KR20030011274A - 전력 컨버터에서 고조파 감소를 위한 장치 및 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단식 전력 스위칭 장치에서 발생된 원치 않는 특히 맥놀이의 형태의 고조파의 진폭을 감소시키기 위한 전자 다단식 전력 스위칭 장치에와 관련되며, 적어도 하나의 입력 필터(1), 적어도 두 개의 스위치(Fr1, Fr2)를 포함하는 가감저항기의 제동 초퍼(2) 및 직렬로 적어도 네 개의 스위치(T1, T2, T3, T4)를 포함하는 다수준 정적 컨버터(4)를 포함한다. 본 발명은 오실레이터(4)가 초퍼(2)에 그 중점(X=X')을 통한 연결을 제공하며 직접 부착되며, 오실레이터가 상기 초퍼(2)의 스위치를 제어하는 가변 임의 주파수 펄스 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 컨버터에서 고조파 감소를 위한 장치 및 공정{METHOD AND DEVICE FOR REDUCING HARMONICS IN POWER CONVERTERS}

전력 전자는 일반적으로 스위치에 의해 작동되어, 고조파의 생성에 이르게 된다. 더욱이, 전력 시스템은 하부-시스템들로 구성되며, 각각의 하부 시스템은 자신의 주파수에서 동작한다. 이러한 다양한 주파수들의 조합은 맥놀이(beating) 현상에 의한 고조파의 근원이 된다.

맥놀이는 두 이웃하는 주파수의 중첩으로부터 생긴 진동의 진폭에 있어서의 주기적인 변화이다.

일반적으로, 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함하는 필터를 사용함으로써 이러한 하부 시스템을 분리시키는 것이 추구된다.

철도 응용에서 추진엔진에 대한 3상 인버터의 경우에 있어서, 예를 들면, 판별회로에서 설정파(set wave) 수정에 의한 PWM파의 취급이 또한 제안되어 왔다(공개 WO 96/33548). 본 공정은 스위칭 설정파에서의 불감 시간대를 감소시키며, 그러므로 원치 않는 고조파, 특히 엔진 전류에서 나타나는 제5 및 제7 고조파와 전원설비 및 엔진 토크 측면에서 나타나는 제6 고조파를 현저하게 감소시키는 것이 가능하다.

그러나, 시스템의 설정을 변경시키는 것은 종종 반도체의 손실이나 시스템의 물리적 성질에 의해 제한된다.

다수의 문서, 그리고 그들 중 문서 US-A-4 638 418, DE-A-196 51 281, DE-A-3 912 706, GB-A-2 232 835 및 US-A-4 339 697는 가변적인 설정파를, 임의 주파수의 어떤 경우에 있어, 본질적으로 노이즈를 감소시킬 목적으로, 인버터를 제어하도록 의도된 PWM파에 적용할 것을 제안해 왔다.

도1은 선행기술 상태에 따른 2단 컨버터를 나타낸다. 이는 통상적으로 수 개의 하부 조합으로 구성된다: 입력 필터(1), 제동 초퍼(2) 및 인버터(4). 3-수준 인버터의 단지 하나의 아암만이 현 사례에 도시되어졌다.

통상적으로, 입력 필터는 인덕터(L) 및 하나 이상의 커패시터(C3 및 C4)로 구성된다.

제동 초퍼(2)는 바람직하게는 IGBT 타입이며, 직렬로 배열된 두 개의 스위치(Fr1 및 Fr2)로 구성되며, 각각의 스위치는 역 바이어스 다이오드(Dr1 및 Dr2)와 병렬로 배열되며, 스위치/역-바이어스 다이오드 조합은 부하(M1)에 의해 소비되지 않는 에너지의 소산을 허용하는 저항(R1 및 R2)과 직렬로 배열된다.

부가적으로, 전압 세기를 보장하기 위하여, 두 개의 커패시터(C3 및 C4)로 구성되는 초퍼용 커패시터 전압 분배기가 제공된다.

3수준 인버터의 하나의 아암은 통상적으로 도1에 도시된다. 이는 바람직하게는 IGBT 타입이며, 쌍(T1 및 T2, T3 및 T4)으로 짝지워진 네 개의 스위치로 구성된다. 각 스위치에 역 바이어스 다이오드(D1 내지 D4)가 병렬로 배열된다. 두 개의 커패시터(C1 및 C2)로 구성되는 커패시터 전압 분배기(3)는 또한 인버터(4)에 병렬로 배열된다.

도1에서 알수 있는 바와 같이, 보통, 선행기술 상태에 따라 초퍼(X' 및 X)의 중점은 연결되지 않는다.

본 발명은 전력 컨버터에서 발생된 간섭하는 고조파를 감소시키기 위한 장치 및 공정에 관련된다.

도1은 선행 기술의 상태에 따른 2단 컨버터의 회로도를 나타낸다.

도2는 본 발명에 따른 고조파를 감소시키기 위한 장치 및 공정을 사용하는 컨버터의 회로도를 나타낸다.

도3은 세 개의 스위칭 각 α1, α2 및 α3을 가진 인버터 제어에 적용되는 파형을 나타낸다.

도4는 설정파 신호와 함께 본 발명에 따른 가변저항기 제동 초퍼에 적용되는 제어신호를 나타낸다.

본 발명은 다단식 전력 컨버터에서 상이한 스위칭 주파수의 구성으로부터 기원하는 고조파들을 감소시키거나 또는 심지어는 제거하기 위한 간단한 장치를 제안하게 된다.

본 발명은 특히 적어도 두 개의 다음의 기능적 하부시스템을 포함하는 시스템에 적용될 수 있는 장치 및 공정을 제안하게 된다: 가감저항기의 제동 초퍼, 인버터/정류기.

본 발명은 다단식 스위칭 전력 컨버터에서 원치 않은 고조파의 진폭을 감소시키기 위한 장치 및 공정과 관련되며, 여기서 적어도 하나의 상기 단의 스위치는 다양한 임의 주파수의 펄스에 의해 제어된다.

본 발명에 따라, 용어 "전력 컨버터"는 입력 필터, 가감저항기의 제동 초퍼 및 다수준(multilevel) 인버터 또는 정류기를 포함하는 수 개의 기능적 하부시스템으로 구성되는 전력 스위칭 장치를 의미한다.

통상적으로, 초퍼는 바람직하게는 IGBT 타입이며, 적어도 두 개의 일련으로배열된 스위치로 구성되며, 각각의 스위치는 역 바이어스로 배열된 다이오드와 병렬로 배열되며, 스위치/역-바이어스 다이오드 조합은 저항과 직렬로 배열된다.

통상적으로, 가령 3-수준 인버터와 같은 다수준 인버터의 하나의 아암은 적어도 네 개의 쌍으로 짝지워진, 바람직하게는 IGBT 타입의 스위치로 구성된다. 각각의 스위치는 역-바이어스 다이오드와 병렬로 연결된다.

본 발명에 따르면, 가변의 임의 주파수 펄스에 의해 제어되는 것은 초퍼 스위치이다.

그러므로, 본 발명에 따른 장치는 초퍼 스위치를 제어하도록 의도된 가변의 임의 주파수 펄스로 구성되는 파장 발생기이다.

바람직하게는, 주파수가 가우시안 분포를 따르며, 이의 표준편차는 평균의 15% 내지 35%이다.

편리하게도, 평균은 고려되는 스위치를 제어하기 위하여 통상적으로 사용되는 고정 주파수에 해당한다.

한 특정 예에 따르면, 초퍼의 평균 제어 주파수는 600 내지 900Hz 사이에 있으며, 그 표준편차는 150 내지 250Hz 사이에 있다.

본 발명의 중요한 특징에 따르면, 다수준 인버터는 직접 초퍼에 부착된다. 즉, 초퍼는 인버터의 중점을 경유하여 인버터에 연결될 것이다.

이는 그러므로 초퍼용 분리된 매개 커패시터 전압 분배기의 존재를 피하는 것이 가능함을 의미한다.

도2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따르면, 초퍼 및 인버터의 중점을 각각 두 개의 커패시터 사이에 적절히 배열된 X' 및 X에 각각 연결할 것이 제안된다. 이는, 특히 이득이 되는 방식으로, 더 이상 필요치 않을 정도로 초퍼(2)/인버터(4) 하부 시스템의 각각에 특정한 커패시터 전압 분배기 브릿지를 제공하는 것을 가능하게 만든다.

3수준 인버터(4)의 기능의 모드는 전체적으로 통상적이며, 그들을 쌍으로 [먼저, 상부 두 개(IGBT1, IGBT2), 다음 중간의 두 개(IGBT2, IGBT3) 그리고 최종적으로 하부의 두 개(IGBT3, IGBT4)] 수행하도록 만듦으로서 두 개의 IGBT 스위치에 대해 위의 접촉 선의 HT 직류 전압을 분배하는 것을 가능하게 한다.

사인 곡선의 근사치는 그러므로 세 개의 전압 수준에 의해 만들어진다:HT, HT/2 그리고 0.

중점 X, X'사이의 연결이 고전압의 좋은 분배를 허용하기 때문에, 제2 커패시터 전압 분배기는 그러므로 매개 전위를 설정하기 위하여 그러므로 인버터의 정확한 작용을 위하여 더 이상 필요치 않다.

2-수준 인버터와 비교하여, 3-수준 시스템은 사인 곡선의 더 나은 근사치를 경유하여 이미 고조파의 수준을 감소시키는 것을 가능하게 만든다.

인버터에 의해 부하에 공급되는 전압은 0y축에 대해 대칭이므로, 푸리에 시리즈 전개는 단지 기본파 및 홀수 고조파(제3, 5, 7, 9 고조파 등등)만을 포함한다:

, 여기서 t는 시간, ω는 기본 각 주파수 그리고 φ_2i-1는 주파수 (2i-1)ω, i = 1, 2, 3, ...에 해당하는 위상이다.

계수 a3, a5, a7, ...가 스위칭 각 α1, α2, α3, ...의 함수로 표현된 n개의 미지수를 가진 n개의 선형 방정식의 시스템을 얻을 수 있음을 보일 수 있다. 도3은 세 개의 스위칭 각 α1, α2, α3에 해당하는 파형이다.

방정식의 시스템을 변환하여, 스위칭 각 α1, α2, α3, ...은 푸리에 시리즈 전개의 계수 a3, a5, a7, ...의 함수로 표현될 수 있다.

그러므로 처음에 선택된 일정 고조파를 소거하기 위하여 요구되는 스위칭 각을 계산할 수 있다. 다시 말해서, 인버터 하부-시스템에 적용된 파형의 통찰력 있는 선택은 엔진 측면에서 일정 고조파, 특히 제5 및 제7 고조파와 같은 가장 바람직하지 않은 고조파를 소거하는 것을 가능하게 한다. 제3 고조파 및 3배수는 절연 중성점을 가진 이 경우의 3상 시스템에서 문제가 되기 때문에 엔진 측면에서는 불편한 것이 아니다.

보통, 커패시터 브릿지(3)(C1, C2)를 합체시키지 않는 것 및 제동 초퍼를 인버터에 직접 연결되도록 하는 것이 추구된다(X=X'). 이 경우에, 맥놀이는 불가피하며 하기와 같이 초퍼로부터의 명령이 제공되기만 하면 억제될 것이다.

통상적인 기능을 하고 있는 동안, 인버터는 중점 X', X에서 주파수가 작동 주파수의 3배인 고조파를 발생시킨다. 예를 들어, 인버터가 50Hz에서 동작한다면, 주파수 150, 300, 450Hz 등이 중점에서 발견된다.

도2에 주어진 예시에서, 인버터에 직접 부착된 제동초퍼는 그 자신의 주파수(예를 들어 800Hz)에서 동작한다. 이 주파수는 중점에 존재하는 모든 고조파와 결합하여 맥놀이를 형성할 것 같다. 말할 필요도 없이, 이 맥놀이는 주파수가 가까워질수록 비례적으로 더 강해진다.

특히, f1이 인버터의 고조파 주파수이며 f2가 초퍼의 주파수라면, 주파수가 (f1+f2)/2 및 (f1-f2)/2인 두 개의 맥놀이가 얻어진다.

이 현상을 극복하기 위하여, 초퍼를 제어하기 위한 임의 주파수를 사용하여 고찰하면 족하다. 이 주파수의 분포는 예를 들면, 통상적 작동 주파수 f0=800Hz에 상응하는 평균치를 가지며, Δf=200Hz의 표준 편차를 가지는 가우시안 분포이다. 도4는 임의 주파수에서 초퍼 IGBT들(IGBT Fr1, IGBT Fr2)용 제어신호(6)의 예시를 준다. 설정 파(5)는 초퍼에 적용된 변조율의 수준을 준다.

본 발명의 한가지 바람직한 실시예는 한정된 시간의 간격(예를 들어, 1초의 간격에 대하여 매 10ms당 하나의 샘플)에 대한 사인 함수의 샘플링이며, 샘플링의 주파수가 임의의 수 발생기를 사용하여 시간에 대하여 변하는, 입력신호를 발생하는 것으로 구성된다.

신호 주파수에 대해, 전력 소자에 있어서의 스위칭 손실은 동일하다.

본 발명에 의하여 추천되는 해법은 그러나, 수개의 중요한 이점을 가진다:

- 표준 편차가 클수록 비례적으로 더 큰 맥놀이의 감소;

- 시스템 노이즈의 감소;

- 초퍼와 인버터 사이의 커패시터 전압 분배기의 억제 가능.

Claims (6)

1. 전자 다단식 전력 스위칭 장치에서 발생된 원치 않는 특히 맥놀이의 형태의 고조파의 진폭을 감소시키기 위한 전자 다단식 전력 스위칭 장치에 있어서,

   적어도 하나의 입력 필터(1), 적어도 두 개의 스위치(Fr1, Fr2)를 포함하는 가감저항기의 제동 초퍼(2) 및 직렬로 적어도 네 개의 스위치(T1, T2, T3, T4)를 포함하는 다수준 인버터(4)를 포함하며,

   상기 인버터(4)는 초퍼(2)에 그 중점(X=X')을 통한 연결을 제공함으로서 직접 부착되며, 인버터가 상기 초퍼(2)의 스위치를 제어하는 가변 임의-주파수 펄스 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 다단식 전력 스위칭 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 임의-주파수는 고정 주파수에서 등가의 장치용으로 사용되는 주파수와 동일한 평균주파수의 가우시안 분포를 따르는 것을 특징으로 하는 다단식 전력 스위칭 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 임의-주파수는 가우시안이 아닌 분포를 따르는 것을 특징으로 하는 다단식 전력 스위칭 장치.
4. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분포의 표준 편차는 평균 주파수의 15% 내지 35% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 다단식 전력 스위칭 장치.
5. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터(4)의 스위치는 상기 인버터(4)에 의해 부하(M1)에 공급되는 전압 파형의 적어도 하나의 홀수 고조파의 진폭을 감소시키거나 제거하기 위하여 계산된 스위칭 각(α1, α2, α3, ...)에 해당하는 PWM파의 펄스에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다단식 전력 스위칭 장치.
6. 다단 전력 스위칭 장치에서 발생된 원치 않는 고조파의 진폭을 감소시키기 위한 공정으로서,

   적어도 하나의 입력 필터(1), 적어도 두 개의 스위치(Fr1, Fr2)를 포함하는 가감저항기의 제동 초퍼(2), 그리고 인버터(4)가 초퍼(2)의 중점(X')에 인버터(4)의 중점(X)을 연결하는 결합을 통해 초퍼(2)에 직접 부착되는 적어도 네 개의 스위치(T1, T2, T3, T4)를 포함하는 다수준 인버터(4)를 포함하며,

   초퍼(2)의 스위치(Fr1, Fr2)가 가변의 임의-주파수 펄스에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 공정.