KR102595965B1 - 멀티 레벨 컨버터 - Google Patents

멀티 레벨 컨버터 Download PDF

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Abstract

멀티 레벨 컨버터가 개시된다. 멀티 레벨 컨버터는, 제n 서브 모듈; 제(n+1) 서브 모듈; 및 동일한 암에 연결된 연속된 상기 제n 서브 모듈과 제(n+1) 서브 모듈을 자기적으로 결합하여 리플 전력을 제거하는 리플 제거부를 포함하되, 상기 제n 서브 모듈과 제(n+1) 서브 모듈은 직렬로 연결되며 멀티 레벨의 PWM 전압을 출력할 수 있다.

Description

멀티 레벨 컨버터{Multilevel converter}
본 발명은 멀티 레벨 컨버터에 관한 것이다.
모듈식 멀티 레벨 컨버터(MMC: modular multilevel converter, 이하 MMC라 칭하기로 함)는 모듈성, 확장 가능한 전압 레벨, 단일 DC 버스 등으로 인해 전기 자동차 모터 드라이브의 파워트레인과 같은 중전압 고전력 산업 애플리케이션을 위한 가장 유망한 토폴로지 중 하나로 간주되어 왔다. 그러나, MMC에는 작동 라인 주파수가 감소함에 따라 서브 모듈(SM) 커패시터 전압 저주파 리플 구성 요소가 급격히 증가하고 시스템 성능과 시스템 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 근본적인 문제가 있다.
이러한 심각한 문제를 해결하기 위해, 선행문헌1-M. S. Irfan, M. A. Tawfik, A. Ahmed and J. -H. Park, "A Novel Electrolytic Capacitor-Less MMC With Magnetic Power Decoupling Method," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 2, pp. 1976-1993, April 2021., 선행문헌2-M. S. Diab, A.M.Massoud, S. Ahmed, and B.W.Williams, "A dual modular multilevel converter with high-frequency magnetic links between submodules for MV open-end stator winding machine drives," IEEE Trans.Power Electron., vol. 33, no. 6, pp. 5142-5159, Jun. 2018., 선행문헌3-M. S. Diab, A.M.Massoud, S. Ahmed, and B.W.Williams, "A Modular Multilevel Converter With Ripple-Power Decoupling Channels for Three-Phase MV Adjustable-Speed Drives," IEEE Trans.Power Electron., vol. 34, no. 5, pp. 4048 - 4063, May. 2019., 선행문헌4- Huang, X., Wang, Z., Kong, Z., et al. "Modular multilevel converter with three-port power channels for medium-voltage drives," IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 6, no. 3, pp. 1495 - 1507, Sept. 2018 등에서 몇 가지 접근법이 제안되었다.
상술한 선행문헌 1 내지 선행문헌 4에서, 리플이 더 큰 암에서 다른 암으로 리플 전력을 전달하여 커패시터 용량을 저감하고, 회로 부품 정격을 높일 수 있는 방법이 제안되었다.
그러나, 선행문헌 1 내지 선행문헌 4의 경우, 자화 소자의 전압 스트레스는 상향 및 하향 암 사이 또는 3 상 사이의 연결로 인해 상당히 커져서, 소자 크기가 증가하는 문제가 있다.
본 발명은 동일한 암에 연속된 복수의 서브 모듈을 자기적으로 결합시켜 리플 전력을 제거할 수 있는 멀티 레벨 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 계통이나 모터부하의 저주파수(LF) 전류를 감당하기 위한 서브모듈(SM) 커패시터를 완전히 대체하고 회로 소자의 전압 스트레스를 크게 줄이기 위해 주파수 독립적인 자화 전력 디커플링이 가능한 멀티 레벨 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 자기적으로 결합된 복수의 서브 모듈간에 반전된 플럭스 형성이 가능케 할 수 있는 멀티 레벨 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 서브 모듈에 대용량 커패시터를 구비할 필요가 없어 시스템 크기를 현저하게 줄일 수 있는 멀티 레벨 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 전력 디커플링 회로를 사용하는 멀티 레벨 컨버터 스위치의 전력 손실이 낮으며, 종래의 서브 모듈 커패시터 물리적 전력 밸런싱 기술에 비해 정격 및 부품 수가 적으며, 순환 전류 주입 기술에 비해 암 전류 크기를 증가시키지 않으며, 고전압 절연이 필요치 않은 멀티 레벨 컨버터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 멀티 레벨 컨버터가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제n 서브 모듈; 제(n+1) 서브 모듈; 및 동일한 암에 연결된 연속된 상기 제n 서브 모듈과 제(n+1) 서브 모듈을 자기적으로 결합하여 리플을 제거하는 리플 제거부를 포함하되, 상기 제n 서브 모듈과 제(n+1) 서브 모듈은 직렬로 연결되며 멀티 레벨의 PWM 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 멀티 레벨 컨버터가 제공될 수 있다.
상기 리플 제거부는, 변압기와 상기 제n 서브 모듈과 상기 제(n+1) 서브 모듈 내의 두개의 하프 브리지 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)를 포함하되, 상기 제n 서브 모듈과 상기 제(n+1) 서브 모듈은 변압기 권선 및 자기 코어(또는 공심)로 상기 리플 제거부에 각각 연결될 수 있다.
상기 동일한 암의 연결된 연속된 상기 제n 서브 모듈과 상기 제(n+1) 서브 모듈은 상기 변압기를 통해 180도 위상차를 가지는 전류가 입력되어 권선 내부에서 반전된 플럭스가 형성되어 리플 전류가 제거될 수 있다.
상기 하프 브리지 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)는 상기 변압기에 동일한 전류가 입력되도록 하는 온 또는 오프 PWM 스위치 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변압기; 및 상기 변압기로 동일한 전류가 입력되도록 하는 온 또는 오프 PWM 스위치로 동작하는 두개의 하프 브리지 스위치(S1, S2)를 포함하는 복수의 서브 모듈을 포함하되, 상기 복수의 서브 모듈 중 동일한 암에 연결되는 연속된 두개의 서브 모듈은 코어에 감는 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 멀티 레벨 컨버터가 제공될 수 있다.
상기 변압기를 통해 상기 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈로 180도 위상차를 가지는 전류가 입력되어 코어 내부에서 반전된 플럭스가 형성되어 리플이 제거될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 양의 암 전류에 연결된 제1 멀티 레벨 컨버터; 및 음의 암 전류에 연결된 제2 멀티 레벨 컨버터를 포함하되, 상기 제1 및 제2 멀티 레벨 컨버터는 중성점 그라운드에서 연결되되, 상기 제1 멀티 레벨 컨버터 및 상기 제2 멀티 레벨 컨버터는 각각, 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈을 포함하되, 상기 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈은 자기적으로 결합되어 리플 전력을 제거하는 리플 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈러 멀티 레벨 컨버터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터를 제공함으로써, 동일한 암에 연속된 복수의 서브 모듈을 자기적으로 결합시켜 리플 전력을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 계통이나 모터부하의 저주파수(LF) 전류를 감당하기 위한 서브모듈(SM) 커패시터를 완전히 대체하고 회로 소자의 전압 스트레스를 크게 줄이기 위해 주파수 독립적인 자화 전력 디커플링이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 서브 모듈에 대용량 커패시터를 구비할 필요가 없어 시스템 크기를 현저하게 줄일 수 있는 이점도 있다.
또한, 본 발명은 전력 디커플링 회로를 사용하는 멀티 레벨 컨버터 스위치의 전력 손실이 낮으며, 종래의 서브 모듈 커패시터 물리적 전력 밸런싱 기술에 비해 정격 및 부품 수가 적으며, 순환 전류 주입 기술에 비해 암 전류 크기를 증가시키지 않으며, 고전압 절연이 필요치 않은 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리플 제거부의 회로를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리플 제거부의 회로를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터(100)는 독립적인 직류 전압을 멀티 레벨의 PWM 전압으로 변환하여 계통이나 AC 부하로 출력하기 위한 장치이다. 일반적인 멀티 레벨 컨버터(100)의 구조 및 기능은 당업자에게는 자명한 사항이므로, 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 하며, 본 발명의 핵심 구성을 중심으로 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 멀티 레벨 컨버터(100)는 일반적인 멀티 레벨 컨버터의 구조는 생략되어 있으며, 본 발명의 설명을 위해 필요한 회로만 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레벨 컨버터(100)는 복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)(110a, 110b,??, 110n-1, 110n)을 포함하여 구성된다.
복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n)은 직렬로 연결되며, 서브 모듈의 개수는 제약 없이 구현 방법에 따라 임의적으로 결정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n)의 개수는 짝수로 제한되는 것을 가정하기로 한다.
복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n)은 직류 전원 전압(Vdc)에 연결되며, 상단 암과 하단 암에 흐르는 암 전류는 모든 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n)과 직렬 연결되어 있으므로, 직류 전원으로부터 흐르는 전류와 동일 할 수 있다.
또한, 각각의 서브 모듈들은 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 하프브리지 IGBT 스위치들(Insulated Gate Bipolar mode Transistor switches)(Q1, Q2)과 IGBT 스위치들에 단자들이 연결된 커패시터(SM 커패시터)를 각각 포함할 수 있다. 여기서, 하프브리지 스위치(Q1, Q2)에 인가되는 PWM 온/오프 신호는 종래의 멀티레벨 컨버터 신호와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n)들 중 동일한 암에 연결된 인접한 연속된 두개의 서브 모듈들을 변압기 권선 및 자기 코어(또는 공심)로 자기적으로 연결하여 리플 전력을 제거하기 위한 리플 제거부(120)가 포함될 수 있다. 도 1에서 보여지는 바와 같이, 복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n) 중 동일한 암에 연속된 두개의 서브 모듈들은 각각 변압기 권선 및 자기 코어(또는 공심)로 자기적으로 연결될 수 있다. 복수의 서브 모듈(SM1, SM2, ??, SMN-1, SMN)( 110a, 110b,??, 110n-1, 110n)은 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈 단위로 리플 제거부(120)를 포함한다.
즉, 동일한 암에 연결된 복수의 서브 모듈(편의상 제1 서브 모듈과 제2 서브 모듈로 통칭하기로 함)에 반전된 위상을 가지는 전류를 제공하여 리플을 제거하기 위한 리플 제거부(120)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 리플 제거부(120)는 변압기와 각 서브 모듈내의 두개의 하프브리지 스위치(S1, S2)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈은 권선을 통해 연결되되, 권선이 서로 반대 방향으로 감길 수 있다.
따라서, 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈(예를 들어, 제1 서브 모듈, 제2 서브 모듈)에 180도 위상차를 가지는 전류가 제공되며, 코어 내부에서 반전된 플럭스가 형성됨에 따라 리플이 상쇄되서 제거되는 효과를 가질 수 있다.
보다 상세히 설명하기로 한다.
예를 들어, 동일한 암에 연결된 연속된 제1 서브 모듈과 제2 서브 모듈을 중심으로 설명하기로 한다. 제1 서브 모듈과 제2 서브 모듈은 도 1에서 보여지는 바와 같이, 권선(코어)의 감긴 방향이 서로 반대이다. 이로 인해, 리플 제거부(예를 들어, 변압기)의 2차측은 제어기가 없다면 1차측과 180도 위상차로 전류가 흐르게 된다. 따라서, 동일한 암에 연결된 연속된 제1 서브 모듈과 제2 서브 모듈에는 180도 위상차로 전류가 흐르게 되며, 반전된 플럭스가 형성되어 리플이 상쇄되어 제거되게 된다.
리플 제거부(120)의 상세 구조는 도 2에 도시된 바와 같다.
리플 제거를 위해 추가된 변압기와 서브 모듈의 하프브리지 스위치(S1, S2)는 변압기에 동일한 전류가 들어가도록 하는 온 또는 오프 PWM 스위치 동작을 함으로써, 권선 방향(코어 감는 방향)이 서로 반대이므로 코어 내에서 자기에너지가 서로 상쇄되는 방향으로 동작될 수 있다.
예를 들어, 멀티 레벨 컨버터(100)가 제1 서브 모듈, 제2 서브 모듈, 제3 서브 모듈, 제4 서브 모듈, ??, 제n-1 서브 모듈, 제n 서브 모듈을 포함하는 것을 가정하기로 한다. 두개씩 페어로 연결되므로, 제1 서브 모듈과, 제2 서브 모듈이 하나의 코어로 연결되며, 제3 서브 모듈과 제4 서브 모듈이 하나의 코어로 연결되고, 제n-1 서브 모듈과 제n 서브 모듈이 하나의 코어로 연결될 수 있다.
이때, 홀수번째 서브 모듈들(예를 들어, 제1 서브 모듈, 제3 서브 모듈, ??, 제n-1 서브 모듈)은 권선 감는 방향이 각각 제1 방향일 수 있다. 또한, 짝수번째 서브 모듈들(예를 들어, 제2 서브 모듈, 제4 서브 모듈, ??, 제n 서브 모듈)은 권선 감는 방향이 제1 방향과 반대인 제2 방향일 수 있다.
따라서, 동일한 암에 연결된 연속된 서브 모듈들(예를 들어, 제1 서브 모듈과 제2 서브 모듈, 제3 서브 모듈과 제4 서브 모듈, ??, 제n-1 서브 모듈과 제n 서브 모듈)은 각각 변압기 권선 및 자기 코어(또는 공심)로 자기적으로 연결되되, 권선 감는 방향이 서로 반대일 수 있다. 이로 인해, 리플 제거부(120)에 의해 180도 위상차를 가지는 전류를 동시에 받을 수 있으며, 변압기 코어 내부에서 반전된 플럭스가 형성되어 리플 전력이 상쇄되어 제거될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈러 멀티 레벨 컨버터의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모듈러 멀티 레벨 컨버터(300)는 제1 멀티 레벨 컨버터(310)와 제2 멀티 레벨 컨버터(320)를 포함하여 구성된다.
모듈러 멀티 레벨 컨버터(300)의 전원(Vdc)을 양전원과 음전원으로 나눠서 위와 아래 두개의 멀티 레벨 컨버터(즉, 제1 멀티 레벨 컨버터(310), 제2 멀티 레벨 컨버터(320))가 중성점 그라운드에서 연결된 형태이다.
제1 멀티 레벨 컨버터(310)와 제2 멀티 레벨 컨버터(320)는 각각 복수의 서브 모듈들을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 서브 모듈들은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이, 동일한 암에 연속된 두개의 서브 모듈들은 하나의 코어로 연결되며, 반전된 위상을 가지는 전류를 제공하여 리플을 제거하기 위한 리플 제거부(330)를 포함할 수 있다. 이미 전술한 바와 같이, 리플 제거부(120)는 변압기와 각 서브 모듈내의 두개의 하프브리지 스위치(S1, S2)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 암에 연결된 연속된 두개의 서브 모듈은 권선을 통해 연결되되, 권선이 서로 반대 방향으로 감길 수 있다.
동일한 암에 연속적으로 연결된 두개의 서브 모듈들을 자기적으로 결합시켜 리플 전력을 제거하는 구성에 대해서는 이미 전술한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 멀티 레벨 컨버터
110a, 110b, ??, 110n-1, 110n: 서브 모듈
120: 리플 제거부

Claims (8)

  1. 제n 서브 모듈;
    제(n+1) 서브 모듈; 및
    동일한 암에 연결된 연속된 상기 제n 서브 모듈과 제(n+1) 서브 모듈을 자기적으로 결합하여 리플 전력을 제거하는 리플 제거부를 포함하되,
    상기 제n 서브 모듈과 제(n+1) 서브 모듈은 직렬로 연결되며 멀티 레벨의 PWM 전압을 출력하되,
    상기 리플 제거부는,
    변압기와 상기 제n 서브 모듈과 상기 제(n+1) 서브 모듈 내의 두개의 하프 브리지 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)를 포함하되,
    상기 제n 서브 모듈과 상기 제(n+1) 서브 모듈은 변압기 권선 및 자기 코어로 자기적으로 연결되되, 권선 감는 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 멀티 레벨 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 동일한 암의 연결된 연속된 상기 제n 서브 모듈과 상기 제(n+1) 서브 모듈은 상기 변압기를 통해 180도 위상차를 가지는 전류가 입력되어 권선 내부에서 반전된 플럭스가 형성되어 리플 전류가 제거되는 것을 특징으로 하는 멀티 레벨 컨버터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하프 브리지 제1 스위치(S1)과 제2 스위치(S2)는 온 또는 오프 PWM 스위치 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 멀티 레벨 컨버터.

  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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