KR102758828B1 - 순환 전류 억제 회로를 갖는 병렬 dc-dc 컨버터 - Google Patents

순환 전류 억제 회로를 갖는 병렬 dc-dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

컨버터는 DC 버스, 제1 DC-DC 컨버터, 제2 DC-DC 컨버터, 및 복수의 순환 전류 억제 회로를 포함한다. 제1 DC-DC 컨버터는 DC 버스에 결합되고 제1 복수의 스위치를 포함한다. 제2 DC-DC 컨버터는 제1 DC-DC 컨버터와 병렬로 DC 버스에 결합된다. 제2 DC-DC 컨버터는 제2 복수의 스위치를 포함한다. 복수의 순환 전류 억제 회로는 DC 버스에 결합되고 제1 DC-DC 컨버터 및 제2 DC-DC 컨버터에 추가로 각각 결합된다. 복수의 순환 전류 억제 회로 각각은 제1 및 제2 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖는다. 복수의 순환 전류 억제 회로는 스위칭 주파수 또는 그 근처에서 전류를 억제하고 적어도 직류를 통과시키도록 구성된다.

Description

순환 전류 억제 회로를 갖는 병렬 DC-DC 컨버터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명자를 Zheyu Zhang 등으로 지정하고 "순환 전류 억제 회로를 갖는 병렬 DC-DC 컨버터 (Paralleled DC-DC Converters with Circulating Current Suppression Circuit)"라는 명칭으로 2019년 6월 24일에 출원된, 미국 가출원 제 62/865,786호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로 포함된다.
본 개시의 분야는 일반적으로 병렬 직류(DC)-직류 컨버터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 DC-DC 컨버터에 사용하기 위한 순환 전류 억제 회로에 관한 것이다.
DC-DC 컨버터에 포함된 컨버터 회로와 같이 공지된 컨버터 회로는 제1 버스와 제2 버스 사이, 또는 입력 버스와 출력 버스 사이에 병렬로 결합된 다중 DC-DC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터는 일반적으로 하나의 DC 레벨에서 다른 DC 레벨로의 변환을 생성하는 방식으로 제어되는 다양한 스위치 또는 스위칭 회로를 포함한다. 대안적으로, 적어도 일부 다른 병렬 컨버터 회로는 AC에서 DC로 또는 DC에서 AC로의 변환을 생성하도록 스위칭을 유사하게 제어할 수 있다. 더 큰 컨버터 내에 병렬로 다중 컨버터를 포함하면 예를 들어 더 큰 컨버터 또는 그 내부에 컨버터가 구현되는 기타 장치의 전체 전력 용량이 일반적으로 증가한다.
다중 컨버터가 제 1 버스와 제 2 버스 사이에 병렬로 연결되면, 컨버터 각각의 스위칭 회로의 비동기(asynchronous) 제어와 각각의 입력 또는 출력 단자에서 컨버터 자체 내에 종종 존재하는 전압 리플로 인해 명시된 병렬 컨버터 쌍 사이의 저 임피던스 연결 상에서 순환 전류가 발생한다. 병렬 DC-DC 컨버터와 같은 병렬 컨버터 사이의 순환 전류를 줄이는 것이 바람직할 것이다.
일 양태에서, 병렬 컨버터용 회로가 제공된다. 각각의 병렬 컨버터는 복수의 스위치를 갖는다. 회로는 양의 버스 및 음의 버스를 갖는 직류(DC) 버스를 포함한다. 양의 버스 및 음의 버스는 각각 병렬 컨버터에 결합되도록 구성된다. 회로는 병렬 컨버터 각각에서 양의 버스와 음의 버스를 가로질러 결합된 복수의 인덕터-커패시터(LC) 직렬 회로를 포함한다. 복수의 LC 직렬 회로 각각은 연관된 병렬 컨버터의 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖는다. 복수의 LC 직렬 회로 각각은 스위칭 주파수 근처에서 전류를 분로하고 최소한 직류에 대한 개방 회로로서 기능하도록 구성된다.
다른 일 양태에서, 병렬 컨버터용 다른 회로가 제공된다. 각각의 병렬 컨버터는 복수의 스위치를 갖는다. 회로는 양의 버스 및 음의 버스를 갖는 직류(DC) 버스를 포함한다. 양의 버스 및 음의 버스는 각각 병렬 컨버터에 결합되도록 구성된다. 회로는 병렬 컨버터 각각에서 양의 버스 및 음의 버스와 직렬로 결합된 복수의 LC 병렬 회로를 포함한다. 복수의 LC 병렬 회로 각각은 연관된 병렬 컨버터의 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖는다. 복수의 LC 병렬 회로 각각은 스위칭 주파수 또는 그 근처에서 전류를 차단하고 최소한 직류를 통과시키도록 구성된다.
또 다른 일 양태에서, 컨버터가 제공된다. 컨버터는 DC 버스, 제1 DC-DC 컨버터, 제2 DC-DC 컨버터 및 복수의 순환 전류 억제 회로를 포함한다. 제1 DC-DC 컨버터는 DC 버스에 결합되고 제1 복수의 스위치를 포함한다. 제2 DC-DC 컨버터는 제1 DC-DC 컨버터와 병렬로 DC 버스에 결합된다. 제2 DC-DC 컨버터는 제2 복수의 스위치를 포함한다. 복수의 순환 전류 억제 회로는 DC 버스에 결합되고 제1 DC-DC 컨버터 및 제2 DC-DC 컨버터에 추가로 각각 결합된다. 복수의 순환 전류 억제 회로 각각은 제1 및 제2 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖는다. 복수의 순환 전류 억제 회로는 스위칭 주파수 또는 그 근처에서 전류를 억제하고 최소한 직류를 통과시키도록 구성된다.
본 개시의 전술한 특징 및 다른 특징, 양태 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명을 읽었을 때 더 잘 이해될 수 있다. 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 예시적인 병렬 DC-DC 컨버터의 개략도이다.
도 2는 예시적인 순환 전류 억제 회로를 갖는 병렬 DC-DC 컨버터의 개략도이다.
도 3은 다른 예시적인 순환 전류 억제 회로를 갖는 병렬 DC-DC 컨버터의 개략도이다.
도 4는 순환 전류 억제 회로의 일 실시예를 갖는 병렬 플라잉 커패시터 DC-DC 컨버터의 개략도이다.
도 5는 순환 전류 억제 회로의 다른 실시예를 갖는 병렬 플라잉 커패시터 DC-DC 컨버터의 개략도이다.
달리 표시되지 않는 한, 여기에 제공된 도면은 본 개시의 실시예들의 특징을 설명하기 위한 것이다. 이러한 특징은 본 개시의 하나 이상의 실시예를 포함하는 매우 다양한 시스템에 적용될 수 있을 것으로 보인다. 이에 따라, 도면은 본 명세서에 개시된 실시예들의 실시에 필요한 것으로 당업자에게 알려진 종래의 모든 특징을 포함하도록 의도되지 않는다.
하기의 명세서 및 청구범위에서, 다음과 같은 의미를 지니는 여러 용어가 참조된다.
단수형 "하나"(a, an), "일" 및 "그"(the)는 문맥에서 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"라는 용어는 그러한 용어 뒤에 설명되는 사건 또는 상황이 발생할 수도 있고 발생하지 않을 수도 있음을 의미하며, 해당 표현은 해당 사건이 발생하는 경우와 발생하지 않은 경우를 포함한다.
명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 사용된 근사(approximating) 용어는, 그러한 용어가 언급하는 기본 기능의 변경을 초래하지 않으면서 허용 가능하게 달라질 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하는 데 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수정된 값은 명시된 정확한 값으로 국한되지 않는다. 적어도 일부의 경우에, 근사 용어는 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 해당할 수 있다. 여기서 그리고 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, 범위 한정은 결합 및/또는 상호 교환될 수 있고, 문맥이나 용어가 달리 나타내지 않는 한, 이러한 범위는 식별되고 그 안에 포함된 모든 하위 범위를 포함한다.
일부 실시예들은 하나 이상의 전자 처리 또는 컴퓨팅 장치의 사용을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "프로세서" 및 "컴퓨터"라는 용어 및 관련 용어, 예를 들어 "처리 장치", "컴퓨팅 장치" 및 "제어기"는 당업계에서 컴퓨터로 지칭되는 집적 회로에만 국한되지 않고, 프로세서, 처리 장치, 제어기, 범용 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU), 마이크로컨트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그램 가능 논리 제어기(PLC: programmable logic controller), 축소 명령 집합 컴퓨터(RISC: reduced instruction set computer) 프로세서, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA: Field Programmable Gate Array), 디지털 신호처리(DSP: Digital Signal Processing) 장치, 응용 주문형 집적 회로(ASIC: Application Specific Integrated Circuit) 및 본 명세서에 기술된 기능을 실행할 수 있는 기타 프로그램 가능한 회로 또는 처리 장치를 광범위하게 일컬으며, 본 명세서에서 이들 용어는 상호 교환적으로 사용된다. 전술한 실시예들은 예시일 뿐이며, 따라서"프로세서,""처리 장치"라는 용어 및 관련 용어의 정의 또는 의미를 어떤 식으로든 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에 기술된 실시예들에서, 메모리는, 플래시 메모리, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EPROM: erasable programmable read-only memory), 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리 (EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 및 비휘발성 RAM(NVRAM: Non-Volatile RAM)과 같은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하되, 여기에 국한되지는 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는, 휘발성 및 비휘발성 매체 그리고 이동식 및 비이동식 매체(예컨대, 펌웨어, 물리적 및 가상 저장소, CD-ROM, DVD, 네트워크나 인터넷과 같은 임의의 기타 디지털 소스, 및 아직 개발되지 않은 디지털 수단)를 포함하나 이에 국한되지 않는 비일시적 컴퓨터 저장 장치를 포함하나 이에 국한되지 않는 임의의 유형의(tangible) 컴퓨터 판독 가능 매체를 나타내고, 일시적인 전파 신호는 제외한다. 대안적으로, 플로피 디스크, CD-ROM(compact disc - read only memory), 광자기 디스크(MOD: magneto-optical disk), DVD(digital versatile disc), 또는 정보(예컨대, 컴퓨터 판독 가능 명령, 데이터 구조, 프로그램 모듈 및 하위 모듈, 또는 기타 데이터)의 단기 및 장기적 저장을 위해 임의의 방법 또는 기술에 구현된 임의의 기타 컴퓨터 기반 장치가 사용될 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 방법은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 구현된 실행 가능한 명령(예컨대, "소프트웨어" 및 "펌웨어")으로서 인코딩될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "소프트웨어" 및 "펌웨어"라는 용어는 상호 교환 가능하며, 개인용 컴퓨터, 워크스테이션, 클라이언트 및 서버에서 실행하기 위해 메모리에 저장된 임의의 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 이러한 명령은 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 본 명세서에 기술된 방법의 적어도 일부를 수행하게 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실시간"이라는 용어는 관련 이벤트의 발생 시간, 소정의 데이터의 측정 및 수집 시간, 데이터의 처리 시간, 및 이벤트 및 환경에 대한 시스템 응답 시간 중 적어도 하나를 일컫는다. 본 명세서에 기술된 실시예들에서, 이러한 활동 및 이벤트는 실질적으로 즉각적으로 발생한다.
본 개시의 실시예들은 병렬 DC-DC 컨버터와 같은 병렬 컨버터용 순환 전류 억제 회로에 관한 것이다. 본 명세서에 기술된 순환 전류 억제 회로는, 병렬 컨버터 내의 스위칭 회로가 작동하도록 구성되는 스위칭 주파수에 동조된 공진 주파수를 갖는 인덕터-커패시터(LC) 회로를 제공한다. 특정 실시예들에서, LC 회로는 병렬 컨버터 각각에 대한 양 및 음의 DC 버스를 가로질러 결합된, 직렬 결합된 인덕터와 커패시터를 포함한다. 다른 특정 실시예들에서, LC 회로는, 예컨대 병렬 컨버터 각각의 양의 버스와 직렬로 결합된, 병렬 결합된 인덕터와 커패시터를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 병렬 결합된 인덕터와 커패시터는 병렬 컨버터 각각의 음의 버스와 직렬로 결합될 수 있다. 개별 컨버터 내의 전압 리플 및 병렬 컨버터 간의 비동기식 스위칭으로 인해 발생하는 순환 전류를 감소시키기 위해, 본 명세서에 기술된 순환 전류 억제 회로는 병렬 컨버터의 입력 측이나 출력 측 또는 둘 다에 통합될 수 있다. 본 명세서에 기술된 순환 전류 억제 회로는, 순환 전류의 가장 두드러진 소스 중 하나인 순환 전류의 특정 주파수를 억제하면서 병렬 컨버터의 순방향 경로에 큰 임피던스를 도입하지 않는다.
도 1은 예시적인 DC-DC 컨버터(100)의 개략도이다. DC-DC 컨버터(100)는 제1 버스(102) 및 제2 버스(104)를 포함한다. DC-DC 컨버터(100)는, 각각이 제1 버스(102)와 제2 버스(104) 사이에 병렬로 결합된 복수의 병렬 컨버터(106)를 포함한다. 제1 전류 또는 입력 전류는 제1 버스(102) 상에서 입력 단자(111)를 통해 병렬 컨버터(106)에 공급된다. 제2 전류 또는 출력 전류는 병렬 컨버터(106)로부터 출력 단자(113)를 통해 제2 버스(104)상에서 수신되거나, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
제1 버스(102)는 양의 버스(108) 및 음의 버스(110)를 갖는 DC 버스를 포함한다. 제1 버스(102)는 입력 단자(111)에서 병렬 컨버터(106)에 각각 결합한다. DC-DC 컨버터(100)는, 예컨대 광전지 어레이와 같은 재생 가능한 소스에서 배터리와 같은 에너지 저장 장치로 DC 전력을 공급하기 위해 DC 전압을 승압 또는 강압할 수 있다. 특정 실시예들에서, DC-DC 컨버터(100)는 제1 버스(102)를 가로질러(예컨대, 각각의 병렬 컨버터(106)에서 양의 버스(108) 및 음의 버스(110)를 가로질러) 결합된 에너지 저장 커패시터(도시되지 않음)를 포함한다. 에너지 저장 커패시터의 용량 값은, 특정 애플리케이션에 충분한 전력 용량을 제공하기 위해 애플리케이션에 따라 다르다. 예를 들어, 일 실시예에서, 에너지 저장 커패시터는 100 μF 내지 100 mF 범위의 결합 정전용량을 갖는 하나 이상의 커패시터를 포함한다. 일반적으로 고전력 애플리케이션은 더 큰 에너지 저장 정전용량을 사용한다. 에너지 저장 커패시터는 병렬 컨버터(106)의 스위칭 주파수 근처의 동작 주파수 범위 또는 "정격" 주파수를 가져야 한다. 예를 들어, 병렬 컨버터(106)는 1KHz 내지 1MHz 범위의 스위칭 주파수를 사용할 수 있고, 따라서 에너지 저장 커패시터는 적어도 1KHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 작동하도록 정격되어야 한다.
특정 실시예들에서, DC-DC 컨버터(100)는, 각각의 병렬 컨버터(106) 내의 반도체 스위치를 제어하고 DC-DC 컨버터(100) 및 (보다 구체적으로는) 병렬 컨버터(106)를 통해 전도된 총 전류의 제어를 가능하게 하기 위한 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(DSP)(118) 또는 다른 적절한 처리 장치를 포함한다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 병렬 컨버터(106) 각각은 그 내부의 반도체 스위치를 제어하기 위한 전용 DSP(118)를 포함한다.
각각의 병렬 컨버터(106)는, 제2 전류에 공급된 총 전류의 일부를 전도하도록 구성된 하나 이상의 스위칭 장치 또는 반도체 스위치와 같은 스위칭 회로를 갖는 컨버터 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 일반적으로 각 컨버터의 스위칭 장치는 독립적으로 제어되며 정확히 정렬되지 않는다. 즉, 스위칭 장치의 제어는 비동기식(asynchronous)이다. 병렬 컨버터(106) 각각에서의 스위칭 회로의 비동기 제어 및 스위칭 회로에 의해 도입된 스위칭 잡음으로 인한 병렬 컨버터(106) 내의 전압 리플은 명시된 병렬 컨버터(106) 쌍 사이에 순환 전류(120)를 도입할 수 있다. 결과적으로, 이러한 순환 전류(120)는, 병렬 컨버터(106) 각각 내에서 스위칭 회로가 작동하는 스위칭 주파수 근처의 주파수 대역에 주로 있다. 통상적으로, 순환 전류(120)는 각각의 병렬 컨버터의 단자에 큰 인덕턴스를 도입함으로써 억제된다. 그러나 인덕터 자체가 크기가 크고 값이 비싸다.
도 2는 예시적인 순환 전류 억제 회로(200)를 갖는 DC-DC 컨버터(100)의 개략도이다. 각각의 병렬 컨버터(106)는 병렬 컨버터(106)용 입력 단자(111)에서 제1 버스(102)를 가로질러 결합된 순환 전류 억제 회로(200)를 포함한다. 특정 실시예들에서, DC-DC 컨버터(100)는 병렬 컨버터(106)용 출력 단자(113)에서 제2 버스(104)를 가로질러 결합된 순환 전류 억제 회로(200)를 포함한다. DC-DC 컨버터(100)는 특정 실시예에서 병렬 컨버터(106)와 제1 버스(102) 사이 및 병렬 컨버터(106)와 제2 버스(104) 사이에 모두 결합된 순환 전류 억제 회로(200)를 포함할 수 있다. 순환 전류 억제 회로(200)는 커패시턴스(202)와 인덕턴스(204)를 갖는 LC 직렬 회로이다. 커패시턴스(202) 및 인덕턴스(204)는, 이들의 조합이 예를 들어 1KHz 내지 100KHz의 범위에 있을 수 있는 각 병렬 컨버터(106) 내의 스위칭 장치의 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 순환 전류 억제 회로(200)에 제공하도록 선택된다. 일반적으로 공진 주파수 f는 f=1/(2π√LC) 방정식으로 표현되고, 여기서 L은 헨리(Henrys) 단위로 표시된 인덕턴스(204)의 값이며, C는 패러드(Farads) 단위로 표시된 커패시턴스(202)의 값이다. 따라서, 스위칭 주파수 f 및 그 근처에서 발생하는 순환 전류는, 그러한 주파수에서 매우 낮은 임피던스로 기능하는 순환 전류 억제 회로(200)의 LC 직렬 회로를 통해 분로된다.
일반적으로, 순환 전류 억제 회로(200)는 공진 주파수 f 근처에서 전류 주파수 대역을 억제한다. 인덕턴스(204) 및 커패시턴스(202)에 대해 각각 L값 및 C 값이 주어졌을 때, 정확한 전류 억제 수준은 공진 주파수 f가 이러한 전류가 생성되는 주파수에 얼마나 가까운지에 따라 달라진다. f의 주파수를 갖는 전류에 대한 억제 수준이 가장 크다. 전류의 주파수가 f에서 멀어질수록 전류 억제 수준이 감소된다. 일반적으로, 병렬 컨버터(106)에 대한 스위칭 주파수는 디지털 방식으로 제어되고 높은 정밀도로 파악할 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서 인덕턴스(204) 및 커패시턴스(202)는 일반적으로 각각 L 및 C에 대한 특정 수준의 공차 내로 제조된다. 결과적으로, 순환 전류 억제 회로(200)에 대한 공진 주파수 f는 그것을 위해 설계된 병렬 컨버터(106)의 스위칭 주파수와 약간 다를 수 있다. 그러나, 공진 주파수 f에서 가장 큰 전류 억제가 이루어지지만, 순환 전류 억제 회로(200)는 병렬 컨버터(106)에 대한 스위칭 주파수 근처에서 전류를 억제하는데 여전히 효과적이다. 더욱이, 특정 실시예들에서 공진 주파수 f는, 스위칭 주파수 근처에서 순환 전류에 대한 효과적인 전류 억제를 달성하기 위해 스위칭 주파수의 ±10% 이내가 되도록 선택될 수 있다. 다시 말해서, 공진 주파수 f는 스위칭 주파수 또는 그 근처여야 하며 정확하게 병렬 컨버터(106)의 스위칭 주파수일 필요는 없다.
도 3은 또 다른 예시적인 순환 전류 억제 회로(300)를 갖는 DC-DC 컨버터(100)의 개략도이다. 각각의 병렬 컨버터(106)는 병렬 컨버터(106)용 입력 단자(111) 중 하나와 직렬로 결합된 순환 전류 억제 회로(300)를 포함한다. 예를 들어, 특정 실시예들에서 순환 전류 억제 회로(300)는 양의 입력 단자 및 양의 버스(108)와 직렬로 결합된다. 특정 실시예들에서, DC-DC 컨버터(100)는 병렬 컨버터(106)용 출력 단자(113) 중 하나와 직렬로 결합된 순환 전류 억제 회로(300)를 포함한다. DC-DC 컨버터(100)는 특정 실시예들에서 병렬 컨버터(106)와 제1 버스(102) 사이, 그리고 병렬 컨버터(106)와 제2 버스(104) 사이에 모두 결합된 순환 전류 억제 회로(300)를 포함할 수 있다. 순환 전류 억제 회로(300)는 커패시턴스(302) 및 인덕턴스(304)를 갖는 LC 병렬 회로이다. 커패시턴스(302) 및 인덕턴스(304)는, 이들의 조합이 예를 들어 1KHz 내지 100KHz의 범위에 있을 수 있는 각 병렬 컨버터(106) 내의 스위칭 장치의 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 순환 전류 억제 회로에 제공하도록 선택된다. 일반적으로 공진 주파수 f는 f=1/(2π√LC) 방정식으로 표현되고, 여기서 L은 헨리(Henrys) 단위로 표시된 인덕턴스(304)의 값이며, C는 패러드(Farads) 단위로 표시된 커패시턴스(302)의 값이다. 따라서, 주파수 f 및 그 근처에서 발생하는 순환 전류는, 그러한 주파수에서 고 임피던스로 기능하는 순환 전류 억제 회로(200)의 병렬 LC 회로에 의해 차단된다.
일반적으로, 순환 전류 억제 회로(300)는 공진 주파수 f 근처에서 전류 주파수 대역을 억제한다. 인덕턴스(304) 및 커패시턴스(302)에 대해 각각 L값 및 C 값이 주어졌을 때, 정확한 전류 억제 수준은 공진 주파수 f가 이러한 전류가 생성되는 주파수에 얼마나 가까운지에 따라 달라진다. f의 주파수를 갖는 전류에 대한 억제 수준이 가장 크다. 전류의 주파수가 f에서 멀어질수록 전류 억제 수준이 감소된다. 일반적으로, 병렬 컨버터(106)에 대한 스위칭 주파수는 디지털 방식으로 제어되고 높은 정밀도로 파악할 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서 인덕턴스(304) 및 커패시턴스(302)는 일반적으로 각각 L 및 C에 대한 특정 수준의 공차 내로 제조된다. 결과적으로, 순환 전류 억제 회로(300)에 대한 공진 주파수 f는 그것을 위해 설계된 병렬 컨버터(106)의 스위칭 주파수와 약간 다를 수 있다. 그러나, 공진 주파수 f에서 가장 큰 전류 억제가 이루어지지만, 순환 전류 억제 회로(300)는 병렬 컨버터(106)에 대한 스위칭 주파수 근처에서 전류를 억제하는 데 여전히 효과적이다. 더욱이, 특정 실시예들에서 공진 주파수 f는, 스위칭 주파수 근처에서 순환 전류에 대한 효과적인 전류 억제를 달성하기 위해 스위칭 주파수의 ±10% 이내가 되도록 선택될 수 있다. 다시 말해서, 공진 주파수 f는 스위칭 주파수 또는 그 근처여야 하며 정확하게 병렬 컨버터(106)의 스위칭 주파수일 필요는 없다.
도 4는 순환 전류 억제 회로(402)의 일 실시예를 갖는 병렬 플라잉 커패시터 DC-DC 컨버터(400)의 개략도이다. 병렬 플라잉 커패시터 DC-DC 컨버터(400)는 제1 버스(408)와 제2 버스(410) 사이에서 결합된 적어도 두 개의 컨버터(404, 406)를 포함한다. 각각의 컨버터(404, 406)는 제1 버스(408)에서 제2 버스(410)로의 DC-DC 변환에 영향을 미치기 위해 스위칭하도록 제어되도록 구성된 복수의 스위칭 장치(412)를 포함한다. 컨버터(404, 406) 각각은 또한 버스 커패시터(414) 및 플라잉 커패시터(416)를 포함한다.
순환 전류 억제 회로(402)는 각각의 컨버터(404, 406)의 입력에서 제1 버스(408)에 걸쳐 결합된 직렬 결합 LC 회로, 및 각각의 컨버터(404, 406)의 출력에서 제2 버스(410)에 걸쳐 결합된 직렬 결합 LC 회로이다. 도 2에 도시된 실시예와 관련하여 상술한 바와 같이, LC 회로에서 사용되는 커패시턴스 값 및 인덕턴스 값은, 공진 주파수가 스위칭 장치(412)가 작동하는 스위칭 주파수 또는 그 근처이도록 선택된다. 스위칭 장치(412)는 예를 들어 하나 이상의 전력 MOSFET, IGBT 또는 BJT에서 구현될 수 있는 반도체 스위치이다. 이에 따른 LC 회로는 공진 주파수 및 그 근처에서 순환 전류에 대한 션트(shunt)로서 기능한다.
도 5는 순환 전류 억제 회로(502)의 또 다른 실시예를 갖는 병렬 플라잉 커패시터 DC-DC 컨버터(500)의 개략도이다. 병렬 플라잉 커패시터 DC-DC 컨버터(500)는 제1 버스(508)와 제2 버스(510) 사이에서 결합된 적어도 두 개의 컨버터(504, 506)를 포함한다. 각각의 컨버터(504, 506)는 제1 버스(508)에서 제2 버스(510)로의 DC-DC 변환에 영향을 미치기 위해 스위칭하도록 제어되도록 구성된 복수의 스위칭 장치(512)를 포함한다. 컨버터(504, 506) 각각은 또한 버스 커패시터(514) 및 플라잉 커패시터(516)를 포함한다.
순환 전류 억제 회로(502)는 각각의 컨버터(504, 506)의 입력에서 제1 버스(508)와 직렬로 결합된 병렬 결합 LC 회로, 및 각각의 컨버터(504, 506)의 출력에서 제2 버스(510)와 직렬로 결합된 병렬 결합 LC 회로이다. 도 3에 도시된 실시예와 관련하여 상술한 바와 같이, LC 회로에서 사용되는 커패시턴스 값 및 인덕턴스 값은, 공진 주파수가 스위칭 장치(512)가 작동하는 스위칭 주파수 또는 그 근처이도록 선택된다. 스위칭 장치(512)는 예를 들어 하나 이상의 전력 MOSFET, IGBT 또는 BJT에서 구현될 수 있는 반도체 스위치이다. 이에 따른 LC 회로는 공진 주파수 및 그 근처에서 순환 전류에 대한 개방 회로로서 기능한다.
DC-DC 컨버터와 같은 병렬 컨버터용 순환 전류 억제 회로의 전술한 실시예들은, 병렬 컨버터 내의 스위칭 회로가 작동하도록 구성되는 스위칭 주파수에 동조된 인덕터-커패시터(LC) 회로를 제공한다. 특정 실시예들에서, LC 회로는 병렬 컨버터 각각에 대한 양 및 음의 버스를 가로질러 결합된, 직렬 결합된 인덕터와 커패시터를 포함한다. 다른 특정 실시예들에서, LC 회로는, 예컨대 병렬 컨버터 각각의 양의 버스와 직렬로 결합된, 병렬 결합된 인덕터와 커패시터를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 병렬 결합된 인덕터와 커패시터는 병렬 컨버터 각각의 음의 버스와 직렬로 결합될 수 있다. 개별 병합 컨버터 사이의 전압 리플 및 병렬 컨버터 간의 비동기식 스위칭으로 인해 발생하는 순환 전류를 감소시키기 위해, 본 명세서에 기술된 순환 전류 억제 회로는 병렬 컨버터의 입력 측이나 출력 측 또는 둘 다에 통합될 수 있다. 본 명세서에 기술된 순환 전류 억제 회로는, 순환 전류의 가장 두드러진 소스 중 하나인 순환 전류의 특정 주파수를 억제하면서 병렬 컨버터의 순방향 경로에 큰 임피던스를 도입하지 않는다.
본 명세서에 기술된 방법, 시스템 및 장치의 예시적인 기술적 효과는, (a) 인덕터-커패시터 회로를 DC-DC 컨버터에서 사용되는 스위칭 주파수로 동조하는 것, (b) 스위칭 주파수 잡음에서 발생하는 병렬 컨버터 간의 순환 전류를 감소시키는 것, 및 (c) 감소된 순환 전류로 인해 스위칭 회로의 소스 측과 부하 측 상 모두에서 외부 회로로 유입되는 잡음을 감소시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
스위칭 회로를 위한 방법, 시스템 및 장치의 예시적인 실시예들은 본 명세서에 기술된 특정 실시예들에 국한되지 않는다. 이보다는, 시스템의 구성요소 및/또는 방법의 단계는 본 명세서에 기술된 다른 구성요소 및/또는 단계와는 독립적으로 그리고 별도로 활용될 수 있다. 예를 들어, 방법은 또한 다른 비종래의 스위칭 회로와 조합하여 사용될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법으로만 실시하는 것으로 제한되지 않으며, 이보다는, 예시적인 실시예는, 감소된 비용, 감소된 복잡성, 상업적 이용 가능성, 개선된 제조 가능성 및 감소된 제품 출시 기간의 이점을 가지는 많은 다른 애플리케이션, 장비 및 시스템과 관련하여 구현 및 활용될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들의 특정 특징이 일부 도면에 도시되고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 개시의 원리에 따르면, 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.
본 명세서는 예시를 사용하여 최적의 실시예를 포함하는 실시예들을 개시하고, 또한 당업자로 하여금 실시예들을 실시(임의의 장치 또는 시스템을 만들고 사용하며, 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함)할 수 있도록 한다. 본 개시의 특허 가능한 범위는 청구항들에 의해 정의되고, 당업자가 착안할 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들이 청구항들의 문언적 표현과 다르지 않은 구조적 요소를 갖고 있거나 청구항들의 문언적 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우, 이러한 다른 예들은 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 각각이 제각기의 복수의 스위치를 갖는 병렬 컨버터용 회로로서,
    상기 회로는,
    각각 상기 병렬 컨버터에 결합되도록 구성된 양의 버스 및 음의 버스를 포함하는 직류(DC) 버스, 및
    상기 병렬 컨버터의 각각에서, 상기 병렬 컨버터의 입력 단자에 결합되며 상기 양의 버스와 상기 음의 버스를 가로질러 결합된 복수의 인덕터-커패시터(LC) 직렬 회로를 포함하되,
    상기 복수의 LC 직렬 회로의 각각은 연관된 병렬 컨버터의 상기 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖고, 상기 복수의 LC 직렬 회로의 각각은 상기 스위칭 주파수 근처에서 전류를 분로하고 적어도 직류에 대한 개방 회로로서 기능하도록 구성되는,
    병렬 컨버터용 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC 버스는 상기 병렬 컨버터의 상기 입력 단자에 결합되도록 구성되는,
    병렬 컨버터용 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회로는 상기 병렬 컨버터의 출력 단자에 결합되도록 구성된 추가 DC 버스를 더 포함하는,
    병렬 컨버터용 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LC 직렬 회로의 각각은 적어도 하나의 커패시터와 직렬로 결합된 적어도 하나의 인덕터를 포함하는,
    병렬 컨버터용 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LC 직렬 회로는 1KHz 내지 1MHz 범위의 공진 주파수를 갖는,
    병렬 컨버터용 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LC 직렬 회로의 각각은 상기 연관된 병렬 컨버터의 상기 복수의 스위치에 대한 상기 스위칭 주파수의 ±10% 이내의 공진 주파수를 갖는,
    병렬 컨버터용 회로.
  7. 각각이 복수의 스위치를 갖는 병렬 컨버터용 회로로서,
    상기 회로는,
    각각 상기 병렬 컨버터에 결합되도록 구성된 양의 버스 및 음의 버스를 포함하는 직류(DC) 버스, 및
    상기 병렬 컨버터의 각각에서, 상기 병렬 컨버터의 입력 단자와 상기 양의 버스 또는 상기 음의 버스 사이에 직렬로 결합된 복수의 인덕터-커패시터(LC) 병렬 회로를 포함하되,
    상기 복수의 LC 병렬 회로의 각각은 연관된 병렬 컨버터의 상기 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖고, 상기 복수의 LC 병렬 회로의 각각은 상기 스위칭 주파수 근처에서 전류를 차단하고 적어도 직류를 통과시키도록 구성되는,
    병렬 컨버터용 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 DC 버스는 상기 병렬 컨버터의 상기 입력 단자에 결합되도록 구성되는,
    병렬 컨버터용 회로.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 회로는 상기 병렬 컨버터의 출력 단자에 결합되도록 구성된 추가 DC 버스를 더 포함하는,
    병렬 컨버터용 회로.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 LC 병렬 회로의 각각은 적어도 하나의 커패시터와 병렬로 결합된 적어도 하나의 인덕터를 포함하는,
    병렬 컨버터용 회로.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 LC 병렬 회로는 1KHz 내지 1MHz 범위의 공진 주파수를 갖는,
    병렬 컨버터용 회로.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 LC 병렬 회로의 각각은 상기 연관된 병렬 컨버터의 상기 복수의 스위치에 대한 상기 스위칭 주파수의 ±10% 이내의 공진 주파수를 갖는,
    병렬 컨버터용 회로.
  13. 컨버터로서,
    양의 버스 및 음의 버스를 포함하는 직류(DC) 버스,
    상기 직류(DC) 버스에 결합되고 제1 복수의 스위치를 갖는 제1 DC-DC 컨버터,
    상기 제1 DC-DC 컨버터와 병렬로 상기 직류(DC) 버스에 결합되고, 제2 복수의 스위치를 갖는 제2 DC-DC 컨버터, 및
    상기 직류(DC) 버스에 결합되고 상기 제1 DC-DC 컨버터 및 상기 제2 DC-DC 컨버터에 추가로 각각 결합되는 복수의 순환 전류 억제 회로를 포함하되,
    상기 복수의 순환 전류 억제 회로의 각각은 상기 제1 및 제2 복수의 스위치에 대한 스위칭 주파수 또는 그 근처의 공진 주파수를 갖고, 상기 복수의 순환 전류 억제 회로는 상기 스위칭 주파수 근처에서 전류를 억제하고 적어도 직류를 통과시키도록 구성되며,
    상기 복수의 순환 전류 억제 회로는,
    상기 제1 DC-DC 컨버터에서 및 상기 제2 DC-DC 컨버터에서, 상기 제1 및 제2 DC-DC 컨버터의 입력 단자에 결합되고 상기 양의 버스 및 상기 음의 버스를 가로질러 결합된 복수의 인덕터-커패시터(LC) 직렬 회로, 또는
    상기 제1 DC-DC 컨버터에서 및 상기 제2 DC-DC 컨버터에서, 상기 제1 및 제2 DC-DC 컨버터의 상기 입력 단자와 상기 양의 버스 또는 상기 음의 버스 사이에 직렬로 결합된 복수의 인덕터-커패시터(LC) 병렬 회로를 포함하는,
    컨버터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 LC 직렬 회로의 각각은 상기 스위칭 주파수 또는 그 근처에서 전류를 분로하고 적어도 직류에 대한 개방 회로로서 기능하도록 구성되는,
    컨버터.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 LC 병렬 회로의 각각은 상기 스위칭 주파수 또는 그 근처에서 전류를 차단하고 적어도 직류를 통과시키도록 구성되는,
    컨버터.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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