KR100478690B1 - 멀티레벨 컨버터를 이용한 고전압 직류 전원장치의 부하단락 보호 기법 및 장치 - Google Patents

Abstract

교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM 컨버터에 있어서, 다상(多相) 입력선 각각에 직렬로 설치된 전원선 스위치군, 상기 컨버터의 양(+)의 출력단에 직렬로 연결되는 스위치, 상기 스위치와 부하 사이에 직렬로 연결되는 인덕터, 상기 인덕터와 병렬로 접속되는 한 쌍의 직렬 연결된 다이오드와 저항기, 상기 스위치와 상기 인덕터의 연결점에 한 쌍의 직렬연결된 스위치와 커패시터가 연결되고 이와 동일한 쌍이 반복되어 컨버터의 음(-)의 출력단까지 연속하여 연결된 구조를 포함하여, 부하 단락 사고 발생시 신속히 직류 출력전원을 차단하여 과다한 단락 전류가 흐르지 못하도록 함으로써 컨버터와 부하장치를 안전하게 보호함은 물론이고, 부하가 정상으로 회복되었을 경우에도 신속히 직류전원을 부하에 공급하여 최단시간 내에 정상상태로 복구하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터를 제공한다.

Description

멀티레벨 컨버터를 이용한 고전압 직류 전원장치의 부하 단락 보호 기법 및 장치{Method and Apparatus for Protecting against Load Short-circuit of a High Voltage Multi-level Converter}

본 발명은 멀티레벨 컨버터의 부하 단락 전류 보호 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이온원과 같이 내부에서 스파크로 인한 아크가 빈번히 발생하는 부하에 직류전력을 공급하는 직류 전원장치에 있어서 스파크다운(Spark down)에 의한 부하 단락시 단락 전류의 크기를 일반적인 전원장치에 비해 수십 내지 수백분의 일 정도로 제한하고 단락된 부하로부터 전원을 신속히 차단하여 전원장치와 부하를 단락 전류로부터 아무런 손상없이 보호할 뿐 아니라, 부하가 정상으로 회복되면 신속히 직류전원을 재인가하여 정상동작을 가능하게 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

이온원과 같은 특수한 부하에 전원을 공급하는 교류/직류 전력변환기는 정밀한 출력전압 안정화 제어 성능 뿐 아니라 부하 단락 사고시의 뛰어난 보호기능이 요구된다. 이온원 내부에서의 빈번한 부하 단락 발생시 전원을 부하로부터 신속히 차단하여 단락 전류의 상승을 억제하고 소멸시킬 필요가 있다. 그런데 전원 차단 후 중요한 것은, 이온원 내부에서 단락요인이 사라지고 난 후 가능한 빠른 시간 내에 전원을 다시 인가해야 한다는 것이다. 이는 시스템의 전체 운전시간을 가능한 한 길게 하기 위해서이다.

이러한 특성을 만족시키기 위하여 초창기에는 진공관이 사용되었다. 그런데 1980년대 GTO 사이리스터의 대용량화가 가능해짐에 따라 기존의 진공관을 GTO 사이리스터로 교체한 방식이 연구되었다. GTO 사이리스터는 고속의 온/오프 특성 뿐 아니라 진공관과는 비교가 안될 정도의 낮은 손실특성 및 반영구적 수명으로 인하여 기존 방식보다 향상된 성능 확보를 가능하게 하였다. 그러나 수십 kV 이상의 고전압에 적용을 하기 위해서는 GTO 사이리스터의 전압 정격의 한계로 인하여 여러 개의 GTO 사이리스터를 직렬 연결하여 사용할 수밖에 없다. 그러면 GTO 사이리스터들로 구성되는 스택의 크기와 중량이 증가할 뿐 아니라 여러 개의 GTO 사이리스터를 동시에 온/오프 해야 하는 까다로운 조건이 발생한다. 따라서 이러한 문제점을 개선하고자 인버터 방식이 연구, 개발되었다. 인버터 방식은 기본적으로 정류기, 인버터, 승압 변압기, 다이오드 전파 정류기로 구성된다. 이 방식에서의 출력 직류 전원의 차단 기능은 인버터가 담당한다. 그런데 인버터 방식의 단점으로는 시스템 구성이 복잡하고 승압용 변압기를 별도로 필요로 한다는 점이다.

최근에 고전압 대용량 시스템에 적용할 목적으로 멀티레벨 컨버터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 멀티레벨 컨버터 개념을 활용하여 직류전원의 신속한 차단 및 재투입 기능을 갖는 새로운 형태의 전력변환 방식이 제안되었다. 그런데 이 방식 중 하나는 부하 단락시 정격의 수배에 달하는 큰 교류입력 전류가 반주기동안 통전한다는 문제를 안고 있다. 다른 하나는 부하 단락시 직류전원은 차단되어도 직류측 인덕터에 저장된 에너지가 완전히 방전될 때까지는 전류가 계속해서 부하를 통해 흐른다는 단점을 역시 갖고 있다.

상기 제기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 기본적으로 멀티레벨 컨버터를 사용하여 전원장치의 구조를 간단히 하면서 부하 단락사고 발생시 교류입력전류의 증가가 없도록 하고, 직류 출력전원을 차단하였을 경우 동시에 부하전류가 영(Zero)으로 되도록 하는 새로운 방식의 직류 전원장치용 컨버터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적에 따르면, 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM (Pulse Width Modulation : 펄스폭변조) 컨버터에 있어서, 다상(多相) 입력선 각각에 직렬로 설치된 전원선 스위치군, 상기 컨버터의 양(+)의 출력단에 직렬로 연결되는 스위치, 상기 스위치와 부하 사이에 직렬로 연결되는 인덕터, 상기 인덕터와 병렬로 접속되는 한 쌍의 직렬 연결된 다이오드와 저항기, 상기 스위치와 상기 인덕터의 연결점에 한 쌍의 직렬연결된 스위치와 커패시터가 연결되고 이와 동일한 쌍이 반복되어 컨버터의 음(-)의 출력단까지 연속하여 연결된 구조를 포함하여, 부하 단락 사고 발생시 신속히 직류 출력전원을 차단하여 과다한 단락 전류가 흐르지 못하도록 함으로써 컨버터와 부하장치를 안전하게 보호함은 물론이고, 부하가 정상으로 회복되었을 경우에도 신속히 직류전원을 부하에 공급하여 최단시간 내에 정상상태로 복구하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터를 제공한다.

본발명의 또 다른 목적에 따르면, 단락 사고가 발생하는 경우 단락 전류를 최소화하고 상기 부하가 단락상태에서 정상상태로 회복시 신속히 직류전원을 재인가 하는 PWM 컨버터에 있어서, 부하와 직렬로 연결된 인덕터를 이용하여 단락 전류의 급격한 상승을 방지하고, 상기 단락 전류가 일정값 이상이 되면 상기 PWM 컨버터를 상기 교류 전원으로부터 전기적으로 분리하며, 상기 인덕터에 축적된 에너지를 상기 인덕터와 병렬로 연결된 저항을 통하여 방전시켜 상기 인덕터 에너지가 부하로 유입되는 양이 영(Zero)이 되는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터의 출력 단락 보호 방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다

도 1은 본 발명에 따른 멀티레벨 컨버터를 도시한 것으로서, 기본적인 회로 구성은 종래의 멀티레벨 컨버터와 유사하며 단지, 몇 개의 보조 스위치가 추가되어 있는 형태이다. 스위치 S_a, S_b, S_c가 교류 입력부의 각 상에 삽입되어 있고, 스위치 S_dc가 컨버터의 양(+)의 출력측에 삽입되어 있으며, 기존의 멀티레벨 컨버터의 출력단 필터 커패시터 C₁-C_n에는 각각 스위치(S_o1-S_on)가 하나씩 직렬로 삽입되어 커패시터와 스위치의 직렬 연결된 쌍으로 대체되어 있으며, 단락시 부하 단락 전류의 급격한 상승을 방지하는 인덕터(L)에는 병렬로 직렬 접속된 다이오드 D와 저항 R_dc가 연결되어 있다. 이러한 보조 스위치들은 정상동작에서는 모두 온(on) 상태를 유지하며 부하 단락사고 발생시에 오프(off) 상태로 전환된다. 따라서 이들 추가된 보조 스위치들의 스위칭 손실은 멀티레벨 컨버터의 주스위치(S₁-S_(n-1))들에 비해 극히 낮다.

보조 스위치 S_a, S_b, S_c 및 S_dc의 개수는 컨버터의 레벨수(Level Number)에 상관없이 일정하다. 보조 스위치 S_a, S_b, S_c 각각은 역병렬로 연결된 두 개의 SCR 싸이리스터로 구성되며, AC 싸이리스터 제어기가 아닌 단순한 스위치로서 동작한다. 스위치 S_o1 - S_on은 부하의 단락 구간 동안에 출력 커패시터 C₁ - C_n 이 방전되는 것을 막아준다. 단락 사고가 소멸된 이후에 부하가 정상으로 회복되어 출력 커패시터의 전압을 부하에 재인가할 경우에 가능한 한 부하전압이 정격전압으로 신속히 상승할 필요가 있다. 그러므로, 이러한 요건을 만족시키기 위해서는, 커패시터가 방전되지 않은 플로팅(Floating) 상태를 유지하는 것이 중요하다.

이하, 상기 설명한 회로를 기초로 하여 본 발명에 따른 단락 전류에 따른 부하 보호 방법을 설명한다.

정상 동작 모드에서, 모든 보조 스위치 S_a, S_b, S_c, S_dc 및 S_o1 - S_on는 제어기로부터 생성된 PWM 신호에 따라 S₁-S_(n-1)의 주스위치가 턴-온/오프 동작을 반복하고 있는 동안에 온 상태를 유지한다. 이 모드에서는, 본 발명의 컨버터와 종래의 멀티레벨 컨버터의 동작 상태는 동일하다.

도 2는 멀티레벨 컨버터 출력의 단락 사고 발생시 및 정상상태 회복시 전후로 변하는 각 스위칭 소자의 스위칭 상태를 도시하고 있다. 각각의 시 구간에서의 각각의 스위칭 소자의 스위칭 상태, 부하 전압 및 출력 직류전류의 파형은 다음과 같이 기술된다.

1) t₀ ≤ t < t₁

이 모드 동안에는, 출력 캐패시터 전압 V_c는 인덕터 L에 인가되고, 그에 따라 출력전류 i_o는 [수학식 1]에서와 같이 선형적으로 증가한다.

V_C : 출력필터 커패시터 C₁-C_n에 걸리는 전압의 합

이 때까지는 모든 스위칭 소자는 정상 상태를 유지한다.

2) t₁ ≤ t < t₂

시간 t₁에, DC 전류 i_o는 기 셋업된 출력 단락 전류 검출 레벨 i_os에 도달하고, 그러면 출력 단락 신호 OS는 하이(High) 상태가 된다. OS 신호가 하이 상태로 되자마자, 싸이리스터 S_a, S_b 및 S_c에 대한 게이트 신호가 턴-오프되고 멀티레벨 컨버터의 전력흐름 방향이 반전되도록 제어한다. 달리 말하면, 컨버터의 동작 모드가 회생 모드(Regeneration Mode)가 되도록 한다. 따라서 교류입력 선전류를 가능한 한 빨리 영(Zero)으로 감소시키는 것이 가능하다. 회생 모드에서의 교류입력 선전류 i_a, i_b 및 i_c의 크기는 다음과 같이 감소한다.

i_a{(t)} = -(i_b{(t)}+i_c{(t))}~~~~~~~~~~~~

또한 부하전류는 [수학식 5]처럼 계속 선형적으로 증가한다.

이 모드는 모든 교류입력전류가 영(Zero)으로 감소할 때까지 지속되며, 전류가 영(Zero)으로 감소하면 보조 스위치 S_dc, S_o1-S_on와 주스위치 S₁ -S_(n-1) 은 모두 턴오프된다.

3) t₂ ≤ t < t₃

이 모드에서는, 3상 ac 라인 전류인 i_a, i_b, i_c는 모두 영(Zero)이며 부하전류 i_o도 영(Zero)이다. 그런데 인덕터 전류는 [수학식 6]처럼 저항 R_dc를 통하여 방전한다.

여기서, τ₁=L/R_dc이고 R_dc와 직렬접속된 다이오드의 전압 강하는 무시한다. 인덕터의 방전이 종료되면 회로상에는 더 이상 전류의 흐름이 없고 모든 출력단 커패시터 전압은 방전되지 않은 채 정격전압으로 유지되고 있다.

4) t₃ ≤ t < t₄

단락상태는 시간 t₄ 이전에서 소멸되고, 부하는 정상 상태가 된다. 그러면 멀티레벨 컨버터의 출력직류 전원을 부하에 다시 인가해야 한다.

5) t₄ ≤ t < t₅

시각 t₄에서 모든 보조 스위치 S_a, S_b, S_c, S_dc, S_o1-S_on는 턴온되고 주스위치 S₁-S_(n-1)는 정상적인 PWM 동작을 개시한다. S_o1-S_on이 턴온되면 커패시터의 직류전압은 다시 부하에 인가되며 인가 후의 출력 직류전류는 다음과 같이 증가한다.

여기서, τ₂=L/R_L이고 R_L은 부하 저항이다.

[시뮬레이션 결과]

본 발명에 따른 컨버터의 유효성을 확인하기 위하여, 도 1에 도시된 멀티레벨 컨버터를 테스트하였다. 모의실험에 사용된 파라미터는 다음과 같다. 교류입력 선간 전압은 220 V, L_s는 1.6 mH, R_dc는 100 Ω, C는 2200 μF, L은 2 mH, V_o 는 400 V이고 부하 저항은 40Ω이다.

도 3은 부하 단락이 빈번히 발생하도록 세팅하여 두고 도 2에 도시한 바와 같은 스위칭이 발생하도록 하였을 경우 교류 입력측 각 상전류 i_a, i_b, i_c와 출력 직류전류 i_o의 파형을 나타낸다. 부하 단락이 매 30 msec마다 발생하도록 하였으며 부하 단락 지속시간은 10 msec로 하였다. 부하 단락시 교류 입력전류의 크기는 증가되는 일이 없이 바로 영(Zero)으로 감소하는 것을 알 수 있다.

도 4는 도 3에서 부하 단락 부분을 시간축으로 확대하여 나타낸 것이다. 출력전류 i_o는 교류측 입력전류 i_a, i_b, i_c가 영(Zero)으로 감소하자마자 바로 영(Zero)으로 감소함을 알 수 있다.

도 5는 도 3에서 부하에 전원을 재인가하는 부분을 시간축으로 확대하여 나타낸 것이다. 스위치 S_{o -} S_on을 턴 온함으로써 출력 커패시터가 부하에 연결되게 되면 부하 전류는 지수함수적으로 증가하고 증가 시간 간격은 200 ㎲ 정도임을 알 수 있다.

본 발명은 직류 전원장치에 있어서 부하 단락시 단락 전류를 최소화하면서 단락된 부하로부터 전원을 차단하고, 또한 부하가 정상상태로 회복되면 신속히 정격전압을 부하에 바로 인가할 수 있는 성능을 갖는 새로운 형태의 멀티레벨 컨버터를 이용한 고전압 직류 전원장치를 제공한다. 본 발명의 주된 특성과 장점은 다음과 같이 요약된다.

1) 본 발명에 따른 컨버터는 종래의 진공관 방식에 비해 효율이 매우 높고 수명이 길고 유지보수가 간편한 장점이 있고, 종래의 GTO 방식이나 인버터방식의 전원장치에 비해 그 구조가 간단하여 소형, 경량화가 가능하다.

2) 직류 전원장치의 출력전압을 단락된 부하로부터 차단하는 속도는 컨버터와 부하에 아무런 손상을 주지 않을 정도로 충분히 빠르다.

3) 또한 기존의 멀티레벨 컨버터와는 달리 부하가 단락되어도 컨버터 출력커패시터는 전혀 방전하지 않고 정격 출력전압을 유지할 수 있어서 부하가 정상으로 회복되면 정격전압을 신속히 부하에 재인가할 수 있다.

4) 기존의 멀티레벨 컨버터를 이용한 방식에 비해 부하 단락시 교류입력전류의 크기가 증가하는 일이 없으며, 또한 단락된 부하로부터 전원을 차단시 부하측에 직렬연결된 인덕터의 저장 에너지가 부하로 유입되는 일이 없어서 차단특성이 개선된다.

도1은 본 발명에 따른 멀티레벨 컨버터를 나타낸 구성도,

도2는 부하단락 사고 발생 및 정상 부하로의 회복 전후의 각 스위치 동작상태와 전압 및 전류 파형을 나타내는 도면,

도3은 부하단락 사고가 여러 번 발생했을 경우의 교류 입력전류 i_a i_b, i_c와 직류출력전류 i_o의 파형을 나타낸 도면,

도4는 부하단락 전후를 시간축으로 확대하여 나타낸 도면,

도5는 부하가 정상으로 회복된 후 출력전원을 재인가하는 시점을 전후하여 시간축으로 확대한 도면이다.

Claims (7)

1. 교류전원을 직류전원으로 변환하는 PWM (Pulse Width Modulation : 펄스폭변조) 컨버터에 있어서, 다상(多相) 입력선 각각에 직렬로 설치된 전원선 스위치군, 상기 컨버터의 양(+)의 출력단에 직렬로 연결되는 스위치, 상기 스위치와 부하 사이에 직렬로 연결되는 인덕터, 상기 인덕터와 병렬로 접속되는 한 쌍의 직렬 연결된 다이오드와 저항기, 상기 스위치와 상기 인덕터의 연결점에 한 쌍의 직렬연결된 스위치와 커패시터가 연결되고 이와 동일한 쌍이 반복되어 컨버터의 음(-)의 출력단까지 연속하여 연결된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 부하에 단락 사고가 발생한 후 일정 시간이 지나 단락 전류가 일정량 이상에 도달하는 경우, 상기 전원선 스위치군을 턴-오프시키고 상기 컨버터의 동작 모드를 회생 모드(Regeneration Mode)로 함으로써 AC 라인 전류를 신속히 감소시키는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터.
3. 제2항에 있어서,

   상기 부하가 단락되고, 상기 다상 입력선 선전류가 제로(Zero)가 된 이후에도 상기 커패시터의 전압은 플로팅(Floating)상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 부하가 정상으로 회복되면, 플로팅 상태를 유지하고 있는 상기 커패시터의 전압이 상기 부하에 재인가됨으로써 부하전압이 신속히 정격전압으로 상승하는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터.
5. 제4항에 있어서,

   상기 다상 입력선의 상기 스위치군의 스위치 각각은 2개의 싸이리스터(Thyristor)가 역병렬로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터.
6. 제5항에 있어서,

   상기 컨버터의 모든 스위치는 IGBT 또는 하나의 온오프제어 가능 소자와 하나의 다이오드가 역병렬로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터.
7. 단락 사고가 발생하는 경우 단락 전류를 최소화하고 상기 부하가 단락상태에서 정상상태로 회복시 신속히 직류전원을 재인가 하는 PWM 컨버터에 있어서,

   부하와 직렬로 연결된 인덕터를 이용하여 단락 전류의 급격한 상승을 방지하고,

   상기 단락 전류가 일정값 이상이 되면 상기 PWM 컨버터를 상기 교류 전원으로부터 전기적으로 분리하며,

   상기 인덕터에 축적된 에너지를 상기 인덕터와 병렬로 연결된 저항을 통하여 방전시켜 상기 인덕터 에너지가 부하로 유입되는 양이 영(Zero)이 되는 것을 특징으로 하는 출력 단락 보호 기능을 가진 컨버터의 출력 단락 보호 방법.