KR20120041791A - Ｄｃ-ａｃ 인버터 장치, 특히 태양전지 인버터 - Google Patents

Abstract

반도체-브리지 회로를 포함하는 DC-AC 인버터 장치, 특히 광발전 장비 (photovoltaic equipment)의 태양전지 인버터가 제안되며, 상기 인버터 장치는 출력측 교류 전압의 반 파 (half-wave)를 생산하기 위한 DC 초퍼 제어기가 마련되며, 상기 브리지 회로는 상기 DC 초퍼 제어기에 (DC chopper controller) 다운 스트림 접속되고 반 파들 상의 극 변환기 (pole changer)로 동작하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＤＣ-ＡＣ 인버터 장치, 특히 태양전지 인버터 {DC-AC inverter assembly, in particular solar cell inverter}

본 발명은 청구항 제1항 및 제10항의 전제부에 따른 인버터 장치에 관한 것이다.

위와 같은 인버터 장치는 교류 전압 및 삼상 전압 모터의 제어 및 에너지 기술 (Energy technology) 분야에서 오래전부터 공지된 것이다. 에너지 기술 분야에서는 이와 같은 인버터들은 광발전 장비 (photovoltaic equipment) 또는 연료 셀 (fuel cell)에 의해 생산된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전력망에 급전하기 위한 직류-교류 (DC-AC) 인버터로서 광범위하게 적용되어 왔다. 다른 재생 에너지들, 예컨대 풍력 발전 장비, 스터링 기계 (Stirling machine), 히트 펌프 (heat pump), 또는 일차 전지 내지 이차 전지에 기초한 현대적 에너지 저장 시스템에 상기와 같은 또는 다른 종류의 인버터들이 사용된다.

이와 같은 유형의 DC-AC 인버터 장비는 독일 특허 DE 10 2004 030 912 B3에 공지되어 있다.

이와 같은 인버터의 계속적 발전의 중요한 목적은 보다 높은 효율을 달성하는 것이고, 다른 목적들은 전력망 오퍼레이터의 요구 또는 이에 상응하는 기준들로부터 도출된다.

청구항 제1항의 기술적 특징을 갖는 DC-AC 인버터 장치가 제안된다. 나아가, 이와 같은 인버터 장치를 갖는 광발전 장비가 제안되며, 마지막으로 청구항 제10항의 기술적 특징을 갖는 AC-DC 인버터 장치가 제안된다. 본 발명의 사상의 계속적 발전은 종속항들의 대상이다. 통상의 인버터 회로에서는 직류로부터 교류를 생산하기 위해 B4-브리지 회로가 사용된다. 이 브리지 회로는 높은 회로 주파수로 동작하며 부품 선택에 의해 결정되는 회로 손실 및 통과 (passage) 손실을 야기한다.

본 발명은 출력 측 교류 전압의 반 파들이 브리지에 의해서가 아니라 업 스트림(upstream) 접속된 DC 초퍼 제어기 (chopper controller)에 의해 생산되는 가능성을 설명한다. 상기 브리지는 극 변환기 (pole changer)로서 작동한다. 이에 의해 브리지의 반도체 부품들이 낮은 도전 손 (conduction loss)으로 구성될 있는데, 왜냐하면 상기 브리지들은 이 경우 출력 측 전압이 0의 통과 (zero passage)를 가져서 U (C_TSS 내스 C_HTSS) =0일 때만 두 배의 망 주파수 (50 Hz에서 100배)로 스위칭되기 때문이다.

이것은 특히, 스위치 S1을 위한 브리지 회로에서 낮은 R_{ds , on} 값을 갖는 트랜지스터를 사용하는 것에 의해 가능하다. 이것은 전력 손실 감소에 현저하게 기여할 수 있는데, 왜냐하면 부품들이 출력 전압의 피크 값에 맞추는 크기만을 가져야 (sized) 하기 때문에 따라서 컨버터의 매우 큰 입력 전압 영역에서도 매우 낮은 R_ds,on 값을 포함할 수 있기 때문이다. 또한, 이 트랜지스터들은 역 전력에서도 다이오드를 통해 스위치 온 되어, 이 동작 상태에서 부품들의 최소 전력 강하만을 가져올 수 있다.

브리지 회로에 대해 DC 초퍼 제어기가 4개 대신 2개의 반도체 부품만을 갖기 때문에, 기타 회로의 비교할 수 있는 전기적 특성에서 통상의 경우의 절반의 회로 손실이 나타난다.

본 발명의 일 실시예에서 DC 초퍼 제어기는 벅 컨버터를 포함한다. 추가 실시예에서는 상기 DC 초퍼 제어기가 벅 컨버터와 부스트 컨버터 (boost converter)의 결합 또는 공통의 인덕턴스를 갖는 벅-부스트 컨버터를 포함한다.

또 다른 실시예에서는 상기 DC 초퍼 제어기가 4 상한 (four-quadrant) 조절기로 형성되고 에너지 회수 (energy recovery)가 가능하며, 이에 의해 상기 인버터 장치는 무효 전력 (reactive power)이 가능하도록 형성된다. 이 실시예는 에너지 회수 능력에 의해 전류망이 무효 전력을 사용할 수 있게 하는데, 이것은 아마도 장래에 발전소에서 요구될 것이다. 뿐만 아니라, 이 에너지 회수 능력은 상이한 다른 어플리케이션들에도 적합하다. 이렇게 해서 에너지 회수 능력을 갖는 상기 컨버터는 교류 전류로부터 직류 전류를 만들어 낼 수 있으며, 이로 인해 이 토폴로지는 예컨대 부하 장치 (load device)에 적합하다.

전력 손실 감소라는 전술한 목적을 가능한한 광범위하게 달성하기 위하여, 추가 실시예에서는 상기 반도체-브리지 회로의 부품들은 전력 손실을 최소화하면서 부차적으로는 회로 손실을 최소화하도록 선택된다. 여기서는 특히, 상기 브리지 회로의 스위치 장치들이 낮은 R_{ds , on} 값을 갖는 MOSFET 또는 IGBT를 포함하도록 구성된다.

종래의 그리드 (grid)에 적합한 방식으로 상기 반도체 브리지 회로는 단상 출력에 적합한 H-브리지로 구현된다.

본 발명의 장점 및 유용성 들은 도면에 의거하여 실시예를 포함하는 아래의 상세한 설명으로부터 도출된다: 여기서
도 1은 본 발명 제 1 실시 형태의 회로도이며,
도 2은 본 발명 제 2 실시 형태의 회로도이고,
도 3은 본 발명 제 3 실시 형태의 회로도이며,
도 4는 본 발명 제 4 실시 형태의 회로도이고,
도 5는 도 4의 실시 형태에서 전체 장비의 출력 전압 및 DC 초크 제어기에 의해 생산된 전압의 시간에 따른 추이를 보여주는 그래프이다.

상세한 설명에서는 다음과 같은 용어들이 사용된다.

TSS: 벅 컨버터 (buck converter), 전압 변환을 위한 파워 일렉트로닉스 (power electronics) 기반 회로, U₁＞ U₂

HSS: 부스트 컨버터 (boost converter), 전압 변환을 위한 파워 일렉트로닉스 (power electronics) 기반 회로, U₁ ＜ U₂

HTSS: 벅-부스트 컨버터, 공통의 인덕턴스를 갖는 TSS의 HSS 결합, U₁ U₂ 가 상호 독립적이다. U₁ ＞=＜ U_{2 .}

U₁ (도면에는 u_1으로 도시된)은 회로의 입력 전압이며, U₂ (도면에는 u_2으로 도시된)는 회로의 출력 전압이다. U_TSS (도 1 및 2에 U_TSS로 도시된)은 벅 컨버터 출력에서의 전압이며, U_HTSS (도 3 및 4에 U_HTSS로 도시된)은 벅-부스트 컨버터의 출력에서의 전압이다.

도 1 내지 4의 회로도는 기본적으로 회로도 자체로서 설명이 되므로, 이후에 회로 구조가 언어로 설명되지는 않으며, 주로 각 장치의 기능의 관점에서 설명된다.

도 1은 입력측 직류 전압 u_1을 출력측 교류 전압 u_2으로 변환하기 위해 벅 컨버터 (11) 및 다운 스트림 (downstream) 접속된 B4-브리지 (12)가 마련된 DC-AC 인버터 장치 (10)를 도시한다. 본원에 도시된 모든 실시 형태들에서처럼, 상기 브리지 회로는 4개의 스위치 장치 (S1 내지 S4)를 포함하는데, 이 회로들은 특히 낮은 R_{ds , on}을 갖는 특히 MOSFET 또는 IGBT로서 구현될 수 있다. DC 초퍼 제어기 요소 (11)는 모든 실시 형태에서 입력측에 커패시터 C_ZK 및 도 1, 2에 C_TSS로 표기된 출력 커패시터를 포함하며, 회로 인덕턴스 (도 1, 2에 L_TSS로 표기)를 갖는다.

먼저 출력 전압 Ui가 버퍼 커패시터 C_K에 버퍼링 된다. 그 후 이 전압이 벅 컨버터 (11)를 통해 이 전압이 U₁ ＞ U_TSS ＞ 0의 값으로 조절 가능한 전압으로 강하된다. 전압 U_TSS의 시간적 추이는 출력 전압 u2(t)의 절대값 함수로 주어진다.

u_TSS (t)= ｜u2(t)｜.

벅 컨버터의 출력에 접속된 H-브리지 (H-Bruecke)는 극 변환기 (pole changer)로서 기능하며, 따라서

u2(t)= u_TSS (t)*c_{H - Bruecke} 이며, 여기서 c_{H - Bruecke} = 1 또는 -1 = 극 변환기의 상태

도 1의 회로는 벅 컨버터가 에너지 회수가 가능하도록 (capable of energy recovery) 구현됨으로써 확장될 수 있다. 확장되면, 전술한 토폴로지 (Topology)로 접속된 전력망 (전압 U₂) 으로부터 전력을 취하여 중간 회로에 저장할 수 있다. 이렇게 변형된, 벅 컨버터 (21) 및 B4-브리지 (22)를 포함하는 인버터 장치 (20)가 도 2에 도시된다. 이 장치는 벅 컨버터의 제 2의 스위치 장치 S2_TSS를 마련함으로써 무효 전력이 가능하며 이뿐 아니라 더 높은 역전 범위 (reverse range)를 포함하는데, 이 역전 범위는 전력망 전류가 작을 때 벅 컨버터의 필터 커패시터 C₂를 방전할 수 있기 위해 필요하다.

나아가, 이용 가능한 입력 전압 영역이 확대된 토폴로지 확장도 가능하다. 도 1 및 2에 따른 실시예에서

이다.

제 1 및 제 2 실시예에서 사용된 벅 컨버터는 도 3에 도시된 바와 같이, 부스트 컨버터와 결합될 수 있다. 도 3은 부스트 컨버터 (31)과 B4-브리지 (32)를 포함하는 인버터 장치 (30)을 도시하는데, 여기서 부스트 컨버터 요소들 S1_TSS, D2_TSS 출력 측에 인덕턴스 L_HTSS를 공통으로 사용하면서 벅 컨버터 요소들 S2_TSS, D1_TSS이 접속된다. 여기서 출력 커패시터는 C_HTSS로 표시된다.

상기 부스트 컨버터는 출력 전압을 조절하는데, 이것의 순간 값은 중간 회로에서의 전압보다 클 수 있다. 따라서,

이며, 따라서 자유로운 조절이 가능하다. 2개의 직류 요소들이 인덕턴스 L_HTSS을 공통 사용하는 것은 회로 효율을 높이면서 동시에 부품을 줄인다.

도 4는 도 3의 회로의 무효전력이 가능한 변형으로서, 전력 회수가 가능한 부스트 컨버터 (41) 및 B4-브리지 (42)를 포함하는 인버터 장치 (40)을 도시한다. 도 3과 비교했을 때, 벅 컨버터 및 부스트 컨버터에서 각 다이오드가 스위치 장치 S2_TSS 내지 S1_TSS로 대체되었다.

도 5는 벅-부스트 컨버터에서의 출력 전압 u_HTSS (t) 및 인버터 장치의 출력 추이 u_2(t)의 출력 추이의 그래픽 도시인데, 다운 스트림 접속된 H-브리지 및 B4-브리지가 극 변환기로만 동작하는 동안, 각 회로의 직류 요소들은 입력측 직류 전압의 사인파 형태를 갖는다.

Claims (10)

1. 반도체-브리지 회로를 포함하는 DC-AC 인버터 장치, 특히 광발전 장비 (photovoltaic equipment)의 태양전지 인버터로서,
   출력측 교류 전압의 반 파들 (half-waves)를 생산하기 위한 DC 초퍼 제어기 (DC chopper controller)가 마련되며, 상기 브리지 회로는 상기 DC 초퍼 제어기에 다운 스트림 (downstream) 접속되고 상기 반 파들의 극 변환기 (pole changer)로 동작하는 것을 특징으로 하는, DC-AC 인버터 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 DC 초퍼 제어기는 벅 컨버터 (buck converter)를 포함하는, DC-AC 인버터 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 DC 초퍼 제어기는 벅 컨버터와 부스트 컨버터 (boost converter)의 결합 또는 공통의 인덕턴스를 갖는 벅-부스트 컨버터를 포함하는, DC-AC 인버터 장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 DC 초퍼 제어기는 4 상한 (four-quadrant) 조절기로 형성되고, 에너지 회수 (energy recovery)가 가능하며, 이에 의해 상기 인버터 장치는 무효 전력 (reactive power)이 가능하도록 형성되는, DC-AC 인버터 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 반도체-브리지 회로의 부품들은 전력 손실 최소화를 위해, 부차적으로는 회로 손실 최소화를 고려하여 선택되는, DC-AC 인버터 장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 브리지 회로의 스위치 장치들은 낮은 R_{ds , on} 값을 갖는 MOSFET 또는 IGBT를 포함하는, DC-AC 인버터 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 반도체 브리지 회로의 스위치 장치들을 역 전력 (reverse power) 동작 중에도 온 상태 (on-state)로 동작시키기 위한 수단, 특히 반도체 다이오드가 마련되는, DC-AC 인버터 장치.
8. 제 1항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 반도체-브리지 회로는 단상 출력을 위한 H-브리지로 구현되는, DC-AC 인버터 장치.
9. 복수의 태양전지 모듈, 상기 태양전지 모듈에 의해 생산된 전기 에너지를 교류 전력망 내지 삼상 전력망에 급전하기 위한 접속 및 제 1항 내지 제 8항 중의 어느 한 항에 따른 DC-AC 인버터 장치를 포함하는, 광발전 장비.
10. 반도체 브리지 회로를 포함하는 에너지 회수가 가능한 AC-DC 인버터 회로로서,
    상기 반도체-브리지 회로는 입력측 교류 전력으로부터 동일한 극성의 반 파를 생산하고,
    특히 벅 컨버터, 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 결합 또는 벅-부스트 컨버터로 형성된, 동일 극성의 반 파로부터 평활된 직류 전압을 생산하기 위한 DC 초퍼 제어기가 상기 반도체-브리지 회로에 다운 스트림 접속되는, 에너지 회수가 가능한 AC-DC 인버터 회로.

Images