KR20010104006A - Hvigbt를 이용한 인버터 파워 스택 - Google Patents

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Abstract

HVIGBT를 이용한 인버터 파워 스택이 공개된다. 외부의 DC 링크 커패시터에 링크된 직류의 전압을 교류의 전압으로 인버팅하는 1상의 NPC 인버터 파워 스택은 외부로부터 인가되는 구동신호 및 구동 전압을 받아들이는 구동신호 입력보드, 구동신호들 및 구동 전압에 응답하여, 직류의 전압을 교류의 전압으로 인버팅하는 인버팅 동작부, 인버팅 동작부의 일측면에 취부되며, 인버팅 동작부 내부에서 발생되는 열을 외부로 발산시키는 다수개의 냉각 팬들 및 다수개의 냉각 팬들이 취부된 측면과 인접한 두 측면 각각에 분리되어 취부되며, 인버팅 동작부의 임피던스를 매칭시키는 다수개의 분압 저항들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 인버터 파워 스택은 인버터 스택의 부피를 최소화하여 인버터 파워 스택의 취부 및 취외가 용이하다. 또한, 인버터 파워 스택은 동작부별로 효과적으로 분리 배치되어 인버터 파워 스택에 결함이 발생되었을 경우, 인버터 파워 스택을 취외하여 쉽게 수리할 수 있다. 따라서, 인버터 파워 스택의 유지 및 보수 작업이 용이해 진다.

Description

HVIGBT를 이용한 인버터 파워 스택{Inverter power stack using HVIGBT}
본 발명은 NPC(neutral point clamped) 인버터 파워 스택에 관한 것으로, 특히, HVIGBT(High Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 NPC 인버터 파워 스택에 관한 것이다.
HVIGBT를 이용한 고압용 인버터 파워 스택은 구조가 복잡하여 유지 및 보수가 어렵다. 따라서, 안정된 전압을 출력하면서 유지 및 보수가 용이한 구조의 인버터 파워 스택이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 안정된 전압을 출력하면서 유지 및 보수가 용이한 HVIGBT를 이용한 인버터 파워 스택을 제공하는 데 있다.
도 1은 1상(phase)의 전압을 발생하는 NPC 인버터의 일반적인 회로구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유지 및 보수가 용이한 인버터 파워 스택의 외관을 보이는 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 분압저항들(R1~R4)이 인버터 파워 스택에 취부된 형상을 보이는 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 인버팅 동작부(110)의 내부 구조의 일실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 인버팅 동작 모듈(140)의 내부 구조의 일실시예를 보이는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 인버터 파워 스택의 정면을 나타내는 정면도이다.
상기 과제를 이루기 위해, 외부의 DC 링크 커패시터에 링크된 직류의 전압을 교류의 전압으로 인버팅하는 1상의 NPC 인버터 파워 스택은 외부로부터 인가되는 구동신호 및 구동 전압을 받아들이는 구동신호 입력보드, 구동신호들 및 구동 전압에 응답하여, 직류의 전압을 교류의 전압으로 인버팅하는 인버팅 동작부, 인버팅 동작부의 일측면에 취부되며, 인버팅 동작부 내부에서 발생되는 열을 외부로 발산시키는 다수개의 냉각 팬들 및 다수개의 냉각 팬들이 취부된 측면과 인접한 두 측면 각각에 분리되어 취부되며, 인버팅 동작부의 임피던스를 매칭시키는 다수개의 분압 저항들을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 인버터 파워 스택을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 1상(phase)의 전압을 발생하는 NPC 인버터의 일반적인 회로구성을 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하여, NPC 인버터는 전력용 스위칭 소자(T)에 역병렬 다이오드(D)가 병렬 연결된 스위칭 소자들(10a~10d)의 직렬 연결구조를 갖는다. 스위칭 소자들(10a~10d)은 게이트 제어신호(S1~S4)들에 응답하여 턴온/턴오프되며, 스위칭 소자들(10a~10d)의 턴온/턴오프 동작에 의해 DC 링크 커패시터(Cdc)에 링크된 DC 전압이 AC 전압으로 변환되어 출력단자 OUT으로 출력된다. 여기서, 고압(660V~3300V)용 전동기 등을 구동하기 위한 고압용 인버터의 경우, 스위칭 소자들(10a~10d)로 IGBT가 이용된다.
중성점 클램핑 다이오드(12)는 NPC 인버터의 중성점을 클램핑한다.
DC 링크 커패시터(Cdc)는 소정의 직류 전압을 링크하고 있다.
분압 저항들(R1~R4)은 스위칭 소자들(10a~10d)의 임피던스 매칭을 위해 스위칭 소자들(10a~10d) 각각에 병렬 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자들(10a~10d)이 직렬 연결된 NPC 인버터의 경우, 각 스위칭 소자들(10a~10d)의 차단 임피던스 차이에 의해 정상상태에서의 차단전압 불균형을 초래할 수 있다. 이것은 소자가 차단 상태(blocking state)에 있을 때 흐르는 누설전류의 차이로 인해 발생되며, 스위칭 소자들(10a~10d) 각각에 병렬 연결된 분압 저항들(R1~R4)에 의해 임피던스 매칭된다.
커패시터들(C1,C2)은 도 1에 도시된 인버터 회로를 이용하여 NPC 인버터 파워 스택을 구성할 때, 부유 용량(stray inductance)으로 인한 과전압을 방지하기 위해 사용된다. 즉, 도 1에 도시된 회로도를 이용하여 1상의 NPC 인버터 파워 스택을 구성할 때, 1상의 NPC 스택의 부피를 최소화하기 위해 1상의 NPC 스택은 커패시터들(C1,C2), 중성점 클램핑 다이오드(12), 스위칭 소자들(10a~10d) 및 분압 저항들(R1~R4)로 구성된다. 고전압의 DC 전압을 링크하는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 부피는 매우 크다. 따라서, DC 링크 커패시터(Cdc)를 NPC 인버터 파워 스택에 구성시킬 경우, NPC 인버터 파워 스택이 매우 커지므로 DC 링크 커패시터(Cdc)를 NPC 인버터 파워 스택 외부에 배치시키는 것이 바람직하다.
한편, NPC 인버터 파워 스택의 부유 용량을 최소화하기 위해서는 출력단자 OUT와 DC 링크 커패시터(Cdc)의 거리가 가까워야 한다. 그러나, NPC 인버터 파워 스택의 부피를 최소화하기 위해 DC 링크 커패시터(Cdc)를 외부에 배치할 경우, DC 링크 커패시터(Cdc)와 출력단자 OUT의 거리가 멀어져 부유 용량이 커지며, 이로인한 과전압이 상승된다. 이러한 과전압 상승으로 인해 스위칭 소자들(10a~10d) 및 중성점 클램핑 다이오드(12)가 파괴될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 커패시터들(C1,C2)을 직렬 연결함으로써, DC 링크 커패시터를 외부에 배치하더라도 부유 용량에 의한 과전압을 상승을 최소화할 수 있다.
NPC 인버터 파워 스택의 유지 및 보수를 용이하게 하기 위해, NPC 인버터 파워 스택의 부피를 작게 하는 것이 유리하다. 부유 용량을 최소화하면서 안정된 전압을 출력하고 또한, 유지 및 보수를 간편히 하기 위해, DC 링크 커패시터(Cdc)를 NPC 인버터 파워 스택의 외부에 배치하는 것 이외에, NPC 인버터 파워 스택을 구성하는 소자들의 배치를 어떻게 할 것인가가 매우 중요하다.
도 2는 본 발명에 따른 유지 및 보수가 용이한 인버터 파워 스택의 외관을보이는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 구동신호 입력보드들(120a,120b) 각각은 제1단자들(100a,100b)과 제2단자들(105a,105b)로 이루어진다. 제1단자들(100a,100b)은 인버팅 동작부(110)를 구동하기 위한 구동신호들이 입력되며, 제2단자들(105a,105b)로는 후술되는 구동 전압이 인가된다. 이 때, 제1단자들(100a,110b)로 인가되는 제어신호들은 광신호일 수 있다. 이처럼, 외부로부터 인가되는 제어신호가 광신호인 경우, 제1단자들(110a,110b)은 광신호를 수신할 수 있는 소자들로 이루어져야 한다.
인버팅 동작부(110)는 구동신호 입력보드(120a,120b)로 인가되는 구동신호들 및 구동 전압에 응답하여 외부에 배치되는 DC 링크 커패시터에 링크된 직류전압을 교류 전압으로 인버팅한다. 도 2에 도시된 사시도에는 나타나지 않았지만, 후면(115)에는 외부에 배치된 DC 링크 커패시터의 플러스 단자 및 마이터스 단자와 각각 연결되는 플러스 단자(P) 및 마이너스 단자(N), 기준 전위와 연결되는 중성점(O) 및 출력단자 OUT이 있다.
냉각 팬(fan)들(28a~28c)은 인버팅 동작부(110)의 일측에 취부되며, 인버팅 동작부(110) 내부에서 발생되는 열을 외부로 발산시킨다.
또한, 도 2의 사시도에는 나타나지 않았지만, 인버팅 동작부(110)의 양 측면(125a,125b)에는 인버팅 동작부(110)의 임피던스를 매칭시키는 도 1에 도시된 분압 저항들(R1~R4)이 취부된다. 인버팅 동작부(110)는 구동신호 입력보드들(120a,120b)로 인가되는 구동신호들에 응답하여 내부적으로 스위칭 동작이 연속된다. 이러한 인버팅 동작부(110)의 스위칭 동작에 의해 분압 저항들(R1~R4)로는 많은 열이 발생된다. 만약, 분압 저항들(R1~R4)이 인버팅 동작부(110)의 내부에 배치될 경우, 인버팅 동작부(110)의 내부에서 발생되는 열이 많아지며, 그만큼 냉각 팬의 용량 및 크기가 커야 된다. 그러나, 분압 저항들(R1~R4)이 본 발명에서와 같이, 인버팅 동작부(110)의 외부에 취부되면 냉각 팬의 용량과 크기가 작아도 되며, 결국 NPC 인버터 파워 스택의 부피가 작아진다.
도 3은 도 1에 도시된 분압저항들(R1~R4)이 인버터 파워 스택에 취부된 형상을 보이는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 분압저항들(R1,R2)이 인버팅 동작부(110)의 일측면(125a)에 각각 취부된 형상을 보인다. 또한, 도 3에서는 도시되지 않지만 다른 분압저항들(R3,R4) 역시 일측면(125a)과 대칭되는 타측면(125b)에 분압 저항들(R1,R2)이 취부된 형상과 동일한 형상으로 취부된다. 또한, 도 3에는 인버팅 동작부(110)의 내부구조도 함께 보이다. 인버팅 동작부(110)는 인버팅 동작 모듈(140)과 제어부들(32a~32d)을 포함하여 구성됨을 보인다.
도 4는 도 2에 도시된 인버팅 동작부(110)의 내부 구조의 일실시예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4를 참조하여, 인버팅 동작 모듈(140)은 도 1에 도시된 스위칭 소자들(10a~10d), 다이오드(12) 및 커패시터들(C1,C2)로 구성되며, 스위칭 소자들(10a~10d)은 게이트 제어신들(S1~S4)에 응답하여 인버팅 동작을 한다.
구동부들(32a~32d)은 구동신호 입력보드(120a~12b)를 통해 입력되는 구동신호를 스위칭 소자들(10a~10d)을 구동할 수 있도록 승압시켜 게이트 제어신호들(S1~S4)로서 발생한다. 고압용 인버터에서 스위칭 소자들(10a~10d)은 IGBT로 이루어질 수 있으며, IGBT를 턴온시키기 위해 약 15V의 전압이 인가되어야 하며, 오프시키기 위해 0V의 전압이 인가되어야 한다. 즉, 구동부들(32a~32d)은 IGBT를 턴온시킬 수 있도록 구동신호의 전압레벨을 15V 정도로 승압시킨다. 또한, 구동신호 입력보드(120a~120b)로 입력되는 구동신호들이 광신호라면, 구동부들(32a~32d)은 구동신호 입력보드(120a~120b)로 수신되는 광신호를 전기적 신호로 변환한 후, 전압레벨을 승압시킨다.
또한, 도 4에는 외부에 배치된 DC 링크 커패시터의 플러스 단자 및 마이터스 단자와 각각 연결되는 플러스 단자(P) 및 마이너스 단자(N), 기준 전위와 연결되는 중성점(O) 및 출력단자 OUT이 각각 도시되어 있다.
도 5는 도 4에 도시된 인버팅 동작 모듈(140)의 내부 구조의 일실시예를 보이는 사시도이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 스위칭 소자들(10a~10d)로 이용되는 고전압 IGBT(3300V,1200A)들(22a~22d) 4개는 인버팅 동작 모듈의 측면에 각각 배치된다. 이 때, 고전압용 IGBT들(22a~22d)이 배치되는 양 측면은 구동부들(32a~32d)과 인접한 면들이다. 이 때, 각 소자에 인가되는 전압이 부분방전(partial discharge, IGBT:2600V) 전압 이상이 인가될 경우 단락회로(short circuit)가 발생되므로, 소자별로 방열판이 각각 구비된다. 따라서, 소자에 인가되는 전압이 각 소자의 부분 방전 전압이하가 되도록 한다.
한편, 전술된 바와 같이, 인버팅 동작 모듈(140)로 직류 전압을 인가하는 DC 링크 커패시터는 그 크기가 매우 크므로, DC 링크 커패시터를 인버터 파워 스택 외부에 배치한다. 이처럼, DC 링크 커패시터를 외부에 배치함으로 인해 증가되는 과전압을 최소화시키는 커패시터들(C1,C2)을 인버팅 동작 모듈(140)의 중앙 상부에 배치한다.
또한, 컴팩트한 버스바(bus bar) 연결을 위해 중성점 클램핑 다이오드(neutral point clamping diode)를 인버팅 동작 모듈(140)의 중앙 하부에 배치한다. 이 때, 스위칭 소자들(10a~10d), 중성점 클램핑 다이오드 및 커패시터들(C1,C2)의 전기적 연결시 와이어(wire)를 이용할 경우 와이어로 인한 폐루프가 형성되며, 폐루프의 면적이 커질수록 부유 용량이 커져 원치 않는 과전압이 발생한다. 따라서, 원치 않는 부유 용량에 의한 과전압을 최소화하기 위해 와이어대신 버스바(22a~22c)를 이용하여 각 소자간을 전기적으로 연결한다.
도 6은 본 발명에 따른 인버터 파워 스택의 정면을 나타내는 정면도이다.
도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 인버터 파워 스택의 하단에 바퀴들(150a,150b)을 두어 인버터 파워 스택을 움직이기에 편리하도록 할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 인버터 파워 스택은 인버팅 동작을 하는 인버팅 동작 모듈, 인버팅 동작 모듈을 구동하기 위한 구동부, 외부로부터 입력되는 구동신호 입력보드등이 효과적으로 분리되어 배치된다. 또한, 분배저항을 인버팅 동작부 및 DC 링크 커패시터를 인버팅 동작부 외부에 배치함으로써, 인버터 파워 스택의 부피를 최소화할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서와 같은 인버터 파워 스택 3개를 이용하여 3상의 인버터 파워 스택을 구성할 경우, 본 발명에 따른 인버터 파워 스택 3개를 서랍식으로 취부할 수 있다. 이 때, 각 인버터 파워 스택의 부피가 작고 하단에 바퀴들이 있으므로, 3상의 인버터 파워 스택에서 각 인버터 파워 스택을 취부 및 취외하는 것이 용이해진다. 또한, 인버터 파워 스택을 이루는 인버팅 동작 모듈, 구동부 또는 구동신호 입력보드등에 결함이 발생한 경우, 인버팅 파워 스택을 취외하여 쉽게 수리할 수 있다. 결국, 본 발명에 따른 인버터 파워 스택의 유지 및 보수 작업이 용이해 진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터 파워 스택은 인버터 파워 스택의 부피를 최소화하여 인버터 파워 스택의 취부 및 취외가 용이하다. 또한, 인버터 파워 스택은 동작부별로 효과적으로 분리 배치되어 인버터 파워 스택에 결함이 발생되었을 경우, 인버터 파워 스택을 취외하여 쉽게 수리할 수 있다. 따라서, 인버터 파워 스택의 유지 및 보수 작업이 용이해 진다.

Claims (5)

  1. 외부의 DC 링크 커패시터에 링크된 직류의 전압을 교류의 전압으로 인버팅하는 1상의 NPC 인버터 파워 스택에 있어서,
    외부로부터 인가되는 구동신호 및 구동 전압을 받아들이는 구동신호 입력보드;
    상기 구동신호들 및 구동 전압에 응답하여, 상기 직류의 전압을 상기 교류의전압으로 인버팅하는 인버팅 동작부;
    상기 인버팅 동작부의 일측면에 취부되며, 상기 인버팅 동작부 내부에서 발생되는 열을 외부로 발산시키는 다수개의 냉각 팬들; 및
    상기 다수개의 냉각 팬들이 취부된 측면과 인접한 두 측면 각각에 분리되어 취부되며, 상기 인버팅 동작부의 임피던스를 매칭시키는 다수개의 분압 저항들을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 파워 스택.
  2. 제1항에 있어서, 외부로부터 인가되는 상기 구동신호들은 광 신호이며, 상기 구동신호 입력보드는 상기 광신호를 수신하는 소자들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 파워 스택.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인버터 파워 스택은 상기 인버터 파워 스택의 하부에 다수개의 바퀴들이 취부된 것을 특징으로 하는 인버터 파워 스택.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인버팅 동작부는
    게이트 제어신호에 응답하여, 상기 직류 전압을 상기 교류 전압으로 인버팅하는 인버팅 동작 모듈; 및
    상기 분압 저항들이 취부된 측면들에 각각 분리되어 취부되며, 상기 구동전압이 인가되면 구동되고, 상기 인버팅 동작 모듈을 제어가능하도록 상기 구동신호들의 전압레벨을 승압시키고, 승압된 제어신호를 상기 게이트 제어신호로서 발생하는 다수개의 구동부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 파워 스택.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인버팅 동작 모듈은
    상기 다수개의 구동부들이 배치된 측면들에 각각 배치되고, 상기 게이트 제어신호들에 응답하여 턴온/턴오프되는 스위칭 소자들;
    중앙 하부에 위치하며, 상기 직류 전압의 중성점을 클램핑하는 중성점 클램핑 다이오드;
    중앙 상부에 위치하며, 부유 용량에 의한 과전압을 최소화하는 커패시터들; 및
    상기 스위칭 소자들 및 상기 중성점 클램핑 다이오드 각각에 부착되어, 각 소자의 온도 상승을 방지하는 히트 싱크들을 포함하고,
    상기 스위칭 소자들, 상기 중성점 클램핑 다이오드 및 상기 커패시터들을 전기적 연결은 버스바를 이용하는 것을 특징으로 하는 인버터 파워 스택.
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