KR101837777B1 - Ｄｃ/ｄｃ 컨버터 셀 배치구조, 이로부터 형성된 피이드백 능력을 갖는 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 회로 및 그 동작 방법 - Google Patents

Ｄｃ/ｄｃ 컨버터 셀 배치구조, 이로부터 형성된 피이드백 능력을 갖는 ｄｃ/ｄｃ 컨버터 회로 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC/DC 컨버터 회로의 입력을 형성하고 직류전압원에 접속될 수 있는 두 개의 입력을 갖는 제 1 컨버터 장치를 가지며, 그리고 직류 컨버터 회로의 출력을 형성하며 직류전압싱크에 접속될 수 있는 출력을 갖는 직류전압 접속 제 2 컨버터 장치를 가지는, 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로에 관한 것으로서, 제 2 컨버터 장치는 DC/DC 컨버터 셀의 형태 또는 두 개의 DC/DC 컨버터 셀을 갖는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 형태이다.

Description

ＤＣ/ＤＣ 컨버터 셀 배치구조, 이로부터 형성된 피이드백 능력을 갖는 ＤＣ/ＤＣ 컨버터 회로 및 그 동작 방법{DC/DC converter cell arrangement, DC/DC converter circuit with a feedback capability and formed therefrom, and method for its operation}
본 발명은 DC전압원 및 DC전압싱크에 접속하기 위한 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로를 설명하는데, 바람직한 에너지 운반이 직류전압원으로부터 직류전압싱크로 이루어지지만, "피이드백 능력을 갖는"이라는 용어는 또한 반대 경로를 설명하며, 따라서 DC/DC 컨버터 회로는 역시 에너지를 직류전압싱크로부터 직류전압원으로도 운반할 수 있다. 또한, 본 발명은 이런 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로의 유리한 동작 방법을 설명한다.
이런 DC/DC 컨버터 회로, 또는 특히 이들을 형성하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조, 또는 이들을 형성하는 DC/DC 컨버터 셀은 출력전압이 시간에 따라서 자주 일정하지 않은 직류전압원의 출력전압을 시간에 따라서 일정하며 일반적으로 보다 높은 전압레벨에서 직류전압싱크와 전압 일치시키는데 일반적으로 사용된다.
전술한 타입의 직류전압원은 광발전시스템 또는 그 부시스템, 연료전지 또는 충전전지나 커패시터 회로 같은 충전식 배터리가 될 수 있다. 다양한 기능적 변수들은 다양한 타입의 직류전압원에 특유한 것이다. 광발전 시스템은 그들의 출력전압이 주요한 변동을 받는다는 것을 특징으로 하지만, 연료전지는 비교적 일정한 전압출력을 특징으로 한다. 다양한 저장요소는 시간의 경과에 따라서 당연히 제한되지만 보다 좋은 형태로 여기서 단자전압이라고 부르는 일반적으로 일정한 출력전압을 갖는다.
직류전압싱크는 인버터 회로 장치 또는 직류버스 시스템의 입력이 될 수 있다. 직류버스 시스템에는 전형적으로 동일 타입이거나 다른 형태의 다수의 DC/DC 컨버터 시스템을 갖는다. 선로손실을 고려하면, 직류버스 시스템의 전압레벨을 접속된 직류전압원의 적어도 대부분의 출력전압보다 상당히 크게 선택하는 것이 종종 유리하다.
본 발명은 바람직하게는 일정한 단자전압을 갖는 직류전압싱크에 가변단자전압을 갖는 직류전압원의 양방향 접속을 위한 즉 피이드백 능력과 접속을 위한 보편적인 DC/DC 컨버터 접속형태를 제공한다는 목적에 기초한다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1에 청구된 적어도 하나의 컨버터 셀을 가지며 청구항 6의 특징을 갖는 DC/DC 컨버터 회로와, 청구항 10에 청구된 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태들은 각각의 종속항에 설명되어있다.
본 발명은 제 1 전압레벨에서 입력접속부에 인가되는 직류전압을 출력접속부에서 제 2 전압레벨로 생성되는 직류전압까지 변환하는 DC/DC 컨버터 셀에 기초한다. 일 예로서, 이런 DC/DC 컨버터 셀은 시간에 따라서 변하는 제 1 전압레벨에서의 광발전 시스템 또는 그 시스템의 시스템 일부의 출력전압을 제 2의 일정한 전압레벨을 갖는 인버터의 입력과 일치시키는데 사용된다. 이 DC/DC 컨버터 셀은 유리하게도 피이드백 능력을 갖는데, 즉 이 DC/DC 컨버터 셀은 일 예로서 순서대로 양방향으로 동작하여 저장요소를 일정 전압레벨의 직류버스 시스템으로부터 마찬가지로 일정하지만 낮은 전압레벨까지 충전시킬 수 있다. 직류버스 시스템은 물론 마찬가지로 저장요소로부터 공급될 수도 있다.
여기서 제안하는 DC/DC 컨버터 셀은 세 개의 입력접속부 및 두 개의 출력접속부를 갖는다. 직류전압원은 제 1 입력접속부 및 제 2 입력접속부에 접속되도록 또는 제 2 입력접속부 및 제 3 입력접속부에 접속되도록 세 개의 입력 접속부 중의 두 개에 접속될 수 있다. 직류전압원이 접속될 때, 두 개의 입력접속부 중의 하나를 접지전위에 접속하는 것이 유리할 수 있다. 마찬가지로 직류전압원에 접속된 두 개의 입력접속부 사이에 입력커패시터를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 두 개의 출력접속부 중에서 제 1 출력접속부는 DC/DC 컨버터 셀의 제 1 입력접속부에 접속되고, 제 2 출력접속부는 제 3 입력접속부에 접속된다. 또한 두 개의 출력접속부는 직류전압싱크에 접속될 수 있는데, 이 경우에도 마찬가지로 유리하게도 두 개의 출력접속부 사이에 출력 커패시터를 제공할 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터 셀은 적어도 하나의 컨버터 스테이지를 갖지만, 유리하게는 동일한 타입의 다수의 컨버터 스테이지를 갖는다. 각 컨버터 스테이지는 상측 직렬회로 및 하측 직렬회로를 갖는데, 각 직렬회로는 적어도 두 개의 전원스위치를 갖는다. 종래기술에 따르면, 이들 전원스위치들은 각각 전력 트랜지스터의 형태, 예를 들어 연속적으로 병렬로 접속된 프리휠링 다이오드를 갖는 IGBT 또는 MOSFET이 될 수 있다.
DC/DC 컨버터 셀의 제 2 입력접속부는 바람직하게는 중개 코일에 의해 적어도 하나의 컨버터 스테이지의 각각의 중심점에 접속된다. 중심점은 각각의 컨버터 스테이지를 상측 직렬회로와 하측 직렬회로로 대칭적으로 분할시킨다. 두 개의 직렬회로의 각 트랜지스터에는 어느 경우라도 중심점으로부터 계수하여 1 내지 N-1의 순번이 할당된다. 순번 N-1을 갖는 상측 전원스위치중의 최종 스위치는 제 1 입력접속부에 접속되는 한편, 마찬가지로 순번 N-1을 갖는 하측 전원스위치중의 최종 스위치는 제 3 입력접속부에 접속된다.
또한, 적어도 하나의 컨버터 스테이지의 각각에는 적어도 하나의 커패시터가 제공된다. 각각의 커패시터는 마찬가지로 순번을 갖는다. 하나의 순번에 대한 커패시터는 동일 순번을 갖는 상측 전원스위치와 그 다음의 순번을 갖는 전원스위치 사이의 중심점에 접속되는 한편 동일 순번을 갖는 하측 전원스위치와 그 다음 순번을 갖는 전원스위치 사이의 중심점에 접속된다. 따라서 각각의 컨버터 스테이지의 중심점에서 보면 N-2개의 커패시터가 대칭적으로 배치된다.
따라서 중심점에서 보면, 각 컨버터 스테이지에 N개의 전위레벨이 생기는데, 그 레벨 중에 제 1 레벨은 중심점 자체를 형성하고 최종 레벨은 제 1 및 제 3 접속부를 형성하는 한편 중심 레벨은 전원스위치 사이의 중심점에 의해 형성된다. 따라서 어느 경우라도 상측 및 하측 직렬회로에 네 개의 전원스위치를 갖는 배치구조는 세 개의 커패시터 및 다섯 개의 전위레벨을 가지며, 따라서 5레벨 회로라고 부른다.
이 DC/DC 컨버터 셀의 개량물은 각 직렬회로에서 N-1개의 전원스위치의 각각이 DC/DC 컨버터 셀의 출력전압의 1/(N-1)의 내구강도를 가질 필요만 있다는 유리한 특징으로 갖는다. 전압상승 변환의 경우에, 출력전류의 리플은 레벨의 개수가 증가함에 따라서 DC/DC 컨버터 셀에 의해 감소될 수 있는데, 이는 적절한 전원스위치의 제어, 구체적으로 옵셋 클록킹에 의해 가능하며, 따라서 제공되어야 할 출력 커패시터의 커패시턴스를 각각의 인자만큼 감소시킨다.
DC/DC 컨버터 셀 배치구조는 방금 전에 설명한 바와 같이 DC/DC 컨버터 셀 중에서 두 개의 셀을 갖는데, 제 1 DC/DC 컨버터 셀의 제 3 입력접속부는 제 2 DC/DC 컨버터 셀의 제 1 입력접속부에 접속되며, 제 1 DC/DC 컨버터 셀의 제 2 출력접속부는 제 2 DC/DC 컨버터 셀의 제 1 출력접속부에 접속되고, 각각의 접속부들도 대응하여 접속된다.
두 개의 DC/DC 컨버터 셀의 각각의 제 2 입력접속부들은 컨버터 셀 배치구조의 입력을 형성한다. 컨버터 셀 배치구조의 적어도 하나의 입력에는 전술한 DC/DC 컨버터 셀용 코일이 유리하게도 제공된다. DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 두 개의 입력 각각에 하나의 코일이 제공되는 경우, 이들 두 개의 코일은 자기적으로 즉 트랜스포머 작용에 의해 연결되는 것이 유리할 수 있다.
제 1 DC/DC 컨버터 셀의 제 1 출력접속부 및 제 2 DC/DC 컨버터 셀의 제 2 출력접속부는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 두 개의 출력을 형성한다. 그러나 제 1 및 제 2 DC/DC 컨버터 셀에서 서로 접속되는 제 2 및 제 1 출력접속부는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 추가 출력으로서 제공되는 것도 유리할 수 있다. 일 예로서, DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 두 개의 입력 중의 어느 것도 접지전위에 있지 않은 경우, 이 추가의 출력은 출력전압의 균형을 맞추는데 사용될 수 있으며, 유리하게는 접지전위가 될 수 있다.
전술한 필요조건을 위해, 특히 직류버스 시스템 형태의 직류전압싱크의 경우에는 직류전압원 및 직류전압싱크의 전압레벨이 한자리수 크기 이상, 즉 약 10의 인자만큼 다를 때 피이드백 능력을 갖고 두 개의 컨버터 장치로 구성되는 DC/DC 컨버터 회로가 특히 유리하다.
마찬가지로 전술한 바와 같이 두 개의 DC/DC 컨버터 셀의 접속과 유사한 능력을 갖는 이런 DC/DC 컨버터 회로를 컨버터 셀들에게 부가하여 DC/DC 컨버터 셀 배치구조를 형성하는 것이 유리할 수도 있다.
이 경우, 제 1 컨버터 장치는 공지기술에 따라서 설계될 수 있으며, 하나의 스테이지 또는 직렬로 접속된 다수의 스테이지로 구성될 수 있다. 이들 스테이지의 각각은 하프브릿지 회로로 구성되는데, 여기서 적어도 하나의 스테이지의 중심접점은 DC/DC 컨버터 회로의 두 개의 입력중의 하나를 형성한다. 어느 경우라도 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로의 입력과 제 1 컨버터 장치의 해당 중심 접점 사이에 코일을 제공하는 것이 바람직하다. 이들 코일은 유리하게는 트랜스포머 작용에 의해 서로 연결될 수 있다.
제 2 컨버터 스테이지는 전술한 바와 같이 DC/DC 컨버터 셀의 형태 또는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조이다.
제 1 및 제 2 컨버터 회로 사이의 직류전압 연결은 제 1 컨버터 장치의 출력을 제 2 컨버터 장치의 입력에 접속함으로써 이루어지는데, 이 경우 이들 접속부 중의 적어도 하나에 코일을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
그러나, DC/DC 컨버터 회로가 특히 유리한 방식으로 동작하는 경우에 종래의 설계규칙에 따라서 특히 낮은 인덕턴스가 제공될 수 있다.
이렇게 특히 유리한 동작방법은 압력상승 컨버터 모드에서, 즉 DC/DC 컨버터 회로의 입력에서의 전압 레벨이 출력에서의 원하는 전압레벨보다 낮은 경우에 제 1 컨버터 장치가 직류전압원의 전압레벨의 출력전압을 최대 3의 인자만큼 연속적으로 증가시키는 한편 제 2 컨버터 회로는 일정한 바람직하게는 단지 정수의 인자만큼 제 1 컨버터 회로의 출력전압을 상승시킨다는 점이 구별된다.
전압이 단지 정수의 인자만큼 상승한 경우, 제 2 컨버터 장치를 구성하는 DC/DC 컨버터 셀의 전원스위치들은 제 1 및 제 2 컨버터 장치 사이의 접속부에 에너지가 저장될 필요가 없거나 아주 작은 양의 에너지만이 저장될 필요가 있도록 절환된다. 따라서 코일을 배치할 필요가 전혀 없거나 또는 적어도 공지의 설계규칙에 따른 것보다 상당히 낮은 인덕턴스가 제공될 수 있다.
이런 이점은 또한 어느 경우라도 상측 및 하측 직렬회로의 적절한 개수의 전원스위치와 함께 전압 증가에 대한 정수가 아니지만 일정한 또 다른 바람직한 인자에 의해 특히 코일을 완전히 없애거나 그렇지 않으면 상당히 낮은 인덕턴스를 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 해결법은 모범적인 실시형태를 이용하여 그리고 도 1 내지 도 8을 참고하여 더욱 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 일정한 단자전압을 갖는 직류전압싱크에 가변단자전압을 갖는 직류전압원의 양방향 접속을 위한 즉 피이드백 능력과 접속을 위한 보편적인 DC/DC 컨버터 접속형태를 제공할 수 있다.
도 1은 DC/DC 컨버터 셀을 도시하는 개략도.
도 2 및 도 3은 각각 다른 접속 변형물을 갖는 DC/DC 컨버터 셀을 도시하는 도.
도 4는 DC/DC 컨버터 셀용 회로의 일 실시형태를 도시하는 도.
도 5는 외부회로를 갖는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조를 도시하는 개략도.
도 6은 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 회로의 일 실시형태를 도시하는 도.
도 7은 다양한 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 출력전압의 상대 리플의 시뮬레이션으로 도시하는 도.
도 8은 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로를 도시하는 도.
도 1은 세 개의 입력접속부(11, 12, 13) 및 두 개의 출력접속부(14, 15)를 갖는 DC/DC 컨버터 셀(10)을 개략적으로 도해한다. 이 컨버터 셀(10)은 말하자면 추가의 모든 회로의 기본 모듈 또는 기본 구성요소를 구성한다.
도 2 및 도 3은 각각 다양한 접속 변형예를 갖는 DC/DC 컨버터 셀(10)을 도해한다. 도 2는 양극 및 음극을 갖는 직류전압원(20)을 도해한다. 양극은 DC/DC 컨버터 셀(10)의 제 1 입력접속부(11)에 연결되는 한편, 음극은 DC/DC 컨버터 셀(10)의 제 2 입력접속부(12)에 연결된다. 이 도면들은 또한 하나의 입력접속부, 본 경우에는 제 1 입력접속부(11)가 접지전위(GND)에 유리하게 연결된 것을 보여준다. 접지전압(GND)에 대한 이 같은 접속부들은 종종 광발전 시스템의 직류전압원으로서 통상의 관행이다.
게다가 그리고 접지전위(GND)에 대한 접속과는 관계없이 두 개가 입력접속부(11, 12)가 바람직한 방식으로 입력커패시터(200)에 접속된다. 출력전압에 주어진 리플을 갖는 직류전압원(20)의 경우에, 이들은 출력전압을 평활화하는데 사용된다. 그러나 직류전압원(20)으로부터의 출력전압을 연속적으로 이용할 수 없는 경우는 단기적 에너지저장소로서 사용할 수도 있다.
DC/DC 컨버터 셀(10)의 출력(14, 15)은 이 경우에 예를 들어 직류전압싱크로서 인버터에 접속된다.
도 3은 DC/DC 컨버터 셀(10)의 또 다른 유리한 외부회로를 보여준다. 이 경우, 직류전압원(20)의 양극은 DC/DC 컨버터 셀(10)의 제 2 입력접속부(12)에 연결되는 한편, 음극은 제 3 입력접속부(13)에 연결된다. 일 예로서, 마찬가지로 이 경우에는 직류전압원(20)의 음극 및/또는 DC/DC 컨버터 셀의 제 3 입력접속부(13)를 접지전위(GND)에 연결하는 것이 유리할 수 있다.
DC/DC 컨버터 셀(10)의 출력은 직류버스 시스템(40)에 접속된다. 일 예로서 광발전 시스템 내에는 이 같은 직류버스 시스템(40)이 다수의 서브시스템을 다른 서브시스템 그리고 아마도 인버터 장치에 연결한다. 분산적 전력발생장치가 이같은 직류버스 시스템(40)과 사용되는 경우, 여러 가지 형태의 다수의 직류전압원(20)이 마찬가지로 서로 연결될 수 있다. 일 예로서, 이 다수의 순수 직류접압원은 예를 들어 광발전 모듈 또는 연료전지 그렇지 않으면 커패시터 소자같은 직류저장부가 될 수 있다.
여기서 설명하는 DC/DC 컨버터 셀(10)은 직류전압원(20)으로부터 직류전압싱크(40, 42)로 에너지를 운반할 수 있을 뿐만 아니라 반대방향으로 에너지를 운반하는데, 예로서 직류전압원같은 커패시터 소자에 공급하는데 적합하다. 이 경우, 직류전압싱크(40, 42)의 전압레벨이 보통은 감소되어 직류전압원(20)에 공급된다. 이는 DC/DC 컨버터 셀(10)의 상기 피이드백 능력을 설명한다.
도 4는 도 3에서 설명한 기능성을 갖는 DC/DC 컨버터 셀(10)의 회로의 일 실시형태를 보여준다. 이 도해는 세 개의 입력접속부(11, 12, 13) 외에도 두 개가 출력접속부(14, 15)를 보여준다. 이 경우 제 1 입력접속부(11)는 제 1 출력접속부(14)에 직접 접속되며, 제 3 입력접속부(13)는 마찬가지로 제 2 출력접속부(15)에 직접 접속된다.
이 경우 컨버터 기능성은 두 개의 컨버터 스테이지(100)에 의해 형성되지만, 전력에 따라서 어떤 바람직한 개수도 가능하다. 컨버터 스테이지(100)는 상측 직렬회로(102) 및 하측 직렬회로(104)의 중심점(M)에 대하여 대칭인 배열구조로 구성된다. 이 대칭배열구조의 중심점은 이 경우에 DC/DC 컨버터 셀의 제 2 입력접속부(12)에 접속된다. 이 개량에 있어서, 코일(120, 122)은 어느 경우라도 제 2 입력접속부(12)와 각각의 중심점(M) 사이에 제공된다. 이 경우, 공통 코어(124)에 의해 이들 코일(120, 122)을 자기적으로 연결하는 것이 유리할 수 있다. 이런 연결은 또한 트랜스포머 커플링이라고도 부를 수 있다.
컨버터 스테이지(100)의 상측 직렬회로(102) 및 하측 직렬회로(104)는 적어도 두 개, 이 경우에는 세 개의 전원스위치(S_ox1, S_ux1, S_ox2, S_ux2)로 구성되는데, 이 스위치들은 전력트랜지스터의 형태, 예를 들어 연속적으로 병렬로 접속된 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)(132)를 갖는 IGBT(130)의 형태이거나, 고유의 프리휠링 다이오드를 갖는 MOSFET의 형태일 수 있다. S_ox1, Sux1, S_ox2, S_ux2의 각각은 컨버터 스테이지의 중심으로부터 계수하여 1로부터 시작하여 해당 순번을 갖는다. 이 경우 두 번째 문자 y는 각각의 컨버터 스테이지를 정의한다.
또한, 전원스위치의 개수에 따라서 컨버터 스테이지(100)에는 커패시터(C_x1, C_x2)가 제공되는데, 이 경우 커패시터의 개수는 각 직렬회로(100)에서의 전원스위치의 개수보다 작다. 따라서 각 직렬회로에서 세 개의 전원스위치를 갖는 도시한 변형예에 있어서는 결국 두 개의 커패시터가 된다. 역시 유리하지만 도해되어 있지는 않고 각 직렬회로에 여섯 개의 전원스위치를 갖는 7레벨 DC/DC 컨버터 셀 형태의 실시형태의 경우에는 다섯 개의 커패시터가 제공되어야 할 것이다.
커패시터(C_x1, C_x2)는 어느 경우라도 제 1 커패시터(C_1y)의 제 1 접속부가 제 1 전원스위치(S_o1y) 및 제 2 전원스위치(S_o2y) 사이에 접속되고 어느 경우라도 그 제 2 접속부가 하측 직렬회로(104)의 제 1 전원스위치(S_u1y) 및 제 2 전원스위치(S_u2y) 사이에 접속되도록 제공된다. 여기서 도해하지 않았지만 각 상측 및 하측 직렬회로에 네 개의 전원스위치를 갖는 실시형태의 경우에 있어서, 제 3 커패시터는 제 3 및 제 4 전원스위치 사이에 상측 직렬회로에 접속될 것이며, 마찬가지로 하측 직렬회로는 제 3 및 제 4 전원스위치 사이에 접속될 것이다. 따라서 중요한 요소는 하나의 커패시터 접속부가 두 개의 인접한 전원스위치 사이에 제공되며 각각의 커패시터는 상측 및 하측 직렬회로 사이에 대칭적으로 접속된다는 것이다.
또한, DC/DC 컨버터 셀(10)의 두 개가 출력접속부(14, 15)를 또 다른 커패시터, 즉 출력커패시터(400)에 접속하는 것이 유리할 수 있다.
DC/DC 컨버터 셀(10)이 피이드백 능력을 가질 필요가 없을 경우, 개개의 전원스위치는 기술적으로 정해진 작용에 따라서 그리고 외부회로에 따라서 전기밸브, 즉 다이오드로 교체될 수 있다.
도 5는 외부회로를 갖는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)를 개략적으로 도해한다. 이 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)는 두 개의 DC/DC 컨버터 셀(10a, 10b)로 구성된다. 이를 위해 제 1 DC/DC 컨버터 셀(10a)의 제 3 입력접속부(13)는 제 2 DC/DC 컨버터 셀(10b)의 제 1 입력접속부(11)에 접속된다. 제 1 DC/DC 컨버터 셀(10a)의 제 2 출력접속부(15)는 마찬가지로 반드시 각 DC/DC 컨버터 셀(10a, 10b) 내의 내부 접속에 의해 제 2 DC/DC 컨버터 셀(10b)의 제 1 출력접속부(14)에 접속된다.
제 1 DC/DC 컨버터 셀(10a)의 제 1 입력접속부(11)는 제 2 DC/DC 컨버터 셀(10b)의 제 3 입력접속부(13)와 동일한 방식으로 전술한 바와 같이 각 컨버터 셀의 접속된 입력접속부보다 많게 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 외부접속부를 형성하지 않는다.
실제로, DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 두 개의 입력(31, 32)은 각각의 DC/DC 컨버터 셀(10a, 10b)의 두 개의 제 2 입력접속부(12)로 형성되며 이 경우에는 광발전 모듈 형태의 직류전압원(20)에 접속된다. 본 실시형태의 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 출력(34, 35)은 직류버스 시스템(40)에 접속되지만, 이들은 마찬가지로 인버터 장치에 직접 접속될 수 있다.
도 6은 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 회로의 5레벨 실시형태를 보여준다. 이 경우 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)를 형성하는 DC/DC 컨버터 셀(10a, 10b)은 하나의 스테이지만을 갖는데, 이는 어느 경우라도 각 스테이지에서 전술한 방식으로 세 개의 커패시터(C_11 - C_13)에 접속된 4개의 전원스위치(S_o11 - So41, S_u11 - S_u41)의 하나의 상측 및 하측 직렬회로로 형성되어있다.
여기서 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 입력(31, 32)의 하류측에는 각각의 코일(320, 322)이 제공되는데, 이 경우 두 개의 코일(320, 322)은 역시 반드시 자기적으로 연결되는 것은 아니지만 공통 코어(324)에 의해 유리하게 연결된다. 직류전압원(20)은 그 양극이 제 1 DC/DC 컨버터 셀(10a)의 제 2 입력접속부(12)에 내부적으로 대응하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 입력(31)에 연결되도록 입력(31, 32)에 접속된다. 이와 유사하게, 직류전압원(20)의 음극은 제 2 DC/DC 컨버터 셀(10b)의 제 2 입력접속부(12)에 내부적으로 대응하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 입력(32)에 접속된다. 또한, DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 입력(31, 32) 사이에는 도 2를 참조하여 이미 설명한 바와 같은 기능성을 갖는 입력 커패시터(200)가 제공된다.
본 실시형태에 있어서, 제 1 DC/DC 컨버터 셀(10a)의 제 2 출력접속부(15)의 전위를 생성하고 따라서 제 2 DC/DC 컨버터 셀(10b)의 제 1 출력접속부(14)의 전위를 생성하며, DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)에 대하여 특정 용도에 유리한 추가의 또 다른 출력(36)이 도해되어 있다. 이 전위는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 출력에 배치된 부하(44, 46)의 평형을 이루기 위한 직류전압싱크로서 사용할 수 있으며, 추가로 접지 전위(GND)가 될 수도 있다.
도 7은 종래 기술과 비교하여 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 다양한 실시형태의 출력전압에서의 상대 리플의 시뮬레이션을 보여준다. 이 경우 도해는 컨버터 스테이지로서 하프브릿지 회로를 갖는 공지의 컨버터 회로의 리플(W2)을 일정한 상대 리플값으로서 보여준다. 대조적으로, 각 상측 및 하측 직렬회로에서 네 개의 전원스위치를 갖는 5레벨 DC/DC 컨버터 셀 배치구조는 정규화(normalized) 리플값(W4)을 0.25까지 줄인 반면, 7레벨 컨버터 셀 배치구조에서 각 상측 및 하측 직렬회로에서 6개의 전원스위치는 정규화 리플값(W6)을 0.1 조금 위까지만 줄였다.
이로부터 여기서 제안한 DC/DC 컨버터 셀 배치구조 및 DC/DC 컨버터 셀은 각 상측 및 하측 직렬회로의 전원스위치의 개수가 증가함에 따라서 출력전압에서의 리플을 상당히 줄이거나 줄인다. 동시에 입력에 제공될 필요가 없을 수 있는 코일에는 공지의 설계규칙과 비교하여 낮은 인덕턴스가 제공될 수 있다. 많은 개수의 전원스위치를 갖는 회로 복잡성으로 인하여 신호품질이 보다 양호해지고 추가회로의 비용이 낮아진다.
도 8은 제 1 컨버터 장치(60) 및 제 2 컨버터 장치(10)로 구성된 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로(50)를 보여주는데, 제 1 컨버터 장치는 종래기술에 따라서 설계되어 DC/DC 컨버터 회로(50)에 대한 입력전압을 3의 인수만큼 경미하게 증가시키지만, 바람직하게는 단지 2의 인수만큼 증가시킨다. 이 제 1 컨버터 장치(60)는 직류전압 커플링에 의해 제 2 컨버터 장치에 접속되는데, 즉 제 1 컨버터 장치는 그 출력(64, 65)에서 제 2 컨버터 장치(10)의 입력직류전압으로서 사용되는 출력 직류전압을 생성하였다. 두 개의 컨버터 장치(50, 10)의 동작방법에 따라서, 본 직류전압접속의 일부로서 적어도 한 라인에 코일(58) 또는 추가의 코일(58)이 제공되지 않는다. 마찬가지로 직류전압접속의 두 개의 극 사이에 추가의 커패시터(59)가 제공될 수 있다.
제 2 컨버터 장치(10)는 전술한 바와 같은 DC/DC 컨버터 셀에 의해 또는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조에 의해 형성되지만, 이는 도해되어있지 않다.
직류전압원은 공지의 방식으로 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로의 입력(51, 52)에 접속되는데, 양극은 제 1 컨버터장치의 각 스테이지의 중심점에 제 1 입력(61)을 통하여 접속되는 반면, 음극은 제 1 컨버터 장치(60)의 제 2 입력(62)에 접속되고 그리고 그 출력(65)을 통하여 DC/DC 컨버터 셀(10)의 제 3 입력접속부(13)에 접속된다. 또한, DC/DC 컨버터 회로(50)의 두 개의 입력(51, 52) 중의 하나, 이 경우에는 음극의 제 2 입력(52)은 접지전위(GND)에 있을 수 있다. 이와는 관계없이, 직류전압원(20)의 두 개의 극 사이와 DC/DC 컨버터 회로(50)의 입력(51, 52) 사이에는 입력 커패시터(200)도 제공될 수 있다.
다시 한번 일반성에 제한 없이, 전술한 형태의 직류버스 시스템(40)은 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 셀(50)의 출력(54, 55)에 제공된다.
광발전 시스템을 갖는 배치구조에서 생길 수 있는 모범적인 값은 DC/DC 컨버터 회로(50)의 입력전압, 즉 직류전압원의 출력에서의 125V - 300V의 입력전압, 1500V의 직류버스 시스템에 대한 DC/DC 컨버터 회로에서의 원하는 출력전압, 및 125kw의 변환전력이 될 수 있다. 이 경우, 1000A의 입력전류의 경우에 그리고 현재 이용 가능한 전력반도체 모듈의 지식상으로는 제 1 및 제 2 컨버터 장치 양자의 다중스테이지 실시형태가 가치가 있으며 필요하다.
유리한 방식에 있어서, 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로는 제 1 컨버터 장치가 입력전압을 300V까지 상승시키고 제 2 컨버터 장치가 이 값을 일정한 5의 인자만큼 증가시키도록 동작된다. 이 경우, 제 2 컨버터 장치는 각 상측 및 하측 직렬회로에 다섯 개의 전원스위치를 갖는 6레벨 DC/DC 컨버터 셀의 형태가 되는 것이 유리하다. 본 실시형태에 있어서 그리고 본 방법을 사용하면, 제 1 컨버터 장치의 출력과 제 2 컨버터 장치의 입력 사이에 추가의 구성요소, 구체적으로 코일이 없어도 될 수 있다.
제 2 컨버터 셀이 DC/DC 컨버터 셀의 형태인 경우, 전체 DC/DC 컨버터 회로는 또한 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로를 형성하기 위해 전술한 바와 같은 DC/DC 컨버터 셀 배치구조의 실시형태와 유사하게 개발될 수 있다. 이를 위해, 상기 설명과 유사하게 음전위에서 DC/DC 컨버터 회로에 제 2 DC/DC 컨버터 회로가 추가된다.
10: DC/DC 컨버터 셀(DC/DC converter cell)
11, 12, 13: 입력접속부(input connection)
14, 15: 출력접속부(output connection)
20: 직류전압원(DC voltage source)
30: 컨버터 셀 배치구조(converter cell arrangement)
31, 32: 입력(input) 34, 35: 출력(ouput)
40, 42: 직류전압싱크(DC voltage sink)
50: DC/DC 컨버터 회로(DC/DC converter circuit)
60: 제 1 컨버터 장치(first converter device)
100: 컨버터 스테이지(converter stage)
102: 상측 직렬회로(upper series circuit)
104: 하측 직렬회로(lower series circuit)
120, 122: 코일(coil) 130: IGBT
GND: 접지전위

Claims (12)

  1. 두 개의 DC/DC 컨버터 셀(10)을 갖는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)로서,
    상기 DC/DC 컨버터 셀(10)은 세 개의 입력접속부(11, 12, 13) 및 두 개의 출력접속부(14, 15)를 가지고 적어도 하나의 컨버터 스테이지(100)를 가지며,
    제 1 입력접속부(11)는 제 1 출력접속부(14)에 접속되고, 제 2 입력접속부(12)는 적어도 하나의 컨버터 스테이지(100)의 각 스테이지의 중심점(M)에 접속되며, 제 3 입력접속부(13)는 제 2 출력접속부(15)에 접속되며,
    각 컨버터 스테이지(100)는 각각 적어도 두 개의 전원스위치(S_ox1, S_ux1, S_ox2, S_ux2)를 갖는 상측 직렬회로(102) 및 하측 직렬회로(104)를 가지며, 각 전원스위치(S_ox1, S_ux1, S_ox2, S_ux2)의 개수(x)는 중심점(M)부터 계수되며, 상측 전원스위치의 최종 스위치(S_ox1, S_ox2)는 제 1 입력접속부(11)에 접속되고 이들 하측 전원스위치의 최종 스위치(S_ux1, S_ux2)는 제 3 입력접속부(13)에 접속되며,
    적어도 하나의 컨버터 스테이지(100)의 각각에는 모든 상측의 인접한 전원스위치가 각 커패시터를 통하여 동일 순번을 갖는 하측의 인접한 전원스위치에 접속되도록 커패시터(C_x1, C_x2)가 제공되고, 제 1 입력접속부(11) 및 제 2 입력접속부(12) 또는 제 2 입력접속부(12) 및 제 3 입력접속부(13)에는 직류전압원(20)이 접속될 수 있으며,
    제 1 DC/DC 컨버터 셀(10a)의 제 3 입력접속부(13) 및 제 2 출력접속부(15)는 각각 제 2 DC/DC 컨버터 셀(10b)의 제 1 입력접속부(11) 및 제 1 출력접속부(14)에 대응하며, 두 개의 DC/DC 컨버터 셀(10a, 10b)의 제 2 입력접속부(12)는 컨버터 셀 배치구조의 입력(31, 32)을 형성하고, 제 1 컨버터 셀(10a)의 제 1 출력접속부(14) 및 제 2 컨버터 셀(10b)의 제 2 출력접속부(15)는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 출력(34, 35)을 형성하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 직류전압원(20)에 접속될 수 있는 두 개의 입력접속부(11, 12, 13) 중의 하나는 접지전위(GND)인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 두 개의 출력접속부(14, 15)는 출력 커패시터(400)에 의해 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 2 입력접속부(12)와 적어도 하나의 컨버터 스테이지(100)의 중심점(M) 사이에는 어느 경우라도 코일(120, 122)이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 셀 배치구조.
  5. 삭제
  6. 피이드백 능력을 갖는 DC/DC 컨버터 회로(50)로서,
    DC/DC 컨버터 회로(50)의 입력(51, 52)을 형성하고 직류전압원(20)에 접속될 수 있는 두 개의 입력(61, 62)을 갖는 제 1 컨버터 장치(60)를 가지며,
    DC/DC 컨버터 회로(50)의 출력을 형성하고 직류전압싱크(40, 42)에 접속될 수 있는 출력(14, 15)을 갖는 직류전압 연결 제 2 컨버터 장치(10)를 가지며,
    제 2 컨버터 장치는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 DC/DC 컨버터 셀 배치구조(30)의 형태인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 회로.
  7. 제 6 항에 있어서, 제 1 컨버터 장치(60)는 하나의 스테이지 또는 직렬로 연결된 다수의 스테이지로 구성되며, 적어도 하나의 스테이지가 적어도 하나의 코일(600, 610)을 통하여 직류전압원(20)에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 회로.
  8. 제 6 항에 있어서, 제 1 컨버터 장치(60)의 적어도 하나의 출력(64, 65)은 추가의 코일(58)에 의해 제 2 컨버터 장치(10)의 해당 입력(12, 13)에 접속되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 회로.
  9. 제 6 항에 있어서, 제 1 컨버터 장치(60)의 양 출력(64, 65)은 추가의 구성요소 없이 제 2 컨버터 장치(10)의 각각의 관련된 입력(12, 13)에 직접 접속되는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 회로.
  10. 제 6 항에 따른 DC/DC 컨버터 회로(50)의 동작방법으로서,
    전압상승 컨버터 모드에서, 제 1 컨버터 장치(60)는 직류전압원의 전압값을 3의 최대인자만큼 연속적으로 상승시키는 한편, 제 2 컨버터 장치(10)는 제 1 컨버터 장치(60)의 출력전압을 추가의 일정한 인자만큼 상승시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 추가의 상기 인자는 3 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 추가의 상기 인자는 정수 인자인 것을 특징으로 하는 방법.
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