KR100437505B1 - 고전압 직류전원의 출력 단락 보호를 위한 고속 출력스위칭 기법 및 장치 - Google Patents

고전압 직류전원의 출력 단락 보호를 위한 고속 출력스위칭 기법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류 전원을 입력받아 직류로 변환하는 멀티레벨 PWM 컨버터에 있어서, 상기 멀티레벨 PWM 컨버터로 입력되는 AC 전원선 각각에 직렬로 설치된 전원선 스위치군, 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 양(+)의 출력단에 직렬로 연결된 저항, 상기 저항과 병렬로 접속된 스위치, 상기 저항과 부하 사이에 직렬로 연결된 인덕터, 상기 인덕터와 상기 컨버터의 음(-)의 출력단 사이에 연결된 상기 부하, 상기 저항과 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 양(+)의 출력단의 연결점에 한 쌍의 직렬 연결된 스위치와 캐패시터가 연결되고, 동일한 쌍이 반복되어 컨버터의 음(-)의 출력단까지 계속 연결된 구조를 포함하여, 부하의 단락 사고시에 대량의 전류를 흘리지 않을 뿐 아니라 단락 이후 신속히 정상 상태로 복구되는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 구조가 간단하면서도, 단락 사고가 빈번한 부하를 구동하더라도 부하의 단락 사고 발생시 대량의 전류를 흘리지 않을 뿐 아니라 단락 이후 신속히 정상 상태로 복구되는 장점을 갖는다.

Description

고전압 직류전원의 출력 단락 보호를 위한 고속 출력 스위칭 기법 및 장치{Method and Apparatus for Protecting a High Voltage DC Power Supply from Output Short-Circuit}
본 발명은 멀티레벨 컨버터를 이용한 고전압 PWM(Pulse Width Modulation: 펄스 진폭 변조) 컨버터의 부하단락 사고 발생시 단락 전류로부터 컨버터와 부하를 보호하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 멀티레벨 컨버터를 이용한 고전압 PWM 컨버터에 부하 단락 사고가 발생했을 때, 부하로 흐르는 전류를 신속히 차단시켜 부하 및 컨버터를 보호하는 한편, 부하가 정상으로 회복되면 가능한 한 빠른 시간에 원래의 정상 상태로 환원시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이온원(Ion Source)과 같은 특별한 부하를 갖는 AC/DC 컨버터는 정교한 정류 특성을 가져야 하는 목적 이외에도 부하에 사고가 발생하였을 때 적절히 부하 및 컨버터를 보호해야 하는 기능을 추가로 구비해야 한다. 왜냐하면 부하로서 사용되는 이온원은 스파크로 인한 장해가 빈번히 발생하게 되므로, 이 부하를 구동하는 데 사용되는 컨버터는 통상적인 컨버터와는 달라야 한다.
단락 전류로부터 이온원뿐만 아니라 컨버터를 적절하게 보호하기 위해서는 단락된 이온원을 전원 장치로부터 신속히 격리시키는 것이 필요하다. 게다가, 일단 장해 상태가 종료된 다음에는 가능한 한 단시간 이내에 이온원에 직류전원을 재 인가하여 정상 상태로 복구시키는 기능도 필요하다.
이러한 문제를 극복하기 위한 다양한 시도가 있었다. 우선 고속의 스위칭 기능뿐만 아니라 부하 단락 사고시에 보호 기능까지 갖추기 위하여 테트로드(Tetrode)가 스위칭 소자로서 사용되었다. 테트로드는 3상 브리지 전파 정류기 (Three-Phase Full-Wave Bridge Rectifier)의 양극 출력단에 직렬로 연결된다. 이후, 반도체 파워 스위칭 소자 기술의 급속한 발달로 GTO 싸이리스터(GTO Thyristor)가 대전력용의 우수한 스위칭 소자로서 널리 사용되었다. GTO 싸이리스터는 고속의 온/오프 특성을 가질 뿐만 아니라 테트로드에 비하여 소자의 손실이 매우 낮은 수준으로 유지된다. 그러므로, GTO 싸이리스터는 테트로드의 문제점, 즉, 짧은 수명, 낮은 효율, 유지보수의 어려움 등을 모두 극복한 우수한 소자이다. 그러나, 수십 kV에 달하는 높은 전압에 사용되는 경우에 GTO 싸이리스터는 DC측에서 요구되는 스위칭 소자의 전압에 맞추기 위해서는 다수의 GTO 싸이리스터가 직렬로 연결되어야 한다. 이에 따라, GTO 싸이리스터를 이용한 컨버터는 크기가 커지고 무게가 무거워지는 단점이 있다. 한편, GTO 싸이리스터 방식은 직렬 연결된 각 GTO 싸이리스터들을 정확한 타이밍에 동기화(Synchronization)하기가 매우 어려운단점도 있었다.
GTO 싸이리스터의 이러한 단점을 극복하기 위하여, DC 스위치를 갖지 않는 고전압 전원장치가 제안되었다. 이 전원장치는 정류기(Rectifier), 인버터(Inverter), 승압변압기(Step-Up Transformer)와 3상 다이오드 풀 브리지 정류기(Three Phase Diode Full Bridge Rectifier)를 포함한다. 이러한 인버터 타입 DC 전원 장치는 인버터의 런/스탑(Run-Stop) 기능을 이용하여 요구되는 출력 스위칭 성능을 만족시킨다. 인버터는 또한 인버터의 출력 주파수를 높임으로써 승압변압기의 크기와 무게를 동시에 저감시킬 수 있었다.
한편, 최근에는, 멀티레벨 PWM 컨버터(Multi-level PWM Converter)가 제안되어 고전압 대전력 컨버터의 응용분야에 적극적으로 활용되고 있다. 멀티레벨 PWM 컨버터는 좋은 역률(Power Factor)을 구현할 뿐만 아니라 입력 전류를 사인파로 유지시키는 장점도 아울러 갖고 있다. 더욱이, 멀티레벨 PWM 컨버터는 승압변압기가 없어 단순하면서도 고성능을 유지한다.
정상 상태에서의 이러한 많은 장점에도 불구하고 멀티레벨 PWM 컨버터는 부하의 단락과 같은 장해시에 고속의 스위칭 성능을 발휘하지 못하여 이것이 부하 혹은 컨버터의 고장으로 이어지는 단점이 있다. 따라서, 부하의 단락 사고 등의 장해시에 정상적인 스위칭 기능을 유지하면서 부하나 컨버터에 손상을 주지 않는 새로운 방식이나 장치에 대한 요구가 있어 왔다. 이러한 점을 개선하기 위한 것이 변형된 부스트 타입(Boost Type) 멀티레벨 컨버터이다. 이는 부하의 단락 사고 발생시 정상적인 기능을 잃지 않으면서도 부하나 컨버터에 치명적인 손상을 가하지않는 훌륭한 기능을 가지고 있으나, 이 역시도 부하 단락 발생시 약 반 사이클 동안 대량의 교류 전류가 흐르는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 복잡한 구조를 갖지 않으면서도, 단락 사고가 빈번한 부하를 구동하더라도 부하의 단락 사고 발생시 대량의 전류를 흘리지 않을 뿐 아니라 단락 이후 신속히 정상 상태로 복구되는 새로운 방식의 컨버터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적에 따르면, 교류 전원을 입력받아 직류로 변환하는 멀티레벨 PWM 컨버터에 있어서, 상기 멀티레벨 PWM 컨버터로 입력되는 AC 전원선 각각에 직렬로 설치된 전원선 스위치군, 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 양(+)의 출력단에 직렬로 연결된 저항, 상기 저항과 병렬로 접속된 스위치, 상기 저항과 부하 사이에 직렬로 연결된 인덕터, 상기 인덕터와 상기 컨버터의 음(-)의 출력단 사이에 연결된 상기 부하, 상기 저항과 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 양(+)의 출력단의 연결점에 한 쌍의 직렬 연결된 스위치와 캐패시터가 연결되고, 동일한 쌍이 반복되어 컨버터의 음(-)의 출력단까지 계속 연결된 구조를 포함하여, 부하의 단락 사고시에 대량의 전류를 흘리지 않을 뿐 아니라 단락 이후 신속히 정상 상태로 복구되는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터를 제공한다.
본발명의 다른 목적에 따르면, 교류 전원을 입력받아 직류로 변환하는 PWM AC/DC 컨버터에 단락 사고가 발생하는 경우 단락 전류를 최소화하고 상기 부하가단락상태에서 정상상태로 회복시 신속히 직류전원을 재인가 하는 PWM AC/DC 컨버터의 출력 단락 보호 방법에 있어서, 부하와 직렬로 연결된 인덕터를 이용하여 단락 전류의 급격한 상승을 방지하고, 상기 단락 전류가 일정값 이상이 되면 상기 PWM AC/DC 컨버터를 상기 교류 전원으로부터 전기적으로 분리하며, 상기 인덕터에 축적된 에너지를 상기 인덕터와 직렬로 연결된 저항을 통하여 방전시키고, 상기 방전 과정 종료 후 상기 부하가 상기 정상상태로 회복되면 상기 부하와 병렬로 연결된 캐패시터에 축적된 에너지를 이용하여 상기 PWM AC/DC 컨버터를 신속히 정상 상태로 복구시키는 것을 특징으로 하는 PWM 컨버터의 출력 단락 보호 방법이 제공된다.
도1은 본 발명에 따른 멀티레벨 AC/DC 컨버터를 나타낸 구성도,
도2는 본 발명에 따른 2-레벨 AC/DC 컨버터를 나타낸 구성도,
도3은 갑작스런 DC 출력의 단락 사고 발생시에 변환하는 각 스위칭 소자의 스위칭 상태를 나타내는 도면,
도4는 제 1 위상각 구간에서 라인 전류 ic가 소멸되는 데에 걸리는 시간을 나타내는 도면,
도5는 제 1 위상각 구간에서 라인 전류 ic가 제로로 된 후에 라인 전류 ia및 ib가 소멸되는 데에 걸리는 시간을 나타내는 도면,
도6은 제 2 위상각 구간에서 라인 전류 ib가 소멸되는 데에 걸리는 시간을 나타내는 도면,
도7은 제 2 위상각 구간에서 라인 전류 ib가 제로로 된 후에 라인 전류 ia및 ic가 소멸되는 데에 걸리는 시간을 나타내는 도면,
도 8a는 단락 구간 전후의 부하 전류 I0을 나타내는 도면,
도 8b는 단락 구간 전후의 부하 전압 V0을 나타내는 도면,
도 8c는 단락 구간 전후의 부하 전류 I0의 파형을 상세히 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 20: 부하
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 일반화된 멀티레벨 AC/DC 컨버터를 도시한 것으로, 기본적인 회로 구성은 종래의 멀티레벨 컨버터와 유사하다. 스위치 Sa, Sb및 Sc가 AC 입력측에 삽입되어 있고, 직렬로 연결된 스위치 So1내지 Son과 캐패시터 C1 내지 Cn은 종래의 멀티레벨 컨버터에서의 각각의 필터 캐패시터를 대체하며, 하나의 스위치 Sdc가 양(+)의 DC출력단에 연결되어 있다. 또한, 저항 Rdc가 스위치 Sdc와 병렬로 연결되어 있다. 그리고, 스위치 S01과 캐패시터 C1이 직렬로 연결되어 양(+)의 출력단과 저항 Rdc의 연결점에 연결되어 있고, 동일한 쌍의 스위치와 캐패시터가음(-)의 출력단까지 직렬 연결된다. 이러한 스위치들은 정상 동작에서는 온(On) 상태를 유지하고 있다가 부하(10)의 단락 사고 발생시에 오프(Off) 상태로 전환된다. 그러므로, 추가된 스위치들의 스위칭 손실(Switching Loss)은 주된 스위치 S1 내지 S(n-1)의 스위칭 손실에 비해 극히 낮다.
스위칭 소자 Sa내지 Sc및 Sdc의 개수는 컨버터의 레벨수(Level Number)에 상관없이 일정하다. 스위치 Sa내지 Sc각각은 역병렬로 연결된 두 개의 SCR 싸이리스터로 구성되며, AC 싸이리스터 제어기가 아닌 단순한 스위치로서 동작한다. 스위치 So1내지 Son은 부하(10)의 단락 구간 동안에 출력 캐패시터 C1 내지 Cn이 방전되는 것을 막아준다. 단락 사고가 해결된 이후에 부하(10)가 출력 캐패시터에 연결되어 있을 때, 부하 전압은 조속히 회복되어야 하며, 회복 시간은 최소화되어야 한다. 그러므로, 캐패시터가 방전되지 않은 플로팅(Floating) 상태를 유지하는 것이 중요하다.
본 발명의 동작 설명을 단순화하기 위하여, 도 2에 예시한 바와 같은 2-레벨 구조의 AC/DC 컨버터를 참조한다. 도 2의 컨버터의 기본적인 동작은 도 1의 컨버터와 동일하다.
정상 동작 모드에서, 모든 보조 스위치 Sa, Sb, Sc, Sdc및 So는 제어기로부터 생성된 PWM 신호에 따라 주된 스위치가 턴-온/오프 되어 있는 동안에 온 상태를 유지한다. 이 모드에서는, 본 발명의 컨버터와 종래의 멀티레벨 PWM 컨버터의 동작 상태는 동일하다.
도 3은 갑작스런 DC 출력의 단락 사고 발생시에 변환하는 각 스위칭 소자의 스위칭 상태를 도시하고 있다. 각각의 시 구간에서의 각각의 스위칭 소자의 스위칭 상태, 부하 전압 및 출력 DC 전류의 파형은 다음과 같이 기술된다.
1) t0≤ t < t1
이 모드 동안에는, 출력 캐패시터 전압 Vc는 인덕터 L에 인가되고, 그에 따라 출력 DC 전류 io는 [수학식 1]에서와 같이 선형적으로 증가한다.
각각의 스위칭 소자는 정상 상태를 유지한다.
2) t1≤ t < t2
시간 t1에, DC 전류 io는 기 셋업된 출력 단락 전류 레벨 ios에 도달하고, 출력 단락 신호 OS는 로우(Low) 상태가 된다. OS 신호가 로우 상태가 되자마자, 싸이리스터 Sa, Sb및 Sc에 대한 게이트 신호가 턴-오프되고 PWM 컨버터의 전원 흐름 방향이 반전된다. 달리 말하면, 컨버터의 동작 모드가 회생 모드(Regeneration Mode)가 된다. 그 결과, AC 라인 전류를 가능한 한 빨리 소멸시키는 것이 가능하다. 재생 모드에서의 AC 라인 전류 ia, ib및 ic의 크기는 다음과 같이 감소한다.
이 모드 동안에는 인덕터 L을 흐르는 출력 전류가 [수학식 5]와 같이 감소하는데, 그 이유는, 스위치 S0이 t1시점에서 오프되므로 인덕터 L에 저장된 에너지가 저항 Rdc를 통하여 방전되기 때문이다.
여기서, τ1=L/Rdc이고 주된 스위치들의 다이오드 전압 강하는 무시된다.
3) t2≤ t < t3
이 모드에서는, 3상 ac 라인 전류인 ia, ib및 ic가 제로가 될 때까지 감소한다.
4) t3≤ t < t4
일단 라인 전류들이 제로가 되면, 스위치 Sa, Sb및 Sc를 통하여 흐르는 전류는 더 이상 없다. 왜냐하면, 이들 스위치의 게이트 신호가 이미 턴오프되어 있기때문이다. 그러면 메인 스위치 S1-S6은 더 이상 PWM 스위칭을 할 필요가 없다. 따라서, 부하가 단락 상태를 유지하는 조건에서는 AC 또는 DC 전원으로부터 부하로의 전류 흐름은 존재하지 않는다. 이때, 각각의 출력 DC 캐패시터는 방전되지 않고 플로팅 상태를 유지한다.
5) t4≤ t < t5
단락 장해는 시간 t4에서 제거되고, 부하(20)는 정상 상태가 된다. 이때는, DC 전원을 부하(20)에 다시 연결할 필요가 있다. DC 전원이 부하(20)에 인가된 후의 출력 DC 전류는 다음과 같이 증가한다.
여기서, τ2=L/RL이고 RL은 부하 저항이다.
이제부터 도 2에 도시된 컨버터의 동작 특성과 관련된 AC 입력 라인 전류와 DC 출력 전류를 분석하기로 한다.
우선, AC 입력 라인 전류에 있어서, 입력 전류 ia의 기본적인 요소는 다음과 같다.
여기서 Ia는 ia의 rms(Root Mean Square: 제곱 평균의 제곱근) 값이다.
출력의 단락 사고에 뒤따르는 라인 전류 소멸 메커니즘은 하나의 ia(t) 사이클에서 매 60°마다 동일한 패턴을 가지고 반복된다. 이제 60°에 대해서 특정값 ia, ib및 ic를 고려한다.
1) 60°≤ wt < 90° (제 1 위상각 구간)
[수학식 3] 및 [수학식 4]에서 V1및 V2를 각각 [수학식 8] 및 [수학식 9] 라고 하자.
이러한 위상각 구간에서, V1및 ic는 각각 V2및 ib보다 작다. 그 결과, 세 가지 위상 전류 중에서 소멸될 첫 번째 라인 전류는 위상 c 전류인 ic가 된다. 전류 ic가 제로가 되는 데에 걸리는 시간은 [수학식 4]를 이용하여 계산할 수 있다. [수학식 4]에서 vac는 다음과 같다.
도 4는 전체 부하 조건 하에서 Ls의 변화에 따라 라인 전류 ic가 소멸되는 데에 걸리는 시간 tco를 나타낸다. AC 입력 라인 전압, 라인 전류 및 출력 DC 전압은 각각 220 V, 10.5 A 및 400 V이다. 라인 전류 ic가 제로로 감소하자마자, 다른 두 개의 라인 전류 ia및 ib의 크기는 다음과 같아진다.
여기서, 시점 t'co는 시점 tco에 상응한다. 따라서, [수학식 11]로부터 전류 ia및 ib가 제로가 될 때까지 걸리는 시간을 계산할 수 있다.
도 5는 도 4에서 사용한 것과 동일한 조건 하에서의 라인 전류 ic가 제로로 된 후에 라인 전류 ia및 ib가 소멸되는 데에 걸리는 시간 tbo를 나타낸다.
2) 90°≤ wt < 120° (제 2 위상각 구간)
이 위상각 구간에서는, V2및 ib의 크기는 각각 V1과 ic보다 작다. 따라서, 위상 b 전류 ib가 우선 제로로 된다. 60°≤ wt < 90°의 간격에서 사용된 것과 유사한 계산 과정을 통해 tco및 tbo가 각각 계산된다. 도 6 및 도 7에 그 결과 값이 도시되어 있다.
이어서, 도 2에 도시된 컨버터의 DC 출력 전류 특성은 다음과 같다.
DC 출력 전류는 [수학식 1]에서와 같이 단락 시점 이후에 증가하기 시작한다. 이 DC 출력 전류는 스위치 Sdc가 시점 t1에서 턴 오프될때까지 증가한다. 여기서 턴 오프 신호는 이 전류가 사전에 설정된 단락 감지 레벨까지 도달했을 때 생성된다. 스위치 Sdc가 턴 오프되자마자 출력 전류는 인덕터 L, 부하, IGBT들에 역병렬로 연결된 다이오드 및 저항 Rdc로 형성되는 경로를 통하여 감소되기 시작한다.
[시뮬레이션 결과]
본 발명에 따른 컨버터의 유효성을 확인하기 위하여, 도 2에 도시된 컨버터를 테스트하였다. 이 실험에 사용된 파라미터는 다음과 같다. AC 입력 라인간 전압은 220 V, Ls는 2 mH, Rdc는 300 Ω, C는 2200 μF, L은 2 mH, Vo는 400 V이고 부하 저항은 40Ω이다.
도 8a 및 도 8b는 부하 전류 Io및 부하 전압 Vo를 나타낸다. 시각 t = 20 ms에서 부하에 단락이 발생하였고 t = 30 ms에서 출력 전압이 다시 인가되었다고 가정한다. 단락 전류는 20 ms에서 30 ms 사이에서 소멸된다. 부하 전압은 20 ms에서 제로가 되고 이 제로 전압은 30 ms까지 지속되었다.
도 8c는 20 ms 부근의 상세한 출력 전류 파형을 나타낸다. 부하가 단락되었을 때 출력 전압 Vc는 인덕터 L에 인가된다. 따라서, 부하 전류는 도 8c에 나타난 바와 같이 출력 전류의 150 %까지 선형적으로 증가하기 시작하고 이 증가 시간은 25 ㎲ 정도이다. 이 전류가 설정한 단락 감지 레벨까지 도달한 때에는 스위치 S0들은 출력 캐패시터를 부하로부터 분리시키기 위하여 턴 오프된다.
스위치 Sdc를 턴 오프함으로써 출력 전류는 지수함수적(Exponential)으로 감소하고 방전(Discharge)되는 시간은 거의 30 ㎲이다. 스위치 S0을 턴 온함으로써 출력 캐패시터가 부하에 연결되게 되면 부하 전류는 지수함수적으로 증가하고 증가 시간 간격은 200 ㎲ 정도이다.
당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형을 가할 수 있음은 물론이다. 상기에서 멀티레벨 PWM AC/DC 컨버터를 위주로 설명하였으나, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본발명의 실시예에 적용된 원리와 동일한 원리가 일반적인 2-레벨 PWM AC/DC 컨버터와 브리지형 컨버터 등에도 적용이 되는 것을 이해할 수 있으며, 이 외에도 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명은 부하의 단락 사고를 방지하고 정상부하로 회복시 신속히 전원을 재투입하는 데에 적합한 새로운 PWM 정류기를 제공한다. 본 발명에 따른 컨버터의 구조는 종래의 GTO방식이나 인버터형 전원 공급기에 비해 간단하다. DC 출력원을 단락된 부하로부터 분리시키는 속도는 파워 컨버터와 부하를 보호할 수 있을 만큼 충분히 빠르다. DC 전원은 단락 상태에서도 정상적인 비율의 전압값을 유지한다. 출력 필터 캐패시터에 직렬로 연결된 보조 스위치는 스위치를 턴-오프시킴으로써 단락 상태에서 캐패시터를 플로팅 상태가 되도록 한다. 따라서, 부하 전압의 빠른 상승이 달성될 수 있다. 본 발명의 주된 특성 즉 이점은 다음과 같이 요약된다.
1) 컨버터의 구조가 종래의 GTO방식이나 인버터형 전원 공급기에 비해 간단하다.
2) 단락된 부하로부터 DC 전원을 빠른 속도로 분리시킨다.
3) DC 전원을 정상으로 회복된 부하에 빠른 시간 내에 연결시킨다.
4) 모든 보조 스위치들은 낮은 소자 전압과 전류 스트레스 특성의 장점을 갖는다.
5) AC 측 보조 스위치들은 자연 소호되는 특징이 있다.
6) 보조 스위치의 스위칭 손실은 무시할 수 있을 정도로 적다.

Claims (7)

  1. 교류 전원을 입력받아 직류로 변환하는 멀티레벨 PWM 컨버터에 있어서, 상기 멀티레벨 PWM 컨버터로 입력되는 AC 전원선 각각에 직렬로 설치된 전원선 스위치군, 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 양(+)의 출력단에 직렬로 연결된 저항, 상기 저항과 병렬로 접속된 스위치, 상기 저항과 부하 사이에 직렬로 연결된 인덕터, 상기 인덕터와 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 음(-)의 출력단 사이에 연결된 상기 부하, 상기 저항과 상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 양(+)의 출력단의 연결점에 한 쌍의 직렬 연결된 스위치와 캐패시터가 연결되고, 동일한 쌍이 반복되어 컨버터의 음(-)의 출력단까지 계속 연결된 구조를 포함하여, 부하의 단락 사고시에 대량의 전류를 흘리지 않을 뿐 아니라 단락 이후 신속히 정상 상태로 복구되는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하에 단락 사고가 발생한 후 일정 시간이 지나 단락 전류가 일정량 이상에 도달하는 경우, 상기 전원선 스위치군을 턴-오프시켜 상기 컨버터의 동작 모드를 회생 모드(Regeneration Mode)로 함으로써 AC 라인 전류를 신속히 감소시키는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 AC 라인 전류가 제로(Zero)가 된 이후에도 상기 캐패시터에 축적된 전하에 의한 전압은 플로팅(Floating)상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 AC 라인 전류가 제로(Zero)가 된 상태에서 상기 부하가 정상으로 회복되면, 상기 플로팅 상태를 유지하는 상기 캐패시터의 전압이 상기 부하에 재 공급됨으로써 상기 멀티레벨 PWM 컨버터가 신속히 정상 기능을 회복하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전원선 스위치군의 각각의 스위치는 2개의 싸이리스터(Thyristor)가 역병렬로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 멀티레벨 PWM 컨버터의 스위치는 IGBT 또는 하나의 온오프 제어 가능 소자와 하나의 다이오드가 역병렬로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호를 위한 멀티레벨 PWM 컨버터.
  7. 교류 전원을 입력받아 직류로 변환하는 PWM AC/DC 컨버터(Converter)에 연결된 부하에 단락(Short)이 발생하는 경우, 출력 필터 커패시터의 방전없이 신속하게 부하를 차단하고, 상기 부하가 정상 상태로 복구되면 DC 전원을 상기 부하로 신속하게 재인가하기 위한 PWM AC/DC 컨버터에서의 출력 단락 보호 방법에 있어서,
    (a) 단락 발생시 상기 부하와 직렬 연결된 인덕터(L)를 이용하여 단락 부하 전류의 급격한 증가를 억제시키는 단계;
    (b) 상기 인덕터에서의 상기 단락 부하 전류의 크기가 일정값 이상이 되어 상기 단락 부하 전류가 검출되면, 교류 전원측의 하나 이상의 스위치에 인가되는 게이트 신호를 오프시켜 교류 전원을 전기적으로 차단시키는 단계;
    (c) 상기 인덕터에 직렬로 연결된 하나 또는 하나 이상의 스위칭 소자를 턴 오프시켜 각각의 상기 스위칭 소자와 직렬 연결된 하나 또는 하나 이상의 상기 출력 커패시터를 방전이 수행되지 않는 플로우팅(Floating) 상태로 전환시키는 단계;
    (d) 상기 인덕터에 축적된 에너지는 상기 인덕터와 직렬로 연결된 저항을 이용하여 방전시켜 전원측과 부하측을 전기적으로 차단시키는 단계; 및
    (e) 상기 부하가 정상 상태로 복구되면 상기 부하와 병렬로 연결된 각각의 상기 커퍼시터에 축적된 에너지를 이용하여 각각의 상기 스위칭 소자를 턴 온 시켜 DC 전원이 상기 부하로 재인가되도록 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM AC/DC 컨버터의 출력 단락 보호 방법.
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KR100478690B1 (ko) * 2002-10-22 2005-03-23 김흥근 멀티레벨 컨버터를 이용한 고전압 직류 전원장치의 부하단락 보호 기법 및 장치
KR100794901B1 (ko) * 2003-12-24 2008-01-14 한국철도기술연구원 직류전철용 가변 회생저항기 및 그 제어방법
KR101582090B1 (ko) * 2009-09-03 2016-01-04 삼성전자주식회사 화상형성장치용 전원 공급 장치 및 방법
DE102018119916A1 (de) * 2018-08-16 2020-02-20 Eaton Intelligent Power Limited Elektrische AC/DC-Umwandlungs-Anordnung
CN110071654B (zh) * 2019-05-14 2021-03-19 郑州大学 一种多端口开关电容多电平逆变器及其调制方法
AT523005A1 (de) * 2019-10-08 2021-04-15 Ait Austrian Inst Tech Gmbh Umrichter für ein Wechselstromnetz

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990065926A (ko) * 1998-01-19 1999-08-16 윤문수 부스터교류/직류컨버터와풀브릿지직류/직류컨버터의소프트스위칭을위한무손실스너버회로

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