KR100365253B1 - 전기 에너지를 변환하는 전자 회로 및 그것을 사용하는 전원 장 치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 각각의 셀에 대해 캐패시터(C1, C2, ..., Cn)를 포함하는 멀티레벨 컨버터를 제공한다. 이 캐패시터는 컨버터에서의 그 순서에 비례하는 공칭 충전 전압을 갖는다. 이것은 또한 전압원(VECn)의 전압을 평가하고 상기 전압이 불충분할 때마다 컨버터의 상기 공칭 동작(sd)을 중지시키며, 초기에 전압원의 상기 전압을 설정할 때 컨버터(C1, C2,..., Cn)의 모든 캐패시터의 충전을 시작하고 그후 제어 수단이 컨버터의 공칭 동작을 복원하도록 상기 스위치(T1, T'1; T2, T'2...,; Tn, T'n)에 작용하도록 의도된 제어 수단(BT, DA1, ..., DAn, pe2, ..., pen)을 구비한다.

Description

전기 에너지를 변환하는 전자 회로 및 그것을 사용하는 전원 장치

본 발명은 프랑스 특허 출원 FR 2 679 715 AL에 기재된 타잎의 전기 에너지를 변환하는 전자 회로 및 그것을 사용하는 전원 장치에 관한 것이다.

상기 특허 출원에 기재된 컨버터는 예를 들면 도1에 도시되어 있다. 이것은 전압원 SE과 전류원 C사이에 일련의 제어가능 스위칭 셀 CL1, CL2, ..., CLn을 반드시 포함하고, 이들 스위치 각각은 두개의 스위치 T1, T'1; T2, T'2; ,,,; Tn, T'n을 갖고, 두개의 스위치 각각의 하나의 단자부는 한쌍의 상류 단자부의 일부를 형성하고, 스위치 각각의 다른 단자부는 한쌍의 하류 단자부의 일부를 형성하고, 상류 셀의 하류 단자부 쌍은 하류 셀의 상류 단자부 쌍에 접속되고, 제1 샐 CL1의 상류 단자부 쌍은 상기 전류원 C에 접속되고, 마지막 셀 CLn의 하류 단자부 쌍은 상기 전압원 SE에 접속되고, 또한, 상기 컨버터는 상기 전압원 SE가 동일한 규칙을 실행하기에 충분할 때 마지막 셀의 캐패시터가 생략된다는 것을 제외하고 각 셀에 대하여 각 캐패시터 C1, C2, ..., Cn을 더 포함하고, 각 캐패시터는 그의 셀의 하류 단자부 쌍을 구성하는 두개의 단자부 사이에 접속되고, 또한 상기 컨버터는 어느 하나의 셀의 두개의 스위치가 항상 각각 반대의 도전 상태(lc1 등의 제어 링크로 나타냄)이고, 제어수단에서 전달된 셀 제어 신호에 응답하여 순환적으로 반복되는 주기 동안 주어진 셀의 두개의 스위치 중 하나가 연속해서 제1 도전 상태로 된 후 제2 도전 상태로 되며, 동일하지만 상기 컨버터 주기의 일부 만큼 시간이 오프셋된 셀 제어 신호에 응답하여 연속하는 셀의 스위치가 동일한 방식이지만 상기 주기의 일부 만큼 시간이 오프셋되어 각각 작용하도록, 연속하는 셀의 스위치에 작용하고 컨버터의 공칭동작을 제어하는 제어 수단(도시하지 않음)을 갖는다.

상기 주기의 일부는 출력에 발생된 조파에 대하여 최적이고 컨버터의 캐패시터에 충전된 전압이 자연적으로 밸런스되는 셀의 수 n의 역수, 즉 2π/n인 것이 바람직하다. 물론 다른 오프셋을 생각할 수도 있다.

그러한 컨버터에 있어서, 연속하는 캐패시터 C1, C2, ..., Cn은 각각 증가하는 평균 충전 전압을 갖고, 상기 셀 각각과 관련된 캐패시터의 평균 충전 전압은 셀의 랭크 및 컨버터의 셀수의 역수를 곱한 상기 전압원 SE에 의해 전달된 전압 VE의 곱, 즉 n = 3일 때, 즉 컨버터가 3개의 셀만을 가질 때 VE/3, 2VE/3, VE와 같다.

이하, "멀티레벨 컨버터"는 상기 설명을 만족하는 컨버터를 나타낸다.

그러한 컨버터의 효과는 정상 동작시, 상기 스위치 각각에 컨버터에 인가되는 최대 전압의 일부, 즉 두개의 인접 셀의 두개의 캐패시터의 충전 전압 사이의 차에 대응하는 부분만이 인가되는 것이다. 따라서, 상기 인터럽터(interrupter)를 더 저렴하고 및/또는 더 고속인 부품으로 실현할 수 있다. 그들이 더 고속이면, 동작 주파수가 더 높은 킨버터를 만들 수 있어 실제로 가장 효과적으로 된다.

본 발명의 목적은 상기 전압원이 컨버터에 전원을 공급하자 마다 신속히 상기 캐패시터가 그들 각각의 상기 공칭 충전 전압을 획득하는 것을 보장하는 것이다.

컨버터가 동작하는 방식은 캐패시터의 공칭 충전 전압이 그것이 있어야 할 전압보다 높으면, 전류원으로 여분의 전류를 전달하는 것에 의해, 그의 충전 전압을 공칭값으로 되돌리는 것이다. 물론, 이 처리는 비교적 늦고, 특히 전류원을 거쳐 흐르는 전류가 작을 때 특히 현저하다. 상기 전압원이 처음에 동작하지 않고 그후 갑자기 컨버터의 공급 전압을 확립하는 상태에 적용될 때, 스위치에 비교적 긴 시간동안 정상이 아닌 높은 전압이 인가되는 효과를 갖게 된다.

이것은 그러한 조건 및 정상 동작시 모두에 있어서 일시적이지만 과도한 전압이 스위치에 인가되면 스위치가 손상될 수 있으므로 그것을 피하는 것은 매우 중요하다. 본 발명에 따르면, 상기 목적은 컨버터의 전압원의 전압을 평가하고, 그것이 소정의 임계값보다 작게 되지 마자 상기 컨버터의 공칭 동작을 중지시키고, 제어 수단이 상기 컨버터의 공칭 동작을 확립한 후 컨버터의 모든 캐패시터가 그들 각각의 공칭 충전 전압으로 충전될 때 까지, 상기 전압원의 전압이 상기 공칭 충전 전압의 최저 전압과 제로 사이에 있는 값을 갖을 때, 컨버터의 모든 캐패시터를 충전하고, 상기 전압원의 전압이 상기 최저 공칭 충전 전압을 초과할 때, 상기 전압으로 공칭적으로 충전된 캐패시터를 회로가 취하게 하여 상기 전압원의 전압이 더 높은 공칭 충전 전압을 요구하는 캐패시터를 계속 충전하고, 전압원의 전압이 더 높은 공칭 충전 전압을 즉시 초과할 때, 상기 전압으로 공칭 충전된 캐패시터를 회로가 또 취하게 하며, 전압원의 전압이 다른 캐패시터를 계속 충전하도록, 상기 스위치에 작용하도록 구성된 제어 수단을 포함하는 컨버터에 의해 달성된다.

컨버터의 실시예에서, 상기 제어 수단은 제로부터 증가하는 전압원의 전압에대하여, 부하에 전달된 전압이 제로이고 그후, 상기 전압원의 전압이 상승함에 따라 연속하는 이어지른 셀 들의 스위치 쌍이 다른 상태에 놓이도록 다른 상태에 있는 제1 셀의 스위치를 제외하고, 양 스위치가 처음에 모든 셀에서 동시에 닫힌다.

또한, 본 발명은 필요에 따라, 상기 전압원의 전압 설정이 사용된 컨버에 적절한 방식으로 짐차로 발생하도록, 조직되고 그러한 컨버터를 사용하는 장치를 제공한다. 본 발명의 상기 및 그밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

도1은 공지의 멀티레벨 컨버터의 회로도.

도2는 본 발명을 실시할 수 있도록 구성되고 도1에 도시한 멀티레벨 컨버터를 위한 제어 수단의 회로도.

도3은 도2의 회로에 사용가능하고 캐패시터 충전 전압을 평가하는 수단의 회로도.

멀티레벨 컨버터는 다시 설명하지 않는다. 도1의 도면은 독자에게 더욱 충분한 상세인 특허 명세서 FR 2 697 715 AL에 기재된 타잎의 컨버터에 대응한다.

도2에는 도1의 캐패시터 C1, C2, ...,Cn만이 도시되어 있다.

본 발명에 따르면, 이들 캐패시터의 각각은 캐패시터 각각의 양단간 전압을 평가하게 하는 각 평가 회로 VMO1, VMO2, ..., VMOn과 관련이 있다. 결국, 각각의 그러한 회로는 각 캐패시터의 두개의 단자에 결합되어, 캐패시터의 단자 사이에 존재하는 전압을 나타내는 평가 신호 VO1, VO2, ..., VOn을 마련한다.

도3을 참조하면, 평가 회로의 구현이 캐패시터 CK의 단자 사이에 직렬로 접속되어, 신호 gk에 의해 트리거된 게이트 회로 PVk에 의해 리드되는 디지탈 전압값을 전달하는 것에 의해 각 펄스 fk에 응답하는 아날로그 디지탈 컨버터 ADC에 캐패시터의 단자 사이의 전압의 소정의 일부를 전달하는 임피던스 ptk1 및 ptk2를 포함하는 것을 알 수 있다. 신호 fk 및 gk는 시간 기준 BT(도2)에 의해 발생되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 캐패시터의 각각은 캐패시터의 공칭 충전 전압과 대응하는 평가 회로에서 수신될 때 관찰된 충전 전압 사이에 차이가 있다면 그것을 측정하는 각 차분 측정 회로 VE1, VE2, ..., VEn과도 관련이 있다. 차분 측정 회로 자체는 단의 랭크 R이 곱해진 전압원 SE의 전압 VE의 일부 1/n인 캐패시터의 공칭 충전 전압을 산출하고, n은 컨버터의 단수이다. 따라서, 이 회로는 값 VE 및 R을 받고, 대체로 컨버터에 대하여 일정한 값 n은 각 회로에서 고정 배선된다(값 R은 각 단에 대하여 일정하고 그렇지 않으면, 고정 배선된다). 회로는 공칭 충전 전압 VExR/n을 그곳으로 부터 구동하고 평가된 충전 전압과 그것을 비교하여, 상기 두개의 전압 사이의 차분을 나타내는 차분 신호 VEC, VEC2, ..., VECn을 마련한다. 차분 신호는 오로지 차이가 있다는 것과 그의 부호를 나타내는 단순한 논리 신호(2 비트)라도 좋다. 바람직하게는 다음에 설명하는 이유로 인해, 캐패시터 충전 차이가 차분 측정 회로에서 고정 배선된 소정의 임계값을 초과하면 차분 신호가 전달된다.

도2의 제어 수단은 트리거 신호 sd1, sd2, ..., sdn에 응답하여 동작하는 제어 모듈 MC1, MC2, ..., MCn을 구비한다. 컨버터의 각 주기에 있어서, 시간 기준BT는 신호 sd1을 직접 구성하고 지연 유닛 R2, ..., Rn을 거쳐 시간 오프셋된 신호 sd2, .., sdn을 발생하는 신호 sd를 발생한다. 제어 모듈 MC1, MC2, .., MCn의 기능은 컨버티의 스위치를 제어하는 활성화 신호 CT1, CT2, ..., CTn을 위해 각 컨버터 주기동안 제어 펄스를 필수적으로 발생하는 것이다. 각 경우에 있어서, 각각의 그러한 펄스의 공칭 기간은 전류원으로 전달된 전압 레벨 및 전압원에 의해 마련된 전압의 값 VE에 의해 주로 결정된다. 컨버터 동작의 이러한 특징은 본 발명의 범위 외에 있으므로 더욱 상세한 설명은 하지 않는다.

이들 활성 레벨 제어 펄스의 각각이 스위치 T'1, T'2, ..., T'n의 각각의 스위치에 직접 인가되어, 그것을 비도통으로 하고, 각 펄스는 각 NOR 게이트 pe1, pe2, ..., pen에도 전달되고, 이것은 그후 반대 또는 "비활성" 레벨을 전달하며 각 스위치 T1, T2, ..., Tn을 도통으로 하고 NOR 게이트의 다른 입력의 레벨에 관계없다.

따라서, 상술한 바와 같이, 각 스위치 쌍의 두개의 스위치 T1, T'1, T2, T'2; ..., Tn, T'n의 상태는 항상 반대이다.

또한, 본 발명에 따르면, 컨버터는 도2의 실시예의 시간 기준 BT에 반드시 적합하고 상기 컨버터 전압원의 전압의 평가값을 차분 신호 VECn의 형태로 연속 수신하고 이 전압이 주어진 임계값 미만으로 떨어지자 마자 상기 컨버터의 공칭 동작을 정지시키는 제어 수단을 구비한다.

신호 VECn이 캐패시터 Cn의 충전 전압에 관한 것이므로, 그와 동시에 전압원의 전압에도 관한 것이다. 실제로, 이 전압은 그의 공칭값으로 제공되고 컨버터의공칭 동작이 실현되거나 또는 이 전압이 그의 공칭값으로 제공되지 않고 정상으로 복귀하는 값이고, 또한 본 발명이 아니면, 스위치의 동작 전압은 컨버터의 정상 동작이 계속되지 않는 경우에 초과될 수 없다. 이것은 다음의 설명에서 명확하게 된다.

따라서, 시간 기준 BT가 전압원의 전압이 불충분한 것을 관찰할 때, 어떤 신호 sd를 발행하는 것을 중단시키고 그대신 DC 신호 at를 전달한다.

신호 sd가 없으므로, 신호 CT1, CT2, ..., CTn이 비활성 상태로 되어, 스위치 T'1, T'2, ..., T1'n이 도통으로 된다.

신호 at는 대기 회로 DA1, DA2, ..., DAn-1(도시하지 않음)을 인에이블한다. 그들 각각은 대용하는 차분 신호 VEC1, VEC2, ...을 관찰하고 대응하는 캐패시터의 평균 충전 전압이 차분 신호를 전환하도록 되지 않는 한, 지연 회로는 즉시 더 큰 랭크의 스위칭 셀의 대응하는 게이트 pe2, ..., pen에 충전 제어 신호 DR1', DR2',...을 공급한다.

따라서, 각 셀에 대하여, 충분히 충전된 캐패시터가 없는 한, 스위치 T'2, ..., T'n이 이미 도통이므로, 스위치 T2, ..., Tn도 마찬가지이다. 도1을 참조하면, 모든 캐패시터가 전압원의 단자에 병렬로 접속되어 있는 것을 명확히 알 수 있다. 전압원의 전압이 확립되자 마자, 모든 캐패시터는 병렬로 충전된다.

그후, 캐패시터 C1이 그의 공칭 충전에 도달할 때, 차분 신호 VEC1이 사라지고, 대기 회로 DA1은 충전 제어 신호 DR'1을 전환하고, 스위치 T2는 비도통으로 되어, 다른 캐패시터가 계속 충전되는 동안, 캐패시터 C1의 충전이 중단된다.

캐페시터 C2가 충분히 충전될 때, 대응하는 차분 신호 VEC2가 전환되고 대기 회로 DA2가 신호 DR2'를 전환하여, 스위치 T3(도시하지 않음)이 도통을 중단하며, 이것은 캐패시터 Cn-1(도시하지 않음)이 충전될 때 까지 계속되어 스위치 Tn이 도통을 중단한다.

마지막으로, 커피시터 Cn이 완전히 충전될 때, 시간 기준은 차분 신호 VECn이 사라지는 것을 관찰하여 DC 신호 at를 전환하는 한편, 컨버터의 공칭 동작을 주기 신호 sd를 발생함으로써 확립한다.

상기의 변형이 개별적으로 캐패시터에서 관찰된 충전 전압을 비교하는 것이 아니고, 퍼캐시터의 각 공칭 충전 전압 각각에 대하여, 전압원의 전압과 다양한 공칭 충전 전압을 단순히 비교하는 것이며 상기 변형이 더 저렴하는 것은 명백하다.

자연히, 싱기는 전압원의 전압이 상술한 동작이 발생하도록 충분히 점진적으로 확립된다는 가정에 따르고 있다.

이 가정은 전류가 확립되어야 할 기울기의 한계를 설정하는 필터를 소스가 거의 항상 포함하므로 보통은 사실이다. 또한, 전원은 주 전원이 AC 전원이라도 좋고, 이때의 시정수는 컨버터의 동작 주기보다 훨씬 긴 1/4 주기, 즉 50 Hz에서 5 ms인 것이 일반적이다.

본 발명에 따르면, 필요하다면 사용된 컨버터에 적당한 방식으로 전압원의 전압을 점진적으로 확립하도록 시정수 수단을 추가할 수도 있다.

컨버터의 캐패시터의 충전 전압은 가능한 신속히 평가되는 것이 바람직하다. 도3에 따라 설명된 방법은 디지탈 처리가 가능하다는 이점을 갖지만, 그다지 빠르지 않다. 전압 분할 브릿지에서의 전압을 기준 전압과 비교하여 전자적 쌍안정을 기동하는 아날로그 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

회로 소자의 다양한 파라미터에 대하여 설명하였지만, 관찰된 캐패시터 충전 전압과 대응하는 기준 사이의 비교가 상기 차분 신호가 발행되지 않는 임계값의 형태로 에러의 마진을 포함하는 것이 바람직한 것은 물론이다.

상기 설명은 제한되지 않는 실시예 및 수치로 단순히 주어진 것으로 각 어플리캐이션에 대하여 변경가능한 것은 물론이다.

Claims (3)

1. 특히 전압원(SE)과 전류원(C)사이에, 두개의 스위치(T1, T'1; T2, T'2; ...; Tn, T'n)를 각각 갖는 일련의 제어가능한 스위칭 셀(CL1, CL2, ..., CLn)을 포함하고, 상기 두개의 스위치 각각의 하나의 단자부는 한쌍의 상류 단자부의 일부를 형성하고, 상기 스위치 각각의 다른 단자부는 한쌍의 하류 단자부의 일부를 형성하고, 상류 셀의 상기 하류 단자부 쌍은 하류 셀의 상기 상류 단자부 쌍에 접속되고, 제1 셀(CL1)의 상기 상류 단자부 쌍은 상기 전류원(C)에 접속되는 한편 마지막 셀 (CLn)의 상기 하류 단자부 쌍은 상기 전압원(SE)에 접속되어 있는 멀티레벨 컨버터로서, 상기 컨버터는 상기 전압원(SE)이 동일한 역할을 수행하는데 적합할 때 상기 마지막 셀의 캐패시터가 생략될 수 있다는 것을 제외하고 대응하는 셀의 상기 하류 단자부 쌍을 구성하는 두개의 단자부 사이에 각각 접속된 각 셀에 대한 캐패시터(C1, C2, ..., Cn)을 더 포함하고, 상기 컨버터는 또한 제어 수단에 의해 공급된 셀 제어 신호(CT1, CT2, ..., CTn)에 응답하여, 소정 셀의 두개의 스위치 중 하나가 연속해서 제1 도전 상태로 되고 다음에 순환적으로 반복되는 주기 동안 제2 도전 상태로 되고, 동일하지만 상기 주기의 극히 일부 만큼 시간이 오프셋된 셀 제어 신호에 응답하여, 연속하는 셀의 스위치가 동일한 방식으로 그러나 상기 주기의 극히 일부 만큼 시간이 오프셋되어 각각 동작하도록, 임의의 소정셀의 두개의 스위치가 항상 각각 반대의 도전 상태에 있도록 연속하는 셀의 스위치에 작용함으로써 컨버터의 공칭 동작을 통제하는 제어 수단을 포함하고, 상기 연속하는 캐패시터(C1, C2, ..., Cn)는 각각 증가하는 공칭 충전 전압을 가지며, 상기 셀 각각에 있는 캐패시터의 상기 공칭 충전 전압은 상기 전압원(SE)으로부터의 전압(VE)에 셀수의 역 및 셀의 행을 곱한 것과 동일한 멀티레벨 컨버터에 있어서,

   컨버터의 모든 캐패시터가 그들 각각의 공칭 충전 전압으로 충전되고 그 후 제어수단이 상기 컨버터의 상기 공칭 동작을 확립할 때까지, 상기 전압원(SE)의 상기 전압(VE)이 제로와 상기 공칭 충전 전압의 최저 전압 사이에 놓이는 값을 갖는 동안 상기 컨버터의 모든 캐패시터를 충전시키고, 상기 전압원의 상기 전압이 상기 최저 공칭 충전 전압을 초과하는 동안 상기 전압으로 공칭 충전된 캐패시터(C1)가 회로로부터 분리되고(taken out of circuit) 상기 전압원의 상기 전압이 더 높은 공칭 충전 전압을 필요로 하는 캐패시터(C2, ..., Cn)를 계속 충전시키고, 상기 전압원의 상기 전압이 더 높은 공칭 충전 전압을 초과한 직후 이번에는 상기 전압으로 공칭 충전된 캐패시터(C2)가 회로로부터 분리되는 등, 상기 전압원의 상기 전압이 다른 캐패시터를 계속 충전시키도록, 상기 컨버터의 전압원의 상기 전압(VECn)을 평가하고, 그것이 소정의 임계값보다 작게 되자마자 상기 컨버터의 상기 공칭 동작(sd)을 중지시키고, 상기 스위치(T1, T'1, T2, T'2 ...; Tn, T'n)에 작용하도록 구성된 제어 수단(BT, DA1, .., DAn, pe2, ..., pen)을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단(BT, DA2, ..., DAn, pe2, ..., pen)은 상기 부하로 전달된 전압이 제로로 되도록 다른 상태에 있는 제1 셀의 스위치(T1, T'1)를 제외하고, 제로에서 증가하는 상기 전압원의 전압에 대해 양 스위치가 초기에 모든 셀(T1, T'1, T2, T'2; ...; Tn, T'n)에서 동시에 닫히고, 그후 상기 전압원의 상기 전압이 상승함에 따라 연속하는 다음 셀의 스위치 쌍(T2, T'2; ...; Tn, T'n)이 상기 다른 상태에 놓이도록 셀마다 상기 스위치에 작용하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 컨버터.
3. 필요에 따라, 상기 전압원의 상기 전압의 확립은 사용된 컨버터에 적합한 방식으로 점진적으로 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 상기 어느 한 항에 따른 컨버터를 이용한 설비.