KR20080109908A - 감소된 스위칭 손실 및 증가된 수명을 갖는 공간절약형 인버터 - Google Patents

감소된 스위칭 손실 및 증가된 수명을 갖는 공간절약형 인버터 Download PDF

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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 인버터, 특히 솔라 인버터에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 인버터는 스텝-업 컨버터(4), 메인즈-정류된 제어 컨버터(2) 및 필터(6)를 포함하고, 필터(6)는 출력 측 상에서 AC-측 연결부들(10(12, 14, 16))에 링크되고, 스텝-업 컨버터(4)는 출력 측 상에서 메인즈-정류된 제어 컨버터(2)의 DC-측 연결부들(8, 10)에 링크되며, 턴 오프 될 수 있는 전력 반도체 스위치(28)가 각각의 경우에 메인즈-정류된 제어 컨버터(2)의 각각의 위상(R, S, T)에 대하여 컨버터 밸브들(T1, T2; T3, T4; T5, T6)로서, 연이어 병렬-연결된 다이오드(30)와 함께 제공되며, 턴 오프 될 수 있는 이러한 전력 반도체 스위치들(28)의 제어 측면은 제어 장치(32)에 링크되고, 상기 제어 장치의 입력들에 전력 공급 시스템(18)으로부터 결정된 상전압들이 인가된다. 이것은 비용이 적게 들고 보다 공간을 절연하는 인버터, 특히 솔라 인버터를 야기한다.

Description

감소된 스위칭 손실 및 증가된 수명을 갖는 공간절약형 인버터{SPACE-SAVING INVERTER WITH REDUCED SWITCHING LOSSES AND INCREASED LIFE}
본 발명은 인버터, 특히 솔라 인버터(solar inverter)에 관한 것이다.
다수의 에너지원들의 경우에, 에너지는 DC 전압원으로부터 전력 공급 시스템, 특히 3-위상 전력 공급 시스템으로 공급되도록 의도된다. 인버터는 이러한 목적을 위하여 요구되는데, 이러한 인버터의 도움으로 직류 전류가 교류 전류로 변환될 수 있다. 만약, 태양광 발전기(solar generator)가 재생 에너지원으로서 사용된다면, 태양광 발전기를 사용하여 생성된 에너지를 전력 공급 시스템으로 공급하는데 사용되는 인버터가 솔라 인버터로서 지시되어 거래된다.
상업적으로 이용가능한 솔라 인버터들은 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터(self-commutated pulse-controlled power converter)를 포함하고, 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터는 다상 인덕터 회로(polyphase inductor circuit)를 사용하여 재생 에너지를 소비하는 전력 공급 시스템에 AC 전압 측 상에 링크된다. DC 전압 측 상에서, 적어도 하나의 전해 커패시터는 이러한 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터와 전기적으로 병렬로 연결된다. 이러한 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터의 제어 장치는 제어 측 상에서 각각의 경우에 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터의 연결 해제 가능 전력 반도체 스위치들의 제어 입력에 전기적으로 전도성 있게 연결되고, 에너지-소비 전력 공급 시스템의 결정된 상전압들 및 상전류들은 입력 측 상에 존재한다.
상기 상업적으로 이용가능한 솔라 인버터에 전해 커패시터를 사용하는 것은 이러한 솔라 인버터의 수명을 제한한다. 이러한 수명은 길이가 단지 수만 동작 시간에 불과하다.
부가하여, 이러한 솔라 인버터는 전력 공급 시스템 인덕터들을 요구하는데, 전력 공급 시스템 인덕터들은 무시할 수 없는 양의 공간을 차지한다. 부가하여, 제어 장치는 복잡하고, 따라서 비용이 많이 든다.
상기 상업적으로 이용가능한 솔라 인버터들은 예를 들어, 무정전 전력 공급 장치(uninterruptible power supply device)의 인버터를 사용하여 구성되고, 상기 무정전 전력 공급 장치는 또한 UPS 장치로도 언급된다. 결과적으로, 솔라 인버터 개발에 대한 비용이 절약된다. UPS 장치의 인버터의 그러한 제 2 사용은 옵션인데, 그 이유는 첫째, UPS 장치의 인버터가 배터리로부터 전력 공급 시스템으로 에너지를 공급하고, 둘째, UPS 장치가 정류기, 전압 매개 회로(voltage intermediate circuit) 및 인버터를 포함하기 때문이다. 그 결과, UPS 장치의 "인버터" 컴포넌트가 이용가능하다.
이제 본 발명은 솔라 인버터를 더 비용효율적이고 공간-절약형으로 만드는 인버터를 특정하려는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징들에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
인버터가 라인-정류 제어 전력 컨버터(line-commutated, controlled power converter)를 갖는다는 사실 때문에, 이러한 인버터는 더 이상 어떠한 전해 커패시터나 전력 공급 시스템 인덕터들을 갖지 않고, 상기 라인-정류 제어 전력 컨버터는 DC 전압 측 상에서 스텝-업 컨버터를 제공받고, AC 전압 측 상에서 필터를 제공받는다. 이것은 인버터의 수명을 상당이 증가시키고, 실질적으로 그것의 공간 요구조건을 감소시킨다. 라인-정류 제어 전력 컨버터가 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터 대신에 사용되기 때문에, 복잡한 제어 장치가 단순한 제어 장치로 대체된다. 이러한 단순한 제어 장치는 이제 단지 에너지-소비 전력 공급 시스템의 상전압(phase voltage)들만을 요구한다.
라인-정류 제어 전력 컨버터는 2003년 5월 Nuremberg에서의 "PCIM 2003" 컨퍼런스의 컨퍼런스 서적에 인쇄된 공개문헌 "Fundamental Frequency Front End Converter(F3E) - a DC-link drive converter without electrolytic capacitor(기본 주파수 프론트 엔드 컨버터 - 전해 커패시터가 없는 DC-링크 드라이브 컨버터)"으로부터 알려져 있다.
본 발명은 이제 이러한 무-커패시터 전압 매개 회로 컨버터의 솔라 인버터 구성을 위하여 부하-측, 자체-정류 펄스-제어 전력 컨버터가 스텝-업 컨버터, 특히 고주파수-클록 스텝-업 컨버터에 의해 대체된다는 사실에 있다. 그 다음 태양광 발전기는 이러한 스텝-업 컨버터의 2개의 입력 단자들에 연결될 수 있다. 이러한 스텝-업 컨버터를 사용하여, 이러한 인버터는 태양광 발전기가 항상 최대 전력 지점(Maximum Power Point; MPP) 동작점에 있는 방식으로 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 인버터의 유리한 실시예에서, 스텝-업 컨버터는 입력 측 상에 커패시터를 제공받는다. 이러한 커패시터를 사용하여, 태양광 발전기의 전압 변동들은 미리 설정된 시간 주기에 대해 평균화된다.
교과서들로부터 알려져 있듯이, 스텝-업 컨버터는 연결해제 가능 전력 반도체 스위치, 디커플링 다이오드, 저장 인덕터 및 평활 커패시터(smoothing capacitor)를 구비하고, 이것들은 스텝-업 컨버터를 형성하기 위하여 공지된 방식으로 서로 연결된다. 저장 인덕터의 물리적 크기가 가능한 작도록, 이러한 스텝-업 컨버터는 고 주파수에서 클록이 주어진다. 클록 주파수가 더 높을수록, 저장 인덕터의 물리적 크기가 더 작아진다. 클록 주파수가 증가함에 따라, 연결해제 가능 전력 반도체 스위치의 스위칭 손실들 또한 증가한다. 이러한 스위칭 손실들을 줄이기 위하여, 실리콘 카바이드로 구성된 연결해제 가능 전력 반도체 스위치는 연결해제 가능 전력 반도체 스위치로서 제공된다. 연이어 병렬로 연결된 실리콘 카바이드로 구성된 다이오드를 갖는, 실리콘으로 구성된 노멀리 오프형 MOS 전계 효과 트랜지스터(normally off MOSFET) 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT)가 예를 들어, 연결해제 가능 전력 반도체 스위치로서 사용된다. 스위칭 손실들에 있어 감소의 결과로서, 스텝-업 컨버터의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치는 이제 단지 현저한 양의 공간을 거의 차지하지 않는 냉각 장치만을 요구하고, 그 결과, 본 발명에 따른 인버터는 공지된 인버터에 비해 상당히 더 적은 공간을 차지한다.
본 발명을 더 설명하기 위하여, 본 발명에 따른 인버터의 일 실시예가 개략적으로 도시된 도면을 참조한다.
이러한 도면의 균등 회로 다이어그램에 따라, 본 발명에 따른 인버터, 특히 솔라 인버터는 AC 전압 측 상에 필터(6)를 가진 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)를 갖고, DC 전압 측 상에 스텝-업 컨버터(4)를 갖는다. 이러한 스텝-업 컨버터(4)는 출력 측 상에서 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 단자들(8 및 10)에 DC 전압 측 상에 링크된다. 필터(6)는 AC 측 상에서 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 단자들(12, 14 및 16)에 전기적으로 전도성 있게 연결된다. DC 전압원(20), 예를 들어, 재생 에너지원으로부터의 에너지를 소비하도록 의도된 전력 공급 시스템(18)은 마찬가지로 이러한 단자들(12, 14 및 16)에 연결된다.
스텝-업 컨버터(4)는 DC 전압 측 상에서 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)를 DC 전압 측 상에서 인버터의 단자들(22 및 24)에 전기적으로 전도성 있게 연결되고, DC 전압원(20)이 상기 단자들에 연결되며, 상기 스텝-업 컨버터(4)는 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS), 디커플링 다이오드(DHS), 저장 인덕터(LS) 및 평활 커패시터(CG1)를 포함한다. 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS) 및 디커플링 다이오드(DHS)는 전기적으로 직렬로 연결된다. 평활 커패시터(CG1)는 이러한 직렬 회 로에 전기적으로 병렬로 연결된다. 그 결과, 이러한 평활 커패시터(CG1)는 마찬가지로 DC 전압 측 상에서 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 단자들(8 및 10)과 병렬로 연결된다. 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS) 및 디커플링 다이오드(DHS)를 포함하는 직렬 회로에서의 노드(26)는 저장 인덕터(LS)를 사용하여 DC 전압 측 상에서 인버터의 단자(22)에 전기적으로 전도성 있게 연결된다. 만약 태양광 발전기가 DC 전압원(20)으로서 사용된다면, 공급된 DC 전압(UDC)은 미리 설정된 시간 주기(하루의 경과)에 걸쳐 변동된다. 대략적으로 이러한 전압 변동들을 평활화하기 위하여, 제 2 평활 커패시터(CG2)가 DC 전압 측 상에서 인버터의 단자들(22 및 24)에 전기적으로 병렬로 연결된다.
라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)는 각각의 경우에 전력 컨버터 밸브들(T1,..., T6)로서, 하나의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(28), 특히 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 구비하고, 각각의 경우에 이것을 사용하여 하나의 다이오드(30)가 병렬로 잇따라 전기적으로 연결된다. 각각의 경우에, 2개의 전력 컨버터 밸브들(T1, T2 또는 T3, T4 또는 T5, T6)은 브리지 분기를 형성하고, 브리지 분기는 또한 전력 컨버터 위상(R 또는 S 또는 T)으로서 언급된다. 각각의 경우에, 전력 컨버터 위상(R 또는 S 또는 T)의 직렬 연결된 2개의 전력 컨버터 밸브들(T1, T2 또는 T3, T4 또는 T5, T6) 사이의 하나의 노드는 AC 전압 측 상에서 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 단자(12 또는 14 또는 16)를 형성한다. 첫 번째 로는 필터(6), 두 번째로는 에너지-소비 전력 공급 시스템(18)이 이러한 단자들(12, 14 및 16)에 연결된다.
필터(6)는 3개의 커패시터들(C1, C2 및 C3)을 포함하고, 상기 커패시터들은 이러한 경우 전기적으로 성형-연결(star-connected)된다. 그러나, 이들은 전기적으로 델타-연결될 수도 있다. 이러한 필터(6)는 또한 3개의 댐핑 저항기들(R1, R2 및 R3)을 포함하고, 댐핑 저항기들은 각각 커패시터(C1 및 C2 및 C3)에 전기적으로 직렬로 연결된다.
라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 전력 컨버터 밸브들(T1, ...., T6)의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치들(28)을 구동하기 위하여, 제어 장치(32)가 제공된다. 이러한 제어 장치(32)는 제어 신호들을 생성하고, 제어 신호들은 각각의 경우에 병렬로 연이어 연결된 대응 다이오드(30)가 온 될 때, 연결해제 가능 전력 반도체 스위치들을 각각 온 하는 방식으로, 전력 컨버터 밸브들(T1,...T6)의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치들(28)을 구동한다. 이것은 각각의 경우에, 자연 전류(轉流) 시기들(natural commutation times)에서(2개의 상전압들 사이의 교차점; 상간 시스템 전압(phase-to-phase system voltage)의 크기는 제로와 같음), 구동 신호가 생성된다. 그리하여, 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 각각의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(28)가 그것의 다이오드들(30)의 전류-전도 시간들 동안 스위치 온 되고, 상기 다이오드들은 전기적으로 병렬로 연이어 연결된다. 라인-정류 제어 전력 컨버터(2)의 전력 컨버터 밸브들(T1,...T6)의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치들(28)의 이러한 시스템-주파수 제어의 결과로서, 상기 전력 컨버터(2) 는 언제든 재생력이 있다. 제어 장치(32)의 일 실시예가 예를 들어, DE 199 13 634 A1으로부터 기술된다.
이러한 라인-정류된 제어 전력 컨버터 및 필터(6)는 함께 소위, 기본 주파수 프론트 엔드(F3E)를 형성한다. 부하 측, 자체-정류된 펄스 제어 전력 컨버터에 부가하여, 시스템 측 전력 컨버터로서 F3E를 갖는 무-커패시터 전압 매개 회로 컨버터는 도입부에서 언급한 바와 같이, "PCIM 2003" 기술 컨퍼런스의 컨퍼런스 서적에 상세히 기술되어 있다.
스텝-업 컨버터(4)의 저장 인덕터(LS)가 가능한 작은 물리적 부피를 차지하도록, 그것이 작은 공간 요구조건으로 인버터, 특히 솔라 인버터에 통합될 수 있도록, 스텝-업 컨버터(4)의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS)가 높은 주파수에서 클록을 받는다. 높은 클록 주파수를 변환할 수 있도록 하기 위하여, MOSFET 또는 접합형 전계 효과 트랜지스터(junction field effect transistor; JFET)가 제공된다. 예시된 본 발명에 따른 인버터의 균등 회로 다이어그램에서, n-채널 인핸스먼트 MOSFET이 연결해제 가능한 전력 반도체 스위치(THS)로서 제공된다. 스위칭 손실들이 높은 클록 주파수가 주어진 경우 낮은 상태로 남아 있도록, 실리콘 카바이드로 구성된 MOSFET 및 JFET가 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS)로서 사용된다. 부가하여, IGBT가 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS)로서 사용될 수 있 다. 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS)가 높은 클록 주파수를 변환할 수 있도록, 실리콘으로 구성된 IGBT 및 병렬로 연이어 연결된 연관 다이오드는 실리콘 카바이드로 구성된다. 이러한 스텝-업 컨버터(4)를 사용하여, 평활 커패시터(CG1)에서의 DC 전압은 정류된 시스템 전압의 값으로 제어될 수 있다. 그 결과, DC 전압 측 상에서 인버터, 특히, 솔라 인버터의 단자들(22 및 24)에 DC 전압원(20)으로서 연결된 태양광 발전기는 항상 MPP 동작 지점에서 동작한다.
본 발명에 따른 인버터, 특히 솔라 인버터의 이러한 구성의 결과로서, 첫째는 이러한 인버터의 수명이 상당히 연장되고, 둘째는 이러한 인버터는 상업적으로 이용가능한 인버터보다 훨씬 더 비용-효율적으로 생산될 수 있다. 부가하여, 본 발명에 따른 이러한 인버터는 현저히 적은 공간을 요구한다.

Claims (10)

  1. 스텝-업 컨버터(4), 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2) 및 필터(6)를 구비한 인버터로서,
    상기 필터(6)는 AC 전압 측 상에서 단자들(12, 14, 16)에 링크되고,
    상기 스텝-업 컨버터(4)는 출력 측 상에서, 상기 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 DC 전압 측 상에 있는 단자들(8, 10)에 링크되고,
    각각의 경우에, 병렬로 연이어 연결된 다이오드(30)를 구비한 하나의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(28)가 상기 라인-정류된 제어 전력 컨버터(2)의 각각의 위상(R, S, T)의 전력 컨버터 밸브들(T1, T2; T3, T4; T5, T6)로서 제공되고, 이러한 연결해제 가능 전력 반도체 스위치들(28)은 제어 측 상에서 제어 장치(32)에 링크되며,
    망(18)의 결정된 상전압들은 상기 제어 장치의 입력들에 있는,
    인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스텝-업 컨버터(4)는 입력 측 상에서 커패시터(CG2)를 제공받는,
    인버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스텝-업 컨버터(4)는 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS), 디커플링 다이오드(DHS), 저장 인덕터(LS) 및 평활 커패시터(CG1)를 포함하고,
    상기 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS) 및 상기 디커플링 다이오드(DHS)는 전기적으로 직렬로 연결되며, 상기 평활 커패시터(CG1)는 이러한 직렬 회로에 전기적으로 병렬로 연결되며, 입력 단자(22)는 상기 저장 인덕터(LS)를 사용하여 상기 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS) 및 상기 디커플링 다이오드(DHS) 사이의 노드(26)에 링크되는,
    인버터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노멀리 오프형 MOS 전계 효과 트랜지스터가 상기 스텝-업 컨버터(4)의 연결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS)로서 제공되는,
    인버터.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    병렬로 연이어 연결된 실리콘 카바이드로 이루어진 다이오드를 구비한, 실리콘으로 이루어진 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터가 상기 스텝-업 컨버터(4)의 연 결해제 가능 전력 반도체 스위치(THS)로서 제공되는,
    인버터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 노멀리 오프형 MOS 전계 효과 트랜지스터가 실리콘 카바이드로 구성된,
    인버터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AC 전압 측 상에서 상기 필터(6)는 성형-연결된 3개의 커패시터들(C1, C2, C3)을 포함하는,
    인버터.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AC 전압 측 상의 상기 필터(6)는 델타형-연결된 3개의 커패시터들(C1, C2, C3)을 포함하는,
    인버터.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    댐핑 저항기(R1, R2, R3)는 상기 AC 전압 측 상에서 상기 필터(6)의 각각의 커패시터(C1, C2, C3)와 전기적으로 직렬로 연결되는,
    인버터.
  10. 제3항에 있어서,
    막 커패시터가 평활 커패시터(CG1)로서 제공되는,
    인버터.
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