KR20110095421A

KR20110095421A - 열공학적으로 폐쇄되는 기계식 스위치들에 의한 중복 스위칭 셀들을 가진 전압원 변환기들 내의 오류 보호

Info

Publication number: KR20110095421A
Application number: KR1020117016622A
Authority: KR
Inventors: 군나르 아스프룬드
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 아게
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2011-08-24
Also published as: WO2010081555A1; JP5437392B2; JP2012515522A; CN102282751A; US8611113B2; CA2749042A1; EP2387821B1; CN102282751B; KR101275992B1; EP2387821A1; US20110267852A1; CA2749042C

Abstract

전압원 변환기는 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결을 가지며, 각 스위칭 어셈블리 (7) 는 적어도 턴오프 타입의 반도체 디바이스 및 이와 병렬로 연결되는 환류 (free-wheeling)다이오드를 각각 가지는 복수의 반도체 칩들 (31) 을 지지하는 전기 전도성 평판 부재 (30) 를 가진다. 상기 칩들은 각각 적어도 하나의 개별 도체 부재 (35, 36) 에 의해 상기 직렬 연결에서 인접한 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재에 연결됨으로써 서로에 대해 병렬로 연결된다. 각 스위칭 어셈블리는 스위칭 어셈블리의 정상 동작 하에 개방되도록 구성되고, 스위칭 어셈블리의 반도체 칩을 통과하는 단락 전류가 발생하는 경우 기계식 스위치 (39) 가 속하는 스위칭 어셈블리의 상기 반도체 칩들을 우회하기 위해 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재를 인접한 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재에 연결시킬 수 있도록 구성된다.

Description

열공학적으로 폐쇄되는 기계식 스위치들에 의한 중복 스위칭 셀들을 가진 전압원 변환기들 내의 오류 보호 {FAULT PROTECTION IN VOLTAGE SOURCE CONVERTERS WITH REDUNDANT SWITCHING CELLS VIA MECHANICAL SWITCHES BEING CLOSED PYROTECHNICALLY}

본 발명은 변환기의 직류 전압측의 반대 극들에 연결하고 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 가지는 전압원 변환기에 관한 것으로서, 각 스위칭 어셈블리는 적어도 턴오프 타입의 반도체 디바이스 및 이와 병렬로 연결되는 환류 (free-wheeling)다이오드를 각각 가지는 복수의 반도체 칩들을 지지하는 전기 전도성 평판 부재를 가지며, 상기 칩들은 각각 개별 도체 부재에 의해 상기 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결에서 인접한 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재에 연결됨으로써 서로에 대해 병렬로 연결되며, 상기 직렬 연결의 중간지점은 변환기의 교류 전압측에 연결되고 위상 레그를 상부 밸브 브랜치 및 하부 밸브 브랜치로 나누도록 구성된 위상 출력을 형성하는, 전압원 변환기에 관한 것이다.

임의의 수의 상기 위상 레그들을 가지는 이러한 변환기들이 포함되나, 이들은 교류 전압측에 3상 교류 전압을 가지도록 일반적으로 3 개의 위상 레그들을 가진다.

더 나아가, 본 발명은 어떠한 종류의 전압원 변환기로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 일반적으로 M2LC 들의 다중셀 (multiple-cell) 변환기들로 호칭되는, DE 101 03 031 A1 및 WO 2007/023064 A1 을 통해 공지된 종류의 전압원 변환기들과, 또한 상기 극들 중 하나를 상기 위상 출력에 교호적으로 연결하도록 제어되는 전류 밸브들을 가지는 2단 변환기들 및 NPC (Neutral Point Clamped) 변환기들을 포함한다.

이러한 종류의 전압원 변환기는 직류 전압이 교류 전압으로 변환되거나 그 역으로 변환되는 모든 종류의 상황들에서 사용될 수 있는데, 이러한 용도의 예로는, 통상적으로 직류 전압이 3상의 교류 전압으로 변환되거나 그 역으로 변환되는 HVDC (High Voltage Direct Current) 플랜트들의 스테이션들에서의 용도, 또는 교류 전압이 먼저 직류 전압으로 변환되고, 그 후 교류 전압으로 변환되는 소위 백-투-백 스테이션들, 그리고 직류 전압측이 프리 행잉 (freely hanging) 캐패시터들로 구성된 SVC (Static Var Compensator) 들을 들 수 있다. 그러나 본 발명은 이러한 응용들로 한정되지 않으며, 기계, 차량 등을 위한 여러 종류의 구동 시스템들과 같이 기타 응용들을 구상하는 것이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 변환기의 직류 전압측의 상기 반대 극들 사이의 어떠한 특정한 전압 레벨로 한정되지 않지만, 이러한 레벨들은 비교적 많은 수의 스위칭 어셈블리들이 직렬로 연결되어 이들이 상기 반도체 디바이스들의 차단 (blocking) 상태에서 상기 전압을 함께 유지하는 것을 가능하게 할 정도로 충분히 높아야 할 것이다.

이러한 반도체 디바이스들은 대부분 IGBT 들이지만, 턴오프 타입의 유사한 반도체 디바이스 중 어떠한 종류도 구상 가능하다. 그러나 본 발명을 명확히 하면서도 본 발명을 어떠한 방식으로도 한정하지 않는 의도로, 이후에는 상기 반도체 칩들 내 반도체 디바이스들로서 IGBT 들의 경우가 주로 설명될 것이다.

이러한 전압원 변환기 내의 스위칭 어셈블리는 병렬로 연결된 복수의 상기 반도체 칩들을 가지며, 이들의 IGBT 들은 전도 또는 차단 상태에 있고 전도 상태에 있는 경우 스위칭 어셈블리를 통과하는 전류를 공유하도록 동시에 제어된다. 하나의 IGBT 가 고장 나더라도 전압원 변환기의 지속적인 동작이 보장되어야 한다. 이러한 종류의 전압원 변환기에는 추가의 스위칭 어셈블리들이, 즉 상기 두 극들 사이의 전압을 취하기 위해 유지되어야 하는 전압을 유지하는 데 필요한 수보다 많은 수의 스위칭 어셈블리들이 상기 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결 내에 배치되어 있어서, 그 중 하나가 기능을 멈추더라도 변환기를 통과하는 전류를 중지시키지 않는 한 문제를 야기하지 않을 것이다.

한 종류의 전압원 변환기들에서는 상기 개별 도체 부재들이 본딩 와이어들의 형태로 각각의 반도체 칩을 상기 평판 부재에 연결하며, 이러한 칩에서 어느 IGBT 하나에 단락이 있는 경우, 스위칭 어셈블리를 통과하는 전류 전부가 이 칩을 통해 흐를 것이며 이에 연결된 본딩 와이어는 연소되고 전류는 이어서 병렬로 연결된 다른 반도체 칩으로 넘어갈 것이다. 스위칭 어셈블리의 반도체 칩들 모두가 이처럼 소모되면, 전압원 변환기의 동작은 중지되어야 하고 고장 난 스위칭 어셈블리는 교체되어야 한다.

직렬로 연결된 스위칭 어셈블리들 사이의 연결을 보장하는 기법으로서 소위 프레스 팩 (press pack) 기법이 알려져 있는데, 이는 상기 평판 부재와 각각의 개별적 반도체 칩 사이에 압축 스프링이 배치되고, 상기 적어도 하나의 개별 도체 부재는 이 경우 상대적으로 가는 유연성 도체들로 구성되지만 이들은 고장 난 IGBT 를 통하여 흐르는 단락 전류를 견뎌내도록 설계된다. 그러나 일정 기간이 지나면, IGBT 를 통과하는 전류 경로는 온도 제한들로 인해 차단될 것이며 병렬로 연결된 다른 반도체 칩으로 넘어갈 것이다. 이러한 종류의 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결에서는, 스위칭 어셈블리의 반도체 칩들 모두가 멈추어지고 변환기의 동작이 중지되어야 할 때까지 허용 가능한 정도의 긴 시간이 걸릴 수 있는데, 이는 변환기를 통과하는 것이 허용된 전류의 설정 (dimensioning) 이 수 년이 걸리도록 선정되기 때문이다.

그러나 전압원 변환기를 통해 전달 가능한 전력을 증가시키기 위해 전류를 실질적으로 증가시키려 한다면, 하나의 IGBT 가 단락된 후 변환기의 동작을 중지해야 할 필요가 있을 때까지의 스위칭 어셈블리의 수명은 상당히 단축될 수 있으며, 이러한 경우 상기 동작 중지의 발생을 피하기 위해 이러한 스위칭 어셈블리에 걸쳐 영구적인 단락을 신뢰성 있게 생성하는 것이 매우 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 서론에서 정의된 종류의 전압원 변환기로서, 기존의 전압원 변환기들과 비교할 때 반도체 칩들의 고장들을 처리하는 능력과 관련하여 적어도 일부의 측면에서 개선된 전압원 변환기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 목적은,

ㆍ상기 스위칭 어셈블리 각각이, 상기 스위칭 어셈블리의 정상 동작 하에 개방되도록 구성되고, 기계식 스위치가 속하는 스위칭 어셈블리의 상기 반도체 칩들을 우회하기 위해 이 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재를 인접한 스위칭 어셈블리의 평판 부재에 연결시킬 수 있도록 구성된 기계식 스위치를 가지며,

ㆍ릴리스 메커니즘이 상기 기계식 스위치 각각에 연관되고, 트리거링시 상기 스위치를 개방에서 폐쇄 상태로 전환시키기 위해 상기 기계식 스위치의 가동 (movable) 접점을 이동시키도록 구성되며,

ㆍ각 스위칭 어셈블리 상기 적어도 하나의 도체 부재는 이 도체 부재가 연결된 반도체 칩을 통과하는 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계되며,

ㆍ각 스위칭 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 도체 부재와 연관된 퓨즈 부재로서, 상기 아크에 의해 점화되도록 구성되며 상기 퓨즈 부재의 점화시 상기 스위칭 어셈블리의 상기 반도체 칩들을 우회하여 상기 두 개의 인접한 평판 부재들 사이에 전류 경로를 구축하기 위해 상기 릴리스 메커니즘을 트리거링시키도록 상기 릴리스 메커니즘으로 연장되는 퓨즈 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기에 의해 달성된다.

이러한 방법으로 폐쇄 상태에서 해당 스위칭 어셈블리를 단락시킬 기계식 스위치를 배치함으로써, 전압원 변환기의 동작은, 기계식 스위치의 폐쇄 상태로의 전환이 신뢰성 있게 이루어지는 한, 어느 때에도 전압원 변환기를 통과하는 전류 경로의 차단의 결과로 중지될 필요가 없다. 여기서, 단락 전류가 통하여 흐를 때 아크를 생성하도록 상기 적어도 하나의 도체 부재를 설계하고 이 아크를 활용하여 상기 퓨즈 부재를 점화시키며, 이로써 기계식 스위치와 연관된 릴리스 메커니즘을 트리거링시킴으로써 신뢰성을 보장한다. 따라서 기계식 스위치의 제어를 위해 어떠한 특별한 제어 회로들이 불필요하며, 그러므로 그 동작은 매우 로버스트하고 신뢰적이다.

따라서 고장 나는 반도체 칩을 가진 스위칭 어셈블리를 통과하는 단락 전류의 레벨은 더 이상 문제를 야기하지 않을 것이며, 이로 인해 이러한 종류의 전압원 변환기는 때이른 동작 중지의 필요 없이 매우 높은 DC 전류들, 예컨대 기존의 두 배 이상의 규모의 전류들을 전도하도록 설계될 수 있다. 보다 정확하게는, 각 스위칭 어셈블리 내에 병렬로 연결되는 반도체 디바이스들의 수가 선택될 때, 반도체 디바이스가 소정의 단락 전류를 얼마나 오랜 시간 동안 받을 수 있는지에 관해 생각할 필요가 없고, 이 수는 오로지 정상 동작 중에 전도되는 전류만을 고려하여 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 반도체 어셈블리의 복수의 상기 도체 부재들은 관련된 반도체 칩을 통과하는 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계되며, 상기 퓨즈 부재는 이러한 연소하도록 설계된 복수의 도체 부재들과 연관된다. 이론적으로는 각 반도체 어셈블리가 상기 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계된 도체 부재를 하나 가지는 것만이 필요하지만, 각 스위칭 어셈블리 내에 이러한 도체 부재를 더 많이 가지는 것이 유리하며, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이러한 것들이 상기 도체 부재들의 적어도 90% 또는 전부일 수 있는데, 모든 반도체 칩들이 이와 같은 동일한 도체 부재들을 가질 때 각 스위칭 어셈블리의 생산이 보다 효율적이 될 것이기 때문이다. 그러나 그로 인해 이러한 종류의 도체 부재들 모두가 상기 퓨즈 부재에 연결될 필요는 없고, 스위칭 어셈블리를 통과하는 전류의 차단이 발생하기 전에 상기 기계식 스위치가 신뢰적으로 폐쇄 상태로 전환되기만 하면 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연소하도록 설계된 적어도 하나의 도체 부재는 와이어로서, 바람직하게는 가는 본딩 와이어와 같은 유연성 와이어이다. 이와 같이, 단락 전류가 통과할 때 상기 아크를 형성하도록 적절히 설계된 이러한 와이어들이 사용될 수 있으며, 서론에서 설명된 본딩 와이어 종류가 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 릴리스 메커니즘은 상기 퓨즈 부재에 의해 점화되어 기계식 스위치의 폐쇄 상태에 상응하는 위치로 상기 가동 접점을 이동시키도록 구성된, 화약과 같은, 폭발성 매체를 포함한다. 이것은 기계식 스위치를 폐쇄 상태로 전환시키도록 가동 접점을 밀어내기 위한 매우 강한 힘을 획득하는 신뢰성 있는 방법을 구성한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 릴리스 메커니즘은 포텐셜 에너지를 저장하는 부재 및 이 부재를 프리텐션 (pretention) 하에 고정하는 수단을 포함하며, 상기 고정 수단은 연관된 상기 퓨즈 부재의 연소에 의해 릴리스되고 상기 포텐셜 에너지 저장 부재로 하여금 포텐셜 에너지를 릴리스시키면서 상기 가동 접점을 상기 기계식 스위치의 폐쇄 상태에 상응하는 위치로 가세 (urge) 할 수 있게 하도록 구성된다. 이것은 해당 스위칭 어셈블리를 우회하는 영구적인 전류 경로를 획득하기 위한 또 다른 신뢰성 있는 옵션이며, 상기 포텐셜 에너지 저장 부재는 바람직하게는 기계식 압축 스프링과 같은 스프링 부재이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 각 스위칭 어셈블리는 상기 반도체 칩들과 병렬로 연결되는 적어도 하나의 에너지 저장 캐패시터를 포함하며, 상기 스위칭 어셈블리는 상기 위상 출력 상에 결정된 교류 전압을 획득하기 위해, 각 반도체 칩의 상기 반도체 디바이스들의 제어에 의해, 두 가지 스위칭 상태들, 즉 상기 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재 및 이 스위칭 어셈블리에 속하는 반도체 칩들이 연결되는 평판 부재에 걸쳐 각각 상기 적어도 하나의 에너지 저장 캐패시터에 걸친 전압 및 0 전압이 인가되는, 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성된다. 이와 같은 전압원 변환기는 높은 전력들이 전송될 때, 즉 상기 위상 레그에 직렬로 연결된 스위칭 어셈블리들의 수가 비교적 많을 때, 특히 유리하다. 이러한 직렬로 연결된 스위칭 어셈블리들의 수가 많다 함은 이러한 스위칭 어셈블리들을 상기 제 1 및 제 2 스위칭 상태 사이에서 변경하도록 제어하고 이로 인해 이미 상기 위상 출력에서 사인파 (sinusoidal) 전압에 매우 근접한 교류 전압을 획득하는 것이 가능함을 의미한다. 이것은 변환기의 상기 위상 출력에 인가되는 전압 펄스들의 가능한 레벨들이 2 또는 3 레벨과 같이 더 적은 수를 가지는 공지된 전압원 변환기들에서 통상적으로 사용되는 것보다 실질적으로 더 낮은 스위칭 주파수들을 통해 달성할 수 있다. 이것은 실질적으로 더 낮은 손실들을 획득하는 것을 가능하게 하고 또한 필터링 및 고조파 전류들 및 라디오 간섭들의 문제들을 상당히 감소시키므로, 장비의 가격이 낮아질 수 있다.

한편, 본 발명은 또한 동일한 상기 밸브 브랜치에 속하는 스위칭 어셈블리들이 상기 반대 극들 중 하나를 상기 위상 출력에 교호적으로 연결하도록 동시에 제어되도록 구성되는 변환기에 관한 것이며, 이는 본 발명의 또 다른 실시예를 구성한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 반도체 칩들의 상기 반도체 디바이스들은 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 들, IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 들 또는 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 들이며, 본 발명은 특히 IGBT 들의 경우에 관하여 설명된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 변환기는 상기 직류 전압측은 고전압 직류 (HVDC) 를 전송하기 위한 직류 전압 네트워크에 연결되고 상기 교류 전압측은 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 선로에 연결되도록 구성된다. 이것은 이러한 종류의 변환기의 특히 유리한 응용에서 이러한 변환기를 통해 전송되는 것이 통상적으로 요구되는 높은 전력들에 기인한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 변환기는 직류 전압측이 에너지 저장 캐패시터들에 의해 형성되는 SVC (Static Var Compensator) 의 일부이며, 상기 위상 출력은 교류 전압 네트워크에 연결된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 변환기는 상기 두 극들에 걸친 직류 전압이 1 kV ~ 1200 kV, 10 kV ~ 1200 kV 또는 100 kV ~ 1200 kV 이도록 구성된다. 직류 전압이 높을수록 본 발명의 효과는 두드러진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 변환기는 직류 전압측에서 200 A 내지 10 kA 또는 1 kA 내지 7 kA 또는 2 kA 내지 5 kA 의 전류를 전도하도록 구성된다. 특히, 2 kA 초과의 전류들은 이러한 종류의 전압원 변환기에서 중지 없는 동작의 기존 요구조건들과 대부분 부합하지 않는 것으로 알려져 있지만, 이러한 전류 레벨들도 본 발명에 따른 전압원 변환기에서 가능하다.

본 발명은 또한 첨부된 청구항에 따른 전력 전송용 플랜트에 관한 것이다. 이러한 플랜트의 스테이션들에는 경쟁적으로 낮은 비용에 대해 높은 신뢰성이 주어질 수 있다.

본 발명의 유리한 특징들 및 기타 효과들이 이하의 상세한 설명에 나타내어질 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 종류의 전압원 변환기를 매우 간략하게 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명이 적용될 수 있는 종류의 전압원 변환기를 매우 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명이 적용될 수 있는 또 다른 종류에 따른 전압원 변환기를 매우 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4 는 전압원 변환기 내에서 스위칭 어셈블리들을 연결하는 원리를 매우 간략하게 나타내는 도면이다.
도 5 는 전압원 변환기 내의 스위칭 어셈블리를 매우 간략하게 나타내는 평면도이다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전압원 변환기 내의 스위칭 어셈블리의 일부를 나타내는, 도 4 에 상응하는 도면으로서, 스위칭 어셈블리의 정상 동작 상태를 나타내는 도면이다.
도 7 은 도 6 에 상응하는 도면으로서, 상기 스위칭 어셈블리를 우회하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 8 은 도 6 에 상응하는 도면으로서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전압원 변환기 내의 스위칭 어셈블리를 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들의 설명이 예시로서 제공된다.

도 1 은 본 발명이 관련되는 종류의 전압원 변환기 (1) 의 일반적 구성을 매우 개략적으로 나타낸다. 이 변환기는, 고전압 직류를 전송하기 위한 직류 전압 네트워크와 같은, 변환기의 직류 전압측의 반대 극들 (5, 6) 에 연결된 3 개의 위상 레그들 (2~4) 을 가진다. 각 위상 레그는 네모들로 표시된 스위칭 어셈블리들 (7) 의 직렬 연결을 포함하는데, 현재의 경우에는 그 수가 16 개이지만, 이 수는 예컨대 50 과 같이 훨씬 더 많은 수일 수 있으며, 상기 극들 사이에 함께 유지하여야 하는 전압을 유지하는 데 필요한 수보다 더 많다. 이러한 직렬 연결은 두 개의 동일한 부분들, 상부 밸브 브랜치 (8) 및 하부 밸브 브랜치 (9) 로 나뉘어지는데, 이들은 변환기의 교류 전압측에 연결되도록 구성되는 위상 출력을 형성하는 중간지점 (10~12) 에 의해 분리된다. 위상 출력들 (10~12) 은 어쩌면 트랜스포머를 통해 3상 교류 전압 네트워크, 부하 등에 연결될 수 있다. 상기 교류 전압측에서 교류 전압의 형상을 개선시키기 위해 상기 교류 전압측에 필터링 장비가 또한 배치된다.

스위칭 어셈블리들 (7) 을 제어하기 위한 제어 장치 (13) 가 배치되며, 이를 통해 변환기는 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키고, 그 역으로도 변환시킨다.

전압원 변환기에는 각각 턴오프 타입의 반도체 디바이스와 이에 병렬로 연결된 환류 (free wheeling)다이오드를 가진 복수의 반도체 칩들을 가지는 종류의 스위칭 어셈블리들 (7) 이 있다. 이러한 칩들은 서로 병렬로 연결된다. 도 2 에 도시된 종류의 전압원 변환기 (VSC) 에서는, 적어도 하나의 에너지 저장 캐패시터가 반도체 칩들과 병렬로 연결된다. 스위칭 어셈블리들의 터미널들 (14, 15) 은 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결 내의 인접한 스위칭 어셈블리들에 연결되도록 구성되어 위상 레그를 형성한다. 이 경우, 반도체 디바이스들 (16, 17) 은 다이오드들 (18, 19) 과 병렬로 연결된 IGBT 들이다. 다이오드들 및 반도체 디바이스들의 각 직렬 연결들에는 에너지 저장 캐패시터 (20) 가 병렬로 연결된다. 하나의 터미널 (14) 은 두 반도체 디바이스들 사이의 중간지점 및 두 다이오드들 사이의 중간지점에 연결된다. 다른 하나의 터미널 (15) 은 에너지 저장 캐패시터 (20) 에 연결된다.

도 2 에 도시된 스위칭 어셈블리들은 a) 제 1 스위칭 상태 및 b) 제 2 스위칭 상태 중 하나를 획득하도록 제어될 수 있는데, a) 에 대해서는 캐패시터 (20) 에 걸친 전압이, b) 에 대해서는 0 전압이 터미널들 (14, 15) 에 걸쳐 인가된다.

도 2 는 도 1 에 따른 변환기를 도시하는데, 도면을 간략화하기 위해 총 10 개의 스위칭 어셈블리들이 생략되었다. 제어 장치 (13) 는 그 반도체 디바이스들을 제어함으로써 스위칭 어셈블리들을 제어하도록 구성되어 있어, 이들이 상기 직렬 연결 내의 다른 스위칭 어셈블리들의 전압들에 추가될 0 전압 또는 캐패시터에 걸친 전압을 인가할 것이다. 여기에는 트랜스포머 (21) 및 필터링 장비 (22) 도 표시되어 있다. 각 밸브 브랜치가 어떻게 위상 리액터 (50, 51) 를 통해 위상 출력 (10) 에 연결되는지가 도시되어 있고, 도 1 에서도 위상 출력들 (10, 11 및 12) 에 대해 이러한 위상 리액터들이 있어야 하지만, 도시를 간략화하기 위해 생략되었다.

도 3 은 본 발명이 적용될 수 있는 또 다른 종류의 전압원 변환기를 개략적으로 나타내며, 이는 소위 2레벨 종류이고, 동일한 밸브 브랜치에 속하는 스위칭 어셈블리들 (7') 은 간략화를 위해 하나의 단일 전류 밸브로 요약되어 있다. 여기서 상기 동일한 밸브 브랜치에 속하는 스위칭 어셈블리들은 상기 반대 극들 (5, 6) 중 하나를 각각의 위상 출력 (10', 11', 12') 에 교호적으로 연결하도록 동시에 제어되도록 구성된다.

이제 본 발명이 적용될 수 있는 종류의 전압원 변환기 내의 스위칭 어셈블리들의 직렬 연결의 원리를 설명하기 위해 도 4 및 도 5 를 동시에 참조한다. 각 스위칭 어셈블리 (7) 는 도 2 및 도 3 에 표시된 바와 같이 각각 적어도 하나의 턴오프 타입의 반도체 디바이스 및 이와 병렬로 연결된 환류 다이오드를 가지는 복수의 반도체 칩들 (31) 을 지지하는 전기 전도성 평판 부재 (30) 를 포함한다. 상기 칩들 (31) 은 각각 개별적 도체 부재 (32) 에 의해 상기 스위칭 어셈블리들의 상기 직렬 연결에서 인접한 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재 (30) 에 연결됨으로써 서로 병렬로 연결된다. 상기 스위칭 어셈블리에서 IGBT 와 같은 반도체 칩이 고장 나며 단락될 때 스위칭 어셈블리의 영구적 단락이 획득될 것을 보장하기 위해 이 연결이 어떻게 구체화될 것인지가 본 발명의 주요 관건이며, 이는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전압원 변환기에서 이를 도시하는 도 6 을 참조하여 우선 설명될 것이다. 여기서 직렬 연결은, 압축 스프링들 (33) 이 금속 평판 (34) 을 각 칩 (31) 에 접촉하도록 가압하고 유연성 도체들 (35, 36) 이 각 칩을 인접한 스위칭 어셈블리의 평판 부재 (30) 에 연결하는, 소위 프레스 팩 기법에 의해 구체화된다. 본 발명에 따른 실시예에서 이들 도체들 (35, 36) 은 각각의 도체 부재가 연결된 반도체 칩을 통과하는 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계되어 있다. 이것은 이들을 가는 본딩 와이어들로 만듦으로써 달성할 수 있다. 그러면 아크가 형성될 것인데, 이러한 단락의 발생시 전류는 수백 배 증가할 것이고 와이어들 내의 전력은 수천 배 증가할 것이기 때문이다. 더 나아가, 파이로 퓨즈 (pyro fuse) 부재와 같은 퓨즈 부재 (37) 가 도체 부재들 (35, 36) 과 연관되고, 상기 아크에 의해 점화되도록 구성되며, 기계식 스위치 (39) 를 위한 릴리스 메커니즘 (38) 으로 연장된다. 이 기계식 스위치 (39) 는 스위칭 어셈블리의 정상 동작 하에서는 개방되도록 구성되고, 기계식 스위치가 속하는 스위칭 어셈블리의 반도체 칩들 (31) 을 우회하기 위해 그 평판 부재 (30) 를 인접한 스위칭 어셈블리의 평판 부재에 연결시킬 수 있도록 구성된다.

이를 위한 목적의 릴리스 메커니즘 (38) 은 트리거링되면, 스위치를 개방 상태에서 폐쇄 상태로 전환시키기 위해, 상기 기계식 스위치의 가동 접점 (40) 을 이동시키도록 구성되어 있다. 이것은 화약과 같은 폭발성 매체 (41) 를 상기 릴리스 메커니즘의 공간 내에 배치하고 이 공간을 퓨즈 부재 (37) 에 연결시킴으로써 보장된다. 도 6 의 (42) 에는 스위칭 어셈블리의 정상 동작시 기계식 스위치를 개방 상태로 유지하기 위한 절연부들이 표시되어 있다.

이제 도 6 및 도 7 을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전압원 변환기 내에서 스위칭 어셈블리를 우회하는 영구적 전류 경로의 생성이 어떻게 획득되는지에 대해 설명될 것이다. 이제 반도체 칩 (31') 이 고장 나는 것으로 가정하는데, 그 결과 이 반도체 칩 및 이에 연결된 와이어들 (35', 36') 을 통과하는 단락 전류가 발생할 것이며, 이는 이들 와이어들을 통해 통상적으로 흐르는 전류의 수백 배이어서 아크가 생성될 것이다. 이 아크는 퓨즈 부재 (37) 를 점화시킬 것이고, 퓨즈 부재 (37) 는 연소할 것이며 이어서 화약 (41) 을 점화시켜 이 스위치의 가동 접점 (40) 상에 매우 강한 힘을 가할 것이며, 도 7 에 도시된 바와 같이 기계식 스위치의 폐쇄 상태를 정의하는 위치로 이 접점을 밀어낼 것이다. 이러한 방법으로 두 개의 인접한 평판 부재들 (30) 사이에 전류 경로를 생성함으로써 적어도 하나의 고장 난 반도체 칩을 가진 스위칭 어셈블리는 이러한 방법으로 영구적으로 단락된다. 파이로 퓨즈 부재 (37) 의 점화와 견고한 단락 사이의 시간은 통상적으로 5 내지 10 ms 일 수 있다.

도 8 은 서론에서 설명된 종류의 전압원 변환기에서 본 발명이 어떻게 본딩 와이어들 (32) 형태의 상기 전도 부재들로 구체화되는지를 나타낸다. 릴리스 메커니즘을 구체화하는 대안적인 방법이 또한 도시되는데, 이 경우에는 기계식 접점의 공간 (44) 내에 압축 스프링 (43) 이 봉입되어 있으며 포텐셜 에너지를 저장하면서 프리텐션 (pretension) 하의 와이어 (45) 의 형태를 가진 고정 수단에 의해 고정된다. 퓨즈 부재 (37) 가 도체들 (32) 중 일부 또는 전부와 연관되어 있으며 릴리스 메커니즘 (38') 의 와이어 (45) 까지 연장된다. 반도체 칩들 (31) 중 하나에서 고장의 발생시 이 스위칭 어셈블리의 행위는 자명하며 다음과 같다. 이러한 반도체 칩을 통과하는 단락 전류는 상기 와이어 (32) 에 아크를 생성할 것이며, 이는 퓨즈 부재 (37) 를 점화시킬 것이고, 퓨즈 부재 (37) 는 이어서 연소할 것이고 압축 스프링 (44) 을 고정하는 와이어 (45) 를 연소시킬 것이다. 이것은 그 다음 포텐셜 에너지를 릴리스시키면서 가동 접점 (40) 을 기계식 스위치의 폐쇄 상태로 가압할 것이고, 가동 접점을 이 상태로 견고히 고정시킬 것이며, 이로 인해 반도체 어셈블리를 우회하는 영구적 전류 경로를 생성할 것이다.

물론 본 발명은 어떠한 식으로도 전술한 실시예들에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 전술한 실시예들을 수정하는 수많은 가능성들이 해달 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims

변환기의 직류 전압측의 반대 극들 (5, 6) 에 연결하고 스위칭 어셈블리들 (7, 7') 의 직렬 연결을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (2~4) 를 가지는 전압원 변환기로서,
상기 스위칭 어셈블리 각각은 적어도 턴오프 타입의 반도체 디바이스 (16, 17) 및 이와 병렬로 연결되는 환류 (free-wheeling)다이오드 (18, 19) 를 각각 가지는 복수의 반도체 칩들 (31) 을 지지하는 전기 전도성 평판 부재 (30) 를 가지며,
상기 칩들은 각각 적어도 하나의 개별 도체 부재 (32, 35, 36) 에 의해 상기 스위칭 어셈블리들의 상기 직렬 연결에서 인접한 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재에 연결됨으로써 서로에 대해 병렬로 연결되며,
상기 직렬 연결의 중간지점은 변환기의 교류 전압측에 연결되고 상기 위상 레그를 상부 밸브 브랜치 (8) 및 하부 밸브 브랜치 (9) 로 나누도록 구성된 위상 출력 (10~12) 을 형성하며,
ㆍ상기 스위칭 어셈블리 각각은, 기계식 스위치 (39) 로서 상기 스위칭 어셈블리 (7) 의 정상 동작 하에 개방되도록 구성되고, 상기 기계식 스위치가 속하는 상기 스위칭 어셈블리의 상기 반도체 칩들 (31) 을 우회하기 위해 상기 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재 (30) 를 인접한 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재에 연결시킬 수 있도록 구성된 기계식 스위치 (39) 를 가지며,
ㆍ릴리스 메커니즘 (38) 이 상기 기계식 스위치 각각에 연관되고, 트리거되는 경우 상기 스위치를 개방에서 폐쇄 상태로 전환시키기 위해 상기 기계식 스위치의 가동 접점 (40) 을 이동시키도록 구성되며,
ㆍ상기 스위칭 어셈블리 (7) 각각의 상기 적어도 하나의 도체 부재 (32, 35, 36) 는 상기 도체 부재가 연결된 상기 반도체 칩 (31) 을 통과하는 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계되며,
ㆍ상기 스위칭 어셈블리 각각은, 상기 적어도 하나의 도체 부재 (32, 35, 36) 와 연관된 퓨즈 부재 (37) 로서, 상기 아크에 의해 점화되도록 구성되고 상기 퓨즈 부재의 점화시 상기 스위칭 어셈블리의 상기 반도체 칩들을 우회하여 상기 두 개의 인접한 평판 부재들 사이에 전류 경로를 구축하기 위해 상기 릴리스 메커니즘 (38) 을 트리거링시키도록 상기 릴리스 메커니즘 (38) 으로 연장되는 상기 퓨즈 부재 (37) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항에 있어서,
각 반도체 어셈블리 (7) 의 복수의 상기 도체 부재들 (32, 35, 36) 은 관련된 상기 반도체 칩을 통과하는 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계되며,
상기 퓨즈 부재 (37) 는 상기 연소하도록 설계된 복수의 도체 부재들과 연관되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 2 항에 있어서,
상기 반도체 어셈블리 (7) 각각의 상기 도체 부재들 (32, 35, 36) 의 적어도 90% 또는 전부가 관련된 상기 반도체 칩을 통과하는 단락 전류의 발생시 아크를 생성하면서 연소하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연소하도록 설계된 적어도 하나의 도체 부재 (32, 35, 36) 는 와이어, 바람직하게는 가는 본딩된 와이어와 같은 유연성 와이어인 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 릴리스 메커니즘 (38) 은 상기 퓨즈 부재에 의해 점화되어 상기 기계식 스위치 (39) 의 폐쇄 상태에 상응하는 위치로 상기 가동 접점 (40) 을 이동시키도록 구성된, 화약과 같은, 폭발성 매체 (41) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 릴리스 메커니즘 (38) 은 포텐셜 에너지를 저장하는 부재 (44) 및 상기 부재를 프리텐션 (pretention) 하에 고정하는 수단 (45) 을 포함하며,
상기 고정 수단은 연관된 상기 퓨즈 부재 (37) 의 연소에 의해 릴리스되고 상기 포텐셜 에너지 저장 부재 (44) 로 하여금 상기 포텐셜 에너지를 릴리스시키면서 상기 가동 접점 (40) 을 상기 기계식 스위치 (39) 의 폐쇄 상태에 상응하는 위치로 가세 (urge) 할 수 있게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 6 항에 있어서,
상기 포텐셜 에너지 저장 부재 (44) 는 기계식 압축 스프링과 같은 스프링 부재인 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 어셈블리 (7) 각각은 상기 반도체 칩들 (31) 과 병렬로 연결되는 적어도 하나의 에너지 저장 캐패시터 (20) 를 포함하며,
상기 스위칭 어셈블리는 상기 위상 출력 상에 결정된 교류 전압을 획득하기 위해 각 반도체 칩의 상기 반도체 디바이스들 (16, 17) 의 제어에 의해, 두 가지 스위칭 상태들, 즉 상기 스위칭 어셈블리의 상기 평판 부재 및 상기 스위칭 어셈블리에 속하는 상기 반도체 칩들이 연결되는 평판 부재에 걸쳐, 각각 상기 적어도 하나의 에너지 저장 캐패시터에 걸친 전압 및 0 전압이 인가되는, 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
동일한 상기 밸브 브랜치에 속하는 상기 스위칭 어셈블리들 (7') 은 상기 반대 극들 중 하나를 상기 위상 출력에 교호적으로 연결하도록 동시에 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 칩들의 상기 반도체 디바이스들 (16, 17) 은 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 들인 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직류 전압측은 고전압 직류 (HVDC) 를 전송하기 위한 직류 전압 네트워크 (5, 6) 에 연결되고 상기 교류 전압측은 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 선로에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
직류 전압측이 에너지 저장 캐패시터들 (20) 에 의해 형성되는 SVC (Static Var Compensator) 의 일부이며, 상기 교류 전압 위상 출력 (10~12) 은 교류 전압 네트워크에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 두 극들 (5, 6) 에 걸친 직류 전압이 1 kV ~ 1200 kV, 10 kV ~ 1200 kV 또는 100 kV ~ 1200 kV 이도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직류 전압측에서 200 A 내지 10 kA 또는 1 kA 내지 7 kA 또는 2 kA 내지 5 kA 의 전류를 전도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 전압원 변환기.
직류 전압 네트워크 및 스테이션을 통해 상기 직류 전압 네트워크에 연결된 적어도 하나의 교류 전압 네트워크를 포함하는 전력 전송용 플랜트로서,
상기 스테이션은 상기 직류 전압 네트워크와 상기 교류 전압 네트워크 사이에 전력의 전송을 수행하도록 구성되며 직류 전압을 교류 전압으로 그리고 교류 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 전압원 변환기를 포함하며,
상기 플랜트의 상기 스테이션은 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 전압원 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 전송용 플랜트.