KR20130056833A - 변환기의 동작 방법 및 스위칭 셀 및 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변환기 (1) 가 직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들 (3) 을 가지는 복수의 브리지 브랜치들 (2) 을 포함하며, 각각의 브리지 브랜치 (2) 가 변환기 (1) 의 복수의 입력단들 중의 하나를 복수의 출력단들 중의 하나에 접속시키는, 변환기 (1) 를 동작시키는 방법로서,
- 스위칭 셀들 (3) 의 각각이 고장을 결정하기 위해 감시되는 단계; 및
- 스위칭 셀들 (3) 중 하나에서 고장이 식별되는 경우, 스위칭 셀 (3) 에서 식별된 고장 다음에, 특히 소정 시간 기간 내에, 스위칭 셀들 (3) 중 추가의 스위칭 셀에서 고장이 식별되면, 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트들 (41) 중 하나가 트리거되는 단계를 가지는, 변환기 (1) 를 동작시키는 방법에 관련된다.

Description

변환기의 동작 방법 및 스위칭 셀 및 변환기{METHOD FOR OPERATING A CONVERTER AND A SWITCHING CELL AND A CONVERTER}

본 발명은 변환기들에 관한 것이며, 특히 모듈러 멀티레벨 전력 변환기들에 관한 것이다. 본 발명은 또한 변환기에서 고장들을 식별하기 위한 조치들에 관한 것이다.

변환기 회로들은 오늘날 선행 기술에서의 다양한 방식들로 사용된다. 특히, 직접 변환기들은 드라이브들을 동작시키는 이점을 가지는데, 일부 애플리케이션의 분야에서, 그것들이 동일한 노력으로 간접 변환기들보다 높은 전류를 구동할 수 있기 때문이다.

모듈러 멀티레벨 변환기들 (약어 = MMC, MMLC 또는 M2LC) 은, 특히, 직접 변환기들로서 사용된다. 이러한 변환기들은 각각의 입력측 페이즈 라인 (input-side phase line) 을 출력측 페이즈 라인 (output-side phase line) 에 접속시키는 변환기 브랜치 (branch) 들을 가진다. 이러한 변환기들은 또한 서로 직렬로 접속된 부분 변환기들로서 사용될 수도 있다.

변환기 브랜치들의 각각은 인덕터 및 하나 이상의 스위칭 셀들을 2-극 (pole) 네트워크들의 형태로 포함하는 직렬 회로를 가진다. 스위칭 셀들은 절반 (half) 브리지 또는 완전 (full) 브리지 회로로 구성될 수도 있고 에너지 저장부, 예를 들어 스위칭 셀 커패시터를 가질 수도 있다. 적합한 접속에 의해, 변환기 브랜치는 에너지 저장부가 변환기 브랜치에 접속되거나 또는 변환기 브랜치로부터 접속이 끊기는 방식으로 접속될 수 있다. 직접 변환기는 일반적으로 전압이 각각의 스위칭 셀의 단자들에 인가되지 않도록 개별적으로 각각의 스위칭 셀에 대해 구동되고, 이는 프리휠링 다이오드 (freewheeling diode) 들을 통한 수동적 전류 흐름만을 허용하거나 또는 에너지 저장부의 전압, 즉 절반 브리지 접속의 경우의 스위칭 셀 커패시터의 전압 또는 완전-브리지 접속의 경우의 스위칭 셀 커패시터의 비반전된 또는 반전된 전압이 각각의 스위칭 셀의 단자들을 지나면서 강하된다. 이 유형의 직접 변환기들은, 예를 들어, 문헌 WO 03/090331 또는 US 2011/0075465 A1로부터 알려져 있다.

고장들이 직접 변환기들에서 발생할 수도 있다. 고장이 발생하면, 컴포넌트들의 파괴를 방지하기 위해 즉각적인 반응이 일반적으로 요구된다.

문헌 US 2008/0232145 A1은, 예를 들어, 변환기 브랜치들이 복수의 스위칭 셀들을 갖는 멀티레벨 변환기를 개시한다. 예를 들어, 측정된 출력 전압을 예상되는 전압과 비교함으로써 식별될 수 있는 고장이 스위칭 셀들 중 하나에서 발생하면, 관련되는 스위칭 셀이 브리지 (bridge) 된다.

문헌 Maharjan, L. 등의 "Fault-Tolerant Operation of a Battery-Energy-Storage System Based on a Multilevel Cascade PWM Converter with Star Configuration", IEEE Transactions on power electronics, 25권, 제 9 호, 2010년 9월, 페이지 2386-2396에서는, 변환기의 스위칭 셀에서 고장이 식별된 후, 스위칭 셀을 단락시키며, 그 결과로 변환기는 다른 스위칭 셀들과 함께 계속해서 동작할 수 있게 된다는 것을 제안한다. 고장난 스위칭 셀들은, 예를 들어, 출력 전압 프로파일 및/또는 커패시터 전압 프로파일에서의 변경들을 이용하여 결정될 수 있다.

스위칭 셀들에서의 완전 브리지 회로들 또는 절반 브리지 회로들은 전기 전류를 스위칭하기 위한 전력 반도체 컴포넌트들로서 일반적으로 IGBT들을 가진다. IGBT 전력 반도체 스위치들의 경우, 내부 저항은 일반적으로 IGBT 불포화라고 지칭되는 운반되는 특정한 전류 세기로 갑자기 증가한다. 불포화가 IGBT에서 발생하면, IGBT는 즉시 스위치 오프 되어야 하는데, 이는 IGBT에서 변환된 전력이 저항의 증가로 발생하는 전압 증가 때문에 최대 허용 전력을 빠르게 초과할 수도 있기 때문이다. 예를 들어, 중간 회로가 과도하게 큰 표유 (stray) 인덕턴스를 갖지 않는다면, IGBT들은 오늘날, 예를 들어 10 ㎲까지의 소정 시간 기간 동안 과전류의 불포화 및 접속해제의 발생을 견딜 수 있다. IGBT 불포화의 발생이 결정된 후에 급속 접속해제가 수행될 있도록, 이 목적을 위해 요구되고 스위칭 셀을 감시하고 IGBT들을 접속해제하도록 의도된 스위칭 셀 제어 유닛은, 개개의 스위칭 셀들에 직접 제공된다. 불포화가 스위칭 셀 제어 유닛에 의해 식별되고 IGBT가 접속해제된 후에만 중앙 제어 유닛에 관련되는 스위칭 셀의 접속해제가 통지된다.

스위칭 셀이 식별된 고장에 빠르게 반응하도록, 개개의 스위칭 셀들에는 브리징 엘리멘트들이 제공되며, 그 결과로 고장난 스위칭 셀들은 신뢰성 있게 단락될 수 있다. 사이리스터 회로 (thyristor circuit) 들, 전기기계식 스위치들, 파이로테크닉 (pyrotechnic) 스위치들 또는 브로큰다운 (broken-down) 반도체들은 브리징 엘리멘트들로서 알려져 있다. 그러나, 많은 제안된 브리징 엘리멘트들은 한번만 단락될 수도 있고 더 이상 손쉽게 개방 (open) 될 수 없다.

불포화 (desaturation) 를 초래하는 IGBT들에서의 과전류들은, 이제 스위칭 셀들 자체들에서의 고장들에 의해서 뿐만 아니라 전력 변환기의 외부 또는 스위칭 셀들 외부에서 발생하는 다른 고장들에 의해서도 야기될 수 있다.

그러므로, 브리징 엘리멘트가 폐쇄 (close) 된 스위칭 셀에서 고장이 존재한다는 것이 신뢰성 있게 식별되는 한, 브리징 엘리멘트를 개방할 필요는 없다. 그러나, 관련 스위칭 셀 외부에 있는 고장들이 또한 위에서 설명된 구조를 갖는 스위칭 셀과 부정확하게 연관되므로, 기능성 스위칭 셀들이 브리지되고, 결과적으로 영구적으로 기능하지 않게 되는 상황이 일어날 수도 있는데, 이는 스위칭 셀을 가로지르는 단락이 간단한 조치를 이용하여 다시 취소될 수 없기 때문이다. 그러나, 고장이 식별된 각각의 스위칭 셀은 결함 있는 (defective) 것이거나 또는 스위칭 셀들에서의 고장들은 스위칭 셀들 외부에서 식별되고 복잡한 분석 방법들에 의해 스위칭 셀들과 연관되는 것으로 지금까지 추정되었다. 마찬가지로 WO 2011/116816 A1는 스위칭 셀들을 갖는 멀티레벨 변환기를 명시하고, 여기서 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트 (WO 2011/116816 A1, 도 5, 참조 부호 18) 가 두 개의 스위칭 셀들 (WO 2011/116816 A1, 도 5, 참조 부호 6a, 6b) 사이에 제공되며, 트리거링 신호가 발생하는 고장에 대한 시간 지연을 가지고서 중앙 제어 유닛 (주 제어기) 에 의해 직접 또는 셀 제어 유닛 (WO 2011/116816 A1, 도 5, 참조 부호 34) 을 통해 발생되고 트리거링 엘리멘트에 전송된다.

"Prospects of Multilevel VSC Technologies for Power Transmission" (B. Gemmell 등, Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008년, T&D IEEE/PES, 미국, 뉴저지 주, 피스카타웨이 시, 2008년 4월 20일) 은 마찬가지로, 스위칭 셀들을 갖는 일반 유형의 멀티레벨 변환기를 개시한다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 스위칭 셀들을 갖는 모듈러 직접 변환기에서, 스위칭 셀들 중 어느 것도 스위칭 셀 내부의 부정확하게 식별된 고장 때문에 영구적으로 단락되지 않도록 보장하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 따른 변환기의 동작 방법에 의해 그리고 대등한 (coordinate) 청구항에 따른 변환기용 스위칭 셀 및 변환기에 의해 달성된다.

본 발명의 추가의 유리한 개량들 (refinement) 은 종속 청구항들에서 명시된다.

제 1 양태는 변환기의 동작 방법을 제공하고, 여기서 변환기는, 직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들을 가지는 복수의 브리지 브랜치들을 포함하며, 각각의 브리지 브랜치는 변환기의 복수의 입력단들 중의 하나를 복수의 출력단들 중의 하나에 접속시키며, 그 변환기의 동작 방법은,

- 스위칭 셀들의 각각이 고장을 결정하기 위해 감시되는 단계;

- 스위칭 셀들 중 하나에서 고장이 식별되는 경우, 스위칭 셀에서 식별된 고장 다음에 스위칭 셀들 중 추가의 스위칭 셀에서 고장이 식별되지 않으면, 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트들 중 하나가 트리거 (trigger) 되며, 하나의 스위칭 셀에서의 고장의 식별은 중앙 감시 디바이스에 통신되며, 중앙 감시 디바이스에서의 타이머가 시작되며, 스위칭 셀들 중 추가 스위칭 셀에서의 고장의 발생이 소정 시간 기간의 만료 전에 통신되는지를 결정하기 위해 중앙 감시 디바이스에서 점검이 수행되며, 중앙 감시 디바이스는, 추가 스위칭 셀에서의 고장이 소정 시간 기간 동안 통신되지 않으면, 하나의 스위칭 셀의 관련 있는 트리거링 엘리멘트가 트리거되는 단계를 포함한다.

위의 방법은, 고장이 또한 관련 있는 스위칭 셀 외부에있는 것이 가능한 한 이전에 식별된 고장 때문에 스위칭 셀은 브리징되지 않는다는 이점을 갖는다. 특히, 스위칭 셀을 영구적으로 단락시키는 트리거링 엘리멘트들을 스위칭 셀들에서 이용하는 경우, 이는 정확하게 기능하는 경우에도 단락의 결과로서 관련 있는 스위칭 셀이 이용가능하지 않게 되는 것을 피하는 것을 가능하게 한다.

위의 변환기는 감시 수단을 포함하고, 그 감시 수단을 이용하여, 고장이 관련 있는 스위칭 셀에서 발생하는 경우에만 스위칭 셀에서 결정된 고장은 그 스위칭 셀에서의 고장으로 추정되는 반면, 고장들이 복수의 스위칭 셀들에서 동일한 시간에 또는 약간의 시간적 오프셋을 가지고서 식별되는 경우 다른 고장이 추론된다. 다르게 말하면, 고장이 복수의 스위칭 셀들에서 식별되는 경우에 변환기에 대한 외부 영향이 추정된다.

스위칭 셀들에서 사용되는 IGBT의 불포화가 스위칭 셀들 중 하나에서 고장으로 식별되는 방식으로 스위칭 셀들이 감시되도록 준비될 수도 있다.

더욱이, 하나 이상의 전력 반도체 스위치들이 스위칭을 위해 구동되는, 스위칭 시간 윈도우 외부의 전압 변경, 특히 소정의 전압 크기를 초과하는 전압 변경은 스위칭 셀들 중 하나에서 고장으로서 식별되는 방식으로 스위칭 셀들이 감시될 수도 있다.

다른 실시형태에 따르면, 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트들 중 하나는, 스위칭 셀들 중 추가 스위칭 셀에서의 고장이 소정의 시간 기간 내에서 스위칭 셀에서 식별된 고장에 대해 약간의 시간적 오프셋을 가지고서 또는 동시에 식별되지 않으면, 트리거될 수 있다.

스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트들 중 하나가, 스위칭 셀들 중 특정한 하나의 스위칭 셀에서의 고장의 식별이 소정의 시간 기간 동안 스위칭 셀들 중 추가의 하나의 스위칭 셀에서 고장이 식별되지 않은 것과 약간의 시간적 오프셋을 가지고 또는 동시에 특정 스위칭 셀에 대해 반복적으로 발생하는 경우에만, 트리거되도록 준비될 수도 있다.

더욱이, 스위칭 셀들 중 하나에서 고장이 식별된 후, 관련 있는 스위칭 셀의 전력 반도체 스위치들의 구동은 억제될 수 있으며; 특히 전력 반도체 스위치들은 스위치 오프될 수 있다.

하나의 실시형태에 따르면, 스위칭 셀들 중 하나에서의 고장의 식별 다음에 추가 스위칭 셀에서의 고장이 식별되면, 복수의 또는 모든 스위칭 셀들의 전력 반도체 스위치들은 스위치 오프될 수 있다.

다른 양태는 하나 이상의 절반 브리지 회로들을 갖고 및 에너지 저장부를 갖는 변환기용 스위칭 셀을 제공하며, 여기서 감시 유닛이,

- 스위칭 셀을 고장을 결정하기 위해 감시하는 것,

- 고장이 식별되면, 중앙 감시 디바이스에 고장의 발생의 표시를 외부에서 제공하는 것, 및

- 고장의 발생의 표시에 응답하여, 상기 표시가 외부에서 제공되는 중앙 감시 디바이스에 의해 트리거링 신호가 수신되면, 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트를 트리거하는 것을 위한 목적으로 제공된다.

다른 양태는 입력 전압을 출력 전압으로 변환하기 위한 다수의 입력단 (input) 들 및 다수의 출력단 (output) 들을 갖는 변환기로서,

- 직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들을 갖는 복수의 브리지 브랜치 (bridge branch) 들로서, 각각의 브리지 브랜치는 입력단들 중의 하나를 출력단들 중의 하나에 접속시키는, 상기 복수의 브리지 브랜치들,

- 고장을 결정하도록 디자인된, 스위칭 셀들의 각각에 있는 각각의 감시 유닛;

- 스위칭 셀 접속단 (connection) 들을 단락시키도록 디자인된, 스위칭 셀들의 각각에 있는 각각의 트리거링 엘리멘트; 및

- 감시 유닛들의 각각에 대한 통신 링크를 갖는 중앙 감시 디바이스로서,

감시 유닛들 중의 하나에서 식별된 고장의 표시를 수신하고,

하나의 스위칭 셀에서 고장이 식별된 후에 추가 스위칭 셀들 중 하나에서의 고장이 식별되지 않으면, 트리거링 엘리멘트들 중 하나를 트리거하도록 디자인된, 상기 중앙 감시 디바이스를 포함하는 변환기를 제공한다.

바람직한 본 발명의 실시형태들은 다음의 첨부 도면들을 이용하여 아래에서 더 상세히 설명된다:
도 1은 모듈러 멀티레벨 변환기의 개략적인 예시를 나타낸다;
도 2a 및 2b는 도 1의 모듈러 멀티레벨 변환기를 구성하는 스위칭 셀의 개략적인 예시들을 나타낸다;
도 3은 변환기의 스위칭 셀에서 IGBT 반도체 컴포넌트들의 불포화를 식별하는 예시를 보여준다.

도 1은 모듈러 멀티레벨 변환기 (MMC, MMLC 또는 M2LC) 의 형태인 변환기 (1) 의 개략적인 예시를 보여준다. 변환기 (1) 는 입력단들 (E), 본원의 예시적인 실시형태에서는 제 1 입력단 (E1) 및 제 2 입력단 (E2) 을 입력 라인 (input line) 들로서 가진다. 변환기 (1) 는 또한 출력단들 (L), 본원의 예시적인 실시형태에서는 제 1 출력단 (L1), 제 2 출력단 (L2) 및 제 3 출력단 (L3) 을 가진다. 입력단들 (E1, E2) 의 각각은 출력들 (L1, L2, L3) 의 각각에 브리지 브랜치 (2) 를 통해 접속된다. 브리지 브랜치들 (2) 은 바람직하게는 동일한 디자인이지만, 브리지 브랜치들 (2) 의 상이한 토폴로지들을 제공하는 것 또한 가능하다.

변환기 (1) 는 구동에 따라 양방향성 방식으로 사용될 수 있으며, 그 결과로 에너지 흐름은 입력단들 (E1, E2) 로부터 출력단들 (L1, L2, L3) 로 그리고 출력단들 (L1, L2, L3) 로부터 입력단들 (E1, E2) 로 향할 수도 있다.

브리지 브랜치들 (2) 의 각각은 직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들 (3) 을 가진다. 본원의 예시적인 실시형태에서, 각각의 브리지 브랜치 (2) 는 직렬로 접속된 네 개의 스위칭 셀들 (3) 을 가진다.

인덕턴스로서의 유도 코일 (4) 이 또한 각각의 브리지 브랜치 (2) 의 직렬-접속된 스위칭 셀들 (3) 에 직렬로 제공된다.

도 2a 및 2b는 스위칭 셀들 (3) 의 예들을 도시한다. 도 2a의 스위칭 셀 (3) 은 직렬로 접속되고 각각이 병렬로 접속된 프리휠링 다이오드 (33) 를 가지는 두 개의 전력 반도체 스위치들 (32) 을 가지는 절반 브리지 회로, 특히 하나의 절반 브리지 회로만을 실질적으로 포함한다. 프리휠링 다이오드 (33) 는 이산 컴포넌트 (discrete component) 의 형태일 수도 있거나 또는 전력 반도체 스위치 (32) 와 통합될 수도 있다. 커패시턴스 형태의 에너지 저장부 (34) 는 두 개의 전력 반도체 스위치들 (32) 을 포함하는 직렬 회로와 병렬로 접속된다. 전력 반도체 스위치들 (32) 은 일반적으로 IGBT들, IGCT들, MOSFET들 또는 다른 제어가능 전력 트랜지스터들의 형태일 수도 있다. 스위칭 셀들 (3) 의 외부 스위칭 셀 접속단들 (S) 은 전력 반도체 스위치들 (32) 사이의 노드 (N) 및 에너지 저장부 (34) 의 접속단들 중의 하나에, 변환기 (1) 의 각각의 브리지 브랜치 (2) 에서의 스위칭 셀 (3) 을 접속하기 위해 제공된다.

전력 반도체 스위치들 (32) 의 경우, 그것들의 스위칭 기능, 다시 말해서 도전성 접속단의 폐쇄 및 개방이, 실질적으로 이용된다. IGBT들은 특히 중압 (medium-voltage) 애플리케이션들을 위해 전력 반도체 스위치들 (32) 로서 일반적으로 이용된다.

도 2b는 스위칭 셀 (3) 의 다른 실시형태를 예시한다. 도 2b의 스위칭 셀 (3) 은 H-브리지 회로의 형태이고, 전력 반도체 스위치들 (36) 을 포함하는 두 개의 병력 접속된 직렬 회로들을 가진다. 전력 반도체 스위치들 (36) 의 각각에는, 그것과 병렬로 접속되며 이산 컴포넌트의 형태일 수 있거나 또는 전력 반도체 스위치 (36) 와 통합될 수도 있는 프리휠링 다이오드 (37) 가 제공된다. 프리휠링 다이오드들 (37) 은 전력 반도체 스위치들 (36) 의 순방향에 대해 역방향으로 통상 배열된다.

변환기 (1) 의 각각의 브리지 브랜치 (2) 에서의 스위칭 셀 (3) 에 접속하는 외부 스위칭 셀 접속단들 (S) 은 직렬 회로들의 두 개의 전력 반도체 스위치들 (36) 사이의 노드들 (N) 사이에 제공된다. 두 개의 직렬 회로들은 서로 병렬로 그리고 저장 커패시터 형태의 에너지 저장부 (38) 와 접속된다.

스위칭 셀들 (3) 은 DC 전압 또는 AC 전압인 입력 전압을 DC 전압 또는 AC 전압인 원하는 출력 전압으로 변환하기 위해 제어 유닛 (10) 에 의해 구동된다. 스위칭 셀들 (3) 의 각각은 상이한 상태들을 취할 수 있는 방식으로 구동될 수도 있다. 제 1 상태에서, 스위칭 셀 (3) 은 그것의 접속단들이 에너지 저장부 (34, 38) 에 접속되는 방식으로 스위칭될 수도 있다. 이 방식에서, 에너지 저장부 (34, 38) 는 충전되거나 또는 방전될 수 있다, 다시 말해서 전하는 자유롭게 에너지 저장부 (34, 38) 로 유입되거나 또는 그로부터 유출될 수 있다. 제 1 상태에서, 에너지 저장부 전압은 또한 스위칭 셀 접속단들 (S) 에 실질적으로 인가되며, 그 결과로 브리지 브랜치 (2) 에 연관된 출력단에서의 전압 포텐셜은 브리지 브랜치 (2) 에 연관된 입력단에서 그리고 대응하는 브리지 브랜치에서의 제 1 상태로 스위칭된 스위칭 셀들 (3) 에서 전압 포텐셜들의 전압 균형의 결과로 생겨난다.

추가의 상태에서, 프리휠링 다이오드들 (33, 37) 을 통해 전류가 흐르는 것이 허용되는지의 여부에 따라, 스위칭 셀 (3) 의 출력 전압은 브리지 브랜치 (2) 를 지나는 전류 방향에 의존한다. 그러면 스위칭 셀 (3) 은 스위칭 셀 (3) 을 통해 흐르는 전류에 대해 반대로 향하는 스위칭 셀 전압을 항상 제공하여, 그 결과로 에너지 저장부 (34, 38) 는 에너지를 흡수할 수 있다. 따라서, 출력들 (L1, L2, L3) 에서의 원하는 전압들 또는 페이즈 전압들은, 출력측 전기 변수들의 사양 (specification) 에 따라 제어되는 방식으로 변환기 브랜치들 (2) 에서의 스위칭 셀들 (3) 을 스위칭함으로써, 그에 따라 스위칭된 스위칭 셀들 (3) 의 에너지 저장부 전압들과 함께 입력 전압들 및 입력 전류들부터 각각의 출력단 (L1, L2, L3) 에 대해 생성될 수 있다.

원하는 출력 전압들 및 출력 전류들을 제공하는 것에 더하여, 제어 유닛 (10) 에 의해 동작되는 변환기 (1) 를 위한 이전의 구동 방법들은 또한 스위칭 셀들 (3) 에서의 에너지 저장부들 (34, 38) 을 가능한 한 일정한 에너지 레벨 또는 전압 레벨로 유지하는 전략을 따른다, 다시 말해서 에너지 저장부들 (34, 38) 에 각각 저장된 에너지는 평균적으로 일정하게 유지되거나 또는 각각의 용량성 에너지 저장부 (34, 38) 에 걸리는 확립된 에너지 저장부 전압은 미리 정의된 변동 (fluctuation) 범위 내에서 실질적으로 변화한다. 이 경우, 제어 유닛 (10) 은 용량성 에너지 저장부들 (34, 38) 이 교번하는 극성으로 변환기 브랜치들 (2) 에 접속되게 하는, 그 자체가 알려진 전략들로부터의 전략을 이용한다. 이는 스위칭 셀들 (3) 의 각각을 통한 전류 흐름 (current flow) 의 극성이 그에 따라 용량성 에너지 저장부들 (34, 38) 을 충전 및 방전하는 이펙트 사이클 (effect cycle) 들에 영향을 주기 위해, 실질적으로 번갈아 반전되거나 전류 흐름들이 관련 있는 브리지 브랜치에 걸리는 전압 차이의 방향에 역으로 극성화된다는 사실에 의해 실질적으로 달성된다.

도 1에 보인 변환기 (1) 의 토폴로지는 단지 예시일 뿐이다. 위에서 보여진 구조는 임의의 원하는 수의 입력단들 (E) 및 임의의 원하는 수의 출력단들 (L) 로 임의의 원하는 방식으로 스케일링될 수 있다. 본질적인 특징들은 직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들 (3) 로부터 구성된 브리지 브랜치 (2) 가 각각의 입력단 및 각각의 출력단 사이에 배열된다는 사실이다.

각각의 브리지 브랜치 (2) 는 바람직하게는, 특히, 중압 애플리케이션들에 적합한 복수의 스위칭 셀들 (3) 을 가지는데, 이는 각각의 스위칭 셀 (3) 상의 전압 부하가 거기에서 입력 및 출력 전압들에 비하여 감소되기 때문이다.

스위칭 셀들 (3) 의 각각은 또한 고장 거동 (faulty behavior) 을 검출할 수 있는 감시 유닛 (39) 을 가진다. 예를 들어, 특히 IGBT 전력 반도체 스위치들을 사용하는 경우, IGBT 전력 반도체 스위치의 저항이 도통 (conducting) 스위칭 상태에서의 특정한 전류 세기로부터 갑자기 증가하는 IGBT 불포화가 일어날 수도 있다. 이러한 불포화가 발생하면, 관련 있는 IGBT는 IGBT 또는 다른 회로 부분들의 파괴를 피하기 위해 즉시 스위치 오프되어야 한다.

IGBT들은 다수의 마이크로초들의 짧은 시간 기간 동안 불포화의 발생을 통상 견딜 수 있다. 그러므로, IGBT 불포화가 발생하는 경우 접속해제가 충분히 빠르게 수행되도록 보장하는 것이 필요하다. 그러므로, 불포화에 대해 스위칭 셀을 감시하는 감시 유닛 (39) 이 스위칭 셀들 (3) 에 제공된다. 이 목적을 위해, 감시 유닛 (39) 은 스위칭 셀 접속단들에 인가된 전압을 감시할 수 있고, 전력 반도체 스위치들 중의 하나 이상이 스위칭되는 시간 윈도우 외부에서 전압 변경 또는 특정 전압 차이를 초과하는 전압 변경이 발생하면, 고장을 결정할 수 있다. 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 중 하나가 불포화에 들어간다면, 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 중의 하나 이상의 스위칭 동작 밖에서 스위칭 셀 (3) 에서의 출력 전압에서의 변경이 일어난다고 추정될 수 있다.

그러나, 또한 스위칭 셀 (3) 외부의 고장들이 스위칭 셀 전압의 급격한 변경 또는 IGBT 불포화를 초래하는 것이 가능하다. 이는 특히, 입력단들 및/또는 출력단들에서의 및/또는 입력단들과 출력단들 사이에서의 단락일 수도 있다.

고장이 결정된 스위칭 셀 (3) 의 스위칭 셀 접속단들 (S) 은 종래, 예를 들어 사이리스터 회로들, 전기기계식 스위치들, 파이로테크닉 스위치들 또는 보로큰다운 반도체 컴포넌트들의 형태의 트리거링 엘리멘트 (41) 의 도움으로 단락된다. 이것들은, 트리거링 후에, 스위칭 셀 (3) 에서 식별된 고장이 스위칭 셀 (3) 에서의 고장으로서 부정확하게 해석되었고 대신에 외부 고장 원인이 감시 유닛 (39) 을 트리거한 것에 책임이 있다고 결정되면, 그것들이 더 이상 손쉽게 개방될 수 없다는 공통 특징을 가진다.

도 3은 중앙 제어 유닛 (10) 에 배열될 수도 있는 스위칭 셀 (3) 의 감시 유닛 (39) 과 감시 디바이스 (11) 를 더 상세히 예시한다. 감시 디바이스 (11) 는 복수의 스위칭 셀들 (3) 의 감시 유닛들 (39) 에 대한, 바람직하게는 스위칭 셀들 (3) 의 각각의 감시 유닛들 (39) 에 대한 통신 링크를 가지고, 트리거링 엘리멘트 (41) 를 트리거하고 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 스위칭 셀 접속단들 (S) 을 단락시키기 위해, 고장 신호를 고장 신호 채널 (12) 을 통해 획득하고 트리거링 신호를 트리거링 신호 채널 (13) 를 통해 어드레싱된 스위칭 셀 (3) 의 감시 유닛 (40) 의 트리거링 엘리멘트 (41) 에 송신할 수 있다.

고장 신호와 트리거링 신호는, 다수의 다른 제어 및 통지 신호들과 함께, 전기적 또는 광학적 디지털 통신 링크를 통해 송신될 수도 있다.

감시 유닛 (39) 은 스위칭 셀 (3) 의 출력선들 상의 전압을 감시하는 전압 검출 유닛 (42) 을 가진다. 전압 검출 유닛 (42) 은 로직 "1"을 제어 신호들 (G1, G2) 의 각각에 대해 제공되는 AND 게이트들 (43) 의 제 1 접속단들에 출력한다. 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 을 구동시키기 위한 제어 신호들 (G1, G2) 은 제어 유닛 (10) 에 의해 AND 게이트들 (43) 의 제 2 접속단들에 인가된다. 전압 검출 유닛 (42) 은 또한 제어 유닛 (10) 으로부터 제어 신호들 (G1, G2) 을 수신하고 전압 검출을 마스킹하며 그 결과로 전압 검출은 IGBT들이 스위칭되는 스위칭 시간 윈도우 내에서 방지된다. 관련 있는 스위칭 셀 (3) 내의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 이 스위칭되지 않거나 또는 스위칭 시간 윈도우 내에 있는 시간의 기간들 동안, 전압 검출 유닛 (42) 은, 예를 들어, 관련 있는 스위칭 셀 (3) 내부의 고장 때문에 또는 외부 고장 원인 때문에 발생한 전압의 변경을 식별한다.

전압 변경, 특히 소정의 전압 변경 크기를 초과하는 전압 변경이 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 의 스위칭 시간 윈도우 외부에서 결정되면, 전압 검출 유닛 (42) 은 AND 게이트들 (43) 의 제 1 입력단들에 각각 인가되는 로직 "0"을 발생한다. 그 결과, 제어 신호들 (G1, G2) 은 차단되고 로직 "0"이 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 에 인가되며, 그 결과로서 스위칭 셀은 접속해제, 즉 스위치 오프된다.

동시에, 고장 신호가 고장 신호 채널 (12) 을 통해 중앙 감시 디바이스 (11) 에 송신된다. 제 1 고장 신호 (F) 의 수신으로, 타이머 (14) 가 상기 감시 디바이스 에서 시작되고 추가 고장 신호 (F) 가 소정 시간 기간 동안 추가 스위칭 셀 (3) 로부터 수신되는지를 결정하기 위해 감시가 수행된다. 추가 고장 신호 (F) 가 스위칭 셀들 (3) 중 추가의 하나로부터 수신되면, 외부 고장이 추론되고, 적합한 제어 신호들 (G1, G2) 을 제공하여 특히 스위칭 셀들 (3) 에서의 모든 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 을 스위치 오프함으로써 변환기 (1) 를 안전한 상태로 변경하도록 제어 유닛 (10) 은 명령을 받는다. 이 경우, 트리거링 엘리멘트 (41) 가 트리거되도록 의도되었음을 나타내는 트리거링 신호 (A) 는 송신되지 않는다.

고장 신호 (F) 가 처음으로 수신되었던 후의 소정 시간 기간 동안 추가 고장 신호가 다른 스위칭 셀들 (3) 중의 하나로부터 수신되지 않으면, 감시 유닛 (39) 이 고장 신호 (F) 를 송신했던 스위칭 셀 (3) 은 기능부전 (malfunction) 을 가진다고 추정될 수 있고, 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 스위칭 셀 접속단들 (S) 을 단락시키는 트리거링 신호 (A) 는 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 트리거링 유닛 (41) 에 송신된다.

대신에 고장 신호 (F) 가 처음으로 수신되었던 후의 소정 시간 기간 동안 고장 신호가 다른 스위칭 셀들 (3) 중의 하나로부터 수신되면, 제 1 고장 신호를 송신했던 스위칭 셀 (3) 외부에 기능부전이 있다고 추정될 수 있다. 이 경우, 응답으로서, 복수의 스위칭 셀들 (3) 또는 모든 스위칭 셀들 (3) 중, 제 1 고장 신호를 송신했던 스위칭 셀 (3) 의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 은 스위치 오프될 수도 있다.

대안의 실시형태에 따르면, 고장 신호 (F) 가 처음으로 스위칭 셀들 중 하나로부터 수신된 후 추가 고장 신호가 소정 시간 기간 내에 수신되지 않으면, 전압 검출 유닛 (42) 이 적합한 통신 링크 (미도시) 를 통해 우선 리셋되도록 준비될 수도 있으며, 그 결과로 제어 신호들 (G1, G2) 은 이에 따라 스위칭 셀 (3) 을 다시 정상 동작으로 리셋하기 위해 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 에 인가된다. 이는 한번 또는 몇 번만 발생하는 짧은 간섭 (brief interference) 을 피하는 것을 가능하게 하며, 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 완전한 접속해제를 초래한다. 트리거링 신호 (A) 는, 고장 신호 (F) 를 발생했던 스위칭 셀 (3) 에서의 일회성 고장 (one-off fault) 이 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 감시 유닛 (39) 에 의해 재차 또는 소정 횟수로 결정되는 경우에만, 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 트리거링 엘리멘트 (41) 에 송신될 수 있다.

1: 변환기
2: 변환기 브랜치
3: 스위칭 셀
4: 유도 코일
10: 제어 유닛
11: 중앙 감시 디바이스
12: 고장 신호 채널
13: 트리거링 신호 채널
32, 36: 전력 반도체 스위치들
33, 37: 프리휠링 다이오드들
34, 38: 에너지 저장부들
39: 감시 유닛
41: 트리거링 유닛
42: 전압 검출 유닛
43: AND 게이트

Claims (8)

1. 변환기 (1) 의 동작 방법으로서,
   상기 변환기 (1) 는 직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들 (3) 을 갖는 복수의 브리지 브랜치들 (2) 을 포함하며, 각각의 브리지 브랜치 (2) 는 상기 변환기 (1) 의 복수의 입력단들 중의 하나를 복수의 출력단들 중의 하나에 접속시키고, 상기 변환기 (1) 의 동작 방법은,
   - 상기 스위칭 셀들 (3) 의 각각이 고장을 결정하기 위해 감시되는 단계;
   - 상기 스위칭 셀들 (3) 중 하나의 스위칭 셀에서 고장이 식별되는 경우, 상기 스위칭 셀 (3) 에서 식별된 고장 다음에, 특히 소정 시간 기간 내에, 상기 스위칭 셀들 (3) 중의 추가 스위칭 셀에서 고장이 식별되지 않으면, 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트들 (41) 중 하나가 트리거되며, 상기 하나의 스위칭 셀 (3) 에서의 고장의 식별은 중앙 감시 디바이스 (11) 에 통신되며, 상기 중앙 감시 디바이스 (11) 에서의 타이머가 시작되며, 상기 스위칭 셀들 (3) 중 추가 스위칭 셀에서의 고장의 발생이 소정 시간 기간의 만료 전에 통신되는지를 결정하기 위해 상기 중앙 감시 디바이스 (11) 에서 점검이 수행되며, 상기 중앙 감시 디바이스 (11) 는, 추가 스위칭 셀 (3) 에서의 고장이 상기 소정 시간 기간 동안 통신되지 않으면, 상기 하나의 스위칭 셀 (3) 의 관련 있는 트리거링 엘리멘트가 트리거되는 단계를 포함하는, 변환기 (1) 의 동작 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위칭 셀들 (3) 은, 하나 이상의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 이 스위칭을 위해 구동되는 스위칭 시간 윈도우 외부의 스위칭 셀들 (3) 에서 사용되는 IGBT의 불포화가 상기 스위칭 셀들 (3) 중 하나의 스위칭 셀에서의 고장으로서 식별되는 방식으로 감시되는, 변환기 (1) 의 동작 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 스위칭 셀들 (3) 은, 하나 이상의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 이 스위칭을 위해 구동되는 스위칭 시간 윈도우 외부의 전압 변경, 특히 소정의 전압 크기를 초과하는 전압 변경이 상기 스위칭 셀들 (3) 중 하나의 스위칭 셀에서의 고장으로서 식별되는 방식으로 감시되는, 변환기 (1) 의 동작 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위칭 셀들 (3) 중 특정한 하나의 스위칭 셀에서의 고장이 식별되고 다음으로 소정의 시간 기간 동안 상기 스위칭 셀들 (3) 중 추가 스위칭 셀에서의 고장이 식별되지 않는 것이 특정한 스위칭 셀 (3) 에 대해 반복적으로 발생하는 경우에만, 상기 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트들 (41) 중의 하나가 트리거되는, 변환기 (1) 의 동작 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   고장이 상기 스위칭 셀들 (3) 중 하나의 스위칭 셀에서 식별된 후, 관련 있는 스위칭 셀 (3) 의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 의 구동은 억제되며, 특히 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 이 스위치 오프되는, 변환기 (1) 의 동작 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위칭 셀들 (3) 중 하나의 스위칭 셀에서의 고장이 식별되고 다음으로 추가 스위칭 셀 (3) 에서 고장이 식별되면, 복수의 또는 모든 스위칭 셀들 (3) 의 전력 반도체 스위치들 (32, 36) 은 스위치 오프되는, 변환기 (1) 의 동작 방법.
7. 하나 이상의 절반 브리지 회로들을 갖고 에너지 저장부를 갖는 변환기 (1) 용 스위칭 셀 (3) 로서,
   감시 유닛 (39) 이,
   상기 스위칭 셀 (3) 을 고장을 결정하기 위해 감시하는 것;
   고장이 식별되면, 중앙 감시 디바이스 (11) 에 고장의 발생의 표시를 외부에서 제공하는 것, 및
   고장의 발생의 표시에 응답하여, 상기 표시가 외부에서 제공되는 중앙 감시 디바이스 (11) 에 의해 트리거링 신호가 수신되면, 스위칭 셀 접속단들을 단락시키는 트리거링 엘리멘트 (41) 를 트리거하는 것을 위한 목적으로 제공되는, 변환기 (1) 용 스위칭 셀 (3).
8. 입력 전압을 출력 전압으로 변환하기 위한 다수의 입력단들 및 다수의 출력단들을 갖는 변환기 (1) 로서,
   직렬로 접속된 하나 이상의 스위칭 셀들 (3) 을 갖는 복수의 브리지 브랜치들 (2) 로서, 각각의 브리지 브랜치는 입력단들 중의 하나를 출력단들 중의 하나에 접속시키는, 상기 복수의 브리지 브랜치들 (2),
   고장을 결정하도록 디자인된, 스위칭 셀들 (3) 의 각각에 있는 각각의 감시 유닛 (39);
   스위칭 셀 접속단들을 단락시키도록 디자인된, 스위칭 셀들 (3) 의 각각에 있는 각각의 트리거링 엘리멘트 (41);
   감시 유닛들 (39) 의 각각에 대한 통신 링크를 가지는 중앙 감시 디바이스 (11) 로서,
   상기 감시 유닛들 (39) 중의 하나의 감시유닛에서 식별된 고장의 표시를 수신하고,
   하나의 스위칭 셀 (3) 에서 고장이 식별된 후에 상기 스위칭 셀들 (3) 중의 추가 스위칭 셀에서의 고장이 식별되지 않으면, 상기 트리거링 엘리멘트들 (41) 중 하나를 트리거하도록 디자인된, 상기 중앙 감시 디바이스 (11) 을 포함하는, 변환기 (1).

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