KR101472448B1 - High voltage dc/dc converter - Google Patents

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최성호
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Abstract

A high voltage DC/DC converter according to the present invention can reduce loss by using a plurality of switching elements having low internal pressure in series and form impedance matching by inserting a balancing transformer into a gate signal line of the switching elements which are connected in series and equalize voltage of both ends by inserting an RC circuit into both ends of the switching elements which are connected in series. Therefore, the size of a passive element can be reduced by increasing a switching frequency. The high voltage DC/DC converter according to the present invention comprises; an input terminal (210) which receives predetermined voltage from an external voltage generating device; a gate driver (220) which produces a gate signal of a switching element inside a switching unit; a switching unit (240) including switching elements (241, 242) which are connected to the upper side in series with an central output node as the center, and switching elements (243, 244) which are connected to the lower side in series; a resonance type capacitor (250) which is arranged between the input terminal (210) and the switching unit (240) and stores energy accumulated by leakage inductance generated in a transformer (260); the transformer (260) which induces primary side voltage to a secondary side according to the switching of the switching unit (240); a rectifying unit (270) which a rectifies induced voltage induced to the secondary side of the transformer (260); and an output terminal (280) which filters a noise of the voltage outputted from the rectifying unit (270) and outputs it.

Description

고전압용 DC/DC 컨버터{HIGH VOLTAGE DC/DC CONVERTER}HIGH VOLTAGE DC / DC CONVERTER BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압용 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
The present invention relates to a DC / DC converter, and more particularly, to a DC / DC converter for a high voltage.

최근 전기차 기술의 발달로 대용량 DC/DC 컨버터를 전기차의 전력변환장치에 채택하고자 하는 노력이 전개되고 있다.Recently, with the advancement of electric vehicle technology, efforts have been made to adopt a large-capacity DC / DC converter to an electric power converter of an electric vehicle.

도 1은 종래기술에 따른 DC/DC 컨버터 토폴로지로서, 입력단(110), 공진형 캐패시터(120), 스위칭부(130), 변압기(140), 정류부(150), 출력단(160)을 포함한다.FIG. 1 is a DC / DC converter topology according to the related art. The DC / DC converter topology includes an input terminal 110, a resonant capacitor 120, a switching unit 130, a transformer 140, a rectifier 150, and an output terminal 160.

입력단(110)은 도시되지 않은 전압발생장치로부터 소정의 전압을 공급받는다.The input terminal 110 is supplied with a predetermined voltage from a voltage generating device (not shown).

스위칭부(130)는 직렬연결된 제1 스위칭소자(131)와 제2 스위칭소자(133)를 포함하고, 입력단(110)으로부터 공급되는 소정의 전압을 스위칭한다. The switching unit 130 includes a first switching device 131 and a second switching device 133 connected in series and switches a predetermined voltage supplied from the input terminal 110.

변압기(140)는 스위칭부(130)의 스위칭에 따라 1차측 전압이 2차측에 유기된다.The transformer 140 is switched on the secondary side according to the switching of the switching unit 130.

공진형 캐패시터(120)는 입력단(110)과 스위칭부(130) 사이에 배치되어 변압기(140)에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적되는 에너지를 저장한다.The resonant capacitor 120 is disposed between the input terminal 110 and the switching unit 130 and stores energy accumulated by the leakage inductance generated in the transformer 140.

정류부(150)는 변압부(140)의 2차측에 유기되는 유기전압을 정류한다.The rectifying unit 150 rectifies the induced voltage induced on the secondary side of the transforming unit 140.

출력단(160)은 필터 캐패시터(Cout)를 포함하고, 정류부(150)로부터 출력되는 전압의 노이즈를 필터링하여 출력한다.The output stage 160 includes a filter capacitor Cout and filters and outputs noise of a voltage output from the rectifying unit 150. [

한편, 입력전압(Vin)이 높을수록 스위칭소자인 IGBT(131, 133)의 양단에 인가되는 전압이 높아 내압이 높은 IGBT를 사용하여야 한다. 그런데, 내압이 높은 IGBT일수록 손실이 크다는 문제점이 있다.
On the other hand, the higher the input voltage Vin, the higher the voltage applied to both ends of the switching elements IGBT 131 and 133, so that an IGBT having a higher withstand voltage should be used. However, there is a problem in that an IGBT having a high breakdown voltage has a large loss.

따라서, 본 발명은 내압이 낮은 복수의 스위칭소자를 직렬로 사용하여 손실을 낮출 수 있는 고전압용 DC/DC 컨버터를 제공한다.Therefore, the present invention provides a high-voltage DC / DC converter capable of reducing losses by using a plurality of switching elements having a low withstand voltage in series.

또한, 본 발명은 직렬연결되는 복수의 스위칭소자의 게이트 신호 라인에 발란싱 변압기를 삽입하여 임피던스 매칭을 이룰 수 있는 고전압용 DC/DC 컨버터를 제공한다.Also, the present invention provides a high-voltage DC / DC converter capable of impedance matching by inserting a balancing transformer in a gate signal line of a plurality of switching elements connected in series.

또한, 본 발명은 직렬연결되는 복수의 스위칭소자 양단에 RC회로를 삽입하여 양단 전압을 균등화시킬 수 있는 고전압용 DC/DC 컨버터를 제공한다.
Also, the present invention provides a high-voltage DC / DC converter capable of equalizing the both-end voltage by inserting an RC circuit at both ends of a plurality of switching elements connected in series.

본 발명에 따른 고전압용 DC/DC 컨버터는, 외부의 전압발생장치로부터 소정의 전압을 공급받는 입력단(210); 하기 스위칭부 내 스위칭소자의 게이트 신호를 생성하는 게이트 드라이버(220); 중앙의 출력 노드를 중심으로 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)와 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)를 포함하는 스위칭부(240); 상기 입력단(210)과 상기 스위칭부(240) 사이에 배치되어 하기 변압기(260)에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적되는 에너지를 저장하는 공진형 캐패시터(250); 상기 스위칭부(240)의 스위칭에 따라 1차측 전압을 2차측에 유기하는 변압기(260); 상기 변압기(260)의 2차측에 유기되는 유기전압을 정류하는 정류부(270); 및 상기 정류부(270)로부터 출력되는 전압의 노이즈를 필터링하여 출력하는 출력단(280)을 포함한다.The high voltage DC / DC converter according to the present invention includes an input terminal 210 receiving a predetermined voltage from an external voltage generator; A gate driver 220 for generating a gate signal of a switching element in the switching unit; A switching unit 240 including switching elements 241 and 242 connected in series to the upper side of the central output node and switching elements 243 and 244 connected in series to the lower side; A resonance capacitor 250 disposed between the input terminal 210 and the switching unit 240 to store energy accumulated by the leakage inductance generated by the transformer 260; A transformer 260 for converting the primary side voltage to a secondary side according to the switching of the switching unit 240; A rectifier 270 for rectifying the induced voltage induced on the secondary side of the transformer 260; And an output stage 280 for filtering and outputting noise of a voltage output from the rectifier 270.

바람직하게는, 상기 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)의 게이트 신호 라인에 상호 작용하도록 삽입되어 임피던스를 매칭하는 상측 발란싱 변압기; 및 상기 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)의 게이트 신호 라인에 상호 작용하도록 삽입되어 임피던스를 매칭하는 하측 발란싱 변압기를 더 포함한다.An upper balancing transformer inserted to interact with the gate signal lines of the switching elements 241 and 242 serially connected to the upper side to match the impedances; And a lower balancing transformer inserted to interact with the gate signal lines of the switching elements 243 and 244 connected in series to the lower side to match the impedances.

바람직하게는, 각각의 상기 스위칭소자(241, 242, 243, 244) 양단에는 삽입되어 상기 스위칭소자의 양단전압을 균등화시키는 RC회로를 더 포함한다.Preferably, an RC circuit inserted in both ends of each of the switching elements 241, 242, 243, and 244 to equalize the voltages across the switching elements.

바람직하게는, 상기 RC회로는 적어도 하나 이상의 캐패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직병렬로 결합된 회로이다.
Preferably, the RC circuit is a circuit in which at least one capacitor and at least one resistor are coupled in series and in parallel.

본 발명에 따른 고전압용 DC/DC 컨버터는 내압이 낮은 복수의 스위칭소자를 직렬로 사용하여 손실을 낮출 수 있고, 직렬연결되는 복수의 스위칭소자의 게이트 신호 라인에 발란싱 변압기를 삽입하여 임피던스 매칭을 이룰 수 있고, 직렬연결되는 복수의 스위칭소자 양단에 RC회로를 삽입하여 양단 전압을 균등화시킬 수 있으므로 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있어 수동소자의 사이즈를 줄일 수 있기 때문에 소형 경량화를 이룰 수 있다.
The high-voltage DC / DC converter according to the present invention can reduce loss by using a plurality of switching elements having a low withstand voltage in series, and can perform impedance matching by inserting a balancing transformer in gate signal lines of a plurality of serially connected switching elements Since both ends of the RC circuit can be equalized by inserting the RC circuit at both ends of the plurality of series-connected switching elements, the switching frequency can be increased and the size of the passive element can be reduced.

도 1은 종래기술에 따른 DC/DC 컨버터 토폴로지,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압용 DC/DC 컨버터 토폴로지,
도 3은 본 발명에 따른 복수의 스위칭소자에 양단에 삽입되는 RC회로의 다양한 예시도, 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 스위칭소자의 게이트에 인가되는 게이트 제어신호 파형도이다.1 illustrates a DC / DC converter topology according to the prior art,
2 is a top view of a high-voltage DC / DC converter according to an embodiment of the present invention,
3 is a diagram illustrating various examples of RC circuits inserted at both ends of a plurality of switching elements according to the present invention, and Fig.
4 is a waveform diagram of a gate control signal applied to the gates of a plurality of switching elements according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
Hereinafter, preferred embodiments (s) of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components in the drawings. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention, and it is to be understood that the present invention may be practiced without these specific details, It will be obvious to you. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압용 DC/DC 컨버터 토폴로지이다.2 is a top view of a high voltage DC / DC converter according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 고전압용 DC/DC 컨버터는 입력단(210), 게이트 드라이버(220), 발란싱 변압기(230), 스위칭부(240), 공진형 캐패시터(250), 변압기(260), 정류부(270), 출력단(280)을 포함한다.The high voltage DC / DC converter according to an exemplary embodiment of the present invention includes an input terminal 210, a gate driver 220, a balancing transformer 230, a switching unit 240, a resonant capacitor 250, a transformer 260, A rectifying part 270, and an output terminal 280. [

입력단(210)은 도시되지 않은 전압발생장치로부터 소정의 전압을 공급받는다.The input terminal 210 is supplied with a predetermined voltage from a voltage generating device (not shown).

게이트 드라이버(220)는 스위칭부(240) 내 스위칭소자의 게이트 신호를 생성한다. The gate driver 220 generates the gate signal of the switching element in the switching unit 240. [

발란싱 변압기(230)는 스위칭부(240) 내 상측 및 하측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)(243, 244)의 게이트 신호 라인에 상호 작용하도록 삽입된다. 여기서, 직렬연결된 스위칭소자가 동시에 턴온되지 않으면 직렬연결된 개별 스위칭소자 양단에 분배되어 인가되어야 하는 전압이 나중에 턴온되는 스위칭소자에 인가되어 전기적으로 심각한 손상을 입게 된다. 따라서, 직렬연결된 스위칭소자의 게이트 신호 라인에 상호 작용하도록 삽입되어 직렬연결된 스위칭소자의 게이트 신호 라인의 임피던스를 매칭시킨다. The balancing transformer 230 is inserted to interact with the gate signal lines of the switching elements 241, 242, 243, 244 connected in series above and below the switching unit 240. Here, if the series-connected switching elements are not turned on at the same time, a voltage to be applied to each of the series-connected switching elements is applied to the switching element turned on later, causing serious electrical damage. Therefore, the impedance of the gate signal lines of the switching elements inserted in series to be connected to the gate signal lines of the serially connected switching elements is matched.

스위칭부(240)는 중앙의 출력 노드를 중심으로 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)와 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)를 포함하고, 각각의 스위칭소자 양단에는 RC회로가 삽입되어 양단 전압을 균등화시킨다. 즉, 스위칭소자(241)의 양단 전압과 스위칭소자(242)의 양단 전압을 균등화시키고, 스위칭소자(243)의 양단 전압과 스위칭소자(244)의 양단 전압을 균등화시킨다.The switching unit 240 includes switching devices 241 and 242 connected in series to the upper side of the central output node and switching devices 243 and 244 connected in series to the lower side. Thereby equalizing the both-end voltage. That is, both the voltage across the switching element 241 and the voltage across the switching element 242 are equalized to equalize both the voltage across the switching element 243 and the voltage across the switching element 244.

종래에 비해 상대적으로 내압이 낮은 스위칭소자(241, 242)를 사용하게 되면, 손실을 줄일 수 있으므로 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있는데, 이는 수동소자의 사이즈를 줄이는 데에 기여하므로 소형 경량화를 이룰 수 있다.If the switching elements 241 and 242 having relatively low withstand voltage are used as compared with the prior art, the loss can be reduced and the switching frequency can be increased. This contributes to reducing the size of the passive element, .

공진형 캐패시터(250)는 입력단(210)과 스위칭부(240) 사이에 배치되어 변압기(260)에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적되는 에너지를 저장한다.The resonant capacitor 250 is disposed between the input terminal 210 and the switching unit 240 and stores energy accumulated by the leakage inductance generated in the transformer 260.

변압기(260)는 스위칭부(240)의 스위칭에 따라 1차측 전압이 2차측에 유기된다.The transformer 260 is switched on the secondary side according to the switching of the switching unit 240.

정류부(270)는 변압기(260)의 2차측에 유기되는 유기전압을 정류한다.The rectifying unit 270 rectifies the induced voltage induced on the secondary side of the transformer 260.

출력단(280)은 필터 캐패시터(Cout)를 포함하고, 정류부(270)로부터 출력되는 전압의 노이즈를 필터링하여 출력한다.
The output stage 280 includes a filter capacitor Cout and filters and outputs noise of a voltage output from the rectifier 270.

도 3은 본 발명에 따른 복수의 스위칭소자에 양단에 삽입되는 RC회로의 다양한 예시도이다.3 is a diagram illustrating various examples of RC circuits inserted at both ends of a plurality of switching elements according to the present invention.

본 발명에 따른 복수의 스위칭소자에 양단에 삽입되는 RC회로(245, 246, 247, 248)는 동일한 회로를 가지며, 적어도 2개 이상의 수동소자가 직병렬로 결합된 회로이다. 여기서, 수동소자라 함은 저항과 캐패시터이다.The RC circuits 245, 246, 247 and 248 inserted at both ends of the plurality of switching elements according to the present invention have the same circuit and are circuits in which at least two passive elements are coupled in series and in parallel. Here, the passive element is a resistor and a capacitor.

예컨대, 도 3(a)는 저항과 캐패시터가 직렬연결된 타입이고, 도 3(b)는 직렬연결된 저항 및 캐패시터에 저항이 병렬연결된 타입이고, 도 3(c)는 직렬연결된 저항 및 캐패시터에 캐패시터가 병렬연결된 타입이고, 도 3(d)는 직렬연결된 저항 및 캐패시터에 저항과 캐패시터가 각각 병렬연결된 타입이고, 도 3(e)는 저항과 캐패시터가 병열연결된 타입이다.
For example, FIG. 3 (a) shows a resistor and a capacitor connected in series, FIG. 3 (b) shows a resistor connected in series and a resistor connected in parallel to the capacitor, FIG. 3 (d) is a type in which a resistor and a capacitor are connected in parallel to a resistor and a capacitor connected in series, and FIG. 3 (e) is a type in which a resistor and a capacitor are connected in parallel.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 스위칭소자의 게이트에 인가되는 게이트 제어신호 파형도이다.4 is a waveform diagram of a gate control signal applied to the gates of a plurality of switching elements according to an embodiment of the present invention.

상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)에 동일한 스위칭 신호가 인가되고, 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)에 동일한 스위칭 신호가 인가되는 한편, 상측 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)에 인가되는 스위칭 신호와 하측 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)에 인가되는 스위칭 신호는 교번적으로 인가된다.The same switching signal is applied to the switching elements 241 and 242 connected in series to the upper side and the same switching signal is applied to the switching elements 243 and 244 connected in series to the lower side while the switching elements 241 and 242 connected to the upper side are connected to the switching elements 241 and 242 The switching signals applied to the switching elements 243 and 244 connected in series and the switching signal applied in the lower side are alternately applied.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예(들)에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예(들)에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Although the present invention has been described in detail with respect to specific embodiments thereof, it should be understood that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiment (s), but should be defined by equivalents to the appended claims, as well as the following claims.

210: 입력단
220: 게이트 드라이버
230: 발란싱 변압기
240: 스위칭부
250: 공진형 캐패시터
260: 변압기
270: 정류부
280: 출력단210:
220: gate driver
230: Balancing transformer
240:
250: resonant capacitor
260: Transformer
270:
280: Output stage

Claims (5)

외부의 전압발생장치로부터 소정의 전압을 공급받는 입력단(210);
하기 스위칭부 내 스위칭소자의 게이트 신호를 생성하는 게이트 드라이버(220);
중앙의 출력 노드를 중심으로 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)와 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)를 포함하는 스위칭부(240);
상기 입력단(210)과 상기 스위칭부(240) 사이에 배치되어 하기 변압기(260)에서 발생되는 누설 인덕턴스에 의해 축적되는 에너지를 저장하는 공진형 캐패시터(250);
상기 스위칭부(240)의 스위칭에 따라 1차측 전압을 2차측에 유기하는 변압기(260);
상기 변압기(260)의 2차측에 유기되는 유기전압을 정류하는 정류부(270);
상기 정류부(270)로부터 출력되는 전압의 노이즈를 필터링하여 출력하는 출력단(280)
상기 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)의 게이트 신호 라인에 상호 작용하도록 삽입되어 임피던스를 매칭하는 상측 발란싱 변압기; 및
상기 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)의 게이트 신호 라인에 상호 작용하도록 삽입되어 임피던스를 매칭하는 하측 발란싱 변압기
를 포함하는 고전압용 DC/DC 컨버터.
An input terminal 210 receiving a predetermined voltage from an external voltage generator;
A gate driver 220 for generating a gate signal of a switching element in the switching unit;
A switching unit 240 including switching elements 241 and 242 connected in series to the upper side of the central output node and switching elements 243 and 244 connected in series to the lower side;
A resonance capacitor 250 disposed between the input terminal 210 and the switching unit 240 to store energy accumulated by the leakage inductance generated by the transformer 260;
A transformer 260 for converting the primary side voltage to a secondary side according to the switching of the switching unit 240;
A rectifier 270 for rectifying the induced voltage induced on the secondary side of the transformer 260;
An output stage 280 for filtering and outputting noise of a voltage output from the rectifier 270,
An upper balancing transformer inserted to interact with the gate signal lines of the switching elements 241 and 242 connected in series to the upper side to match the impedances; And
And a lower balancing transformer inserted to interact with the gate signal lines of the switching elements 243 and 244 connected in series to the lower side to match the impedances,
Voltage DC / DC converter.
삭제delete 제1항에 있어서,
각각의 상기 스위칭소자(241, 242, 243, 244) 양단에는 삽입되어 상기 스위칭소자의 양단전압을 균등화시키는 RC회로
를 더 포함하는 고전압용 DC/DC 컨버터.
The method according to claim 1,
242, 243, and 244 are connected to an RC circuit (not shown) for equalizing the voltages across the switching elements
Voltage DC / DC converter.
제3항에 있어서,
상기 RC회로는 적어도 하나 이상의 캐패시터와 적어도 하나 이상의 저항이 직병렬로 결합된 회로인 고전압용 DC/DC 컨버터.
The method of claim 3,
Wherein the RC circuit is a circuit in which at least one capacitor and at least one resistor are coupled in series and in parallel.
제4항에 있어서,
상기 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)에 동일한 스위칭 신호가 인가되고, 상기 하측에 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)에 동일한 스위칭 신호가 인가되며, 상기 상측에 직렬연결된 스위칭소자(241, 242)에 인가되는 스위칭 신호와 상기 하측 직렬연결된 스위칭소자(243, 244)에 인가되는 스위칭 신호는 교번적으로 인가되는 고전압용 DC/DC 컨버터.
5. The method of claim 4,
The same switching signal is applied to the switching elements 241 and 242 connected in series to the upper side and the same switching signal is applied to the switching elements 243 and 244 connected in series to the lower side. The switching elements 241 and 242, 242) and the switching signal applied to the switching elements (243, 244) connected in series at the lower side are alternately applied to the DC / DC converter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6353547B1 (en) * 2000-08-31 2002-03-05 Delta Electronics, Inc. Three-level soft-switched converters
JP2010022093A (en) * 2008-07-08 2010-01-28 Panasonic Electric Works Co Ltd Half bridge circuit

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Title
IEEE 논문(제목: Three-Level Converters - A New Approach for High Voltage and High Power DC-to-DC Conversion), 논문발표 2002년 *
IEEE 논문(제목: Three-Level Converters - A New Approach for High Voltage and High Power DC-to-DC Conversion), 논문발표 2002년*
Power Electronics(저자: M.H.Rashid, 출판사: Prantice Hall), 출판일 1988년 *
Power Electronics(저자: M.H.Rashid, 출판사: Prantice Hall), 출판일 1988년*

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