KR101335075B1 - 교류기용 파워 전자 회로 장치 - Google Patents

교류기용 파워 전자 회로 장치 Download PDF

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Abstract

파워 전자 회로 장치는 하나 이상의 상(41, 42, 43)을 가진 교류기와, 양극(P) 및 음극(N)을 가진 외부 에너지 저장장치(30) 사이의 제어 가능한 양방향성 에너지 교환을 위한 기능 블록들(10, 20, 100)을 포함한다. 하나 이상의 기능 블록은 하나 이상의 내부 에너지 저장장치(9)를 포함하는, 파워측 접속 호환 기능 블록(100)으로서 형성되고, 상기 기능 블록은, 출력 전압(UX2)이 외부 에너지 저장장치(30)의 양극(P)보다 더 쎈 양극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태; 및/또는 출력 전압(UX2)이 외부 에너지 저장장치(30)의 음극(N)보다 더 쎈 음극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는다.
기능 블록, 에너지 저장장치, 출력 전압, 스위칭 상태.

Description

교류기용 파워 전자 회로 장치{POWER ELECTRONIC CIRCUIT ARRANGEMENT FOR AN AC MACHINE}
본 발명은 교류기용 파워 전자 회로 장치에 관한 것이다.
교류기, 특히 영구 여기식 동기기를 구비한 전기 구동 시스템은 이미 높은 개발 수준에 도달하였다. 이것의 높은 파워 밀도는 바람직하게는 낮은 중량과 동시에 높은 시동 토크를 가능하게 한다. 전체 구동 시스템의 효율 및 파워 밀도는 파워 전자 공급에 많이 의존한다.
선행 기술에는 이를 위해 이미 여러 가지 파워 전자 회로 장치가 공지되어 있다. 도 1은 직류 전압원(30)과 접속된 영구 여기식 동기기의 3개의 상(41-43)이 파워 전자 기능 블록(10)에 의해 서로 독립적으로 제어 가능한 장치를 도시한다. 도 2는 개별 상들(41-43)이 서로 독립적으로 제어될 수 없는 기능 블록(10)을 가진 장치를 도시한다.
도 3은 이를 위해 2개의 제어 가능한 전자 스위치(1, 3) 및 2개의 역 병렬(antiparallel) 다이오드(2, 4)를 가진 소위 하프 브리지 회로로서 2점 회로 내의 도 1 또는 도 2의 기능 블록(10)의 구성을 도시한다. 대안으로서, 다점 회로가 사용될 수도 있다. 도 4는 4개의 제어 가능한 전자 스위치(1, 3, 5, 7), 4개의 역 병렬 다이오드(2, 4, 6, 8) 및 2개의 다른 다이오드(22, 24)를 가진 3점 회로 내의 기능 블록(20)의 구성을 예시적으로 나타낸다.
이러한 기본 회로는 동기기를 모터모드 및 발전기모드로 작동시킬 수 있게 한다. 모터모드의 경우, 직류 전압원과 같은 외부 에너지 저장장치로부터 나온 전기 에너지는 동기기에서 기계적 동작으로 변환되고, 발전기모드의 경우에는 동기기에 의해 수행되는 기계적 동작은 외부 에너지 저장장치 내에 전기 에너지로서 저장된다. 이를 위해, 외부 저장장치는 예컨대 축적 배터리로서 방전될 수 있거나(모터모드 작동) 또는 충전될 수 있다(발전기모드 작동).
따라서, 예컨대 기계식 브레이크에서 에너지가 회수될 수 있다. 또한, 하이브리드 시스템에서, 구동 시스템에 요구되는 파워와 내연 기관에 의해 제공될 수 있는 파워 사이의 시변(time-variant) 격차가 보상될 수 있다.
본 발명의 과제는 교류기의 효율적인 작동을 가능하게 하는 교류기용 파워 전자 회로 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징을 가진 파워 전자 회로 장치에 의해 해결된다.
본 발명의 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치는 하나 이상의 상, 바람직하게는 다수의 상, 특히 3개의 상을 가진 교류기와, 양극 및 음극을 가진 외부 에너지 저장장치 사이의 제어 가능한 양방향성 에너지 교환을 위한 하나 이상의 기능 블록을 포함한다. 하나 이상의 기능 블록은 각각 2점 회로를 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안으로서 하나 이상의 추가 기능 블록은 각각 하나의 다점 회로를 포함할 수 있다.
하나 이상의 기능 블록은 하나 이상의 내부 에너지 저장장치를 포함하는 파워측 접속 호환 기능 블록으로서 형성된다. 상기 파워측 접속 호환 기능 블록은, 출력 전압이 외부 에너지 저장장치의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는다. 이에 대해 추가로 또는 대안으로서, 상기 파워측 접속 호환 기능 블록은, 출력 전압이 에너지 저장장치의 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는다.
바람직하게는 하나 이상의 직렬 또는 병렬 접속된 단극성 저장 커패시 터(unipolar storage capacitor)를 포함하는 내부 에너지 저장장치에 의해, 파워측 접속 호환 기능 블록의 출력 전압이 에너지 저장장치의 각각의 극보다 더 큰 절대치수를 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태가 나타날 수 있다.
출력 전압이 에너지 저장장치의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖거나 또는 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는, 추가의 스위칭 상태에 의해 형성된 추가의 자유도는 교류기의 훨씬 더 효율적인 작동을 가능하게 한다.
특히 바람직한 실시예에서, 파워측 접속 호환 기능 블록은 2개 이상의 추가 스위칭 상태 및 이에 따라 전체적으로 도 3과 관련해서 설명된 장치에 비해 4개 이상의 가능한 출력 전압 값을 갖는다. 하나의 추가 스위칭 상태에서 출력 전압은 외부 에너지 저장장치의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖고, 다른 추가 스위칭 상태에서는 출력 전압이 에너지 저장장치의 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는다. 이로 인해, 특히 많이 사용된 영구 여기식 동기기가 특히 효율적으로 작동될 수 있다.
중량 및/또는 장소 필요와 관련해서 최적화된 교류기는 낮은 종방향 인덕턴스만을 갖는다. 이는 상 전류의 바람직하지 않은 전류 리플을 제한하기 위한, 파워 전자 장치 또는 다점 회로의 높은 스위칭 주파수(소위, 펄스 주파수)에 기인한다. 도 4와 관련해서 설명된 장치에서, 3점 회로는 이를 위해 종종 불충분하며, 이는 기술적 비용을 증가시킨다.
또한, 교류기의 높은 파워 사용은 적어도 단시간 동안 높은 상 전류를 필요로 한다. 따라서, 작은 종방향 인덕턴스에도 불구하고 전압의 에너지 성분과 관련해서 교류기의 기본 주파수에서 전체 전압 필요량이 증가한다. 이는 공지된 장치 의 효율에 불리한 영향을 주고 그 기술적 비용을 증가시키는데, 그 이유는 그에 따라 높은 직류 전압 및/또는 고정자 권선에 대한 적은 권선수가 선택되어야 하기 때문이다. 후자는 바람직하지 않게 높은 상 전류를 야기한다.
본 발명의 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치에 의해, 상기 단점이 감소할 수 있다. 추가의 자유도는 상기 교류기의 양호하게 조정된 제어 및 그에 따라 효율적인 작동을 가능하게 한다.
직류 전압원은 실제 사용할 때 파워 전자 장치의 고주파 전류 성분을 야기시키기 위해 종종 병렬 접속된 필터 커패시터를 포함한다. 전술한 바와 같은, 높은 직류 전압 및/또는 고정자 권선에 대한 낮은 권선수에 의해 저하된, 공지된 장치의 효율은, 공지된 장치에서 더 큰 유효 전류 부하 및/또는 더 큰 치수로 설계된 필터 커패시터를 초래하는 바람직하지 않은 성능 계수를 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치의 추가 자유도에 의해, 해결책이 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 4와 관련해서 설명된 공지된 회로 장치에서는, 직류 전압원(30)의 단락이 상 코일(41-43)에서 제어되지 않은 과전류를 야기한다. 이는 큰 브레이크 모멘트를 발생시키고, 상기 브레이크 모멘트는 동기기 또는 이것에 결합된 구동 시스템 부품(예컨대 변속기, 내연기관 또는 하이브리드 구동기)에 부하를 주고 손상을 입힐 수 있다. 유사한 문제점은 직류 전압원의 전압(Ud)이 예컨대 다른 소비 장치에 의한 높은 부하로 인해 그 정격 전압보다 훨씬 낮을 경우에도 발생 한다.
이러한 문제점은 공지된 방식으로 교류기의 기계적 분리에 의해 방지될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치는 간섭의 경우, 하기에 실시예를 참고로 상세히 설명되는 바와 같이, 외부 에너지 저장장치에서 단락이 일어날 때 또는 외부 에너지 저장장치의 전압이 그 정격 전압 아래로 떨어질 때, 전술한 문제점이 방지되도록 스위칭된다.
바람직하게 외부 에너지 저장장치는 하나 이상의 재충전 가능한 축적 배터리를 포함한다. 추가로 또는 대안으로서 외부 에너지 저장장치는 예컨대 하나 이상의 병렬 또는 직렬 접속된 연료 전지 배터리를 포함할 수 있다. 또한, 외부 에너지 저장장치는 직류 전압 회로망을 포함할 수 있다.
여러 가지 실시예를 참고로 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 공지된 파워 전자 회로 장치의 기본 구조는 바람직하게 동일하게 유지될 수 있고, 필요에 따라 하나 이상의 또는 모든 기능 블록이 파워측 접속 호환 기능 블록으로 대체되고, 상기 파워측 접속 호환 기능 블록은 하나 이상의 내부 에너지 저장장치를 포함하며 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는다. 상기 추가 스위칭 상태에서, 출력 전압은 외부 에너지 저장장치의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖거나 또는 에너지 저장장치의 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는다. 하나 이상 또는 모든 파워측 접속 호환 기능 블록은, 출력 전압이 외부 에너지 저장장치의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태, 및 출력 전압이 에너지 저장장치의 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는, 하나 이상의 다른 추가 스위칭 상태를 갖는다.
본 발명에 따른 파워측 접속 호환 기능 블록은 도 3과 관련해서 설명된 바와 같은 공지된 기능 블록보다 약간 더 높은 기술적 비용을 필요로 하기는 한다. 그러나, 역으로 이러한 파워측 접속 호환 기능 블록은 제어 또는 조절의 더 큰 자유도를 제공하고, 교류기의 효율적인 작동을 가능하게 하는 확장된 기능성을 갖는다. 공지된 구성의 하나 이상의 또는 모든 기능 블록을 본 발명에 따른 파워측 접속 호환 기능 블록으로 적합하게 대체함으로써, 바람직한 제어 다양성에 따라, 상기 대체에 의해 증가되는 기술적 비용과 이로 인해 얻어지는 효율 개선 사이의 최적의 절충이 선택될 수 있다. 따라서, 파워 전자 회로 장치의 설계 자유도가 커진다.
본 발명의 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치는 영구 여기식의, 보편화되어 사용된 동기기와 직류 전압원(30) 사이의 제어 가능한, 양방향성 에너지 교환을 위해 특히 바람직하게 사용된다.
바람직하게, 내부 에너지 저장장치의 전압은 교류기의 회전수 및/또는 토크에 따라 가변적으로 제어 또는 조절 가능하다. 이를 위해, 파워 전자 회로 장치는 적합한 제어 장치를 포함할 수 있다. 예컨대, 제어 장치는 내부 에너지 저장장치의 전압(UC)을 설정값(UC,soll)으로서 제어 또는 조절할 수 있다. 상기 설정값은 교류기의 회전수 및/또는 토크에 따라 변한다. 설정값(UC,soll)은 하나의 회전수 또는 토크에서 제로이거나 또는 실질적으로 제로와 동일할 정도로 제로와 매우 가까울 수 있다. 이에 대해, 설정값은 예컨대 하기 식을 따른다:
UC,soll = ∑(cixNi)
상기 [수학식 1]에서, ci(i=1...n)는 상수이고, N은 회전수 또는 토크이다. 이는 바람직하게는 교류기의 정지 또는 낮은 회전수에서 전류 리플을 최소화하고, 또한 내부 에너지 저장장치의 예비 충전을 포화 상태로 만들 수 있다.
본 발명의 바람직한 치수 설계시, 내부 에너지 저장장치의 허용 전압은 단락 및/또는 외부 에너지 저장장치의 저전압의 경우, 교류기의 제어되지 않은 또는 과도한 브레이크가 나타나지 않도록 선택된다. 따라서, 교류기 및 그와 결합된 구동 부재, 예컨대 변속기, 내연기관, 펌프 등의 전술한 부하는 제어되지 않은 충격 모멘트로부터 또는 간섭의 경우에 나타나는 오래 지속하는 단락 전류로부터 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 파워측 접속 호환 기능 블록 내에는 제어 가능한 전자 스위치로서 비대칭 차단 IGBT 및/또는 후방 도전 소자, 특히 MOSFET 및/또는 CoolMOS가 사용될 수 있다. 상기 스위치는 후방 방향으로 차단성을 갖지 않아야 하기 때문에, 최신의, 손실이 최적화된 소자, 예컨대 전술한 것들이 바람직하게 사용될 수 있다.
몇 가지 장점들이 하기에서 나타난다. 첫째로, 교류기의 효율적인 작동이 가능해진다. 둘째로, 가능한 작동 범위가 높은 토크를 가진 높은 회전수로 확장된다. 셋째로, 적게 및/또는 많이 변동하는 직류 전압(Ud)에서의 작동이 개선된다. 넷째로, 공급 직류 전압(Ud)의 저전압 또는 단락(Ud=0) 시에 간섭 브레이크 모멘트 또는 충격 모멘트를 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 과제, 특징 및 장점은 종속 청구항 및 하기의 실시예 설명에서 제시된다.
도 1은 축적 배터리 형태의 직류 전압원(30)으로부터 전압(Ud)을 영구 여기식 동기기에 공급하기 위한 제 1의, 공지된 파워 전자 회로 장치를 도시한다. 상세히 도시되지 않은 동기기는 3개의 상(41, 42, 43)을 포함한다. 각각의 상에는 각각 2개의 기능 블록(10)이 할당되며, 상기 기능 블록은 이하에서 도 3을 참고로 상세히 설명된다. 상기 장치는 개별 상 전류의 서로 독립적인 제어를 가능하게 한다. 또한, 장치는 교류기의 모터모드 및 발전기모드 작동을, 즉 2개의 에너지 방향을 허용한다.
도 2는 제 2의, 공지된 파워 전자 회로 장치를 도시한다. 도 1에 따른, 제 1의, 공지된 파워 전자 회로 장치와 동일한 소자는 동일한 도면 부호로 표시되므로, 이하에서는 도 1에 따른 회로와의 차이점만이 설명된다.
도 2에 따른, 제 2의, "3상 펄스 인버터"로서 공지된 파워 전자 회로 장치에서, 각각의 상(41, 42, 43)에는 각각 단 하나의 기능 블록(10)이 할당된다. 따라서, 도 2에 따른 장치는 상 전류의 독립적인 제어를 더 이상 불가능하게 하지만, 구성 비용을 감소시킨다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 따른, 제 1 또는 제 2 공지된 파워 전자 회로 장치의, 2점 회로 형태로 형성된 기능 블록(10)을 도시한다. 기능 블록은 2개의 제어 가능한 전자 스위치(1, 3) 및 2개의 역 병렬 다이오드(2, 4)를 도 3에 도시된 결선 형태로 포함한다. "P"는 외부 에너지 저장장치(30)의 양극 또는 그것에 접속 가능한, 기능 블록의 양극 단자를 표시하고, "N"은 외부 에너지 저장장치(30)의 음극 또는 그것에 접속 가능한, 기능 블록의 음극 단자를 표시한다. "X1"은 교류기의 하나의 상(41, 42, 43)의 단자와 접속 가능한, 기능 블록(10)의 파워 단자를 나타낸다.
도 4는 도 1 또는 도 2에 따른, 제 1 또는 제 2 파워 전자 회로 장치의 기능 블록(10)의, 3점 회로 형태로 형성된 변형예(20)를 도시한다. 동일한 소자는 동일한 도면 부호로 표시되기 때문에, 이하에서는 도 3의 기능 블록과의 차이점만을 설명한다.
도 1 또는 도 2에 따른 파워 전자 회로 장치 내에 사용될 수 있는, 기능 블록(10)의 변형예(20)는 전체적으로 4개의 제어 가능한 전자 스위치(1, 3, 5, 7), 4개의 역 병렬 다이오드(2, 4, 6, 8) 및 2개의 추가 다이오드(22, 24)를 도 4에 도시된 결합의 형태로 구비한다.
상기 회로 장치 및 기능 블록들은 공지되어 있고 선행 기술의 단점을 설명하기 위해서만 사용되기 때문에, 상세히 설명하지는 않는다.
도 7 내지 도 10은 부분적으로 도 1 또는 도 2에 상응하는 파워 전자 회로 장치를 도시하고, 상기 파워 전자 회로 장치에서는 본 발명에 따라 기능 블록 들(10, 20)의 절반(도 7, 8) 또는 모두(도 9, 10)가 파워측 접속 호환 기능 블록으로 대체된다. 여기에 나타나는 바와 같이, 회로 장치의 기본 구조는 동일하게 유지될 수 있으나, 선택 가능한 수의 공지된 기능 블록(10, 20)을 파워측 접속 호환 기능 블록(100)으로 대체함으로써, 회로 장치의 기능성이 단계적으로 높아지고, 따라서 파워측 접속 호환 기능 블록(100)의 추가 비용과 이에 따른 자유도 증가로 인한 장점 사이에 최적의 절충안이 이루어질 수 있다.
도 8, 도 9 및 도 10에는 상들(41, 42, 43)을 가진 교류기가 도시된다. 상기 갯수는 단지 예시이고, 본 발명에 따른 파워 전자 회로 장치는 외부 에너지 저장장치(30)와 다수의 상을 가진 교류기 사이의 제어 가능한, 양방향성 에너지 교환을 위해서도 사용될 수 있다.
외부 에너지 저장장치(30)는 축적 배터리로 제한되지 않으며, 추가로 또는 대안적으로 예컨대 연료 전지 배터리 및/또는 직류 전압 회로망을 포함할 수 있다. 그 전압(Ud)은 실시예에서 200 V 내지 800 V 이다.
도 5는 도 7, 8, 9 또는 10에 따른 회로 장치에 사용되는, 파워측 접속 호환 기능 블록(100)의 실시예를 도시한다. 도 6은 관련 회로도를 도시한다.
여기에 나타나는 바와 같이, 본 발명의 제 1(도 7), 제 2(도 8), 제 3(도 9) 실시예에 사용되는, 파워측 접속 호환 기능 블록(100)은 외부 에너지 저장장치(30)의 양극에 접속 가능한 양극 단자(P), 외부 에너지 저장장치(30)의 음극에 접속 가능한 음극 단자(N), 및 교류기의 상(41, 42, 43)의 단자에 접속 가능한 부하 단 자(X2)를 포함한다.
파워측 접속 호환 기능 블록(100)은 음극(N)으로부터, 각각 하나의 제어 가능한 전자 스위치(11, 13, 15) 및 하나의 다이오드(12, 14, 16, 18)를 가지며 차례로 연결된 4개의 루프를 포함한다. 각각의 다이오드는 그 도통 방향에 의해 각각의 루프의 순환 방향을 정한다.
제어 가능한 전자 스위치(11) 및 다이오드(12)를 가진 제 1 루프(도 5에서 하부)는 그 순환 방향이 수학적으로 양(+)이며, 음극 단자(N)에 접속된다.
제어 가능한 전자 스위치(13) 및 다이오드(14)를 가진 제 2 루프는 그 순환 방향이 수학적으로 음(-)이며, 제 1 루프에 접속된다.
제어 가능한 전자 스위치(15) 및 다이오드(16)를 가진 제 3 루프는 그 순환 방향이 마찬가지로 수학적으로 음이며, 제 2 루프에 접속된다.
끝으로, 제어 가능한 전자 스위치(17) 및 다이오드(18)를 가진 제 4 루프(도 5 상부)는 그 순환 방향이 수학적으로 양이며, 양극 단자(P) 및 제 3 루프에 접속된다.
제 2 루프와 제 3 루프가 서로 접속되는 노드는 부하 단자(X2)와 접속된다.
또한, 내부 에너지 저장장치(9)는 단극성 저장 커패시터의 형태로 제공되며, 그 단자는 제 1 루프 및 제 2 루프 또는 제 3 루프 및 제 4 루프가 서로 접속되는 노드와 접속된다.
또한, 결선이 도면에 제시된다.
Ux1 은 도 3 또는 도 4에 따른 공지된 기능 블록(10, 20)의 출력 전압을 나타내고, Ux2 는 도 5 또는 도 6에 따른 파워측 접속 호환 기능 블록(100)의 출력 전압을 나타낸다. 상기 출력 전압들은 단자(N)에 대해 기준 전위로서 규정된다.
내부 에너지 저장장치(9)의 전압은 Uc 로 표시되고, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 루프와 제 2 루프 사이의 노드로부터 제 3 루프와 제 4 루프 사이의 노드까지가 양으로 규정된다.
제어 가능한 전자 스위치(11, 13, 15 또는 17)는 비대칭 차단 IGBT("절연 게이트 바이폴라 트랜지스터")로서 형성된다. 다이오드들의 차단 전압 및 스위칭 속도는 각각의 제어 가능한 전자 스위치의 값에 맞춰진다. 차단 전압은 내부 및 외부 에너지 저장기(9, 30)의 전압(Uc, Ud)에 의존하며 다이오드들(2, 4, 6, 8)의 전압보다 더 높다.
[표 1]에는 파워측 접속 호환 기능 블록(100)에 의해 나타내질 수 있는 스위칭 상태가 제시되며, 상기 스위칭 상태들은 정상 작동 중에 바람직하게 이용된다. 여기서, "0"은 각각의 제어 가능한 전자 스위치(11, 13, 15, 17)의 차단 상태를 나타내며, "1"은 접속 상태를 나타낸다. 또한, 각각의 스위칭 상태에 대한 출력 전압(Ux2)이 제시된다.
[표 1]은 양극 부하 전류 동안, 즉 iW > 0 동안(음극 부하 전류에 대해서는 반대 부호가 적용됨) 파워측 접속 호환 기능 블록(100) 내에 저장된 에너지(W)의 변동 dW/dt 을 나타낸다. "+1"은 상기 에너지의 증가를, "-1"은 감소를 나타낸다. "0"는 스위칭 상태에서 파워측 접속 호환 기능 블록(100) 내에 저장된 에너지(W)의 변동이 일어나지 않은 것을 의미한다.
상태 스위치 출력 전압 내부 에너지 저장장치
번호 11 13 15 17 UX2 부호(dW/dt)
1 1 0 1 0 -UC +1
2 1 1 0 0 0 0
3 0 1 0 1 +Uc+Ud -1
4 0 0 1 1 +Ud 0
도 3과 관련해서 전술한, 공지된 기능 블록(10)은 2개의 상태 "2" 및 "4"만을 나타낼 수 있다([표 1]에서 스위치 "11" 또는 "13"은 스위치 "1" 또는 "3"으로 대체).
[표 1]에 나타나는 바와 같이, 내부 에너지 저장장치(9)에 의해 추가의 스위칭 상태 "3"이 실현될 수 있고, 상기 상태에서 출력 전압 Ux2 는 외부 에너지 저장장치(30)의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖는다. 또한, 내부 에너지 저장장치(9)에 의해 다른 추가 스위칭 상태 "1"이 실현될 수 있고, 상기 상태에서 출력 전압 Ux2 는 외부 에너지 저장장치(30)의 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는다. 따라서, 가능한 출력 전압 값의 수도 4로 확대된다.
상기 확장된 기능성은 도 5에 따라 구성된 파워측 접속 호환 기능 블록과는 다른 기능 블록에 의해서도 얻어질 수 있다. 다만, 상기 기능 블록은, 출력 전압(Ux2)이 외부 에너지 저장장치(30)의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖는 하나 이상의 추가 스위칭 상태, 및/또는 출력 전압(Ux2)이 에너지 저장장치(30)의 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는 것이 본 발명에 중요하다. 이는 출력 전류(상 전류)의 극성과는 관계없이 적용된다. 이를 위해, 파워측 접속 호환 기능 블록(100)은 하나 이상의 내부 에너지 저장장치(9)를 포함한다.
따라서, 파워 전자 회로장치가 본 발명에 따라 하나 이상의 상기 파워측 접속 호환 기능 블록을 포함하면, 교류기의 효율적인 작동이 가능해진다.
예컨대, 상 코일(41)에 종래의 공지된 기능 블록(10) 및 파워측 접속 호환 기능 블록(100)이 할당된, 도 7에 따른 제 1 실시예에서는 상 코일 당 7개의 상이한 출력 전압이 [표 2]에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다.
상태 스위치 출력 전압 내부 에너지 저장장치
번호 1 3 11 13 15 17 (UX1-UX2) 부호(dW/dt)
1 0 0 1 0 1 0 +Uc+Ud +1
2 0 1 1 1 0 0 +Ud 0
3 1 1 0 1 0 1 -Uc -1
4 1 0 0 0 1 1 0 0
5 1 0 1 0 1 0 +Uc +1
6 1 1 1 1 0 0 0 0
7 0 1 0 1 0 1 -Uc-Ud _1
8 0 0 0 0 1 1 -Ud 0
[표 2]는 구조 및 명명에 있어 [표 1]에 상응하며, 여기서 (Ux1-Ux2)는 상(41)의 출력 전압을 나타낸다. 나타나는 바와 같이, 가능한 출력 전압의 수가 증가한다. 출력 전압이 에너지 저장장치(30)의 양극보다 더 쎈 양극성을 갖거나 음극보다 더 쎈 음극성을 갖는, 다수의 스위칭 상태가 실현될 수 있다. 이로 인해, 상 전류의 제어시에 더 큰 자유도가 얻어진다.
종래의 공지된 기능 블록(10)과 파워측 접속 호환 기능 블록(100)을 가진 상 코일(41)의, 도 7에 도시된 결선은 예컨대 3개의 상 코일(41, 42, 43)의 경우 도 8에 도시된 바와 같이 변환된다. 교류기의 작동 동안 가능한 스위칭 상태의 수가 이에 대응하여 커진다. 전술한 바와 같이, 특정 수의 공지된 기능 블록(10)을 파워측 접속 호환 기능 블록(100)으로 대체함으로써, 자유도의 수를 의도적으로 크게할 수 있다. 바람직하게는 파워측 접속 호환 기능 블록의 사용에 의해 증가된 비용과 추가의 자유도에 의해 얻어진 장점 사이의 최적의 절충이 이루어진다. 예컨대, 도 10은 모든 기능 블록들이 파워측 접속 호환 기능 블록(100)으로서 형성된 상응하는 장치를 도시한다.
기능 블록의 절반이 파워측 접속 호환 기능 블록으로서 형성되기 때문에 추가 비용이 많지 않은, 도 8에 도시된 바와 같은 장치가 바람직하다. 모든 기능 블록이 파워측 접속 호환 기능 블록으로 형성되지만, 그보다 적은 수의 기능 블록이 사용되는, 도 9에 도시된 바와 같은 장치도 바람직하다.
추가의 스위칭 상태는 많이 보편화된 교류기에서 효율적인 작동을 가능하게 하며, 특히 큰 전압 공차를 가진 약한 직류 전압원(30)에서도 가능하게 한다.
간섭의 경우에(예컨대, 외부 에너지 저장장치(30)의 단락 또한 그 전압이 정격 전압 보다 훨씬 아래로 떨어짐), 파워측 접속 호환 기능 블록(100)의 모든 제어 가능한 전자 스위치(11, 13, 15, 17)가 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 실시예에서 균일하게 차단된다. 따라서, 상 코일(41-43)에서의 제어되지 않은 과전류 및 그와 관련된 교류기의 높은 브레이크 모멘트를 피할 수 있다. 이는 외부 에너지 저장장치(30)의 전압(Ud)과는 관계없이 적용된다. 이를 위해, 바람직하게는 내부 에너지 저장장치(9) 및 관련 반도체(13, 14, 15, 16)가 충분한 전압 내성을 갖도록 설계되며, 이는 예컨대 200 V 내지 800 V 의 통상의 직류 전압 범위에서 심각한 단점을 갖는 것 없이 만족될 수 있다.
[표 1] 또는 [표 2]에는, 부호(dW/dt)의 값이 제시된다. 부호는 상 전류의 양극성에 대해 적용된다. 음극성에 대해서도 동일한 출력 전압이 적용되지만, (dW/dt)의 반대부호를 갖는다. 이러한 에너지 변동을 아는 것은 내부 에너지 저장장치(9)의 전압(Uc)을 미리 주어진 설정값으로 조절할 수 있게 한다. 상기 설정값은 실시예에서 교류기의 회전수에 비례한다. 따라서, 정지시 또는 낮은 회전수에서 설정값은 대략 제로이다. 따라서, 이 작동 상태에서 전류 리플이 최소화된다. 또한, 내부 에너지 저장장치(9)의 커패시터의 예비 충전이 필요 없게 된다.
도 1은 제 1의, 공지된 파워 전자 회로 장치.
도 2는 제 2의, 공지된 파워 전자 회로 장치.
도 3은 도 1 또는 도 2에 따른 파워 전자 회로 장치의 기능 블록.
도 4는 도 1 또는 도 2에 따른 파워 전자 회로의 공지된 변형예의 기능 블록.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치의 파워측 접속 호환 기능 블록.
도 6은 도 5에 대한 회로도.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 파워 전자 회로 장치.

Claims (16)

  1. 하나 이상의 상(41, 42, 43)을 가진 교류기와, 양극(P) 및 음극(N)을 가진 외부 에너지 저장장치(30) 사이의 제어 가능한 양방향성 에너지 교환을 위한 기능 블록들(10, 20, 100)을 포함한 파워 전자 회로 장치에 있어서,
    하나 이상의 기능 블록은 하나 이상의 내부 에너지 저장장치(9)를 포함하는, 파워측 접속 호환 기능 블록(100)으로서 형성되고,
    상기 기능 블록은, 출력 전압(Ux2)이 상기 외부 에너지 저장장치(30)의 양극(P)보다 더 쎈 양극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 가지거나;
    상기 기능 블록은, 상기 출력 전압(Ux2)이 상기 외부 에너지 저장장치(30)의 음극(N)보다 더 쎈 음극성을 갖는, 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 출력 전압(Ux2)은 출력 전류(상 전류)의 극성과 관계없이 상기 에너지 저장장치(30)의 음극(N)보다 더 쎈 음극성을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 외부 에너지 저장장치(30)는 직류 전압원 또는 직류 전압 회로망을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 외부 에너지 저장장치(30)는 연료 전지 배터리와 축전지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기능 블록들 중 적어도 하나는 하나 이상의 내부 에너지 저장장치(9)를 포함하는 파워측 접속 호환 기능 블록(100)으로서 형성되고,
    상기 기능 블록들은, 출력 전압(Ux2)이 상기 외부 에너지 저장장치(30)의 양극(P)보다 더 쎈 양극성을 갖는 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖거나;
    상기 기능 블록들은, 상기 출력 전압(Ux2)이 상기 에너지 저장장치(30)의 음극(N)보다 더 쎈 음극성을 갖는 하나 이상의 추가 스위칭 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 교류기는 영구 여기식 브러시리스(brushless) 동기기인 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 내부 에너지 저장장치(3)의 전압(Uc)은 상기 교류기의 회전수 또는 토크에 따라 가변적으로 제어 또는 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 내부 에너지 저장장치(9)의 허용 전압은, 단락 또는 상기 외부 에너지 저장장치(30)의 저전압 시에 상기 교류기의 제어되지 않은 브레이크가 발생하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 파워측 접속 호환 기능 블록(100)은 4개 이상의 가능한 출력 전압 값(Ux2)을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 파워측 접속 호환 기능 블록(100)의 상기 내부 에너지 저장장치(9)는 단극성 저장 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 파워측 접속 호환 기능 블록(100)은 제어 가능한 전자 스위치(11, 13, 15, 17)로서 비대칭 차단 IGBT와 후방 도전 소자 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 후방 도전 소자는 MOSFET와 CoolMOS 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 파워측 접속 호환 기능 블록(100)은 각각 하나의 제어 가능한 전자 스위치(11; 13; 15; 17) 및 하나의 다이오드(12; 14; 16; 18)를 가진 4개의 직렬 또는 병렬 접속된 루프를 포함하고, 상기 다이오드는 루프의 순환 방향을 규정하며, 제 1 루프와 제 2 루프의 순환 방향은 서로 반대 방향이고, 제 3 루프와 제 4 루프의 순환 방향은 서로 반대 방향이고, 상기 제 2 루프와 상기 제 3 루프의 순환 방향은 서로 동일한 방향이며, 상기 내부 에너지 저장장치(9)는 상기 제 2 루프와 상기 제 3 루프에 대해 병렬로 접속되고, 상기 외부 에너지 저장장치(30)의 음극(N)을 가진 상기 제 1 루프, 상기 외부 에너지 저장장치(30)의 양극(P)을 가진 상기 제 4 루프, 상기 제 2 루프 및 상기 제 3 루프는 상기 교류기의 하나의 상(41, 42, 43)과 접속 가능한 것을 특징으로 하는 파워 전자 회로 장치.
  13. 제어 가능한, 양방향성 에너지 교환을 위해 양극(P) 및 음극(N)을 가진 외부 에너지 저장장치(30)에 접속된, 하나 이상의 상(41, 42, 43)을 가진 교류기에 있어서, 상기 교류기는 제 1항에 따른 파워 전자 회로 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류기.
  14. 제 13항에 따른 교류기와 제 1항 또는 제 2항에 따른 파워 전자 회로 장치를 가진 외부 에너지 저장장치(30) 사이의 양방향성 에너지 교환을 제어하기 위한 방법에 있어서, 상기 내부 에너지 저장장치(9)의 전압(Uc)은 하나의 설정값(Uc,soll)으로 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 교환 제어 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 설정값(Uc,soll)은 가변적이고, 회전수 또는 토크에 따라 변하며, 상기 설정값은 하나의 회전수에서 제로인 것을 특징으로 하는 에너지 교환 제어 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 설정값(Uc,soll)은 식 Uc,soll = ∑(cixNi)을 따르고, 상기 식에서, N은 교류기의 회전수 또는 토크이며 ci(i=1...n)는 임의의 실수인 것을 특징으로 하는 에너지 교환 제어 방법.
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