KR100404953B1 - 컨버터회로장치 - Google Patents

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Abstract

컨버터 회로장치가 설명된다. GTO 가 하드구동되는 결과, 역병렬접속된 다이오드는 2 kV/μ s 에서 10 kV/μ s 의 역전류 응답 dV/dt 을 가지고, 저인덕턴스 자동구동 회로는 DC 전압원과 GTO 사이에 제공되고, GTO 및 역병렬접속된 다이오드는 보호회로없이 구동될 수 있다.

Description

컨버터 회로장치
본 발명은 전력전자 분야에 관한 것이다. 이는 청구항 1 의 전문에 의한 컨버터 회로장치를 기본으로 한다.
예를 들면, 1987년 6 월의 IEEE 전력전자 회보 Vol. PE-2, No. 3 에 있는, W. McMurray 에 의한 논문 "전압원 GTO 인버터의 효과적인 완충기" 에 이러한 회로장치가 설명되어 있다. 이는 DC 전압원에 접속되어, 직렬회로의 공통노드와 함께, 부하 접속을 형성하는 둘이상의 직렬접속의 GTO 를 가진 컨버터 회로장치에 관한 것이다. 또한, 소위 역병렬접속된 다이오드가 GTO 에 병렬로 제공되어 정류후의 전류 흐름을 수행한다. 특정 회로 또는 "완충기" 가 스위칭시의 과전류와 전압변동을 막아서 GTO 를 보호하기 위해 제공되어야 한다. 종래 기술에 따르면, 상기 논문에서 설명된 바와 같이, 이 회로는 인덕턴스와, 캐패시터와, 저항 및 다이오드의 비교적 복잡한 회로망을 포함하며, 이 회로망은 GTO 와 직렬 및 병렬로 연결되고 역병렬접속된 다이오드와 연결된다. 다른 특정회로 변형은 IEEE 1982, 466-467 쪽의 A. Ferraro 에 의한 논문 "트랜지스터 컨버터에 대한 저손실 완충기 기술의 개관" 에 설명되어 있다.
유럽 특허 출원 EP-Al-0 489 945호와 WO-93/09600호는 GTO 의 소위 "하드구동" 을 설명하고, 해당하는 구동장치에 대한 회로장치가 설명된다. 이러한 두 유럽 특허출원에 관련하여, "하드구동" 이란 턴오프 이득 (IA/IGpeak) 이 3 보다 훨씬 작고, 그 결과 애노드 전압이 적어도 1 kV/μ s 상승되도록 설계된 게이트 전류로 구동되는 GTO 를 의미한다. 본 발명에 관련하여, 이 하드구동은 중요하며, 그러므로 상기 언급된 유럽 특허출원의 내용은 이점에서 강조되어 기술될 것이다.
상기 종래기술에 따라 조립된 GTO 페이즈모듈-AC 전압 시스템의 한 페이즈가 필요한 컨버터의 일부를 포함하는 것으로 이해되어야 함-은 상당히 고수준의 복잡성을 갖는다. 이에 대한 이유는 하기와 같다.
GTO 와 다이오드가 온 및 오프로 스위칭될 때 전류 및 전압 변화를 제한하기 위해 고수준의 보호회로가 필요하다.
특정 회로 수단사이에는 상호작용이 있다. (dV/dt 의 캐패시터는 dI/dt 의 인덕터를 가진 동조회로를 형성한다.)
교란의 영향에 의해, 교란된 전하 캐리어가 완충기 다이오드로 주입될 수 있게 하는, dV/dt 캐패시터내의 변위전류에 의해 각각의 페이즈에 매개 회로가 공급된다.
다수의 개별 성분의 특성들이 결합하여 복잡한 전체 구조 (페이즈모듈, 컨버터) 를 형성하며, 개별 성분 (GTO, GTO 의 구동, 다이오드, 완충기, 중간회로내의 기생성분) 은 손상시키는 다른 성분없이는 일반적으로 변화하지 않는다.
그러므로, GTO 페이즈모듈은 크기가 크며, 비싸고 점진적으로 개선되고 있다. 몇가지 경우에서만, 모듈화와 간단한 서비스에 대한 고객의 요구를 효과적으로 만족시킬 수 있으며, 수용가능한 부가적인 복잡성으로 다룰 수 있다.
앞에서 설명되지 않은 독일 특허출원 P 195 23 095.7 호는 특정한 회로망의 크기를 감소시키는 데에 성공했다. 특히, 여기에는, 미국 특허 제 5,345,096 호에 설명된 것과 같은 GTO 가 사용된다. 그러나, 전압상승을 제한하는 보호 캐패시터가경로에 제공되어야 한다. 그러나, 캐패시터는 비교적 비싸고 또한, 많은 공간을 차지한다. 그러므로, 특정 회로망이 전체가 필요하지 않은 회로장치가 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 모듈이 비용효과적이며 소형으로 구성될 수 있는 새로운 컨버터 회로장치를 제공하는 것이다. 생산시 손상위험성 및 생산비용이 저전압 및 저전력 등급의 IGBT 컨버터에서 현재 알려진 범위로 제한되도록, 전술된 형의 기생 효과는 처음부터 회로에 의해서 충분히 제거되어야 하며, 특히, 이는 어느 보호회로망없이 반도체 전력 스위치를 동작시킬 수 있다.
이 목적은 청구항 1 의 특징부에 의해 처음에 언급된 형태의 컨버터 회로장치의 경우에 성취된다. 그러므로, 본 발명의 핵심은 하기와 같다.
턴오프될 수 있는 다이리스터는 하드구동된다. 특히, 애노드 전류 IA대 최대 게이트전류 IGpeak의 비율 IA/IGpeak는 1 보다 작거나 같아야 하고, 게이트 전류는 2 μ s 이하의 상승시간, 바람직하게는 1 μ s 이하의 상승시간 tr 내에 최대값 IGpeak에 도달하도록 빠르게 상승되어야 한다.
각각의 GTO 의 구동회로의 전체 인덕턴스 LG는 VG≤ VGR(IGpeak/tr) 만큼 작게 선택되어야 한다. 여기서, VGR은 게이트의 역블록킹 전압에 해당한다.
턴오프될 수 있는 다이리스터에 의해 형성된 직렬회로와 DC 전압원사이에는 자동구동 회로가 제공된다.
다이리스터와 역병렬접속된 다이오드는 2kV/μ s에서 10kV/μ s 까지의전압/시간 미분값 dV/dt 에 응답하는 역전류를 갖는다.
상기와 같은 수단을 결합하면 종래에 필요한 완충기 캐패시터없이 구동할 수 있는 회로를 기술할 수 있다. 결과적으로, 소자가 절감된다. 이는 비용감소를 가능하게 하고, 실제크기를 작게할 수 있다. 또한, 저장된 에너지가 없으므로 컨버터내의 손실이 감소된다. 부분 부하상의 손실은 본 발명에 따른 회로의 부하 전류와 거의 비례하고, 기생 효과의 가능성은 제거된다. 결과적으로, 낮은 생산비용과, 낮은 손실위험성 및 고수준의 표준화가 가능하다.
자동구동 회로는, 캐패시터와, 인덕턴스와, 다이오드 및 저항를 구비하고 있으며, 상기 캐패시터는 턴오프될 수 있는 다이리스터의 직렬회로와 병렬로 접속되어 있다.
자동구동 회로의 다양한 예시적인 실시예가 설명된다. 가장 간단한 경우에, 하나의 자동구동 회로가 경로에 제공된다. 부분 또는 전체 자동구동 회로는 다수의 경로에 사용될 수도 있다. 이는 매우 집적된 설계를 특징으로 하는 회로로 귀결된다.
다른 예시적인 실시예가 해당하는 종속 청구항으로부터 얻어진다.
본 발명의 더 완전한 이해와 많은 부수적인 이점들은 도면을 참조로 한 하기의 상세한 설명을 참조로 쉽게 얻어 질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 컨버터 회로장치의 등가회로.
도 2 는 역병렬접속된 다이오드에 역전류 응답의 전류 및 전압곡선.
도 3 은 본 발명의 실시예 2 의 도면.
도 4 는 본 발명의 실시예 3 의 도면.
도 5 는 도 1 에 따른 실시예의 변형예를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 컨버터 회로장치 2 : 자동구동 회로
GTO1, GTO2 : 턴오프 다이리스터 D1, D2 : 역병렬접속 다이오드
D : 자동구동 다이오드 L : 인덕턴스
R : 자동구동 저항 C : 캐패시터
Uzk : DC 전압원
이제, 도면을 참조로 하면, 도면상의 동일하거나 부합하는 부분에는 동일한 참조번호가 주어지며, 본 발명에 따른 컨버터 회로장치 (1) 의 경로가 도 1 에 도시되어 있다. 직렬로 접속된, 두 턴오프 다이리스터는 GTO1 및 GTO2 로 표시된다. 중앙의 공통 노드는 예를 들어, 비동기 모터의 페이즈접속부가 접속될 수 있는 페이즈 또는 부하 접속부를 형성한다. 자동구동 회로 (2) 는 특히 컨버터의 DC 전압중간회로 (Uzk) 에 의해, 형성되는 DC 전압원과 턴오프 다이리스터사이에 배치된다.
본 발명에 따른 회로의 GTO 는 하드구동된다. 하드구동에 의해서, 어떤 특정회로 캐패시터, 즉, GTO 의 열수용력 (열발생 및 열분산) 의 결과로서, 전압상승을 제한하는 캐패시터없이도 구동시 잘 적용되는 한정된 턴오프값을 성취하는 것이 가능하다는 것을 알수 있다.
본 발명과 대조적으로, 보호 캐패시터는 종래기술의 GTO 와 병렬일 필요가 있다.
처음에 언급되었으며, 특정 회로없이 구동될 수 없는, EP-Al-0 489 945 호와 대조적으로, 애노드 전류 IA대 최대 게이트전류 IGpeak의 비율 IA/IGpeak은 1 보다 작거나 같아야 하고, 게이트전류는 2μ s 이하의 상승시간, 바람직하게는 1 μ s 이하의 상승시간 tr 내에서 최대값 IGpeak에 도달하도록 빠르게 상승되는 경향이 있다.
이러한 목적을 위하여, 각각의 GTO 의 구동회로의 전체 인덕턴스 LG는 LG≤ VGR/(IGpeak/tr) 가 충분히 작도록 또한 선택되어야 하며, 여기서 VGR은 게이트의 역블록킹 전압에 해당한다. 고전류 GTO 에 대해서, 이 목적은 예를 들어, 처음에 언급되었던 미국특허 제 5,345,096 호에 설명된 설계로 성취된다.
전체적으로, 이런 형태의 구동으로 인해 애노드전압이 상승하기 전에 턴오프동안 캐소드 전류는 0 의 값에 도달한다.
역병렬접속된 다이오드 (D1, D2) 는 GTO 와 역병렬로 제공된다. 이러한 다이오드는 또한 역전도 GTO 의 경우에 GTO 내에 집적화될 수 있다. 이러한 다이오드는 dI/dt 가 제한될 필요가 있고, 이는 인덕턴스 L 에 의해 알려진 방법으로 성취된다. 이 다이오드는 완충기 캐패시터 또는 특정 회로 (역전류 응답 "역복귀") 없이, 이 유도부하에 대해 정류되어야 한다. 다이오드는 도 2 의 상부에 도시된 바와 같은 역전류 응답을 갖는다. 전압이 전달될 때, 전류는 처음에, 어떤 기간동안 역방향으로 계속해서 흐른다. 전압은 어떤 에지 기울기 (dV/dt)와 함께 상승하지 않는다. 그러므로, 특히, (예를 들면, 프로톤 또는 헬륨 조사에 의한 수명설계에 의한) 트리밍된 다이오드 (trimmed diode) 가 본 발명에서 사용되고, 전부하 (도 2 에 도시되어 있음) 하에서 정류될 때 dV/dt 가 2 kV/μ s ... 10kV/μ s 의 범위내에 있도록 바람직하게 설정된다.
특히, 저 스위칭손실을 위해 설계될때, GTO 의 완충기없는 동작과 역병렬접속된 다이오드는 높은 dV/dt 를 유도하고, 따라서 높은 dI/dt 에서 빠른 정류가 이루어진다. 그러므로, 상당히 낮은 인덕턴스 설계(전체 기생 회로 인덕턴스 < 100 ... 200nH) 가 필요하다. 중간회로와 자동구동 저항은 그러한 낮은 인덕턴스 설계를 일반적으로 혀용하지 않는다. 본 발명에 따라서, 회로는 저인덕턴스 오버슈트 (overshoot) 를 허용할 필요가 있다. 오버슈트 캐패시터 (C) 의 캐패시턴스는 이경우에, 순간적 과전압을 효과적으로 제한하지만 인덕턴스의 자주 (free-running) 에 크게 영향을 주지 않도록 선택된다. 결과적으로, C=1μ F 에서 3μ F 의 캐패시터가 3kA 의 턴오프 전류범위내에서 가장 잘 적용된다.
그러므로, 저인덕턴스의 빠른 자동구동 회로 (2)가 DC 전압원 (Uzk) 과 스위치사이에 제공된다. 가장 간단한 경우 (도 1) 에서, 이 회로는 GTO 와 병렬로 정렬된 캐패시터 (C) 와, 인덕턴스와 병렬이며 저항 (R) 과 다이오드 (D) 에 의해 형성된 직렬회로를 구비하는데, 저항 (R) 과 캐패시터 (C) 의 한쪽은 다이오드의 캐소드에 접속되고 다른 한쪽은 DC 전압원의 양극 또는 음극에 각각 접속된다.
도 1 은 컨버터의 한쪽 경로만을 도시한다. 일반적으로, 다수의 경로 또는 페이즈 모듈이 제공되고, 하나의 자동구동 회로가 각각의 페이즈 모듈에 배치된다. 특히, 바람직한 실시예에 의해, 이러한 소자들은 또한 다수의 페이즈 모듈을 공동으로 사용할 수 있다.
도 3 에서, 자동구동 저항 (R) 및 오버슈트 캐패시터 (C) 는 다수의 페이즈 모듈에 의해 공동으로 사용된다. 그러나, 하나의 인덕턴스가 각각의 경로에 제공된다. 이 실시예는 하기의 이점을 갖는다.
소자의 수가 적어진다.
하나의 저항내에 열이 집중된다. 즉, 냉각수의 경우에 특히 냉각용량이 감소되고, 용수공급과 더욱 강한 저항 설계에 의해 신뢰도가 증가된다.
모듈 구성이 간단해진다.
도 4 에 의한 실시예에서, 인덕턴스 (L) 와, 저항 (R) 과, 오버슈트 캐패시터 (C) 및 다이오드 (D) 는 공동으로 사용된다. 이 회로의 이점은, 상당히 저렴한 비용과, 간단한 설계 및, 경량이며 소형 (단하나의 인덕턴스, 최소한의 상호접속) 면이다.
그러나, 이 회로의 경우에, 조작자에 의한 스위칭 조작은, 페이즈의 스위칭전에 자동구동 저항 (R) 내에 매우 소량의 전류만이 흐르도록 완료되어야 한다.
대체적으로, 한 경로에 대한 도 5 의 예에 의해 도시된 바와 같이, 자동구동 회로는 DC 전압 중간회로의 음극과 턴오프 다이리스터사이에 배치될 수 있다. 다이오드 (D) 는 역극성으로 사용되어야 한다. 회로의 나머지 부분은 거울의 상처럼, 대칭이다.
이 컨버터는 또한 3점 인버터의 형태를 가질 수 있다. 이 경우에, 경로당 4 이상의 스위치가 제공되고, 양 및 음의 중간회로 전압 뿐만 아니라 스위치의 직렬회로의 중앙 공통노드에 의해 차례로 형성된 부하접속상의 영전압은 스위치 및 DC 전압 중간회로의 적당한 회로군에 의해 스위치될 수 있다. 3점 인버터의 기능 및 설계는 많은 논문에 의해 알려져 있으므로 여기에는 더 상세히 설명하지 않는다.
본 발명의 많은 변경 및 변형이 상기 설명의 범위내에서 가능하다는 것은 분명하다. 그러므로, 첨부된 청구항의 범위내에서, 본 발명은 여기 특정하게 설명된 것과 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
전체적으로, 본 발명에 따라서, 턴오프 다이리스터와 역병렬접속된 다이오드를 위한 보호회로가 없이 구동되는 컨버터를 제조하는 것이 가능해진다.

Claims (7)

  1. 턴오프될 수 있는 짝수의 직렬접속 다이리스터(GTO1, GTO2) 를 가진 하나이상의 경로와, 상기 다이리스터 (GTO1, GTO2) 와 역병렬접속되어 있는 역병렬접속 다이오드 (D1,D2) 를 가지며, 상기 경로 또는 각각의 경로는 DC 전압원 (Uzk) 에 접속되고, 상기 경로 또는 각각의 경로의 중앙의 공통 노드는 부하접속부를 형성하는 컨버터 회로장치에 있어서,
    턴오프될 수 있는 상기 다이리스터 (GTO1, GTO2) 는 하드구동되어, 애노드 전류 IA대 최대 게이트 전류 IGpeak의 비율, IA/IGpeak은 1 보다 작거나 같도록 정확하게 되고, 상기 게이트 전류는 2μ s 이하의 상승시간, 바람직하게는 1 μ s 이하의 상승시간 tr 내에 IGpeak에 도달하도록 빠르게 상승되며,
    각각의 GTO 의 구동 회로의 전체 인덕턴스 LG는 LG≤ VGR/(IGpeak/tr) 이 충분히 작도록 선택되고, 여기서 VGR은 상기 게이트의 역블록킹 전압에 해당하며,
    자동구동 회로 (2) 는 턴오프될 수 있는 상기 다이리스터 (GTO1, GTO2) 에 의해 형성된 직렬회로와 DC 전압원사이에 제공되며,
    상기 역병렬접속된 다이오드는 2kV/μ s 에서 10 kV/μ s 까지의 전압/시간 미분값 dV/dt 를 가진 역전류 응답을 가지는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자동구동 회로 (2) 가 각각의 경로에 제공되고, 상기 자동구동 회로 (2) 는 캐패시터 (C) 와, 저항 (R) 과, 다이오드 (D) 및 인덕턴스 (L) 를 구비하여, 상기 저항 (R) 과 다이오드 (D) 는 턴오프될 수 있는 직렬회로의 다이리스터 (GTO1, GTO2) 와 DC 전압원 (Uzk) 의 양극사이에 직렬로 접속되고, 상기 인덕턴스 (L) 는 상기 저항 (R) 과 다이오드 (D) 에 의해 형성된 직렬 회로와 병렬로 접속되며, 상기 캐패시터 (C) 의 한쪽은 저항 (R) 과 다이오드 (D) 에 의해 형성된 상기 직렬 회로의 공통노드에 접속되고, 다른 한쪽은 DC 전압원 (Uzk) 의 음극에 접속되는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 3 개이상의 경로가 제공되고, 상기 경로내의 자동구동 회로의 상기 저항 (R) 및 캐패시터 (C) 는 조합되어 각각의 경우에 하나의 공통소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 경로의 자동구동 회로의 인덕턴스 (L) 는 또한 조합되어 공통소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
  5. 제 2 항 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 자동구동 회로 (2) 는 상기 DC 전압원의 음극과 턴오프될 수 있는 다이리스터 (GTO1, GTO2) 에 의해 형성된 직렬회로사이에 정렬되며, 상기 다이오드 (D) 의 캐소드는 턴오프될 수 있는 다이리스터 (GTO1, GTO2) 와 마주보고 있는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
  6. 제 1 항 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 경로는 턴오프될 수 있는 4 개이상의 다이리스터와, 역병렬접속된 다이오드를 가지고, 상기 다이리스터는 3 점 인버터와 같은 DC 전압원에 접속되는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 각각의 경로는 턴오프될 수 있는 4 개이상의 다이리스터와, 역병렬접속된 다이오드를 가지고, 상기 다이리스터는 3 점 인버터와 같은 DC 전압원에 접속되는 것을 특징으로 하는 컨버터 회로장치.
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