KR102266020B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

배선(WP1, WN1, WC1)은, 제1 변환기 유닛(U1)의 직류 모선(PL1, NL1, CL1)과 제2 변환기 유닛(U2)의 직류 모선(PL2, NL2, CL2)의 사이에 마련된다. 배선(WP2, WN2, WC2)은, 제2 변환기 유닛(U2)의 직류 모선(PL2, NL2, CL2)과 제3 변환기 유닛(U3)의 직류 모선(PL3, NL3, CL3)의 사이에 마련된다. 퓨즈(FP1, FN1, FC1)는 배선(WP1, WN1, WC1)에 각각 개삽된다(insert). 퓨즈(FP2, FN2, FC2)는 배선(WP2, WN2, WC2)에 각각 개삽된다.

Description

전력 변환 장치
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
무정전 전원 장치 등에 적용되는 전력 변환 장치는, 일반적으로 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 그 직류 전력을 원하는 주파수 및 전압의 교류 전력으로 변환하는 인버터를 구비하고 있다.
예를 들어, 국제 공개 제2010/095241호(특허문헌 1)에는, 3 레벨 컨버터와 3 레벨 인버터를 구비한 전력 변환 장치에 의해 구성된 무정전 전원 장치가 개시되어 있다. 이 전력 변환 장치에 있어서, 3 레벨 컨버터 및 3 레벨 인버터의 각각은, 복수의 반도체 스위칭 소자를 포함하고 있다.
상술한 전력 변환 장치에서는, 복수의 반도체 스위칭 소자 중 어느 것이 파손되어 단락 상태로 된 경우에, 과전류 또는 과전압이 발생할 가능성이 있다. 특허문헌 1에서는, 각 반도체 스위칭 소자의 한쪽 단자와 직류 모선(직류 정 모선, 직류 부 모선 또는 직류 중성점 모선)의 사이에 퓨즈를 접속하고 있다. 이와 같이 하면, 어느 반도체 스위칭 소자가 단락 상태로 된 경우에는, 퓨즈가 용단되어 전류가 흐르는 경로가 차단되기 때문에, 과전류 또는 과전압의 발생을 방지할 수 있다.
국제 공개 제2010/095241호
그러나, 특허문헌 1에 기재되는 전력 변환 장치에서는, 반도체 스위칭 소자와 직류 모선의 사이의 전류 경로에 퓨즈를 마련하고 있기 때문에, 3 레벨 컨버터 및 3 레벨 인버터가 정상적으로 동작하고 있는 상태에 있어서, 퓨즈에는 항상 전류가 흐른다. 이러한 상태에 있어서 퓨즈가 잘못되어 용단되는 일이 없도록, 특허문헌 1에서는, 컨버터 및 인버터를 흐르는 전류보다 큰 정격 전류값을 갖는 퓨즈가 필요하게 된다.
상기한 바와 같이, 정격 전류값이 큰 퓨즈를 사용한 경우에 있어서는, 정격 전류값을 상회하는 단락 전류가 흐를 때까지는, 퓨즈가 용단되지 않는다. 그 때문에, 반도체 스위칭 소자의 고장에서부터 퓨즈가 용단될 때까지, 전류 경로에 큰 단락 전류가 흘러 버려, 다른 건전한 반도체 스위칭 소자 및 다이오드 등에 피해를 초래할 가능성이 있다.
또한, 특허문헌 1에서는, 3 레벨 컨버터 및 3 레벨 인버터의 각각에 대하여, 합계 9개의 퓨즈를 사용하고 있기 때문에, 각 퓨즈에 정격 전류값이 큰 것을 사용함으로써, 장치의 대형화 및 고비용화를 초래해 버린다고 하는 문제점이 있다.
또한, 특허문헌 1에서는, 전력 변환 장치가 동작하고 있을 때 각 퓨즈에서 발생하는 전력 손실이 커져 버려, 결과적으로 전력 변환 장치의 효율을 저하시킬 가능성이 있다.
그러므로, 본 발명의 주된 목적은, 간이한 구성으로, 높은 과전류 및 과전압의 방지 효과를 실현할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 어떠한 국면에 따르는 전력 변환 장치는, 교류 전원으로부터 공급되는 제1 내지 제3상의 교류 전압을 제4 내지 제6상의 교류 전압으로 변환하여 부하에 공급하도록 구성된다. 전력 변환 장치는, 제1 내지 제3 전력 변환기를 구비한다. 제1 전력 변환기는, 제1상의 교류 전압을 제4상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제2 전력 변환기는, 제2상의 교류 전압을 제5상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제3 전력 변환기는, 제3상의 교류 전압을 제6상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제1 전력 변환기는, 제1상 컨버터와, 제4상 인버터와, 제1 직류 정 모선 및 제1 직류 부 모선을 포함한다. 제1상 컨버터는, 제1상의 교류 전압을 제1 직류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제4상 인버터는, 제1상 컨버터로부터 공급되는 제1 직류 전압을 제4상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제1 직류 정 모선 및 제1 직류 부 모선은, 제1상 컨버터와 제4상 인버터의 사이에 접속된다. 제2 전력 변환기는, 제2상 컨버터와, 제5상 인버터와, 제2 직류 정 모선 및 제2 직류 부 모선을 포함한다. 제2상 컨버터는, 제2상의 교류 전압을 제2 직류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제5상 인버터는, 제2상 컨버터로부터 공급되는 제2 직류 전압을 제5상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제2 직류 정 모선 및 제2 직류 부 모선은, 제2상 컨버터와 제5상 인버터의 사이에 접속된다. 제3 전력 변환기는, 제3상 컨버터와, 제6상 인버터와, 제3 직류 정 모선 및 제3 직류 부 모선을 포함한다. 제3상 컨버터는, 제3상의 교류 전압을 제3 직류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제6상 인버터는, 제3상 컨버터로부터 공급되는 제3 직류 전압을 제6상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된다. 제3 직류 정 모선 및 제3 직류 부 모선은, 제3상 컨버터와 제6상 인버터의 사이에 접속된다. 전력 변환 장치는, 또한 제1 내지 제4 퓨즈를 구비한다. 제1, 제2 퓨즈는, 제1 및 제2 직류 정 모선의 사이, 그리고 제2 및 제3 직류 정 모선과의 사이에 각각 접속된다. 제3, 제4 퓨즈는, 제1 및 제2 직류 부 모선의 사이, 그리고 제2 및 제3 직류 부 모선과의 사이에 각각 접속된다.
본 발명에 따르면, 간이한 구성으로, 높은 과전류 및 과전압의 방지 효과를 실현할 수 있는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 주 회로 구성을 도시하는 개략 블록도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 단상 컨버터 및 단상 인버터의 구성을 상세하게 설명하는 회로도이다.
도 3은, 도 2에 도시한 IGBT 소자의 온/오프 타이밍을 설명하기 위한 파형도이다.
도 4는, 도 2에 도시한 퓨즈의 작용을 도시하는 회로도이다.
도 5는, 도 2에 도시한 퓨즈의 작용을 도시하는 회로도이다.
도 6은, 도 2에 도시한 퓨즈의 작용을 도시하는 회로도이다.
도 7은, 비교예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 설명하는 회로도이다.
도 8은, 본 발명의 실시 형태의 변형예에 따른 전력 변환 장치의 주 회로 구성을 도시하는 개략 블록도이다.
이하에 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명은 원칙적으로 반복하지 않기로 한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)의 주 회로 구성을 도시하는 개략 블록도이다. 본 발명의 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)는, 예를 들어 무정전 전원 장치에 적용된다. 교류 전원(1)은, 상용 주파수의 3상 교류 전력을 전력 변환 장치(100)에 공급한다. 부하(4)는, 전력 변환 장치(100)로부터 공급되는 상용 주파수의 3상 교류 전력에 의해 구동된다.
도 1을 참조하여, 전력 변환 장치(100)는, 교류 전원(1)과 부하(4)의 사이에 병렬 접속된 3대의 변환기 유닛(U1 내지 U3)을 구비한다. 전력 변환 장치(100)는, 배선(WP1, WP2, WN1, WN2, WC1, WC2)과 제어 회로(7)를 더 구비한다. 또한, 전력 변환 장치(100)는, 직류 정 모선(PL4), 직류 부 모선(NL4), 직류 중성점 모선(CL4), 쌍방향 초퍼(5) 및 직류 전원(6)과 접속됨으로써, 무정전 전원 장치를 구성한다.
제1 변환기 유닛(U1)은, R상 컨버터(2R), U상 인버터(3U), 직류 정 모선(PL1), 직류 부 모선(NL1), 직류 중성점 모선(CL1) 및 콘덴서(C1R, C2R, C1U, C2U)를 포함한다.
R상 컨버터(2R)에는, 교류 전원(1)으로부터 R상 라인(RL)을 통하여 R상 전압이 공급된다. R상 컨버터(2R)는, R상 전압(VR)을 직류 전압으로 변환하고, 직류 모선(PL1, CL1, NL1)을 통하여 U상 인버터(3U)에 그 직류 전압을 공급한다. U상 인버터(3U)는, R상 컨버터(2R)로부터의 직류 전압을 U상 전압(VU)으로 변환한다. U상 인버터(3U)에서 생성된 U상 전압(VU)은, U상 라인(UL)을 통하여 부하(4)에 공급된다. 콘덴서(C1R, C1U)는, 직류 정 모선(PL1) 및 직류 중성점 모선(CL1)의 사이에 병렬로 접속된다. 콘덴서(C2R, C2U)는, 직류 중성점 모선(CL1) 및 직류 부 모선(NL1)의 사이에 병렬로 접속된다.
제2 변환기 유닛(U2)은, S상 컨버터(2S), V상 인버터(3V), 직류 정 모선(PL2), 직류 부 모선(NL2), 직류 중성점 모선(CL2) 및 콘덴서(C1S, C2S, C1V, C2V)를 포함한다.
S상 컨버터(2S)에는, 교류 전원(1)으로부터 S상 라인(SL)을 통하여 S상 전압(VS)이 공급된다. S상 컨버터(2S)는, S상 전압(VS)을 직류 전압으로 변환하고, 직류 모선(PL2, CL2, NL2)을 통하여 V상 인버터(3V)에 그 직류 전압을 공급한다. V상 인버터(3V)는, S상 컨버터(2S)로부터의 직류 전압을 V상 전압(VV)으로 변환한다. V상 인버터(3V)에서 생성된 V상 전압(VV)은, V상 라인(VL)을 통하여 부하(4)에 공급된다. 콘덴서(C1S, C1V)는, 직류 정 모선(PL2) 및 직류 중성점 모선(CL2)의 사이에 병렬로 접속된다. 콘덴서(C2S, C2V)는, 직류 중성점 모선(CL2) 및 직류 부 모선(NL2)의 사이에 병렬로 접속된다.
제3 변환기 유닛(U3)은, T상 컨버터(2T), W상 인버터(3W), 직류 정 모선(PL3), 직류 부 모선(NL3), 직류 중성점 모선(CL3) 및 콘덴서(C1T, C2T, C1W, C2W)를 포함한다.
T상 컨버터(2T)에는, 교류 전원(1)으로부터 T상 라인(TL)을 통하여 T상 전압이 공급된다. T상 컨버터(2T)는, T상 전압(VT)을 직류 전압으로 변환하고, 직류 모선(PL3, CL3, NL3)을 통하여 W상 인버터(3W)에 그 직류 전압을 공급한다. W상 인버터(3W)는, T상 컨버터(2T)로부터의 직류 전압을 W상 전압(VW)으로 변환한다. W상 인버터(3W)에서 생성된 W상 전압(VW)은, W상 라인(WL)을 통하여 부하(4)에 공급된다. 콘덴서(C1T, C1W)는, 직류 정 모선(PL3) 및 직류 중성점 모선(CL3)의 사이에 병렬로 접속된다. 콘덴서(C2T, C2W)는, 직류 중성점 모선(CL3) 및 직류 부 모선(NL3)의 사이에 병렬로 접속된다.
이와 같이, 변환기 유닛(U1 내지 U3)의 각각은, 1대의 단상 컨버터, 1대의 단상 인버터, 3개의 직류 모선(직류 정 모선, 직류 부 모선, 직류 중성점 모선) 및 4개의 콘덴서를 포함하여 구성된다.
배선(WP1, WN1, WC1)은, 제1 변환기 유닛(U1) 및 제2 변환기 유닛(U2)의 사이에 마련된다. 구체적으로는, 배선(WP1)은, 직류 정 모선(PL1 및 PL2)의 사이에 접속된다. 배선(WN1)은, 직류 부 모선(NL1 및 NL2)의 사이에 접속된다. 배선(WC1)은, 직류 중성점 모선(CL1 및 CL2)의 사이에 접속된다.
배선(WP2, WN2, WC2)은, 제2 변환기 유닛(U2) 및 제3 변환기 유닛(U3)의 사이에 마련된다. 구체적으로는, 배선(WP2)은, 직류 정 모선(PL2 및 PL3)의 사이에 접속된다. 배선(WN2)은, 직류 부 모선(NL2 및 NL3)의 사이에 접속된다. 배선(WC2)은, 직류 중성점 모선(CL2 및 CL3)의 사이에 접속된다.
직류 정 모선(PL4), 직류 부 모선(NL4), 직류 중성점 모선(CL4)은, 제3 변환기 유닛(U3) 및 쌍방향 초퍼(5)의 사이에 마련된다. 구체적으로는, 직류 정 모선(PL4), 직류 부 모선(NL4), 직류 중성점 모선(CL4)은, 직류 정 모선(PL3), 직류 부 모선(NL3), 직류 중성점 모선(CL3), 쌍방향 초퍼(5)의 사이에 각각 접속된다.
쌍방향 초퍼(5)는, 직류 정 모선(PL4), 직류 부 모선(NL4) 및 직류 중성점 모선(CL4)과 직류 전원(6)의 사이에 접속된다. 쌍방향 초퍼(5)는, 직류 모선(PL4, NL4, CL4)과 직류 전원(6)의 사이에서 쌍방향으로 직류 전압 변환을 행하도록 구성된다.
배선(WP1, WP2)을 통하여, 직류 정 모선(PL1, PL2, PL3)이 서로 접속된다. 이에 의해, 직류 정 모선(PL1, PL2, PL3)의 전압을 일치시킬 수 있다.
또한, 배선(WN1, WN2)을 통하여, 직류 부 모선(NL1, NL2, NL3)이 서로 접속된다. 이에 의해, 직류 부 모선(NL1, NL2, NL3)의 전압을 일치시킬 수 있다.
또한, 배선(WC1, WC2)을 통하여, 직류 중성점 모선(CL1, CL2, CL3)이 서로 접속된다. 이에 의해, 직류 중성점 모선(CL1, CL2, CL3)의 전압을 일치시킬 수 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 변환기 유닛(U1 내지 U3)의 단상 인버터(3U, 3V, 3W)의 입력 전압을 일치시킬 수 있다. 따라서, 단상 인버터(3U, 3V, 3W)로부터 출력되는 상 전압의 진폭을 일치시킬 수 있다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다.
교류 전원(1)으로부터의 3상 교류 전력은, R상 라인(RL), S상 라인(SL) 및 T상 라인(TL)을 통하여 R상 컨버터(2R), S상 컨버터(2S) 및 T상 컨버터(2T)에 각각 공급된다. R상 컨버터(2R), S상 컨버터(2S) 및 T상 컨버터(2T)는 3상 컨버터를 구성한다. 3상 컨버터는, 교류 전원(1)으로부터 공급되는 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 직류 정 모선, 직류 부 모선 및 직류 중성점 모선을 통하여 U상 인버터(3U), V상 인버터(3V) 및 W상 인버터(3W)에 각각 공급한다. U상 인버터(3U), V상 인버터(3V) 및 W상 인버터(3W)는 3상 인버터를 구성한다. 3상 인버터는, 직류 정 모선, 직류 부 모선 및 직류 중성점 모선을 통하여 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다. 3상 인버터에서 생성된 3상 교류 전력은, U상 라인(UL), V상 라인(VL) 및 W상 라인(WL)을 통하여 부하(4)에 공급된다.
쌍방향 초퍼(5)는, 교류 전원(1)으로부터 3상 교류 전력이 공급되고 있는 통상 시에는, 직류 모선(PL4, CL4)간의 직류 전압 및 직류 모선(CL4, NL4)간의 직류 전압의 각각을 강압하여 직류 전원(6)에 공급함으로써, 직류 전원(6)을 충전한다. 쌍방향 초퍼(5)는, 교류 전원(1)으로부터의 3상 교류 전압의 공급이 차단된 정전 시에는, 직류 전원(6)의 단자간 전압을 승압하여 직류 모선(PL4, CL4)간 및 직류 모선(CL4, NL4)간의 각각에 공급함으로써, 직류 전원(6)을 방전시킨다.
제어 회로(7)는, 교류 전원(1)으로부터 공급되는 3상 교류 전압, 직류 모선(PL4, NL4, CL4)의 각각의 직류 전압, 직류 전원(6)의 단자간 전압, 3상 인버터(단상 인버터(3U, 3V, 3W))로부터 출력되는 3상 교류 전압, 및 부하(4)에 흐르는 3상 교류 전류(부하 전류) 등에 기초하여, 3상 컨버터(단상 컨버터(2R, 2S, 2T)), 3상 인버터(단상 인버터(3U, 3V, 3W)) 및 쌍방향 초퍼(5)의 동작을 제어한다.
도 2는, 도 1에 도시한 단상 컨버터(2R, 2S, 2T) 및 단상 인버터(3U, 3V, 3W)의 구성을 상세하게 설명하는 회로도이다.
도 2를 참조하여, R상 컨버터(2R)는, IGBT 소자(Q1R 내지 Q4R) 및 다이오드(D1R 내지 D4R)를 포함한다. S상 컨버터(2S)는, IGBT 소자(Q1S 내지 Q4S) 및 다이오드(D1S 내지 D4S)를 포함한다. T상 컨버터(2T)는, IGBT 소자(Q1T 내지 Q4T) 및 다이오드(D1T 내지 D4T)를 포함한다. U상 인버터(3U)는, IGBT 소자(Q1U 내지 Q4U) 및 다이오드(D1U 내지 D4U)를 포함한다. V상 인버터(3V)는, IGBT 소자(Q1V 내지 Q4V) 및 다이오드(D1V 내지 D4V)를 포함한다. W상 인버터(3W)는, IGBT 소자(Q1W 내지 Q4W) 및 다이오드(D1W 내지 D4W)를 포함한다.
여기서, 단상 컨버터(2R, 2S, 2T) 및 단상 인버터(3U, 3V, 3W)의 구성을 총괄적으로 설명하기 위해, 부호 R, S, T, U, V, W를 통합하여 부호 「x」로 나타낸다. 또한, 직류 정 모선(PL1, PL2, PL3)을 통합하여 「PLi」로 나타내고, 직류 부 모선(NL1, NL2, NL3)을 통합하여 「NLi」로 나타내고, 직류 중성점 모선(CL1, CL2, CL3)을 통합하여 「CLi」로 나타낸다.
IGBT 소자(Q1x)의 이미터는 x상 라인(xL)에 접속되고, 그 콜렉터는 직류 정 모선(PLi)에 접속된다. IGBT 소자(Q2x)의 콜렉터는 x상 라인(xL)에 접속되고, 그 이미터는 직류 부 모선(NLi)에 접속된다. IGBT 소자(Q3x)의 이미터는 x상 라인(xL)에 접속되고, 그 콜렉터는 IGBT 소자(Q4x)의 콜렉터에 접속된다. IGBT 소자(Q4x)의 이미터는 직류 중성점 모선(CLi)에 접속된다. 다이오드(D1x, D2x)는 환류 다이오드로서 기능하고, 다이오드(D3x, D4x)는 클램프 다이오드로서 기능한다. IGBT 소자(Q3x, Q4x) 및 다이오드(D3x, D4x)는 교류 스위치를 구성한다.
이어서, 단상 컨버터(2R, 2S, 2T) 및 단상 인버터(3U, 3V, 3W)의 동작에 대하여 설명한다. 도 3은, R상 전압(VR)과 IGBT 소자(Q1R 내지 Q4R)의 온/오프의 관계를 도시하는 파형도이다. R상 전압(VR)과 참조 신호(φ1R, φ2R)의 고저가 비교되고, 그 비교 결과에 기초하여 IGBT 소자(Q1R 내지 Q4R)의 온/오프의 조합이 결정된다.
참조 신호(φ1R, φ2R)는 R상 전압(VR)의 5배의 주파수를 갖고, R상 전압(VR)에 동기한 삼각파 신호이다. 참조 신호(φ2R)는 참조 신호(φ1R)와 동상의 삼각파 신호이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, R상 전압(VR)의 레벨이 참조 신호(φ1R, φ2R)의 레벨의 사이에 있는 기간(t1, t3, t5, t7, t9, t11, t13)은, IGBT 소자(Q3R, Q4R)가 온되고, IGBT 소자(Q1R, Q2R)가 오프된다. R상 전압(VR)의 레벨이 참조 신호(φ1R, φ2R)의 레벨보다 높은 기간(t2, t4, t10, t12)은, IGBT 소자(Q1R, Q3R)가 온되고, IGBT 소자(Q2R, Q4R)가 오프된다. R상 전압(VR)의 레벨이 참조 신호(φ1R, φ2R)의 레벨보다 낮은 기간(t6, t8)에는, IGBT 소자(Q2R, Q4R)가 온되고, IGBT 소자(Q1R, Q3R)가 오프된다. 또한, 다른 상(S, T, U, V, W)의 회로도, R상의 회로와 마찬가지로 동작한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하여, 전력 변환 장치(100)는 퓨즈(FP1, FP2, FN1, FN2, FC1, FC2)를 더 구비한다.
퓨즈(FP1)는 배선(WP1)에 개삽되고, 배선(WP1)에 과전류가 흐른 경우에 용단된다. 퓨즈(FN1)는 배선(WN1)에 개삽되고, 배선(WN1)에 과전류가 흐른 경우에 용단된다. 퓨즈(FC1)는 배선(WC1)에 개삽되고, 배선(WC1)에 과전류가 흐른 경우에 용단된다.
퓨즈(FP2)는 배선(WP2)에 개삽되고, 배선(WP2)에 과전류가 흐른 경우에 용단된다. 퓨즈(FN2)는 배선(WN2)에 개삽되고, 배선(WN2)에 과전류가 흐른 경우에 용단된다. 퓨즈(FC2)는 배선(WC2)에 개삽되고, 배선(WC2)에 과전류가 흐른 경우에 용단된다.
이하, 퓨즈(FP1, FP2, FN1, FN2, FC1, FC2)의 작용에 대하여 설명한다.
도 4는, IGBT 소자(Q1R, Q3S)가 온되어 있는 기간에 있어서, IGBT 소자(Q4R)가 고장나서 단락 상태로 된 경우를 도시하는 도면이다. 이 경우에는, 도면 중에 파선 화살표로 나타난 바와 같이, R상 라인(RL)으로부터 다이오드(D3R), IGBT 소자(Q4R), 배선(WC1), 다이오드(D4S), IGBT 소자(Q3S)를 통하여 S상 라인(SL)에 이르는 경로에서 단락 전류가 흘러, 퓨즈(FC1)가 용단된다. 또한, 도면 중에 실선 화살표로 나타난 바와 같이, 콘덴서(C1S)의 플러스측 전극으로부터 배선(WP1), IGBT 소자(Q1R), 다이오드(D3R), IGBT 소자(Q4R), 배선(WC1)을 통하여 콘덴서(C1S)의 마이너스측 전극에 이르는 경로에서 단락 전류가 흘러, 퓨즈(FP1, FC1)가 용단된다.
도 5는, IGBT 소자(Q2R, Q4S)가 온되어 있는 기간에 있어서, IGBT 소자(Q3R)가 고장나서 단락 상태로 된 경우를 도시하는 도면이다. 이 경우에는, 도면 중에 파선 화살표로 나타나는 바와 같이, S상 라인(SL)으로부터 다이오드(D3S), IGBT 소자(Q4S), 배선(WC1), 다이오드(D4R) 및 IGBT 소자(Q3R)를 통하여 R상 라인(RL)에 이르는 경로에서 단락 전류가 흘러, 퓨즈(FC1)가 용단된다. 또한, 실선 화살표로 나타나는 바와 같이, 콘덴서(C2S)의 플러스측 전극으로부터 배선(WC1), 다이오드(D4R), IGBT 소자(Q3R), IGBT 소자(Q2R), 배선(WN1)을 통하여 콘덴서(C2S)의 마이너스측 전극에 이르는 경로에서 단락 전류가 흘러, 퓨즈(FC1, FN1)가 용단된다.
도 6은, IGBT 소자(Q3R, Q4R)가 고장나서 단락 상태로 된 경우를 도시하는 도면이다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 퓨즈(FP1, FC1, FN1)가 용단되기 때문에, R상과 S상은 완전히 분리된다. 이에 의해, 과전류가 흐르거나, 과전압이 발생하는 일이 방지된다. 또한, 도 4 내지 도 6에서는, R상 및 S상을 예로 들어 설명하였지만, 다른 상(T상, U상, V상, W상)에서도 마찬가지이다.
[본 실시 형태의 작용 효과]
이어서, 비교예에 따른 전력 변환 장치와 대비하면서, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치의 작용 효과에 대하여 설명한다.
도 7은, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)의 구성을 설명하는 회로도이다. 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)는, 상술한 특허문헌 1에 개시되는 전력 변환 장치에 상당한다. 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)는, 기본적으로 도 1에 도시한 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)와 컨버터 및 인버터로 구성되는 기본 구조는 동일하지만, 변환기 유닛의 구성이 상이하다.
도 7을 참조하여, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)는, 교류 전원(1) 및 부하(4)(모두 도시하지 않음)의 사이에 접속된 1대의 변환기 유닛(U)을 구비한다. 변환기 유닛(U)은, 3상 컨버터(2), 3상 인버터(3), 직류 정 모선(PL), 직류 부 모선(NL) 및 직류 중성점 모선(CL)을 포함한다.
3상 컨버터(2)는, 직류 정 모선(PL) 및 직류 부 모선(NL)의 사이에, 도 1 및 도 2에 도시한 R상 컨버터(2R), S상 컨버터(2S) 및 T상 컨버터(2T)를 병렬로 접속함으로써 구성된다. 이 구성에 있어서, 각 상 컨버터의 직류 중성점 모선은 직류 중성점 모선(CL)에 공통으로 접속되어 있다.
3상 인버터(3)는, 직류 정 모선(PL) 및 직류 부 모선(NL)의 사이에, 도 1 및 도 2에 도시한 U상 인버터(3U), V상 인버터(3V) 및 W상 인버터(3W)를 병렬로 접속함으로써 구성된다. 이 구성에 있어서, 각 상 인버터의 직류 중성점 모선은 직류 중성점 모선(CL)에 공통으로 접속된다. 또한, 3상 컨버터(2) 및 3상 인버터(3)의 동작은, 도 3에서 설명한, 단상 컨버터(2R, 2S, 2T) 및 단상 인버터(3U, 3V, 3W)의 동작과 실질적으로 동일하다.
비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)는, 퓨즈(F1R 내지 F3R, F1S 내지 F3S, F1T 내지 F3T, F1U 내지 F3U, F1V 내지 F3V, F1W 내지 F3W)를 더 구비한다. 이들 퓨즈의 구성을 총괄적으로 설명하기 위해, 부호 R, S, T, U, V, W를 통합하여 부호 「x」로 나타낸다.
퓨즈(F1x)는, IGBT 소자(Q1x)의 콜렉터와 직류 정 모선(PL)의 사이에 접속된다. 퓨즈(F2x)는, IGBT 소자(Q2x)의 이미터와 직류 부 모선(NL)의 사이에 접속된다. 퓨즈(F3x)는, IGBT 소자(Q4x)의 이미터와 직류 중성점 모선(CLx)의 사이에 접속된다.
특허문헌 1에 개시되는 바와 같이, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에 있어서, 예를 들어 IGBT 소자(Q1R, Q3S)가 온되어 있는 기간에 있어서, IGBT 소자(Q4R)가 고장나서 단락 상태로 된 경우에는, R상 라인(RL)으로부터 다이오드(D3R), IGBT 소자(Q4R), 퓨즈(F3R, F3S), 다이오드(D4S) 및 IGBT 소자(Q3S)를 통하여 S상 라인(SL)에 이르는 경로에서 단락 전류가 흘러, 퓨즈(F3R, F3S)가 용단된다. 또한, 콘덴서(C1S)의 플러스측 전극으로부터 퓨즈(F1S, F1R), IGBT 소자(Q1R), 다이오드(D3R), IGBT 소자(Q4R) 및 퓨즈(F3R, F3S)를 통하여 콘덴서(C1S)의 마이너스측 전극에 이르는 경로에서 단락 전류가 흘러, 퓨즈(F1S, F1R, F3R, F3S)가 용단된다.
이와 같이, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에 있어서도, IGBT 소자가 고장나서 단락 상태로 된 경우에는, 퓨즈가 용단됨으로써, 고장난 상과 정상의 상이 분리되기 때문에, 과전류가 흐르거나, 과전압이 발생하는 일이 방지된다.
그러나, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에서는, 각 퓨즈는, 3상 컨버터(2) 및 3상 인버터(3)가 동작하고 있을 때의 전류 경로에 개삽되어 있다. 그 때문에, 3상 컨버터(2) 및 3상 인버터(3)가 정상적으로 동작하고 있을 때 퓨즈가 용단되는 일이 없도록, 상기 전류 경로를 흐르는 전류의 최댓값보다 높은 정격 전류값을 갖는 퓨즈를 사용할 필요가 있다. 또한, 본원 명세서에 있어서, 퓨즈의 정격 전류값은, 정상적으로 퓨즈에 흐른 경우에 용단되지 않는 전류값을 말한다.
비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에서는, 9개의 퓨즈 모두에 대하여, 정격 전류값이 높은 퓨즈를 사용하지 않으면 안되게 된다. 정격 전류값이 높은 퓨즈를 사용한 경우, 정격 전류값을 초과하는 과전류가 흐를 때까지는 퓨즈가 용단되지 않기 때문에, 고장이 발생하고 나서 퓨즈가 용단될 때까지, 상기 전류 경로에 과전류가 흘러 버린다고 하는 문제가 있다. 그 결과, 퓨즈가 용단될 때까지의 시간에 발생한 과전류 또는 과전압에 의해, 다른 건전한 IGBT 소자에 대하여 피해를 초래할 가능성이 있다.
또한, 정격 전류값이 높은 퓨즈를 복수개 사용하기 때문에, 변환기 유닛(U)의 대형화 및 고비용화를 초래할 가능성이 있다.
또한, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에 있어서는, IGBT 소자와 퓨즈가 전기적으로 직렬로 접속되어 있기 때문에, IGBT 소자의 스위칭 동작 시에, 퓨즈가 갖는 리액터 성분에 기인하여 높은 서지 전압이 IGBT 소자에 인가되어 버릴 가능성이 있다. 그 때문에, 서지 전압에 의한 고장을 피하기 위한 대책이 필요하게 된다.
또한, 3상 컨버터(2) 및 3상 인버터(3)가 동작하고 있을 때의 전류 경로에 각 퓨즈가 개삽되어 있음으로써, 각 퓨즈에 의한 저항 성분에 의해 전력 손실이 발생하고, 결과적으로 전력 변환 장치(1000)의 효율이 저하된다고 하는 문제가 있다.
이에 비해, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)에서는, 변환기 유닛(U1 내지 U3)의 각각에 있어서 단상 컨버터 및 단상 인버터가 정상적으로 동작하고 있는 경우, 변환기 유닛(U1 내지 U3)의 사이에서 직류 정 모선(PL1, PL2, PL3)의 전압이 일치한다. 마찬가지로, 직류 부 모선(NL1, NL2, NL3)의 전압이 일치하며, 또한 직류 중성점 모선(CL1, CL2, CL3)의 전압이 일치한다. 또한, 단상 컨버터 및 단상 인버터의 동작의 약간의 흔들림에 의해, 직류 정 모선(PL1, PL2, PL3)의 전압이 약간 상이한 경우에도, 배선(WP1, WP2)에 약간의 전류(퓨즈의 정격 전류값을 초과하지 않을 정도의 작은 전류)가 흐름으로써, 직류 정 모선(PL1, PL2, PL3)의 전압은 일치한다. 직류 부 모선(NL1, NL2, NL3) 및 직류 중성점 모선(CL1, CL2, CL3)에 있어서도 마찬가지이다.
한편, 변환기 유닛(U1 내지 U3)의 어느 것에 있어서 IGBT 소자가 고장나서 단락 상태로 된 경우에만, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 배선(WP1, WP2, WN1, WN2, WC1, WC2)에 퓨즈의 정격 전류값을 초과하는 전류가 흐른다. 이 경우에 퓨즈가 용단됨으로써, 과전류 및 과전압의 발생이 회피된다.
즉, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)에 있어서는, 퓨즈에 대하여, 정상 동작 시에 흐르는 전류를 고려할 필요가 없고, 고장 발생에 의해 배선에 전류가 흘렀을 때 확실하게 용단되는 구성으로 하면 된다. 따라서, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에 사용되는 퓨즈에 비하여, 보다 낮은 정격 전류값을 갖는 퓨즈를 사용할 수 있다.
이에 의해, 고장이 발생하고 나서 정상 시에 컨버터 또는 인버터 등을 흐르는 전류보다 큰 전류가 흐르기 전에, 퓨즈가 용단되기 때문에, 과전류 및 과전압으로부터 전력 변환 장치(100)를 보호할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)에 따르면, 비교예에 따른 전력 변환 장치(1000)에 비하여 퓨즈의 개수를 줄일 수 있다. 본 실시 형태에 따르면, 퓨즈의 개수를 반감시킬 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)에 따르면, 전력 변환 장치의 소형화 및 저비용화를 실현할 수 있다.
또한, 변환기 유닛(U1 내지 U3)의 각각이 정상적으로 동작하고 있는 경우에는 퓨즈에 전류가 흐르지 않기 때문에, 퓨즈에 의한 전력 손실을 없앨 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 전력 변환 장치(100)에 따르면, 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 단상 컨버터(2R, 2S, 2T)를 3 레벨 컨버터로 하며, 또한 단상 인버터(3U, 3V, 3W)를 3 레벨 인버터로 하였지만, 단상 컨버터를 2 레벨 컨버터로 하며, 또한 단상 인버터를 2 레벨 인버터로 해도 된다. 도 8은, 실시 형태의 변형예에 따른 전력 변환 장치(100A)의 구성을 설명하는 회로도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 각 변환기 유닛은, 2개의 직류 모선(직류 정 모선 및 직류 부 모선)과, 해당 2개의 직류 모선의 사이에 병렬로 접속되는 2개의 콘덴서를 포함하여 구성된다. 본 변형예에서도, 단상 컨버터 및 단상 인버터 중 어느 것에 있어서 IGBT 소자가 고장나서 단락 상태로 된 경우에는, 퓨즈가 용단되기 때문에, 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시 형태 및 그의 변형예에 있어서, 「제1 내지 제3 전력 변환기」에 각각 대응한다. R상 컨버터, S상 컨버터, T상 컨버터는 본 발명에 있어서의 「제1상 컨버터」, 「제2상 컨버터」, 「제3상 컨버터」에 각각 대응하고, U상 인버터, V상 인버터, W상 인버터는 본 발명에 있어서의 「제4상 인버터」, 「제5상 인버터」, 「제6상 인버터」에 각각 대응한다. 직류 정 모선(PL1 내지 PL4)은 본 발명에 있어서의 「제1 내지 제4 직류 정 모선」에 각각 대응하고, 직류 부 모선(NL1 내지 NL4)은 본 발명에 있어서의 「제1 내지 제4 직류 부 모선」에 각각 대응하고, 직류 중성점 모선(CL1 내지 CL4)은 본 발명에 있어서의 「제1 내지 제4 직류 중성점 모선」에 각각 대응한다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
2: 컨버터
2R: R상 컨버터
2S: S상 컨버터
2T: T상 컨버터
3: 인버터
3U: U상 인버터
3V: V상 인버터
3W: W상 인버터
5: 쌍방향 초퍼
6: 직류 전원
Q1R 내지 Q4R, Q1S 내지 Q4S, Q1T 내지 Q4T, Q1U 내지 Q4U, Q1V 내지 Q4V, Q1W 내지 Q4W: IGBT 소자
D1R 내지 D4R, D1S 내지 D4S, D1T 내지 D4T, D1U 내지 D4U, D1V 내지 D4V, D1W 내지 D4W: 다이오드
100, 1000: 전력 변환 장치
PL, PL1 내지 PL4: 직류 정 모선
NL, NL1 내지 NL4: 직류 부 모선
CL, CL1 내지 CL4: 직류 중성점 모선
C1R, C1S, C1T, C2R, C2S, C2T, C3R, C3S, C3T, C1U, C1V, C1W, C2U, C2V, C2W, C3U, C3V, C3W: 콘덴서
FP1, FP2, FN1, FN2, FC1, FC2: 퓨즈
WP1, WP2, WN1, WN2, WC1, WC2: 배선

Claims (4)

  1. 교류 전원으로부터 공급되는 제1 내지 제3상의 교류 전압을 제4 내지 제6상의 교류 전압으로 변환하여 부하에 공급하기 위한 전력 변환 장치이며,
    상기 제1상의 교류 전압을 상기 제4상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된 제1 전력 변환기와,
    상기 제2상의 교류 전압을 상기 제5상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된 제2 전력 변환기와,
    상기 제3상의 교류 전압을 상기 제6상의 교류 전압으로 변환하도록 구성된 제3 전력 변환기를 구비하고,
    상기 제1 전력 변환기는,
    상기 제1상의 교류 전압을 제1 직류 전압으로 변환하는 제1상 컨버터와,
    상기 제1상 컨버터로부터 공급되는 상기 제1 직류 전압을 상기 제4상의 교류 전압으로 변환하는 제4상 인버터와,
    상기 제1상 컨버터와 상기 제4상 인버터의 사이에 접속되는 제1 직류 정 모선 및 제1 직류 부 모선을 포함하고,
    상기 제2 전력 변환기는,
    상기 제2상의 교류 전압을 제2 직류 전압으로 변환하는 제2상 컨버터와,
    상기 제2상 컨버터로부터 공급되는 상기 제2 직류 전압을 상기 제5상의 교류 전압으로 변환하는 제5상 인버터와,
    상기 제2상 컨버터와 상기 제5상 인버터의 사이에 접속되는 제2 직류 정 모선 및 제2 직류 부 모선을 포함하고,
    상기 제3 전력 변환기는,
    상기 제3상의 교류 전압을 제3 직류 전압으로 변환하는 제3상 컨버터와,
    상기 제3상 컨버터로부터 공급되는 상기 제3 직류 전압을 상기 제6상의 교류 전압으로 변환하는 제6상 인버터와,
    상기 제3상 컨버터와 상기 제6상 인버터의 사이에 접속되는 제3 직류 정 모선 및 제3 직류 부 모선을 포함하고,
    상기 전력 변환 장치는, 또한
    상기 제1 및 제2 직류 정 모선의 사이, 그리고 상기 제2 및 제3 직류 정 모선의 사이에 각각 접속되는 제1 및 제2 퓨즈와,
    상기 제1 및 제2 직류 부 모선의 사이, 그리고 상기 제2 및 제3 직류 부 모선의 사이에 각각 접속되는 제3 및 제4 퓨즈를 구비하는, 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는, 또한
    상기 제3 직류 정 모선이 접속되는 제4 직류 정 모선과,
    상기 제3 직류 부 모선이 접속되는 제4 직류 부 모선을 구비하고,
    상기 제4 직류 정 모선 및 상기 제4 직류 부 모선과 직류 전원의 사이에 마련되고, 상기 제4 직류 정 모선 및 상기 제4 직류 부 모선과 상기 직류 전원의 사이에서 쌍방향으로 직류 전압 변환을 행하도록 구성되는 직류 전압 변환기를 더 구비하는, 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1상 내지 제3상 컨버터의 각각은 3 레벨 컨버터이고,
    상기 제4상 내지 제6상 인버터의 각각은 3 레벨 인버터이고,
    상기 제1 전력 변환기는, 상기 제1상 컨버터와 상기 제4상 인버터의 사이에 접속되는 제1 직류 중성점 모선을 더 포함하고,
    상기 제2 전력 변환기는, 상기 제2상 컨버터와 상기 제5상 인버터의 사이에 접속되는 제2 직류 중성점 모선을 더 포함하고,
    상기 제3 전력 변환기는, 상기 제3상 컨버터와 상기 제6상 인버터의 사이에 접속되는 제3 직류 중성점 모선을 더 포함하고,
    상기 전력 변환 장치는, 또한
    상기 제1 및 제2 직류 중성점 모선의 사이, 그리고 상기 제2 및 제3 직류 중성점 모선의 사이에 각각 접속되는 제5 및 제6 퓨즈를 구비하는, 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는, 또한
    상기 제3 직류 정 모선에 접속되는 제4 직류 정 모선과,
    상기 제3 직류 부 모선에 접속되는 제4 직류 부 모선과,
    상기 제3 직류 중성점 모선에 접속되는 제4 직류 중성점 모선을 구비하고,
    상기 제4 직류 정 모선, 상기 제4 직류 부 모선 및 상기 제4 직류 중성점 모선과 직류 전원의 사이에 마련되고, 상기 제4 직류 정 모선, 상기 제4 직류 부 모선 및 상기 제4 직류 중성점 모선과 상기 직류 전원의 사이에서 쌍방향으로 직류 전압 변환을 행하도록 구성되는 직류 전압 변환기를 더 구비하는, 전력 변환 장치.
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