KR20230138874A - 전력 변환 구조체, 전력 변환 시스템, 전력 변환 방법, 이를 포함하는 전자 장치 및 그 칩 유닛 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력 변환 구조체, 전력 변환 시스템, 전력 변환 방법, 이를 포함하는 전자 장치 및 그 칩 유닛을 제공하며, 전력 공급 분야에 관한 것으로, 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치를 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부와 접지단 사이에 연결함으로써 전력 변환 구조체가 스위치드 커패시터 변환기 모드에서 동작해야할 시, 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부에서 출력되는 전류의 직류 부분이 상기 인덕터로 흐르도록 구현할 수 있으며, 교류 성분만 턴온된 제1 스위칭 트랜지스터를 통해 흐르므로, 제1 스위칭 트랜지스터의 턴온 시의 전력 손실을 크게 줄이고 전력 변환 구조체의 효율을 향상시킬 수 있으며, 제1 스위칭 트랜지스터의 턴온 시의 전력 손실이 비교적 작기 때문에 발열이 적고 제1 스위칭 트랜지스터의 선택 공간이 넓어 전력 변환 구조체의 생산비용을 줄이며, 스위칭 트랜지스터 하나만으로도 스위치드 커패시터 변환기 모드로의 전환이 가능하여 스위칭 트랜지스터의 수를 줄임과 동시에 턴온 시의 전력 손실을 줄이고 전력 변환 구조체의 효율성을 향상시키고 생산비용을 줄이며 면적을 줄여준다.
Description
본 발명은 전력 공급 분야에 관한 것으로, 특히 전력 변환 구조체, 전력 변환 시스템, 전력 변환 방법, 이를 포함하는 전자 장치 및 그 칩 유닛에 관한 것이다.
기술의 지속적인 발전으로 휴대용 장치(휴대폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 시계 및/또는 기타 유사한 전자 장치를 포함)와 같은 다양한 전자 장치가 널리 사용되고 있다. 각각의 전자 장치는 복수의 충전 가능한 배터리 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 전기 에너지 저장을 위한 충전식 배터리 팩을 형성할 수 있다. 충전식 배터리 팩은 전자 장치에 연결되는 어댑터와 전자 장치 내부의 전력 변환 구조체에 의해 충전되어 배터리의 에너지를 복원할 수 있으며, 충전식 배터리 팩은 리튬 이온(Li-ion) 배터리 팩과 같은 다양한 유형의 배터리 팩일 수 있다.
현재 시장에서는 전력 변환 구조체가 점차 더 짧은 시간으로 배터리 팩에 대한 충전을 완성하고, 이와 동시에 작은 부피, 높은 효율, 낮은 원가가 제공되어 전자 장치의 소형화, 고효율 및 저비용에 대한 소비자의 요구 사항을 충족시키기를 기대하고 있다.
충전식 배터리 팩의 충전에 적합한 전력 변환 구조체는 다양하다. 도 1은 종래 기술의 배터리 팩 충전 시스템의 개략도이며, 최근 많이 사용되고 있다. 도 1에서 어댑터(10)는 스위치드 커패시터 변환기(21) 및 스위칭 변환기 또는 선형 변환기(22)에 버스 전압(Vbus)을 제공한다. 실제 응용에서, 배터리 팩(300)이 고속 충전 단계에 있을 때, 스위치드 커패시터 변환기(21) 가 동작하여 버스 전압(Vbus)을 제1 출력 전압(Vout1)으로 변환시켜 배터리 팩(300)을 충전하도록 제어하며; 배터리 팩(300)이 세류 충전 단계, 사전 충전 단계 또는 충전 차단 단계에 있을 때, 스위칭 변환기 또는 선형 변환기(22)가 동작하여 버스 전압(Vbus)을 제2 출력 전압(Vout2)으로 변환시켜 배터리 팩(300)을 충전하도록 제어하여 배터리 팩(300)의 서로 다른 충전 단계에 대한 요구를 충족시킨다.
한편, 도 1에 도시된 배터리 팩 충전 시스템은 배터리 팩(300)을 충전하기 위해 2개의 변환기를 필요로 하므로 배터리 팩 충전 시스템의 부피가 크고 비용이 많이 소요된다.
도 2에 도시된 종래 기술의 다른 배터리 팩 충전 시스템의 개략도를 참조하기 바란다. 도 2에서, 스위칭 트랜지스터(S1) 내지 스위칭 트랜지스터(S4)는 입력단(din)과 접지단(GND)사이에 직렬로 연결되고, 플라잉 커패시터(Cf)는 스위칭 트랜지스터(S1)와 스위칭 트랜지스터(S2)의 공통노드와 스위칭 트랜지스터(S3)와 스위칭 트랜지스터(S4)의 공통노드 사이에 연결되며, 인덕터(L)는 스위칭 트랜지스터(S2)와 스위칭 트랜지스터(S3)의 공통노드와 출력 커패시터(Cout)의 일단 사이에 연결되고, 출력 커패시터(Cout)의 타단은 접지되며, 인덕터(L)의 양단은 스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22)가 역직렬로 형성한 스위치 시리즈 브랜치에 병렬로 연결된다. 실제 응용에서, 배터리 팩(300)이 고속 충전 단계에 있을 때, 스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22)가 모두 턴온되도록 제어하고, 스위칭 트랜지스터(S1) 내지 스위칭 트랜지스터(S4), 플라잉 커패시터(Cf) 및 출력 커패시터(Cout)는 스위치드 커패시터 변환기를 형성하여 배터리 팩(300)을 충전하며; 배터리 팩(300)이 세류 충전 단계, 사전 충전 단계 또는 충전 차단 단계에 있을 때, 스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22)가 모두 턴오프되게 제어하며, 스위칭 트랜지스터(S1) 내지 스위칭 트랜지스터(S4), 플라잉 커패시터(Cf) 및 인덕터(L)는 3-레벨 벅 변환기를 형성하여 배터리 팩(300)을 충전하여 배터리 팩(300)의 서로 다른 충전 단계에 대한 요구를 충족시킨다.
한편, 도 2에 도시된 배터리 팩의 충전 시스템은 2개의 스위칭 트랜지스터(스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22))를 인덕터(L)의 양단에 병렬로 연결시켜야 3-레벨 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기 사이의 전환을 구현할 수 있으며, 스위치드 커패시터 변환기 모드에서 동작할 시, 출력되는 전류가 모두 스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22)를 통과하여 스위치드 커패시터 변환기의 전력 손실이 크고, 효율성이 낮으며, 스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22)의 성능에 대한 요구가 높아 배터리 팩 충전 시스템의 면적이 크고 생산비용이 높으며, 스위칭 트랜지스터(S11)와 스위칭 트랜지스터(S22)의 구동 회로가 복잡하다.
따라서, 종래의 전력 변환 구조체들은 모두 고속 충전을 만족하는 기초상에 소형화, 저비용, 고효율에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 없다.
본 발명은 전력 변환 구조체를 제공하며, 상기 전력 변환 구조체는 입력전압을 수신하는 입력단; 직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터, 상기 입력단에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부, 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제3 단부, 제1 상부전극 플레이트 노드 및 제1 하부전극 플레이트 노드를 포함하는 제1 스위치 시리즈 브랜치; 상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 상기 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되는 제1 플라잉 커패시터; 및 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부 및 내부에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터 및 제1 출력 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치; 를 포함한다.
본 발명은 전력 변환 시스템을 더 제공하며, 상기 전력 변환 시스템은 상술한 전력 변환 구조체; 및 상기 전력 변환 구조체 내부의 스위칭 트랜지스터의 제어 노드에 연결되고, 상기 전력 변환 구조체 내부의 스위칭 트랜지스터의 제어 노드에 스위칭 제어 신호를 출력하여 상기 전력 변환 구조체가 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작하도록 구성하는 컨트롤러; 를 포함하며, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제1 스위칭 트랜지스터는 턴오프되며, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제1 플라잉 커패시터 및 상기 인덕터는 3-레벨 벅 변환기로 구성되며, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 스위칭 트랜지스터는 턴온되며, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제1 플라잉 커패시터 및 상기 제1 출력 커패시터는 스위치드 커패시터 변환기로 구비된다.
본 발명은 전자 장치를 더 제공하며, 상기 전자장치는 상술한 전력 변환 구조; 제1 단부는 제6 스위칭 트랜지스터를 통해 상기 인덕터의 제2 단부에 연결되고, 제2 단부는 접지되는 배터리 팩; 및 상기 인덕터의 제2 단부에 연결되어 상기 인턱터의 제2 단부가 출력하는 전기적 신호를 수신하는 부하; 를 포함한다.
본 발명은 전력 변환 방법을 더 제공하며, 상기 전력 변환 방법은, 전력 변환 구조체를 배터리 팩에 결합시키는 단계; 상기 전력 변환 구조체는, 입력전압을 수신하는 입력단; 직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 상기 입력단에 연결되는 제1 단부, 접지단에 연결되는 제2 단부, 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제3 단부, 제1 상부전극 플레이트 노드 및 제1 하부전극 플레이트 노드를 포함하는 제1 스위치 시리즈 브랜치; 상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 상기 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되는 제1 플라잉 커패시터; 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부 및 내부에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터 및 제1 출력 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치; 를 포함하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터는 제1 제어 노드를 포함하며; 상기 입력 전압을 제공하는 단계; 및 상기 배터리 팩의 상이한 충전 단계 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 상이한 동작 모드로 구성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 칩 유닛을 더 제공하며, 상기 칩 유닛은, 입력전압을 수신하는 입력 핀; 상기 입력 핀과 제1 상부전극 플레이트 노드 사이에 연결되며, 제2 제어 노드를 구비하는 제2 스위칭 트랜지스터; 상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 제1 중간 노드 사이에 연결되고, 제3 제어 노드를 구비하며, 상기 제1 중간 노드는 전환 핀에 연결되고, 상기 전환 핀은 칩 유닛 외부의 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제3 스위칭 트랜지스터; 상기 제1 중간 노드와 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되고, 제4 제어 노드를 구비하는 제4 스위칭 트랜지스터; 상기 제1 하부전극 플레이트 노드와 접지 핀 사이에 연결되고, 제5 제어 노드를 구비하는 제5 스위칭 트랜지스터; 제1 단부가 스위칭 핀에 연결되고, 제2 단부가 상기 접지단에 연결되며, 제1 제어 노드를 구비하며, 상기 스위칭 핀은 칩 유닛 외부에 위치하는 제1 출력 커패시터의 제1 단부에 연결되고, 제1 출력 커패시터의 제2 단부는 상기 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터, 또는, 제1 단부가 상기 전환 핀에 연결되고, 제2 단부가 스위칭 핀에 연결되며, 제1 제어 노드를 구비하며, 상기 스위칭 핀은 칩 유닛 외부에 위치하는 제1 출력 커패시터의 제1 단부에 연결되고, 제1 출력 커패시터의 제2 단부는 상기 접지단에 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터; 상기 제1 상부전극 플레이트 노드에 연결되며 칩 유닛 외부의 제1 플라잉 커패시터의 제1 단부에 연결되는 제1 플라잉 커패시터 상단 핀; 상기 제1 하부전극 플레이트 노드에 연결되며, 칩 유닛 외부의 제1 플라잉 커패시터의 제2 단부에 연결되는 제1 플라잉 커패시터 하단 핀; 상기 인덕터의 제2 단부에 연결되는 시스템 단자 핀; 칩 유닛 외부에 위치하는 배터리 팩에 연결되는 배터리 단자 핀; 을 포함한다.
도 1은 종래 기술의 배터리 팩 충전 시스템의 개략도이다.
도 2는 종래 기술의 다른 배터리 팩 충전 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 개략적인 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템의 개략도이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도이다.
도 11b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도이다.
도 2는 종래 기술의 다른 배터리 팩 충전 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 개략적인 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 시스템의 개략도이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도이다.
도 11b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 명확하고 상세히 설명할 것이며, 설명된 실시예는 본 발명의 일부일 뿐, 모든 실시예들이 아니다. 당업자가 본 발명의 실시예에 기초하여 창조적인 노력 없이 획득한 다른 모든 실시예는 본 발명의 보호 범위에 속한다.
본 발명의 일 실시예는, 전자 장치에 적용될 수 있는 전력 변환 구조체를 제공하며, 구체적으로 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도를 참조하면, 전력 변환 구조체(100)는, 입력전압(Vin)을 수신하는 입력단(din); 직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 입력단(din)에 연결되는 제1 단부(d11), 접지 단(GND)에 연결되는 제2 단부(d12), 인덕터(L1)의 제1 단부에 연결되는 제3 단부(d13), 제1 상부전극 플레이트 노드(dH1) 및 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1)를 포함하는 제1 스위치 시리즈 브랜치(110); 제1 상부전극 플레이트 노드(dH1)와 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1) 사이에 연결되는 제1 플라잉 커패시터(Cf1); 및 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)에 연결되는 제1 단부(d31), 상기 접지단(GND)에 연결되는 제2 단부(d32) 및 내부에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터(Q1) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)를 포함하는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치(210); 를 포함하며, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 제1 제어 노드(dQ1)를 포함한다.
상술한 바와 같이, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)와 접지단(GND) 사이에 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치(210)가 연결되며, 전력 변환 구조체가 스위치드 커패시터 변환기 모드에서 동작해야할 시, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴온되게 제어하여 제1 출력 커패시터(Cout1)를 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)와 접지단(GND) 사이에 연결하고, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)를 스위치드 커패시터 변환기로 구성하여 전압(Vout)을 출력하며, 인덕터(L1)는 필터 역할만 한다. 캐패시터의 특성상, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)에서 출력하는 전류의 직류 부분은 인덕터(L1)로 흐르고, 교류 성분만 턴온된 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)를 통해 흐르므로, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 시의 전력 손실을 크게 줄이고 전력 변환 구조체의 효율을 향상시킬 수 있으며, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 턴온 시의 전력 손실이 비교적 작기 때문에 발열이 적고 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 선택 공간이 넓어 전력 변환 구조체의 생산비용을 줄일 수 있다.
더 나아가, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1) 하나만으로도 스위치드 커패시터 변환기 모드로의 전환이 가능하여 종래 기술에 비해 스위칭 트랜지스터의 수량을 줄임과 동시에 턴온 시의 전력 손실을 줄이고 전력 변환 구조체의 효율성을 향상시키고 생산비용을 줄이며 면적을 줄여준다. 또한, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 구동회로가 간단하다.
더 나아가, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제1 단부는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치(210)의 제1 단부(d31)를 형성하고, 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제2 단부는 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 제1 단부에 연결되며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 제2 단부는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치(210)의 제2 단부를 형성한다. 또는, 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 개략적인 회로도를 참조하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 제1 단부는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치(210')의 제1 단부를 형성하고, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 제2 단부는 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제1 단부에 연결되며, 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제2 단부는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치(210')의 제2 단부를 형성한다.
실제 응용에서, 직렬로 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)와 제1 출력 커패시터(Cout1)를 포함하고, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴오프되었을 경우 제1 출력 커패시터(Cout1)가 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)와 접지단(GND) 사이에 연결되는 한, 본 출원은 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 구체적인 구조를 한정하지 않는다. 또한, 여기서 제1 출력 커패시터(Cout1)는 하나의 커패시터로 형성될 수도 있고, 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 복수의 커패시터로 형성될 수도 있다. 마찬가지로, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1) 하나의 스위칭 트랜지스터일 수 있고, 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터일 수도 있다.
실제 응용에서, 도 3에 도시된 전력 변환 구조체는 제1 동작 모드에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 제1 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴오프되게 구성되고, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 인덕터(L1)는 3-레벨 벅 변환기로 구성된다.
실제 응용에서, 도 3에 도시된 전력 변환 구조체는 나아가 제2 동작 모드에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 제2 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴온되게 구성되고, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)는 스위치드 커패시터 변환기로 구성된다.
이와 같이, 3-레벨 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기 사이의 전환을 구현하며, 즉, 도 3에 도시된 전력 변환 구조체는 3-레벨 벅 변환기와 스위치드 커패시터 변환기 모두의 장점을 겸비할 수 있다.
더 나아가, 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도를 참조하면, 전력 변환 구조체는 제2 출력 커패시터(Cout2)를 더 포함하며, 제2 출력 커패시터(Cout2)는 인덕터(L1)의 제2단부와 접지단(GND) 사이에 연결된다. 전력 변환 구조체가 스위치드 캐패시터 변환기 모드에서 동작할 시, 인덕터(L1)와 제2 출력 커패시터(Cout2)는 LC 필터 유닛을 형성하므로 제1 출력 캐패시터(Cout1) 필터에 기초하여 종래 기술에 비해 LC 필터 유닛이 하나 더 추가되므로 출력하는 전압(Vout)의 리플이 더 작아진다. 3-레벨 벅 변환기 모드에서, 제2 출력 커패시터(Cout2)는 출력 필터 커패시터를 형성한다.
실제 응용에서, 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)가 턴온 또는 턴오프되도록 구동 가능한 모든 방식은 본 출원에 적용 가능하다.
더 나아가, 도 6에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도를 참조하면, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)는, 직렬로 연결되는 제2 스위칭 트랜지스터(Q2), 제3 스위칭 트랜지스터(Q3), 제4 스위칭 트랜지스터(Q4), 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)를 포함하며, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)는 입력단(din)과 제1 상부전극 플레이트 노드(dH1) 사이에 연결되고, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)는 제2 제어 노드(dQ2)를 구비하며, 제3 스위칭 트랜지스터(Q3)는 제1 상부전극 플레이트 노드(dH1)와 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13) 사이에 연결되고, 제3 스위칭 트랜지스터(Q3)는 제3 제어 노드(dQ3)를 구비하며, 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)는 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)와 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1) 사이에 연결되고, 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)는 제4 제어 노드(dQ4)를 구비하며, 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)는 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1)와 접지단(GND) 사이에 연결되고, 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)는 제5 제어 노드(dQ5)를 구비한다.
이러한 방식으로, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2) 내지 제5 스위칭 트랜지스터(Q5), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)는 스위치드 커패시터 변환기를 형성할 수 있다. 구체적으로, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)와 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)를 동시에 턴온시키고, 제3 스위칭 트랜지스터(Q3)와 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)를 동시에 턴온시키는 것을 순차적으로 실행함으로써 스위치드 커패시터 변환기의 기능을 구현할 수 있다.
이러한 방식으로, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2) 내지 제5 스위칭 트랜지스터(Q5), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 인덕터(L1)는 3-레벨 벅 변환기를 형성할 수 있다. 구체적으로, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)와 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)를 동시에 턴온시키고, 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)와 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)를 동시에 턴온시키며, 제3 스위칭 트랜지스터(Q3)와 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)를 동시에 턴온시킨 후 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)와 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)를 동시에 턴온시키는 것을 순차적으로 실행함으로써, 3-레벨 벅 변환기 기능을 구현할 수 있다.
실제 응용에서, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 제1 출력 컨버터(Cout1)가 스위치드 커패시터 변환기를 형성하고, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 인덕터(L1)가 3레벨 벅 변환기를 형성하는 한, 본 출원은 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)를 도 6에 도시된 특정 구조로 한정하지 않는다.
실제 응용에서, 배터리 팩의 충전 속도를 높이기 위해서는 전력 변환 구조체의 전력 레벨을 최대한 높이는 것이 바람직하다. 도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 구조체의 개략도를 참조하기 바란다. 전력 변환 구조체는 직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 입력단(din)에 연결되는 제1 단부(d21), 접지단(GND)에 연결되는 제2 단부(d22), 제1 스위치 시리즈 브랜치(110)의 제3 단부(d13)에 연결되는 제3 단부(d23), 제2 상부전극 플레이트 노드(dH2) 및 제2 하부전극 플레이트 노드(dL2)를 포함하는 제2 스위치 시리즈 브랜치(120); 제2 상부전극 플레이트 노드(dH2)와 제2 하부전극 플레이트 노드(dL2) 사이에 연결되는 제2 플라잉 커패시터(Cf2);를 더 포함한다. 제2 동작 모드에서 제2 스위치 시리즈 브랜치(120), 제2 플라잉 커패시터(Cf2) 및 제1 출력 컨버터(Cout1)는 제2 위상 스위치드 커패시터 변환기로 구성되어 2 위상 스위치드 커패시터 변환기의 병렬 구조를 공동으로 형성하여 전력 변환 구조체의 전력 레벨을 향상시킨다. 2위상 스위치드 커패시터 변환기가 병렬로 연결되는 구조는 출력 전류가 더 크며, 본 발명의 전력 변환 구조체는 종래 기술에 비해 전력 손실을 더 줄이고, 효율성을 향상시키며, 생산비용을 줄여준다.
물론, 본 출원의 일 실시예에서, 도 7에 도시된 제2 위상 스위치드 커패시터 변환기 n개를 더 포함하여 병렬 연결할 수 있으며, 여기서 n은 양의 정수이며, n+1 위상 스위치드 커패시터 컨버터를 구현할 수 있다. 도 7은 2 위상만을 도시하여 원리를 설명한다.
더 나아가, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 스위치 시리즈 브랜치(120)는, 직렬로 연결되는 제7 스위칭 트랜지스터(Q7), 제8 스위칭 트랜지스터(Q8), 제9 스위칭 트랜지스터(Q9) 및 제10 스위칭 트랜지스터(Q10)를 포함하며, 제7 스위칭 트랜지스터(Q7)는 입력단(din)과 제2 상부전극 플레이트 노드(dH2) 사이에 연결되고, 제7 스위칭 트랜지스터(Q7)는 제7 제어 노드(dQ7)를 구비하며, 제8 스위칭 트랜지스터(Q8)는 제2 상부전극 플레이트 노드(dH2)와 제2 스위치 시리즈 브랜치(120)의 제3 단부(d23) 사이에 연결되고, 제8 스위칭 트랜지스터(Q8)는 제8 제어 노드(dQ8)를 구비하며, 제9 스위칭 트랜지스터(Q9)는 제2 스위치 시리즈 브랜치(120)의 제3 단부(d23)와 제2 하부전극 플레이트 노드(dL2) 사이에 연결되고, 제9 스위칭 트랜지스터(Q9)는 제9 제어 노드(dQ9)를 구비하며, 제10 스위칭 트랜지스터(Q10)는 제2 하부전극 플레이트 노드(dL2) 와 접지단(GND) 사이에 연결되고, 제10 스위칭 트랜지스터(Q10)는 제10 제어 노드(dQ10)를 구비한다. 마찬가지로, 본 출원은 제2 스위치 시리즈 브랜치(120)의 구체적인 구조를 한정하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 시스템을 제공함에 있어서, 도 8에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 개략도를 참조하면, 전력 변환 시스템은 도 3에 도시된 전력 변환 구조체(100); 및 전력 변환 구조체(100) 내의 스위칭 트랜지스터의 제어 노드에 연결되고, 전력 변환 구조체(100) 내의 스위칭 트랜지스터의 제어 노드에 스위칭 제어 신호를 출력하여 전력 변환 구조체(100)가 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작하도록 구성하는 컨트롤러(400); 를 포함하며, 제1 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴오프되며, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 인덕터(L1)는 3-레벨 벅 변환기로 구성되며, 제2 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴온되며, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)는 스위치드 커패시터 변환기로 구비된다.
전력 변환 시스템의 원리 및 장점은 전술한 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예는 전자 장치(40)를 더 제공하며, 상기 전자 장치(40)는 예를 들어 휴대용 장치(휴대폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 시계 및/또는 기타 유사한 전자 장치를 포함)일 수 있다. 구체적으로, 도 9에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략도를 참조하면, 전자 장치는 도 3에 도시된 전력 변환 구조체(100); 제1 단부는 제6 스위칭 트랜지스터(Q6)를 통해 인덕터(L1)의 제2 단부에 연결되고, 제2 단부는 접지되는 배터리 팩(300); 인덕터(L1)의 제2 단부에 연결되어 인덕터(L1)의 제2 단부에서 출력되는 전기적 신호(Vout)를 수신하는 부하(200); 를 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 인덕터(L1)의 제2 단부는 곧 전력 변환 구조체(100)의 출력단이다. 부하(200)는 전자 장치의 전력 소비 장치일 수 있으며, 예를 들어 휴대용 장치(휴대폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 시계 및/또는 기타 유사한 전자 장치를 포함)의 전력 소비 장치일 수 있다. 배터리 팩(300)은 전자 장치 내부의 충전식 배터리 팩일 수 있으며, 예를 들어 휴대용 장치(휴대폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 시계 및/또는 기타 유사한 전자 장치를 포함) 내부의 충전식 배터리 팩일 수 있다.
도 10 도시된 본 출원의 일 실시예의 전원 시스템의 개략도를 참조하면, 실제 응용에서, 전자 장치(40)의 전력 소비 유닛이 전원공급을 필요로 하거나, 및/또는 전자 장치의 배터리 팩(300)을 충전해야 하는 경우, 어댑터(30)를 전자 장치(40)에 연결하여 전력 변환 구조체의 입력단(din)에 입력전압(Vin)을 제공하며, 컨트롤러(400)는 배터리 팩(300)의 상이한 충전 조건에 응답하여 전력 변환 구조체(100)가 대응되는 동작 모드로 동작하도록 제어한다.
배터리 팩(300)의 전체 충전 과정은 세류 충전 단계, 사전 충전 단계, 정전류 충전 단계, 정전압 충전 단계 및 충전 종료 단계를 포함한다. 실제로 적용된 실시예에서, 상술한 제1 동작 모드는 배터리 팩(300)에 세류 충전, 사전 충전, 정전압 충전을 하기 위한 제2 단계 및 충전 종료 단계 중 어느 하나를 수행하는 데 사용된다. 상술한 제2 동작 모드는, 배터리 팩(300)에 대한 정전압 충전의 제1 단계 및 정전류 충전 중 어느 한 단계이며, 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전압 충전 단계의 제2 단계는 배터리 팩의 정전압 충전 단계를 형성한다. 따라서, 본 출원에서 제공되는 전력 변환 구조체는 배터리 팩(300)의 전체 충전 과정에서 높은 효율을 구현할 수 있다.
실제 응용에서 정전압 충전의 제1 단계는 충전 전류가 정전류 충전 단계의 전류에서 일정한 전류 값으로 감소하는 단계를 말하며, 정전압 충전의 제2 단계는 충전 전류가 상기 일정한 전류 값에서 0암페어로 감소하거나 충전 종료 단계의 전류 단계를 의미한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 일정한 전류 값은 6암페어이다.
전술한 실시예에서, 제6 스위칭 트랜지스터(Q6)는 턴온되어 전자 장치의 전력 소비 유닛(즉, 부하(200))에 전원을 공급을 구현하는 동시에, 전자 장치의 배터리 팩(300) 충전을 구현하도록 구성되거나, 전자 장치의 배터리 팩(300)이 부하(200)에 전원을 공급하도록 하며, 제6 스위칭 트랜지스터(Q6)는 턴오프되도록 하여, 전자 장치의 전력 소비 유닛(즉, 부하(200))에만 전원을 공급하도록 구성되며, 즉 제6 스위칭 트랜지스터(Q6)는 전력 경로 관리 기능을 구현한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전술한 스위칭 트랜지스터는 모두 MOSFET이고, 모두 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 포함한다. 여기서, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)의 드레인 전극은 입력단(din)에 연결되고, 제2 스위칭 트랜지스터(Q2)의 소스 전극은 제3 스위칭 트랜지스터(Q3)의 드레인 전극에 연결되며, 제3 스위칭 트랜지스터(Q3)의 소스 전극은 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)의 드레인 전극에 연결되며, 제4 스위칭 트랜지스터(Q4)의 소스 전극은 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)의 드레인 전극에 연결되며, 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)의 소스 전극은 접지된다. 제7 스위칭 트랜지스터(Q7), 제8 스위칭 트랜지스터(Q8), 제9 스위칭 트랜지스터(Q9), 제10 스위칭 트랜지스터(Q10)에 의해 형성되는 브랜치의 연결 관계는 제2 스위칭 트랜지스터(Q2), 제3 스위칭 트랜지스터(Q3), 제4 스위칭 트랜지스터(Q4), 제5 스위칭 트랜지스터(Q5)에 의해 형성되는 브랜치의 연결 관계와 동일하며, 여기서 중복하여 설명하지 않는다. 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)의 제1 단부는 드레인 전극이고, 제2 단부는 소스 전극이다.
본 발명의 일 실시예에서, 전술한 스위칭 트랜지스터는 바이폴라 접합 트랜지스터, 초접합 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 질화갈륨 기반 전력 장치 및/또는 유사한 장치일 수 있다. 본 분야에서 스위치 제어 신호를 수신하여 턴온되거나 턴오프되는 장치라면 모두 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서, 전술한 스위칭 트랜지스터는 모두 하나의 스위칭 트랜지스터를 포함하는 것을 예로 구현되었고, 실제 적용에서 각 스위칭 트랜지스터는 모두 직렬 및/또는 병렬인 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 출원은 전력 변환 방법을 더 제공하며, 도 3 내지 도 9를 참조하면, 전력 변환 구조체를 배터리 팩(300)에 결합시키는 단계; 입력 전압을 제공하는 단계; 배터리 팩(300)의 상이한 충전 조건에 응답하여 전력 변환 구조체를 상이한 동작 모드로 구성하는 단계; 를 포함하며, 전력 변환 구조체는 도 3을 참조할 수 있다.
상기 전력 변환 방법은 도 3에 도시된 전력 변환 구조체의 장점을 구비하며, 여기서 반복하여 서술하지 않는다.
더 나아가, 배터리 팩(300)의 상이한 충전 조건에 응답하여, 전력 변환 구조체를 상이한 동작 모드로 구성하며, 상기 전력 변환 구조체는 배터리 팩(300)의 제1 충전 단계 조건에 응답하여 전력 변환 구조체를 제1 동작 모드로 구성하며, 상기 제1 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴오프되게 구성하고, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 인덕터(L1)는 3-레벨 벅 변환기로 구성하며; 배터리 팩(300)의 제2 충전 단계 조건에 응답하여 전력 변환 구조체를 제2 동작 모드로 구성하며, 제2 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터(Q1)는 턴온되게 구성되고, 제1 스위치 시리즈 브랜치(110), 제1 플라잉 커패시터(Cf1) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)는 스위치드 커패시터 변환기로 구성된다. 이의 원리 및 작용은 도 3 및 도 5에 도시된 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
실제로 적용된 실시예에서, 배터리 팩(300)의 전체 충전 과정은 세류 충전 단계, 사전 충전 단계, 정전압 충전 단계, 정전류 충전 단계 및 충전 종료 단계를 포함한다 상술한 제1 충전 모드는 배터리 팩(300)에 세류 충전, 사전 충전, 정전압 충전의 제2 단계 및 충전 종료 단계 중 어느 하나를 수행하는 데 사용된다. 상술한 제2 충전 모드는, 배터리 팩(300)에 대한 정전압 충전의 제1 단계 및 정전류 충전 중 어느 한 단계이며, 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전압 충전 단계의 제2 단계는 배터리 팩의 정전압 충전 단계를 형성한다. 따라서, 본 출원에서 제공되는 전력 변환 방법은 배터리 팩(300)의 전체 충전 과정에서 높은 효율을 구현할 수 있다.
상술한 전력 변환 구조체와 마찬가지로, 제2 스위치 시리즈 브랜치(120) 및 제2 플라잉 커패시터(Cf2)를 더 포함할 수 있으며, 제2 동작 모드에서 제2 스위치 시리즈 브랜치(120), 제2 플라잉 커패시터(Cf2) 및 제1 출력 커패시터(Cout1)를 스위치드 커패시터 변환기로 구성하는 단계를 더 포함한다. 그 원리 및 작용은 전술한 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에서, 칩 유닛을 더 제공할 수 있으며, 도 11a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도 및 도 11b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도를 참조하기 바란다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 칩 유닛(500)은, 입력 핀(Vbus), 전환 핀(SW), 시스템 단자 핀(SYS), 배터리 단자 핀(BAT), 접지 핀(GND), 제1 플라잉 커패시터 상단 핀(CHF1), 제1 플라잉 커패시터 하단 핀(CHL1), 스위칭 핀(SQ)을 포함하며, 칩 유닛(500)과 칩 유닛(500') 내에는 입력 핀(Vbus)과 제1 상부전극 플레이트 노드(dH1) 사이에 연결되며, 제2 제어 노드(dQ2)를 포함하는 제2 스위칭 트랜지스터(Q2); 제1 상부 플레이트 노드(dH1)와 제1 중간 노드(dM1) 사이에 연결되고, 제3 제어 노드(dQ3)를 구비하며, 제1 중간 노드(dM1)는 전환 핀(SW)에 연결되고, 전환 핀(SW)은 칩 유닛(500)과 칩 유닛(500') 외부의 인덕터(L1)의 제1 단부에 연결되는 제3 스위칭 트랜지스터(Q3); 제1 중간 노드(dM1)와 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1) 사이에 연결되고, 제4 제어 노드(dQ4)를 구비하는 제4 스위칭 트랜지스터(Q4); 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1)와 접지 핀(GND) 사이에 연결되고, 제5 제어 노드(dQ5)를 구비하는 제5 스위칭 트랜지스터(Q5); 제1 단부가 스위칭 핀(SQ)에 연결되고, 제2 단부가 접지 핀(GND)에 연결되며, 제1 제어 노드(dQ1)를 구비하며, 스위칭 핀(SQ)은 칩 유닛(500) 외부에 위치하는 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제1 단부에 연결되고, 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제2 단부는 인덕터(L1)의 제1 단부에 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터(Q1), 또는, 제1 단부가 전환 핀(SW)에 연결되고, 제2 단부가 스위칭 핀(SQ)에 연결되며, 제1 제어 노드(dQ1)를 구비하며, 스위칭 핀(SQ)은 칩 유닛(500') 외부에 위치하는 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제1 단부에 연결되고, 제1 출력 커패시터(Cout1)의 제2 단부는 접지 핀(GND)에 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터(Q1); 제1 상부전극 플레이트 노드(dH1)에 연결되고, 칩 유닛(500)과 칩 유닛(500') 외부에 위치하는 제1 플라잉 커패시터(Cf1)의 제1 단부에 연결되는 제1 플라잉 커패시터 상단 핀(CHF1); 제1 하부전극 플레이트 노드(dL1)에 연결되며 칩 유닛(500)과 칩 유닛(500') 외부에 위치하는 제1 플라잉 커패시터(Cf1)의 제2 단부에 연결되는 제1 플라잉 커패시터 하단 핀(CHL1); 인덕터(L1)의 제2 단부에 연결되는 시스템 단자 핀(SYS); 칩 유닛(500)과 칩 유닛(500') 외부에 위치하는 배터리 팩(300)을 연결하는 배터리 단자 핀(BAT); 이 집적되어 있다.
그 원리 및 효과는 전술한 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 칩 유닛(500)과 칩 유닛(500')의 내부에는 시스템 단자 핀(SYS)과 배터리 단자 핀(BAT) 사이에 연결되며, 제6 제어 노드(dQ6)를 구비하는 제6 스위칭 트랜지스터(Q6)가 더 포함된다. 그 원리 및 효과는 전술한 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
상술한 전력 변환 구조체와 유사하게, 도 12에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 칩 유닛의 개략적인 회로도를 참조하기 바란다. 칩 유닛(500'') 내부에는 제7 스위칭 트랜지스터(Q7), 제8 스위칭 트랜지스터(Q8), 제9 스위칭 트랜지스터(Q9) 및 제10 스위칭 트랜지스터(Q10)가 더 집적되며, 이들의 연결 관계는 상술한 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다. 칩 유닛(500'')은 제2 상부전극 플레이트 노드(dH2)에 연결되며, 칩 유닛(500'') 외부에 위치하는 제2 플라잉 커패시터(Cf2)의 제1 단부에 연결되는 제2 플라잉 커패시터의 상단 핀(CHF2); 및 제2 하부전극 플레이트 노드(dL2)에 연결되며, 칩 유닛(500'') 외부에 위치하는 제2 플라잉 커패시터(Cf2)의 제2 단부에 연결되는 제2 플라잉 커패시터의 하단 핀(CHL2); 을 더 포함한다. 그 원리 및 효과는 전술한 전력 변환 구조체와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 11a 및 도 11b 및 도 12에 도시된 바와 같이, 칩 유닛은 스위칭 트랜지스터를 칩 유닛 내부에 집적하고, 인덕터, 커패시터 등의 부피가 큰 부품을 칩 유닛 외부에 배치함으로써, 칩 유닛의 집적도를 향상시킬 수 있으며, 이는 전력 칩의 고집적화에 대한 요구에 대한 현단계의 요구에 부합한다. 칩 유닛 외부에 상응한 인덕터 및/또는 커패시터를 구성하여 전력 변환의 기능을 구현할 수 있으므로, 칩 유닛을 적용함에 있어서의 유연성을 향상시킨다. 도 11a 및 도 11b 및 도 12에 도시된 칩 유닛은 주변 인덕터 및/또는 커패시터와 결합하여 전력 변환 구조체(100)의 전술한 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작할 수 있으며, 그 기술효과는 동일하다.
전술한 각 실시예는 본 발명의 기술방안을 설명하기 위해 사용된 것일 뿐, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의해야 한다. 전술한 각 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만 당업자는 전술한 실시예에 기재된 기술방안을 변경하거나 일부 또는 전부 기술특징에 대해 동등한 대체가 가능하며, 이와 같은 변경 또는 대체는 해당되는 기술방안의 요지를 본 발명의 실시예의 기술방안의 범위에서 벗어나게 하는 것이 아님을 이해해야 한다.
Claims (14)
- 전력 변환 구조체에 있어서,
입력전압을 수신하는 입력단;
직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 상기 입력단에 연결되는 제1 단부, 접지 단에 연결되는 제2 단부, 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제3 단부, 제1 상부전극 플레이트 노드 및 제1 하부전극 플레이트 노드를 포함하는 제1 스위치 시리즈 브랜치;
상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 상기 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되는 제1 플라잉 커패시터; 및
상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부 및 내부에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터 및 제1 출력 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치; 를 포함하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터는 제1 제어 노드를 포함하고,
상기 전력 변환 구조체는 상기 인덕터의 제2 단부를 통해 배터리 팩에 충전하며, 상기 배터리 팩의 제1 충전 단계 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 제1 동작 모드로 구성하며, 상기 제1 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터는 턴오프되게 구성하고, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제1 플라잉 커패시터 및 상기 인덕터는 3-레벨 벅 변환기로 구성하며; 상기 배터리 팩의 제2 충전 단계 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 제2 동작 모드로 구성하며, 상기 제2 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터는 턴온되게 구성하고, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제1 플라잉 커패시터 및 상기 제1 출력 커패시터는 스위치드 커패시터 변환기로 구성하며,
상기 제1 충전 단계는 상기 배터리 팩에 대한 세류 충전 단계, 사전 충전 단계, 정전압 충전 단계의 제2 단계 및 충전 차단 단계의 임의의 단계를 포함하며, 상기 제2 충전 단계는 상기 배터리 팩에 대한 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전류 충전 단계의 임의의 단계를 포함하며, 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전압 충전 단계의 제2 단계는 상기 배터리팩의 정전압 충전 단계를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 제1 출력 커패시터의 제1 단부는 상기 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 제1 단부를 형성하고, 상기 제1 출력 커패시터의 제2 단부는 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제1 단부에 연결되며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제2 단부는 상기 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 제2 단부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제1 단부는 상기 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 제1 단부를 형성하고, 상기 제1 스위칭 트랜지스터의 제2 단부는 상기 제1 출력 커패시터의 제1 단부에 연결되며, 상기 제1 출력 커패시터의 제2 단부는 상기 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치의 제2 단부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 인덕터의 제2 단부와 상기 접지단 사이에 연결되는 제2 출력 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체.
- 제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치는, 직렬로 연결되는 제2 스위칭 트랜지스터, 제3 스위칭 트랜지스터, 제4 스위칭 트랜지스터 및 제5 스위칭 트랜지스터를 포함하며, 상기 제2 스위칭 트랜지스터는 상기 입력단과 제1 상부전극 플레이트 노드 사이에 연결되고, 상기 제2 스위칭 트랜지스터는 제2 제어 노드를 구비하며, 상기 제3 스위칭 트랜지스터는 상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부 사이에 연결되고, 상기 제3 스위칭 트랜지스터는 제3 제어 노드를 구비하며, 상기 제4 스위칭 트랜지스터는 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부와 상기 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되고, 상기 제4 스위칭 트랜지스터는 제4 제어 노드를 구비하며, 상기 제5 스위칭 트랜지스터는 상기 제1 하부전극 플레이트 노드와 상기 접지단 사이에 연결되고, 상기 제5 스위칭 트랜지스터는 제5 제어 노드를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체.
- 제1항에 있어서, 직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 상기 입력단에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3단부에 연결되는 제3 단부, 제2 상부전극 플레이트 노드 및 제2 하부전극 플레이트 노드를 포함하는 제2 스위치 시리즈 브랜치; 및 상기 제2 상부전극 플레이트 노드와 상기 제2 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되는 제2 플라잉 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체.
- 제6항에 있어서,
상기 제2 스위치 시리즈 브랜치는, 직렬로 연결되는 제7 스위칭 트랜지스터, 제8 스위칭 트랜지스터, 제9 스위칭 트랜지스터 및 제10 스위칭 트랜지스터를 포함하며, 상기 제7 스위칭 트랜지스터는 상기 입력단과 상기 제2 상부전극 플레이트 노드 사이에 연결되고, 상기 제7 스위칭 트랜지스터는 제7 제어 노드를 구비하며, 제8 스위칭 트랜지스터는 상기 제2 상부전극 플레이트 노드와 상기 제2 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부 사이에 연결되고, 상기 제8 스위칭 트랜지스터는 제8 제어 노드를 구비하며, 상기 제9 스위칭 트랜지스터는 상기 제2 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부와 상기 제2 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되고, 상기 제9 스위칭 트랜지스터는 제9 제어 노드를 구비하며, 제10 스위칭 트랜지스터는 상기 제2 하부전극 플레이트 노드와 상기 접지단 사이에 연결되고, 상기 제10 스위칭 트랜지스터는 제10 제어 노드를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 구조체. - 전력 변환 시스템에 있어서,
제1항에 따른 상기 전력 변환 구조체; 및
상기 전력 변환 구조체 내부의 스위칭 트랜지스터의 제어 노드에 연결되고, 상기 전력 변환 구조체 내부의 스위칭 트랜지스터의 제어 노드에 스위칭 제어 신호를 출력하여, 상기 배터리 팩의 상기 제1 충전 단계의 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 상기 제1 동작 모드로 구성하고, 상기 배터리 팩의 상기 제2 충전 단계의 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 상기 제2 동작 모드로 구성하는 컨트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템. - 전자 장치에 있어서,
제1항에 따른 상기 전력 변환 구조체;
제1 단부는 제6 스위칭 트랜지스터를 통해 상기 인덕터의 제2 단부에 연결되고, 제2 단부는 접지되는 배터리 팩;
상기 인덕터의 제2 단부에 연결되어 상기 인턱터의 제2 단부가 출력하는 전기적 신호를 수신하는 부하; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치. - 전력 변환 방법에 있어서,
전력 변환 구조체를 배터리 팩에 결합시키는 단계; 상기 전력 변환 구조체는,
입력전압을 수신하는 입력단;
직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 상기 입력단에 연결되는 제1 단부, 접지 단에 연결되는 제2 단부, 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제3 단부, 제1 상부전극 플레이트 노드 및 제1 하부전극 플레이트 노드를 포함하는 제1 스위치 시리즈 브랜치;
상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 상기 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되는 제1 플라잉 커패시터;
상기 제1 스위치 시리즈 브랜치의 제3 단부에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부 및 내부에 직렬로 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터 및 제1 출력 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 시리즈 브랜치; 를 포함하며, 상기 제1 스위칭 트랜지스터는 제1 제어 노드를 포함하며,
상기 입력 전압을 제공하는 단계; 및
상기 배터리 팩의 제1 충전 단계 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 제1 동작 모드로 구성하며, 상기 제1 동작 모드에서 제1 스위칭 트랜지스터는 턴오프되게 구성하고, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제1 플라잉 커패시터 및 상기 인덕터는 3-레벨 벅 변환기로 구성하는 단계;
상기 배터리 팩의 제2 충전 단계 조건에 응답하여 상기 전력 변환 구조체를 제2 동작 모드로 구성하며, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 스위칭 트랜지스터는 턴온되게 구성하고, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제1 플라잉 커패시터 및 상기 제1 출력 커패시터는 스위치드 커패시터 변환기로 구성하는 단계; 를 포함하며,
상기 제1 충전 단계는 상기 배터리 팩에 대한 세류 충전 단계, 사전 충전 단계, 정전압 충전 단계의 제2 단계 및 충전 차단 단계의 임의의 단계를 포함하며, 상기 제2 충전 단계는 상기 배터리 팩에 대한 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전류 충전 단계의 임의의 단계를 포함하며, 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전압 충전 단계의 제2 단계는 상기 배터리팩의 정전압 충전 단계를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법. - 제10항에 있어서, 직렬로 연결되는 복수의 스위칭 트랜지스터를 포함하고, 상기 입력단에 연결되는 제1 단부, 상기 접지단에 연결되는 제2 단부, 상기 제1 스위치 시리즈 브랜치에 연결되는 제3 단부, 제2 상부전극 플레이트 노드 및 제2 하부전극 플레이트 노드를 포함하는 제2 스위치 시리즈 브랜치; 및 상기 제2 상부전극 플레이트 노드와 상기 제2 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되는 제2 플라잉 커패시터; 를 더 포함하며, 상기 전력 변환 구조체를 제2 동작 모드로 구성할 경우, 상기 제2 스위치 시리즈 브랜치, 상기 제2 플라잉 커패시터 및 상기 제1 출력 커패시터를 스위치드 커패시터 변환기로 구성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 방법.
- 칩 유닛에 있어서, 상기 칩 유닛은,
입력전압을 수신하는 입력 핀;
상기 입력 핀과 제1 상부전극 플레이트 노드 사이에 연결되며, 제2 제어 노드를 구비하는 제2 스위칭 트랜지스터;
상기 제1 상부전극 플레이트 노드와 제1 중간 노드 사이에 연결되고, 제3 제어 노드를 구비하며, 상기 제1 중간 노드는 전환 핀에 연결되고, 상기 전환 핀은 칩 유닛 외부의 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제3 스위칭 트랜지스터;
상기 제1 중간 노드와 제1 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되고, 제4 제어 노드를 구비하는 제4 스위칭 트랜지스터;
상기 제1 하부전극 플레이트 노드와 접지 핀 사이에 연결되고, 제5 제어 노드를 구비하는 제5 스위칭 트랜지스터;
제1 단부가 스위칭 핀에 연결되고, 제2 단부가 상기 접지단에 연결되며, 제1 제어 노드를 구비하며, 상기 스위칭 핀은 칩 유닛 외부에 위치하는 제1 출력 커패시터의 제1 단부에 연결되고, 제1 출력 커패시터의 제2 단부는 상기 인덕터의 제1 단부에 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터, 또는, 제1 단부가 상기 전환 핀에 연결되고, 제2 단부가 스위칭 핀에 연결되며, 제1 제어 노드를 구비하며, 상기 스위칭 핀은 칩 유닛 외부에 위치하는 제1 출력 커패시터의 제1 단부에 연결되고, 제1 출력 커패시터의 제2 단부는 상기 접지단에 연결되는 제1 스위칭 트랜지스터;
상기 제1 상부전극 플레이트 노드에 연결되며 칩 유닛 외부의 제1 플라잉 커패시터의 제1 단부에 연결되는 제1 플라잉 커패시터 상단 핀;
상기 제1 하부전극 플레이트 노드에 연결되며, 칩 유닛 외부의 제1 플라잉 커패시터의 제2 단부에 연결되는 제1 플라잉 커패시터 하단 핀;
상기 인덕터의 제2 단부에 연결되는 시스템 단자 핀;
칩 유닛 외부에 위치하는 배터리 팩에 연결되는 배터리 단자 핀;
상기 배터리 팩의 제1 충전 단계 조건에 응답하여 상기 제1 스위칭 트랜지스터를 턴오프되게 구성하고, 상기 배터리 팩의 제2 충전 단계 조건에 응답하여 제1 스위칭 트랜지스터를 턴온되게 구성하며,
상기 제1 충전 단계는 상기 배터리 팩에 대한 세류 충전 단계, 사전 충전 단계, 정전압 충전 단계의 제2 단계 및 충전 차단 단계의 임의의 단계를 포함하며, 상기 제2 충전 단계는 상기 배터리 팩에 대한 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전류 충전 단계의 임의의 단계를 포함하며, 정전압 충전 단계의 제1 단계 및 정전압 충전 단계의 제2 단계는 상기 배터리팩의 정전압 충전 단계를 형성하는 것을 특징으로 하는 칩 유닛. - 제12항에 있어서,
상기 시스템 단자 핀과 상기 배터리 단자 핀 사이에 연결되며, 제6 제어 노드를 구비하는 제6 스위칭 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칩 유닛. - 제12항에 있어서,
상기 입력 핀과 제2 상부전극 플레이트 노드 사이에 연결되며, 제7 제어 노드를 구비하는 제7 스위칭 트랜지스터;
상기 제2 상부전극 플레이트 노드와 제2 중간 노드 사이에 연결되며, 제8 제어 노드를 구비하며, 상기 제2 중간 노드는 상기 제1 중간 노드에 연결되는 제8 스위칭 트랜지스터;
상기 제2 중간 노드와 제2 하부전극 플레이트 노드 사이에 연결되며, 제9 제어 노드를 구비하는 제9 스위칭 트랜지스터;
상기 제2 하부전극 플레이트 노드와 상기 접지 핀 사이에 연결되며, 제10 제어 노드를 구비하는 제10 스위칭 트랜지스터;
상기 제2 상부전극 플레이트 노드에 연결되며, 칩 유닛 외부에 위치하는 제2 플라잉 커패시터의 제1 단부에 연결되는 제2 플라잉 커패시터 상단 핀;
상기 제2 하부전극 플레이트 노드에 연결되며, 칩 유닛 외부에 위치하는 제2 플라잉 커패시터의 제2 단부에 연결되는 제2 플라잉 커패시터 하단 핀; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칩 유닛.
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