KR20120098029A - Apparatus and method for converting power using switched capacitor converter - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus and a method for converting power using a switched capacitor are provided to control a base current of a semiconductor device by using a linear regulator. CONSTITUTION: A plurality of switches(S1,S2,S3,S4) apply a voltage to a plurality of capacitors(C1,C2) by changing a signal path. The capacitors alternately charge the voltage according to the change of the switch. A linear regulator(30) controls a base current of a semiconductor device. The linear regulator removes a ripple generated from the charged capacitor.

Description

스위치드 커패시터 컨버터를 이용한 전력 변환 장치 및 방법{Apparatus and method for converting power using switched capacitor converter}Apparatus and method for converting power using switched capacitor converter}

본 발명은 스위치드 커패시터 컨버터를 이용한 전력 변환 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위치드 커패시터 컨버터의 출력 전압에서 발생하는 리플(ripple)을 인덕터(inductor) 없이 제거하는 전력 변환 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion apparatus and method using a switched capacitor converter, and more particularly, to a power conversion apparatus and method for removing ripple generated in the output voltage of the switched capacitor converter without an inductor. will be.

컨버터는 입력된 일정 전압을 승압, 감압시켜 원하는 전압으로 출력시키는 장치로서, 각종 전자 기기 내부를 구성하는 각 부품들이 대부분 직류 전압을 요구하기는 하나 그 요구값이 각각 차이가 나기 때문에 오늘날 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.A converter is a device that boosts or depresses a certain input voltage and outputs it as a desired voltage. Today, each component constituting various electronic devices requires a DC voltage, but the requirements are very different. Is in charge of.

일반적으로, 스위치드 커패시터(switched capacitor) 회로는 인덕터나 변압기와 같은 유도성 소자(magnetic components)를 전혀 사용하지 않고 커패시터와 반도체 스위치만을 이용하는 전력 변환 장치이다. 따라서, 컨버터의 크기와 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전체 컨버터를 집적 회로나 하이브리드 형태로 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이러한 스위치드 커패시터 회로는 CMOS 소자에 매우 적합한 회로로서, CMOS 공정으로 단일칩에 용이하게 집적할 수 있으며, 저항을 사용하지 않고, 전력소비를 줄일 수 있다. 현재, 스위치드 커패시터 회로는 CMOS 아날로그 회로 기술의 발전과 더불어 급속히 발전되고 있으며 통신용 LSI를 비롯한 아날로그 신호를 처리하는 각종 소자에 적용되고 있다.In general, switched capacitor circuits are power conversion devices that use only capacitors and semiconductor switches without using any inductive components such as inductors or transformers. Therefore, the size and weight of the converter can be reduced, and the entire converter can be manufactured in an integrated circuit or a hybrid form. In addition, such a switched capacitor circuit is a very suitable circuit for a CMOS device, can be easily integrated into a single chip in a CMOS process, and can reduce power consumption without using a resistor. Currently, switched capacitor circuits are rapidly developing with the development of CMOS analog circuit technology and applied to various devices for processing analog signals, including communication LSI.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 출력 인덕터가 존재하지 않는 구조적(topology) 한계로 인해 스위치드 커패시터 컨버터의 출력 전압에서 리플이 발생하는 한계를 극복하는 한편, 전력 변환 장치의 초기 과도 상태에서 입력되는 과도 전류 및 부하 변동에 따른 미소 출력 전압을 제어할 수 없는 문제점을 해소하고자 한다.The technical problem to be solved by the present invention is to overcome the limitation that the ripple occurs in the output voltage of the switched capacitor converter due to the topology limitation of the output inductor does not exist, while the transient input from the initial transient state of the power conversion device In order to solve the problem that the micro output voltage cannot be controlled due to the current and load variations.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하는 복수 개의 스위치; 상기 스위치 변경에 따라 번갈아가며 전압을 충전하는 복수 개의 커패시터; 및 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 상기 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플(ripple)을 제거하는 선형 모드 레귤레이터(linear mode regulator)를 포함한다.In order to solve the above technical problem, the power conversion device according to the present invention includes a plurality of switches for applying a voltage to each of the plurality of capacitors by alternating the signal path; A plurality of capacitors alternately charging voltage in accordance with the switch change; And a linear mode regulator which removes ripple generated from the capacitor with the voltage charged by adjusting the base current of the semiconductor device.

또한, 상기된 전력 변환 장치는 상기 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 드롭-다운 드라이버(drop-down driver)를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the power converter further includes a drop-down driver for controlling the semiconductor switch of the linear mode regulator.

한편, 상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 복수 개의 스위치를 통해 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하고, 상기 스위치 변경에 따라 번갈아가며 전압을 충전하는 스위치드 커패시터 컨버터; 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 상기 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플을 제거하는 선형 모드 레귤레이터; 펄스의 주파수를 변경함으로써 초기 과도 전류를 제어하는 펄스 주파수 변조부; 및 펄스의 폭을 변경함으로써 전압의 미소 변화를 제어하는 펄스 폭 변조부를 포함한다.Meanwhile, in order to solve the other technical problem, the power converter according to the present invention alternately applies a voltage to each of a plurality of capacitors by alternating a signal path through a plurality of switches, and alternately changes the voltages according to the switch change. A switched capacitor converter for charging; A linear mode regulator for removing ripples generated by the voltage-charged capacitor by adjusting a base current of a semiconductor device; A pulse frequency modulator for controlling an initial transient current by changing a frequency of a pulse; And a pulse width modulator for controlling the minute change in voltage by changing the width of the pulse.

또한, 상기된 전력 변환 장치는 상기 전력 변환 장치의 초기 기동시에는 상기 펄스 주파수 변조부를 통해 과도 전류를 제어하고, 상기 전력 변환 장치가 정상 상태에 진입하면 상기 펄스 폭 변조부를 통해 부하의 변동으로 인한 전압의 미소 변화를 제어하는 것이 바람직하다.In addition, the power converter is configured to control the transient current through the pulse frequency modulator at the initial startup of the power converter, and when the power converter enters a normal state due to a load variation through the pulse width modulator. It is desirable to control small changes in voltage.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 전력 변환 방법은 복수 개의 스위치를 통해 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하는 단계; 상기 스위치 변경에 따라 복수 개의 커패시터에 번갈아가며 전압을 충전하는 단계; 및 선형 모드 레귤레이터를 통해 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 상기 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플을 제거하는 단계를 포함한다.In order to solve the above technical problem, the power conversion method according to the present invention comprises the steps of applying a voltage to each of the plurality of capacitors by alternating the signal path alternately through a plurality of switches; Alternately charging a plurality of capacitors according to the switch change; And removing the ripple generated from the capacitor with the voltage charged by adjusting the base current of the semiconductor device through the linear mode regulator.

또한, 상기된 전력 변환 방법은 드롭-다운 드라이버를 통해 상기 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the above-described power conversion method preferably further comprises the step of controlling the semiconductor switch of the linear mode regulator through a drop-down driver.

나아가, 상기된 전력 변환 방법은 펄스의 주파수를 변경함으로써 과도 전류를 제어하는 단계; 및 펄스의 폭을 변경함으로써 전압의 미소 변화를 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the above-described power conversion method includes the steps of controlling the transient current by changing the frequency of the pulse; And controlling the small change in voltage by changing the width of the pulse.

본 발명은 선형 모드 레귤레이터를 이용하여 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 인덕터 없이도 스위치드 커패시터 컨버터의 충전된 커패시터로부터 발생하는 출력 전압 리플을 제거할 수 있는 한편, 펄스 주파수 변조 및 펄스 폭 변조를 활용함으로써 전력 변환 장치의 초기 과도 상태에서 입력되는 과도 전류를 제한함과 동시에 부하 변동에 따른 미소 출력 전압을 제어할 수 있다.The present invention uses a linear mode regulator to adjust the base current of a semiconductor device to eliminate output voltage ripple occurring from the charged capacitor of a switched capacitor converter without an inductor, while utilizing pulse frequency modulation and pulse width modulation. It is possible to limit the transient current input in the initial transient state of the converter and to control the micro output voltage according to the load variation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 전력 변환 장치에서 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 각각에 대한 제어 신호를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 장치에서 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 드롭-다운 드라이버(drop-down driver)를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 장치에 펄스 주파수 변조부 및 펄스 폭 변조부가 추가된 장치를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 모드 레귤터이터를 이용한 전력 변환 방법에서 펄스 주파수 및 펄스 폭을 변경하는 과정이 추가된 방법을 도시한 흐름도이다.1 is a circuit diagram illustrating a power conversion apparatus using a linear mode regulator according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a control signal for each switch of the switched capacitor converter in the power converter of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram illustrating a drop-down driver for controlling a semiconductor switch of a linear mode regulator in a power conversion device using the linear mode regulator according to an embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram illustrating an apparatus in which a pulse frequency modulator and a pulse width modulator are added to a power converter using a linear mode regulator according to another embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a power conversion method using a linear mode regulator according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method in which a process of changing a pulse frequency and a pulse width is added in a power conversion method using a linear mode regulator according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 실시예들이 구현되는 환경에 대해 개괄적으로 소개하고, 실시예들이 공통적으로 채용하고 있는 기본 아이디어를 제시하고자 한다.Before describing the embodiments of the present invention, the environment in which the embodiments are implemented will be briefly described, and the basic idea that the embodiments are commonly employed will be presented.

본 발명에서 채택하고 있는 스위치드 커패시터 회로의 기본적인 동작은 다음과 같다. 우선, 스위치 신호(Φ1)에 응답하여, 제 1 군 스위치들이 턴-온(turn-on)된다. 따라서, 입력 전압(Vin)은 커패시터(C1)에 충전되고, 다른 커패시터(C2)는 리셋된다. 다음 스위치 신호(Φ2)에 응답하여, 제 2 군 스위치들이 턴-온되고, 제 1 군 스위치들은 턴-오프(turn-off)된다. 따라서, 커패시터(C1)에 충전된 전하들은 커패시터(C2)로 이동하여 충전된다. 이상과 같이 스위치드 커패시터 회로에서는 2개의 커패시터(C1, C2)가 교대로 충전 및 방전을 반복하는 방법으로 출력 전압을 제어하게 된다.The basic operation of the switched capacitor circuit employed in the present invention is as follows. First, in response to a switching signal (Φ 1), the first switch group are turned on (turn-on). Thus, the input voltage V in is charged to the capacitor C1 and the other capacitor C2 is reset. In response to the next switch signal (Φ 2), a second group of switches are turned on, is turned on, the first switch group are turned-off (turn-off). Thus, the charges charged in the capacitor C1 move to the capacitor C2 and are charged. As described above, in the switched capacitor circuit, two capacitors C1 and C2 alternately control charging and discharging to control the output voltage.

이러한 스위치드 커패시터를 이용한 전력 변환 장치의 경우 부피가 작고 무게가 가벼우며 효율이 높다는 장점을 가지지만, 상대적으로 출력에 노이즈 성분이 많이 발생한다는 문제점을 갖는다. 무엇보다도 본 발명의 실시예들이 구현되는 구조의 스위치드 커패시터 컨버터는 출력 인덕터가 포함되지 않기 때문에 출력 전압의 리플을 제어하기 어렵다.The power conversion device using the switched capacitor has the advantage of being small in volume, light in weight and high in efficiency, but has a problem in that a lot of noise components are generated in the output. Above all, the switched capacitor converter of the structure in which the embodiments of the present invention are implemented is difficult to control the ripple of the output voltage because the output inductor is not included.

이에 본 발명의 다양한 실시예들은 인덕터 없이도 출력 전압의 리플을 제어할 수 있는 기술적 수단을 공통적으로 포함한다. 이하에서, 관련 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명한다. 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소를 지칭한다.Accordingly, various embodiments of the present invention commonly include technical means for controlling the ripple of an output voltage without an inductor. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings refer to like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 장치를 도시한 회로도로서, 스위치드 커패시터 컨버터(10) 및 선형 모드 레귤레이터(linear mode regulator, LMR)(30)를 포함한다. 또한, 스위치드 커패시터 컨버터(10)는 다시 복수 개의 스위치(S1, S2, S3, S4)와 복수 개의 커패시터(C1, C2)를 포함한다.1 is a circuit diagram illustrating a power conversion apparatus using a linear mode regulator according to an embodiment of the present invention, which includes a switched capacitor converter 10 and a linear mode regulator (LMR) 30. In addition, the switched capacitor converter 10 further includes a plurality of switches S1, S2, S3, and S4 and a plurality of capacitors C1 and C2.

복수 개의 스위치(S1, S2, S3, S4)는 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가한다. 또한, 복수 개의 커패시터(C1, C2)는 이상의 스위치들(S1, S2, S3, S4)의 변경에 따라 번갈아가며 전압을 충전한다. 스위치드 커패시터 컨버터의 스위치 각각에 대한 제어 신호를 예시한 도 2를 참조하면, 스위치 신호(Φ1)에 응답하여 스위치 S1이 턴-온된 후 즉시 턴-오프되고, 스위치 S3는 턴-온 상태를 유지한다. 따라서, 입력 전압(Vin)은 커패시터(C1)에 충전된다. 이어서, 다음 스위치 신호(Φ2)에 응답하여 스위치 S4가 턴-온된 후 즉시 턴-오프되고, 스위치 S2는 턴-온 상태를 유지한다. 따라서, 커패시터(C2)가 충전된다. The switches S1, S2, S3, and S4 alternately change a signal path to apply voltage to each of the plurality of capacitors. In addition, the plurality of capacitors C1 and C2 alternately charge the voltage according to the change of the switches S1, S2, S3, and S4. Referring to FIG. 2, which illustrates a control signal for each switch of a switched capacitor converter, switch S1 is turned off immediately after being turned on in response to the switch signal Φ 1 , and the switch S3 remains turned on. do. Thus, the input voltage V in is charged to the capacitor C1. Then, the following in response to the switch signal (Φ 2) switches S4 turned off and the switch S2 is turned on, - immediately after the turn ondoen maintains the on state. Thus, the capacitor C2 is charged.

이제, 이렇게 번갈아가며 충전된 전압은 CB에 통합된다. 앞서 설명한 바와 같이 이렇게 CB에 통합된 전압은 부하(RL)에 전달되어 리플을 발생시키게 되는데, 다음의 구성이 이러한 리플을 저감시킨다.Now, these alternately charged voltages are integrated into the CB. As described above, the voltage integrated in the CB is transferred to the load RL to generate a ripple. The following configuration reduces the ripple.

선형 모드 레귤레이터(30)는 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 이상의 과정을 통해 전압이 충전된 커패시터(C1, C2, CB)로부터 발생하는 리플을 제거한다. 이를 위해 도 1의 실시예에서는 스위치드 커패시터의 출력단에 선형 모드 레귤레이터(30)를 전기적으로 연결함으로써 이러한 선형 모드 레귤레이터의 반도체 소자가 선형 영역에서 구동되도록 반도체 소자의 베이스 전류를 조절한다. 보다 구체적으로, 선형 모드 레귤레이터(30)는 커패시터로부터 발생하는 리플을 반도체 소자의 선형 영역에서 열로 변환함으로써 출력 전압의 리플을 저감시킨다.The linear mode regulator 30 removes ripple generated from the capacitors C1, C2, and CB charged with the above process by adjusting the base current of the semiconductor device. To this end, in the embodiment of FIG. 1, the base current of the semiconductor device is adjusted such that the semiconductor device of the linear mode regulator is driven in the linear region by electrically connecting the linear mode regulator 30 to the output terminal of the switched capacitor. More specifically, the linear mode regulator 30 reduces the ripple of the output voltage by converting the ripple generated from the capacitor into heat in the linear region of the semiconductor device.

여기서, 반도체 소자는 트랜지스터(transistor, TR), 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT) 중 적어도 어느 하나가 될 수 있으며, 상기된 실시예 이외에도 그 특성 및 본질이 동일, 유사한 물리적인 소자를 사용하는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 소자로 대체 가능할 것이다.The semiconductor device may be at least one of a transistor (TR), a field effect transistor (FET), and an insulated gate bipolar transistor (IGBT). As long as the physical properties of the same and similar physical elements are used, it will be possible to substitute a suitable device by one of ordinary skill in the art.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 장치에서 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 드롭-다운 드라이버(drop-down driver)(20)를 도시한 회로도로서, 선형 모드 레귤레이터를 구동시키기 위한 수단으로 예시된 것이다.3 is a circuit diagram illustrating a drop-down driver 20 for controlling a semiconductor switch of a linear mode regulator in a power conversion apparatus using a linear mode regulator according to an embodiment of the present invention. Illustrated as a means for driving the regulator.

이러한 드롭-다운 드라이버(20)는 스위치드 커패시터 회로로부터 출력되는 전압(드롭-다운 드라이버에 대한 입력 전압이 된다.)을 복수 개의 저항들을 통해 분압된 전위들을 비교함으로써 미리 설정되어 있는 출력 전압 레벨만큼 다운시켜 출력할 수 있도록 제어 신호를 생성한다. 보다 구체적으로, 드롭-다운 드라이버(20)는 출력 전압과 기준(reference) 전압을 가산하는 가산기(21) 및 출력 전압을 설정하기 위해 상기 가산된 전압을 입력 전압과 비교하는 비교기(22)를 포함한다. 즉, 드롭-다운 드라이버(20)는 가산기(21)를 통해 출력 전압을 피드백(feedback) 받아 미리 설정되어 있는 기준 전압(Vds)을 가산하고, 이렇게 가산된 전압을 비교기(22)를 통해 입력 전압과 비교하며, 비교 결과에 따라 반도체 스위치를 제어하는 스위칭 제어 신호를 출력하게 된다. 이렇게 생성된 스위칭 제어 신호에 따라 베이스 전류를 제어함으로써 선형 모드 레귤레이터가 커패시터 컨버터에서 발생한 리플을 제거할 수 있다.This drop-down driver 20 downs the voltage output from the switched capacitor circuit (which becomes the input voltage for the drop-down driver) by a predetermined output voltage level by comparing the potentials divided by the plurality of resistors. To generate a control signal for output. More specifically, the drop-down driver 20 includes an adder 21 for adding an output voltage and a reference voltage and a comparator 22 for comparing the added voltage with an input voltage to set an output voltage. do. That is, the drop-down driver 20 receives the output voltage through the adder 21 and adds the preset reference voltage Vds, and adds the added voltage through the comparator 22 to the input voltage. And a switching control signal for controlling the semiconductor switch according to the comparison result. By controlling the base current according to the generated switching control signal, the linear mode regulator can eliminate the ripple generated by the capacitor converter.

상기된 본 발명의 실시예에 의하면, 선형 모드 레귤레이터를 이용하여 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 인덕터 없이도 스위치드 커패시터 컨버터의 충전된 커패시터로부터 발생하는 출력 전압 리플을 제거할 수 있다.According to the above-described embodiment of the present invention, the output voltage ripple generated from the charged capacitor of the switched capacitor converter without the inductor can be eliminated by adjusting the base current of the semiconductor device using the linear mode regulator.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 장치에 펄스 주파수 변조부 및 펄스 폭 변조부가 추가된 장치를 도시한 회로도로서, 스위치드 커패시터 컨버터(10), 드롭-다운 드라이버(20), 선형 모드 레귤레이터(30), 펄스 주파수 변조부(41) 및 펄스 폭 변조부(42)를 포함한다. 물론, 스위치드 커패시터 컨버터(10)와 선형 모드 레귤레이터(30)의 연결 경로에 펄스 주파수 변조부(41) 및 펄스 폭 변조부(42)로부터의 신호를 전달할 수 있는 광 커플러(optical coupler)(50)가 포함될 수 있음을 당연하다.4 is a circuit diagram illustrating an apparatus in which a pulse frequency modulator and a pulse width modulator are added to a power converter using a linear mode regulator according to another embodiment of the present invention. 20), a linear mode regulator 30, a pulse frequency modulator 41 and a pulse width modulator 42. Of course, an optical coupler 50 capable of transferring signals from the pulse frequency modulator 41 and the pulse width modulator 42 to the connection path of the switched capacitor converter 10 and the linear mode regulator 30. Of course it can be included.

도 4는 이상에서 제안한 스위치드 커패시터 컨버터(10)를 통한 리플 제거 이외에 또 다른 목적인 과도 전류의 효과적인 억제 방법을 제안하고 있다. 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 스위치드 커패시터 컨버터 구조의 전력 변환 장치에서는 초기 기동시 과도한 돌입 전류(in-rush current)가 발생하는 문제점이 존재한다. 이를 해결하기 위해 도 4의 실시예에서는 2가지 펄스 변조 수단인 펄스 주파수 변조부(41) 및 펄스 폭 변조부(42)의 활용을 제안하고 있다. 이하에서 각각의 구성 요소를 순서대로 설명한다.4 proposes an effective suppression method of the transient current which is another object in addition to the ripple cancellation through the switched capacitor converter 10 proposed above. In the power conversion device of the switched capacitor converter structure adopted by the embodiments of the present invention there is a problem that excessive in-rush current occurs during initial startup. In order to solve this problem, the embodiment of FIG. 4 proposes the use of two pulse modulation means, the pulse frequency modulator 41 and the pulse width modulator 42. Hereinafter, each component will be described in order.

이상에서 소개한 바와 같이 스위치드 커패시터 컨버터(10)는 복수 개의 스위치를 통해 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하고, 스위치 변경에 따라 전압을 충전한다. 또한, 선형 모드 레귤레이터(30)는 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플을 제거한다.As introduced above, the switched capacitor converter 10 applies a voltage to each of the plurality of capacitors by alternately changing the signal path through the plurality of switches, and charges the voltage according to the change of the switch. In addition, the linear mode regulator 30 removes ripples generated from the voltage-charged capacitor by adjusting the base current of the semiconductor device.

펄스 주파수 변조부(pulse frequency modulation, PFM)(41)는 펄스의 주파수를 변경함으로써 초기 과도 전류를 제어할 수 있는데, 펄스의 폭을 변경하는 펄스 폭 변조부(42)에 비해 상대적으로 피크를 낮추는 효과가 있다. 이러한, 펄스 주파수 변조부(42)는 전력 변환 장치의 초기 기동시 듀티비(duty ratio)를 최소로 설정한 후 주파수를 증가시킴으로써 초기 과도 전류를 제어하는데 큰 효과가 있다.Pulse frequency modulation (PFM) 41 can control the initial transient current by changing the frequency of the pulse, which lowers the peak relative to the pulse width modulator 42 that changes the width of the pulse. It works. The pulse frequency modulator 42 has a great effect in controlling the initial transient current by increasing the frequency after setting the duty ratio to the minimum at the initial startup of the power converter.

그러나, 이러한 펄스 주파수 변조부(41)만을 통해 과도 전류를 억제할 경우 전류의 안정화 이후, 주파수 변동에 의해 출력단에 노이즈가 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 주파수 변동에 의한 노이즈 발생 문제를 해결하고자 추가적으로 펄스 폭 변조부(42)를 활용하는 것이 바람직하다. 즉, 펄스 폭 변조부(pulse width modulation, PWM)(420)는 펄스의 폭을 변경함으로써 전압의 미소 변화를 제어하고, 안정된 출력 전압을 부하에 공급하는 역할을 수행한다.However, when the transient current is suppressed through only the pulse frequency modulator 41, after the stabilization of the current, noise may increase in the output terminal due to frequency variation. Therefore, it is preferable to further utilize the pulse width modulator 42 to solve the noise generation problem caused by the frequency variation. That is, the pulse width modulation unit (PWM) 420 controls the minute change of the voltage by changing the width of the pulse, and serves to supply a stable output voltage to the load.

요약하건대, 이상의 펄스 변조 수단들(41, 42)은 전력 변환 장치의 초기 기동시에는 펄스 주파수 변조부(41)를 활용하여 과도 전류를 제어하고, 전력 변환 장치가 정상 상태에 진입하면 펄스 폭 변조부(42)를 활용하여 부하의 변동으로 인한 전압의 미소 변화를 제어하는 것이 바람직하다.In summary, the above pulse modulation means 41 and 42 utilize the pulse frequency modulator 41 to control the transient current during the initial startup of the power converter, and pulse width modulation when the power converter enters a steady state. It is preferable to use the section 42 to control the minute change in voltage due to the change in the load.

상기된 본 발명의 실시예에 따르면, 펄스 주파수 변조 및 펄스 폭 변조를 활용함으로써 전력 변환 장치의 초기 과도 상태에서 입력되는 과도 전류를 제한함과 동시에 부하 변동에 따른 미소 출력 전압을 제어할 수 있다.According to the above-described embodiment of the present invention, by using pulse frequency modulation and pulse width modulation, it is possible to limit the transient current input in the initial transient state of the power converter and to control the micro output voltage according to the load variation.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 모드 레귤레이터를 이용한 전력 변환 방법을 도시한 흐름도로서, 각각의 단계들은 앞서 도 1 내지 도 3을 통해 설명한 전력 변환 장치의 각 구성에 대응하는 바, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다. FIG. 5 is a flowchart illustrating a power conversion method using a linear mode regulator according to an embodiment of the present invention, wherein each step corresponds to each component of the power conversion apparatus described above with reference to FIGS. 1 to 3. Detailed description will be omitted.

510 단계에서 복수 개의 스위치를 통해 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가한다. 이어서, 530 단계에서는 510 단계를 통한 스위치 변경에 따라 복수 개의 커패시터에 전압을 충전한다.In operation 510, a voltage is applied to each of the plurality of capacitors by alternately changing the signal path through the plurality of switches. Subsequently, in step 530, the plurality of capacitors are charged with voltage according to the switch change in step 510.

540 단계에서는 선형 모드 레귤레이터를 통해 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플을 제거한다. 여기서, 리플을 제거하는 단계는 커패시터로부터 발생하는 리플을 반도체 소자의 선형 영역에서 열로 변환함으로써 출력 전압의 리플을 저감한다.In step 540, the base current of the semiconductor device is adjusted through the linear mode regulator to remove ripples generated from the capacitor with the voltage charged thereon. Here, the removing of the ripple reduces the ripple of the output voltage by converting the ripple generated from the capacitor into heat in the linear region of the semiconductor device.

한편, 도 5의 전력 변환 방법은 드롭-다운 드라이버를 통해 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 이러한 반도체 스위치를 제어하는 단계는, 가산기를 통해 출력 전압과 기준 전압을 가산하고, 비교기를 통해 상기 가산된 전압을 입력 전압과 비교함으로써 출력 전압을 설정할 수 있다.Meanwhile, the power conversion method of FIG. 5 may further include controlling a semiconductor switch of the linear mode regulator through a drop-down driver. Specifically, in the controlling of the semiconductor switch, an output voltage may be set by adding an output voltage and a reference voltage through an adder and comparing the added voltage with an input voltage through a comparator.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 모드 레귤터이터를 이용한 전력 변환 방법에서 펄스 주파수 및 펄스 폭을 변경하는 과정이 추가된 방법을 도시한 흐름도로서, 각각의 단계들은 앞서 도 4를 통해 설명한 전력 변환 장치의 각 구성에 대응하는 바, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of changing a pulse frequency and a pulse width in a power conversion method using a linear mode regulator according to another embodiment of the present invention. Corresponding to each configuration of the power converter described above, detailed description thereof will be omitted.

도 6에서 510 단계 및 530 단계를 통해 전력 변환 장치에 입력되는 과도한 돌인 전류를 제어하는 추가적인 단계들(541, 542)을 포함한다. 즉, 541 단계에서는 펄스의 주파수를 변경함으로써 과도 전류를 제어하고, 542 단계에서는 펄스의 폭을 변경함으로써 전압의 미소 변화를 제어하게 된다. 이 때, 과도 전류를 제어하는 541 단계는 전력 변환 장치의 초기 기동시 듀티비를 최소로 설정한 후 주파수를 증가시킴으로써 초기 과도 전류를 제어하는 것이 가능하다.In FIG. 6, additional steps 541 and 542 of controlling excessive current of the inrush current input to the power conversion device are included through steps 510 and 530. That is, in step 541, the transient current is controlled by changing the frequency of the pulse, and in step 542, the minute change in voltage is controlled by changing the width of the pulse. At this time, in step 541 of controlling the transient current, it is possible to control the initial transient current by increasing the frequency after setting the duty ratio to the minimum at the initial startup of the power converter.

나아가, 앞서 도 4를 통해 설명한 바와 같이 이러한 과도 전류를 제어하는 단계는 전력 변환 장치의 초기 기동시에 펄스의 주파수를 변경함으로써 초기 과도 전류를 제어하고, 전압의 미소 변화를 제어하는 단계는 전력 변환 장치가 정상 상태에 진입한 경우 펄스의 폭을 변경함으로써 부하의 변동으로 인한 전압의 미소 변화를 제어하는 것이 바람직하다.Furthermore, as described above with reference to FIG. 4, the controlling of the transient current may include controlling the initial transient by changing the frequency of the pulse at the initial startup of the power converter, and controlling the minute change in voltage. When it enters the steady state, it is desirable to control the small change in voltage due to the variation of the load by changing the width of the pulse.

이상에서 제시된 본 발명의 실시예들에 의하면, 선형 모드 레귤레이터를 이용하여 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 인덕터 없이도 스위치드 커패시터 컨버터의 충전된 커패시터로부터 발생하는 출력 전압 리플을 제거할 수 있는 한편, 펄스 주파수 변조 및 펄스 폭 변조를 활용함으로써 전력 변환 장치의 초기 과도 상태에서 입력되는 과도 전류를 제한함과 동시에 부하 변동에 따른 미소 출력 전압을 제어할 수 있다.According to the embodiments of the present invention presented above, by adjusting the base current of the semiconductor device using a linear mode regulator, it is possible to eliminate the output voltage ripple generated from the charged capacitor of the switched capacitor converter without the inductor, while the pulse frequency By utilizing modulation and pulse width modulation, it is possible to limit the transient current input in the initial transient state of the power converter and to control the micro output voltage according to the load variation.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to various embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

10 : 스위치드 커패시터 컨버터
20 : 드롭-다운 드라이버
21 : 가산기 22 : 비교기
30 : 선형 모드 레귤레이터
41 : 펄스 주파수 변조부 42 : 펄스 폭 변조부
50 : 광 커플러10: switched capacitor converter
20: drop-down driver
21: Adder 22: Comparator
30: linear mode regulator
41: pulse frequency modulator 42: pulse width modulator
50: optocoupler

Claims (15)

번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하는 복수 개의 스위치;
상기 스위치 변경에 따라 번갈아가며 전압을 충전하는 복수 개의 커패시터; 및
반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 상기 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플(ripple)을 제거하는 선형 모드 레귤레이터(linear mode regulator)를 포함하는 전력 변환 장치.A plurality of switches for applying a voltage to each of the plurality of capacitors by alternatingly changing the signal path;
A plurality of capacitors alternately charging voltage in accordance with the switch change; And
And a linear mode regulator which removes ripple generated from the voltage-charged capacitor by adjusting a base current of a semiconductor device. 제 1 항에 있어서,
상기 선형 모드 레귤레이터는,
상기 커패시터로부터 발생하는 리플을 상기 반도체 소자의 선형 영역에서 열로 변환함으로써 출력 전압의 리플을 저감하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method of claim 1,
The linear mode regulator,
And converting the ripple generated from the capacitor into heat in the linear region of the semiconductor device to reduce the ripple of the output voltage. 제 1 항에 있어서,
상기 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 드롭-다운 드라이버(drop-down driver)를 더 포함하는 전력 변환 장치.The method of claim 1,
And a drop-down driver to control the semiconductor switch of the linear mode regulator. 제 3 항에 있어서,
상기 드롭-다운 드라이버는,
출력 전압과 기준(reference) 전압을 가산하는 가산기; 및
출력 전압을 설정하기 위해 상기 가산된 전압을 입력 전압과 비교하는 비교기를 포함하고,
상기 베이스 전류를 제어함으로써 상기 선형 모드 레귤레이터가 상기 리플을 제거하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method of claim 3, wherein
The drop-down driver,
An adder for adding an output voltage and a reference voltage; And
A comparator for comparing the added voltage with an input voltage to set an output voltage,
And the linear mode regulator eliminates the ripple by controlling the base current. 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 소자는 트랜지스터(transistor, TR), 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method of claim 1,
The semiconductor device is at least one of a transistor (TR), a field effect transistor (FET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT). 복수 개의 스위치를 통해 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하고, 상기 스위치 변경에 따라 번갈아가며 전압을 충전하는 스위치드 커패시터 컨버터;
반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 상기 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플을 제거하는 선형 모드 레귤레이터;
펄스의 주파수를 변경함으로써 초기 과도 전류를 제어하는 펄스 주파수 변조부; 및
펄스의 폭을 변경함으로써 전압의 미소 변화를 제어하는 펄스 폭 변조부를 포함하는 전력 변환 장치.A switched capacitor converter for applying a voltage to each of the plurality of capacitors by alternating a signal path through a plurality of switches, and alternately charging the voltage according to the switch change;
A linear mode regulator for removing ripples generated by the voltage-charged capacitor by adjusting a base current of a semiconductor device;
A pulse frequency modulator for controlling an initial transient current by changing a frequency of a pulse; And
And a pulse width modulator for controlling a minute change in voltage by changing the width of the pulse. 제 6 항에 있어서,
상기 전력 변환 장치의 초기 기동시에는 상기 펄스 주파수 변조부를 통해 과도 전류를 제어하고,
상기 전력 변환 장치가 정상 상태에 진입하면 상기 펄스 폭 변조부를 통해 부하의 변동으로 인한 전압의 미소 변화를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method according to claim 6,
At the initial startup of the power converter, a transient current is controlled through the pulse frequency modulator.
And when the power converter enters a steady state, controls a minute change in voltage due to a change in load through the pulse width modulator. 제 6 항에 있어서,
상기 펄스 주파수 변조부는 상기 전력 변환 장치의 초기 기동시 듀티비(duty ratio)를 최소로 설정한 후 주파수를 증가시킴으로써 초기 과도 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.The method according to claim 6,
And the pulse frequency modulator controls an initial transient current by increasing a frequency after setting a minimum duty ratio at initial startup of the power converter. 복수 개의 스위치를 통해 번갈아가며 신호 경로를 변경함으로써 복수 개의 커패시터 각각에 전압을 인가하는 단계;
상기 스위치 변경에 따라 번갈아가며 복수 개의 커패시터에 전압을 충전하는 단계; 및
선형 모드 레귤레이터를 통해 반도체 소자의 베이스 전류를 조절함으로써 상기 전압이 충전된 커패시터로부터 발생하는 리플을 제거하는 단계를 포함하는 전력 변환 방법.Applying a voltage to each of the plurality of capacitors by alternating the signal path through the plurality of switches;
Alternately charging a plurality of capacitors according to the switch change; And
Removing ripple from the voltage charged capacitor by adjusting a base current of a semiconductor device through a linear mode regulator. 제 9 항에 있어서,
상기 리플을 제거하는 단계는,
상기 커패시터로부터 발생하는 리플을 상기 반도체 소자의 선형 영역에서 열로 변환함으로써 출력 전압의 리플을 저감하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.The method of claim 9,
Removing the ripple,
And converting the ripple generated from the capacitor into heat in the linear region of the semiconductor device to reduce the ripple of the output voltage. 제 9 항에 있어서,
드롭-다운 드라이버를 통해 상기 선형 모드 레귤레이터의 반도체 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는 전력 변환 방법.The method of claim 9,
Controlling the semiconductor switch of the linear mode regulator via a drop-down driver. 제 11 항에 있어서,
상기 반도체 스위치를 제어하는 단계는,
가산기를 통해 출력 전압과 기준 전압을 가산하는 단계; 및
비교기를 통해 상기 가산된 전압을 입력 전압과 비교함으로써 출력 전압을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.The method of claim 11,
Controlling the semiconductor switch,
Adding an output voltage and a reference voltage through an adder; And
And setting an output voltage by comparing the added voltage with an input voltage through a comparator. 제 9 항에 있어서,
펄스의 주파수를 변경함으로써 과도 전류를 제어하는 단계; 및
펄스의 폭을 변경함으로써 전압의 미소 변화를 제어하는 단계를 더 포함하는 전력 변환 방법.The method of claim 9,
Controlling the transient current by changing the frequency of the pulses; And
Controlling the small change in voltage by changing the width of the pulse. 제 13 항에 있어서,
상기 과도 전류를 제어하는 단계는 전력 변환 장치의 초기 기동시에 상기 펄스의 주파수를 변경함으로써 초기 과도 전류를 제어하고,
상기 전압의 미소 변화를 제어하는 단계는 상기 전력 변환 장치가 정상 상태에 진입한 경우 상기 펄스의 폭을 변경함으로써 부하의 변동으로 인한 전압의 미소 변화를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.The method of claim 13,
The controlling of the transient current may include controlling an initial transient current by changing a frequency of the pulse at an initial startup of a power converter.
The controlling of the small change in voltage may include controlling a small change in voltage due to a change in load by changing the width of the pulse when the power converter enters a normal state. 제 13 항에 있어서,
상기 과도 전류를 제어하는 단계는 전력 변환 장치의 초기 기동시 듀티비를 최소로 설정한 후 주파수를 증가시킴으로써 초기 과도 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.The method of claim 13,
The controlling of the transient current may include controlling the initial transient by increasing the frequency after setting a minimum duty ratio at the initial startup of the power converter.
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