KR20120021219A - 양방향 ｄｃ?ｄｃ 컨버터용 소프트 스타트 방법 및 장치 - Google Patents

양방향 ｄｃ?ｄｃ 컨버터용 소프트 스타트 방법 및 장치 Download PDF

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KR20120021219A
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무사위 자키
친 지펑
벅스턴 조셉
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인터실 아메리카스 인코포레이티드
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Abstract

양방향 직류(DC)-DC 컨버터의 소프트 스타트 동안 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 일반적으로 양방향 DC-DC 컨버터는 능동 스위치 및 수동 스위치를 포함한다. 시스템은 능동 스위치의 소프트 스타트 동안 수동 스위치의 듀티 사이클을 제어하는 소프트 스타트 회로를 사용한다. 일 측면에서, 소프트 스타트 회로는 영으로부터 정상 상태 값까지 수동 스위치의 듀티 사이클을 점차로 증가시키고, 수동 스위치에 대해 동시에/일제히 소프트 스타트를 제공한다. 게다가, 여기서 개시된 소프트 스타트 회로는 스타트-업 동안 리버스 트랜션트 인덕터를 회피할 수 있고, 시스템 손상을 방지하고 양방향 DC-DC 컨버터의 설계를 더 로버스트하게 만든다.

Description

양방향 ＤＣ？ＤＣ 컨버터용 소프트 스타트 방법 및 장치{SOFT START METHOD AND APPARATUS FOR A BIDIRECTIONAL DC TO DC CONVERTER}
본 발명은 양방향 직류(DC)-DC 컨버터의 소프트 스타트 동안 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
출원은 2010년 08월 30일에 출원되고, "SOFT START METHOD FOR A BI-DIRECTIONAL DC TO DC CONVERTER"로 명명된, 미국 가특허출원 제 61/378,325호에 대한 우선권을 청구하고, 그것의 전체가 여기서 참조에 의해 병합된다.
없음.
본 발명의 목적은 안정적인 공급 전압들에 의존하는 금속-산화-반도체 전계-효과 트랜지스터(MOSFET) 스위치들과 같은 회로들을 손상시킬 수 있는 큰 전류 서지(surge)들을 방지하는 데 있다.
일반적으로 양방향 DC-DC 컨버터는 능동 스위치 및 수동 스위치를 포함한다. 시스템은 능동 스위치의 소프트 스타트 동안 수동 스위치의 듀티 사이클을 제어하는 소프트 스타트 회로를 사용한다. 일 측면에서, 소프트 스타트 회로는 영(0)에서 정상 상태 값까지 수동 스위치의 듀티 사이클을 점차로 증가시키고, 수동 스위치에 대해 동시에/일제히 소프트 스타트를 제공한다.
여기서 개시된 소프트 스타트 회로는 스타트-업 동안 리버스(reverse) 트랜션트 인덕터를 회피할 수 있고, 시스템 손상을 방지하고 양방향 DC-DC 컨버터의 설계를 더 로버스트하게 만든다.
첨부된 도면들과 관련해서 다음의 구체화된 설명의 고려 시에 본 발명의 다수의 측면들, 실시예들, 목적들 및 이점들이 명백할 것이고, 동일한 참조 문자들은 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 언급하며, 그리고 여기서:
도 1은 양방향 컨버터들을 위한 개선된 소프트 스타트 기법을 제공하는 예시적인 시스템을 도시하고;
도 2는 개선된 소프트 스타트를 갖는 예시적인 양방향 직류(DC)-DC 스텝 다운 컨버터를 도시하며;
도 3은 하이브리드 전기 비히클(HEV) 및/또는 전기 비히클(EV) 시스템들에서 파워 발생을 위해 사용된 예시적인 시스템을 도시하고;
도 4는 개선된 소프트 스타트를 갖는 예시적인 양방향 DC-DC 스텝 업(부스트) 컨버터를 도시하며;
도 5는 컨버터의 출력으로부터 입력으로 흐르는 네거티브 전류를 감소시키는 예시적인 2단(two-stage) 절연된 양방향 DC-DC 컨버터를 도시하고;
도 6a 및 6b 각각은 수동 스위치의 듀티 사이클을 제어하도록 사용되는 예시적인 소프트 스타트 회로, 및 소프트 스타트 회로에서의 다양한 노드에서 신호 파형들를 도시하며;
도 7은 양방향 DC-DC 컨버터에서 수동 스위치를 소프트 스위칭하는 예시적인 시스템을 도시하고;
도 8은 양방향 DC-DC 컨버터들에서 네거티브 트랜션트 전류를 감소하기 위한 예시적인 방법론을 도시하며;
도 9는 양방향 DC-DC 컨버터들에서 개선된 소프트 스타트 메커니즘을 위한 예시적인 방법론을 도시한다.
여기서 개시된 소프트 스타트 기법들은 스타트업에서 직류(DC)-DC(DC-DC) 컨버터들의 입력 유입(inrushing) 전류를 감소시키기위한 다양한 산업들, 예를 들어, 산업 자동화, 자동차 산업 등에서 광범위하게 사용될 수 있다. 일반적으로, 여기서 개시된 시스템들 및 방법들은 안정적인 공급 전압들에 의존하는 금속-산화-반도체 전계-효과 트랜지스터(MOSFET) 스위치들과 같은 회로들을 손상시킬 수 있는 큰 전류 서지들을 방지한다. 손상시키는 전류 서지들을 회비하기 위해, 컨버터의 출력이 소망되는 동작 레벨(예, 정상(steady) 상태 값)에 도달할 때까지 여기서 개시된 소프트 스타트 회로들은 펄스 폭 변조기(PWM)의 듀티 사이클을 선형으로 증가시키는 것에 의해 컨버터의 완전한 스타트업을 지연시킨다. 게다가, 프리휠링 다이오드 대신에 MOSFET를 사용하는 동기식 구조(예, 양방향 스텝-업 컨버터, 양방향 스텝-다운 컨버터, 2단 절연 양방향 DC-DC 컨버터 등)에 있어서, 여기서 개시된 시스템들 및 방법들은 에너지가 둘 모두 방향들로 흐를 수 있기 때문에 시스템을 손상시킬 수 있는 큰 네거티브 전류를 감소/방지한다.
일 측면에서, 여기서 개시된 시스템들 및 방법들은 임의 양방향 DC-DC 컨버터 토폴로지에서 사용되는, 수동 스위치(예, MOSFET)에 대해 개선된 소프트 스타트 기법을 제공하고, 그것은 스타트-업/리셋 동안 하이 네거티브 트랜션트 인덕터 전류를 방지하며 따라서 시스템 구성요소들을 손상시키는 것을 회피한다. 주된 사항은 도면들에 대한 참조와 함께 설명되고, 동일한 참조 번호들이 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 언급하도록 사용된다. 다음의 설명에서, 설명의 목적을 위해, 다수의 소정 세부사항들이 대상 개선의 전체적인 이해를 제공하도록 제시된다. 그러나 대상 문제가 이들 소정 세부사항들 없이 실행될 수 있다는 점이 명백할 수 있다. 다른 예들에서, 잘 알려진 구조들 및 디바이스들이 대상 개선을 설명하는 것이 용이하도록 블록도 형태로 도시된다.
게다가, 단어 "예시적인(exemplary)"은 예시(example), 예(instance), 또는 도해(illustration)로서 역할하는 것을 의미하도록 여기서 사용된다. "예시적인"으로서 여기서 설명된 임의 측면 또는 설계는 다른 측면들 또는 설계들에 대해 바람직한 또는 유리한 것으로서 반드시 제한되는 것이 아니다. 그보다는, 단어 "예시적인"의 사용은 콘크리트 패션에서 개념들을 나타내도록 의도된다. 본 출원에서 사용된 바와 같이, 용어 "또는(or)"은 배타적인 "또는" 보다는 포괄적인 "또는"을 의미하도록 의도된다. 즉, 만일 달리 구체화되지 않거나, 또는 문맥으로부터 명백하지 않으면, "X는 A 또는 B를 사용한다"는 자연스럽게 포괄적인 치환(permutation)들 중 임의 하나를 의미하도록 의도된다. 즉, 만일 X가 A를 사용하거나; X가 B를 사용하거나; 또는 X가 A 및 B 둘 모두를 사용하다면, 그때 "X는 A 또는 B를 사용한다"가 앞서 언급된 예들 중 임의 하나 하에서 만족된다. 그에 더해서, 본 출원 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같은 조사 "어(a)" 및 "언(an)"은 만일 달리 구체화되지 않거나 단수 형태와 관련된 문맥으로부터 명백하지 않다면 일반적으로 "하나 이상의"를 의미하도록 제한되어야만 한다. 그에 더해서, 단어 "결합된"은 직접 또는 간접 전기적 또는 기계적 결합을 의미하도록 여기서 사용된다.
최초로, 도 1에 대해 언급할 때, 대상 개시의 측면에 따라 양방향 컨버터들에 대해 개선된 소프트 스타트 기법을 제공하는 도시된 예시적인 컨버터 제어 시스템(100)이 있다. 특히, 시스템(100)의 실시예는 스타트-업 동안 큰 리버스 트랜션트 인덕터 전류를 프로세싱할 수 있고 시스템이 손상 받는 것을 방지할 수 있다. 시스템(100)은 산업 시스템들, 자동차 시스템들, 로보틱스, 텔레커뮤니케이션 등과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는 임의 출원들에서 사용된 임의 2단 동기식 컨버터 토폴로지는 물론 임의 양방향 컨버터 토폴로지로 실행될 수 있다.
MOSFET 스위치들(114)을 갖는 양방향 및/또는 동기식 구조들에서 에너지는 파워 업에서 거대한 네거티브 전류를 야기하는 둘 모두의 방향들로 흐를 수 있고 시스템을 손상시킬 수 있다. 파워 업에서 이들 네거티브 서지들을 방지하기 위해, 시스템(100)은 양방향 DC-DC 컨버터(104)의 입력 스테이지(110)에 결합되는 소프트 스타트 회로(102)를 포함한다. 일반적으로, 양방향 DC-DC 컨버터(104)는 비-절연된 및/또는 절연된 토폴로지들을 포함하는, 그러나 그것에 한정되지 않는 대개의 임의 양방향 토폴로지를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 비-절연된 토폴로지들은 벅, 부스트, 벅-부스트,
Figure pat00001
, 및/또는 전하 펌프 컨버터들을 포함할 수 있으나, 그것에 한정되지 않고, 스텝 업 또는 전압 반전(inversion) 둘 중 어느 하나를 위해 사용된다. 또 다른 예시에서, 절연된 토폴로지들은 플라이-백, 플라이-포워드, 하프 브릿지, 풀 브릿지, 및/또는 듀얼 풀 브릿지 토폴로지들과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는 2단 절연된 양방향 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
일반적으로, 양방향 DC-DC 컨버터(104)의 입력 스테이지(110)는 PWM 신호 발생기(106)에 의해 발생되는, 펄스 폭 변조된(PWM) 신호에 의해 구동되는 두개의 동기식 스위치(114)들, 즉, 능동 스위치 및 수동 스위치(도 2 및 4와 관련해서 구체적으로 도시)를 포함할 수 있다. 또한, 입력 스테이지는 출력 스테이지(112)에서 출력 전압에 결합될 수 있다. 일 예시에서, 스위치(114)들은 MOSFET들을 사용하는 것에 의해 실행될 수 있다. 게다가, 동작의 연속 전도 모드(CCM) 동안, 수동 스위치가 "오프(OFF)"일 때 능동 스위치는 "온(ON)"이고, 수동 스위치가 "온"일 때 능동 스위치는 "오프"이다. 그에 더해서, MOSFET(114)들 둘 모두를 통해 전류 슛-스루를 방지하도록 능동 스위치 및 수동 스위치가 "오프"인 동안, 그 둘 사이에 일부 "데드타임"이 있을 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(104)에서 네거티브 전류 서지들을 회피하기 위해, 시스템(100)은 소프트 스타트 회로(102)를 사용한다. 게다가, 소프트 스타트 회로(102)는 PWM 신호 발생기(106)에 의해 제공된 PWM 신호에 기반해서, 출력 신호를 발생시키고, 그것은 스타트업 동안 수동 스위치의 스위칭을 제어한다. 예를 들어, 파워 업에서, 소프트 스타트 회로(102)는 수동 스위치의 듀티 사이클을 조절하고 영으로부터 정상 상태까지 수동 스위치의 듀티 사이클을 점차로 증가시킨다. 수동 스위치의 듀티 사이클이 점차로 증가하기 때문에, 능동 스위치의 듀티 사이클과 동일한 방법으로, 양방향 DC-DC 컨버터(104)에서 인덕터 전류는 평활하게 변화하고 거대 리버스 또는 트랜션트 인덕터 전류가 방지된다.
PWM 신호 발생기(106) 및 소프트 스타트 회로(102)가 단일 집적 회로(IC) 칩 즉, 제어기 IC(108) 내에 있는 것으로 묘사됨에도, PWM 신호 발생기(106) 및 소프트 스타트 회로(102)는 멀티플 IC들 상에 남아 있을 수 있다는 점이 인정될 수 있다. 또한 영으로부터 정상 상태까지 수동 스위치의 듀티 사이클을 점차로 증가시키는 제어 신호를 획득하도록 시스템(100)의 기계적 설계가 다른 구성요소 선택들, 구성요소 배치, 디멘션들, 토폴로지들 등을 포함할 수 있다는 점이 인정될 수 있다. 또한, 소프트 스타트 회로(102), 양방향 DC-DC 컨버터(104) 및 PWM 신호 발생기(106)가 대상 개선의 실시예들을 실행하기 위해 임의 적합한 값의 구성요소들 및 회로 요소들을 포함할 수 있는 대개의 임의 전기 회로(들)을 포함할 수 있다는 점이 인정될 수 있다. 또한, 시스템(100)이 하나 이상의 집적 회로(IC) 칩들 상에 실행될 수 있다는 점이 인정될 수 있다.
이제 도 2에 대해 언급할 때, 도시된 명세서의 일 측면을 따라, 개선된 소프트 스타트를 갖는 예시적인 양방향 DC-DC 스텝 다운 컨버터(200)가 있다. 스텝 다운 컨버터는 인덕터(Lf)(214) 및 인덕터를 제어하는 두개의 스위치들(예, 두개의 트랜지스터들을 포함)을 일반적으로 포함한다. 스위치들 Q1(212), Q2(208)은 도 2에서 도시되는, 도시된 MOSFET들의 바디 다이오드들을 갖는, MOSFET 스위치들일 수 있다. 구체적으로, 스위치들은 인덕터에서 에너지를 저장하도록 소스 전압에 인덕터를 연결하는 것, 및 부하로 인덕터를 방전하는 것 사이에서 교대한다. 일 예시에서, 스위치 Q1(212)이 DC-DC 컨버터(비양방향 및/또는 양방향)의 동작에 대해 요구되는 스위칭 요소이기 때문에 Q1(212)은 "능동 스위치"로 불려진다. 부가적으로, Q2(208)가 단지 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 동안만 요구되는 선택 스위칭 요소이기 때문에 Q2(208)는 "수동 스위치"로 불려진다(예를 들어, 프리 휠링 다이오드는 비양방향 DC-DC 컨버터 동작에 대한 수동 스위치 대신에 사용될 수 있다).
예시적인 컨버터(200)는 소프트 스타트 방법이 유리할 수 있는 다양한 구성들에서 사용된다. 도 2에서 묘사된, 일 예시적인 구성에서, 컨버터의 입력 및 출력은 배터리들에 연결되고, 입력 전압은 출력 전압보다 더 높다. 게다가, 입력 스테이지는 하이 전압 사이드(VH)(202)로 불려지고 출력 스테이지는 로우 전압 사이드(VL)(204)로 불려진다. 예로서, 위에서 설명된 구성을 사용하는 양방향 컨버터(200)는 전기 자동차에서 사용될 수 있고, VL(204)에서 배터리는 비히클을 프로펠링하도록 전기 모터로 대체될 수 있다. 그에 더해서, 동기식 벅 스타일 양방향 컨버터(200)는 VH 및 VL에 대해 병렬로 하이 사이드 커패시터(CH)(206), 트랜지스터(Q2)(208), 및 로우 사이드 커패시터(CL)(210)를 포함한다. 트랜지스터(Q1)(212) 및 인덕터(Lf)(214)가 CH(206)의 포지티브 단자와 노드 N 사이, 및 노드 N과 CL(204)의 포지티브 단자 사이에 직렬로 있다.
일 실시예에서, Q1(212) 및 Q2(208)는 상보적(complimentary) 스위치들이고, Q1(212)은 능동 스위치로 정의되고 Q2(208)는 수동 스위치로 정의된다. 게다가, Q1(212)이 턴 "온"될 때 Q2(208)가 스위칭 "오프"하고, Q1(212)은 스위칭 "오프" 될 때 Q2(208)는 턴 "온"된다. 예를 들어, Q1(212)의 듀티 사이클을 제어하도록 PWM 신호 발생기(106)에 의해 발생된 PWM 신호를 사용하는 것에 의해, 예를 들어 스타트 업에서, Q1(212)의 듀티 사이클이 영으로부터 정상 상태까지 점차로 증가될 때, 회로에 대한 포화 및 손상이 발생할 수 있다. Q2(208)의 듀티 사이클이 Q1(212)의 듀티 사이클과 상보적(예를 들어, 반전된 버전)이기 때문에, Q2(208)의 듀티 사이클은 소프트 스타트의 시작에서 거의 100%일 것이다. 결과로서, 전압 VH-VL이 로우 듀티 사이클(예, 사이클마다 "온 상태"에서 숏 타임)을 갖는 인덕터 Lf(214)로 인가되는 반면에 전압 VL은 하이 듀티 사이클(예, 사이클마다 "온 상태"에서 롱 타임)을 갖는 인덕터 Lf(214)로 인가된다. 결과적으로, 네거티브 인덕터 전류 ILF는 빠른 방법으로 증가하고, 인덕터 Lf(214)는 포화되고, 큰 비제어된 리버스 전류에 의해 컨버터가 손상되게 한다.
일 측면에서, 시스템(200)에 의해 사용된 소프트 스타트 회로(102)는 Q2(208)의 듀티 사이클을 제어하는 것에 의해 인덕터의 포화를 방지할 수 있다. 예로서, 소프트 스타트 회로(102)는 수동 스위치를 구동하고 영으로부터 정상 상태 값까지, 수동 스위치 Q2(208)의 듀티 사이클을 점차로 증가시킨다. 게다가, 소프트 스타트 회로(102)는 Q1(212)이 "오프"일 때 오직 시간의 프랙션에 대해 Q2(208)를 "온"으로 최초로 스위칭하는 출력 신호를 발생시키고, Q1이 "오프"인 모든 시간에 대해 Q2(208)가 "온"이 유지될 때까지 Q2(208)가 "온"이 유지되는 시간을 점차로 증가시킨다. Q2(208)의 듀티 사이클이 Q1(212)의 듀티 사이클과 동일한 방법으로 점차로 증가하기 때문에, 인덕터 전류 ILF는 평활하게 변하고, 거대한 리버스 인덕터 전류가 회피된다.
커패시터들 CH(206) 및 CL(204)은 어플리케이션에 따라 적합한 커패시턴스 값들(또는 라티오(ratio)들)을 가질 수 있다는 점이 인정될 수 있다. 또한, 인덕터 LF(214)는 어플리케이션에 따라 대개의 임의 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 일 예에서, 스위치들 Q1(212) 및 Q2(208)가 MOSFET들로 묘사됨에서, 본 명세서는 그렇게 한정되지 않고 스위치의 대개의 임의 유형이 사용될 수 있다.
도 3은 하이브리드 전기 비히클(HEV) 및/또는 전기 비히클(EV) 시스템들에서 파워 발생을 위해 사용되는 예시적 시스템(300)을 도시한다. 일 측면에서, 200-400V 하이 전압 배터리 스택(310)이 컨버터 제어 시스템에서의 입력 스테이지에서 에너지 스토리지(storage)로 사용되고 로우 전압 12V 배터리(312)는 컨버터 제어 시스템에서 출력 스테이지에 연결된다. 하이 배터리 팩(310)의 충전(charging)이 전기 모터/발생기(304)에 연결된, 절연된 AC-DC 컨버터(306)를 통해 이루어지고, 그에 반해 로우 배터리 팩(312)의 충전이 컨버터 제어 시스템(100) 내의 절연된 DC-DC 컨버터를 통해 이루어진다. 하이 전압 배터리 팩(310)의 큰 변동(fluctuation)을 고려할 때, 변압기 설계들이 최적화될 수 있는 그러한, 컨버터 제어 시스템(100) 내의 로우 전압 배터리(312)와 절연된 DC-DC 컨버터의 입력 사이에 종종 프리레귤레이터가 삽입될 수 있다.
일 측면에서, 컨버터 제어 시스템(100)은 다른 DC 전압 버스들을 연결하고 에너지를 이리저리로 전달한다. 예를 들어, 컨버터 제어 시스템(100)은 HEV에서 전기 장비에서의 사용을 위해 로우 전압(예, 12V)으로 메인 배터리에서 하이 전압(예, 200-300V)의 컨버전(conversion)을 용이하게 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 컨버터 제어 시스템(100)은 배터리 전압(예, 300V 내지 500V)의 컨버전을 용이하게 할 수 있고 HEV에서 드라이브 모터로 컨버팅된 전압을 공급한다. 구체적으로, 스타트업에서 큰 네거티브 전류 서지들이 소프트 스타트 회로를 사용하는 것에 의해 회피되고 및/또는 감소되고, 컨버터 제어 시스템(100)의 능동 스위치의 소프트 스타트 동안, 컨버터 제어 시스템(100)의 수동 스위치의 듀티 사이클을 제어한다는 점을 컨버터 제어 시스템(100)은 보장한다.
도 4는 본 개시의 일 측면에 부합해서 개선된 소프트 스타트를 갖는 예시적인 양방향 DC-DC 스텝 업(부스트) 컨버터(400)를 도시한다. 스텝-업 컨버터(400)는 그것의 입력 DC 전압(VL)(402)보다 더 큰 출력 DC 전압(VH)(404)을 갖는 파워 컨버터일 수 있다. 일반적으로, 배터리들, 솔라 패널들, 정류기(rectifier)들, DC 발생기들 등과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는 대개의 임의 DC 소스들이 입력 및/또는 출력 사이드에서 사용될 수 있다. 일반적으로, 시스템(400)은 하이브리드 전기 비히클(HEV)들 및/또는 라이트닝 시스템들과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는, 다양한 어플리케이션들에서 사용될 수 있다. 그에 더해서, 스위치들 Q1(212) 및 Q2(208)는 트랜지스터들(예, MOSFET들)과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는, 대개의 임의 전기 회로 요소들을 사용하는 것에 의해서 실행될 수 있다.
일 측면에 따라서, 스텝-업 컨버터(400)의 동작은 전류에서 변경들에 저항하는 인덕터의 경향에 기반한다. 게다가, 인덕터 LF(214)가 충전될 때 그것은 에너지를 저장하고, LF(214)가 방전될 때, 그것은 에너지 소스로서 역할한다. 방전 위상 동안 LF(214)에 의해 발생된 전압은 본래의 충전 전압이 아닌 전류의 변경의 비율의 함수이고, 따라서 다른 입력 및 출력 전압들을 허용한다. 구체적으로, Q2(208)는 "오프"(예, 오프닝)이고 Q1(212)은 "온"(예, 클로징됨)일 때, 인덕터 전류는 증가한다. 대안적으로, Q2(208)가 "온"(예, 클로징됨)이고 Q1(212)이 "오프"(예, 오프닝)일 때, 인덕터에 누적된 에너지가 커패시터 CH(410)을 통해 방전된다.
일반적으로, 소프트 스타트 기법이 영으로부터 정상 상태까지 능동 스위치 Q1(212)의 듀티 사이클을 점차로 증가시키도록 사용된다. 소프트 스타트의 시작에서, 수동 스위치 Q2(208)의 듀티 사이클(예, 반전된 능동 듀티 사이클)은 너무 크고(거의 100%) 따라서, 소프트 스타트 회로(102)가 큰 네거티브 인덕터 전류들을 방지하도록 사용된다. 소프트 스타트 회로(102)는 영으로부터 정상 상태 값까지 Q2(208)의 듀티 사이클을 점차로 증가시킨다. 예를 들어, Q2(208)가 클로징되는("온"인) 시간은 정상 상태 듀티 사이클이 도달될 때까지 멀티플 스위칭 사이클들에 걸쳐 서서히 증가된다. 일 측면에서, 소프트 스타트 회로(102)는 Q1(212)이 스위칭 "오프"될 때 Q2(208)가 오직 시간의 일부에 대해 스위칭 "온"되는, Q2(208)의 듀티 사이클을 제어하도록 PWM 신호를 정정하고, Q1(212)이 스위칭 "오프"될 때 Q2(208)가 모든 시간에 대해 스위칭 "온"될 때까지 시간의 일부는 점차로 증가된다.
이제 도 5에 관해 언급할 때, 개선의 일 측면에 부합해서 컨버터의 출력에서 입력으로 흐르는 네거티브 전류를 감소시키는 도시된 예시적인 2단 절연된 양방향 DC-DC 컨버터(500)가 있다. 일 예에서, 제 1/입력 스테이지(502)는 프리-레귤레이터, 양방향 벅/부스트 컨버터 등을 포함할 수 있으나, 그것에 제한되지 않고, 제 2/출력 스테이지(504)는 풀 브릿지, 하프 브릿지, 푸쉬 풀 회로들 등을 포함할 수 있으나, 그것에 제한되지 않는다. 일반적으로, 두개의 스테이지(502, 504)들 사이의 절연이 변압기(506)를 사용하는 것에 의해 획득된다. 예로서, 절연이 특히 하이 파워 레벨들에 대해, 안전 요구사항들을 충족하도록 제공될 수 있다. 또한 입력 스테이지(502)가 전압 소스, 예를 들어, 입력 전압 VI를 갖는 배터리(508)에 연결될 수 있고, 출력 스테이지(504)는 또 다른 전압 소스, 예를 들어, 출력 전압 VO를 갖는 배터리(510)에 연결될 수 있다.
일 측면에 따라, 입력 스테이지(502)는 소프트 스타트 회로(102)를 사용하는 것에 의해, 동일한 시간 동안 소프트 스타팅되는 능동 스위치(212) 및 수동 스위치(208)를 포함할 수 있다. 게다가, 능동 스위치의 소프트 스타트 동안, 소프트 스타트 회로(102)는 수동 스위치가 턴 "온"되는 시간을 제한하는 것에 의해 영으로부터 정상 상태까지 수동 스위치의 듀티 사이클을 점차로 증가시킨다. 예로서, 만일 능동 및 수동 스위치들에 대한 스위칭 주파수가 100KHz라면, 스위칭 주기는 10 마이크로초이다. 또한 만일 능동 스위치의 정상 상태 듀티 사이클이 20% 라면, 예를 들어, 능동 스위치가 2 마이크로초에 대해 "온"이고 수동 스위치가 8 마이크로초에 대해 "온"이다(스위치들 둘 모두가 "오프"일 때, 100 kHz 스위칭에 대한 "데드타임"의 100 나노초-200 나노초 포함). 파워 업 동안, 능동 스위치의 듀티 사이클은 영으로부터 20%까지 점차로 증가된다. 종래적으로, 이 스테이지에서, 예를 들어, 제 1 복수(several) 사이클들에 대해, 수동 스위치는 (듀티 사이클 99% 내지 80%를 갖는) 시간의 큰 양에 대해 "온"으로 남겨질 것이다. 이것은 시스템(500)의 배터리(508) 및/또는 다른 구성요소들을 손상시킬 수 있는 출력 스테이지(504)로부터 입력 스테이지(502)로 흐르는 큰 네거티브 전류를 야기할 수 있다. 그러나 소프트 스타트 회로(102)는 수동 스위치가 턴 "온"되는 시간이 제 1 일부(few) 사이클들 동안 제한되는 것을 보장하고 능동 스위치의 소프트 스타트 동안 수동 스위치에 대해 동시에/일제히 소프트 스타트를 제공한다.
일 예에서, 시스템(500)은 서로 다른 DC 전압 버스들을 연결하고 에너지를 이리저리로 전달하도록 HEV들 내의 양방향 DC-DC 컨버터에서 사용될 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터는 HEV에서 전기 장비에서의 사용을 위해 로우 전압으로(예, 12V) 메인 배터리에서 하이 전압(예, 200-300V)을 컨버팅할 수 있다. 또 다른 예에서, DC-DC 컨버터는 HEV에서 배터리 전압(예, 300V 내지 500V)을 컨버팅하고 드라이브 모터로 컨버팅된 전압을 공급할 수 있다. 입력 스테이지(502) 및 출력 스테이지(504)가 어플리케이션에 따라 대개의 임의의 전기 회로들을 포함할 수 있다는 점이 인정될 수 있다. 예를 들어서, 시스템(500)은 로우 파워 어플리케이션들에 대해 인덕터 및/또는 변압기의 마그네틱 필드에서 저장된 에너지를 사용하는 플라이-백 및 플라이-포워드 컨버터들을 포함할 수 있다. 또한, 시스템(500)은 더 높은 파워 어플리케이션들에 대해 하프 브릿지, 풀 브릿지 및/또는 듀얼 풀 브릿지 회로를 포함할 수 있다.
도 6a 및 6b에 관해 언급할 때, 도시된 (도 2,4,5에서) 수동 스위치 Q2(208)의 듀티 사이클을 제어하도록 사용된 예시적인 소프트 스타트 회로(102), 및 소프트 스타트 회로(102)에서의 다양한 노드(650-658)들에서 신호 파형(690)들이 있다. 일 측면에서 소프트 스타트 회로(102)는 스타트-업 동안 큰 리버스 트랜션트 인덕터 전류를 감소시키고 양방향 DC-DC 컨버터 시스템에 대한 손상을 방지한다. 소프트 스타트 회로(102)는 스위치들(예, MOSFET들, 바이-폴라 접합 트랜지스터(BJT) 등)을 사용하는 대개의 임의 양방향 DC-DC 컨버터들에서 일반적으로 사용된다. 일반적으로, 소프트 스타트 회로(102)는 수동 스위치의 듀티 사이클이 능동 스위치의 소프트 스타트 동안 영으로부터 점진적으로 증가되는 것을 보장할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 능동 및 수동 스위치들이 서로의 반전된 버전들인 PWM 신호들에 의해 구동된다. 달리 말해서, 능동 스위치가 "온"일 때 수동 스위치는 "오프"이고 그리고 그 역도 성립한다(vice versa). 능동 스위치의 소프트 스타트 동안, 능동 스위치를 구동하는 PWM 신호의 듀티 사이클은 복수의 사이클들에 걸쳐 영으로부터 정상 상태까지 점차로 증가한다. 게다가, 소프트 스타트 회로(102)는 노드 A(650)에서 이 PWM 신호의 반전된 버전(602)을 수신하고 수동 스위치를 소프트 스타팅하는 (노드 E(658)에서) PWM_Out 신호(628)로 그것을 컨버팅한다.
일 측면에 따라, 반전된 PWM_In 신호(602)가 포지티브 트리거링된 원-샷 회로(604)의 입력에서 인가된다. 원-샷 회로(604)의 출력이 (예를 들어, 래치의 설정 핀으로 출력을 피딩하는 것에 의해) 래치(608)를 설정하도록 사용된다. 일 예에서, 래치(608)는 크로스-결합된 로직 게이트들(예, NOR, NAND 등)의 설정에 의해 실행되는 설정-재설정(SR) 래치를 포함할 수 있다. 그에 더해서, 원-샷 회로(604)의 출력이 소-투스(saw-tooth) 신호 발생기(610)를 재설정하도록 제공될 수 있다. 일 예에서, 소-투스 신호 발생기(610)가 일정한 전류 소스(612) 및 커패시터(614)로 구성될 수 있다. 게다가, 커패시터를 교차하는(across) 전압이 스위치(616)를 재설정하도록 원-샷 회로(604)의 출력을 사용하는 것에 의해, 반전된 PWM_In 신호(602)의 상승 에지 상에 재설정될 때까지 일정한 전류 소스(612)가 커패시터(614)를 충전한다. 따라서, 노드 C(654)에서 전압 파형은 소투스 웨이브(618)를 나타낼 것이고 노드 C(654)에서 신호(618)는 반전된 PWM_In 신호(602)의 상승 에지로 싱크될(synced) 것이다.
예를 들어, 능동 스위치를 소프트 스타팅하기 위해 사용되는, 소프트 스타트 램프(620)는 노드 B(652)에서 수신되고 비교기(622)를 사용하는 것에 의해 소-투스 파형(618)과 비교된다. 일반적으로, 소투스 신호(618)가 비교기(622)의 비-반전 입력 단자에 제공되는 반면에 소프트 스타트 램프(620)는 비교기(622)의 반전 입력 단자에 제공된다. 비교기(622)가 동작 증폭기(op-amp)로 묘사됨에도, 두개 이상의 입력 신호들을 비교하고/감산하기 위한 대개의 임의 전기 회로가 사용될 수 있다는 점이 인정될 수 있다. 비교기(622)의 출력이 래치(608)를 재설정하도록 사용된다. 또한 (노드 D(656)에서) 래치의 출력(624)이 AND 게이트(626)의 입력에 제공된다. 그에 더해서, 반전된 PWM_In 신호(602)가 AND 게이트(626)의 또 다른 입력에 제공된다. 게다가, AND 게이트(626)의 출력이 노드 E(658)에서 PWM_Out 신호(628)를 제공하고, 듀티 사이클은 수동 스위치가 최초로 턴 "온"되는 시간을 제한하도록 제어된다.
파형(690)들에서 보여지는 바와 같이, 노드 E(658)에서 PWM_Out 신호(628)가 노드 A(650)에서 본래 반전된 PWM_In 신호(602)로 동기화된다. 그러나 PWM_Out 신호(628)의 듀티 사이클이 영으로부터 안정 상태 값까지 점차로 증가한다. PWM_Out 신호(628)가 도 1,2,4, 및 5에서 양방향 DC-DC 컨버터들에서 수동 스위치를 구동하도록 사용된다. 따라서, 능동 스위치의 소프트 스타트 동안, 수동 스위치가 턴 "온"으로 남겨질 시간이 제한되고 각 시간 주기와 함께 점차로 증가된다. 게다가, 수동 스위치의 듀티 사이클이 점차로 증가하기 때문에, 능동 스위치와 동일한 방법으로, 인덕터 전류는 평활하게 변하고 큰 리버스 또는 트랜션트 인덕터 전류들이 회피된다.
도 7은 양방향 DC-DC 컨버터(104)에서 수동 스위치(208)를 소프트 스타팅하는 예시적인 시스템(700)을 도시한다. 양방향 DC-DC 컨버터(104)는 능동 스위치(도 2 및 4에서 도시된 바와 같음) 및 수동 스위치(208)(예를 들어, MOSFET들, BJT들 등에 의해 실행됨)를 포함하는 절연된 및/또는 비-절연된 토폴로지들을 포함할 수 있다. 파워 업 및/또는 재설정 동안, 능동 스위치가 소프트 스타팅되고, 예를 들어, 능동 스위치의 듀티 사이클이 복수의 시간 주기들에 걸쳐 영으로부터 정상 상태까지 천천히 증가된다. 이 시간 동안, 수동 스위치(208)의 동작이 소프트 스타트 회로(102)에 의해 제어된다. 일 측면에 따라서, 소프트 스타트 회로(102)는 디지털 신호 프로세서(DSP)(예, 마이크로 제어기, 마이크로 프로세서 등)(702)를 포함한다. 일반적으로, DSP(702)는 도 6a에서 회로(102) 대신에 사용될 수 있다.
DSP(702)는 수동 스위치(208)를 소프트 스타팅하도록 사용될 수 있는 PWM_Out 신호(628)(도 6b에서 도시된 바와 같음)를 발생시키도록 프로그래밍될 수 있다. 최초로, 능동 스위치가 "오프"일 때 PWM_Out 신호가 수동 스위치가 턴 "온"되는 시간을 제한하고 그런 후에 정상 상태가 도달될 때까지 수동 스위치가 매 시간 주기와 함께 턴 "온"되는 시간을 점차로 증가시킨다. 일반적으로, 수동 스위치(208)의 동작은 수동 스위치(208)가 능동 스위치와 함께 동시에 또는 일제히 소프트 스타팅되는, 파워-업/재설정 상에 PWM_Out 신호(628)에 의해 제어된다. 게다가, 수동 스위치의 듀티 사이클은 능동 스위치의 듀티 사이클과 동일한 방법으로 멀티플 타임 주기들에 걸쳐 증가하기 때문에, 양방향 컨버터(104)에서 네거티브 전류 이슈가 방지된다.
도 8-9는 개시된 대상 문제에 부합하는 방법론들 및/또는 흐름도들을 도시한다. 설명의 단순함을 위해, 방법론들은 일련의 동작들로 묘사되고 설명된다. 대상 개선이 도시된 동작들에 의해 및/또는 동작들의 순서에 의해 제한되지 않는다는 점, 예를 들어 동작들은 여기서 제시되지 않고 설명되지 않은 다른 동작들과 함께 다양한 순서들로 및/또는 동시에 발생할 수 있다는 점이 이해되고 인정되어야만 한다. 또한, 모든 도시된 동작들이 개시된 대상 문제에 부합하는 방법론들을 실행하도록 요구될 수 있는 것은 아니다. 그에 더해서, 해당 기술 분야의 당업자는 방법론들이 상태도 또는 이벤트들을 통해 일련의 상관된 상태들로서 대안적으로 제시될 수 있다는 점을 이해하고 인정할 것이다. 부가적으로, 이후에 그리고 본 명세서 전체에 걸쳐 개시된 방법론들이 컴퓨터들로 그러한 방법론들을 이동하고 전달하기에 용이하도록 제조의 아티클(article) 상에 저장되는 것이 가능하다는 점이 더 인정되어야만 한다. 여기서 사용된, 용어 제조의 아티클은 임의 컴퓨터-판독가능한 디바이스 또는 컴퓨터-판독가능한 스토리지/통신 미디어로부터 액세스가능한 컴퓨터 프로그램을 포함하도록 의도된다.
도 8은 대상 개시의 일 측면에 부합해서 양방향 DC-DC 컨버터들에서 네거티브 트랜션트 전류를 감소시키기 위한 예시적인 방법론(800)을 도시한다. 구체적으로, 방법론(800)은 시스템을 손상시킬 수 있는 큰 네거티브 트랜션트 전류의 발생을 방지하고 따라서 그것은 시스템을 더 로버스트(robust)하도록 한다. (802)에서, 양방향 DC-DC 컨버터는 예를 들어, 수동으로 또는 자동으로(예, 이벤트에 응답해서) 파워링 업(예, 스위칭 "온", 재설정, 리-스타팅 등)될 수 있다. 일반적으로, 양방향 DC-DC 컨버터는 벅, 부스트, 벅-부스트,
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, 전하 펌프, 플라이-백, 플라이-포워드, 하프 브릿지, 풀 브릿지, 듀얼 풀 브릿지 등과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는 대개의 임의 절연된 또는 비-절연된 토폴로지, 토폴로지들을 포함할 수 있고, 산업 자동화 시스템들, 자동차 시스템들, 로보틱스 등과 같은, 그러나 그것에 한정되지 않는 다양한 어플리케이션들에서 사용될 수 있다.
일 측면에서, 양방향 DC-DC 컨버터는 예를 들어, MOSFET들, BJT들 등에 의해 실행되는 능동 스위치 및 수동 스위치를 포함할 수 있다. (804)에서, 능동 스위치는 파워 업 상에 소프트 스타팅될 수 있다. 예를 들어, PWM 신호가 듀티 사이클이 영으로부터 정상 상태 값까지 점차로 증가되는, 능동 스위치의 듀티 사이클을 제어하도록 사용될 수 있다. 일반적으로, 수동 스위치를 구동하는 신호는 능동 스위치를 구동하는 PWM 신호의 반전된 버전이다. 그러나, 동시에 (804)로, (806)에서, 수동 스위치의 듀티 사이클 역시 영으로부터 정상 상태까지 점차로 증가되도록, 수동 스위치가 소프트 스타팅된다. 일 측면에서, 능동 스위치를 구동하는 PWM 신호의 반전된 버전은 수동 스위치가 "온"을 유지하는 시간을 제한하는 출력 신호를 발생시키도록 프로세싱되고 수동 스위치가 멀티플 시간 주기들에 걸쳐 "온"이 유지되는 시간이 점차로 증가시킨다. 수동 스위치를 구동하도록 사용된, 출력 신호가 PWM 신호의 반전된 버전으로 동기화되고 영으로부터 정상 상태 값까지 점진적으로 증가된다. 게다가, 오직 능동 스위치가 "오프"인 시간의 일부에 대해, 그리고 멀티플 시간 주기들에 걸쳐 최초로 수동 스위치가 "온"이고, 능동 스위치가 "오프"인 전체 기간에 대해 수동 스위치가 "온"일 때까지 수동 스위치가 "온"인 시간이 점차로 증가된다. 그에 따라, 능동 스위치 및 수동 스위치 둘 모두가 동시에/일제히 소프트 스타팅되고 따라서 인덕터 전류가 큰 리버스 또는 트랜션트 인덕터 전류 없이 평활하게 변한다.
도 9는 대상 명세서의 일 측면을 따르는, 양방향 DC-DC 컨버터들에서 개선된 소프트 스타트 매커니즘을 위한 예시적인 방법론(900)을 도시한다. 방법론(900)은 양방향 DC-DC 컨버터의 수동 스위치를 제어하도록 소프트 스타트 듀티 사이클을 발생시킨다. 일반적으로, 양방향 DC-DC 컨버터는 능동 스위치 및 수동 스위치를 가지고, 능동 스위치의 액티브 듀티 사이클이 스타트 업에서 영으로부터 정상 상태 값까지 점차로 증가한다. 위에서 언급된 바와 같이, 능동 및 수동 스위치들의 동작은 수동 스위치가 "온"일 때 능동 스위치가 "오프"이고 수동 스위치가 "오프"일 때 능동 스위치가 "온"인 것과 같이 상보적이다.
(902)에서, PWM 신호가 포지티브 트리거링된 원-샷 회로 인가된다. 일반적으로, PWM 신호는 능동 스위치의 반전된 듀티 사이클을 가진다. (904)에서, 래치(예, SR 래치)는 포지티브 트리거링된 원-샷 회로의 출력에 기반해서 설정될 수 있다. 따라서, 래치가 반전된 듀티 사이클의 "온" 상태의 리딩(leading)/상승 에지 상에 설정된다. 또한, (906)에서, 소투스 신호가 포지티브 원-샷 회로의 출력에 기반해서 발생될 수 있다. 예를 들어, 소투스 신호가 반전된 듀티 사이클의 "온" 상태의 리딩/상승 에지 상에 재설정한다. 또한, (908)에서, 영으로부터 정상 상태 값까지 점차로 증가하는 소프트 스타트 램프 신호가 발생될 수 있다. (910)에서, 소투스 신호 및 소프트 스타트 램프 신호가 비교될 수 있다. 예로서, 소프트 스타트 램프 신호가 소투스 신호에서 감산될 수 있다. 게다가, (912)에서, 래치는 비교에 기반해서 재설정될 수 있다. 일 측면에서, 만일 소투스 신호가 소프트 스타트 램프 신호와 등가이거나 또는 그보다 더 크다면, 래치가 재설정될 수 있다.
(914)에서, 래치 및 PWM 신호의 출력 상태의 상태가 AND 게이트에 입력된다. AND 게이트로부터의 출력은 PWM 신호로 동기화된 신호를 제공하고 출력 신호의 듀티 사이클은 정상 상태 듀티 사이클이 도달될 때까지 각 시간 주기와 함께 점진적으로 증가한다. (916)에서, AND 게이트로부터 출력된 신호가 양방향 DC-DC 컨버터 내의 수동 스위치의 듀티 사이클을 제어하도록 사용된다. 예를 들어, 파형(628)(도 6b에서 도시됨)이 수동 스위치의 듀티 사이클이 양방향 컨버터에서 큰 리버스 또는 트랜션트 인덕터 전류들을 회피하도록 능동 스위치와 동일한 방법으로 점차로 증가하는 바와 같이, 수동 스위치의 듀티 사이클(반전된 액티브 듀티 사이클 즉, 도 6b에서 도시된 파형(602) 대신)로서 사용된다.
따라서, 소프트 스타트 스킴의 실시예들은 복잡하지 않고, 더 복잡한 회로들의 실행과 비교할 때 비교적 덜 집약적인 실행을 가능하게 한다. 소프트 스타트 스킴은 양방향 컨버터들에서 네거티브 전류의 이슈를 해결하고, 초과 전류로부터 컨버터 시스템에 대한 손상을 방지한다.
위에서 설명된 것은 대상 개시의 예들을 포함한다. 물론, 대상 문제를 설명하는 목적을 위해 구성요소들 또는 방법론들의 모든 고안가능한 조합을 설명하는 것은 가능하지 않으나, 해당 기술분야의 당업자는 대상 개시의 많은 또 다른 조합들 및 치환(permutation)들이 가능하다는 점을 이해할 수 있다. 따라서, 청구된 대상 문제는 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에 있는 모든 그러한 변경들, 수정들, 및 변형들을 포함하도록 의도된다.
특히 그리고 위에서 설명된 구성요소들, 디바이스들, 회로들, 시스템들 및 그와 유사한 것에 의해 수행되는 다양한 기능들과 관련해서, 그러한 구성요소들을 설명하도록 사용되는 용어들("수단(means)"에 대한 참조 포함)은 달리 지시되지 않으면, 심지어 여기서 도시된 청구된 대상 문제의 예시적 측면들에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 등가가 아닐지라도, 설명된 구성요소(예, 기능적 등가물)의 소정 기능을 수행하는 임의 구성요소에 상응하도록 의도된다. 또한, 위에서 설명된 구성요소들 및 회로 요소들은 본 발명의 실시예들을 실행하기 위한 임의 적합한 값일 수 있다. 예를 들어서, 커패시터들은 임의 적합한 커패시턴스일 수 있고, 인덕터들은 임의 적합한 인덕턴스일 수 있으며, 증폭기들은 임의 적합한 이득을 제공할 수 있고, 전류 소스들은 임의 적합한 암페리지(amperage) 등을 제공할 수 있다.
앞서 언급된 시스템들/회로들은 복수 구성요소들 사이의 상호작용과 관련해서 설명되었다. 그러한 시스템들/회로들 및 구성요소들이 이들 구성요소들 또는 구체화된 하위-구성요소들, 구체화된 구성요소들 또는 하위-구성요소들 중 일부, 및/또는 추가 구성요소들을 포함할 수 있고, 앞서 언급된 것의 다양한 치환 및 조합을 따른다는 점이 인정될 수 있다. 하위-구성요소들 역시 부모(parent) 구성요소(계층적(hierarchical))들 내에 포함되기보다는 다른 구성요소들에 통신적으로 결합된 구성요소들로서 실행될 수 있다. 부가적으로, 하나 이상의 구성요소들이 집합적 기능을 제공하는 또는 복수의 개별 하위-구성요소들로 분할된 단일 구성요소로 조합될 수 있고, 관리 레이어와 같은, 임의 하나 이상의 중간 레이어들이 집적된 기능을 제공하기 위해 그러한 하위-구성요소들에 통신적으로 결합되도록 제공될 수 있다는 점이 언급되어야 한다. 여기서 설명된 임의 구성요소들 역시 여기서 구체적으로 설명되지 않은 그러나 해당 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 알려진 하나 이상의 다른 구성요소들과 상호작용할 수 있다.
그에 더해서, 대상 개선의 소정 특징이 복수의 실행들 중 오직 하나와 관련해서 개시될 수 있는 반면에, 그러한 특징은 임의 주어진 또는 소정 어플리케이션에 대해 소망되고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 실행들의 하나 이상의 특징들과 조합될 수 있다. 또한, 용어들 "포함하다(includes)", "포함하는(including)", "가지다(has)", "포함하다(contains)", 그것의 변형들(variants), 및 다른 유사한 단어들이 구체화된 설명 또는 청구항들 중 어느 하나에서 사용되는 범위에 대해, 이들 용어들은 임의 부가적 또는 다른 요소들을 불가능하게함 없이 오픈 트랜지션 워드(open transition word)로서 용어 "포함하는(comprising)"과 유사한 방법으로 포괄하도록 의도된다.
100: 컨버터 제어 시스템
102: 소프트 스타트 회로
104: 양방향 DC-DC 컨버터
106: PWM 신호 발생기
108: 제어기 IC
110, 502: 입력 스테이지
112, 504: 출력 스테이지
114: 동기식 스위치
208: 수동 스위치
302: 자동차 모터 제어
304: 전기 모터/발생기
306: AC/DC 컨버터
308: 에너지 컨버전
310: 하이 전압 배터리 스택
312: 로우 전압 배터리
506: 변압기
702: 디지털 신호 프로세서(DSP)

Claims (20)

  1. 전기적 신호를 발생시키기 위한 PWM 제어기; 및
    상기 PWM 제어기에 동작적으로 결합되고 수동 스위치 및 능동 스위치를 포함하는 양방향 직류(DC)-DC 컨버터;를 포함하고,
    상기 전기적 신호는 상기 능동 스위치의 소프트 스타트 동안 상기 수동 스위치를 소프트 스타팅하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는 상기 소프트 스타트 동안 상기 능동 스위치를 제어하는 신호의 상기 듀티 사이클에 관련해서 반전된 듀티 사이클을 갖는 신호를 입력으로서 수신하는 포지티브 트리거링된 원-샷 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는 상기 포지티브 트리거링된 원-샷 회로의 출력에 결합된 래치를 포함하고, 상기 래치는 상기 포지티브 트리거링된 원-샷 회로의 출력에 기반해서 설정되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는 소투스 신호 발생기를 포함하고, 상기 소투스 신호 발생기의 재설정 입력이 상기 포지티브 트리거링된 원-샷 회로의 상기 출력에 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 소투스 신호 발생기는:
    일정한 전류 소스;
    상기 일정한 전류 소스에 결합되는 커패시터; 및
    상기 커패시터를 방전하기 위한 재설정 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는 상기 소투스 신호 발생기의 출력에 연결된 제 1 입력 및 소프트 스타트 램프 신호에 연결된 제 2 입력을 갖는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 비교기의 출력이 상기 래치의 재설정 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는 상기 래치의 출력에 연결된 제 1 입력, 및 상기 반전된 듀티 사이클을 갖는 상기 신호에 연결된 제 2 입력을 갖는 AND 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 제어기는
    디지털 신호를 발생시키도록 프로그래밍되는 디지털 신호 프로세서(DSP); 및
    상기 전기적 신호를 발생시키기 위한 디지털-아날로그 컨버터(DAC);를 포함하고,
    상기 전기적 신호가 상기 디지털 신호에 기반하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는 절연된 또는 비-절연된 토폴로지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전기적 신호는 상기 수동 스위치를 구동하고 상기 능동 스위치의 상기 소프트 스타트 동안 복수의 시간 주기들에 걸쳐 영으로부터 시작하여 정상 상태 값까지 상기 수동 스위치의 듀티 사이클을 점진적으로 크게 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 능동 및 수동 스위치를 포함하는 양방향 직류(DC)-DC 컨버터를 파워링-업 또는 리스타팅하는 단계 중 적어도 하나; 및
    상기 능동 스위치와 상기 수동 스위치를 동시에 소프트 스타팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 능동 스위치의 소프트 스타트 동안 복수의 시간 주기들에 걸쳐 영으로부터 시작하여 정상 상태까지 상기 수동 스위치의 듀티 사이클을 점진적으로 크게하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 수동 스위치의 듀티 사이클을 제어하도록 전기적 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 발생시키는 단계는
    소프트 스타트 동안 상기 능동 스위치를 구동하는 신호의 반전된 버전의 상승 에지에 기반해서 래치를 설정하는 단계;
    상기 소프트 스타트 동안 상기 능동 스위치를 구동하는 상기 신호의 상기 반전된 버전의 상기 상승 에지에 기반해서 소투스 신호를 발생시키는 단계;
    소프트 스타트 램프 신호를 발생시키는 단계;
    상기 소투스 신호에서 상기 소프트 스타트 램프 신호를 감산하는 단계;
    상기 감산된 신호에 기반해서 상기 래치를 재설정하는 단계; 및
    상기 소프트 스타트 동안 상기 능동 스위치를 구동하는 상기 신호의 상기 반전된 버전 및 상기 래치의 상태에 기반해서 상기 전기적 신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 수동 스위치 및 능동 스위치를 포함하는 양방향 직류(DC)-DC 컨버터;
    스타트업에서 네거티브 전류를 발생시키는, 상기 양방향 DC-DC 컨버터 내의, 인덕터; 및
    상기 능동 스위치의 소프트 스타트 동안, 상기 수동 스위치가 턴 온되는 시간 주기를 점차로 증가시키기 위한 소프트 스타트 회로;를 포함하고,
    상기 시간 주기를 점차로 증가시키는 것은 상기 소프트 스타트 동안 상기 인덕터에 의해 발생된 상기 네거티브 전류를 제거하거나 또는 감소시키는 것 중 적어도 하나를 하는 것을 특징으로 하는 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 소프트 스타트 회로는 상기 수동 스위치를 구동하도록 전기적 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 소프트 스타트 동안, 상기 소프트 스타트 회로는 상기 능동 스위치가 턴 오프되는 시간 동안, 상기 수동 스위치가 온으로 유지되는 시간을 제한하는 것을 특징으로 하는 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 소프트 스타트 회로는 상기 소프트 스타트 동안, 상기 능동 스위치를 구동하는 신호의 반전된 버전으로 상기 전기적 신호를 동기화하는 것을 특징으로 하는 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 장치.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는 벅, 부스트, 벅-부스트,
    Figure pat00003
    , 전하 펌프, 플라이-백, 플라이-포워드, 하프 브릿지, 풀 브릿지 또는 듀얼 풀 브릿지 컨버터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 네거티브 인덕터 전류를 감소시키기 위한 장치.
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