KR20010102950A

KR20010102950A - 전기 에너지 변환용 인버터

Info

Publication number: KR20010102950A
Application number: KR1020017006783A
Authority: KR
Inventors: 리거라인하르트; 로이트링거쿠르트
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2001-11-17
Also published as: EP1145416B1; WO2001026210A1; DE50003523D1; JP4727882B2; ES2206322T3; DE19947476A1; KR100860948B1; JP2004507195A; US6449181B1; EP1145416A1

Abstract

본 발명은 전기 에너지, 특히 자동차 전기 시스템용 전기 에너지를 변환하기 위한 인버터에 관한 것이고, 상기 인버터는 개별적 부분 인버터와 하나 이상의 하프 브리지를 포함하며, 상기 하프 브리지에는 소정의 스위치 수를 가진 하나 이상의 하이-사이드-스위치 및 로우-사이드-스위치가 구비된다. 상기 하이-사이드-스위치 및 로우-사이드-스위치는, 전기 에너지를 발생시키는 수단과 연결되어 있는 공동의 연결부를 포함한다. 용량이 가능한 작아야 하는 중간 회로 콘덴서는 상기 하프 브리지에 병렬하게 위치한다. 이를 위해 하프 브리지의 스위치는 서로 오프셋 작동되므로, 중간 회로 콘덴서로부터 공급된 전류는 가능한 적게 유지된다. 상기 인버터의 스로틀의 구성에 대한 다양한 가능성이 있다.

Description

전기 에너지 변환용 인버터 {Inverter for conversion of electrical energy}

예를 들어 자동차 전기 시스템의 전기 에너지는, 요즘 일반적으로 정적 인버터를 통해서 변환된다. 전원 스위치에서는 주로 고정 주파수의 교류값에서 직류값이 변환되거나 또는 반대로 직류값에서 교류값이 변환된다. 상기 교류값 또는 직류값은 예를 들어 전압 또는 전류이다. 상기 값을 변환하기 위해서는 직류값에서의 직류값, 예를 들어 직류 전압에서의 직류 전압이 다른 전압 레벨을 이용하여 변환되는 가능성이 있다. 상기와 같은 전압 변환의 경우 에너지는 양 방향으로 흐를 수 있다.

전압 중간 회로(전압 인버터)를 구비한 인버터와, 예를 들어 자동차 전기 시스템에서의 정류기 브리지 회로와 같이 자체 정류된 브리지 회로는 요즘 거의 모든 인버터 적용 범위에 대해 표준이다. 이때 중간 회로는 직류 전압 네트워크를 통해서 직접 형성될 수 있다. 중간 회로는 에너지의 중간 저장을 위해서 필요하다. 이때 가능한 큰 용량을 가진 콘덴서가 중간 저장부로서 이용된다.

중간 회로 콘덴서의 필요한 용량은, 상기 콘덴서가 중간 저장을 해야 하는 에너지와, 이로부터 기인한 교류를 통해 결정된다. 대부분 중간 회로로는 전해질 콘덴서가 사용되고, 이때 만약 더 큰 에너지량이 중간 저장되어야 한다면, 다수의 전해질 콘덴서가 사용된다. 상기 콘덴서는 그 부피에 관련해서는 특히 큰 용량을 가지며 구성 양식에 따라, 높은 온도에 대해서는 매우 민감하다. 특히 이는 높은 온도일 경우에 전해질 콘덴서를 노화시키고 때이른 손실을 가져온다. 전해질 콘덴서의 또 다른 단점은 적은 전류 전도성, 상대적으로 큰 내부 저항, 와류 인덕턴스 및 캐퍼시티이다.

자동차 전기 시스템에서 3 상 발전기에 의해서 공급된 전압이 변형되는, 전기 에너지의 변형을 위한 인버터는 예를 들어 DE-OS 196 46 043 에 공지되어 있다. 상기 공지된 시스템에서 3 상 발전기는 동시에 스타터로서 작동된다. 상기 기계가 스타터 및 발전기로서 작동할 수 있음으로써, 또한 발전기가 작동하는 동안 출력 전압을 최적으로 제어하기 위해서 전기 기계는 제어된 정류기 브리지를 거쳐 중간 회로 콘덴서에 의해, 배터리를 포함하는 전기 시스템과 연결된다. 정류기 브리지는 여섯개의 펄스 폭 변조 부재를 포함하고 상기 부재는 전기 시스템 제어 장치에 의해서 제어된다.

공지된 전압 인버터에서 필요한 중간 회로 용량, 또는 직류 전압 변환기(DC/DC-변환기)에서의 입력 용량은 그리 크지 않은 구성 공간을 필요로 한다. 주로 상기 중간 회로 콘덴서, 예를 들어 전해질 콘덴서는 큰 부피를 가지는 구성 부품이다. 이점이 단점이기 때문에, 본 발명은 중간 회로 용량의 값, 특히중간 회로 용량의 크기 또는 중간 회로 콘덴서의 크기를 감소시키고 또는 전압 변압기의 경우에 입력 용량을 감소시킴으로써 구성 부피 및 비용을 감소시키고자 하는 것이다. 또 다른 과제는, 일반적으로 중간 회로에 장착된 전해질 콘덴서로부터 다른 콘덴서 원리로 전환될 수 있도록 용량이 감소될 수 있는 가능성을 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는, 인버터의 다양한 분기가 서로 분리되도록 스로틀 장치를 형성하고자 하는 것이다.

본 발명은 전기 에너지, 특히 발전기에 의해 발생된 자동차 전기 시스템용 전기 에너지를 변환하기 위한 인버터에 관한 것이다.

본 발명의 실시예는 도면에 도시되어 있으며 하기의 상세한 설명에서 더 자세히 설명된다.

도 1 은 각 상마다 4 개의 병렬식 분기를 구비한 3 상 기계를 개별적으로 도시한 도면.

도 2 는 인버터의 하프 브리지 모듈이 기계 원주 위로 분배되어 할당된 스위치 형상을 도시한 도면.

도 3 은 3 상 기계의 또 다른 형상을 도시한 도면.

도 4 는 오프셋 작동을 위한 하프 브리지의 모듈을 도시한 도면.

도 5 는 오프셋 작동을 위해서 세 개의 동일한 하프 브리지로 구성된, 완전한 3 상 인버터를 도시한 도면.

도 6 은 서로 다른 압력 레벨을 가진 직류 변압기(DC/DC-변환기)를 위한 본발명의 실시예를 도시한 도면.

도 7 은 다양한 펄스 충격 비율에 대한 중간 회로 전류의 비교표를 도시한 도면.

도 8 은 종방향 스로틀을 가진 브리지 모듈을 도시한 도면.

도 9 는 정류기 브리지를 위해 횡방향 스로틀을 가진 브리지 모듈을 도시한 도면.

도 10, 11, 12 및 13 은 다양한 스로틀 구성을 도시한 도면.

도 14, 15 는 분리된 기계 권선에 대한 실시예를 도시한 도면.

제 1 항의 특징을 가진, 전기 에너지를 변환하기 위한 본 발명에 따른 인버터는, 종래의 시스템에 비해 용량이 분명히 줄어든 콘덴서가 중간 회로 용량으로서 충분하다는 장점을 가진다. 따라서 중간 회로 콘덴서의 크기를 축소시키고 이로써 구성 부피 및 비용을 감소시키는 것이 유리한 방법으로 가능해진다. 특히 유리한 방법으로, 하나 이상의 하이-사이드-스위치(high-side switches) 및 하나 이상의 로우-사이드-스위치(low-side switches)를 포함하는 인버터의 구성이 가능해짐으로써, 필요한 용량은 일반적으로 사용된 전해질 콘덴서로부터 다른 콘덴서 원리로 전환될 수 있도록 감소될 수 있다. 이로써 전해질 콘덴서의 적은 전류 운반 능력 및 노화 및 온도 민감성이 피할 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 종속항에 제시된 방법을 통해서 도달된다. 이때 인버터(들) 또는 DC/DC-변환기가, 반도체 밸브를 구비한 분리된 하프 브리지로서 구성될 수 있는 것이 장점이고 상기 브리지는 특히 유리한 방법으로 발전기 하우징 또는 기계 하우징에 통합될 수 있는 완전한 인버터 모듈로 통합될 수 있다.

하프 브리지가 적절하게 오프셋 작동됨으로써, 유리한 방법으로 특히 적은 전압 변동이 유지될 수 있다. 동시에 작동하는 것을 통해서, 병렬하게 접속된 하프 브리지의 반도체 밸브 또는 반도체 스위치는 단락이 확실히 방지된다.

결합된 스로틀을 투입함으로써 인버터의 다양한 분기는 유리하게 분리될 수 있다. 예를 들어 3 각 결선(delta connection)에서의 클로 폴형 정상장 동기 발전기(claw-pole stationary-field synchronous generator)를 위한 기계 권선은 스로틀의 유리한 장치를 이용하여 실시될 수 있으므로, 두 개의 부분 분기의 분리가 유지된다.

전기 에너지의 변환을 위한 정적 인버터의 경우에 전원(power electronics)반도체가 사용된다. 이때 인버터는 주로 하프 브리지에서 분할된다. 예를 들어 3 상 작동을 위한 인버터는, 부분적으로 통합될 수 있는 세 개의 하프 브리지를 통해서 완전한 인버터 모듈로 구성된다. 또한 DC/DC-변환기도 하프 브리지를 통해서 실행된다. 하나의 하프 브리지는 하나의 하이-사이드-스위치 및 하나의 로우-사이드-스위치로 구성되고, 하기에서는 밸브 또는 반도체 밸브로서 표현되며 상의 수에 따라 좌우되는 트랜지스터의 수를 포함한다. 상기 스위치는 예를 들어 적절한 수의 펄스 폭 변조 부재로 구성될 수도 있다.

상기와 같은 하프 브리지 분기의 기능을 위해서 필요한 중간 회로 콘덴서의 용량은, 주파수 f_PWM의 펄스 폭 변조(PWM)를 이용한 작동시에는 다음 수학식 1과 같이 된다.

상기 수학식 1에서 I는 하프 브리지의 출력 전류이고, 전압 변동 ΔU 는 중간 회로(입력부쪽)에서 허용할 수 있는 전압 변동이며, ν 는 펄스-폭-변조(PWM)의 순간적 펄스 충격 비율이다. 다상의 브리지는 하프 브리지의 상응된 수를 통해서 형성된다. 하프 브리지는 대부분 서로 오프셋으로 작동된다. 개별 상들이 중간 회로로부터 전류를 오프셋으로 받고 전압 변동은 상응되게 감소되므로, 중간 회로의 부하는 감소될 수 있다. 최대 전압 변동은 PWM-펄스 duty 비율이 v= 0.5 일 경우에 발생된다.

스위치의 필요한 전류 전도성에 도달하기 위해서, 하나의 하프 브리지에서의 다수의 반도체 밸브는 병렬 접속된다. 병렬 접속된 밸브는 동시에 작동되어야 하고, 이는 상기 하프 브리지에서의 "소위 분기" 를 방지하고 이로써 어떤 경우에서도 중간 회로 단락을 방지하기 위해서이다. 따라서 개별 밸브의 병렬 접속은 "단일" 스위치의 경우와 같다.

출력부쪽에서 반도체 밸브의 병렬 접속이 끊기면, 하프 브리지로부터 다상의 장치가 생긴다. 이는, 부분 분기가 서로 작동될 때 중간 회로의 부하가 분명히 줄어들 수 있다는 장점을 가진다. 병렬식 분기가 인덕턴스에 의해 분리되면, 분기는 다시 병렬 연결되고 3 상 장치일 경우 및 또한 DC/DC-변환기의 "단상" 장치일 경우의 더 적은 중간 회로 부하의 장점에 도달될 수 있다.

하프 브리지를 통해서 구성되는 인버터와 DC/DC-변환기의 경우에 하프 브리지는, 동시에 중간 회로 콘덴서 및 제어 회로를 함께 통합하는 완전한 모듈로서 실행될 수 있다.

주로 다수의 개별 밸브 또는 스위치들을 병렬 접속함으로써 양 브리지 스위치가 형성된다. 이에 대해 개별 도면에는 4 개의 병렬식 밸브, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(MOSFETs)가 도시된다. 그러나 또 다른 수의 병렬식 반도체가 사용될 수도 있다. 반도체로서는 물론 바이폴러 트랜지스터 또는 펄스 폭 변조 부재와 같이 이미 언급된 전계 효과 트랜지스터로서 다른 밸브가 사용될 수 있다. 3 상 인버터는 상기와 같은 세 개의 하프 브리지 모듈로 구성될 수 있다. DC/DC-변환기는 적절하게 선택될 수 있는 밸브 수를 가진 하프 브리지를 통해서 실행될 수 있다. 상기 밸브 또는 스위치는, 필요한 제어 신호를 전송하는 제어 또는 조절 장치에 의해서 제어된다. 자동차 전기 시스템에서 제어 또는 조절 장치로는 전압 조정기 또는 전기 시스템 제어 장치 또는 그 외의 제어 장치가 사용될 수 있다.

다상 작동을 위한 병렬식 권선 분기

단상의 변압기의 경우 및 3 상 기계의 경우에 권선은 병렬 접속된 다양한 권선 분기로 구성될 수 있다. 원칙적으로, 예를 들어 3 상 기계의 경우에 개별 권선 분기의 병렬 접속이 상기 기계에서 끊어질 수 있으며 연결부는 인버터에서 분리될 수 있다. 회로의 예시는 도 1 에 도시된다.

상기와 같은 회로의 예에서, 상 권선(11, 12, 13)을 가진 3 상 발전기(10)가 전기 에너지를 공급한다. 상기 상 권선은 상기 권선쪽에 병렬 접속된 네 개의 권선 분기(14 내지 17, 18 내지 21, 22 내지 25)로 분할된다. 상기 상 권선(11, 12, 13)은, 각각 네 개의 로우-사이드-스위치(29 내지 40)와 네 개의 하이-사이드-스위치(41 내지 52)를 포함하는 하프 브리지(26, 27, 28)에 할당된다. 각각의 하프 브리지(26, 27, 28)에 평행하게 중간 회로 또는 중간 회로 콘덴서(53, 54, 55)가 위치한다.

상기 병렬식 권선 분기는 인버터의 각각의 하프 브리지의 병렬식 분기에 분리되어 연결될 수 있다. 따라서 3 상의 기계는 다상의 장치가 된다. 상기 하프 브리지의 병렬 분기(출력부쪽 또는 기계쪽에서 더 이상 연결되지 않는)가 오프셋 작동되면, 중간 회로 콘덴서의 부하는 갑자기 감소된다. 상기 회로는 인버터와 기계 사이에 다수의 연결선이 필요하다는 단점이 있다.

그러나 개별 하프 브리지들이 완전한 모듈로서 구성되고 기계에 직접 통합될 때, 상기 회로는 유리하게 사용될 수 있다. 이때 상기 하프 브리지 모듈은 기계 원주에 걸쳐서 배분되어 배열될 수 있다.

물론 다상의 성형 결선(star connection) 대신에 3 각 결선도 가능하다. 상기 3 각 결선은 다상의 장치일 경우에 링 결선으로 전환되며 이는 상기 3 각 결선이 직류 기계에 있을 때에도 마찬가지이다. 상기 3 각 결선은 여기서 12 상으로 도시되나 또 다른 상의 수도 가능하며 특히 홀수의 상도 고려될 수 있다. 도 2, 3 에 두 개의 회로의 예시가 도시된다. 할당된 밸브 또는 스위치(32, 44) 및 중간 회로 용량(53a)을 구비한 하나의 권선 분기(14)만이 예시로 도면 부호가 제공된다. 상기 스위치는 제어 또는 조절 장치(75)를 통해서 작동된다. 도 2에는 스위치(32,44)에 대한 제어 또는 조절 장치(75)와 밸브의 연결이 본보기로서 도시되고, 상기 연결은 물론 나머지 스위치에서도 나타난다. 작동 상태의 발전기(10)로부터 공급된 전압은 U 로 도시된다.

도시된 다상의 장치 대신에, 분리된 다수의 성형 또는 3 각형으로 형성된 권선 회로를 선택할 수도 있다. 이때 다상의 장치를 실행하기 위해서, 분리된 권선을 가진 각각의 쌍극을 다극의 기계에 제공하고 상기 권선을 분리시켜 인버터 분기에 연결하는 것이 본보기로서 가능하다.

하프 브리지 내부에서의 병렬 작동

외부 인버터의 경우, 병렬식 권선 코드에서의 권선의 배분은 인버터와 기계 사이에 많은 수의 연결선을 포함하는 단점을 가지기 때문에 상기 병렬식 권선 코드는 다시 함께 접속되어야 하고 하프 브리지 내부에서의 회로는 오프셋된 클록을 가능하게 한다.

상기 하프 브리지 내부의 병렬식 밸브의 오프셋 작동을 이용한 상기 방법은 출력부쪽의 부분 분기가 하나의 상으로 함께 접속될 때 실행될 수 있다. 이를 위해서는 부분 분기가 합쳐지는 노드점 앞에 작은 인덕턴스가 필요하며, 상기 인덕턴스는 하프 브리지의 내부에서 "소위 분기" 를 방지한다.

도 4 에는 오프셋 작동을 이용한 인버터를 위한 하프 브리지의 모듈이 도시되고, 네 개의 병렬식 밸브 또는 스위치(29, 30, 31, 32 및 41, 42, 43, 44)가 예시로 도시된다. 물론 또 다른 수의 병렬식 밸브 또는 다른 수의 병렬식 부분 분기도 가능하다. 부가적으로 인버터의 작동 가능성을 위해 필요한 분리 인덕턴스(56,57, 58, 59)가 제공된다.

도 5 는 자동차의 발전기 또는 스타터/발전기와 같은 3 상 발전기를 위한 완전한 3 상 인버터를 도시하며 상기 인버터는 오프셋 작동을 위해서 3 개의 동일한 하프 브리지를 포함한다. 상기 하프 브리지 각각에는 인덕턴스(56 내지 67)가 할당된다. 도 5 에 도시된 인버터 장치의 설명은 도 1 내지 도 4 의 실시예와 일치한다. 스위치 또는 밸브를 제어하기 위해서, 스위치 또는 밸브(33)와 제어 및 조절 장치(75) 사이의 연결이 본보기로 제시된다.

변압기(DC/DC-변환기)의 실시예는 도 6 에 도시된다. 작동할 수 있는 스위치(29 내지 32, 41 내지 44) 및 분리 인덕턴스(56 내지 59)를 구비한 하프 브리지는 전적으로 DC/DC-변환기로서 사용될 수 있다. 이를 위해, 상기 브리지 모듈은 출력부쪽에 있는 콘덴서(68)를 통해서만 확장된다. DC-DC-변환기를 위해 필요한 인덕턴스는 이미 상기 분리 인덕턴스(56 내지 58)를 통해서 제공된다.

오프셋 클록의 원리

브리지 분기 내부의 병렬식 트랜지스터의 오프셋 클록은 할당된 중간 회로 콘덴서의 현저하게 작은 부하를 가져온다. 이는 실시예에 기초하여 도시되어야 한다. 이때 원칙적으로 출력부에 큰 인덕턴스가 먼저 나타나므로 전류는 일정하게 관찰될 수 있다. 또한 단지 하프 브리지의 중간 회로 전류가 관찰된다. 완전한 인버터 브리지의 경우 적어도 부분적으로 중간 회로 전류에서 조화파가 상승되므로, 적절한 비율이 생긴다.

또 다른 관찰을 위해서 네 개의 병렬식 스위치(k = 4)가 본보기로 제시된다.하프 브리지의 내부에서의 오프셋 클록의 경우, 펄스 충격 비율 v = 0 과 1 이외에도 세 개의 또 다른 펄스 충격 비율이 존재하고 상기 비율에서는 도 1, 4 또는 5 에 따른 중간 회로 콘덴서(53, 54, 55)가 적어도 이론적으로 부하를 받지 않는다. 이는 펄스 충격 비율 v = 2/8, 4/8, 6/8 에 대해서도 유효하다. 부하가 없는 펄스 충격 비율의 수는 원칙적으로 병렬식 스위치 k 에 1 을 더한(k + 1) 수와 동일하다.

중간 회로 콘덴서(들)가 이론적으로 부하를 받지 않는 펄스 충격 비율은 일반적으로 v =g/k의 경우이다. 상기에서g는 0 과 k 사이의 전체 수 (g= 0, 1, 2, ...,k)이다. 콘덴서(들)의 최대 부하가 발생하는 펄스 충격 비율은,v= (g'-1)/2k일 때 부하가 없는 펄스 충격 비율 사이에 위치한다. 이때 g' = 1, 2, ..., k 이고 0 은 없다.

도 7에는 다양한 펄스 충격 비율에 대한 중간 회로 전류가 도시되고, 상기 전류는 중간 회로 콘덴서로부터 공급되어야 한다. 우선 펄스 충격 비율 v = 1/4, 1/2 및 3/4 이 도시된다. 상기의 세 개의 펄스 충격 비율일 경우, 오프셋 클록시에 적어도 이론적으로는 해당 중간 회로 콘덴서의 부하는 생기지 않는다. 또 다른 실시예로서 펄스 충격 비율 v = 5/8 이 도시된다. 상기 펄스 충격 비율일 경우, 오프셋 클록 시에 중간 회로 콘덴서의 최대 부하가 생긴다.

스위치 또는 밸브가 동시에 작동될 경우 및 스위치 또는 밸브가 오프셋 작동될 경우에 서로 다른 콘덴서 부하는 하기의 표 1에 나타난다.

상기의 작동 방법을 통해 종래의 필요한 전해질 콘덴서는 감소될 수 있다. 4 개의 병렬식 분기일 경우, 중간 회로 용량은 다음 수학식 2와 같다:

부가적으로, 전해질 콘덴서와 비교하여 더 큰 전류 전도성을 가진 콘덴서 원리로 넘어가면 대부분 상기 용량은 또 한번 감소될 수 있다. 전해질 콘덴서의 경우, 전류 부하는 상기 값에 결정적이며 이는 상기 값은 제한된 값이기 때문이다. 따라서 필요한 전압 변동에 대해 필요한 용량보다 사용된 용량이 더 크다.

또한 큰 주파수(k f_PWM)의 경우에 쉽게 필터링되는 더 큰 전압 변동이 허용될 수 있고, 이는 중간 회로 콘덴서를 더 감소시킨다.

필요한 인덕턴스

병렬식 스위치의 오프셋 작동의 기능을 위해 부가적으로 인덕턴스(56 내지 67)이 필요하다. 상기 인덕턴스는 도 4, 5, 6 에 도시된 바와 같이 각 부분 브리지 분기의 출력부에 위치한다. 이로부터, 출력 노드의 전압은 클록 전압의 일정한 평균값에 위치하는 것이 우선적으로 제시될 수 있다(Ｕ= v·U _Z ). 이로써 하기의 수학식 3 에 의한 인덕턴스에 의해서 전압이 생긴다.

저항 옴이 무시된 경우에 U_L에 대한 적분은 동일하게 0 이 되어야 한다(). 확실한 전압 변동I의 경우에 필요한 인덕턴스는 수학식 4와 같다.

이때 펄스 충격 비율 ν = 0.5 일 때에 부적절한 경우가 발생한다. 출력 인덕턴스는 동시에 출력 필터로 도시되므로 출력 전압의 에지 스팁니스(edge steepness)는 약화된다. 인버터의 상 출구에 있는 부가적인 용량을 통해서, 상기 필터링 작용은 더 개선될 수 있다. 부가적으로, 도선 인덕턴스도 스위칭 부재로부터 결합점에까지 사용될 수 있다.

또한 하프 브리지의 출력부의 인덕턴스에 대해서는 결합된 스로틀이 고려될 수 있다. 스로틀의 구성은 도 8 에 따른 종방향 스로틀 또는 도 9 에 따른 횡방향 스로틀의 형태로 된다.

종방향 스로틀(69 내지 72)을 가진 회로의 경우에 작동 능력은 원칙에 따라 존재한다. 이때 각각 중심 탭(central tap)을 포함하는 모든 코일은 공동의 코어에 장착된다. 상기 스로틀의 양 권선 사이의 분산이 문제가 될 수 있다. 또한 상기 스로틀은 스위치 또는 밸브의 트랜지스터 사이에 있는 분기에 낮은 인덕턴스로 구성된다. 상기 밸브에 대해서는 통상적인 릴리프 회로가 사용될 수도 있다.

상기 두 개의 밸브 분기 사이에, 결합된 스로틀이 삽입되면, 횡방향 스로틀(73, 74)를 가진 구성이 생긴다. 이때 하나의 횡방향 스로틀은 양 분기에 대한 기능을 한다. 따라서 종방향 스로틀을 이용한 방법에 비해 절반의 스로틀이 필요하다. 또한 각각의 스로틀은 양 분기의 차이 전류 만큼의 크기를 갖는다. 상기 양 분기의 중앙의 출력 전류는 스로틀 유동 상태에서 중단된다. 상기 변형예는 특히 상기 양 분기 사이에 스로틀이 위치하고 상기 분기 각각이 T_PWM/2 로 서로 오프셋될 때 유리하다.

상기 인버터는 내부의 전류 변동을 상기 인버터의 스위칭 부재에서 나타내기 때문에, 관류 손실 및 변환 손실은 상응되게 커진다. 전류 변동은 일시적 부하 전류와는 무관하다. 상기 전류 변동은 제 1 선에서 펄스 충격 비율(ν)에 의해서만 결정된다.

따라서 완전한 크기의 전류 변동은 부분 부하 영역과 기계의 공회전시에 발생한다. 전류 변동을 통한 부가적 인버터 손실은 마찬가지로 부분 부하 영역에서 발생한다. 이 때문에 부분 부하 영역에서 개선점이 생기는 방법이 또한 제시된다.

부분 부하 영역에서의 개선

발생된 손실에 관해서는, 공회전시 및 하부의 부분 부하 영역에서 동시에 접속되는 인버터가 다른 방법보다 더 유용하다. 부분 부하 영역에서는 동시에 접속된 인버터가 적은 용량으로도 작동될 수 있다. 따라서 오프셋 접속된 인버터의 경우에 제어 밸브의 오프셋이 부하 전류를 이용하여 방지될 때, 전체 구성의 부분 부하 효율은 다시 개선된다. 이는 공회전시에 인버터는 동시에 접속된 인버터로서 운전되고, 완전 부하 영역에서는 T_PWM/k 인 제어 펄스의 시간적 오프셋을 이용한 오프셋 접속된 인버터로서 운전되는 것을 의미한다. 이는 개별 스위치 또는 밸브에 대한 제어 펄스의 균형적 배분에 일치한다.

결합된 스로틀의 이미 언급한 사용 가능성은 도 10 내지 12 에 도시된 구성을 이용하여 도달된다. 도 13 내지 15 에는 인버터의 다양한 부분 분기를 분리하기에 적합한 구성 형태 및 권선 장치가 도시된다. 또한 3 각 결선에 있는 클로 폴형 정상장 동기 발전기를 위한 기계 권선이 제시되고 상기 권선은 마찬가지로 2 개의 병렬식 부분 분기를 분리하기에 적합하다. 상기 권선은 두 개의 권선 와이어를가진 요즘의 발전기에 통합될 수 있기 때문에 특히 유용하다.

결합되거나 보상된 스로틀

부분 분기가 서로 분리되기 위해서는 하프 브리지의 부분 분기 사이에 인덕턴스만이 필요하고 또한 상기 하프 브리지의 부하 전류는 부가적 인덕턴스를 필요로 하지 않으므로, 스로틀 크기는 결합된 인덕턴스를 통해서 감소될 수 있다. 결합된 스로틀은 상기 부분 분기의 부하 전류가 서로 보상되고 스로틀의 자기적 부하가 생기지 않는 크기를 가져야 한다. 상기 개별 부분 분기 사이의 차이 전류만이(전류 변동) 자계를 이끌어낸다. 스로틀 코어는 단지 차이 전류의 자계만을 안내해야 하며 이로써 분명히 작은 크기를 가질 수 있다. 권선은 전류 전체를 운반하며 상기 전류를 운반하도록 크기를 가진다.

결합된 스로틀을 실행하기 위해서는 도 10 에 도시된 다양한 가능성들이 있다. 결합된 스로틀에 대한 다양한 원리는 하기에 제시된다. 이때 오프셋된 네 개의 스위치가 본보기로 제시된다. 그러나 상기 회로 원리는 다른 스위치 수에도 적용된다.

A : 단순하게 결합된 스로틀

결합된 스로틀(75 내지 91)은 도 10 에 도시된 바와 같이 개별적으로 구성될 수 있다(밸브 또는 스위치는 도 10, 11, 12 에서 고유 도면 부호 없이 각각 회로로서 도시된다). 왼쪽 구성에서 합(sum) 전류 또는 부하 전류는 네 개의 모든 스로틀(75 내지 83)을 통해서 안내된다. k = 4 에 대해서 입력부쪽에는 4( = k)의 권취수가 필요하다. 도 10b 에 따른 오른쪽의 구성에서는 각각 2 개의 분기가 서로접속된다.

도 10에 따라, 각각 두 개의 스로틀이 코어에서 통합될 수 있다. 다양한 가능성은 도 12 에 도시된다. 스로틀(92 내지 95)은 제 1 스로틀을 형성하고 스로틀(96 내지 99)은 제 2 스로틀을 형성하며 스로틀(100 내지 103)은 제 3 스로틀을 형성한다. 결합된 스로틀은 코어 둘레에 두 개의 권선을 포함한다. 이때 상기 양 권선은, 상기 권선이 입력부쪽과 출력부쪽 사이에서 반대되도록 접속된다. k = 2 일 경우, 결합된 스로틀은 양 인버터 부분 분기 사이에 삽입될 수 있다(도 11).

k > 2 일 경우, 결합된 스로틀은 나란한 형태로는 사용될 수 없다. 두 개의 결합된 스로틀이 삽입되면, 하나의 스로틀의 양 연결부가 퍼텐셜에 위치하는 접속상태, 즉 분기가 생긴다. 상기 권선의 스트레이(stray) 인덕턴스만이 작용을 한다.

두 개의 병렬식 분기보다 많을 경우, 결합된 하나의 스로틀을 가진 각각 두 개의 분기가 함께 통합될 수 있다. 스로틀 출력부는 결합된 또 다른 하나의 스로틀을 통해서 분리되어야 한다. 이로써 k = 4 일 경우, 세 개의 결합된 스로틀이 필요하다.

B:보상된 스로틀

k > 2(ex.k = 4)일 경우에 구성이 동일하게 결합된 스로틀을 사용하기 위해서, 또 다른 회로 장치가 사용된다. 이를 위해, 코어 위에 있는 권선 k 를 가진 스로틀(104 내지 109)이 필요하다. 이로써 홀수의 스위치 수도 단순하게 실행될수 있다. 각 코일 k 를 가진 k - 1 스로틀이 필요하다. 보상된 스로틀에 대한 실시예는 도 12 에 도시된다.

C:다상의 스로틀

보상된 스로틀의 원리에서, 두 개의 병렬식 부분 분기보다 많을 경우에는 하나의 코어에 통합될 수 있다. 이를 위해 부재 k 를 가진 스로틀이 필요하다. 상기 각각의 부재에는 부분 분기의 스로틀 코일이 안착된다. 다상의 스로틀을 구성하기 위해서는 다양한 구성 형태가 있다. 여기서는 네 개의 분기가 본보기로 제시된다. 스로틀은 권선(105 내지 116)으로서 각각 하나의 코어 또는 공동의 코어에 도시된다. 다양한 구성은 도 13 에 나타난다.

병렬식 구성

모든 분기에 있는 직류가 유동하면 안되는(제로 시스템) 조건은 컬럼(column) 변압기를 통해서 충족된다. 상기 제로 시스템 조건을 제한하기 위한 원리는 3 상 기술로부터 공지되어 있다.

모든 변압기 부재에 있는 동일한 관류는 상부 및 하부 요크 사이에 있는 자기 전압으로 안내되나, 자기적으로 유도되는 플러스 통로는 사용되지 않는다. 단지 스트레이 플럭스만이 공기 공간에 걸쳐 요크로부터 요크로 형성될 수 있다.

회로 구성

개별적 컬럼이 하나의 평면에 나란히 배열되지 않고 하나의 회로에 배열될 때, 무게는 감소될 수 있다. 요크는 폐쇄된 링으로서 형성될 수 있고 단지 절반의 횡단면만을 필요로 한다.

성(star)형 구성

네 개의 컬럼이 성형으로 배열될 때 스로틀의 구조적 구성에 대한 또 다른 가능성이 생긴다. 내부의 요크는 줄어든다. 상기 스로틀은, 모든 스로틀 코일이 다시 한 평면에 위치하는 장점을 제공한다. 동시에 외부의 간섭(interference)요크는 상대적으로 길다. 성형 구성은 다수의 홀이 있는 코어에서도 실행될 수 있다. 이때 단지 1 또는 2 의 권취수가 적합하고 이로써 매우 간단한 구성이 실행된다. 도 13d 는 권선(116 내지 119)을 가진 가능한 실시예를 도시한다.

분리된 기계 권선

도 14 및 15 에는 분리된 권선을 위한 두 개의 실시예가 도시된다. 도 14 에는 병렬식 와이어(120, 121)가 있다. 기계 권선이 병렬식 권선 분기로 구성될 때 출력 인덕턴스는 생략될 수 있다. 상기 권선이 함께 접속되지 않으면, 권선 단부는 인버터 브리지의 부분 분기에 직접 연결될 수 있다. 클로 폴형 정상장 동기기계일 경우, 고정자 권선은 병렬식으로 감긴 두 개의 와이어를 통해서 생산될 수 있다. 상기 권선은 정류기 기판에서 3 각 결선 쪽으로, 병렬식 와이어와 연결된다. 상기 권선은 파형 권선으로서 실시된다. 이에 대해 성형 권선은 병렬식 양 와이어로 감기며 코드에 대한 이하의 권선 도식이 생긴다.

반경 r 과 중점 간격 d 를 이용하여, 길이 l 인 두 개의 병렬식 둥근 와이어 의 인덕턴스는 다음 수학식 6과 같다.

이때 괄호(상수 = 1/4) 안의 제 1 값은 도선의 내부 인덕턴스를 나타내고 제 2 값은 외부 인덕턴스를 나타낸다. 상기 와이어가 완전하게 병렬으로 뻗어 있지 않기 때문에 실제적으로는 이론보다 큰 값이 생긴다.

도 15에 따른 실시예에서는 권선이 변형된다. 이때 요즘 일반적인 와이어의 안내는 포기되고 두 개의 성형 권선이 사용되므로, 양 와이어(122, 123)의 권선 헤드는 분리될 수 있다.

이로써 이중 권선 헤드 스트레이 둘레의 두 개의 와이어 사이에 인덕턴스가 생긴다. 따라서 작용하는 인덕턴스는 병렬식 와이어와 비교하여 여러번 증가된다. 이로써 상기와 같은 권선은, 두 개의 병렬식 분기를 가진 오프셋 클록에 적합하다. 따라서 증가된 분기수는 가능하지 않으며 이는 인버터에서 부가적 스로틀을 통해서 가능하게 될 수 있다.

Claims

소정의 스위치 수를 가진 하나 이상의 하이-사이드-스위치 및 로우-사이드-스위치를 구비한 하나 이상의 하프 브리지를 구비하고, 상기 하이-사이드-스위치 및 로우-사이드-스위치는 전기 에너지를 발생시키는 수단과 연결되어 있는 공동의 연결부를 포함하며, 상기 하프 브리지에 병렬하게 위치한 콘덴서를 구비한, 전기 에너지 특히 자동차 전기 시스템용 전기 에너지를 변환하기 위한 인버터에 있어서,

상기 스위치가 서로 오프셋 작동되는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항에 있어서, 전기 에너지를 발생시키는 수단이 전기 기계, 특히 발전기 또는 스타터/발전기인 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전기 에너지를 발생시키는 수단은, 병렬식으로 위치한 소정의 권선수 k 를 가진 3 상 권선 발전기이며, 상기 인버터는 동일한 세 개의 하프 브리지를 포함하는 3 상 인버터이고, 상기 하프 브리지는 오프셋 작동되는 이중의 스위치 수 k 를 가지는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이-사이드-스위치 및 로우-사이드-스위치가, 제어 및 조절 장치를 이용하여 제어되고 특히 펄스 폭 변조로 작동되는 전계 효과 트랜지스터 또는 바이폴러 트랜지스터 또는 펄스 폭 변조부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이-사이드-스위치 및 로우-사이드-스위치의 공동의 연결부와 전기 에너지를 발생시키는 수단 사이의 연결은 각각 하나 이상의 인덕턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 5 항에 있어서, 상기 인덕턴스는 서로 할당된 스위치 사이에 종방향 스로틀로서 연속으로 위치하거나, 각 네 개의 스위치 사이에 횡방향 스로틀로서 위치하는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하프 브리지는, 상기 하프 브리지가 직류 전압 변환기로서 작동하고 부가적으로, 출력부의 중간 회로 콘덴서 쪽으로 또 다른 콘덴서를 포함하도록 형성되고 작동되며, 상기 콘덴서에는 상기 중간 회로 콘덴서의 전압으로부터 다양한 전압이 발생하는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치는 펄스 폭 변조된 신호를 이용하여 클록 작동되고, 중간 회로 콘덴서가 단지 적게 부하를 받고 특히 동일하게 2/8, 4/8, 6/8 이 선택되도록 펄스 충격 비율이 낮은 데서 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 인버터가 개별 모듈로 합쳐지고 기계 하우징에서 통합되는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 필요한 스로틀은 단순하게 결합되거나 보상된 스로틀로서 형성되는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 필요한 스로틀은 다상의 스로틀로서 형성되고 병렬식 구성 또는 원형 구성 또는 성형 구성에 배열되며, 각각 적합한 요크를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 기계의 권선은 두 개의 병렬식 와이어 또는 두 개의 성형 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터.