KR20090090734A - 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 수의 저항과 커패시터로 구성되는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로를 통해 커뮤테이션 동안 출력전류의 도전 통로를 제공함으로써, 커뮤테이션 동작의 안정성을 향상시키고, 1-스텝 데드타임 만을 갖는 회로적 방법에 의하여 커뮤테이션 동작이 이루어지게 하여 출력전압 파형의 특성을 개선할 수 있으며, 다양한 종류의 양방향 스위치를 사용한 매트릭스 컨버터에도 적용이 가능한 커뮤테이션 회로에 대한 것이다.

이를 위해, 본 발명은, m상 교류 입력 전원 및 n상 교류 출력 부하를 갖는 AC-AC 전원 시스템을 위한 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션 회로에 있어서, 상기 m상 교류 입력 전원 및 n상 교류 출력 부하에 연결되며 m × n개의 양방향 스위치로 구성되는 매트릭스 컨버터와, 상기 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치와 각각 병렬 연결되는 m × n개의 커패시터와, 상기 m 개의 커패시터 및 한 상의 교류 출력 전원에 하나씩 직렬 연결되는 n개의 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로를 제공한다.

매트릭스 컨버터, 커뮤테이션, AC-AC 컨버터, 데드타임, 양방향 스위치, 단방향 스위치.

Description

매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로{Matrix Converter Commutation Circuit}

본 발명은 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수상의 교류 입력 전원으로부터 다수 상의 교류 출력을 얻는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로에 관한 것이다.

일반적으로, 전력변환장치 중 하나인 매트릭스 컨버터(matrix converter)는 통상 다수상의 교류 입력 전원에 대하여 직접 변환에 의하여 주파수와 크기가 가변 가능한 다수 상의 교류 출력을 얻는데 사용되고 있다.

매트릭스 컨버터는 양방향 전력 전달이 가능하고, 입력 전류의 역률을 조절할 수 있으며, 교류를 다른 교류로 변환하는 과정에서 DC 링크가 필요 없는 등의 장점으로 인하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 매트릭스 컨버터는 단지 전력반도체 스위치만을 포함하여 구성되며 고주파 스위칭에 의하여 동작하므로, 입력과 출력에서 정현파 전류특성이 중요하고, 소형화, 고신뢰성이 요구되는 분야에 응용범위가 확대되는 추세이다.

도 1은 각각 3개의 양방향 스위치(bidirectional switch)를 갖는 3 개의 스위치부, 즉 제1 스위치부(S _Aa , S _Ab , S _Ac )(22), 제2 스위치부(S _Ba , S _Bb , S _Bc )(24), 제3 스위치부(S _Ca , S _Cb , S _Cc )(26)로 이루어진 3상 입력(10) 3상 출력(30)의 매트릭스 컨버터의 회로구성을 나타낸다. 양방향 스위치란 온(on) 되었을 때는 양방향으로 전류를 흘릴 수 있고, 오프(off) 되었을 때는 양방향의 극성의 전압을 견딜 수 있는 스위치를 말한다.

전력반도체 소자 기술이 발전함에 따라 일부 몇 종류의 양방향 전력반도체 스위치가 상용화되고 있긴 하지만, 종래 기술에 따른 대부분의 전력반도체 스위칭 소자는 단방향 스위치이므로, 통상 개별 양방향 스위치는 기존의 단방향 스위치와 다이오드를 조합하여 사용하여 구성된다.

도 2는 종래 기술에 따른 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)와 다이오드를 조합하여 양방향 스위치를 구성하는 세 가지 예시 방법을 나타낸다.

도 3은 도 1에 도시된 3상 입력 3상 출력 매트릭스 컨버터의 일부분인 출력의 한 상(A 상 출력)을 나타낸다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 출력의 한 상(A 상)은 입력의 제3 스위치부(26)의 스위치를 이용하여 어느 상 입력(12, 14, 16)과도 연결이 가능하다. 그런데, 만일 출력의 한 상을 두 개 이상의 입력 상과 연결한다면, 이러한 연결을 통하여 3상의 입력 전압이 단락되어 과전류의 원인이 된다. 또한, 출력의 한 상이 입력의 어느 상과도 연결이 이루어지지 않도록 한다면, 통상 유도성인 출력 부하전류(I _L )에 대한 환류 경로(freewheeling path)가 없어지므로 과전압의 원인이 된다.

따라서, 출력의 한 상은 임의의 매 순간 적어도 입력의 어느 한 상과, 그리고 반드시 한개만 연결되도록 하여야 한다. 특히 출력의 한 상의 연결 상태가 변하는 커뮤테이션(commutation) 동안에도 스위칭 동작에 대한 상기의 제한 조건이 변함없이 적용되므로 세심한 주의가 요구된다. 즉, 안정적이고 신뢰할만한 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션 동작은 매트릭스 컨버터에 대한 주요한 연구 분야 가운데 하나이고, 이와 관련하여 몇 가지 커뮤테이션 방안들이 연구되고 제시되어 왔다.

첫 번째 방법은 매트릭스 컨버터의 출력측 전류의 방향을 검출하고 이러한 출력측 전류방향의 정보에 기초하여 정해진 순서대로 양방향 스위치를 이루는 각각의 단방향 스위치의 온 오프 상태를 결정함으로써 커뮤테이션이 안전하게 이루어지도록 하는 방법으로서, 통상 4-스텝 커뮤테이션(4-step commutation)이라 한다.

두 번째 방법은 커뮤테이션이 이루어지는 두 양방향 스위치에 인가된 전압의 극성의 방향을 검출하고, 이러한 전압방향의 정보에 기초하여 정해진 순서대로 양방향 스위치를 이루는 각각의 단방향 스위치의 커뮤테이션 동안 온 오프 상태를 정해주는 방법으로 2-스텝 세미-소프트 커뮤테이션(2-step semi-soft commutation)이라고 한다.

세 번째 방법은 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션이 이루어지는 두 상간 입력전압의 상대적인 크기로부터의 부호를 검출하고, 이러한 입력측 전압부호의 정보에 기초하여 양방향 스위치를 이루는 각각의 단방향 스위치의 커뮤테이션 동안 온 오프 상태를 정해주는 방법이다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 커뮤테이션 방안들은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 커뮤테이션에 필요한 정보를 얻기 위하여 모두 부가적인 전류센서 또는 전압센서를 사용하고 있고, 이로 인하여 측정 또는 판별 에러와 같은 내재적 문제점들을 갖는다. 특히 전류방향이나 전압극성을 판별하는데 있어서 영(0)점 근처에서는 극심한 불확실성 또는 모호성(ambiguity)을 갖고, 그로 인하여 잘못된 커뮤테이션 스위칭을 함으로써 매트릭스 컨버터 운전에 있어서 빈번한 오작동 또는 소손의 원인이 되고 있다.

둘째, 기존의 방법들은 전류정보 또는 전압정보에 기초하여 양방향 스위치를 구성하는 각각의 개별 단방향 스위치를 온 오프 순서에 따라 동작시켜 줌으로써 비교적 긴 커뮤테이션 시간 간격을 필요로 한다. 실제로, 사용되는 게이트 드라이버에서의 턴온, 턴오프 특성상의 지연기간으로 인하여, 또는 각 단방향 스위치의 정확히 일치하지 않은 온/오프 특성으로 인하여 커뮤테이션 기간은 늘어나게 된다. 특히 개별 단방향 스위치의 완전한 턴온과 완전한 턴오프에 필요한 마진까지 포함할 경우 커뮤테이션 기간은 더욱 늘어나게 된다. 커뮤테이션 기간의 증가는 곧 출력전압의 손실과 출력 전압의 왜곡을 가져오게 되어 매트릭스 컨버터의 성능을 저하시키는 원인 가운데 하나가 된다.

셋째, 기존의 방법들에서는 전류 또는 전압의 정보에 기초하여 양방향 스위 치를 구성하는 개별 단방향 스위치의 온 오프 신호를 발생하기 위하여, 별도의 FPGA 또는 CPLD 로직회로를 사용하는 등의 복잡한 로직회로가 추가적으로 요구되며 이는 결과적으로 시스템의 복잡성을 증가시키고 제품의 생산 비용이 증가된다.

넷째, 종래의 방법들은 양방향 스위치를 구성하고 있는 각각의 단방향 스위치를 별도로 제어함으로써 양방향 스위치에 흐르는 전류의 방향을 독립적으로 제어할 수 있다는 가정하에 개발된 방법들이다. 그러므로, 매트릭스 컨버터를 구성할 때 상용화된 양방향 스위치를 사용할 경우에는 전류의 방향을 독립적으로 제어할 수 없으므로 적용이 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 일정 수의 저항과 커패시터만으로 구성되는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로를 통해 커뮤테이션 동안 출력전류의 도전 통로를 제공함으로써, 커뮤테이션 동작의 안정성을 향상시키고, 1-스텝 데드타임 만을 갖는 회로적 방법에 의하여 커뮤테이션 동작이 이루어지게 하여 출력전압 파형의 특성을 개선할 수 있으며, 상용화된 다양한 종류의 양방향 스위치를 사용하여 구성이 가능하고, 임의 상수의 입력과 임의 상수의 출력을 갖는 일반적인 매트릭스 컨버터에 손쉽게 적용 가능한 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, m상 교류 입력 전원 및 n상 교류 출력 부하를 갖는 AC-AC 전원 시스템을 위한 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션 회로에 있어서, 상기 m상 교류 입력 전원 및 n상 교류 출력 부하에 연결되며 m × n개의 양방향 스위치로 구성되는 매트릭스 컨버터와, 상기 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치와 각각 병렬 연결되는 m × n개의 커패시터와, 상기 m 개의 커패시터 및 한 상의 교류 출력 전원에 하나씩 직렬 연결되는 n개의 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 m 및 n은 자연수인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치는 개별 양방향 전력반도체 스위치이거나 단방향 전력반도체 스위치와 다이오드를 조합하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로에 의하면,

첫째, 종래의 전류 또는 전압센서를 사용하여 양방향 스위치를 구성하던 각각의 단방향 스위치의 온 오프를 제어하던 방식에서, 저항과 커패시터만을 사용한 커뮤테이션 회로를 제안함으로써 기존에 사용되던 전류 또는 전압 센서의 필요성을 제거하고, 그 결과 센서를 사용하였을 때 수반되었던 영점 근처의 동작의 불안정성을 제거할 수 있으며,

둘째, 종래의 2-스텝 또는 4-스텝의 제어적 방법이 아닌 1-스텝의 데드타임만을 갖는 회로적 방법에 의하여 커뮤테이션 동작이 이루어지게 함으로써 출력전압 파형의 특성을 개선할 수 있고 커뮤테이션 동작에 필요한 논리회로의 구성을 단순화할 수 있으며,

셋째, 종래의 방안들이 매트릭스 컨버터를 구성하는 양방향 스위치가 구조적으로 단방향 스위치의 조합으로 이루어지고 이들 단방향 스위치 각각을 제어함으로써 양방향의 전류를 독립적으로 제어할 수 있다는 가정하에 고안된 것들인 반면, 본 발명에서 제안된 커뮤테이션 회로는 이러한 제한 조건이 없이 다양한 종류의 양방향 스위치를 사용하여 구성이 가능하고,

넷째, 임의의 상수의 입력과 임의의 상수의 출력을 갖는 매트릭스 컨버터에 손쉽게 적용이 가능하므로, 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로를 포함한 전체 회로의 일 실시예를 나타낸 구성으로서, 매트릭스 컨버터 가운데 가장 간단한 형태인 2상 입력 단상 출력 매트릭스 컨버터에 적용된 경우이다. 또한, 도 5는 도 4에 도시된 매트릭스 컨버터의 2개의 양방향 스위치 (S ₁, S ₂)를 제어하는 스위칭 신호의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 AC-AC 전원 시스템의 전체 구성은 2상 교류인 입력전원(v _sa , v _sb )(40), 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션 동작이 안전하게 이루어지도록 돕기 위한 커뮤테이션 회로(C ₁, C ₂, R _C )(50), 2개의 양방향 스위치만으로 구성된 매트릭스 컨버터(S ₁, S ₂)(60), 단상의 부하(70)로 구성된다.

여기서, 상기 매트릭스 컨버터는 상기 양방향 스위치가 개별 양방향 전력반도체 스위치이거나 단방향 전력반도체 스위치와 다이오드를 조합하여 구성되는 매트릭스 컨버터이며, 본 발명의 커뮤테이션 회로는 이러한 두 가지 구성의 매트릭스 컨버터에 두루 적용된다.

이하, 도 4에 제시된 매트릭스 컨버터의 동작을 상세히 설명한다.

도 4에 도시된 스위치 S ₁을 온, S ₂를 오프 하면 부하에 입력전원 v _sa 의 전압이 인가되고, S ₁을 오프, S ₂를 온 하면 부하에 입력전원 v _sb 의 전압이 인가되는데, 이러한 두 가지 스위칭 상태를 번갈아 스위칭 함으로써 원하는 전압을 부하에 인가할 수 있다.

이때, 온 되 있던 스위치를 오프하고 오프 되어 있던 다른 스위치를 온 하면, 처음 온 되 있던 스위치에 흐르던 전류는 0이 되고, 오프 되어 있던 스위치를 온 함으로써 원래 처음 온 되 있던 스위치에 흐르던 전류가 흐르게 된다. 커뮤테이션이란 한 쪽 스위치에 흐르던 전류를 다른 쪽 스위치로 절환하는 동작을 의미하며, 도 5에 표시된 두 개의 양방향 스위치 S ₁, S ₂를 동시에 오프하는 매우 짧은 시간 구간(t _d ) 동안을 데드타임(dead time)이라고 하는데, 상기와 같은 데드타임 구간 동안 커뮤테이션이 이루어진다.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 커뮤테이션 회로를 적용한 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션 과정을 설명한다. 먼저, 스위칭 주기에 비하여 커뮤테이션 시간이 매우 짧으므로, 커뮤테이션 시간 동안 교류인 2개의 입력전압(v _sa , v _sb )은 직류전압(V _sa , V _sb )으로 가정할 수 있으며, 커뮤테이션이 이루어지는 두 상 사이의 전압을 V _s 라고 나타내기로 하고, 역시 원래는 교류인 부하전류도 크기가 I _o 인 직류 전류원으로 가정한다. 도 6은 도 4에 도시된 회로의 커뮤테이션 시간 동안에 대한 등가회로를 나타내며, 도 7은 도 6 회로의 전형적인 동작 파형을 나타낸다.

처음에 S ₂는 온, S ₁은 오프 되어, 부하전류 I _o 가 스위치 S ₂를 통하여 흐르고 있다고 가정한다. S ₂가 온 되어 있으므로 스위치 S ₁ 양단의 전압은 V _s 이고, 커뮤테이션 회로의 커패시터 전압은 각각 v _{C 1} = V _s , v _{C 2} = 0이다. 커뮤테이션은 t=t ₁인 순간 S ₂를 턴 오프하면서 개시된다.

S ₁, S ₂가 모두 오프 되면, 부하전류 I _o 는 두 개의 커패시터와 저항을 통하여 공급된다. 만일 두 커패시터 C ₁과 C ₂의 값이 같다면, I _o 는 C ₁과 C ₂에 균등하게 각각 나뉘어 흐르며 C ₁과 C ₂는 데드타임 구간 동안 부하전류 I _o 에 의하여 각각 충전된다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이 v _{C 1}은 V _s 부터, v _{C 2}는 0부터 선형적으로 증가한다. t=t ₂인 순간 S ₁이 턴 온 되면 데드타임 구간이 끝나고, 부하전류 I _o 는 스위치 S ₁을 통하여 공급되고 C ₁에 충전되었던 전압은 R _c (C ₁+C ₂)의 시상수를 갖고 C ₁- S ₁-R _c 의 경로로 0까지 방전하며, 동시에 v _{C 1} - v _{C 2} = V _s 로 일정하므로, v _{C 1}이 방전하여 0이 되면 v _{C 2}는 -V _s 가 됨으로써 커뮤테이션 회로의 동작이 완전히 종료된다.

매트릭스 컨버터의 입력전압은 교류이므로, 커뮤테이션 구간 동안 커뮤테이션이 이루어지는 두 상간의 입력전압 차인 V _s 의 부호는 양 또는 음으로 변할 수 있고, 출력 전류 I _o 의 방향 또한 양 또는 음이 될 수 있으나, 각 경우에 있어서의 커 뮤테이션 회로의 동작원리는 상기에서 설명한 바와 모두 동일하다.

도 8은 3상 입력 3상 출력 매트릭스 컨버터에 적용된 커뮤테이션 회로의 실시예를 보인다. 매트릭스 컨버터는 제1 스위치부(S ₁₁ , S ₂₁ , S ₃₁ ), 제2 스위치부(S ₁₂ , S ₂₂ , S ₃₂), 제3 스위치부(S ₁₃ , S ₂₃ , S ₃₃)을 포함하여 구성되며, 본 발명에 따른 커뮤테이션 회로는 상기 제1 스위치부와 병렬로 연결되는 제1 커뮤테이션 회로부(C ₁₁ , C ₂₁ , C ₃₁ , R ₁), 상기 제2 스위치부와 병렬로 연결되는 제2 커뮤테이션 회로부(C ₁₂ , C ₂₂ , C ₃₂ , R ₂), 상기 제3 스위치부와 병렬로 연결되는 제3 커뮤테이션 회로부(C ₁₃ , C ₂₃ , C ₃₃ , R ₃)를 포함하여 구성된다.

따라서 m상 입력 n상 출력 매트릭스 컨버터의 경우, 본 발명에 따른 커뮤테이션 회로는 n개의 커뮤테이션 회로부를 포함하여 구성되며, 각각의 커뮤테이션 회로부는 매트릭스 컨버터의 스위치와 각각 병렬로 연결되는 m개의 커패시터와 상기 커패시터와 직렬 연결되는 1개의 저항으로 구성된다. 즉, 전체 m × n개의 커패시터와 n개의 저항으로 구성된다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 3상 입력 3상 출력의 매트릭스 컨버터를 나타낸 도면,

도 2는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 다이오드를 사용하여 구성한 양방향 스위치의 일 실시예를 나타낸 도면,

도 3은 출력의 한 상 만을 도시한 3상 입력 3상 출력 매트릭스 컨버터의 일부 도면,

도 4는 본 발명에 따른 커뮤테이션 회로의 일 실시예(2상 입력 단상 출력)를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 커뮤테이션 회로의 일 실시예(2상 입력 단상 출력 매트릭스 컨버터)의 스위치 제어신호를 나타낸 도면,

도 6은 커뮤테이션 시간 동안에 대한 도 4에 도시된 회로의 등가 회로도,

도 7은 커뮤테이션 동작 전후 시간 동안의 매트릭스 컨버터 각 부의 대표적인 파형을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 따른 커뮤테이션 회로의 일 실시예(3상 입력 3상 출력 매트릭스 컨버터)를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 3상 전원 12 : a상 전원

14 : b상 전원 16 : c상 전원

20 : 매트릭스 컨버터 22 : 제1 스위치부

24 : 제2 스위치부 26 : 제3 스위치부

30 : 3상 부하 40 : 2상 전원

50 : 커뮤테이션 회로 60 : 매트릭스 컨버터

70 : 단상 부하 82 : 제1 커뮤테이션 회로부

84 : 제2 커뮤테이션 회로부 86 : 제3 커뮤테이션 회로부

Claims (3)

1. m상 교류 입력 전원 및 n상 교류 출력 부하를 갖는 AC-AC 전원 시스템을 위한 매트릭스 컨버터의 커뮤테이션 회로에 있어서,

   상기 m상 교류 입력 전원 및 n상 교류 출력 부하에 연결되며 m × n개의 양방향 스위치로 구성되는 매트릭스 컨버터와;

   상기 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치와 각각 병렬 연결되는 m × n개의 커패시터와;

   상기 m 개의 커패시터 및 한 상의 교류 출력 전원에 하나씩 직렬 연결되는 n개의 저항;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 m 및 n은 자연수인 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치는 개별 양방향 전력반도체 스위치이거나 단방향 전력반도체 스위치와 다이오드를 조합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로.

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