KR101175471B1 - 전력변환장치 - Google Patents

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다이킨 고교 가부시키가이샤
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Abstract

인버터 회로(120)는, 6개의 스위칭 소자(130)에 의해 동기정류를 행하도록 구성된다. 상기 스위칭 소자(130)는 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자(여기서는, SiC MOSFET)에 의해 구성된다. 인버터 회로(120)는, SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 사용하며, 동기정류를 행한다.

Description

전력변환장치{POWER TRANSFORMER}
본 발명은 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자에 의해 구성된 스위칭 소자를 갖는 전력변환장치에 관한 것이다.
전력변환장치의 스위칭 소자 재료로서, 현재 실리콘이 널리 사용되고 있다. 그러나, 실리콘을 재료로 한 스위칭 소자의 특성은 이론 한계에 가까워지고 있다. 실리콘의 이론 한계를 초월하는 재료에는, SiC(실리콘 카바이드), GaN(질화 갈륨), 다이아몬드 등 와이드 밴드갭 반도체가 있으며 개발이 진행되고 있다. 와이드 밴드갭 반도체를 사용한 파워 디바이스에는, 초 저손실, 고속·고온동작이라는 특징이 있다. 이들 와이드 밴드갭 반도체 중에서 파워 디바이스로서 가장 주목 받고 있는 것이 SiC 디바이스이며, 전력변환장치의 스위칭 소자로서 SiC MOSFET가 유력시되고 있다.
유도성 부하를 구동시키는 인버터 등에서는, 스위칭 소자에 대해 병렬로 다이오드를 접속한다. 이와 같은 다이오드는 환류 다이오드라고 불리며, 역방향 전류를 보내는 역할을 한다. 스위칭 소자로서 SiC MOSFET를 이용한 인버터에서는, SiC MOSFET에 병렬로 SiC 쇼트키 배리어 다이오드(이하, SiC SBD)를 접속하고, SiC SBD를 환류 다이오드로서 사용하는 구성이 검토되고 있다.
일본 특허공개 평성 10-327585호 공보 일본 특허공개 2007-129848호 공보
닛칸코교(日刊工業)신문사, 「반도체 SiC 기술과 응용」, 마츠나미 히로유키 편저, 2003 Ohmusha Ltd., 「SiC 소자의 기초와 응용」, 아라이 가즈오·요시다 사다후미 공편, 2003
상기와 같은 구성으로 함으로써, 환류 다이오드에서의 손실을 저감할 수 있으나, SiC SBD가 필요하므로 장치의 대형화, 비용 증가를 초래한다는 문제가 있다.
본 발명에 의한 전력변환장치는, 스위칭 소자(130)에 의해 동기정류(同期整流)를 행하도록 구성된 전력변환장치이며, 상기 스위칭 소자(130)는 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자에 의해 구성되고, 상기 유니폴라 소자 내의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 이용하는 것을 특징으로 한다.
또 상기 환류 다이오드로서 이용하는 기생 다이오드(131)로 역방향 전류가 흐를 때, 상기 유니폴라 소자를 온으로 하여, 상기 유니폴라 소자 쪽으로 역방향 전류를 흘림으로써 동기정류를 행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 기생 다이오드(131)를 사용함으로써, 환류 다이오드(132)를 별도로 설치할 필요가 없고 스위칭 소자(130)만으로 구성할 수 있으며, 비용을 억제할 수 있다. 또 동기정류를 행함으로써, 스위칭 소자(130)가 통전되며, 기생 다이오드(131) 단일체보다 도통손실을 억제할 수 있다.
또 상기 전력변환장치는 공기조화기에 사용되는 것임을 특징으로 한다. 또한, 상기 전력변환장치는, 상기 공기조화기의 난방 중간 부하조건에 서의 상기 스위칭 소자(130)의 전류 실효값(Irms)과 온 저항(Ron)의 관계가 Irms＜0.9＜Ron이 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 스위칭 소자(130)를 선정하여 동기정류를 행하면, 난방 중간 부하조건에 있어서, 환류 다이오드(132)를 별도로 설치하지 않아도 동등 이상의 효율을 달성할 수 있으며, 비용 절감과 고 효율화를 양립시키는 것이 가능해진다.
또 상기 와이드 밴드갭 반도체로서 SiC, GaN 및 다이아몬드 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또 상기 유니폴라 소자는 MOSFET인 것을 특징으로 한다.
또 상기 전력변환장치는, 상기 스위칭 소자(130)에 의해 동기정류를 행하도록 구성된 인버터(120), 컨버터(110), 매트릭스 컨버터(700), 승압 초퍼(111) 중, 적어도 1개를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전력변환장치는, 스위칭 소자(130)의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 이용하므로 환류 다이오드(132)를 별도로 설치할 필요가 없으며, 비용을 억제할 수 있다. 또 동기정류를 행함으로써, 스위칭 소자(130)로 역방향 전류가 흐르며, 기생 다이오드(131) 단일체보다 도통손실을 억제할 수 있다.
또 공기 조화기의 난방 중간 부하조건에서의 상기 스위칭 소자(130)의 전류 실효값(Irms)과 온 저항(Ron)과의 관계가 Irms＜0.9＜Ron이 되도록 스위칭 소자를 선정하여 동기정류를 행하면, 난방 중간 부하조건에 있어서, 환류 다이오드(132)를 별도로 설치하지 않아도 동등 이상의 효율을 달성할 수 있으며, 비용 절감과 고 효율화를 양립시키는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 2는, 동기정류의 기본적인 개념을 나타내는 도이다.
도 3은, SiC MOSFET에 병렬로 SiC SBD를 접속하여 환류 다이오드로서 사용하는 구성의 일례를 나타내는 도이다.
도 4는, SiC MOSFET, SiC MOSFET의 기생 다이오드, SiC SBD(132)의 전압－전류 특성의 개략을 나타내는 도이다.
도 5는, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 6은, 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 7(a)는, 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 나타내는 도이며, 도 7(b)는, 도 7(a)에 나타내는 쌍방향 스위치(710)의 구성을 나타내는 도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 그리고 도면에서, 동일 부분 또는 상당하는 부분에는 동일 참조부호를 부여하고 그 설명은 반복하지 않는다. 또 이하의 바람직한 실시형태의 설명은 본질적으로 예시에 지나지 않으며, 본 발명, 그 적용물, 혹은 그 용도의 제한을 의도하는 것은 아니다.
(제 1 실시형태)
본 발명의 제 1 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 도 1에 나타낸다. 이 전력변환장치(100)는, 교류전원(10)을 컨버터 회로(110)에 의해 정류하고, 그 직류를 인버터 회로(120)에 의해 삼상교류로 변환하여 모터(20)로 공급한다. 이 모터(20)는, 공기조화기의 냉매회로에 배치되는 압축기를 구동시키는 것이다. 여기서 도 1에서는, 교류전원(10)을 단상교류로 하나, 삼상교류로 하여도 된다.
인버터 회로(120)는, 6개의 스위칭 소자(130)에 의해 동기정류를 행하도록 구성된다. 상기 스위칭 소자(130)는, 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자(여기서는, SiC MOSFET)에 의해 구성된다. 인버터 회로(120)는 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 사용하며, 동기정류를 행한다. 여기서 동기정류란, 도 2에 나타내는 바와 같이, 환류 다이오드(131)로 역방향 전류가 흐를 시에 SiC MOSFET(130)를 온으로 하여, MOSFET측으로 역방향 전류를 보내는 제어방법이다. 이로써, 역방향 전류가 흐를 때의 도통손실을 저감할 수 있다.
기생 다이오드를 환류 다이오드로서 사용하여 동기정류를 행하는 종래기술로서, Si MOSFET의 기생 다이오드를 환류 다이오드로서 사용하는 기술이 있다. 그러나, Si MOSFET의 기생 다이오드의 상승전압이 낮으므로(약 0.7V), 동기정류를 행하여도 바로 기생 다이오드가 도통된다. 따라서, 동기정류의 효과는 작다. 이에 반해, 본 실시형태와 같이 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 사용한 경우, SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)의 상승전압이 높으므로(약 3V), 동기정류를 행하면, 전류가 커지지 않으면 기생 다이오드(131)가 도통되지 않는다. 따라서, 본 실시형태와 같이 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 사용하면, Si MOSFET의 기생 다이오드를 환류 다이오드로서 사용하는 경우보다 동기정류의 효과는 커진다.
또, Si MOSFET의 기생 다이오드를 환류 다이오드로서 사용하여 동기정류를 행할 경우, 기생 다이오드로부터 리커버리 전류가 흐르는 것이 문제가 된다. 이를 위해, 스위칭 속도를 느리게 하여 리커버리 전류를 줄이거나, 회로 구성을 바꾸어 기생 다이오드로 전류를 보내지 않거나, 회로를 부가하여 리커버리 전류로 인한 손실을 줄이는 등의 대책을 취하고 있다(특허문헌 1, 2).
(배경기술)에서도 설명한 바와 같이, SiC MOSFET를 스위칭 소자로서 사용할 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이, SiC MOSFET(130)에 병렬로 SiC SBD(132)를 접속하여 환류 다이오드로서 사용하는 구성이 검토되고 있다. 이 구성에 의하면, SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)의 상승전압(약 3V)과 SiC SBD(132)의 상승전압(약 1V)이 크게 다르므로, 리커버리 전류가 적은 SiC SBD(132)로만 역방향 전류를 보낼 수 있으며, 기생 다이오드(131)로 역방향 전류가 흐르지 않게 할 수 있다. SiC SBD는 리커버리 전류와 스위칭 손실을 대폭으로 저감할 수 있는 것이 알려져 있으며, 이와 같이 SiC MOSFET에 의하면, Si MOSFET의 경우에 비해 리커버리 전류의 억제를 간단하게 실현할 수 있다. 여기서, Si MOSFET에서는 병렬로 접속하여 환류 다이오드로서 사용할 수 있는 다이오드의 상승전압은 Si MOSFET의 기생 다이오드와 동등하며, 기생 다이오드로 역방향 전류가 흐르지 않게 할 수는 없다.
한편, SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)와 마찬가지의 구조인 SiC pn 다이오드의 리커버리 전류는 작으며, Si pn 다이오드보다 스위칭 손실이 매우 작아지므로, 본 실시형태에서는 리커버리 전류, 스위칭 손실을 대폭으로 저감할 수 있다.
도 3에 나타낸 구성에서는 SiC SBD(132)가 필요하므로, 비용이 상승되는 문제가 있으나, 본 실시형태와 같이 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 사용하여 동기정류를 행하도록 하면, SiC SBD(132)를 배치할 필요 없이 SiC MOSFET(130)만으로 구성할 수 있으며, 비용을 억제할 수 있다. 또 동기정류를 행함으로써 MOSFET측이 통전되며, 기생 다이오드(131) 단일체보다 도통손실을 억제할 수 있다. 특히 경부하에서는, SiC SBD(132)를 사용하는 것보다 손실을 억제할 수 있다(이 점에 대해서는 후술한다).
여기서, 도 1에서는 인버터 회로(120) 내의 6개의 스위칭 소자(130) 모두에 대해 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 사용하여 동기정류를 행하는 구성을 적용하나, 일부의 스위칭 소자(130)에만 적용하는 것도 가능하다.
(스위칭 소자 선정조건)
본 실시형태의 인버터 회로(120)에서는 동기정류에 의해 SiC MOSFET(130)가 통전되며, 종래의 구성(SiC MOSFET(130)에 병렬로 SiC SBD(132)를 접속하여 환류 다이오드로서 사용하는 구성, 도 3 참조)에서는 SiC SBD(132)가 통전된다. 여기서, SiC MOSFET(130), SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131), SiC SBD(132)의 전압－전류 특성의 개략을 도 4에 나타낸다. SiC MOSFET(130)는 정저항 특성을 나타낸다. SiC SBD(132)의 상승전압은 약 1V, SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)의 상승전압은 약 3V이다. 여기서, 상승전압은 물성값에 따라 정해져 있으며, 임의로 설정할 수 없다.
본 실시형태의 구성과 종래구성(도 3)의 특성을 비교하여 생각해보면, 단자 전압이 SiC SBD(132)의 상승전압 이하에서는, 본 실시형태 쪽이 효율적이다. 그러나, 전류가 더욱 흐르면, 종래구성 쪽이 효율적이 된다. 따라서 정격 조건, 중부하 등, 큰 전류를 보내는 운전상태에서는 SiC SBD(132)를 사용한 종래구성 쪽이 효율적이다. 한편, 경부하에서는 SiC SBD(132)의 효과는 낮으며, SiC MOSFET(130)만을 사용한 본 실시형태의 구성이 보다 효율적이다.
여기서, 전류로서 i＝(√2)Irmssinθ를 흘렸을 때의, 본 실시형태와 종래구성(도 3)의 손실은 각각 이하의 (식 1)~(식 3)으로 표시된다.
·본 실시형태
(식 1) Ron×Irms2
·종래구성
(식 2) Vf×(2√2/π)Irms …단, Vf＝const.
(식 3) αIrms2＋β(2(√2)/π)Irms …단, Vf(i)＝αi＋β
Irms는 전류 실효값, Ron은 SiC MOSFET(130)의 온 저항값, Vf는 SiC SBD(132)의 단자 전압이다. (식 2)는 손실을, Vf가 일정값인 것으로 하여, 그것을 근사시킨 것이며, (식 3)은 Vf를 일차 근사시킨 것이다.
도 4나 상기 식으로 알 수 있는 바와 같이, 정격부하나 중부하에서는 본 실시형태의 손실이 커지지만, 경부하에서는 본 실시형태의 손실은 작아진다. 정격부하에서의 효율이 중요시되는 일반적인 부하와는 달리, 공기조화기의 용도에서는 경부하에서의 운전시간이 길다. 이를 위해, 실질적인 에너지절약을 위해서는 경부하에서의 운전효율이 요구된다. 일본에서 실질적인 에너지절약에 가장 영향을 끼치는 것이, 난방 정격능력에 대해 1/2의 능력을 발휘하는 조건이다. 이것이 난방 중간부하로 불리는 운전조건이다.
난방 중간부하에서의 전류 실효값을 Irms1로 할 시, 이하의 (식 4)와 (식 5)에 나타내는 조건이 성립되도록 SiC MOSFET(130)를 선정한다.
(식 4) Irms1＜(2(√2)/π)Vf/Ron …단, Vf＝const.
(식 5) Irms1＜(2(√2)/π)β/(Ron－α) …단, Vf(i)＝αi＋β
이와 같이, 스위칭 소자를 선정하고 동기정류를 행하면, 난방 중간부하에서 SiC SBD(132)를 사용하지 않아도 동등 이상의 효율을 달성할 수 있으며, 비용 삭감과 고 효율화를 양립시키는 것이 가능해진다.
또한, SiC SBD(132)의 상승전압이 약 1V인 점을 고려하여, Vf를 1V로 하면, 상기 (식 4)는 이하의 (식 6)과 같이 간략화할 수 있다.
(식 6) Irms1＜0.9/Ron
이로써, 스위칭 소자의 선정이 더욱 용이해진다.
(제 2 실시형태)
본 발명의 제 2 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 도 5에 나타낸다. 이 전력변환장치(500)에서는, 역률개선회로로서 사용되는 승압 초퍼회로(111)의 다이오드로서 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 사용하여, 동기정류를 행한다. 이 동기정류에 의해, 특히 경부하에서 효율이 개선된다. 또 SiC 디바이스를 사용하므로, Si 디바이스에 비해 리커버리 전류가 현저하게 작아지며, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
(제 3 실시형태)
본 발명의 제 3 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 도 6에 나타낸다. 이 전력변환장치(600)에서는, 컨버터 회로(110)의 정류 다이오드로서 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)를 사용하여, 동기정류를 행한다. 여기서, 도 6에서는 상용(商用)전원(10)을 단상교류로 하나, 삼상교류로 하여도 된다. 또 컨버터 회로(110)의 정류 다이오드 일부만을 SiC MOSFET(130)의 기생 다이오드(131)로 하고, 나머지를 통상의 다이오드로 하여도 된다.
(제 4 실시형태)
본 발명의 제 4 실시형태에 의한 전력변환장치의 구성을 도 7(a)에 나타낸다. 이 전력변환장치(700)는, 삼상교류전원(30)의 전선과 삼상교류모터(20)의 고정자 전선으로 조합 가능한 9개의 접점 각각에 스위칭 소자를 사용한 쌍방향 스위치(710)를 배치한 매트릭스 컨버터이며, 입력한 교류전압을 일단 직류전압으로 변환하는 일없이 직접 교류전압으로 변환하여 출력한다. 매트릭스 컨버터는 통류소자 수가 적으므로, 원리적으로 소형, 고 효율화가 가능해진다. 매트릭스 컨버터에 사용하는 스위칭 소자(710)는 쌍방향으로 도통시킬 필요가 있으므로, 본 실시형태에서는 도 7(b)에 나타내는 바와 같이 2개의 SiC MOSFET(130)를 반대방향으로 직렬 접속하여 스위칭 소자(710)를 구성한다.
여기서, 상기 각 실시형태에서는 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자의 일례로서 SiC MOSFET를 나타냈으나, GaN이나 다이아몬드 등 다른 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자에 대해서도 마찬가지로 생각할 수 있다.
(산업상 이용 가능성)
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전력변환장치는 정격부하에서의 효율보다 경부하에서의 효율이 중요한 공기조화기 등에 적용하면 유용하다.
10 : 교류 전원 10 : 모터
100, 500, 600 : 전력변환장치 110 : 컨버터 회로
111 : 승압 초퍼회로(역률개선회로) 120 : 인버터 회로
130 : SiC MOSFET(스위칭 소자) 131 : 기생 다이오드
700 : 매트릭스 컨버터

Claims (7)

  1. 스위칭 소자(130)에 의해 동기정류를 행하도록 구성된 전력변환장치에 있어서,
    상기 스위칭 소자(130)는, 와이드 밴드갭 반도체를 이용한 유니폴라 소자에 의해 구성되며,
    상기 유니폴라 소자 내의 기생 다이오드(131)를 환류 다이오드로서 이용하고,
    상기 환류 다이오드로서 이용하는 기생 다이오드(131)로 역방향 전류가 흐를 때에 상기 유니폴라 소자를 온으로 하여, 상기 유니폴라 소자측으로 역방향 전류가 흐르도록 하는 것과 더불어, 상기 기생 다이오드(131)로 순방향 전류가 흐르려고 할 때에는 상기 유니폴라 소자를 오프하여 전류의 유통을 저지하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환장치는 공기조화기에 사용되는 것임을 특징으로 하는 전력변환장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이드 밴드갭 반도체로서 SiC, GaN, 다이아몬드 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유니폴라 소자는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 소자(130)에 의해 동기정류를 행하도록 구성된 인버터(120), 컨버터(110), 매트릭스 컨버터(700), 승압 초퍼(111) 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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