KR-20260061201-A - 멀티 레벨 전력 컨버터를 위한 전압 모드 제어

Abstract

데드 존(Zone)을 가로질러 전환할 때 레귤레이션(regulation) 기능이 손실되지 않고, 대용량 출력 전류 및 전압 스파이크가 방지되거나 실질적으로 저감되도록, M-레벨 컨버터 셀을 위한 PWM 클로킹 신호의 생성을 제어하는 회로 및 방법이 개시된다. 실시예들은 전압 모드 제어 시스템을 활용하며, 이 시스템에서 3-상태 PWM 듀티 사이클은 직접 감지 및 조작될 수 있는 보상 전압 V_COMP에 선형적으로 관련된다. V_COMP로부터 감지된 존들(Zones) 간 전환 시, 실시예들은 인접한 한 쌍의 PWM 사이클의 듀티 사이클을 교번시켜 원활한 전환을 달성한다. 데드 존 내에서, 인접한 한 쌍의 PWM 사이클 중 제1 사이클은 전환 시퀀스 동안 지속 시간이 증가하는 상위 전압을 갖는 2-상태 듀티 사이클을 가지며, 상기 한 쌍의 인접한 PWM 사이클 중 제2 사이클은 전환 시퀀스 동안 지속 시간이 감소하는 하위 전압을 갖는 2-상태 듀티 사이클을 가진다.

Inventors

• 저우, 다니엘
• 슈체친스키, 그레고리

Assignees

• 피세미 코포레이션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20240809

Priority Date

20230831

Claims (20)

1. 멀티 레벨 컨버터 셀을 위한 펄스 폭 변조(PWM) 발생기로서, 제1 동작 존(Zone)에서 데드 동작 존(Zone)을 통과하여 제2 동작 존(Zone)으로 전환하도록 구성되고, 상기 데드 동작 존(Zone)에서 3-상태 듀티 사이클을 가지는 PWM 사이클을 생성하도록 구성되며, 상기 3-상태 듀티 사이클의 제1 상태는 방전 전압 상태 D를 포함하고, 상기 3-상태 듀티 사이클의 제2 상태는 중성 전압 상태 N을 포함하며, 상기 3-상태 듀티 사이클의 제3 상태는 충전 전압 상태 C를 포함하고, 상기 중성 전압 상태 N의 전압 레벨은 상기 방전 전압 상태 D의 전압 레벨과 상기 충전 전압 상태 C의 전압 레벨 사이에 있는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
2. 제1항에 있어서, 상기 PWM 사이클의 상기 3-상태 듀티 사이클은 DCN, DNC, CDN, CND, NCD, 또는 NDC 시퀀스 중 하나로 구현될 수 있는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
3. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 외부 신호에 응답하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하고 종료하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
4. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 개방 루프 피드포워드 방법을 사용하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하고 종료하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
5. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 폐쇄 루프 방법을 사용하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하고 종료하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
6. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 미리 정의된 범위 내에 있거나 밖에 있는 선택된 파라미터에 기초하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하거나 종료하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
7. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 개방 루프 피드포워드 방법을 사용하여 상기 충전 전압 상태 C 또는 상기 방전 전압 상태 D 중 하나의 지속 시간을 설정하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
8. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 폐쇄 루프 방법을 사용하여 상기 충전 전압 상태 C 또는 상기 방전 전압 상태 D 중 하나의 지속 시간을 설정하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
9. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 미리 정의된 범위 내에 있거나 밖에 있는 선택된 파라미터에 기초하여 상기 충전 전압 상태 C 또는 상기 방전 전압 상태 D 중 하나의 지속 시간을 설정하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
10. 제1항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 상기 충전 전압 상태 C의 지속 시간 D1 및 상기 방전 전압 상태 D의 지속 시간 D2를 D1 + D2의 합이 선택된 상수와 같도록 설정하는 것인, 펄스 폭 변조(PWM) 발생기.
11. 펄스 폭 변조(PWM) 발생기의 제1 동작 존(Zone)에서 데드 동작 존(Zone)을 통과하여 상기 PWM 발생기의 제2 동작 존(Zone)으로 전환하는 방법으로서, 상기 데드 동작 존(Zone)에서 3-상태 듀티 사이클을 가지는 PWM 사이클을 생성하는 단계를 포함하며, 상기 3-상태 듀티 사이클의 제1 상태는 방전 전압 상태 D를 포함하고, 상기 3-상태 듀티 사이클의 제2 상태는 중성 전압 상태 N을 포함하며, 상기 3-상태 듀티 사이클의 제3 상태는 충전 전압 상태 C를 포함하고, 상기 중성 전압 상태 N의 전압 레벨은 상기 방전 전압 상태 D의 전압 레벨과 상기 충전 전압 상태 C의 전압 레벨 사이에 있는 것인, 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 PWM 사이클의 상기 3-상태 듀티 사이클은 DCN, DNC, CDN, CND, NCD, 또는 NDC 시퀀스 중 하나로 구현될 수 있는 것인, 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 외부 신호에 응답하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하고 종료하는 것인, 방법.
14. 제11항에 있어서, 개방 루프 피드포워드 방법을 사용하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하고 종료하는 단계를 더 포함하는, 방법.
15. 제11항에 있어서, 폐쇄 루프 방법을 사용하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하고 종료하는 단계를 더 포함하는, 방법.
16. 제11항에 있어서, 미리 정의된 범위 내에 있거나 밖에 있는 선택된 파라미터에 기초하여 상기 3-상태 듀티 사이클을 개시하거나 종료하는 단계를 더 포함하는, 방법.
17. 제11항에 있어서, 개방 루프 피드포워드 방법을 사용하여 상기 충전 전압 상태 C 또는 상기 방전 전압 상태 D 중 하나의 지속 시간을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
18. 제11항에 있어서, 폐쇄 루프 방법을 사용하여 상기 충전 전압 상태 C 또는 상기 방전 전압 상태 D 중 하나의 지속 시간을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
19. 제11항에 있어서, 미리 정의된 범위 내에 있거나 밖에 있는 선택된 파라미터에 기초하여 상기 충전 전압 상태 C 또는 상기 방전 전압 상태 D 중 하나의 지속 시간을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
20. 제11항에 있어서, 상기 충전 전압 상태 C의 지속 시간 D1 및 상기 방전 전압 상태 D의 지속 시간 D2를 D1 + D2의 합이 선택된 상수와 같도록 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.

Description

멀티 레벨 전력 컨버터를 위한 전압 모드 제어 본 출원은 2024년 1월 9일에 출원된 미국 특허 출원 제63/619,088호 및 2023년 8월 31일에 출원된 미국 특허 출원 제63/579,889호에 대해 우선권을 주장하며, 상기 양 출원의 전체 내용이 참조로 본 명세서에 포함된다. 본 발명은 전자 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 레벨 전력 컨버터에 관한 것이다. 다수의 전자 디바이스, 특히 모바일 컴퓨팅 및/또는 통신 제품 및 부품(예를 들어, 노트북 컴퓨터, 울트라북 컴퓨터, 및 태블릿 디바이스)은 배터리, 태양 전지, 및 정류된 AC 소스(예를 들어, USB 충전기 또는 무선 충전 회로)를 포함하는 복수의 소스로부터 전력을 공급받을 수 있다. 직류 전력 컨버터를 사용하여 정류된 AC 소스와 같은 선택된 전력 소스로부터 더 낮거나 더 높은 전압을 생성하여, 전자 디바이스에 전력을 공급하고 상기 전자 디바이스 내부의 배터리를 충전하는 것이 일반적이다. 더 높은 입력 전압 전력 소스로부터 더 낮은 출력 전압 레벨을 생성하는 전력 컨버터는 일반적으로 벅 컨버터(buck converter)로 알려져 있으며, 이는 출력 전압 VOUT이 입력 전압 VIN보다 낮아 상기 컨버터가 입력 전압을 "벅킹(bucking)"하기 때문이다. 더 낮은 입력 전압 전력 소스로부터 더 높은 출력 전압 레벨을 생성하는 전력 컨버터는 일반적으로 부스트 컨버터(boost converter)로 알려져 있으며, 이는 VOUT이 VIN보다 크기 때문이다. 일부 전력 컨버터는 입력 및 출력에 어떤 단자가 사용되는지에 따라 벅 컨버터 또는 부스트 컨버터일 수 있다. 일부 전력 컨버터는 반전된 출력을 제공할 수 있다. 도 1은 종래 기술의 전력 컨버터(100)의 블록도이다. 도시된 예에서, 상기 전력 컨버터(100)는 멀티 레벨(M-레벨) 컨버터 셀(102) 및 컨트롤러(104)를 포함한다. 상기 M-레벨 컨버터 셀(102)은 전압 소스(106)(예를 들어, 정류된 AC 소스)로부터 단자 V1+, V1-(공통)를 통해 입력 전압 VIN을 수신하고, 상기 입력 전압 VIN을 단자 V2+, V2-(공통)를 통해 출력 전압 VOUT으로 변환하도록 구성된다. 상기 출력 전압 VOUT은 일반적으로 출력 커패시터 COUT에 걸쳐 결합되며, 상기 출력 커패시터에는 배터리 및/또는 전자 디바이스와 같은 부하(108)가 연결될 수 있다. 상기 컨트롤러(104)는 입력 신호 세트를 수신하고 출력 신호 세트를 생성한다. 이러한 입력 신호 중 일부는 상기 컨버터 셀(102)에 결합된 신호 경로(110)를 따라 도달한다. 일부 입력 신호는 상기 컨버터 셀(102)의 동작 상태를 나타내는 정보를 전달한다. 상기 컨트롤러(104)는 일반적으로 아날로그, 디지털(인코딩된 또는 직접 신호 라인), 또는 양자의 조합일 수 있는 하나 이상의 외부 입출력 신호 I/O, 및 클록/타이밍 신호 CLK도 수신한다. 수신된 입력 신호에 기초하여, 상기 컨트롤러(104)는 상기 신호 경로(110) 상에서 상기 컨버터 셀(102)의 내부 부품(예를 들어, 내부 전력 스위치, 예컨대 FET, 특히 MOSFET)을 제어하여 상기 컨버터 셀(102)이 VIN을 VOUT으로 변환하게 하는 클록킹 신호 φ1??φn을 포함하는 제어 신호 세트를 제공한다. 각 전력 스위치는 일반적으로 로직 레벨 클록 및/또는 제어 신호에 기초하여 상기 전력 스위치를 온(ON) 또는 오프(OFF)할 수 있도록 제어 입력(예를 들어, 상기 전력 스위치를 구현하는 FET의 게이트)에 결합된 레벨 시프터 및 드라이버 회로를 가진다. 일부 실시예에서, 보조 회로(미도시)는 클록 신호 CLK, 입출력 신호 I/O, 뿐만 아니라 일반 시스템 공급 전압 VDD 및 적어도 하나의 트랜지스터 바이어스 전압 VBIAS와 같은 다양한 전압을 포함하는 다양한 신호를 상기 컨트롤러(104)에(그리고 선택적으로 상기 컨버터 셀(102)에 직접) 제공할 수 있다. M-레벨 컨버터 셀(102)의 한 유형은 전하 전달 커패시터를 에너지 저장 소자로서 포함하며, 이들은 제어되는 전력 스위치에 의해 결합되어 VIN에서 VOUT으로 전하를 전달한다. 이러한 전하 전달 커패시터는 일반적으로 "플라이 커패시터(fly capacitor)" 또는 "펌프 커패시터(pump capacitor)"로 알려져 있다. 플라이 커패시터가 사용될 때마다(즉, 바이패스되지 않을 때), 상기 플라이 커패시터를 통해 흐르는 전기 에너지는 일반적으로 상기 플라이 커패시터를 충전하거나 방전한다. 예를 들어, 도 2는 종래 기술의 3-레벨 컨버터 셀(200)의 회로도이다. 전력 전계 효과 트랜지스터(FET) M0-M3는 그 전도 채널(드레인-소스)이 입력 전압 VIN과 기준 전위(예를 들어, 회로 접지) 사이에 직렬로 결합된다. 펄스 폭 변조(PWM) 발생기 회로(202)로부터의 클록킹 신호 φ0-φ3이 각각의 전력 FET M0-M3에 (직접적으로 또는 간접적으로) 인가되어 상기 전력 FET의 온(전도) 또는 오프(차단) 상태를 제어한다(간략화를 위해 레벨 시프팅, 드라이버, 및 제어 회로는 생략되었음에 유의한다). 상기 PWM 발생기 회로(202)는 상기 컨버터 셀(102)의 출력 전압 VOUT 및 예를 들어 도 1의 컨트롤러(104)에 의해 제공될 수 있는 클록 파형 CLK에 부분적으로 기초하여 상기 클록킹 신호 φ0-φ3을 생성한다. 에너지 저장 플라이 커패시터 CF1은 하이 사이드 노드 HS1(전력 FET M0과 M1 사이)과 로우 사이드 노드 LS1(전력 FET M2와 M3 사이) 사이에 결합된다. 에너지 저장 인덕터 L은 부하(108)와, 하이 사이드 전력 FET M0, M1을 로우 사이드 전력 FET M2, M3로부터 분리하는 노드 Lx 사이에 결합된다. 출력 커패시터 COUT은 상기 인덕터 L과 기준 전위 사이에 결합된다. 상기 플라이 커패시터 CF1, 상기 인덕터 L, 및 상기 출력 커패시터 COUT은 일반적으로 상기 컨트롤러(104) 및 상기 컨버터 셀(102)의 전력 FET에 대한 외부 부품이다. 상기 3-레벨 컨버터 셀(200)은 정상 동작 중에 전력 FET M0-M3의 온-오프 상태에 따라 노드 Lx에서 3개의 순시 전압 레벨: VIN, VIN/2, 또는 0V를 생성할 수 있다. 예를 들어, VIN = 5V인 경우, 정상 동작 중에 Lx는 5V, 2.5V, 또는 0V의 값을 가질 수 있다. 이러한 값을 하나의 예로 사용하면, VOUT에서의 평균 전압 값은 두 존(zone) 중 하나에 있을 수 있다: 존 1에서 VOUT은 노드 Lx에서 0V와 2.5V 사이를 교번함으로써 이론적으로 0V에서 2.5V(즉, VIN/2)까지 범위를 가질 수 있고, 존 2에서 VOUT은 노드 Lx에서 2.5V와 5V 사이를 교번함으로써 이론적으로 2.5V에서 5V(즉, VIN)까지 범위를 가질 수 있다. 그러나, 도 2의 인덕터 L은 상기 인덕터 L을 신속하게 충전/방전하여 루프 응답에 영향을 미치지 않기 위해 최소 전압 강하를 필요로 한다. VOUT이 상기 컨버터 회로의 인접 전압 레벨 사이의 경계(예를 들어, VIN/2에서의 경계)에 가깝거나 해당 경계에 있는 전압에 도달하면, 상기 컨버터 셀(200)은 과도 응답을 충족하기에 충분한 전압 강하가 상기 인덕터 L에 걸쳐 존재하지 않는 "데드 존(dead zone)"에 도달한다. 달리 말하면, 전력 FET M0-M3의 듀티 사이클 d는 100%에 또는 그에 가까울 수 없고(하위 존에서 상위 존으로 접근할 때, 예컨대 존 1에서 존 2로 전환할 때), 0%에 또는 그에 가까울 수 없다(상위 존에서 하위 존으로 접근할 때, 예컨대 존 2에서 존 1로 전환할 때). 예를 들어, 도 3은 3-레벨 컨버터 셀에 대한 노드 Lx에서의 이용 가능한 전압 레벨 VLx의 그래프(300)이다. 경계 내 전압 레벨 전환(이 예에서 VIN/2) 주위에 마진(302)이 추가되어, PWM 클록킹 신호의 듀티 사이클 d가 최소/최대 펄스 폭이 유지되도록(예를 들어, 5% 내지 95% 또는 10% 내지 90%) 제한되는 데드 존을 정의한다. 따라서, 상기 듀티 사이클 d는 정의된 최소/최대 범위 밖의 값으로 설정될 수 없다. 다른 예로서, 도 4는 4-레벨 컨버터 셀에 대한 노드 Lx에서의 이용 가능한 전압 레벨 VLx의 그래프(400)이다. 하위 경계 내 전압 레벨 전환(VIN*1/3) 주위에 제1 마진(402)이 추가되고, 상위 경계 내 전압 레벨 전환(VIN*2/3) 주위에 제2 마진(404)이 추가되어 각각의 데드 존을 정의한다. M-레벨 컨버터 셀의 한 가지 설계 과제는 데드 존을 통과하여 전환할 때 레귤레이션(regulation)이 상실되지 않고 출력 전류 및 전압의 큰 스파이크가 방지되거나 실질적으로 감소되며, 동시에 높은 효율을 달성하도록 PWM 클록킹 신호의 생성을 제어하는 것이다. 본 발명은 이러한 설계 과제를 충족하는 효과적이고, 효율적이며, 컴팩트한 회로를 제공한다. 도 1은 종래 기술의 전력 컨버터의 블록도이다. 도 2는 종래 기술의 3-레벨 컨버터 셀의 개략도이다. 도 3은 3-레벨 컨버터 셀의 노드 Lx에서의 이용 가능한 전압 레벨 VLx의 그래프이다. 도 4는 4-레벨 컨버터 셀에 대한 노드 Lx에서의 이용 가능한 전압 레벨 VLx의 그래프이다. 도 5A는 VIN/3 주위의 데드 존을 통과하는 존 1에서 존 2로의 전환 동안 4-레벨 컨버터 셀에 대한 노드 Lx에서의 전압 레벨 VLx 대 시간의 그래프이다. 도 5B는 시간의 함수로서 노드 Lx를 통한 리플 전류를 보여주는 제1 그래프이다. 도 5C는 시간의 함수로서 노드 Lx를 통한 리플 전류를 보여주는 제2 그래프이다. 도 5D는 VIN/3 주위의 데드 존에서 단일 3-상태 PWM 사이클을 보여주는 4-레벨 컨버터 셀에 대한 노드 Lx에서의 전압 레벨 VLx 대 시간 및 인덕터 L을 통한 리플 전류 대 시간의 이중 그래프이다. 도 5E는 VIN/3 주위의 데드 존에서 단일 3-상태 PWM 사이클을 보여주는 4-레벨 컨버터 셀에 대한 노드 Lx에서의 전압 레벨 VLx 대 시간의 그래프이다. 도 6은 시간의 함수로서 전압 모드 PWM 발생기 회로