KR101303002B1 - 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치와 그 방법 - Google Patents

전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치와 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력용 반도체 소자를 이용하여 변압기를 제작하기 위해 필요한 컨버터의 직렬 연결시, 컨버터를 짝수 개로 직렬 연결하더라도 직렬 연결된 컨버터의 개수에 의해 생성할 수 있는 컨버터 출력 전압 레벨을 모두 생성할 수 있도록 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 전력형 반도체 소자의 회로 구성을 갖춘 각각의 모듈이 짝수 개로 직렬 연결되어 있고, 모듈 개수에 따라 결정된 짝수 개(2n 개)(단, n은 양의 정수)의 반송파에 의해 스위칭 동작함에 따라, 최종단에서 모듈 개수에 대응하여 생성 가능한 모든 레벨의 컨버터 출력 전압을 출력하는 짝수 개의 컨버터 모듈과, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수에 따라 홀수 개의 정상 반송파를 생성한 다음에 그중 짝수 개를 취하고, 상기 짝수 개의 정상 반송파에 대해 역상을 갖는 짝수 개의 역상 반송파를 생성하는 모듈별 반송 신호 생성기 및, 상기 모듈별 반송 신호 생성기로부터의 짝수 개의 정상 및 역상 반송파를 전압 지령신호와 비교하여, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈에 각각 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호를 발생하는 모듈별 스위칭 신호 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치와 그 방법{Apparatus and Method for Converting Power of Serial Connecting Type Using Power Semiconductor}
본 발명은 고전압의 전력용 반도체를 이용하여 구현되는 직렬 연결형 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력 변환을 위한 컨버터 모듈의 직렬 연결시 모든 출력 전압의 출력 특성을 달성하기 위해 홀수개 모듈만을 직렬 연결해야 하는 한계를 극복하여 짝수개의 직렬 연결에서도 모든 전압 레벨의 중복없는 출력이 가능하도록 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치와 그 방법에 관한 것이다.
최근, 전력용 반도체를 이용한 전력변환기의 사용이 확대됨에 따라, 전력 계통에서 기존의 아날로그 방식의 기기를 대신하여 전력용 반도체를 이용한 전력 설비들이 증가하고 있는 추세이다.
이와 같이 전력 계통에서 전력용 반도체 응용기기들을 사용하기 위해서는 사용되는 전력용 반도체 소자의 내전압이 커야 한다. 하지만, 현재의 기술적인 수준으로는 다수개의 전력용 반도체 소자를 직/병렬로 연결하여 원하는 수준의 높은 전압을 인가하는 방법을 사용할 수 밖에 없다.
특히, 종래 아날로그 방식의 배전용 변압기를 대체할 수 있는 고전압 반도체를 사용한 응용 변압기를 제작하고자 할 경우에는, 복수개의 컨버터 모듈을 직렬 연결하되, 각각의 모듈별로 입력 교류전압을 각기 독립적으로 분담하여 각 모듈의 출력 전압을 일정하게 제어함에 의해 최종적으로 직류 출력 전압을 얻을 수 있도록 되어 있다.
이러한 복수개가 직렬 연결된 컨버터 모듈의 출력 전압 생성을 위해서는, 반송파를 생성하여 제공하게 되는데, 이 방송파를 이용하여 각 모듈별로 할당된 스위치에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 파형을 각기 개별적으로 생성한다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 전력용 반도체 소자를 이용한 교류-직류 컨버터의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
종래, 교류 전압을 임의의 직류 전압으로 변환하는 데 있어서 사용되는 회로는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 일련의 전력용 반도체를 조합하여 전력 변환 회로로 구성하도록 되어 있다.
일반적인 교류-직류 컨버터 모듈은, 도 1a에 도시된 바와 같이 4개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)와, DC 링크단 커패시터(C1)가 입력 리액터(L1)를 매개로 교류 전원과 각각 연결되어 구성된다.
한편, 입력 전압이 고전압인 경우에 적용할 수 있는 3-레벨 교류-직류 컨버터는, 도 1b에 도시된 바와 같이 고전압이 인가되는 교류 전원에 다수개의 스위칭 소자(S1-1, S1-2, S2-1, S2-2, S3-1, S3-2, S4-1, S4-2)와, 복수의 고전압 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 각각 연결되어 구성된다.
이러한 3-레벨의 교류-직류 컨버터는 교류 전원이 고전압으로 입력되는 경우에 적용하는 것이 일반적이지만, 현재의 기술적 단계에서는 3-레벨을 초과하는 고레벨의 컨버터를 구현하는 것이 어려운 실정이다.
도 2a 및 도 2b는 유니폴라 방식 및 바이폴라 방식의 반도체 소자로 각각 구현된 컨버터의 출력 전압 형태를 나타낸 파형도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 유니폴라 방식의 반도체 소자에 의해서 구동되는 컨버터 모듈(UM)의 출력 전압은, 단일의 반송파를 지령신호와 비교하여 PWM 신호 형태의 전압을 생성하게 된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 바이폴라 방식의 반도체 소자에 의해서 구동되는 컨버터 모듈(BM)의 출력 전압은, 기본의 제1반송파와 제1반송파에 대해 역상을 갖는 제2반송파를 지령 신호와 비교하여 PWM 신호 형태의 전압을 생성하게 된다.
도 2a와 도 2b를 비교하여 살펴보면, 유니폴라 방식에 비해서 바이폴라 방식에서 더 기본파에 가까운 전압을 출력하는 것이 가능하여 전력 품질이 우수하기 때문에, 바이폴라 방식을 이용한 교류-직류 컨버터를 구현하는 것이 일반적이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1a의 교류-직류 컨버터에 대해 유니폴라 방식 및 바이폴라 방식의 반도체 소자를 각각 적용하여 구동하는데 따른 반송파로부터의 PWM 신호 출력 형태를 나타낸 파형도이다.
도 3a에 도시된 바에 따르면, 도 2a의 유니폴라 방식을 도 1a의 일반 컨버터 모듈에 적용하게 되면, 단일의 반송파와 지령신호를 비교하여 전력용 반도체의 각 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 구동 신호를 생성하며, 각 스위칭 소자의 구동 신호에 따라 해당 컨버터 모듈의 PWM 신호 형태 출력 전압에 대한 신호 레벨은 Vdc, -Vdc가 된다.
한편, 바이폴라 방식은 도 3b에 도시된 바와 같이, 유니폴라 방식과 달리 기본의 제1반송파와 역상을 갖는 제2반송파를 이용하여 각 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 구동 신호를 생성하게 되는데, 기본의 제1반송파와 지령 신호를 비교하여 생성된 신호는 2개의 스위칭 소자(S1, S2)에 인가되고, 역상의 제2반송파와 지령 신호를 비교하여 생성된 신호는 나머지 2개의 스위칭 소자(S3, S4)에 인가된다. 따라서, 각각의 스위칭 소자(S1, S2)(S3, S4)에 대해 인가된 제1 및 제2스위칭신호에 의해 출력되는 컨버터 모듈의 출력 전압의 레벨은 Vdc, 0, -Vdc의 3개 레벨을 형성할 수 있다.
이렇게 구성되는 컨버터 모듈을 직렬 연결하거나 도 1a에 나타낸 컨버터를 이용하여 3-레벨 이상의 고레벨 컨버터를 구성하면 전력품질 면에서 우수한 전력변환이 가능하다. 하지만, 도 1b에 나타난 방식과 같은 고레벨 컨버터는 회로의 복잡성으로 인해 상용화가 매우 어렵기 때문에, 도 1a에 나타낸 컨버터를 직렬로 다수 연결하여 고레벨 컨버터를 구현하는 것이 일반적으로 적용되고 있다.
한편, 이러한 다수의 컨버터 모듈을 직렬 연결하여 교류-직류 전력 변환 장치를 구성하는 경우에는, 컨버터 모듈을 홀수 개로 연결하는 것이 일반적이며, 이 때 각 모듈의 전력용 반도체 소자를 온/오프 하기 위해 생성하는 PWM 신호 형태의 반송파는, 직렬로 연결된 컨버터 모듈의 개수 만큼 홀수 개로 분할하여 제공할 수 있도록 한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 예컨대 3개의 컨버터 모듈(M1, M2, M3)을 직렬 연결하여 구성한 경우에는, 기본 반송파를 3분할하여 3개의 반송파(①, ②, ③)를 생성하고, 3개의 반송파(①, ②, ③)에 대해 각각 역상을 취한 3개의 역상 반송파(①', ②', ③')를 생성한 후, 각각의 반송파를 각 컨버터 모듈(M1, M2, M3)에 제공한다.
상기 컨버터 모듈(M1)은 그 제1 및 제 2스위칭 소자(S1, S2)에 반송파(①)를 이용하여 구동 신호를 생성하는 한편, 제3 및 제4스위칭 소자(S3, S4)는 역상의 반송파(①')를 이용하여 구동신호를 생성하게 되는데, 여타 컨버터 모듈(M2, M3)에서도 마찬가지로 각 전력용 반도체의 스위칭 소자에 정상의 반송파(②) 및 역상의 반송파(②'), 정상의 반송파(③) 및 역상의 반송파(③')를 각각 이용하여 구동신호를 생성한다. 따라서, 각 컨버터 모듈(M1, M2, M3)별 출력 전압은 도 4에 도시된 바와 같이 나타나며, 3개의 컨버터 모듈(M1, M2, M3)이 직렬 연결되어 있기 때문에, 컨버터의 출력 전압은 각 모듈의 전압 파형을 합성한 형태로 형성되는데 그 출력 전압 레벨은 3Vdc, 2Vdc, Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc, -3Vdc의 7개로 형성된다.
그 반면에, 교류-직류 전원 변환 장치를 구성하는 컨버터 모듈의 수를 짝수개로 직렬 연결하여 적용하는 경우에도, 홀수개의 모듈을 사용하는 것과 마찬가지로 반송파를 짝수개로 분할하고 각 파형의 역상을 취해 각 모듈의 PWM 신호 형태 반송파를 이용할 수 있도록 되어 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 4개의 컨버터 모듈(M1, M2, M3, M4) 직렬 연결한 경우에, 기본 반송파를 4분할하여 4개의 반송파(①, ②, ③, ④)를 생성하고, 각 파형의 역상을 취하여 각각 4개의 역상 반송파(①', ②', ③', ④')를 생성한다. 이렇게 생성된 8개의 정상 및 역상의 반송파 파형을 이용하여 지령 신호와 비교하여 구동 신호를 생성하는데, 컨버터 모듈(M1)에는 정상 반송파(①)와 역상 반송파(①')를 제공하게 되며, 컨버터 모듈(M2)에는 정상 반송파(②)와 역상 반송파(②')제공하게 되는 바, 나머지 2개의 컨버터 모듈(M3, M4)에도 각각 정상 반송파(③) 및 역상 반송파(③')와, 정상 반송파(④) 및 역상 반송파(④')가 각각 제공되어 모듈 내부의 스위칭 소자를 통한 구동신호가 각각 생성된다.
하지만, 컨버터 모듈을 짝수개로 연결한 경우에는 홀수개의 연결 상태와는 달리, 역상으로 취한 반송파(①', ②', ③', ④')가 정상 반송파(①, ②, ③, ④)와 위상이 일치할 수 밖에 없기 때문에, 그 영향이 컨버터의 모듈별 출력전압에 나타나게 된다. 도 5에 나타난 파형을 보면 알 수 있듯이, 각 컨버터 모듈별 출력 전압이 합성되어 나타나게 되며, 4개의 컨버터 모듈을 직렬로 연결했기 때문에 이론상 4Vdc, 3Vdc, 2Vdc, Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc, -3Vdc, -4Vdc의 9개 전압 레벨이 컨버터 출력단에 나타나야 하지만, 역상의 반송파와 정상의 반송파가 서로 겹쳐지게 되어 dc와 Vdc 및 -Vdc, -3Vdc의 레벨이 출력 전압에서 나타나지 않게 되는 결과를 초래한다.
관련 기술로는 한국등록특허 제1030632호(고주파 변압기를 이용한 전력 변환기 및 전력 변환 시스템)(2011.04.14)가 있다.
상기한 바와 같이, 종래에는 컨버터 모듈을 짝수 개로 연결하는 경우, 반송파의 위상이 동일한 경우가 발생하기 때문에 각 모듈에 위상 차이를 두어 전압을 생성하는 것이 불가능하게 됨에 따라, 직렬 연결된 모듈 수에 의해서 생성할 수 있는 컨버터 출력 전압 레벨을 모두 생성할 수 없게 됨으로써, 시스템 구성에 큰 제약 사항으로 작용하게 되어 직렬 연결 방식을 구현하는데 큰 문제점이 되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 전력용 반도체 소자를 이용하여 변압기를 제작하기 위해 필요한 컨버터의 직렬 연결시, 컨버터를 짝수 개로 직렬 연결하더라도 직렬 연결된 컨버터의 개수에 의해 생성할 수 있는 컨버터 출력 전압 레벨을 모두 생성할 수 있도록 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치와 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치는, 전력형 반도체 소자의 회로 구성을 갖춘 각각의 모듈이 짝수 개로 직렬 연결되어 있고, 모듈 개수에 따라 결정된 짝수 개(2n 개)(단, n은 양의 정수)의 반송파에 의해 스위칭 동작함에 따라, 최종단에서 모듈 개수에 대응하여 생성 가능한 모든 레벨의 컨버터 출력 전압을 출력하는 짝수 개의 컨버터 모듈과, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수에 따라 홀수 개의 정상 반송파를 생성한 다음에 그중 짝수 개를 취하고, 상기 짝수 개의 정상 반송파에 대해 역상을 갖는 짝수 개의 역상 반송파를 생성하는 모듈별 반송 신호 생성기 및, 상기 모듈별 반송 신호 생성기로부터의 짝수 개의 정상 및 역상 반송파를 전압 지령신호와 비교하여, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈에 각각 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호를 발생하는 모듈별 스위칭 신호 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 모듈별 반송 신호 생성기는 상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수보다 1개 더 많은 홀수 개(2n+1 개)의 정상 반송파를 생성하고, 단일의 기본 반송파 신호를 신호 분할하여 홀수 개의 반송파를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 방법은, 모듈별 반송 신호 생성기가 짝수 개(2n 개)(단, n은 양의 정수)의 컨버터 모듈 개수에 따라 홀수 개의 정상 반송파를 생성하는 제1단계와, 상기 모듈별 반송 신호 생성기가 상기 생성된 홀수 개의 정상 반송파 중에서 짝수 개의 정상 반송파만을 취하고, 상기 짝수 개의 정상 반송파에 대해 역상을 갖는 짝수 개의 역상 반송파를 생성하는 제2단계, 모듈별 스위칭 신호 발생기가 상기 모듈별 반송 신호 생성기로부터의 짝수 개의 정상 및 역상 반송파를 전압 지령신호와 비교하여, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈에 각각 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호를 발생하는 제3단계 및, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈이 상기 모듈별 스위칭 신호 발생기로부터의 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호에 의해 각각 스위칭 동작함에 따라, 최종단에서 모듈 개수에 대응하여 생성 가능한 모든 레벨의 컨버터 출력 전압을 출력하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계에서, 상기 모듈별 반송 신호 생성기는 상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수보다 1개 더 많은 홀수 개(2n+1 개)의 정상 반송파를 생성하고, 단일의 기본 반송파 신호를 신호 분할하여 홀수 개의 반송파를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 전력용 반도체 소자를 이용하여 교류-직류 전력 변환기를 구현하는 경우에, 다수의 컨버터 모듈을 짝수 개로 직렬 연결하더라도 직렬 연결된 모듈 수에 의해 모든 레벨의 컨버터 전압 출력이 가능하도록 함에 따라, 변압기의 시스템을 구축하는데 발생할 수 있는 구성상의 제약을 제거하는 것이 가능하고, 이를 통해 시스템 구성의 자유도를 배가할 수 있다.
또한, 전력용 반도체 소자를 이용한 변압기의 시스템 구축시에, 더 높은 전압을 제어하기 위해서는 더 높은 내전압을 갖는 반도체 소자를 사용하면서 모듈 수를 홀수 개로 줄이거나, 모듈을 하나 더 추가하여 홀수 개로 만들어야 함으로써 발생되는 제작 비용의 상승을 피할 수 있게 됨으로써, 짝수 개로 제품을 구성할때의 모듈화를 통한 전력용 반도체 응용 변압기 생산을 용이하게 할 수 있으며, 제품의크기와 가격을 크게 절감할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 전력용 반도체 소자를 이용한 교류-직류 컨버터의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 유니폴라 방식 및 바이폴라 방식의 반도체 소자로 각각 구현된 컨버터의 출력 전압 형태를 나타낸 파형도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1a의 교류-직류 컨버터에 대해 유니폴라 방식 및 바이폴라 방식의 반도체 소자를 각각 적용하여 구동하는데 따른 반송파로부터의 PWM 신호 출력 형태를 나타낸 파형도이다.
도 4는 통상적으로 컨버터 모듈이 홀수개로 직렬 연결된 경우의 출력 전압 파형 형태를 나타낸 파형도이다.
도 5는 종래 컨버터 모듈이 짝수개로 직렬 연결된 경우에 반송파가 서로 겹쳐지게 되어 나타나는 출력 전압의 오류 발생 형태를 나타낸 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 짝수개의 컨버터 모듈이 직렬 연결된 형태의 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치에 대한 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치에서 짝수 개의 컨버터 모듈이 직렬 연결된 경우에 분할된 반송파가 각 모듈 별로 서로 겹치지 않게 생성되어 정상적인 PWM 출력 전압이 발생되는 형태를 나타낸 파형도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치의 타당성을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과의 파형 형태를 각각 나타낸 시뮬레이션 모델의 도면이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 짝수개의 컨버터 모듈이 직렬 연결된 형태의 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치에 대한 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치는, 교류 입력 전원(10)과, 입력 리액터(20), 반송신호 생성기(30), 모듈별 반송신호 생성기(40), 모듈별 스위칭 신호 발생기(50), 입력 전류 센서(60), 입력 전압 위상 검출장치(70), 입력 전류 검출기(80), 전압지령 생성기(90), 각각 일련의 반도체 소자를 포함하고 있고 짝수 개로 이루어진 다수의 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)를 포함한다.
상기 다수의 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)은 각 모듈의 개수가 짝수개로 구비되어 서로 직렬로 연결되어 있고, 상기 입력 리액터(20)를 매개로 상기 교류 입력 전원(10)과 직렬로 연결되어 있다.
또한, 각 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)에는 전력형 반도체 소자로 이루어진 4개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)와, DC 링크단 커패시터(C1)의 반도체 소자가 연결된 회로 구성(도 1a 참조)을 포함하고 있다.
상기 반송신호 생성기(30)는 상기 각 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)에 보내기 위한 기본 반송파로서 PWM 신호 형태의 반송파를 생성한다.
상기 모듈별 반송신호 생성기(40)는 상기 반송신호 생성시(30)에서 생성된 기본 반송파를 입력받아 상기 짝수 개로 이루어진 다수의 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)의 개수보다 1개 더 많은 홀수 개(2n+1 개)(단, n은 양의 정수)의 반송파로 생성하고(예컨대 컨버터 모듈이 4개인 경우 5개의 반송파를 생성), 그 생성된 홀수 개의 반송파 중에서 1개의 반송파를 제거하여 짝수 개의 반송파를 취한 다음에, 짝수 개의 반송파들에 대한 역상 신호를 각각 생성하게 되는데, 각각 생성된 짝수개의 정상 반송파와, 짝수 개의 역상 반송파가 서로 신호 위상이 겹쳐지지 않은 상태에서 상기 모듈별 스위칭 신호 발생기(50)에 제공된다.
즉, 기본 반송파에 대해 홀수 개의 반송파를 분할하여 생성하게 되면, 반송파가 홀수 개로 생성되는 특성상 역상의 반송파에 대한 위상이 정상 반송파에 비해 엇갈린 주기를 갖고서 발생될 수 밖에 없기 때문에, 홀수 개로 생성된 반송파 중에서 1개의 반송파를 제거하고 짝수 개의 반송파를 취하더라도 역상의 반송파와 위상이 겹쳐지지 않게 되는 것이다.
여기서, 상기 모듈별 반송 신호 생성기(40)에 대해서는 홀수 개의 반송파 중에서 2n개 즉, 짝수 개의 반송파를 선택할 때, 반송파가 최대한 균등 분포를 형성하면서 선택될 수 있도록 설정하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것으로서 별도의 신호 선택 수단을 구비하여 사용자가 임의로 2n개를 선택하여 적용할 수 있도록 하는 것도 얼마든지 가능하다.
상기 모듈별 스위칭 신호 발생기(50)는 상기 모듈별 반송신호 생성기(40)로부터 생성되는 짝수개의 정상 반송파 및 짝수개의 역상 반송파와 상기 전압지령 생성기(90)로부터 생성되어 제공되는 지령 신호를 각각 비교한 결과에 따른 스위칭 신호를 상기 짝수개의 각 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)에 출력한다.
한편, 상기 입력 전압 위상 검출장치(70)는 상기 교류 입력 전원(10)으로부터 인가되는 입력 전압에 대한 전압 위상을 검출하고, 상기 입력 전류 검출기(80)는 상기 입력 전류 센서(60)를 통해서 센싱되는 전류치에 따라 상기 교류 입력 전원(10)의 입력 전류를 검출한다.
상기 전압지령 생성기(90)는 상기 입력 전압 위상 검출장치(70)로부터 검출되는 입력 전압의 위상값과, 상기 입력 전류 검출기(80)로부터 검출되는 입력 전류의 검출값을 근거로 하여, 자체 내에 임의로 설정된 소정의 직류 지령 전압값에 따라 전압 지령 신호를 생성하여 상기 모듈별 스위칭 신호 발생기(50)에 제공한다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치에 대한 동작 설명을 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치에서 짝수 개의 컨버터 모듈이 직렬 연결된 경우에 분할된 반송파가 각 모듈 별로 서로 겹치지 않게 생성되어 정상적인 PWM 출력 전압이 발생되는 형태를 나타낸 파형도이다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따라 컨버터 모듈의 개수를 4개로 하여 짝수 개로 구성하는 경우에, 각 컨버터 모듈 내의 스위칭 소자를 구동시키기 위해서는 4개의 정상 반송파와 4개의 역상 반송파가 필요하게 된다.
이에, 모듈별 반송 신호 생성기(40)에서는 상기 반송 신호 생성기(30)로부터의 기본 반송파를 홀수 개 즉, 5개의 정상 반송파(①,②,③,④,⑤)로 분할하게 되고, 상기 홀수 분할된 5개의 정상 반송파(①,②,③,④,⑤) 중에서 짝수 개 즉, 4개의 정상 반송파(①,②,③,④)를 선택하여 취한 다음에, 상기 선택된 4개의 정상 반송파(①,②,③,④)에 대해 역상의 반송파(①',②',③',④')를 함께 생성한다.
그에 따라, 상기 모듈별 스위칭 신호 발생기(50)는 상기 모듈별 반송 신호 생성기(40)로부터 생성되는 4개의 정상 반송파(①,②,③,④)와 4개의 역상 반송파(①',②',③',④')를 상기 전압 지령 생성기(90)로부터의 지령 신호와 비교하여 스위칭을 수행한다.
상기 4개의 컨버터 모듈(M1, M2, M3, M4)은 제1정상 및 역상 반송파((①, ①')와, 제2정상 및 역상 반송파(②, ②'), 제3정상 및 역상 반송파(③, ③'), 제4정상 및 역상 반송파(④, ④')를 입력받아 스위칭 동작을 진행함에 의해, 각 모듈별 출력 전압이 결정된다.
한편, 상기 4개의 컨버터 모듈(M1, M2, M3, M4)의 각 모듈별 출력 전압에 의해 산출되는 최종의 컨버터 출력 전압은, 각 모듈별 출력 전압의 신호 성분을 합성하여 생성되는데, 정상의 반송파와 역상의 반송파가 서로 겹치지 않기 때문에 "4Vdc, 3Vdc, 2Vdc, Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc, -3Vdc, -4Vdc"의 9개 전압 레벨이 컨버터 출력단에 나타나게 됨으로써, 짝수 개의 컨버터 모듈을 직렬 연결함에 따라 요구되는 전압 레벨을 모두 구현할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 2n개(n은 양의정수)의 컨버터 모듈(M1 ∼M2n)이 직렬 연결되어 있는 경우, 상기 반송 신호 생성기(30)에서 생성된 기본 반송파를 2n+1개 이상으로 분할하고, 그 분할된 반송파 중에서 상기 짝수 개의 컨버터 모듈의 개수에 대응되는 2n개의 반송파 신호를 사용하는 것이다.
그 다음에, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치의 타당성을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과의 파형 형태를 각각 나타낸 시뮬레이션 모델의 도면이다.
동 도면은, 본 발명의 타당성을 검증하기 위해 수행된 시뮬레이션 모델을 나타낸 것으로서, 도 8a에서는 본 발명의 일실시예에 따라 짝수 개로서 2개의 컨버터 모듈을 직렬 연결한 경우에, 홀수 개의 반송파 중에서 선택적으로 생성된 짝수 개, 예컨대 4개의 정상 및 역상 반송파의 분할 파형을 보여주고 있고, 도 8b에서는 짝수 개의 반송파를 이용하여 최종적으로 출력되는 컨버터의 출력 전압 파형을 실제적으로 보여주고 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 짝수 개의 정상 반송파와 그 정상 반송파에 대해 역상을 취하여 생성되는 짝수 개의 역상 반송파를 적용하게 되면, 도 8b에 도시된 바와 같이 출력 전압의 레벨이 7개로 생성 가능한 모든 출력 전압을 출력할 수 있게 된다. 이는 홀수 개로서 3개의 컨버터 모듈을 직렬 연결했을때 출력할 수 있는 컨버터 출력 전압의 레벨 개수(도 4 참조)와 동일하게 이루어질 수 있음을 알 수 있고, 이를 통해 연결할 수 있는 컨버터 모듈의 개수를 절감하고도 소망하는 출력 전압의 레벨을 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10:교류 입력 전원 20:입력 리액터
30:반송 신호 생성기 40:모듈별 반송 신호 생성기
50:모듈별 스위칭 신호 발생기 60:입력 전류 센서
70:입력전압 위상 검출장치 80:입력 전류 검출기
90:전압지령 생성기 M1 ∼ M2n:컨버터 모듈

Claims (6)

  1. 전력형 반도체 소자의 회로 구성을 갖춘 각각의 모듈이 짝수 개로 직렬 연결되어 있고, 모듈 개수에 따라 결정된 짝수 개(2n 개)(단, n은 양의 정수)의 반송파에 의해 스위칭 동작함에 따라, 최종단에서 모듈 개수에 대응하여 생성 가능한 모든 레벨의 컨버터 출력 전압을 출력하는 짝수 개의 컨버터 모듈과;
    상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수에 따라 홀수 개의 정상 반송파를 생성한 다음에 그중 짝수 개를 취하고, 상기 짝수 개의 정상 반송파에 대해 역상을 갖는 짝수 개의 역상 반송파를 생성하는 모듈별 반송 신호 생성기; 및
    상기 모듈별 반송 신호 생성기로부터의 짝수 개의 정상 및 역상 반송파를 전압 지령신호와 비교하여, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈에 각각 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호를 발생하는 모듈별 스위칭 신호 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈별 반송 신호 생성기는 상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수보다 1개 더 많은 홀수 개(2n+1 개)의 정상 반송파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈별 반송 신호 생성기는 단일의 기본 반송파 신호를 신호 분할하여 홀수 개의 반송파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 장치.
  4. 모듈별 반송 신호 생성기가 짝수 개(2n 개)(단, n은 양의 정수)의 컨버터 모듈 개수에 따라 홀수 개의 정상 반송파를 생성하는 제1단계와;
    상기 모듈별 반송 신호 생성기가 상기 생성된 홀수 개의 정상 반송파 중에서 짝수 개의 정상 반송파만을 취하고, 상기 짝수 개의 정상 반송파에 대해 역상을 갖는 짝수 개의 역상 반송파를 생성하는 제2단계;
    모듈별 스위칭 신호 발생기가 상기 모듈별 반송 신호 생성기로부터의 짝수 개의 정상 및 역상 반송파를 전압 지령신호와 비교하여, 상기 짝수 개의 컨버터 모듈에 각각 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호를 발생하는 제3단계; 및
    상기 짝수 개의 컨버터 모듈이 상기 모듈별 스위칭 신호 발생기로부터의 짝수 개의 반송파에 의한 스위칭 신호에 의해 각각 스위칭 동작함에 따라, 최종단에서 모듈 개수에 대응하여 생성 가능한 모든 레벨의 컨버터 출력 전압을 출력하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 모듈별 반송 신호 생성기는 상기 짝수 개의 컨버터 모듈 개수보다 1개 더 많은 홀수 개(2n+1 개)의 정상 반송파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 모듈별 반송 신호 생성기는 단일의 기본 반송파 신호를 신호 분할하여 홀수 개의 반송파를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 직렬 연결형 전력 변환 방법.
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