KR20240026990A - 전기 시스템에서의 에너지 회수 - Google Patents
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Abstract
시스템의 각각의 작동 사이클 동안 시스템이 기능을 수행한 후에 전기 또는 전자기 시스템에 남아 있는 과량의 에너지를 회수할 수 있는 에너지 회수 시스템 및 방법이 설명된다. 회수된 에너지는 다음 작동 사이클의 시작을 위해 이용 가능할 수 있다. 에너지 회수 회로는 높은 전압 및/또는 높은 전류 펄스 전력 응용에 적합하다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 35 U.S.C. § 119(e)에 따라, 발명의 명칭이 "Energy Recovery in Electrical Systems"인 2021년 6월 3일에 출원된 미국 가출원 특허 제63/196,469호에 대한 우선권 이익을 주장하며, 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다.
일부 전기, 전자기 및 전기기계 시스템은 일부 기능을 수행하기 위해 유도성, 저항성 및/또는 용량성 부하를 통해 전류를 구동할 수 있으며, 이는, 예를 들어 전기장을 생성하고, 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하고/하거나 자기장을 생성하는 것일 수 있다. 일부 경우에, 전류는 주기적인 파형으로 인가되어, 매 사이클마다 전류의 인가를 반복할 수 있다. 상기 기능이 수행된 후, 부하 또는 부하에 연결된 다른 회로에 상당한 양의 에너지가 남을 수 있으며(예: 인덕터 및/또는 커패시터에 저장됨), 이는 다음 사이클이 발생하기 전에 소산되고 손실될 수 있다. 이러한 에너지 손실이 발생할 수 있는 예시적인 장치는 전자기 형성 및 자기 스웨이징 장치, 레일 건, 및 플라즈마, 이온, 또는 원자 입자를 제한하고/하거나 가속하는 장치를 포함한다.
설명된 구현예는 커패시터 및/또는 인덕터와 같은 에너지 저장 컴포넌트를 갖는 부하를 포함할 수 있는 전기 시스템의 에너지 회수에 관한 것이다. 전기 시스템은 반복 사이클로 작동하여 기능을 반복적으로 수행할 수 있다. 각각의 사이클은, 전기 시스템이 사이클의 부분 동안 달성하는 다수의 작동 상태를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사이클은, 전기 시스템 내의 적어도 하나의 컴포넌트가 전력 공급되는 제1 상태에 배치된 전기 시스템으로 시작하고, 하나 이상의 추가 상태를 통과하는 동안 컴포넌트(들)로부터의 에너지가 부하로 전달되고 기능이 수행되는 동안, 부하로부터 에너지를 회수하기 위해 하나 이상의 상태에 배치된 다음, 사이클에 대한 최종 상태에 있는 시스템으로 종료될 수 있다. 그런 다음, 시스템은 다음 사이클의 시작 시 최종 상태로부터 제1 상태로 진행할 수 있으며, 여기서 회수된 에너지는 다음 사이클 동안 부하에 인가하기 위해 이용 가능하게 될 수 있다. 이와 관련하여, 각각의 작동 사이클 동안 시스템으로부터의 에너지 회수는, 본원에 설명된 에너지 회수 회로 없으면, 손실되거나 낭비될 시스템 에너지의 재활용을 의미한다.
본원에 설명된 전기 시스템은 시스템 기능을 수행한 후 부하로부터 에너지를 시스템의 다음 작동 사이클 동안 에너지 저장 컴포넌트로 다시 수신할 수 있는 에너지 회수 회로 경로를 갖춘 회로를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 회수된 에너지는 시스템의 기능(들)의 후속 수행을 위해 다시 사용될 수 있고, 시스템에 의해 소비된 에너지의 총량은, 에너지가 다음 사이클 동안 회수되지 않고 대신 소산되는 경우보다 상당히 적을 수 있다. 일부 경우에, 회수된 에너지의 양은 이전 사이클에서 부하에 인가된 에너지의 90%를 초과할 수 있다.
일부 경우에, 각 사이클 동안 부하로부터 수신된 에너지는 외부 사용을 위해 획득될 수 있다. 예를 들어, 부하에 의해 수행되는 기능은 에너지를 발생시키는 것일 수 있다. 각 사이클에서 생성된 과량의 에너지는 외부 사용을 위해 빼낼 수 있다.
일부 회로 응용은 높은 피크 전류(예: 106 암페어 초과) 및/또는 높은 피크 전압(예: 103 볼트 초과)을 포함할 수 있다. 또한, 이들 회로 응용은 각 사이클에 대해 빠른 스위칭 및 짧은 전류 펄스를 갖는 펄스 모드에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 펄스 지속 시간은 일부 구현예에 따라 1 마이크로초 내지 500 마이크로초의 전폭 반최대 값을 가질 수 있다. 일부 경우에, 펄스 지속 시간은 1 마이크로초보다 짧을 수 있다. 일부 경우에, 펄스 지속 시간은 500 마이크로초보다 길 수 있다. 이러한 펄스 지속 시간 동안의 피크 전력은 일부 경우에 최대 1 기가와트이거나 1 기가와트를 초과할 수 있다. 본원에 설명된 회로는 이러한 펄스형 고전력 시스템을 취급하기에 적합하다.
본원에 설명된 회로의 일 양태는 이러한 높은 전류 및 전압을 스위칭할 수 있는 방향 스위치이다. 방향 스위칭 회로는 하나 이상의 순방향 다이오드와 직렬로 하나 이상의 스위칭 요소(예: 실리콘 제어 정류기)를 포함한다. 다이오드는, 스위치가 차단 모드로 진입할 때 방향 스위치에 부과되는 대부분의 회수 에너지를 흡수할 수 있다. 순방향 다이오드로 인해, 스위칭 요소는 그렇지 않으면 그의 작동 한계를 초과하는 전력 레벨로 작동될 수 있다.
일부 구현예는 반복 사이클에서 부하에 에너지를 전달하고 상기 에너지의 일부를 회수하기 위한 회로에 관한 것이다. 이러한 회로는 전압원 또는 전류원으로부터 에너지를 수신하기 위한 에너지 저장 컴포넌트 및 상기 에너지 저장 컴포넌트를 제1 회로 경로를 따라 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제1 스위치로서, 상기 제1 스위치는, 상기 제1 스위치가 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 제1 상태에 있을 때, 순방향 전류가 상기 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 흐르도록, 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 제1 스위치를 포함할 수 있다. 이러한 회로는 추가로, 상기 에너지 저장 컴포넌트를 제2 회로 경로를 따라 상기 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제2 스위치로서, 상기 제2 회로 경로는, 적어도 부분적으로, 상기 제1 회로 경로와 상이하고, 상기 제2 스위치는, 상기 제2 스위치가 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제2 스위치의 제1 상태에 있을 때, 상기 부하로부터의 에너지가 상기 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되어, 상기 복귀된 에너지의 적어도 일부가 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 이용 가능하도록, 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 제2 스위치를 포함할 수 있다.
일부 구현예는 반복 사이클로 작동하는 시스템의 부하로부터 에너지를 회수하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 다음과 같은 행위를 포함할 수 있다: 회로의 제1 에너지 저장 컴포넌트에 제1 양의 에너지를 저장하는 단계; 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 제1 양의 에너지의 적어도 일부를 상기 회로의 제1 회로 경로를 따라 상기 부하까지 전달하되, 상기 부하는 제2 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는 단계; 및 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안, 상기 회로의 제2 회로 경로를 따라 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 제2 양의 에너지를 복귀시켜, 상기 복귀된 제2 양의 에너지의 적어도 일부가 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 대해 이용 가능하도록 하되, 상기 제2 회로 경로는, 적어도 부분적으로, 상기 제1 회로 경로와 상이한 단계.
일부 구현예는 반복 사이클로 작동하는 시스템의 부하로부터 에너지를 회수하도록 회로를 조립하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 다음과 같은 행위를 포함할 수 있다: 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 에너지 저장 컴포넌트를 부하에 가역적으로 결합하도록 제1 회로 경로에 제1 스위치를 배열하여, 상기 제1 스위치가 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 제1 상태에 있을 때, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 회로 경로를 따라 상기 부하에 에너지를 전달하도록 하는 단계; 및 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 제2 회로 경로를 따라 상기 에너지 저장 컴포넌트에 상기 부하를 가역적으로 결합하도록 상기 제1 회로 경로와, 적어도 부분적으로, 상이한 상기 제2 경로에 제2 스위치를 배열하여, 상기 제2 스위치가 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제2 스위치의 제1 상태에 있을 때, 에너지는 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 부하로부터 상기 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되고, 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 대해 이용 가능하도록 하는 단계.
일부 구현예는 회로에서 전자기 에너지를 회수하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템은 제1 에너지 저장 컴포넌트, 제2 에너지 저장 컴포넌트, 부하, 및 전류가 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상지 제2 에너지 저장 컴포넌트로 그리고 상기 부하로 흐르도록 상기 시스템의 작동 사이클의 제1 부분 동안 제1 회로 경로를 따라 상기 부하에 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트 및 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트를 가역적으로 결합하기 위한 제1 스위치를 포함할 수 있다. 이러한 시스템은 추가로, 상기 제1 회로 경로와, 적어도 부분적으로, 상이하고, 상기 작동 사이클의 제2 부분 동안 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 상기 부하를 가역적으로 결합하기 위한 제2 스위치를 갖는 제2 회로 경로로서, 상기 제2 회로 경로는 상기 부하로부터 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 에너지를 복귀시키도록 구성되어, 상기 복귀된 에너지는 상기 시스템의 다음 작동 사이클의 시작에 대해 이용 가능하고 상기 작동 사이클의 제2 부분의 종료에서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 전압 극성이 상기 작동 사이클의 제1 부분의 시작에서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 상기 전압 극성과 동일한 전압 극성인, 제2 회로 경로를 포함할 수 있다.
전술한 개념 및 더욱 상세히 후술되는 추가 개념의 모든 조합은 (이러한 개념이 상호 모순되지 않는 한) 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 고려된다. 특히, 본 개시의 종료에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본원에 개시된 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 고려된다. 참고로 포함된 임의의 개시에도 나타날 수 있는 본원에 명시적으로 사용된 용어에는 본원에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미가 부여되어야 한다.
당업자는 도면이 주로 예시적인 목적을 위한 것이며 본원에 기술된 본 발명의 주제의 범주를 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 도면은 반드시 축척에 비례하는 것은 아니며; 일부 경우에, 본원에 개시된 본 발명의 주제의 다양한 양태는 상이한 특징의 이해를 용이하게 하기 위해 도면에서 과장되거나 확대될 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 일반적으로 유사한 특징(예: 기능적으로 유사하고/하거나 구조적으로 유사한 컴포넌트)을 지칭한다.
도 1a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 회로에 대한 일련의 작동 상태를 도시한다.
도 1c는 도 1b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 예시적인 전압 파형을 도시한다.
도 1d는 도 1b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 부하에 인가되는 예시적인 전류 파형을 도시한다.
도 1e는 도 1a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델이다.
도 2a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 2c는 도 2a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 2d는 도 2a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 2e는 도 2d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 2f는 도 2d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 3a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 3b는 도 3a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 3c는 도 3a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 4a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 회로에 대한 일련의 작동 상태를 도시한다.
도 4c는 도 4b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 예시적인 전압 파형을 도시한다.
도 4d는 도 4b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 부하에 인가되는 예시적인 전류 파형을 도시한다.
도 4e는 도 4c 및 도 4d에 사용된 것과는 다른 인덕턴스 값을 갖는 도 4b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 부하에 인가되는 예시적인 전류 파형을 도시한다.
도 5a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 5c는 도 5a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 5d는 도 5a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 5e는 도 5d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 5f는 도 5d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 6a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 6c는 도 6a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 7a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 7b는 도 7a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 7c는 도 7a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 7d는 도 7a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 7e는 도 7d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 7f는 도 7d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 8a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 8b는 도 8a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 8c는 도 8a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 8d는 도 8a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 8e는 도 8d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 8f는 도 8d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 8g는 도 8a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 8h는 도 8g의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 8i는 도 8g의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 9a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 9b는 도 9a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 9c는 도 9a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 10b는 도 10a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10c는 도 10a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10d는 도 10a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 10e는 도 10d의 회로의 적층된 변형을 도시한다.
도 11a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 11b는 도 11a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 11c는 도 11a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 12a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 12b는 도 12a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 12c는 도 12a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 12d는 도 12a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 12e는 도 12d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 12f는 도 12d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 13a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 13b는 도 13a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 13c는 도 13a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 14a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 14b는 도 14a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 14c는 도 14a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 14d는 도 14a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 14e는 도 14d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 14f는 도 14d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 15a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 15b는 도 15a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 15c는 도 15a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 16a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 16b는 도 16a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 16c는 도 16a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 17a는 직렬로 연결된 복수의 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17b는 직렬로 연결된 복수의 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17c는 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17d는 다이오드와 직렬로 연결된 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17e는 순방향 다이오드와 직렬로 연결되고 역방향 다이오드와 병렬로 연결된 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17f는 양방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 18a는 부하의 일부에 에너지를 전달할 수 있는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 18b는 도 18a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 18c는 도 18a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 19a는 두 개의 상이한 속도로 부하에 에너지를 전달할 수 있는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 19b는 도 19a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 19c는 도 19a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다. 도 19d는 도 19a의 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 19e는 도 19a의 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 20a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다. 상기 회로는 원하는 시간 간격 동안 부하를 통한 전류 흐름을 유지할 수 있다.
도 20b는 도 20a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 20c는 도 20a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 21은 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다. 상기 회로는 에너지 저장 컴포넌트 상의 전압 반전, 전류 유지, 및 펄스 성형의 여러 특징을 조합한다.
도 22a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다. 상기 회로는 에너지 저장 컴포넌트 상의 전압 반전 및 펄스 성형의 여러 특징을 조합한다.
도 22b는 도 22a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 22c는 도 22a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 1a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 회로에 대한 일련의 작동 상태를 도시한다.
도 1c는 도 1b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 예시적인 전압 파형을 도시한다.
도 1d는 도 1b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 부하에 인가되는 예시적인 전류 파형을 도시한다.
도 1e는 도 1a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델이다.
도 2a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 2c는 도 2a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 2d는 도 2a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 2e는 도 2d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 2f는 도 2d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 3a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 3b는 도 3a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 3c는 도 3a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 4a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 회로에 대한 일련의 작동 상태를 도시한다.
도 4c는 도 4b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 예시적인 전압 파형을 도시한다.
도 4d는 도 4b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 부하에 인가되는 예시적인 전류 파형을 도시한다.
도 4e는 도 4c 및 도 4d에 사용된 것과는 다른 인덕턴스 값을 갖는 도 4b와 관련하여 설명된 상태(S1 내지 S6)에 대한 부하에 인가되는 예시적인 전류 파형을 도시한다.
도 5a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 5c는 도 5a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 5d는 도 5a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 5e는 도 5d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 5f는 도 5d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 6a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 6c는 도 6a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 7a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 7b는 도 7a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 7c는 도 7a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 7d는 도 7a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 7e는 도 7d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 7f는 도 7d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 8a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 8b는 도 8a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 8c는 도 8a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 8d는 도 8a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 8e는 도 8d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 8f는 도 8d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 8g는 도 8a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 8h는 도 8g의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 8i는 도 8g의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 9a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 9b는 도 9a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 9c는 도 9a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 10b는 도 10a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10c는 도 10a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10d는 도 10a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 10e는 도 10d의 회로의 적층된 변형을 도시한다.
도 11a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 11b는 도 11a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 11c는 도 11a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 12a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 12b는 도 12a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 12c는 도 12a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 12d는 도 12a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 12e는 도 12d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 12f는 도 12d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 13a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 13b는 도 13a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 13c는 도 13a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 14a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 14b는 도 14a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 14c는 도 14a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 14d는 도 14a의 에너지 회수 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 14e는 도 14d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 14f는 도 14d의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 15a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 15b는 도 15a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 15c는 도 15a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 16a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 16b는 도 16a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 16c는 도 16a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 17a는 직렬로 연결된 복수의 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17b는 직렬로 연결된 복수의 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17c는 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17d는 다이오드와 직렬로 연결된 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17e는 순방향 다이오드와 직렬로 연결되고 역방향 다이오드와 병렬로 연결된 SCR을 포함하는 방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 17f는 양방향 스위치에 대한 개략도를 도시한다.
도 18a는 부하의 일부에 에너지를 전달할 수 있는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 18b는 도 18a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 18c는 도 18a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 19a는 두 개의 상이한 속도로 부하에 에너지를 전달할 수 있는 전기 시스템용 회로를 도시한다.
도 19b는 도 19a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 19c는 도 19a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다. 도 19d는 도 19a의 회로의 단순화된 모델을 도시한다.
도 19e는 도 19a의 회로의 단순화된 모델 및 변형을 도시한다.
도 20a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다. 상기 회로는 원하는 시간 간격 동안 부하를 통한 전류 흐름을 유지할 수 있다.
도 20b는 도 20a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 20c는 도 20a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 21은 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다. 상기 회로는 에너지 저장 컴포넌트 상의 전압 반전, 전류 유지, 및 펄스 성형의 여러 특징을 조합한다.
도 22a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 회로를 도시한다. 상기 회로는 에너지 저장 컴포넌트 상의 전압 반전 및 펄스 성형의 여러 특징을 조합한다.
도 22b는 도 22a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전압 파형을 도시한다.
도 22c는 도 22a의 회로에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
1. 에너지 회수 시스템 소개
유도성 컴포넌트(예: 입자 촉진제)를 갖는 종래의 펄스형 또는 주기적 전기 시스템은 시스템에 의해 일부 작동을 수행(예: 입자를 가속)하기 위해 유도성 컴포넌트에 전달되는 미활용 에너지를 낭비하여 것이 일반적이다. 종종, 활용되지 않은 에너지는 열의 형태로 낭비된다. 이러한 에너지 낭비는 작동 비용 및 에너지 소비를 증가시킬 수 있고, 시스템이 유용한 작업을 수행할 수 있는 속도를 늦출 수 있다.
본 발명자는 펄스형 또는 주기적 전기 시스템의 에너지 회수가 매우 유익할 수 있음을 인식하고 이해하였다. 효율적인 에너지 회수는, 특히 고전력 시스템에서, 시스템 작동 비용을 낮출 수 있다. 낭비되고 회수되지 않은 에너지로부터 열이 발생되는 시스템에서, 에너지 회수를 구현하는 것은 또한 (예: 냉각 요구를 줄이고/줄이거나 사이클 당 공급으로부터 필요한 입력 에너지의 양을 줄임으로써) 더 높은 반복 속도로 작동을 허용할 수 있으며, 이는 더 높은 시스템 생산성을 초래할 수 있다.
본 발명자는, 맞춤형 펄스 형상뿐만 아니라 높은 전류(예: 106 암페어 초과) 및/또는 높은 전압(예: 103 볼트 초과)의 스위칭을 포함하는 펄스형 시스템으로 작업할 때 문제가 발생한다는 것을 추가로 인식하고 이해하였다. 본 발명자는 또한 전류의 스위칭이 매우 짧은 시간 규모(예: 수백 마이크로초 이하)에 걸쳐 발생해야 할 때 추가적인 문제가 발생한다는 것을 깨달았다. 이러한 시스템의 문제는 작동 중에 스위치에 부과된 높은 전류, 열 및/또는 전압 바이어스를 견딜 수 있는 스위치를 설계하는 것 및 전기 컴포넌트를 효율적으로 사용하면서도 컴포넌트를 위험으로부터 보호할 수 있는 회로를 설계하는 것에 관한 것이다. 후술되는 에너지 회수 기술의 이점을 누릴 수 있는 일부 펄스형 전력 응용은 전자기 형성 및 자기 스웨이징 장치, 레일 건, 및 플라즈마, 이온, 또는 원자 입자를 제한하고/하거나 가속하기 위한 장치를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
2. 에너지 회수 회로의 예
2.1 에너지 회수 회로 개요
도 1a 내지 도 16a 및 도 20a 내지 도 21은 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동할 수 있는 전기 시스템용 회로의 다양한 예를 도시한다. 상기 회로는 높은 전류 및/또는 높은 전압으로 작동할 뿐만 아니라 고속으로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예시적인 회로의 경우, 부하는 인덕터(L1)로서 도시된다. 실제 구현예에서, 부하는 인덕턴스를 갖는 일부 장치(예: 강한 자기장을 생성하는 데 사용되는 자기 코일)일 수 있다. 일부 경우에, 부하는 또한 커패시턴스 및/또는 저항을 갖거나 이로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 부하는 인덕턴스, 커패시턴스 및 저항의 일부 조합을 가질 수 있다.
예시적인 회로는 또한, 부하로 에너지가 전달되고/되거나 부하로부터 에너지가 회수되는 적어도 하나의 에너지 저장 컴포넌트(도시된 회로의 경우 커패시터(들))를 포함한다. 고전력 응용에서, 각각의 에너지 저장 컴포넌트는 다량의 에너지를 저장하기 위한 커패시터 뱅크일 수 있다. 일부 구현예에서, 에너지 저장 컴포넌트는 인덕턴스 및/또는 저항을 포함할 수 있다. 부하가 주로 용량성일 때, 에너지 저장 컴포넌트는 주로 유도성일 수 있다. 일부 경우에, 에너지 저장 컴포넌트는 플라이휠에 결합된 전자기 발생기 또는 모터일 수 있으며, 여기서 전자기 에너지는 플라이휠에 저장된 기계 에너지로 변환된 다음 회전 플라이휠로부터 전자기 에너지로 다시 변환될 수 있다.
일부 회로의 경우, 동일한 에너지 저장 컴포넌트가 부하에 에너지를 전달하고 부하로부터 에너지를 회수하는 데 사용된다. 일부 회로에서, 에너지 저장 컴포넌트 상의 전압의 극성은 시스템이 에너지 전달에서 에너지 회수로 전환할 때 역전된다. 이는 에너지 회수를 위한 추가적인 별도의 에너지 저장 컴포넌트를 제거할 수 있지만, 높은 전압 및 전류에서 작동할 때 단일 에너지 저장 컴포넌트에 더 높은 기술적 요구 사항을 부과할 수 있다. 즉, 에너지 저장 컴포넌트는 순방향 및 역방향 모드 모두에서 이러한 높은 전압 및 전류를 처리하도록 설계되어야 한다. 일부 에너지 저장 컴포넌트(예: 전해질 커패시터)는 이러한 조건 하에서 작동할 수 없을 것이다. 따라서, 본원에 개시된 양태는 에너지 저장 컴포넌트(들) 상의 전압의 극성이 역전되지 않는 일부 회로를 포함한다.
아래에 나타낸 회로 배열은, 전술한 문제를 해결하면서, 저 에너지 및 고 에너지 응용 분야, 및 저속 및 고속 스위칭 응용 분야에서 에너지 회수를 가능하게 한다. 에너지 회수 회로의 제1 예는 도 2a 내지 도 16a에 이어지는 에너지 회수 회로에 의해 공유되는 양태를 포함하는 도 1a와 관련하여 자세히 설명된다. 도 17a 내지 도 17f 및 이들의 관련 논의는 에너지 회수 회로에 사용될 수 있는 예시적인 스위칭 회로를 설명한다. 도 18a 내지 도 20a는 에너지 회수 회로의 작동 사이클 동안 특정 기능을 수행하기 위해 에너지 회수 회로에 사용될 수 있는 예시적인 하위 회로를 도시한다. 이러한 기능은, 부하에 걸리는 공급 전압이 몇 배(도 18의 예에서 2)로 증가되는 부하의 부분으로의 에너지의 신속한 전달, 펄스 성형, 및 평평한 상부 전류 펄스의 생성을 포함할 수 있다. 도 21, 도 22a 및 이들의 관련 논의는 하위 회로와 스위칭 회로의 상이한 조합을 갖는 에너지 회수 회로에 관한 것이다.
일부 구현예에서, 도 1a 내지 도 16a 및 도 20a 내지 도 21은 강한 자기장을 생성하기 위해 (L1 또는 L_load로 표시된) 단일 회전 또는 분할 전자기 코일을 통해 큰 전류를 구동하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 펄스에서의 전류의 양은 100,000 암페어(A) 내지 200,000,000 A, 또는 이 범위 내의 임의의 하위 범위(예: 500,000 A 내지 200,000,000 A)의 피크 값을 가질 수 있다. 일부 경우에 더 높거나 더 낮은 전류 값이 사용될 수 있다. 생성될 수 있는 피크 자기장은 0.1 테슬라(T) 내지 50 T 범위의 값, 또는 이 범위 내의 임의의 하위 범위를 가질 수 있다. 일부 경우에 더 높거나 낮은 자기장이 생성될 수 있다. 단일 회전 및 분할 전자기 코일의 예는 발명의 명칭이 "Inertially-Damped Segmented Coils for Generating High Magnetic Fields"이고 2021년 6월 14일에 출원된 미국 특허 출원 제63/210,416호에서 찾을 수 있으며, 이의 전체 개시 내용은 참조로서 통합된다. 후술하는 에너지 회수 회로는 회로 컴포넌트의 정비 또는 교체 없이 최대 10,000 사이클 동안 작동할 수 있지만, 부하는 더 적은 사이클로 정비 또는 교체가 필요할 수 있다.
2.2 에너지 회수 회로의 상이한 유형의 세부 사항
이 섹션은 부하로부터 에너지를 회수하기 위한 시스템에 사용될 수 있는 도 1a 내지 도 16a에 도시된 다수의 상이한 회로를 설명한다. 에너지는, 예를 들어, 시스템 작동의 각 사이클에 대한 전류 펄스로 부하에 제공될 수 있다. 아래의 회로는 각 사이클에서 부하에 제공된 에너지의 일부를 회수할 수 있다. 에너지 회수에 사용되는 회로의 유형은 특정 응용에 따라 달라질 수 있다. 이와 관련하여, 후술하는 에너지 회수 회로 중 일부는 회로가 사용될 특정 응용에 대해 후술하는 다른 에너지 회수 회로에 비해 유리할 수 있다.
2.2a 샘플 에너지 회수 회로의 설명
도 1a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동할 수 있는 에너지 회수 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 상기 시스템(100)은 (스위치(SW1) 및 도면에서 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 좌측까지의 컴포넌트를 포함하는) 공급 장치 회로, 부하(120), (제1 방향 스위치(110), 에너지 저장 컴포넌트(C1), 제2 방향 스위치(130), 및 도시된 구현을 위한 (저항기(R6) 및 커패시터(C2)를 포함하는) 스너버 회로를 포함하는) 에너지 회수 회로로 분할될 수 있다.
시스템의 공급 장치 회로는, 스위치(SW1)로 배열되거나 그렇지 않으면 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 공급 전압으로 충전한 다음 에너지 회수 회로로부터 분리하거나 격리하도록 제어되는 (전압 또는 전류 공급 장치일 수 있는) 공급 장치 V supp 를 포함할 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트는, 커패시터 또는 커패시터 뱅크와 같은, 하나 이상의 에너지 저장 컴포넌트일 수 있다. 공급 장치 V supp 와 에너지 저장 컴포넌트(C1) 사이에는 하나 이상의 회로 컴포넌트가 연결될 수 있다. 도시된 예에서, 다이오드(D1), 제1 저항기(R1), 및 병렬 연결 저항기(R2)는 공급 장치 V supp 와 에너지 저장 컴포넌트(C1) 사이에서 직렬로 연결된다. 이들 컴포넌트는 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 대한 에너지 전달 속도를 결정하도록 선택될 수 있다. 다이오드(D1)는 역방향 전압과 그렇지 않으면 잠재적으로 공급 장치에 해를 끼칠 수 있는 공급 장치 V supp 로 역류할 수 있는 기본적으로 시스템 작동 중의 모든 역방향 전류를 차단할 수 있다. 스위치(SW2)는 시스템의 비상 정지로서 사용되는 크로바(crowbar) 또는 킬 스위치로서 기능하기 위해 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 다이오드(D2)는 스위치(SW1) 또는 스위치(SW2)가 개방되고 폐쇄될 때 발생할 수 있는 일시적인 스파이크로부터 충전 회로를 보호할 수 있다.
도 1a의 공급 장치 회로는 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 충전하는 데 사용될 수 있는 공급 장치 회로의 일례이다. 본 발명은 도시된 공급 장치 회로에만 한정되지 않는다. 공급 장치 회로에 대한 다른 회로 구성이 가능하다.
에너지 저장 컴포넌트(C1)는 제1 방향 스위칭 회로(110)를 통해 부하(120)에 연결(가역적으로 결합)될 수 있다(순방향). 순방향은 충전된 후 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 부하로 에너지가 초기에 전달될 때 부하(120)를 통한 에너지 흐름의 방향이다. 역방향은 부하(120)를 통해 전류가 반대 방향으로 흐르는 것이다. 에너지 저장 컴포넌트는 또한 제2 방향 스위칭 회로(130)를 갖는 부하(120)에 가역적으로 결합될 수 있다(역방향). 부하는 다량의 전류를 흡인하는 임의의 유형의 컴포넌트 또는 장치일 수 있다. 일례로서, 부하는 (예: 0.1 테슬라를 초과하는) 강한 자기장을 생성하는 데 사용되는 전자기 코일이다. 이러한 부하는 제1 저항기(R7)과 직렬인 인덕터(L1)로 모델링될 수 있지만, 부하는 본원에 설명된 바와 같은 임의의 적절한 구성을 가질 수 있는 것으로 이해된다.
순방향 스위칭 회로(110)는 순방향 다이오드(D3)와 직렬로 연결된 하나 이상의 스위칭 요소(SC1)(예: 도시된 회로의 실리콘 제어 정류기(SCR))을 포함할 수 있다. 단일 다이오드로서 도시되었지만, 순방향 다이오드(D3)는 직렬로 연결된 다수의 다이오드를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 순방향 다이오드(D3)는 병렬로 연결된 다수의 다이오드를 포함할 수 있다. 다른 유형의 스위칭 요소(예: 제어된 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 전력 전계 효과 트랜지스터(전력 FET), 접합부 전계 효과 트랜지스터(JFET) 등)가 SCR 대신에 다른 구현예에 사용될 수 있다. SCR의 바람직한 특징은 자체 정류가 될 수 있고, SCR을 통한 순방향 전류가 유지 전류 아래로 떨어질 때 자동으로 꺼진다는 것이다. 일부 구현예의 경우, 스위칭 회로의 적어도 하나의 SCR은 장치의 캐소드와 애노드 사이의 전류 흐름을 개시하기 위해 SCR의 게이트 단자에 인가된 제어 신호에 의해 트리거될 수 있다.
다수의 스위칭 요소가 방향 스위칭 회로(110, 130)에 사용될 때, 본원에 도시된 바와 같은 (동일한 저항 값을 갖거나 갖지 않을 수 있는) 밸런싱 저항기(R3, R4, R5)를 사용하여 스위칭 요소에 걸쳐 선택된 전압 강하를 확립할 수 있다. 일부 경우에, 전압 강하는 스위칭 요소가 모두 본질적으로 동시에 스위칭되도록 선택된다. 예를 들어, SCR 특성의 변동성은 동일한 설계 및 유형의 다른 SCR보다 더 높은 전압에서 일부 SCR이 켜지는 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 밸런싱 저항기(R3, R4, R5)는 상이한 저항 값을 가져서 SCR의 이러한 가변성을 보상할 수 있다. 하나 이상의 스위칭 요소(SC1)는 역방향 다이오드(D4)와 병렬로 연결될 수 있다. 순방향 스위칭 회로(110)는 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 제1단자와 부하(120) 사이에 연결된다.
역방향 스위칭 회로(130)는 부하(120)와 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 제1 단자 사이에 연결될 수 있다. 역방향 스위칭 회로(130)는 순방향 스위칭 회로(110)와 동일한 회로 컴포넌트를 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다. 또한, 역방향 스위칭 회로(130)는 순방향 스위칭 회로에 있는 동일한 수의 회로 컴포넌트를 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다. 일부 구현예에서, 역방향 스위칭 회로(130)는 도 1a에서 연결된 쪽이 아닌 부하의 반대쪽 사이에 연결될 수 있다. 이러한 구현예에서, 에너지 저장 컴포넌트(C1) 상의 전압 극성을 반전시킬 수 있도록 역방향 스위칭 회로(130)를 포함하는 회로 분기에 제2 인덕터가 있을 수 있다(에너지는 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 제2 인덕터로 전달된 다음, 다음 사이클의 시작을 위한 정확한 전압 극성을 갖는 에너지 저장 컴포넌트(C1)로 다시 전달될 수 있음). 제2 인덕터는 역방향 스위칭 회로(130)와 직렬로 연결될 수 있다. 제2 인덕터는 부하(120)와 상이한 인덕턴스 값을 가질 수 있으므로, 반전은 부하로의 에너지의 초기 전달보다 더 많거나 더 적은 시간이 걸릴 수 있다.
컴포넌트(R6 및 C2)는 시스템의 스너버 억제 회로로서 포함된다. 이는 시스템(100)의 부하와 평행하게 위치하지만 시스템(100)의 다른 곳에 위치할 수 있다. 도 1a에 도시된 위치의 스너버 회로는 과전압 스파이크로부터 방향 스위치(110, 130) 둘 모두에 대한 보호를 제공하는 것을 도울 수 있다. 2개의 방향 스위치 사이에 위치하는 경우, 2개의 스너버 회로(각 방향 스위치에 걸쳐 하나씩)보다는 1개의 스너버 회로만이 필요하다. 또한, 스너버가 스위치에 걸쳐 일반적인 위치에 배치되어 각 스위치 작동 시 완전히 충전 및 방전되는 경우보다 이 위치의 스너버 회로에서 에너지 손실이 훨씬 적다.
시스템(100)에 사용되는 회로 컴포넌트는 광범위한 값을 가질 수 있고 특정 응용을 위해 선택될 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(에너지 저장 컴포넌트(C1))에 대한 예시적인 값은 10 피코패럿 내지 1 마이크로패럿, 1 마이크로패럿 내지 10 마이크로패럿, 10 마이크로패럿 내지 1 밀리패럿, 또는 1 밀리패럿 내지 100 밀리패럿 범위의 임의의 값일 수 있지만, 더 낮거나 더 높은 값이 사용될 수 있다. 부하 인덕터(L1)에 대한 예시적인 인덕턴스 값은 1 나노헨리 내지 100 나노헨리, 10 나노헨리 내지 10 마이크로헨리, 1 마이크로헨리 내지 100 마이크로헨리, 또는 10 마이크로헨리 내지 1 밀리헨리, 또는 100 마이크로헨리 내지 100 밀리헨리 범위의 임의의 값일 수 있지만, 더 낮거나 더 높은 값이 사용될 수 있다. 고속 응용의 경우, 저항기(R1, R2, R5, 및 R6)은 모두 100 옴 미만, 25 옴 내지 500 옴, 또는 일부 경우에 500 옴 내지 1,000 옴의 값을 가질 수 있다. 더 높은 저항 값이 다른 응용에 사용될 수 있다. 부하 밸런싱 저항기(R3 및 R4)는 10 킬로옴 내지 1 메가옴 범위의 저항 값을 가질 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 대한 커패시턴스 및/또는 부하(L1)에 대한 인덕턴스의 값은 응용을 위해 원하는 펄스 폭 및 진폭을 달성하도록 선택될 수 있다. R1 및 R2의 값은 에너지 저장 컴포넌트의 원하는 충전 속도를 얻도록 선택될 수 있다. R3, R4, R5, R8, R9, 및 R10의 값은 스위칭 요소(SC1, SC2)에 대해 원하는 밸런싱을 얻도록 선택될 수 있다.
작동 중에, 시스템(100)은 전류(및/또는 전압)의 펄스를 부하(120)에 주기적으로 인가할 수 있다. 높은 전류 및/또는 높은 전압 응용에서, 시스템(100)은 회로가 구현되는 시스템이 서비스(예: 부하의 서비스)를 필요로 하기 전에 연속 작동에서 적어도 100 사이클 또는 1,000 사이클 동안, 또는 심지어 최대 10,000 사이클 동안 작동할 수 있다. 작동 사이클에 대한 예시적인 회로 구성이 도 1b에 도시되어 있다. 순방향 스위칭 회로(110)는 방향 스위치(SW2)로 도시되고, 역방향 스위칭 회로(130)는 방향 스위치(SW3)로 도시된다. 방향 스위치(SW2)는 도 1a의 순방향 스위칭 회로(110)로 구현될 수 있고, 방향 스위치(SW3)는 역방향 스위칭 회로(130)로 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 한 사이클에 대한 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 가로지르는 시변 전압의 일례가 도 1c에 도시되어 있다. 한 사이클 동안 인덕터(L1)을 통한 전류 흐름의 일례가 도 1d에 도시되어 있다.
(시간 t=t 0 에서 시간 t=t 1 까지) 작동 사이클의 일부에 대해, 시스템(100)은 상태 0 구성(도 1c 및 도 1d에도 표시된, 상태 4와 동일한 구성)에 있고, 여기서 스위치(SW1)는 폐쇄(전도) 상태에 있고 스위치(SW2, SW3)는 각각 개방(비전도) 상태에 있다. 사이클의 이러한 부분은 "충전 단계"로서 지칭될 수 있다. 충전 단계 동안, 공급 장치 V supp 는, 예를 들어 제1 전압 극성으로 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 충전하기 위해 에너지 저장 컴포넌트에 에너지를 전달할 수 있다. 충분한 양의 에너지가 에너지 저장 컴포넌트에 축적될 때, 공급 장치는 개방 스위치(SW1)에 의해 스위치 오프될 수 있다. 일부 경우에, 공급 장치는, 예를 들어 다이오드(D1)와 저항기(R1) 사이 또는 저항기(R1)와 저항기(R2) 사이에 연결된 하나 이상의 전력 MOSFET 또는 다른 스위칭 요소(SW1)로 에너지 전달 후에 회로로부터 격리될 수 있다.
(시간 t=t 1 에서 시간 t=t 2 까지) 상기 사이클의 다음 부분에서, 순방향 스위치(SW2)가 전도 상태로 활성화되고 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 부하(120)로 전류 및 에너지의 흐름을 허용할 때, 시스템(100)은 상태 1로 전환한다. 상기 사이클의 이러한 부분은 때때로 "전달 및 회수 단계"로서 지칭될 수 있다. 도 1a의 도시된 예에 대해, 스위칭 요소(SC1, SC2)에 대해 SCR이 사용되는 경우, 순방향 스위칭 회로(110)는, SCR을 순방향 전도로 스위칭할 임계량 또는 턴-온 전압을 초과하는 경우에 자동으로 켜질 수 있다. 일부 구현예에서, SCR은 펄스를 SCR의 제어 게이트에 인가하는 다른 회로에 의해 켜질 수 있다.
스위치(SW2)가 어떻게 활성화되는지에 관계없이, 전도 상태에 있을 때, 전류 및 에너지가 부하(120) 내로 그리고 이를 통해 흐를 것이다. 부하를 통과하는 전류 및 에너지는 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 다시 축적(회수)되어, C1에 걸린 전압을 반전시킬 수 있다. 전달 및 회수 단계 동안의 어느 시점에서, 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸린 전압은 0으로 강하되고, 그 다음 역방향 전압이 그 양단에 나타나기 시작할 것이다. 부하 내의 인덕터(L1) 때문에, 전류는 에너지 저장 요소(C1)로 계속 흐를 것이고, 역방향 전압을 증가시킬 것이다. 충분한 역방향 전압으로, 부하 및 순방향 스위치(SW2)를 통해 흐르는 전류가 0으로 강하될 것이다. 도 1a의 스위칭 회로 구현예의 경우, 전류는, 순방향 스위치(SW2)를 개방 상태로 변경시키는, 적어도 하나의 SCR에 대한 유지 전류 아래로 강하한다.
(시간 t=t 2 에서 시간 t=t 3 까지) 상기 사이클의 다음 부분에서, 시스템(100)은 부하를 빠져나가는 전류가 흐름을 정지시킨 상태 2로 전환한다. 상기 사이클의 이러한 부분은 때때로 "제1 유지 단계"로서 지칭될 수 있다. 순방향 스위치(SW2) 및 역방향 스위치(SW3)는 개방되고, 회수된 에너지는 연장된 기간 동안 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 유지될 수 있다. 일정 기간 동안 회수된 에너지를 유지하는 능력은 일부 시스템에서 시스템 복구에 유익할 수 있다(예: 일부 시스템 컴포넌트를 복구하는 것, 열을 방출하는 것, 임의의 공명을 종료하는 것, 소모품을 정산, 제거 및/또는 보충하는 것 등). 시스템 복구가 필요하지 않은 경우, 제1 유지 단계는 생략될 수 있다.
(시간 t=t 3 에서 시간 t=t 4 까지) 상기 사이클의 다음 부분에서, 시스템(100)은 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 전압이 반전되는 상태 3으로 전환한다. 상기 사이클의 이러한 부분은 "반전 단계"로서 지칭될 수 있다. 역방향 스위치(SW3)는 전도 상태로 활성화되어 전류가 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 단자 사이에 흐르게 하여 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 전압을 반전시킨다(도 1C에서 볼 수 있는 바와 같이). 전압의 반전은 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 극성을 시간 t 1 에서 그의 원래 극성으로 복원하지만, 동일한 크기는 아니다.
본 구현예를 위해, 에너지는 반전 단계 동안 부하(120)를 통해 다시 흐른다. 후술하는 다른 회로 구현예에서, 에너지는 부하를 포함하지 않는 다른 회로 분기를 통해 다시 흐를 수 있다. 역방향 스위치(SW3)의 활성화는 자동일 수 있고, 역방향 스위치(SW3)에 걸쳐 인가된 전압(순방향 스위치(SW2)에 대해 전술한 바와 같음)에 기초할 수 있거나, 또는 제어 신호(예: 시스템 제어기로부터의 시간화된 트리거 신호)에 응답하여, SCR 또는 트랜지스터의 게이트를 제어하기 위해 인가될 수 있다. 반전 단계의 결과는 충전 상태의 종료 시 시스템을 거의 그 상태로 복원하는 것이며, 여기서 회수된 에너지는 다음 사이클에 대해 정확한 극성을 갖는 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 있다.
(시간 t=t 4 에서 시간 t=t 5 까지) 상기 사이클의 다음 부분에서, 시스템(100)은 다음 사이클의 시작을 위해 에너지 저장 컴포넌트에 에너지가 유지되는 상태 4로 전환한다. 상기 사이클의 이러한 부분은 "제2 유지 단계"로서 지칭될 수 있다. 순방향 스위치(SW2) 및 역방향 스위치(SW3)는 개방되고, 회수된 에너지는 연장된 기간 동안 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 다시 유지될 수 있다. 에너지의 유지는 제1 유지 단계에 대해 전술한 바와 같이, 시스템이 복구될 수 있게 하는 데 유익할 수 있다. 시스템 복구가 필요하지 않은 경우, 제2 유지 단계를 생략할 수 있다. 제2 유지 단계 동안 또는 그 후에, 공급 장치 V supp 를 다시 켜서 에너지 저장 컴포넌트(C1) 상의 에너지를 보충하여 시스템이 다음 사이클을 실행할 준비가 될 수 있다.
본 발명자들은, 큰 전류 및 높은 전압을 스위칭하는 것이 펄스 에너지 회수 회로 또는 전력 응용을 위한 회로에서 방향 스위치에 상당한 문제를 야기할 수 있음을 인식하고 이해하였다. 예를 들어, 스위칭 요소(SC1, SC2)에 대해 SCR이 사용되는 도 1a의 순방향 스위칭 회로(110)를 참조하여, SCR은 전달과 회수 및 사이클의 반전 단계 동안 순방향 전도를 위해 쉽게 켜질 수 있다. 그러나, SCR의 꺼짐은 상당한 열의 존재 및 생성에 의해, 그리고 SCR에 걸린 역전위에 의해 복잡해질 수 있으며, 이 두 가지 모두 적절하게 완화 및/또는 처리되지 않으면 SCR을 손상시킬 수 있다. 유사한 문제가 IGBT와 같은 다른 스위칭 요소에 대해서도 발생한다.
순방향 전도 동안, 상당한 양의 전류가 SCR을 통해 흐를 수 있다. 일부 경우에, 순방향 전류의 양은 2억 암페어 이상에 도달할 수 있다. 이러한 전류의 양은 최대 허용 한계에 가까운 온도로 SCR을 상당히 가열할 수 있다. 고열은 SCR의 활성 영역에 자유 캐리어를 생성할 수 있으므로, 역전위가 SCR에 걸쳐 나타나기 시작하고 순방향 전류가 SCR의 유지 전류 아래로 떨어질 때, SCR이 꺼지고 역방향 전류 흐름을 차단할 수 있도록 제거되어야 한다. 실제 구현예에서, 열은 충분히 빠르게 소산되지 않을 수 있어서, 순방향 전류가 SCR에 대한 유지 전류 아래로 강하되었더라도(SCR이 일반적으로 차단되고 역방향 전류를 차단하는 경우), 역방향 전류의 전도를 허용하는 캐리어를 계속 발생시킨다. 자유 캐리어는 SCR로 하여금, 주변 실온에서 작동될 때 일반적으로 발생하는 것보다 더 높은 누설 전류를 갖게 할 수 있다. 역방향 전류가 흐르기 시작하고 역방향 바이어스에 따라 증가함에 따라, SCR은 차단하려고 시도하는데, 이는 저항을 낮은 값(예: 순방향 전도에서 100 옴 미만)에서 높은 값(예: 1,000 옴을 훨씬 초과함)으로 증가시킨다. 역방향 전류가 흐르는 동안 SCR의 저항이 증가하는 경우, 두 가지 양이 전류(제곱)과 저항의 곱(I2R)과 관련이 있기 때문에 SCR의 전력 소산 및 열이 급등할 수 있다. 소산된 열은 원하지 않는 전력 손실이다. 또한, 이미 존재하는 열에 더하여 이러한 열 스파이크는 SCR을 손상시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, SCR을 가로질러 발생하는 역방향 전압은 파괴 전압을 초과할 수 있으며, 이는, SCR이 상당히 상승된 온도에 있는 경우 (실온에서 측정된) 특정 파괴 전압보다 상당히 낮을 수 있다.
역방향 전류 및 전압을 처리하기 위해, 순방향 스위칭 회로(110) 및 역방향 스위칭 회로(130)는 순방향 다이오드(D3, D5) 및 역방향 다이오드(D4 및 D6)를 각각 포함할 수 있다. 스위칭 회로(110, 130)에 걸쳐 역방향 전압이 형성되기 시작할 때, 순방향 다이오드(D3, D5)는, SCR이 꺼지기 전에 전류를 차단하기 시작한다. 더 높은 저항 때문에, 순방향 다이오드는 또한, 하나 이상의 스위칭 요소(SC1, SC2)에 걸쳐 인가되는 역방향 전압보다는 스위칭 회로를 가로질러 형성되는 대부분의 역방향 전압을 강하시킬 수 있다. 순방향 다이오드에 걸친 더 큰 전압 강하는, 예를 들어, (스위칭 요소로서 사용되는 경우) SCR에 걸친 역방향 전압을 완화시키고, 역방향 전압에 의한 SCR에 대한 손상을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 역방향 다이오드(D4, D6)는 추가로 스위칭 요소(들)를 가로지르는 역방향 전압 강하를 낮은 값(예: 하나의 순방향 바이어스 다이오드 강하)으로 제어한다. 또한, 역방향 다이오드(D4, D6)는 역방향 전류가 SCR 주위로 흐르도록 낮은 임피던스 경로를 제공하며, 이는 SCR의 가열을 완화시킬 수 있다. 순방향 다이오드(D3, D5) 및 역방향 다이오드(D4, D6)는, 역방향 전압이 순방향 스위칭 회로(110) 및 역방향 스위칭 회로(130)에 걸쳐 형성될 때, 과도한 발열 및 큰 역방향 전압으로부터 스위칭 요소(SC1, SC2)를 보호할 수 있다.
차단 장치(때때로 "턴오프 에너지" 또는 "회수 에너지"로 지칭됨)에서 역방향 전류 흐름, 역방향 전압, 및 관련 전력 소산의 처리는 방향 스위치(110, 130)에서 스위칭 요소(SC1, SC2)로부터 순방향 다이오드(D3, D5)로 전환된다. 일부 구현예에서, 총 회수 에너지의 적어도 70%가 스위칭 요소로부터 순방향 다이오드로 우회된다. 일부 경우에, 총 회수 에너지의 최대 98%가 스위칭 요소로부터 순방향 다이오드로 우회된다. 회수 에너지는 각각의 차단 장치에서 소산된 전력의 합으로서 측정될 수 있다(예: 스위칭 요소(SC1) 및 순방향 다이오드(D3)는 방향 스위치가 전류 흐름을 차단하는 데 걸리는 시간에 따라 통합됨). 순방향 다이오드로의 회수 에너지의 전환은, 스위칭 요소가 순방향 전도 하에서 최대 한계에 가깝게 작동될 때 스위칭 요소(SC1, SC2)의 고장을 방지할 수 있다. (1 마이크로초 내지 250 마이크로초의 스위칭 회로에 대한 회수 시간 스케일에 걸쳐) 최대 100만 와트의 회수 에너지가 스위칭 회로에 의해 처리될 때, 순방향 다이오드로 회수 에너지를 전환하면 스위칭 회로(110, 130)가 정류할 수도 있다. 스위칭 회로에 대한 더 긴 회수 시간이 일부 경우에 가능할 수 있다. 펄스 사이의 유휴 시간으로 펄스 모드에서 시스템(100)을 작동시키는 것은 또한 더 높은 피크 전류, 전력 및 에너지가 방향 스위치(110, 130)에 의해 처리될 수 있게 한다. (예: 적어도 5배만큼) 펄스 폭보다 상당히 길 수 있는 유휴 시간은 방향 스위치에서 차단 장치에 의해 열이 소산될 수 있게 한다.
순방향 다이오드(D3, D5)는 높은 전류, 높은 전압 응용에 견고할 수 있다. 예를 들어, 순방향 다이오드는 순방향 전도에서 100만 암페어 초과를 처리하고 역방향 바이어스 하에서 1,000 볼트 초과를 차단하도록 정격화될 수 있다. 이러한 다이오드의 예는 VR Electronics Co. LTD.(Markham, Ontario, 캐나다)로부터 입수 가능한 Mega Power Pulse Diodes이다. 이러한 다이오드는 크기가 클 수 있다(최대 50mm 직경, 또는 그 이상). 역방향 다이오드(D4, D6)는 상당히 작을 수 있는데, 이들이 SCR로부터의 역방향 전류 흐름만을 필요로 하기 때문이다. 다이오드(D4, D6)는, 다이오드(D3, D5)가 역차단으로 들어가고 SCR이 꺼지고 회수되는 시간 동안에만 전류를 전도하는 축 방향 장치를 포함하는, 저 에너지 바이패스 다이오드일 수 있다. 예를 들어, 역방향 다이오드는 역방향 항복 전위가 500 볼트 미만인 수 암페어를 처리하도록 정격화될 수 있다. 일부 구현예에서, 순방향 다이오드의 순방향 전류 레벨 및 역방향 전압 차단 레벨은 각각 역방향 다이오드(D4, D6)에 대한 해당 레벨보다 적어도 10배 더 클 수 있다. 역방향 다이오드(D4, D6)의 직경은 10mm 미만일 수 있다.
순방향 스위칭 회로(110) 및 역방향 스위칭 회로(130)의 설계는 순방향 다이오드(D3, D5)에 대한 중간 또는 저속 정류 다이오드의 사용을 허용한다. 이들 회로에서 중속 또는 저속 다이오드의 사용은 큰 순방향 전류(예: 수백만 암페어 이상의 피크 전류)를 처리할 수 있고, 낮은 순방향 저항을 가지며, 낮은 누설 전류(일부는 마이크로암페어의 정도임)를 가지며, 고속 다이오드보다 비용이 더 낮기 때문에 유익할 수 있다. 예로서, 중속 또는 저속 다이오드는 1 마이크로초 내지 100 마이크로초 정도, 이 범위 내의 임의의 하위 범위, 또는 고속 회수 다이오드에 대한 100ns 미만에 비해 더 긴 시간 범위의 회수 시간을 가질 수 있다.
도 1e는 도 1a의 회로의 단순화된 모델(102)이다. 상기 모델은 충전 회로를 생략하고 (더하기 부호로 표시된 극성을 갖는) 초기 충전된 상태에서 에너지 저장 컴포넌트를 나타낸다. 상기 모델은 또한 순방향 스위칭 회로(110) 및 역방향 스위칭 회로(130)를 각각 방향 스위치(SW1 및 SW2)로서 도시한다. 예시에서, 방향 스위치는 다이오드와 직렬인 기계적 스위치로서 도시되어 있지만, (예: 도 17a 내지 도 17e와 관련하여 설명된 것과 같은) 다른 방향 스위치가 일부 구현예에 사용될 수 있다.
2.2b 회수 동안 부하 주위에 대체 회로 경로를 사용하는 에너지 회수 회로에 대한 설명
도 2a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 단순화 회로(200)를 도시한다. 이 시스템의 경우, 도 1a의 시스템과 같이, 초기 에너지를 부하에 저장하고 전달하는 데 사용되는 동일한 에너지 저장 컴포넌트로 부하로부터 에너지를 회수한다. 그러나, (에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장된 전압의 극성을 반전시키기 위한) 작동 사이클의 반전 단계는 부하를 포함하지 않는 교번 회로 경로(150)를 통해 전류를 흐른다. 대체 회로 경로(150)를 통해 전류를 흘리는 것은 일부 응용에서 유리할 수 있다(예: 부하를 통한 전류의 반전이 바람직하지 않은 경우, 복귀 전류로 인한 부하의 가열 및/또는 응력을 방지하기 위해, 전자기에서의 전계 반전을 피하기 위해, 등). 또한, 교번 회로 경로(150)의 인덕터(L2)의 크기를 증가시켜 전류 흐름을 느리게 하고 교번 회로 경로 내의 컴포넌트(예: 다이오드(D2))를 통해 흐르는 피크 전류를 감소시킬 수 있다. 피크 전류를 감소시키는 것은 더 낮은 전류 정격을 갖는 회로 컴포넌트의 사용을 허용할 수 있으며, 이는 더 높은 전류에 대해 정격화된 컴포넌트보다 크기가 더 작고 비용이 덜 들 수 있다. 또한, 전류 흐름을 느리게 하는 것은 시스템이 전류의 순방향 펄스로부터 회수하는 데 더 많은 시간을 허용할 수 있다.
도 2a의 구현예의 경우, 하나의 방향 스위치(SW2)만이 전체 작동 사이클 동안 시스템을 작동시키는 데 사용된다. 예를 들어, 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 초기에 충전되고 스위치(SW1)가 개방된 후, 방향 스위치(SW2)는 시간 t 1 에서 일정 시간 동안 폐쇄되어 부하(120)에 전력을 전달할 수 있다. 부하를 통과하는 에너지는 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 축적되기 시작하지만, 역전된 전압 극성을 갖는다. 방향 스위치(SW2)를 통한 전류가 0으로 떨어질 때, SW2는 개방될 수 있는 반면, 에너지 저장 컴포넌트(C1) 및 인덕터(L2)에 저장된 에너지는 인덕터(L2)를 통해 전류를 구동하여 사이클의 반전 단계 동안 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압을 반전시킨다.
일부 구현예에서, L2의 인덕턴스는 부하의 인덕턴스의 2 내지 3배일 수 있다. L2에 대해 더 높은 인덕턴스를 갖는 것은 전술한 바와 같이, 반전 단계 동안 전류 흐름을 감소시키고 느리게 할 수 있다. 방향 스위치(SW2)에 대해 SCR을 사용하는 경우, 에너지 저장 컴포넌트를 가로지르는 전압이 반전 단계가 완료되지 않도록 SCR을 유지하는 상당한 양의 값이 되기 전에, SCR이 자체적으로 정류되고 개방될 수 있는 충분한 시간을 허용하도록 전류 흐름을 늦추는 것이 중요할 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 각각 도 2a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다. 도 2b 및 도 2c에 대한 파형(및 본원에 설명된 다른 회로에 대한 아래의 파형 플롯에 대해)은 시스템의 에너지 저장 컴포넌트의 초기 충전 직후에 시작되어 후속하여 그 에너지를 부하(120)에 전달하는 시간에 대해 플롯되어 있다.
도 2d는 도 2a의 회로의 변형인 단순화 회로(202)를 도시한다. 교번 회로 경로(150)에서 다이오드(D2) 대신에 제2 방향 스위치(SW3)가 사용된다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸친 전압 파형은 도 2e에 플롯되어 있고, 2개의 인덕터를 통과하는 전류 파형은 도 2f에 플롯되어 있다. 전압 및 전류 파형은 사이클의 느린 반전 단계를 도시하며, 이 동안 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압 극성은 그의 초기 극성으로 다시 반전된다.
(도 2d의 회로와 비교하여) 도 2a의 회로의 바람직한 특징은 에너지 저장 구성 컴포넌트(C1)에 걸린 전압이 완전히 역전되지 않는다는 것이다(도 2b 및 도 2e의 전압 트레이스 비교). 커패시터가 에너지 저장 컴포넌트로서 사용되는 경우, 커패시터를 가로지르는 전압 반전을 피하는 것은 커패시터의 크기 및 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 커패시터에 걸린 총 전압을 2배만큼 감소시키는 것은 그의 부피를 4배만큼 감소시킬 수 있다. 도 2a의 반전 교번 회로 경로(150)에서 인덕터(L2)의 인덕턴스를 낮추는 것은 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압 반전을 더욱 감소시킬 수 있다. 그러나, 일부 회로 구현예에 대해 L2의 인덕턴스를 L_load의 인덕턴스보다 더 크게 유지하는 것이 바람직하다(예: 작동 사이클의 반전 단계 전에 방향 스위치에서 SCR(들) 래칭을 회피하기 위해).
도 3a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템용 단순화 회로(300)를 도시한다. 시스템은 (프로그래밍 가능한) 제어 가능한 전류원이 (예: 전류 펄스로) 각 사이클의 시작 부분에서 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 충전하는 데 사용된다는 점을 제외하면 도 2d에 도시된 것과 유사하다. 이와 관련하여, 본원에 설명된 다른 회로는 에너지 저장 컴포넌트를 충전하기 위해 도시된 전압원보다는 전류원을 사용할 수 있다. 또한, 전류원을 갖는 것으로 설명된 회로는 대신에 전압원 및 스위치를 사용할 수 있다.
도 3a의 시스템의 경우, 스위치(SW2)는 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 충전된 후에 폐쇄될 수 있어서, 전류가 부하(120)를 통해 흐를 수 있다. 부하(120)의 다른 쪽에 스위치(SW2)를 배치함으로써, 스위치에 전압이 없을 때 스위치가 닫힐 수 있다. 그런 다음, 전류는 부하로 그리고 부하를 통해 흘러, 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 축적되어 그 극성을 반전시킬 수 있다. 스위치(SW3)는 나중에 폐쇄될 수 있고, 스위치(SW2)를 개방하여 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸린 전압의 극성을 반전시킬 수 있다. 전류는 반전 단계 동안 인덕터(L2)를 통해 흐를 수 있어서 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸린 전압 극성을 다음 작동 사이클에 대한 초기 극성으로 복원할 수 있다.
도 3b 및 도 3c는 각각 도 3a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다. 전류 파형은, 두 개의 스위치(SW1, SW2)가 교대로 폐쇄되고 개방될 때 이를 통해 시간 분리된 전류 흐름을 나타낸다. 현재 파형은 또한 전달 및 회수 단계보다 느린 반전 단계를 나타낸다.
도 4a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동할 수 있는 전기 시스템(400)용 단순화된 회로를 도시한다. 본원에 설명된 다른 에너지 회수 회로와 마찬가지로, 시스템은 각 사이클 동안 기능의 실행 후에 시스템에 남아 있는 에너지를 회수하고 회수된 에너지를 전기 시스템의 다음 작동 사이클에 이용 가능하게 하도록 설계된다. 시스템(400)은 "펄스 성형"으로 지칭될 수 있는 다른 특징을 포함한다. 펄스 성형은 도 5a 및 도 6a의 시스템과 본 명세서에 설명된 다른 시스템으로도 가능하다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "펄스 성형"은 커패시터 상의 전하 방전으로부터 유도성 또는 유도성 및 저항성 부하로 초래될 전류의 절반 사이클 펄스와 상이한 형상을 갖는 전류의 펄스를 형성하는 것을 의미한다. (도 4d에 도시된 바와 같은) 고속 상승 주 펄스와 조합된 저속 상승 또는 바이어스 펄스는 형상화된 펄스의 일례이다. (도 7c 및 도 8f에 도시된 바와 같은) 평평한 상부를 갖는 전류 펄스는 성형된 펄스의 추가적인 예이다. 펄스 성형은, 예를 들어 전류의 느린 상승 시간에 이어서 신속한 증가 및/또는 평평한 상부 펄스가 요구되는 일부 응용에 유용할 수 있다. 펄스 성형의 양태는 아래의 섹션 2.4 및 다른 시스템과 관련하여 추가로 설명된다. 일부 회로에서, 펄스 성형은 스위치의 타이밍에 의해 구현될 수 있다.
전기 시스템(400)은 하나 이상의 에너지 저장 컴포넌트(예: 도 4a에서 에너지 저장 컴포넌트(C1)로 모델링된 하나 이상의 커패시터 또는 용량성 컴포넌트, 하나 이상의 인덕터, 또는 이들의 조합), 부하(120)(예: 인덕터(L1)로서 모델링된 하나 이상의 자기 코일 또는 유도성 컴포넌트), 하나 이상의 제2 인덕터(L2로서 모델링됨), 및 도시된 바와 같이 연결된 복수의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함한다. 에너지 저장 컴포넌트에 에너지를 전달하기 위한(예: 커패시터를 충전하거나 플라이휠의 회전을 유발하는) 전력 공급부가 있을 수 있다. 도시된 구현예를 위해, 전력 공급부는 제1 스위치(SW1)로 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 연결되도록 배열된 전압원 Vsupp를 포함한다. 일부 경우에, 전력 공급부는 500 볼트 내지 50,000 볼트의 전압 값을 전달하고 최대 50 암페어 이상의 피크 전류를 제공하기 위한 높은 전압 공급부일 수 있지만, 더 낮거나 더 높은 전압에서 작동하고 더 적거나 더 많은 전류를 전달하는 공급부가 일부 구현예에 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 전력 공급부는 에너지 저장 컴포넌트를 초기 에너지 레벨로 충전할 때 더 높은 전압 및/또는 더 높은 전류를 전달하도록 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다.
교번 회로 경로(150)에는 사이클의 반전 단계 동안 인덕터(L2) 및 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터의 전류의 역방향 흐름에 저항하기 위한 적어도 하나의 다이오드(D3)가 있을 수 있다. 일부 경우에, 다이오드(D3)는 파선으로 표시된 방향 스위치(SW4)의 일부이다. 다이오드(D1 및 D2)는 회로에 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다. 포함되는 경우, 다이오드(D1 및 D2)는 방향 스위치(SW2 및 SW3)의 일부로서 존재할 수 있거나 별도의 개별 컴포넌트로서 추가될 수 있다. 인덕터(L2)는 집중형 요소 또는 분산형 인덕턴스일 수 있다.
작동 중에, 전기 시스템은 각각의 작동 사이클 동안 여러 상태를 통과하여 부하(120)와 연관된 기능(예: 입자 또는 물체 가속, 강한 자기장 생성, 스웨이징, 전기자 이동, 모터 회전 등)을 수행할 수 있다. 시스템(400)의 예시적인 작동 상태는 도 4b의 단순화된 회로에 나타나 있다. 사이클의 일부에 대한 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸린 전압의 해당 변화가 도 4c에 플롯되어 있다. 시간 t = t 0 (도 4b에 미도시)에서, 전력 공급부 Vsupp에 대한 스위치(SW1)는 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 작동 전압(V1) 및 에너지 레벨로 충전하도록 폐쇄될 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 원하는 전압으로 충전된 후, 스위치(SW1)를 개방하여 t = t1 직전 시간에 회로(및 시스템(400))가 초기 상태(S1)에 놓이게 한다. 시간 t = t 1 에서, 시스템은 제2 상태(S2)로 전환하며, 여기서 스위치(SW2)는 폐쇄되어 제1 회로 분기(430)를 통해 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장된 에너지를 부하(120)에 전달하기 시작한다. 초기 에너지는 인덕터(L2)를 통해 흐르며, 이는 부하에 전류 및 에너지의 초기 저속 바이어스(예: 부하 활성화 시 소프트 스타트업)를 제공할 수 있다. 일부 응용에서, 이러한 소프트 스타트업은 부하(120)의 컴포넌트에 대한 기계적 및/또는 전기적 스트레스를 감소시키고 부하의 작동 수명을 연장시킬 수 있다.
후속하여, 시간 t = t 2 에서, 시스템은 제3 상태(S3)로 전환하며, 여기서 스위치(SW3)는 폐쇄되어 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 제2 회로 분기(440)를 통해 부하(120)까지, 제2 상태(S2)와 비교하여, 보다 신속한 전류 전달을 제공한다. 그런 다음, 스위치(SW2 및 SW3)는 폐쇄된 상태로 유지될 수 있는 반면, 상기 기능은 부하(120)에 의해 수행되고 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸린 전압은 제1 피크 값(본 실시예에서 -V2)으로 역전된다. 상태(S3)는 본질적으로 시스템 내의 에너지가 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 인덕터(L1)로 전달된 다음 에너지 저장 컴포넌트(C1)로 다시 전달될 LC 회로를 형성한다.
에너지 저장 컴포넌트(C1) 상의 역전 전압의 제1피크 값에 도달할 때, 시스템은 일정 시간 간격 동안 상태(S4)로 전환한 다음(모든 스위치는 t = t 3 에서 개방됨), 스위치(SW4)가 폐쇄될 때 시간 t = t 4 에서 시작하는 상태(S5)로 전환할 수 있다. 일부 경우에, 상태(S4)는 달성되지 않을 수 있고, 시스템은 상태(S3)에서 상태(S5)로 직접 전환할 수 있다. 스위치(SW4)가 폐쇄될 때, 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장되고 (사이클의 시작과 비교하여) 반전 극성을 갖는 에너지가 인덕터(L2)에 출력된 다음, 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 다시 제공되어, 극성을 시스템의 다음 작동 사이클에 대한 초기 극성으로 다시 반전시킬 수 있는 대안적인 회로 경로(150)가 형성된다. 대체 회로 경로(150)는 t = t 4에서 상태(S5)의 시작과 t = t5에서 상태(S6)의 시작 사이에서 에너지 저장 컴포넌트(C1) 상의 전압(-V2)의 반전을 허용하며, 여기서 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압은 피크 회수 전압(V3)에 도달한다. 시스템 손실(예: 시스템의 저항 컴포넌트로부터의 기생 손실)로 인해, 전압(V3)의 크기는 전압(-V2)의 크기보다 작을 수 있다. 회수 전압에 도달하면, 스위치(SW4)가 개방되어, 시스템은 올바른 극성으로 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장된 회수된 에너지를 사용하여 다음 작동 사이클을 위한 준비 상태(S6)에 놓이게 된다. 그런 다음, 스위치(SW1)는 다음 작동 사이클의 시작 시 폐쇄되어 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 보충하거나 완전히 충전하고 다음 작동 사이클을 개시할 수 있다. 전기 시스템(400)은 작동 사이클의 일부분 동안 상태 S1 내지 S6 각각에 있을 수 있다.
도 4c는 도 4b와 관련하여 설명된 상태 S1 내지 S6에 대한 에너지 저장 컴포넌트 C1의 예시적인 전압 파형을 도시한다. 플롯은 초기 양전하 전압(V1)(공급 장치 전압 Vsupp 보다 작거나 거의 같을 수 있음)에서 음의 전압(-V2)로의 전압 전개를 보여주고, 다음 사이클의 시작을 위해 양의 회수 전압(V3)으로 다시 반전한다. 부하에 의해 소모되지 않는 이 회로(및 본원에 설명된 다른 에너지 회수 회로)에 대한 사이클 당 회수된 에너지의 양은 최대 90% 이상일 수 있다. 일부 경우에, 회수된 에너지의 양은 85% 내지 95% 또는 90% 내지 97%일 수 있다. 시스템에 손실 메커니즘이 없는 경우, 전압(V3)은 전압(V1)과 동일할 것이다.
일부 구현예에서, 전압(V3)은 전압(V1)보다 높을 수 있고, 추가 전기 에너지는 추가 에너지를 수확하기 위해 추가 스위치 및 회로(미도시)에 의해 에너지 저장 컴포넌트(C1)에서 빼낼 수 있다. 과도한 에너지는 부하의 인덕터(L1) 내에 삽입되거나 이를 통해 이동하는 전기자와 같은 다수의 영향으로부터 발생할 수 있다. 전기자는 금속 또는 플라즈마와 같은 전기 전도성 몸체 형태의 자속 배제기일 수 있다. 동일한 효과는 또한 인덕터(L1) 내부에서 전기 전도성 몸체 또는 자기장을 팽창시킴으로써 실현될 수 있다. 이는 연소와 같은 물리적 수단에 의해, 인덕터 내부의 플라즈마를 가열함으로써, 또는 외부 또는 내부 공급원에 의해 유도된 플라즈마 압력을 각각 방출하거나 인가함으로써 달성될 수 있다. 부하(120)가 역-EMF를 생성하여 부하의 에너지가 증가한다면, 도 4a의 회로는 해당 역-EMF 에너지를 (본 실시예의 에너지 저장 컴포넌트(C1)에) 저장된 전기 에너지로 직접 변환하는 것을 허용한다. 추가 에너지를 이용하는 양태는 도 1a 내지 도 16a 및 도 20a 내지 도 22와 관련하여 본원에 설명된 다른 시스템 구현예에 적용된다.
도 4e는 도 4a에 도시된 것과 동일한 회로의 인덕터를 통한 전류 파형을 도시하지만, 인덕턴스 값은 다르다. 이 경우, L2의 인덕턴스는 도 4d에 도시된 경우보다 값이 L1의 인덕턴스에 더 가깝다. 결과적으로, 바이어스 숄더는 도 4e에서 짧은 시간 동안 지속되고 이어서 도 4d의 경우보다 훨씬 더 넓은 피크 펄스가 이어진다. 따라서, 부하(120)에 전달되는 에너지의 펄스 성형은 인덕터(L2)에 대한 인덕턴스의 값을 변경함으로써 달성될 수 있다.
도 4a에 도시된 회로에 의해 모델링될 수 있는 전기 시스템(400)은 각각의 작동 사이클에 대해 부하(120)로부터 유도적으로 저장된 에너지의 90% 초과를 회수하는 것 외에 여러 바람직한 특징을 갖는다. 상기 회로는 초기에 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 에너지의 일부를 초기에 전달하기 위해 초기에 감소된, 느린 상승 시간 전류(이를 "바이어스 전류" 또는 "소프트 스타트업 전류"로 지칭할 수 있음)를 제공할 수 있다. 이러한 소프트 스타트업 전류는 도 4c에서 초기의 느린 전압 강하 및 도 4d의 시간 t1에서 t2까지의 전류 크기의 초기 느린 증가로 도시된다. 후속하여(시간 t 2 직후), 더 빠른 전류 흐름이 제공된다.
전기 시스템(400)의 다른 특징은 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압의 반전이 인덕터(L2) 및 방향 스위치(SW4)로만 수행될 수 있다는 것이다. 이러한 반전은 소프트 스타트업과 독립적으로 수행될 수 있고, 반전은 부하를 통한 피크 순방향 전류보다 낮은 전류 수준에서 수행될 수 있다. 또한, 인덕터(L2)는 두 개의 독립적인 기능에 사용된다: 부하(120)에 전력의 초기 소프트 스타트업을 제공하는 것 및 반전 단계 동안 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압을 반전시키는 것
도 4a의 시스템(예: 인덕터(L2), 에너지 저장 컴포넌트(C1)) 및 후술하는 다른 시스템에 대한 시스템 컴포넌트의 값은 시스템의 작동 사이클의 각 단계 동안 원하는 작동 특성을 달성하도록 선택될 수 있다. 회로 경로에 낮은 저항(예: 10 옴 미만)이 있는 예의 경우, 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 충전 및 방전 속도는 회로 경로 내의 유도성 및 용량성 컴포넌트에 대한 공명 또는 공진 주파수에 의해 부분적으로 결정될 수 있다. 반응성 임피던스 대 저항의 비는 또한 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 충전 및 방전 속도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 부하(L1)의 값이 기계적 설계에 의해 일정 범위의 값으로 제한되어 L2 및 C1에 대한 선택이 제한될 수 있다. 일부 경우에, L2(사용되는 경우)는 L1 값의 10배 이내인 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 경우에, L2의 값은 L1의 값의 3 자릿수 이내일 수 있다. 또한, 부하(120)에 의해 시스템 기능을 수행하는 데 필요한 에너지의 양은 (예: 0.5C1Vsupp 2의 에너지 저장량에 따라) 에너지 저장 컴포넌트의 크기뿐만 아니라 다른 시스템 컴포넌트(예: 방향 스위치 내의 컴포넌트)의 크기를 결정할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 4a의 전기 시스템은 부하(120)를 구동하는 광범위한 시스템에 사용될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 부하는 5 나노헨리 내지 100 마이크로헨리의 인덕턴스(L1)를 가질 수 있다. 일부 경우에, 부하는 1 피코헨리 내지 1 헨리의 인덕턴스(L1)를 가질 수 있다. 전력 공급부는 100 볼트 내지 50,000 볼트의 전압을 가질 수 있고, 2 마이크로패럿 내지 10 패럿의 정전 용량을 갖는 적어도 하나의 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 1 볼트 내지 50,000 볼트의 전압으로 충전할 수 있다. 일부 경우에, 전력 공급부는 1 밀리볼트 내지 1 메가볼트의 전압을 가질 수 있고, C1은 1 피코패럿 내지 100 패럿의 커패시턴스를 가질 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장된 피크 에너지는 사이클 당 1 밀리줄 내지 100 줄일 수 있고, 커패시터의 충전 시간은 100 나노초 내지 10초(또는 이 범위 내의 임의의 하위 범위)일 수 있다. 일부 경우에, 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장된 피크 에너지는 1 나노줄 내지 10 기가줄일 수 있다.
다양한 유형의 방향 스위치가 도 4a의 전기 시스템(400) 및 본원에 설명된 다른 전기 시스템에 대해 사용될 수 있다. 방향 스위치(예: 스위치(SW2, SW3, SW4))는, 하나의 상태에서 전류의 흐름을 방지하거나 제한할 수 있고 다른 상태에서 전류의 흐름을 허용할 수 있는 적어도 2개의 상태 사이에서 제어 가능하게 토글하는 데 사용되는 장치이다. 본원에 설명된 시스템 구현예에 사용될 수 있는 상이한 유형의 스위치는 기계적 스위치 및 릴레이, 반도체 기반 스위치(예: MOSFET, JFET, IGBT, SCR, 게이트 턴-오프 티리스터(GTO), 및 절연 게이트 정류 티리스터(IGCT)), 가스 스위치(예: 이그니트론, 티라트론, 및 슈도-스파크 스위치), 스파크 갭, 및 자기 포화 스위치를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 고주파 응용(예: 10 kHz 초과)의 경우, 반도체 기반 스위치가 선택될 수 있다. 저주파수, 고전력 응용의 경우, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 실리콘 제어 정류기(SCR)가 선택될 수 있다. 매우 높은 전압 응용(예: 5000 볼트 초과)에서, 가스 스위치가 선택될 수 있다.
도 4a의 시스템은 폐쇄 스위치(예: 이그니트론 스위치) 및 자가-변환 스위칭 장치(예: SCR)의 사용을 허용한다. 회로의 일부 구현예는 개방 스위치(예: IGBT)의 사용을 요구할 수 있다. 스위치를 폐쇄하거나 자기-변환하는 이점은, 스위치가 임의의 주어진 전류 또는 전압 인가에 대해 스위치를 개방하는 것보다 더 경제적인 경향이 있다는 것이다. 다른 경우에, 도 4a의 시스템은 스위치를 폐쇄하는 대신에 개방 스위치를 사용하도록 설계될 수 있으며, 여기서 스위치는 적절한 시간에 개방되고 전도를 정지하도록 만들어진다. 다이오드(D1, D2, D3) 중 적어도 일부의 포함은 연관된 회로 분기에 사용되는 스위치의 유형에 따라 달라질 수 있다.
도 4a의 회로는 도면에 도시되지 않은 추가 회로 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다이오드 스너버 회로(직렬 연결 저항기 및 커패시터를 포함함)는 적어도 다이오드(D3)에 걸쳐 포함될 수 있고 다이오드(D3)와 병렬로 연결될 수 있다. 일부 경우에, 다이오드 스너버 회로는 또한 저항기 및 커패시터와 직렬로 인덕터를 포함할 수 있다. 도 13a는 해당 도면에서 다이오드 스너버 및 다이오드(D2)에 대한 모델의 일례를 도시한다. 다이오드 스너버 회로는 또한 도 4a의 다이오드(D1 및 D2) 중 하나 또는 둘 다에 걸쳐 포함될 수 있다. 스너버 회로는 또한 시스템의 유도성 성분(L1, L2) 중 하나 또는 둘 모두에 걸쳐 배치될 수 있다. 인덕터 스너버 회로는 다이오드 스너버 회로와 동일한 설계를 가질 수 있지만, 그들의 저항기, 커패시터, 및 인덕터(존재하는 경우) 컴포넌트의 값은 다이오드 스너버 회로의 값과 상이할 수 있다. 다이오드를 갖는 스너버는 또한 전기 시스템의 스위치에 걸쳐 배치되어 스위치에 걸친 과도한 역방향 전압을 방지할 수 있다. 스위치용 스너버는 도 9a와 관련하여 설명된 스너버와 같은 다른 회로 컴포넌트(커패시터, 인덕터, 저항기)를 포함할 수 있다.
도 5a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(500)용 회로를 도시한다. 시스템은 아래에 설명된 도 6a의 시스템과 유사하게 부하로부터 에너지를 저장 및 회수하고 에너지를 다시 제1 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 제공하기 위해 (커패시터 C2로 구현된) 제2 에너지 저장 컴포넌트를 사용한다. 제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)를 사용함으로써, 제1 에너지 저장 컴포넌트의 전압은 역전되지 않으며, 이는 도 2a와 관련하여 위에서 설명한 감소된 커패시터 크기 및 비용의 이유로 유리할 수 있다. 에너지 저장을 위해 2개의 커패시터가 사용되더라도, 최대 전압 반전을 처리하도록 크기를 갖는 단일 커패시터에 비해 비용 및 크기의 순 감소가 있을 수 있다. 전압의 비역전은 도 5b의 플롯에서 볼 수 있다.
시스템(500)은 또한 부하(120)의 소프트 스타트 파워링을 포함한다. 예를 들어, 방향 스위치(SW2)가 폐쇄될 때 전력은 제1 전력 전달 속도로 인덕터(L3)을 통해 제1 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 부하로 먼저 전달된다. 선택된 시간에, 방향 스위치(SW3)가 폐쇄되어 인덕터(L3)가 바이패스된다. 그 다음, 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터의 전류 및 전력은 도 5c의 전류 파형에 표시된 바와 같이 부하(L1)에 대한 전력 전달의 제2 속도로 더 빠르게 흐를 수 있다. 커패시터(C2)에 에너지가 축적된 후, 방향 스위치(SW4)가 폐쇄되고 스위치(SW2)가 개방되어 다음 작동 사이클의 시작을 위해 커패시터(C2)로부터 에너지 저장 컴포넌트(C1)로 회수된 에너지를 전달한다. 에너지는 교번 회로 경로(150)를 사용하여 C1 내로 회수된다.
도 5b 및 도 5c는 각각 도 5a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다. 전압 파형은 작동 사이클 동안 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 커패시터(C2)로 그리고 다시 에너지 저장 컴포넌트(C1)로 에너지의 전달을 나타낸다.
도 5d는 도 5a의 시스템의 변형에 대한 단순화된 회로(502)이다. 회로(502)는 초기 충전된 상태로 도시되고 공급 장치 회로는 생략된다. 회로(502)는 소프트 스타트 특징을 포함하지 않는다(방향 스위치(SW3)가 제거됨). 회로(502)에 대한 전압 및 전류 파형이 도 5e 및 도 5f에 도시되어 있다.
도 6a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(600)용 다른 회로를 도시한다. 상기 시스템은 제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)를 포함하고, 도 5a의 시스템과 유사하게 작동한다. 이 시스템의 경우, 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 초기에 저장된 에너지는 부하(120)에 전달된 다음 제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)에 축적된다. 도 5a의 시스템과 같이, 에너지 저장 컴포넌트에 걸린 전압은, 도 6b에서 볼 수 있는 바와 같이, 극성을 역전시키지 않는다.
도 4a 및 도 5a의 시스템과 같이, 이 시스템(600)은 또한 부하(120)에 전력을 공급하기 위한 소프트 스타트업을 포함한다. 각 사이클 동안, 방향 스위치(SW3)는 방향 스위치(SW2) 전에 폐쇄되어 스위치(SW2)가 후속하여 폐쇄될 때보다 느린 속도로 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 인덕터(L2)를 통해 전력을 전달할 수 있다. 방향 스위치(SW2)의 활성화 후 빠른 흐름 및 더 높은 전류 피크는 도 6c에서 볼 수 있다.
제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)로부터 제1 에너지 저장 컴포넌트로 에너지를 회수하기 위해, 방향 스위치(SW4)는 스위치(SW2, SW3)가 개방되는 동안 폐쇄될 수 있다. 교번 회로 경로(150)를 따른 전류의 흐름은 커패시터(C2)로부터 커패시터(C1)로 에너지를 전달할 수 있다.
도 6b 및 도 6c는 각각 도 6a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다. 전압 파형은 에너지가 제1 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터 제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)로 전달된 다음 C1로 다시 전달되는 방법을 나타낸다. 스위치(SW2)에 대한 전류 파형은 스위치가 닫힐 때 부하에 전류가 더 빠르게 전달되는 것을 보여준다.
2.2c 에너지 저장 컴포넌트의 정확한 전압 극성을 복원할 때 부하를 통해 전류를 통과하는 에너지 회수 회로
도 2a 내지 도 6a의 시스템의 경우, 제1 에너지 저장 컴포넌트 내로의 정확한 극성을 갖는 에너지의 회수는 (에너지가 다음 사이클의 시작을 위해 이용 가능하도록) 전류가 부하(120)를 통해 흐르거나 이를 통해 다시 흐르게 하지 않는다. 예를 들어, 대체 회로 경로(150)는 부하 주위의 전류 흐름을 전환하여 일부 경우에 에너지 저장 컴포넌트(150)의 전압 극성을 반전시킨다. 도 7a 내지 도 9a의 시스템의 경우, 전류는 부하를 통해 흐르거나 부하를 통해 다시 흘러서 하나 이상의 제1 에너지 저장 컴포넌트 내로 정확한 극성을 갖는 에너지를 회수할 수 있다. 도 1a는 반전 단계 동안 흐르는 전류가 교번 회로 경로(150) 내로 흐르기 전에 부하(120)를 통해 다시 흐르는 예시적인 시스템이다. 에너지 회수 프로세스의 일부로서 전류가 부하를 통해 흐르거나 부하를 통해 다시 흐르게 하는 것은 유용한 작동이 이러한 이차 전류 흐름을 갖는 시스템에 의해 수행될 수 있는 경우에 유익할 수 있다. 또한, 부하를 통한 이차 전류의 흐름 또는 역류는 일부 시스템 컴포넌트(예: 적어도 하나의 인덕터)를 제거할 수 있다.
제2 인덕터를 사용하지 않고 회수 동안 동일한 부하를 통해 동일한 방향으로 2차 전류를 흐르게 함으로써 에너지 회수를 수행할 수 있는 다른 시스템(700)에 대한 단순화된 회로가 도 7a에 도시되어 있다. 시스템(700)은 방향 스위치(SW2, SW3)로 부하(120)의 양측에 연결 가능한 2개의 에너지 저장 컴포넌트(커패시터(C1, C2)로 도시됨)를 포함한다. 상기 시스템은 회수 회로 경로(750)에서 부하(120)의 양측에 연결된 다이오드(D2, D3)를 더 포함한다. 제1 위치에서 에너지 저장 컴포넌트를 충전하고 제2 위치에서 에너지 저장 컴포넌트를 방전하기 위해 회로에 연결된 2개의 단극, 이중 스로우 스위치(SW1, SW4)가 있다. 다른 스위칭 및 공급 구성은 시스템의 다른 구현예에 사용될 수 있다.
예시적인 작동 동안, 에너지 저장 컴포넌트는 도 7a에 도시된 바와 같이 2개의 공급 장치(V1, V4)를 사용하여 반대로 충전될 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1, C2)를 초기 전압으로 충전한 후, 전력 공급부는 분리되고 스위치(SW1, SW4)는 제2 위치로 이동된다. 그런 다음, 전류 및 에너지가 다이오드(D4) 및 다이오드(D1)을 통해 부하에 전달된다. 전압이 에너지 저장 컴포넌트(C1, C2)에서 떨어지고 내부 다이오드(D2, D3)을 가로질러 상승함에 따라, 이들 2개의 다이오드는 전도되고 전류의 일부(예시적인 회로의 약 절반)를 전류가 나오는 에너지 저장 컴포넌트로 다시 우회시키는 부하를 통해 전류를 크로바할 것이다. 나중에, 방향 스위치(SW2, SW3)는 (예: 강제 정류를 사용하여) 개방된다. 스위치(SW2, SW3) 개방 시, 인덕터에 흐르는 전류 및 인덕터에 저장된 에너지는 회수 회로 경로(750)에서 전류를 계속 구동하여, 에너지 저장 컴포넌트(C1, C2)를 사이클 시작 시의 초기 극성으로 복원한다. 적절한 회로 작동을 위해, 프리 휠링 다이오드가 부하(120)를 가로질러 배치되지 않을 수 있다. 일부 경우에, C1 및 C2의 값은 5 나노헨리 내지 100 나노헨리의 인덕턴스를 갖는 부하(120)에 대해 10mF 내지 10F일 수 있지만, 도 4a와 관련하여 전술한 바와 같이 더 높거나 더 낮은 값이 사용될 수도 있다.
다이오드(D2, D3)가 전도될 때 방향 스위치(SW2, SW3)을 통한 전류 흐름이 감소하면, SCR의 강제 정류가 더 안정적으로 이루어질 수 있다. 일부 구현예에서, 방향 스위치(SW2, SW3)는 SCR 대신 IGCT로 구현될 수 있다.
도 7a의 시스템(700)은 일부 유리한 특징을 갖는다. 도 5a 및 도 6a의 시스템과 같이, 에너지 저장 컴포넌트 상의 초기 전압의 극성은 작동 사이클 동안 역전되지 않는다. 또한, 시스템(700)은 회로 경로로부터의 전류를 차단하기 위한 차단 스위치를 필요로 하지 않는다. 또한, 시스템은 각각의 사이클 동안 회수 인덕터(L2) 및 별도의 반전 단계를 필요로 하지 않는다. 정확한 극성을 갖는 동일한 에너지 저장 컴포넌트로의 에너지 회수는 작동의 전달 및 회수 단계 동안 부하에 전달되는 전류의 피크에서 발생하기 시작하고 부하를 통한 순방향 전류가 종료될 때까지 계속된다. 전달 및 회수 단계 후에 반전 단계는 없다. 따라서, 부하를 통한 순방향 전류 흐름의 종료 시, 에너지 저장 컴포넌트는 정확한 전압 극성을 갖는 에너지를 회수하였고 다음 사이클의 시작을 준비한다. 결과적으로, 시스템은 더 높은 반복 속도로 실행될 수 있다.
시스템 구성은 또한, 에너지 저장 컴포넌트로서 사용될 때 커패시터(C1 및 C2)를 효율적으로 사용한다. 예를 들어, 단일 커패시터가 부하에 걸쳐 인가된 전체 전압을 처리하는 시나리오와 비교하여 부하에 걸쳐 동일한 전압을 얻기 위해 높은 전압이 두 개의 커패시터에 걸쳐 분할될 수 있다. 도 7a의 시스템은 또한 방향 스위치가 개방될 때까지 전류의 "평평한 상부"를 허용할 수 있으며, 이 때 모든 잔여 에너지가 다이오드를 통해 흐르고 회수된다. 이러한 평평한 상부 또는 현재 유지 특징은 일부 응용에 유용할 수 있다. 도 7b 및 도 7c는 각각 도 7a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 7d는 공급 회로가 생략된 도 7a의 시스템의 변형에 대한 단순화된 회로를 도시한다. 다이오드(D2)는 방향 스위치(SW5)로 대체되고 다이오드(D3)는 방향 스위치(SW6)로 대체된다. 도 7e 및 도 7f는 각각 도 7d의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다. 이러한 구현을 위해, 방향 스위치(SW2, SW3)는 폐쇄되어 에너지 저장 컴포넌트를 초기에 방전하고 극성을 역전시킨다. 그런 다음, SW2, SW3은 개방될 수 있고 방향 스위치(SW5, SW6)는 부하를 통해 순방향으로 제2 전류 펄스를 통과하고 에너지 저장 컴포넌트(C1, C2) 상의 전압 극성을 반전시키기 위해 폐쇄될 수 있다.
도 8a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 다른 전기 시스템(800)용 회로를 도시한다. 이 시스템에는 동일한 부하의 일부일 수 있는 두 개의 부하(L1a, L1b)가 있다. 예를 들어, 각각의 부하(L1a, L1b)는 2021년 6월 14일에 출원되고 발명의 명칭이 "Inertially-Damped Segmented Segmented Coils for Generating High Magnetic Fields"인 미국 특허 가출원 제63/210,416호에 기술된 바와 같은 다중-세그먼트형 전자기 코일의 하나의 세그먼트와 같은 전자기 코일의 일부일 수 있으며, 상기 출원은 본원에 참조로서 통합된다.
초기에, 전력 공급부 Vsupp는 두 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)를 충전한다. 그런 다음, 방향 스위치(SW2)가 폐쇄되어 부하 인덕터(L1a, L1b)를 통해 2개의 커패시터에 저장된 에너지를 전달한다. 스위치(SW2)는 전류가 인덕터를 통해 계속 흐르는 동안 폐쇄된 상태로 유지되어, 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)에 걸친 전압의 극성을 역전시킨다. 스위치(SW2)를 통한 전류가 그의 유지 전류 아래로 떨어질 때, 스위치(SW2)는 자체 정류되고 개방될 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b) 상의 상승하는 역극성으로, 방향 스위치(SW3)는 인덕터(L2)를 통해 전류를 활성화하고 전도할 수 있다. L2를 통한 전류의 흐름은 두 개의 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b) 상의 전압 극성을 사이클의 시작 시의 초기 극성으로 반전시킬 수 있다. L2의 인덕턴스가 L1a 및 L1b의 인덕턴스보다 크기 때문에, 도 8c에서 볼 수 있듯이, 회수 전류는 더 오랜 시간 동안 흐른다. 도 8b 및 도 8c는 각각 도 8a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 8d는 도 8a의 시스템의 변형에 대한 단순화된 회로를 도시한다. 공급 장치 회로는 생략되고 사이클의 시작을 위한 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)의 초기 충전이 도면에 표시되어 있다. 도 8a의 시스템과 같이, 도 8d의 시스템(802)은 (예: 단일 회전 코일의 2개의 분할된 코일과 같은) 2개의 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)로 부하(L_Load1, L_load2)의 2개의 부분을 구동하도록 구성된다. 방향 스위치(SW3) 및 회수 인덕터(L2)는 다이오드(D1)로 교체된다. 다이오드의 사용은 전압이 에너지 저장 컴포넌트 상에서 반전하는 것을 방지한다. 회로의 거동은 도 8a의 회로에 대한 것과 상당히 다르다. 도 8d의 회로에 대한 각 사이클에 대한 파형은 도 8e(전압) 및 도 8f(전류)에 플롯팅되어 있다.
도 8g는 도 8a의 시스템의 변형에 대한 단순화된 회로를 도시한다. 공급 장치 회로는 생략되고 사이클의 시작을 위한 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)의 초기 충전이 도 8g에 표시되어 있다. 도 8g의 시스템(804)는 회수 인덕터(L2)를 제거한다. 각각, 도 8h 및 도 8i의 전압 및 전류 파형에서 볼 수 있는 바와 같이, 회로의 거동은 반전 전류(제2 펄스)가 동일한 진폭 및 지속 시간을 가지며 부하(L1a, L1b)에 전류가 초기 전달된다는 점을 제외하고는 도 8a의 동작과 유사하다.
도 9a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(900)용 회로를 도시한다. 시스템(900)은 스너버 회로가 스위치(SW3)를 가로질러 배치되고 방향 스위치(SW2)가 다이오드(D2)로 대체된다는 점을 제외하고는 도 8g의 것과 유사하다. 인덕터(L3), 커패시터(C3), 및 저항기(R2)는 공급 장치 회로 및/또는 스위치(SW3)을 보호하는 것을 도울 수 있는 스너버 회로를 포함한다.
에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)가 충전된 후, SW1을 스위칭하고 SW3을 스위칭하여 전류 및 에너지가 부하(L1a, L1b)로 흐를 수 있고 에너지 저장 컴포넌트에 걸친 전압을 감소시키고 또한 다이오드(D2)에 걸친 역방향 전압을 감소시킬 수 있다. 나중에, 다이오드(D2)는 전도되고 부하(L1a, L1b) 및 방향 스위치(SW3)을 통해 전류를 크로바할 것이다. 이는 도 9c에 도시된 바와 같이 부하를 통해 전류의 평평한 상부를 제공할 수 있습니다. 나중에, 스위치(SW3)을 개방하여 다음 사이클의 시작을 위한 정확한 극성으로 에너지를 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b) 내로 회수할 수 있다. 유도 부하(L1a, L1b)에 남아 있는 유동 전류 및 에너지는 다음 사이클을 위해 커패시터(C2, C1)을 재충전할 수 있다. 도 9b 및 도 9c는 각각 도 9a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
2.2d 변압기를 갖는 에너지 회수 회로
변압기를 통해 스위칭 및 커패시터 뱅크로부터 부하를 격리하는 것은, 에너지를 보존하고 직렬 스위칭의 문제에 대처하는 것에 관한 추가적인 이점을 제공한다. 도 10a 내지 도 13a의 에너지 회수 회로는 이러한 격리를 제공할 뿐만 아니라 에너지 회수에 참여할 수 있는 변압기를 포함한다.
도 10a는 절연 변압기를 포함하고 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(1000)용 회로를 도시한다. 스위치(SW2)는 SCR형 스위치일 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 초기에 충전되고 스위치(SW1)가 개방된 후, 스위치(SW2)는 폐쇄되어 일차 권선에서 전류를 구동하는 변압기(XF)에 에너지를 공급한다. 이에 응답하여, 변압기는 이차 권선을 통해 그리고 부하(120)를 통해 전류를 구동한다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 가로지르는 전압이 강하하고 변압기의 일차에서 전류가 0으로 강하함에 따라, 스위치(SW2)가 개방될 수 있다. 동시에, 다이오드(D1)을 가로지르는 순방향 전압이 증가하여 다이오드를 전도로 강제한다. 그런 다음, 전류는 부하(120)로부터 다이오드(D1)을 통해 흐를 수 있어서 다음 사이클의 시작을 위한 정확한 극성으로 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 재충전할 수 있다. 도 10b 및 도 10c는 도 10a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전류 파형을 도시한다.
도 10d는 도 10a의 회로의 변형에 대한 단순화된 회로이다. 공급 장치 회로는 생략된다. 도 10a의 회로의 스위치(SW2) 및 인덕터(L3)는 도 10d의 방향 스위치(SW2)로 대체된다. 부하의 병렬 인덕터는 등가 인덕턴스의 하나의 인덕터로 단순화된다. 인덕터(L2)도 변압기의 이차 회로로부터 제거된다. 도 10d의 시스템(1002)의 거동은 도 10a의 것과 거의 동일하므로 다시 설명할 필요가 없다. 인덕터(L3 및 L2)의 제거는 변압기의 일차 및 이차 권선을 통한 전류의 상승 시간을 단축시킨다.
도 10e는 도 10d의 시스템의 변형에 대한 단순화된 회로이다. 부하(L_Load)를 통해 전류를 구동하기 위해 추가 에너지 저장 요소(C2)를 이용하기 위해 변압기에 추가 권선을 추가할 수 있다. 작동 시, 방향 스위치(SW2, SW3)는 처음에 동시에 폐쇄되고 나중에 동시에 개방될 것이다.
도 10a, 도 10d 및 도 10e의 회로 중 임의의 회로에 대해, 다이오드(D1)는 방향 스위치로 대체될 수 있다. 방향 스위치는 부하(L_Load)를 통해 전류의 절반 사인을 제공하도록 작동될 수 있으며, 이는 (이들 3개의 회로에서 발생하지 않는) 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압 극성을 반전시킨다. 그 다음, 극성 반전은 도 10e의 구현예를 위해 상기 스위치를 폐쇄하고 스위치(SW2 및 SW3)를 개방하여 필요할 때 후속적으로 실행될 수 있다.
도 11a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(1100)용 회로를 도시한다. 시스템은 하나 이상의 변압기(X1, X2)를 사용하여 공급 장치 회로로부터 부하(L1)를 격리하고 각 사이클 동안 부하(L1)에 제공된 에너지를 회수할 수 있다. 시스템이 도시된 바와 같이, 2개의 별도의 변압기(X1, X2)로 작동할 수 있지만, 일부 경우에, 3개의 권선을 갖는 단일 변압기 코어가 대신 사용될 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 초기에 충전된 후, 단극, 이중 스로우(SPDT) 스위치(SW1)가 토글되고 SPDT 스위치(SW2, SW3 및 SW4)가 토글되어 전류가 2개의 변압기를 통해 흐르고 부하(L1)를 통해 전류 흐름이 생성된다. 나중에, 스위치(SW4)가 닫힌 상태로 유지되는 동안 스위치(SW2 및 SW3)는 토글한다. 부하 및 제1 변압기에 저장된 에너지는 제1 변압기의 일차 전류를 구동하여 전도되는 다이오드(D1 및 D2)를 통해 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 재충전할 수 있다. 제2 변압기(X2)에 저장된 에너지는 해당 변압기의 이차 전류를 구동하여 다이오드(D3)를 통해 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 충전할 수 있다.
시스템(1100)에서, 부하는 변압기(X1)을 통해 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 결합된다. 다이오드(D1, D2, D3)의 이러한 결합 및 사용은 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압 반전을 방지할 수 있다. 또한, 변압기를 통한 결합은 전압 상승을 허용하며, 이는 결국, 직렬 작동이 아닌, 스위치의 병렬 작동을 허용한다. 스위치의 병렬 작동이 유리할 수 있는데, 이는 스위치의 직렬 작동이 어렵고 더 많은 잠재적 고장 모드를 가질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 직렬 연결된 스위치를 통해 임의의 전류 흐름을 얻기 위해, 모든 스위치는 동시에 켜져야 한다. 병렬 연결 스위치의 경우, 임의의 스위치가 켜지면 전류가 흐르기 시작한다. 직렬 연결 스위치를 끄는 동안, 초기에 꺼지는 몇 개 또는 한 개에 걸쳐 모든 역차단 전압이 인가되는 것을 피하기 위해 모두 동시에 꺼야 한다. 병렬 연결 스위치의 경우, 모든 스위치가 꺼질 때까지 역차단 전압이 나타나지 않는다. 도 11b 및 도 11c는 각각 도 11a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 12a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(1200)용 회로를 도시한다. 시스템은 변압기를 사용하여 부하(120)에 제공된 에너지를 저장하고 회수하며, 또한 도시된 바와 같이 2개의 별도의 2-권선 변압기 또는 단일 3-권선 변압기로 작동할 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 초기에 충전한 후, 스위치(SW1)는 제1 위치로부터 제2 위치(각각 숫자 1 및 2로 표시됨)로 토글되는 반면, 스위치(SW3)는 도시된 바와 같이 제1 위치에 남아 있다. 그런 다음, 에너지 저장 컴포넌트(C1)로부터의 에너지는 부하(L1)를 통해 제1 변압기(X1) 구동 전류에 에너지를 공급한다. 제2 변압기(X2)는 바이패스된다. 나중에, 스위치(SW2)가 개방되고 스위치(SW3 및 SW4)가 제2 위치로 토글된다. 제1 변압기(X1) 및 부하(120)에 남아 있는 에너지는 제2 변압기(X2)에 에너지를 공급하여 이차 권선에서 전류를 구동하고, 이는 다음 사이클을 위해 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 재충전하는 것을 돕는다. 도 12b 및 도 12c는 각각 도 12a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 12d는 도 12a의 시스템의 변형에 대한 단순화된 회로이다. 다수의 일차(도면에서 일차 및 삼차로 도시됨)를 추가하여 방향 스위치(SW2, SW3)의 전압을 낮게 유지하면서 이차의 유효 전압을 증가시킬 수 있다. 스위치에 저전압을 유지하는 것은, 정확한 전압 격리를 달성하기 위해 여러 개의 스위치를 직렬로 실행할 때 유익할 수 있다. 이 시스템(1202)에서, 변압기(XFRM1) 및 변압기(XFRM2)는 2개의 권선 세트 사이에서 자속을 공유하는 3-권선 변압기의 일부이다. 방향 스위치(SW2)가 폐쇄되면, 변압기(XFRM1)을 통해 부하(L_Load)를 통해 전류를 구동하고, 이어서 전류는 다이오드(D1)을 통해 크로바한다. 방향 스위치(SW2)가 개방된 후, 방향 스위치(SW3)는, 잔여 전류 및 에너지를 이차 레그 및 부하(L_Load)로부터 빼내어 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 초기 전압 극성으로 되돌릴 수 있다. 도 12e 및 도 12f는 각각 도 12d의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 13a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(1300)용 회로를 도시한다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 초기에 충전된 후, SPDT 스위치(SW1)가 제2 위치로 토글되고 방향 스위치(SW2)가 활성화되어 변압기(X1)에 에너지를 공급하고, 이는 이차 권선에서 부하(120)를 통해 전류를 구동한다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 걸리는 전압이 강하하고 역전되기 시작함에 따라, 다이오드(D2)는 전도된다. 방향 스위치(SW2)를 통한 전류가 떨어지고 스위치가 개방된다. 부하(L1) 및 변압기(X1)에서 흐르는 전류 및 이들 컴포넌트에 남아 있는 에너지는 다이오드(D2)를 통해 전류를 구동하여 다음 사이클의 시작을 위한 정확한 극성으로 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 재충전한다. 도 13b 및 도 13c는 각각 도 13a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 14a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 전기 시스템(1400)용 회로를 도시한다. 회로는 변압기를 포함하지 않지만, 인덕터(L2, L3, L4)는 자속을 공유할 수 있다(예: 동일한 자기 회로 주위에 감겨질 수 있다). 시스템(1400)은 3개의 에너지 저장 컴포넌트(C1, C2, C3)을 충전하도록 배열된 3개의 전압 공급부(Vsupp1, Vsupp2, Vsupp3)를 포함한다. 에너지 저장 컴포넌트는 부하에 인가된 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결된다. 방향 스위치(SW4, SW5, SW6)(SCR로 표시됨)는 동시에 활성화되어 부하(120)를 통해 전류를 구동할 수 있다. 커패시터 상의 전압이 역전되기 시작할 때, 다이오드(D1)는 전도되어 전류가 부하(L1)를 통해 흐를 수 있게 한다.
시스템(1400)의 회로에서, 커패시터로부터의 에너지는 먼저 인덕터(L2, L3, L4)로 전달된 다음 부하(120)로 전달된다. 전류의 펄스가 부하를 통해 흐르고 감소하여, SCR이 자체적으로 정류되고 개방되게 한다. 부하에서 흐르는 전류 및 그곳에 남아 있는 에너지는 다음 사이클에 대한 정확한 극성으로 재충전하는 에너지 저장 컴포넌트 내로 전류를 구동할 것이다. 다이오드(D1) 및 방향 스위치(SW4, SW5, SW6)의 보정 작용을 위해, 부하의 인덕턴스는 인덕터(L2, L3, L4)에 대한 인덕턴스의 합의 2 내지 3배여야 한다.
시스템(1400)은 또한, 보다 어려운 직렬 작동과 반대로, 부하에서 요구되는 속도/전압을 달성하기 위해 스위치 컴포넌트(SW4, SW5, SW6)의 병렬 작동을 허용할 수 있다. 도 14b 및 도 14c는 각각 도 14a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 14d는 도 14a의 시스템에 대한 단순화된 회로를 도시한다. 공급 장치 회로는 시스템(1402)으로부터 생략된다. 시스템(1402)의 동작은 도 14a와 관련하여 전술되었다. 도 14e 및 도 14f는 각각 도 14d의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
2.2e 에너지 저장 컴포넌트의 전압 반전을 피하는 에너지 회수 회로
전술한 바와 같이, 에너지 회수 시스템의 작동 사이클 동안 에너지 저장 컴포넌트의 전압 반전을 피하는 것이 유익할 수 있다. 전압 반전을 피하는 것은 커패시터와 같은 에너지 저장 컴포넌트의 크기 및 비용을 감소시킬 수 있다. 도 15a 및 도 16a의 회로는 에너지 저장 컴포넌트용 직렬 연결 커패시터를 포함한다. 커패시터는 커패시터 상의 전압 반전을 피하는 방식으로 회로에 연결된다. 이러한 구성은 또한 일부 시스템 스위치에서 전압 반전을 피할 수 있다.
전술한 회로 중 일부는 에너지 저장 컴포넌트의 전압 반전을 회피하기 위한 다른 방법을 포함한다. 일부 회로(예: 도 5a, 도 5d, 및 도 6a의 시스템용)는 부하에 연결된 제2 에너지 저장 컴포넌트(커패시터(C2))를 사용하여 부하로부터의 에너지를 일시적으로 저장함으로써, 제1 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 극성을 역전시키는 것을 피한다. 전류 및 에너지는 제2 에너지 저장 컴포넌트로부터 제1 에너지 저장 컴포넌트로 전달되어 다음 사이클의 시작을 위한 정확한 극성으로 제1 에너지 저장 컴포넌트를 충전할 수 있다.
다른 접근법은 전도되는 적어도 하나의 다이오드를 사용하여 에너지 저장 컴포넌트에 걸쳐 실질적인 전압 반전을 방지하는 것이다. 이 접근법의 예는 도 7a, 도 8d, 도 9a, 도 10a, 도 10d, 도 10e, 도 11a, 도 12a, 도 12d 및 도 13a의 시스템과 관련하여 전술되었다.
도 15a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 다른 전기 시스템(1500)용 회로를 도시한다. 상기 시스템은, 2개의 에너지 저장 컴포넌트(커패시터(C1, C2))가 직렬로 연결되어 시스템 에너지를 저장하고 회수하는 데 참여하는 것을 제외하고, 도 2a의 것과 유사하다. 도 2a의 시스템(200)의 경우, 방향 스위치(SW2)의 단자를 가로지르는 전압은 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 그 충전을 역전시킬 때 역전될 수 있다. 이는 일부 스위치에 바람직하지 않을 수 있다. 도 15a의 시스템(1500)에서와 같이 제2 커패시터(C2)를 추가하는 것은 커패시터(C1) 및 방향 스위치(SW2)를 가로지르는 이러한 전압 반전을 피할 수 있다.
시스템(1500)의 작동 중에, 제1 에너지 저장 컴포넌트(C1)는 방향 스위치(SW2)에 연결된 단말에서 하나의 극성으로만 충전된다. 방향 스위치가 활성화되면, 커패시터는 부하(120) 내로 방전된다. 다이오드(D2)가 전도될 때까지, 부하를 통과하는 전류는 제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)에 축적되기 시작한다. 다이오드(D2)가 전도될 때, 제2 에너지 저장 컴포넌트(C2)로부터의 전류는 제1 에너지 저장 컴포넌트를 그의 초기 극성으로 재충전한다. 두 에너지 저장 컴포넌트는 각 사이클 동안 하나의 극성으로만 교대로 충전된다. 이러한 시스템은 C1 및 C2에 큰 전해질 커패시터의 사용을 허용할 수 있다. 도 15b 및 도 15c는 각각 도 15a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 16a는 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동하는 다른 전기 시스템(1600)용 회로를 도시한다. 상기 회로는 에너지 저장 및 에너지 회수를 위한 2개의 커패시터(C1, C2)를 포함한다. 상기 시스템은 1개 또는 2개의 부하(L1a, L1b)를 가질 수 있다. 2개의 부하는 도 8a의 시스템과 관련하여 전술한 바와 같이 분할된 코일의 2개의 세그먼트일 수 있다. 스위치(SW1)가 폐쇄될 때, 공급 전압은 두 커패시터 모두에 걸쳐 인가되지만, 에너지는 주로 커패시터(C2)에 걸친 다이오드(D2)로 인해 커패시터(C1)에 저장된다. 그런 다음 SW1 스위치를 개방하고 SW2를 폐쇄할 수 있다. 그런 다음, 전류는 부하(들)(L1a, L2a)를 통해 흘러 커패시터(C1)로부터 커패시터(C2)로 에너지를 전달할 수 있다. 그런 다음, 에너지는 부하(들)를 통해 커패시터(C1)로 다시 전달되어 다음 사이클의 시작을 위한 정확한 극성으로 C1을 재충전할 수 있다. 이 회로의 경우, (초기 에너지가 부하(들)에 전달된 후) 에너지 회수 경로는부하(들)에 대한 에너지 전달 경로와 동일한 경로이며, 도 1a의 시스템과 유사하다. 이 회로는 병렬 또는 직렬로 연결된 부하에 사용될 수 있다. 도 16b 및 도 16c는 각각 도 16a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다. 도 16c에서, 스위치(SW2)를 통한 전류는 눈에 보이도록 반대 극성으로 표시된다.
2.3 에너지 회수 회로에 대한 방향 스위치
도 17a 내지 도 17f는 도 1a 내지 도 16a의 시스템에 대한 에너지 회수 회로 및 도 18a 내지 도 22에 도시된 회로에 사용될 수 있는 방향 스위칭 회로에 대한 개략도를 도시한다. 특정 스위치 구현은 회로 응용(예: 스위치 온 및 오프되고 차단되는 전압 및/또는 전류 레벨(들))에 따라 달라질 수 있다. 이들 방향 스위치는 다이오드 보조 자기-정류 스위치로 지칭될 수 있다.
높은 전압 및/또는 높은 전류 응용의 경우, 도 17a 내지 도 17c 및 도 17f의 방향 스위치를 사용할 수 있다. 저전압, 저전류 응용의 경우, 도 17d 및 도 17e의 방향 스위치를 사용할 수 있다. 또한, 저전압, 저전류 응용에서 방향 스위치로서 단일 SCR을 사용할 수 있다. 방향 스위치가 스위칭 요소로서 SCR로 도시되지만, 방향 스위치는 전술한 IGBT, IGCT, GTO 등과 같은 다른 스위칭 요소로 형성될 수 있다. 이러한 스위치는 자기-정류일 수도 있고 아닐 수도 있다. 자가-정류되지 않을 때, 스위치는, 예를 들어 스위치의 제어 단자에 인가된 제어 신호에 의해 강제 온 및/또는 오프될 수 있다. 긴 시간 스케일이 수반되는 일부 경우에, 기계식 스위치는 방향 스위치의 스위칭 요소를 위해 사용될 수 있다.
반도체 기반 스위치를 사용하는 이점은 빠른 스위칭 시간이 가능할 수 있다는 것이다. 일부 구현예에서, 본원에 설명된 방향 스위치는 0.25 마이크로초 내지 1 밀리초의 시간 내에 (10% 온에서 90% 온으로) 켜질 수 있지만, 더 짧거나 더 긴 켜짐 시간이 가능할 수 있다. 일부 경우에, 켜짐 시간은 0.25 마이크로초 내지 250 마이크로초, 0.25 마이크로초 내지 150 마이크로초, 또는 0.25 마이크로초 내지 50 마이크로초이다. 일부 구현예에서, 본원에 설명된 방향 스위치는 0.25 마이크로초 내지 1 밀리초의 시간 내에 (90% 온에서 10% 온으로) 꺼질 수 있지만, 더 짧거나 더 긴 꺼짐 시간이 가능할 수 있다. 일부 경우에, 꺼짐 시간은 0.25 마이크로초 내지 250 마이크로초, 0.25 마이크로초 내지 150 마이크로초, 또는 0.25 마이크로초 내지 50 마이크로초이다. 따라서, 스위치는 1 마이크로초 내지 5 밀리초 또는 그 이상의 펄스 지속 시간(FWHM)을 지원할 수 있다. 일부 구현예에서, 펄스 지속 시간은 1 마이크로초 내지 250 마이크로초이다. 방향 스위치는 또한 높은 피크 전력(예: 상기 펄스 지속 시간 동안 최대 0.5Х109 와트 내지 0.1Х109 와트의 값)을 처리할 수 있다. 일부 방향 스위치에 대해 더 높은 피크 전력이 가능할 수 있다.
도 1a와 관련하여 전술한 바와 같이, 방향 스위치는 스위치의 턴오프를 보조하기 위해 적어도 하나의 순방향 다이오드(도 17a 내지 도 17e의 D3 또는 D1)를 사용한다. 순방향 다이오드(들)는 스위치의 총 회수 에너지의 대부분을 흡수할 수 있고, 오프 상태에서 스위치에 걸쳐 인가된 역방향 전압의 대부분을 강하시키는 것 이외에 흡수된 회수 에너지에 의해 발생된 열을 소산시킬 수 있다. 순방향 다이오드(들)를 포함하면, 고전압(예: 1,000 볼트 또는 그 이상에서 최대 1,000,000 암페어)에서 많은 양의 전류를 전달할 수 있는 방향 스위칭 회로에 더 느리고 저렴한 스위칭 요소(예: 끄기 시간이 50마이크로초 초과, 100마이크로초 초과, 200마이크로초 초과, 500마이크로초 초과, 1밀리초 초과 또는 더 긴 끄기 시간을 갖는 SCR)를 사용할 수 있다. 스위치의 신뢰성 있는 작동은, 스위칭 요소(들)가 차단 모드로 들어가기 전에 순방향 다이오드(들)가 차단 모드로 들어가도록, 스위칭 요소(들)보다 더 짧은 차단 시간을 갖는 순방향 다이오드(들)에 부분적으로 기인한다. 순방향 다이오드(들)를 포함하면, 스위치 요소가 정방향 모드에서 스위치와 정류할 때 스위치가 차단할 수 있는 것보다 더 높은 전류 및 전압에서 스위칭 요소(들)가 작동될 수 있게 한다. 순방향 다이오드(들)가 없으면, 스위칭 요소(들)는 이러한 전력 레벨에서 정류될 때 손상될 것이다.
하나 이상의 SCR이 스위칭 요소로서 사용되는 예로서, 역방향 다이오드(들) 및 SCR(들)에 소산된 회수 에너지는 그 온도를 상승시킬 수 있다. 역방향 다이오드(들)가 회수 에너지의 98%를 흡수하면, 역방향 다이오드(들)의 온도는 250°C 초과만큼 증가할 수 있다. 회수 에너지의 2%를 흡수하는 SCR(들)로, SCR(들)의 온도는 5°C 미만만큼 증가할 수 있다. 일반적으로, SCR은 다이오드만큼 높은 온도에서 작동될 수 없다. 예를 들어, 다이오드는 최대 400°C의 온도에서 펄스 작동 하에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는 반면, SCR은 최대 150°C까지만 작동할 수 있다. 스위칭 회로에 순방향 다이오드(들)가 없으면, SCR의 온도는 주변 온도로부터 작동 온도 한계 이상으로 증가하며, 이는 대부분 SCR을 손상시킬 수 있다. 순방향 다이오드를 사용하면, SCR은 순방향 전도 시 온도 제한의 10°C 내에서 작동할 수 있으며 SCR을 손상시킬 수 있는 조건에서도 여전히 안정적으로 큰 전류와 전압을 끄고 전환할 수 있다.
또한, 순방향 다이오드(들)(D1, D3)를 포함하면, 더 느리고, 더 작고, 상당히 저렴한 SCR을 사용하여 큰 전류와 전압을 전환할 수 있다. 느린 SCR은, 일부 경우에 30 마이크로초 초과, 50 마이크로초 초과, 100 마이크로초 초과, 200 마이크로초 초과, 500 마이크로초 초과, 또는 심지어 1 밀리초 초과의 꺼짐 시간을 갖는 SCR일 수 있다. 더 느린 스위칭 요소(들)의 사용은, 순방향 다이오드(들)의 더 빠른 꺼짐 및 스위치가 차단 모드로 진입할 때 스위치에 부과된 대부분의 회수 에너지를 취급하는 이들의 능력 때문에 가능하다.
도 17a는 도 1a의 시스템(100)에 사용되는 방향 스위치(1710)의 일례를 도시한다. 2개의 이러한 방향 스위치(110, 130)가 그 시스템에서 부하(120)에 전류를 전달하고 수신하기 위해 사용된다. 2개의 스위치(110, 130)의 배열은 도 17f에 도시된 양방향 스위치(1760)와 같은 양방향 스위치를 형성하며, 이는 SCR당 더 적은 수의 SCR과 추가 순방향 다이오드(D1) 및 역방향 다이오드(D2)를 사용한다.
도 17b의 방향 스위치(1720)는 스위치의 각 SCR에 대해 하나의 역방향 다이오드(D2)를 사용한다. 추가적인 역방향 다이오드(D2)를 사용하면, 단일 다이오드 대신에 다수의 역방향 다이오드(D2)에 걸쳐 스위치를 통해 임의의 역방향 누설 전류와 연관된 전력 소산 및 전압 강하를 분배할 수 있다. 이는 높은 전압 시스템에 유익할 수 있다. 상기 방향 스위치는 또한 다수의 순방향 다이오드(D1)을 포함한다. 상기 순방향 다이오드는 스위치가 꺼질 때 방향 스위치(1720)를 가로지르는 임의의 역방향 전압을 처리하기 위해 필요에 따라 적층될 수 있다. 다수의 순방향 다이오드(D1)을 사용하면 다수의 다이오드에 걸쳐 역전 누설 전류와 연관된 높은 역방향 전압 강하 및 전력 소산을 분배할 수 있다. 다수의 순방향 다이오드(D1) 및 다수의 역방향 다이오드(D2)가 사용되는 경우, 더 적은 스위칭 요소(예: SCR)가 사용될 수 있다. 일부 경우에, 높은 전압, 높은 전류 적용에 대한 전체 전압 강하 및 전력 소산을 처리할 수 있는 단일 순방향 다이오드(D1)는 이용 가능하지 않을 수 있다.
도 17b에서, 순방향 다이오드(D1)는 스위치의 스위칭 요소의 캐소드쪽에 연결되는 반면, 도 17a에서, 순방향 다이오드(D3)는 스위치의 스위칭 요소의 애노드쪽에 연결된다. 순방향 다이오드의 배열은 스위치의 작동에 적합하다. 일부 경우에, 순방향 다이오드는 방향 스위치에서 스위칭 요소의 애노드쪽 및 캐소드쪽 모두에 배치될 수 있다.
도 17c의 방향 스위치(1730)는 스위칭 요소(예: SCR)를 병렬로 구현한다. 스위칭 요소의 병렬 배열은 큰 순방향 전류를 취급하는 데 사용될 수 있다. 각각의 스위칭 요소는, 스위치가 순방향 바이어스 하에서 동시에 켜지도록 (도시된 바와 같이) 밸런싱 저항기를 가질 수 있다. (도시된 바와 같이) 하나의 역방향 다이오드(D2) 또는 역방향 바이어스 하에서 모든 스위칭 요소를 단락시키기 위한 다수의 역방향 다이오드가 있을 수 있다. 방향 스위치의 한쪽 또는 양쪽에 연결된 하나 또는 다수의 순방향 다이오드(D1)가 있을 수 있다.
도 17d는 저전압 시스템(예: 5,000 볼트 미만)에서 구현될 수 있는 방향 스위치(1740)를 도시한다. 전술한 바와 같이, 단일 스위칭 요소(본 실시예에서의 SCR)는 역방향 바이어스 하에서 스위칭 요소를 보호하는 것을 돕기 위해 직렬로 연결된 하나 이상의 순방향 다이오드(D1)와 함께 사용될 수 있다. 다이오드는 스위칭 요소가 순방향 전도로부터 그의 비전도 상태로 전이되는 동안 대부분의 역방향 바이어스 및 누설 전류를 차단할 수 있다. 도 17e의 방향 스위치(1750)는, 전술한 바와 같이, 스위칭 요소의 추가 보호를 위해 역방향 다이오드(D2)를 추가한다.
도 17f는 반대 방향으로 병렬 연결된 (도 17b에 도시된 것과 같은) 2개의 방향 스위치를 포함하는 양방향 스위치(1760)를 도시한다. 방향 스위치 중 제1 스위치(예: 스위칭 요소(SCR1)를 포함하는 스위치)에 대한 제1 턴-온 전압을 초과하는 제1 극성의 스위치를 가로질러 인가된 전압은, 전류가 제1 방향 스위치에 대한 유지 전류 아래로 떨어질 때까지 그 방향 스위치를 통한 전류 흐름을 허용하는 제1 방향 스위치 내의 스위칭 요소를 활성화시킬 것이다. 제2 방향 스위치에 대한 제2 턴-온 전압을 초과하는 제2 반대 극성의 스위치(예: 스위칭 요소(SCR2)를 포함하는 스위치)에 걸쳐 인가된 전압은, 전류가 제2 방향 스위치에 대한 유지 전류 아래로 떨어질 때까지 그 방향 스위치를 통해 반대 방향으로 전류 흐름을 허용하는 제2 방향 스위치 내의 스위칭 요소를 활성화시킬 것이다. 2개의 방향 스위치는 일부 구현예에 대해 동일한 컴포넌트를 가질 수 있거나, 다른 구현예에서 일부 또는 모든 상이한 컴포넌트를 가질 수 있다. 예를 들어, 양방향 스위치(1760)를 통해 순방향으로의 전류 흐름을 개시할 전압과 다른 전압에서 역방향으로의 전류 전도를 개시하는 것이 바람직한 경우, 적어도 스위칭 요소(SCR2)는 스위칭 요소(SCR1)와 다를 수 있다. 상이한 스위칭 요소를 갖는 것은 또한 2개의 방향 스위치가 상이한 유지 전류 조건에서 꺼질 수 있게 한다.
사용될 수 있는 양방향 스위치는 부하를 통해 또는 다른 시스템 컴포넌트를 통해 양방향으로 전류 흐름이 사용되는 전술한 에너지 회수 시스템 중 일부이다. 예를 들어, 도 16a의 시스템(1600)의 스위치(SW2)는 양방향 스위치로 구현될 수 있다.
2.4 에너지 회수 시스템용 하위 회로
도 18a 내지 도 20a는 전술한 에너지 회수 시스템에 사용될 수 있는 하위 회로를 도시한다. 하위 회로는 에너지 회수 시스템에 조합하여 추가될 수 있으며, 그 일부 예는 도 21 및 도 22에 나와 있다.
도 18a는 반복 사이클로 작동할 수 있는 전기 시스템용 회로(1800)를 도시한다. 회로(1800)는 도 8a의 시스템(800)에 대한 하위 회로이다. 회로(800)는 부하(L1a, L1b)의 두 부분에 에너지 펄스를 전달할 수 있다. 초기에 에너지 저장 컴포넌트(C1a 및 C1b)는 부하 부분에 전력을 전달하도록 충전된다. 그런 다음, 스위치(SW1a, SW1b)를 개방한다. 그런 다음, 방향 스위치(SW2)가 폐쇄되어 전류가 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)로부터 부하(L1a, L1b)의 부분을 통해 흐를 수 있다. 전술한 바와 같이, 부하의 2개의 부분을 구동하도록 2개의 에너지 저장 컴포넌트를 구성하는 것은 주어진 공급 전압 V supp 에 대한 부하를 가로지르는 전압 강하를 2배로 할 수 있다. 도 18b 및 도 18c는 각각 도 18a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 19a는 2개의 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)로부터의 부하에 2개의 상이한 속도로 에너지를 전달할 수 있는 전기 시스템용 회로(1900)를 도시한다. 이러한 구현예에서, 방향 스위치는 단극, 이중 스로우 스위치로서 구성된다. 이들 스위치는 다이오드(D1 또는 D2)에 연결된 단자 중 하나를 갖는 기계적 스위치 또는 릴레이를 포함할 수 있다. 2개의 커패시터(C1a, C1b)는 초기에 2개의 공급 장치 V1 및 V2에 의해 충전된다. 커패시터는, 도 4a 및 다른 회로와 관련하여 전술한 바와 같이, 부하(120)에 전달된 전류의 펄스를 형상화하기 위해 상이한 시간 및 상이한 속도로 부하(120)에 에너지를 저장하고 전달한다. 에너지 저장 컴포넌트(C1a, C1b)를 충전한 후, 방향 스위치(SW1)는 제2 위치로 토글되어 스위치(SW2)가 폐쇄되는 경우보다 제1 느린 전력 전달 속도로 에너지 저장 컴포넌트(C1a)로부터 인덕터(L2)를 통해 부하(120)로 에너지를 전달한다. 초크 인덕터(L2)는 초기 에너지 전달 속도를 늦추기 위해 부하의 인덕턴스의 적어도 2배의 인덕턴스를 가질 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1a)로부터의 에너지 전달은 부하(120)를 통해 소프트-스타트 숄더 또는 바이어스 숄더를 형성한다. 예를 들어, 숄더는 도 4d, 도 4e, 도 5c 및 도 19c의 전류 플롯에서 볼 수 있다.
나중에, 방향 스위치(SW2)는 제2 위치로 토글되어 에너지 저장 컴포넌트(C1b)로부터 에너지를 전달한다. 에너지 저장 컴포넌트(C1b)와 부하(120) 사이에 인덕터가 없기 때문에, 도 19c의 부하에 대한 전류 파형에서 볼 수 있듯이, 에너지는 주 펄스를 제공하는 부하에 더 빠르게 전달된다. 주 펄스는 부하에 의해 특정 기능을 실행하는 데 사용될 수 있다(예: 최고 속도로 입자의 가속). 도 19b 및 도 19c는 각각 도 19a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 19d의 회로(1902)는 도 19a의 회로의 단순화된 버전이다. 공급 장치는 생략되고 방향 스위치(SW3, SW4) 아래의 별도의 스위치를 통해 연결될 수 있다. 도 19a 및 도 19d의 스위칭 회로의 다른 양태는 각각의 에너지 저장 컴포넌트에 대해 상이한 공급 전압이 사용될 수 있고, 공급 장치(V1, V2)가 서로 격리될 수 있다는 것이다.
도 19e의 단순화된 회로(1904)는 단일 에너지 저장 컴포넌트가 소프트 스타트 또는 바이어스 숄더 및 주 펄스 모두를 제공하는 데 사용되는 도 19d의 회로의 변형이다. 이러한 하위 회로는, 전술한 바와 같이, 도 4의 시스템에 제시되었고, 다시 설명할 필요는 없다.
도 19a , 도 19d, 및 도 19e의 회로에 대해 부하(L1)를 포함하는 회로 분기 및 초크 인덕터(L2)를 포함하는 회로 분기에서의 인덕턴스는 부하에 인가된 전류의 원하는 펄스 형상을 얻기 위해 (예: 인덕터를 추가함으로써) 선택 및/또는 변경될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 초크 인덕터(L2)를 포함하는 회로 분기에 인덕턴스를 추가하는 것은 소프트-스타트 또는 바이어스 숄더를 확장할 수 있다. 부하(L1)를 포함하는 회로 분기에 인덕턴스를 추가하는 것은 주 펄스를 확장시킬 수 있다. 또한, 상이한 인덕터를 갖는 추가 에너지 저장 컴포넌트 및/또는 회로 분기가 펄스 성형을 위한 추가 에너지 전달 속도를 제공하기 위해 추가될 수 있다.
도 20a는 평평한 상부 전류 펄스를 제공할 수 있는 전기 시스템(2000)용 회로를 도시한다. 상기 시스템은 또한 에너지 회수를 수행하고 반복 사이클로 작동할 수 있다. 상기 회로는 에너지 전달 및 회수를 위한 2개의 에너지 저장 컴포넌트(C1, C2)를 포함한다. 다이오드(D3)는 에너지 저장 컴포넌트(C1) 중 하나를 션트한다.
작동 시, 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 충전한 후, 방향 스위치(SW3)가 개방된 상태로 유지되는 동안 방향 스위치(SW2)가 폐쇄될 수 있다. 전류는 부하(120)를 통해 흐르고 다이오드(D3)를 강제로 전도한다. 그 결과, 전류 피크가 부하 및 다이오드(D3)를 포함하는 루프 주위로 피크화되고 순환한다. 일부 구현예에서, 다이오드(D3)는 방향 스위치로 교체될 수 있다.
나중에, 스위치(SW3)가 폐쇄되는 동안 스위치(SW2)를 개방할 수 있다(예: 외부 제어 신호를 이용한 강제 정류를 사용함). 그런 다음, 부하(120)에 저장된 에너지가 에너지 저장 컴포넌트(C1 및 C2)에 축적될 수 있다. 그런 다음 방향 스위치가 개방될 수 있다. 다음 사이클의 시작 시, 에너지 저장 컴포넌트(C2)에 저장된 회수된 에너지는 바이패스 다이오드(D3)를 통해 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 저장된 에너지에 추가될 수 있다. 도 20b 및 도 20c는 각각 도 20a의 회로 컴포넌트에 대한 시뮬레이션된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
2.5 에너지 회수 시스템에서 회로의 조합
도 21은 방향 스위치 및 전술한 섹션에서 설명된 하위 회로에 의해 제공된 특징의 조합을 포함하는 에너지 회수 시스템(2100)용 회로를 도시한다. 시스템(2100)은 4개의 방향 스위치(SW2, SW3, SW4, SW5), 단일 에너지 저장 컴포넌트(C1), 부하(L1), 및 2개의 인덕터(L2, L3)를 포함한다. 방향 스위치(SW2, SW3) 및 인덕터(L1)는 도 19e와 관련하여 전술한 바와 같이 소프트 스타트 숄더 및 메인 펄스를 부하(L1)에 제공하도록 구성된다. 방향 스위치(SW4)는 에너지 저장 컴포넌트(C1)를 션트하고 전류 흐름을 유지하도록 구성되어, 도 20a와 관련하여 설명된 바와 같이 평평한 상부 전류 펄스를 제공한다. 방향 스위치(SW5) 및 인덕터(L3)는 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압 극성의 반전을 위해 구성된다.
작동 시, 에너지 저장 컴포넌트(C1)가 공급 장치 Vsupp에 의해 완전히 충전된 후에 스위치(SW1)가 개방된다. 그런 다음, 방향 스위치(SW2)는 (예: 제1 트리거 펄스에 의해 스위치의 SCR 게이트로) 활성화되어 부하(L1)에 소프트 스타트 전류 흐름을 제공할 수 있다. 나중에, 방향 스위치(SW3)는 (예: 스위치의 SCR 게이트에 대한 제2 트리거 펄스에 의해) 활성화되어 부하에 주 전류 펄스를 제공할 수 있다. 부하를 통한 피크 전류 값에서, 방향 스위치(SW4)는 에너지 저장 컴포넌트(C1) 주위의 전류를 크로바하고 부하(L1)를 통한 전류 흐름을 유지하기 위해 (예: 스위치의 SCR 게이트에 인가된 제3 트리거 펄스에 의해) 활성화될 수 있다. 나중에, 방향 스위치는 (예: 강제 정류에 의해) 개방될 수 있고, 그 후에 에너지가 에너지 저장 컴포넌트(C1)에 축적될 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트(C1)에서 에너지의 축적은 사이클의 시작과 비교하여 전압 극성을 역전시킬 것이다. 방향 스위치(SW5)는 인덕터(L3)(존재하는 경우) 및 인덕터(L2)를 통해 전류를 흐르게 하기 위해 (트리거 펄스에 의해 또는 전압이 에너지 저장 컴포넌트(C1)에서 역전됨에 따라 자동으로) 활성화될 수 있고, 에너지 저장 컴포넌트(C1)의 전압 극성을 반전시킨다.
평평한 상부 전류 펄스가 사용되지 않는 경우, 방향 스위치(SW4)를 시스템에서 제거할 수 있다. 이러한 시스템의 일례가 도 22에 도시되어 있다. 에너지 회수 시스템(2200)의 도시는 단순화되어 있고 공급 장치 회로를 생략한다. 이 예에서, 부하(120)는 인덕턴스에 더하여 일부 저항(R)을 포함한다. 도 22b 및 도 22c는 각각 도 22a의 회로의 컴포넌트에 대한 시뮬레이션 전압 및 전류 파형을 도시한다. 상이한 서브회로 조합을 갖는 다른 에너지 회수 시스템도 가능하다.
에너지 회수 회로, 시스템, 및 관련 방법은 상이한 구성으로 구현될 수 있다. 이러한 구성의 예는 아래에 열거되어 있다.
(1)
반복 사이클로 부하에 에너지를 전달하고 상기 에너지의 일부를 회수하기 위한 회로로서, 상기 회로는: 전압원 또는 전류원으로부터 에너지를 수신하기 위한 에너지 저장 컴포넌트; 상기 에너지 저장 컴포넌트를 제1 회로 경로를 따라 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제1 스위치로서, 상기 제1 스위치는, 상기 제1 스위치가 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 제1 상태에 있을 때, 순방향 전류가 상기 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 흐르도록, 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 제1 스위치; 및 상기 에너지 저장 컴포넌트를 제2 회로 경로를 따라 상기 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제2 스위치로서, 상기 제2 회로 경로는, 적어도 부분적으로, 상기 제1 회로 경로와 상이하고, 상기 제2 스위치는, 상기 제2 스위치가 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제2 스위치의 제1 상태에 있을 때, 상기 부하로부터의 에너지가 상기 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되어, 상기 복귀된 에너지의 적어도 일부가 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 이용 가능하도록, 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 제2 스위치를 포함하는, 회로.
(2)
구성 (1)에 있어서, 상기 제1 스위치는: 상기 제1 스위치의 제1 상태에 있을 때 상기 전류의 최대 1백만 암페어를 전환하고; 상기 순방향 전류가 상기 제1 스위치를 통해 흐르지 않는 제2 상태에 있을 때 적어도 1,000 볼트를 차단하고; 상기 제1 스위치의 제1 상태와 상기 제1 스위치의 제2 상태 사이에서 전환할 때 150 마이크로초 이내에 꺼지도록 구성되는, 회로.
(3)
구성 (1)에 있어서, 상기 회로는 상기 에너지 저장 컴포넌트, 상기 제1 스위치, 또는 상기 제2 스위치의 고장 없이 10,000 사이클 이상 동안 작동하는, 회로.
(4)
구성 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 커패시터를 포함하는, 회로.
(5)
구성 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 커패시터는 10 마이크로패럿 내지 10 밀리패럿 범위의 커패시턴스 값을 갖는, 회로.
(6)
구성 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급원을 추가로 포함하되, 상기 공급원은 적어도 1,000 볼트의 전압원인, 회로.
(7)
구성 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 부하를 추가로 포함하는, 회로.
(8)
구성 (7)에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 제1 에너지 저장 컴포넌트이고, 상기 부하는 제2 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는, 회로.
(9)
구성 (8)에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트는 인덕터를 포함하는, 회로.
(10)
구성 (8)에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트는 전자기 코일을 포함하되, 상기 전자기 코일은 단일 회전 전자기 코일 또는 세그먼트형 전자기 코일인, 회로.
(11)
구성 (10)에 있어서, 상기 전자기 코일은 1 마이크로헨리 내지 100 마이크로헨리 범위의 인덕턴스 값을 갖는, 회로.
(12)
구성 (8)에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트는 제1 커패시터를 포함하고 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트는 제2 커패시터를 포함하는, 회로.
(13)
구성 (8) 내지 (12) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 회로 경로는 제3 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는, 회로.
(14)
구성 (13)에 있어서, 상기 제3 에너지 저장 컴포넌트는 상기 제2 회로 경로 및 상기 제1 회로 경로에 공통인, 회로.
(15)
구성 (1) 내지 (14) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 회로.
(16)
구성 (15)에 있어서, 순방향 다이오드를 추가로 포함하되, 상기 순방향 다이오드는 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 직렬로 연결되고,
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 순방향 전류 흐름을 허용하고;
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 역방향 전류 흐름을 차단하도록 배열되는, 회로.
(17)
구성 (15) 또는 (16)에 있어서, 순방향 전도와 역방향 차단 사이의 상기 순방향 다이오드의 제1 꺼짐 시간은 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기의 제2 꺼짐 시간보다 짧은, 회로.
(18)
구성 (15) 내지 (17) 중 어느 하나에 있어서, 추가로:
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 중 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 저항기; 및
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는 회로 경로 주위의 병렬 회로 경로에서 역방향 전류 흐름을 허용하도록 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 역방향 다이오드를 포함하되, 상기 병렬 회로 경로는 상기 역방향 다이오드를 포함하는, 회로.
(19)
구성 (1) 내지 (18) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 회로.
(20)
구성 (1) 내지 (19) 중 어느 하나에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 제1 에너지 저장 컴포넌트이고, 상기 회로는 추가로:상기 제1 스위치와 직렬로 연결된 제2 에너지 저장 컴포넌트; 및 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트를 제3 회로 경로를 따라 상기 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제3 스위치를 포함하되, 상기 제3 스위치가 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 상태에 있을 때, 상기 순방향 전류가 상기 제1 회로 경로를 통하는 것보다 상기 제3 회로 경로를 통해 상기 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 더 빠르게 흐르도록, 상기 제3 스위치는 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 회로.
(21)
구성 (1) 내지 (19) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트를 가역적으로 우회하고 일정 시간 동안 적어도 상기 제1 스위치, 상기 부하, 및 상기 제3 스위치를 통해 회로 루프에서 상기 순방향 전류를 순환시켜 대략 평평한 상부를 갖는 전류의 펄스를 형성하도록 제3 회로 경로에 연결된 제3 스위치를 추가로 포함하는, 회로.
(22)
구성 (1) 내지 (19) 중 어느 하나에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 제1 에너지 저장 컴포넌트이고, 상기 회로는 상기 부하로부터 상기 순방향 전류를 수신하고 상기 제2 스위치가 상기 제1 상태에 도달하기 전에 상기 부하로부터 복귀된 상기 에너지를 일시적으로 저장하기 위한 제2 에너지 저장 컴포넌트를 추가로 포함하는, 회로.
(23)
반복 사이클로 작동하는 시스템의 부하로부터 에너지를 회수하는 방법으로서, 상기 방법은: 회로의 제1 에너지 저장 컴포넌트에 제1 양의 에너지를 저장하는 단계; 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 제1 양의 에너지의 적어도 일부를 상기 회로의 제1 회로 경로를 따라 상기 부하까지 전달하되, 상기 부하는 제2 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는 단계; 및 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안, 상기 회로의 제2 회로 경로를 따라 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 제2 양의 에너지를 복귀시켜, 상기 복귀된 제2 양의 에너지의 적어도 일부가 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 대해 이용 가능하도록 하되, 상기 제2 회로 경로는, 적어도 부분적으로, 상기 제1 회로 경로와 상이한 단계를 포함하는, 방법.
(24)
(23)에 있어서, 상기 제1 양의 에너지의 부분은 제1 스위치를 제1 상태로부터 상기 제1 스위치의 제2 상태로 토글하는 것에 응답하여 전류의 제1 펄스로서 상기 부하에 전달되고; 상기 복귀된 제2 양의 에너지의 부분은 제2 스위치를 제1 상태로부터 상기 제2 스위치의 제2 상태로 토글하는 것에 응답하여 전류의 제2 펄스로서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되는, 방법.
(25)
(24)에 있어서, 상기 제1 양의 에너지의 부분은 상기 제1 양의 에너지의 제1 부분이고, 상기 방법은 추가로: 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 회로의 제3 회로 경로를 따라 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하까지 상기 제1 양의 에너지의 제2 부분을 제3 스위치로 전달하되, 상기 제 1 양의 에너지의 제 2 부분은 상기 제 1 양의 에너지의 제 1 부분보다 높은 전류 흐름 속도로 상기 부하에 전달되는 단계를 포함하는, 방법.
(26)
(24)에 있어서, 추가로:상기 사이클의 제1 부분 동안 제3 에너지 저장 컴포넌트로, 상기 제2 양의 에너지를 상기 부하로부터 수신하는 단계; 및 상기 사이클의 제2 부분 동안 제3 스위치로, 상기 제2 양의 에너지의 부분을 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
(27)
(24)에 있어서, 추가로:제3 회로 경로에 연결된 제3 스위치로, 피크 전류 값이 적어도 상기 제1 스위치, 상기 부하, 및 상기 제3 스위치를 통해 일정 시간 동안 순환하여 상기 전류의 제1 펄스에 대해 대략 평평한 상부를 형성하도록 상기 사이클의 제1 부분 동안 상기 에너지 저장 컴포넌트를 우회하는 단계를 포함하는 방법.
(28)
(24)에 있이서, 추가로:상기 사이클의 제1 부분 동안 제3 에너지 저장 컴포넌트로, 상기 제2 양의 에너지를 상기 부하로부터 수신하는 단계; 및 상기 사이클의 제2 부분 동안 적어도 하나의 다이오드로, 상기 제2 양의 에너지의 부분을 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
(29)
(23) 내지 (28) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 양의 에너지의 부분을 전달하는 단계는 상기 제1 스위치를 통해 적어도 1백만 암페어의 피크 값을 갖는 전류를 흐르게 하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 추가로: 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제1 스위치로 적어도 1,000 볼트의 역방향 바이어스를 차단하는 단계; 및 상기 제2 스위치가 상기 제2 양의 에너지를 복귀시키기 전에 150 마이크로초 미만 내에 상기 제1 스위치에 의한 상기 전류의 흐름을 끄는 단계를 포함하는, 방법.
(30)
(29)에 있어서, 상기 방법은 상기 에너지 저장 컴포넌트, 상기 제1 스위치, 또는 상기 제2 스위치의 고장 없이 적어도 10,000회 반복되는, 방법.
(31)
(23) 내지 (30) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 양의 에너지의 부분은 상기 제1 양의 에너지의 부분의 90% 초과인, 방법.
(32)
(24) 내지 (28) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전달 단계는 상기 제1 스위치가 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트를 상기 부하에 결합시키도록 상기 제1 스위치를 제1 상태로 설정하는 단계를 포함하는, 방법.
(33)
(32)에 있어서, 상기 제1 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 방법.
(34)
(33)에 있어서, 상기 제1 스위치는 순방향 다이오드를 추가로 포함하되, 상기 순방향 다이오드는 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 직렬로 연결되고, 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 순방향 전류 흐름을 허용하고; 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 역방향 전류 흐름을 차단하도록 배열되는, 방법.
(35)
(33) 또는 (34)에 있어서, 상기 순방향 다이오드 및 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기가 역방향 바이어스될 때, 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 양단보다 상기 순방향 다이오드 양단에 더 많은 전압을 강하시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(36)
(33) 내지 (35) 중 어느 하나에 있어서, 상기 순방향 다이오드로 상기 제1 스위치의 총 회수 에너지의 적어도 70%를 흡수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(37)
(33) 내지 (36) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 스위치는 추가로: 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 중 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 저항기; 및 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는 회로 경로 주위의 병렬 회로 경로에서 역방향 전류 흐름을 허용하도록 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 역방향 다이오드를 포함하되, 상기 병렬 회로 경로는 상기 역방향 다이오드를 포함하는, 방법.
(38)
(37)에 있어서, 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기가 역방향 바이어스될 때, 상기 역방향 다이오드로 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 양단의 전압을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(39)
(23) 내지 (38) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전달 단계는 자기장을 생성하기 위해 상기 부하에 일정량의 전류를 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
(40)
(39)에 있어서, 상기 전류의 피크량은 100,000 암페어 내지 200,000,000 암페어인, 방법.
(41)
(24) 내지 (40) 중 어느 하나에 있어서, 상기 복귀하는 단계는 상기 부하를 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 결합시키는 제1 상태로 상기 제2 스위치를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
(42)
(41)에 있어서, 상기 제2 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 방법.
(43)
(23) 내지 (42) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 상기 제1 양의 에너지의 부분을 전달하는 단계는 적어도 하나의 변압기를 통해 상기 에너지를 상기 부하에 결합시키는 단계를 포함하는, 방법.
(44)
(23) 내지 (43) 중 어느 하나에 있어서, 추가로:
제3 양의 에너지를 제3 에너지 저장 컴포넌트에 저장하는 단계; 및상기 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 회로의 제3 회로 경로를 따라 상기 제3 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하까지 상기 제3 양의 에너지의 적어도 부분을 전달하되, 상기 제1 양의 에너지의 부분은 상기 부하의 제1 부분에 전달되고, 상기 제3 양의 에너지의 부분은 상기 부하의 제2 부분에 전달되는 단계를 포함하는, 방법.
(45)
반복 사이클로 작동하는 시스템의 부하로부터 에너지를 회수하기 위해 회로를 조립하는 방법으로서, 상기 방법은: 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 에너지 저장 컴포넌트를 부하에 가역적으로 결합하도록 제1 회로 경로에 제1 스위치를 배열하여, 상기 제1 스위치가 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 제1 상태에 있을 때, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 회로 경로를 따라 상기 부하에 에너지를 전달하도록 하는 단계; 및 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 제2 회로 경로를 따라 상기 에너지 저장 컴포넌트에 상기 부하를 가역적으로 결합하도록 상기 제1 회로 경로와, 적어도 부분적으로, 상이한 상기 제2 경로에 제2 스위치를 배열하여, 상기 제2 스위치가 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제2 스위치의 제1 상태에 있을 때, 에너지는 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 부하로부터 상기 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되고, 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 대해 이용 가능하도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
(46)
(45)에 있어서, 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하도록 상기 제1 스위치를 조립하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
(47)
(46)에 있어서, 순방향 다이오드를 포함하도록 상기 제1 스위치를 조립하되, 상기 순방향 다이오드는 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 직렬로 연결되고, 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 순방향 전류 흐름을 허용하고; 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 역방향 전류 흐름을 차단하도록 배열되는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(48)
(46) 또는 (47)에 있어서, 상기 제1 스위치가: 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 중 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 저항기; 및 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는 회로 경로 주위의 병렬 회로 경로에서 역방향 전류 흐름을 허용하도록 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 역방향 다이오드로서, 상기 병렬 회로 경로가 상기 역방향 다이오드를 포함하는, 역방향 다이오드를 포함하도록 조립하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(49)
시스템으로서, 제1 에너지 저장 컴포넌트; 제2 에너지 저장 컴포넌트; 부하; 전류가 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상지 제2 에너지 저장 컴포넌트로 그리고 상기 부하로 흐르도록 상기 시스템의 작동 사이클의 제1 부분 동안 제1 회로 경로를 따라 상기 부하에 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트 및 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트를 가역적으로 결합하기 위한 제1 스위치; 및 상기 제1 회로 경로와, 적어도 부분적으로, 상이하고, 상기 작동 사이클의 제2 부분 동안 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 상기 부하를 가역적으로 결합하기 위한 제2 스위치를 갖는 제2 회로 경로로서, 상기 제2 회로 경로는 상기 부하로부터 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 에너지를 복귀시키도록 구성되어, 상기 복귀된 에너지는 상기 시스템의 다음 작동 사이클의 시작에 대해 이용 가능하고 상기 작동 사이클의 제2 부분의 종료에서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 전압 극성이 상기 작동 사이클의 제1 부분의 시작에서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 상기 전압 극성과 동일한 전압 극성인, 제2 회로 경로를 포함하는, 시스템.
3. 결론
다양한 발명의 실시예가 본원에 설명되고 도시되었지만, 당업자는 기능을 수행하고/수행하거나 본원에 기술된 결과 및/또는 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이고, 이러한 변형 및/또는 수정 각각은 본원에 기술된 발명의 실시예의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는 본원에 기술된 모든 파라미터, 치수, 재료, 및 구성이 예시적인 것으로 의도되고, 실제 파라미터, 치수, 재료, 및/또는 구성이 본 발명의 교시가 사용되는 특정 응용 또는 응용들에 따라 달라질 것임을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 단지 통상적인 실험을 사용하여, 본원에 기술된 특정 발명의 실시예와 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예는 단지 예시로서 제시되고, 첨부된 청구범위 및 이에 대한 등가물의 범위 내에서, 본 발명의 실시예는 구체적으로 기술되고 청구된 바와 달리 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 본 개시의 발명의 실시예는 본원에 기술된 각각의 개별 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 2개 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는 경우, 본 개시의 발명 범위 내에 포함된다.
또한, 다양한 발명 개념은 하나 이상의 방법으로서 구현될 수 있으며, 그 중 일례가 제공되었다. 상기 방법의 일부로서 수행되는 행위는 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서 순차적인 행위로서 도시되더라도, 일부 행위를 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 행위가 도시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예가 구성될 수 있다.
본원에서 정의되고 사용되는 모든 정의는 사전 정의, 참조로서 통합된 문헌에서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, "하나(a)" 및 "하나(an)"는 반대로 명확하게 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 문구 "및/또는"은 이렇게 결합된 성분, 즉 일부 경우에 접합적으로 존재하고 다른 경우에 해리적으로 존재하는 성분의 "하나 또는 둘 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 열거된 다수의 컴포넌트는 동일한 방식으로, 즉 이렇게 결합된 컴포넌트 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 다른 컴포넌트는, 구체적으로 식별된 컴포넌트와 관련되는지 여부와 관계없이, "및/또는" 조항에 의해 구체적으로 식별된 컴포넌트 이외의 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 일 실시예에서, A만을 지칭할 수 있고(선택적으로 B 이외의 성분을 포함함); 다른 실시예에서, B만을 지칭할 수 있고(선택적으로 A 이외의 성분을 포함함); 또 다른 실시예에서, A 및 B 둘 모두를 지칭할 수 있다(선택적으로 다른 성분을 포함함); 등.
본 명세서 및 청구범위에서 본원에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 물품을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉, 적어도 하나, 그러나 하나 초과의 컴포넌트, 및 선택적으로 추가의 미등재된 물품의 포함으로 해석되어야 한다. 반대로 명확하게 표시된 용어, 예컨대 "단지 하나" 또는 "정확하게 하나", 또는 청구범위에 사용될 때, "구성하는"이라는 용어는 컴포넌트의 수 또는 목록의 정확히 하나의 컴포넌트를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용되는 용어 "또는"은 "중 하나", "중 하나", "단지 하나", 또는 "정확하게 하나"와 같은 배타성 용어가 선행하는 경우에 배타적인 대안(즉, "하나 또는 다른 하나이지만 둘 모두는 아님")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 청구범위에 사용될 때, "본질적으로 구성되는"은 특허법 분야에서 사용되는 것과 같은 통상적인 의미를 갖는다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 컴포넌트의 목록과 관련하여, 문구 "적어도 하나"는 컴포넌트 목록 내의 컴포넌트 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 컴포넌트를 의미하지만, 컴포넌트 목록 내에 구체적으로 열거된 각각의 그리고 모든 컴포넌트 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않으며 컴포넌트 목록 내의 컴포넌트의 임의의 조합을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 정의는 또한, 구체적으로 식별된 컴포넌트와 관련되는지 여부에 관계없이, 문구 "적어도 하나"가 지칭하는 컴포넌트의 목록 내에서 구체적으로 식별된 컴포넌트 이외의 컴포넌트가 선택적으로 존재할 수 있게 한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나," 또는, 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는(및 선택적으로 B 이외의 컴포넌트를 포함하는), 선택적으로 하나 초과를 포함하는 적어도 하나, A; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는(및 선택적으로 A 이외의 컴포넌트를 포함하는), 선택적으로 하나 초과를 포함하는 적어도 하나, B; 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 초과를 포함하는 적어도 하나, A, 및 선택적으로 하나 초과를 포함하는 (및 선택적으로 다른 컴포넌트를 포함하는) 적어도 하나, B; 등을 지칭할 수 있다.
청구범위 및 상기 명세서에서, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "수반하는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "관련하는(involving)", "보유하는(holdging)", "구성하는(composed of)" 등과 같은 모든 전이 문구는 개방형, 즉 다음을 포함하지만 이에 한정되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이 "구성된" 및 "본질적으로 구성되는" 전환 문구만이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전환 문구가 된다.
Claims (49)
- 반복 사이클로 부하에 에너지를 전달하고 상기 에너지의 일부를 회수하기 위한 회로로서, 상기 회로는:
전압원 또는 전류원으로부터 에너지를 수신하기 위한 에너지 저장 컴포넌트;
상기 에너지 저장 컴포넌트를 제1 회로 경로를 따라 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제1 스위치로서, 상기 제1 스위치는, 상기 제1 스위치가 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 제1 상태에 있을 때, 순방향 전류가 상기 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 흐르도록, 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 제1 스위치; 및
상기 에너지 저장 컴포넌트를 제2 회로 경로를 따라 상기 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제2 스위치로서, 상기 제2 회로 경로는, 적어도 부분적으로, 상기 제1 회로 경로와 상이하고, 상기 제2 스위치는, 상기 제2 스위치가 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제2 스위치의 제1 상태에 있을 때, 상기 부하로부터의 에너지가 상기 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되어, 상기 복귀된 에너지의 적어도 일부가 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 이용 가능하도록, 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 제2 스위치를 포함하는, 회로. - 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치는:
상기 제1 스위치의 제1 상태에 있을 때 상기 전류의 최대 1백만 암페어를 전환하고;
상기 순방향 전류가 상기 제1 스위치를 통해 흐르지 않는 제2 상태에 있을 때 적어도 1,000 볼트를 차단하고;
상기 제1 스위치의 제1 상태와 상기 제1 스위치의 제2 상태 사이에서 전환할 때 150 마이크로초 이내에 꺼지도록 구성되는, 회로. - 제1항에 있어서, 상기 회로는 상기 에너지 저장 컴포넌트, 상기 제1 스위치, 또는 상기 제2 스위치의 고장 없이 10,000 사이클 이상 동안 작동하는, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 커패시터를 포함하는, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 커패시터는 10 마이크로패럿 내지 10 밀리패럿 범위의 커패시턴스 값을 갖는, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 공급원을 추가로 포함하되, 상기 공급원은 적어도 1,000 볼트의 전압원인, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 부하를 추가로 포함하는, 회로.
- 제7항에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 제1 에너지 저장 컴포넌트이고, 상기 부하는 제2 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는, 회로.
- 제8항에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트는 인덕터를 포함하는, 회로.
- 제8항에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트는 전자기 코일을 포함하되, 상기 전자기 코일은 단일 회전 전자기 코일 또는 세그먼트형 전자기 코일인, 회로.
- 제10항에 있어서, 상기 전자기 코일은 1 마이크로헨리 내지 100 마이크로헨리 범위의 인덕턴스 값을 갖는, 회로.
- 제8항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트는 제1 커패시터를 포함하고 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트는 제2 커패시터를 포함하는, 회로.
- 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 회로 경로는 제3 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는, 회로.
- 제13항에 있어서, 상기 제3 에너지 저장 컴포넌트는 상기 제2 회로 경로 및 상기 제1 회로 경로에 공통인, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 회로.
- 제15항에 있어서, 순방향 다이오드를 추가로 포함하되, 상기 순방향 다이오드는 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 직렬로 연결되고,
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 순방향 전류 흐름을 허용하고;
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 역방향 전류 흐름을 차단하도록 배열되는, 회로. - 제16항에 있어서, 순방향 전도와 역방향 차단 사이의 상기 순방향 다이오드의 제1 꺼짐 시간은 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기의 제2 꺼짐 시간보다 짧은, 회로.
- 제15항에 있어서, 추가로:
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 중 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 저항기; 및
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는 회로 경로 주위의 병렬 회로 경로에서 역방향 전류 흐름을 허용하도록 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 역방향 다이오드를 포함하되, 상기 병렬 회로 경로는 상기 역방향 다이오드를 포함하는, 회로. - 제1항에 있어서, 상기 제2 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 제1 에너지 저장 컴포넌트이고, 상기 회로는 추가로:
상기 제1 스위치와 직렬로 연결된 제2 에너지 저장 컴포넌트; 및
상기 제1 에너지 저장 컴포넌트를 제3 회로 경로를 따라 상기 부하에 가역적으로 결합하기 위한 제3 스위치를 포함하되, 상기 제3 스위치가 상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 상태에 있을 때, 상기 순방향 전류가 상기 제1 회로 경로를 통하는 것보다 상기 제3 회로 경로를 통해 상기 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 더 빠르게 흐르도록, 상기 제3 스위치는 제1 상태를 달성하도록 구성되는, 회로. - 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트를 가역적으로 우회하고 일정 시간 동안 적어도 상기 제1 스위치, 상기 부하, 및 상기 제3 스위치를 통해 회로 루프에서 상기 순방향 전류를 순환시켜 대략 평평한 상부를 갖는 전류의 펄스를 형성하도록 제3 회로 경로에 연결된 제3 스위치를 추가로 포함하는, 회로.
- 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 제1 에너지 저장 컴포넌트이고, 상기 회로는 상기 부하로부터 상기 순방향 전류를 수신하고 상기 제2 스위치가 상기 제1 상태에 도달하기 전에 상기 부하로부터 복귀된 상기 에너지를 일시적으로 저장하기 위한 제2 에너지 저장 컴포넌트를 추가로 포함하는, 회로.
- 반복 사이클로 작동하는 시스템의 부하로부터 에너지를 회수하는 방법으로서, 상기 방법은:
회로의 제1 에너지 저장 컴포넌트에 제1 양의 에너지를 저장하는 단계;
상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 제1 양의 에너지의 적어도 일부를 상기 회로의 제1 회로 경로를 따라 상기 부하까지 전달하되, 상기 부하는 제2 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는 단계; 및
상기 제1 사이클의 제2 부분 동안, 상기 회로의 제2 회로 경로를 따라 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 제2 양의 에너지를 복귀시켜, 상기 복귀된 제2 양의 에너지의 적어도 일부가 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 대해 이용 가능하도록 하되, 상기 제2 회로 경로는, 적어도 부분적으로, 상기 제1 회로 경로와 상이한 단계를 포함하는, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 제1 양의 에너지의 부분은 제1 스위치를 제1 상태로부터 상기 제1 스위치의 제2 상태로 토글하는 것에 응답하여 전류의 제1 펄스로서 상기 부하에 전달되고;
상기 복귀된 제2 양의 에너지의 부분은 제2 스위치를 제1 상태로부터 상기 제2 스위치의 제2 상태로 토글하는 것에 응답하여 전류의 제2 펄스로서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되는, 방법. - 제24항에 있어서, 상기 제1 양의 에너지의 부분은 상기 제1 양의 에너지의 제1 부분이고, 상기 방법은 추가로:
상기 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 회로의 제3 회로 경로를 따라 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하까지 상기 제1 양의 에너지의 제2 부분을 제3 스위치로 전달하되, 상기 제 1 양의 에너지의 제 2 부분은 상기 제 1 양의 에너지의 제 1 부분보다 높은 전류 흐름 속도로 상기 부하에 전달되는 단계를 포함하는, 방법. - 제24항에 있어서, 추가로:
상기 사이클의 제1 부분 동안 제3 에너지 저장 컴포넌트로, 상기 제2 양의 에너지를 상기 부하로부터 수신하는 단계; 및
상기 사이클의 제2 부분 동안 제3 스위치로, 상기 제2 양의 에너지의 부분을 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 전달하는 단계를 포함하는, 방법. - 제24항에 있어서, 추가로:
제3 회로 경로에 연결된 제3 스위치로, 피크 전류 값이 적어도 상기 제1 스위치, 상기 부하, 및 상기 제3 스위치를 통해 일정 시간 동안 순환하여 상기 전류의 제1 펄스에 대해 대략 평평한 상부를 형성하도록 상기 사이클의 제1 부분 동안 상기 에너지 저장 컴포넌트를 우회하는 단계를 포함하는 방법. - 제24항에 있어서, 추가로:
상기 사이클의 제1 부분 동안 제3 에너지 저장 컴포넌트로, 상기 제2 양의 에너지를 상기 부하로부터 수신하는 단계; 및
상기 사이클의 제2 부분 동안 적어도 하나의 다이오드로, 상기 제2 양의 에너지의 부분을 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 전달하는 단계를 포함하는, 방법. - 제23항에 있어서, 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 양의 에너지의 부분을 전달하는 단계는 상기 제1 스위치를 통해 적어도 1백만 암페어의 피크 값을 갖는 전류를 흐르게 하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 추가로:
상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제1 스위치로 적어도 1,000 볼트의 역방향 바이어스를 차단하는 단계; 및
상기 제2 스위치가 상기 제2 양의 에너지를 복귀시키기 전에 150 마이크로초 미만 내에 상기 제1 스위치에 의한 상기 전류의 흐름을 끄는 단계를 포함하는, 방법. - 제29항에 있어서, 상기 방법은 상기 에너지 저장 컴포넌트, 상기 제1 스위치, 또는 상기 제2 스위치의 고장 없이 적어도 10,000회 반복되는, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 제2 양의 에너지의 부분은 상기 제1 양의 에너지의 부분의 90% 초과인, 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 전달 단계는 상기 제1 스위치가 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트를 상기 부하에 결합시키도록 상기 제1 스위치를 제1 상태로 설정하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 제1 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제1 스위치는 순방향 다이오드를 추가로 포함하되, 상기 순방향 다이오드는 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 직렬로 연결되고,
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 순방향 전류 흐름을 허용하고;
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 역방향 전류 흐름을 차단하도록 배열되는, 방법. - 제33항에 있어서, 상기 순방향 다이오드 및 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기가 역방향 바이어스될 때, 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 양단보다 상기 순방향 다이오드 양단에 더 많은 전압을 강하시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 순방향 다이오드로 상기 제1 스위치의 총 회수 에너지의 적어도 70%를 흡수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제1 스위치는 추가로:
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 중 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 저항기; 및
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는 회로 경로 주위의 병렬 회로 경로에서 역방향 전류 흐름을 허용하도록 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 역방향 다이오드를 포함하되, 상기 병렬 회로 경로는 상기 역방향 다이오드를 포함하는, 방법. - 제37항에 있어서, 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기가 역방향 바이어스될 때, 상기 역방향 다이오드로 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 양단의 전압을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 전달 단계는 자기장을 생성하기 위해 상기 부하에 일정량의 전류를 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 전류의 피크량은 100,000 암페어 내지 200,000,000 암페어인, 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 복귀하는 단계는 상기 부하를 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 결합시키는 제1 상태로 상기 제2 스위치를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제41항에 있어서, 상기 제2 스위치는 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하로 상기 제1 양의 에너지의 부분을 전달하는 단계는 적어도 하나의 변압기를 통해 상기 에너지를 상기 부하에 결합시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제23항에 있어서, 추가로:
제3 양의 에너지를 제3 에너지 저장 컴포넌트에 저장하는 단계; 및상기 제1 사이클의 제1 부분 동안, 상기 회로의 제3 회로 경로를 따라 상기 제3 에너지 저장 컴포넌트로부터 상기 부하까지 상기 제3 양의 에너지의 적어도 부분을 전달하되, 상기 제1 양의 에너지의 부분은 상기 부하의 제1 부분에 전달되고, 상기 제3 양의 에너지의 부분은 상기 부하의 제2 부분에 전달되는 단계를 포함하는, 방법. - 반복 사이클로 작동하는 시스템의 부하로부터 에너지를 회수하기 위해 회로를 조립하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 반복 사이클의 제1 사이클의 제1 부분 동안 에너지 저장 컴포넌트를 부하에 가역적으로 결합하도록 제1 회로 경로에 제1 스위치를 배열하여, 상기 제1 스위치가 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 제1 상태에 있을 때, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 상기 제1 사이클의 제1 부분 동안 상기 제1 회로 경로를 따라 상기 부하에 에너지를 전달하도록 하는 단계; 및
상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 제2 회로 경로를 따라 상기 에너지 저장 컴포넌트에 상기 부하를 가역적으로 결합하도록 상기 제1 회로 경로와, 적어도 부분적으로, 상이한 상기 제2 경로에 제2 스위치를 배열하여, 상기 제2 스위치가 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 제2 스위치의 제1 상태에 있을 때, 에너지는 상기 제1 사이클의 제2 부분 동안 상기 부하로부터 상기 에너지 저장 컴포넌트로 복귀되고, 상기 제1 사이클을 따르는 상기 반복 사이클의 제2 사이클의 제1 부분에 대해 이용 가능하도록 하는 단계를 포함하는, 방법. - 제45항에 있어서, 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하도록 상기 제1 스위치를 조립하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제46항에 있어서, 순방향 다이오드를 포함하도록 상기 제1 스위치를 조립하되, 상기 순방향 다이오드는 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 직렬로 연결되고,
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 순방향 전류 흐름을 허용하고;
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 통한 역방향 전류 흐름을 차단하도록 배열되는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제46항에 있어서, 상기 제1 스위치가:
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기 중 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 저항기; 및
상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기를 포함하는 회로 경로 주위의 병렬 회로 경로에서 역방향 전류 흐름을 허용하도록 상기 적어도 하나의 실리콘 제어 정류기와 병렬로 연결된 역방향 다이오드로서, 상기 병렬 회로 경로가 상기 역방향 다이오드를 포함하는, 역방향 다이오드를 포함하도록 조립하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 시스템으로서,
제1 에너지 저장 컴포넌트;
제2 에너지 저장 컴포넌트;
부하;
전류가 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로부터 상지 제2 에너지 저장 컴포넌트로 그리고 상기 부하로 흐르도록 상기 시스템의 작동 사이클의 제1 부분 동안 제1 회로 경로를 따라 상기 부하에 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트 및 상기 제2 에너지 저장 컴포넌트를 가역적으로 결합하기 위한 제1 스위치; 및
상기 제1 회로 경로와, 적어도 부분적으로, 상이하고, 상기 작동 사이클의 제2 부분 동안 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 상기 부하를 가역적으로 결합하기 위한 제2 스위치를 갖는 제2 회로 경로로서, 상기 제2 회로 경로는 상기 부하로부터 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트로 에너지를 복귀시키도록 구성되어, 상기 복귀된 에너지는 상기 시스템의 다음 작동 사이클의 시작에 대해 이용 가능하고 상기 작동 사이클의 제2 부분의 종료에서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 전압 극성이 상기 작동 사이클의 제1 부분의 시작에서 상기 제1 에너지 저장 컴포넌트에 걸리는 상기 전압 극성과 동일한 전압 극성인, 제2 회로 경로를 포함하는, 시스템.
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