KR101392290B1 - 인다이렉트 매트릭스 컨버터 - Google Patents

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Abstract

인다이렉트 매트릭스 컨버터는 컨버터(2)를 정극성 모선(4p)과 부극성 모선(4n)을 통해 인버터(6)에 접속하고 있다. 정극성 모선(4p)에 클램프 다이오드(28u)의 애노드를 접속하고, 캐소드를 콘덴서(30)의 일단에 접속하고, 콘덴서(30)의 타단을 클램프 다이오드(28d)의 애노드에 접속하고, 캐소드를 부극성 모선(4n)에 접속하고 있다. 인버터(6)의 스위치 소자(16uu 내지 16uw)에 상측 방전 저지형 스너버 회로(20u)를 설치하고, 인버터(6)의 스위치 소자(16du 내지 16dw)에 하측 방전 저지형 스너버 회로(20d)를 설치하고, 상측 방전 저지형 스너버 회로(20u)의 방전 저항기(26u)가 다이오드(28d)의 애노드에 접속되고, 하측 방전 저지형 스너버 회로(20d)의 방전 저항기(26d)가 다이오드(28u)의 캐소드에 접속되어 있다.

Description

인다이렉트 매트릭스 컨버터{INDIRECT MATRIX CONVERTER}
본 발명은 인다이렉트 매트릭스 컨버터에 관한 것이며 특히 스너버 회로를 설치한 것에 관한 것이다.
인다이렉트 매트릭스 컨버터는 예를 들면 비특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 컨버터, 직류 중간 링크, 및 인버터를 구비하는 것이다. 컨버터에서는 쌍방향 스위치를 상측 및 하측 암으로서 직렬로 접속한 3개의 직렬 회로가 1쌍의 직류 중간 링크 사이에 병렬로 접속되어 있다. 각 직렬 회로의 상측 및 하측 암의 접속점에 LC 필터를 통해 3상 교류 전원이 접속되어 있다. LC 필터는 3상 교류 전원의 각 상에 직렬로 접속된 3개의 직렬 리액터와, 각 상 사이에 접속된 3개의 병렬 콘덴서로 이루어진다. 1쌍의 직류 중간 링크에는 일반적인 인버터와 같은 구성의 전압형 인버터가 접속되어 있다.
전기학회 논문지D 126권 9호 제 1161 페이지 내지 1170 페이지 직접형 교류 전력 변환 회로의 기술동향
인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 인버터의 0 벡터 출력 기간(환류 모드 기간)에 컨버터의 쌍방향 스위치의 스위칭이 0 전류 스위칭에 의해 행해지고 있다. 즉, 컨버터의 전류가 0일 때에 컨버터의 쌍방향 스위치의 스위칭이 행해지고 있다. 3상 교류 전원과 컨버터 사이에 접속되어 있는 LC 필터의 각 콘덴서의 전위가 3상 교류 전원에 의존하여 변화한다. 따라서, 각 콘덴서의 양단 사이의 전위차가 클 때에 스위칭이 행해지면 스위칭되기 전에 컨버터에 접속되어 있는 병렬 콘덴서의 전위와 스위칭 후에 컨버터에 접속되는 병렬 콘덴서의 전위가 달라서 컨버터로의 입력 전압에 변화가 발생한다. 이 변화에 의해 인버터의 스위치 소자의 기생 용량이나 스너버 회로에 고속의 펄스 전류가 흘러 인버터의 스위치 소자의 양단에 서지 전압을 발생하여 스위치 소자가 파괴에 이르는 것이 있다. 또한, 게이트 회로에 펄스 전류가 유입되어 오점호(誤点弧)를 일으킬 가능성도 있다.
본 발명은 서지 전압에 의해 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 인버터 스위치 소자가 파괴되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터는 컨버터, 직류 모선, 및 인버터를 구비하고 있다. 컨버터에서는 쌍방향 스위치 수단을 상측 및 하측 암으로서 직렬로 접속한 3개의 직렬 회로를 서로 병렬로 접속하고 있다. 상기 3개의 직렬 회로에 있어서의 상기 상측 및 하측 암의 쌍방향 스위치 수단의 접속점에 직렬 리액터와 병렬 콘덴서를 포함하는 입력 필터를 통해 3상 교류 전원이 접속된다. 쌍방향 스위치 수단으로서는 단방향의 스위치 소자, 예를 들면 IGBT나 MOSFET를 서로 역방향으로 접속한 것을 사용할 수 있다. 직류 모선은 이 컨버터의 상기 3개의 직렬 회로로 이루어지는 병렬회로의 상기 상측 암측의 단부를 정극성 모선으로 하고, 상기 하측 암측의 단부를 부극성 모선으로 한 것이다. 인버터는 스위치 소자, 예를 들면 단방향 스위치 소자를 전류가 동일 방향으로 흐르도록 상측 및 하측 암으로서 직렬 접속한 3개의 직렬 회로를 직류 모선 사이에 병렬로 접속하고 이들 3개의 직렬 회로에 있어서의 상기 상측 및 하측 암의 접속점에 3상 부하가 접속되는 것이다. 컨버터의 쌍방향 스위치 수단은 3상 교류 전원의 주파수보다도 높은 주파수의 교류를 정극성 모선과 부극성 모선 사이에 생성하도록 스위칭되고, 인버터의 스위치 소자는 정극성 모선과 부극성 모선 사이의 교류를 3상 교류 전원의 주파수보다도 높은 주파수의 교류로 변환하도록 스위칭된다. 이 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 정극성 모선과 부극성 모선 사이에 평활한 직류를 생성하는 일은 없다. 또한, 인버터의 환류 모드 기간에 즉 상측 암 스위치 소자 모두가 온일 때 하측 암 스위치 소자는 모두 오프 상태이고, 상측 암 스위치 소자 모두가 오프일 때 하측 암 스위치 소자가 모두 온 상태인 기간에 컨버터의 쌍방향 스위치의 스위칭이 행해진다. 상기 정극성 모선에 정극성 전압 강하 수단의 일단이 접속되고, 부극성 전압 강하 수단의 일단이 상기 부극성 모선에 접속되어 있다. 상기 정극성 전압 강하 수단의 타단과 상기 부극성 전압 강하 수단의 타단 사이에 콘덴서가 접속되어 있다. 정극성 및 부극성 전압 강하 수단으로서는 예를 들면 다이오드나 저항기를 사용할 수 있다. 다이오드를 사용하는 경우 정극성 모선측으로부터 부극성 모선측으로 전류가 흐르는 방향성으로 애노드와 캐소드가 접속된다. 상기 인버터의 상측 암의 스위치 소자 각각에 상측 방전 저지형 스너버 회로가 설치되고, 상기 인버터의 하측 암의 스위치 소자 각각에 하측 방전 저지형 스너버 회로가 설치된다. 상측 및 하측 방전 저지형 스너버 회로는 다이오드, 콘덴서, 및 방전 저항기를 갖고 있다. 예를 들면 상측 방전 저지형 스너버 회로에서는 콘덴서와 다이오드의 직렬 회로가 상측 암의 스위치 소자에 병렬로 접속되고 특히 콘덴서가 정극성 모선측에 위치하고 있다. 마찬가지로 하측 방전 저지형 스너버 회로에서도 콘덴서와 다이오드의 직렬 회로가 하측 암의 스위치 소자에 병렬로 접속되고 콘덴서가 부극성 모선측에 위치하고 있다. 상측 및 하측 방전 저지형 스너버 회로에서는 방전 저항기의 일단이 콘덴서와 다이오드의 접속점에 접속되고, 상측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기의 타단이 상기 부극성 전압 강하 수단의 타단에 접속되고, 상기 하측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기의 타단이 상기 정극성 전압 강하 수단의 타단에 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 정극성 직류 모선과 부극성 직류 모선 사이에 정극성 및 부극성 전압 강하 수단과 콘덴서를 접속하고, 정극성 및 부극성 전압 강하 수단과 콘덴서의 2개의 접속점에 방전 저지형 스너버 회로의 콘덴서를 접속하고 있으므로 정극성 및 부극성 직류 모선의 전위가 변화되어도 이들 콘덴서의 전위는 일정하게 유지되어 있다. 따라서, 컨버터의 쌍방향 스위치 수단이 스위칭되고 입력 필터의 병렬 콘덴서의 영향으로 정극성 및 부극성 직류 모선간의 전위가 변화되어도 인버터의 스위치 수단에 과도전류가 흐르지 않고 서지 전압이 발생하는 일은 없다.
상기 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에 있어서 상기 콘덴서의 양단에 별도의 방전용 저항기를 설치할 수도 있다. 이 콘덴서와 방전용 저항기의 방전 시정수는 콘덴서의 전위가 3상 교류 전원의 최대 전압 정도를 유지하도록 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면 콘덴서의 전압을 3상 교류 전원의 최대 전압 정도로 유지함으로써 인버터의 서지 흡수 효과의 저하를 저지할 수 있다.
상기 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에 있어서 새로운 스위치 소자를 설치할 수도 있다. 스위치 소자는 도전로와 제어 전극을 갖고 제어 전극에 제어 신호가 공급되었을 때 도전로가 도통되는 것이다. 이 스위치의 도전로가 상기 콘덴서의 양단 사이에 접속된다. 상기 콘덴서의 양단 사이에 직렬로 2개의 저항기를 접속하고 이들 2개의 저항기의 접속점과 상기 제어 전극 사이에 상기 콘덴서의 양단 사이 전압이 미리 정한 값 이상이 되었을 때 상기 제어 전극에 상기 제어 신호를 공급하는 제어 신호 발생 수단을 설치하고 있다. 제어 신호 발생 수단으로서는 예를 들면 제너 다이오드를 사용할 수 있다.
또는, 상기 2개의 저항기 대신에 상기 콘덴서의 양단 사이 전압의 검출 수단을 설치하고, 이 검출 수단이 미리 정한 값 이상의 전압을 검출했을 때 스위치 수단의 제어 전극에 제어 신호를 공급하는 제어 신호 발생 수단을 설치할 수도 있다.
이와 같이 구성함으로써 콘덴서(30)의 전압을 소정 값으로 유지할 수 있고 보다 확실하게 인버터의 서지 흡수 효과의 저하를 저지할 수 있다.
상기 제 1 실시형태 및 그 변형예 중 어느 하나의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에 있어서 상기 정극성 전압 강하 수단과, 상기 부극성 모선에 일단을 접속한 부극성 전압 강하 수단과, 상기 콘덴서와, 상기 상측 및 하측 방전 저지형 스너버 회로를 상기 상측 및 하측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기를 제외하고 1개의 패키지에 수용할 수도 있다. 또는, 상기 정극성 전압 강하 수단, 상기 부극성 전압 강하 수단, 및 상기 콘덴서를 모듈화할 수도 있다.
이와 같이 구성함으로써 인버터의 스위치 수단의 모듈로의 부착이 용이해진다. 또한, 배선 인덕턴스의 저감에 의해 서지 흡수 효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 참고예의 블록도이다.
도 2는 도 1의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서 컨버터로부터 펄스 전류가 흐르는 기구의 설명용 제 1 블록도이다.
도 3은 도 1의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서 컨버터로부터 펄스 전류가 흐르는 기구의 설명용 제 1 파형도이다.
도 4는 도 1의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서 컨버터로부터 펄스 전류가 흐르는 기구의 설명용 제 2 블록도이다.
도 5는 도 1의 인다이렉트 매트릭스 컨버터로부터 펄스 전류가 흐르는 설명용 제 3 블록도이다.
도 6은 도 1의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서의 컨버터로부터 펄스 전류가 흐르는 기구의 설명용 제 2 파형도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터 주요부의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터 주요부의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터 주요부의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 제 5 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터 주요부의 블록도이다.
도 12는 도 11의 인다이렉트 매트릭스 컨버터 주요부의 평면도 및 측면도이다.
본 발명의 실시형태의 설명 전에 본 발명의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 기본형태에 대해 도 1을 참조하여 설명한다. 이 인다이렉트 매트릭스 컨버터는 컨버터(2), 정극측 직류 중간 링크(4p), 부극측 직류 중간 링크(4n), 및 인버터(6)를 갖고 있다.
컨버터(2)는 상측 암으로서 상측 쌍방향 스위치 회로(8ur, 8us) 및 (8ut)를 갖고, 하측 암으로서 하측 쌍방향 스위치 회로(8dr, 8ds) 및 (8dt)를 갖고 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8ur)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8dr)가 직렬로 접속되어 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8us)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8ds)가 직렬로 접속되어 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8ut)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8dt)가 직렬로 접속되어 있다. 이들 3개의 직렬 회로가 서로 병렬로 접속되어 있다. 상측 및 하측 쌍방향 스위치 회로(8ur 및 8dr)는 모두 단방향 스위치 소자 예를 들면 IGBT(10a 및 10b)를 갖고 있다. 이들 IGBT(10a 및 10b)의 이미터 끼리가 접속되고, 각각의 콜렉터-이미터 사이에 역병렬로 다이오드(12a 및 12b)가 접속되어 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8ur)의 IGBT(10a)가 정극성 직류 중간 링크(4p)에 접속되어 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8ur)의 IGBT(10b)가 하측 쌍방향 스위치 회로(8dr)의 IGBT(10a)의 콜렉터에 접속되어 있다. 하측 쌍방향 스위치 회로(8d)의 IGBT(10b)가 부극성 직류 중간 링크(4n)에 접속되어 있다. 다른 상측 쌍방향 스위치 회로(8us 및 8ut)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8ds 및 8dt)도 마찬가지이다.
상측 쌍방향 스위치 회로(8ur)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8dr)의 접속점(Rin)에는 3상 교류 전원(7)의 R상이 직류 리액터(9r)를 통해 접속되어 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8us)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8ds)의 접속점(Sin)에는 3상 교류 전원(7)의 S상이 직류 리액터(9s)를 통해 접속되어 있다. 상측 쌍방향 스위치 회로(8ut)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8dt)의 접속점(Tin)에는 3상 교류 전원(7)의 T상이 직류 리액터(9t)를 통해 접속되어 있다. 접속점(Rin 및 Sin) 사이에는 콘덴서(14rs)가 접속되고, 접속점(Sin 및 Tin) 사이에는 콘덴서(14st)가 접속되고, 접속점(Tin, Rin) 사이에는 콘덴서(14tr)가 접속되어 있다. 이들 콘덴서(14rs, 14st, 및 14tr)와 각 직류 리액터(9s, 9t, 및 9r)에 의해 입력 필터가 구성되어 있다.
인버터(6)는 상측 암으로서 단방향 스위치 소자 예를 들면 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)를 갖고, 하측 암으로서 단방향 스위치 소자 예를 들면 IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)를 갖고 있다. IGBT(16uu)의 콜렉터가 정극성 직류 중간 링크(4p)에 접속되고, IGBT(16uu)의 이미터가 IGBT(16du)의 콜렉터에 접속되고, IGBT(16du)의 이미터가 부극성 직류 중간 링크(4n)에 접속되어 있다. 다른 IGBT(16uv, 16uw, 16dv, 및 16dw)도 마찬가지로 접속되어 있다. IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)의 콜렉터-이미터 사이에는 역병렬로 다이오드(18u)가 각각 접속되고, IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)의 콜렉터-이미터 사이에도 역병렬로 다이오드(18d)가 각각 접속되어 있다. IGBT(16uu 및 16du)의 접속점(u), IGBT(16uv 및 16dv)의 접속점(v), 및 IGBT(16uw 및 16dw)의 접속점(w)에는 부하, 예를 들면 전동 액츄에이터(17)가 접속되어 있다.
각 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)에는 방전 저지형 스너버 회로(20u)가 각각 접속되고, IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)에는 방전 저지 스너버 회로(20d)가 각각 접속되어 있다. 각 방전 저지형 스너버 회로(20u)에서는 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)의 콜렉터-이미터 사이에 스너버 콘덴서(22u)와 스너버 다이오드(24u)의 직렬 회로가 각각 병렬로 접속되어 있다. 각 스너버 콘덴서(22u)의 일단이 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)의 콜렉터에 각각 접속되고, 각 스너버 콘덴서(22u)의 타단이 각 스너버 다이오드(24u)의 애노드에 각각 접속되어 있다. 각 스너버 다이오드(24u)의 캐소드가 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)의 이미터에 각각 접속되어 있다. 각 스너버 콘덴서(22u)와 각 스너버 다이오드(24u)의 접속점에 각 스너버 방전 저항기(26u)의 일단이 각각 접속되고, 각 스너버 방전 저항기(26u)의 타단이 부극성 직류 링크(4n)에 각각 접속되어 있다.
각 방전 저지형 스너버 회로(20d)에서는 IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)의 콜렉터-이미터 사이에 각 스너버 콘덴서(22d)와 각 스너버 다이오드(24d)의 직렬 회로가 각각 병렬로 접속되어 있다. 각 스너버 다이오드(24d)의 애노드가 IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)의 콜렉터에 각각 접속되고, 각 스너버 다이오드(24d)의 캐소드가 각 스너버 콘덴서(22d)의 일단에 각각 접속되어 있다. 각 스너버 콘덴서(22d)의 타단이 IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)의 이미터에 각각 접속되어 있다. 각 스너버 콘덴서(22d)와 각 스너버 다이오드(24d)의 접속점에 각 스너버 방전 저항기(26d)의 일단이 각각 접속되고, 각 스너버 방전 저항기(26d)의 타단이 정극성 직류 링크(4p)에 각각 접속되어 있다.
컨버터(2)의 상측 및 하측 쌍방향 스위치 회로(8ur, 8us, 8ut, 8dr, 8ds, 및 8dt)와 인버터(6)의 IGBT(16uu, 16uv, 16uw, 16du, 16dv, 및 16dw)는 도시되지 않은 제어 회로에 의해 온오프 제어된다. 특히, 각 상측 및 하측 쌍방향 스위치 회로(8ur, 8us, 8ut, 8dr, 8ds, 및 8dt)의 스위칭은 인버터(6)의 환류 기간 즉, 인버터(6)의 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)가 온에서 IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)가 오프 상태, 또는 인버터(6)의 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)가 오프에서 IGBT(16du, 16dv, 및 16dw)가 온 상태이며, 또한 지금까지 컨버터(2)에 공급되어 있었던 선간 전압이 거의 0인 상태에서 컨버터(2)에 공급되는 선간 전압이 스위칭된다.
그러나, 예를 들면 IGBT(16uv)에 설치된 방전형 스너버 회로(20u)에서는 IGBT(16uv)가 턴 온이었던 것이 턴 오프할 때 지금까지 IGBT(16uv)에 흐르고 있었던 전류가 스너버 콘덴서(22u) 및 다이오드(24u)를 통해 흐른다. 배선 인덕턴스와 상기 스너버 콘덴서(22u)를 흐르는 전류에 의해 결정되는 에너지가 스너버 콘덴서(22u)에 흡수되고 스너버 콘덴서(22u)의 전압을 상승시켜 IGBT(16uv)의 기생 용량에 의한 서지 전압의 발생을 방지한다. 스너버 콘덴서(22u)의 전압이 정극성 직류 링크(4p)의 전압보다도 높을 때 정극성 직류 링크(4p), 컨버터(2), 부극성 직류 링크(4n), 및 스너버 방전 저항기(26u)의 경로에서 다음 IGBT(16uv)가 턴 오프할 때까지 방전된다. 다른 IGBT(16uu 및 16uw)에서도 IGBT(16uu 및 16uw)가 턴 오프할 때 마찬가지로 동작한다. 각 방전형 스너버 회로(20d)에 있어서도 전류가 흐르는 방향은 각 방전형 스너버 회로(20u)와 역이지만 마찬가지로 각 방전형 스너버 회로(20d)가 동작하여 서지의 발생이 방지된다. 이와 같이 각 방전형 스너버 회로(20u 및 20d)는 인버터(6)에서의 스위칭 동작시에 발생하는 서지를 방지하고 있다.
그러나, 이 구성에서는 인버터(2)에서의 스위칭 동작에 의해 인버터(6)의 IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)에 있어서 서지가 발생하는 것이 있다. 이하에 이것에 대해 설명한다.
예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 컨버터(2)의 상측 쌍방향 스위치 회로(8ut)와 하측 쌍방향 스위치 회로(8dr)가 온, 다른 상측 쌍방향 스위치 회로(8ur, 8us, 8ds, 및 8dt)가 오프이고 인버터(6)의 IGBT(16du, 16dv 및 16dw)가 온, IGBT(16uu, 16uv, 및 16uw)가 오프인 시점을 t=0이라 한다. 이 시점에서는 콘덴서(14rs, 14st, 및 14tr)는 3상 교류 전원의 선간 전압과 거의 같게 충전되고 컨버터(2)에는 접속점(Tin 및 Rin) 사이의 전압 즉 콘덴서(14tr)의 양단 사이 전위인 선간 전압(Vtr)이 인가되어 있다. 또한, 접속점(Rin 및 Sin) 사이에는 콘덴서(14rs)의 양단 사이 전위와 같은 선간 전압(Vrs)이 인가되어 있다. 이것을 도 3(a)에 도시한다.
t=0으로부터 시간이 경과한 t=Δt에 있어서, 컨버터(2)에 있어서 도 4에 도시한 바와 같이 상측 쌍방향 스위치 회로(8us)가 온, 하측 쌍방향 스위치 회로(8dr)가 온이고 상측 쌍방향 스위치 회로(8ur 및 8ut)가 오프, 하측 쌍방향 스위치 회로(8ds 및 8dt)가 오프이며 인버터(6)에 있어서 IGBT(16uu, 16dv, 및 16dw)가 온, IGBT(16uv, 16uw, 및 16du)가 오프로 스위칭된 것으로 한다. 이 경우 컨버터(2)의 입력 전압은 접속점(Rin 및 Sin) 사이에 접속되어 있는 콘덴서(14rs)의 양단 사이 전압으로 변화한다. 이 전압은 선간 전압(Vrs)과 거의 같고 t=0의 경우와 비교하여 Vtr-Vrs의 전위차가 컨버터(2)의 입력 전압에 발생한다. 컨버터(2)로의 입력 전압이 변화되는 상태를 도 3(b)에 도시한다. 그 결과, 도 5에 1상만을 약도로 나타내는 바와 같이 입력 전압의 변화에 의거한 과도 현상에 의해 정극성 직류 중간 링크(4p) 및 부극성 직류 중간 링크(4n)에 펄스 전류가 유입된다. 또한, 콘덴서(C)는 인버터(6)의 IGBT 기생 용량을 나타낸다.
도 6은 콘덴서(14rs, 14st, 및 14tr)의 전압(Vrs, Vst, 및 Vtr)에 정극성 및 부극성 직류 중간 링크(4p 및 4ｎ) 사이의 전압 파형을 겹쳐서 그린 것이다. 도 6에 도시한 바와 같이 상술한 바와 같은 t=Δt에서의 전위 변동이 발생했을 경우 직류 중간 전위가 캐리어 주파수에 의한 재단 즉 컨버터(2)에서의 스위칭에 의해 -Vst의 전압 파형 상의 전위로 저하하고 있다. 따라서, 방전 저지형 스너버 회로의 콘덴서가 이 -Vst의 전위까지 방전되어 전위 저하된다. 이때 방전 저지형 스너버 회로의 콘덴서나 IGBT의 기생 용량에 펄스 전류가 흘러서 IGBT의 콜렉터-이미터 사이에 그 용량을 C, 전위 변화를 dv/dt라고 하면 Cdv/dt의 서지가 발생한다. 이것은 방전 저지형 스너버 회로(20u)가 대응하는 IGBT가 다음에 턴 오프할 때까지 스너버 콘덴서(20u)의 전하를 스너버 방전 저항기(26u)에 의해 방전시키는 구성이며, 스너버 방전 저항기(26u)가 부극성 직류 중간 링크(4p)에 접속되고 스너버 방전 저항기(26d)가 정극성 직류 중간 링크(4n)에 접속되어 있으므로 스너버 콘덴서(20u) 및 스너버 방전 저항기(26u)의 방전 시정수가 컨버터(2)의 스위칭 주기에 대하여 충분히 작을 경우 스너버 콘덴서(22u)가 직류 중간 전위까지 방전되기 때문이다.
본 발명의 제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터는 상술한 서지의 발생을 방지하는 것이며, 도 7에 나타낸 바와 같이 정극성 직류 중간 링크(4p)에 상측 전압 강하 수단 예를 들면 클램프 다이오드(28u)의 애노드를 접속하고, 클램프 다이오드(28u)의 캐소드에 콘덴서(30)의 일단을 접속하고 있다. 콘덴서(30)의 타단에 하측 전압 강하 수단 예를 들면 클램프 다이오드(28d)의 애노드를 접속하고, 클램프 다이오드(28d)의 캐소드를 부극측 직류 중간 링크(4n)에 접속하고 있다.
또한, 상측의 방전 저지형 스너버 회로(20u)의 스너버 방전 저항기(26u)의 타단을 콘덴서(30)와 하측 클램프 다이오드(28d)의 애노드의 접속점에 접속하고, 하측의 방전 저지형 스너버 회로(20d)의 스너버 저항기(26d)의 타단을 상측 클램프 다이오드의 캐소드와 콘덴서(30)의 접속점에 접속하고 있다. 다른 구성은 상술한 기본형태와 동일하므로 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
이 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 콘덴서(30)와 상측의 클램프 다이오드(28u)의 캐소드의 접속점의 전위는 Vrs, Vst, 및 Vts의 절대값의 피크 전위로부터 클램프 다이오드(28u)에서의 전압 강하분을 뺀 전위로 클램핑되어서 변동하지 않는다. 콘덴서(30)와 하측의 클램프 다이오드(28d)의 애노드의 접속점의 전위는 Vrs, Vst, 및 Vts의 절대값의 크로스 전위에 클램프 다이오드(28d)의 전압 강하분을 가산한 전위로 클램핑되어서 변동하지 않는다. 이와 같이 전위가 변동하지 않는 콘덴서(30)와 상측의 클램프 다이오드(28u)의 캐소드의 접속점에 하측의 방전 저지형 스너버 회로(20d)의 스너버 방전 저항기(26d)의 타단이 접속되어 있다. 마찬가지로 전위가 변동하지 않는 콘덴서(30)와 하측의 클램프 다이오드(28d)의 애노드의 접속점에 상측의 방전 저지형 스너버 회로(20u)의 스너버 방전 저항기(26u)의 타단이 접속되어 있다. 따라서, 직류 중간 전위가 컨버터(2)에서의 스위칭에 의해 변동해도 스너버 콘덴서(22u)는 콘덴서(30)와 클램프 다이오드(28d)의 애노드의 접속점의 전위까지밖에 방전되지 않고 스너버 콘덴서(22d)는 콘덴서(30)와 클램프 다이오드(28u)의 캐소드의 접속점의 전위까지밖에 방전되지 않는다. 이 때문에, 컨버터(2)로 스위칭해도 스너버 콘덴서(22u)의 전위가 콘덴서(14rs, 14st, 및 14tr)의 전위보다도 낮아지지 않으며 이들 콘덴서(14rs, 14st, 및 14tr)로부터 스너버 콘덴서(22u)로 전류가 흐르지 않아 서지가 발생하지 않는다.
제 2 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 일부를 도 8에 도시한다. 이 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 콘덴서(30)에 병렬로 방전 저항기(32)를 접속한 것이다. 다른 구성은 제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터와 동일하므로 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 방전 저항기(32)의 저항값은 콘덴서(30)의 전위가 3상 교류 전원의 최대 전압 정도를 유지하는 방전 시정수를 방전 저항기(32)와 콘덴서(30)에 의해 얻어지도록 설정되어 있다.
제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 콘덴서(30)의 충전 전압이 클램프 다이오드(28u 및 28d)의 누설 전류와 서지 전압의 밸런스에 의해 상승하는 것이 있다. 충전 전압이 상승하면 스너버 콘덴서(22u 및 22d)의 전위가 높아져 인버터(6)에서의 서지 흡수 효과가 낮아진다. 그 결과, 인버터(6)에서의 스위칭시에 서지 전압이 상승한다. 그래서, 제 2 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 방전 저항기(32)를 설치하여 콘덴서(30)를 전원 전압의 최대 전위 정도까지 방전하도록 구성되어 있다. 이에 의해 컨버터(2)로부터의 펄스 전류를 방지하면서 인버터(6)에서의 서지의 억제성을 확보하고 있다.
도 9에 제 3 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 요부를 도시한다. 이 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 콘덴서(30)의 양단에 스위치 소자 예를 들면 IGBT(34)의 콜렉터-이미터 도전로와 방전 저항기(36)의 직렬 회로가 접속되어 있다. 또한, 콘덴서(30)의 양단에는 저항기(38 및 40)의 직렬 회로가 접속되어 있다. 이들 저항기(38 및 40)의 접속점과 IGBT(34)의 제어 전극 예를 들면 게이트 전극 사이에 제어 신호 발생 수단 예를 들면 젠더 다이오드(42)와 저항기(44)의 직렬 회로가 접속되어 있다. 다른 구성은 제 1 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터와 동일하므로 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
제 2 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터에서는 방전 저항기(30)가 상측 및 하측의 클램프 다이오드(28u 및 28d)를 통해 정극성 및 부극성 직류 중간 링크(4p 및 4ｎ) 사이에 접속되어 있으므로 콘덴서(30)의 용량을 크게 설정하여 방전 저항기(30)의 값을 작게 설정해야만 하는 것이 있다. 이 경우 방전 저항기(30)의 와트 수가 커지는 문제가 있다. 이 점을 제 3 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터가 해결하는 것으로 저항기(38 및 40)의 값을 저항기(30)와 비교하여 크게 설정해 놓고 이들 저항기(38, 40)에 의해 콘덴서(30)의 전압을 감시하여 저항기(40)의 양단 사이 전압이 젠더 다이오드(42)의 제너 전압을 초과했을 때 IGBT(34)를 턴 온하여 콘덴서(30)의 전하를 방전 저항기(36)에 의해 방전시킨다.
도 10에 제 4 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 요부를 도시한다. 이 인다이렉트 매트릭스 컨버터는 제 3 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 변형이며, 콘덴서(30)의 양단에 콘덴서(30)의 전압을 검출하는 전압 센서(46)를 설치하고 이 전압 센서(46)가 콘덴서(30)의 전압이 미리 정한 전압을 초과했을 때 IGBT(34)에 턴 온 신호를 공급하는 제어 신호 발생 수단 예를 들면 턴 온 신호 발생기(48)를 설치한 것이다. 다른 구성은 제 3 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터와 동일하므로 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
도 11 및 도 12에 제 5 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 요부를 도시한다. 이 인다이렉트 매트릭스 컨버터의 회로 구성은 제 1 내지 제 4 실시형태의 인다이렉트 매트릭스 컨버터 중 어느 하나이며, 1점 쇄선으로 둘러싸여 도시된 방전 저지형 스너버 회로(20u 및 20d)의 스너버 콘덴서(22u 및 22d), 스너버 다이오드(24u 및 24d), 클램프용 다이오드(28u 및 28d), 및 콘덴서(30)를 도 12(b)에 도시한 바와 같이 1개의 패키지(49)에 수용하고 있다. 또한, 도 11에 부호 50으로 도시한 것은 이 패키지(49)에 설치한 단자대이다. IGBT(16uu 내지 16dw)는 도 12(b)에 도시한 바와 같이 1개의 모듈(51)로 구성되어 있고, 부호 52는 이 모듈(51)의 단자대이다. 패키지(49) 내에서는 도 12(a)에 도시한 바와 같이 스너버 콘덴서(22u), 스너버 다이오드(24u)가 1상분씩 합계 3개의 스너버부(54)에 모아지고 이들의 상부 또는 하부에 클램프용 다이오드(28u 및 28d), 콘덴서(30)의 클램프 스너버부(56)가 배치되어 있다. 이 패키지(49)는 설치 도구(58)에 의해 모듈(51)에 부착되어 있다. 이와 같이 1개의 패키지(49)에 수용함으로써 모듈로의 설치가 용이해진다.
상기 각 실시형태에서는 스위치 소자로서 IGBT를 사용했지만 이에 한정되지 않고 다른 자기 소호형 반도체 스위치 소자 예를 들면 MOSFET를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 각 실시형태에서는 전압 강하 소자로서 다이오드(28u 및 28d)를 사용했지만 이에 한정되지 않고 예를 들면 저항기를 사용할 수도 있다. 또한, 제 5 실시형태에 있어서 클램프용 다이오드(28u 및 28d) 및 콘덴서(30)만으로 1개의 패키지를 구성할 수도 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 쌍방향 스위치 수단을 상측 및 하측 암으로서 직렬로 접속한 3개의 직렬 회로를 서로 병렬로 접속하고 상기 3개의 직렬 회로에 있어서의 상기 상측 및 하측 암의 쌍방향 스위치 수단의 접속점에 직렬 리액터와 병렬 콘덴서를 포함하는 입력 필터를 통해 3상 교류 전원이 접속되는 컨버터와,
    이 컨버터의 상기 3개의 직렬 회로로 이루어지는 병렬회로의 상기 상측 암측의 단부를 정극성 모선으로 하고 상기 하측 암측의 단부를 부극성 모선으로 한 직류 모선과,
    스위치 소자를 전류가 동일 방향으로 흐르도록 상측 및 하측 암으로서 직렬 접속한 3개의 직렬 회로를 상기 직류 모선 사이에 병렬로 접속하고 이들 3개의 직렬 회로에 있어서의 상기 상측 및 하측 암의 접속점에 3상 부하가 접속되는 인버터를 구비하는 인다이렉트 매트릭스 컨버터에 있어서:
    상기 정극성 모선에 일단을 접속한 정극성 전압 강하 수단과,
    상기 부극성 모선에 일단을 접속한 부극성 전압 강하 수단과,
    상기 정극성 전압 강하 수단의 타단과 상기 부극성 전압 강하 수단의 타단의 사이에 접속된 콘덴서와,
    상기 인버터의 상측 암의 스위치 소자 각각에 설치되어 다이오드, 콘덴서, 및 방전 저항기를 갖는 상측 방전 저지형 스너버 회로와,
    상기 인버터의 하측 암의 스위치 소자 각각에 설치되어 다이오드, 콘덴서, 및 방전 저항기 갖는 하측 방전 저지형 스너버 회로를 구비하고,
    상기 상측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기가 상기 부극성 전압 강하 수단의 타단에 접속되고, 상기 하측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기가 상기 정극성 전압 강하 수단의 타단에 접속되어 있으며,
    상기 콘덴서의 양단 사이에 도전로를 접속하고, 제어 전극에 제어 신호가 공급되었을 때 상기 도전로를 도통시키는 스위치 소자를 설치하고, 상기 콘덴서의 양단 사이에 직렬로 2개의 저항기를 접속하고, 이들 2개의 저항기의 접속점과 상기 제어 전극 사이에 상기 콘덴서의 양단 사이 전압이 미리 정한 값 이상이 되었을 때 상기 제어 전극에 상기 제어 신호를 공급하는 제어 신호 발생 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 인다이렉트 매트릭스 컨버터.
  4. 쌍방향 스위치 수단을 상측 및 하측 암으로서 직렬로 접속한 3개의 직렬 회로를 서로 병렬로 접속하고 상기 3개의 직렬 회로에 있어서의 상기 상측 및 하측 암의 쌍방향 스위치 수단의 접속점에 직렬 리액터와 병렬 콘덴서를 포함하는 입력 필터를 통해 3상 교류 전원이 접속되는 컨버터와,
    이 컨버터의 상기 3개의 직렬 회로로 이루어지는 병렬회로의 상기 상측 암측의 단부를 정극성 모선으로 하고 상기 하측 암측의 단부를 부극성 모선으로 한 직류 모선과,
    스위치 소자를 전류가 동일 방향으로 흐르도록 상측 및 하측 암으로서 직렬 접속한 3개의 직렬 회로를 상기 직류 모선 사이에 병렬로 접속하고 이들 3개의 직렬 회로에 있어서의 상기 상측 및 하측 암의 접속점에 3상 부하가 접속되는 인버터를 구비하는 인다이렉트 매트릭스 컨버터에 있어서:
    상기 정극성 모선에 일단을 접속한 정극성 전압 강하 수단과,
    상기 부극성 모선에 일단을 접속한 부극성 전압 강하 수단과,
    상기 정극성 전압 강하 수단의 타단과 상기 부극성 전압 강하 수단의 타단의 사이에 접속된 콘덴서와,
    상기 인버터의 상측 암의 스위치 소자 각각에 설치되어 다이오드, 콘덴서, 및 방전 저항기를 갖는 상측 방전 저지형 스너버 회로와,
    상기 인버터의 하측 암의 스위치 소자 각각에 설치되어 다이오드, 콘덴서, 및 방전 저항기 갖는 하측 방전 저지형 스너버 회로를 구비하고,
    상기 상측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기가 상기 부극성 전압 강하 수단의 타단에 접속되고, 상기 하측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기가 상기 정극성 전압 강하 수단의 타단에 접속되어 있으며,
    상기 콘덴서의 양단 사이에 도전로를 접속하고, 제어 전극에 제어 신호가 공급되었을 때 상기 도전로를 도통시키는 스위치 소자를 설치하고, 상기 콘덴서의 양단 사이 전압의 검출 수단을 설치하고, 이 검출 수단이 미리 정한 값 이상의 전압을 검출했을 때 상기 제어 전극에 제어 신호를 공급하는 제어 신호 발생 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 인다이렉트 매트릭스 컨버터.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 정극성 전압 강하 수단, 상기 부극성 모선에 일단을 접속한 부극성 전압 강하 수단, 상기 콘덴서, 및 상기 상측 및 하측 방전 저지형 스너버 회로를 상기 상측 및 하측 방전 저지형 스너버 회로의 방전 저항기를 제외하고 1개의 패키지에 수용한 것을 특징으로 하는 인다이렉트 매트릭스 컨버터.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 정극성 전압 강하 수단, 상기 부극성 전압 강하 수단, 및 상기 콘덴서를 모듈화한 것을 특징으로 하는 인다이렉트 매트릭스 컨버터.
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