Power Electronics/Circuits 的 YES and NO

by allenlu2007

 

先說結論:  緊急剎車, 停車再開  <  維持空檔變慢, 換檔加速 < 剎車回收能量儲存,起步用於加速

Power circuit 的主要儲能裝置是 inductor and capacitor, 稍為複雜的 case 會用 transformer, 可視為 inductor 的延伸。一般把 inductor/transformer 比擬為儲存動能 (and momentum, angular momentum) device.  capacitor 則比擬為儲存位能 device.  

其實 by duality principle (L<->C, parallel<->serial, KCL<->KVL) 也可以反過來說 capacitor 比擬動能, inductor 比擬位能。不過前者對我比較直覺且有物理上 insight, 因些下文還是用 inductor/transformer 比擬為動能, capacitor 比擬為位能。

在 Wiki 有 Impedance analogy 和 Mobility analogy.  Impedance analogy 就是前者。Mobility 就是後者。我比較習慣前者,但必須做 topology 轉換。(parallel <-> serial) 

 

YES and NO in Power Circuit and Car Driving Analogy 

1. NO: 絕對不要 short capacitor with charge (or voltage) 或 open Inductor with current.  兩者都會造成能量(動能或位能)秏散成熱。完全浪費能量,和突然用力踩煞車一樣。

大多時候快速 dissipate capacitor or inductor 內的能量是需要快速 reset capacitor or inductor for next phase operation, 就像紅綠燈控制 operation phase 一樣。(圖?)

From 1 的兩種作法不但浪費能量,在 power circuit 中也非常危險。short charged capacitor 會產生瞬間大電流。Open fluxed inductor 則會產生瞬間高壓。都有可能破壞電路或造成危險。

 

2. YES.  比較好的作法是不用時 keep capacitor open 或 inductor short (keep continuous current).  就像開車換空檔一樣前進,或是 flywheel 沒有外力時 free spin。能量能繼續維持在 capacitor or inductor 內。

但是由於 inductor ESR 以及 capacitor leakage current, 最後能量仍然會消失。不過在短時間內,不同 phase operation 之間 keep open capacitor and short inductor 仍然可以 keep 住相當的能量。

實務上 keep inductor short 可能並不實用。原因是 LR time constant 太短。舉例而言: L=6uH, Rind=2Ohm, Rswitch=10Ohm  LR constant = L/R = 0.5us.  每 0.5us 儲存在 inductor 的 power 只剩下 36%!   只有用超導體才有可能 R=0 –>  LR constant 無限大!  

最接近實用的 keep inductor short 是 flyback converter 的 transformer 在 on state 時,secondary side open, 所以 primary side ideal transformer 可想成 open.  所有 current 都 flow through Lm.   在 off-state secondary 順偏有 current path 同時 primary path open, 因此 current loop back.  (但 Lp = 0)

參考 NCTU 808 的課程講義如下。

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Keep capacitor open 則是常見的方式,因為 RC constant = R*C = 1MEG * 10uF = 10sec.  對於 swtiching regulator, 10 sec 已經可以做很多 operations!  

In summary, 維持空檔:

Inductor short:  (1) 超導體 (L/R 很大);   (2) 用 flyback transformer,  沒有 Rswitch (大), 只有 Rind (<1Ohm) Lm>10uF,  L/R ~ 10us,  馬馬虎虎可以用。

Capacitor open: No problem,  RC 可以很容易 > 1sec. 

 

另一個例子是陳科宏和蘇以萍的 “energy recycle” in SIMO (ISSCC 2015).  其實 energy recycle 就是讓 Vx short 回 Vin (如下下圖). 

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或是 Nam 的 paper 如下。 Gate charge control block 的目的是在 Ms1, Ms2, .. Ms5 都 off 時,讓 inductor current loop 在 inductor.

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如何解決一般 inductor energy storage 的問題?  不是 loop back (short), 而是 recycle 如下!

 

From 2, 在很多實際應用上仍需清空 capacitor or inductor 內的能量。例如在 switched cap circuit 的 sampling cap (下圖 C) 基本上每個 sample 一次都 reset (dump charge to hold C1) 以 transfer signal (charge) 同時避免 signal memory effect.  當然以 switch cap signal processing 應用而言,消秏能量本來就是必要之惡。

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另外在 power circuit 中,inductor 的 cost 和 size 都比較大。常常希望能不同的 voltage input or output, 如 SIDO (single input dual output), SIMO, MISO, 都能 share 同一個  inductor.  因此有可能需要在某些 phase reset inductor current.   如何處理這種情況? 見 method 3.

 

3.  YES. 如果一定要 reset 原來存在 inductor (or capacitor) 內的能量,剩下唯一的方式就是把原來存在 inductor (or capacitor) 的能量先存到其他地方。Maybe 之後再搬回來或用在其他地方。這就是 energy recycle 能量回收的概念。

以開車為例,就是開油電車 (hybrid car).  在踩煞車時,動能轉換為電能暫存起來。在下次加速時,電能再轉換為動能。以 fluxed inductor 為例,可以把動能以及 angular momentum 轉為 capacitor 的位能。理論上是 lossless energy transfer (試想 LC oscillator).  同時用 capacitor voltage (位能或說電能) 來暫存 inductor current (動能或說磁能) 有一個好處是 capacitor 在 fixed voltage 下可容納瞬間大電流。意即掛上的電容可以很快 discharge (or dis-current) the inductor.  但會需要準確的 timing 掛入 capacitor, 以及在 capacitor charge up 時切開,否則電能又會轉回磁能。

下例 from a paper using capacitor to recycle energy of the flyback switching converter. 

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上圖為 conventional flyback converter (without energy recycle)

下圖為改良型 flyback converter 並聯一個 switchable capacitor (Cclamp) 作為能量回收。

原理請參考 paper. Timing diagram and current path 如下圖。

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除了用 capacitor 幫忙 recycle inductor energy 以外。同理可用 inductor 幫忙 recycle capacitor energy.  

 

下例可參考 MIT PhD thesis, “Energy Processing Circuits for Low-Power Applications”

下圖是 energy harvesting 使用 piezo 在振動時產生 AC power.  運用 ac to dc full bridge rectifier 莘取出能量的電路。 一般而言 Rp 很大 (Rp ~ 600KOhm);  Cp ~ 12nF;  Crect >> Cp.  

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Ideal diodes are considered for the time being to determine the power output by the piezoelectric harvester connected to a full-bridge rectifier.  The voltage and current waveforms associated with this circuit is shown in Figure 4-6.  Every half-cycle of the input current waveform can be split into 2 regions.  In the interval between t = to and t = toff, the piezoelectric current Ip flows into Cp to charge it. In this interval, all the diodes are reverse-biased and no current flows into the output capacitor CRECT.

This condition continues till the voltage across the capacitor Cp which is labeled as VBR in Figure 4-5 is equal to the output voltage VRECT.  When this happens, the diodes D1 and D4 turn ON and the piezoelectric current starts flowing into the output.  This interval lasts till the current Ip changes direction.  In the first part of the negative half-cycle again, all the diodes are OFF and the current from the harvester flows into Cp to discharge it.  The other set of diodes D2 and D3 turn ON only after the voltage across Cp is brought down to –VRECT . The shaded portion of the current waveform shows the amount of charge not delivered to the output every half-cycle. The total amount of charge available from the piezoelectric harvester every cycle is 4CpVp.

黑的部份 charge 並不會轉移到 output 而浪費。 

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Full bridge rectifier 的最大的問題是 Vp (Cp 上的電壓) 和 Ip 有相位差 (90度 when Rp is large).  Ip 的工作就是 charge/discharge Cp; 並非直接通過 diodes charge Crect.  Cp 的能量則是負責 charge Crect.

因此 Ip 在 charge Cp 的能量/momentum, 有時會和 Cp charge Crect 反向。此時不但沒有增加 delivery 到 Crect 的能量,反而抵消。因此有下面的 switch-only rectifier.

Switch-only rectifier 在每次 Ip 反相時都 reset Cp (clear charge).  以免反而抵消之後的充電。這樣可以得到比較好的效率。 

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 更好的方法是如下圖,再加上 inductor Lbf 做為反相時暫存 Cp 的能量。之後再回沖?

 

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