KR101403070B1 - 전력 라인의 전류를 제한하고 및／또는 차단하는 스위칭 모듈 - Google Patents

전력 라인의 전류를 제한하고 및／또는 차단하는 스위칭 모듈 Download PDF

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Abstract

중간 또는 고 전압 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에서 사용하게 의도된 스위칭 모듈 (38) 은, 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트 (1, 2), 스위칭 제어 신호에 따라, 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트를 따로따로 켜고 끄게 구성된 게이트 유닛 (31), 및 게이트 유닛의 전원 공급 입력단 (29) 에 전력을 제공하게 구성된 에너지 저장 커패시터 (25) 를 포함한다. 스위칭 모듈은 광학적 전력 신호를 수신하며, 광학적 전력 신호를 전기적 전력 신호로 변환하고 전기적 전력 신호를 에너지 저장 커패시터 (25) 에 제공하는 추가의 전력 변환 수단 (20) 을 포함한다.

Description

전력 라인의 전류를 제한하고 및／또는 차단하는 스위칭 모듈{SWITCHING MODULE TO LIMIT AND/OR BREAK THE CURRENT OF AN ELECTRIC POWER LINE}
본 발명은, 스위칭 모듈이 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트, 스위칭 제어신호에 따라 적어도 하나의 전력 반도체 스위치를 따로따로 켜고 끄게 구성된 게이트 유닛, 및 게이트 유닛의 전원 공급 입력단에 전력을 제공하게 구성된 에너지 저장 커패시터를 포함하는, 송전 또는 배전 라인을 통해 흐르는 전류를 제한하고 및/또는 차단하는 디바이스에서 사용하게 구성된 스위칭 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 원래는 고 전압 직류 (HVDC) 브레이커들 및 전류 제한기들의, 즉 50 kV를 초과하는 전압 레벨에 있는 송전 라인을 통해 흐르는 직류를 제한하고 및/또는 차단할 수 있는 스위칭 디바이스들의 분야에서 유래한다. 그러나, 본 발명은 또한 중간 전압 DC 배전용, 즉 약 1 kV 및 50 kV 사이의 DC 전압 범위용 브레이커들에 적용가능하고, 본 발명의 양방향성 실시형태들은 임의의 전압 레벨에서 AC 송전 및 배전용 브레이커들에도 적용가능하다.
EP 0867998 B1에서, 적어도 하나의 주 전력 반도체 스위치 및 서지 피뢰기 (surge arrester) 로서 작동하는 비선형 저항기의 병렬 접속물을 포함하는 고체-상태 DC 브레이커가 기재된다. 이 DC 브레이커가 DC 전송 또는 배분 라인에서의 DC 전류를 인터럽트하게 작동될 때, 적어도 하나의 주 전력 반도체 스위치는 DC 전류를 방향을 비선형 저항기로 바꾸고 그러면 비선형 저항기는 DC 라인에서의 저장된 에너지를 소멸시키는 것에 의해 DC 전류를 감소시킨다. PCT/EP2009/065233에서, 주 전력 반도체 스위치 및 서지 피뢰기의 병렬 접속물에 병렬로, 기계적 고속 스위치 및 적어도 하나의 보조 전력 반도체 스위치의 직렬 접속물을 포함하는 다른 고체-상태 DC 브레이커가 제시된다.
실사용에서, 이러한 고체 상태 DC 브레이커들은, DC 송전 또는 배전 시스템들의 전압 레벨에 적용가능하기 위하여, 상당한 수의 직렬 접속된 주 전력 반도체 스위치들을 포함할 필요가 있는데, 단일 전력 반도체 스위치가 비교적 낮은 정격 전압을 가져서이다. 직렬 접속된 주 전력 반도체 스위치들의 수는, 수백 kV의 HVDC 전압 레벨의 경우에 쉽사리 수백에 이를 수 있다.
본 발명에 관하여, 주 전력 반도체 스위치들 양쪽 모두뿐만 아니라 어쩌면 존재하는 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 보조 전력 반도체 스위치들 각각은 스위칭 모듈을 나타낸다, 즉 그것들은, 하나의 또는 수개의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들 외에, 게이트 유닛 및 에너지 저장 커패시터를 포함한다. 이러한 스위칭 모듈들은 예를 들어 EP 0 868 014 B1에서 상세히 기재되는데, 거기서는 에너지 저장 커패시터가 DC/DC 컨버터를 통해 게이트 유닛의 전원 공급 입력단에 접속된다. 커패시터에 저장된 에너지는 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트를 켜고 끄는 그것의 일반적인 동작을 위해 게이트 유닛에 의해 요구된 DC 공급 전압으로 DC/DC 컨버터를 통해 변환된다. 에너지 저장 커패시터 자체는 이른바 고 전압 기본 회로에 접속된다, 즉 그것은 동일한 회로에 접속되고 이에 의해 동일한 고 전압 레벨에 특정 스위칭 모듈의 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트로서 접속된다. 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트가 차단 - 즉 비-도통 - 스위칭 상태에 있을 때마다, 에너지 저장 커패시터는 충전된다.
주 및/또는 보조 전력 반도체 스위치들을 포함한 DC 브레이커들 및 DC 전류 제한기들에 관하여, 스위칭 엘리먼트들의 게이트 유닛들을 공급하는 이 공지의 방법은 문제가 있어 보이는데, 정상적인 동작 조건들 하에서 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기는 스위칭 동작에 대한 어떠한 필요 없이 장기간, 바람직하게는 일 년 또는 심지어 그 이상 동안 도통되어야 해서이다. 따라서, 그것들의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들의 적어도 일부는 영구적으로 통전 중이며, 이에 의해 대응하는 에너지 저장 커패시터들의 요구된 충전 또는 재충전을 허용할 차단 상태를 제공하지 못한다. 이는 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들이 작동되어야 하는 경우에 필요한 만큼의 전력이 게이트 유닛에 공급되는 것을 보장하기 어렵게 만든다. 덧붙여서, DC 브레이커를 작업에 투입하는 것은 보통, 대응하는 송전 또는 배전 라인이 나중에 DC 그리드로부터 분리되고, 이에 의해 기본 회로를 제로 전압으로 둔다는 것을 의미한다. 따라서, DC 브레이커의 스위칭 모듈들의 에너지 저장 커패시터들의 충전 또는 재충전은 브레이커가 열렸을 때의 드물고 짧은 기간들 동안만 가능하다. 에너지 저장 커패시터들의 반복되는 정기적인 충전이 보장되지 않는다면, 해당 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 신뢰도는 현저히 줄어든다.
전력 반도체 스위치들의 게이트 유닛들에 전력을 제공하는 다른 해법은 중간 전압 컨버터 애플리케이션들로부터 알려져 있는데, 거기서는 펄스 변압기들 (pulse transforms) 을 통한 원격 전원 공급부가 사용된다, 즉 전원 공급부는 기본 회로와는 독립적으로 동작한다. 그러나, 이 해법은 디자인 및 비용 이유들 때문에 고 전압 레벨들에 적용 불가능한데, 모든 펄스 변압기의 절연이, 고 전압 애플리케이션들의 경우 수 백 kV를 의미하는 공칭 DC 전압은 적어도 견딜 필요가 있어서이다. 고 전압 DC 브레이커들의 경우, 여는 액션 동안의 과전압 스트레스는 DC 전압의 거의 두 배의 절연 레벨까지도 필요로 한다.
본 발명의 목적은, DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에서 특히 HVDC 애플리케이션들을 위해 사용하여, 스위칭 모듈의 신뢰도 및 이에 의한 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 신뢰도를 증가하기 위한 스위칭 모듈에 대한 해법을 제시하는 것이다.
이 목적은 광학적 전력 신호를 통해 전력을 수신하며, 광학적 전력 신호를 전기적 전력 신호로 변환하고 전기적 전력 신호를 에너지 저장 커패시터에 제공하게 구성된 전력 변환 수단을 더 포함하는 스위칭 모듈에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 광학적 전원 공급부를 에너지 저장 커패시터에 제공하는 것에 의해, 게이트 유닛의 전원 공급부가 기본 회로에서의 전압 조건들에 독립하게 만들어진다. 이에 의해, 에너지 저장 커패시터의 충전 및 재충전은 소정의 간격들로 정기적으로 일어날 수 있으며, 그래서 요구될 때마다 대응하는 전력 반도체 스위칭 엘리먼트 또는 엘리먼트들을 동작시키기 위해 필요한 만큼의 전력이 게이트 유닛에 이용가능하게 되는 것이 항상 보장될 수 있다. 이러한 스위칭 모듈을 포함하는 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 조작성 (operability) 및 신뢰도는 이에 의해 상당히 증가된다. 광섬유 케이블을 통해 송신되는 광학적 전력 신호, 즉 광, 바람직하게는 레이저 광이 전기적 전력 신호 대신 사용되므로, 위에서 설명된 펄스 변압기 해법의 절연 문제는 극복된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 광학적 전력 신호는 1 Watt 미만의 저 전력 신호이다. 저 전력 장비가 보통 더 높은 전력 레벨들을 위한 장비에 비해 더 큰 신뢰도를 특징으로 하므로, 저 전력 광학적 전원 공급부의 사용은 스위칭 모듈의 신뢰도를 더 증가시키는 것을 도와준다.
저 전력 광학적 전원 공급부가 사용되면, 게이트 유닛의 내부 전력 수요를 낮은 레벨로 유지하기 위해 특정 조치가 취해질 필요가 있다. 이를 달성하는 바람직한 방도는 게이트 유닛에 의해 수행되는 기능들의 수를 최소 레벨로 줄이는 것이다.
배경기술에서 언급된 바와 같이, DC 배전 및 송전 시스템들의 중간 및 고 전압 레벨들에 적용가능한 오늘날의 DC 브레이커들 또는 DC 전류 제한기들은, 상당한 수의 직렬 접속된 스위칭 모듈들을 포함할 필요가 있다. 직렬 접속들에서, 동적 및 과도 프로세스들 동안의 동등한 전압 배분의 문제는 상이한 스위칭 모듈들의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들의 상이한 스위칭 특성들 때문인 스위칭 모듈의 일부에 대한 원치않는 전압 스트레스를 피하기 위해 중요하다.
고 전압 컨버터 밸브들에서 수개의 전력 반도체 스위치들이 직렬로 접속되고 각각의 전력 반도체 스위치에는 자기 소유의 게이트 유닛이 장비되는, 상기 고 전압 컨버터 밸브들에서 공지의 게이트 유닛들이 수행하는 기능들 중 하나는, 동적 및 과도 프로세스들 동안 직렬 접속된 스위치들 사이의 동등한 전압 배분을 보장하는 것이다.
이 기능은 게이트 유닛에 의해 수행되지 않지만 대신 스위칭 모듈에 들어 있고 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트에 병렬로 접속되는 RCD 스너버에 의해 수행되는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른다. RCD 스너버 회로는 적어도 하나의 저항기, 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 다이오드를 포함한다. RCD 스너버들은 이 기술분야에서 알려져 있고 예를 들어 WO 96/27230에서 개시된다. RCD 스너버는 단방향성 및 양방향성 스위칭 모듈들 (아래 참조) 모두를 위해 구성될 수 있는데, 단방향성 RCD 스너버는 하나의 전류 방향을 위한 직렬 접속의 다이오드 및 커패시터, 다이오드와 병렬인 저항기를 포함하고, 양방향성 RCD 스너버는 다른 전류 방향을 위한 직렬 접속의 다이오드 및 커패시터 외에, 다이오드와 병렬인 저항기도 포함한다.
전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 꺼짐 동안, 스위칭 엘리먼트를 통과하는 전류는 스너버 다이오드들 중 전류 방향에 대응하는 하나의 스너버 다이오드를 통해, 전류의 방향을 적어도 하나의 스너버 커패시터로 바꾼다. 위의 배경기술에서 설명되는 바와 같이, DC 브레이커는 서지 피뢰기로서 작동하는 비선형 저항기와는 함께 병렬로 접속되는 수개의 직렬 접속된 스위칭 모듈들의 그룹을 일반적으로 포함한다. DC 전류 제한기는 수개의 이러한 그룹들을 포함한다. DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기가 동작될 때, 이들 그룹들의 스위칭 모듈들은 동시에 꺼진다. 따라서, 스너버 회로로의 전류의 동일한 커뮤테이선 (commutation) 이 그룹 당 직렬 접속된 스위칭 모듈들의 모두에 대해 일어난다. 그 결과, 그룹 당 스너버 커패시터 전압들의 합이 그 그룹의 피뢰기가 전류를 탈취할 만큼 충분히 높기까지 각각의 그룹의 스너버 커패시터들은 충전된다. 스위칭 모듈들의 그룹들이 다시 스위치 온 될 (켜질) 때, 스너버 커패시터들은 대응하는 스너버 저항기들을 통해 방전된다. 이는 특정 손실이 생기게 하는데, 그러나, 이 손실은 DC 브레이커 및 DC 전류 제한기의 동작 액션의 드문 발생으로 인해 DC 브레이커 및 DC 전류 제한기 애플리케이션들에서 관련성이 없다.
동등한 동적 전압 배분 외에도, RCD 스너버는 얼마간의 추가의 이점들을 가진다. RCD 스너버에 적어도 하나의 커패시터가 존재함으로 인해, 대응하는 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트에 걸리는 전압의 상승 레이트가 제한된다. 그 결과, 예를 들어 직렬 접속된 스위칭 모듈들 간에 상이할 수도 있는 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들의 개개의 꺼짐 지연들과 같은 개개의 스위칭 특성들은, 더 이상의 관심사가 아니다.
덧붙여서, 전압의 제한된 상승 레이트는 아래에 설명되는 병렬 접속의 IGBT 또는 BIGT 모듈들과의 접속에서 그것의 이점을 나타내는데, 이는 이번에도 상이한 스위칭 지연들이 더 이상 관심사가 아니며, 이에 의해 모듈들 사이의 고 주파수 발진들을 손상시킬 위험을 없애서이다. 대체로, RCD 스너버로 인해, 고른 전압 배분 및 가능한 고 주파수 발진들을 담당하는 복잡하고 전력을 요구하는 게이트 유닛을 동시에 준비할 필요 없이, IGBT 또는 BIGT 모듈들을 서로 직렬로 및/또는 병렬로 접속시키는 것이 가능하게 된다고 말할 수 있다.
RCD 스너버의 추가의 이점은, 전력 반도체 엘리먼트가 꺼질 때, 스너버 커패시터가 전압을 제로에서 시작하게 한다, 즉 스위칭이 제로 전압에서 수행된다는 것이다. 그 결과, 브레이커 또는 DC 전류 제한기를 끄는 동안에 그러므로 동작 동안에 적은 순간 손실이 발생된다. 감소된 손실은 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 열 한도에 도달되기 전에 더 높은 꺼짐 전류들 및/또는 더 큰 수의 반복 스위치 이벤트들을 허용한다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 게이트 유닛은, 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 게이트를 구동하는데 필요한 양극성 DC 전압을 생성하고 출력하는 H-브리지를 통해 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 게이트에 접속되며, 여기서 H-브리지는 단극성 DC 전압을 공급받고 대칭 양극성 DC 전압, 예를 들어 ± 15V를 출력한다. 이 실시형태에 따르면, 게이트 유닛은, 이극 DC 전압들로 그리고 이에 의해 두 개의 내부 전원 공급부들로 내부적으로 동작하는 EP 0 868 014 B1에서 알려진 게이트 유닛과는 대조적으로, 단극성 DC 전압으로 내부적으로 동작할 수 있다. 단극 동작 DC 전압을 이용하면 게이트 유닛의 내부 전력 수요를 한층 더 줄이고 게이트 유닛을 낮은 전원 공급부 레벨과 함께 사용되기에 더욱 더 적합하게 만든다. H-브리지 대신 두 개의 내부 전원 공급부들을 이용할 때, 비대칭 DC 전압들이 게이트 유닛에 의해 생성될 수 있다, 예를 들어 +18V 및 -5V이 생성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 스위칭 모듈은 수신된 전기적 전력 신호로부터 전기적 제어 신호를 분리하고 전기적 제어 신호를 게이트 유닛에 제공하게 구성되는 제어 신호 검출기를 더 포함한다. 다르게 말하면, 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들을 켜거나 또는 끄는 것을 게이트 유닛이 개시하게 하는 스위칭 제어 신호를 특히 포함하는 제어 신호가, 또한 전력 신호를 포함하는 동일한 광학적 신호에 통합되고 그 제어 신호는 전력 변환 수단에 의한 신호 변환 후 전기적 전력 신호에 여전히 포함된다. 이런 식으로, 부가적인 광 섬유 케이블의 요구는 필요 없게 된다.
본 발명의 추가의 실시형태에 따르면, 스위칭 모듈의 게이트 유닛은 스위칭 모듈의 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트의 기능성에 대한 스테이터스 정보를 생성하게 구성되고 스위칭 모듈은 스테이터스 정보를 광학적 정보 신호로 변환하고 광학적 정보 신호를 중앙 제어 유닛에 보내게 구성된 신호 변환 수단을 더 포함한다. 스테이터스 정보가 광학적으로 보내지는 것은, 스위칭 모듈들이 수백 kV까지의 고 전압 레벨로 구성된 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기 애플리케이션에 있다는 사실 때문이다. 광 통신을 사용하면 디자인을 단순화하고 통신 시스템의 신뢰도를 증가시킨다.
스테이터스 정보를 중앙 제어 유닛에 제공하는 것에 의해, 중앙 제어 유닛이, 예를 들어, 추가의 조사를 요구하는 미심쩍은 스테이터스가 보고되는 경우에 특정 테스트 루틴을 시작하도록 제어 신호를 되돌려 보냄으로써 각각의 접속된 스위칭 모듈을 개별적으로 처리하는 것이 가능하게 된다. 중앙 제어 유닛은, 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 디바이스를 켜기 및 끄기를 개시하는 위에서 언급된 제어 신호를 동시에 생성할 수도 있다. DC 브레이커 및 DC 전류 제한기 애플리케이션들에서, 스위칭 모듈들의 스위칭은 충분한 수의 스위칭 모듈들이 스위칭에 대한 준비가 되기까지 수십 마이크로 초까지 지연될 수 있는데, DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 실제 동작이 예를 들어 컨버터 애플리케이션에서 요구된 것보다 덜 즉각적으로 일어날 필요가 있어서이다. 그 결과, 스위칭 모듈들은 가능한 한 동시에 켜지거나 또는 꺼지는 것이 보장될 수 있다. 다르게 말하면, 스테이터스 정보를 중앙 제어 유닛과 교환하는 것에 의해, 중앙 제어 유닛 및 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 모든 스위칭 모듈들 사이에 핸드셰이크 프로토콜을 구현하는 것이 가능하게 되는데, 여기서 핸드셰이크 프로토콜은 게이트 유닛들을 작동하게 하고 동기화시키며, 모든 또는 - 불필요한 중복의 경우에- 충분한 스위칭 모듈들이 준비된 때에만 실제 켜짐 또는 꺼짐 제어 신호를 보낸다.
스위칭 모듈의 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트는, 스위칭 모듈이 사용되는 것일 경우의 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 작동 및 비용 요구사항들에 의존하여, 다른 유형 및 디자인으로 될 수 있다. 다음에서, 일부 바람직한 유형들이 간략히 설명되는데, 그것들은 단방향성 또는 양방향성 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에서 사용되기에 적합할 수 있다. 양방향성 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에 적용가능하게 되기 위하여, 단방향성 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들은 복제될 것이 필요하고, 복제물은 대향 전류 방향을 위해, 즉 원래의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트에 대한 역-병렬 또는 역-직렬 방향으로 구성될 것이 필요하다.
적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 하나의 단방향성 유형에서, 스위칭 엘리먼트는 하나의 제 1 IGBT, 또는 수개의 IGBT 뿐만 아니라 하나의 제 1 다이오드의 제 1 병렬 접속물, 또는 수개의 다이오드들의 제 1 병렬 접속물을 포함하는 제 1 모듈을 포함하며, 여기서 다이오드 또는 다이오드들은 IGBT 또는 병렬 접속의 IGBT와는 역-병렬로 접속된다. 하나의 또는 수개의 병렬-접속된 IGBT 및 다이오드들이 사용되는 경우, 전력 반도체 스위칭 엘리먼트로 달성되는 것은 전류 레벨에 의존한다, 즉 병렬-접속된 IGBT 및 다이오드들의 수가 더 클수록 정격 전류가 더 커지며, 여기서 모든 병렬-접속된 IGBT는 동일한 게이트 유닛을 통해 제어된다.
양방향성 전력 반도체 스위칭 엘리먼트가 적합한 수의 상기 모듈들을 역-병렬 또는 역-직렬 접속으로 접속하는 것에 의해 달성될 수 있는데, 여기서 역-병렬 접속은 IGBT가 역 차단 능력을 갖는 경우에 가능하다. 다르게 말하면, 그때 스위칭 모듈은 제 1 모듈과는 역-병렬 또는 역-직렬로 접속된 적어도 하나의 제 2 모듈을 더 포함하며, 제 2 모듈은 하나의 제 2 IGBT, 또는 수개의 IGBT 및 하나의 제 2 다이오드의 제 2 병렬 접속물, 또는 수개의 다이오드들의 제 2 병렬 접속물을 포함하고, 여기서 다이오드 또는 다이오드들은 다시 IGBT 또는 병렬 접속의 IGBT와는 역-병렬로 접속된다.
제 1 및 제 2 모듈들은 실사용에서 IGBT 및 다이오드들의 칩들의 상이한 물리적 패키징 개념들에 기초할 수도 있다. 어느 쪽이든, 각각의 모듈은 통합된 IGBT 및 대응하는 역-병렬 다이오드들을 포함하는 하나의 단일 패키지에 대응하거나, 또는, 동일한 전류 방향의 모든 병렬 접속된 IGBT는 하나의 패키지에 통합되고 동일한 전류 방향의 모든 병렬 접속된 다이오드들은 다른 패키지에 통합된다. 후자의 디자인은 제 1 디자인에 관련하여 발생할 수도 있는 문제를 극복할 것이다. 제 1 디자인에서, 상이한 패키지들의 다이오드들은 상이한 생산 사이클들에 기인할 수도 있고, 그러므로 그 다이오드들은 그것들의 특성들, 이를테면 순방향 전압 강하에서 약간 상이할 수도 있다. 다이오드들이 음의 온도 계수를 가지므로, 상이한 순방향 전압 강하들이 다이오드들 사이에서 원치않는 전류 흐름을 발생할 수도 있고 이는 다이오드 칩들의 이른바 열 폭주 (thermal runaway), 즉 전류 흐름을 더욱 더 증가시키는, 전류 흐름으로 인한 온도에서의 증가가 일어나게 할 것이다. 제 2 디자인에서 제안된 바와 같이 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 동일한 전류 방향의 모든 병렬 다이오드들이 동일한 패키지에 통합되는 경우, 그것들의 특성들이 가능한 한 서로 가깝게 매칭되고, 이에 의해 열 폭주의 위험을 최소화하는 것이 보장된다.
전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 위에서 설명된 유형의 특수한 실시형태에서, 다이오드들은 라인 정류형 다이오드들이다. 일반적으로, 이른바 빠른 복구 다이오드들이 IGBT용 역-병렬 다이오드들로서 사용되는데, IGBT가 일반적으로 의도되는 빠른 스위칭 애플리케이션들에 그것들이 특히 적합해서이다. 그러나, DC 브레이커들 및 DC 전류 제한기들의 경우, 빠른 스위칭 액션들은 요구되지 않고, 그래서 표준 50 Hz 정류기 애플리케이션들에서 알려진 것과 같은 라인 정류형 다이오드들이 대신 사용될 수도 있다. 라인 정류형 다이오드들이 빠른 복구 다이오드들에 비하여 더 낮은 전압 강하를 가지므로, 위에서 설명된 제 1 및 제 2 모듈들의 손실이 감소될 수도 있다. 덧붙여서, 라인 정류형 다이오드들은 더 적은 비용이 든다.
대체하는 단방향성 유형의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트에서, 스위칭 엘리먼트는 하나의 제 1 역 도통 IGBT, 또는 수개의 역 도통 IGBT의 제 1 병렬 접속물을 구비하는 제 1 모듈을 포함한다. 역 도통 IGBT에서, IGBT와 역-병렬 다이오드 기능은 하나의 공통 칩에 직접 통합된다. 역 도통 IGBT는 예를 들어 유럽 특허 출원 09159009.1에 기재되어 있고 또한 바이-모드 절연 게이트 트랜지스터 (Bi-mode Insulated Gate Transistor; BIGT) 라 지칭된다. 위에서 언급했듯이, 수개의 이러한 BIGT의 병렬 접속물은 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 더 높은 정격 전류를 가능하게 한다.
양방향성 전력 반도체 스위칭 엘리먼트는 둘 이상의 BIGT-모듈들을 역-직렬 접속으로 접속시킴으로써 달성될 수 있다. 따라서, 위의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트가 제 1 모듈과는 역-직렬 접속으로 접속된 제 2 모듈을 더 포함하며, 제 2 모듈은 하나의 제 2 역 도통 IGBT, 또는 수개의 역 도통 IGBT의 제 2 병렬 접속물을 포함하는 것이 제안된다.
개별 IGBT 및 역-병렬 다이오드들 대신 BIGT의 사용은 수개의 이점들을 나타낸다.
하나의 이점은 통합된 다이오드의 순방향 전압 강하가 양의 온도 계수를 보여주고, 그래서 가능한 열 폭주의 문제를 피할 수 있다는 것이다.
BIGT에 기초한 양방향성 DC 브레이커의 특수한 실시형태의 경우, 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들은 각각이 역-직렬 접속의 두 개의 BIGT를 포함하며, 여기서 두 개의 BIGT는 하나의 동일한 패키지에 세로방향으로 통합된다. 전형적인 양방향성 DC 브레이커 애플리케이션에서, 전류가 상당히 긴 기간 동안 하나의 동일한 방향으로 흐른다는 것은, 개별 다이오드를 갖는 공통 IGBT의 경우에, 양방향성 DC 브레이커의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들의 실리콘 영역이 부분적으로만 사용된다는 것을 의미한다. 그것과는 대조적으로, 세로방향 통합으로 인해, 양방향성 BIGT 패키지들의 실리콘 영역은, 동일한 전류 정격 (current rating) 에 대한 최소 수의 칩들 또는 패키지 당 주어진 수의 칩들에 대한 전류 능력의 증가가 일어나게 하는데 충분히 유용될 수 있다.
제 3의 이점은 다이오드의 기능성이 개별 IGBT 및 다이오드의 경우에서보다 BIGT의 경우에 더 쉽게 모니터링될 수 있다는 것이다.
대체로, 역-병렬 다이오드 또는 다이오드들의 차단 기능성의 테스트를 수행하게 구성되고 이에 의해 전력 반도체 스위칭 엘리먼트에서의 대응하는 IGBT가 정상 동작에 이용가능한지의 여부를 나타낼 수 있는 부가적인 다이오드 모니터링 수단을 스위칭 모듈에 제공하는 것이 유익하다. 이것이 권고되는데 역-병렬 다이오드, 또는 다이오드들이, 대응하는 IGBT가 꺼지거나 또는 비-도통 상태에 있을 때 브레이크 다운되는 일이 드물게 일어나 심각한 결과를 초래할 수 있어서이다. 빠른 스위칭 애플리케이션들에서, 대응하는 IGBT가 비 도통 상태에 있고 주 전류가 다이오드를 통해 흐르지 않을 때 다이오드들의 차단 기능성을 빈번하게 테스트하는 것이 가능하다. 그러나, DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에서, IGBT의 적어도 부분이 지속적으로 켜져 있는 경우, 이는 대응하는 다이오드들에 대해 동일한 방식으로 가능하지 않다. 그럼에도 불구하고, DC 브레이커를 열기 전에 또는 DC 전류 제한기가 동작을 하도록 하기 전에 결함있는 다이오드들에 관한 정보를 얻는 것이 중요한데, 이러한 결함있는 다이오드들이 치명적인 손상이 생기게 할 수 있어서이다.
그러므로, 개별 IGBT 및 다이오드들을 포함하는 스위칭 모듈들에 대해, 대응하는 IGBT가 꺼지고 주 전류가 모니터링할 다이오드 또는 다이오드들을 통해 흐르지 않을 때마다, 다이오드 또는 다이오드들의 차단 기능성을 모니터링하게 적응구성되는 다이오드 모니터링 수단을 제공하는 것이 제안된다. 다르게 말하면, 테스트가 가능한 한 자주 수행되는데, 이는, 일부 DC 브레이커 구성들의 경우, 테스트가 유지관리 동안만 수행될 수 있지만, 다른 구성들, 이를테면 PCT/EP2009/065233에 기재된 DC 브레이커의 경우, 테스트는 1차 전류를 운반하지 않는 그런 스위칭 모듈들에 대해 지속적으로 수행될 수 있음을 의미한다. 테스트는 단순히 미소한 양의 테스트 전압을 꺼진 IGBT의 순방향으로 인가하는 것과 이 전압이 유지되는지 또는 그것이 감소하고 어쩌면 다이오드의 고장으로 인해 브레이크 다운되는지를 점검하는 것을 포함한다. 후자가 발생하면, 고장 정보가, 예를 들어 게이트 유닛에 의해 발생되고, 광학적 정보 신호로서 중앙 제어 유닛에 전송될 수 있다. 위에서 설명된 RCD 스너버에 관련하여, 역-병렬 다이오드들의 기능성을 테스트하는 추가의 방법이 가능하게 되는데, 직렬 접속의 수개의 스위칭 모듈들을 포함하는 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에서, 이 추가의 테스트는 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기가 켜지고 전류가 직렬-접속된 IGBT를 통해 순방향으로 흐를 때 수행된다. 다이오드들의 기능성을 테스트하는 경우, 꺼진 IGBT를 통해 흐르는 전류가 대응하는 RCD 스너버 회로로 향하기 시작할 때까지 및 RCD 스너버에 걸리는 전압이 약간 상승하기 시작할 때까지, 하나의 또는 수개의 직렬-접속된 IGBT는 이제 매우 짧은 기간, 바람직하게는 2 마이크로 초 동안 능동적으로 꺼질 수 있다. 전압 상승이 검출되자마자, 하나의 또는 수개의 IGBT는, 미리정의된 전압 한계가 초과되는지 여부를 점검하는 것에 의해 간단한 방법으로 전압 상승이 검출될 수 있을 때, 다시 스위치 온되는데, 여기서 전압 한계는 바람직하게는 2백 V, 최대 수 kV까지의 비교적 낮은 전압 레벨에 있다. 전압 상승이 검출될 수 없다면, 고장 정보가 발생된다. 이런 식으로, DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 동작으로 방해받지 않고 스위칭 모듈들에서의 다이오드들의 테스팅은 가능하게 된다.
상기한 바로부터 명백하게 되듯이, 개별 IGBT 및 다이오드들을 갖는 스위칭 모듈 구성에 대해 다이오드들의 차단 능력에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 생성하는 것은 일반적으로 어렵다. 그것과는 대조적으로, 대응하는 IGBT의 켜짐 및 꺼짐 상태들 모두 동안에 BIGT에서의 통합된 다이오드 기능의 고장을 검출하는 것은 가능하다. DC 브레이커 애플리케이션들에서 BIGT의 실질적으로 모든 동작 상태들 동안 BIGT에서의 실패하는 또는 실패된 다이오드 기능의 가능한 검출은, 결함있는 통합된 다이오드 기능이 대응하는 IGBT의 게이트-이미터 전압의 명백한 나빠짐 또는 심지어 브레이크 다운에 의해 관측될 수 있다는 사실에 기인한다. 그러므로 증가된 게이트 이미터 누설 전류가 BIGT의 다이오드 기능 또는 IGBT의 돌이킬 수 없는 손상에 대한 지시 또는 모니터로서 사용될 수 있다. 따라서, BIGT를 포함하는 스위칭 모듈의 제안된 다이오드 모니터링 수단은 켜진 또는 꺼진 역 도통 IGBT에 걸리는 게이트-이미터 전압이 브레이크 다운되는 경우에 고장 정보를 생성함으로써 역 도통 IGBT의 다이오드 기능 또는 다이오드 기능들의 차단 기능성을 모니터링하게 적응구성된다. BIGT의 켜짐 및 꺼짐 상태들 양쪽 모두에서 테스트를 수행하는 가능성 덕분에, 개별 IGBT 및 다이오드를 갖는 솔루션에 비해 BIGT에서의 다이오드 기능의 차단 능력에 대한 정보를 도출할 더욱 많은 기회들이 존재하며, 이에 의해 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기의 신뢰도를 상당히 증가시킨다.
RCD 스너버에 관련하여 위에서 논의된 동적 전압 배분 외에, 직렬 접속된 스위칭 모듈들의 정상-상태 전압 배분이 모듈들의 일부에 대한 증가된 전압 스트레스를 피하기 위하여 가능한 한 동일하게 유지된다면 그 또한 유익하다. 본 발명의 추가의 실시형태에 따르면, 그러므로 비선형 전압-제한 저항기가 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트와는 병렬로 접속되는 것이 제안된다. 이러한 비선형 전압-제한 저항기는 동등한 정상-상태 전압 배분을 보장할 뿐만 아니라, 그 외에도 직렬 접속된 스위칭 모듈들의 그룹의 피뢰기가 그 그룹의 스너버 회로들로부터의 전류를 인계할 때 과전압을 제한한다. 직렬 접속된 스위칭 모듈들의 그룹의 피뢰기는 다음에서는 주 피뢰기라고 지칭된다. 스위칭 모듈에서의 비선형 전압 제한 저항기의 추가의 이점들은, 그 모듈의 스너버 커패시터의 사이즈의 감소를 허용한다는 점, 상이한 모듈들 간에 더 큰 커패시터 허용오차들이 가능하다는 점, 및 주 피뢰기에 대한 전류 정류 경로의 기계적 디자인을 단순화시킨다는 점이다.
본 발명과 그것의 실시형태가 첨부 도면들을 참조하여 이제 설명될 것인데, 도면들 중에서,
도 1은 단방향성 애플리케이션들을 위해 구성된 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 제 1 베이스 엘리먼트를 보여준다,
도 2는 양방향성 애플리케이션들을 위해 구성된 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 제 2 베이스 엘리먼트를 보여준다,
도 3은 양방향성 애플리케이션들을 위해 구성된 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 제 3 베이스 엘리먼트를 보여준다,
도 4는 양방향성 애플리케이션들을 위해 구성된 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 제 4 베이스 엘리먼트를 보여준다,
도 5는 DC 브레이커에 대한 제 1 예시를 보여준다,
도 6은 DC 브레이커에 대한 제 2 예시를 보여준다,
도 7은 DC 전류 제한기에 대한 일 예를 보여준다,
도 8은 스위칭 모듈의 제 1 실시형태를 보여준다,
도 9는 스위칭 모듈의 제 2 실시형태를 보여준다,
도 10은 스위칭 모듈의 제 3 실시형태를 보여준다,
도 11은 스위칭 모듈의 제 4 실시형태를 보여준다,
도 12는 중앙 제어 유닛과 DC 브레이커의 스위칭 모듈들의 구성을 보여준다,
도 13은 스위칭 모듈의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들의 구성을 보여준다.
도 1은 단방향성 애플리케이션들을 위해 구성된 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들을 포함하는 제 1 베이스 엘리먼트 (6a) 를 보여준다. 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들은 제 1 전류 방향 (4) 의 IGBT (1) 와 IGBT (1) 에 역-병렬로 접속된 환류 (free-wheeling) 다이오드 (2) 이다.
도 2에서, 제 2 베이스 엘리먼트 (6b) 는 제 1 전류 방향 (4) 의 IGBT (1) 및 제 2 대향 전류 방향 (5) 의 IGBT (3)의 병렬 접속물을 포함하는 것임을 알 수 있다. 따라서, 제 2 베이스 엘리먼트 (6b) 는 양방향성 애플리케이션들에 적합하다.
도 3에서, 직렬 접속의 제 1 전류 방향의 IGBT (1) 및 대향하는 제 2 전류 방향의 IGBT (3) 를 포함하는, 다르게 말하면 역-직렬 접속의 두 개의 IGBT인 제 3 베이스 엘리먼트 (6c) 가 보여진다. 각각의 IGBT는 각기 역-병렬로 접속되는 환류 다이오드 (2 및 7) 를 가진다. 베이스 엘리먼트 (6c) 는 양방향성 애플리케이션들에 적합하다.
제 4 베이스 엘리먼트 (6d) 가 도 4에서 보여진다. 그것은 BIGT (8) (Bi-mode Insulated Gate Transistor) 라고도 지칭되는 제 1 전류 방향의 역 도통 IGBT, 및 BIGT (8) 와는 직렬의, BIGT (9) 라고 지칭되는, 제 2 전류 방향의 역 도통 IGBT를 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들로서 포함한다. BIGT들 (8 및 9) 은 그에 따라 역-직렬 방식으로 접속되는데, 제 4 베이스 엘리먼트 (6d) 가 양방향성 애플리케이션들에 적합함을 의미한다.
베이스 엘리먼트들 (6a-6d) 은 도 5에 묘사된 예시에 따른 DC 브레이커 (14) 에서 사용될 수 있다. DC 브레이커 (14) 는 중간 또는 고 전압 애플리케이션들에 적합하고, 그것은 DC 배전 또는 송전 라인 (13) 과 직렬로 접속된다. 라인 (13) 에서의 1차 전류가 하나의 방향에서만 인터럽트될 필요가 있는 경우, 베이스 엘리먼트들 (6a) 이 사용될 수도 있지만, 라인 (13) 에서의 1차 전류가 가능한 양쪽 모두의 방향들에서 인터럽트될 필요가 있는 경우, 베이스 엘리먼트들 (6b 또는 6c 또는 6d) 이 사용되는 것이다. DC 브레이커 (14) 는 직렬-접속의 수십에서 수백까지의 - 전압 레벨에 의존하는 - 베이스 엘리먼트들 (6) 을 포함하는 메인 브레이커 (10), 뿐만 아니라 주 피뢰기 (11) 라고도 지칭되고 메인 브레이커 (10) 와는 병렬로 접속된 비선형 저항기를 포함한다. DC 브레이커 (14) 와는 직렬로, 리액터 (12) 가 라인 (13) 에서의 충방전율을 제한하기 위해 구성된다. 라인 (13) 의 정상적인 동작 조건들 하에서, 베이스 엘리먼트들 (6) 에서의 모든 IGBT 또는 BIGT은 켜진다, 즉 DC 브레이커 (14) 는 라인 (13) 의 1차 전류를 도통시킨다. 1차 전류가 인터럽트되는 경우, 예를 들어 라인 (13) 에서 장애가 발생한다면, 모든 IGBT 또는 BIGT가 동시에 꺼지고, 그 후에 1차 전류는 주 피뢰기 (11) 로 흐른 다음 전류를 제로로 감소시킬 것이다.
베이스 엘리먼트들 (6a-6d) 이 사용될 수도 있는, DC 브레이커 (17) 에 대한 다른 예시가 도 6에 보여진다. 메인 브레이커 (10) 및 주 피뢰기 (11) 외에도, 메인 브레이커 (10) 및 주 피뢰기 (11) 에 병렬로 접속된 직렬 접속의 고속 스위치 (15) 및 보조 브레이커 (16) 가 제공된다. 보조 브레이커 (16) 는 단지 하나의 베이스 엘리먼트 (6) 를 포함한다. 고속 스위치 (15) 는 기계적 스위치이다. DC 브레이커 (17) 와는 직렬로, 다시 시리액터 (12) 가 충방전율 (current rate) 제한을 위해 설치된다.
도 5 및 6의 DC 브레이커 구성들에서 사용되는 베이스 엘리먼트들 (6) 이 어느 하나의 유형 (6b, 6c 또는 6d) 의 양방향성 베이스 엘리먼트들인 경우, 동일한 구성들이 또한 AC 배전 또는 송전 라인들에 대한 AC 브레이커들로서 사용되기에 적합하다는 것을 아는 것은 흥미롭다.
도 7에서, DC 전류 제한기 (18) 에 대한 일 예가 보여지는데, 여기서 DC 전류 제한기 (18) 는 직렬 접속의 다수의 DC 브레이커들 (14) 을 포함한다. 다르게 말하면, DC 전류 제한기 (18) 는 직렬 접속된 베이스 엘리먼트들 (6) 의 다수의 그룹들을 포함하는데, 각각의 그룹은 베이스 엘리먼트들 (6) 과는 병렬로 주 피뢰기 (11) 를 포함한다. DC 전류 제한기 (18) 는 충방전율 제한 리액터 (12) 와 그리고 DC 배전 또는 송전 라인 (13) 과 직렬로 접속된다. 라인 (13) 에서의 1차 전류가 제한되거나 또는 감소되는 경우, 적합한 수의 DC 브레이커들 (14) 이 열리고, 그래서 대응하는 비선형 저항기들은 원치않는 양의 전기 에너지를 방산할 수도 있다. 그것의 가장 축소된 형태에서, DC 전류 제한기는, 다음에서 제 1 및 제 2 브레이커들이라고 지칭되는 두 개의 브레이커들 (14) 을 포함하여야 한다. 제 1 브레이커의 주 피뢰기의 보호 레벨은 라인 (13) 의 공칭 DC 전압 레벨에 대응한다. 라인 (13) 을 통과하는 전류가 제한되거나 또는 감소될 것일 때, 제 1 브레이커는 열릴 것이다. 제 2 브레이커의 주 피뢰기의 보호 레벨은 라인 (13) 의 공칭 DC 전압 레벨, 예를 들어 그것의 50% 미만의 값으로 설정될 수 있다. 제 1 브레이커가 열린 후, 제 2 브레이커는 제 2 브레이커 역시 여는 것에 의해 라인 (13) 에서의 전류를 인터럽트하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 이제 도 8 내지 도 12에 관하여 추가로 설명된다. DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기에서의 베이스 엘리먼트들 (6) 이 동작되도록 하기 위하여, 라인 (13) 의 스테이터스에 의존하여 중앙 제어 유닛에 의해 생성되는 제어 신호에 따라, 대응하는 IGBT 또는 BIGT을 켜지거나 또는 꺼지게 하는 이른바 게이트 유닛들이 요구된다. 따라서, DC 브레이커들 (14 또는 17) 의 또는 DC 전류 제한기 (18) 의 베이스 엘리먼트들 (6) 은 실제로 단순한 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들 이상의 것을 포함한다. 실제로, 각각의 베이스 엘리먼트 (6) 는 스위칭 모듈 (38) 에 의해 대체될 수 있는데, 여기서 스위칭 모듈 (38) 은 무엇보다도 게이트 유닛 (31) 을 포함한다. 각각의 실시형태에 대해 실제로 보여지는 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들이, 베이스 엘리먼트들 (6a-6d) 중 다른 적절한 하나의 베이스 엘리먼트에 속하는 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들에 의해 그리고 또한 아래에서 설명된 바와 같은 것들의 추가의 조합들에 의해 대체될 수 있는, 스위칭 모듈 (38) 의 상이한 실시형태들이 이제 설명될 것이다.
스위칭 모듈의 제 1 실시형태 (38a) 가 도 8에 묘사되고, 그것은 IGBT (1) 및 역-병렬 다이오드 (2) 외에, IGBT (1) 의 게이트에 접속된 게이트 구동 모듈의 제 1 실시형태 (30a) 를 포함한다. 게이트 구동 모듈 (30a) 은 포토다이오드 (20), DC/DC 컨버터 (22), 에너지 저장 커패시터 (25) 및 게이트 유닛 (31) 의 형태의 전력 변환 수단을 포함한다. 포토다이오드 (20) 는, 광학적 전력 신호를 수신하며, 광학적 전력 신호를 전기적 전력 신호로 변환하고 전기적 전력 신호를 DC/DC 컨버터 (22) 를 통해 에너지 저장 커패시터 (25) 에 제공하며, 이에 의해 IGBT (1) 및 다이오드 (2) 가 일부가 되는 기본 회로라고도 지칭되는 회로의 스테이터스 또는 스위칭 조건에 독립적인 전원으로부터 에너지 저장 커패시터 (25) 를 충전 또는 재충전하도록 구성된다. 광학적 전력 신호는 이에 의해 1 Watt 미만의 저 전력 신호이다.
에너지 저장 커패시터 (25) 는, IGBT (1) 의 게이트를 구동하는 요구된 에너지를 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 에 제공하기 위하여, 게이트 유닛 (31) 의 전원 공급 입력단 (29) 에 접속된다. 게이트 유닛은 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 외에도 게이트 유닛 제어 모듈 (27) 을 포함한다. 게이트 유닛 제어 모듈 (27) 은 제어 신호 검출기 (23) 로부터 전기적 제어 신호를 수신하는데, 제어 신호 검출기 (23) 는 포토다이오드 (20) 에 의해 출력되는 전기적 전력 신호로부터 전기적 제어 신호를 분리하도록 구성된다. 따라서, 포토다이오드 (20) 에 의해 수신된 광학적 전력 신호는 또한 전기적 신호로의 변환 후에 여전히 존재하는 광학적 정보 신호를 포함한다. 포토다이오드 (20) 는 제 1 광 섬유 케이블 (51) 을 통해 중앙 제어 유닛 (50) 에 접속된다 (도 12 참조).
게이트 유닛 제어 모듈 (27) 은 전기적 제어 신호를 처리하고 결과적인 켜기 또는 끄기 명령 신호를 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 에 출력하며, 게이트 드라이버 및 감독 모듈은 그에 따라 IGBT (1) 를 켜지거나 또는 꺼지게 한다. 게이트 유닛 제어 모듈 (27) 은 상이한 정보, 이를테면 IGBT (1) 의 스테이터스에 대해 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 에 의해 전달된 정보 및 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 의 전원 공급부에 관련된 엘리먼트들의 스테이터스에 대해 전력 감독 유닛 (26) 에 의해 전달된 정보, 즉 에너지 저장 커패시터 (25) 의 및 DC/DC 컨버터 (22) 의 스테이터스에 대한 정보를 추가로 수신한다. 이 상이한 정보는 게이트 유닛 제어 모듈 (27) 에 의해 처리된 다음 스테이터스 정보로서 신호 송신 모듈 (24) 을 통해 신호 변환 수단에 제공되는데, 신호 변환 수단은 이 예에서는 발광 다이오드 (21) 이다. 발광 다이오드 (21) 는 제 2 광 섬유 케이블 (52) 을 통해 중앙 제어 유닛 (50) (도 12 참조) 에 접속되며, 중앙 제어 유닛은 수신된 스테이터스 정보에 반응하여 광학적 전력 신호를 통해 보내진 제어 신호를 포토다이오드 (20) 에 맞게 조정할 수도 있다.
스위칭 모듈의 제 2 실시형태 (38b) 가 도 9에 보여지는데, 여기서 제 2 실시형태 (38b) 는 동일한 게이트 구동 모듈 (30a) 을 제 1 실시형태 (38a) 로서 포함한다. 도 8에는 보이지 않는 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 의 하나의 상세내용은 여기서 보여진다. 도 9로부터, 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 및 이에 의한 게이트 유닛 (31) 은 H-브리지를 통해 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트의 게이트에 접속되며, 전력 반도체 스위칭 엘리먼트는 여기서 역-병렬 다이오드 (2) 를 갖는 IGBT (1) 이고, H-브리지는 15 V의 단극성 DC 전압을 공급받고 ± 15 V의 양극성 DC 전압을 출력한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 게이트 유닛 (31) 의 내부 전력 수요는 어느 정도 감소된다.
제 1 실시형태 (38a) 외에, 스위칭 모듈의 제 2 실시형태 (38b) 는 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들과는 병렬의 비 선형 전압-제한 저항기 (32) 뿐만 아니라 직렬 접속의 다이오드 (33) 및 커패시터 (34) 로 구성된 RCD 스너버 회로뿐만 아니라 다이오드 (33) 와는 병렬의 저항기 (35) 를 담고 있고, 여기서 RCD 스너버 회로 자체는 또한 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트와는 병렬로 접속된다. 다이오드 (33) 의 배향은 IGBT (1) 의 배향과 동일하다. 예를 들어 베이스 엘리먼트들 (6) 이 스위칭 모듈들 (38) 로 교체될 때 DC 브레이커들 (14 및 17) 또는 DC 전류 제한기 (18) 에 적용가능할 것일 것처럼, RCD 스너버 회로는 직렬 접속의 수개의 스위칭 모듈들 (38) 에서의 동등한 동적 전압 배분을 주로 담당한다. 비선형 전압-제한 저항기 (32) 는 이러한 직렬 접속의 스위칭 모듈들 (38) 에서의 동등한 정상-상태 전압 배분을 주로 보장한다.
도 10에 따른 스위칭 모듈의 제 3 실시형태 (38c) 에서는, 글자 a에 의해 참조되는 제 1 모듈을 함께 형성하는 제 1 및 제 2 실시형태들 (38a 및 38b) 각자의 하나의 IGBT (1) 및 하나의 다이오드 (2) 외에도, 글자 b에 의해 참조되며 제 2 IGBT (1) 및 제 2 역-병렬 다이오드 (2) 를 포함하는 제 2 모듈이 제 1 모듈과는 역-직렬로 접속된다. 따라서, 스위칭 모듈 (38c) 은 양방향성 DC 브레이커 또는 양방향성 DC 전류 제한기에 적용될 수 있다.
이미 설명된 바와 같이, IGBT 및 다이오드들의 추가의 대체 조합들이 가능하다. 일 예가 도 13에 보여지는데, 여기서 양쪽의 제 1 및 제 2 모듈 각각은 하나뿐만 아니라 두 개의 병렬 접속된 IGBT (1a 또는 1b) 및 대응하는 역-병렬 다이오드들 (2a 또는 2b) 을 각각 포함한다. 두 개의 모듈들의 물리적 패키징은 각각의 쌍의 IGBT 및 대응하는 다이오드를 위한 하나의 패키지의 형태로, 또는 제 1 전류 방향의 모든 IGBT (1a) 를 갖는 제 1 패키지, 다른 제 2 전류 방향의 모든 IGBT (1b) 를 갖는 제 2 패키지, 및 각각 모든 다이오드들 (2a 및 2b) 을 가지며 또한 그것들의 전류 방향을 따르는 제 3 및 제 4 패키지들의 형태로 있을 수 있다. 이 후자 유형의 패키징은, 위에서 설명된 바와 같은 열 폭주 위험의 상당한 감소를 제공하는 것이며, 도 13에서 점선으로 묘사되어 있다.
스위칭 모듈의 제 3 실시형태 (38c) 는 IGBT 및 다이오드들로 된 제 1 및 제 2 모듈들 외에, 게이트 구동 모듈의 제 2 실시형태 (30b) 를 포함하며, 여기서 이 제 2 실시형태 (30b) 는 제 1 실시형태 (30a) 에서는 포함되지 않은 두 개의 추가 유닛들을 포함한다. 추가 유닛들 중 하나는 다이오드 모니터링 수단 (37) 이며, 그것의 태스크는 제 1 모듈에서의 다이오드들 (2) 의 차단 기능성을 모니터링하는 것이다. 이 모니터링은 순방향의 양의 테스트 전압을 IGBT (1a 또는 1b) 에 그것들이 꺼질 때마다 및 주 전류가 대응하는 다이오드들을 통해 흐르지 않을 때 각각 인가함으로써 행하여진다. 이 테스트 전압이 유지되는지의 여부를 점검하는 것에 의해, 실패하는 또는 실패된 다이오드 (2a 또는 2b) 는 각각 인식될 수 있다. DC 브레이커 (17) 의 예를 취하면, 다이오드 모니터링은 정상 동작 동안 메인 브레이커 (10) 에서의 다이오드들에 대해 수행되는데, 주 또는 1차 전류가 그 시간 동안 보조 브레이커 (16) 및 고속 스위치 (15) 를 통해 흘러서이다.
게이트 구동 유닛의 제 2 실시형태 (30b) 의 다른 추가 유닛은, 광학적 전원 공급부 외에도, 에너지를 에너지 저장 커패시터 (25) 에 가능할 때마다 제공하고 그것의 에너지를 IGBT (1) 및 다이오드들 (2) 이 접속된 기본 회로로부터 취하는 보조 재충전 회로 (36) 이다. 그러나, 위에서 설명된 바와 같이, 기본 회로로부터의 재충전의 기회들, 즉 IGBT (1) 가 DC 브레이커 또는 DC 전류 제한기 애플리케이션에서 꺼질 경우들이 일반적으로 매우 드물다. 모니터링 및 보조 재충전 둘 다는 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 로부터 다이오드 모니터링 수단 (37) 에 그리고 보조 재충전 회로 (36) 에 각각 보내진 대응하는 시작 신호들에 의해 개시된다. 이들 시작 신호들은 기본 회로에서의 조건들에 적응할 만큼 충분히 지능적인 경우에 게이트 유닛 제어 모듈 (27) 에 의해 또는 보조 재충전 회로 (36) 자체에 의해, 스위칭 모듈에서 내부적으로 생성될 수 있거나, 또는 그것들은 대응하는 제어 신호의 형태로 제 1 광 섬유 케이블 (51) 을 통해 중앙 제어 유닛 (50) (도 12 참조) 에서부터 스위칭 모듈까지 보내진 다음, 제어 신호 검출기 (23), 게이트 유닛 제어 모듈 (27) 및 게이트 드라이버 및 감독 모듈 (28) 을 통해 다이오드 모니터링 수단 (37) 및 보조 재충전 회로 (36) 에 각각 송신될 수 있다.
스위칭 모듈의 제 4 실시형태 (38d) 가 도 11에 묘사된다. 여기서, 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트는 제 4 베이스 엘리먼트 (6d) 에 따른 역-직렬 접속의 두 개의 역 도통 IGBT, 또는 다르게 말하면 직렬 접속으로 된 제 1 전류 방향의 BIGT (8) 및 제 2 전류 방향의 BIGT (9) 이다. 그 결과, 스위칭 모듈은 양방향성 애플리케이션들에 적합하다. 역-직렬 BIGT (8 및 9) 과는 병렬로, 다시 비선형 전압-제한 저항기 (32) 가 구성되고, 이 저항기 (32) 와는 병렬로, 양방향성 RCD 스너버 회로가 접속된다. 양방향성 RCD 스너버 회로는, 제 1 다이오드 (42) 는 제 1 전류 방향인 제 1 다이오드 (42) 및 제 1 저항기 (40)의 제 1 병렬 접속물, 제 2 다이오드 (45) 가 제 2 전류 방향인 제 2 다이오드 (45) 및 제 2 저항기 (41)의 제 2 병렬 접속물, 제 1 및 제 2 병렬 접속물들과는 직렬로 그것들 사이에 접속된 공통 커패시터 (46), 제 2 다이오드 (45) 의 캐소드로부터 제 1 다이오드 (42) 의 캐소드로의 방향을 갖고 그것들 사이에 접속된 제 3 다이오드 (44), 및 제 2 다이오드 (45) 의 애노드로부터 제 1 다이오드 (42) 의 애노드로의 방향을 갖고 그것들 사이에 접속된 제 4 다이오드 (43) 를 포함한다. 스위칭 모듈의 제 4 실시형태 (38d) 의 게이트 구동 모듈은, 제 2 실시형태 (30b) 와는 기본적으로 동일한 엘리먼트들을 담고 있지만 BIGT (8 및 9) 의 통합된 다이오드 기능들의 차단 기능성이 BIGT (8 및 9) 중의 IGBT의 기능성을 모니터링하는 것과 함께 모니터링된다는 점에서 다이오드 모니터링 수단의 기능이 도 10의 다이오드 모니터링 수단 (37) 과는 상이한 제 3 실시형태 (30c) 이다. 모니터링은 주 또는 1차 전류와는 독립적으로, 개별 BIGT의 IGBT의 켜짐 및 꺼짐 상태들 모두 동안에 수행된다. 켜진 또는 꺼진 역 도통 IGBT에 걸리는 게이트-이미터 전압이 저하되거나 브레이크 다운되면, 그것은 증가된 게이트 이미터 누설 전류를 검출하는 것에 의해 검출되어, 고장 정보가 생성된다.
중앙 제어 유닛 (50)과, 스위칭 모듈들이 게이트 구동 유닛 (30), IGBT (1) 및 역-병렬 다이오드 (2) 으로 구성되는 수개의 스위칭 모듈들의 DC 브레이커의 구성은 이미 앞에서 언급되었다. DC 브레이커는 주 피뢰기 (11) 를 더 포함한다. DC 브레이커의 스위칭 모듈들은 실제로, 위에서 설명된 바와 같은 네 가지 유형들 (38a-38d) 중의 임의의 것, 또는 스위칭 모듈의 메인 엘리먼트들의 가능한 실시형태들의 임의의 다른 조합일 수 있으며, 여기서 메인 엘리먼트들은 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트, 게이트 구동 유닛, 선택사항적인 RCD 스너버 회로 및 선택사항적인 비선형, 전압-제한 저항기이다. 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 중앙 제어 유닛 (50) 및 각각의 게이트 구동 유닛 (30) 사이에는, 두 개의 광 섬유 케이블들 (51 및 52) 이 구성되며, 여기서 제 1 광 섬유 케이블 (51) 은 광학적 전력 신호를 중앙 제어 유닛 (50) 에서부터 개별 게이트 구동 유닛 (30) 으로 송신하는데 사용되고 덧붙여 광학적 전력 신호는 하나의 또는 수개의 제어 신호들을 포함한다. 제 2 광 섬유 케이블 (52) 은 게이트 구동 유닛 (30) 에서부터 중앙 제어 유닛 (50) 으로 광학적 정보 신호의 형태로 스테이터스 정보의 전송을 하는데 사용된다.

Claims (19)

  1. 송전 또는 배전 라인 (13) 을 통해 흐르는 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스 (14, 17, 18) 로서,
    상기 디바이스는 적어도 하나의 스위칭 모듈을 포함하며,
    상기 스위칭 모듈은,
    적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트 (1, 2; 8, 9),
    스위칭 제어 신호에 따라, 상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트를 켜고 끄도록 구성된 게이트 유닛 (31),
    상기 게이트 유닛의 전원 입력단 (29) 에 전력을 제공하도록 구성된 에너지 저장 커패시터 (25), 및
    광학적 전력 신호를 수신하고, 상기 광학적 전력 신호를 전기적 전력 신호로 변환하고, 상기 전기적 전력 신호를 상기 에너지 저장 커패시터에 제공하도록 구성된 전력 변환 수단 (20) 을 포함하며,
    상기 스위칭 모듈은, 상기 광학적 전력 신호로부터 전기적 제어 신호를 분리하고 상기 전기적 제어 신호를 상기 게이트 유닛 (31) 에 제공하도록 구성되고,
    상기 전기적 제어 신호는 상기 스위칭 제어 신호를 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학적 전력 신호는 1 Watt 미만의 저 전력 신호인, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 게이트 유닛 (31) 은 상기 스위칭 모듈의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트의 기능성에 대한 스테이터스 정보를 생성하도록 구성되고,
    상기 스위칭 모듈은, 상기 스테이터스 정보를 광학적 정보 신호로 변환하고 상기 광학적 정보 신호를 중앙 제어 유닛 (50) 에 전송하도록 구성된 신호 변환 수단 (21) 을 더 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트로서, 하나의 제 1 IGBT (1) 또는 수개의 IGBT 의 제 1 병렬 접속물 (1a), 및 하나의 제 1 다이오드 (2) 또는 수개의 다이오드들의 제 1 병렬 접속물 (2a) 을 구비한 제 1 모듈을 포함하며,
    상기 하나의 제 1 다이오드 또는 상기 수개의 다이오드들의 제 1 병렬 접속물은 상기 하나의 제 1 IGBT 또는 상기 수개의 IGBT 의 제 1 병렬 접속물과는 역-병렬로 접속되는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈은 상기 제 1 모듈과 역-병렬로 또는 역-직렬로 접속된 제 2 모듈을 더 포함하며,
    상기 제 2 모듈은 하나의 제 2 IGBT 또는 수개의 IGBT 의 제 2 병렬 접속물 (1b), 및 하나의 제 2 다이오드 또는 수개의 다이오드들의 제 2 병렬 접속물 (2b) 을 포함하고,
    상기 하나의 제 2 다이오드 또는 상기 수개의 다이오드들의 제 2 병렬 접속물은 상기 하나의 제 2 IGBT 또는 상기 수개의 IGBT 의 제 2 병렬 접속물 (1b) 과는 역-병렬로 접속되는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 다이오드들은 라인 정류형 다이오드들인, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트로서, 하나의 제 1 역 도통 IGBT (8) 또는 수개의 역 도통 IGBT 의 제 1 병렬 접속물을 포함하는 제 1 모듈을 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 모듈과는 역-직렬 접속으로 접속된 제 2 모듈을 더 포함하며,
    상기 제 2 모듈은 하나의 제 2 역 도통 IGBT (9) 또는 수개의 역 도통 IGBT 의 제 2 병렬 접속물을 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 모듈들은 하나의 단일 반도체 패키지에 통합되고,
    상기 패키지에는 하나의 공통 게이트 단자 및 하나의 공통 이미터 단자가 제공되며,
    상기 단자들은 상기 패키지에서의 모든 역 도통 IGBT (8, 9) 의 게이트들 및 이미터들에 각각 접속된, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈은 상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트와는 병렬인 비선형 전압-제한 저항기 (32) 를 더 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈은 상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트가 접속된 주 회로로부터 전기 에너지를 수신하고 상기 전기 에너지를 상기 에너지 저장 커패시터 (25) 에 제공하도록 구성된 보조 재충전 회로 (36) 를 더 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트에 병렬로 접속된 RCD 스너버(snubber) 회로를 더 포함하며,
    상기 RCD 스너버 회로는 적어도 하나의 저항기 (35; 40, 41), 적어도 하나의 커패시터 (34; 46) 및 적어도 하나의 다이오드 (33; 42, 45) 를 포함하고,
    상기 다이오드 및 상기 커패시터는 서로 직렬로 접속되고, 상기 저항기는 상기 다이오드에 병렬로 접속된, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 게이트 유닛 (31) 은 H-브리지를 통해 상기 적어도 하나의 전력 반도체 스위칭 엘리먼트 (1, 2; 8, 9) 의 게이트에 접속되고,
    상기 H-브리지는 단극성 DC 전압을 공급받고 양극성 DC 전압을 출력하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈은, 추가로, 상기 광학적 전력 신호로부터 전기적 제어 신호를 분리하고 상기 전기적 제어 신호를 상기 게이트 유닛 (31) 에 제공하도록 구성된, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈에서, 각각, 다이오드들의 차단 기능성 또는 다이오드 기능을 모니터링하도록 구성된 다이오드 모니터링 수단 (37) 을 더 포함하는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다이오드 모니터링 수단 (37) 은, 켜진 또는 꺼진 역-도통 IGBT 에 걸리는 게이트-이미터 전압이 저하되거나 또는 브레이크 다운되는 경우에 고장 정보를 생성하는 것에 의해, 대응하는 IGBT 자체의 기능성의 모니터링과 함께, 역-도통 IGBT (8, 9) 의 다이오드 기능 또는 다이오드 기능들의 차단 기능성을 모니터링하도록 구성된, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 게이트-이미터 전압의 저하 또는 브레이크 다운은 상기 역 도통 IGBT (8, 9) 의 증가된 게이트 이미터 누설 전류를 검출하는 것에 의해 검출되는, 전류를 제한 또는 차단하는 디바이스.
  18. 삭제
  19. 삭제
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