KR100790748B1 - 전류원 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류원, 상기 전류원이 공급하는 전류를 스위칭시켜 부하로 출력하는 스위칭부 및, 인버터 제어부로부터 제어신호를 입력받아 상기 전류원에서 스위칭부로 흐르는 전류를 바이패스하고 일정 시간 동안 그 상태를 유지하는 전류 전환부로 이루어진 전류원 인버터에 관한 것으로, 전류원으로 직류 리액터가 사용되므로 불가피하게 발생되는 철손이나 동손으로 인한 인버터의 효율 저하를 줄인다.

전류원, 인버터, 전류, 전환부, 바이패스

Description

전류원 인버터{Current source Inverter}

도 1은 일반적인 태양광 발전 시스템을 도시한 도면,

도 2는 일반적인 전류원 인버터를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 전류원 인버터를 도시한 도면,

도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 전류원 인버터의 동작을 설명하기 위해 마련된 도면,

도 5는 본 발명에 따른 전류원 인버터의 타이밍도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 태양전지 110 : 전류원 인버터

111 : 전류원 112 : 스위칭부

200 : 전류 전환부 D1 ~ D4 : 다이오드

SW1 ~ SW4 : 스위치 201 : 제1 IGBT

202 : 제2 IGBT 203 : 제1 다이오드

204 : 제2 다이오드 205 : 커패시터

206 : 인덕터

본 발명은 직류 리액터의 철손이나 동손으로 인해 불가피하게 발생되는 인버터의 효율 저하를 전력 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 최소한으로 줄이도록 한 전류원 인버터에 관한 것이다.

일반적으로, 전류원 인버터는 태양광 발전 시스템에서 직류 전력을 교류 전력을 변환시켜 부하에 공급하는 장치인데, 우선 이러한 전류원 인버터가 사용되는 태양광 발전 시스템을 간략히 설명하면 다음과 같다.

통상의 태양광 발전 시스템은 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시켜 직류 전력을 발생하고 그 발생한 직류 전력을 전류원 인버터가 교류 전력으로 변환시켜 부하로 공급하는 시스템이다.

도 1은 이러한 일반적인 태양광 발전 시스템을 도시한 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 통상의 태양광 발전 시스템은 크게 태양 전지(100), 인버터(110), 부하(120), 전류 센서(130), 전압 센서(140), 전류 제어기(150)로 이루어진다.

이러한 통상의 태양광 발전 시스템은 태양 전지(100)가 태양광의 에너지를 공급받아 직류 전력을 발생하면, 그 발생된 직류 전력을 전류원 인버터(110)가 스위칭 동작을 통해 교류 전력으로 변환하여 부하(120)에 예를 들면, 가정의 각 가전 제품 등으로 공급하는 것이다.

이러한 태양광 발전 시스템에서, 특히, 전류원 인버터(110)는 대표적인 대체 에너지원인 태양광을 이용하는 태양전지 또는 연료전지 등으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한 후, 그 변환된 교류 전력을 부하로 공급하는 전력 변환 장치로 사용된다.

이러한 전류원 인버터(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 직류 리액터인 전류원(111)과 다수의 다이오드(D1 ~ D4) 및 전력 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어진다.

이렇게 이루어진 전류원 인버터(110)는 도시되지 않은 인버터 제어부에서 출력하는 펄스 폭 변조된 신호에 따라 전력 스위칭 소자인 IGBT 들이 온/오프 되면서 전류원(111)이 공급하는 전류를 시계 방향과 반시계 방향으로 부하(130)에 번갈아 입력하여 교류 전력을 공급하는 것이다.

이러한 전류원 인버터(110)는 인버터 사고시, 단락에 의한 돌입전류의 영향을 받지 않고, 전압원 인버터와는 달리 계통과 연계하기 위해 인버터의 출력 전압을 계통 전압보다 별도로 높게 설정하지 않아도 되는 등의 장점이 있다.

하지만, 전류원(111)으로 사용되는 직류 리액터의 철손과 동손으로 인해 인버터의 효율이 저하되고, 인버터의 용량이 증가함에 따라 그 저하되는 정도가 비례적으로 더욱 심화된다.

따라서, 불가피하게 발생되는 인버터의 효율 저하를 다른 방편을 통해 줄일 수 있어야 한다.

본 발명은 바로 이러한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 직류 리액터 의 철손이나 동손으로 인해 발생되는 인버터의 효율 저하를 다른 방편을 통해 즉, 전력 스위칭 소자인 IGBT의 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 줄이도록 하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적에 따른 본 발명은

소정의 전류 전환부를 전류원과 IGBT로 구성된 스위칭부에 연결되도록 설치하여 전류원에서 스위칭부의 IGBT로 흐르는 전류를 바이패스하고 일정 시간 동안 그 상태를 유지하도록 한다.

구체적인 구조는 전류원, 상기 전류원이 공급하는 전류를 스위칭시켜 부하로 출력하는 스위칭부 및, 외부로부터 예를 들면, 인버터 제어부로부터 제어신호를 입력받아 상기 전류원에서 스위칭부로 흐르는 전류를 바이패스하고 일정 시간 동안 그 상태를 유지하는 전류 전환부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이러한 구조에서 특히, 상기 전류 전환부는,

컬렉터 단자가 상기 전류원과 스위칭부에 연결된 제1 IGBT, 상기 제1 IGBT와 나란히연결되고 애노드 단자가 상기 전류원과 스위칭부에 연결된 제1 다이오드, 컬렉터 단자가 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자와 연결된 제2 IGBT, 상기 제2 IGBT와 나란히연결된 제2 다이오드, 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자, 제1 IGBT의 이미터 단자, 제2 다이오드 의 애노드 단자 및 제2 IGBT의 컬렉터 단자 사이에 설치된 커패시터 및, 일측이 상기 제2 다이오드의 캐소드 단자 및 제2 IGBT의 이미터 단자와 연결되고, 타측이 전류원과 스위칭부에 연결된 인덕터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.

도 3에 도시된 전류원 인버터는 본 발명에 따른 전류원 인버터를 예로 들어 도시한 것이다.

본 발명에 따른 전류원 인버터는 전류 전환부(200)를 사용해 스위칭부(112)를 구성하는 스위치들(SW1 ~ SW4)을 소프트 스위칭시켜 즉, 스위칭부(112)를 구성하는 스위치들(SW1 ~ SW4)이 영 전류(zero current) 상태에서 스위칭되도록 소프트 스위칭시켜, 직류 리액터의 동손이나 철손으로 인해 불가피하게 발생하는 인버터의 효율 저하를 최소한으로 줄이고자 한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 전류원 인버터는 전류원(111)와 스위칭부(112)에 연결된 전류 전환부(200)가 전류원에서 IGBT로 흐르는 전류를 바이패스하고 일정 시간 동안 그 상태를 유지하도록 한 구조이다.

구체적으론, 전류원(111), 상기 전류원(111)이 공급하는 전류를 스위칭시켜 부하로 출력하는 스위칭부(112), 외부로부터 예를 들면, 도시되지 않은 인버터 제어부의 제어하에 상기 전류원(111)에서 스위칭부(112)로 흐르는 전류를 바이패스하고 일정 시간 동안 그 바이패스 상태를 유지하는 전류 전환부(200)로 이루어진 구조이다.

여기서, 전류원(111)은 통상의 직류 리액터(reactor)로 구성한다.

그리고, 스위칭부(112)는 다수의 다이오드와 예컨대, 인버터 제어부(미도시) 의 제어하에 스위칭되는 전력 스위칭 소자인 IGBT 등으로 구성한다.

예를 들어, 부하로 단상 교류를 공급하기 위한 스위칭부(112)는 도시된 바와 같이 구성할 수 있다.

즉, 4개의 IGBT(SW1 ~ SW4)와 다이오드(D1 ~ D4)를 구비하며, 4개의 IGBT(SW1 ~ SW4)의 게이트는 도시되지 않은 인버터 제어부에 각기 일대일로 연결되어 그로부터 스위칭을 위한 PWM신호를 입력받는다.

그리고, 4개의 다이오드(D1 ~ D4) 중 두 개의 다이오드(D1, D4)는 인접한 각 IGBT(SW1, SW3)의 컬렉터에 직렬로 연결되고, 두 개의 다이오드(D2, D3)는 인접한 각 IGBT(SW2, SW4)의 이미터에 직렬로 연결된 구조로 이루어진다.

이 때, SW1의 스위치와 SW2의 스위치가 함께 온 혹은 오프되도록 하고, SW3의 스위치와 SW4의 스위치가 함께 온 혹은 오프되도록 한다.

그래서, 스위치(SW1, SW2)와 스위치(SW3, SW4)가 인버터 제어부의 제어하에 교대로 온/ 오프되어 전류원(111)으로부터 공급되는 전류가 시계 방향과 반시계 방향으로 부하(130)에 공급되도록 하여 교류 전력을 공급할 수 있게 된다.

전류 변환부(200)는 커패시터, 인덕터, 다이오드 및 IGBT 등으로 이루어진 것이다.

예를 들면, 부하로 단상 교류를 공급하기 위한 상기 스위칭부와 연계될 경우, 상기 전류원(111)과 스위칭부(112)가 컬렉터 단자와 연결되고, 도시되지 않은 인버터 제어부가 게이트 단자와 연결된 제1 IGBT(201), 상기 제1IGBT(201)와 나란히연결된 제1 다이오드(203), 상기 인버터 제어부가 게이트 단자와 연결된 제2 IGBT(202), 상기 제2 IGBT(202)와 나란히 연결된 제2 다이오드(204), 상기 제1 다이오드(203), 제1 IGBT(201), 제2 다이오드(204) 및 제2 IGBT(202)를 상호 연결하는 커패시터(205) 및, 상기 제2 다이오드(203) 및 제2 IGBT(202)를 상기 전류원(111)과 연결하는 인덕터(206)로 구성할 수 있다.

이렇게 구성된 전류 변환부(200)는 전류원(111)에서 스위칭부(112)로 흐르는 전류를 인버터 제어부(미도시)의 제어하에 바이패스하고 일정 시간 동안 예컨대, 내부에 구비된 소정 커패시터의 충/방전 시간 동안 그 바이패스 상태를 유지한다.

예를 들면, 스위치(SW1, SW2)의 오프 시점과 스위치(SW3, SW4)의 온 시점 사이의 시간 구간 동안, 전류원(111)에서 스위칭부(112)로 흐르는 전류를 바이패스하여 내부에 구비된 소정의 커패시터가 그 바이패스된 전류에 따라 방전되고 충전되는 시간 동안 그 바이패스 상태를 즉, 전류원(111)이 공급하는 전류가 스위칭부(112)로 흐르지 않고 전류 변환부(200)로 흐르는 상태를 유지하도록 한다.

그 결과, 영(zero) 전류 상태에서 스위치(SW1, SW2)와 스위치(SW3, SW4)를 각기 오프시키고 온 시킬 수 있어, 그로 인해 상호 반대 방향으로 동시에 흐르는 전류가 사라지게 되고, 그만큼 전류 손실이 발생되지 않아 직류 리액터의 철손이나 동손으로 인해 불가피하게 발생되는 인버터의 효율 저하를 최소한으로 보상할 수 있게 된다.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 전류원 인버터의 동작을 설명하기 위해 마련된 도면이다.

우선, 본 발명에 따른 전류원 인버터의 초기 상태는 아래와 같이 정의한다.

전류원이 공급하는 전류는 초기에 SW1의 스위치와 SW2의 스위치를 통해 흐르도록 하고, 커패시터(205)는 -KVm으로 충전되도록 한다. 그리고, 커패시터(205)와 인덕터(206)는 커패시터(205)의 용량성 리액턴스와 인덕터(206)의 유도성 리액턴스의 차이가 0이 되는 것을 선택하도록 한다.

여기서, K는 초기 충전 계수로서 대략 1.3 정도의 값을 가진다.

이러한 상태에서 도시되지 않은 인버터 제어부의 제어하에 SW1과 SW2의 스위치가 온 됨에 따라, 전류원(111)이 공급하는 전류는, SW1의 스위치를 거쳐 부하(130)로 공급되고, SW2의 스위치를 통해 전류원(111)으로 회귀되며, 이러한 동작은 인버터 제어부의 제어하에 정해진 시간 동안 반복적으로 이루어진다(도 4a).

이렇게 SW1과 SW2의 스위치가 온 된 상태에서, 제1 IGBT(201)와 제2 IGBT( 202)가 온 되면, 전류원(111)이 공급하는 전류는 제1 IGBT(201)로 흐르고, 일정 시간이 경과됨에 따라 SW1과 SW2의 스위치는 영(zero) 전류 상태가 된다(도 4b).

상기와 같이, SW1과 SW2의 스위치가 온 된 시점부터 영 전류 상태가 되는 시점까지의 시간(T1)은 하기의 수학식1에 따라 정해진다.

여기서, KVm은 커패시터의 초기 양단전압이고, V_T 는 교류측 양단 전압이다.

다음, 이렇게 SW1과 SW2의 스위치가 영 전류 상태가 되면, 곧바로 인버터 제어부의 제어하에 SW1과 SW2의 스위치가 오프되고, 전류원(111)이 공급하는 전류는 더 이상 SW1과 SW2의 스위치로 흐르지 않게 되며, 모두 바이패스되어 전류 전환부(200)로 흐르게 된다(도 4c).

다음, 바이패스되어 전류 전환부(200)로 흐르게 된 전류는 커패시터(205)에 충전된 전하가 모두 방전될 때까지 제1 IGBT(201), 커패시터(205), 제2 IGBT(202), 전류원(111)을 순환한다.

전류 전환부(200)로 전류원(111)이 공급하는 전류가 모두 흐르는 시점부터 커패시터(205)의 방전이 완료되는 시점까지의 시간(T2)은 수학식2에 따라 정해진다.

여기서, Cr은 커패시터의 커패시턴스이고, Vc(t₁) : 커패시터의 공진 전압이며, I_dc = 전류원(111)이 공급하는 전류이다.

다음, 이러한 순환 동작에 따라 커패시터(205)에 충전된 전하가 모두 방전되어 그의 충전 전압이 0이 되면, 전류원(111)이 공급하는 전류는 제1 IGBT(201)와 제1 다이오드(203)를 통해, 그리고, 제2 IGBT(202)와 제2 다이오드(204)를 통해 두 개의 경로로 흐르게 된다(도 4d).

이러한 상태에서, 인버터 제어부의 제어하에 제1 IGBT(201)와 제2 IGBT(202)가 오프되면, 전류는 제2 다이오드(Dr2)와, 커패시터(205), 제1 다이오드(Dr1)를 통해 하나의 경로만으로 흐르게 되고, 그에 따라 커패시터(205)는 충전되기 시작한다(도 4e).

상기 커패시터(205)의 충전 시간(T₃)은 수학식3에 따라 정해진다.

여기서, Cr은 커패시터의 커패시턴스이고, KVm : 커패시터의 초기 양단 전압이며, I_dc : 전류원(111)이 공급하는 전류이다.

다음, 상기한 바에 따라 커패시터(205)가 충전되기 시작하여 그의 충전 전압이 초기상태의 충전 전압(-KVm)과 동일한 값으로 충전되면, 곧바로 SW3의 스위치와 SW4의 스위치가 인버터 제어부의 제어하에 온 된다.

그 결과, SW3과 SW4의 스위치는 영 전류 상태에서 온 되고(도 4f), 전류원(111)이 공급하는 전류는 일정 시간이 지나면서 전류 전환부(200)로 더 이상 흐르지 않게 되고, 스위칭부의 SW3의 스위치를 통해 부하로 흐른 후 SW4의 스위치를 통해 전류원(111)로 회귀된다.

상기와 같이, SW3과 SW4의 스위치가 온 된 시점부터 영 전류 상태가 되는 시점까지의 시간(T4)은 하기의 수학식4에 따라 정해진다.

여기서, KVm = 커패시터의 초기 양단 전압, V'_T = 교류측 양단 전압.

I_dc = 전류원(111)이 공급하는 전류.

따라서, 전류가 차단되는 전체 시간은 수학식1 ~ 수학식 4에 기재된 각각의 시간을 더한 것이 된다.

이와 같이, 상기 전류 변환부(200)는 스위치(SW1, SW2)의 오프 시점과 스위치(SW3, SW4)의 온 시점 사이의 시간 구간 동안, 전류원(111)에서 스위칭부(112)로 흐르는 전류를 바이패스하여 내부에 구비된 소정의 커패시터(205)가 그 바이패스된 전류에 따라 방전되고 충전되는 시간 동안 그 바이패스 상태를 즉, 전류원(111)이 공급하는 전류가 스위칭부(112)로 흐르지 않고 전류 변환부(200)로 흐르는 상태를 유지하도록 하여 소프트 스위칭시킨다.

그 결과, 영(zero) 전류 상태에서 스위치(SW1, SW2)와 스위치(SW3, SW4)가 각기 오프되고 온이 되므로, 상호 반대 방향으로 동시에 흐르는 전류가 사라지게 되고, 그만큼 전류 손실이 발생되지 않아 직류 리액터의 철손이나 동손으로 인해 불가피하게 발생되는 인버터의 효율 저하를 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 전류원 인버터의 타이밍도이다.

설명의 편의를 위해 도 3과 연계하여 설명하기로 한다.

여기서, S1과 S2는 SW1, SW2의 스위치로 인가되는 신호, S3과 S4는 스위치SW3, SW4로 인가되는 신호, Sr1과 Sr2는 제1 IGBT(201)와 제2 IGBT(202)로 인가되는 신호이다.

그리고, Ir은 인덕터(206) 전류, Vc는 커패시터(205)의 양단 전압, Idc는 전류원이 공급하는 전류이다.

상기에서 각 스위치로 인가되는 신호는 도시되지 않은 통상의 인버터 제어부로부터 인가된 PWM신호를 나타낸 것이다.

상기 도 5의 타이밍도에서 주목해서 볼 부분은, 전류원 인버터를 구성하는 SW1, SW2이 스위치가 오프되는 시점과 SW3, SW4의 스위치가 온되는 시점 사이의 시간 구간 즉, t1시점과 t4시점 사이의 시간 구간이다.

이 두 시점 사이의 시간 구간(t1 ~ t4) 동안에는 도시된 바와 같이, 전류원이 공급하는 전류(Idc)가 스위칭부로 흐르지 않고, 바이패스되어 전류 차단부로만 흐르는 것을 볼 수 있다.

그 결과, SW3, SW4의 스위치가 온이 되어 반시계 방향으로 부하에 흐를 때, 시계 방향으로 부하에 흐르는 전류가 있지 않게 되어서, 그만큼 전류 손실이 줄어들게 되고 그에 따라 스위치의 고속 스위칭 동작으로 인한 인버터의 효율 저하를 줄일 수 있게 되는 것이다.

즉, 본 발명은 t0시점에서 제1 IGBT와 제2 IGBT로 Sr1과 Sr2의 신호가 각기 인가되면, 전류원이 공급하는 전류(Idc)가 스위칭부와 전류 전환부로 나뉘어 흐르다가, 소정 시간이 경과된 t1 시점시엔 스위칭부로 더이상 흐르지 않고, 전류 전환부로 모두 흐르게 됨에 따라 영 전류 상태가 되고, 그 때 SW1, SW2를 오프시킨다.

그리고, 전류원이 공급하는 전류(Idc)가 스위칭부와 전류 전환부로 흐름에 따라 커패시터의 양단 전압이 방전되고 다시 충전 전압이 되는 시점(t)에 SW3, SW4의 스위치를 온 시킨다.

이 때, 상기한 바와 같이, 시계 방향으로 부하에 흐르는 전류가 있지 않으므로, 그만큼 전류 손실이 줄어들게 되고 그로 인해 직류 리액터의 코어에 의한 철손이나 동손으로 인한 인버터의 효율 저하를 어느 정도 줄일 수 있게 되는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류원 인버터는 전력 스위칭 소자인 IGBT에 대한 소프트 스위칭(soft switching)을 통해 전력 스위칭 소자인 IGBT의 고속 스위칭 동작으로 인해 인버터의 효율이 저하되는 것을 최소한으로 줄일 수 있고, 그로 인해 소자의 수명을 늘일 수 있으며, 아울러 전류원으로 사용되는 직류 리액터의 코어에 의한 철손이나 동손으로 인한 인버터의 효율 저하를 어느 정도 보상할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 전류원;

   상기 전류원에서 출력되는 전류를 복수의 스위치가 서로 교번적으로 스위칭함에 따라 교류로 변환하고, 변환된 교류를 부하로 공급하는 스위칭부; 및

   상기 전류원과 스위칭부 사이에 병렬로 설치되되, 상기 스위칭부의 복수의 스위치 중 일부의 턴오프 시점과 상기 복수의 스위치 중 나머지의 턴온 시점 사이의 시간 구간동안 외부 제어신호에 따라 동작되어 상기 전류원에서 스위칭부로 흐르는 전류를 바이패스시키고, 일정 시간동안 그 상태를 유지함에 따라 상기 스위칭부가 소프트 스위칭되도록 하는 전류 전환부를 포함하여 이루어진 전류원 인버터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 전환부는,

   컬렉터 단자가 상기 전류원과 스위칭부에 연결된 제1 IGBT;

   상기 제1 IGBT와 나란히 연결되고 애노드 단자가 상기 전류원과 스위칭부에 연결된 제1 다이오드;

   컬렉터 단자가 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자와 연결된 제2 IGBT;

   상기 제2 IGBT와 나란히 연결된 제2 다이오드;

   상기 제1 다이오드의 캐소드 단자, 제1 IGBT의 이미터 단자, 제2 다이오드 의 애노드 단자 및 제2 IGBT의 컬렉터 단자 사이에 설치된 커패시터; 및

   일측이 상기 제2 다이오드의 캐소드 단자 및 제2 IGBT의 이미터 단자와 연결되고, 타측이 상기 전류원과 스위칭부에 연결된 인덕터를 포함하여 이루어진 전류원 인버터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 커패시터와 인턱터는 용량성 리액턴스와 유도성 리액턴스의 차이가 0인 것을 특징으로 하는 전류원 인버터.

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