KR102052782B1 - 고전압 고전력 다중-레벨 드라이브 구조 - Google Patents

고전압 고전력 다중-레벨 드라이브 구조 Download PDF

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Abstract

고 전압, 고전력 다중-레벨 드라이브 구조는 함께 적층되는 복수의 중립-점-파일롯팅된(neutral-point-piloted; NPP) 변환기 셀들을 포함한다. 적어도 하나의 클램핑 다이오드는 중립-점-파일롯-클램핑된(neutral-point-pilot-clamped; NPPC) 변환기 구조를 제공하기 위해 하나 또는 다수의 NPP 변환기 셀에 연결된다. NPPC 변환기 구조에 연결된 플라잉 커패시터들은 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(neutral-point-clamped-flying-capacitor) 변환기 구조 셀을 산출한다.

Description

고전압 고전력 다중-레벨 드라이브 구조{HIGH VOLTAGE HIGH POWER MULTI-LEVEL DRIVE STRUCTURE}
본 개시의 청구 대상은 일반적으로 다수의 입력들 및 출력 위상들을 갖는 고 전압, 고전력 다중-레벨 드라이브 구조들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 고전적인 다중-레벨(multi-level) 중립-점-클램핑된(neutral-point-clamped; NPC) 그리고 다중-레벨 중립-점-파일롯팅된(neutral-point-piloted; NPP) 변환기 토폴로지들의 아키텍처들을 결합하는 다중-레벨 드라이브 구조에 관한 것이다.
다수의 다중-레벨 드라이브 구조들이 제안되었다. 하나의 알려진 다중-레벨 드라이브 구조는 도 1에서 도시된 바와 같은 고전적인 3-레벨 중립-점-클램핑된 변환기(10)이다. 다른 알려진 다중-레벨 드라이브 구조는 도 2에서 도시된 바와 같이 3-레벨 중립-점-파일롯팅된 변환기(20)이다. 알려진 NPC 및 NPP 변환기 구조들이 다수의 애플리케이션들에서 유리한 것으로 판명되었지만, 이들 알려진 변환기 구조들은 동작 효율 및 파형 품질 양자에서 개선들에 대한 여지(room)를 남긴다.
또 다른 알려진 다중-레벨 드라이브 구조(30)가 도 3에서 예시된다. 도 3에서 도시된 다중-레벨 변환기(30) 구조가 NPC 및 NPP 변환기 구조들에 비해 개선들을 제안하지만, 이것도 여전히 신뢰도는 물론 동작 효율면에서 개선들에 대한 여지를 남긴다.
또 다른 알려진 다중-레벨 드라이브 구조는 5-레벨 중립-점-파일롯팅된 변환기 구조(40)를 예시하는 도 4에서 도시된다. 도 4에서 도시된 변환기 구조(40)는 플라잉 커패시터(flying capacitor; FC) 기반 다중-레벨 변환기를 제공하기 위해 플라잉 커패시터들(42, 44)을 이용한다. 이러한 변환기 토폴로지들은 특정한 고 전압, 고 전력 드라이브 애플리케이션들에서 유리한 것으로 판명되었지만, 여전히 동작 효율에 있어서 개선들에 대한 여지를 남긴다.
도 5 내지 도 8은 캐스케이드식 브리지 변환기 구조(50), 모듈라 다중-레벨 변환기 구조(60) 및 활성 중립점 변환기 구조(70) 및 하이브리드 변환기 구조(80)를 포함하는 종래 기술에 알려진 추가의 고전적인 변환기 토폴로지들을 예시한다. 알려진 NPC 및 NPP 변환기 구조들과 유사하게, 이들 고전적이 변환기 구조들은 동작 효율 및/또는 파형 품질 및/또는 신뢰도에 있어서 개선들에 대한 여지를 여전히 남긴다.
위의 내용을 고려하여, 알려진 다중-레벨 변환기 구조들에 의해 제공된 것 이상의 동작 효율 및/또는 파형 품질 및/또는 신뢰도에 있어서 추가의 개선들을 제공하는 고 전압, 고전력 다중-레벨 드라이브 토폴로지를 제공할 필요가 있다.
본 개시의 예시적인 실시예는 고 전압, 고 전력(high voltage, high power; HVHP) 다중-레벨 드라이브 구조에 관한 것이다. 예시적인 HVHP 실시예는 0 출력 전압 레벨을 달성하기 위해 함께 적층되고 클램핑 다이오드들로 구성되는 복수의 중립-점-파일롯팅된 변환기 셀들을 포함한다.
다른 실시예는 중립-점-파일롯-클램핑된(neutral-point-pilot-clamped; NPPC) 변환기 구조를 제공하기 위해 각각의 중립-점-파일롯팅된(neutral-point-piloted; NPP) 변환기 셀에 연결된 적어도 하나의 클램핑 다이오드 및 함께 적층된 복수의 NPP 변환기 셀들을 포함하는 고전압, 고전력(HVHP) 다중-레벨 드라이브 구조에 관한 것이다.
본 발명의 위의 및 다른 특징들, 양상들 및 이점들은 유사한 문자들이 도면들에 걸쳐서 유사한 부분들을 표현하는 첨부 도면들과 함께 이해될 때 다음의 상세한 설명으로부터 자명하게 된다.
도 1은 당 분야에 알려진 3-레벨 NPC 변환기 구조를 예시하는 단순화된 도면이다.
도 2는 당 분야에 알려진 다른 3-레벨 NPP 변환기 구조를 예시하는 단순화된 도면이다.
도 3은 당 분야에 알려진 고 전압 고 전력 다중-레벨 변환기를 예시한다.
도 4는 당 분야에 알려진 다른 고 전압 고 전력 다중-레벨 변환기 구조를 예시한다.
도 5는 당 분야에 알려진 캐스케이드식 브리지 변환기를 예시하는 단순환된 도면이다.
도 6은 당 분야에 알려진 모듈라 다중-레벨 변환기 구조를 예시한다.
도 7은 당 분야에 알려진 활성 중립점 변환기 구조를 예시한다.
도 8은 당 분야에 알려진 하이브리드 변환기 구조를 예시한다.
도 9는 일 실시예에 따라 5-레벨의 중립-점-파일롯-클램핑된 변환기 구조를 예시한다.
도 10은 일 실시예에 따라 7-레벨의 중립-점-파일롯-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기 구조를 예시한다.
도 11은 일 실시예에 따라 n-레벨 NPCFC 변환기 구조를 예시한다.
위에서 식별된 도면은 제시된 대안적인 실시예들을 나타내지만, 본 발명의 다른 실시예들이 논의에서 언급되는 바와 같이 또한 고려된다. 모든 경우들에서, 본 개시는 제한이 아니라 표현의 방식으로 본 발명의 예시된 실시예들을 제시한다. 본 발명의 원리들의 범위 및 사상 내에 있는 다수의 다른 변형들 및 실시예들이 당업자들에 의해 창안될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따라 5-레벨 중립-점-파일롯-클램핑된(neutral-point-pilot-clamped; NPPC) 변환기 구조(90)를 예시한다. NPPC 변환기(90)는 다른 것들 중에서도, 다중-위상 가변 주파수 드라이브 애플리케이션들에 특히 유용하다. NPPC 변환기(90)는 도 1 및 도 2에서 도시된 것들과 같은 고전적인 3-레벨 중립-점-클램핑된(neutral-point-clamped; NPC) 및 3-레벨 중립-점-파일롯팅된(neutral-point-piloted; NPP) 다중-레벨 변환기 토폴로지들의 아키텍처들을 결합한 것으로 보여질 수 있다. 본 발명자는 NPPC 변환기(90)가 고전적인 NPC 및 NPP 변환기들에 비교하면, 거의 40% 감소된 반도체 스위칭 손실들 및 상당히 더 나은 전기 파형 품질을 갖는다는 것을 발견하였다.
일 양상에 따라, NPPC 변환기(90)는 유리하게는 2개의 중간 전압 NPP 변환기 셀들(92, 94)을 적층함으로써 고 전압 출력/전력을 제공한다. NPP 변환기 셀들(92, 94)은 중앙 노드(95)를 출력 노드(93)에 연결함으로써 0 출력 전압 레벨을 달성하도록 하나 이상의 각자의 다이오드들(96, 98)로 각각 클램핑된다. 출력 전력 레벨들(+1 및 -1)은 중간 암들(97, 99)을 이용함으로써 달성될 수 있다. 단지 2개의 디바이스들이 유리하게는, 범위 1< | V0 | <2의 출력 전압을 달성하도록 스위칭되며, 이는 스위칭 손실들을 낮게 한다.
고 전압 NPPC 변환기 구조(90)는 중간 전압 NPP 셀들(92, 94)을 이용하며, 이는 고전적인 고 전압 NPP 셀 구조들에 비교하면, 각각의 암(97, 99)에서 반도체 디바이스들의 수를 더 적게 한다. 또한, 고 전압 NPPC 변환기(90)는 유리하게는, 고전적인 NPP 구조들로는 달성 가능하지 않은 +1 및 -1 볼트의 출력 전압 레벨들을 달성한다. 고전적인 고 전압 NPP 변환기 셀들은 범위 1< | V0 | <2의 출력 전압을 달성하기 위해 4개의 디바이스들이 스위칭되도록 요구하며, 이는 스위칭 손실들을 높게 한다. NPPC 변환기(90)는 유리하게는 본 명세서에서 언급되는 바와 같이, 범위 1< | V0 | <2의 출력 전압을 달성하기 위해 단지 2개의 디바이스들이 스위치되도록 요구한다.
도 3에서 예시된 다중-레벨 변환기 셀 구조(30)가 고 전압 NPPC 변환기 구조(90)와 유사하게 나타나지만, 두 개의 구조들(30, 90) 간에 상당한 차이가 있다. 트랜지스터들(Q2, Q5 또는 Q3, Q6)이 스위칭 온되고, Ql, Q4 및 SW1, SW2가 스위칭 오프될 때 0 전압은 다중-레벨 변환기(30)의 AC 출력 단자(32)로 출력되며, 이는 2개의 반도체 스위치들(Q2, Q5 또는 Q3, Q6)을 통과하는 전기 전류를 발생시킨다. 대조적으로, NPPC 변환기 셀 구조(90)는 SW1(97)의 스위칭 오프가 충분하기 때문에 대응하는 반도체 스위치들의 스위칭 없이 0 출력 전압을 달성한다. 대신, 클램핑 다이오드들(96, 98)이 자동으로 전도하며, 이는 출력 단자(93)에서 0 출력 전압을 발생시킨다. NPPC 변환기 셀 구조(90)는 이에 따라 다중-레벨 변환기(30)로 달성 가능한 것을 능가하는 감소된 손실들 및 증가된 신뢰도를 발생시킨다.
도 10은 일 실시예에 따라 7-레벨 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(neutral-point-clamped-flying-capacitor; NPCFC) 변환기 구조(100)를 예시한다. 변환기 구조(100)는 7-레벨 NPCFC 변환기(100)를 제공하기 위해 플라잉 커패시터(flying capacitor; FC) 기반 다중-레벨 변환기 토폴로지와 도 9에서 도시된 NPPC 토롤로지를 결합한다. NPCFC 변환기 셀(100)은 유리하게는 도 4에서 도시된 것과 같은 5-레벨 NPP 변환기 셀로서 동일한 수의 플라잉 커패시터들을 이용하여 출력 위상 전압 파형에서 7개의 레벨들을 생성하며, 이는 파형 품질을 높이고, 필터 요건들을 감소시키고 효율을 높인다.
도 11은 일 실시예에 따라 n-레벨 NPCFC 변환기 셀 구조(110)를 예시한다. 도 9에서 도시된 5-레벨 NPPC 변환기(90)는 어떠한 플라잉 커패시터도 없이 n-레벨 NPCFC 변환기 셀 구조(110)의 특별한 경우라는 것이 인지될 수 있다.
요약 설명에서, 다중-위상 가변 주파수 드라이브(dc/ac, ac/ac, ac/dc 또는 ac/dc/ac) 전력 변환 애플리케이션에 대한 고 전압 고 전력(high voltage high power; HVHP) 다중레벨 드라이브 토폴로지가 본 명세서에서 설명된다. HVHP 다중-레벨 드라이브 토폴로지는 고전적인 중립-점-클램핑된 및 중립-점-파일롯팅된 다중-레벨 변환기 토폴로지들의 아키텍처들을 결합하여 증가된 동작 효율 및/또는 더 높은 파형 품질 및/또는 증가된 신뢰도를 제공한다. HVHP 다중-레벨 드라이브 토폴로지는 알려진 다중-레벨 변환기 셀 토폴로지들보다 부가적인 이점들을 신규한 n-레벨 중립-점-클램핑된-플라잉 커패시터(NPCFC) 변환기 토폴로지에 제공하도록 플라잉 커패시터 기반 다중-레벨 변환기 토폴로지와 추가로 결합될 수 있다.
본 발명의 특정한 특징들만이 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 다수의 변형들 및 변경들이 당업자들에 의해 발생할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 모든 이러한 변형들 및 변경들을 커버하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다.

Claims (18)

  1. 고 전압, 고 전력(high voltage, high power; HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(neutral-point-clamped-flying-capacitor; NPCFC) 변환기에 있어서,
    제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전압원의 직렬 연결 - 상기 제 1 전압원의 음극 단자는 음극 DC 단자에 연결되고, 상기 제 1 전압원의 양극 단자는 상기 제 2 전압원의 음극 단자에 연결되고, 상기 제 2 전압원의 양극 단자는 공통 중립점(95)에 연결되고, 상기 제 3 전압원의 음극 단자는 상기 공통 중립점(95)에 연결되고, 상기 제 3 전압원의 양극 단자는 상기 제 4 전압원의 음극 단자에 연결되고, 상기 제 4 전압원의 양극 단자는 양극 DC 단자에 연결됨 - ;
    출력 노드(93)에서 제 2 NPP 변환기 셀(94)에 연결된 제 1 NPP 변환기 셀(92)에 의해 함께 적층된 제 1 및 제 2 다중-레벨 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터 (NPCFC) 변환기 셀(92,94) - 상기 제 1 NPP 변환기 셀(92)은, 출력 노드(93)에 직접 연결된 제 2 단자 및 제 1 단자를 갖는 제 1 스위칭 트랜지스터, 상기 제 1 스위칭 트랜지스터의 제1 단자와 상기 양극 DC 단자 사이에 연결된 m개의 스위칭 트랜지스터들의 제 1 직렬 연결, 및 상기 제 1 스위칭 트랜지스터의 제 1 단자와 상기 제 4 전압원의 음극 단자 사이에 연결된 m개의 2방향 트랜지스터 스위치들(97)의 제 1 직렬 연결을 포함하며, 상기 m은 2 이상이고, 상기 스위칭 트랜지스터들의 상기 제 1 직렬 연결의 2개의 스위칭 트랜지스터들의 각각의 연결점과, 상기 2방향 트랜지스터 스위치들의 상기 제 1 직렬 연결의 2개의 2방향 트랜지스터 스위치들의 대응 연결점 사이에 플라잉 커패시터가 연결되고, 상기 제 2 NPP 변환기 셀(94)은, 상기 출력 노드(93)에 직접 연결된 제 2 단자 및 제 1 단자를 갖는 제 2 스위칭 트랜지스터, 상기 제 2 스위칭 트랜지스터의 상기 제 1 단자와 상기 음극 DC 단자 사이에 연결된 m개의 스위칭 트랜지스터들의 제 2 직렬 연결, 및 상기 제 2 스위칭 트랜지스터의 상기 제 1 단자와 상기 제 1 전압원의 양극 단자 사이에 연결된 m개의 2방향 트랜지스터 스위치들(99)의 제 2 직렬 연결을 포함하며, 상기 m은 2 이상이고, 상기 스위칭 트랜지스터들의 상기 제 2 직렬 연결의 2개의 스위칭 트랜지스터들의 각각의 연결점과, 상기 2방향 트랜지스터 스위치들의 상기 제 2 직렬 연결의 2개의 2방향 트랜지스터 스위치들의 대응 연결점 사이에 플라잉 커패시터가 연결됨 - ; 및
    복수의 클램핑 다이오드들(96,98)의 제 1 단부가 상기 제 1 스위칭 트랜지스터의 제 1 단자에 직접 연결되고 상기 제 1 단부에 대향되는 상기 복수의 다이오드들(96,98)의 제 2 단부가 상기 제 2 스위칭 트랜지스터의 제 1 단자에 직접 연결되도록, 직렬로 배열된 상기 복수의 클램핑 다이오드들(96,98) - 각각의 다중-레벨 NPP 변환기 셀(92,94)은 상기 복수의 클램핑 다이오드들(96,98)의 직렬 연결의 중간점(midpoint)에 의해 상기 공통 중립점(95)에 연결됨 -
    을 포함하는, 고 전압, 고 전력(HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 M = 2인 것인, 고 전압, 고 전력(HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변환기 셀들은 중간 전압 다중-레벨 NPP 변환기 셀들을 포함하는 것인, 고 전압, 고 전력(HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 중간 전압 다중-레벨 NPP 변환기 셀은 3-레벨 NPP 변환기 셀을 포함하는 것인, 고 전압, 고 전력(HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 NPCFC 변환기 셀은 7-레벨 출력 셀을 포함하는 것인, 고 전압, 고 전력(HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 NPCFC 변환기 셀은 N-레벨 출력 셀을 포함하며, N은 출력 전압 레벨들의 수인 것인, 고 전압, 고 전력(HVHP) 중립-점-클램핑된-플라잉-커패시터(NPCFC) 변환기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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