KR20230098137A - 소프트-스위칭 전류원 컨버터 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 예시적인 실시예는 소프트-스위칭 전류원 컨버터와 함께 사용하기 위한 공진 모듈 및 감지 회로를 제공한다. 상기 공진 모듈은 공진 스위치, 공진 인덕터 및 공진 커패시터를 포함한다. 상기 공진 인덕터는 상기 공진 스위치와 전기적으로 직렬로 연결된다. 상기 공진 커패시터는 직렬로 연결된 공진 스위치 및 공진 커패시터와 병렬로 연결된다. 상기 공진 모듈은 제1 및 제2 감지 회로를 더 포함한다. 상기 제1 감지 회로는 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수일 때를 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 제2 감지 회로는 공진 커패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같을 때를 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 8월 20일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 63/068,280호의 이익을 주장하며, 이 출원은 전체적으로 하기에 제시되는 것처럼 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명의 다양한 실시예는 일반적으로 소프트-스위칭 전류원 컨버터를 위한 공진 모듈 및 감지 회로와 상기 컨버터의 공진 탱크를 제어하는 방법에 관한 것이다.
고주파 절연이 있거나 없는 소프트-스위칭 컨버터는 수년 동안 표준 하드-스위칭 전력 전자 장치에 대한 유망한 대안이었다. 이들의 응용 분야는 가전 제품에서 고전력 변환 및 대용량 전력 시스템에 이르기까지 다양하다. 이러한 컨버터는 일반적으로 직류(DC), 단상 또는 다상 교류(AC) 소스와 부하를 연결하고 기존의 하드-스위칭 카운터파트보다 더 높은 스위칭 주파수 및/또는 더 높은 효율로 에너지 변환을 수행한다. 이러한 매력적인 기능에도 불구하고 공진형 컨버터의 채택은 지금까지 토폴로지 복잡성, 제어 오버헤드 및 제한된 범위의 소프트 스위칭 작동으로 인해 제한되었다.
2개의 신규한 소프트-스위칭 컨버터인 소프트-스위칭 반도체 변압기(S4T)는 미국 특허 번호 10,491,098 및 PCT 공개 번호 WO2020/023471에 개시되어 있으며, 아래에 완전히 설명된 것처럼 전체 내용이 참조로 포함되어 있고, 그리고 소프트-스위칭 전류원 인버터(SSCSI)는 PCT 공개 번호 WO2021/041465]에 개시되어 있고, 아래에 완전히 설명된 것처럼 전체 내용이 참조로 포함되어 있는데, 패러다임을 바꾸고 제어 및 전력 변환 단계에서 복잡성을 추가하지 않고 광범위한 애플리케이션에 소프트 스위칭의 이점을 제공할 것으로 유망하다. 두 컨버터 제품군은 표준 펄스 폭 변조 제어 및 기술을 적용하여 주 전원 장치를 구동하는 공진 전환 컨버터이며 컨버터의 스위칭 상태 정류 중에 삽입된 고유한 공진 전환 상태를 통해 소프트 스위칭 작동이 실현된다. 작동 및 제어 원리가 근본적으로 다르지만 고주파 절연이 있는 3상 대 3상 구성에서 도 1의 S4T 및 전기차 구동계 구성에서 도 2에 도시된 SSCSI 모두 최소한의 공진 탱크 회로를 사용하여 공진 전환을 달성하고 모든 주 전원 장치에 대한 제로 전압 스위칭(ZVS) 작동을 활성화한다. 공진 인덕터 L r , 공진 커패시터 C r 및 역-차단 보조 공진 스위치 S r 로 구성된 이 공진 회로는 기본적으로 컨버터 DC 링크의 상태에서 공진 전이(resonant transition) 및 공진 페이즈(resonance phase)를 분리하고, 공진 시퀀스의 제어에 추가적인 자유도를 제공한다. 보조 스위치의 적절한 게이팅을 통해 컨버터 부하 수준과 입력/출력의 전체 전압, 전류 및 전력 범위에 관계없이 소프트-스위칭 작동을 보장할 수 있다.
그러나 공진 탱크의 매우 빠른 역학으로 인해 이 보조 스위치의 정확하고 정밀한 제어와 공진 시퀀스의 적절한 타이밍은 사용 가능한 감지 수량, 기존 센서 기술 및 기존 제어 접근 방식으로 어렵고 비용이 많이 드는 것으로 입증되었다. 필요한 게이팅 및 타이밍 정보가 고정되거나 복잡하고 종종 비실시간 계산을 희생하여 컨버터 작동 상태에서 추정되는 개방 루프 또는 반 폐-루프 형식이 지금까지 사용되었다. 이로 인해 컨버터 과도 현상 또는 결함 시 허용할 수 없는 장치 전압 스트레스가 발생하고, 특히 모터 드라이브 애플리케이션 또는 서로 다른 전압 및 주파수에서 작동하는 많은 수의 소스 및 부하를 연결하는 다중-포트(multi-port) 컨버터와 같이 소스 및 부하 전압의 광범위한 변동이 예상되는 애플리케이션의 경우 정상 작동 조건에서 소프트 스위칭 작동을 방해할 수 있다.
따라서, 중요한 타이밍 정보를 추출하고 위에서 논의된 문제를 해결하는 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 공진 탱크를 제어하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.
본 발명은 소프트-스위칭 전류원 컨버터와 함께 사용하기 위한 공진 모듈 및 감지 회로 및 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 하나 이상의 공진 스위치 및 하나 이상의 브리지 스위치를 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예는 소프트-스위칭 전류원 컨버터와 함께 사용하기 위한 공진 모듈을 제공한다. 상기 공진 모듈은 공진 스위치, 공진 인덕터 및 공진 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 공진 인덕터는 공진 스위치와 전기적으로 직렬로 연결할 수 있다. 상기 공진 커패시터는 직렬로 연결된 공진 스위치 및 공진 커패시터와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 모듈은 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수(negative)일 때를 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된 제1 감지 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 공진 모듈은 상기 공진 커패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같은 때를 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된 제2 감지 회로를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기에 제1 감지 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기에 제2 감지 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 공진 스위치를 제어하도록 구성된 제어 로직 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부는 제1 및 제2 감지 신호를 수신하고 제1 및 제2 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 공진 스위치를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부는 상기 제2 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단의 전압이 상기 공진 인덕터와 상기 공진 커패시터 사이의 공진을 개시하기 위해 미리 결정된 임계값보다 작거나 같다는 것을 나타낼 때 상기 공진 스위치를 턴온하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 하나 이상의 다른 공진 모듈 사이에서 감지 신호를 수신 및 전송하도록 추가로 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 미리 결정된 임계값은 가변 값일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부 및 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기 중 적어도 하나는 제1 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 미리 결정된 임계값을 변경하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부 또는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기 중 적어도 하나는 미리 결정된 기간보다 더 긴 시간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수를 나타내는 경우 미리 결정된 임계값을 증가시키도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 공진 페이즈(resonance phase)는 제1 감지 회로가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수임을 나타내지 않는 상기 공진 시퀀스의 페이즈(phase)이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 미리 결정된 임계값을 증가시키는 단계는 상기 미리 결정된 임계값을 더 양수로 만드는 것(즉, 전압 값을 이전 값보다 크게 만드는 것)을 의미한다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부 또는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기 중 적어도 하나는 미리 결정된 기간보다 더 짧은 시간 동안 상기 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 상기 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수임을 나타내는 경우 상기 미리 결정된 임계값을 감소시키도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 미리 결정된 임계값을 감소시키는 것은 미리 결정된 임계값을 더 음수로 만드는 것(즉, 전압 값을 이전 값보다 작게 만드는 것)을 의미한다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 상기 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단의 전압의 시간 도함수가 음수를 나타내는 경우 적어도 하나의 브리지 스위치를 턴온해서 다음 활성 상태로 전환하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 미리 결정된 임계값은 고정된 값일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 감지 회로는 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 감지 회로는 옵토커플러와 직렬로 연결된 감지 저항기(resistor)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 직렬로 연결된 감지 저항기(resistor) 및 옵토커플러는 제너 다이오드와 역병렬로 연결될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 직렬로 연결된 감지 저항기(resistor) 및 옵토커플러는 추가로 바이어스 저항기(resistor)와 병렬로 연결될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 옵토커플러는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기와 인터페이스하도록 구성된 통신 링크를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 감지 회로는 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 감지 회로는 기준 커패시터, 직렬 옵토커플러 감지 회로, 직렬 감지 저항기(resistor) 및 직렬 다이오드를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 감지 회로는 상기 기준 커패시터와 병렬로 연결된 방전 회로를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방전 회로는 직렬로 연결된 제어 가능한 스위치 및 방전 저항기(resistor)를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 방전 회로를 절연하고 전력을 공급하도록 구성된 절연 DC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 방전 회로의 제어 가능한 스위치를 제어하고 상기 미리 결정된 임계값을 제어하기 위해 비교기 회로, 디지털 아이솔레이터 및 주파수-전압 변환 회로를 포함하는 제어 로직을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 감지 회로는 기준 전압을 제공하는 제너 다이오드, 옵토커플러 감지 회로, 직렬 감지 저항기(resistor), 직렬 다이오드 및 용량성 전압 분배기를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 감지 회로는 반대 방향의 적어도 2개의 제너 다이오드의 직렬 연결, 직렬 감지 저항기(resistor), 직렬 옵토커플러 감지 회로, 용량성 전압 분배기 및 저항성 전압 분배기를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 DC-링크를 포함할 수 있다. 상기 공진 모듈은 상기 DC 링크와 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다. 상기 DC-링크는 직렬 인덕터, 션트 인덕터 또는 션트 변압기를 포함하되 이에 제한되지 않는 다양한 DC-링크일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 상기 공진 모듈과 상기 DC-링크 사이에 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 모듈은 상기 DC-링크와 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 공진 탱크를 제어하는 방법을 제공한다. 상기 공진 탱크는 공진 스위치, 상기 공진 스위치와 전기적으로 직렬로 연결된 공진 인덕터, 상기 직렬로 연결된 공진 스위치 및 공진 커패시터와 병렬로 연결된 공진 커패시터를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수일 때를 나타내는 제1 감지 신호를 생성하는 단계; 및 상기 공진 캐패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같을 때를 나타내는 제2 감지 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 제1 감지 신호를 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기에 상기 제2 감지 신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 제어 로직 회로부에서 상기 제1 및 제2 감지 신호를 수신하는 단계; 및 상기 수신된 제1 및 제2 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제어 로직 회로부로 상기 공진 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 상기 제2 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같다는 것을 나타낼 때 상기 공진 인덕터와 공진 커패시터 사이의 공진을 개시하기 위해 상기 제어 로직 회로부로 상기 공진 스위치를 턴온하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 미리 결정된 임계값은 가변 값일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 상기 수신된 제1 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 미리 결정된 임계값을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 미리 결정된 임계값을 변경하는 단계는 상기 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 미리 결정된 기간보다 더 긴 시간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 음수임을 나타내는 경우 미리 결정된 임계값을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 각각이 제1 및 제2 감지 신호를 각각 생성하는 제1 및 제2 감지 회로를 갖는 복수의 공진 모듈을 포함할 수 있고, 본 명세서에 개시된 방법에서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 상기 제어기는 복수의 공진 모듈 중 하나 이상으로부터의 제1 및/또는 제2 감지 신호를 사용하여 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 다양한 측면을 제어할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 미리 결정된 임계값을 변경하는 단계는 미리 정해진 기간보다 짧은 기간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수임을 나타내면 미리 결정된 임계값을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제어 로직 회로부는 공진 스위치 게이트 드라이버 집적 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 미리 결정된 임계값은 고정된 값일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 적어도 부분적으로 상기 제1 감지 신호 및/또는 상기 제2 감지 신호에 기초하여 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 효율을 증가시키기 위해 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터에 의해 구현되는 스위칭 사이클의 하나 이상의 특성을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 스위칭 사이클의 하나 이상의 특성을 변경하는 단계는 상기 스위칭 사이클의 ZVS 전이 상태의 기간을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 방법은 적어도 부분적으로 상기 제1 감지 신호 및/또는 상기 제2 감지 신호에 기초하여 변조 전략의 정확도를 개선하고, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 선형성을 확장 및/또는 개선하고, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터에 의해 생성된 상기 파형의 품질 및/또는 상기 감소된 고조파 왜곡을 개선하기 위해 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터에 의해 구현되는 스위칭 사이클의 하나 이상의 타이밍 특성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 스위칭 사이클의 하나 이상의 타이밍 특성을 측정하는 단계는 상기 스위칭 사이클의 ZVS 전이 상태의 지속 시간을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 아래의 상세한 설명 및 첨부된 도면에서 설명된다. 실시예의 다른 양태 및 특징은 도면과 함께 특정의 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명을 검토할 때 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명의 특징이 특정 실시예 및 도면과 관련하여 논의될 수 있지만, 본 발명의 모든 실시예는 여기에서 논의된 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 실시예가 특정한 유리한 특징을 갖는 것으로 논의될 수 있지만, 그러한 특징 중 하나 이상이 여기서 논의된 다양한 실시예와 함께 사용될 수도 있다. 유사한 방식으로, 예시적인 실시예가 장치, 시스템 또는 방법 실시예로서 아래에서 논의될 수 있지만, 이러한 예시적인 실시예는 본 개시의 다양한 장치, 시스템 및 방법으로 구현될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 특정 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 개시내용을 설명하기 위해 특정 실시예가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 개시는 도면에 도시된 실시예의 정확한 배열 및 수단으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 고주파 절연을 갖는 소프트 스위칭 반도체 변압기(S4T)의 종래의 3상 대 3상 AC/AC 구현을 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 전형적인 전기 자동차 모터 드라이브 구성의 소프트-스위칭 전류원 인버터(SSCSI)를 제공한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공진 모듈을 제공한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 집적된 보조 스위치 게이트 드라이버와 감지 회로와 선택적 제어 로직 회로부를 갖는 공진 모듈을 제공한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 통합된 감지를 갖는 2개의 공진 모듈을 사용하여, 고주파 절연을 갖는 3상 내지 3상 AC/AC 구성에서 예시적인 S4T 구현을 제공한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 식별된 주요 동작 모드와 함께 DC-링크 전압(v Lm ) 및 전류(i m )를 보여주는 3상 AC/AC 구성에서의 S4T 스위칭 사이클을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제1 감지 회로를 제공한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 인입 상태(incoming state) 게이팅 윈도우 및 회로 A 방전 신호를 갖는 공진 시퀀스 구조를 제공한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 활성 상태 인가 시간에 대한 ZVS 전이 상태의 효과 및 제1 감지 회로로부터의 제1 감지 신호를 사용하는 예시적인 보정 메커니즘을 도시한다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제1 감지 회로의 실험적 검증을 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 시퀀스 전후에 임의의 전압 레벨을 갖는 공진 시퀀스를 도시한다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제2 감지 회로를 제공한다.
도 13a 및 13b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제2 감지 회로를 제공한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 이용한 프리-차지(pre-charge) 제어 방법을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 회로 B의 임계 검출 전압의 제어를 통해 기준 값에 대한 t ZVSD 의 조절(regulation)을 갖는 프리-차지(pre-charge) 제어 방법의 폐-루프(closed-loop) 제어 구현을 제공한다.
도 16a-b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 3상 AC/AC S4T의 공진 시퀀스 동안 프리-차지(pre-charge) 제어 원리의 실험적 증명을 제공한다. 도 16a는 인입(incoming) 벡터의 하드-스위칭 턴 온(불완전한 공진 시퀀스)을 도시한다. 도 16b는 인입(incoming) 벡터(완전한 공명 시퀀스)의 소프트-스위칭 턴온을 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 고주파 절연을 갖는 소프트 스위칭 반도체 변압기(S4T)의 종래의 3상 대 3상 AC/AC 구현을 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 전형적인 전기 자동차 모터 드라이브 구성의 소프트-스위칭 전류원 인버터(SSCSI)를 제공한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공진 모듈을 제공한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 집적된 보조 스위치 게이트 드라이버와 감지 회로와 선택적 제어 로직 회로부를 갖는 공진 모듈을 제공한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 통합된 감지를 갖는 2개의 공진 모듈을 사용하여, 고주파 절연을 갖는 3상 내지 3상 AC/AC 구성에서 예시적인 S4T 구현을 제공한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 식별된 주요 동작 모드와 함께 DC-링크 전압(v Lm ) 및 전류(i m )를 보여주는 3상 AC/AC 구성에서의 S4T 스위칭 사이클을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제1 감지 회로를 제공한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 인입 상태(incoming state) 게이팅 윈도우 및 회로 A 방전 신호를 갖는 공진 시퀀스 구조를 제공한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 활성 상태 인가 시간에 대한 ZVS 전이 상태의 효과 및 제1 감지 회로로부터의 제1 감지 신호를 사용하는 예시적인 보정 메커니즘을 도시한다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제1 감지 회로의 실험적 검증을 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 시퀀스 전후에 임의의 전압 레벨을 갖는 공진 시퀀스를 도시한다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제2 감지 회로를 제공한다.
도 13a 및 13b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제2 감지 회로를 제공한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 이용한 프리-차지(pre-charge) 제어 방법을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 회로 B의 임계 검출 전압의 제어를 통해 기준 값에 대한 t ZVSD 의 조절(regulation)을 갖는 프리-차지(pre-charge) 제어 방법의 폐-루프(closed-loop) 제어 구현을 제공한다.
도 16a-b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 3상 AC/AC S4T의 공진 시퀀스 동안 프리-차지(pre-charge) 제어 원리의 실험적 증명을 제공한다. 도 16a는 인입(incoming) 벡터의 하드-스위칭 턴 온(불완전한 공진 시퀀스)을 도시한다. 도 16b는 인입(incoming) 벡터(완전한 공명 시퀀스)의 소프트-스위칭 턴온을 도시한다.
본 발명의 원리 및 특징의 이해를 용이하게 하기 위해, 다양한 예시적인 실시예가 이하에 설명된다. 본 명세서에 개시된 실시예의 다양한 요소를 구성하는 것으로서 이하에 설명되는 구성요소, 단계 및 재료는 예시적인 것으로 의도되며 제한적이지 않다. 본 명세서에 기술된 구성요소, 단계 및 재료와 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 많은 적합한 구성요소, 단계 및 재료는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 여기에 설명되지 않은 그러한 다른 구성요소, 단계 및 재료는 여기에 개시된 실시예의 개발 후에 개발된 유사한 구성요소 또는 단계를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
고유한 제어 방법을 통해 이전에 소개된 S4T 및 SSCSI 컨버터를 포함하되 이에 제한되지 않는 소프트-스위칭 전류원 컨버터에서 상기 공진 탱크의 상기 보조 공진 스위치와 상기 공진 시퀀스 타이밍의 간단하고 안정적인 서브-스위칭 사이클 제어를 가능하게 하는 공진 탱크 회로와 2개의 새로운 감지 회로를 통합한 콤팩트하고 저비용의 독립형 공진 모듈이 여기에 개시된다. 상기 공진 모듈 내에서, 이들 2개의 감지 회로 -제1 감지 회로(본 명세서에서 때때로 "회로 A"라고 함) 및 제2 감지 회로(본 명세서에서 때때로 "회로 B"라고 함)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 공진 탱크 회로와 직접 인터페이스할 수 있고, 상기 공진 회로의 상태를 모니터링하여 이러한 기간의 진정한 폐-루프 제어를 위해 상기 공진 시퀀스 중에 사용되는 중요한 타이밍 정보를 제공할 수 있다. 상기 감지 회로는 상기 공진 회로의 빠른 다이내믹을 정확하게 추적하기 위해 낮은 전파 지연 및 고대역폭으로 여기에 설명된 고유한 서브-스위칭 사이클 제어 방법에 필요한 최소량의 정보를 감지하도록 특별히 설계될 수 있다. 이것은 또한 현재 사용 가능한 동급 최강의 센서보다 전파 지연이 더 낮고 기존 감지 기술 비용의 일부로 달성할 수 있다.
아래에서 설명하는 상기 공진 모듈, 감지 회로 및 기술은 정상 및 과도 조건 모두에서 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 안전하고 안정적인 소프트-스위칭 작동을 보장하는 간단하고 비용 효율적이며 강력한 솔루션을 제공할 수 있다. 상기 전압 스트레스 수준은 큰 과도 현상 및 컨버터 오류를 포함하여 서브-스위칭 사이클 기준으로 제어할 수 있으며 공진 탱크 손실을 최소화할 수 있다. 또한 회로 A의 정보는 특히 경부하 조건에서 컨버터 파형 품질을 개선하는 데 사용할 수도 있다. 이러한 감지 회로 및 기술은 다중 스위칭 사이클 레벨에서 컨버터 제어에 사용되는 상위 레벨 변조 전략에 독립적일 수 있고 작동 구현에 사용되는 공진 탱크 회로의 수에 관계없이 독립형 공진 모듈을 형성하기 위해 S4T 및 SSCSI 컨버터의 모든 변형에 적용할 수 있다.
상기 구현을 더욱 단순화하고 훨씬 더 큰 통합을 선호하기 위해, 상기 공진 모듈의 상기 제안된 감지 회로 및 개시된 제어 방법의 일부를 실현하는 일부 레벨의 로직 회로부는 상기 공진 회로의 보조 스위치의 상기 게이트 드라이버와 직접 통합될 수 있다(본 명세에서는 "공진 스위치"라고 함). 일부 실시예에서, 상기 공진 스위치는 역-차단 스위치일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "역-차단 스위치"라는 용어는 한 방향으로 전류를 전도하고 양방향으로 전압을 차단하는 스위치 또는 스위치 어셈블리를 말한다. 상기 공진 회로의 보조 스위치의 상기 게이트 드라이버와 통합하면 DC/DC 전원 공급 장치 절연과 같은 회로 간에 일부 공통 회로 기능을 공유할 수도 있다. 또한 상기 선택적 제어 로직 회로부는 제어 지연이 가장 낮은 상기 공진 모듈의 반자율 작동을 위해 보조 스위치 수준에서 직접 아래에서 설명하는 고속 작동 서브-스위칭 사이클 제어 방법을 실현할 수 있다. 이러한 통합 공진 모듈 구성의 예시적인 구현이 도 4에 도시되어 있다.
애플리케이션 및 토폴로지 변형에 따라, 본 명세서에 개시된 바와 같은 상기 감지 회로 및 선택적인 제어 로직 회로부로 보강된 공진 탱크 회로로 구성된 다수의 제안된 공진 모듈이 상기 컨버터에서 사용된다. 일부 실시예에서, 상기 공진 모듈은 제안된 서브-스위칭 사이클 제어 방법을 구현하기 위해 상기 감지 정보 및 제어 신호(들)를 송수신하기 위해 상기 컨버터의 제어기와 인터페이스할 수 있다. 또한 상기 공진 모듈 간의 선택적인 고속 통신 링크를 사용하여 빠른 과도 정보를 전송하고 결함 모드(fault mode)를 포함하여 공진 모듈 작동을 조정할 수 있다. 상기 공진 모듈 간의 이 추가 옵션 직접 통신 링크는 상기 컨버터의 제어기가 공진 모듈 간 통신을 처리하는 애플리케이션에서는 필요하지 않을 수 있다. 다수의 예시적인 공진 모듈을 사용하는 도 1에 도시된 S4T의 예시적인 구현이 도 5에 도시되어 있다. 상기 제안된 감지 회로 및 관련 제어 방법은 다음과 같다.
회로 A: 방전
모니터링
회로 및 관련 제어 방법
이하, 본 명세서에서 "회로 A"라고도 하는 제1 감지 회로 및 회로 A에 의해 생성된 제1 감지 신호를 이용한 제어 방법에 대해 설명한다.
소프트-스위칭
전류원
컨버터의 공진 커패시터 방전
모니터링
전술한 바와 같이, 제1 감지 회로(회로 A)는 상기 공진 모듈의 상기 공진 탱크 회로에서 상기 공진 커패시터 C r 의 방전을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 제1 감지 회로는 공진 커패시터 C r 양단의 전압(본 명세서에서 전압 변화율이라고도 함)의 시간 도함수가 음수인 때를 결정하도록 구성될 수 있다. S4T 및 SSCSI는 상기 공진 회로의 상기 공진 커패시터가 방전될 때 스위칭 사이클 전체에걸쳐 상기 ZVS 전이 상태 동안 전원 장치의 ZVS 턴온 및 턴오프가 발생하는 공진 전환 컨버터(resonant transition converter)다. 여기서 사용된 공진 커패시터가 방전된다는 것은 측정 시 상기 공진 커패시터를 빠져나가는 전류 'i Cr '이 양수이므로 상기 공진 커패시터에 병렬로 연결된 상기 DC-링크를 통과하는 전류가 도 3에 도시된 바와 같이 상기 공진 커패시터를 통해 적어도 부분적으로 순환할 때 양수라는 것을 의미한다. 방전되는 공진 커패시터는 여기서 "프리-차지(pre-charge)되는 커패시터"라고도 한다. 본원에서 사용된 바와 같이 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 공진 커패시터 양단의 전압 'V cr '이 측정되어 상기 공진 커패시터를 빠져나가는 전류가 여기에 설명된 바와 같이 측정될 때 또는 상기 커패시터가 방전될 때, 상기 전압이 감소(본 명세서에서 "더 음수가 됨"이라고 함) 된다. 상기 컨버터 유형(S4T 또는 SSCSI) 및 구현에 따라, 하나 또는 여러 개의 공진 회로 및 모듈을 사용하여 상기 소프트-스위칭 작동을 활성화할 수 있으며 상기 스위칭 사이클 구조는 최종 애플리케이션에 따라 달라질 수 있으나 상기 방전 모니터링은 상기 스위칭 사이클 전체에 걸쳐 상기 ZVS 전이 상태를 식별하고 정확하게 위치지정(positioning)함으로써 모든 S4T 및 SSCSI 변형에 대해 여전히 보편적으로 중요할 수 있다. 보편성의 손실 없이, 도 1에 도시된 상기 AC/AC 3상 S4T 컨버터는 다음 예에서 사용할 수 있다. 상기 ZVS 전이 상태가 강조 표시된 해당하는 일반적인 스위칭 사이클 및 관심 파형이 도 6에 나타나있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 스위칭 사이클은 이 경우 상기 DC-링크, V act1 , V act2 , V act3 및 V act4 다양한 양단의 전압을 적용하는 일련의 '활성 상태'와 전압이 0인 상기 DC-링크 전류를 바이패스하는 '프리휠링 상태' 0으로 구성된다. 상기 상태는 가장 양의 전압에서 시작하여 가장 음의 전압까지 연속적으로 적용될 수 있다. ZVS 전이 상태는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 컨버터의 상기 소프트-스위칭 동작을 가능하게 하기 위해 감소하는 전압의 임의의 2개의 인접한 상태 사이에 삽입될 수 있다. 보다 양의 전압 레벨로의 전환이 필요한 경우 공진 시퀀스를 사용하여 사이클에 삽입할 수 있다.
상기 활성 상태의 수, 순서 및 지속 시간을 결정하는 데 사용되는 더 높은 수준의 변조 프로세스에 관계없이, 활성 상태에서 다음 상태로의 전환은 무엇보다도 전환 전후의 전압 레벨과 DC-링크 전류 레벨에 따라 알 수 없는 가변 지속 시간의 ZVS 전이 상태 중에 발생할 수 있다. 유사하게, 사용된 공진 시퀀스의 수와 상기 스위칭 사이클에서의 위치 지정(positioning)에 관계없이 전체 공진 시퀀스는 다음 인입(incoming) 전압 레벨로의 ZVS 전이 단계로 완료된다. 또한 전체 공진 시퀀스 지속 시간도 알 수 없고 가변적이며 공진 전후의 상기 활성 상태 전압을 비롯한 여러 요인에 비선형적으로 의존할 수 있다.
상기 공진 시퀀스 지속 시간과 ZVS 전이 지속 시간을 추정하려는 모든 시도에는 복잡한 계산이 필요할 수 있으며, 이는 실시간으로 구현하기 어렵거나 불가능할 수 있으며 퍼지 추정(fuzzy estimate)을 산출할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 "회로 A"는 생성된 공진 커패시터 방전 모니터링 신호(즉, 제1 감지 신호(들))에 의해 표시되는 바와 같이 스위칭 사이클 전체에 걸쳐 ZVS 전이 단계를 정확하게 배치할 뿐만 아니라 지속 시간을 정확하게 측정함으로써 유용한 정보를 제공할 수 있다. 이 정보는 다음에 제시된 두 가지 서브-스위칭 사이클 제어 방법에서 사용할 수 있으며 모든 S4T 및 SSCSI 컨버터 변형에 적용할 수 있다.
회로 A의 예시적인 구현
제1 감지 회로 - "회로 A"의 예시적인 구현이 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 회로 A는 상기 공진 회로 커패시터 C r 에 병렬로 연결할 수 있으며 감지 커패시터 C sense , 감지 저항기 R sense 및 저전파 지연 옵토커플러(또는 유사한 기능을 제공하는 다른 장치/회로)를 포함한다. 제너 다이오드 D z (또는 유사한 기능을 제공하는 다른 장치/회로)도 R sense -옵토커플러 분기에 병렬로 추가되어 원하는 감도 수준을 제공하면서 과도한 감지 전류 I sense 를 바이패스하여 전류 수준 손상으로부터 옵토커플러를 보호한다. 선택적 바이어스 저항기 R sb 를 제너 다이오드와 병렬로 추가하여 애플리케이션에 따라 잡음 내성을 높일 수도 있다.
회로 A는 다음과 같이 상기 공진 회로 커패시터 C r 의 방전을 모니터링할 수 있다. C sense 및 C r 은 주 공진 전류 I res 에 대한 용량성 전류 분배기를 형성한다. 이 전류의 작은 부분인 I sense 는 다음과 같이 회로 A를 통해 흐른다:
C sense 는 I sense ≪I res , 즉 C sense 가 C r 보다 작은 자릿수가 될 수 있도록 선택되어 비용을 줄일 수 있다. 또한 회로 A를 추가해도 상기 공진 회로 및 상기 컨버터 작동에 방해가 되지 않는다.
상기 제너 다이오드 전압 V z , 상기 감지 저항기 R sense 및 상기 선택적 바이어스 저항기 R sb 는 상기 옵토커플러 픽업 전류 및 전압, 최대 작동 전류 및 전압, 최대 공진 전류 및 상기 목표 최소 방전 공진 전류가 I res_min >0로 감지됨에 따라 선택할 수 있다.
C r 이 방전되고 있음을 의미하는 I res ≥I res_ min 인 경우, I sense ≥0과 이 감지 전류의 일부가 상기 감지 저항기와 상기 옵토커플러의 다이오드를 통해 흘러 포토트랜지스터를 턴온할 수 있다. 필요한 경우 나머지 감지 전류는 제너 다이오드로 바이패스할 수 있다. 마찬가지로, C r 이 충전 중이거나 회로가 열려 있음을 나타내는 I res ≤0인 경우 I sense ≤0 및 상기 제너 다이오드는 상기 감지 전류의 무결성(integrality)을 바이패스하여 상기 포토트랜지스터를 열린 상태로 둘 수 있다. 0≤I res ≤I res_min 이면, 상기 공진 커패시터는 방전되지만 상기 공진 전류는 상기 감지 회로의 감도 이하이며 상기 포토트랜지스터는 OFF 상태이다.
상기 결과적인 포토트랜지스터 스위칭은 풀-다운(pull-down) 구조 또는 푸시-풀(push-pull) 스테이지가 통합된 옵토커플러도 사용할 수 있다는 이해와 함께 풀-업(pull-up) 저항기를 통해 제어기의 로직 레벨 V cc 로 확장될 수 있다. 따라서 회로 A는 상기 제어기 로직 레벨과 호환되는 최소 전파 지연으로 절연 신호를 생성하고 상기 공진 탱크 커패시터 C r 의 방전을 높은 충실도로 모니터링하는 저비용 솔루션을 제공할 수 있다. 상기 커패시터 C r 은 또한 상기 옵토커플러가 보는 dv/dt를 제한하여 더 저렴한 옵토커플러를 사용할 수 있도록 한다.
회로 A에 의해 생성된 상기 방전 신호는 다음에 논의되는 두 가지 새로운 서브-스위칭 사이클 제어 방법에서 사용될 수 있다.
공진 제어 방법의 목표(end)
도 8에 도시된 바와 같이, 전체 공진 시퀀스는 이 예에서 ZVS 전이 단계에서 다음 인입(incoming) 활성 상태 V act1 로 종료됩니다. 이는 상기 활성 상태에 해당하는 상기 컨버터 브리지의 스위치가 이 최종 ZVS 전이 상태 동안 상기 소프트-스위칭 동작이 발생하는 동안 언제든지 게이트 ON될 수 있음을 의미한다. 보다 구체적으로, 이 윈도우 전후의 임의의 지점에서 스위치를 턴온하면 하드-스위칭 동작이 발생하므로 도 8에 강조된 바와 같이 피해야 한다. 상기 상위 레벨 컨버터의 제어기는 일반적으로 공진 시퀀스 지속 시간과 공진 시퀀스 내의 최종 ZVS 전이 상태 포지셔닝에 대한 지식이 없다. 종래의 구현은 고정된 공진 시퀀스 지속 시간이 성공 보장 없이 허용 가능한 윈도우 내에서 상기 스위치의 게이팅 ON을 인위적으로 배치하려고 시도하는 것으로 가정되는 기회주의적 접근 방식을 사용했다. 또 다른 기존 접근 방식은 공진 시퀀스 지속 시간과 최종 ZVS 전이 상태 포지셔닝을 추정하는 것인데, 위에서 설명한 이 방법과 관련된 단점 및 불확실성 외에도 종종 실시간으로 구현하기에는 너무 집약적이고 복잡한 계산 비용을 지불해야 한다. 이 두 가지 접근 방식은 고정된 전압 변환 비율을 사용하는 애플리케이션의 정상 상태 조건에서 허용 가능한 성능을 제공할 수 있지만 과도(transient) 모드 및 넓은 입력/출력 전압 변동에서 상기 소프트-스위칭 전환을 보장할 수 없다.
본 명세서에서 "공진 제어의 목표(end)"로 지칭되는 제안된 새로운 제어 방법에서, 관심 있는 공진 모듈의 회로 A로부터의 상기 방전 신호(즉, 제1 감지 신호)는 상기 공진 시퀀스 내에서 최종 ZVS 전이 단계를 정확하게 위치시키고 상기 제어기가가 도 8에 도시된 바와 같이 인입 활성 상태에 대해 상기 컨버터 브리지의 적절한 장치를 켜도록 트리거하는 데 사용될 수 있다. 이를 통해 입력/출력 전압 편위가 넓은 애플리케이션 및 많은 수의 입력 및 출력이 있는 구현을 포함한 모든 애플리케이션 변형에 대해 정상 상태 및 과도 조건 모두에서 소프트-스위칭 작동을 위한 허용 가능한 윈도우 동안 인입(incoming) 스위치가 턴온되도록 보장할 수 있다. 이를 통해 소프트-스위칭 전류원 컨버터 클래스의 안전성과 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이 예시적인 제어 방법은 모든 S4T 및 SSCSI 구현(또는 기타 소프트-스위칭 전류원 컨버터) 및 특정 응용 프로그램에서 사용되는 여러 공진 탱크/모듈에 적용할 수 있다. 복수의 공진 모듈과 제1 감지 회로가 사용되는 경우, 회로 A 감지 회로의 결과 수에서 나오는 방전 신호(즉, 제1 감지 신호)를 조정하고 활용하여 적절한 인입 활성 상태 게이팅 윈도우를 감지하고 해당 스위치의 게이트를 ON할 수 있다.
ZVS
전이 시간 측정 방법
공진형 또는 준공진형 컨버터의 경우 S4T 및 SSCSI에서 주 전원 스위치의 정류 순간은 소프트-스위칭 기능을 가능하게 하는 공진 전환 프로세스로 인해 알 수 없다. 이는 앞서 언급한 모든 활성 상태 사이에 존재하는 ZVS 전이 상태가 있는 일반적인 S4T 스위칭 사이클에 대해 도 9에 나와 있다. 상기 컨버터의 제어기가 활성 상태의 끝에서 다음 상태로의 스위칭 상태 변경을 트리거하는 동안 상위 수준 변조 방식에 따라 새 상태의 실제 적용 시간은 두 상태 사이의 ZVS 전이 시간에 의해 감소한다. 도 9에서 활성 상태 2, Vact2의 예를 들어 상기 제어기가 목표로 하는 적용 시간에 해당하는 "가상" 적용 시간 T act2 _v, ZVS 전이 시간 t ZVS2 , 및 실제 적용 시간 T act2 는 다음과 같을 수 있다:
이러한 ZVS 전이의 총 지속 시간은 적절한 설계를 통해 총 사이클 지속 시간에 비해 낮게 유지할 수 있다. 그러나 이러한 전이는 컨버터 부하 수준이 감소함에 따라 활성 상태의 무시할 수 없는 부분에 점점 더 커질 수 있으며, 특히 경부하 조건에서 입력 및 출력에서 총 고조파 왜곡(THD)이 증가한다. 위에서 논의한 바와 같이 상기 ZVS 전이 상태 지속 시간은 알 수 없으며 서브-스위칭 사이클 기준에 따라 달라질 수 있으므로 입력 및 출력 수량에 대한 표준 폐-루프 제어가 이러한 가변성 및 관련 THD 영향을 해결하는 데 필요한 대역폭을 제공하지 못할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예에서, 적절한 회로 A 및 공진 모듈로부터의 상기 방전 신호는 활성 상태 사이의 상기 ZVS 전이 지속 시간을 설명하는 데 사용될 수 있다. 여기에서 "ZVS 전이 시간 측정"이라고 하는 이 새로운 수정(correction) 방법을 사용하면, 적절한 공진 커패시터 방전 신호(즉, 제1 감지 신호)는 ZVS 전이 상태 지속 시간을 해당 활성 상태로 "블랭크 아웃"하고 목표 값에 더 가까운 실제 적용 시간으로 이어지도록 하기 위해 제어기로 전송될 수 있다. 다시 도 9에서 활성 상태 2의 예를 들면, 회로 A의 상기 방전 신호는 t ZVS2 의 값을 제공하므로 상기 제어기는 상기 ZVS 전이 상태 지속 시간 t ZVS2 와 함께 추가된 목표 실제 적용 시간 T act2 와 같도록 상태 2 가상 지속 시간 T act2v 를 선택한다:
다시 한 번, 이 제어 방법은 사용된 상위 수준 변조 방식을 포함하여 S4T 또는 SSCSI(또는 기타) 컨버터의 작동 구현과 공진 모듈 및 관련 회로 A의 수에 독립적일 수 있다.
예시적인 방전 모니터링 회로 A 구현은 기능을 입증하기 위해 일반적인 S4T 컨버터에서 테스트되었다. 이 구현에는 2개의 회로 A 센서(브리지당 1개)와 함께 2개의 공진 모듈이 사용되었다. 결과적인 실험 파형은 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 두 회로 A 센서는 각각 I resBr1 >0 및 I resBr2 >0일 때 감지 신호 Sensor Br1 및 Sensor Br2 가 높음으로 각각 공진 커패시터의 방전을 정확하게 모니터링한다.
회로 B: 전압 임계값 감지 회로 및 관련 제어 방법
이하, 본 명세서에서 "회로 B"로 지칭되는 제2 감지 회로 및 회로 B에 의해 생성된 제2 감지 신호를 이용하는 제어 방법에 대해 설명한다.
소프트-스위칭
전류원
컨버터에서 공진 커패시터 전압 임계값 감지
상기 컨버터 및 상기 공진 시퀀스의 서브-스위칭 사이클 제어를 위해 본 명세서에 개시된 제2 감지 정보는 상기 공진 모듈의 상기 공진 탱크 회로에서 상기 공진 커패시터 C r 의 임계 전압 레벨의 검출이다.
다시 한번 일반성을 잃지 않고, 도 1에 도시된 AC/AC 3상 S4T 컨버터는 다음에서 예로 사용된다. 시퀀스 전후에 임의의 전압 레벨을 갖는 전형적인 공진 시퀀스가 도 11에 도시되어 있다.
모든 소프트-스위칭 전류원 컨버터 변형(예: S4T 또는 SSCSI)에서, 상기 공진 시퀀스는 브리지가 보다 양의 "활성 벡터" 전압 레벨로 전환될 때 사용할 수 있다. ZVS 소프트-스위칭 조건에서 이러한 전이가 발생하려면, 완전한 공진 시퀀스는 2개의 능동 벡터 사이에 삽입될 수 있으며, 제1 능동 벡터 전압은 더 음이거나 제2 "더 양의" 능동 벡터 전압보다 작다. 이것은 공진 요소 C r 과 L r 사이의 공진을 트리거하기 위해 상기 브리지의 모든 전력 장치를 턴오프하고 상기 공진 탱크의 보조 스위치(본 명세서에서 "보조 스위치" 또는 "공진 스위치"라고 함)를 게이트온함으로써 상기 공진 탱크 레벨에서 달성된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 완전한 공진 시퀀스는 상기 공진 커패시터가 방전되고 인입 활성 벡터의 상기 스위치가 게이트온되어 ZVS 턴온을 보장할 수 있는 ZVS 전이 상태로 종료된다. 이는 공진 제어 방법의 목표에서 발생하는 ZVS 전이에 대한 허용 가능한 기간을 감지하기 위해 회로 A를 사용할 수 있는 방법을 논의할 때 위에 자세히 설명되어 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 도면에서 각각 공진 시퀀스 V outgoing 및 V incoming 전후의 상기 활성 전압 레벨에 따라, 가변 지연 t dSr 로 상기 공진 탱크 S r 의 보조 스위치의 게이팅온을 적절하게 지연시켜 상기 공진 시퀀스의 시작 부분에 추가 ZVS 전이 상태를 유연하게 삽입할 수 있다. 이 추가 ZVS 전이 상태는 인입 전압 수준으로의 최종 ZVS 전이로 완전한 공진 시퀀스를 보장하기 위해 상기 공진 커패시터가 더 음의 전압 수준에 도달하도록 허용함으로써 필요한 경우 상기 공진 커패시터를 추가로 프리-차지(pre-charge)할 수 있다
유연한 지연 t dSr 가 상기 브리지 장치의 턴오프와 상기 보조 스위치의 게이팅 온 사이에 추가될 수 있는 상기 공진 탱크의 보조 스위치 게이팅의 이러한 자유는 전체 전력, 전압 및 전류 범위에서 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 소프트-스위칭 작동을 가능하게 하는 핵심 메커니즘이 될 수 있다. 상기 컨버터 동작 조건에 따라, 이 추가 ZVS 전이 상태 및 보조 스위치 지연 S r 을 통해 필요한 경우 공진 커패시터를 프리-차지할 수 있다. 본질적으로 출력(outgoing) 및 인입(incoming) 전압 레벨이 |V outgoing |<V incoming 이면 상기 보조 스위치의 게이팅 온이 지연될 수 있는 반면 |V outgoing |>V incoming 이면 지연이 필요하지 않을 수 있다. 상기 보조 스위치의 적절한 게이팅을 통한 상기 공진 시퀀스의 이러한 추가적인 자유도는 기본적으로 전압 및 전력 조건과 독립적인 컨버터의 ZVS 작동을 제공할 수 있다.
따라서 상기 보조 스위치 S r 의 게이팅은 컨버터의 적절한 작동에 중요할 수 있지만 실제 구현에서는 어려운 것으로 입증되었다. 상기 보조 스위치의 게이팅에서 고정된 t dSr 지연을 구현하면 Voutgoing이 상기 컨버터 작동 조건에 따라 변하기 때문에 가변적이고 종종 허용되지 않는 장치 전압 스트레스가 발생할 수 있으며, 그 결과 상기 공진 커패시터 및 상기 전원 스위치에 가변 최대 음 및 양의 전압 스트레스가 설정된다. 특히 전압 범위가 넓은 애플리케이션의 경우 상기 컨버터의 소프트 -스위칭 작동을 보장하는 것도 매우 어려울 수 있다. 마지막으로, 고정된 공진 커패시터 프리-차지 지속 시간 t dSr 은 종종 전원 장치에 걸쳐 큰 과전압을 생성하여 비정상 또는 오류 조건에서 컨버터 오류로 이어질 수 있다.
또 다른 종래의 접근 방식은 계산을 통해 V outgoing 및 V incoming 의 함수로 필요한 프리-차지 시간 및 지연 t dSr 를 추정하는 것이다. 그러나 상기 공진 탱크는 상위 회로이며 필요한 지연/프리-차지 시간은 탱크 패시브 요소 값, V outgoing , V incoming 및 DC-링크 전류 값을 비롯한 여러 매개변수 및 수량에 따라 비선형적으로 달라질 수 있다. 관련된 계산은 실시간으로 실행하는 것이 불가능하지는 않더라도 복잡하고 까다로울 수 있으며 계산에 사용되는 가변 수량에 대한 감지 대역폭이 제한될 수 있으므로 컨버터 과도 상태 동안 동적 성능이 제한되고 큰 과전압이 발생할 수 있다. 또한 불가피한 구성 요소 변동성과 측정 오류로 인해 큰 근사 오류가 발생하고 가짜 하드-스위칭 동작이 유발될 수 있다. 미리 계산된 t dSr 지연 값이 사용되는 조회 테이블 접근 방식(lookup table approach)과 오프라인 계산을 사용한 대체 구현이 가능할 수 있지만 테이블에 대한 입력으로 사용되는 빠르게 변하는 수량에 대한 제한된 측정 대역폭으로 인해 여전히 어려움을 겪을 수 있고 따라서 컨버터 과도 현상의 경우 과전압이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 개시된 제2 감지 회로-회로 B는 상기 공진 커패시터를 프리-차지하는 데 필요한 경우 추가된 추가 ZVS 전이 상태 동안 상기 공진 커패시터 전압의 임계 전압 레벨(이하 "제2 감지 신호"라 함)을 감지하는 데 사용되어 공진 시퀀스의 정확한 제어와 상기 보조 스위치 S r 의 게이팅을 실현한다. 상기 공진 시퀀스 동안 상기 공진 커패시터의 전체 전압 편위를 추적하는 대신, 일반적으로 1MHz를 훨씬 넘는 역학(dynamics)으로 이 전압을 정확하고 지속적으로 감지하는 것이 매우 어려워, 상기 공진 커패시터 전압이 목표 임계 전압 레벨을 교차할 때, 즉 상기 공진 캐패시터 전압이 임계 전압 레벨보다 더 음수거나 같을 때 순간의 감지만 이러한 컨버터와 제안된 제어 방법에서 사용된다. 이 최소 감지 정보는 저비용 및 저지연 감지 회로인 회로 B를 사용하는 제안된 공진 모듈과 에서 모든 S4T 및 SSCSI 컨버터 변형(및 기타 컨버터)에서 정확하게 캡쳐될 수 있다.
본 발명에 개시된 새로운 "프리-차지(pre-charge) 제어 방법"은 회로 A의 방전 신호(제1 감지 신호)와 함께 회로 B의 이 임계값 감지(제2 감지 신호)를 활용하여 필요한 경우 적절한 지연 t dSr 를 사용하여 상기 공진 모듈 내에서 그리고 상기 공진 시퀀스 동안 상기 보조 공진 스위치 S r 의 게이팅을 제어하는데 간단하고 비용 효율적이며 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공하고, 전부는 아니지만 대부분의 전원 전압 및 전류 조건에서 컨버터의 소프트-스위칭 작동을 보장할 수 있다. 아래에서 설명하는 이 제어 방법은 상기 컨버터의 안전한 작동과 전력 장치 전압 기능의 최대 활용을 위한 컨버터 과도 상태 및 결함을 포함하여 장치 전압 스트레스를 최소로 제한할 수 있다. 상기 공진 탱크의 손실도 최소화할 수 있다.
회로 B의 예시적인 구현
회로 B는 상기 공진 커패시터 전압 V cr 이 주어진 임계 전압 -V th 보다 작거나 같게 되는 순간을 최소한의 전파 지연과 고대역폭으로 감지하기 위한 간단하고 비용 효율적인 솔루션을 제공한다. 애플리케이션에 따라, 회로 B의 임계 전압 -V th 는 고정되거나 가변/제어 가능할 수 있다. 도 12는 제어 가능한 임계 전압 -V th 를 사용한 예시적인 구현을 도시한다.
도 12에 도시된 회로 B의 예시적인 구현은 상기 공진 모듈 내 상기 공진 회로의 상기 공진 커패시터에 걸쳐 직접 연결된 새로운 "감지 단계"를 사용한다. 상기 "감지 단계"는 기준 커패시터 C ref , 옵토커플러 감지 회로, 직렬 감지 저항기 R sense 및 직렬 다이오드를 포함한다. 일부 애플리케이션의 경우, 단일 다이오드의 상기 전압 차단 기능이 충분하지 않을 수 있으며 필요한 경우 적절한 밸런싱 및 RC 스너버 네트워크와 함께 여러 다이오드의 직렬 연결이 대신 사용될 수 있다. 상기 직렬 다이오드는 V Cr ≤-V th 에 대해 순방향 바이어스될 수 있으며 감지 단계를 통한 해당 전류 흐름은 상기 옵토커플러 감지 회로를 트리거할 수 있다. 이는 제어기가 V Cr ≤-V th 인 순간을 감지하는 데 사용하는 로직 신호(제2 감지 신호)를 생성할 수 있다.
상기 옵토커플러 감지 회로는 회로 A와 동일한 원리 및 설계 고려 사항을 따를 수 있다. 상기 직렬 감지 저항기 R sense 및 기준 커패시터 C ref 를 선택하여 최소 감지 지연, 충분한 V th 임계값 제어 역학(dynamics) 및 낮은 전력 손실을 보장하면서 상기 센서를 통과하는 최대 감지 전류를 제한할 수 있다. 상기 감지 회로의 박동성 작동 원리에서 발생하는 임계 전압 V th 의 전압 리플(ripple)을 최소화하기 위해 상기 기준 커패시터 C ref 에 충분한 에너지 저장이 사용될 수 있다.
기준 커패시터 C ref 에 걸쳐 "조절 단계"를 연결하여 전압 V th 를 조절하여 임계 감지 전압을 결정할 수 있다. 이 조절 단계의 예시적인 구현은 간단한 히스테리시스 제어를 사용하여 도 12에 도시된다. 제어 가능한 스위치(MOSFET 또는 IGBT)와 방전 저항기 R eg 의 직렬 연결로 구성된 방전 회로는 상기 기준 커패시터 C ref 에 걸쳐 연결된다. 상기 제어 가능한 스위치는 필요한 경우 R eg 를 통해 상기 기준 커패시터를 방전하기 위해 게이트 온된다. 상기 스위치의 전압 정격(voltage rating)은 센서로 감지할 최대 임계 전압 크기에 의해 결정될 수 있으며, 상기 방전 저항기 R eg 는 방전 전류를 제한하고 임계 전압에 적절한 제어 대역폭을 제공하도록 크기가 조정된다. 상기 활성 스위치의 "로우-사이드(low-side)" 구성을 사용하여 상기 제어 로직과 상기 기준 커패시터 사이의 추가 절연 요구 사항을 방지할 수 있다.
예시적인 임계 전압 제어 로직은 다음과 같이 동작한다. 상기 기준 커패시터 V th 의 양단 전압은 저항성 전압 분배기를 통해 감지되고 히스테리시스 구성으로 비교기에 공급된다. 상기 히스테리시스 단계의 출력 전압은 선택적으로 로직 회로부에 공급되어 외부 "활성화" 신호 "EN"을 통해 상기 기준 커패시터 전압 조절을 비활성화할 수 있는 가능성을 제공한다. 이것은 에너지를 절약하고 방전 회로의 전력정격(power rating)을 줄이기 위해 일부 응용 어플리케이션에서 사용할 수 있다. 상기 결과로 발생한 제어 신호는 상기 방전 회로의 스위치를 제어하는 게이트 드라이버에 공급된다. 상기 비교기는 또한 다음에 설명된 대로 제어기에 의해 설정된 기준 전압 
를 수신하고, 사전 정의된 오류 대역(히스테리시스 대역) 내에서 V th 를 유지하도록 상기 방전 회로부의 스위치를 트리거한다. 상기 히스테리시스 대역 및 해당 비교기 회로는 상기 방전 스위치의 조절 정확도와 최대 작동 주파수 사이의 트레이드-오프(trade-off)에서 선택할 수 있다.
도 12에 도시된 예시적인 구현의 마지막 단계는 "절연 단계"다. 이 단계는 상기 조절 회로와 상기 제어기 사이의 절연을 제공하고 전자 장치 및 게이트 드라이버의 작동에 사용되는 절연 전원을 생성한다. 이 예시적인 구현에서, 간단한 절연 DC/DC 컨버터를 통해 절연이 제공되고, 상기 제어기로부터의 제어 신호는 기존의 디지털 아이솔레이터를 사용하여 절연된다. 상기 히스테리시스 비교기 
에 공급되는 기준 전압은 충전 펌프 회로부 및 능동 필터링을 기반으로 하는 주파수-전압 변환을 사용하여 제어기 F Vth 에서 전송된 디지털 신호에서 국부적으로(locally) 생성된다. 더 까다로운 애플리케이션에서 더 고급 변환 기술을 사용할 수 있지만 이는 절연과 함께 간단하고 비용 효율적인 디지털-아날로그 변환을 제공한다.
일부 애플리케이션에서는 V th =cste인 고정 임계 전압 감지로 충분할 수 있다. 고정된 임계 전압을 갖는 회로 B의 단순화된 버전의 예시적인 구현이 도 13a에 도시되어 있다. 이 예시적인 구현에서, 상기 공진 커패시터 전압 V Cr 은 상기 공진 모듈의 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결된 용량성 전압 분배기를 통해 먼저 규모-축소(scale-down)된다. 그런 다음 이 규모-축소(scale-down)된 전압은 위에서 설명한 것과 유사한 구성으로 감지 단계에 공급된다. 이러한 고정 임계 전압 구현을 위해, 상기 기준 커패시터는 도 13에 도시된 바와 같이 제너 다이오드처럼 단순할 수 있는 고정 전압 기준으로 대체된다. 상기 센서의 작동 전압에 따라 적절한 밸런싱 네트워크 및 스너버 회로를 사용하여 여러 저전압 요소를 직렬 연결하여 상기 감지 다이오드 및 전압 기준을 실현할 수 있다. 이 단순화된 구현에서는 상기 조절 단계와 절연 단계가 사용되지 않으며 상기 센서에서 감지된 고정 임계 전압은 상기 고정 전압 기준 또는 제너 다이오드 특성의 선택과 상기 용량성 전압 분배기의 스케일링 비율(종종 전압 비율 또는 변환 비율이라고도 함)에 의해 결정된다.
고정된 임계 전압을 갖는 회로 B의 단순화된 버전의 또 다른 예시적인 구현이 도 13b에 도시되어 있다. 이 예시적인 구현에서, 상기 공진 커패시터 전압 V Cr 은 상기 공진 모듈의 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결된 용량성 전압 분배기를 통해 규모-축소(scale-down)된다. 추가 저항성 전압 분배기가 상기 용량성 전압 분배기에 병렬로 추가되고 동일한 기준 중간점에 연결되어 규모-축소(scale-down)된 전압의 정상 상태 오프셋을 완화한다. 상기 용량성 전압 분배기와 상기 저항성 전압 분배기는 모두 유사한 스케일링 비율을 갖도록 설계되었다. 그런 다음 이 규모-축소(scale-down)된 전압은 위에서 설명한 것과 유사한 구성으로 감지 단계에 공급된다. 이 고정 임계 전압 구현의 경우, 상기 기준 커패시터는 도 13b에 도시된 바와 같이 반대 방향으로 2개의 제너 다이오드를 직렬 연결하는 것처럼 간단할 수 있는 고정 전압 기준으로 대체된다. 추가 감지 다이오드가 필요하지 않다. 이 단순화된 구현에서는 상기 조절 단계와 절연 단계가 사용되지 않고 상기 센서에 의해 검출된 고정 임계 전압은 상기 고정 전압 기준 또는 제너 다이오드 특성의 선택과 상기 용량성 및 저항성 전압 분배기의 스케일링 비율에 의해 결정된다.
상기 소프트-스위칭 작동을 가능하게 하는 데 사용되는 공진 탱크의 수는 컨버터 유형(예: S4T 또는 SSCSI) 및 구성에 따라 달라질 수 있으며 공진 탱크 회로가 통합된 공진 모듈의 수에 따라 회로 B를 조정할 수 있다. 또한 스위칭 사이클당 여러 공진 시퀀스가 사용되는 응용 분야에서 공진 센서당 하나 이상의 임계 전압을 감지하는 것이 유리할 수 있다. 이는 상기 공진 모듈을 형성하기 위해 공진 회로당 여러 개의 회로 B 센서를 구현하여 달성할 수 있다. 사용된 회로 B의 실제 수에 관계없이 상기 센서의 기본 구조는 변경되지 않고 필요에 따라 간단하게 복제할 수 있다. 해당 임계치 검출 신호(들)는 모든 응용 변형에 관련될 수 있고 아래에 설명된 바와 같이 새로운 공명 시퀀스 제어 방법을 확립하기 위해 사용되고 조정될 수 있다.
프리-차지
제어 방법
공진 모듈 수준에서 "프리-차지 제어" 방법은 두 개의 새로운 감지 회로-위에서 설명한 회로 A 및 회로 B-의 데이터를 사용하여 상기 공진 탱크의 보조 스위치 S r 에 대한 적절한 게이팅을 생성할 수 있다. 두 회로 모두 최소한의 지연을 가질 수 있으므로 컨버터 과도 현상 및 결함이 있는 경우에도 안전한 작동을 보장하기에 충분한 우수한 제어 대역폭으로 이어진다. 본질적으로, 새로운 제어 방법은 상기 보조 스위치 S r 의 게이팅 온을 도 14에 나타낸 바와 같이 회로 B에 의해 생성된 전압 임계값 감지 신호와 동기화한다. 이는 상기 보조 스위치 S r 을 턴옴함으로써 공진을 트리거하기 전에 상기 커패시터 전압이 회로 B에 의해 설정된 임계 전압 -V th 로 일관되게 프리-차지될 수 있는 상기 공진 모듈의 공진 커패시터의 프리-차지에 대한 강력한 제어로 이어진다. 상기 공진 커패시터의 목표 프리-차지를 달성하는 데 필요한 S r 의 게이팅에 대한 지연을 도출하기 위해 다양한 양(V outgoing , V incoming , DC-링크 전류)의 정확한 감지가 필요할 수 있는 기존 접근 방식과 달리, 이 새로운 방법은 위에서 설명한 저비용 센서 회로를 사용하여 최소한의 지연으로 정확하게 달성할 수 있는 상기 공진 커패시터 전압의 임계값 감지를 사용할 수 있다. 이 새로운 제어 방법의 또 다른 차이점은 게이팅 지연 추정에 기반한 간접 제어에 의존하는 대신 임계 전압을 감지하여 상기 공진 커패시터의 프리-차지 전압을 목표 값으로 직접 제어할 수 있다는 사실에 있다. 이렇게 하면 직접 감지를 통해 상기 커패시터 프리-차지를 목표 값 -V th 로 제한하여 컨버터 과도 상태 또는 결함이 있는 경우에도 안전한 작동이 가능하다. 마지막으로 이 간단한 보조 스위치 게이팅 전략은 최소한의 제어 지연으로 상기 공진 모듈의 반자동 작동을 위한 일부 추가 제어 로직 회로부와 상기 감지 회로의 로컬 감지 데이터를 사용하여 상기 공진 모듈 내에서 선택적으로 구현될 수 있다.
상기 공진 모듈의 공진 커패시터의 목표 프리-차지 전압(-V th )이 공진 종료 시 상기 인입(incoming) 활성 벡터로의 ZVS 전이 상태와 함께 완전한 공진 시퀀스를 보장하기에 충분하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 다음과 같이 회로 A의 커패시터 방전 신호(즉, 제1 감지 신호)를 사용하여 완전한 공진 시퀀스를 감지할 수 있다. 위에서 설명한 제안된 공진 제어 방법의 목표를 사용하면 공진 커패시터가 방전을 시작하여 공진 시퀀스의 끝을 알리자마자 상기 인입(incoming) 활성 벡터의 스위치를 게이트온할 수 있다. 상기 공진 시퀀스가 완료되면, 즉 스위치의 소프트-스위칭 턴온이 발생하면 지속 시간 
가 0이 아닌 ZVS 전이 상태가 발생하여 인입(incoming) 벡터로 소프트-스위칭될 수 있다. 그렇지 않고 상기 공진 시퀀스가 불완전한 경우, 즉 공진 끝에서 공진 커패시터 전압이 충분히 크지 않으면 인입 벡터로 하드-스위칭이 발생할 수 있고 회로 A에 의해 검출된 ZVS 전이 상태 지속 시간 
는 0에 가까울 수 있다. 따라서 회로 A의 방전 신호에서 최종 ZVS 전이 상태의 지속 시간을 측정하면 도 14와 같이 상기 공진 시퀀스가 완료되었는지 확인하는 간단하고 견고한 방법을 제공할 수 있다.
이는 제안된 프리-차지 제어 방법에서 사용되어 회로 B에 의해 감지되고, 상기 보조 스위치가 게이트온될 때 상기 공진 커패시터에서 목표 임계 전압의 "폐-루프(closed-loop)" 제어를 형성할 수 있다. 회로 A로 측정된 공진 후 ZVS 전이 상태의 지속 시간이 표준 폐루프 제어 기술을 사용하여 스위치 S r 이 켜지는 임계 전압을 증가 또는 감소시킴으로써 목표 지속 시간으로 조절될 수 있는 예시적인 제어 블록 다이어그램이 도 15에 도시되어 있습니다.
이 폐-루프 제어 원리는 도 1의 3상 AC/AC S4T 구현에서 실험적으로 설명되며 도 16에 표시된다. 공진 후 회로 A에서 방전 신호가 없어 도 16A에서 하드 스위칭 동작이 실험적으로 관찰되었으며, 상기 인입(incoming) 벡터의 ZVS 턴온을 확인하는 만족스러운 ZVS 전이 상태 지속 시간(센서 Br1에 대한 이 예에서 400ns)을 측정하기 위해 도 16b에서 프리-차지 임계 전압을 증가시킴으로써 수정되었다.
적절한 소프트-스위칭 작동을 보장하는 데 필요한 최소값으로 임계값 전압을 조정하여 안정성을 보장하고 장치 전압 스트레스를 최소화하도록 목표 공진 커패시터 프리-차지 전압의 "폐-루프" 제어 대역폭을 선택할 수 있다. 상기 공진 탱크 손실도 프로세스에서 최소화할 수 있다. 컨버터 과도 현상 또는 결함의 경우 이 제어 루프는 임계값 감지가 회로 B를 통한 직접 감지를 통해 모든 조건에서 최대 전압 스트레스를 제한할 수 있으므로 조치를 취하는 데 필요하지 않아 강력한 제어 방법을 제공한다.
고정 임계 전압 감지 기능이 있는 회로 B 변형이 사용되는 응용 분야에서는 임계 전압에 대한 "폐-루프" 제어가 불가능할 수 있다. 상기 임계 전압은 모든 전압 조건에서 소프트-스위칭으로 이어지는 값으로 설정 및 고정될 수 있으나 이것은 컨버터 활용 및 공진 탱크 손실 측면에서 최적이 아닐 수 있다. 그러나 상기 전압 스트레스 및 프리-차지 시간(S r 게이팅 지연을 통해)은 회로 B에 의한 임계 전압 감지를 통해 여전히 공진 모듈 레벨에서 직접 제어할 수 있어 도 14에 자세히 설명된 과도 및 오류 조건을 포함하여 상기 컨버터의 안전한 작동을 유도한다.
다시 한 번, 상기 공진 탱크 회로 및 공진 모듈 수준에서 설명된 이 제어 방법은 변조 방식 및 사용된 공진 모듈의 수를 포함하여 S4T 또는 SSCSI 컨버터(또는 기타 컨버터)의 작동 구현에 독립적이다. 이와 동일한 원리를 확장하여 시스템의 모든 공진 모듈 및 관련 감지 회로에 적용할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예 및 청구범위는 상세한 설명 및 도면에 도시된 구성요소의 구성 및 배열의 세부 사항에 대한 적용에 있어서 제한되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 설명 및 도면은 구상된 실시예의 예를 제공한다. 본 명세서에 개시된 실시예 및 청구범위는 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 여기에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 청구범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 당업자는 본 출원 및 청구범위의 기초가 되는 개념이 본 출원에 제시된 실시예 및 청구범위의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및 시스템의 설계를 위한 기초로서 용이하게 활용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 청구범위가 그러한 동등한 구성을 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.
또한, 전술한 요약서의 목적은 미국 특허청 및 일반 대중, 특히 특허 및 법률 용어 또는 어법에 익숙하지 않은 해당 기술 분야의 실무자를 포함하여 본 출원의 기술적 공개의 본질과 본질을 대략적인 검사를 통해 신속하게 결정할 수 있도록 하는 것이다. 요약서는 출원의 청구범위를 정의하기 위한 것이 아니며 어떤 식으로든 청구범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
Claims (49)
- 다음을 포함하는, 소프트-스위칭 전류원 컨버터와 함께 사용하기 위한 공진 모듈:
공진 스위치;
상기 공진 스위치에 직렬로 연결된 공진 인덕터;
상기 직렬로 연결된 공진 스위치 및 공진 커패시터와 병렬로 연결된 공진 커패시터;
상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수(time derivative)가 음수일 때를 나타내는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성된 제1 감지 회로; 및
상기 공진 캐패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같을 때를 나타내는 제2 감지 신호를 생성하도록 구성된 제2 감지 회로. - 제1항에 있어서, 상기 공진 모듈은 상기 제1 감지 신호를 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기로 전송하는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 공진 모듈은 상기 제2 감지 신호를 상기 소프트 -스위칭 전류원 컨버터의 제어기로 전송하는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 공진 스위치를 제어하도록 구성되는 제어 로직 회로부를 더 포함하는 공진 모듈.
- 제4항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부는 상기 제1 감지 신호 및 제2 감지 신호를 수신하고 상기 제1 및 제2 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 공진 스위치를 제어하도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제5항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부는 상기 제2 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단의 전압이 상기 공진 인덕터와 상기 공진 커패시터 사이의 공진을 개시하기 위해 미리 결정된 임계값보다 작거나 같다는 것을 나타낼 때 상기 공진 스위치를 턴온하도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제6항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 하나 이상의 다른 공진 모듈 사이에서 감지 신호를 수신하고 송신하도록 추가로 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 임계값은 가변값인 것인 공진 모듈.
- 제8항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부 또는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 상기 제1 감지 신호에 기초하여 미리 결정된 임계값을 변경하도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부 또는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기 중 적어도 하나는 미리 결정된 기간보다 더 긴 시간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 상기 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수를 나타내는 경우 미리 결정된 임계값을 증가시키도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제10항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부 또는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기 중 적어도 하나는 미리 결정된 기간보다 더 짧은 시간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 상기 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수임을 나타내는 경우 미리 결정된 임계값을 감소시키도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기는 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 상기 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단의 전압의 시간 도함수가 음수를 나타내는 경우 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 적어도 하나의 브리지에서 적어도 하나의 스위치를 턴온해서 다음 활성 상태로 전환하도록 구성되는 공진 모듈.
- 제8항에 있어서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기는 상기 제1 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 미리 결정된 임계값을 변경하도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 임계값은 고정된 값인 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 감지 회로는 상기 공진 캐패시터와 병렬로 연결되는 것인 공진 모듈.
- 제15항에 있어서, 상기 제1 감지 회로는 옵토커플러와 직렬로 연결된 감지 저항기(resistor)를 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제16항에 있어서, 상기 직렬 연결된 감지 저항기(resistor)와 옵토커플러는 제너 다이오드(Zener diode)와 역병렬로 연결된 것인 공진 모듈.
- 제17항에 있어서, 상기 직렬 연결된 감지 저항기(resistor) 및 옵토커플러는 바이어스 저항기와 병렬로 더 연결되는 것인 공진 모듈.
- 제18항에 있어서, 감지 캐패시터는 상기 직렬로 연결된 감지 저항기(resistor) 및 옵토커플러와 직렬로 연결되어 상기 센싱 캐패시터와 상기 직렬로 연결된 감지 저항기(resistor) 및 옵토커플러의 직렬 연결은 상기 공진 캐패시터와 병렬로 연결되도록 하는 것인 공진 모듈.
- 제17항에 있어서, 상기 옵토커플러는 제1 감지 신호를 생성하도록 구성되는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 소프트스위칭 전류원 컨버터의 제어기와 인터페이스하도록 구성된 통신 링크를 더 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 감지 회로는 상기 공진 캐패시터와 병렬로 연결되는 것인 공진 모듈.
- 제22항에 있어서, 상기 제2 감지 회로는 기준 커패시터, 직렬 옵토커플러 감지 회로, 직렬 감지 저항기(resistor) 및 직렬 다이오드를 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제23항에 있어서, 상기 제2 감지 회로는 상기 기준 캐패시터와 병렬로 연결된 방전 회로를 더 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제24항에 있어서, 상기 방전 회로는 직렬로 연결된 제어 가능한 스위치 및 방전 저항기(resistor)를 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제25항에 있어서, 상기 방전 회로를 절연하고 전력을 공급하도록 구성된 절연 DC/DC 컨버터를 더 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제24항에 있어서, 비교기 회로, 디지털 아이솔레이터 및 주파수-전압 변환 회로를 포함하는 제어 로직을 더 포함하여 상기 방전 회로의 제어 가능한 스위치를 제어하고 상기 미리 결정된 임계값을 제어하는 것인 공진 모듈.
- 제22항에 있어서, 상기 제2 감지 회로는 기준 전압을 제공하는 제너 다이오드, 옵토커플러 감지 회로, 직렬 감지 저항기, 직렬 다이오드 및 용량성 전압 분배기를 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제22항에 있어서, 상기 제2 감지 회로는 반대 방향의 적어도 2개의 제너 다이오드의 직렬 연결, 직렬 감지 저항기(resistor), 직렬 옵토커플러 감지 회로, 용량성 전압 분배기 및 저항성 전압 분배기를 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 DC-링크를 포함하고, 상기 공진 모듈은 상기 DC-링크와 전기적으로 병렬로 연결되는 것인 공진 모듈.
- 제30항에 있어서, 상기 공진 모듈과 상기 DC-링크 사이에 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 더 포함하는 것인 공진 모듈.
- 제1항에 있어서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 DC-링크를 포함하고, 상기 공진 모듈은 상기 공진 커패시터와 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 더 포함하여 상기 공진 모듈의 상기 공진 커패시터와 상기 누설 관리 다이오드의 직렬 연결이 상기 DC 링크와 병렬로 연결되도록 하는 것인 공진 모듈.
- 다음을 포함하는, 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 공진 탱크 제어 방법:
상기 공진 탱크는 공진 스위치, 상기 공진 스위치와 전기적으로 직렬로 연결된 공진 인덕터 및 상기 직렬 연결된 공진 스위치 및 공진 커패시터와 병렬로 연결된 공진 커패시터를 포함하고,
상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수일 때를 나타내는 제1 감지 신호를 생성하는 단계; 및
상기 공진 캐패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같을 때를 나타내는 제2 감지 신호를 생성하는 단계. - 제33항에 있어서, 상기 제1 감지 신호를 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기로 전송하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제2 감지 신호를 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 제어기로 전송하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
- 제35항에 있어서,
제어 로직 회로부에서, 제1 및 제2 감지 신호를 수신하는 단계; 및
상기 수신된 제1 및 제2 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제어 로직 회로부로 상기 공진 스위치를 제어하는 단계
를 더 포함하는 것인 방법. - 제36항에 있어서,
상기 제2 감지 신호가 상기 공진 캐패시터 양단의 전압이 미리 결정된 임계값보다 작거나 같다는 것을 나타낼 때 상기 공진 인덕터와 상기 공진 캐패시터 사이의 공진을 개시하기 위해 상기 제어 로직 회로부로 상기 공진 스위치를 턴온하는 단계
를 더 포함하는 것인 방법. - 제37항에 있어서, 상기 미리 결정된 임계값은 가변 값인 것인 방법.
- 제38항에 있어서, 상기 수신된 제1 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 미리 결정된 임계값을 변경하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
- 제39항에 있어서,
상기 미리 결정된 임계값을 변경하는 단계는 미리 결정된 기간보다 더 긴 시간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수임을 나타내는 경우 미리 결정된 임계값을 증가시키는 단계를 포함하는 것인 방법. - 제39항에 있어서,
상기 미리 결정된 임계값을 변경하는 단계는 미리 정해진 기간보다 짧은 기간 동안 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 스위칭 사이클의 공진 페이즈(resonance phase) 후 제로 전압 스위칭 전이 상태 동안 제1 감지 신호가 상기 공진 커패시터 양단 전압의 시간 도함수가 음수임을 나타내는 경우 미리 결정된 임계값을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법. - 제36항에 있어서, 상기 제어 로직 회로부는 공진 스위치 게이트 드라이버 집적 회로를 포함하는 것인 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 미리 결정된 임계값은 고정된 값인 것인 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 DC-링크를 포함하고, 상기 공진 탱크는 상기 DC-링크와 전기적으로 병렬로 연결되는 것인 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터는 상기 공진 탱크와 상기 누설 관리 다이오드의 상기 직렬 연결이 상기 DC-링크에 병렬로 연결되도록 상기 공진 탱크와 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 더 포함하는 것인 방법.
- 제33항에 있어서,
적어도 부분적으로 상기 제1 감지 신호 및/또는 상기 제2 감지 신호에 기초하여 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 효율을 증가시키기 위해 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터에 의해 구현되는 스위칭 사이클의 하나 이상의 특성을 변경하는 단계를 더 포함하는 것인 방법. - 제46항에 있어서, 상기 스위칭 사이클의 하나 이상의 특성을 변경하는 단계는 상기 스위칭 사이클의 ZVS 전이 상태(transition state)의 지속 시간을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
- 제33항에 있어서,
적어도 부분적으로 상기 제1 감지 신호 및/또는 상기 제2 감지 신호에 기초하여 변조 전략의 정확도를 개선하고, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터의 선형성을 확장 및/또는 개선하고, 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터에 의해 생성된 상기 파형의 품질 및/또는 상기 감소된 고조파 왜곡을 개선하기 위해 상기 소프트-스위칭 전류원 컨버터에 의해 구현되는 스위칭 사이클의 하나 이상의 타이밍 특성을 측정하는 단계를 더 포함하는 것인 방법. - 제48항에 있어서, 상기 스위칭 사이클의 하나 이상의 타이밍 특성을 측정하는 단계는 상기 스위칭 사이클의 ZVS 전이 상태의 지속 시간을 측정하는 단계를 포함하는 것인 방법.
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