KR101984311B1 - 멀티레벨 컨버터, 및 멀티레벨 컨버터를 동작시키는 제어 방법 - Google Patents

멀티레벨 컨버터, 및 멀티레벨 컨버터를 동작시키는 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컨버터 (1) 에 관한 것으로서, 컨버터 (1) 는,
- AC 입력부에서 AC 입력 전압 (uin) 을 중간 DC 전압 (UZ) 으로 컨버팅하기 위한 액티브 스테이지 (2);
- 상기 중간 DC 전압 (UZ) 을 DC 출력부에서 출력 DC 전압 (Uout) 으로 변환하는 DC/DC 컨버터 (3) 로서, 상기 DC/DC 컨버터 (3) 는 공진 회로 (32) 및 트랜스포머 (33) 에 의해 형성되는 공진 트랜스포머 (32, 33) 를 갖는, 상기 DC/DC 컨버터 (3); 및
- 제어 유닛 (5) 을 포함하고,
상기 제어 유닛 (5) 은
- 상기 DC/DC 컨버터 (3) 의 출력 DC 전압 (Uout), 상기 컨버터 (1) 의 입력 전압 (uin) 및 입력 전류에만 기초하여 상기 액티브 스테이지 (2) 를 액티브로 동작시키고,
- 상기 DC/DC 컨버터 (3) 를 개방 루프 모드에서 동작시키도록 구성된다.

Description

멀티레벨 컨버터, 및 멀티레벨 컨버터를 동작시키는 제어 방법{MULTILEVEL CONVERTER AND A CONTROL METHOD FOR OPERATING A MULTILEVEL CONVERTER}
본 발명은 멀티레벨 컨버터들에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 갈바닉 절연된 (galvanically isolated) 모듈러 멀티레벨 컨버터들에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 일정한 평균 출력 DC 링크 전압을 제공하는 멀티레벨 컨버터를 동작시키는 제어 방법에 관한 것이다.
멀티레벨 컨버터들이 당해 기술에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 수송용으로, 중간 입력 AC 전압을 중간 또는 낮은 출력 DC 전압으로 변환할 필요가 있다. 일반적으로, AC/DC 컨버터는 액티브 프론트 엔드 스테이지 및 DC/DC 컨버터 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지 접근방식으로 구현될 수 있다.
일정한 평균 출력 DC 링크 전압을 제공하는 방식으로 액티브 프론트 엔드 스테이지 및 DC/DC 컨버터 스테이지를 제어하기 위한 제어 유닛이 제공된다. 라인 입력 전압, 라인 입력 전류, DC 링크 출력 전압, DC/DC 컨버터의 1차/2차 측의 공진 전류 및 액티브 프론트 엔드 유닛들 상의 모든 레벨들의 DC 링크 전압들을 측정하기 위하여 복수의 감지 소자들이 이용된다.
일반적으로, 이 종류의 멀티레벨 컨버터는 멀티레벨 토폴로지를 가지며, 여기서 액티브 프론트 엔드 스테이지들은 직렬 접속되는 한편, 절연된 DC/DC 컨버터 스테이지들은 출력에서 병렬 연결된다. 멀티레벨 컨버터 토폴로지의 경우에, 감지 소자들은 각각의 DC/DC 컨버터의 2차 측들에 전류 및 각각의 액티브 프론트 엔드 스테이지의 DC 링크 출력 전압들을 측정해야 한다.
제어 유닛은 일정한 평균 출력 DC 링크 전압의 주요 제어 목표들, 및 (예를 들어, 1 근방의) 역률과 가능한 낮은 라인 전류의 THD (total harmonic distortion) 를 제어하는 것의 주요 제어 목표들이 충족되도록 액티브 프론트 엔드 스테이지 및 DC/DC 컨버터 스테이지를 제어하는 것을 서브한다. 중간 전압 인가들에 있어서 멀티레벨 컨버터가 중간 전압 소스로부터 직접 동작되기 때문에 감지 장치들에 대한 절연 요건들이 절대적으로 요구된다. 따라서, 제어 유닛에 제어 방식을 적용하는데 요구되는 측정을 위한 전압/전류 센서들의 수를 감소시키는 것이 바람직하다.
문헌 EP 2 180 586 A1 및 US 6,344,979 B1 은 상술한 2개 스테이지 토폴로지를 갖고 LLC 공진 회로 또는 CLL 공진 회로 각각을 이용하여 DC/DC 컨버터를 공진 컨버터로 만드는 AC/DC 컨버터를 개시한다.
문헌 DE 198 27 872 A1 은 또한 액티브 프론트 엔드 유닛 및 비공진 DC/DC 컨버터를 가진 2개 스테이지 토폴리지를 갖는 멀티레벨 전력 전자 트랜스포머를 개시한다.
문헌 DE 19 750 041 C1 은 공진 스테이지인 DC/DC 컨버팅 스테이지 및 액티브 프론트 엔드 스테이지를 가진 DC/DC 컨버터를 개시한다.
또한, 문헌 US 6,218,792 B1 은 모듈, 기계적 특징들 및 연결성에 초점을 둔 모듈러 컨버터 장치를 개시한다.
문헌 US 5,646,835 는 IGBT들을 갖는 인버터를 포함하는 직렬 공진 회로를 개시한다. 직렬 공진 회로는 대수 증폭기와 함께 위상 및 주파수 변조를 이용하여 인버터를 제어하는 제어기를 포함한다.
문헌 US 2006/0221653 A1 은 고주파 트랜스포머를 통하여 스위칭된 인버터 회로에 커플링된 백-투-백 상호접속형 멀티레벨 컨버터들을 포함하는 멀티레벨 컨버터계 지능형 유니버셜 트랜스포머를 개시한다. 유니버셜 트랜스포머의 입력은 고전압 분배 시스템에 커플링될 수 있고 유니버셜 트랜스포머의 출력은 저전압 인가부에 커플링될 수 있다.
문헌 T. Zhao, G. Wang, J. Zeng, S. Dutta, S. Bhattacharya 및 A. Q. Huang 의 "Voltage and power balance control for a cascaded multilevel solid-state transformer" (IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2010, pp. 761-767) 에서는, 듀얼 액티브 브리지 컨버터가 DC/DC 컨버터 스테이지에 이용된다. 듀얼 액티브 브리지 컨버터에서의 전력 플로우는 트랜스포머 누설 인덕턴스를 가로질러 입력 및 출력 측에 인가되는 전압들 사이의 위상 시프트를 제어함으로써 제어된다. 스테이지들 간의 전력 밸런싱을 실현하기 위해서는, 양쪽 측의 각각의 레벨에 대한 모든 전압들 및 전류가 측정될 필요가 있다.
US 5,233,509 에서는 또한 일반 유형의 컨버터가 규정되어 있다.
상술한 관점에서, 본 발명의 목적은 감지된 전압 및 전류의 수가 감소되도록 허용하는 멀티레벨 컨버터에 대한 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1 에 따른 멀티레벨 컨버터에 대한 제어 방법 및 추가의 독립 청구항들에 따른 멀티레벨 컨버터에 의해 실현된다.
본 발명의 추가의 실시형태들은 종속항들에 나타내어진다.
제 1 양상에 따르면, 멀티레벨 컨버터가 제공되며, 이 멀티레벨 컨버터는,
- AC 입력부에서 AC 입력 전압을 중간 DC 전압으로 컨버팅하기 위한 액티브 스테이지;
- 중간 DC 전압을 DC 출력부에서 출력 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터로서, DC/DC 컨버터는 공진 회로 및 트랜스포머에 의해 형성되는 공진 트랜스포머를 갖는 DC/DC 컨버터; 및
- 제어 유닛을 포함하고,
제어 유닛은
- DC/DC 컨버터의 출력 DC 전압, 컨버터의 입력 전압 및 입력 전류에만 기초하여 액티브 스테이지를 액티브로 동작시키고,
- DC/DC 컨버터를 개방 루프 모드에서 동작시키도록 구성된다.
본 발명의 하나의 개념은 컨버터 및 이러한 컨버터에 대한 제어 방식을 제공하는 것이며, 여기에서 일정한 평균의 출력 DC 링크 전압과 제어가능한 역률에 대한 사인곡선 입력 전류의 제어 목표들을 실현하기 위해 DC/DC 컨버터의 출력 DC 전압, 액티브 스테이지의 입력 전압 및 입력 전류만을 감지하는 것으로도 충분하다.
DC/DC 컨버터에 대하여, 트랜스포머를 갖는 공진 컨버터가 이용된다. DC/DC 컨버터는 오픈 루프 모드에서 동작되어, 트랜스포머의 1차 측과 2차 측에 대한 전압들이, 공급된 출력 전류와 실질적으로 무관하게 서로 상관한다.
따라서, 제어 방법은 공진 DC/DC 컨버터로 인하여 공진 컨버터의 1차 측의 전압도 또한 고정된 값으로 가해지기 때문에 제어된 양으로서 입력 전압 및 입력 전류와 출력 전압만을 필요로 한다. 따라서, 1차 측 전압의 추가적인 전압 제어를 필요로 하지 않고, DC/DC 공진 컨버터의 1차 측과 2차 측 사이에 엄격한 커플링으로 인하여, 출력 DC 전압의 제어만으로도 충분하다.
또한, 제어 유닛은 공진 트랜스포머의 공진 주파수 이하에 대응하는 스위칭 주파수로 액티브 스위치를 스위칭함으로써 DC/DC 컨버터를 개방 루프 모드에서 동작시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 개방 루프 모드에서 동작하는 DC/DC 공진 컨버터에서는 효율면에서 최적화될 수 있는 고정된 동작 포인트가 정의될 수 있는 것이 실현될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, DC/DC 컨버터는 제 1 스위칭 유닛 및 제 2 스위칭 유닛을 가질 수도 있으며, 제 1 스위칭 유닛 및 제 2 스위칭 유닛은 각각 스위칭 소자들을 갖고, 스위칭 소자들 각각은 프리휠링 다이오드들에 의해 병렬로 되고, 제 1 스위칭 유닛과 제 2 스위칭 유닛 사이에는 공진 트랜스포머가 배치되고, 제어 유닛은 약 50% 의 듀티 사이클로 스위칭 주파수에서 스위칭 유닛들 중 하나를 동작시키도록 구성된다. 특히, 제어 유닛이 상기 스위칭 유닛들 중 각 다른 하나를 구동하지 않도록 하여 프리휠링 다이오드들이 패시브 정류기로서 역할을 하게 하거나, 또는 상기 스위칭 유닛들 중 상기 각 다른 하나를 동작시켜 액티브 정류기로서 역할을 하게 하도록 구성되는 것이 제공될 수도 있다.
공진 주파수 이하의 영역에서 50% 의 고정된 듀티 사이클로의 동작으로도 충분함이 밝혀졌다. 이는 턴오프 전류의 값이 공진 탱크의 설계 동안에 제어되어 최소화될 수 있기 때문에, 턴온 동안에 펄스형 반도체들에 대하여 제로 전압 스위칭을 제공하고 턴오프 동안에 쿼지 제로 (quasi zero) 전류 스위칭을 제공한다.
전력 플로우에 의존하여, DC/DC 컨버터는 1차 또는 2차 스위칭 유닛을 액티브로 스위칭하도록 동작될 수도 있는 한편, 토폴로지에 의존하여 1차 또는 2차 스위칭 유닛 중 각 다른 하나는 패시브 정류기로서 동작될 수도 있거나, 또는 액티브 정류기로서 역할을 하도록 스위칭함으로써 동작될 수도 있다. 스위칭 유닛들 중 하나가 패시브 정류기로서 동작되는 경우에, 이는 임피던스 트랜스포머로서 역할을 하며, 여기에서 등가 부하 저항은 실제 부하 저항과 다르며, 쉽게 유도될 수 있다. 예를 들어, 일정한 출력 DC 링크 전압에 대하여, 공진 컨버터의 1차 측의 전압은 또한 트랜스포머 권선비에 의해 결정되고 공진 회로의 트랜스-임피던스 양단의 전압에 의해 영향을 받는 고정값으로 클램핑된다.
제어 유닛은 DC 출력 전압 및 액티브 스테이지의 입력 전압 및 입력 전류를 고려함으로써, 피드백이 DC 출력 전압 및 입력 전류를 제어하는 제어 기능을 갖는 것으로 제공될 수도 있다.
또한, 제어 기능은 캐스케이드 제어 기능일 수도 있다.
액티브 스테이지는 H-브리지 회로를 가질 수도 있고, H-브리지 회로는 제어 기능의 결과인 변조 지수에 따라 동작된다.
액티브 스테이지는 직렬로 적용되는 입력 인덕터를 갖는 것으로 제공될 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 공진 트랜스포머는 공진 회로와 트랜스포머에 의해 형성될 수도 있고, 공진 회로는 공진 인덕터, 공진 커패시터 및 병렬 인덕터를 포함한다.
추가의 양상에 따르면, 복수의 상기 컨버터들을 포함하는 장치가 제공될 수도 있으며, 액티브 스테이지의 AC 입력부들은 직렬 접속되고, DC/DC 컨버터의 DC 출력부들은 병렬 접속되고, 제어 유닛은 병렬로 된 DC/DC 컨버터들의 공통 출력 DC 전압, 장치의 입력에서의 입력 전압 및 장치를 통하는 입력 전류에만 기초하여 액티브 스테이지를 액티브로 동작시키도록 구성된다.
또한, 공통 입력 인덕터는 직렬 접속된 액티브 스테이지들과 직렬로 제공될 수도 있다.
상기 입력 전압은 컨버터 및 커플링된 컨버터들에 외부적으로 인가된 입력 라인 전압에 대응함을 주지해야 한다. 통상적으로, 입력 인덕터들은 액티브 스테이지 내에서 스위치들 (H-브리지 회로) 을 통하여 전압으로부터, 외부에서 공급된 입력 라인 전압을 디커플링하도록 제공된다.
추가 양상에 따르면, 다음 단계들,
- DC/DC 컨버터의 출력 DC 전압, 컨버터의 입력 전압, 및 액티브 스테이지의 입력 전류에만 기초하여 액티브 스테이지를 액티브로 동작시키는 단계, 및
- DC/DC 컨버터를 개방 루프 모드에서 동작시키는 단계를 포함하는 방법이 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들과 함께 본 발명의 바람직한 실시형태들을 보다 자세하게 설명한다.
도 1 은 액티브 프론트 엔드 스테이지 및 DC/DC 컨버터 스테이지를 갖는 AC/DC 컨버터의 개략도.
도 2 는 멀티레벨 컨버터를 동작시키는 제어 방식을 설명하는 블록도.
도 3 은 복수의 AC/DC 컨버터들을 갖는 멀티레벨 컨버터를 나타내는 도면.
도 1 은 중간 전압 전력 전자 트랜스포머에 이용하기 위한 AC/DC 컨버터 (1) 의 개략도를 나타낸다. 이러한 종류의 컨버터는 예를 들어, 견인용으로 이용될 수 있다.
AC/DC 컨버터 (1) 는 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) (액티브 스테이지) 와 DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 를 갖는다. 이러한 컨버터 (1) 는 양방향으로 동작될 수 있지만, 다음 설명은 견인 애플리케이션에 통상 이용되는 바와 같이, 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 에서부터 DC/DC 컨버터 스테이지들 (3) 로의 에너지 플로우를 지칭한다.
액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 는 AC 입력 전압 (uin) 을 수신하는 AC 단자들을 갖는다. 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 DC 단자들은 컨버팅된 중간 DC 링크 전압 (Uz) 을 공급하기 위하여 제공된다. 중간 DC 링크 전압 (Uz) 은 중간 DC 링크 전압 (Uz) 을 디커플링하여 출력 전압 (Uout) 으로 변환하도록 서브하는 DC/DC 컨버터 스테이지들 (3) 의 제 1 단자들에 접속된다.
액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 는 액티브 제어형 AC/DC 컨버팅 유닛이다. 본 실시형태에서, 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 는 H-브리지 회로로서 상호접속된 제 1 내지 제 4 스위칭 소자 (S1 내지 S4) 를 포함한다. 스위칭 소자 (S1 내지 S4) 는 전력 MOSFET들, IGBT들, IGCT들 등으로서 제공될 수 있고 각각은 병렬로 된 프리휠링 다이오드 (D1 내지 D4) 를 각각 갖는다. 보다 자세하게는, 제 1 및 제 2 스위칭 소자 (S1 및 S2) 는 중간 DC 링크 전압 (Uz) 을 공급하는 제 1 DC 라인 (7) 과 제 2 DC 라인 (8) 사이에 직렬 접속된다. 동일한 방식으로, 제 3 스위칭 소자 (S3) 및 제 4 스위칭 소자 (S4) 는 제 1 DC 라인 (7) 과 제 2 DC 라인 (8) 사이에 직렬 접속된다.
AC 입력 라인 전압 (uin) 은 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 입력 인덕터 (Lin) 를 통하여, 직렬 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 소자 (S1 및 S2) 사이에 있는 제 1 노드 (N1) 에, 그리고 직렬 접속된 제 3 및 제 4 스위칭 소자 (S3, S4) 사이에 있는 제 2 노드 (N2) 에 접속된다. 제 1 DC 라인 (7) 과 제 2 DC 라인 (8) 사이에는, DC 링크 커패시터들 (C1 및 C2) 의 직렬 접속부가 추가로 접속된다.
패시브 DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 는 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 DC 라인들 (7, 8) 과 커플링되어, 중간 DC 링크 전압 (UZ) 을 수신한다. 패시브 DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 는 DC 단자들, 즉, 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 제 1 DC 라인 (7) 과 제 2 DC 라인 (8) 과 커플링된 제 5 스위칭 소자 (S5) 및 제 6 스위칭 소자 (S6) 의 직렬 접속부인 제 1 하프 브리지 회로 (31) 를 갖는다.
공진 탱크 (32) 에는 제 5 및 제 6 스위칭 소자 (S5, S6) 사이에서 제 1 하프 브리지 회로 (31) 의 제 4 노드 (N4) 와 커플링된 하나의 입력 및 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 제 1 및 제 2 커패시터들 (C1 및 C2) 의 직렬 접속의 제 3 노드 (N3) 와 커플링된 제 2 입력이 제공된다. 공진 탱크 (32) 의 추가의 단자들은 트랜스포머 (33) 의 1차 측과 커플링된다. 또한, 제 3 노드 (N3) 를 대신하여 공진 커패시터가 제 2 DC 라인 (8) 에 접속되는 것이 가능할 수도 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 공진 탱크 (32) 는 제 1 하프 브리지 회로 (31) 의 제 4 노드 (N4) 와 공진 탱크 (32) 의 T-노드 (NT) 사이에 접속된 공진 커패시터 (Cr) 를 포함할 수도 있다. T-노드 (NT) 는 공진 탱크 (32) 의 공진 인덕터 (Lr) 를 통하여 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 1 단자와 접속된다. 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 커패시터들 (C1, C2) 의 직렬 접속부의 제 3 노드 (N3) 는 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자와 접속된다. 공진 탱크 (32) 의 병렬 인덕터 (Lm) 는 T-노드 (NT) 와 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자 사이에 제공된다.
대안으로서, 공진 탱크 (32) 는 제 1 하프 브리지 (31) 의 제 4 노드 (N4) 와 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 1 단자 사이에 접속된 공진 인덕터와 공진 커패시터 (Cr) 의 직렬 접속부를 포함할 수도 있다. 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 커패시터들 (C1, C2) 의 직렬 접속부의 제 3 노드 (N3) 는 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자와 접속된다. 공진 탱크 (32) 의 병렬 인덕터 (Lm) 는 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 1 단자와 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자 사이에 제공된다.
추가적인 대안의 실시형태에 따르면, 공진 탱크 (32) 는 제 1 하프 브리지 (31) 의 제 4 노드 (N4) 와 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 1 단자 사이에 접속된 공진 인덕터 (Lr) 및 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 커패시터들 (C1, C2) 의 직렬 접속부의 제 3 노드와 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자 사이에 접속된 공진 커패시터 (Cr) 를 포함할 수도 있다. 병렬 인덕터 (Lm) 는 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 제공된다.
대안의 실시형태들에서, 공진 탱크 (32) 의 공진 인덕터 (Lr) 및 병렬 인덕터 (Lm) 는 또한, 트랜스포머 (33) 의 마그네틱 구조로 통합될 수도 있다.
또한, 제 3 노드 (N3) 대신에, 공진 커패시터가 제 2 DC 라인 (8) 에 접속되는 것이 또한 가능할 수도 있다. 공진 탱크 (32) 의 제 2 입력이 제 2 DC 라인 (8) 와 커플링되는 경우에, 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자는 제 2 DC 라인 (8) 과 직접 바람직하게 접속되는데, 즉, 제 2 DC 라인 (8) 와 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 2 단자 사이에 어떠한 컴포넌트들도 없이 직접 접속된다.
트랜스포머 (33) 의 2차 측의 제 1 단자는 제 7 및 제 8 스위칭 소자 (S7, S8) 의 직렬 접속부를 포함하는 제 2 하프 브리지 (34) 의 제 5 노드 (N5) 와 커플링된다. 제 2 하프 브리지 (34) 의 직렬 접속부는 제 1 및 제 2 출력 단자 (O1, O2) 각각과 접속된 제 1 및 제 2 DC 출력 라인 (15, 16) 사이에 접속된다.
액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 스위칭 소자들 (S1 내지 S4) 및 제 1 및 제 2 하프 브리지 (31, 34) 의 스위칭 소자들 (S5 내지 S8) 은 MOSFET들, IGBT들, IGCT들 등으로서 구현될 수도 있으며, 각각은 통합된 (고유의) 또는 별개의 프리휠링 다이오드 (D1 내지 D8) 각각을 가지며, 다이오드는 각각의 스위칭 소자들 (S1 내지 S8) 과 병렬로 그리고 역 바이어스 방식으로 접속된다.
제 1 및 제 2 출력 단자 (O1, O2) 사이에는, 제 3 및 제 4 커패시터 (C3, C4) 의 직렬 접속부가 제공되고, 제 3 및 제 4 커패시터 (C3, C4) 의 직렬 접속부의 제 6 노드 (N6) 는 트랜스포머 (33) 의 2차 측의 제 2 단자와 커플링된다. 대안으로서, 트랜스포머 (33) 의 2차 측의 제 2 단자는 또한 제 2 출력 단자 (O2) 와 직접 커플링될 수 있다.
공진 커패시터 (Cr) 는 트랜스포머 (33) 의 1차 측의 제 1/제 2 단자와 접속된 하나의 커패시터와, 트랜스포머 (33) 의 2차 측의 제 1/제 2 단자와 접속된 다른 하나의 커패시터로 스플릿되는 것이 제공될 수도 있다.
AC/DC 컨버터 (1) 는 제어 유닛 (5) 에 의해 제어된다. 제어 유닛 (5) 에 입력 측정값 (measure) 을 제공하기 위하여, AC 입력 전압 (uin) 을 검출하는 전압 감지 유닛 (10) 이 제공되고, AC 입력 전류 (iin) 를 검출하는 전류 감지 유닛 (11) 이 제공된다. 또한, 출력 전압 (Uout) 을 검출하는 출력 감지 유닛 (12) 이 제공된다.
제어 유닛 (5) 은 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 의 동작을 제어하고 패시브 DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 를 제어한다. AC 입력 전압 (uin) 의 입력 측정값, AC 입력 전류 (iin) 및 DC 출력 전압 (Uout) 뿐만 아니라 소정의 원하는 출력 전압 (Udes) 에 기초하여 제어를 수행한다.
DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 는 공진 트랜스포머 스테이지로서 구현되며, 공진 탱크 (32) 는 공진 탱크 (32) 와 트랜스포머 (33) 의 결합 회로의 공진 주파수를 제공하며, 하나의 공진 주파수는 공진 인덕터 (Lr) 와 공진 커패시터 (Cr) 의 세밀한 선택에 의해 적응될 수 있다. 다른 공진 주파수는 공진 인덕터 (Lr) 와 공진 커패시터 (Cr) 및 병렬 인덕터 (Lm) 에 의해 정의된 값들을 선택함으로써 정의된다. 에너지 플로우에 의존하여, 제 1 하프 브리지 (31) 또는 제 2 하프 브리지 (34) 가 스위칭되는 한편, 각 다른 하프 브리지는 패시브 브리지가 되어, 연관된 프리휠링 다이오드들은 간단히 정류기로서 역할을 한다.
이 경우에, 에너지 플로우는 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 로부터 DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 로 그리고 출력 단자들 (O1, O2) 로 흐르는 것으로 본다. 이 경우에, 제 1 하프 브리지 (31) 만이 액티브로 스위칭되는 한편, 제 2 하프 브리지 (34) 의 스위칭 소자들 (S7 및 S8) 은 오프로 스위칭되어, 연관된 프리휠링 다이오드들 (D7 및 D8) 은 트랜스포머 (33) 의 2차 측에 의해 제공된 전압 및 전류를 정류한다.
대안의 실시형태에서, DC/DC 컨버터는 공진 탱크 (32) 의 양측에 대한 멀티레벨 토폴로지로 실현될 수 있다. 그 후, 액티브 정류가 얻어지도록, 양측에 대해 전력 플로우로부터와 무관하게 스위칭이 요구된다.
컨버터 (1) 가 AC/DC 컨버터로서 동작하는 것으로 가정하면, 주 제어 타겟은 출력 DC 링크 전압 (Uout) 이 평균으로 일정한 것, 입력 전류 (iin) 가 낮은 THD 를 갖는 것, 및 거의 1 의 역률이 제어되는 것이다. 공진 트랜스포머 스테이지 (3) 의 이용으로 인하여, 커패시터들 (C3 및 C4) 의 직렬 접속부를 가로지르는 일정한 출력 DC 링크 전압 (Uout) 및 커패시터들 (C1 및 C2) 를 가로지르는 트랜스포머 스테이지 (3) 의 입력 측의 중간 전압 (UZ) 도 또한 고정된 값으로 클램핑되고, 공진 탱크 (32) 의 트랜스-임피던스를 가로지르는 전압에 의해 그리고 트랜스포머 권선비에 의해 결정된다.
트랜스포머 스테이지 (3) 는 최상의 가능한 효율을 위하여 최적화될 수 있는 고정된 동작점에서 개방 루프로 동작될 수 있다. 공진 주파수 이하의 영역에서 액티브로 동작되는 하프 브리지의 50% 듀티 사이클의 고정된 주파수로도 충분하다. 이는 턴온 동안에 액티브 하프 브리지에 대해 제로 전압 스위칭을 그리고 턴오프 동안에 쿼지 제로 전류 스위칭을 제공한다.
위에서의 주 제어 목표들을 실현하기 위해서는, 입력 측정값으로서의 입력 전압 (uin), 입력 전류 (iin) 및 출력 전압 (Uout) 을 획득하는 것으로도 충분하며, 출력 전압은 중간 전압 (UZ) 과 강한 상관성이 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 제어 방식은 예를 들어, 내부 라인 전류 제어기 (51) 및 외부 출력 DC 링크 전압 제어기 (52) 에 의한 캐스캐이드 제어 루프로서 구현될 수도 있다. 라인 입력 전류 제어기 (51) 는 예를 들어, (P 또는 I 제어 블록을 이용하여) 원하는 전압 (Udes) 과 실제 출력 전압 (Uout) 사이의 출력 전압 차이에 의존하여 제어를 수행한다. 내부 라인 전류 제어기 (51) 의 출력값은 승산 블록 (54) 에서, 위상 동기 루프 회로 (53) 를 이용하여 AC 입력 전압 (uin) 으로부터 추출된 사인곡선 파형 신호와 곱해져, 원하는 전압 (Udes) 과 실제 출력 전압 (Uout) 사이의 차이에 의존하는 진폭을 갖는 사인곡선 AC 전류 신호가 얻어진다. 제어 전류 (iline) 가 얻어진다.
감산 블록 (55) 에서, 제어 전류 (iline) 및 입력 전류 (iin) 는 서로 감산되고, 결과적인 전류 차이가 외부 출력 DC 링크 전압 제어기 (52) 에 공급되어, 액티브 프론트 엔드 스테이지 (2) 를 동작시키는데 이용되는 변조 지수 (M) 가 구해진다. 일반적으로, 변조 지수는 변조 방식을 나타내고, 반송파 신호의 변조 변수가 그 비변조 레벨에 대해 얼마나 많이 변하는지에 의해 설명한다. 따라서, 변조 지수 (M) 에 의존하여 생성되는 중간 링크 전압 (Uz) 은 단지 컨버터 (1) 의 입력측과 출력측에서 이용가능한 전기적 측정값을 이용하여 제어될 수 있다.
도 3 은 입력측들에서 직렬 접속된 복수의 컨버터들 (1) 을 갖는 컨버터 장치 (40) 를 나타내며, 여기서 입력 단자들은 병렬 접속된다. 즉, 각각의 컨버터 (1) 의 제 1 출력 단자들 (O1) 이 상호접속되고 제 2 출력 단자들 (O2) 이 상호접속된다. 입력측에서, 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 은 데이지 체인과 같이 직렬 접속되고, 입력 전압은 직렬 접속된 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 상에 인가된다.
컨버터 장치 (40) 는 제어 유닛 (5) 에 의해 제어된다. 제어 유닛 (5) 에 의해 공급된 측정값들은, 모든 직렬 접속된 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 에 대한 AC 입력 전압 (uin) 을 검출하는 전압 감지 유닛 (10) 및 모든 엔티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 에 걸쳐 AC 입력 전류 (iin) 를 검출하는 전류 감지 유닛 (11) 에 의해 구해진다. 또한, 모든 DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 의 공통 출력 전압 (Uout) 을 검출하기 위해 출력 감지 유닛 (12) 이 제공된다.
대안의 실시형태에서, 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 의 일부 또는 전부의 입력 인덕터들 (Lin) 은 직렬 접속된 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 에 대한 전압으로부터 AC 입력 전압 (uin) 을 디커플링하기 위해, 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 과 직렬 접속된 공통 입력 인덕터로 교체될 수 있다.
위에서 제안된 제어 방법은 또한, 도 3 의 컨버터 장치에 대해 적용가능하다. DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 의 모든 출력들은 병렬 접속되기 때문에, 이는 트랜스포머 스테이지 (3) 의 1차 측에서의 (또는 액티브 프론트 엔드 스테이지들 (2) 의 출력에서의) 모든 플로팅 DC 링크가 이상적으로 일치하는 값에 클램핑될 것임을 함축한다. 따라서, DC/DC 컨버터 스테이지 (3) 에서의 1차 측과 2차 측 사이에 엄격한 커플링으로 인하여, 이것을 공진 컨버터로서 형성할 때, 중간 DC 링크 전압 (UZ) 의 추가적인 제어가 요구되지 않고 출력 DC 링크 전압의 제어만으로도 충분하다.
도 3 의 토폴로지가 파라미터들의 변동에 대해 다소 견고하고, 민감하지는 않기 때문에, 1차 측에서의 밸런싱된 전력 분배 및 커패시터 밸런싱 관점에서 상이한 컨버터들 간의 파라미터 변동들의 영향이 낮다. 특히, 공진 인덕터 (Lr), 공진 커패시터 (Cr) 및 DC 링크 커패시턴스의 값 변동들에 대한 민감도가 낮으며, 심지어 +/- 20%의 변동이 허용될 수 있다.
1 컨버터
2 액티브 프론트 엔드 스테이지
3 DC/DC 컨버터 스테이지
5 제어 유닛
7 제 1 DC 라인
8 제 2 DC 라인
10 입력 전압 감지 유닛
11 입력 전류 감지 유닛
12 출력 전압 감지 유닛
31 제 1 하프 브리지
32 공진 탱크
33 트랜스포머
34 제 2 하프 브리지
S1 내지 S8 스위칭 소자들
D1 내지 D8 프리휠링 다이오드들
Cr 공진 커패시터
Lr 공진 인덕터
Lm 병렬 인덕터
Lin 입력 인덕터
51 내부 라인 전류 제어기
52 외부 출력 DC 링크 전압 제어기
53 위상 동기 루프
54 승산 블록
55 감산 블록

Claims (12)

  1. 컨버터 (1) 로서,
    - AC 입력부에서 AC 입력 전압 (uin) 을 중간 DC 전압 (UZ) 으로 컨버팅하기 위한 액티브 스테이지 (2);
    - 상기 중간 DC 전압 (UZ) 을 DC 출력부에서 출력 DC 전압 (Uout) 으로 변환하는 DC/DC 컨버터 (3) 로서, 상기 DC/DC 컨버터 (3) 는 공진 회로 (32) 및 트랜스포머 (33) 에 의해 형성되는 공진 트랜스포머 (32, 33) 를 갖는, 상기 DC/DC 컨버터 (3); 및
    - 제어 유닛 (5) 을 포함하고,
    상기 제어 유닛 (5) 은,
    - 상기 DC/DC 컨버터 (3) 의 출력 DC 전압 (Uout), 상기 컨버터 (1) 의 입력 전압 (uin) 및 입력 전류에만 기초하여 상기 액티브 스테이지 (2) 를 액티브로 동작시키고,
    - 상기 DC/DC 컨버터 (3) 를 개방 루프 모드에서 동작시키도록 구성되는, 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (5) 은 상기 공진 트랜스포머 (32, 33) 의 공진 주파수 이하에 대응하는 스위칭 주파수로 액티브 스위치를 스위칭함으로써 상기 DC/DC 컨버터 (3) 를 개방 루프 모드에서 동작시키도록 구성되는, 컨버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터 (3) 는 제 1 스위칭 유닛 (31) 및 제 2 스위칭 유닛 (34) 을 가지며, 상기 제 1 스위칭 유닛 (31) 및 상기 제 2 스위칭 유닛 (34) 은 각각 스위칭 소자들 (S5 - S8) 을 갖고, 상기 스위칭 소자들 각각은 프리휠링 다이오드들 (D5 - D8) 에 의해 병렬로 되고,
    상기 제 1 스위칭 유닛 (31) 과 상기 제 2 스위칭 유닛 (34) 사이에는 상기 공진 트랜스포머 (32, 33) 가 배치되고,
    상기 제어 유닛 (5) 은 50% 의 듀티 사이클로 스위칭 주파수에서 상기 스위칭 유닛들 (31, 34) 중 하나를 동작시키도록 구성되는, 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (5) 은 상기 스위칭 유닛들 (31, 34) 중 다른 하나를 구동하지 않도록 하여 상기 프리휠링 다이오드들 (D5 - D8) 이 패시브 정류기로서 역할을 하게 하거나, 또는 상기 스위칭 유닛들 (31, 34) 중 상기 다른 하나를 동작시켜 액티브 정류기로서 역할을 하게 하도록 구성되는, 컨버터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛 (5) 은 상기 DC 출력 전압 (Uout) 및 상기 액티브 스테이지 (2) 의 상기 입력 전압 (uin) 및 상기 입력 전류 (iin) 를 고려함으로써 상기 DC 출력 전압 (Uout) 및 상기 입력 전류를 피드백 제어하는 제어 기능을 갖는, 컨버터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 기능은 캐스케이드 제어 기능인, 컨버터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 액티브 스테이지 (2) 는 H-브리지 회로를 갖고,
    상기 H-브리지 회로는 상기 제어 기능의 결과인 변조 지수 (modulation index) 에 따라 동작되는, 컨버터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 스테이지 (2) 는 직렬로 적용되는 입력 인덕터 (Lin) 를 갖는, 컨버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 트랜스포머 (32, 33) 는 공진 회로 (32) 와 트랜스포머 (33) 에 의해 형성되고, 상기 공진 회로 (32) 는 공진 인덕터 (Lr), 공진 커패시터 (Cr) 및 병렬 인덕터 (Lm) 를 포함하는, 컨버터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 컨버터를 복수개 포함하는 장치 (40) 로서,
    액티브 스테이지들 (2) 의 AC 입력부들은 직렬 접속되고, DC/DC 컨버터들 (3) 의 DC 출력부들은 병렬 접속되고,
    상기 제어 유닛 (5) 은 병렬로 된 상기 DC/DC 컨버터들 (3) 의 공통 출력 DC 전압 (Uout), 상기 장치 (40) 의 입력에서의 입력 전압 및 상기 장치 (40) 를 통과하는 입력 전류에만 기초하여 상기 액티브 스테이지들 (2) 을 액티브로 동작시키도록 구성되는, 복수의 컨버터를 포함하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    공통 입력 인덕터는 직렬 접속된 상기 액티브 스테이지들 (2) 과 직렬로 제공되는, 복수의 컨버터를 포함하는 장치.
  12. 컨버터 (1) 를 동작시키는 방법으로서,
    상기 컨버터 (1) 는,
    - AC 입력부에서 AC 입력 전압 (uin) 을 중간 DC 전압 (UZ) 으로 컨버팅하기 위한 액티브 스테이지 (2); 및
    - 상기 중간 DC 전압 (UZ) 을 DC 출력부에서 출력 DC 전압 (Uout) 으로 변환하는 DC/DC 컨버터 (3) 로서, 상기 DC/DC 컨버터 (3) 는 공진 회로 (32) 및 트랜스포머 (33) 에 의해 형성되는 공진 트랜스포머 (32, 33) 를 갖는 상기 DC/DC 컨버터 (3) 를 포함하고,
    - 상기 방법은,
    - 상기 DC/DC 컨버터 (3) 의 출력 DC 전압 (Uout), 상기 컨버터 (1) 의 입력 전압 (uin), 및 상기 액티브 스테이지 (2) 의 입력 전류에만 기초하여 상기 액티브 스테이지 (2) 를 액티브로 동작시키는 단계; 및
    - 상기 DC/DC 컨버터 (3) 를 개방 루프 모드에서 동작시키는 단계를 포함하는, 컨버터를 동작시키는 방법.
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