KR101123431B1 - 인버터 - Google Patents

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옌스 프리베
피터 자카리아스
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에스엠에이 솔라 테크놀로지 아게
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Abstract

본 발명은 태양광발전기와 같은 직류전원의 전력을 교류전압 배선망에 공급하기 위해, 배선망 주파수로 클록하는 2개 이상의 제1 스위치와 더 높은 클록주파수로 클록하는 2개 이상의 제2 스위치가 달린 비대칭 브리지회로를 이용하는 인버터에 관한 것이다. 배선망 주파수용으로는 스위칭기울기가 거의 없고 온도안정성이 동일한 저속스위치를 사용하고, 더 높은 클록 주파수용으로는 스위칭 기울기가 더 급하고 온도안정성이 더 높은 고속스위치를 사용하되, 고속스위치와 저속스위치를 공간적으로 분리해 놓는다.

Description

인버터{INVERTER}
본 발명은 태양광발전기와 같은 직류전원의 전력을 교류전압 배선망에 공급하기 위해, 배선망 주파수로 클록하는 2개 이상의 제1 스위치와 더 높은 클록주파수로 클록하는 2개 이상의 제2 스위치가 달린 비대칭 브리지회로를 이용하는 인버터에 관한 것이다.
풀브리지(full-bridge) 회로의 인버터들은 배선망에 전력을 공급하기 위해 단상이나 3상의 브리지회로로 구현된다고 알려져 있다. 브리지 분기마다 단상 공급의 경우 2개 스위치로 구성되고, 초크는 AC 라인에 위치한다. 브리지회로의 스위치들은 대칭적으로나 비대칭으로 연결될 수 있다.
이런 구성을 DC측에서 분리하기 위해, DE 10 2004 030 912 B3에서는 DC 전원의 양극과 2개 브리지분기 사이에 5번째 스위치를 연결할 것을 제안했다. 이런 5번째 스위치는 고주파로 연결됨과 동시에 브리지분기의 2개 하부스위치들 각각에도 연결되지만, 브리지분기의 상부스위치 각각은 배선망 전압의 매 반파(half wave)동안 닫혀있다. 이때문에, 스위치들이 비대칭으로 클록한다.
WO2008015298A1에서 소개한 풀브리지 회로는 입력단에 분할된 중간회로가 있 다. 중간회로와 브리지 사이의 DC 라인마다 스위치가 직렬로 연결된다. 이들 스위치는 브리지분기의 2개 하부스위치 각각과 동시에 고주파로 교대로 클록하지만, 배선망 전압의 반파동안마다 브리지분기의 상부스위치 각각은 닫혀있다. 브리지분기의 상류에 연결된 2개의 직렬 다이오드로 프리휠 경로가 더 구성되고, 중앙 탭에는 중간회로의 중앙탭이 연결된다.
3단 회로구성도 알려졌다. 이런 회로 구성에서, 브리지분기는 4개의 스위치로 구성되고, 그중 2개의 중앙스위치는 2개의 직렬연결 다이오드에 의해 프리휠 시간 동안 브리지된다. 이 회로의 장점은, 작동스위치의 전압부하가 감소된다는 것이다.
이런 종류의 인버터들에는 보통 IGBT나 MOSFET와 같은 스위치들을 이용한다.
본 발명의 목적은 전술한 종류의 인버터의 효율을 저렴한 비용으로 개선하는데 있다.
위의 목적 달성을 위해, 배선망 주파수용으로는 스위칭기울기가 거의 없고 온도안정성이 동일한 저속스위치를 사용하고, 더 높은 클록 주파수용으로는 스위칭 기울기가 더 급하고 온도안정성이 더 높은 고속스위치를 사용하되, 고속스위치와 저속스위치를 공간적으로 분리해 놓는다.
고온안정성을 갖는 고속스위치를 온도안정성이 낮은 저속스위치와 함께 사용하면, 인버터의 효율을 비교적 저렴한 비용으로 개선할 수 있다.
본 발명의 인버터는 서로 속도가 다른 소자들을 이용해 태양광발전기, 연료전지와 같은 DC 전원에서 배선망에 유효전력을 공급하는데 아주 적당하다.
본 발명의 기본 개념은, 고속으로 동작하되 높은 작동온도를 견딜 수 있는 스위치를 사용하는데 있다. 이렇게 되면 효율이 상당히 개선될 것이다. 실리콘(Si)으로 이루어진 소자, 예컨대 Si-IGBT나 Si-MOFET와 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 소자가 특히 적합하다.
스위칭 기울기가 아주 급한 것은 스위칭손실과 거의 관련이 없다. 그러나, 전류회로를 구상할 때는 극도로 높은 스위칭 기울기가 필요하다. 전류회로의 기생 인덕턴스는 최소로 되거나 유효범위내로 제한되어야 한다. 전류전압용의 지원 커패 시터와 연결된 저속스위치와 고속스위치를 공간적으로 분리하면 기생 인덕턴스가 낮은 회로를 간단하게 얻을 수 있다.
온도안정성이 서로 다른 스위치들을 하나의 회로에 이용하면, 공간적 배치를 고려해야 한다. 높은 작동온도의 장점을 이용할 수 있는 것은 오로지 공간적 분리 덕분이다. 그와 동시에, 기생 인덕턴스를 낮출 필요도 있다. 기생 인덕턴스가 낮을수록 스위칭소자 사이의 배선이 짧아진다. 각종 스위치들을 공간적으로 분리하면 비대칭 클록의 경우 전류전압의 라인들을 단축할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 속도가 동일하고 온도 안정성도 동일한 스위치들로 전류회로를 구성하면 달성된다. 특히 회로가 비대칭으로 클록할 때 그렇다.
동일한 고온안정성을 갖는 고속스위치들을 온도안정성이 더 낮은 저속스위치와 공간적으로 분리해 배치한다. 그 결과, 높은 작동온도를 고속스위치가 견딜 수 있어, 높은 작동온도의 장점을 이용할 수 있다. 또, 적은 비용으로 열을 분산시킬 수 있다.
전류과정에 참여하는 스위치들을 서로 가깝게 배열하면 전류회로의 기생 인덕턴스가 최소화된다.
본 발명에 의하면, 스위치 특성과 전기연결을 이용해 EMC 문제를 최소화한다.
본 발명의 다른 장점들은 종속항에 소개된 바와 같다.
저속스위치를 제1 소자 어셈블리에 배치하고 고속스위치를 제2 소자 어셈블리에 공간적으로 분리하여 배열하면, 특별한 장점이 생긴다. 따라서, 고속으로 동작하고 높은 온도안정성을 보이는 스위치들은 제2 소자 어셈블리를 형성하고, 저속 동작하고 낮은 온도안정성을 보이는 스위치들은 제1 소자 어셈블리를 형성한다. 양쪽 어셈블리를 서로 분리하여 배치한다. 이렇게 되면 단열성도 좋고 기생 인덕턴스도 낮아진다.
본 발명에 의하면, 고속스위치와 저속스위치 각각에 대해 냉각요소가 제공되고, 이들 냉각요소는 서로 단열되어 있으며 그 위에 스위치들을 설치한다. 2개의 냉각요소에 소자들을 분산 배치하는데, 제1 소자 어셈블리는 제1 냉각요소에, 제2 소자 어셈블리는 제2 냉각요소에 각각 배치된다. 그 결과, 양쪽에서 별도로 스위치드을 설치할 수 있어 스위치들이 열적으로 디커플된다. 즉, 저온안정성을 보이는 스위치들을 냉각요소의 크기를 키우지 않고도 이용할 수 있어, 스위치에 냉각요소를 최적화할 수 있는 것이다. 이런 스위치들과 격리된 냉각요소 때문에, 크기가 작고 비용이 저렴함에도 불구하고 고효율을 얻을 수 있다. 또, 2개의 효율이 서로 다른 냉각요소들을 사용할 수 있다는 것도 장점이다. 실제로는 냉각요소들이 에어갭 등에 의해 서로 단열되거나 디커플된다.
본 발명에 의하면, 어셈블리 모듈에 스위치를 집적해도 효율개선을 이룰 수 있는데, 이들 스위치는 모듈 내부의 칩인 것이 바람직하다. 2개의 기판을 갖는 어셈블리 모듈 내부에 스위치를 설치하면 기생 인덕턴스가 최소화되는데, 제1 소자 어셈블리는 제1 기판에, 제2 소자 어셈블리는 제2 기판에 각각 배치한다. 이렇게 낮은 기생 인덕턴스는 회로를 어셈블리 모듈에 집적하여 스위치를 칩 형태로 하여 서로 근접 배치함으로써 도전경로와 와이어들을 아주 짧게할 수 있기 때문에 가능한 것이다. 칩과 같은 스위치들을 별도로 포장할 수 있다. 이는, 하우징 내부에 도 전경로와 와이어들이 위치하고, 하우징 외부에는 회로기판의 도전경로가 추가로 위치함을 의미한다.
본 발명의 다른 장점은, 고속스위치 가까이에 지원 커패시터를 연결하는데서 생긴다. 지원 커패시터는 고속스위치의 제2 소자 어셈블리에 제공되어, 고속스위치 이상의 전압을 추가로 제한한다. 이 커패시터를 가능한 고속스위치 가까이 설치하면, 스위칭 과정에서 생기는 과전압 최고값을 낮출 수 있다.
이런 고속스위치로는 SiC 소자가 바람직하다. 전류회로가 전적으로나 부분적으로 온도안정성이 높은 고속 SiC 스위치로만 구성되면, 저속 영역보다 더 강하게 고속 전류회로를 가열할 수 있음을 의미한다. 짧은 스위칭 시간 동안, 아주 높은 클록주파수를 얻을 수 있어, 효율을 대폭 개선할 수 있다.
저속스위치로는 MOSFET나 IGBT와 같은 Si 소자가 바람직하다. 비교적 낮은 주파수인 배선망 주파수로 클록할 수 있기 때문에 이런 스위치도 충분하고, 태양광발전 인버터에 효과적임이 증명되었다.
클록이 비대칭일 경우, 최적의 조합은 MOSFET나 IGBT 스위치를 SiC-JFET와 조합하는 것이다.
효율을 더 개선하기 위해, 고속스위치와 동기적으로 클록되는 디커플링 스위치를 직류전원과 브리지회로 사이에 연결한다. 이런 디커플링을 통해, 용량 때문에 태양광 발전기에 좋지 않은 고주파전류를 줄일 수 있다.
한편, 디커플링 스위치가 여러개일 수도 있는데, 가장 바람직한 것은 2개의 스위치를 브리지회로에 제공하는 것이다.
디커플링 스위치로는 SiC-FET를 포함한 SiC 소자가 좋은데, 이는 브리지회로의 고속스위치와 같은 주파수로 클록되기 때문이다.
또, 고속스위치인 SiC 스위치와는 공간적으로 분리된 저속스위치인 MOSFET나 IGBT에 프리휠 다이오드를 연결하면 좋다. 이런 프리휠 다이오드는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)가 좋고 저속스위치에 병렬연결된다. 고주파로 동작하는 프리휠 위상 동안, 다이오드이 고속 스위칭은 효율에 좋은 영향을 미친다.
효율개선을 위해, 본 발명은 3단 인버터를 포함한 다단 인버터로 구성되기도 한다.
본 발명의 인버터로는 태양광발전 인버터가 적합하다. 발전기의 효율은 아주 중요하다. 태양광 발전기의 양호한 EMC(elecromagnetic compatibility)와 용량성 누설전류와 소형화는 상용화에 아주 중요하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 태양광발전 인버터의 효율을 크게 개선할 수 있으며, 생산비도 크게 절감된다.
도 1은 태양광 발전기(PGV; photovoltaic generator) 형태의 DC전원에서 배선망 형태의 AC전원(N)에 전력을 공급하기 위한 풀브리지(full-bridge) 회로도이다.
PVG는 4개의 스위치(S1~4)로 이루어진 풀브리지에 전력을 공급한다. 이들 스위치는 반도체스위치로, 제1 스위치(S1,S2)는 2개의 상부스위치이고, 제2 스위 치(S3,S4)는 2개의 하부스위치이다. 여기서 상부와 하부란 말은 이해를 돕기위한 것일 뿐이다. 원칙적으로 스위치(S3,S4)도 상단의 양극에 설치할 수 있는 것이다. 도시된 회로는 구성상 단상이지만, 6개의 스위치를 이용한 3상도 가능하고, 이때는 상하부 스위치가 각각 3개씩이다.
발전기(PVG)에 병렬로 설치된 커패시터(Cz)는 버퍼 역할을 한다. 회로에는 2개의 파워초크(LAC1~2)가 있고, 이 회로는 단상 브리지회로로서, 비대칭으로 클록된다. 상부의 제1 스위치(S1~2)는 전원 주파수로 클록되고, 하부 제2 스위치(S3~4)는 전원주파수와는 다른 고주파, 주로 1 kHz 이상, 바람직하게는 5kHz 이상의 고주파로 클록된다.
구성상 비대칭으로 클록되기 때문에, 다이오드(D1)는 스위치(S1)에, 다이오드(D2)는 스위치(S2)에 각각 역병렬 연결된다. 전원의 정반파(positive half wave) 동안 스위치(S1)는 닫히고 스위치(S4)는 고주파로 클록한다. 스위치(S4)가 닫히면, 스위치(S1)와 스위치(S4)와 파워초크(LAC1~2)를 통해 AC 전원(N)인 배선망에 전류가 흐른다. 배선망이 별도의 네트웍을 이룰 수도 잇다. 스위치(S4)가 열리면 프리휠 회로가 형성되어, 상부스위치(S1), 다이오드(D2) 및 파워초크(LAC1~2)를 통해 배선망에 전류가 흐른다.
전원전압의 음반파(negative half wave) 동안에는 다른 스위치(S2)는 닫히고 스위치(S3)는 고주파로 클록한다. 스위치(S3)가 닫히면, 스위치(S2)와 스위치(S3)와 파워초크(LAC1~2)를 통해 배선망으로 전류가 흐른다. 스위치(S3)가 열리면, 스위치(S2), 다이오드(D1) 및 파워초크(LAC1~2)로 이루어진 프리휠 회로가 형성된다. 따라서, 다른 하부스위치(S4)가 열려도 비슷한 프리휠 회로가 형성된다.
도 1의 회로에는 급속 스위칭 요소로서 반도체스위치와 다이오드(예; SiC-JPET)를 사용한다. 제2 스위치(S3,S4)를 자가도전 SiC-JFET와 같은 급속스위치로 구성할 수 있다. 제1 스위치(S1,S2)는 MOSFET나 IGBT와 같은 기존의 실리콘으로 만들어진 스위치를 이용하지만, IGBT가 더 바람직하다. SiC 쇼트키 다이오드(Schottky diode)와 같은 금속스위칭 다이오드를 프리휠 다이오드(D1,D2)에 사용할 수 있다. 이렇게 되면 고효율이 달성된다.
도 1의 회로와 스위치라면, DC측의 단락을 피할 수 있다. AC측인 배선망은 스위치가 꺼졌을 때 보호를 이유로 격리되어 단락이 생긴다. 회로에 배선망을 연결하고 분리하는 것은 작동관리를 통해 일어난다.
본 발명에 따르면, SiC 요소인 스위치(S3,S4)가 국부적으로 Si 요소인 스위치(S1,S2)에서 분리된다. 이렇게 되면 Si 스위치인 S1과 S2를 서로 근접 배열하여 기생기생 인덕턴스를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 다른 장점은, Si나 SiC 요소를 서로 다른 조건, 예컨대 다른 온도에 노출시킬 수 있다는 것이다. 예컨대 SiC 스위치(S3,S4)가 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 하부 스위치인 S3와 S4는 물론 다이오드(D1,D2)는 고속이고 고온 저항성을 갖는다.
배선망 주파수에 맞춰 동일 온도 안정성을 보이는 저속 스위치(S1,S2)를 사용하고, 고주파에 맞춰서는 고온 안정성을 보이고 스위칭기울기가 더 급격한 고속스위치(S3,S4)를 사용하는데, 고속스위치(S3,S4)는 저속스위치(S1,S2)와는 분리되도록 배열된다. 저속스위치(S1,S2)는 제1 소자 어셈블리에 배치되고, 고속스위 치(S3,S4)는 공간적으로 제2 소자 어셈블리에 배치된다.
도 2는 구성요소의 공간배열을 보여주는 회로도이다. 이 회로는 넓게 보면 도 1의 회로와 대응한다. 고주파로 클록하는 전류회로는 한쪽의 다이오드(D1)와 하부스위치(S3), 다른 한쪽의 다이오드(D2)와 다른 하부스위치(S4)로 제2 소자 어셈블리를 이룬다. 스위치 S1이나 S2는 배선망 주파수로 클록하면서 제1 소자 어셈블리를 이룬다(점선 참조).
한쪽으로는 다이오드(D1)와 스위치(S3)로 이루어지고 다른쪽으로는 다이오드(D2)와 스위치(S4)로 이루어진 2개의 분기에 병렬로 지원 커패시터(Cs)가 병렬로 연결되는데, 구체적으로는 고속스위치(S3,S4) 가까이에 연결된다.
기생 인덕턴스 때문에 지원커패시터(Cs)를 통해 반도체스위치에 전압이 쌓이는 것이 방지된다. 도시된 회로도의 각각의 연결은 기생인덕턴스 Ls에 관련될 수 있다. 연결이 짧을수록 기생용량 Ls도 작아진다.
스위칭을 하는 동안, 기생인덕턴스는 추가전압 Us = Ls x di/dt를 일으킨다. 그 결과, 구성요소들이 로드된다. 더 높은 스위칭손실이 일어나고, 스위치를 최종 전압에 맞추어야 한다. 추가 유도된 전압 Us가 높을수록 스위치는 빨라지는데, 이는 전류가 di/dt 증가함을 의미한다. 따라서, 고속스위치에 대해서는 기생인덕턴스를 가능한 낮추는 것이 중요하다.
스위치는 비대칭으로, 즉 한쪽 전극에서는 고주파로 클록한다. 이런 단극 클록을 이용해, 고속 스위치부, 즉 다이오드(D1)와 스위치(S3)를 통해서나 다이오드(D2)와 스위치(S4)를 통해서만 닫히는 전류회로를 얻을 수 있고, 이런 회로는 저 속 스위치인 S1이나 S2에는 연결될 필요가 없다.
고속스위치부와 저속스위치부의 공간적 분리는 여러가지 방식으로, 예컨대 이산소자나 반도체모듈에 의해 이루어질 수 있다. 이산소자와 반도체모듈의 조합도 가능하다. 이산소자로서 스위치 S1, S2와 반도체모듈로서 스위치 S3,S4를 이용하는 것이 일례이다.
도 3a~b는 도 1이나 도 2의 회로에 소자들이 흩어져 있는 상태의 구조도이다. 소자 어셈블리는 냉각요소(K1,K2)에 배치하는 것이 좋다. 냉각요소(K2)에는 고속 스위치(S3,S4)와 다이오드(D1,D2)가 연결되고, 냉각요소(K1)에는 저속 스위치(S1,S2)가 연결된다. 고속스위치(S3,S4)의 냉각요소(K2)는 저속스위치(S1,S2)의 냉각요소(K1)보다 크기가 큰 것이 일반적이다. 이들 냉각요소(K1,K2)는 나란히 배치된다. 냉각요소(K1,K2)에 설치된 스위치와 다이오드 위에 레이아웃을 갖는 인쇄회로기판(P)을 배치한다. 스위치와 다이오드의 연결핀(AP)은 인쇄회로기판(P)의 도체에 납땜 등의 방법으로 연결된다.
도 3c~e는 어셈블리 모듈, 그중에서도 반도체모듈(H)의 2개 기판(SU1,SU2)의 하우징과 레이아웃을 보여준다. 하우징으로는 시중에서 구입할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 기판(SU1)에 저속스위치(S1,S2)를 납땜한다. AC 단자(WA1,WA2)는 물론 스위치(S1)의 제어단자(GS1)와 스위치(S2)의 제어단자(GS2)가 기판(SU1)에서부터 뻗어있다. 기판(SU2)에는 고속스위치(S3,S4)가 납땜되고, 이기판에서 DC 단자(+,-)와 스위치(S3,S4)의 제어단자(GS3,GS4)가 각각 뻗어나간다. 지원 커패시터(Cs)도 기판(SU2)에 납땜되는데, 여기서는 이 커패시터를 SMD 소자로 구성했지만 다르게 구성하는 것도 가능하다. 도 3e에서는 모든 스위치(S1~S4)나 모든 다이오드(D1,D2)가 각각 칩의 구조를 갖는다. 각각의 스위치나 다이오드를 여러개의 칩을 병렬연결한 구조로 취할 수도 있다.
핀(PIN)을 구리면에 납땜으로 연결한다. 한편, 플라스틱 프레임에 플러그인되는 핀에 와이어를 연결하기도 한다.
기판(SU1,SU2)을 공통의 바닥판(BP)에 납땜한다. 핀(PIN)을 넣기위한 구멍들이 뚫린 바닥판(BP)에 하우징(G)을 접착하고, 구멍(OE)을 통해 하우징 안으로 절연재를 넣는다. 이는 소프트 그라우팅 공법이라 할 수 있다.
한편, 연결핀(PIN)을 끼우는 플라스틱 프레임을 바닥판(BP) 위에 설치한 다음, 이곳에 절연재를 채우고 뚜껑을 씌울 수도 있다.
지원 커패시터(Cs)를 추가 배치하고 공간적인 격리 원리를 다른 회로설계에도 적용할 수 있다. 이미 설명한 풀브리지 회로 외에도, 예를 들면 DE 10 2004 030 912 B3나, 곤잘레스의 에세이에 소개된 것과 같은 디커플링 요소가 달린 기존의 구성이나 3단 구성을 채택할 수도 있다.
도 4는 태양광발전기(PVG) 형태의 DC 전원에서 배선망으로 전력을 공급하기 위한 추가 디커플링 스위치(S5)가 달린 회로도이다. 하부 스위치(S3,S4)와 추가 스위치(S5)는 물론 다이오드(D1,D2) 모두 고속스위치 기능을 하고 온도에 아주 강하다. 이들 소자가 제2 소자 어셈블리를 이룬다. 앞의 예들과 비슷하게 제1 지원 커패시터(Cs2)가 연결된다. 제2 지원 커패시터(Cs1)는 버퍼 커패시터(Cz)에 병렬 연결되고, 버퍼 커패시터보다 훨씬 소형이다. 제2 소자 어셈블리에서, 제2 지원 커패시터(Cs1)는 스위치(S3,S4) 가까이 배치된다. 한편, 도 2와 같이, 지원 커패시터(Cs2)가 브리지 분기에 병렬로 연결될 수도 있다. 이 경우의 지원 커패시터(Cs2)는 도 4에 파단선으로 표시된다.
도 4의 상부스위치(S1,S2)는 저속스위치이고 온도저항성이 낮으며 제1 소자 어셈블리를 형성한다.
도 4의 회로도는 도 1이나 도 2의 회로와 마찬가지로 비대칭이지만, 브리지 앞에 5번째 스위치(S5)가 위치한다. 이 스위치는 하부 스위치인 S3나 S4와 동기적으로 고주파 스위칭 기능을 한다.
도 5a~b는 2개의 냉각요소(K1,K2)에 스위치들이 분산되어 있는 것으로, 도 4의 회로도를 구현한 것이다. 이 구조는 도 3a의 구조와 거의 동일하되, 5번째 스위치 S5가 냉각요소(K2)에 새로 배치된 점에서 차이가 있다.
도 5c~e는 도 4의 회로를 어셈블리 모듈에, 구체적으로는 2개의 기판(SU1,SU2)을 갖춘 반도체모듈(H)에 구현한 예를 보여준다. 이 구조는 도 3c~e에도시된 구조와 거의 비슷하지만, 마찬가지로 스위치(S5)가 기판(SU2)에 추가로 배치된 점에서 차이가 있다. 그 결과, 5번째 스위치(S5)용의 제어단자(GS5)와 같은 단자가 추가된다. 이런 회로를 H5 브리지라 한다. 바닥판(BP)은 금속으로 만드는 것이 좋다.
도 6은 다단회로도로서, 구체적으로는 3단 회로도이고, 태양광발전기(PVG)와 같은 DC 전원에서 배선망(N)에 단상으로 전력을 공급하기 위한 것이다. 이 회로에 있는 분할 중간회로에는 2개의 커패시터(Cz1,Cz2)가 직렬로 연결되고, 그 중앙점은 접지된다.
중간회로에 브리지 분기가 병렬로 연결된다. 이 브리지 분기는 4개의 직렬연결 스위치(S1~4)로 이루어지고, 스위치(S1,S2)는 내부에, 스위치(S3,S4)는 외부에 배치된다.
렬로 연결된 다이오드(D1,D2)가 브리지분기의 2개 스위치(S1,S2)에는 병렬 연결된다. 다이오드의 연결점은 중간회로의 접지점에 연결된다. 지원 커패시터 Cs1, Cs2 2개를 회로에 배치한다. 스위치(S3)와 다이오드(D1)로 이루어진 직렬연결선에 커패시터(Cs1)를 병렬연결하고, 스위치(S4)와 다이오드(D2)로 이루어진 직렬연결선에는 커패시터(Cs2)를 병렬연결한다.
이 회로의 스위치들도 비대칭을 클록한다. 스위치(S1,S2)는 배선망의 주파수로 클록한다. 출력측의 교류전압의 정반파 동안, 스위치(S1)는 닫히고 스위치(S3)는 고주파로 클록한다. 스위치(S1)가 닫히면, 스위치(S3,S1)와 배선망 초크(LAC)를 거쳐 배선망(N)에 전류가 흐른다. 스위치(S3)가 열리면, 소자(S1,D1)를 갖고 접지되는 프리휠 회로를 통해 전류가 흐른다. 출력측의 교류전압의 음반파 동안, 스위치(S2)는 닫히고 스위치(S4)는 고주파로 클록한다. 이때 소자(S2,D2)와 접지단자로 프리휠 회로가 형성된다.
도 7a~b는 2개의 냉각용소(K1,K2)에 스위치가 분산되어 있는 도 6의 회로의 구현례이다.
도 7c~e는 도 6의 회로를 어셈블리 모듈에, 구체적으로는 반도체모듈(H)에 구현한 예를 보여준다. 이 모듈은 H5 풀브리지와 구조가 비슷하지만, 연결핀(PIN)D 에서 차이가 있다. 이 모듈도 2개의 기판(SU1,녀)에 설치된다. 기판(SU1)에는 저온안정성을 보이는 저속스위치(S1,S2)를 설치하고, 기판(SU2)에는 고온안정성을 보이는 고속스위치(S3,S4)를 설치한다. 기판(SU1,SU2)의 접지점(GND)도 접착제로 내부에 설치할 수 있지만, 이런 연결은 옵션사항이기 때문에 도면에서 파단선으로 표시했다. 이런 모듈 여러개를 병렬로 연결해 다상으로 전력을 공급할 수도 있다. 도 7e에는 스위치가 각각 칩 형태로 도시되었다. 전류반송능력을 높이기 위해 여러개의 칩을 병렬로 연결할 수 있다.
이상의 모든 실시예에서, 배선망 주파수에는 동일한 온도저항성을 갖는 제1 스위치(S1,S2)를, 고주파용으로는 속도가 더 빠르고 스위칭 기울기가 가파른 스위치(S3,S4)를 사용하는데, 상부 스위치라고도 표시한 제1 스위치는 하부 스위치라고도 표시한 제2 스위치와 공간적으로 분리되어 배치된 것으로 설명했다. 그러나, 본 발명은 이상 설명한 실시예에 한정되지 않는다. 도 4나 도 6의 회로가 3상일 수도 있고, 회로구성이나 스위치나 다이오드의 갯수가 다른 브리지회로를 본 발명에 채택할 수도 있다. 이런 회로는 변압기능이 없는 것이 바람직하지만, 변압기를 사용할 수도 있고, 부스트나 버크 컨버터나, MPP 컨트롤러나, 폴스폭 변조기나 다른 회로 구성을 채택하는 것도 가능하다.
도 1은 태양광 발전기(PGV; photovoltaic generator) 형태의 DC전원에서 배선망 형태의 AC전원(N)에 전력을 공급하기 위한 풀브리지(full-bridge) 회로도이다.
도 2는 구성요소의 공간배열을 보여주는 회로도이다.
도 3a~b는 도 1이나 도 2의 회로에 소자들이 흩어져 있는 상태의 구조도이다.
도 3c~e는 어셈블리 모듈, 그중에서도 반도체모듈(H)의 2개 기판(SU1,SU2)의 하우징과 레이아웃을 보여준다.
도 4는 태양광발전기(PVG) 형태의 DC 전원에서 배선망으로 전력을 공급하기 위한 추가 디커플링 스위치(S5)가 달린 회로도이다.
도 5a~b는 2개의 냉각요소(K1,K2)에 스위치들이 분산되어 있는 것으로, 도 4의 회로도를 구현한 것이다.
도 5c~e는 도 4의 회로를 어셈블리 모듈에, 구체적으로는 2개의 기판(SU1,SU2)을 갖춘 반도체모듈(H)에 구현한 예를 보여준다.
도 6은 다단회로도로서, 구체적으로는 3단 회로도이고, 태양광발전기(PVG)와 같은 DC 전원에서 배선망(N)에 단상으로 전력을 공급하기 위한 것이다.
도 7a~b는 2개의 냉각용소(K1,K2)에 스위치가 분산되어 있는 도 6의 회로의 구현례이다.
도 7c~e는 도 6의 회로를 어셈블리 모듈에, 구체적으로는 반도체모듈(H)에 구현한 예를 보여준다.

Claims (16)

  1. 직류전원의 전력을 교류전압 배선망(N)에 공급하기 위한 인버터에 있어서:
    4개의 스위치(S1~S4)만을 갖는 비대칭 스위칭 브리지회로를 구비하고;
    4개의 스위치중 2개의 제1 스위치(S1,S2)는 배선망과 같은 주파수로 스위칭하고 제1 소자 어셈블리의 일부분을 이루며, 나머지 2개의 제2 스위치(S3,S4)는 배선망의 주파수보다 높은 주파수로 스위칭하고 제1 소자 어셈블리와는 공간적으로 분리된 제2 소자 어셈블리의 일부분을 이루며;
    상기 제2 스위치(S3,S4)는 제1 저속스위치(S1,S2)에 비해 스위칭기울기는 더 급하고 온도안정성은 더 높은 것을 특징으로 하는 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 제1 소자 어셈블리에 제1 냉각요소(K1)가 연결되고, 제2 소자 어셈블리에 제1 냉각요소(K1)와는 다른 제2 냉각요소(K2)가 연결되는 것을 특징으로 하는 인버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 냉각요소(K2)가 제1 냉각요소(K1)보다 크기가 큰 것을 특징으로 하는 인버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 소자 어셈블리가 지원 커패시터(Cs)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 소자 어셈블리가 제1 저속스위치(S1,S2)에 각각 병렬연결된 2개의 프리휠 다이오드(D1,D2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 소자 어셈블리들이 하나의 반도체모듈(H)의 일부분을 이루는 것을 특징으로 하는 인버터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 고속스위치(S3,S4)가 SiC 소자인 것을 특징으로 하는 인버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 고속스위치(S3,S4)가 SiC-FET인 것을 특징으로 하는 인버터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 저속스위치(S1,S2)가 Si 소자인 것을 특징으로 하는 인버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 저속스위치(S1,S2)가 MOSFET 또는 IGBT인 것을 특징으로 하는 인버터.
  11. 제5항에 있어서, 상기 다이오드(D1,D2)가 SiC 다이오드인 것을 특징으로 하는 인버터.
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