로, 제1 시간이 경과한 후, 제1 시간에 이어지는 제2 시간 동안 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD)가 온되고 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값(CFLY+VOUT)으로 하강하며, 이 값(CFLY+VOUT)은 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값을 2로 나눈 값((VIN+VOUT)/2)에 근사화되어 실질적으로 동일해진다. 또한, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)과 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 출력 전압(VOUT)으로 하강하며, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 하강한다.
다음으로, 제2 시간이 경과한 후, 제1 시간과 동일한 제3 시간 동안 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)가 병렬 연결되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값(CFLY+VOUT)을 유지하고, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값(CFLY+VOUT)으로 상승하며, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 출력 전압(VOUT)을 유지하고, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 상승한다.
다음으로, 제3 시간이 경과한 후, 제2 시간과 동일한 제4 시간동안 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD)가 온되고 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값(CFLY+VOUT)을 유지하며, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 출력 전압(VOUT)으로 하강하며, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 출력 전압(VOUT)을 유지하고, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 하강한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터가 0.5의 듀티비에서 동작하는 경우, 1) 제5 시간 동안 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)가 병렬 연결되고, 2) 제5 시간이 경과한 후, 제5 시간과 동일한 제6 시간 동안 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)가 병렬 연결되도록 구성될 수 있다.
이러한 예시적인 구성을 도 5 내지 도 7을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우의 예시적인 동작 타이밍도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우의 각 동작 모드의 회로도를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5인 경우의 각 동작 모드의 간략화된 회로도를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 먼저, 제5 시간 동안 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)가 병렬 연결되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 입력 전압(VIN)으로 상승하고, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)을 유지하는데, 이 값(VIN-VCFLY)은 0에 근사화되는 값이다. 또한, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY), 즉, 0으로 근사화되는 값으로 상승하며, 인덕터(L)의 전류(IL)는 일정한 값을 유지한다.
다음으로, 제5 시간이 경과한 후, 제5 시간과 동일한 제6 시간 동안 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)가 병렬 연결되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 출력 전압(VOUT)과 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 합산한 값(VOUT+VCFLY), 즉, 0으로 근사화되는 값으로 하강하며, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 출력 전압(VOUT)과 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 합산한 값(VOUT+VCFLY)이 되는데, 이 값(VOUT+VCFLY)은 0에 근사화되는 값이다. 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 출력 전압(VOUT)으로 하강하고, 인덕터(L)의 전류(IL)는 일정한 값을 유지한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 레벨 벅-부스트 컨버터가 0.5 초과의 듀티비에서 동작하는 경우, 1) 제7 시간 동안 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)가 병렬 연결되고, 2) 제7 시간이 경과한 후, 제7 시간에 이어지는 제8 시간 동안 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB)가 온되고 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되고, 3) 제8 시간이 경과한 후, 제7 시간과 동일한 제9 시간 동안 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)가 병렬 연결되고, 4) 제9 시간이 경과한 후, 제8 시간과 동일한 제10 시간동안 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB)가 온되고 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되도록 구성될 수 있다.
이러한 예시적인 구성을 도 8 내지 도 10을 추가로 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비(duty ratio, D)가 0.5 초과인 경우의 예시적인 동작 타이밍도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 초과인 경우의 각 동작 모드의 회로도를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 듀티비가 0.5 초과인 경우의 각 동작 모드의 간략화된 회로도를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 먼저, 제7 시간 동안 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 톱 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_T)가 병렬 연결되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 입력 전압(VIN)을 유지하고, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)으로 하강하며, 이 값(VIN-VCFLY)은 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값을 2로 나눈 값((VIN+VOUT)/2)에 근사화되어 실질적으로 동일한 값이다. 또한, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)을 유지하며, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 하강한다.
다음으로, 제7 시간이 경과한 후, 제7 시간에 이어지는 제8 시간 동안 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB)가 온되고 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 입력 전압(VIN)을 유지하고, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 입력 전압(VIN)으로 상승하고, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)을 유지하며, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 상승한다.
다음으로, 제8 시간이 경과한 후, 제7 시간과 동일한 제9 시간 동안 제2 스위치(QB), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 온되고 제1 스위치(QA), 제3 스위치(QC)가 오프되어, 플라잉 커패시터(CFLY)와 바텀 밸런싱 커패시터(CFLY_BAL_B)가 병렬 연결되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)은 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값(CFLY+VOUT)으로 하강하고, 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값(VCFLY+VOUT)으로 하강하며, 이 값(VCFLY+VOUT)은 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT)을 합산한 값을 2로 나눈 값((VIN+VOUT)/2)에 근사화되어 실질적으로 동일한 값이다. 또한, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 출력 전압(VOUT)으로 하강하고, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 하강한다.
다음으로, 제9 시간이 경과한 후, 제8 시간과 동일한 제10 시간동안 제1 스위치(QA), 제2 스위치(QB)가 온되고 제3 스위치(QC), 제4 스위치(QD), 밸런싱 스위치(QBAL1, QBAL2)가 오프되면, 톱 플레이트 노드(CP)의 전압(VCP)과 스위칭 노드(SW)의 전압(VSW)은 입력 전압(VIN)으로 상승하고, 바텀 플레이트 노드(CN)의 전압(VCN)은 입력 전압(VIN)에서 플라잉 커패시터(CFLY)의 전압(VCFLY)을 감산한 값(VIN-VCFLY)으로 상승하며, 인덕터(L)의 전류(IL)는 점진적으로 상승한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 3 레벨 벅-부스트 컨버터에서 플라잉 커패시터 전압 균형을 간단한 회로로 구현함으로써 스위치들의 양단 전압이 균등하게 인가되게 하고 인덕터 전류 리플을 줄임으로 효율을 개선할 수 있다.
또한, 빠른 속도로 플라잉 커패시터 전압 균형이 이루어지게 할 수 있는 효과가 있다.
L: 인덕터
QA: 제1 스위치
QB: 제2 스위치
QC: 제3 스위치
QD: 제4 스위치
CFLY: 플라잉(flying) 커패시터
QBAL1, QBAL2: 밸런싱(balancing) 스위치
CFLY_BAL_T: 톱(top) 밸런싱 커패시터
CFLY_BAL_B: 바텀(bottom) 밸런싱 커패시터
CIN: 입력 커패시터
COUT: 출력 커패시터
SW: 스위칭 노드
CP: 톱 플레이트(plate) 노드
CN: 바텀 플레이트 노드
BA: 밸런싱 노드

Claims (7)

  1. 플라잉 커패시터 전압 밸런싱 회로를 포함하는 3 레벨 벅-부스트 컨버터로서,
    스위칭 노드와 그라운드 단자 사이에 직렬 연결된 인덕터;
    출력 전압이 출력되는 출력 단자와 그라운드 단자 사이에 연결된 출력 커패시터;
    입력 전압이 입력되는 입력 단자와 톱 플레이트 노드 사이에 연결된 제1 스위치;
    상기 톱 플레이트 노드와 상기 스위칭 노드 사이에 연결된 제2 스위치;
    상기 스위칭 노드와 바텀 플레이트 노드 사이에 연결된 제3 스위치;
    상기 바텀 플레이트 노드와 상기 출력 단자 사이에 연결된 제4 스위치;
    상기 톱 플레이트 노드와 상기 바텀 플레이트 노드 사이에 연결된 플라잉 커패시터;
    상기 스위칭 노드와 밸런싱 노드 사이에 연결된 밸런싱 스위치;
    상기 입력 단자와 상기 밸런싱 노드 사이에 연결된 톱 밸런싱 커패시터; 및
    상기 밸런싱 노드와 상기 출력 단자 사이에 연결된 바텀 밸런싱 커패시터를 포함하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터는 상기 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 동작 중의 일부 시간 동안 상기 톱 밸런싱 커패시터와 병렬 연결되고, 상기 3 레벨 벅-부스트 컨버터의 동작 중의 다른 일부 시간 동안 상기 바텀 밸런싱 커패시터에 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터의 전압은 상기 톱 밸런싱 커패시터의 전압, 상기 바텀 밸런싱 커패시터의 전압은 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라잉 커패시터의 전압, 상기 톱 밸런싱 커패시터의 전압, 상기 바텀 밸런싱 커패시터의 전압은 상기 입력 전압에서 상기 출력 전압을 감산한 값을 2로 나눈 값을 유지하는 것을 특징으로 하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    듀티비(duty ratio, D)가 0.5 미만인 경우,
    제1 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 톱 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 제1 시간이 경과한 후, 상기 제1 시간에 이어지는 제2 시간 동안 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되고,
    상기 제2 시간이 경과한 후, 상기 제1 시간과 동일한 제3 시간 동안 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 바텀 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 제3 시간이 경과한 후, 상기 제2 시간과 동일한 제4 시간동안 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되는 것을 특징으로 하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    듀티비가 0.5인 경우,
    제5 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 톱 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 제5 시간이 경과한 후, 상기 제5 시간과 동일한 제6 시간 동안 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 바텀 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    듀티비가 0.5 초과인 경우,
    제7 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 톱 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 제7 시간이 경과한 후, 상기 제7 시간에 이어지는 제8 시간 동안 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치가 온되고 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되고,
    상기 제8 시간이 경과한 후, 상기 제7 시간과 동일한 제9 시간 동안 상기 제2 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 온되고 상기 제1 스위치, 상기 제3 스위치가 오프되어, 상기 플라잉 커패시터와 상기 바텀 밸런싱 커패시터가 병렬 연결되고,
    상기 제9 시간이 경과한 후, 상기 제8 시간과 동일한 제10 시간동안 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치가 온되고 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 밸런싱 스위치가 오프되는 것을 특징으로 하는, 3 레벨 벅-부스트 컨버터.
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