KR20170105642A - 부하 조건의 영역에 있어서 효율적으로 작동하는 전력 변환기 시스템 - Google Patents

부하 조건의 영역에 있어서 효율적으로 작동하는 전력 변환기 시스템 Download PDF

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Abstract

전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 부하에 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 바람직한 효율에서 동작하는 적어도 하나의 전력 변환기; 및 적어도 하나의 전력 변환기가 바람직한 효율 이하의 효율로 동작하는 경우 적어도 하나의 전력 변환기로부터 공급된 전력을 받고 전력을 저장하기 위해 적어도 하나의 전력 변환기와 연결된 전력 저장 시스템을 포함한다.

Description

부하 조건의 영역에 있어서 효율적으로 작동하는 전력 변환기 시스템 {A Power Converter System That Operates Efficiently Over A Range Of Load Conditions}
본 발명은 전력 변환기의 부하의 전 영역에 걸쳐 효율이 최적화되도록 전력 변환기를 설계하고 작동하는 방법에 관한 것이다.
50년대 후반과 60년대 초반 마이크로전자공학의 혁명에 힘입어 소형화 시대에 박차를 가하게 된 시점부터, 전자 장비 및 시스템에 쓰이는 전력 변환 장비는 계속적으로 전력의 밀도와 효율의 향상이라는 과제를 안고 있다. 최근까지, 전력 변환 회로의 효율 증가는 주로 증가된 전력 밀도의 요구에 의해 주도되었다. 왜냐하면 전력 밀도 증가는 전부하효율(full-load efficiency)의 단계적 개선이 열 역학적 기능이 부정적인 영향을 받지 않는 범위 내에서 이루어 지는 것이 전제되어야만 가능하기 때문이다. 결과적으로 전부하효율을 최대화하는 것으로 오랫동안 설계에 초점이 맞추어져 있었다. 그러나, 90년대 초반, 소비자 가전과 데이터 프로세스 장비의 폭발적인 성장은 유휴 상태, 즉 경부하와 전력 소비를 최소로 하는 다양하고 자발적인 요구를 이끌어내는 것을 촉진시켰다. 가장 주목할만한 경부하 효율의 필요조건은 미국 에너지 스타(U.S. Energy Star)와 유럽 행동규약(European Code of Conduct) 사양에 정의되어 있다.
오늘날, 전력 공급 산업은 소비자의 기능에 대한 요구사항에 주목하여 전체적 부하 영역에 걸쳐 효율 향상이 이루어 지도록 하는 주된 초점 전환의 출발점에 있다. 효율에 대한 이와 같은 관심은 지속적이고 공격적인 인터넷 인프라의 성장 그리고 전력 변환 시스템의 상대적으로 낮은 에너지 효율로 의한 경제적인 이유와 환경에 대한 우려에 의해 촉발되었다. 사실상, 그 환경에 대한 우려는 미국 환경 보호국(Environmental Protection Agency, EPA)으로 하여금 에너지 스타 사양을 전력 공급에 대해 최소 효율을 전 부하에서 전 부하의 20%로 수정하도록 만들었다. 그러나, 주요 컴퓨터, 통신 그리고 네트워크 장비 생산업체는 이미 최근의 에너지 스타 사양을 초과하는 경부하 효율을 요구하고 있으며, 그 필요사항을 10% 그리고 심지어 5% 부하까지도 낮추고 있다.
M.D 멀리건, B. 브로치, T.H. 리, "A constant-frequency method for improving light-load efficiency in synchronous buck converters", IEEE POWER Electronics Letters, Volume 3, Issue 1, March 2005, pp.24-29에 개시되 바와 같이 일반적으로, 경부하의 효율이 주로 반도체의 스위칭 손실, 자기적 물질의 코어 손실, 반도체 스위치에서의 구동 손실에 의해 주로 결정되는 데에 비해 과중한 부하에서 전력 변환 회로의 효율은 반도체의 전도 손실과 자기적 요소에 의해 정의된다. 반도체 스위치의 스위칭과 구동 손실 그리고 자기적 소자의 코어 손실은 부하 전류와 거의 독립해 있기 때문에, 부하 전류의 기능에 따른 전형적인 효율 커브는 부하 전류가 전 부하 전류의 20 내지 30%대로 감소하게 되면 가파르게 하강하게 된다. 사실상 전형적인 전력 변환기에서는 경부하 효율, 즉 10%대에서의 효율은 전부하 효율보다 현저하게 낮다. 이 차이는 변환기의 측정된 출력 전류(전력)가 증가할수록 커진다. 왜냐하면 증가된 스위칭 손실과 코어 손실을 내재적으로 나타내는 더 큰 반도체 장치(또는 병렬 관계에 있는 더 많은 장치) 및 더 큰 자기적 코어를 사용함에 있어 더 높은 전력이 요구되기 때문이다.
일반적으로, 전도 손실의 최소화, 즉, 전부하 효율의 최적화는 실리콘 영역의 최대화와 구리 도체 저항의 최소화를 요구한다. 특히 반도체 전도 손실의 최소화는 저항에 있어 최소화된 모스펫 트랜지스터(MOSFET)와 순 전압 강하가 최소화된 정류기를 선택할 것을 요구한다. 여기서 인풋과 아웃풋 필터 인덕터, 변환기와 같은 자기적 소자의 전도 손실과 교차 손실은 구리 전도체의 저항을 줄이는 방법, 즉 전선과 회로 기판의 길이를 줄이고 단면을 늘리는 수단을 통해 최소화된다. X.왕, F.티안, Y.리, I.바타르세, "High Efficiency high Power Density DC/DC Converter with Wide Input Range", in Proc.IAS Annual Meeting pp.2115-2120, Oct. 2006 에 개시된 바와 같이, 자기적 소자의 코어 손실, 반도체의 스위칭 손실 그리고 구동 손실을 최소화하는 것은 최적의 스위칭 주파수 선택과, 손실이 적은 자기적 물질 사용, 내재적으로 스위칭 손실이 적은 모스펫 트랜지스터 스위치, 그리고 낮은 반전되어 회복된(reverse-recovered) 전하를 구비하는 정류기 및/또는 반도체 스위칭 손실을 실질적으로 줄이는 다양한 소프트 스위칭(soft-switching) 기술을 채용함에 의해 이루어진다.
그러나, 매우 자주, 기술된 효율 최적화 기술은 전력 공급이 고객의 기대를 충족하는 효율 커브를 보여주기 부족할 수도 있다. 이는 고전력 응용 기술의 용도에 사용하기 위한 교류/직류(오프라인) 전력 공급에 있어서 특히 사실이다. 이 경우에, 전력-공급-레벨의 전력 관리 기술을 부분 부하 효율을 더 향상시키는 것에 의존하는 것이 통례이다. 일반적으로, 이러한 기술들은 부하 전류 및/또는 입력 전압 조건에 기반하여 동작 모드를 바꾸는 것에서 비롯하고 있다. 오늘날 가장 많이 사용되는 전력 관리 기술은 다양한 변환 주파수 어프로치, 벌크 전압(bulk-voltage) 감소 기술, 상(phase) 분배 기술, 그리고 버스트(burst) 모드 동작 기술이다. 모든 이런 부하 활동 기반의 전력 관리 기술은 아날로그 기술을 이용하여 적용되어 왔으나, 현재의 전력 변환 응용에 있어 디지털 기술의 빠른 채용은 그 적용을 보다 쉽게 하고 있다.
징동 첸(Jingdong Chen), "Determine Buck Converter Efficiency in PFM Mode", Power Electronics Technology, September 2007, pp.28-33에 개시된 바와 같이, 다양한 스위칭 주파수 접근에서, 변환기의 스위칭 주파수는 부하 전류가 줄어들수록 줄어든다. 스위칭 손실이 스위칭 주파수에 비례하므로 이 방법은 경부하 효율을 향상시킨다. 그것의 가장 단순한 시행에서, 스위칭 주파수는 부하가 가벼워지는 것에 비례하여 연속적으로 줄어들지 아니한다. 그러나 부하 전류가 이미 설정된 임계 레벨 아래로 떨어질 경우 낮은 고정된 주파수로 변환될 뿐이다.
P.빈시아렐리가 미국 특허 5,289,361에서 개시한 바와 같이 능동적인 역률 보정 프론트-엔드(front-end)를 요구하는 오프라인 변환기에서는, 에너지 저장(벌크, bulk) 전압 감소가 경부하 효율을 높이기 위해 광범위하게 사용되어 왔다. 이 방법은 모스펫 스위치와 같은 반도체 소자와 빨리 회복하는(fast-recovery) 다이오드 정류기와 같은 반도체 소자에서 스위칭 손실은 단절시켜야 할 전압이 줄어들면 감소한다는 사실에 기인하고 있다. PFC 프론트 엔드로 교류/직류 전력 공급을 하는 전형적인 범용 선(90-264 Vrms)에서, 벌크(bulk) 전압은 라인 전압의 가장 큰 값 즉, 약 400V 주변보다 약간 높은 값으로 설정된다. 그리고 벌크 캐패시터 값은 벌크 캐패시터가 특정된 지지(hold-up) 시간, 통상적으로 약 12-ms 에서 20-ms의 범위 동안 최대 전력을 뒷받침할 수 있도록 결정된다. 부분 부하에서의 지지 시간 동안 출력을 지지할 수 있는 데 요구되는 벌크 캐패시터 에너지는 낮은 전압에서 저장될 수 있기 때문에, 벌크 캐패시터 전압은 경부하 효율을 향상시키기 위해 부하가 감소할수록 작아질 수 있다. 벌크 전압의 범위는 후행하는 직류/직류 출력 스테이지에서의 제어 영역에 의해 제한된다.
S.W. 홉레크와 R.G. 플랫니스의 미국 특허 6,674,274 에 개시된 바와 같이, 다양한 스테이지에 실시되는 전력 변환기에서는, 경부하 효율을 향상시키기 위해 스테이지 분배 기술이 자주 사용된다. 이 기술에 따르면, 경부하에서 전력 처리가 필요하지 않은 스테이지는 그 손실이 없어지기 위해 전원이 공급되지 아니한다. 예를 들어, 프론트-엔드의 역률 보정을 갖는 오프라인 전력 공급에서는, 입력 전력이 역률 보정을 요구하는 보다 낮은 전압 한계인 75W이하로 떨어지게 되면 역률 보정 스테이지는 전원이 공급되지 아니한다. 또한 데스크탑 전력 공급에 있어서, 메인 전력 변환 채널, 즉 역률 보정 프론트-엔드와 후행하는 멀티플 출력 직류/직류 변환기 둘 다 대기 모드에서 꺼지고, 대기 전력이 저전력 대기 변환기에 의해 공급된다. 대규모의 고전력 역률 보정과 직류/직류 변환기의 손실을 완전히 제거함으로써, 대기 전력소비는 일반적으로 3W 이내로 상당히 줄어든다. 마지막으로, 스테이지 분배 기술은 예를 들면 전압 제어 모듈(VRMs)과 같은 병렬 연결된 또는 인터리빙(interleaving) 스테이지를 활용하는 전력 변환기의 경부하 효율을 향상시키는 데에 광범위하게 사용된다. 인터리빙 전력 처리 스테이지에 응용될 때에는, 이 기술은 통상적으로 상 분배 기술이라고 불린다.
마지막으로 j.최, D.허, Y.김, "The improved burst mode in the stand-by operation of power supply", IEEE Applied Power Electronics (APEC) Conf.Proc., pp.426-432, 2004 는 "버스트(burst)" 모드에서는 대부분의 시간 동안 변환기가 전원이 공급되지 아니하고 부하는 출력 필터 캐패시터에 저장된 에너지로부터 공급받는 변환기를 개시한 바 있다. 다시 이 에너지를 보급하기 위해, 변환기는 짧은 시간의 간격 동안 주기적으로 전원이 들어온다. 컨버터는 대부분의 시간 동안 꺼져 있기 때문에, 그것의 손실은 상당히 줄어들며, 이것은 효율을 향상시킨다. "버스트" 모드 동작은 상업적으로 가능한 아이씨(IC) 컨트롤러에 의해 지지된다.
비록 개시된 기술이 부분 부하의 효율을 향상시키기 위해 제시되었지만, 그 기술들은 그 응용 영역의 한계라는 몇 가지 중요한 결점을 가지고 있다. 예를 들어, 경부하에 있어서 스위칭 주파수를 줄이는 주요 문제는 출력 필터 인덕터의 코어에서 전압-시간 적(volt-second product)이 증가함으로 인한 전류 잡음(current ripple)의 증가이다. 이 잡음 전류의 증가는 전도 손실을 증가시키므로, 효율에 부정적인 영향을 미친다. 벌크 전압 감소와 스테이지 분배 기술의 주된 관심사는 동적 성능이다. 구체적으로, 그 성능은 특히 부하가 갑자기 경부하에 전부하로 바뀔 때 출력 방해나 다른 성능의 훼손 없이 전출력의 저장 능력을 회복시킬 수 있는 능력이다. 마지막으로 "버스트" 모드 운영은 주로 음향 노이즈로 인해 매우 낮은 전력 레벨로 그 영역이 한정된다.
이 발명에서는, 종래 기술에 개시된 한계를 넘어 최대 경부하 효율을 제공하는 전력 변환기의 실시가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 변환기 시스템은 전력을 하나 또는 그 이상의 부하에 공급한다. 전력 변환기 시스템은 바람직한 효율에서 동작하는 적어도 하나의 전력 변환기; 및 적어도 하나의 전력 변환기에서 공급되는 전력을 받고, 적어도 하나의 전력 변환기가 바람직한 효율에 미달하는 효율에서 동작하는 경우 전력을 저장하는 적어도 하나의 전력 변환기와 연결된 전력 저장 시스템을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 변환기 시스템은 적어도 하나의 부하에 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 바람직한 효율에서 동작하는 때엔 언제나 중단되지 않는 전력을 적어도 하나의 부하에 상시 공급하는 적어도 하나의 전력 변환기; 및 적어도 하나의 전력 변환기에서 공급되는 전력을 받고, 적어도 하나의 전력 변환기가 바람직한 효율 미만의 효율에서 동작할 때 그 안의 전력을 저장하기 위해 적어도 하나의 전력 변환기와 연결된 전력 저장 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전력 변환기 시스템은 전력을 높은 부하 조건부터 낮은 부하 조건까지의 범위를 갖는 부하 조건하에서 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 중단되지 않는 전력을 높은 부하 조건에서 바람직한 효율로 공급하는 적어도 하나의 전력 변환기; 및 적어도 하나의 전력 변환기로부터 공급되는 전력을 받고, 낮은 부하 조건에서 그 안의 전력을 저장하기 위한 적어도 하나의 전력 변환기와 연결된 전력 저장 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력 변환기 시스템은 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하기 위해 입력 공급 전압을 받고, 상기 전력 변환기의 출력 전력에 따라 변화되는 효율에서 동작하는 전력 변환기; 및 펄스 모드 중에 상기 전력 변환기로부터 공급된 전력을 수신하기 위해 상기 전력 변환기와 연결되는 전력 저장 시스템을 포함하며, 상기 적어도 하나의 부하의 전력과 동일한 전력을 공급하는 상기 전력 변환기의 상기 효율이 기설정된 임계 값 이상일 때, 상기 전력 변환기는 상기 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하는 연속 모드로 동작하고, 상기 적어도 하나의 부하의 전력과 동일한 전력을 공급하는 상기 전력 변환기의 상기 효율이 상기 기설정된 임계 값 미만일 때, 상기 전력 변환기는 교대로 제 1 시간 간격 동안 켜지고 제 2 시간 간격 동안 꺼지는 상기 펄스 모드로 동작하며, 상기 제 1 시간 간격 동안 상기 전력 변환기는 상기 전력 변환기의 상기 효율이 기설정된 최대 지점에서 상기 적어도 하나의 부하 및 상기 전력 저장 시스템으로 상기 전력 변환기의 출력 전력을 공급하기 위해 동작하고, 상기 제 2 시간 간격 동안 상기 전력 변환기는 꺼지고, 상기 전력 저장 시스템은 상기 전력 변환기의 예비로 동작하여 상기 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하며, 상기 제 1 시간 간격 대 상기 제 1 시간 간격 및 상기 제 2 시간 간격의 합계의 비율은 상기 전력 변환기의 상기 효율이 상기 기설정된 최대 지점에서 상기 적어도 하나의 부하의 전력의 값을 상기 전력 변환기의 상기 출력 전력으로 나눈 것일 수 있다.
본 발명의 더 자세한 특징 중 일부에 따르면, 전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 부하에 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 전력 변환기를 포함한다. 각각의 전력 변환기는 부하의 조건에 따라 바람직한 효율에서 동작한다. 전력 변환기의 효율이 바람직한 효율 또는 임계 효율 아래로 내려가는 때마다, 전력 변환기는 순차적으로 제 1 시간 간격 동안 켜지며 제 2 시간 간격 동안 꺼진다. 제 1 시간 간격 동안, 전력 변환기는 전력 저장 시스템에 전력을 공급하기 위하여 바람직한 효율에서 동작한다. 전력 변환기가 꺼져 있는 제 2 시간 간격 동안, 전력 저장 시스템은 부하에 전력을 공급할 수 있도록 전력 변환기의 예비로 동작한다.
본 발명의 더 자세한 특징 중 일부에 따르면, 전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 부하에 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 전력 변환기가 바람직한 효율로 동작하고 있는 때에는 항상 중단되지 않는 전력을 부하에 공급하는 적어도 하나의 전력 변환기를 포함한다. 적어도 하나의 전력 변환기로부터 부하로의 전력 공급은 바람직한 효율보다 낮은 효율에서 전력 변환기가 동작하는 때마다 제 1 시간 간격동안 적어도 하나의 전력 변환기가 켜지고 제 2 시간 간격 동안 꺼지도록 부분적으로 중단된다. 전력 저장 시스템은 적어도 하나의 전력 변환기의 예비로 동작된다. 제 1 시간 간격 동안, 적어도 하나의 전력 변환기는 전력 저장 시스템에 전력을 공급하기 위하여 바람직한 효율에서 동작한다. 적어도 하나의 전력 변환기가 꺼져 있을 때의 제 2 시간 간격 동안, 전력 저장 시스템은 전력을 하나 또는 그 이상의 부하에 전력을 공급한다.
본 발명의 더 자세한 특징 중 일부에 따르면, 전력 변환기 시스템은 높은 부하 조건에서 낮은 부하 조건까지의 영역에 걸친 부하 조건 하에서 전력을 공급한다. 하나 또는 그 이상의 전력 변환기는 바람직한 효율에의 높은 부하 조건에서 중단되지 않는 전력을 공급하고 낮은 부하 조건에서는 부분적으로 중단된 전력을 공급한다. 전력 변환기의 전력은 제 1 시간 간격 동안 전력 변환기를 키고, 제 2 시간 간격 동안 전력 변환기를 끔으로 인해 부분적으로 중단된다. 전력 저장 시스템은 전력 변환기의 예비로서 동작된다. 전력 변환기는 제 1 시간 간격 동안 전력 저장 시스템에 전력을 공급하고 낮은 부하 조건에서 전력을 공급하기 위해 바람직한 효율에서 동작한다. 전력 저장 시스템은 전력 변환기가 꺼져 있는 제 2 시간 간격 동안 낮은 부하 조건에서 전력을 공급한다.
본 발명의 더 자세한 특징 중 일부에 따르면, 전력 변환기는 제 1 시간 간격 동안 전력 저장 시스템에 전력을 공급하는 제 1 출력과, 제 2 시간 간격 동안 전력을 적어도 하나의 부하에 공급하는 제 2 출력을 구비한다. 대안적으로, 전력 변환기는 제 1 시간 간격 동안 전력 저장 시스템에 전력을 공급하고 제 2 시간 간격 동안 적어도 하나의 부하에 전력을 공급하는 단일 출력을 가지고 있다. 다른 모범적인 실시예에 의하면, 전력 저장 시스템은 제 1 시간 간격 동안 적어도 상기 전력 변환기로부터 전력 공급을 받고, 제 2 시간 간격 동안 부하에 전력을 공급하는 단일 포트를 구비한다. 다른 모범적인 실시예에 의하면, 전력 저장 시스템은 제 1 시간 간격 동안 적어도 하나의 전력 변환기로부터 공급된 전력을 받는 제 1 포트와, 제 2 시간 간격 동안 적어도 하나의 부하에 전력을 공급하는 제 2 포트를 가지고 있다. 상기 전력 변환기, 상기 전력 변환시스템, 및 상기 부하는 직렬로 연결되어 있다.
본 발명의 다른 더 자세한 특징에 따르면, 전력 변환기는 전력 스테이지와 출력 필터를 포함한다. 일 실시예에 의하면, 전력 저장 시스템은 출력 필터를 통해 상기 부하로 전력을 공급한다. 다른 실시예에 의하면, 전력 변환기는 전력을 전력 저장 시스템으로 출력 필터를 통해 공급한다. 본 발명의 다양한 모범적인 실시예에 의하면, 전력 변환기는 적어도 하나의 격리된, 격리되지 않은, 단일 스테이지, 멀티 스테이지, 교류/직류, 직류/직류, 직류/교류 및 교류/교류 전력 변환기를 포함한다.
본 발명의 다른 더 자세한 특징에 의하면, 상기 적어도 하나 이상의 전력 변환기 및 상기 전력 저장 시스템의 동작을 제어하기 위해 상기 적어도 하나 이상의 전력 변환기 및 상기 전력 저장 시스템과 연결된 컨트롤러를 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블록 다이어그램을 도시한다.
도 2는 높은 부하 조건에서 전력의 흐름을 나타낸 도 1에 도시된 바람직한 실시예에 따른 타이밍 다이어그램을 도시한다. P0는 출력 전력을, PCHR은 충전 전력을, 그리고 PDIS는 방전 전력이다.
도 3은 낮은 부하 조건에서 전력의 흐름을 나타낸 도 1에 도시된 바람직한 실시예에 따른 타이밍 다이어그램을 도시한다. P0는 출력 전력을, PCHR은 충전 전력을, 그리고 PDIS는 방전 전력이다.
도 4는 전력 변환기가 운반되는 전력에 상응한 전형적인 효율을 개괄적으로 도시한다.
도 5는 독립된 전력 저장 시스템의 충전 에너지가 바로 전력 변환기의 출력에 공급되는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 6은 전력 변환기의 출력과 연결된 공통 충전과 방전 전력 경로 갖는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 7 (a) 내지 7 (d)는 전력 변환기의 출력 필터의 입력에 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 갖는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 8은 전력 변환기와 직렬로 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 갖는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다.
도 9는 다수 개의 전력 변환기의 출력이 병렬로 연결된 전력 변환기의 출력 필터의 입력에 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 갖는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다.
도 10은 다수 개의 변환기가 독립한 출력을 가지고 있는 전력 변환기의 출력 필터의 입력에 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 갖는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다.
도 11 (a) 내지 (h)는 직류/직류 전력 변환기의 출력 필터의 입력 또는 출력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 갖는 실시예를 위한 임시적인 에너지 저장과 전력 조절 회로의 다양한 실시를 도시한다.
도 12 (a) 내지 (i)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 갖는 실시예를 위한 2 스위치 포워드(forward) 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 13 (a) 내지 (h)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 갖는 실시예를 위한 풀 브리지(full-bridge) 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 14는 독립된 전력 저장 시스템을 갖는 실시예를 위한 하프 브리지 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 15 (a) 내지 (c)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 갖는 실시예를 위한 엘엘씨(LLC) 공명 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 16은 하프 브리지 LLC 공명 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 17 (a) 와 (b)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 갖는 실시예를 위한 전달 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 18은 분리된 충전과 방전 경로가 있는 귀환(flyback) 직류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
도 19 (a) 와 (b)는 전력 변환기와 직렬로 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 갖는 본 발명의 실시예를 위한 세 스테이지의 교류/직류 변환기의 실시를 도시한다.
전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 부하에 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 전력 변환기를 포함한다. 각각의 전력 변환기는 부하의 조건에 따라 바람직한 효율로 동작한다. 상기 전력 변환 시스템은 하나 또는 그 이상의 전력 변환기로부터 공급된 전력을 받고 그 안에 저장하는 하나 또는 그 이상의 전력 변환기와 연결된 전력 저장 시스템을 더 포함한다. 전력 변환기의 효율이 바람직한 효율 아래로 떨어진다면, 상기 전력 변환기는 상기 전력 저장 시스템에 전력을 공급하기 위하여 바람직한 효율에서 동작한다. 다시 말해, 전력 변환기 시스템은 높은 부하 조건부터 낮은 부하 조건까지의 영역의 부하 조건에 따라 전력을 공급한다. 전력 변환기 시스템은 높은 부하 조건에서 바람직한 효율 하에 중단되지 않는 전력을 공급하는 하나 또는 그 이상의 전력 변환기를 포함한다. 상기 전력 변환기 시스템은 낮은 부하 조건에서 하나 또는 그 이상의 전력 변환기로부터 공급된 전력을 받고 그 안에 전력을 저장하기 위해 하나 또는 그 이상의 전력 변환기에 연결된 전력 저장 시스템을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 부하에 전력을 공급한다. 상기 전력 변환기 시스템은 하나 또는 그 이상의 전력 변환기를 포함한다. 각각의 전력 변환기는 부하의 조건에 따라 바람직한 효율에서 동작한다. 전력 변환기의 효율이 바람직한 효율 또는 임계 효율 이하로 떨어지게 될 때마다 전력 변환기는 제 1 시간 간격 동안 순차적으로 켜지며, 제 2 시간 간격 동안 꺼진다. 제 1 시간 간격 동안에, 전력 변환기는 전력 저장 시스템에 전력을 공급하기 위해 바람직한 효율에서 동작한다. 바람직하게는, 전력 변환기는 바람직한 효율에서 독립된 전력 저장 시스템에 전력을 공급하기 위해 동작한다. 제 2 시간 간격 동안 전력 변환기가 꺼질 때에, 독립된 전력 저장 시스템은 부하에 전력을 공급하기 위해 전력 변환기의 예비로 동작한다. 전력 변환기 시스템은 적어도 하나의 전력 변환기와 전력 저장 시스템의 동작을 제어하기 위해 적어도 하나의 전력 변환기 및 전력 저장 시스템과 연결된 컨트롤러를 더 포함한다.
본 발명의 전력 시스템은 하나 또는 그 이상의 전력 변환기가 높은 부하 조건(즉, 전부하)과 낮은 부하 조건(즉 경부하)를 포함하는 전체 부하 영역에서 높은 효율을 유지한다. 특히 본 발명의 시스템은 반도체의 스위칭 손실과 구동 손실 그리고 자기적 소자의 코어 손실을 최소화하여 경부하에서의 전환 효율을 상당히 향상시켰다. 경부하에서의 이 손실은 순차적으로 제 1 시간 간격 동안 전력 변환기를 키고 제 2 시간 간격 동안 전력 변환기를 끄는 방식을 통해 최소화된다. 이 방식에서, 전력 변환기는 부분적으로 일정 시간의 간격 동안 입력에서 출력으로 가는 전력의 공급을 중단시킨다. 전력 변환기에 의한 전력 공급이 중단되는 동안, 부하에 대한 전력은 마치 저전력 보충 변환기와 같이 독립된 전력 저장 시스템에서 공급된다. 한 모범적인 실시예에서는, 독립한 전력 저장 시스템은 전력 변환기가 꺼졌을 때에 부하로 전력을 공급하기 위해 전력 변환기의 예비로서 동작한다. 독립한 전력 저장 시스템은 전력 변환기가 입력에서 출력으로 전력을 전달할 때에 바람직한 최적의 효율에서 동작하고 있는 동안 충전된 에너지 소스로부터 공급받는다. 독립된 전력 저장 시스템이 메인 전력 변환기의 입력으로부터 공급받지 아니하고 예비 에너지 소스를 생성하는 전력 변환기로부터 공급받으므로, 독립된 전력 저장 시스템은 응용 기술에서 격리를 요구한다 하여도 단순한 격리되지 않은 변환기가 될 수 있다. 실제로 격리된 변환기의 변압기의 부차적인 면에서 보조 에너지 소스를 생산함으로써, 독립된 전력 저장 시스템의 성능은 최적화된다.
기존의 전력 시스템과는 다르게, 본 발명의 시스템은 부하가 갑작스럽게 경부하에서 전부하로 바뀔 때에 어떤 일시적인 문제를 노출하지 아니하고, 입력에서 출력까지 기술된 최적화 효율에서 연속적으로 전력을 전송하는 정상적인 기능은 재개된다. 독립된 전력 저장 시스템이 로우 패스(low pass) 출력 필터를 메인 전력 변환기와 공유하도록 배열되어 있기 때문이다. 결과적으로, 출력 필터의 에너지 저장 소자, 즉 인덕터 및/또는 캐패시터 등에 있는 에너지는 부하의 전환 전과 후에 곧바로 일시적인 기능이 메인 변환기의 그것과 동일하도록 항상 같은 값을 가진다.
일반적으로, 전력 변환기가 입력 전력을 처리하는 지속 시간과 입력으로부터 분리되는 지속 시간의 비율은 부하의 전력과 메인 변환기에서 입력에 연결되었을 때의 전력 레벨에 좌우된다. 부하의 전력은 대략적으로 메인 전력 변환기에서 처리되는 평균 전력과 동일하기 때문이다. 메인 전력이 켜지는 제 1 시간 간격과 메인 전력 변환기가 꺼지는 제 2 시간 간격의 주파수는 그 주파수가 전력 변환기의 교점 주파수보다 낮은 경우라면 임의로 선택된다. 경부하 효율을 극대화하기 위해, 메인 전력 변환기가 부하에 전력을 공급할 때의 전력 처리는 바람직한 최적화 효율을 보이는 수준에서 진행되어야 한다.
대안적으로, 적어도 하나의 전력 변환기가 바람직한 효율보다 못한 효율로 동작하는 때마다, 전력 변환기가 전력 저장 시스템에 전력을 공급하기 위해 바람직한 효율에서 동작하고, 그와 동시에 전력 저장 시스템은 적어도 하나의 부하에 전력을 공급한다. 대안적으로, 적어도 하나의 전력 변환기가 바람직한 효율보다 못한 효율에서 기능하는 경우에는 언제든지, 전력 변환기는 전력 저장 시스템과 적어도 하나의 부하에 전력을 공급하기 위해 바람직한 효율에서 기능하고, 그와 동시에 전력 저장 시스템은 전력을 적어도 하나의 부하에 전력을 공급한다.
본 발명은 어떠한 전력 변환 회로에도 적용될 수 있다. 특히, 격리된, 격리되지 않은, 단일 스테이지, 멀티 스테이지, 교류/직류, 직류/직류, 직류/교류, 그리고 교류/교류 전력 공급에 적용될 수 있다. 본 발명은 어떤 전력 변환기 시스템에도 적용될 수 있다. 특히 엘이디(LED)를 위한 전력 변환 시스템, 태양 전지를 위한 전력 변환 시스템, 연료 전지를 위한 전력 변환 시스템, 풍력 에너지를 위한 전력 변환 시스템, 진동 에너지를 위한 전력 변환 시스템, 파워 플랜트, 건축물을 위한 전력 운영 그리고 변환 시스템, 데이터 센터를 위한 전력 운영 그리고 변환 시스템, UPS(Uninterrupted Power Supply, 정전에 대비한 보조 전원), 운송 수단을 위한 전력 변환 시스템, 컴퓨터 또는 노트북을 위한 전력 변환 시스템, 통신 장비 또는 장치를 위한 전력 변환 시스템, 소비자 가전 제품을 위한 전력 변환 시스템, 가전 제품을 위한 전력 변환 시스템, 기타 등등을 위해 적용될 수 있다.
본 발명은 아래 설시와 첨부된 도면을 고려하여 더 잘 이해될 수 있다.
전력 변환기의 낮은 부하 조건 또는 경부하 효율을 최대화시키는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블록 다이어그램은 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 전력 시스템은 전력을 부하에 공급한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 전력 시스템은 전력 변환기, 독립된 전력 저장 시스템, 그리고 제어 회로를 포함한다. 일반적으로, 도 1의 전력 변환기는 단일 스테이지 또는 멀티 스테이지, 격리된 또는 격리되지 않은, 교류/직류, 직류/직류, 직류/교류, 그리고 교류/교류 변환기 중 어떤 것도 될 수 있다. 독립된 전력 저장 시스템은 에너지 저장 장비, 매체(medium), 또는 에너지를 저장할 수 있는 소자, 예를 들면 하나 또는 그 이상의 캐패시터, 대형 캐패시터, 배터리, 플라이휠(flywheel), 연료 전지와 같은 소자를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 독립된 전력 저장 시스템은 낮은 부하나 경부하 조건, 바람직하게는, 부하 전력의 특정 레벨보다 낮은 경우에만 전력을 공급하기 위해 동작한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 전력 레벨을 넘어 전부하에 달하기까지, 전체 부하 전력이 연속적으로 중단되지 않는 방식으로 전력 변환기의 출력으로부터 공급되기 위해 독립된 전력 저장 시스템은 꺼진다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 과중한 부하에서는 충전 전력 PCHR과 방전 전력 PDIS는 둘 다 계속해서 0 이다. 여기서 전력 변환기의 출력 전력PO과 부하 전력PLOAD은 같은 값을 가진다.
경부하에서는, 그러나, 전력 변환기는 스위칭 손실을 줄이고 그로써 효율을 향상시키기 위해 상기 전력 변환기는 순차적으로 또는 주기적으로 제 1 시간 간격에서는 켜지고 제 2 시간 간격에서는 꺼진다. 전력 변환기가 꺼진 제 2 시간 간격 동안에는, 부하 전력은 독립된 전력 저장 시스템으로부터 임시 에너지 저장 그리고 전력 조절 회로를 통해 공급받는다. 도 3에 도시된 전력 흐름 타이밍 다이어그램에서 도시된 바와 같이, 전력 변환기가 켜진 제 1 시간 간격에서는 전력 변환기는 독립한 전력 저장 시스템의 부하 전력PLOAD와 충전 전력PCHR을 동시에 공급하기 위해 바람직한 효율에서 동작된다. 전력 변환기가 꺼진 제 2 시간 간격에서는 부하 전력이 전체적으로 독립된 전력 저장 시스템의 방전을 통해 유지된다. 이 동작 모드에서는 부하 전력이 전력 변환기의 출력과 저장된 에너지 중 하나의 의해 공급받으므로, 제 1 시간 간격을 TON이라 했을 때, 그 시간 간격 동안 상기 전력 변환기에 의해 전달되는 즉각적인 전력은 PO=PLOAD 이고 제 2 시간 간격을 꺼져 있는 시간 TOFF라 했을 때, 그 시간 간격 동안 전달되는 즉각적인 전력은 PDIS=PLOAD 이다. 듀티 사이클 D를 D=TON/(TON+TOFF)라 정의했을 때, 변환기의 출력에 의해 전달되는 평균 전력은 PO(AV)=DPLOAD이다. 여기서 독립된 전력 저장 시스템에서 방전되는 평균 전력은 PDIS(AV)=(1-D)PLOAD이다. 평균 충전 전력PCHR(AV)이 평균 방전 전력PDIS(AV)와 같아야 하기 때문에, 평균 충전 전력은 PCHR(AV)=(1-D)PLOAD이다. 결과적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, TON 동안의 즉각적인 충전 전력은 PCHR=(1-D)PLOAD/D이다. 그러므로 전력 변환기에 의해 전달되는 전체의 즉각적인 전력 P는
Figure pat00001
(1)
즉,
Figure pat00002
(2)
그러므로, 본 발명의 전력 변환기는 부하에 바람직한 효율에서 중단되지 않는 전력을 공급할 때 연속 모드로 동작한다. 효율이 임계 효율 이하로 떨어지게 되면, 전력 변환기는 상술한 바와 같이 순차적으로 켜졌다 꺼지면서 펄스 모드로 동작하게 된다. 주의할 점은 전력 변환기의 동작의 연속 모드와 펄스 모드 사이의 경계 부하 전력(PBOUND)은 임의의 레벨이 될 수 있는 적절한 효율 임계 레벨로 정해질 수 있다. 그러나, 성능을 최적화하기 위해서는, 전력 변환기의 제어가 제 1 시간 간격 즉, 켜져 있는 시간 동안 전력 변환기에 의해 전달되는 즉각적인 전력(P) 가 바람직한 효율, 즉 효율의 최대 지점으로 선택될 수 있도록 설계될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 출력 전압에 좌우되는 전형적인 전력 변환기 효율은 중간 영역의 전력 레벨에서 피크를 보인다. P=POPT라 선택하여, 즉 언제나 변환기를 최대 효율(ηMAX)을 나타내는 전력 레벨에서 동작시켜, PBOUND(<POPT)의 정해진 레벨 아래의 경부하 효율은 극대화된다. 이러한 제어 하에 듀티 사이클 D는
Figure pat00003
(3)
으로 정의된다.
에너지 저장 장비가 충전하고 방전하는 효율을 ηCHR 과 ηDIS로 가정한다면, 상대적으로, PBOUND이하 전력 레벨에서의 변환 효율은
Figure pat00004
(4)
로 주어지며, 여기서 ηES=ηCHRηDIS 는 에너지 저장 그리고 전력 조절 블록의 전체 전력 처리 효율을 말한다.
도 4에 도시된 바와 같이 에너지 저장 장비의 충전과 방전에 있어 에너지 손실이 전혀 없는 이상적인 경우에는, 즉 ηES=1이라 가정한다면, 경부하 효율 η는 항상 부하를 최소로 하는 ηMAX와 동일할 것이다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 현실적으로 ηES<1이기 때문에, 경부하 효율은 ηMAX보다는 낮고 전력이 줄어들 경우 감소 현상을 보인다. 일반적으로 경부하 효율 향상 Δη를 이끌어 내기 위해서는, 전력 변환기를 주기적으로 끄면서 절약되는 전력과 에너지 저장 장비를 충전하고 방전하는 데서 나오는 전력 손실 사이의 유리한 트레이드-오프가 필요하다. ηES를 구하기 위해 등식 (4)를 해결하면, 부하 전력 PLL에서 효율을 향상시키기 위해 요구되는 최소 효율 ηES(MIN)은
Figure pat00005
(5)
여기서 ηLL은 PLL에서의 전력 변환기의 원래 효율을 말하고 D=PLL/POPT 이다.
*듀티 사이클 D 가 전력 레벨 POPT가 설정되고 부하 전력 PLOAD<PBOUND임이 알려진다면 등식 (3)에 의해 정확하게 정의되는 반면, 전력 변환기가 켜지고 꺼지는 주파수는 제대로 정의되기 힘들다. 일반적으로, 높은 주파수의 한계는 변환기의 큰 신호의 동적 응답 시간과 관련되어 있고, 반면에 낮은 주파수의 한계는 낮은 주파수에서는 꺼진 상태가 지속되는 오랜 시간 동안 부하 전력을 지지하기 위해서 더 많은 저장된 에너지를 필요로 하므로 에너지 저장 장비의 크기와 필요한 에너지 저장 용량에 의해 정해진다. 수백 와트 단위의 전력 레벨에서는, 전해 캐패시터 타입의 에너지 저장을 위한 전형적인 최소한의 주파수는 수 헤르츠에서 수백 헤르츠의 범위에 있으며, 소수점자리 주파수는 배터리나 플라이휠(flywheel) 또는 이와 유사한 저장 장비를 통하여 얻을 수 있다. 마지막으로, 주의해야 할 점은, 상대적으로 큰 전력을 스위칭하는 데에 있어 음향 소음을 방지하기 위해 스위칭 주파수를 음파 영역 아래로 유지하는 것이 바람직하다는 것이다.
본 발명의 실시예의 많은 변형이 가능하다. 일반적으로 이러한 변형은 전력 변환기, 출력 그리고 부하에 연결된 회로의 충전, 방전 경로에 의한다. 이 변형의 일부 예는 도 5 내지 8에 도시되어 있다.
도 5는 충전 에너지가 전력 변환기의 출력으로부터 이와 독립된 전력 저장 시스템으로 공급되고, 방전 에너지가 독립된 전력 저장 시스템으로부터 역시 전력 변환기의 출력을 통해 부하로 공급되는 본 발명의 일 실시예를 보여주고 있다. 도 6은 충전 에너지 PCHR이 부하 전력을 또한 공급하도록 변환기의 출력으로부터 공급되는 본 발명의 일 실시예를 보여주고 있다. 이러한 배열 하에, 전력 변환기는 시간에 따라 두 방향성이 혼재된 방법으로서 제 1 시간 간격 동안 독립된 전력 저장 시스템에 전력을 공급하고, 제 2 시간 간격 동안 적어도 하나의 부하에 전력을 공급하기 위한 단일 출력을 가지고 있다. 그러므로 본 발명은 통상적인 에너지 충전과 방전 경로에 실시될 수 있다.
도 7(a) 내지 (d)는 전력 스테이지와 출력 필터 스테이지의 두 스테이지로 이루어진 전력 변환기가 있는 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있다. 도 7(a)는 충전 전력이 전력 스테이지에서의 두 번째 출력으로부터 공급되고, 부하로의 방전 경로는 독립된 전력 저장 시스템으로부터 출력 필터를 통해 공급되는 분리된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 도 7(b)는 상기 전력 스테이지의 출력으로부터 공급되는 충전 경로 및/또한 상기 출력 필터를 통해 상기 부하로 전력 스테이지의 출력을 통하는 상기 독립적 전력 저장 시스템으로부터의 방전 경로를 도시하고 있다. 도 7(c)는 전력 스테이지와 출력 필터 사이의 공통적인 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 도 7(d)는 충전 전력이 출력 필터의 출력으로부터 공급되고 방전 경로가 출력 필터의 입력으로 연결된 분리된 충전과 방전 경로를 보여주고 있다. 공통된 충전과 방전 경로의 실시는 독립된 전력 저장 시스템 안에 양방향 변환기를 채용할 것을 요구한다.
일반적으로, 충전과 방전 경로는 입력 및/또는 출력과 직접적으로 연결될 필요는 없으나, 전력 변환 경로에 있어 어떠한 적당한 지점에 연결될 수 있다. 위에서 기술된 바와 같이, 도 7(a)-(d)는 전력 변환기와 독립된 전력 저장 시스템이 출력 필터를 공유하는, 즉 충전 및/또는 방전 경로가 전력 변환기의 출력 필터 이전에 연결된 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있다. 만약 적절하게 설계되었다면, 이러한 실시는 주기적으로 전력 변환기를 키고 끄는 데에서 비롯한 트랜션트(transient)를 줄이거나 심지어는 완전히 없앨 수 있다. 다시 말해, 이러한 실시 하에 출력 필터 인덕터의 전류가 연속적으로 흐르기 때문에, 즉 변환기 또는 방전 에너지 저장 장비 중 하나로부터 공급받기 때문에, 변환기가 켜져 있을 때 변환기로부터 공급되는 전류와, 꺼져 있는 동안 에너지 저장 장비에 의해 공급되는 전류가 합리적으로 맞도록 회로가 설계되어 있다면, 뚜렷한 트랜션트를 드러내지 아니한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 어떤 응용에 있어서, 독립된 전력 저장 시스템을 전력 변환기와 직렬로 연결하는 것은 전력 저장 시스템을 전력 변환기와 병렬로 연결한 종래 실시에 비해 경부하 효율을 향상시키는 데에 더 유리하다. 주의할 점은 본 발명은 도 9와 도 10에서 설명되는 바와 같이 다수 개의 변환기를 가지고 하는 응용에 또한 적용될 수 있다는 것이다. 도 9는 다수 개의 출력에서 병렬로 연결된 다수 개의 전력 변환기가 출력 필터를 공유하고 있는 일 실시예를 도시하고 있는 반면에, 도 10은 독립적인 다수개의 출력을 구비하는 본 발명의 일실시예를 도시한다.
도 11 (a) 내지 (h)는 독립한 출력을 가진 다수 개의 변환기의 출력 필터가 공유된 형태의 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고 있다. 보다 자세히 도 11(a) 내지 (h)는 직류/직류 변환기의 출력 필터의 입력과 독립한 전력 저장 시스템이 연결된 형태의 실시예를 위한 임시 에너지 저장과 전력 조절 회로의 다양한 실시를 도시하고 있다. 도 11(a)는 양 방향의 벅/부스트(buck/boost)를 채용하는 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 한 모범적인 실시예에 따르면, 양 방향의 벅/부스트(buck/boost) 변환기는 부스트 스위치 SL1, 부스트 스위치 SL2, 인덕터 LL, 캐패시터 CL를 포함한다. 도 11(b)는 전력 스테이지의 출력으로부터 공급받은 충전 전력과 충전시에는 부스트 변환기를 그리고 방전시에는 벅 변환기를 채용하는 분리된 충전과 방전 경로를 도시한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 부스트 변환기는 벅 스위치 SL1, 부스트 다이오드 DL1, 인덕터 LL1과 캐패시터 CL를 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 벅 다이오드 DL2, 인덕터 LL2 와 인덕터 LF를 포함한다. 도 11(c)는 전력 스테이지에서의 출력으로부터 충전 전력이 공급되고 부스터 변환기를 충전에 그리고 벅 변환기를 방전에 이용하는 분리된 충전과 방전 경로를 보여주고 있다. 여기서 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 부스트 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL을 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 11(d)는 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 충전 전력을 바로 공급받고 벅 변환기를 방전에 이용하는 분리된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 벅 다이오드 DL, 인덕터 LL2 그리고 인덕터 LF를 포함한다. 도 11(e)는 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 충전 전력을 바로 공급받고 전력 변환기와 출력 필터를 공유한 형태에 있는 벅 변환기를 방전에 채용한 분리된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 11(f)는 충전 전력은 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 부스트 충전 회로를 통해 공급되며 방전에는 벅 변환기를 이용한 분리된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 부스트 충전 회로는 부스트 스위치 SL1, 부스트 다이오드 DL1, 인덕터 LL1, 캐패시터 CL을 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 벅 다이오드 DL2, 인덕터 LL2 그리고 인덕터 LF를 포함한다. 도 11(g)는 충전 전력은 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 부스트 충전 회로를 통해 공급되며 방전에는 전력 변환기와 출력 필터를 공유하는 벅 변환기를 채용한 분리된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 부스트 충전 회로는 부스트 스위치 SL1, 부스트 다이오드 DSL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL 을 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 11(h)는 충전 전력은 부스트 충전 회로와 출력 필터의 입력에 연결된 방전 회로를 통해 전력 스테이지의 출력으로부터 공급되는 분리된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다.
도 12(a) 내지 (i)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립적인 전력 저장 시스템을 구비하는 2 스위치 포워드 직류/직류 변환기(two-switch forward dc/dc converter)의 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 의하면, 2 스위치 포워드 직류/직류 변환기는 스위치 SD1, 스위치 SD2, 다이오드 DD1, 다이오드 DD2, 다이오드 DR1, 다이오드 DR2, 변압기 TR, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 12(a)는 양 방향 벅/부스트 변환기를 이용한 공통된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 의하면 양 방향 벅/부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 벅 스위치 SL2, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL을 포함한다. 도 12(b)는 충전 전력이 전력 스테이지의 출력으로부터 공급되고 충전에 부스트 변환기를 그리고 방전에 벅 변환기를 사용한 분리된 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서, 상기 벅 변환기 및 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 부스트 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL을 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 12(c)는 충전 전력이 전력 변환기의 출력으로부터 공급되고 충전에 부스트 변환기를 그리고 방전에 전력 변환기와 출력 필터를 공유하는 벅 변환기를 사용한 분리된 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 의하면 부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 부스트 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL를 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 12(d)는 충전 전력이 캐패시터 필터를 구비한 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 바로 공급되고 방전에 전력 변환기와 출력 필터를 공유하는 벅 변환기를 사용한 개별적인 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 의하면 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 12(e)는 충전 전력이 L-C 필터를 구비한 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 바로 공급되고 방전에 벅 변환기를 사용한 개별적인 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 12(f)는 충전 전력이 전력 스테이지의 제 3 출력으로부터 바로 공급되고 방전에 두 개의 벅 변환기를 사용한 개별적인 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 각각의 벅 변환기와 이와 연결된 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 제 1 벅 변환기는 벅 스위치 SL1, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF1 그리고 캐패시터 CF1를 포함한다. 제 2 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드 DR4, 인덕터 LF2 그리고 캐패시터 CF2를 포함한다. 도 12(g)는 병렬로 연결된 두 전력 공급원에 연결된 양 방향 벅/부스트 변환기를 이용한 공통된 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 의하면, 양 방향 벅/부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 벅 스위치 SL2, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL 를 포함한다. 도 12(h)는 충전 전력이 캐패시터 필터를 구비한 제 1 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 바로 공급되고 방전에 벅 변환기를 사용한 개별적인 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 벅 변환기와 두 개의 병렬 연결된 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 12(i)는 충전 전력이 변압기 TR 로부터 공급되고 방전에 벅 변환기를 사용한 개별적인 충전 그리고 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 의하면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다.
도 13(a) 내지 (h)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 구비하는 실시예를 위한 풀 브리지 직류/직류 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 풀 브리지 직류/직류 변환기는 S1-S4 스위치, 다이오드 DSR1, 다이오드 DSR2, 센터 탭(center-tap) 변압기 TR, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 풀 브리지 직류/직류 변환기는 스위치 S1-S4, 다이오드 DSR1, 다이오드 DSR2, 커런트 더블러(current-doubler) 변압기 TR, 인덕터 LF1, 인덕터 LF2 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(a)는 양 방향 벅/부스트 변환기를 이용한 공통적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 양 방향 벅/부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 벅 스위치 SL2, 인덕터 LL, 캐패시터 CL를 포함한다. 도 13(b)는 충전 전력이 전력 스테이지의 출력에서부터 공급되고 충전에는 부스트 변환기를 그리고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 부스트 변환기는 부스트 스위치 S1, 부스트 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL를 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드 DSR1, 전력 스테이지 다이오드 DSR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(c)는 충전 전력이 전력 스테이지의 출력에서부터 공급되고 충전에는 부스트 변환기를 그리고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 부스트 변환기는 부스트 스위치 S1, 부스트 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CL을 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL2, 전력 스테이지 다이오드 DSR1, 전력 스테이지 다이오드 DSR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(d)는 충전 전력이 센터 탭 변압기(TR)의 이차적인 회선에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DSR1, 전력 스테이지 다이오드 DSR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(e)는 충전 전력이 커런트 더블러 변압기(TR)의 이차적인 회선에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DSR1, 인덕터 LF1 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(f)는 충전 전력이 센터 탭 변압기(TR)의 부가적인 이차적 회선에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR1, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF1 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(g)는 충전 전력이 전력 스테이지의 두 번째 출력에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR1, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF1 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 13(h)는 충전 전력이 센터 탭 회선의 제 2 출력에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR1, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF1 그리고 캐패시터 CF를 포함한다.
도 14는 충전 전력이 전력 스테이지의 제 2 출력에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전과 방전 경로와 함께 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 구비하는 실시예를 위한 하프 브리지 직류/직류 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 여기서 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 하프 브리지 직류/직류 변환기는 스위치 S1, 스위치 S2, 캐패시터 C1, 캐패시터 C2, 다이오드 DR1, 다이오드 DR2, 변압기 TR, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 벅 변환기는 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR1, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다.
도 15(a) 내지 (c)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 구비하는 실시예를 위한 LLC 공명 직류/직류 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, LLC 공명 직류/직류 변환기는 스위치 S1-S4, 직렬 공명 인덕터 LS, 병렬 공명 인덕터 LM, 공명 캐패시터 CS, 다이오드 DSR1, 다이오드 DSR2, 변압기 TR, 캐패시터 CF를 포함한다. 도 15(a)는 충전 전력이 센터 탭 변압기(TR)의 이차적인 회선으로부터 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 벅 다이오드 DL, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 15(b)는 충전 전력이 센터 탭 변압기(TR)의 부가적인 이차적 회선으로부터 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 벅 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 15(c)는 충전 전력이 전력 변환기의 제 2 출력으로부터 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 벅 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CF를 포함한다.
도 16은 충전 전력이 전력 변환기의 제 2 출력에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전과 방전 경로와 함께 출력 필터의 입력에 연결된 독립된 전력 저장 시스템을 구비하는 실시예를 위한 하프 브리지 LLC 공명 직류/직류 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 여기서 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 하프 브리지 LLC 공명 직류/직류 변환기는 스위치 S1-S2, 캐패시터 C1에서 C2, 직렬 공명 인덕터 LS, 병렬 공명 인버터 LM, 공명 캐패시터 CS, 다이오드 DR1, 다이오드 DR2, 변압기 TR 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 벅 변환기는 스위치 SL, 다이오드 DL, 인덕터 LL 그리고 캐패시터 CF를 포함한다.
도 17 (a)에서 (b)는 출력 필터의 입력에 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 구비하는 실시예를 위한 포워드 직류/직류 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 포워드 직류/직류 변환기는 스위치 SD2, 클램프 스위치 SC, 클램프 캐패시터 CC, 다이오드 DR1, 다이오드 DR2, 변압기 TR, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다. 도 17(a)는 양 방향 벅/부스트 변환기를 이용한 공통된 충전과 방전 경로를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 양 방향 벅/부스트 변환기는 부스트 스위치 SL1, 벅 스위치 SL2, 인덕터 LL, 캐패시터 CL을 포함한다. 도 17(b)는 충전 전력이 전력 스테이지의 제 2 출력으로부터 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 도시하고 있다. 여기서 상기 벅 변환기와 전력 변환기는 출력 필터를 공유한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 전력 스테이지 다이오드 DR2, 인덕터 LF 그리고 캐패시터 CF를 포함한다.
도 18은 충전 전력은 전력 스테이지의 제 2 출력에서 바로 공급되고 방전에는 벅 변환기를 사용하는 개별적인 충전 및 방전 경로를 구비하는 귀환(flyback) 직류/직류 변환기의 실시예를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면 귀환 직류/직류 변환기는 스위치 SD2, 다이오드 DR1, 변압기 TR과 캐패시터 CF를 포함한다. 벅 변환기는 벅 스위치 SL, 벅 다이오드 DL, 인덕터 LL과 캐패시터 CF를 포함한다.
도 19(a) 와 (b)는 전력 변환기와 직렬로 연결된 독립한 전력 저장 시스템을 구비하는 본 발명의 실시예를 위한 3 스테이지의 교류/직류 변환기의 실시를 도시하고 있다. 바람직한 일실시예에 따르면, 3 스테이지의 직류/교류 변환기는 부스트 PFC(역률 보정) 정류기, 격리 직류/직류 전력 변환기 그리고 부스트 직류/직류 변환기를 포함한다. 도 19(a)는 부스트 PFC 뒤이어 격리 직류/직류 전력 변환기와 부스트 방전 출력 스테이지를 포함한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 부스트 PFC는 부스트 스위치 S, 부스트 다이오드 D, 부스트 인덕터 LB, 벅 캐패시터 CB를 포함한다. 부스트 방전 출력 스테이지는 부스트 스위치 SD, 부스트 다이오드 DD, 부스트 인덕터 LD 그리고 출력 축전지 CF를 포함한다. 도 19(b)는 부스트 PFC 뒤이어 격리 직류/직류 전력 변환기 그리고 입력 PFC 스테이지와 출력 부스트 스테이지 사이의 자기적 결합이 있는 부스트 방전 출력 스테이지를 포함한다. 바람직한 일실시예에 따르면, 부스트 PFC는 부스트 스위치 S, 부스트 다이오드 D, 부스트 인덕터 LB, 진동 제어(snubber) 다이오드 D1, 진동 제어 인덕터 LS, 진동 제어 스위치 S1, 간격이 있는 변압기 TR의 첫 번째 회선 N1, 및 벌크 캐패시터 CB를 포함한다. 부스트 방전 출력 스테이지는 부스트 스위치 SD, 부스트 다이오드 DD, 간격이 있는 변압기 TR의 두 번째 회선 N2 그리고 출력 캐패시터 CF를 포함한다.

Claims (1)

  1. 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하기 위해 입력 공급 전압을 받는 전력 변환기 시스템으로서,
    상기 전력 변환기의 출력 전력에 따라 변화되는 효율에서 동작하는 전력 변환기; 및
    펄스 모드 중에 상기 전력 변환기로부터 공급된 전력을 수신하기 위해 상기 전력 변환기와 연결되는 전력 저장 시스템을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 부하의 전력과 동일한 전력을 공급하는 상기 전력 변환기의 상기 효율이 기설정된 임계 값 이상일 때, 상기 전력 변환기는 상기 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하는 연속 모드로 동작하고,
    상기 적어도 하나의 부하의 전력과 동일한 전력을 공급하는 상기 전력 변환기의 상기 효율이 상기 기설정된 임계 값 미만일 때, 상기 전력 변환기는 교대로 제 1 시간 간격 동안 켜지고 제 2 시간 간격 동안 꺼지는 상기 펄스 모드로 동작하며,
    상기 제 1 시간 간격 동안 상기 전력 변환기는 상기 전력 변환기의 상기 효율이 기설정된 최대 지점에서 상기 적어도 하나의 부하 및 상기 전력 저장 시스템으로 상기 전력 변환기의 출력 전력을 공급하기 위해 동작하고, 상기 제 2 시간 간격 동안 상기 전력 변환기는 꺼지고, 상기 전력 저장 시스템은 상기 전력 변환기의 예비로 동작하여 상기 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하며,
    상기 제 1 시간 간격 대 상기 제 1 시간 간격 및 상기 제 2 시간 간격의 합계의 비율은 상기 전력 변환기의 상기 효율이 상기 기설정된 최대 지점에서 상기 적어도 하나의 부하의 전력의 값을 상기 전력 변환기의 상기 출력 전력으로 나눈 것인 전력 변환기 시스템.
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