KR101477042B1 - 3상 고전력 ｕｐｓ - Google Patents

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슈나이더 일렉트릭 아이티 코포레이션
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Abstract

3상 무정전 전력 공급기(UPS)는 제 1 AC/DC 변환기(11)와, 제 2 AC/DC 변환기(21)와, 제 3 AC/DC 변환기(31)와, DC/DC 변환기(41)와, 복수 개의 전기 버스(60, 61, 62, 63, 64)로 연결되는 하나 이상의 DC/AC 변환기(12)를 포함한다. 상기 제 1 AC/DC 변환기(11), 제 2 AC/DC 변환기(21) 및 제 3 AC/DC 변환기(31) 각각은 AC 전력을 수신하고, 복수 개의 DC 신호를 복수 개의 전기 버스로 제공하도록 구성된다. 상기 DC/DC 변환기는 상기 복수 개의 전기 버스 상에 존재하는 DC 전압을, 배터리(50)를 충전하기 위해 사용될 수 있는 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. 상기 DC/AC 변환기는 복수 개의 전기 버스로부터 DC 전력을 수신하여, AC 출력을 제공하도록 구성된다. 더 낮은 DC 전압으로 인해, 더 높은 효율과 더 작은 크기가 성취된다.
3상 고전력 UPS, 무정전 전력 공급기, AC/DC 변환기, DC/DC 변환기, 전기 버스

Description

3상 고전력 ＵＰＳ{3-PHASE HIGH-POWER UPS}
본 발명은 3상 고전력 UPS에 관한 것이다.
전압 변환기를 포함하는 무정전 전력 공급기(UPS: uninterruptible power supply)는 데이터 센터의 컴퓨터와 서버를 위한 전력 공급 시스템과 같은 많은 전기 시스템에서 중요한 부분이다. UPS는 단상 및 3상 연결을 포함하는 통상적인 많은 전력 시스템과 함께 사용될 수 있으며, 저전력 시스템(가령, 가정의 컴퓨터) 및 고전력 시스템(가령, 대형 데이터 센터, 또는 프로세스 설비)과 함께 사용될 수 있다. 통상적으로 고전력 시스템은 3상 전력 연결(가령, X, Y 및 Z 상)을 이용한다. 3상 UPS 전압 변환기는 3상 AC 전력을 3상 부하에 제공하고, 3상 AC 전압을 하나의 레벨에서 또 다른 레벨로 변환하며, 정전시 3상 전력을 부하에 제공하도록 사용되는 것이 통상적이다. 통상적으로 3상 UPS 전압 변환기로의 입력 및 출력 연결은 3-단자 연결, 또는 4-단자 연결, 즉, 3상 전력 연결의 각각의 상에 대해 하나씩의 연결과, 선택사항적인 중성 연결(neutral connection)로 이루어진다. 또한 정전시 사용되기 위한 에너지를 저장하도록 배터리가 상기 UPS 전압 변환기로 연결되어 사용된다.
통상적인 고전력(가령, 100㎾ 이상) UPS는 3x400V(유럽방식), 또는 3x480V(미국방식)의 공칭 AC 입력 전압을 이용하여 동작된다. 변압기없는(transformerless) UPS가 ±450V의 내부 DC 버스 전압을 이용하여 동작될 수 있다. 이러한 구성에서, 물리적으로 큰 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: insulated gate bipolar transistor) 모듈의 부유 인덕턴스와 관련된 큰 전압 오버슛(overshoot) 때문에, 상기 USP에 포함된 구성요소들은 1200V 이상의 동작에 대해 정격되는 것이 바람직하다. 그러나 통상적으로, 1200V 구성요소를 사용하는 것은 전도 및 스위칭 손실을 증가시키고, 이로 인해서 효율은 낮아진다.
일반적으로, 하나의 실시형태에서 본 발명은 UPS를 제공하며, 상기 UPS는 복수 개의 전기 버스와, 상기 전기 버스로 연결되며, 제 1 입력 AC 전압을 수신하고 상기 제 1 입력 AC 전압을 복수 개의 DC 전압으로 변환하며 상기 복수 개의 DC 전압을 복수 개의 전기 버스로 전달하도록 구성되는 제 1 AC/DC 변환기와, 상기 전기 버스로 연결되며, 제 2 입력 AC 전압을 수신하고 상기 제 2 입력 AC 전압을 복수 개의 DC 전압으로 변환하며 상기 복수 개의 DC 전압을 복수 개의 전기 버스로 전달하도록 구성되는 제 2 AC/DC 변환기와, 상기 전기 버스로 연결되며, 제 3 입력 AC 전압을 수신하고 상기 제 3 입력 AC 전압을 복수 개의 DC 전압으로 변환하며 상기 복수 개의 DC 전압을 복수 개의 전기 버스로 전달하도록 구성되는 제 3 AC/DC 변환기와, 상기 복수 개의 전기 버스로 연결되며, 복수 개의 DC 전압을 배터리 DC 전압으로 변환하고, 상기 배터리 DC 전압을 상기 복수 개의 DC 전압으로 변환하도록 구성되는 DC/DC 변환기와, 복수 개의 전기 버스로 연결되며, 상기 복수 개의 DC 전압을 수신하고, 상기 복수 개의 DC 전압을 제 1 출력 AC 전압으로 변환하도록 구성되는 제 1 DC/AC 변환기와, 전기 버스 상에 존재하는 전압을 원하는 레벨로 유지하도록 구성되며, 상기 복수 개의 전기 버스 간에 에너지를 이동시키도록 구성되는 DC 버스 밸런서(bus balancer)를 포함하며, 이때, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 입력 AC 전압이 지정 임계치 내에 존재할 때 상기 제 1, 제 2 및 제 3 AC/DC 변환기가 복수 개의 DC 전압을 복수 개의 전기 버스로 전달하도록, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 AC/DC 변환기가 구성되며, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 입력 AC 전압이 지정 임계치 내에 존재하지 않을 때 상기 DC/DC 변환기가 복수 개의 DC 전압을 복수 개의 전기 버스로 전달하도록 상기 DC/DC 변환기가 된다.
본 발명의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 상기 UPS는 상기 복수 개의 전기 버스로 연결되며 복수 개의 DC 전압을 수신하고 상기 복수 개의 DC 전압을 제 2 출력 AC 전압으로 변환하도록 구성된 제 2 DC/AC 변환기와, 상기 복수 개의 전기 버스로 연결되며, 복수 개의 DC 전압을 수신하고 상기 복수 개의 DC 전압을 제 3 출력 AC 전압으로 변환하도록 구성된 제 3 DC/AC 변환기를 더 포함한다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 DC/AC 변환기는 3상 전력을 부하에 전달하도록 구성된다. 상기 DC/DC 변환기는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 입력 AC 전압이 지정 범위 내에 존재할 때 복수 개의 DC 전압을 배터리 DC 전압으로 변환하도록 구성되고, 상기 DC/DC 변환기는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 입력 AC 전압이 상기 지정 범위 내에 존재하지 않을 때 배터리 DC 전압을 복수 개의 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. 배터리가 DC/DC 변환기로 연결되며, 상기 배터리는 배터리 DC 전압을 수신하고, 상기 배터리 DC 전압에 의해 충전되도록, 그리고 상기 배터리 DC 전압을 상기 DC/DC 변환기로 전달하도록 구성된다. 상기 제 1 AC/DC 변환기는 3상 전력원의 제 1 상으로 연결되고, 상기 제 2 AC/DC 변환기는 3상 전력원의 제 2 상으로 연결되며, 상기 제 3 AC/DC 변환기는 3상 전력원의 제 3 상으로 연결된다.
일반적으로, 또 하나의 실시형태에서 본 발명은 AC/DC 변환기를 제공하며, 상기 AC/DC 변환기는 양의 피크 전압과 음의 피크 전압을 갖는 AC 전력 신호를 수신하도록 구성된 입력과, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 출력과, 상기 입력으로 연결되는 인덕터와, 상기 인덕터와 상기 제 1 출력 사이에 직렬로 연결되는 제 1 및 제 2 스위치(이때, 제 1 스위치가 상기 인덕터로 연결됨)와, 상기 제 2 출력과 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치의 접합점으로 연결되는 제 3 스위치와, 상기 인덕터와 상기 제 4 출력 사이에 직렬로 연결되는 상기 제 4 및 제 5 스위치(이때, 상기 제 4 스위치가 상기 인덕터로 연결됨)와, 상기 제 3 출력과 상기 제 4 스위치와 제 5 스위치의 접합점으로 연결되는 제 6 스위치와, 상기 제 1 스위치와 병렬 연결되는 제 1 다이오드와, 상기 제 2 스위치와 병렬 연결되는 제 2 다이오드와, 상기 제 3 스위치와 병렬 연결되는 제 3 다이오드와, 상기 제 4 스위치와 병렬 연결되는 제 4 다이오드와, 상기 제 5 스위치와 병렬 연결되는 제 5 다이오드와, 상기 제 6 스위치와 병렬 연결되는 제 6 다이오드를 포함한다.
본 발명의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 더 제공할 수 있다. 상기 AC/DC 변환기는 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치로 연결되는 제어기를 더 포함한다. 제 1 출력 DC 전압이 상기 제 1 출력으로 전달되고, 제 2 출력 DC 전압이 상기 제 2 출력으로 전달되며, 제 3 출력 DC 전압이 상기 제 3 출력으로 전달되고, 제 4 출력 DC 전압이 상기 제 4 출력으로 전달되도록, 상기 제어기가 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를 토글(toggle)시키도록 구성된다. 상기 제 1 출력 DC 전압은 양의 피크 입력 전압에
Figure 112009056768410-pct00001
를 곱한 값보다 크거나 동일하며, 상기 제 2 출력 DC 전압은 제 1 출력 DC 전압의 3분의 1과 실질적으로 동일하고, 상기 제 3 출력 DC 전압은 제 4 출력 DC 전압의 3분의 1과 실질적으로 동일하며, 상기 제 4 출력 DC 전압은 음의 피크 입력 전압에
Figure 112009056768410-pct00002
를 곱한 값보다 작거나 동일하다.
본 발명의 실시예가 다음의 특징 중 하나 이상을 더 제공할 수 있다. 상기 제어기는 AC 전력 신호의 순간 전압이 제 1 출력 DC 전압과 제 2 출력 DC 전압 사이에 존재할 때, 상기 AC/DC 변환기를 제 1 상태로 작동하게 하며, AC 전력 신호의 순간 전압이 제 2 출력 DC 전압과 제 3 출력 DC 전압 사이에 존재할 때, 상기 AC/DC 변환기를 제 2 상태로 작동하게 하며, AC 전력 신호의 순간 전압이 제 3 출력 DC 전압과 제 4 출력 DC 전압 사이에 존재할 때, 상기 AC/DC 변환기를 제 3 상태로 작동하게 하는데, 이때, 상기 제 1 상태에서 제 1 스위치는 토글 온되고, 제 2 스위치는 반복적으로 토글 온(toggle on) 및 토글 오프(toggle off)되며, 제 3 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 4 스위치는 토글 오프되고, 제 5 스위치는 토글 오프되며, 제 6 스위치는 토글 온되고, 상기 제 2 상태에서 제 1 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되고, 제 2 스위치는 토글 오프되며, 제 3 스위치는 토글 온되고, 제 4 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 5 스위치는 토글 오프되고, 제 6 스위치는 토글 온되며, 상기 제 3 상태에서 제 1 스위치는 토글 오프되고, 제 2 스위치는 토글 오프되며, 제 3 스위치는 토글 온되고, 제 4 스위치는 토글 온되며, 제 5 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되고, 제 6 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프된다. 상기 제어기는 펄스 폭 변조(PWM: pulse width modulation) 제어기이다. 상기 PWM 제어기는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치의 발동을 제어하기 위해 피드백 루프를 이용하도록 구성된다. 상기 AC/DC 변환기는 상기 입력과 중성점(neutral) 사이에 연결된 커패시터를 더 포함한다. 상기 AC/DC 변환기는 상기 제 1 출력과 상기 제 2 출력 사이에 연결되는 제 1 커패시터와, 상기 제 2 출력과 중성점 사이에 연결되는 제 2 커패시터와, 상기 중성점과 상기 제 3 출력 사이에 연결되는 제 3 커패시터와, 상기 제 3 출력과 상기 제 4 출력 사이에 연결되는 제 4 커패시터를 더 포함한다.
일반적으로, 또 하나의 실시형태에서 본 발명은 양의 피크 전압과 음의 피크 전압을 갖는 AC 전력 신호를 전달하도록 구성된 DC/AC 변환기를 제공하며, 상기 DC/AC 변환기는 AC 전력 신호를 전달하도록 구성된 출력과, 각각의 입력 전압을 각각 수신하도록 구성되는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 입력과, 상기 출력으로 연결되는 필터와, 상기 필터와 제 1 입력 사이에 직렬로 연결되는 제 1 및 제 2 스위치(이때, 상기 제 1 스위치가 상기 필터로 연결됨)와, 상기 제 2 입력과 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치의 접합점으로 연결되는 제 3 스위치와, 상기 필터와 상기 제 4 입력 사이에 직렬로 연결되는 제 4 및 제 5 스위치(이때, 상기 제 4 스위치가 상기 필터로 연결됨)와, 상기 제 3 입력과 상기 제 4 스위치와 제 5 스위치의 접합점으로 연결되는 제 6 스위치와, 상기 제 1 스위치와 병렬 연결되는 제 1 다이오드와, 상기 제 2 스위치와 병렬 연결되는 제 2 다이오드와, 상기 제 3 스위치와 병렬 연결되는 제 3 다이오드와, 상기 제 4 스위치와 병렬 연결되는 제 4 다이오드와, 상기 제 5 스위치와 병렬 연결되는 제 5 다이오드와, 상기 제 6 스위치와 병렬 연결되는 제 6 다이오드를 포함한다.
본 발명의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 상기 DC/AC 변환기는 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치로 연결되는 제어기를 더 포함한다. AC 전력 신호가 출력에서 유도되도록, 상기 제어기가 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를 토글시키도록 구성된다. 출력 AC 전력 신호의 양의 피크 전압이 제 1 입력으로 전달된 DC 전압에
Figure 112009056768410-pct00003
를 곱한 값보다 작고, 출력 AC 전력 신호의 음의 피크 전압이 제 4 입력으로 전달된 DC 전압에
Figure 112009056768410-pct00004
를 곱한 값보다 크도록, 상기 제어기가 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를 토글시키도록 구성된다. 상기 제어기는 AC 전력 신호가 제 1 입력 상에 전달되는 DC 전압과 제 2 입력 상에 전달되는 DC 전압 사이에 존재할 때, 상기 DC/AC 변환기를 제 1 상태로 작동하게 하고, AC 전력 신호가 제 2 입력 상에 전달되는 DC 전압과 제 3 입력 상에 전달되는 DC 전압 사이에 존재할 때, 상기 DC/AC 변환기를 제 2 상태로 작동하게 하며, AC 전력 신호가 제 3 입력 상에 전달된 DC 전압과 제 4 입력 상에 전달된 DC 전압 사이에 존재할 때, 상기 DC/AC 변환기를 제 3 상태로 작동하게 하며, 이때 상기 제 1 상태에서 제 1 스위치가 토글 온되고, 제 2 스위치가 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 3 스위치가 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 4 스위치가 토글 오프되고, 제 5 스위치가 토글 오프되며, 제 6 스위치가 토글 온되며, 상기 제 2 상태에서 제 1 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 2 스위치는 토글 오프되고, 제 3 스위치는 토글 온되며, 제 4 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 5 스위치는 토글 오프되고, 제 6 스위치는 토글 온되고, 상기 제 3 상태에서 제 1 스위치는 토글 오프되고, 제 2 스위치는 토글 오프되며, 제 3 스위치는 토글 온되며, 제 4 스위치는 토글 온되고, 제 5 스위치는 반복적으로 토글 온 및 오프되며, 제 6 스위치는 반복적으로 토글 온되고 오프된다.
본 발명의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 상기 필터는 출력과 제 1 스위치와 제 4 스위치의 접합점의 사이에 연결되는 인덕터와, 출력과 중성점 사이에 연결되는 커패시터를 포함한다. 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치는 펄스 폭 변조(PWM) 제어기에 의해 제어되도록 구성된다. 상기 PWM 제어기는 출력으로 연결되며, 상기 출력의 전압 레벨에 따라, 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치의 발동을 제어하도록 구성된다. 상기 AC/DC 변환기는 상기 제 1 입력과 제 2 입력 사이에 연결되는 제 1 커패시터와, 상기 제 2 입력과 중성점 사이에 연결되는 제 2 커패시터와, 상기 중성점과 상기 제 3 입력 사이에 연결되는 제 3 커패시터와, 상기 제 3 입력과 상기 제 4 입력 사이에 연결되는 제 4 커패시터를 더 포함한다.
일반적으로, 또 하나의 실시형태에서 본 발명은 배터리와 함께 사용되기 위한 DC/DC 변환기를 제공하며, 상기 DC/DC 변환기는 배터리로 연결되도록 구성된 제 1 및 제 2 배터리 노드와, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 버스 노드와, 상기 제 1 버스 노드와 상기 제 2 버스 노드 사이에 직렬로 연결되는 제 1 및 제 2 스위치(이때, 제 1 스위치가 상기 제 1 버스 노드로 연결되고, 제 2 스위치가 상기 제 2 버스 노드로 연결됨)와, 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치의 접합점으로, 그리고 중성점으로, 그리고 제 1 배터리 노드로 연결되는 제 1 벅-부스트 변환기(buck-boost converter)와, 상기 제 3 버스 노드와 상기 제 4 버스 노드 사이에 직렬로 연결되는 제 3 및 제 4 스위치(이때, 상기 제 3 스위치는 상기 제 3 버스 노드로 연결되고, 제 4 스위치는 상기 제 4 버스 노드로 연결됨)와, 상기 제 3 스위치와 제 4 스위치의 접합점으로, 그리고 중성점으로, 그리고 제 2 배터리 노드로 연결되는 제 2 벅-부스트 변환기와, 상기 제 1 스위치 양단에 연결되는 제 1 다이오드와, 상기 제 2 스위치 양단에 연결되는 제 2 다이오드와, 상기 제 3 스위치 양단에 연결되는 제 3 다이오드와, 상기 제 4 스위치 양단에 연결되는 제 4 다이오드를 포함하며, 이때, 상기 DC/DC 변환기는 제 1 상태로 작동하여, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 버스 노드 중 하나 이상의 버스 노드에 의해 전달되는 에너지를 이용하여, 배터리를 충전하도록 구성되며, 상기 DC/DC 변환기는 제 2 상태로 작동하여, 상기 배터리에 의해 전달되는 에너지를 이용하여, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 버스 노드 중 하나 이상의 버스 노드로 DC 전압을 전달하도록 구성된다.
본 발명의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 상기 제 1 상태에서 제 1 및 제 2 벅-부스트 변환기는 벅 변환기로서 기능하고, 상기 제 2 상태에서 제 1 및 제 2 벅-부스트 변환기는 부스트 변환기로서 기능한다. 상기 제 1 벅-부스트 변환기는 제 1 스위치와 제 2 스위치의 접합점으로, 그리고 상기 제 1 배터리 노드로 연결되는 제 1 인덕터와, 상기 제 1 배터리 노드와 중성점 사이에 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고, 상기 제 2 벅-부스트 변환기는 제 3 스위치와 제 4 스위치의 접합점으로, 그리고 상기 제 2 배터리 노드로 연결되는 제 2 인덕터와, 상기 제 2 배터리 노드와 중성점 사이에 연결되는 제 2 커패시터를 포함한다. 상기 DC/DC 변환기는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스위치로 연결되는 제어기를 더 포함한다. 상기 제어기는 제 1 상태에서 제 1 및 제 4 스위치를 반복적으로 토글 온 및 오프시키며, 제 2 및 제 3 스위치를 오프 상태로 스위칭하며, 제 2 상태에서 제 1 및 제 4 스위치를 오프 상태로 스위칭하고, 제 2 및 제 3 스위치를 반복적으로 토글 온 및 오프시키도록 구성된다. 상기 제어기는 펄스 폭 변조(PWM) 제어기이다. 상기 제어기는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스위치를 제어하기 위해 피드백 루프를 사용하도록 구성된다. 상기 DC/DC 변환기는 상기 중성점으로 연결되는 제 3 배터리 노드를 더 포함한다. 상기 DC/DC 변환기는 상기 제 1 버스 노드와 상기 제 2 버스 노드 사이에 연결되는 제 1 커패시터와, 상기 제 2 버스 노드와 상기 중성점 사이에 연결되는 제 2 커패시터와, 상기 중성점과 상기 제 3 버스 노드 사이에 연결되는 제 3 커패시터와, 상기 제 3 버스 노드와 상기 제 4 버스 노드 사이에 연결되는 제 4 커패시터를 더 포함한다.
일반적으로, 또 하나의 실시형태에서 본 발명은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전압을 포함하는 4-레벨 DC 전력과 함께 사용되기 위한 회로를 제공하며, 상기 회로는 상기 4-레벨 DC 전력을 수신하도록 구성된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 노드와, 상기 제 1 노드와 제 4 노드 사이에 직렬로 연결되는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치(이때, 상기 제 2 노드가 상기 제 2 스위치와 제 3 스위치의 접합점에 연결되고, 상기 제 3 노드가 상기 제 4 스위치와 상기 제 5 스위치의 접합점으로 연결됨)와, 상기 제 1 스위치와 병렬 연결되는 제 1 다이오드와, 상기 제 2 스위치와 병렬 연결되는 제 2 다이오드와, 상기 제 3 스위치와 병렬 연결되는 제 3 다이오드와, 상기 제 4 스위치와 병렬 연결되는 제 4 다이오드와, 상기 제 5 스위치와 병렬 연결되는 제 5 다이오드와, 상기 제 6 스위치와 병렬 연결되는 제 6 다이오드와, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치의 접합점으로, 그리고 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치의 접합점으로 연결되는 제 1 공진 탱크와, 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치의 접합점으로, 그리고 상기 제 5 스위치와 상기 제 6 스위치의 접합점으로 연결되는 제 2 공진 탱크를 포함하며, 이때, 상기 제 1 전압의 절대값이 상기 제 4 전압의 절대값과 상이한 경우, 상기 제 1 및 제 2 공진 탱크는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 노드 중 둘 이상의 노드 간에 에너지를 이동시키도록 구성되며, 상기 제 2 전압의 절대값이 상기 제 3 전압의 절대값과 상이한 경우, 상기 제 1 및 제 2 공진 탱크는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 노드 중 둘 이상의 노드 간에 에너지를 이동시키도록 구성된다.
본 발명의 실시예가 다음의 특징 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 상기 제 1 공진 탱크는 제 1 인덕터와 직렬 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고, 상기 제 2 공진 탱크는 제 2 인덕터와 직렬 연결되는 제 2 커패시터를 포함한다. 상기 회로는 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를 각각 온 및 오프 상태로 발동하도록 구성되는 제어기를 더 포함한다. 상기 제어기는 펄스 폭 변조(PWM) 제어기이다. 상기 제어기는 상기 회로를 2개의 상태 중 하나로 작동하게 하도록 구성되며, 이때, 제 1 상태에서 제 1, 제 3 및 제 5 스위치는 각각 온 상태로 발동되며, 제 2, 제 4 및 제 6 스위치는 각각 오프 상태로 발동되고, 제 2 상태에서 상기 제 1, 제 3 및 제 5 스위치는 각각 오프 상태로 발동되고, 상기 제 2, 제 4 및 제 6 스위치는 각각 온 상태로 발동된다. 상기 제 1 및 제 2 공진 탱크의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수로, 상기 회로를 제 1 상태와 제 2 상태로 반복적으로 교대하게 하도록, 상기 제어기가 구성된다. 제 1 전압과 제 4 전압의 절대값이 실질적으로 동일하고, 제 2 전압과 제 3 전압의 절대값이 실질적으로 동일할 때, 제 2 스위치와 제 3 스위치의 접합점에 유도된 구형파의 진폭과, 제 3 스위치와 제 4 스위치의 접합점에 유도된 구형파의 진폭과, 제 5 스위치와 제 6 스위치의 접합점에 유도된 구형파의 진폭이 실질적으로 동일하도록, 상기 회로를 제 1 상태와 제 2 상태로 반복적으로 교대하게 하도록, 상기 제어기가 구성된다. 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를, 실질적으로 50%의 듀티 사이클로, 제 1 상태와 제 2 상태로 교대하게 하도록, 상기 제어기가 구성된다. 상기 회로는 상기 제 3 스위치와 제 4 스위치의 접합점과 중성점 사이에 연결되는 제 3 인덕터를 더 포함한다. 상기 회로는 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되는 제 1 커패시터와, 상기 제 2 노드와 중성점 사이에 연결되는 제 2 커패시터와, 상기 중성점과 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 3 커패시터와, 상기 제 3 노드와 상기 제 4 노드 사이에 연결되는 제 4 커패시터를 더 포함한다.
일반적으로, 또 하나의 실시형태에서 본 발명은 AC/DC 변환기를 제공하며, 상기 AC/DC 변환기는 양의 피크 전압과 음의 피크 전압을 갖는 AC 전력 신호를 수신하도록 구성된 입력과, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 출력과, 상기 입력으로 연결되는 인덕터와, 상기 인덕터로, 그리고 제 1 및 제 2 출력으로 연결되고, 3개 이상의 상태로 작동되도록 구성되는 제 1 회로와, 상기 인덕터로, 그리고 상기 제 3 및 제 4 출력으로 연결되고 3개 이상의 상태로 동작하도록 구성되는 제 2 회로를 포함하고, 이때, 상기 제 1 회로는 제 1 상태에서 상기 인덕터가 충전되고, 제 1 실질적 DC 전압이 제 2 출력으로 전달되도록 구성되고, 제 2 상태에서 상기 인덕터가 방전되고, 제 2 실질적 DC 전압이 제 1 출력으로 전달되도록 구성되며, 제 3 상태에서 상기 인덕터가 방전되고, 상기 제 1 실질적 DC 전압이 제 2 출력으로 전달되도록 구성되며, 상기 제 2 회로는 제 1 상태에서 상기 인덕터가 충전되고, 제 3 실질적 DC 전압이 상기 제 3 출력으로 전달되며, 제 2 상태에서 상기 인덕터가 방전되며, 제 4 실질적 DC 전압이 상기 제 4 출력으로 전달되며, 제 3 상태에서 상기 인덕터가 충전되고, 제 3 실질적 DC 전압이 상기 제 3 출력으로 전달되도록 구성된다.
본 발명의 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 상기 제 1 실질적 DC 전압과 상기 제 4 실질적 DC 전압의 절대값은 실질적으로 동일하며, 상기 제 2 실질적 DC 전압과 상기 제 3 실질적 DC 전압의 절대값은 실질적으로 동일하다. 상기 제 1 실질적 DC 전압은 양의 피크 전압에
Figure 112009056768410-pct00005
를 곱한 값보다 크거나 동일하며, 상기 제 2 실질적 DC 전압은 상기 제 1 실질적 DC 전압의 3분의 1과 실질적으로 동일하고, 상기 제 3 실질적 DC 전압은 상기 제 4 실질적 DC 전압의 3분의 1과 실질적으로 동일하며, 상기 제 4 실질적 DC 전압은 음의 피크 전압에
Figure 112009056768410-pct00006
를 곱한 값보다 작거나 실질적으로 동일하다. 상기 AC/DC 변환기는 상기 제 1 및 제 2 회로가 작동하는 상태를 제어하도록 구성되는 제어기를 더 포함한다. 상기 제어기는 상기 제 1 회로가 상기 제 1 및 제 2 상태로 작동할 때의 듀티 사이클을 변화시키고, 상기 제 2 회로가 상기 제 1 및 제 2 상태로 작동할 때의 듀티 사이클을 변화시키도록 구성된다. 상기 제어기는 펄스 폭 변조(PWM) 제어기이다.
본 발명의 다양한 실시형태는 이하의 기능 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 신뢰할만한 3상 전력이 부하에 제공될 수 있다. 종래 기술에 비해 3상 UPS의 물리적 크기가 축소될 수 있다. 종래 기술에 비해 효율이 증가될 수 있다. 변압기없는 회로가 사용되어, AC 전력을 DC로 변환하고, DC 전력을 AC로 변환하며, DC전력을 제 1 전압에서 제 2 전압으로 변환할 수 있다. 종래 기술과 비교해서, IGBT 스위칭 손실이 감소될 수 있다. 종래 기술과 비교할 때, 더 낮은 전압 정격을 갖는 구성요소가 사용될 수 있다. 종래 기술에 비해 열 손실이 감소될 수 있다. 종래 기술과 비교할 때, 플라잉 커패시터(flying capacitor) 및/또는 클램프 다이오드에 대한 필요성이 축소될 수 있다. 종래 기술에 비해 UPS와 함께 사용되는 배터리의 전압이 감소될 수 있다. 3상 UPS의 입력으로 제공되는 전압과 상기 3상 UPS의 출력으로부터 인출된 전력 간의 부정합에 의해 초래되는 불균형 동작이 변압기를 사용하지 않고 보상될 수 있다.
본 발명의 이들 기능 및 그 밖의 다른 기능은 본 발명 자체와 함께 이하의 도면, 실시예 및 청구범위를 검토한 후, 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 3상 UPS의 개략도이다.
도 2는 AC/DC 변환기의 회로도이다.
도 3은 도 2의 AC/DC 변환기로 제공되는 바람직한 전력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 4A 내지 4C는 도 2의 AC/DC 변환기에서의 스위칭의 상태를 나타내는 그래프이다.
도 5는 펄스 폭 변조 제어 회로의 회로도이다.
도 6은 도 5의 펄스 폭 변조 제어 회로와 함께 사용되기 위한 일례의 제어 신호의 도면이다.
도 7은 DC/AC 변환기의 회로도이다.
도 8은 일례의 AC 및 DC 전력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 9A 내지 9C는 도 8의 DC/AC 변환기에서의 스위치의 상태를 나타내는 그래프이다.
도 10은 AC/AC 변환기의 회로도이다.
도 11은 DC/DC 변환기의 회로도이다.
도 12는 DC 버스 밸런서의 회로도이다.
도 13은 도 12의 DC 버스 밸런서에 포함된 스위치를 제어하기 위한 일례의 신호를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 1에서 나타난 3상 UPS로부터 전력을 제공하기 위한 프로세스의 흐름도이다.
본 발명의 실시예는 무정전 3상 전력 공급기가 부하에 전력을 제공하기 위한 기법을 제공한다. 예를 들어, 변압기없는 3상 무정전 전력 공급기는 AC/DC 변환기(가령, 역률 보상 모듈)와, DC/AC 변환기(가령, 인버터)와, DC/DC 변환 모듈과, 복수 개의 DC 버스와, DC 버스 밸런서를 포함한다. 상기 AC/DC 변환기는 3상 전력원으로부터 3상 AC 전력(가령, 상간 전압(phase-phase) 3x400V, 또는 3x480V)을 수신하고, 상기 3상 전력을 (예를 들어, 다중 전압 레벨을 갖는) DC 전력으로 변환한다. 각각의 AC/DC 변환기가 3상 전력 연결의 하나의 상을 수신한다. 정상 작동 하에서(가령, 3상 전력원으로부터 적합한 3상 전력이 수신될 때), DC 버스 상에 존재하는 DC 전력이 상기 DC/AC 변환기에게 전력을 제공한다. 덧붙이자면, 정상 작동 중에, DC/DC 변환기가 DC 버스 상에 존재하는 DC 전력을, 배터리를 충전하기 위해 사용되는 전압으로 변환한다. 정상 작동이 아닌 동안(가령, 3상 전력이 불충분하거나, 이용 가능하지 않을 때), DC 전력이 배터리로부터 DC/AC 변환기로 제공된다. DC/AC 변환기는 DC 전력을 3상 AC 전력으로 변환한다(가령, 각각의 DC/AC 변환기가 3상 신호의 단상을 제공한다). AC/DC 변환기에 의해 수신된 전압과 DC/AC 변환기에 의해 제공된 전압은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 정상 작동 중, 또는 그 렇지 않은 작동 중에, DC 버스 밸런서가 DC 버스들 간에 에너지를 이동시킴으로써, DC 버스 상에 존재하는 전압의 균형을 조정한다. 그 밖의 다른 실시예들도 본원발명의 범위 내에 존재한다.
도 1을 참조하면, UPS(5)가 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)과, DC/DC 모듈(40)과, 배터리(50)와, 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 포함한다. 상기 AC/AC 모듈(10)은 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 DC/AC 변환기(12)로 연결되는 AC/DC 변환기(11)를 포함한다. 상기 AC/AC 모듈(20)은 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 DC/AC 변환기(22)로 연결되는 AC/DC 변환기(21)를 포함한다. 상기 AC/AC 모듈(30)은 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 DC/AC 변환기(32)로 연결되는 AC/DC 변환기(31)를 포함한다. DC/DC 모듈(40)은 DC/DC 변환기(41)와 DC 버스 밸런서(42)를 포함한다. 상기 DC/DC 변환기(41)는 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 상기 DC 버스 밸런서(42)로 연결된다. 상기 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)과 DC/DC 모듈(40)은 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 상호연결된다. 상기 UPS(5)는 UPS(5)에 연결된 3상 급전 장치로부터 및/또는 배터리(50)에 저장된 에너지로부터 전력을 부하(도면상 도시되지 않음)에 제공하도록 구성된다.
각각의 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)은 3상 급전 장치의 하나의 상(가령, X, Y 또는 Z-상)을 제 1 AC 전압으로 수신하고, 출력을 통해 제 2 AC 전압을 제공하도록 구성된다. 상기 AC/DC 변환기(11)는 입력(13 및 14)을 포함하며, 상기 AC/DC 변환기(21)는 입력(23 및 24)을 포함하고, AC/DC 변환기(31)는 입력(33 및 34)을 포함한다. 상기 DC/AC 변환기(12)는 출력(15 및 16)을 포함하고, 상기 DC/AC 변환 기(22)는 출력(25 및 26)을 포함하고, 상기 DC/AC 변환기(32)는 출력(35 및 36)을 포함한다. 각각의 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)은 3상 급전 장치의 하나의 상에, 그리고 중성 연결에 연결되도록 구성된다. 예를 들어, AC/DC 변환기(11)의 입력(13)이 X 상으로 연결되고, AC/DC 변환기(21)의 입력(23)이 Y 상으로 연결되며, AC/DC 변환기(31)의 입력(33)이 Z 상으로 연결될 수 있다. 입력(14, 24 및 34)은 3상 급전 장치의 중성 연결(또는 접지 연결)로 연결되도록 구성된다. 각각의 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)은 3상 출력의 하나의 상을 포함하는 출력을 제공하도록 구성되지만, 그 밖의 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 출력(15)은 X 상 출력을 제공하고, 출력(25)은 Y 상 출력을 제공하며, 출력(35)은 Z 상 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 각각의 출력(16, 26 및 36)은 부하의 중성 연결로 연결되도록 구성된다. 각각의 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)은 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 전력을 공유하도록 구성된다.
DC/DC 모듈(40)은 (충전 상태일 때) AC/AC 모듈(10, 20 및/또는 30)로부터 전력을 수신하고, (방전 상태일 때) AC/AC 모듈(10, 20 및/또는 30)로 전력을 제공할 수 있다. DC/DC 변환기(41)는 연결(43, 44 및 45)을 통해 배터리(50)로 연결되도록 구성된다. 그러나 연결(44)은 선택사항이다. 상기 배터리(50)는 납산 배터리(lead acid battery)인 것이 바람직하지만, 그 밖의 다른 타입의 배터리가 사용될 수 있다. 입력(13, 23 및 33)에 바람직한 3상 급전이 존재할 때(즉, 충전 상태일 때), DC/DC 모듈(40)이 DC 전력을 배터리(50)로 제공[이에 따라, 배터리(50)를 충전]하도록 구성된다. 마찬가지로, 입력(13, 23 및 33)에 바람직한 3상 급전이 없 을 때(즉, 방전 상태일 때), DC/DC 모듈(40)은 배터리(50)로부터의 에너지를 이용하여 하나 이상의 DC 전압을 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)로 제공하도록 구성된다. DC/DC 모듈(40)이 동작 중인 상태는, 예를 들어, 3상 AC 입력을 모니터링하도록 구성된 제어기(도면상 도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. DC/DC 변환기(41)는, 충전 상태에서, AC/AC 모듈(10, 20 및 30)로부터 DC 전압 세트를 수신하고, 상기 DC 전압 세트를 배터리(50)가 요구하는 DC 배터리-충전 전압으로 변환하도록 구성된다. 상기 DC/DC 변환기(41)는 방전 상태 동안 상기 배터리(50)로부터 DC 전력을 배터리-충전 전압으로 수신하고, 이를 DC 전압 세트로 변환하도록 추가적으로 구성된다. 방전 상태 동안 상기 DC/DC 변환기(41)는 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)로 DC 전압 세트를 제공하도록 구성된다. 상기 DC/DC 변환기(41)는 버스(60, 61, 62, 63 및 64)를 통해 DC 버스 밸런서(42)로 연결된다. 상기 DC 버스 밸런서(42)는 버스(60, 61, 62, 63 및 64) 상에 존재하는 전압의 균형을 조정하도록 구성되며, 이는 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.
UPS(5)가 AC/AC 모듈(10, 20 및/또는 30)로의 입력 상에 적합한 입력 전력이 존재하는가의 여부를 판단하도록 구성된다. 상기 UPS(5)는 하나 이상의 방법 및/또는 회로를 이용하여 AC/AC 모듈로의 입력 상의 적합한 전력의 존재를 검출할 수 있다. 예를 들어, 상기 UPS(5)는 AC 전압이 입력(13, 23 및/또는 33) 상에 존재하는가의 여부를 판단하고, 존재하는 경우 바람직한 레벨로 존재하는가를 판단하도록 구성된 회로를 포함할 수 있다. 또한 상기 UPS(5)는 DC/DC 변환기(41)가 어느 상태(가령, 충전 상태, 또는 방전 상태)에서 동작 중인지를 모니터링하고, 버스(60, 61, 63 및/또는 64) 상에 DC 전압이 존재하는가의 여부를 모니터링하도록 구성된 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 변환기(41)가 충전 상태에서 동작 중이고, 버스(60, 61, 63 및/또는 64) 상의 각각의 DC 전압이 각각의 바람직한 레벨 이하로 강하한 경우, 상기 회로는 AC/AC 변환기(11, 21 및 31)로 제공된 AC 전압이 바람직한 레벨 이하로 강하했음을 나타내는 신호를 제공할 수 있다. 입력 AC 전압이 바람직한 레벨 이하인지의 여부를 검출하도록 그 밖의 다른 방법 및/또는 회로가 사용될 수 있다. 상기 UPS(5)는 [가령, 스위치(이하에서 설명됨)를 오프 상태로 설정함으로써] 자신을 3상 급전 장치로부터 차단하도록 추가로 구성된다.
펄스 폭 변조(PWM) 제어기가 상기 UPS(5)의 일부, 또는 모든 구성요소의 동작을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, AC/DC 변환기(11, 21 및 31), DC/AC 변환기(12, 22 및 32), DC/DC 모듈(41) 및 DC 버스 밸런서(42)에 대해 개별적인 PWM 제어기가 사용될 수 있지만, 그 밖의 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 동일한 물리적 구성을 갖지만, 서로 다른 제어 신호를 사용하는 개별적인 PWM 제어기가 사용될 수 있고, 또는 동일하지 않은 물리적 구성을 갖는 PWM 제어기가 사용될 수 있다. 상기 PWM 제어기는 (가령, 피드백 루프를 이용하여) 스위치의 일부분의 스위칭을, AC 입력 신호의 주파수와 위상의 함수로서, 제어하도록 구성되거나, [가령, 바람직한 주파수 및 위상의 전력을 DC/AC 변환기(12, 22 및 32)로 연결되는 부하로 제공하기 위한] 바람직한 출력에 따라 설정될 수 있다.
도 2를 참조하면, AC/DC 변환기(200)[가령, AC/DC 변환기(11, 21 및 31)의 바람직한 실시예]가 다이오드(205, 215, 225, 235, 245 및 255)와, 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)와, 커패시터(280)와, 인덕터(285)를 포함한다. 상기 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이지만, 그 밖의 다른 스위치가 사용될 수도 있다. 상기 스위치(210, 220, 250 및 260)는 600V의 최대 전압 정격을 갖고, 스위치(230 및 240)는 1200V의 최대 전압 정격을 갖는 것이 바람직하지만, 그 밖의 다른 전압 정격도 가능하다. 입력(202)이, 예를 들어, 3상 급전 장치의 하나의 상(가령, X 상)으로 연결되도록 구성된다. 커패시터(280)가 입력(202)과 접지 연결 사이에 연결된다. 또한, 인덕터(285)의 노드(286)가 상기 입력(202)으로 연결된다. 다이오드(225)의 애노드(227), 스위치(230)의 이미터(232), 다이오드(235)의 캐소드(236) 및 스위치(240)의 콜렉터(241)가 상기 인덕터(285)의 노드(287)로 연결된다. 다이오드(225)의 캐소드(226)가 스위치(230)의 콜렉터(231)로 연결된다. 다이오드(235)의 애노드(237)가 스위치(240)의 이미터(242)로 연결된다. 상기 캐소드(226)와, 상기 콜렉터(231)와, 다이오드(205)의 애노드(207)와, 스위치(210)의 이미터(212)와, 다이오드(215)의 캐소드(216)와, 스위치(220)의 콜렉터(221)가 서로 연결된다. 상기 애노드(237)와, 상기 이미터(242)와, 다이오드(245)의 애노드(247)와, 스위치(250)의 이미터(252)와, 다이오드(255)의 캐소드(256)와, 스위치(260)의 콜렉터(211)가 서로 연결된다. 다이오드(205)의 캐소드(206)와 스위치(210)의 콜렉터(211)가 출력(235)으로 연결된다. 다이오드(215)의 애노드(217)와 스위치(220)의 이미터(222)가 출력(240)으로 연결된다. 다이오드(245)의 캐소드(246)와 스위치(250)의 콜렉터(251)가 출력(245)으로 연결된다. 다이오드(255)의 애노드(257)와 스위치(260)의 이미터(262)가 출력(250)으로 연결된다. 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)의 게이트(213, 223, 233, 243, 253 및 263)는 각각 하나의 펄스 폭 변조 제어기(275)로 연결되며, 이는 이하에서 더 상세히 설명될 것이다. 출력(265, 266, 267 및 268)은 각각 버스(64, 63, 61 및 60)로 연결되도록 구성된다. 인덕터(258)는 100uH의 인덕턴스를 갖는 것이 바람직하지만, [예를 들어, 시스템(5)의 정격 전력에 따라서] 그 밖의 다른 인덕턴스가 사용될 수도 있다. 커패시터는 200uF의 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하지만, [가령, 시스템(5)의 정격 전력에 따라서] 그 밖의 다른 커패시턴스가 사용될 수도 있다.
AC/DC 변환기(200)는, 예를 들어, 3상 전력 연결의 하나의 상으로부터 AC 전력을 수신하고, 출력(265, 266, 267 및 268)을 통해 다중-레벨 DC 출력을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, AC/DC 변환기(200)가 작동 중이고, 입력(202)이 480 VAC 급전 장치로 연결될 때, 상기 AC/DC 변환기(200)는 (상기 급전 장치의 중성 연결에 비해) 출력(265)과 중성 연결 양단에 약 +450 VDC의 전압과, 출력(266)과 중성 연결 양단에 약 +150 VDC의 전압과, 출력(267)과 중성 연결 양단에 약 -150 VDC의 전압과, 출력(268)과 중성 연결 양단에 약 -450 VDC의 전압을 유도할 수 있다. 마찬가지로, AC/DC 변환기(200)가 출력(265 및 266), 출력(266 및 267) 및 출력(267 및 268) 양단에 약 300 VDC의 전압(각각, V1, V2 및 V3)을 유도하도록 구성된다.
출력(265 및 268) 상에 유도된 전압은 입력 전압의 함수인 것이 바람직하다. 출력(265 및 268) 상에 유도된 전압은 커패시터(280) 양단의 전압에
Figure 112009056768410-pct00007
를 곱한 값보다 크거나 동일한 것이 바람직하다. (중성 연결이 이용가능한 경우) 커패시 터(280) 양단의 전압[즉, 상-중성간 전압(phase-neutral voltage)]은
Figure 112009056768410-pct00008
과 실질적으로 동일한 것이 바람직하며, 상기 커패시터(280) 양단의 순간 피크 전압은 ±(상-중성간 전압)(
Figure 112009056768410-pct00009
)의 범위에서 변화한다. AC/DC 변환기(200)는 출력(265) 상에 제공되는 전압이 상기 커패시터(280) 양단의 양의 순간 피크 전압보다 더 크며, 출력(268) 상에서 제공되는 전압은 커패시터(280) 양단의 음의 순간 피크 전압보다 더 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 입력(202)에서 480V의 입력을 가정하면, 상-중성간 전압은 약 277Vrms이며, 커패시터(280) 양단의 순간 피크 전압은 약 392V이다. 따라서 이 예시에서, AC/DC 변환기(200)는 출력(265)이 약 392V, 또는 그 이상(가령, 450V)의 전압을 출력하고, 출력(268)은 약 -392V, 또는 그 이하(가령, -450V)의 전압을 출력하도록 구성된다. 출력(265 및 268) 상의 전압 출력의 절대값과 커패시터(280) 양단의 순간 피크 전압의 절대값 간의 차이가 증가하면, 시스템(5)의 작동 허용 오차를 증가시킬 수 있다.
커패시터(280)와, 인덕터(285)와, 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)의 조합은 부스터 변환기로서 기능하며, 입력(202)으로 제공되는 AC 신호를 인덕터(285)의 노드(287)에서 [가령, 도 8에서 신호(305)로서 나타낸 바와 같은] 4-레벨 준구형파로 변환하도록 구성된다. 상기 노드(287)에서의 전압은 스위치(210, 220, 230, 250, 260)의 상태에 따라 달라질 수 있다(이는 이하에서 더 상세히 설명 된다). 예를 들어, 입력(202) 상에 존재하는 AC 전압의 순간 값이, 노드(265)에서의 DC 전압과 동일한 제 1 전압 레벨[가령, AC/DC 변환기(200)의 구성에 의해 결정되는 바와 같이, 450V]과 노드(266)에서의 DC 전압과 동일한 제 2 전압 레벨(가령, 150V) 사이에 존재할 때, 인덕터(285)의 노드(287)에서의 구형파는 이들 값(여기서는 450V와 150V) 사이에서 스위칭되고, 입력(202) 상에서 존재하는 AC 전압의 순간 값이, 노드(266)에서의 DC 전압과 동일한 제 2 전압 레벨과 노드(267)의 DC 전압과 동일한 제 3 전압 레벨(가령, -150V) 사이에 존재할 때, 인덕터(285)의 노드(287)에서의 구형파는 이들 값(가령, -150V과 150V) 사이에서 스위칭되며, 입력(202) 상에서 제공되는 AC 전압의 순간 값이 노드(267)에서의 DC 전압과 동일한 제 3 전압 레벨과 노드(268)에서의 DC 전압과 동일한 제 4 전압 레벨(가령, -450V) 사이에 존재할 때, 인덕터(285)의 노드(287)에서의 구형파는 이들 값(가령, -150V와 -450V) 사이에서 스위칭된다. 덧붙이자면, 커패시터(280)와 인덕터(285)의 조합은 로우 패스 필터로서 기능하도록 구성된다.
AC/DC 변환기(200)는 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)를 스위칭함으로써 출력(265, 266, 267 및 268)에 전압을 유도하도록 구성된다. 상기 스위치는 PWM 제어기(275)에 의해 발동되도록 구성된다. 상기 PWM 제어기(275)는 3개의 상태 중 AC/DC 변환기(200)가 작동 중인 하나의 상태에 따라서 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)를 제어하도록 구성된다. 도 3을 또한 참조하면, AC/DC 변환기(200)는 3개의 상태로 동작하도록 구성된다. 제 1 상태는 입력(202)에 의해 수신된 입력 전압이 출력(265)에 의해 제공되는 전압의 3분의 1보다 클 때에 대응한다 (가령, 피크 입력 전압이 ±450VAC인 경우, 상기 제 1 상태는 입력이 150V 이상일 때에 대응한다). 제 2 상태는 입력(202)에 의해 수신된 입력이 출력(265)에 의해 제공된 전압의 3분의 1과 출력(268)에 의해 제공된 전압의 3분의 1 사이(가령, 150V와 -150V 사이)에 존재할 때에 대응한다. 제 3 상태는 입력(202)에 의해 수신된 입력이 출력(268)에 의해 제공된 전압의 3분의 1 미만일 때(가령, -150V 미만일 때)에 대응한다. 또한 도 4를 참조하면, PWM 제어기(275)는 제 1 상태 동안 스위치(230 및 250)는 온 상태(전도 상태)로 설정되고, 스위치(240 및 260)는 오프 상태(비전도 상태)로 설정되며, 스위치(210 및 220)는 오프와 온 상태 간에서 스위칭하도록 구성된다(도 4A 참조). 상기 PWM 제어기(275)는 제 2 상태 동안 스위치(220 및 250)는 온 상태이고, 스위치(210 및 260)는 오프 상태이며, 스위치(230 및 240)는 스위칭하도록 구성된다(도 4B). 상기 PWM 제어기(275)는 제 3 상태 동안 스위치(220 및 240)는 온 상태이고, 스위치(210 및 230)는 오프 상태이며, 스위치(250 및 260)는 스위칭하도록 구성된다(도 4C).
도 5 및 6을 참조하면, PWM 제어기(275)가 제어 신호를 이용하여 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)를 제어하도록 구성된다. 상기 PWM 제어기(275)는 비교기(505, 515 및 525)와 로직 인버터(510, 520 및 530)를 포함한다. 상기 PWM 제어기(275)는 AC/DC 변환기(200)가 유입 AC 신호를 본원에서 기재되는 DC 신호로 변환하기 위해 본원에서 기재된 상태에서 동작하게 하도록 구성된다. 비교기(505)의 양의 입력(506)이 [신호(605)를 수신하기 위해] 사인파 변조 신호 공급원으로 연결되며, 비교기(505)의 음의 입력(507)이 제 1 PWM 반송 신호(610)로 연결된다. 비교기(515)의 양의 입력(516)은 사인파 변조 신호로 연결되고, 상기 비교기(515)의 음의 입력(517)은 제 2 PWM 반송 신호(615)로 연결된다. 비교기(525)의 양의 입력(526)은 사인파 변조 신호로 연결되며, 비교기(525)의 음의 입력(527)은 제 3 PWM 신호(620)로 연결된다. 비교기(505)의 출력(508)은 스위치(210)로 연결되며, 로직 인버터(510)를 통해 스위치(220)로 연결된다. 비교기(515)의 출력(518)은 스위치(230)로 연결되며, 로직 인버터(520)를 통해 스위치(240)로 연결된다. 비교기(525)의 출력(528)은 스위치(250)로 연결되며, 로직 인버터(530)를 통해 스위치(260)로 연결된다.
스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)의 바람직한 스위칭 패턴을 획득하도록 PWM 제어기(275)에 의해 사용되는 제어 신호가 선택된다. 상기 신호(605, 610, 615 및 620)는, 예를 들어, 파형 발생기에 의해 발생된 저전압 신호인 것이 바람직하다. 상기 사인파 신호(605)는 입력(202)에 제공되는 급전의 주파수 및 위상과 거의 동일한 주파수 및 위상을 갖는 정현파 신호이다. 상기 사인파 신호(605)는 임계치(625)와 거의 동일한 피크 진폭을 가지며, 상기 임계치는 여러 가지 값일 수 있으며, 예를 들어 1V일 수 있다. 제 1 PWM 반송파(610, 615 및 620)는 AC/DC 변환기(200)의 바람직한 PWM 스위칭 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 삼각파이지만, 그 밖의 다른 주파수가 가능할 수도 있다. AC/DC 변환기(200)의 PWM 스위칭 주파수는 IGBT 스위칭 손실과 입출력 인덕터 및 커패시터[가령, 커패시터(280) 및 인덕터(285)]의 물리적 크기 및 비용 간의 타협안으로 선택되는 것이 바람직하다. PWM 제어 신호(610)의 최대 값은 임계치(625)와 거의 동일하고, 제 1 PWM 제어 신호(610)의 최소 값은 임계치(625)의 3분의 1과 거의 동일하다. PWM 제어 신호(615)의 최대 값은 임계치(625)의 3분의 1과 거의 동일하며, PWM 제어 신호(615)의 최소 값은 임계치(625)의 3분의 1의 음의 값과 거의 동일하다. PWM 제어 신호(620)의 최대 값은 임계치(625)의 3분의 1의 음의 값과 거의 동일하고, PWM 제어 신호(620)의 최소 값은 임계치(625)에 -1을 곱한 값과 거의 동일하다.
상기 PWM 제어기(275)는 사인파 변조 신호(605)와 PWM 제어 신호(610, 615 및 620)를 이용하여 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)를 스위칭하도록 구성된다. 사인파 변조 신호(605)가 변화함에 따라, 양의 입력(505)과 음의 입력(507) 중 더 큰 것에 따라, 비교기(505)는 논리 1과 논리 0 중 하나를 출력할 것이다. 상기 비교기(505)는 양의 입력(506)이 음의 입력(507)보다 더 큰 경우[가령, 사인파 변조 신호(605)의 전압이 PWM 제어 신호(610)의 전압보다 큰 경우], 논리 1을 출력하도록 구성된다. 마찬가지로, 상기 비교기(505)는 양의 입력(506)이 음의 입력(507)보다 작은 경우[가령, 사인파 변조 신호(605)의 전압의 PWM 제어 신호(610)의 전압보다 작은 경우], 논리 0을 출력하도록 구성된다. 상기 설명이 비교기(505)의 동작에 초점을 맞췄지만, 비교기(515 및 525)의 동작도 이와 유사한 것이 바람직하다. (가령, 원하지 않는 스위치 쌍이 동시에 온 상태가 되는 것을 방지하기 위해) 임의의 주어진 스위치를 스위칭-오프하는 것과, 또 다른 스위치를 스위칭-온하는 것 사이에 약간의 딜레이가 존재하도록, PWM 제어기(275)는 작은 "데드 밴드(dead band)"를 삽입하도록 구성된다. 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)는 논리 1이 스위치를 온시키는 반면에, 논리 0이 스위치를 오프시키도록 구성되지 만, 그 반대의 경우도 가능하다.
PWM 제어기(275)는 자신이 제어하는 스위치가 스위칭되는 듀티 사이클을 변화시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 신호(610, 615, 620 및 625)를 이용하여, 반복적으로 토글 중인 스위치[가령, 제 1 상태에서 스위치(210 및 220)]의 듀티 사이클이 변한다. 스위치(210)가 온되고, 스위치(220)가 오프될 때를 가리키는 구간(630)과 구간(635)을 비교하면, 구간(630)이 구간(635)보다 더 크다.
도 2를 참조하면, AC/DC 변환기(200)의 작동의 예가 기재될 것이다. 상기 AC/DC 변환기(200)는 부스트 변환기 역할을 수행함으로써, 각각의 DC 전압을 출력(265, 266, 267 및 268)에 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 스위치(220)가 온 상태이고, 스위치(210)가 오프 상태인 제 1 상태에서, 인덕터(285)는 에너지를 저장할 것이다. 스위치(220)가 오프 상태일 때, 인덕터(285)에 저장되는 에너지에 의해, 전류가 다이오드(205)를 통해 프리휠(freewheel)된다. 스위치(230)가 온 상태이고, 스위치(240)가 오프 상태인 제 2 상태에서, 인덕터(285)는 에너지를 저장할 것이다. 스위치(230)가 오프 상태일 때, 인덕터(285)에 의해 전류가 다이오드(235)를 통해 프리휠된다. 스위치(258)가 온 상태이고, 스위치(260)가 오프 상태인 제 3 상태에서, 인덕터(285)는 에너지를 저장할 것이다. 스위치(250)가 오프 상태일 때, 인덕터(285)에 저장되는 에너지에 의해, 전류가 다이오드(255)를 통해 프리휠된다.
도 2 및 7을 참조하면, DC/AC 변환기(700)(예를 들어, DC/AC 변환기의 바람직한 실시예는 12, 22 및 32이다)가 다이오드(705, 715, 725, 735, 745 및 755)와, 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)와, 입력(765, 766, 767 및 768)과, 필터(770)와, 출력(702)을 포함한다. 상기 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)는 IGBT이지만, 그 밖의 다른 트랜지스터가 사용될 수도 있다. 입력(765, 766, 767 및 768)은, 예를 들어, AC/DC 변환기(200)로부터 DC 전력을 수신하도록 구성된다. 다이오드(725)의 애노드(727)와, 스위치(730)의 이미터(732)와, 다이오드(735)의 캐소드(736)와, 스위치(740)의 콜렉터(741)가 출력(702)으로 연결된다. 상기 다이 오드(725)의 캐소드(726)는 스위치(730)의 콜렉터(731)로 연결된다. 다이오드(735)의 애노드(737)가 스위치(740)의 이미터(742)로 연결된다. 상기 캐소드(726)와, 상기 콜렉터(731)와, 다이오드(705)의 애노드(707)와, 스위치(710)의 이미터(712)와, 다이오드(715)의 캐소드(716)와, 스위치(720)의 콜렉터(721)가 서로 연결된다. 상기 애노드(737)와, 상기 이미터(742)와, 다이오드(745)의 애노드(747)와, 스위치(750)의 이미터(752)와, 다이오드(755)의 캐소드(756)와, 스위치(760)의 콜렉터(761)가 서로 연결된다. 다이오드(705)의 캐소드(706)와 스위치(710)의 콜렉터(711)가 입력(765)으로 연결된다. 다이오드(715)의 애노드(717)와 스위치(720)의 이미터(722)가 입력(766)으로 연결된다. 다이오드(745)의 캐소드(746)와 스위치(750)의 콜렉터(751)가 입력(767)으로 연결된다. 다이오드(755)의 애노드(757)와 스위치(760)의 이미터(762)가 입력(768)으로 연결된다. 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)의 베이스(713, 723, 733, 743, 753 및 763)는 각각, 펄스 폭 변조 제어기로 연결되며, 이는 이하에서 더 상세히 기재될 것이다. [노드(772)를 형성하는] 스위치(730)의 이미터(732)와, 다이오드(725)의 애노드(727)와, 스위치(740)의 콜렉터(741)와, 다이오드(735)의 캐소드(736)가 필터(770)로 연결된다. 상기 필터(770)는 인덕터(785)와 커패시터(790)를 포함한다. 상기 인덕터(786)가 노드(772)와 출력(702) 사이에 연결된다. 상기 커패시터(790)는 출력(702)과 접지 사이에 연결된다. 상기 인덕터(785)는 100uH의 인덕턴스를 갖는 것이 바람직하지만, [가령, 시스템(5)의 전력 정격에 따라] 그 밖의 다른 인덕턴스가 사용될 수도 있다. 커패시터(790)는 200uF의 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하지만, [가령, 시 스템(5)의 전력 정격에 따라] 그 밖의 다른 커패시턴스가 사용될 수도 있다.
DC/AC 변환기(700)는, 예를 들어, AC/DC 변환기(200)로부터 DC 전력을 수신하고, 출력(702)을 통해 AC 출력을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, DC/AC 변환기(700)가 작동 중이고, 입력(765, 766, 767 및 768)이 각각, AC/DC 변환기(200)의 출력(265, 266, 267 및 268)으로 연결될 때, AC 출력이 출력(702) 상에 유도될 수 있다. 상기 DC/AC 변환기(700)는 입력(765) 상에서 존재하는 전압[가령, 출력(702)에서의 신호의 양의 피크 전압] 및 입력(768) 상에서 존재하는 전압[가령, 출력(702)에서의 신호의 음의 피크 전압]과 거의 동일한 피크 전압을(가령, 중성 연결에 대하여) 갖는 AC 출력을 출력(702) 상에서 유도하도록 구성된다. 그러나, 그 밖의 다른 전압이 유도될 수도 있다.
DC/AC 변환기(700)는 전압, 또는 전류 제어형 DC/AC 변환기로서 구현될 수 있다. 전류 제어를 이용하여 상기 DC/AC 변환기(700)를 작동시킬 때, 바람직한 전압을 유지하기 위해 "외부" 전압 루프가 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 인덕터(785) 내의 전류 흐름을 모니터링하고, 출력(702)에 존재하는 전압을 모니터링하도록(예컨대, 출력이 정현파형인가의 여부를 판단하도록), 제어 회로(도면상 도시되지 않음)가 구성될 수 있다. 상기 제어 회로는 측정된 전류 및 전압 값을 기초로, 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)로 제공되는 PWM 신호를 조정하여, 바람직한 출력 전압을 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 DC/AC 변환기(700)는 본원에서 설명되는 바와 같이 고정, 또는 가변 PWM 주파수로 작동하도록 구성될 수 있다.
스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)를 스위칭함으로써 상기 DC/AC 변환 기(700)는 입력(765, 766, 767 및 768)에 존재하는 DC 전압을 AC 출력 전압으로 변환하도록 구성된다. 상기 스위치는 PWM 제어기(775)에 의해 발동되도록 구성되며, 상기 PWM 제어기(775)는 PWM 제어기(275)와 유사한 방식으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 PWM 제어기(775)로 제공되는 제어 신호는 PWM 제어기(275)로 제공되는 것과 유사할 수 있지만, 출력(702)으로 연결되는 부하에 대해 바람직한 출력을 생성하기 위해 제어 신호의 주파수 및/또는 진폭이 변할 수 있다. 상기 DC/AC 변환기(700)는 하나의 라인 사이클(가령, 제 1, 제 2 및 제 3 상태를 통과하는 사이클)의 임의의 주어진 부분에서 6개의 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760) 중 2개가 상보적인 방식으로 토글되는 반면에, 나머지 4개의 스위치는 계속 스위치 오프되거나, 계속 스위치 온되도록 구성된다.
또한, 도 8을 참조하면, PWM 제어기(775)는 DC/AC 변환기(700)가 3개의 상태로 작동하게 할 수 있다. 제 1 상태는 출력(702)에서 제공되는 전압 출력이 입력(765) 상에 제공되는 전압의 3분의 1 보다 클 때에 대응한다. (가령, 입력 상의 전압이 450V인 경우, 제 1 상태는 출력이 150V 보다 클 때에 대응한다). 제 2 상태는 출력(702)에서 제공되는 전압 출력이 입력(765) 상에서 제공되는 전압의 3분의 1과 입력(768)에서 제공되는 전압의 3분의 1 사이(가령, -150V와 150V 사이)에 존재할 때에 대응한다. 제 3 상태는 출력(702)에서 제공되는 전압 출력이 입력(768) 상에서 제공되는 전압의 3분의 1 보다 낮을 때(가령, -150V보다 낮은 때)에 대응한다. 제 1 상태 동안 스위치(730 및 750)가 스위치 온되고, 스위치(740 및 760)는 스위치 오프되며, 스위치(710 및 720)는 스위칭하도록, PWM 제어기(775)가 구성된 다(도 9A). 제 2 상태 동안, 스위치(720 및 750)는 스위치 온되고, 스위치(710 및 760)는 스위치 오프되며, 스위치(730 및 740)는 스위칭하도록, 상기 PWM 제어기(775)가 구성된다(도 9B). 제 3 상태 동안 스위치(720 및 740)는 스위치 온되며, 스위치(710 및 730)가 스위치 오프되며, 스위치(750 및 760)가 스위칭하도록, 상기 PWM 제어기(775)가 구성된다(도 9C). 제 1 상태에서 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)의 스위칭 구성은 가변 듀티 사이로 450V와 150V 사이에서 변하는 구형파를 노드(780)에서 야기하도록 구성된다. 예를 들어, 구형파의 듀티 사이클은 DC/AC 변환기가 어느 상태의 어느 부분에서 작동 중인가에 따라 달라질 수 있다(예컨대, 제 1 상태에서 출력의 전압이 450V에 접근할 때, 구형파의 듀티 사이클은 100%에 접근한다). 제 2 상태에서, 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)의 스위칭 구성은 가변 듀티 사이클로 150V와 -150V 사이에서 변하는 구형파 전압을 노드(780)에서 야기하도록 구성된다. 제 3 상태에서, 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)의 스위칭 구성은 가변 듀티 사이클로 -150V와 -450V 사이에서 변하는 구형파 전압을 노드(780)에서 야기하도록 구성된다.
필터(770)는 노드(772)에서 제공되는 출력을 실질적 AC 출력 전압으로 필터링하도록 구성되며, 상기 실질적 AC 출력 전압은 출력(702)에 제공된다. 상기 필터(770)는 L-C 로우 패스 필터일 수 있지만, 그 밖의 다른 필터 구성이 가능할 수도 있다.
도 10을 참조하면, AC/AC 모듈(10)은 AC/DC 변환기(200)와, DC/AC 변환기(700)와, 커패시터(905, 910, 915 및 920)를 포함한다. 출력(265, 266, 267 및 268)은 각각 입력(765, 766, 767 및 768)으로 연결된다. 상기 커패시터(905)는 출력(265)과 입력(765)의 접합점과 출력(266)과 입력(766)의 접합점 사이에 연결된다. 상기 커패시터(910)는 출력(266)과 입력(766)의 접합점과 중성 연결 사이에 연결된다. 상기 커패시터(915)는 중성 연결과 출력(267)과 입력(767)의 접합점 사이에 연결된다. 상기 커패시터(920)는 출력(267)과 입력(767)의 접합점과 출력(268)과 입력(768)의 접합점 사이에 연결된다. 덧붙이자면, 출력(265)과 입력(765)의 접합점은 버스(64)로 연결된다. 상기 출력(266)과 입력(766)의 접합점은 버스(63)로 연결된다. 출력(267)과 입력(767)의 접합점은 버스(60)로 연결된다. 출력(268)과 입력(768)의 접합점은 버스(61)로 연결된다.
커패시터(905, 910, 915 및 920)는 짧은 시간 주기 동안, 가령, 입력(202)으로 제공되는 전력 신호의 주파수가 출력(702)에 의해 제공되는 신호 주파수와 상이할 때, 에너지를 저장하여 버스(60, 61, 62, 63 및/또는 64) 상에 존재하는 리플 전류를 감소시키도록 구성된다. AC/AC 모듈(10)은 작동 중에 커패시터(905 및 920) 양단에 300V 전위를 유도하고, 커패시터(910 및 915) 양단에 150V 전위를 유도하도록 구성된다.
도 1 및 11을 참조하면, DC/DC 변환기(1000)[가령, DC/DC 변환기(41)의 바람직한 실시예]가 배터리(50)로 연결되고, 다이오드(1005, 1015, 1025 및 1035)와, 스위치(1010, 1020, 1030 및 1040)와, 커패시터(1050, 1055, 1060 및 1065)와, 커패시터(1070 및 1075)와, 인덕터(1080 및 1085)를 포함한다. 상기 스위치(1010, 1020, 1030 및 1040)는 IGBT인 것이 바람직하지만, 그 밖의 다른 스위치가 사용될 수도 있다. 상기 다이오드는 [가령, 시스템(5)의 어떤 다른 곳에서도 사용될 수 있으므로] 고속, 또는 초고속 역방향 회복 다이오드인 것이 바람직하다. 다이오드(1005)의 캐소드(1006)가 스위치(1010)의 콜렉터(1011)로 연결되며, 노드(1090)로 추가로 연결된다. 다이오드(1005)의 애노드(1007)와, 스위치(1010)의 이미터(1012)와, 다이오드(1015)의 캐소드(1016)와, 스위치(1020)의 콜렉터(1021)가 서로 연결된다. 다이오드(1015)의 애노드(1017)와 스위치(1020)의 이미터(1022)가 서로 연결되며, 노드(1091)로 추가로 연결된다. 커패시터(1050)의 양의 단자(1051)가 노드(1090)로 연결되고, 커패시터(1050)의 음의 단자(1052)가 노드(1091)로 연결된다. 상기 커패시터(1070)와 인덕터(1080)는 애노드(1007)와 이미터(1012)와 캐소드(1016)와 콜렉터(1021)의 접합점과 노드(1092) 사이에 연결된다. 상기 인덕터(1080)는 애노드(1007)와 이미터(1012)와 캐소드(1016)와 콜렉터(1021)의 접합점으로 연결되고, 커패시터(1070)는 노드(1092)로 연결되는 것이 바람직하다. 커패시터(1055)의 양의 단자(1056)는 노드(1091)로 연결되고, 커패시터(1055)의 음의 단자(1057)는 노드(1092)로 연결된다. 다이오드(1025)의 캐소드(1026)는 스위치(1030)의 콜렉터(1031)로 연결되고, 노드(1093)로 추가로 연결된다. 다이오드(1025)의 애노드(1027)와, 스위치(1030)의 이미터(1032)와, 다이오드(1035)의 캐소드(1036)와, 스위치(1040)의 콜렉터(1041)는 서로 연결된다. 다이오드(1035)의 애노드(1037)와, 스위치(1040)의 이미터(1042)가 서로 연결되며, 노드(1094)로 추가로 연결된다. 커패시터(1065)의 양의 단자(1066)가 노드(1093)로 연결되며, 커패시터(1065)의 음의 단자(1067)가 노드(1094)로 연결된다. 커패시터(1075)와 인덕 터(1085)가 애노드(1027)와 이미터(1032)와 캐소드(1036)와 콜렉터(1041)의 접합점과 노드(1092) 사이에 연결된다. 인덕터(1085)는 애노드(1027)와 이미터(1032)와 캐소드(1036)와 콜렉터(1041)의 접합점으로 연결되고, 커패시터(1075)는 노드(1092)로 연결되는 것이 바람직하다. 커패시터(1060)의 양의 단자(1061)는 노드(1092)로 연결되며, 커패시터(1060)의 음의 단자(1062)는 노드(1093)로 연결된다. 노드(1090, 1091, 1092, 1093 및 1094)는 각각 버스(64, 63, 62, 61 및 60)로 연결되도록 구성된다. 스위치는 PWM 제어기(1115)로 연결되도록 구성된다. 도면에서 커패시터(1050, 1055, 1060 및 1065)에게 상이한 도면 부호가 할당됐지만, 커패시터(1050, 1055, 1060 및 1065)는 각각 커패시터(905, 910, 915 및 920)일 수 있다.
DC/DC 변환기(1000)는 배터리(1095 및 1100)로 전력을 제공하고, 상기 배터리(1095 및 1100)로부터 전력을 수신하도록 구성된다. 상기 배터리(1095 및 1100)는 회로 차단기(1105 및 1110)를 통해 DC/DC 변환기(1000)로 연결된다. 배터리(1095)의 양의 단자(1096)가 상기 차단기(1105)를 통해 커패시터(1070)와 인덕터(1080)의 접합점으로 연결된다. 배터리(1095)의 음의 단자(1097)는 배터리(1100)의 양의 단자(1101)로 연결된다. 배터리(1100)의 음의 단자(1102)는 상기 차단기(1110)를 통해 커패시터(1075)와 인덕터(1085)의 접합점으로 연결된다. 선택사항으로서, 배터리(1095)의 음의 단자(1097)와 배터리(1100)의 양의 단자(1101)가 노드(1092)로 연결되어, 배터리 차단기 양단의 최대 전압을 감소시킬 수 있다. 상기 배터리(1095 및 1100)는 시스템(5)의 피크 전압[예를 들어, 버스(64) 상에 존재하 는 전압]과 시스템(5)의 피크 전압의 3분의 1[가령, 버스(63) 상에 존재하는 전압] 사이에 존재하는 전압을 수신 및 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리(1095 및 1100)는 약 288V를 제공하도록 구성될 수 있다.
DC/DC 변환기(1000)는 2가지 상태, 즉, 충전 상태와 방전 상태로 작동하도록 구성된다. 충전 상태 동안, 상기 DC/DC 변환기(1000)는 벅 변환기로서 기능하며, 버스(60, 61, 63 및 64)로부터 제 1 DC 전압 세트를 수신하고, 배터리(1095 및 1110)로 제 1 레벨의 전압을 제공한다. 방전 상태 동안, DC/DC 변환기(1000)는 제 2 레벨의 DC 전력을 수신하고, 제 2 DC 전압 세트를 버스(60, 61, 63 및 64)에게 각각 제공한다. 제 1 전압 세트와 제 2 전압 세트는 실질적으로 동일할 수 있다. 제 1 DC 전압과 제 2 DC 전압은 실질적으로 동일할 수 있다. 충전 상태 동안, DC/DC 변환기(1000)는 배터리(1095 및 1100)를 능동적으로 충전하거나, 및/또는 (가령, 완전히 충전된 배터리의 충전 상태를 유지하도록) 부동 충전을 제공한다.
스위치(1010, 1020, 1030 및 1040)는 PWM 제어기(1115)에 의해 제어되도록 구성된다. PWM 제어기(1115)의 구성은 PWM 제어기(275)의 구성과 유사한 것이 바람직하지만, 그 밖의 다른 구성이 가능하다. 스위치(1010 및 1040)는 서로 유사한 방식으로 스위칭되도록[예컨대, 스위치(1010 및 1040) 모두가 거의 동시에 스위치 온되도록] 제어되며, 스위치(1020 및 1030)가 서로 유사한 방식으로 스위칭되도록[예컨대, 스위치(1020 및 1030) 모두가 거의 동시에 스위치 온되도록] 제어되는 것이 바람직하다. 그러나, 음의 단자(1097)와 양의 단자(1101)의 접합점이 노드(1092)로 연결되는 경우, 각각의 스위치(1010, 1020, 1030 및 1040)는 독립적으로 스위칭될 수 있다. 상기 PWM 제어기(1115)는 스위치(1010)의 듀티 사이클을 변화시킴으로써 배터리(1095)의 충전 전압을 변화시키도록 구성된다. 마찬가지로, PWM 제어기(1115)가 스위치(1040)의 듀티 사이클을 변화시킴으로써, 배터리(1110)의 충전 전압을 변화시킬 수 있다.
DC/DC 변환기(1000)가 충전 상태에서 작동 중일 때, PWM 제어기(1115)는 스위치(1010 및 1040)를 반복적으로 스위칭하는 반면에, 스위치(1020 및 1030)는 스위치 오프된 채로 유지함으로써, DC/DC 변환기(1000)가 벅 변환기로서 동작하게 한다. 스위치(1010 및 1040)가 온 상태일 때, 상기 DC/DC 변환기(1000)는 노드(1090 및 1094)에 존재하는 전압이 인덕터(1080 및 1085)를 충전하게 한다. 스위치(1010 및 1040)가 오프 상태일 때, [가령, 인덕터(1080 및 1085) 방전에 의해 야기된] 초크 전류가 다이오드(1015 및 1025)를 통해 프리휠된다. 스위치(1010 및 1040)의 스위칭 듀티 사이클을 변화시킴으로써, DC/DC 변환기(1000)가 노드(1090 및 1094)에서 존재하는 전압을 강압(step-down)하도록 구성된다. 예를 들어, PWM 제어기(1115)에 의해 제공되는 스위칭 신호의 듀티 사이클이 1을 향해 증가함에 따라, 배터리(1095 및 1100)로 제공되는 전압이 노드(1090 및 1094)에 존재하는 전압을 향해 증가된다. 커패시터(1070 및 1075)는 배터리(1095 및 1110)로 제공되는 신호의 고주파수 성분을 필터링함으로써 리플 전류를 감소시키도록 구성된다.
DC/DC 변환기(1000)가 방전 상태에서 작동 중일 때, 상기 PWM 제어기(1115)는 스위치(1020 및 1030)를 반복적으로 스위칭하는 반면에, 스위치(1010 및 1040)는 오프 상태로 유지함으로써, DC/DC 변환기(1000)가 벅-부스트 변환기로서 작동하 게 한다. 예를 들어, DC/DC 변환기(1000)는 배터리(1095 및 1100)로부터 승압된 전압을 노드(1090 및 1094)로 제공하고, 강압된 전압을 노드(1091 및 1093)로 제공한다. 스위치(1020 및 1030)가 온 상태일 때, 상기 배터리(1095 및 1100)에 의해 인덕터(1080 및 1085)는 에너지를 저장한다. 스위치(1020 및 1030)가 오프 상태일 때, 상기 인덕터(1080 및 1085)에 저장된 에너지[그리고 배터리(1095 및 1100)에 의해 제공되는 에너지]는 각각 다이오드(1005 및 1035)를 통해 방전(가령, 프리휠)된다. 스위치(1020 및 1030)의 스위칭 듀티 사이클을 변화시킴으로써, DC/DC 변환기(1000)는 배터리(1095 및 1100)에 의해 제공되는 전압을 바람직한 레벨까지로 승압하도록 구성된다. 예를 들어, PWM 제어기(1115)에 의해 제공되는 스위칭 신호의 듀티 사이클이 1을 향해 증가할수록, 노드(1090, 1091, 1093 및 1094)에서 제공되는 전압이 증가된다. 또한, DC/DC 변환기(1000)는 배터리(1095 및 1100)에 의해 제공되는 전압을 강압하고, 상기 강압된 전압을 노드(1091 및 1093)로 제공하도록 구성된다. 상기 DC/DC 변환기(1000)는 상기 설명된 것과 유사한 방식으로, 강압된 전압을 노드(1091 및 1093)로 제공하도록 구성된다. 커패시터(1050, 1055, 1060 및 1065)는 노드(1090, 1091, 1093 및 1094) 상의 신호의 고주파수 성분을 필터링하도록 구성된다.
도 1 및 12를 참조하면, DC 버스 밸런서(42)의 일례, 여기서는 DC 버스 밸런서(1200)는 커패시터(1205, 1210, 1215, 1220, 1225 및 1230)와, 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)와, 다이오드(1240, 1250, 1260, 1270, 1280 및 1290)와, 인덕터(1295, 1300 및 1305)를 포함한다. 커패시터(1205)의 양의 단 자(1206)와, 다이오드(1235)의 콜렉터(1236)와, 다이오드(1240)의 캐소드(1241)가 노드(1310)로 연결된다. 스위치(1235)의 이미터(1237)와, 다이오드(1240)의 애노드(1242)와, 스위치(1245)의 콜렉터(1246)와, 다이오드(1250)의 캐소드(1251)가 서로 연결된다. 스위치(1245)의 이미터(1247)와, 다이오드(1250)의 애노드(1252)와, 스위치(1255)의 콜렉터(1256)와, 다이오드(1260)의 캐소드(1261)가 서로 연결되며, 노드(1311)로 추가로 연결된다. 스위치(1255)의 이미터(1257)와, 다이오드(1260)의 애노드(1262)와, 스위치(1265)의 콜렉터(1266)와, 다이오드(1270)의 캐소드(1271)가 서로 연결된다. 스위치(1265)의 이미터(1267)와, 다이오드(1270)의 애노드(1272)와, 스위치(1275)의 콜렉터(1276)와, 다이오드(1280)의 캐소드(1281)가 서로 연결되며, 노드(1313)로 추가로 연결된다. 스위치(1275)의 이미터(1277)와, 다이오드(1280)의 애노드(1282)와, 스위치(1285)의 콜렉터(1286)와, 다이오드(1290)의 캐소드(1291)가 서로 연결된다. 스위치(1285)의 이미터(1287)와 다이오드(1290)의 애노드(1292)는 서로 연결되고, 노드(1314)로 추가로 연결된다. 커패시터(1205)의 양의 단자(1206)가 노드(1310)로 연결되며, 커패시터(1205)의 음의 단자(1207)가 노드(1311)로 연결된다. 커패시터(1210)의 양의 단자(1211)가 노드(1311)로 연결되며, 커패시터(1210)의 음의 단자(1212)가 노드(1312)로 연결된다. 커패시터(1215)의 양의 단자(1216)가 노드(1312)로 연결되고, 커패시터(1215)의 음의 단자(1217)가 노드(1313)로 연결된다. 커패시터(1220)의 양의 단자(1221)가 노드(1313)로 연결되고, 커패시터(1220)의 음의 단자(1222)가 노드(1314)로 연결된다. 커패시터(1225)와 인덕터(1295)가 다이오드(1240)와 다이오드(1250)의 접합점 과 다이오드(1260)와 다이오드(1270)의 접합점 사이에 직렬로 연결된다. 인덕터(1300)와 커패시터(1230)는 다이오드(1260)와 다이오드(1270)의 접합점과 다이오드(1280)와 다이오드(1290)의 접합점 사이에 연결된다. 따라서 커패시터(1225), 인덕터(1295), 인덕터(1300) 및 커패시터(1230)가 다이오드(1240)와 다이오드(1250)의 접합점과 다이오드(1280)와 다이오드(1290)의 접합점 사이에 직렬로 연결된다. 상기 인덕터(1305)는 노드(1312)와 다이오드(1260)와 다이오드(1270)의 접합점 사이에 연결된다. 그러나, 상기 인덕터(1305)는 선택사항이다. 예를 들어, AC/DC 변환기(11, 21 및 31)가 각각의 양의 하프-사이클(half-cycle)과 음의 하프-사이클에서, AC 입력으로부터 인출된 전력의 크기를 제어하도록 구성된다. DC 버스 밸런서(1200)는 인덕터(1305)를 포함함으로써 AC/DC 변환기(11, 21 및 31)를 이용하여 AC 입력 상에 인출되는 전력을 제어할 필요성[가령, 버스(60, 61, 62, 63 및 64)의 균형을 조정하기 위해]을 축소(가능하다면 제거)하도록 구성될 수 있다. 커패시터(1225)와 인덕터(1295)의 조합은 공진 탱크(1320)를 형성하며, 커패시터(1230)와 인덕터(1300)의 조합은 공진 탱크(1325)를 형성한다.
PWM 제어기(1315)는 각각의 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)로 연결된다. PWM(1315) 제어기는 PWM 제어기(275)와 유사한 방식으로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, PWM 제어기(1315)는 각각 복수 개의 제어 신호를 수신하도록 구성된 복수 개의 비교기를 포함한다. 상기 제어 신호는 [가령, 본원에서 DC 버스 밸런서(42)에서 기재된 바와 같이] 바람직한 스위칭 시퀀스가 획득되도록 선택된다. 상기 PWM 제어기(1315)는 일정한 주파수와 듀티 사이클을 갖는 것이 바 람직한 제어 신호를 제공하도록 구성되지만, 그 밖의 다른 구성도 가능하다. 스위치(1235, 1255 및 1275)로 제공되는 제어 신호는 바람직하게는 실질적으로 동일하며, 스위치(1245, 1265 및 1285)로 제공되는 제어 신호는 바람직하게는 실질적으로 동일하다. 상기 제어 신호는 약 50%의 듀티 사이클을 갖는 것이 바람직하지만, 그 밖의 다른 듀티 사이클도 가능하다. 도 13을 참조하면, 스위치 오프되는 스위치가, 그 외 다른 스위치가 스위치 온되기 전에, 실질적으로 완전히 오프되도록, PWM 제어기(1315)는 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)의 스위칭 사이에 "데드 타임(dead time)"을 삽입하도록 구성된다. 그러나 데드 타임을 사용하는 것은 선택사항이다. 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)가 공진 탱크(1320 및 1325)의 공진 주파수와 거의 동일한 주파수로 스위칭하도록, PWM 제어기(1315)는 제어 신호를 제공하도록 구성되지만, 그 밖의 다른 주파수도 가능하다.
DC 버스 밸런서(1200)는 커패시터(1205, 1210, 1215 및 1220)에 저장된 에너지를 적정하게 버스(64, 63, 61 및 60)로 이동시킴으로써 버스(60, 61, 62, 63 및 64) 상에 바람직한 전압을 균형조정하고 유지하도록 구성된다. 상기 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)는 PWM 제어기(1315)에 의해 스위칭되도록 구성된다. 상기 PWM 제어기(1315)는 스위치가 제 1 상태 및 제 2 상태이도록 제어하도록 구성된다. 상기 제 1 상태에서, 스위치(1235, 1255 및 1275)는 온 상태이인 반면에, 스위치(1245, 1265 및 1285)는 오프 상태이다. 제 2 상태에서, 스위치(1235, 1255 및 1265)는 오프 상태이며, 반면에, 스위치(1245, 1265 및 1285)는 온 상태이다. 이들 스위치 상태로 인해, DC 버스 밸런서(1200) 내의 전압이 표 1에서 나타낸 바와 같이 교번한다.
접합점 제 1 상태 전압 제 2 상태 전압
스위치(1235)와 스위치(1245) 사이 노드(1310)에서의 전압 노드(1311)에서의 전압
스위치(1255)와 스위치(1265) 사이 노드(1311)에서의 전압 노드(1313)에서의 전압
스위치(1275)와 스위치(1285) 사이 노드(1313)에서의 전압 노드(1314)에서의 전압
따라서 노드(1310, 1311, 1313 및 1314)가 각각 450V, 150V, -150V 및 -450V를 제공하면, 표 1에서 기재된 각각의 접합점은 약 300V(피크 투 피크)씩 교번한다. DC 버스 밸런서(1200)에 대한 나머지 설명에서 버스(64, 63, 61 및 60)는 각각 (중성점에 대하여) 450V, 150V, -150V 및 -450V를 제공한다고 가정한다.
DC 버스 밸런서(1200)의 균형조정된 작동 동안[가령, 노드(1310, 1311, 1312, 1313 및 1314) 상의 전압이 바람직한 레벨인 동안], 표 1에서 기재된 각각의 접합점에서 존재하는 신호는 실질적으로 구형일 것이다. 덧붙이자면, 균형조정된 작동 동안 표 1에서 기재된 접합점에서의 전압 스윙은 서로 실질적으로 동상일 것이며, 실질적으로 동일한 진폭을 가질 것이다. 공진 탱크(1320 및 1325) 양단의 전압차는 버스(60)와 버스(64) 사이의 총 DC 전압의 3분의 1(가령, 300V)과 거의 동일한 것이 바람직하다. 커패시터(1225 및 1230)는 각각 공진 탱크(1320 및 1325) 양단에 위치하는 전위(가령, 300V)까지 충전하도록 구성된다.
상기 DC 버스 밸런서(1200)는 공진 탱크(1320 및 1325)에 저장된 에너지를 이용하여 노드(1310, 1311, 1312, 1313 및 1314) 상의 불균형 전압을 보상하도록 구성된다. DC 버스 밸런서(1200)의 불균형 작동 동안, 표 1에서 기재된 접합점 양단에 유도된 구형파 전압의 진폭은 균일하지 않을 수 있으며, 이로 인해, 구형파 전압이 공진 탱크(1320 및 1325) 중 하나 이상의 공진 탱크 양단에 나타날 수 있다. 각각의 공진 탱크(1320 및 1325)는 전압이 공진 탱크(1320 및 1325) 양단에 나타날 때, 전류가 각각의 공진 탱크(1320 및 1325)를 흐르도록 구성된다. 각각의 공진 탱크(1320 및/또는 1325) 양단의 작은 전압 전위조차 공진 탱크(1320 및/또는 1325)에 큰 전류 흐름을 야기할 수 있도록, 상기 공진 탱크(1320 및 1325)는 낮은 임피던스(가령, 0에 가까운 임피던스)를 갖도록 구성된다. 공진 탱크(1320 및 1325)의 임피던스는 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)가 스위칭되는 주파수의 함수일 수 있다(그 반대도 가능하다). 예를 들어, 스위칭 주파수가 공진 탱크(1320 및 1325)의 공진 주파수와 동일하도록 접근함에 따라, 상기 공진 탱크(1320 및 1325)의 임피던스는 0에 가까워진다. 상기 공진 탱크(1320 및 1325)는 전류를 흐르게 하도록 구성되며, 이는 에너지를 각각 300V 및 150V의 바람직한 전압 레벨보다 높은 전압을 갖는 커패시터(1205, 1210, 1215 및/또는 1220)로부터, 바람직한 전압 레벨보다 더 낮은 전압을 갖는 커패시터 쪽으로 이동시킬 수 있다. [가령, 커패시터(1205, 1210, 1215 및/또는 1220) 중] 더 높은 전압을 갖는 커패시터 양단에 연결되는 [가령, 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285) 중] 스위치는 [가령, 커패시터(1205, 1210, 1215 및/또는 1220) 중] 가장 낮은 전압을 갖는 커패시터 쪽으로의 실제 전력의 흐름을 구축하기 위해 발생기로서 기능하며, 공진 탱크(1320 및/또는 1325)를 통과하는 AC 전류를 생성하도록 구성된다. 불균형 커패시터들 간의 전압차가 각각의 다이오드(1240, 1250, 1260, 1270, 1280 및 1290)의 순방향 전압 강하(가령, 수 볼트)를 초과할 때, 공진 탱크(1320 및 1325)를 통과하는 전류 흐름이 시작하는 것이 바람직하도록, DC 버스 밸런서(1200)가 구성된다. 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)가 스위칭되는 주파수가 공진 탱크(1225 및 1230)의 공진 주파수에 접근할수록, 유도된 전류의 영점-교차(zero-crossing)가 제 1 상태와 제 2 상태 사이의 데드 타임과 더 가까이에서 발생하며, 이는 스위칭 손실을 감소할 수 있다.
도 14를 참조하고, 도 1 내지 13을 추가로 참조하면, 작동 중에, UPS(5)를 이용하여 부하에 무정전 전력을 제공하기 위한 프로세스(1400)가 도시된 단계를 포함한다. 그러나 상기 프로세스(1400)는 예에 불과하며, 이에 제한받지 않는다. 상기 프로세스(1400)는, 가령, 단계가 추가, 삭제, 변경, 또는 재배열됨으로써 변경될 수 있다. 덧붙이자면, 프로세스(1400)의 부분이 연속하는 단계들로서 도시되었지만, 특정 단계들은 병렬로 발생할 수 있다[가령, 단계(1435)와 단계(1440)].
단계(1405)에서, UPS(5)는 3상 급전 장치로 연결된다. 상기 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)은 각각 3상 급전 장치의 X, Y 및 Z-상으로 연결된다. AC/AC 모듈(10, 20 및 30)은 3상 급전 장치의 중성 연결로 더 연결된다. 상기 급전 장치는 3상 AC 전력을 UPS(5)에게 제공한다.
단계(1410)에서, 상기 UPS(5)는 하나 이상의 부하로 연결된다. 상기 UPS(5)는 3상 부하로 연결될 수 있다[가령, AC/AC 모듈(10)은 X-상을 제공하고, AC/AC 모듈(20)은 Y-상을 제공하며, AC/AC 모듈(30)은 Z-상을 제공한다]. 또는, 상기 UPS(5)가 하나 이상의 단상 부하로 연결될 수 있다. 예를 들어, 각각의 AC/AC 모듈(10, 20 및 30)이 하나 이상의 부하에 단상 전력을 제공할 수 있다.
단계(1415)에서, 상기 UPS(5)는 AC 급전이 허용가능한가의 여부를 판단한다. UPS(5)가 AC 입력 전력이 허용가능하다고 판단한 경우, 상기 프로세스(1400)는 단계(1420)로 진행된다. UPS(5)가 입력 전력이 허용가능하지 않다고 판단한 경우, 예를 들어, 중단됐거나 및/또는 불안정해지는 경우(가령, 저전압 상태), 프로세스(1400)는 단계(1430)로 진행한다.
단계(1420)에서, AC/DC 모듈(11, 21 및 31)이 유입되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하며, 상기 DC 전력은 버스(60, 61, 63 및 64)로 제공된다. 상기 AC/DC 모듈(11, 21 및 31)은 시동시, 또는 적합한 전력이 UPS(5)로 제공되면, 초기화된다(가령, 스위치가 제공되는 전력 신호에 대응하는 상태로 스위칭된다). 이하의 설명은 AC/DC 모듈(11)에 초점을 맞추지만, AC/DC 모듈(21 및 31)의 동작도 이와 유사할 수 있다. AC/DC 모듈(11)은 로우 패스 필터와 부스트 변환기의 조합[즉, 커패시터(280)와 인덕터(285)의 조합]을 이용하여 입력 AC 전력을 처리한다. PWM 제어기(275)는 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)를 AC/DC 모듈(11)에 의해 수신되는 전력 신호의 함수로서 스위칭한다. 예를 들어, PWM 제어기(275)는 스위치(210, 220, 230, 240, 250 및 260)를 3개의 상태 중 하나로 동작하도록 한다. 제 1 상태에서, 상기 PWM 제어기(275)는 스위치(210 및 220)를 상호 배타적인 방식으로 토글하고, 스위치(230 및 250)를 온 상태로 유지하며 스위치(240 및 260)를 오프 상태로 유지한다. 제 2 상태에서, PWM 제어기(275)는 스위치(210 및 260)를 오프 상태로 유지하고, 스위치(220 및 250)를 온 상태로 유지하며, 스위치(230 및 240)를 상호 배타적인 방식으로 토글한다. 제 3 상태에서, PWM 제어기는 스위치(210 및 230)를 오프 상태로 유지하고, 스위치(220 및 240)를 온 상태로 유지하며, 스위치(250 및 260)를 상호 배타적인 방식으로 토글한다. AC/DC 모듈(11)로 제공되는 AC 입력이 출력(265)에서 제공되는 전압의 3분의 1보다 클 때, 상기 PWM 제어기(275)는 AC/DC 변환기(11)를 제 1 상태에서 작동하도록 한다. AC/DC 모듈(11)로 제공되는 AC 입력이 출력(265)에서 제공되는 전압의 3분의 1과 출력(268)에서 제공되는 전압의 3분의 1 사이에 존재할 때 PWM 제어기(275)는 AC/DC 변환기(11)를 제 2 상태에서 작동하도록 한다. AC/DC 모듈(11)로 제공되는 AC 입력이 출력(268)에서 제공되는 전압의 3분의 1보다 낮을 때, 상기 PWM 제어기(275)는 AC/DC 변환기(11)를 제 3 상태에서 작동하도록 한다.
단계(1425)에서, DC/DC 변환기(1000)는 배터리(50)를 충전한다. 상기 DC/DC 변환기(1000)는 버스(60, 61, 63 및 64)로부터 DC 전압의 제 1 세트를 수신한다. UPS(5)가 급전 장치로부터 적합한 전력을 수신하는 중일 때, DC/DC 변환기(1000)가 제 1 전압 세트를 제 1 DC 전압으로 변환하며, 상기 제 1 DC 전압은 배터리(50)로 제공된다. 상기 배터리(50)로 제공된 전압은 버스(64) 상에 존재하는 전압과 버스(64) 상에 제공되는 전압의 3분의 1 사이에 존재한다.
PWM 제어기(1115)는 DC/DC 변환기(1000)를, 제 1 전압 세트를 제 1 전압으로 변환하는 벅 변환기로서 기능하게 한다. 상기 PWM 제어기(1115)는 스위치(1020 및 1030)가 오프 상태로 유지되게 하는 반면에, 스위치(1010 및 1040)는 실질적으로 동시에 스위치 온 및 스위치 오프되도록 한다. 스위치(1010 및 1040)가 스위치 온될 때마다, 인덕터(1080 및 1085)가 충전되고, 배터리(1095 및 1100)가 제 1 전압과 실질적으로 동일한 전압을 수신한다. 스위치(1010 및 1040)가 스위치 오프될 때마다, 인덕터(1080 및 1085)는 방전되고[가령, 전류가 다이오드(1015 및 1025)를 통해 프리휠되고], 배터리(1095 및 1100)로 실질적으로 제 1 전압을 제공한다. 인덕터(1080 및 1085)가 완전히 방전되기 전에, 상기 스위치(1010 및 1040)가 온 상태로 스위칭되는 것이 바람직하다.
단계(1430)에서, PWM 제어기(1115)는 DC/DC 변환기(1000)를 제 2 전압을 제 2 전압 세트로 변환하는 부스트 변환기로서 기능하도록 한다. 상기 PWM 제어기(1115)는 스위치(1020 및 1030)가 실질적으로 동시에 스위치 온 및 스위치 오프되도록 하는 반면에, 스위치(1010 및 1040)는 오프 상태로 유지되게 한다. 스위치(1020 및 1030)가 스위치 온될 때마다, 인덕터(1080 및 1085)는 배터리(1095 및 1100)로부터의 전력을 이용하여 충전된다. 스위치(1020 및 1030)가 스위치 오프될 때마다, 인덕터(1080 및 1085)가 방전되고, [가령, 배터리(1095 및 1100)와 인덕터(1080 및 1085)에 저장된 에너지에 의해 야기된] 전류가 다이오드(1005 및 1035)를 통해 프리휠된다. 인덕터(1080 및 1085)가 완전히 방전되기 전에, 스위치(1020 및 1030)가 온 상태로 스위칭되는 것이 바람직하다. 커패시터(1070 및 1075)가 노드(1090, 1091, 1093 및 1094)로 제공되는 전력에서의 리플 전류를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 덧붙이자면, UPS의 스위치는 배터리(50)로부터 DC 전력을 수신하기 위한 상태로 설정된다. 예를 들어, AC 급전 장치가 이용 불가능한 상태 및/또는 불안정한 상태임이 검출되면, AC/DC 모듈(11) 내 모든 스위치를 오프 상태로 구성함으로써 연결(13)이 버스(64, 63, 61 및 60)로부터 해제된다. 마찬가지로, AC/DC 변환기(21 및 31)의 동작이 이와 유사하다.
단계(1435)에서, DC 버스 밸런서(1200)가 버스(60, 61, 63, 64) 상에 존재하는 전압의 균형을 조정한다. 단계(1435)가 다른 단계들 사이에 위치하는 단계처럼 보이지만, DC 버스 밸런서(1200)는 UPS(5)의 작동 중의 그 밖의 다른 단계와 병행하여 버스(60, 61, 63 및 64) 상에 존재하는 전압의 균형을 조정한다. 상기 DC 버스 밸런서(1200)는 커패시터(1205, 1210, 1215 및 1220)에 저장된 에너지를 버스(64, 63, 61 및 60) 상으로 적정하게 이동시킴으로써 버스(60, 61, 62, 63 및 64) 상의 바람직한 전압을 균형조정하고 유지한다. 상기 PWM 제어기(1315)에 의해 상기 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)가 스위칭된다. 상기 PWM 제어기(1315)는 제 1 상태와 제 2 상태에서 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)를 스위칭한다. 제 1 상태에서, 상기 스위치(1235, 1255 및 1275)는 스위치 온되는 반면에, 스위치(1245, 1265 및 1285)는 오프 상태로 설정된다. 제 2 상태에서, 스위치(1235, 1255, 1265)는 오프 상태로 설정되는 반면에, 스위치(1245, 1265 및 1285)는 온 상태로 설정된다. DC 버스 밸런서(1200) 내의 전압은 (상기 나타낸) 표 1에서 나타낸 바와 같이 교번한다. 따라서 노드(1310, 1311, 1313 및 1314)가 각각 450V, 150V, -150V 및 -450V를 제공할 때, 표 1에서 기재된 각각의 접합점은 약 300V(피크 투 피크)씩 교번한다. DC 버스 밸런서 단계(1435)에 대한 나머지 설명은 버스(64, 63, 61 및 60)가 각각 (중성점에 대하여) 450V, 150V, -150V 및 -450V를 제공한다고 가정한다.
DC 버스 밸런서(1200)의 균형조정된 작동 동안[가령, 노드(1310, 1311, 1312, 1313 및 1314) 상의 전압이 바람직한 레벨인 동안], 표 1에서 기재된 각각의 접합점에서 존재하는 신호가 실질적으로 구형일 것이다. 따라서 균형조정된 작동 동안, 표 1에서 기재된 접합점에서의 전압 스윙은 실질적으로 동상일 것이며, 실질적으로 동일한 진폭을 가질 것이다. 공진 탱크(1320 및 1325) 양단의 전압차는 버스(60)와 버스(64) 사이의 총 DC 전압(가령, 300V)의 3분의 1과 거의 동일한 것이 바람직하다. 커패시터(1225 및 1230)는 각각 공진 탱크(1320 및 1325) 양단에 위치하는 전위(가령 300V)까지 충전되도록 구성된다.
상기 DC 버스 밸런서(1200)는 공진 탱크(1320 및 1325)에 저장된 에너지를 이용하여 노드(1310, 1311, 1312, 1313 및 1314) 상의 불균형 전압을 보상한다. DC 버스 밸런서(1200)의 불균형 작동 동안, 표 1에 기재된 접합점 양단에 유도된 구형파 전압의 진폭은 균일하지 않을 수 있으며, 이로 인해 구형파 전압이 공진 탱크(1320 및 1325) 중 하나 이상의 공진 탱크 양단에 나타날 수 있다. 각각의 공진 탱크(1320 및/또는 1325) 양단에 전압이 나타날 때, 각각의 공진 탱크(1320 및/또는 1325)에 전류가 흐른다. 공진 탱크(1320 및 1325)의 임피던스를 감소시킴으로써(가령, 0에 근접하는 임피던스), 공진 탱크(1320 및/또는 1325)에 흐르는 전류의 크기가 증가될 수 있다. PWM 제어기(1315)는 공진 탱크(1320 및 1325)의 임피던스가 감소되기 위한 주파수로 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)를 스위칭한다. 예를 들어, 스위칭 주파수가 공진 탱크(1320 및 1325)의 공진 주파수와 동일하도록 접근함에 따라, 공진 탱크(1320 및 1325)의 임피던스는 0에 접근한다. 공진 탱크(1320 및 1325) 양단에 전압이 존재할 때, [가령, 커패시터(1205, 1210, 1215 및 1220) 중] 더 높은 전압을 갖는 커패시터로부터 [가령, 커패시터(1205, 1210, 1215 및 1220) 중] 더 낮은 전압을 갖는 커패시터 쪽으로 전류가 흐른다. [가령, 커패시터(1205, 1210, 1215 및 1220) 중] 더 높은 전압을 갖는 커패시터 양단에 연결되는 [가령, 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285) 중] 스위치는, [가령, 커패시터(1205, 1210, 1215 및 1220) 중] 가장 낮은 전압을 갖는 커패시터 쪽으로의 실제 전력의 흐름을 구축하기 위해, 발생기로서 기능하며, 공진 탱크(1320 및/또는 1325)를 통하는 AC 전류를 생성한다. 불균형 커패시터 간의 전압차가 각각의 다이오드(1240, 1250, 1260, 1270, 1280 및 1290)의 순방향 전압 강하(가령, 수 볼트)를 초과할 때 전류가 공진 탱크(1320 및 1325)에 흐르기 시작하는 것이 바람직하다.
[가령, DC 버스 밸런서(1200)의 불균형 작동에 의해 야기된] 공진 탱크(1225 및 1230)에 흐르는 유도 전류의 파형은 사인파와 유사하다. 스위치(1235, 1245, 1255, 1265, 1275 및 1285)가 스위칭되는 주파수가 공진 탱크(1225 및 1230)의 공진 주파수에 근접할수록, 유도된 전류의 영점-교차가 제 1 상태와 제 2 상태 사이의 데드 타임과 더 가까이에서 발생하며, 이는 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.
단계(1440)에서, DC/AC 변환기(12, 22 및 32)에 의해 버스(60, 61, 63 및 64) 상의 DC 전력이 AC 전력으로 변환된다. 각각의 DC/AC 변환기(12, 22 및 32)는 DC/AC 변환기(700)처럼 구성되는 것이 바람직하다. 상기 DC/AC 변환기(700)는 버스(60, 61, 63 및 64)를 통해 AC/DC 변환기(200)로부터, 또는 배터리(50)로부터 전력을 수신한다. 상기 DC/AC 변환기(700)는 입력(765)과 입력(768) 상에서 존재하는 전압과 거의 동일한 피크 전압을 갖는 AC 출력을 발생한다. 부하에 표준 3상 전력이 제공될 수 있도록, 각각의 DC/AC 변환기(12, 22 및 32)의 상은 다양한 것이 바람직하다.
또한 도 9 및 10을 참조하면, 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)를 지정된 시퀀스로 스위칭함으로써 DC/AC 변환기(700)가 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 출력(702)에서의 바람직한 출력에 따라, PWM 제어기(775)는 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)를 서로 다른 시퀀스로 스위칭한다. [출력(702)에서의] 상기 바람직한 출력이 입력(765)에서 존재하는 전압과 입력(766)에서 존재하는 전압 사이에 존재할 때, PWM 제어기(775)는 스위치(710 및 720)를 온 및 오프 상태로 능동적으로 스위칭하며, 스위치(730 및 750)를 온 상태로 설정하고, 스위치(740 및 760)를 오프 상태로 설정한다. [출력(702)에서의] 바람직한 출력이 입력(766)에서 존재하는 전압과 입력(767)에서 존재하는 전압 사이에서 존재하는 경우, PWM 제어기(775)는 스위치(730 및 740)를 온 및 오프 상태로 능동적으로 스위칭하고, 스위치(720 및 750)를 온 상태로 설정하며, 스위치(710 및 760)를 오프 상태로 설정한다. [출력(702)에서의] 바람직한 출력이 입력(767)에서 제공되는 전압과 입력(768)에서 제공되는 전압 사이에 존재할 때, PWM 제어기(775)는 스위치(750 및 760)를 온 및 오프 상태로 능동적으로 스위칭하며, 스위치(720 및 740)를 온 상태로 설정하고, 스위치(710 및 730)를 오프 상태로 설정한다. 각각의 3개의 상태에서, 능동적으로 스위칭되는 스위치(710, 720, 730, 740, 750 및 760)의 듀티 사이클은 (가령, 도 9 및 10에서 도시된 바와 같이) 필터(770)의 출력이 실질적으로 AC가 되도록 변화된다. 필터(770)(가령, LC 로우-패스 필터)는 노드(780)에서 제공된 신호를 실질적 AC 신호로 필터링하며, 상기 실질적 AC 신호는 출력(702)으로 제공된다.
단계(1445)에서, AC 전력이 부하로 제공된다. 부하로 제공되는 전력의 구성은 원하는 작동에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 각각의 DC/AC 변환기(12, 22 및 32)가 3상 전력 연결의 하나의 상을 제공할 수 있으며, 상기 DC/AC 변환기(12, 22 및 32) 중 일부, 또는 모두가 단상을 갖는 전력을 제공할 수 있으며, 각각의 DC/AC 변환기(12, 22 및 32)는 개별 부하로 단상 전력을 제공할 수 있으며, 그 밖의 경우도 있다.
그 밖의 다른 실시예가 본 발명의 사상과 범위 내에 존재한다. 예를 들어, 소프트웨어의 속성으로 인해, 상기 기재된 기능들이 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 하드와이어링, 또는 이들 중 임의의 것의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 또한 기능을 구현하는 특징부가 다양한 위치에 물리적으로 배치될 수 있으며, 예를 들어, 기능의 일부가 서로 다른 물리적 장소에서 구현되도록 분산된다. 3개의 DC/AC 변환기가 도시되었지만[예컨대, DC/AC 변환기(12, 22, 32 및 42)], 단상 전력만이 요구되는 경우, 하나의 DC/AC 변환기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 버스 상의 리플 전류를 감소시키기 위해, 상기 AC/DC 및 DC/AC 변환기는 복수 개의 병렬 회로로 쪼개질 수 있고, 인터리빙 방식으로 스위칭될 수 있다. 버스(61, 62, 64 및 65) 상에 존재하는 전압은 본원에서 기재된 바와 상이할 수 있다. DC/DC 변환기를 사용하지 않고, 배터리가 버스(61, 63 및/또는 64)로 직접 연결될 수 있다. AC/DC 변환기의 수정된 제어 방식에 의해, DC 버스 대칭성이 제어될 수 있다.
도 1을 참조하면, UPS(5)가 DC/DC 모듈(40)을 포함하는 것으로 나타나지만, DC/DC 모듈(40)은 생략되어질 수 있다. 예를 들어, DC/DC 모듈(40)이 존재하지 않고, UPS가 3상 급전을 제 1 전압에서 제 2 전압으로 변화할 수 있다.
본원에서 복수 개의 분리된 커패시터가 기재되었지만, 둘 이상의 커패시터가 하나의 단일 커패시터로 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 버스(64)와 버스(63) 사이에 연결되는 커패시터(905)를 나타내며, 도 11은 버스(64)와 버스(63) 사이에 연결되는 커패시터(1050)를 도시하고, 도 12는 버스(64)와 버스(63) 사이에 연결되는 커패시터(1205)를 도시한다. 상기 커패시터(905, 1050 및 1205)는 단일 공유 커패시터일 수 있다.
도 2를 참조하면, AC/DC 변환기(200)가 양과 음의 DC 전압 모두를 제공하는 4상한 인버터(four-quadrant inverter)로서 구성되지만, AC/DC 변환기는 그 밖의 다른 구성으로 배열될 수도 있다. 예를 들어, AC/DC 변환기는 스위치(210 및 260)를 다이오드로 대체함으로써 입력 라인 전압의 양의 하프-사이클 동안 양의 DC 전압만 제공하는 (그리고 입력 라인 전압의 음의 하프-사이클 동안 음의 DC 전압만 제공하는) 2상한 정류기(2-quadrant rectifier)로서 구성될 수 있다.
본 발명은 (가령, 스위치와 다이오드가 병렬로 연결된) 코-팩킹된 디바이스(co-packed device)를 사용하지만, 그 밖의 다른 회로가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 전류를 제 1 방향으로 실질적으로 방해받지 않고 흐르게 하면서, 전류 흐름을 상기 제 1 방향과 반대인 방향으로 선택적으로 제어하도록 구성된 회로가 사용될 수 있다.
덧붙이자면, 상기 기재가 본 발명을 일컫지만, 상기 기재는 하나 이상의 발명을 포함할 수 있다.

Claims (49)

  1. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전압을 포함하는 4-레벨 DC 전력과 함께 사용되기 위한 회로에 있어서:
    상기 4-레벨 DC 전력을 수신하도록 구성된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 노드와;
    상기 제 1 노드와 제 4 노드 사이에 직렬로 연결되는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치로서, 상기 제 2 노드가 상기 제 2 스위치와 제 3 스위치의 접합점으로 연결되고, 상기 제 3 노드가 상기 제 4 스위치와 상기 제 5 스위치의 접합점으로 연결되는 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치와;
    상기 제 1 스위치와 병렬 연결되는 제 1 다이오드와;
    상기 제 2 스위치와 병렬 연결되는 제 2 다이오드와;
    상기 제 3 스위치와 병렬 연결되는 제 3 다이오드와;
    상기 제 4 스위치와 병렬 연결되는 제 4 다이오드와;
    상기 제 5 스위치와 병렬 연결되는 제 5 다이오드와;
    상기 제 6 스위치와 병렬 연결되는 제 6 다이오드와;
    상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치의 접합점으로, 그리고 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치의 접합점으로 연결되는 제 1 공진 탱크와;
    상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치의 접합점으로, 그리고 상기 제 5 스위치와 상기 제 6 스위치의 접합점으로 연결되는 제 2 공진 탱크를 포함하며;
    상기 제 1 전압의 절대값이 상기 제 4 전압의 절대값과 상이한 경우 상기 제 1 및 제 2 공진 탱크는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 노드 중 둘 이상의 노드 간에 에너지를 이동시키도록 구성되며;
    상기 제 2 전압의 절대값이 상기 제 3 전압의 절대값과 상이한 경우 상기 제 1 및 제 2 공진 탱크는 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 노드 중 둘 이상의 노드 간에 에너지를 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공진 탱크는 제 1 인덕터와 직렬 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고,
    상기 제 2 공진 탱크는 제 2 인덕터와 직렬 연결되는 제 2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를 각각 온 및 오프 상태로 발동시키도록 구성되는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 펄스 폭 변조(PWM) 제어기인 것을 특징으로 하는 회로.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회로를 2개의 상태 중 하나로 작동하게 하도록 구성되며,
    제 1 상태에서 제 1, 제 3 및 제 5 스위치는 각각 온 상태로 발동되고, 제 2, 제 4 및 제 6 스위치는 오프 상태로 발동되고,
    제 2 상태에서 상기 제 1, 제 3 및 제 5 스위치는 오프 상태로 발동되고, 상기 제 2, 제 4 및 제 6 스위치는 온 상태로 발동되는 것을 특징으로 하는 회로.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 공진 탱크의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수로 상기 회로를 제 1 상태와 제 2 상태로 반복적으로 교대하게 하도록 상기 제어기가 구성되는 것을 특징으로 하는 회로.
  7. 제 3 항에 있어서,
    제 1 전압과 제 4 전압의 절대값이 실질적으로 서로 동일하고, 제 2 전압과 제 3 전압의 절대값이 실질적으로 서로 동일할 때, 제 2 스위치와 제 3 스위치의 접합점에 유도된 구형파의 진폭과, 제 3 스위치와 제 4 스위치의 접합점에 유도된 구형파의 진폭과, 제 5 스위치와 제 6 스위치의 접합점에 유도된 구형파의 진폭이 실질적으로 동일하도록 상기 회로를 제 1 상태와 제 2 상태로 반복적으로 교대하게 하도록 상기 제어기가 구성되는 것을 특징으로 하는 회로.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 스위치를 실질적으로 50%의 듀티 사이클로 제 1 상태와 제 2 상태로 교대하게 하도록 상기 제어기가 구성되는 것을 특징으로 하는 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 스위치와 제 4 스위치의 접합점과 중성점 사이에 연결되는 제 3 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되는 제 1 커패시터와;
    상기 제 2 노드와 중성점 사이에 연결되는 제 2 커패시터와;
    상기 중성점과 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 3 커패시터와;
    상기 제 3 노드와 상기 제 4 노드 사이에 연결되는 제 4 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
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