KR102407084B1 - 플라잉 커패시터 컨버터의 플라잉 커패시터 초기 충전을 위한 fc 회로 및 이를 구비한 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터 - Google Patents

플라잉 커패시터 컨버터의 플라잉 커패시터 초기 충전을 위한 fc 회로 및 이를 구비한 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서, 플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부; 상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및 상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 포함하여, 플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 스위치부의 동작으로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키는 것을 특징으로 한다.

Description

플라잉 커패시터 컨버터의 플라잉 커패시터 초기 충전을 위한 FC 회로 및 이를 구비한 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터{FC circuit for initial precharging flying capacitors of flying capacitor converter and precharging-type 3-level flying capacitor converter with the FC circuit}
본 발명은 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 플라잉 커패시터 초기 충전을 위한 FC 회로 및 FC 회로를 구비한 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터에 관한 것이다.
직류 입력전압에 대하여 교류측 출력 상전압(phase voltage)이 3-레벨의 파형을 나타내는 3-레벨 컨버터는 기존의 2-레벨 컨버터로는 구현이 어려운 고전압 대용량의 전력변환 응용에 적합하다. 3-레벨 컨버터의 대표적인 회로 방식은 NPC(Neutral Point Clamped) 방식, 플라잉 커패시터(FC: Flying Capacitor) 방식, 캐스케이드(Cascade) 방식 등이 있다. 이 가운데 플라잉 커패시터 방식의 3-레벨 컨버터는 NPC 방식과 비교할 때 사용되는 전력반도체 소자의 개수가 적은 장점이 있다. 또한, 다수의 절연된 직류전원이 요구되는 캐스케이드 방식과 비교할 때 단일 직류 전원으로 동작하는 등의 장점이 있다.
도 1은 종래의 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 3상 구성을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터는 직류측 입력전압 Vdc로부터 3상의 교류 출력전압 vA, vB, vC를 부하에 공급하는 기능을 한다. 도 1에서, Cx, Cy, Cz는 플라잉 커패시터이며 정상적인 동작이 이루어질 때 각 플라잉 커패시터는 Vdc/2의 전압으로 충전상태를 유지한다. 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터가 고전압 대용량의 전력변환에 적합한 이유는 인가된 입력전압이 Vdc일 때 각 IGBT 전력반도체 소자와 다이오드는 Vdc/2인 전압정격인 소자가 사용되기 때문이다.
도 2는 도 1의 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 한 상을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 한 상은 4개의 전력반도체 스위치 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)로 구성된다. 도 2에서 정상상태 동작을 가정하여 Cx 양단의 전압은 Vdc/2이며, X점, A점, Y점의 전위 vX, vA, vY는 N점을 기준전위로 나타낸다. 이 때, 4개의 전력반도체 스위치 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)는 독립적으로 동작하는 것이 아니라 회로구성의 특성상 Q1과 Q4의 게이팅 신호와, Q2와 Q3의 게이팅 신호가 각각 서로 상보적으로 스위칭 동작 된다. 예를 들어, 2개의 독립적인 게이팅 신호가 Q1, Q2에 인가되면 Q3=Q2, Q4=Q1로 정해진다. 2개의 독립적인 게이팅 신호에 의해서 정해지는 스위칭 상태는 4가지가 된다.
도 3은 도 2의 플라잉 커패시터 컨버터의 4가지 스위칭 상태를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 원으로 둘러싸인 IGBT 소자는 턴온 게이팅 신호가 인가된 상태임을 나타내고, 굵은 선으로 표시된 도선은 전류가 흐르는 경로를 나타낸다. 도 3을 참조하여 각각의 스위칭 상태를 설명하면 다음과 같다.
도 3의 (a)인 S1 스위칭 상태는, Q1과 Q2를 온(On)하고 Q3와 Q4를 오프(Off)한 상태이며, 이 경우 A점은 P점에 직접 접속된다. Q1과 Q2가 턴온되어 있으므로, vX=vA=Vdc이고, Y점의 전위는 vX보다 Cx양단의 전압인 Vdc/2만큼 낮으므로, vY=vX-Vdc/2=Vdc/2이다. 따라서, 턴오프된 Q3와 Q4양단의 전압 스트레스는 각각 vQ3=vA-vY=Vdc/2, vQ4=vY=Vdc/2가 된다.
도 3의 (b)인 S2 스위칭 상태는, Q1과 Q3을 온(On)하고 Q2와 Q4를 오프(Off)한 상태이며, 이 경우 P점-Q1-Cx-Q3-A점의 경로가 형성된다. X점의 전위는 Q1이 턴온되어 있으므로 vX=Vdc이고, Y점의 전위는 X점의 전위보다 Cx양단의 전압인 Vdc/2 만큼 낮으므로, vY=vX-Vdc/2=Vdc/2이다. 또한, Q3가 턴온되어 있으므로, vA=vY=Vdc/2가 된다. 따라서, 턴오프된 Q2와 Q4의 전압 스트레스는 각각 vQ2=vX-vA=Vdc/2, vQ4=vY=Vdc/2가 된다.
도 3의 (c)인 S3 스위칭 상태는, Q2와 Q4를 온(ON)하고 Q1과 Q3을 오프(OFF)한 상태이며, 이 경우 N점-Q4-Cx-Q2-A점의 경로가 형성된다. Y점의 전위는 Q4가 턴온되어 있으므로 vY=0이고, X점의 전위는 Y점의 전위보다 Cx양단의 전압인 Vdc/2만큼 높으므로, vX=vY+Vdc/2=Vdc/2이다. 또한, Q2가 턴온되어 있으므로, vA=vX=Vdc/2가 된다. 따라서, 턴오프된 Q1과 Q3의 전압 스트레스는 각각 vQ1=Vdc-vX=Vdc/2, vQ3=vA-vY=Vdc/2가 된다.
도 3의 (d)인 S4 스위칭 상태는, Q3과 Q4를 온(On)하고 Q1과 Q2를 오프(Off)한 상태이며, 이 경우 A점은 N점에 직접 접속된다. Q3와 Q4가 턴온되어 있으므로, vY=vA=0이고, X점의 전위는 vY보다 Cx양단의 전압인 Vdc/2만큼 높으므로, vX=vY+Vdc/2=Vdc/2이다. 따라서, 턴오프된 Q1과 Q2양단의 전압 스트레스는 각각 vQ1=Vdc-vX=Vdc/2, vQ2=vX-vA=Vdc/2가 된다.
[표 1]
Figure 112020059582476-pat00001
[표 1]은 도 3에서 보인 스위칭 상태를 정리한 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 스위칭 테이블을 나타낸다. 3-레벨 플라잉 컨버터의 특징을 정리하면 다음과 같다.
[표 1]을 참조하면, 첫째로 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 출력전압 vA는 Vdc, Vdc/2, 0의 3가지 전압상태를 가질 수 있으므로 3-레벨 파형을 구현한다. 둘째로, S1~S4의 스위칭 상태에서 오프상태인 모든 IGBT에는 입력전압 Vdc의 절반인 Vdc/2만큼의 전압이 인가된다. 따라서, DC-링크 전압 Vdc보다 훨씬 낮은 전압정격의 전력반도체 소자를 사용하여 구현할 수 있다는 장점이 있다. 셋째로, 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터는 Vdc/2의 출력전압을 발생하는 스위칭 상태가 두가지 있다. 도 3에서 만일 교류측 전류 iA>0라면 플라잉 커패시터가 S2상태에서는 충전되고, S3상태에서는 방전되므로 동일한 출력전압을 발생하는 S2와 S2 스위칭 상태를 선택적으로 사용함으로써 플라잉 커패시터의 전압을 Vdc/2가 되도록 제어할 수 있다.
그러나, 전술한 플라잉 커패시터 컨버터는 초기 충전의 문제가 있다. 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 기본 동작에서도 살펴보았듯이 플라잉 커패시터 컨버터가 3-레벨의 출력전압 파형을 구현하고 정상적으로 동작하기 위해서는 플라잉 커패시터가 Vdc/2의 전압으로 충전상태가 되어 있어야 한다. 그러나 플라잉 커패시터 컨버터의 초기 기동할 때 플라잉 커패시터의 전압은 제로(0)에서 출발한다. 플라잉 커패시터 전압이 제로거나 Vdc/2보다 훨씬 낮은 전압 상태이면 오프 상태의 바깥쪽 전력반도체 스위치 소자에는 과전압이 인가되어 파손될 가능성이 있으므로 컨버터를 초기 기동하기 전에 플라잉 커패시터를 Vdc/2만큼 충전하는 초기 충전과정이 반드시 요구된다.
도 4는 도 3의 각각의 스위칭 케이스에서 플라잉 커패시터에 초기 충전이 없는 경우의 컨버터 회로의 상태를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 플라잉 커패시터가 충전되지 않은 상태에서 동작시키는 경우 오프(Off)된 스위치에 인가되는 전압을 각 스위칭 상태에 따라 확인할 수 있다. 초기 충전 상태가 제로인 플라잉 커패시터는 양단의 전압이 0V이므로 X점과 Y점이 단락된 것으로 볼 수 있다. 즉 vY=vX가 된다. 각 스위칭 상태별로 오프(Off)된 스위치에 인가되는 전압을 설명하면 다음과 같다.
도 4의 (a)인 S1 스위칭 상태는, Q1과 Q2가 턴온되어 vx=Vdc, vA=Vdc이고, vY=vX=Vdc이므로, vQ3=vA-vY=0, vQ4=vY=Vdc가 된다. 따라서, Q4에 Vdc만큼의 과전압이 인가되어 Q4가 파손될 가능성이 있다.
도 4의 (b)인 S2 스위칭 상태는, Q1이 턴온되어 vx=Vdc이고, vY=vX=Vdc이다. 또한, Q3가 턴온되어 vA=vY=Vdc이므로 vQ2=vX-vA=Vdc-Vdc=0, vQ4=vY=Vdc가 된다. 따라서, Q4에 Vdc만큼의 과전압이 인가되어 Q4가 파손될 가능성이 있다.
도 4의 (c)인 S3 스위칭 상태는, Q4가 턴온되어 vY=0이고, vX=vY=0이다. 또한, Q2가 턴온되어 vA=vX=0이므로, vQ1=Vdc-vX=Vdc-0=Vdc, vQ3=vA-vY=0이 된다. 따라서, Q1에 Vdc만큼의 과전압이 인가되어 Q1이 파손될 가능성이 있다.
도 4의 (d)인 S4 스위칭 상태는, Q3와 Q4가 턴온되어 vY=0, vA=0이고, vX=vY=0이므로, vQ1=Vdc-vX=Vdc, vQ2=vX-vA=0이 된다. 따라서, Q1에 Vdc만큼의 과전압이 인가되어 Q1이 파손될 가능성이 있다.
3-레벨의 플라잉 커패시터 컨버터를 정상 동작시키기 위하여 처음 기동할 때 플라잉 커패시터를 어떻게 적정한 수준의 전압으로 초기 충전하는가의 문제는 3-레벨 플라잉 커패시터 응용에 있어서 주요한 단점 가운데 하나로 지적된다. 만일 초기 동작에서 발생하는 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 일부 전력반도체 스위치의 과전압에 대응하기 위하여 Vdc만큼 큰 전압정격의 전력반도체 소자를 사용한다면 낮은 전압정격의 전력반도체 소자를 사용할 수 있다는 플라잉 커패시터 컨버터의 중요한 장점을 하나 포기하는 결과가 되기 때문이다.
이에 본 출원인은 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 초기 기동 과정에서 동작하는 플라잉 커패시터를 안정적으로 충전하는 초기 충전 회로를 고안하게 되었다.
한국등록특허 제10-0706821호
본 발명은 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 초기 기동 과정에서 동작하는 플라잉 커패시터를 안정적으로 충전하는 초기 충전 회로를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 상(phase)이 확장될지라도 충전 회로의 확장이 용이한 회로 구조의 충전 회로를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서, 플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부; 상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및 상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 포함하여, 플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 스위치부의 동작으로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 충전 저항부는, 상기 플라잉 커패시터와 병렬로 결선되는 Rx 저항과, 상기 스위치부의 스위치와 직렬로 결선되는 Rs 저항을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 충전 저항부는, 상기 플라잉 커패시터와 병렬로 결선되는 Rx 저항을 포함하고, 상기 Rx 저항에 형성되는 전압은 입력 전압(Vdc)의 절반이 되도록 소자값이 설정되어 상기 플라잉 커패시터에 Vdc/2가 충전될 수 있다.
바람직하게, 상기 충전 저항부는, 상기 플라잉 커패시터와 병렬로 결선되는 Rx 저항과, 상기 스위치부의 스위치와 직렬로 결선되는 Rs 저항을 포함하고, 상기 Rs 저항의 값은 상기 Rx 저항의 값과 같도록 설계될 수 있다.
바람직하게, 상기 스위치부는, 상기 입력단의 일단에 결선되는 제1 스위치(Ss1)와, 상기 입력단의 타단에 결선되는 제2 스위치(Ss2)를 포함하고, 상기 제1 스위치(Ss1)와 상기 제2 스위치(Ss2)는, 상기 플라잉 커패시터의 충전시 동시에 스위치 온(ON)의 제어가 수행되고, 상기 플라잉 커패시터의 충전완료시 동시에 스위치 오프(OFF)의 제어가 수행될 수 있다.
바람직하게, 상기 스위치부는, 플라잉 커패시터 컨터버에 구성된 전력반도체 스위치 소자가 모두 오프(OFF) 된 상태에서 동작될 수 있다.
바람직하게, 상기 다이오드부는, 상기 플라잉 커패시터의 제1 극성 단자로 커패시터 입력 전류를 도통시키는 제1 다이오드(D1); 상기 플라잉 커패시터의 제2 극성 단자에서 커패시터 출력 전류를 도통시키는 제2 다이오드(D2); 및 상기 충전 저항부에 마련된 Rx 저항과 직렬로 결선된 제3 다이오드(D3)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 N상(N은 자연수)의 3-레벨 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서, N개의 상기 플라잉 커패시터와 병렬로 결선되어 공유된 분배 저항값을 형성하는 충전 저항으로, 입력 전압(Vdc)을 분배하는 Rx 저항; 상기 Rx 저항의 일단에 결선되는 제1 스위치(Ss1); 상기 Rx 저항의 타단에 결선되는 제2 스위치(Ss2); N개의 상기 플라잉 커패시터의 제1 극성 단자로 커패시터 입력 전류를 도통시키는 N개의 제1 다이오드(D1); 및 N개의 상기 플라잉 커패시터의 제2 극성 단자에서 커패시터 출력 전류를 도통시키는 N개의 제2 다이오드(D2)를 포함하여, 상기 플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 제1 스위치(Ss1) 및 상기 제2 스위치(Ss2)의 동작 제어로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키는 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 N상의 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터에 있어서, N개의 플라잉 커패시터와 복수개의 전력반도체 스위치가 마련된 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터; 및 상기 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 N개의 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 1/2을 충전시키는 FC 충전 회로를 포함하고, 상기 FC 충전 회로는, 상기 N상의 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부; 상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및 상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 구비한 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 플라잉 커패시터가 적정 수준으로 충전되기 전에는 플라잉 커패시터 컨버터의 주 스위치(Q1~Q4)를 동작시키지 않으므로, 플라잉 커패시터 컨버터의 주회로가 보호될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 FC 충전 회로가 플라잉 커패시터의 전압을 정상상태 동작이 가능하도록 충전함으로써 컨버터의 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 플라잉 커패시터의 충전과정에서 3-레벨 플라잉 커패시터의 주 스위치의 전압 스트레스를 DC-링크 전압보다 훨씬 낮은 전압으로 제한함으로써 주 스위치의 수명향상 및 안정성을 향상시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 전반적으로 플라잉 커패시터 컨버터의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 종래의 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 3상 구성을 나타낸다.
도 2는 도 1의 3-레벨 플라잉 커패시터의 한 상을 나타낸다.
도 3은 도 2의 플라잉 커패시터의 4가지 스위칭 상태를 나타낸다.
도 4는 도 3의 스위칭 케이스에서 플라잉 커패시터에 초기 충전이 없는 경우의 스위칭 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로 구성을 플라잉 커패시터 컨버터의 한 상(phase)에 적용시킨 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로가 적용된 플라잉 커패시터 컨버터의 충전 동작 파형을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로의 초기 충전시의 동작을 설명하기 위한 등가회로를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3상의 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로(30) 구성을 플라잉 커패시터 컨버터의 한 상(phase)에 적용시킨 모습을 나타낸다.
도 5를 참조하면, FC 충전 회로(30)는 충전 저항부(Rs1, Rs2, Rx), 스위치부(Ss1, Ss2), 및 다이오드부(D1, D2, D3)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 5의 실시예는 FC 충전 회로(30)의 설명의 편의를 위하여 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 한 상을 대상으로 적용시킨 회로도이며, 충전 저항부(Rs1, Rs2, Rx), 스위치부(Ss1, Ss2), 및 다이오드부(D1, D2, D3)의 소자 구성은 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 다상 구성에 대응되어 적절히 확장될 수 있다. 이하에서, FC 충전 회로(30)의 각 구성을 설명하며, 이하의 설명으로, 충전 저항부(Rs1, Rs2, Rx), 스위치부(Ss1, Ss2), 및 확장된 다이오드부(D1, D2, D3)와, FC 충전 회로(30)가 적용된 3상의 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터(1, 도 8)의 실시예를 이해할 수 있다.
충전 저항부는 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 입력단(P-N)에 결선되어 입력단(P-N)의 입력 전압(Vdc)을 분배한다.
충전 저항부는 플라잉 커패시터(Cx)와 병렬로 결선되는 Rx 저항과, 스위치부의 스위치와 직렬로 결선되는 Rs 저항(Rs 저항은 복수개일 수 있음)을 포함할 수 있다. 충전저항부는 플라잉 커패시터(Cx)를 충전시키는 전압의 크기와 충전 속도를 결정한다.
여기서, Rx 저항이 직접적으로 플라잉 커패시터(Cx)를 충전시키는 전압을 형성한다. 스위치부는 제1 스위치(Ss1)와 제2 스위치(Ss2)를 포함할 수 있으며, 스위치부의 스위치와 직렬로 결선되는 Rs 저항은 2개일 수 있고, 제1 스위치(Ss1)의 직렬저항 Rs1, 제2 스위치(Ss2)의 직렬저항 Rs2가 될 수 있다. Rs 저항의 값은 스위치부(Ss1, Ss2)의 내부저항의 값을 포함할 수 있다.
Rx 저항에 형성되는 전압은 입력 전압(Vdc)의 절반이 되도록 소자값이 설정되어 플라잉 커패시터에 Vdc/2 가 충전될 수 있다. Rx의 소자값 설정에는 Rs 저항값이 고려될 수 있다. Rs 저항의 값은 상기 Rx 저항의 값과 같도록 설계될 수 있다. Rx 저항의 산출은 도 7을 통해 후술한다.
충전 저항부는 크게 Rx와 Rs의 2종류로 저항이 구분될 수 있으며, Rx의 저항은 충전 전압을 설정하는 저항으로 단일로 구비되며, Rs의 저항은 초기 충전 제어를 위한 스위치의 개수에 대응되어 마련된다. 충전 저항부의 Rx와 Rs의 저항은 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 상수(number of phase)가 확장되어도 추가 결선되는 저항 없이, 상수와 무관하게 구성된다.
스위치부는 입력단(P-N)에 결선된다. 스위치부는 입력단(P-N)의 일단(P)에 결선되는 제1 스위치(Ss1)와, 입력단의 타단(N)에 결선되는 제2 스위치(Ss2)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(Ss1)는 일단이 입력단의 P점에 접속되고, 타단이 Rx 저항이 마련된 라인에 접속된다. 제2 스위치(Ss2)는 일단이 입력단의 N점에 접속되고, 타단이 Rx저항이 마련된 라인에 접속된다. 제1 스위치(Ss1)와 제2 스위치(Ss2)는 입력전압원(Vdc)의 양 단인 (+)(-)단자에 각각 직렬로 결선되고, 플라잉 커패시터(Cx)와 병렬로 접속된 회로구성을 갖는다. 스위치부는 FC 충전회로(30)를 동작시키기 위한 충전 스위치로 이해될 수 있다.
스위치부는 플라잉 커패시터 컨터버(10)에 구성된 전력반도체 스위치 소자가 모두 오프(OFF) 된 상태에서 동작된다. 플라잉 커패시터 컨터버(10)에 구성된 전력반도체 스위치 소자가 모두 오프(OFF) 된 상태를 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 초기 상태라 칭한다. 스위치부는 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 초기 상태에서 동시에 턴온되거나, 동시에 턴오프된다.
제1 스위치(Ss1)와 제2 스위치(Ss2)는 플라잉 커패시터(Cx)의 충전시 동시에 스위치 온(ON)의 제어가 수행되고, 플라잉 커패시터(Cx)의 충전완료시 동시에 스위치 오프(OFF)의 제어가 수행될 수 있다.
다이오드부는 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어할 수 있다. 다이오드부는 플라잉 커패시터(Cx)를 충전할 때는 충전 전류의 경로를 제공하며 턴온되지만, 충전이 완료되어 플라잉 커패시터 컨버터(10)가 정상 운전될 때에는 역방향으로 접속되어 FC 충전 회로(30)를 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 주 회로와 분리시키는 역할을 한다.
다이오드부는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2) 및 제3 다이오드(D3)를 포함할 수 있다.
제1 다이오드(D1)는 플라잉 커패시터(Cx)의 제1 극성 단자로 커패시터 입력 전류를 도통시킨다. 제1 다이오드(D1)는 Rs1저항과 Rx저항의 접점에 일단이 접속되고, 플라잉 커패시터(Cx)의 제1 극성 단자에 타단이 접속된다. 본 실시예로, 제1 극성 단자는 (+)극성일 수 있다. 제1 다이오드(D1)는 제1 스위치(Ss1)가 턴온시 플라잉 커패시터(Cx)의 충전 전류를 도통시키되, 제1 스위치(Ss1)가 턴오프시 역방향이 되어 플라잉 커패시터(Cx)로부터 FC 충전 회로(30)로 전류가 흐르는 것을 차단한다.
제2 다이오드(D2)는 플라잉 커패시터의 제2 극성 단자에서 커패시터 출력 전류를 도통시킨다. 제2 다이오드(D2)는 Rs2저항과 Rx저항의 접점에 일단이 접속되고, 플라잉 커패시터(Cx)의 제2 극성 단자에 타단이 접속된다. 본 실시예로, 제2 극성 단자는 (-)극성일 수 있다. 제2 다이오드(D2)는 제2 스위치(Ss2)가 턴온시 플라잉 커패시터(Cx)의 충전 전류를 도통시키되, 제2 스위치(Ss2)가 턴오프시 역방향이 되어 플라잉 커패시터(Cx)로부터 FC 충전 회로(30)로 전류가 흐르는 것을 차단한다.
제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)는 플라잉 커패시터 컨버터의 상(phase)의 확장과 함께 추가되는 구성이다. 이와 관련, 도 8을 통해 설명한다. 제3 다이오드(D3)는 충전 저항부에 마련된 Rx 저항과 직렬로 결선되며 상(phase)의 확장과 무관하게 공통된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로(30)가 적용된 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 동작 파형을 나타낸다. 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 FC 충전 회로(30)의 동작을 설명한다.
[0<t<ton 구간]
플라잉 커패시터 컨버터(10)의 IGBT 스위치가 모두 턴오프 상태이며, 플라잉 커패시터(Cx)의 초기전압 vcx는 제로인 상태이다. 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 모든 주 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4와 FC 충전 회로(30)의 스위치부인 Ss1, Ss2가 턴오프된 구간이다. 플라잉 커패시터(Cx)의 전압 vcx=0 이므로, 도 5의 회로도에서 X점 및 Y점은 단락된 것으로 볼 수 있다. 따라서, VQ2=VQ3=0이고, DC-링크의 전압 Vdc는 IGBT 스위치 Q1과 Q4에 나누어 인가되므로 vQ1=vQ4=Vdc/2가 된다.
[ton<t<toff 구간]
플라잉 커패시터 컨버터(10)의 IGBT 스위치가 모두 턴오프 상태이며, FC 충전 회로(30)의 스위치부가 구동되는 구간이다. FC 충전 회로(30)의 스위치 Ss1, Ss2를 동시에 턴온함으로써 초기 충전 동작이 개시된다. 스위치 Ss1, Ss2가 동시에 턴온(ton)되면, 플라잉 커패시터(Cx)의 전압은 일정한 시상수를 갖고 지수 함수적으로 증가하기 시작한다. 플라잉 커패시터(Cx)의 전압은 지수함수적으로 Vdc/2까지 증가된다. IGBT 스위치인 Q2와 Q3에 인가되는 전압은 vQ2=vQ3=vcx/2이다. 따라서, vcx가 증가하는 동안 vQ2 , vQ3도 지수함수적으로 증가하며, vcx가 Vdc/2에 도달할 때, vQ2=vQ3=Vdc/4가 된다. 또한, IGBT 스위치 Q1과 Q4에 인가되는 전압은 vQ1=vQ4=(Vdc-vcx)/2이므로, vcx가 증가하는 동안 vQ1 , vQ4는 지수함수적으로 감소하며, vcx가 Vdc/2에 도달할 때, vQ1=vQ4=Vdc/4가 된다.
충분한 시간이 지나서, 플라잉 커패시터(Cx)의 전압이 Vdc/2에 도달하면, 스위치 Ss1, Ss2를 턴오프(toff)함으로써 충전을 완료한다. 스위치 Ss1, Ss2가 턴오프(toff)되면 FC 충전 회로(30)는 다이오드부의 역할로 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 주회로로부터 분리된 것으로 볼 수 있다.
[t>toff 구간]
스위치 Ss1, Ss2가 턴오프(toff)되면 플라잉 커패시터(Cx)가 적당한 전압으로 충전되어 있으므로 플라잉 커패시터 컨버터(10)를 정상 운전 개시한다. 플라잉 커패시터(Cx)의 충전이 완료되면, vcx=Vdc/2이고, vQ1=vQ2=vQ3=vQ4=Vdc/4가 된다. 즉 모든 주 스위치에 인가되는 전압은 Vdc/4가 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로(30)의 초기 충전시의 동작을 설명하기 위한 등가회로를 나타낸다. 도 7의 (a)는 FC 충전 회로(30)의 초기 충전 회로이며, 도 7의 (b)는 FC 충전 회로(30)의 초기 충전 회로를 간략화한 충전 회로이다.
도 7을 참조하면, Rs=Rs1+Rs2이다. 스위치 Ss가 오프(OFF)되면, vcx는 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112020059582476-pat00002
여기서 τ는 시상수이며, [수학식 2]의 관계를 갖는다.
[수학식 2]
Figure 112020059582476-pat00003
[수학식 2]에서, vcx(∞)=Vdc/2가 되기 위하여, Rs=Rx의 조건을 만족하여야 한다. 이 경우 시상수 τ는 RxCx/2와 같다.
상기의 사항을 고려하면, FC 충전 회로(30)의 회로정수 결정은 다음과 같은 순서로 결정될 수 있다.
첫째, 플라잉 커패시터(Cx)의 값은 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터(10)의 동작으로부터 가장 먼저 정해진다. 둘째, 시상수 τ의 값을 설정하면, τ=RxCx/2의 관계로부터 Rx의 값을 정한다. 셋때, Rs1, Rs2의 값은 Rx=Rs=Rs1+Rs2의 관계를 참조하고, 대칭의 동작을 위하여 Rs1=Rs2라고 하면, Rs1=Rs2=Rx/2로 정한다.
도 8의 실시예는 3상을 갖는 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터에 FC 충전 회로(30)가 구성된 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터(1)를 나타낸다.
초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터(1)는 3개의 플라잉 커패시터(Cxa, Cxb, Cxc)와 복수개의 전력반도체 스위치(IGBT))가 마련된 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터; 및 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 플라잉 커패시터(Cxa, Cxb, Cxc)에 입력 전압(Vdc)의 1/2을 충전시키는 FC 충전 회로(30)를 포함하고, FC 충전 회로(30)는, 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부; 상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 구비하여 구성된다.
도 8을 참조하면, 도 5의 실시예 대비 상(phase)이 증가하더라도 FC 충전 회로(30)에서 다이오드가 2개씩만 추가됨으로써 다상구성에 대응되는 확장이 가능한 것을 확인할 수 있다. 도 8에서 스위치부의 충전 스위치 Ss1, Ss2와 충전저항부의 Rs1, Rs2, Rx 및 다이오드부의 제3 다이오드(D3)는 각 상에 대하여 공통이며, 각 상의 플라잉 커패시터(Cxa, Cxb, Cxc)로 향하는 다이오드만 상의 확장과 더불어 증가된다.
도 8의 3상 회로에 부가된 FC 충전 회로(30)의 동작 시퀀스는 도 6의 실시예에서 설명한 단상의 경우와 같다. 도 8의 3상 회로는 충전회로 동작시 각 상에 추가되는 한 쌍의 다이오드인 (D1a, D2a), (D1b, D2b), (D1c, D2c)가 모두 도통하면서, 3상의 플라잉 커패시터인 Cxa, Cxb, Cxc가 병렬 연결된다. 따라서, 3상시 등가의 합성 커패시턴스 Cx는 Cx=Cxa+Cxb+Cxc가 된다. 상기의 차이점 외에 3상에서의 회로 설계는 도 7의 실시예에서 설명한 바와 동일하다.
이상에서의 실시예를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FC 충전 회로(30) 및 이를 구비하는 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터(1)는 플라잉 커패시터가 적정 수준으로 충전되기 전에는 절대로 플라잉 커패시터 컨버터의 주 스위치를 동작시키지 않으므로 플라잉 커패시터 컨버터의 주회로가 보호된다. 또한, 플라잉 커패시터의 충전 과정에서 스위치부의 충전 스위치는 단순한 시퀀스 제어만으로 동작 가능하고, 스위치의 PWM 동작을 수반하지 않으므로 제어가 단순하다. 또한, 충전시 동작하는 스위치의 추가 없이 3상 이상의 다상 구성의 플라잉 커패시터 컨버터의 회로 확장에도 손쉬운 적용이 가능하다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터
10: 플라잉 커패시터 컨버터
30: FC 충전 회로

Claims (9)

  1. 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서,
    플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부;
    상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및
    상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 포함하여,
    플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 스위치부의 동작으로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키고,
    상기 충전 저항부는,
    상기 플라잉 커패시터와 병렬로 결선되는 Rx 저항을 포함하고,
    상기 Rx 저항에 형성되는 전압은 입력 전압(Vdc)의 절반이 되도록 소자값이 설정되어 상기 플라잉 커패시터에 Vdc/2가 충전되는 것을 특징으로 하는 FC 충전 회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서,
    플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부;
    상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및
    상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 포함하여,
    플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 스위치부의 동작으로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키고,
    상기 충전 저항부는,
    상기 플라잉 커패시터와 병렬로 결선되는 Rx 저항과, 상기 스위치부의 스위치와 직렬로 결선되는 Rs 저항을 포함하고,
    상기 Rs 저항의 값은 상기 Rx 저항의 값과 같도록 설계되는 것을 특징으로 하는 FC 충전 회로.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 입력단의 일단에 결선되는 제1 스위치(Ss1)와, 상기 입력단의 타단에 결선되는 제2 스위치(Ss2)를 포함하고,
    상기 제1 스위치(Ss1)와 상기 제2 스위치(Ss2)는,
    상기 플라잉 커패시터의 충전시 동시에 스위치 온(ON)의 제어가 수행되고, 상기 플라잉 커패시터의 충전완료시 동시에 스위치 오프(OFF)의 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 FC 충전 회로.
  6. 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서,
    플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부;
    상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및
    상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 포함하여,
    플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 스위치부의 동작으로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키고,
    상기 스위치부는,
    플라잉 커패시터 컨터버에 구성된 전력반도체 스위치 소자가 모두 오프(OFF) 된 상태에서 동작되는 것을 특징으로 하는 FC 충전 회로.
  7. 플라잉 커패시터 컨터버(FC Converter: Flying Capacitor Converter)의 플라잉 커패시터를 초기 충전하는 FC 충전 회로에 있어서,
    플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부;
    상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및
    상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 포함하여,
    플라잉 커패시터 컨버터의 초기 상태에서 상기 스위치부의 동작으로 상기 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 분배분을 충전시키고,
    상기 다이오드부는,
    상기 플라잉 커패시터의 제1 극성 단자로 커패시터 입력 전류를 도통시키는 제1 다이오드(D1);
    상기 플라잉 커패시터의 제2 극성 단자에서 커패시터 출력 전류를 도통시키는 제2 다이오드(D2); 및
    상기 충전 저항부에 마련된 Rx 저항과 직렬로 결선된 제3 다이오드(D3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 FC 충전 회로.
  8. 삭제
  9. N개의 플라잉 커패시터와 복수개의 전력반도체 스위치가 마련된 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터; 및
    상기 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 플라잉 커패시터에 입력 전압(Vdc)의 1/2을 충전시키는 FC 충전 회로를 포함하고,
    상기 FC 충전 회로는,
    상기 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터의 입력단에 결선되어 상기 입력단의 입력 전압(Vdc)을 분배하는 충전 저항부;
    상기 입력단에 결선되는 스위치부; 및
    상기 스위치부의 스위치 온(ON) 상태에서 상기 충전 저항부를 흐르는 전류의 방향을 단방향으로 제어하는 다이오드부를 구비한 것을 특징으로 하는 초기충전형 3-레벨 플라잉 커패시터 컨버터.
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