KR100749189B1

KR100749189B1 - 모듈형 전원 어셈블리

Info

Publication number: KR100749189B1
Application number: KR1020050116845A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 제이. 웨버; 페리 버톨라스; 헨릭 비. 니엘센; 제임스 에이. 포메스; 돈 볼라쓰
Original assignee: 마그네텍,인코포레이티드
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-08-13
Also published as: JP2006166689A; CN1815864A; US20060120001A1; EP1667315A2; KR20060063696A; SG122950A1

Abstract

다양한 애플리케이션들에 용이하게 제공되는 모듈형 전력 변환기는 실질적으로 일정한 전력 변환 기능들을 전력 변환기의 애플리케이션 특정 컴포넌트들로부터 분리시킨다. 변환기 기능들과 통상적인 전력 변환기의 열 시스템들을 포함하는 코어 전력 변환 모듈이 제공된다. 출력 커넥터는 마그네틱들, 필터들, 접촉기들, 계전기(relay)들, 전류 센서들 등과 같은 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 포함할 수 있는 애플리케이션 특정 모듈에 코어 모듈을 결합시키도록 제공된다. 특정 애플리케이션들에 용이하게 제공될 수 있는 용이하게 구성가능한 캐비넷이 포함된다.

Description

모듈형 전원 어셈블리{MODULAR POWER SUPPLY ASSEMBLY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 모듈형 전력 변환기의 평면도이다.

도 2a는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따라 구성되는 코어 전력 모듈 어셈블리의 평면도이다.

도 2b는 엔클로저 커버가 제거된 도 2a의 코어 전력 모듈 어셈블리의 평면도이다.

도 2c는 커패시터 저장소와 전력 스위치들의 위치들을 나타내기 위해 사용자 인터페이스와 엔클로저 커버가 제거된 도 2a와 도 2b의 코어 전력 모듈 어셈블리의 평면도이다.

도 3a는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 사용되는 바와 같이 구성된 애플리케이션 특정 모듈의 일 실시예의 평면도이다.

도 3b는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 사용되는 바와 같은 애플리케이션 특정 모듈의 제 2 실시예의 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 다수의 기능적 및 물리적 모듈들의 배치를 도시하는 블록도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예의 모듈들간 기능들의 분배를 나타내는 블록도이 다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 드라이브를 장착하기 위한 캐비넷 구조물의 평면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 드라이브를 장착하기 위한 상호접속된 캐비넷 구조물의 평면도이다.

도 8은 코어 모듈에 장착되는 전력 반응기를 구비한 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 모터 드라이브의 평면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 모터 드라이브의 평면도이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 모터 드라이브의 평면도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 모터 드라이브의 평면도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 사용하기 위한 방열기(heat sink)의 평면도이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 사용하기 위한 수냉식 플레이트의 평면도이다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 애플리케이션 특정 모듈을 위한 예시적인 입력 패널의 평면도이다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 애플리케이션 특정 모듈을 위한 예시적인 출력 패널의 평면도이다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 애플리케이션 특정 모듈을 위한 예시적인 입력/출력 패널의 평면도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 전력 변환기 어셈블리 102, 104: 코어 전력 변환 모듈

106, 108: 애플리케이션 특정 모듈 110: 열 시스템

112: 하우징 114: 사용자 인터페이스

전력 변환기들은 일반적으로 전원으로부터의 전력, 전압 및 전류 파라미터들의 제 1 세트로부터의 전력을 부하에 의해 사용하기 위한 전압 및 전류 파라미터들의 제 2 세트로 변환하는데 사용되는 공지된 장치들이다. 대개 전력 변환기들은 표준 AC 공급 전압을 DC 모터들, AC 모터들 또는 전력 그리드로의 커넥션에 의해 사용하기 위한 고정 또는 가변 주파수의 더 낮은 DC 전압 또는 AC 전압으로 변환하는데 사용된다. 가장 통상적인 전력 변환기들은 전력 요구조건들의 특정 세트를 갖는 특정 제품을 위해 설계되므로, 상이한 토폴로지(topology)들과 전력 요구조건들을 갖는 다수의 애플리케이션들에 일반적으로 사용될 수 없다. 예를 들어, 고전력 애플리케이션들에서, 전력 변환기에 사용되는 스위치들(예, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)들)은 가장 높은 예상 부하 요구조건들을 처리하도록 주의깊게 크기를 정해야 한다. IGBT들과 같은 전력 스위치들은 비싸고 코어 전력 변환기로 긴밀하게 집적되므로, 코어 구조물의 재사용과 리엔지니어링(reengineering) 개발 시간의 감소를 통해 높은 부피 비용 감소들에서 이용가능한 융통성(flexibility)과 이득들을 감소시킨다. 이러한 긴밀한 집적의 결과로서, 새로운 전력 변환기 구성물들이 각각의 새로운 애플리케이션을 위해 지속적으로 설계되고 있다. 새로운 전력 변환기를 설계하는 것은 기술자 개인별로 실질적인 시간과 노력을 요구하는 프로세스이다. 더욱이, 다수의 상이한 전력 변환기들의 지원은 많은 수의 상이한 부품들과 어셈블리들의 구입을 요구하고 스케일의 경제성을 감소시킨다.

오늘날 통상적으로 사용되는 특정 형태의 전력 변환기 제품은 모터 드라이브이다. 모터 드라이브 제품군은 전력 레벨들의 범위를 커버하도록 통상 설계되지만, 이러한 모터 드라이브 제품군은 비교적 좁은 전력 범위와 특정 드라이브 애플리케이션을 위해 하드웨어(전자 컴포넌트들과 패키징)의 비용을 최적화하도록 설계되는 몇가지 상이한 제품들로 구성된다. 예를 들어, 좁은 전력 범위를 위해 통상적인 모터 드라이브는 AC-DC 컨버터(단순한 다이오드, 또는 재생식(regenerative) 컨버터들(승압 또는 강압)), DC 버스 레귤레이터(bus regulator), 인버터, 마그네틱들(magnetics), 필터들, 계전기(relay)들, 제어 로직, 센서들, 및 입력/출력 통신부들 또는 인터페이스들 중 하나 이상을 단일 패키지로 집적시킬 수 있다. 이러한 모터 드라이브 어셈블리들을 위한 최종 사용처들은 이에 제한됨이 없이 엘리베이터들, 물질 핸들링 장치들, 크레인(crane)들 및 호이스트들(hoist), 풍차(windmill) 및 연료 전지들과 같은 대안적 에너지 소스들, 및 일반적인 산업 애플리케이션들을 포함한다. 그러나, 모터 드라이브의 애플리케이션들은 전력, 전압 및 전류 파라미터들의 규정된 세트를 갖는 특정 AC 또는 DC 모터에 사용하기 위한 AC 또는 DC 공급으로부터의 전력 변환으로 제한된다.

몇몇 종래의 모터 드라이브 애플리케이션들에서, 다수의 인버터들은 애플리 케이션에서 다수의 드라이브들을 처리하는 시스템 구성에 사용된다. 이러한 시스템은 다수의 인버터들에 전력을 분배하기 위한 DC 공급 버스를 생성하도록 통상적으로 전단부에 컨버터를 구비한다. 종래의 설계들에서, 컨버터는 파라미터들의 특정 세트를 갖는 특정 전력량을 제공하는 특정 토폴로지(재생식 또는 비재생식)로 설계되기 때문에, 각각의 애플리케이션을 위해 재설계되어야 한다.

종래의 모터 드라이브들의 설계에 있어 또 다른 제한은 열 관리이다. 통상적인 모터 드라이브는 완전한 열 관리 시스템으로서 팬(fan), 방열기, 열 교환기, 또는 냉각 플레이트를 포함할 수 있다. 종래의 전력 공급기 설계들에서, 이러한 열 관리 컴포넌트들의 물리적 위치와 구현은 종종 온보드(onboard) 마그네틱들에 커넥션들을 제공함에 있어서 융통성을 간섭 또는 제한하거나 액체 냉각과 열파이프들과 같은 상이한 냉각 장치들에 대한 스위칭 능력을 제한한다. 또한, 종래의 모터 드라이브들은 더 하부의 IGBT들로부터 열이 적층물(stack)의 상부에서 스위치들로 전달되도록 다수의 IGBT 스위치들을 적층 또는 결합시킨다.

따라서, 다양한 전력 요구조건들을 갖는 다양한 제품들과 열 관리 시스템들을 위해 저비용으로 용이하게 적응될 수 있는 모듈형 전력 컨버터 어셈블리가 필요하다.

본 발명의 목적은 다양한 전력 요구조건들을 갖는 다양한 제품들과 열 관리 시스템들을 위해 저비용으로 용이하게 적응될 수 있는 모듈형 전력 컨버터 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예는 전력 소모 장치에 전력을 제공하기 위한 모듈형 전력 변환기 어셈블리에 관한 것이다. 상기 모듈형 전력 변환기는 전원으로부터 전력을 수신하고 전력 특성들의 제 1 세트로부터 전력 특성들의 제 2 세트로 소스 전력을 변환하기 위한 코어 전력 변환 모듈을 포함한다. 상기 코어 전력 변환 모듈은 입력 커넥터들, 전력 변환 스위치들의 세트 및 연동되는 전자장치들, 버스 커패시터들, 및 출력 커넥터들을 구비한다. 상기 코어 전력 변환 모듈은 또한 열 관리 시스템을 포함한다. 상기 코어 전력 변환 모듈은 코어 전력 변환 모듈들의 전력 출력이 결합되도록 하나 이상의 부가적인 코어 전력 변환 모듈들과 병렬 접속될 수 있게 설계된다. 상기 코어 전력 변환 모듈의 버스 커패시턴스는 출력을 따라 대략적으로 동일하게 분배되는 것이 바람직하다. 애플리케이션 특정 모듈은 상기 코어 전력 변환 모듈의 출력 커넥터에 제거가능하게 결합되도록 제공된다. 상기 애플리케이션 특정 모듈은 특정 전력 소모 애플리케이션으로 코어 전력 변환 모듈을 인터페이싱하도록 설계되는 전력 컴포넌트들과 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 포함한다. 상기 애플리케이션 특정 모듈은 필터, 접촉기, 계전기 및 전류 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 파라미터들의 제 1 세트를 갖는 공급 전력을 수신하고 상기 공급 전력을 파라미터들의 제 2 세트를 갖는 부하 전력으로 변환하기 위한 전력 변환기에 관한 것이다. 상기 전력 변환기는 다수의 애플리케이션 특정 모듈들 중 하나를 수용하도록 제공되는 전력 변환 모듈을 포함한다. 상기 전력 변환 모듈은 적어도 하나의 전력 변환 스위치를 갖고 상기 애플리케이션 특정 모듈은 적어도 하나의 전력 컴포넌트를 갖는다. 상기 전력 변환 컴포넌트는 모듈형 전력 변환기의 서브-패널(sub-panel) 어셈블리상에 장착되는 것이 바람직하다. 상기 코어 전력 모듈은 AC 또는 DC 버스를 갖고 상기 코어 전력 모듈의 버스가 제 2 코어 전력 모듈의 버스와 병렬로 연결되도록 제 2 코어 전력 모듈에 병렬 연결되게 제공된다. 상기 코어 전력 모듈은 또한 코어 전력 변환 어셈블리를 위한 열 관리 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전력 변환 모듈은 양방향 전력 흐름을 허용하도록 구성될 수 있다. 상기 애플리케이션 특정 모듈은 필터, 접촉기, 계전기 또는 전류 센서와 같은 전력 컴포넌트들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 상이한 전력 특성들을 갖는 가변 전력량들을 제공하도록 구성되는 모듈형 전력 변환기 시스템에 관한 것이다. 상기 전력 변환기는 AC 또는 DC 전원으로부터 전력을 수신하고 상기 소스 전력을 DC 또는 AC 전압으로 변환하기 위한 적어도 하나의 전력 변환기 스위치를 구비한 코어 전력 변환기 모듈을 포함한다. 상기 변환된 전압은 버스에 결합된다. 상기 코어 모듈은 버스 전압이 애플리케이션 특정 모듈에 결합되도록 다수의 애플리케이션 특정 모듈들 중 적어도 하나를 수용하도록 제공되는 출력 커넥터를 갖는다. 또한, 상기 코어 모듈은 상기 코어 모듈의 버스가 제 2 코어 모듈의 버스에 전기적으로 결합되도록 제 2 코어 모듈에 병렬로 접속되게 구성된다. 상기 코어 모듈은 다수의 옵션 보드(option board)들 중 하나를 수용하기 위해 결합되는 옵션 보드를 더 포함한다. 적어도 하나의 전력 변환기 스위치는 상기 코어 모듈의 옵션 보드상에 장착된다. 상기 모듈형 전력 변환기는 양방향 전력 흐름을 허용하도록 구성된다. 상기 애플리케이션 특정 전력 변환기 모듈들은 필터, 접촉기, 계전기 및 전류 센서와 같은 전력 컴포넌트들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 모듈형 전력 변환기 설계에 관한 것이다. 상기 설계는 모듈형이고 크기조절가능한 기계적 패키징 수단을 포함한다. 이러한 모듈방식과 크기조절력은 상기 전력 변환 모듈을 구성하는 적절한 열 및/또는 전력 반도체 조합물의 선택에 의해 신속히 구현되도록 다양한 전력 토폴로지를 허용한다. 설계시 이러한 융통성은 다양한 토폴로지들과 애플리케이션들을 위해 모듈형으로 크기조절가능한 전력 변환을 제공한다. 모듈형이고 융통성 있는 열 관리 수단은 냉각 장치가 공기 또는 액체 또는 열 파이프들로 변경되도록 한다. 다양한 애플리케이션들과 소비자 요구조건들을 처리하도록 구성될 수 있는 모듈형 하드웨어 로직이 제공된다. 애플리케이션과 전력 모듈방식을 지원하도록 모듈형으로 탄력적인 제어 소프트웨어가 제공된다. 상기 설계는 AC 모터, DC 모터, 그리드 연결 부하들, 그리드 독립 부하들, 양방향 풍력발전기 드라이브들, 및 DC 입력/출력 또는 AC 입력/출력을 갖고 임의의 AC 또는 DC 소스로부터 임의의 AC 또는 DC 부하로의 변환 처리하는 임의의 다른 애플리케이션에 사용될 수 있다.

본 발명은 광범위한 전력 레벨들과 회로 토폴로지들을 지원하도록 신속하고 용이하게 구성될 수 있는 전력 변환 모듈을 구비한 모듈형 전력 변환기에 관한 것이다. 상기 전력 변환 모듈들의 애플리케이션들은 이에 제한됨이 없이 인버터들, 승압 또는 강압 컨버터들, 컨버터들, 재생식 인버터들, 및 버스 레귤레이터들을 포함한다. 최종 애플리케이션들 중 일부는 이에 제한됨이 없이 엘리베이터들, 풍차, 연료전지, 물질 핸들링, 크레인 및 호이스트와 같은 선택적 에너지 애플리케이션들, 및 다양한 다른 산업상 애플리케이션들을 포함한다.

본 발명에 따라, 용이하게 적응될 수 있는 전력 변환기는 매우 융통성있는 모듈형의 전력 변환 어셈블리를 생성함으로써 구현된다. 어셈블리의 모듈방식은 연관되는 입출력 전자장치들, 제어 로직 구성, 사용되는 반도체 스위치의 크기 및 다수의 전력 변환 애플리케이션들을 위한 입력 및 출력 스위치 기어를 단순히 재구성함으로써, 동일하거나 매우 유사한 하드웨어 어셈블리들을 이용하여 다수의 전력 레벨들 및/또는 다수의 토폴로지 구성들을 형성할 수 있도록 설계된다.

모터 드라이브와 같은 통상적인 전력 변환기는 컨버터, 열 관리 시스템, 인버터, 마그네틱들, 필터들, 계전기들, 제어 로직, 전류 센서 및 입출력 인터페이스 전자장치들을 구비한다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 컨버터와 열 시스템의 컴포넌트들을 코어 모듈상에 배치함으로써 이러한 컴포넌트들을 분리시킨다. 마그네틱들, 필터들, 전류 센서들, 계전기 등과 같은 애플리케이션 특정 컴포넌트들은 별도의 애플리케이션 특정 모듈상에 위치된다. 광범위한 전력 크기들과 애플리케이션들을 위한 동일한 기본 전력 변환 모듈을 이용함으로써, 상기 전력 변환 모듈들은 현저한 비용 장점들을 허용하는 크기의 경제성들을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 모듈들은 양방향을 포함하는 다수의 전력 레벨 출력들과 전력 흐름을 수용하도록 병렬 접속되도록 설계된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 전력 변환기 어셈블리(100)가 도시된다. 도 1의 실시예에서, 전력 변환기 어셈블리(100)는 2개의 애플리케이션 특정 인터페이스 모듈들(106, 108)에 접속된 2개의 코어 전력 변환 모듈들(102, 104)(종종 "코어 모듈들"로 지칭함)을 포함한다. 전력 변환 및 열 관리는 코어 전력 모듈들(102, 104)에 의해 처리된다. 마그네틱들, 필터들, 접촉기들, 계전기들, 전류 센서들 및 다른 애플리케이션 특정 컴포넌트들은 전력 변환 모듈들(102, 104)의 부분이 아니다. 이것은 전력 변환 모듈들(102, 104)이 각각의 특정 애플리케이션을 위해 재설계될 필요 없이 매우 다양한 애플리케이션들, 전력 레벨들, 및 토폴로지들을 처리하는 융통성을 허용한다. 따라서, 코어 전력 변환 모듈들(102, 104)로부터 애플리케이션 특정 컴포넌트들(106, 108)을 결합해제함으로써, 애플리케이션에 따라 용이하게 변경될 수 있는 전력 공급기 어셈블리가 생성된다.

코어 모듈들(102, 104)은 모두 하우징(112)내에 장착되는, 전력 변환 스위치들, 선택적 전력 인터페이스 전자장치들, 제어 전자장치들 및 설정가능한 입력/출력 인터페이스 전자장치들을 위한 열 시스템(110), 게이트 드라이브 및 전력 공급기 컴포넌트들을 포함하는 것이 바람직하다. 제어 전자장치들은 개별 애플리케이션들에 대해 가변될 수 있도록 프로그래밍가능하다. 애플리케이션 특정 인터페이스 모듈들(106, 108)은 AC/DC 접촉기들, 전류 센서들, 전자기 간섭 필터들 등과 같은 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 포함한다. 도 1에 도시된 것처럼, 코어 모듈들(102, 104)은 전력 공급기(100)의 최대 전력 처리 용량들을 증가시키고 다수의 애플리케이션 특정 모듈들(106, 108)을 공급하기 위해 병렬 접속될 수 있다. 이는 다른 코어 모듈의 DC 버스와 병렬 접속될 수 있는 DC 버스를 각각의 코어 모듈 (102, 104)에 제공함으로써 달성되는 것이 바람직하다. 따라서, 동일한 기본 전력 변환 모듈(102, 104)은 다양한 전력 레벨들 또는 등급들을 형성하는데 사용될 수 있다. 반대로, 종래의 시스템들은 병렬 접속된 연동 스위치 기어를 모두 갖는 인버터들 또는 드라이브들과 같은 상이한 전력 변환 엘리먼트들을 사용하는 경우, 병렬 동작을 허용하도록 각각의 전력 모듈에 주문 수정들이 이루어져야 한다. 본 발명은 이러한 병렬 동작을 보다 간단히 하기 위해 다수의 레벨들에 대해 동일한 코어 전력 변환 모듈(102, 104)을 사용한다. 이러한 경우, 각각의 코어 모듈들(102, 104)을 제어하기 위해 단일 사용자 인터페이스(114)가 사용될 수 있다.

열 시스템의 전기적 및 기계적 설계들, IGBT들의 경우 게이트 드라이브 또는 다른 전력 반도체 스위치들을 위한 구동회로, 전력 공급기 컴포넌트들, 선택적 전력 인터페이스 전자장치들, 제어 전자장치들, 입력/출력 인터페이스 전자장치들, AC/DC 접촉기들, 전류 센서들, 전자기 간섭 필터들 등은 통상적이고 종래기술의 당업자에게 공지되어 있으므로 상세히 나타내지 않는다. 본 발명은 전력 공급기 어셈블리내의 이러한 기능적 컴포넌트들의 신규한 모듈형 배치 및 아키텍처에 관한 것이다.

통상적으로, 애플리케이션 및 전력에 종속적인 마그네틱들, 필터들 등은 기본 전력 변환 스위치들(예컨대, IGBT들) 및 열 시스템과 결합된다. 비-애플리케이션 특정 컴포넌트들로부터 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 분리시킴으로써, 기본 전력 변환 모듈은 요구되는 애플리케이션 특정 컴포넌트들과 함께 재사용될 수 있다. 따라서, 상기 코어 모듈들은 별도의 고용량, 매우 효율적인 라인상에 형성되고 별도의 제조 장소에서 애플리케이션 특정 전력 레벨 컴포넌트들과 결합될 수 있다. IGBT들과 같은 입력 및 출력 전력 반도체 스위치들은 용이한 구성과 융통성을 위해 방열기(공기 또는 액체)를 포함하는 플렉서블한 열 시스템 어셈블리상에 장착된다. 코어 모듈들(102, 104)의 전력 반도체 스위치들에 대한 변경들이 필요할 때, 플렉서블한 열 어셈블리(공기 또는 액체)상에 장착되는 전력 반도체 스위치들을 간단히 배치함으로써 상기한 변경들이 달성될 수 있다. 그러나, 애플리케이션 특정 서브-패널들의 변경, 제어 소프트웨어의 재프로그래밍 및 적절한 하드웨어 로직 모듈의 인스톨에 의해, 동일한 IGBT 또는 동등한 전력 반도체 스위치가 다수의 애플리케이션들 또는 토폴로지들을 위한 코어 전력 변환 모듈에 사용될 수도 있다.

도 2a-2c를 참조하면, 코어 전력 모듈(200)의 실시예가 도시된다. 코어 전력 모듈(200)(도 1의 "102, 104")은 모듈의 내부 컴포넌트들을 하우징하고 보호하는 엔클로저(202)를 갖는다. 엔클로저(202)는 도 2b와 도 2c에 도시된 바와 같이 제거될 수 있는 커버(204)를 포함한다. 엔클로저(202)는 다양한 애플리케이션들로 용이하게 구성될 수 있도록 모듈형으로 플렉서블하게 설계된다. 예를 들어, 제어 전자장치들의 개수와 구성은 애플리케이션 요구조건들을 구현하도록 용이하게 변경될 수 있다. 또한, 엔클로저(202)의 측면들은 다수의 코어 모듈들(200)이 용이하게 병렬 접속되어 최대 확장성을 제공할 수 있도록 제공될 수 있다. 사용자가 전력 변환기를 리셋 또는 설정(configure)할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스(206)도 제공된다. 사용자 인터페이스(206)는 모터 드라이브를 위한 리모트 컨트롤일 수 있다. 그러나, 특정 애플리케이션에 의해 요구되는 임의의 사용자 입력들이 코어 모듈(200)에 대한 최소의 변경으로 사용자 인터페이스(206)에 포함될 수 있다는 것은 통상의 당업자에게 명백할 것이다. 코어 전력 모듈(200)은 애플리케이션 특정 회로가 상기 코어 모듈에 결합될 수 있게 하는 전기적 인터페이스(208)를 구비한다.

열 시스템(210)이 열을 분산시키게 하는 배출구(vent)(210)가 코어 전력 모듈(200)상에 제공된다. 팬, 방열기, 열 교환기 및/또는 수냉식 플레이트와 같은 컴포넌트들을 포함하는 상기 열 시스템은 마그네틱들로의 인터페이스(208)가 방해받지 않도록 배향된다. 이것은 상기 마그네틱들로의 접속과 마그네틱들의 구성을 용이하게 한다. 전력 변환기 전자장치들의 통상의 당업자에 의해 이해되는 것처럼, 전력 모듈(200)의 열 관리 기능은 공기 또는 액체 수냉식 접근법에 따라 구현될 수 있다.

도 2c에 도시된 것처럼, 코어 모듈(200)은 커패시터 저장소(bank)(212)와 전기적 파라미터들의 제 1 세트에서 다른 세트로 소스 전원 공급을 변환하는데 사용되는 스위칭 소자들(214)을 포함한다. 스위칭 소자들(214)(종종 "IGBT" 또는 "전력 반도체 스위치들"로 지칭됨)은 코어 모듈(200)의 능력을 개선하고 열을 분산시키는 방열기상에 장착되는 것이 바람직하며, 이에 따라 더 많은 전력량들을 요구하는 애플리케이션들을 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 코어 전력 변환 모듈(200)의 스위칭 소자들(214)은 하부의 열 손실이 상부로 전달되도록 수직으로 적층되거나 결합되지 않는다. 이는 코어 전력 변환 모듈(200)이 더 많은 애플리케이션 융통성을 갖도록 하며 컨버터의 스위칭 소자들(214)상에 열적 스트레스를 감소시킨다. 또한, 상기 컨버터 및 인버터의 전력 변환 엘리먼트들을 적층하지 않음으로 인한 열 효율성은 IGBT들과 같은 전력 반도체 소자들의 보다 효율적인 사용을 가능하게 한다. 스위칭 소자들(214)은 또한 코어 전력 변환 모듈(200)을 재설계 또는 재구성할 필요 없이 용이하게 대체될 수 있는 열 서브시스템에 장착되는 것이 바람직하다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 샘플 애플리케이션 특정 모듈들(302, 304)이 도시된다. 애플리케이션 특정 모듈들(302, 304)은 자기 변압기들과 인덕터들(306)(본 발명에서 종종 "마그네틱들"로서 집합적으로 지칭됨), 접촉기들(308), 필터들(310), 계전기들, 전류 센서들 등과 같은 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 포함한다. 애플리케이션 특정 모듈 하우징(312)은 코어 모듈 엔클로저(202)와 결합되도록 설계된다. 또한, 접촉기들(도 3에 미도시)은 코어 모듈(200)(도 1의 "102, 104")에 전기적으로 접속되도록 하는 애플리케이션 특정 모듈들(302, 304)상에 제공된다. 도 3의 애플리케이션 특정 모듈들은 단지 예시적인 것이며 매우 다양한 애플리케이션 특정 모듈들(302, 304)이 본 발명의 코어 모듈과 물리적 및 전기적으로 인터페이싱하도록 설계될 수 있다는 것을 당업자가 용이하게 이해할 것이다.

본 설계의 기본적인 접근법은 전력 변환기의 통상적인 드라이브 인버터 및 컨버터 설계 기능들을 별도의 어셈블리들로 분리시키는 것이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제어 로직 전자장치들의 일 실시예의 레이아웃의 블록도가 도시된다. 컨버터 또는 유틸리티측 메인 제어보드(402)는 유틸리티측 컨버터에 제공되고, 인버터 또는 모터측 메인 제어보드(404)는 모터측 인버터에 제공된다. 유틸리티측 메인 제어보드(402)는 유틸리티측 컨버터를 위한 제품 인터페이스 보드(406)에 접속된다. 제품 인터페이스 보드(406)는 교번으로 일련의 게이트 드라이브 보드들(408)에 접속된다. 유사한 방식으로, 인버터 메인 제어보드(404)는 교번으로 게이트 드라이브 보드들(412)에 직렬 접속되는 모터측 인버터를 위한 제품 인터페이스 보드(410)에 접속된다. 전력 변환기가 특정 고객 애플리케이션에 결합 및 제공되도록 하는 고객 입력/출력 보드(414)가 제공된다. 낮은 레벨 제어 및 인터페이싱 하드웨어는 애플리케이션 특정 요구조건들을 위한 선택적 버전들을 갖도록 설계된다. 낮은 레벨 아키텍처는 또한 새로운 소프트웨어 또는 선택적 어셈블리들이 모두 새로운 애플리케이션들을 처리하는필요하도록 플렉서블한 설계를 갖도록 설계된다. 예를 들어, 제품 인터페이스 보드들(406, 410)은 특정 애플리케이션에 맞춰진 선택적 인터페이스 보드들로 용이하게 대체될 수 있도록 설계된다. 또한, 게이트 드라이브들은 상이한 특성들을 갖는 선택적 게이트 드라이브 보드들로 용이하게 대체될 수 있도록 게이트 드라이브 보드들(412, 418)상에 배치된다. 따라서, 전력 변환기를 일련의 상호접속된 보드들로 분할함으로써 애플리케이션을 위해 요구되는 상기한 보드들만을 간단히 재구성함으로써 전력 변환기가 개별 애플리케이션들을 위해 용이하게 제공될 수 있도록 한다.

도 5를 참조하면, 코어 모듈(502)(도 1의 "102, 104")과 애플리케이션 특정 모듈(504)(도 3a 및 도 3b의 "302, 304") 사이의 전력 변환기 기능들의 분할을 나타내는 블록도가 도시된다. 코어 모듈(502)은 열 시스템(506), 전력 변환기 전력 반도체 스위치들(508), 및 제어 전자장치들(510)을 포함한다. 열 시스템(506)은 인터페이스 전자장치(514)와 간섭되지 않도록 코어 모듈(502)에 위치된다. 전력 변환기 전력 스위치들(508)은 전력 변환기의 성능 특성들을 변경하기 위하여 제 2 전력 변환기(508)와 용이하게 대체될 수 있도록 서브-어셈블리 또는 선택 보드상에 제공된다. 제어 전자장치들(510)은 코어 모듈(502)의 성능이 제어 전자장치들(510)을 간단히 재프로그래밍함으로써 변경될 수 있도록 프로그래밍되는 것이 바람직하다. 인터페이스 전자장치들(514)은 애플리케이션 특정 모듈(504)에 코어 모듈(502)을 결합시키는데 사용된다. 또한, 코어 모듈(502)은 다수의 코어 모듈들(502)의 DC 버스들(512)이 증가된 전력 레벨들을 제공하기 위해 병렬 접속될 수 있도록 DC 버스(512)로의 액세스를 제공하는 것이 바람직하다.

애플리케이션 특정 모듈(504)은 코어 모듈(502)의 인터페이스 전자장치들(514)과 결합되고 코어 모듈(502)의 출력을 수신하기 위한 인터페이스 전자장치들(516)을 포함한다. 도 5에 도시된 애플리케이션 특정 모듈(504)은 전력 인버터(524), 전류 센서들(518), 접촉기들(520), 필터들(522) 및 마그네틱들(526)을 포함한다. 그러나, 통상의 당업자에 의해 인식되는 것처럼, 애플리케이션 모듈(504)은 특정 애플리케이션에 맞도록 구체적으로 조정되고, 애플리케이션 모듈들상의 정확한 컴포넌트들은 조정되는 특정 애플리케이션에 종속된다.

본 발명의 실시예들에 따라 구성되는 다양한 전력 변환기 배열들은 도 6-17에 도시된다. 보다 구체적으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예를 장착하기 위한 모듈형 캐비넷 구조물(602)을 도시한다. 애플리케이션 특정 모듈은 전력 변환기의 입력들과 출력들을 설정하는 입력/출력 패널(604)을 갖는다. 전력 변환기(606)는 코어 전력 변환 모듈내에 포함되고 모터 드라이브를 위한 전력 필터 반응기(608)는 코어 모듈의 열 시스템 근처에 장착된다. 이러한 애플리케이션의 반응기(608)는 AC 라인과 DC 버스 사이의 임피던스로서 재생식 컨버터에 의해 사용된다. 이 경우, 반응기는 서브패널상에 장착되기에 너무 무겁기 때문에 캐비넷의 플로어(floor)상에 배치된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 드라이브를 장착하기 위한 상호접속된 캐비넷 구조물(702)의 평면도이다. 캐비넷들(704)과 이에 장착되는 전력 변환기들은 코어 모듈들 자체와 아주 동일한 방식으로 다수의 전력 변환기들 또는 많은 전력량들을 요구하는 애플리케이션들을 수용하기 위해 병렬 접속되도록 설계된다. 상기 캐비넷은 전력 반응기(708)가 열 시스템에 인접하게 장착될 수 있도록 하는 치수를 갖는다. 입력 패널들(704)과 출력 패널들(706)은 외부 장치들에 용이하게 접속되도록 캐비넷(702)의 인접 단부들에 장착된다.

도 8은 캐비넷(702)으로부터 제거된 도 7의 모터 드라이브의 평면도이다. 전력 반응기(806)는 코어 모듈의 단부상에 장착된다. 입력 패널(802)과 출력 패널(804)은 애플리케이션 특정 모듈상에 장착되고 코어 모듈들상에 장착된 전력 변환기들(808)에 결합된다. 입력 서브 패널(802)에 결합된 전력 변환기는 재생을 위한 입력 컨버터로서 사용되고, 애플리케이션 특정 모듈의 출력(804)과 결합된 다른 전력 변환기는 모터를 구동하는 인버터로서 사용된다. 이것은 동일한 기본 전력 변환 모듈이 2개의 상이한 기능들을 수행하도록 사용되는 방법의 예이다. 따라서, 본 발명의 모듈방식 및 융통성(flexibility)은 고유한 것이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 예시적인 전력 변환 모듈의 평면도이다. 냉각 시스템(902)과 전력 변환기 어셈블리(904)는 코어 모듈상에 장착되게 도시된다.

도 10은 코어 모듈상에 장착되는 스위치들(1002)과 커패시터 저장소(1004)를 도시하기 위해 제어 서브패널이 제거된 도 9의 전력 변환 모듈의 평면도이다.

도 11은 전력 변환 모듈의 냉각기(1102)가 나타나도록 열 냉각 시스템 커버가 제거된 도 10의 전력 변환 모듈를 위한 코어 모듈의 평면도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 사용하기 위한 예시적인 공기 냉각식 방열기(1202)의 평면도이다. 방열기(1202)는 스위치들(1204)에 열적으로 접속되고 공기냉각 핀들(1206)을 포함한다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 사용하기 위한 수냉식 방열기(1302)의 평면도이다. 수냉식 플레이트(1302)는 스위치들(1304)에 열적으로 접속되고 통상적인 냉각수 입력들 및 출력들(1306)을 포함한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 애플리케이션 특정 모듈을 위한 예시적인 입력 패널의 평면도이다. 전술한 것처럼, 입력 패널(1402)은 전자기 간섭 필터(1404), AC 접촉기(1406), 전류 센서들(1408), 사전 충전(pre-charge) PC 보드(1410), 및 사전-접촉기(pre-contactor) 퓨즈들(1412)과 같은 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 포함한다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 애플리케이션 특정 모듈을 위한 출력 패널(1502)의 평면도이다. 출력 패널(1502)은 DC 필드 어셈블리(1504), DC 접촉기(1506), 필터(1508), 및 전류 센서들(1510)을 포함한다. 애플리케이션 특정 모듈들을 위한 입력 패널(1402)과 출력 패널(1502)은 단지 예시적인 것이며, 본 발명에 따라 다양한 입력 및 출력 패널들이 애플리케이션 특정 모듈상에 장착될 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성되는 단일 모듈 모터 드라이브 애플리케이션의 애플리케이션 특정 모듈을 위한 결합 입력/출력 패널(1602)의 평면도이다. 입력/출력 패널(1602)은 전자기 간섭 필터(1604), AC 접촉기(1606), 사전충전 PC 보드(1608), 사전충전 접촉기 퓨즈들(1610), DC 필드 어셈블리(1612), DC 접촉기(1614), 필터(1616), 전류 센서들(1618), 필드 터미널 블럭(1620) 및 DC 접촉기 PC 보드(1622)와 같은 모든 애플리케이션 특정 입력/출력 컴포넌트들을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 범용 산업, 엘리베이터들, 크레인들 및 호이스트들, 물질 핸들링 및 선택적 에너지와 같은 분야들의 애플리케이션들을 위한 양방향 전력 흐름을 처리할 수 있다. 예를 들어, 엘리베이터 애플리케이션들에서, 설계는 AC 및 DC 모터를 위한 완전한 4분면(four quadrant) 또는 완전한 라인 재생식 전력 변환기를 허용하도록 구성될 수 있다. 입력 또는 출력 전력은 AC 또는 DC 전압일 수 있다. 토폴로지들이 용이하게 재구성될 수 있기 때문에, 소스 전력의 형태는 플렉서블하다. 엘리베이터 최종 사용 애플리케이션에서, 전원은 AC 라인이지만, 단순한 출력 인버터로 시스템을 재구성하면, 입력은 광기전(photovoltaic) 패널로부터의 DC 소스일 수 있다.

본 발명의 모듈형 전력 변환기는 동일한 기본 코어 어셈블리들이 다수의 전 력 레벨들을 생성하는데 사용될 수 있고, DC 버스 레벨에서 변환 모듈들의 병렬접속을 허용하며, 플렉서블한 제어들과 입력/출력 인터페이싱을 제공한다는 점에서 종래기술에 비해 개선된 것이다. 또한, 본 발명은 용이한 AC 및 DC 제어와 양방향 전력 흐름 제어를 제공한다. 전력 변환 엘리먼트들은 다양한 애플리케이션들을 수용하는 구성가능하거나 확장가능한 엔클로저내에 포함된다. 다양한 애플리케이션들을 위한 시간과 비용면에서 요구되는 제품 리소스들은 제품의 개발 시간이 비-전력 변환 엘리먼트들의 선택과 적절한 옵션 보드들의 선택에 제한되기 때문에 현저하게 감소된다. 종래의 모터 드라이브 설계들에 있어서, 그 목적은 특정 크기, 전력 및 제한된 애플리케이션 관점에서 최종 전력 변환 비용을 최적화하는 것이였다. 본 발명은 전력 변환의 비용과 크기를 최적화하지만 애플리케이션과 전력 특정 엘리먼트들의 집적을 분리시킨다.

따라서, 새롭고 유용한 모듈형 전력 변환기 어셈블리의 본 발명의 특정 실시예들이 기술되었지만, 이러한 예들은 이하의 청구범위에서 기술되는 것을 제외하고 본 발명의 사상을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.

본 발명에 의하면, 다양한 전력 요구조건들을 갖는 다양한 제품들과 열 관리 시스템들을 위해 저비용으로 용이하게 적응될 수 있는 모듈형 전력 컨버터 어셈블리를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

전력 소모 장치로 전력을 제공하기 위한 모듈형 전력 변환기로서,

전원으로부터 전력을 수신하고 제 1 세트의 전력 특성들로부터 제 2 세트의 전력 특성들로 상기 전력을 변환하기 위한 코어 전력 변환 모듈 - 상기 코어 전력 변환 모듈은 적어도 하나의 전력 변환 스위치와 출력 커넥터를 가짐 -; 및

상기 출력 커넥터에 제거가능하게 결합되도록 제공되는 애플리케이션 특정 모듈 - 상기 애플리케이션 특정 모듈은 상기 코어 전력 변환 모듈을 특정 전력 소모 애플리케이션으로 인터페이싱하도록 설계되는 전력 컴포넌트들과 애플리케이션 특정 컴포넌트들을 포함함 -

을 포함하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전력 변환 스위치는 상기 코어 전력 변환 모듈에 결합되는 서브 패널상에 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 항에 있어서,

상기 코어 전력 변환 모듈은 적어도 하나의 부가적인 코어 전력 변환 모듈과 병렬 접속되도록 제공되어 상기 코어 전력 변환 모듈들의 전력 출력이 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 항에 있어서,

상기 애플리케이션 특정 모듈은 필터, 접촉기, 계전기 및 전류 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 항에 있어서,

상기 코어 전력 변환 모듈은 열 관리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 항에 있어서,

상기 모듈형 전력 컨버터는 양방향 또는 비-재생식(non-regenerative) 흐름을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 항에 있어서,

상기 코어 전력 변환 모듈의 버스 커패시턴스는 상기 출력을 따라 대략적으로 동일하게 분배되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 1 세트의 파라미터들을 갖는 전력을 수신하고 상기 전력을 제 2 세트의 파라미터들을 갖는 전력으로 변환하기 위한 전력 변환기로서,

다수의 애플리케이션 특정 모듈들 중 하나를 수용하도록 제공되는 전력 변환 모듈 - 상기 전력 변환 모듈은 적어도 하나의 전력 변환 스위치를 갖고, 상기 애플리케이션 특정 모듈은 적어도 하나의 전력 컴포넌트를 가짐 -

을 포함하는 전력 변환기.
제 8 항에 있어서,

상기 전력 변환 모듈은 버스를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
제 9 항에 있어서,

상기 전력 변환 모듈은 제 2 전력 변환 모듈과 병렬 접속되도록 제공되어 상기 전력 변환 모듈의 상기 버스가 상기 제 2 전력 변환 모듈의 버스와 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
제 8 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전력 컴포넌트는 상기 전력 변환 모듈의 서브 패널 어셈블리상에 장착되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
제 8 항에 있어서,

상기 전력 변환기는 양방향 또는 비-재생식 전력 흐름을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
제 8 항에 있어서,

상기 애플리케이션 특정 모듈은 필터, 접촉기, 계전기 및 전류 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
제 8 항에 있어서,

상기 전력 변환 모듈은 열 분산 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환기.
상이한 전력 특성들을 갖는 가변 전력량들을 제공하도록 구성되는 모듈형 전력 변환기 시스템으로서,

전원으로부터 전력을 수신하고 상기 전력을 버스 전압으로 변환하며 상기 버스 전압을 버스에 결합시키기 위한 적어도 하나의 전력 변환기 스위치를 구비한 코어 모듈 - 상기 코어 모듈은 다수의 애플리케이션 특정 전력 인버터 모듈들 중 적어도 하나를 수용하도록 제공되는 출력 커넥터를 구비하여 상기 버스 전압이 상기 애플리케이션 특정 모듈에 결합됨 -

을 포함하는 모듈형 전력 변환기 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 코어 모듈은 제 2 코어 모듈과 병렬 접속되도록 구성되어 상기 코어 모듈의 상기 버스가 상기 제 2 코어 모듈의 버스에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전력 변환기 스위치는 상기 코어 모듈의 옵션 보드상에 장착되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 모듈형 전력 변환기는 양방향 또는 비-재생식 전력 흐름을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 애플리케이션 특정 전력 인버터 모듈은 필터, 접촉기, 계전기 및 전류 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 코어 모듈은 다수의 옵션 모드들 중 하나를 수용하기 위해 결합되는 옵션 보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기 시스템.
모듈형 전력 변환기로서,

모듈형이고 크기조절가능한 기계적 패키징 수단;

모듈형이고 크기조절가능한 전력 변환 수단;

모듈형이고 크기조절가능한 열 관리 수단;

모듈형이고 구성가능한(configurable) 하드웨어 로직; 및

모듈형이고 구성가능한(configurable) 제어 소프트웨어

를 포함하는 모듈형 전력 변환기.
제 21 항에 있어서,

상기 전력 변환기는 임의의 AC 또는 DC 소스에서 임의의 AC 또는 DC 부하로의 전력 변환을 지원하도록 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.
제 21 항에 있어서,

상기 전력 변환기는 양방향 풍력 발전기 드라이브로서 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 전력 변환기.