KR20120025531A - 스위칭 셀을 테스팅하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 컴포넌트인 것으로 구성된 스위칭 셀 (7, 7') 의 기능을 테스팅하고 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (21) 를 갖는 테스트 장치는, 각각의 위상 레그의 중간 지점 (26, 27) 을 통해 상호 연결된 2개의 위상 레그들 (23, 24) 에서 직렬로 연결된 이러한 상기 스위칭 셀들을 갖는 소위 백-투-백 회로를 포함한다. 테스트 장치의 각각의 위상 레그에서의 스위칭 셀들의 수는, 스위칭 셀들이 설계된 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수에 관련하여 감소된다. 테스트 장치의 2개의 위상 레그들 각각은, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 상기 위상 레그에서의 인덕턴스 수단의 인덕턴스와 실질적으로 동일한 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕턴스 수단을 갖는다. 적어도 하나의 커패시터 (25) 는 상기 상호 연결부에 배치된다. 수단 (13) 은 그의 스위칭 상태를 변경하기 위해 스위칭 셀들의 반도체 디바이스들을 제어하도록 구성되고, 수단 (28) 은 이러한 제어시 테스트 장치의 상기 위상 레그들을 통해 전류를 측정하도록 배치된다.

Description

스위칭 셀을 테스팅하기 위한 장치{AN ARRANGEMENT FOR TESTING A SWITCHING CELL}
본 발명은 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 (cascaded multi-level converter) 의 컴포넌트인 것으로 구성된 턴오프 (turn-off) 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하기 위한 테스트 장치 뿐만 아니라, 이러한 테스팅을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.
캐스케이드형 멀티레벨 컨버터는 직류 전압이 교류 전압으로 컨버팅되어야 하거나 그 반대로 커버팅되어야 하는 모든 종류의 상황들에서 이용될 수도 있고, 이러한 이용들의 예들은, 직류 전압이 통상적으로 3상 교류 전압으로 컨버팅되거나 그 반대로 컨버팅되는 HVDC-플랜트들 (High Voltage Direct Current) 의 스테이션들, 또는 교류 전압이 먼저 직류 전압으로 컨버팅된 후에 직류 전압이 교류 전압으로 컨버팅되는 소위 백-투-백 스테이션 (back-to-back station) 들 뿐만 아니라, 자유롭게 연결되어 있는 커패시터들로 직류 전압측이 이루어지는 SVC (Static Var Compensator) 들에 존재한다. 그러나, 본 발명은 이들 애플리케이션들에 제한되지 않고, 이를테면, 머신들, 차량들 등에 대한 구동 시스템들의 상이한 타입들에 있어서 다른 애플리케이션들이 또한 생각될 수 있다. 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터는, 임의의 수의 위상 레그 (phase leg) 들을 포함할 수도 있지만, 통상적으로, 그의 교류 전압측 상에 3상 교류 전압을 갖기 위한 3상 레그들을 갖는다.
캐스케이드형 멀티레벨 컨버터는, 예를 들어, DE 101 03 031 A1 및 WO 2007/023064 A1 을 통해 공지되어 있고, 특정 캐스케이드형 2레벨 컨버터가 개시되어 있다. 또한, 컨버터는 멀티-셀 컨버터 또는 M2LC 라고 지칭될 수도 있다. 이러한 타입의 컨버터의 기능에 대해 이들 공보들을 참조한다. 이러한 컨버터의 스위칭 셀은, 한편으로는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 반도체 어셈블리들, 및 한편으로는, 에너지 저장 커패시터 뿐만 아니라 2개의 단자들을 갖고, 각각의 반도체 어셈블리는 턴오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 역병렬로 연결된 프리휠링 다이오드 (free-wheeling diode) 를 갖는다. 스위칭 셀들은, 직렬 연결 및 그로 인해 컨버터의 직류 전압측의 반대 폴 (pole) 들에 연결하는 컨버터 위상 레그를 형성하기 위해, 상기 단자들을 통해 서로와 연결되도록 구성된다. 상기 직렬 연결된 스위칭 셀들의 중간 지점은 위상 출력부를 형성하고, 컨버터의 교류 전압측에 연결되도록 구성된다. 결정된 교류 전압을 위상 출력부 상에서 획득하기 위해, 각각의 스위칭 셀은, 각각의 스위칭 셀의 상기 반도체 디바이스들의 제어로, 에너지 저장 커패시터 양단의 전압 및 제로 전압 각각이 스위칭 셀의 2개의 단자들 양단에 인가되는 2개의 스위칭 상태들, 즉, 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성된다. 직렬 연결된 스위칭 셀들은 인덕턴스 수단을 포함한다.
캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 셀들은 상기 공보들에 도시된 것들과 다른 외관들을 가질 수도 있고, 예를 들어, 상술된 2개의 상태들 간에서 스위칭되도록 스위칭 셀들을 제어하는 것이 가능하다면, 각각의 스위칭 셀이 하나보다 많은 에너지 저장 커패시터들을 갖는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 고전력을 송신하도록 구성되는 컨버터인 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 컴포넌트인 것으로 구성되는 턴오프 타입의 반도체 디바이스들을 테스팅하는 것에 주로 관련된 것이지만, 오직 그것에만 관련된 것은 아니다. 이러한 이유로, 어떤 방법으로든 본 발명을 이에 제한하지 않고 조명하기 위해, 이하에서는 고전력을 송신하는 경우를 주로 설명한다. 이러한 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터가 고전력을 송신하는데 이용되는 경우, 이는, 고전압을 다룬다는 것, 및 컨버터의 직류 전압측의 전압이 스위칭 셀들의 상기 에너지 저장 커패시터들 양단의 전압들로 결정된다는 것도 또한 의미한다. 이는, 비교적 다수의 이러한 스위칭 셀들이 다수의 반도체 디바이스들에 대해 직렬로 연결되어야 하는 것, 즉, 상기 반도체 어셈블리들이 상기 스위칭 셀 각각에 직렬로 연결되어야 한다는 것을 의미하고, 상기 위상 레그에서의 스위칭 셀들의 수가 비교적 많은 경우, 이러한 타입의 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터가 특히 관심대상으로 된다. 직렬로 연결된 다수의 이러한 스위칭 셀들은, 상기 제 1 스위칭 상태와 제 2 스위칭 상태 사이를 변경하도록 이들 스위칭 셀들을 제어하는 것이 가능하다는 것, 및 그에 의해 사인 (sinusoidal) 전압에 매우 가까운 교류 전압을 상기 위상 출력부에서 이미 획득한다는 것을 의미한다. 이는, 적어도 하나의 턴오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 역병렬로 연결된 적어도 하나의 프리휠링 다이오드를 갖는 스위칭 셀들을 갖는, DE 101 03 031 A1 에서의 도 1 에 도시된 타입의 공지된 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터들에서 통상적으로 이용되는 것보다 실질적으로 낮은 스위칭 주파수들로 이미 획득될 수도 있다. 이는, 가능하다면, 실질적으로 낮은 손실들을 획득하게 하고 또한 필터링 및 고조파 전류들과 라디오 간섭들의 문제들을 상당히 감소시켜, 장비의 비용이 덜 들 수도 있다.
물론, 예를 들어, 전력을 송신하기 위한 플랜트의 컨버터 스테이션에서 이러한 타입의 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터를 전달 및 확립하기 전에, 반도체 디바이스들을 테스팅하여 이러한 스위칭 셀들의 적절한 기능을 보장하는 것이 중요하다. 그 후에, 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스의 대응하는 스위칭 셀이, 의도된 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 내에 내장되는 경우에 우세한 조건들과 동일하거나 적어도 그 조건들에 비교가능한 조건들 하에서, 반도체 디바이스들이 원하는대로 기능하는 것을 알 필요가 있다. 그러나, 이러한 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 전체를 구성 및 조립하는 것, 및 그의 반도체 디바이스의 적절한 기능을 테스팅하기 위해 그의 스위칭 셀들을 제어하는 것은 실현가능하지 않다.
따라서, 수용불가능한 고도의 복잡성 및 그에 의한 고비용을 수반하는 일 없이 이러한 반도체 디바이스의 기능을 신뢰성 있게 테스트하는 것을 가능하게 할 수도 있는, 도입부에서 정의된 바와 같은 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하기 위한 테스트 장치를 갖는 것이 매우 요망된다.
본 발명의 목적은, 반도체 디바이스가 의도된 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서의 조건들과 유사한 조건들 하에서 상기 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 신뢰성 있는 테스트들을 위해 이용될 수도 있는, 도입부에서 정의된 타입의 테스트 장치를 제공하는 것이고, 그 테스트 장치는 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 그 자체보다 실질적으로 덜 복잡하고 비용이 덜 들 것이다.
본 발명에 의하면, 본 목적은 독립항들에 따른 장치 및 방법에 의해 획득된다.
본 발명에 따른 테스트 장치는 2개의 위상 레그들을 갖는 소위 백-투-백 회로를 포함하고, 위상 레그들 각각은,
■ 직렬 연결된 적어도 2개의 스위칭 셀들로서, 스위칭 셀들 각각이, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 및 직렬로 연결된 적어도 2개의 반도체 어셈블리들을 포함하고, 반도체 어셈블리들 각각이, 상기 턴오프 타입의 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 역병렬로 연결된 프리휠링 다이오드를 갖는, 상기 스위칭 셀들,
■ 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 인덕턴스 수단의 인덕턴스와 실질적으로 동일한 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕턴스 수단, 및
■ 적어도 2개의 스위칭 셀들 중간에 있는 중간 지점
을 포함하고,
백-투-백 회로는 2개의 위상 레그들의 중간 지점들 간의 상호 연결부에 배치된 적어도 하나의 커패시터를 더 포함하고, 테스트 장치는 결정된 교류 전압을 상기 중간 지점들 상에서 획득하기 위해 스위칭 셀들의 반도체 디바이스들을 제어하도록 구성된 제어 수단, 및 이러한 제어시 상기 위상 레그들 중 적어도 하나의 위상 레그를 통해 전류를 측정하기 위한 측정 수단을 더 포함한다.
따라서, 본 발명자는, 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 것과 유사한 스위칭 셀들 및 그 내부에 내장된 테스팅될 반도체 디바이스를 갖는 소위 단일 위상 백-투-백 회로가 반도체 디바이스의 적절한 기능을 테스팅하는데 이용될 수도 있다는 것을 이해하였다. 그러나, 통상적으로, 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터는 직렬로 연결된 상당한 수, 통상적으로는, 8개 또는 16개의 상기 스위칭 셀들을 포함한다. 본 발명자는, 관련된 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서와 정확히 동일한 구조의 스위칭 셀들은, 테스팅 동안 높은 리플 전류들을 야기하는 다수의 반도체 디바이스들 및 역병렬 다이오드들을 수반하기 때문에, 이러한 구조의 스위칭 셀들에 기초하는 백-투-백 회로로 현실적인 테스트들을 행하는 것이 어렵다는 것을 인식하였다. 그러나, 본 발명자는, 적어도 하나의 커패시터가 백-투-백 회로의 2개의 위상 레그들의 중간 지점들의 상호 연결부에 배치되는 경우, 백-투-백 회로를 포함하는 이러한 테스트 장치에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들의 수를 감소시키는 것이 실제로 가능하다는 것을 또한 인식하였다. 이는, 테스트 장치가 테스트 장치의 위상 레그들에서의 스위칭 셀들의 수에 관련되는 경우, 인덕턴스 수단을 초과-치수조정하는 것을 가능하게 하여, 테스트 장치의 2개의 위상 레그들 각각이, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 인덕턴스 수단의 것과 실질적으로 동일한 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕턴스 수단을 갖도록 한다. 그에 의해, 반도체 디바이스들에 의해 발생된 리플 전류 및 스위칭 셀들의 다이오드 전류들이 감소된다. 이러한 방법으로 인덕턴스 수단을 단독으로 초과-치수조정하는 것은, 테스트 장치의 위상 레그들의 기본 주파수 임피던스가 너무 높아지는 결과를 초래하여, 적절한 테스트들을 수행하는데 전류가 불충분하게 작지만, 상기 상호 연결부에서의 적합한 커패시턴스의 배치가 인턴덕스 수단의 초과-치수조정을 보상하는 것을 가능하게 하여, 기본 주파수 임피던스가 적합한 레벨로 감소되게 되고, 그에 의해 상기 테스팅을 수행하기에 적합한 전류들이 획득된다. 이는, 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 반도체 디바이스들의 적절한 기능을 테스팅하기 위한 테스트 장치가, 수용가능한 저비용으로 제공될 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명자는, 위상 레그 당 스위칭 셀들의 수가 최소 2개로 감소될 수 있고, 이는 매우 단순화된 테스트 장치를 발생시키며, 그 단순화된 테스트 장치는 우수하고 신뢰성 있는 테스트 결과들을 여전히 전달하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
바람직한 실시형태에 의하면, 테스트 장치의 스위칭 셀들은 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서 사용되는 것과 동일하고, 즉, 컨버터의 반도체 디바이스 각각이 하나씩 테스팅될 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 스위칭 셀이 컴포넌트 그룹으로서 테스팅될 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 테스트 장치의 인덕턴스 수단은, 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그의 상기 인덕턴스 수단의 인덕턴스의 50% 내지 120%, 특히, 70% 내지 100% 인 인덕턴스를 갖는다. 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서 리플 전류들을 그 레벨과 비교가능한 레벨로 감소시키기 위한 상기 상호 연결부에서의 상기 적어도 하나의 커패시터의 배치 때문에, 테스팅될 반도체 디바이스가 이용되는 것으로 의도된 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서 이용되는 인덕턴스 수단과 동일한 상기 테스트 장치에서의 인덕턴스 수단을 이용하는 것이 양호하게 가능하게 되었다. 그러나, 이러한 인덕턴스 수단은 어떤 편리성의 이유로 약간 상이하게 선택될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 상기 2개의 중간 지점들을 연결하는 상기 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스가 테스트 장치의 상기 인덕턴스 수단의 인덕턴스에 적용되어, 반도체 디바이스가 설계된 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그의 기본 주파수 임피던스와 동일한 레벨 상에 있는, 이를테면, 그 기본 주파수 임피던스의 50% 내지 150%, 특히, 80% 내지 120% 인 테스트 장치의 상기 위상 레그들의 기본 주파수 임피던스를 갖도록 한다. 이는, 스위칭 셀들의 반도체 디바이스들의 상기 제어시, 상기 측정 수단에 의해 측정되는 적합한 전류를 획득하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 커패시턴스 (C) 는 식
Figure pct00001
에 따라 계산되고,
여기서, n 은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 중간 지점과 폴 사이에서 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수이고, m 은 테스트 장치의 위상 레그에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들의 수의 절반과 동일하고, L 은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서의 위상 레그의 인덕턴스 수단의 인덕턴스의 절반과 동일하며, 2πω 는 상기 제어의 기본 주파수이고, 상기 2개의 중간 지점들 간의 상기 적어도 하나의 커패시터의 상기 커패시턴스가 C 의 80% 내지 120% 이도록 선택된다. 이 식에 따라 계산된 커패시턴스는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그의 기본 주파수 임피던스와 동일한 테스트 장치의 위상 레그의 적합한 기본 주파수 임피던스를 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 상기 테스트 장치의 위상 레그에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들의 수는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수의 절반 이하이다. 이는, 완전한 단일 위상 백-투-백 회로에 관련하여 상당히 단순화된 테스트 장치를 발생시키고, 본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 상기 테스트 장치의 위상 레그에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들의 수는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수의 4분의 1 이하, 특히, 6분의 1 이하이다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 테스트 장치는 각각 2개보다 많은 반도체 디바이스들, 이를테면, 4개 내지 25개, 특히, 6개 내지 18개의 반도체 디바이스들을 각각 갖는 스위칭 셀들을 포함한다. 이러한 스위칭 셀에서의 직렬로 연결된 이러한 다수의 반도체 디바이스들은, 고전력 애플리케이션을 위한 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에 적합하고, 본 발명에 따른 테스트 장치는, 상기 리플 전류들이 통상의 단일 위상 백-투-백 회로에서 직렬로 연결된 다수의 스위칭 셀들이 테스팅을 위해 이용되어야 하는 것을 요구하기 때문에, 이러한 스위칭 셀들을 테스팅하는 것이 특히 관심대상으로 된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 테스트 장치는, 상기 반도체 디바이스들이 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 들, IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 들 또는 GTO (Gate Turn-Off thyristor) 들인 스위칭 셀들을 포함한다. 이들 반도체 디바이스들의 적절한 기능은 본 발명에 따른 테스트 장치에 의해 신뢰성 있게 테스트될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 테스트 장치는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 컴포넌트일 경우, 5 ㎸ 내지 50 ㎸, 특히, 10 ㎸ 내지 25 ㎸ 의 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압을 갖도록 구성된다. 통상적으로, 상기 에너지 저장 커패시터 양단의 이러한 고전압은 상기 스위칭 셀에서의 직렬로 연결된 비교적 다수의 반도체 디바이스들을 의미하고, 이는 본 발명에 따른 테스트 장치를 특히 바람직하게 한다 (상기 참조).
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 테스트 장치는, 1 ㎸ 보다 큰 직류 전압, 바람직하게는 10 ㎸ 보다 큰 직류 전압, 가장 바람직하게는 100 ㎸ 보다 큰 직류 전압에 적합한 캐스케이드형 멀티레벨 HVDC 컨버터에 배치되도록 구성된 반도체 디바이스를 테스팅하도록 구성된다. 본 발명은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에 대한 상기 직류 전압이 높을수록 더 관심대상으로 된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 의하면, 테스트 장치는, 상기 스위칭 셀들에서의 상기 반도체 디바이스들 중 하나 이상의 반도체 디바이스가 이미 테스팅되어, 나머지 반도체 디바이스 또는 반도체 디바이스들의 기능을 테스팅하도록 한다. 추가의 실시형태에서, 상기 스위칭 셀들 중 하나 이상의 스위칭 셀이 이미 테스팅되어, 나머지 스위칭 셀 또는 스위칭 셀들의 기능을 테스팅하도록 한다. 이에 따라, 생산 라인으로부터 생산된 반도체 디바이스들 및/또는 스위칭 셀들을 테스트 장치의 모든 가능한 장소에 내장하는 것이 가능하지만, 이미 테스팅되어 나머지 반도체 디바이스들 및 스위칭 셀들 각각의 기능을 테스팅하도록 하는, 반도체 디바이스들 및 스위칭 셀들 각각에 의해 구성된 테스트 장치의 상기 반도체 디바이스들 및/또는 스위칭 셀들 중 하나 이상을 갖는 것이 또한 가능하다. 다른 것들이 모두 적절히 기능하는 것으로 알려진 경우, 이러한 나머지 수가, 테스팅될 단지 하나의 상기 반도체 디바이스 또는 스위칭 셀로 감소될 수 있다.
또한, 본 발명은 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 컴포넌트인 것으로 구성된 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하기 위한 방법에 관한 것이고, 상기 반도체 디바이스는 상술된 실시형태들 중 임의의 실시형태에 따른 테스트 장치에 반도체 디바이스들 중 하나의 반도체 디바이스로서 내장된다. 본 발명에 의하면, 테스트 장치에서의 반도체 디바이스들은, 결정된 교류 전압을 테스트 장치의 위상 레그들의 중간 지점들 상에서 획득하도록 제어된다. 상기 위상 레그들을 통한 전류는, 반도체 디바이스들의 제어 동안 측정되고, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서 예상되는 전류와 비교된다. 이러한 방법의 이점들이 본 발명에 따른 테스트 장치의 상이한 실시형태들의 상기 설명으로부터 명확해진다.
또한, 본 발명의 추가의 이점들 뿐만 아니라 유리한 특징들이 다음의 설명으로부터 도출된다.
첨부된 도면들을 참조하여, 하기에는 예들로서 설명된 본 발명의 실시형태들의 상세 설명이 이어진다.
도면들에 있어서:
도 1 은 본 발명에 따른 테스트 장치에 의해 테스팅되는 스위칭 셀들을 갖는 타입의 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 매우 단순화된 도면이다.
도 2 는 상기 테스트 장치로서 이용되는 것이 주로 가능한 단일 위상 백-투-백 회로를 매우 개략적으로 예시한 단순화된 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 테스트 장치의 도 2 에 대응하는 도면이다.
도 4 는 도 3 에 도시된 테스트 장치에 관련하여 약간 변형된 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 테스트 장치의 도 2 에 대응하는 도면이다.
도 5 는 도 3 에 따른 장치의 상기 위상 레그들을 통한 전류 대 그 장치의 스위칭 셀의 기능을 테스팅하는 절차의 시뮬레이션에 따른 시간을 도시한 그래프이다.
도 1 은, 각각이 반도체 디바이스들을 포함하는 스위칭 셀들 (7) 을 갖고, 그 반도체 디바이스들의 기능이 본 발명에 따른 테스트 장치에 의해 테스트되어야 하는 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 (1) 의 일반적 구성을 매우 개략적으로 예시한 것이다. 컨버터 (1) 는 그 컨버터의 직류 전압측의 반대 폴들 (5, 6) 에 연결된 3개의 위상 레그들 (2 내지 4) 을 갖고, 그 폴들 (5, 6) 은 고전압 직류를 송신하기 위한 진류 전압 네트워크에 속할 수도 있다. 각각의 위상 레그 (2 내지 4) 는, 본 경우에서는 그 수가 16개인 박스들로 나타낸, 직렬 연결된 스위칭 셀들 (7) 을 포함하고, 이러한 직렬 연결은 2개의 동일한 부분들, 즉, 중간 지점 (10 내지 12) 에 의해 각각 분리되는 소위 상측 밸브 브랜치 (8) 및 하측 밸브 브랜치 (9) 로 나뉘어지고, 그 중간 지점 (10 내지 12) 은 대응하는 위상 레그의 위상 출력부를 형성하고 컨버터의 교류 전압측에 연결되도록 구성된다. 위상 출력부들 (10 내지 12) 은, 가능하다면 그 중간에 있는 트랜스포머에 의해, 3상 교류 전압 네트워크 또는 로드 (load) 에 연결될 수도 있다. 또한, 상기 교류 전압측 상의 교류 전압의 형상을 개선시키기 위해 상기 교류 전압측 상에 필터링 장비가 배치된다.
제어 수단 (13) 은 스위칭 셀들 (7) 및 그에 의해 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나 그 반대로 변환하기 위한 컨버터를 제어하도록 배치된다.
캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 (1) 는 다음과 같은 타입의 스위칭 셀들 (7, 7') 을 갖는다: 각각의 스위칭 셀 (7, 7') 은, 한편으로는, 직렬로 연결된 적어도 2개의 반도체 어셈블리들, 및 한편으로는, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 포함하고, 각각의 반도체 어셈블리는 턴오프 타입의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 역병렬로 연결된 프리휠링 다이오드를 포함한다.
이러한 스위칭 셀의 일 예가, 도 1 에 따른 컨버터에 이용되는 반도체 디바이스들에 대한 가능한 테스트 장치를 표시한 도 2 에 도시되어 있다. 도 2 의 테스트 장치는 단일 위상 백-투-백 회로 (14) 의 형태로 존재한다. 이러한 백-투-백 회로는, 그의 각각의 직류 전압측 상에, 도 1 에 도시된 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 (1) 에서 이용되는 직렬로 연결된 다수의 스위칭 셀들 (7, 7'), 즉, 16개의 스위칭 셀들 (7, 7') 을 갖는 위상 레그를 갖는다.
각각의 스위칭 셀 (7, 7') 의 단자들 (15, 16) 은 위상 레그를 형성하는 직렬 연결된 스위칭 셀들에서 인접한 스위칭 셀들에 연결되도록 구성된다. 이 경우, 반도체 디바이스들 (17, 18) 은 다이오드들 (19, 20) 과 역병렬로 연결된 IGBT들이다. 어셈블리 당 단지 하나의 반도체 디바이스 및 하나의 다이오드만이 도시되어 있지만, 이들은, 어셈블리를 통해 흐르는 전류를 공유하기 위해 병렬로 연결된 다수의 반도체 디바이스들 및 다이오드들을 각각 나타낼 수도 있고, 예로서 후술되는 경우, 이러한 스위칭 셀 (7, 7') 각각에 직렬로 연결된 IGBT들의 수는 16개이고, 각각의 IGBT 는 턴오프되었을 경우 2.5 ㎸ 의 전압을 차단하는 것이 가능하도록 치수조정된다. 에너지 저장 커패시터 (21) 는 각각의 스위칭 셀의 직렬 연결된 반도체 어셈블리들과 병렬로 연결된다. 따라서, 각각의 스위칭 셀 (7, 7') 은 상기 커패시터 (21) 양단에 20 ㎸ 의 전압을 가질 수도 있다.
각각의 스위칭 셀 (7, 7') 의 하나의 단자 (15) 는 제 1 이웃 스위칭 셀의 2개의 반도체 어셈블리들 간의 중간 지점에 연결된다. 다른 단자 (16) 는 제 2 이웃 스위칭 셀의 에너지 저장 커패시터 (21) 에 연결되고, 본 실시형태에서 7 은 커패시터의 고전압측에 연결되고, 본 실시형태에서 7' 는 커패시터의 저전압측에 연결된다.
도 2 에 도시된 예에서, 테스팅될 반도체 디바이스들은, 도면 부호들이 백-투-백 회로의 좌측에 배치된 위상 레그의 상측에서의 반도체 디바이스들 중 2개의 반도체 디바이스 및 하측 부분에서의 반도체 디바이스들 중 2개의 반도체 디바이스를 가리키는 반도체 디바이스들 (17, 18) 이다. 대응하는 셀의 a) 제 1 스위칭 상태와 b) 제 2 스위칭 상태 중 하나의 스위칭 상태를 획득하도록 모든 스위칭 셀들 (7 및 7') 의 반도체 디바이스들 (17, 18) 이 제어되고, a) 커패시터 (21) 양단의 전압 및 b) 제로 전압이 단자들 (15, 16) 양단에 인가된다. 제 1 상태를 획득하기 위해, 타입 7' 의 스위칭 셀에서는, 반도체 디바이스 (17) 가 턴온되고, 반도체 디바이스 (18) 가 턴오프되며, 타입 7 의 스위칭 셀에서는, 반도체 디바이스 (18) 가 턴온되고, 반도체 디바이스 (17) 가 턴오프된다. 반도체 디바이스들의 상태를 변경시킴으로써 스위칭 셀들이 제 2 상태로 스위칭되어, 타입 7' 의 스위칭 셀들에서는, 반도체 디바이스 (17) 가 턴오프되고, 반도체 디바이스 (18) 가 턴온되며, 타입 7 의 스위칭 셀들에서는, 반도체 디바이스 (18) 가 턴오프되고, 반도체 디바이스 (17) 가 턴온된다.
위상 레그들에는 인덕턴스 수단 (22) 이 소위 위상 리액터들의 형태로 제공되고, 각각의 위상 레그는, 직렬 연결로 배치되고 대칭적으로 위상 레그의 중간 지점에 배치된 2개의 이러한 위상 리액터들을 포함한다. 여기의 예에서, 스위칭 셀들의 제어의 결과로 발생되는 교류 전류를 평활화하기 위해 각각의 위상 리액터는 약 5 mH 의 인덕턴스를 갖는다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 테스트 장치가 도 3 에 도시되어 있고, 이 테스트 장치는, 위상 레그 (23, 24) 당 단지 2개의 스위칭 셀들만을 갖는, 도 2 에 도시된 타입의 백-투-백 회로로 형성된다. 여기에서, 인덕턴스 수단 (22') 은 도 2 에 도시된 회로에 대한 것과 동일한 사이즈를 갖는다. 인덕턴스 수단 (22') 의 사이즈는, 테스팅될 반도체 디바이스들 (17, 18) 이 내장되는 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그들에서의 위상 리액터들과 대략 동일한 사이즈를 갖도록 선택되었다. 이는, 통상적으로, 각각의 위상 레그 (23, 24) 의 기본 주파수 임피던스가, 테스트를 수행하기에 불충분한 위상 전류를 초래하는 레벨로 상승한다는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 문제는 2개의 위상 레그들 (23, 24) 의 중간 지점들 (26, 27) 의 상호 연결부에 커패시터 (25) 를 배치함으로써 해결된다. 이 커패시터 (25) 의 커패시턴스가 다음과 같은 방법으로 결정된다. 먼저, 커패시턴스 (C) 가 식
Figure pct00002
에 따라 계산되고,
여기서, n 은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 중간 지점과 폴 사이에서 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수이고, m 은 테스트 장치의 위상 레그에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들의 수의 절반이고, L 은 인덕턴스 수단 (22') 의 인덕턴스이고, 즉, L 은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서의 위상 레그의 인덕턴스 수단의 인덕턴스의 절반이며, 2πω 는, 도 1 및 도 3 의 본 경우에서 C = (8-1)/(8×ω2×L)=7/(8×ω2×L) 이라는 것을 의미하는 상술된 제어에 의해 발생되는 결정된 교류 전압의 기본 주파수이다.
도 3 에 따른 테스트 장치를 이용하는 경우, 스위칭 셀들 (7, 7') 의 반도체 디바이스들은 상기 중간 지점들 (26, 27) 에서 교류 전압을 획득하기 위한 적합한 제어 절차에 따라 상기 제어 수단 (13) 에 의해 제어되고, 중간 지점들 (26 및 27) 간의 상호 연결부에 커패시터 (25) 와 직렬로 배치되는, 28 로 나타낸 측정 수단에 의해 위상 전류가 측정된다. 그 후에, 이 위상 전류는, 테스트 장치의 모든 스위칭 셀들이 원하는 대로 동작할 것으로 예상되는 위상 전류와 비교된다. 도 5 는 도 3 에 따른 테스트 장치의 위상 전류 (I) 대 시뮬레이션에 따른 시간 (t) 을 예시한 것이다. 전류 (I) 의 형상은 도 3 에 따른 테스트 장치가 본 반도체 디바이스들 및 스위칭 셀들의 기능을 테스팅하기에 양호하게 적합하다는 것을 나타낸다.
스위칭 셀들 중 3개가 테스트 장치에 영구히 속하고 제 4 스위칭 셀이 테스팅될 스위칭 셀로 구성되지만, 임의의 다른 수의 스위칭 셀들, 이를테면, 2개, 3개 또는 4개의 스위칭 셀들을 테스팅하기 위해 이러한 테스트 장치를 이용하는 것도 또한 가능하도록, 도 3 에 따른 테스트 장치가 배치될 수도 있다.
도 4 는 스위칭 셀들의 수가 도 2 에서의 테스트 회로에 이용된 스위칭 셀들의 수의 4분의 1, 즉, 위상 레그 당 4개의 스위칭 셀들로 감소된 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 테스트 장치를 도시한 것이다. 그에 비해, 스위칭 셀들 중 8분의 1, 즉, 위상 레그 당 2개의 스위칭 셀들만이 도 3 에 따른 테스트 장치에 이용된다. 도 4 에 따른 테스트 장치는, 반도체 디바이스들을 제어하는 경우에 획득가능한 위상 전류의 다소 평활화된 형상을 발생시킨다.

Claims (14)

  1. 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터 (cascaded multi-level converter; 1) 의 컴포넌트인 것으로 구성된 턴오프 (turn-off) 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치로서,
    상기 테스트 장치는 2개의 위상 레그들 (phase legs; 23, 24) 을 갖는 소위 백-투-백 회로 (back-to-back circuit; 14) 를 포함하고,
    상기 위상 레그들 각각은,
    직렬 연결된 적어도 2개의 스위칭 셀들 (7, 7') 로서, 상기 스위칭 셀들 각각이, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (21) 및 직렬로 연결된 적어도 2개의 반도체 어셈블리들을 포함하고, 상기 반도체 어셈블리들 각각이, 상기 턴오프 타입의 반도체 디바이스들 (17, 18) 중 하나의 반도체 디바이스 및 그 반도체 디바이스와 역병렬로 연결된 프리휠링 다이오드 (free-wheeling diode; 19, 20) 를 갖는, 상기 스위칭 셀들 (7, 7'),
    상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 인덕턴스 수단의 인덕턴스와 실질적으로 동일한 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕턴스 수단 (22'), 및
    상기 적어도 2개의 스위칭 셀들 중간에 있는 중간 지점 (26, 27)
    을 포함하고,
    상기 백-투-백 회로는, 상기 2개의 위상 레그들 (23, 24) 의 상기 중간 지점들 (26, 27) 간의 상호 연결부에 배치된 적어도 하나의 커패시터 (25) 를 더 포함하고,
    상기 테스트 장치는, 결정된 교류 전압을 상기 중간 지점들 (26, 27) 상에서 획득하기 위해 상기 스위칭 셀들 (7, 7') 의 상기 반도체 디바이스들 (17, 18) 을 제어하도록 구성된 제어 수단 (13), 및 상기 제어시 상기 위상 레그들 (23, 24) 중 적어도 하나의 위상 레그를 통해 전류를 측정하기 위한 측정 수단 (28) 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 셀들 각각은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 스위칭 셀인 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인덕턴스 수단 (22') 은, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그의 상기 인덕턴스 수단의 인덕턴스의 50% 내지 120%, 특히, 70% 내지 100% 인 인덕턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2개의 중간 지점들 (26, 27) 간의 상기 적어도 하나의 커패시터 (25) 의 커패시턴스가 상기 테스트 장치의 상기 인덕턴스 수단 (22') 의 인덕턴스에 적용되어, 상기 테스트 장치의 위상 레그의 기본 주파수 임피던스가, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그의 기본 주파수 임피던스와 동일한 레벨 상에 있도록 하는, 이를테면, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그의 기본 주파수 임피던스의 50% 내지 150%, 특히, 80% 내지 120% 이도록 하는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    커패시턴스 (C) 는 식
    Figure pct00003

    에 따라 계산되고,
    여기서, n 은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 중간 지점과 폴 사이에서 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들 (7, 7') 의 수이고, m 은 상기 테스트 장치의 위상 레그 (23, 24) 에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들의 수의 절반과 동일하고, L 은 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서의 위상 레그의 상기 인덕턴스 수단의 인덕턴스 (22') 의 절반과 동일하며, 2πω 는 상기 제어의 기본 주파수이고,
    상기 2개의 중간 지점들 (26, 27) 간의 상기 적어도 하나의 커패시터 (25) 의 상기 커패시턴스가 상기 C 의 80% 내지 120% 이도록 선택되는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 장치의 위상 레그에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들 (7, 7') 의 수는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 장치의 위상 레그에서의 직렬로 연결된 스위칭 셀들 (7, 7') 의 수는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 위상 레그에서의 직렬로 연결되는 것으로 의도된 스위칭 셀들의 수의 4분의 1 이하, 특히, 6분의 1 이하인 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 장치는, 2개보다 많은 반도체 디바이스들 (17, 18), 이를테면, 4개 내지 25개, 특히, 6개 내지 18개의 반도체 디바이스들을 각각 갖는 스위칭 셀들 (7, 7') 을 포함하는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 장치는, 상기 반도체 디바이스들 (17, 18) 이 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 들, IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 들 또는 GTO (Gate Turn-Off thyristor) 들인 스위칭 셀들 (7, 7') 을 포함하는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  10. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 장치는, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 컴포넌트일 경우, 5 ㎸ 내지 50 ㎸, 특히, 10 ㎸ 내지 25 ㎸ 의 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (21) 양단의 전압을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 장치는, 1 ㎸ 보다 큰 직류 전압, 바람직하게는 10 ㎸ 보다 큰 직류 전압, 가장 바람직하게는 100 ㎸ 보다 큰 직류 전압에 적합한 캐스케이드형 멀티레벨 HVDC 컨버터에 배치되도록 구성된 반도체 디바이스를 테스팅하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 셀들 (7, 7') 에서의 상기 반도체 디바이스들 (17, 18) 중 하나 이상의 반도체 디바이스가 이미 테스팅되어, 나머지 반도체 디바이스 또는 반도체 디바이스들의 기능을 테스팅하도록 하는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  13. 제 2 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 셀들 (7, 7') 중 하나 이상의 스위칭 셀이 이미 테스팅되어, 나머지 스위칭 셀 또는 스위칭 셀들의 기능을 테스팅하도록 하는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 테스트 장치.
  14. 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터의 컴포넌트인 것으로 구성된 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 방법으로서,
    상기 반도체 디바이스는 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 테스트 장치에서의 반도체 디바이스들 (17, 18) 중 하나의 반도체 디바이스로서 내장되고,
    상기 반도체 디바이스들 (17, 18) 은, 결정된 교류 전압을 상기 테스트 장치의 위상 레그들 (23, 24) 의 중간 지점들 (26, 27) 상에서 획득하도록 제어되며,
    상기 위상 레그들을 통한 전류는, 상기 반도체 디바이스들 (17, 18) 의 제어 동안 측정되고, 상기 캐스케이드형 멀티레벨 컨버터에서 예상되는 전류와 비교되는 것을 특징으로 하는 턴오프 타입의 반도체 디바이스의 기능을 테스팅하는 방법.
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