KR102552562B1 - 2개의 dc 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전류를 조절하기 위한 스위칭 디바이스(1)에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시터들(7, 8)을 포함하는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 스위칭 디바이스(1)는 직렬로 연결된 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)을 포함하며, 여기서 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 각각은 저항기(14-1, 14-2) 및 커패시터(15-1, 15-2)로 구성된 직렬 회로와 병렬로 연결된 적어도 하나의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1, 13-2)를 포함한다. 스위칭 디바이스(1)의 제어 유닛은, 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)를 전도하도록 스위치하고, 동시에 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)를 단계 a)에서 차단하도록 스위치하도록 설계된다. 단계 b)에서, 본 발명에 따른 제어 유닛은, 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)를 전도하도록 스위치하고, 동시에 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)를 차단하도록 스위치한다. 단계 c)에서, 소스-측 및 부하-측 커패시터들(7, 8)의 전압들이 매칭될 때까지 단계 a) 및 b)가 반복된다. 마지막으로, 단계 d)에서, 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-1, 13-2)이 전도하도록 스위치된다.

Description

2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스 및 방법
본 발명은 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스(switching device)에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시턴스(capacitance)들을 포함하는 2개의 DC 그리드(grid)들을 커플링하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
DC 그리드들은 흔히, 예컨대, 컨버터(converter)들의 DC-링크 커패시터들과 같은 큰 커패시턴스들을 포함한다. 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 2개의 DC 그리드들이 서로 연결되어 있는 경우(여기서 커패시턴스들 중 하나는 이미 동작 전압에 있는 반면, 다른 DC 그리드의 커패시턴스는 여전히 방전된 상태에 있음), 2개의 DC 그리드들이 직접적으로 연결될 때 매우 높은 보상 전류들이 발생한다.
이러한 전류들의 수준을 제한하기 위해, 도 1 및 도 2의 전기적 등가 회로 다이어그램들에 도시된 바와 같이, 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 2개의 DC 그리드들의 연결이 적합한 스위칭 디바이스들을 통해 발생한다.
도 1은 소스-측 인덕턴스(3)를 통해 DC 전압 소스(2)에 연결된 스위칭 디바이스(1)의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다. 소스-측 커패시턴스(7)는 DC 전압 소스(2) 및 소스-측 인덕턴스(3)를 포함하는 직렬 회로와 병렬로 제공된다. 출력 측에서, 스위칭 디바이스(1)는 부하-측 인덕턴스(5)를 통해 부하-측 커패시턴스(8)에 연결된다. 소스-측 및 부하-측 인덕턴스들(3, 5)은 스위칭 디바이스(1)를 통해 연결된 2개의 DC 전압 그리드들의 물리적 컴포넌트들을 반드시 표현할 필요가 없다. 소스-측 및 부하-측 인덕턴스들(3, 5)은 또한 라인 인덕턴스(line inductance)들일 수 있다. 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들(7, 8)은 예컨대, 컨버터들(예시되지 않음)의 DC-링크 커패시터들이다.
도 1에 도시된 스위칭 디바이스(1)의 공지된 변형에서, 2개의 DC 전압 그리드들 사이의 연결은 먼저 충전 저항기(20)를 통해 생성된다. 충전 저항기(20)는 스위칭 엘리먼트(21)와 직렬로 연결되고, 전류(I)를 제한하고 컴포넌트들에 대한 손상을 회피하는 역할을 한다. DC 그리드들의 두 막대들 사이의 전압이 저-저항 연결이 가능할만큼 충분히 가까워졌을 때에만 충전 저항기(20)가 주 스위치(22)에 의해 바이패싱(bypass)된다. 스위치(21)는 프리차징 스위치(precharging switch)로 또한 지칭된다.
도 2에 도시된 변형에서, 스위칭 디바이스(1)는 단일 반도체 스위칭 엘리먼트를 포함하며, 그 결과 충전 전류(I)가 반도체 스위칭 엘리먼트의 클락킹된(clocked) 스위칭-온 및 스위칭-오프에 의해 세팅될 수 있다. 주파수 및 펄스 폭 비를 변경함으로써, 단위 시간당 충전량 및 그에 따른 평균 충전 전류가 세팅될 수 있다. 그러나 그에 따라, 연결 임피던스에 따라 높은 전류 피크들이 발생한다. 또한 이 변형은 소스-측 및 부하-측 커패시턴스(7, 8) 사이에 낮은 인덕턴스 또는 저항기만이 제공되는 경우 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 설계 및/또는 기능성 측면에서 개선된 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 갖는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스 및 방법을 특정하는 데 있다.
이 목적들은 청구항 1의 특징들에 따른 디바이스 및 청구항 8의 특징들에 따른 방법에 의해 달성된다. 유리한 구성들이 종속 청구항들로부터 발생한다.
전류 조절을 위한 스위칭 디바이스에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스가 제안된다. 스위칭 디바이스는 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들을 포함하며, 여기서 스위칭 모듈들 각각은 저항기 및 커패시터를 포함하는 직렬 회로가 병렬로 연결된 적어도 하나의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트를 포함한다.
그러한 스위칭 디바이스는 출원인에 의한 PCT/EP2018/054775로부터 공지되어 있다. 적어도 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들을 포함하는 본원에서 설명된 스위칭 디바이스는 소스-측 및 부하-측 인덕턴스들을 포함하는 전류 경로에서 "소프트(soft)" 셧다운(shutdown) 동작을 수행할 수 있는 목적에 적합하다. 스위칭 디바이스는 전류 경로의 전류 흐름이 급격하지 않고 램프 방식(ramped fashion)으로 감소되는 것을 가능하게 한다. 적어도 2개의 스위칭 모듈들 중 적어도 하나로 인해, 백-EMF(back-EMF)가 전류 경로에 구축된다. 이것은 클락킹된 범위에서 스위칭 모듈들의 개개의 반도체 스위칭 엘리먼트의 동작에 의해 가능해진다. 그에 의해, 셧다운이 발생하는 경우 높은 전력 손실들은 개개의 스위칭 모듈들의 반도체 스위칭 엘리먼트에서 변환되는 것이 아니라, 대부분 개개의 스위칭 모듈들의 저항기에서 변환된다. 따라서 스위칭 디바이스는 물리적 공간 측면에서 비싸고 무겁고 집약적인 전압-제한 컴포넌트들, 이를테면, 배리스터(varistor)들을 생략할 수 있다. 이 경우 개개의 스위칭 모듈들의 반도체 스위칭 엘리먼트는 초퍼(chopper)의 역할을 수행한다. 원칙적으로 공지된 스위칭 디바이스는 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위해 본 발명에 따라 사용된다. 이 경우, 초퍼 모드는, 전류를 느리게 감소시키기 위해 2개의 DC 그리드들이 격리될 때에는 사용되지 않지만, 충전 전류를 제한하기 위해 2개의 DC 그리드들이 연결(스위치-온)된 동안에는 사용된다.
본 발명에 따르면,
a) 2개의 스위칭 모듈들 중 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트를 스위치 온하고, 동시에 2개의 스위칭 모듈들 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트를 스위치 오프하고;
b) 2개의 스위칭 모듈들 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트를 스위치 온하고, 동시에 2개의 스위칭 모듈들 중 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트를 스위치 오프하고;
c) 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지 단계들 a) 및 b)를 반복하고; 그리고
d) 2개의 스위칭 모듈들의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들을 스위치 온하도록 설계된 제어 유닛이 제공된다.
적어도 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들의 이러한 동작은 2개의 DC 그리드들이 스위칭 모듈들의 스위칭 엘리먼트들을 통해 서로 영구적으로 연결되기 이전에 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들에 대한 보상 프로세스를 수행하는 것을 가능하게 한다. 따라서 높은 보상 전류들의 발생이 회피될 수 있다.
전류를 추가로 제한하기 위해, 단계 b)에 따른 2개의 반도체 스위칭 엘리먼트들이 동시에 스위치 오프되는 것이 선택적으로 제공될 수 있다(단계 b1). 이 구성에서, 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지 단계들 a), b) 및 b1)이 반복된다.
적절하게, 제어 유닛은 시간적으로 차례로 단계들 a) 및 b)를 수행하도록 설계된다. 따라서 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지 단계들 a) 및 b)가 교대로 반복된다.
제어 유닛은 단계들 a) 및/또는 b)의 수행의 듀레이션(duration)으로 인해, 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드로부터 2개의 DC 그리드들 중 다른 하나의 DC 그리드로의 평균 전류를 세팅하도록 추가로 설계된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 제어 유닛은 단계들 a) 및/또는 b)에서 스위치 온된 제어가능한 반도체 스위칭 모듈들의 펄스 폭 비로 인해, 하나의 DC 그리드로부터 다른 DC 그리드로의 최대 전류를 세팅하도록 설계된다. 2개의 변형들 각각으로 인해, 결과적으로 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지의 듀레이션이 또한 결정될 수 있다. 최대 발생 피크 전류는, 기존 라인 임피던스들의 영향 이외에, 스위칭 동작 동안 항상 반도체 스위칭 모듈들의 저항기들 중 적어도 하나가 회로에 있다는 사실로 인해 제한된다. 따라서 최대 전류는 요구되는 인덕턴스들없이 정적으로 제한된다.
그것은 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드가 제어가능한 스위치에 의해 스위치가능한 용량성 부하를 포함하는 경우 더 적절하며, 여기서 제어 유닛은, 제어 유닛이, 단락을 시그널링하는 제어가능한 스위치로부터의 신호를 수신할 때 초퍼 모드에서 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스를 동작시키도록 설계된다. 보상 동작에 의해 야기된 (충전) 전류로 인해, 제어가능한 스위치의 통합 모니터링 유닛에서 단락이 잘못 검출될 수 있고, 제어가능한 스위치 셧다운을 초래할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 안전상의 이유들로 수행되는 이러한 셧다운은, 스위치가능한 용량성 부하와 직렬로 제공되는 제어가능한 스위치가 즉시 셧다운되지 않지만 초퍼 모드에서 첫 번째 전류 제한이 달성되는 경우 회피될 수 있다. 결과적으로, 단락이 실제로 존재하는지 또는 증가된 충전 전류 또는 보상 전류가 2개의 DC 그리드들 사이에 일시적으로만 존재하는지 여부를 검출할 시간이 남아 있다.
이것을 목적으로, 제어 유닛은 스위치가능한 용량성 부하가 있는 2개의 DC 그리드들 중 다른 하나의 DC 그리드로부터 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드로 흐르는 전류 특성을 평가하도록 설계될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어 유닛이 스위칭 디바이스의 초퍼 모드 동안 전압 특성을 평가하도록 설계되는 것이 제공될 수 있다. 용량성 부하를 연결하는 동안, 전압은 잠시 동안만 떨어질 것이지만, 단락이 발생하는 경우, 검출된 전압은 영구적으로 떨어진다.
다른 양상에 따르면, 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법이 제안된다. 스위칭 디바이스는 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들을 포함하며, 여기서 스위칭 모듈들 각각은 저항기 및 커패시터를 포함하는 직렬 회로가 병렬로 연결된 적어도 하나의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트를 포함한다. 스위칭 디바이스의 제어 유닛에 의해:
a) 2개의 스위칭 모듈들 중 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트가 스위치 온되고, 동시에 2개의 스위칭 모듈들 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트가 스위치 오프되고;
b) 2개의 스위칭 모듈들 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트가 스위치 온되고, 동시에 2개의 스위칭 모듈들 중 하나의 스위칭 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트가 스위치 오프되고;
c) 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지 단계들 a) 및 b)가 반복되고; 그리고
d) 2개의 스위칭 모듈들의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들이 스위치 온된다.
방법은 본 발명에 따른 디바이스와 관련하여 위에서 설명된 것들과 동일한 이점들을 갖는다.
일 구성에서, 제어 유닛은 단계들 a) 및 b)를 시간적으로 차례로 수행한다.
제어 유닛이 단계 b)에 따라 2개의 반도체 스위칭 엘리먼트들을 동시에 스위치 오프하도록 설계되는 경우(단계 b1), 단계들 a), b) 및 b1)은 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지 반복된다.
추가 구성에 따라, 제어 유닛은 하나의 DC 그리드로부터 다른 DC 그리드로의 평균 전류를 특정 값으로 세팅하기 위해 단계들 a) 및/또는 b)의 수행의 듀레이션들을 매칭한다.
추가 구성에 따르면, 제어 유닛은 하나의 DC 그리드로부터 다른 DC 그리드로의 최대 전류를 세팅하기 위해 단계들 a) 및/또는 b)에서 스위치 온된 제어가능한 반도체 스위칭 모듈들의 펄스 폭 비를 매칭한다.
2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드가 제어가능한 스위치에 의해 스위치가능한 용량성 부하를 포함하는 경우, 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스는, 제어 유닛이, 단락을 시그널링하는 제어가능한 스위치로부터의 신호를 수신할 때 초퍼 모드에서 동작된다. 그런 다음, 제어 유닛은 스위치가능한 용량성 부하가 있는 2개의 DC 그리드들 중 다른 하나의 DC 그리드로부터 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드로 흐르는 전류 특성을 평가할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어 유닛은 스위칭 디바이스의 초퍼 모드 동안 전압 특성을 평가한다.
또한, 산술 로직 유닛의 내부 메모리에 로딩될 수 있고, 프로그램이 산술 로직 유닛 상에서 실행될 때 본원에서 설명된 방법이 수행되는 코드 세그먼트(code segment)들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제안된다. 컴퓨터 프로그램 제품은 DVD, CD-ROM 또는 USB 메모리 스틱과 같은 저장 매체의 형태로 구현될 수 있다. 마찬가지로, 컴퓨터 프로그램 제품은 무선 또는 유선 케이블을 통해 로딩될 수 있는 신호의 형태로 존재할 수 있다.
본 발명은 도면의 예시적 실시예들을 사용하여 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 DC 전압 그리드의 제1 공지된 스위칭 디바이스의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다.
도 2는 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 DC 전압 그리드의 제2 공지된 스위칭 디바이스의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다.
도 3은 공지된 스위칭 디바이스에 대한 단일 단방향 스위칭 모듈의 설계를 도시하는 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 3개의 스위칭 모듈들의 직렬 연결의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다.
도 5는 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 DC 전압 그리드의 본 발명에 따른 스위칭 디바이스의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다.
도 6은 도 3 내지 도 5의 스위칭 모듈들 대신에 사용될 수 있는 양방향 스위칭 모듈의 예시적 실시예를 도시한다.
다음의 설명에서 동일한 엘리먼트들에 동일한 참조 심볼들이 제공된다.
도 3은 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 전류 경로(6)를 커플링하기 위해 PCT/EP2018/054775로부터 공지된 스위칭 디바이스(1)의 스위칭 모듈(10)의 개략적 설계를 도시한다. 스위칭 모듈(10)은 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)를 포함한다. 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)는 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor), IGBT, MOSFET, IGCT 또는 턴-오프 디바이스를 갖는 사이리스터(thyristor)일 수 있다. 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)의 부하 단자들은 제1 스위칭 모듈 단자(11)와 제2 스위칭 모듈 단자(12) 사이에 연결된다. 또한, 저항기(14) 및 커패시터(15)를 포함하는 직렬 회로가 제1 및 제2 스위칭 모듈 단자들(11, 12) 사이에 배열된다. 다시 말해서, 저항기(14) 및 커패시터(15)로 형성된 RC 엘리먼트는 제어가능한 스위칭 엘리먼트(13)의 부하 단자들과 병렬로 연결된다.
스위칭 디바이스(1)의 그러한 개별 스위칭 모듈이 동작하는 주요한 방식은 다음과 같다: 스위칭 디바이스(1)가 전류를 전도하도록 의도되는 경우, 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)는 온 상태에 있다. 전류 경로(6)가 스위칭 디바이스(1)의 도움으로 인터럽트되도록 의도되는 즉시, 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)는 제어 유닛(도면들에 도시되지 않음)에 의해 스위치 오프된다. 결과적으로, 전류 경로(6)에서 흐르는 전류(I)는 이제 저항기(14) 및 커패시터(15)로 형성된 RC 엘리먼트를 통해서만 계속 흐를 수 있다. 커패시터(15)는 상기 커패시터에 걸친 전압 강하의 사전 세팅된 상한 임계 값에 도달될 때까지 상기 커패시터에서 흐르는 전류(I)의 결과로서 충전된다. 이것을 목적으로, 대응하는 측정 디바이스(예시되지 않음)가 스위칭 모듈(10)에서 제공될 수 있다. 사전 세팅된 상한 임계 값에 도달되는 즉시, 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)가 다시 스위치 온된다. 결과적으로, 커패시터(15)는 저항기(14) 및 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)를 통해 방전될 수 있다. 커패시터(15)에 걸친 전압 강하의 사전 세팅된 하한 임계 값에 도달된 즉시, 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)는 그것의 제어 디바이스에 의해 다시 스위치 온된다.
원래 소스-측 및 부하-측 인덕턴스들을 갖는 전류 경로를 인터럽트하기 위해 설계된 스위칭 디바이스(1)가 도 3에 예시된 바와 같이 단일 스위칭 모듈(1)만을 포함했어야 하는 경우, 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13) 및 커패시터(15)의 최대 전압보다 낮은 전압들만이 관리될 수 있다. 더 높은 전압들이 발생하는 경우, 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13) 및/또는 커패시터는 파괴될 수 있다. 따라서 더 높은 전압들을 갖는 DC 전압 그리드의 전류 경로를 인터럽트하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 바와 같은 복수의 스위칭 모듈들이 직렬로 연결되는 것이 제공된다. 적어도 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들을 갖는 그러한 스위칭 디바이스(1)가 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들을 포함하는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위해 사용된다.
도 4는 n개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2, …, 10-n(일반적으로: 10-i, 여기서 i = 1 내지 n))의 직렬 회로의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시한다. 스위칭 모듈들(10-i) 각각은 도 3에 설명된 방식으로 구성된다. 이 경우, 스위칭 모듈들(10-i)의 직렬 연결은 제1 스위칭 모듈(10-1)의 제2 스위칭 모듈 단자(12-1)가 다음 스위칭 모듈(10-2)의 제1 스위칭 모듈 단자(11-2)에 연결되는 등의 방식으로 발생한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 모듈(10-1)의 제1 스위칭 모듈 단자(11-1)는 소스-측 인덕턴스(3)를 통해 DC 전압 소스(2)에 연결된다. 예컨대, DC 전압 소스(2)는 에너지 발생 유닛, 예컨대, 태양 광 발전 설비(photovoltaic installation), 저장 시스템, 배터리 충전기, 풍력 설비, 정류기 등일 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 마지막 스위칭 모듈(10-n)의 제2 스위칭 모듈 단자(12-n)는 부하-측 인덕턴스(6)를 통해 부하(4)에 연결된다. 부하(4)는 예컨대, DC 전압 그리드 등의 구동일 수 있다.
도 5는 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들(10-1 및 10-2)로 구성된 스위칭 디바이스(1)의 전기적 등가 회로 다이어그램을 도시하며, 이들은 도 3에 설명된 바와 같이 각각의 경우 구성된다. 스위칭 디바이스(1)는 위에서 언급된 소스-측 인덕턴스(3)를 통해 DC 전압 소스(2)에 연결된다. 소스-측 커패시터(7)는 DC 전압 소스(2) 및 소스-측 인덕턴스(3)를 포함하는 직렬 회로와 병렬로 연결된다. 출력 측에서, 스위칭 디바이스(1)는 부하-측 인덕턴스(5)를 통해 부하(4)에 연결된다. 부하-측 커패시터(8)는 부하(4)와 병렬로 연결된다. 커패시터들(7, 8)은, 예컨대, 컨버터들의 DC-링크 커패시터들이다. 또한, 용량성 부하(9) 및 스위치(9S)를 포함하는 직렬 회로가 도 5에 선택적으로 제공되며, 여기서 직렬 회로는 부하-측 커패시터(8)와 병렬로 배열된다. 소스-측 및 부하-측 인덕턴스들(3, 5)은 DC 전압 그리드의 물리적 컴포넌트들을 반드시 표현할 필요가 없다. 소스-측 및 부하-측 인덕턴스들(3, 5)은 또한 라인 인덕턴스들일 수 있다.
커패시터(7)를 갖는 DC 그리드를 커패시터(8)를 갖는 DC 그리드에 연결하기 위한, 도 5에 도시된 스위칭 디바이스의 동작 모드는 다음과 같다: 도 5의 좌측 상의 DC 전압 그리드의 커패시터(7)가 충전되는 반면, 도 5의 우측 상의 DC 전압 그리드의 커패시터(8)가 방전된다고 가정된다. 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-1, 13-2)은 오프 상태이다. 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-1, 13-2)의 동시 스위치 온이 주어지면 커패시터들(7, 8) 사이의 높은 보상 전류들을 회피하기 위해, 먼저 모듈들(10-1, 10-2) 중 하나의 모듈의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트만이 스위치 온된다. 예컨대, 스위칭 모듈(10-1)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)는 스위치 온되는 반면, 스위칭 모듈(10-2)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)는 스위치 오프 상태로 남아 있다. 결과적으로, 스위칭 모듈(10-2)의 커패시터(15-2)와 동일한 방식으로 버스 전압의 절반까지 충전된 스위칭 모듈(10-1)의 커패시터(15-1)는 스위칭 모듈(10-1)의 저항기(14-1)를 통해 방전된다. 동시에, 스위칭 모듈(10-2)의 커패시터(15-2)는 상기 스위칭 모듈의 직렬-연결된 저항기(14-2)를 통해 전체 버스 전압으로 충전된다. 이 경우 버스 전압은 좌측 DC 전압 그리드의 상용(prevailing) 전압이다. 따라서 저항기(14-2)는 2개의 커패시터들(15-1, 15-2) 사이에서 전류-제한 저항기로서 역할을 한다.
그런 다음, 스위칭 모듈(10-1)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)는 스위치 오프되는 반면, 동시에 또는 그 직후 스위칭 모듈(10-2)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)는 스위치 온된다. 결과적으로, 스위칭 모듈(10-2)의 커패시터(15-2)는 저항기(14-2)를 통해 방전된다. 동시에, 커패시터(15-1)는 저항기(14-1)를 통해 충전되어, 그 결과 스위칭 모듈(10-1)의 저항기(14-1)는 이제 커패시터들(7, 8) 사이의 전류-제한 저항기로서 작용한다. 한편, 2개의 반도체 스위칭 엘리먼트들은 또한 일시적으로 다시 스위치 오프될 수 있다.
이러한 프로시저는 이제, 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들(7, 8)의 전압들이 서로 정렬될 때까지 반복된다.
2개의 DC 전압 그리드들 사이에 흐르는 평균 전류는 스위칭 주파수(즉, 스위칭 모듈(10-1)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)가 온이고 스위칭 모듈(10-2)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)가 오프인 상태와 스위칭 상태들이 반전된 다른 상태 사이의 변화)에 의해 그리고 두 반도체 스위칭 엘리먼트들의 일시적 턴-오프에 의해 세팅될 수 있다. 또한, 펄스 폭 비의 변화 및 그에 따른 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)의 커패시터들(15-1 및 15-2)의 단지 부분적인 방전으로 인해, 전류는 또한 타겟팅된 방식(targeted manner)으로 세팅될 수 있다. 상이한 스위칭 시퀀스들에 의한 이러한 전류 세팅에 관계없이, 피크 전류는 적어도, 2개의 저항기들(14-1 및 14-2) 중 하나와 2개의 버스들 사이의 전압 차에 의해 결정되는 값으로 제한된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 회로가 제어가능한 스위치(9S)에 의해 스위치가능한 용량성 부하(9)를 추가적으로 갖는 경우, 스위치(10)에서 야기되는 충전 전류에 의해 단락이 잘못 검출될 수 있다. 그러한 단락 검출은 일반적으로 스위칭 엘리먼트(10)에 제공된 모니터링 회로에 의해 발생한다. 이것은 스위치(10)의 셧다운을 초래할 수 있다. 이러한 거동은 스위치(10)의 안전 회로에 의한 셧다운이 즉시 발생하지 않지만 제1 전류 제한이 초퍼 모드에서 달성되는 경우 회피될 수 있다. 이 경우, 출원인에 의한 PCT/EP2018/054775에 설명된 방법이 사용될 수 있다. 결과적으로, 부하-측 버스 세그먼트에 실제로 단락이 존재하는지 여부 또는 용량성 부하(9)의 연결로 인해 일시적으로 증가된 충전 전류만이 존재하는지 여부를 검출하기 위한 시간이 남아 있다. 이것을 목적으로, 먼저 스위치(10)의 전류 특성이 직접 모니터링될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 부하 경로(6)의 전압 특성이 모니터링될 수 있다. 용량성 부하(9)가 연결될 때, 전압은 잠시 동안만 떨어질 것이지만, 단락이 발생하는 경우, 영구적 전압 강하가 발생할 것이다.
제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-1, 13-2) 및 선택적으로 제공되는 스위치(9S)의 제어는 위에서 언급된 제어 유닛(도면들에 예시되지 않음)의 도움으로 발생한다.
설명된 프로시저는 직렬-연결된 스위칭 모듈들의 개수 n에 관계없이 대응하는 방식으로 수행될 수 있다. 주어진 시점에서 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-i) 중 어떤 것이 오프 상태에 있고, 어떤 다른 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-i)이 온 상태에 있는지는 언급된(도시되지 않음) 제어 유닛의 타겟팅된 제어로 발생할 수 있다. 마찬가지로, 개개의 상한 스위칭 임계치들의 적합한 상이한 선택으로 인해, 연관된 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트의 스위치-온 및 스위치-오프의 시간에 따른 거동이 영향을 받을 수 있다.
다른 대안에서, 개개의 커패시터들(15-i)에 걸쳐 존재하는 전압은 대응하는 측정 수단(도시되지 않음)에 의해 모니터링될 수 있다. 이 경우, 최고 전압이 존재하는 커패시터와 연관된 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트는 사전 세팅된 하한 임계치 값에 도달될 때까지 스위치 온된다. 상이한 스위칭 모듈들 또는 그 커패시터들은 항상 상이한 시점들에서 최고 전압을 갖기 때문에, 스위칭 모듈들(10-i)의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-i)의 더 많은 또는 더 적은 랜덤 스위치-온 및 스위치-오프가 존재한다.
도 6은 도 3에 도시된 스위칭 모듈(10)의 개발을 도시한다. 반도체 스위칭 엘리먼트(13)와 더불어, 추가 반도체 스위칭 엘리먼트(16)는 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13)와 직렬로 연속적으로 연결된다. 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13) 및 추가 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(16)는 IGBT들과 같은 동일한 유형일 수 있다. 이러한 양방향으로 동작가능한 스위칭 모듈(10)의 거동은 도 3의 스위칭 모듈의 거동에 대응한다. 전류 흐름은 도 6에 도시된 양방향 스위칭 모듈(10)의 경우 두 방향들로 지향될 수 있다. 이 경우, 2개의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13, 16) 중 하나는 전도되는 경우 온 상태이고, 다른 하나는 오프 상태이다. 전류 흐름은 병렬로 연속적으로 연결된 개개의 다이오드(17 또는 18)를 통해 보장된다.
설명된 디바이스는 다양한 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 예컨대, 여기에 설명된 스위칭 디바이스의 도움으로 커패시턴스의 전류-조절된 사전 충전은 전기 항공에서, 산업 설비들의 전기 스위칭 디바이스들에서 그리고 예컨대, 선박들 및/또는 항공기와 같은 드라이브(drive)들에서 사용될 수 있다. 특히, 높은 전력 밀도를 갖는 DC 전압 그리드들은 단순한 방식으로 서로 커플링될 수 있다. 디바이스는 낮은 수준의 복잡성을 갖고, 적은 수의 컴포넌트들만을 요구하여, 그 결과 디바이스에 가벼운 무게가 공급될 수 있다.
1 스위칭 디바이스
2 DC 전압 소스
3 소스-측 인덕턴스
4 부하
5 부하-측 인덕턴스
6 인터럽트될 라인
7 소스-측 커패시턴스
8 부하-측 커패시턴스
9 용량성 부하
9S 스위치
10 스위칭 모듈
10-1,…,10-n 스위칭 모듈
11 제1 스위칭 모듈 단자
11-1,…,11-n 제1 스위칭 모듈 단자
12 제2 스위칭 모듈 단자
12-1,…,12-n 제1 스위칭 모듈 단자
13 반도체 스위칭 엘리먼트
13-1,…,13-n 반도체 스위칭 엘리먼트
14 저항기
14-1,…,14-n 저항기
15 커패시터
15-1,…,15-n 커패시터
I 전류

Claims (15)

  1. 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스(switching device)(1)에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시턴스(capacitance)들(7, 8)을 포함하는 2개의 DC 그리드(grid)들을 커플링하기 위한 디바이스로서,
    상기 스위칭 디바이스(1)는 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)을 포함하며, 상기 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 각각은 저항기(14-1, 14-2) 및 커패시터(15-1, 15-2)를 포함하는 직렬 회로가 병렬로 연결된 적어도 하나의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1, 13-2)를 포함하며, 상기 스위칭 디바이스(1)의 제어 유닛은,
    a) 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)를 스위치 온하고, 동시에 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)를 스위치 오프하고;
    b) 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 상기 다른 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)를 스위치 온하고, 동시에 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 상기 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)를 스위치 오프하고;
    c) 상기 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들(7, 8)의 전압들이 서로 정렬될 때까지 단계들 a) 및 b)를 반복하고; 그리고
    d) 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-1, 13-2)을 스위치 온하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 시간적으로 차례로 단계들 a) 및 b)를 수행하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 단계들 a) 및/또는 b)의 수행의 듀레이션(duration)들로 인해, 하나의 DC 그리드로부터 다른 하나의 DC 그리드로의 평균 전류를 세팅하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 단계들 a) 및/또는 b)에서 스위치 온된 상기 제어가능한 반도체 스위칭 모듈들의 펄스 폭 비로 인해, 하나의 DC 그리드로부터 다른 DC 그리드로의 전류를 세팅하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드는 제어가능한 스위치에 의해 스위치가능한 용량성 부하를 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 제어 유닛이 단락을 시그널링하는 상기 제어가능한 스위치로부터 신호를 수신할 때 초퍼 모드(chopper mode)에서 전류 조절을 위한 상기 스위칭 디바이스(1)를 동작시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 스위치가능한 용량성 부하가 있는 상기 2개의 DC 그리드들 중 다른 하나의 DC 그리드로부터 상기 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드로 흐르는 전류 특성을 평가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 스위칭 디바이스(1)의 상기 초퍼 모드 동안 전압 특성을 평가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 디바이스.
  8. 전류 조절을 위한 스위칭 디바이스(1)에 의해 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들(7, 8)을 포함하는 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법으로서,
    상기 스위칭 디바이스(1)는 2개의 직렬-연결된 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)을 포함하며,
    상기 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 각각은 저항기(14-1, 14-2) 및 커패시터(15-1, 15-2)를 포함하는 직렬 회로가 병렬로 연결된 적어도 하나의 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1, 13-2)를 포함하며,
    상기 스위칭 디바이스(1)의 제어 유닛에 의해:
    a) 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)가 스위치 온되고, 동시에 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 다른 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)가 스위치 오프되고;
    b) 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 상기 다른 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-2)가 스위치 온되고, 동시에 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2) 중 상기 하나의 스위칭 모듈의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트(13-1)가 스위치 오프되고;
    c) 상기 소스-측 및 부하-측 커패시턴스들의 전압들이 서로 정렬될 때까지 단계들 a) 및 b)가 반복되고; 그리고
    d) 상기 2개의 스위칭 모듈들(10-1, 10-2)의 상기 제어가능한 반도체 스위칭 엘리먼트들(13-1, 13-2)이 스위치 온되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 단계들 a) 및 b)를 시간적으로 차례로 수행하는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 하나의 DC 그리드로부터 다른 DC 그리드로의 평균 전류를 특정 값으로 세팅하기 위해 단계들 a) 및/또는 b)의 수행의 듀레이션들을 매칭하는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 하나의 DC 그리드로부터 다른 DC 그리드로의 전류를 세팅하기 위해 단계들 a) 및/또는 b)에서 스위치 온된 상기 제어가능한 반도체 스위칭 모듈들의 펄스 폭 비를 매칭하는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드는 제어가능한 스위치에 의해 스위치가능한 용량성 부하를 포함하고,
    상기 제어 유닛이 단락을 시그널링하는 상기 제어가능한 스위치로부터 신호를 수신할 때 초퍼 모드에서 전류 조절을 위한 상기 스위칭 디바이스(1)가 동작되는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 스위치가능한 용량성 부하가 있는 상기 2개의 DC 그리드들 중 다른 하나의 DC 그리드로부터 상기 2개의 DC 그리드들 중 하나의 DC 그리드로 흐르는 전류 특성을 평가하는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 스위칭 디바이스(1)의 상기 초퍼 모드 동안 전압 특성을 평가하는 것을 특징으로 하는, 2개의 DC 그리드들을 커플링하기 위한 방법.
  15. 프로그램이 저장된 컴퓨터-판독가능 저장 매체로서,
    상기 프로그램은 산술 로직 유닛의 내부 메모리에 로딩될 수 있고, 상기 프로그램은, 상기 산술 로직 유닛 상에서 실행될 때 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계들이 수행되게 하는 코드 세그먼트(code segment)들을 포함하는,
    컴퓨터-판독가능 저장 매체.
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