KR20130097769A - 모바일 애플리케이션용 전기 컨버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 복수의 개개의 컨버터를 포함하는, 모바일 애플리케이션에서 전기 공급을 위한 DC/DC 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 개개의 컨버터는 각각 DC/DC 컨버터이고, 전기적으로 병렬로 접속되고, 각각 반도체 스위치들을 포함한다.

Description

모바일 애플리케이션용 전기 컨버터{ELECTRIC CONVERTER FOR A MOBILE APPLICATION}
본 발명은, 예를 들어, 선박(ship)에서와 같은, 모바일 애플리케이션에서 사용하기 위한, 전기 컨버터, 특히 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
선박들 및 선박 추진 유닛들(ship propulsion units)의 전기 공급을 위한 연료 전지들(fuel cells)의 사용에 대한 중요성이 점점 더 증가하고 있다. 연료 전지의 출구들(outlets)에서 인가되는 전기 전압은 선박의 전기 시스템에서 요구된 동작 전압 및 DC/DC 컨버터를 통해 바람직하게 조정된다. DC/DC 컨버터의 출력들에 접속되는 축전지(accumulator)는 전기 에너지의 버퍼링을 용인한다. 이것은, 연료 전지가 출력 전력에서 상대적으로 느린 변화들만을 허가하므로 바람직하다. 또한, 하나 이상의 선박의 엔진들과 나머지 전기 시스템은, 예를 들어, 축전지에 병렬로 접속된다.
선박들에서 연료 전지용 DC/DC 컨버터들은 수 백 ㎾까지의 성능 범위에서 동작한다. IGBT 기술(IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor)에 근거한 DC/DC 컨버터는 바람직하게는 이러한 성능 등급(performance class)을 위해 사용된다. 이러한 반도체 컴포넌트들은 동시에 높은 포텐셜 전압 스트레스를 갖는 높은 전류-운반 능력을 디스플레이한다. 이것은 결국 필요한 모든 전력이 단일 DC/DC 컨버터에 의해 제공되는 것을 가능하게 한다. 높은 스위칭 손실로 인해 이러한 기술에 의해 20㎑보다 적은 상대적으로 낮은 스위칭 주파수들만 획득되는 것은 바람직하지 않고, 결과적으로 큰 치수(large dimensions)의 수동 컴포넌트들, 이를테면, 커패시터, 인덕터 및 변압기를 야기한다.
DE 11 2006 002 698 T5에 따른 알려진 구성에서, 복수의 DC/DC 컨버터는 병렬로 스위칭 및 접속된다. 이는, 그들이 입구/출구(inlet/outlet)에서 공유 인덕터를 사용하는 방식으로 구성된다. 또한, DE 11 2006 002 698 T5의 DC/DC 컨버터들은 클럭 위상 변위(clocked phase displacement)로 동작된다. 컴포넌트 크기들(C 및 L)은 종속 동작(dependent operation)의 결과로 감소된다.
이러한 성능 등급 및 주파수에서 유도성 컴포넌트들(inductive components)이 용인되는 부피에서 높은 출력을 전송하기 위해 코어에서 비교적 높은 자속 밀도로 동작되는 것은 바람직하지 않다. 이것은 결과적으로 보호 조치를 필요하게 만들 수 있는 높은 표유전계(stray fields)를 반드시 야기한다.
알려진 구성의 또 다른 단점은, 낮은 스위칭 주파수들이 가청 소음 생성을 의미한다는 것이다. 선박이 해양 관측선(research ship)으로서 사용되는 경우에, 소음이 물에서의 측정을 막을 수 있다. 또한, 소음이 해양 동물을 방해할 수 있다. 그 결과, 예를 들어, 유람선(cruise ships)이나 페리(ferries)의 이동 반경은 동물 보호 그라운드에서 한정될 수 있다. 잠수함의 경우에, 소음은 결과적으로 잠수함의 탐지가능성(detectability)을 증가시킬 수 있다.
마지막으로, 또 다른 단점은, 예를 들어, 리던던트 실시예를 통해 사용가능하게 되는 DC/DC 컨버터의 증가된 신뢰도는 DC/DC 컨버터의 중복 또는 증식(duplication or multiplication)을 필요로 하는데, 이는 선박에서 사용가능한 공간이 있음에도 불구하고 문제가 된다는 것이다.
본 발명의 목적은, 전술한 문제들이 감소되거나 개선되는 전기 컨버터를 규정하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 DC/DC 컨버터에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속-청구항들의 대상이다.
모바일 애플리케이션에서 전기 공급을 위한 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터는 복수의 개개의 컨버터들을 갖는다. 개개의 컨버터들은 결국 마찬가지로 각각 DC/DC 컨버터들이다. 또한, 개개의 컨버터들은 전기적으로 병렬로 접속되고, 각각 반도체 스위치들을 갖는다. 개개의 컨버터들 각각은 그 자신의 인덕터를 갖는다.
편의상, DC/DC 컨버터는 반도체 스위치들의 스위칭 동작들을 제어하는 제어 시스템을 갖는다. 편의상, 제어 시스템은 모든 개개의 컨버터들에 대해 중앙에 위치한다. 대안적으로, 모든 단일 개개의 컨버터를 위해 복수의 별도의 제어가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 개개의 컨버터들은, 제어 시스템이 단지 상위 태스크들(superordinate tasks)만을 수행하도록, 그들 자신의 각각의 부분 제어 시스템을 갖는 모듈들로서 설계될 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 DC/DC 컨버터는 따라서 복수의 작은 개개의 컨버터들의 어레이를 나타낸다. 바람직하게는, 10개와 20개 사이의 개개의 컨버터들이 사용된다. 개개의 컨버터들의 출력이 10㎾보다 크지 않은 경우가 특히 바람직하다. 개개의 컨버터들이 완전한 DC/DC 컨버터보다 낮은 출력을 위해 각각 설계되는 방식으로 설계되는 경우가 편리하다. 애플리케이션의 필요성에 의해 생산되는, 획득될 총 출력은 개개의 컨버터들의 축적된 출력에 정확하게 대응하는 것이 가능하다. 개개의 컨버터의 실패의 경우에는, 단지, 예를 들어, 총 출력의 10% 또는 5%만 손실되는 것이 보장된다.
또한, 본 발명에 따른 컨버터의 경우에, DE 11 2006 002 698 T5의 컨버터와는 대조적으로, 바람직하게는, 전체 시스템을 셧다운할 필요없이, 동작 동안 개개의 컨버터들을 절단하거나 심지어 교체하는 것이 가능하다.
반대로, 이제, 증가된 페일-세이프(fail-safe) 동작이 리던던시에 의해 바람직하게 획득될 수 있다. 예를 들어, 개개의 컨버터들의 수는 필요한 총 출력에 기인하는 수에 비해 아주 조금 증가된다. 예를 들어, 15개의 필요한 개개의 컨버터 대신, 18개의 개개의 컨버터가 사용될 수 있다. 특히, 개개의 컨버터의 수는 따라서 두 배가 될 필요는 없다. 또 다른 접근법에서, 개개의 컨버터들의 출력은, 축적된 출력이 애플리케이션의 필요성에 기인하는 획득될 총 출력보다 더 큰 방식으로도 설계될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 개개의 컨버터들은 적어도 부분적으로 MOSFET들인 반도체 밸브들을 갖는다. 다시 말해, 필요한 스위칭 동작들은 MOSFET들(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)에 의해 수행된다. 특히, 이는 높은 출력을 위한 것으로 알려진 DC/DC 컨버터들과 대조되는 것으로, 바람직하게는, IGBT들이 사용된다. MOSFET들은, 각각 낮은 출력인, 개개의 컨버터들로 DC/DC 컨버터를 나누어 사용될 수 있다. MOSFET들은 바람직하게는 IGBT들보다 낮은 스위칭 손실을 갖는다.
제어 시스템이, 20㎑보다 큰, 특히, 50㎑보다 큰 반도체 스위치들을 위한 스위칭 주파수를 사용하도록 설계되는 경우가 특히 바람직하다. 이것은 MOSFET들이 더 낮은 스위칭 손실을 갖기 때문에 가능하다. 높이 올린 주파수가 가청 범위 외측에 있는 것이 바람직하다. 특히, 전술한 바와 같은 소음에 민감한 애플리케이션들의 경우에, 이러한 주파수 시프트는 바람직하다. 특히, 여객선(passenger ships)의 경우에는, 다르게는 필요한 소음 제어 또는 감소가 불필요하다. 추가 장점은, 수동 엘리먼트들의 크기가 크게 감소될 수 있다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 개발에 따르면, 제어 시스템은 개개의 컨버터들의 적어도 일부를 통한 전류 흐름에 대한 전류 측정 값들을 기록하고, DC/DC 컨버터의 총 출력 전류를 제어하기 위해 전류 측정 값들로부터 반도체 스위치들의 스위칭 동작들을 제어하도록 설계된다. 바람직하게는, 전류 측정 디바이스는, 개개의 컨버터들의 적어도 일부를 위해, 예를 들어, 출력 에어리어에 제공된다. 바람직하게는, 전류 측정 디바이스는 모든 개개의 컨버터를 위해 제공된다. 바람직하게는, 개개의 컨버터들 각각은 이러한 목적을 위해 전류 감지 저항기(current sensing resistor)를 포함한다.
제어 시스템의 이러한 실시예는, 예를 들어, 개개의 컨버터들의 과부하를 피할 수 있게 하고, 개개의 컨버터들에 대해 대칭적인 부하로 동작하게 할 수 있다. 대칭적인 부하에 의해, 개개의 컨버터들의 컴포넌트들, 특히, 반도체 스위치들은 낮은 열부하를 받는다. 이는 결과적으로 DC/DC 컨버터 전체의 확장된 서비스 라이프 및 페일-세이프(fail-safe) 동작을 야기한다. 기계적 구성 또한 간소화된다. 편의상, 개개의 컨버터들의 반도체 스위치들의 시동 시간은, 낮은 전류 및 그 결과 개개의 컨버터의 낮은 부하가 달성되는 경우에 감소된다.
개개의 컨버터들은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 갈바니 전기에 의해(galvanically) 격리되는데, 다시 말해, 그들은 따라서 적어도 하나의 변압기를 각각 갖는다. 예를 들어, 개개의 컨버터들은 풀 브리지 제어(full bridge control)를 갖는 푸시-풀 흐름 컨버터들(push-pull flow converters)로서 설계될 수 있다.
특히, 에너지 공급 시스템이 전기 에너지의 생성을 위한 연료 전지를 갖는 경우에, 개개의 컨버터들을 갖는 DC/DC 컨버터는 바람직하게 에너지 공급 시스템의 일부이다. 에너지 공급 시스템은, 예를 들어, 모바일 시스템에서 실현된다. 이러한 모바일 시스템의 일례는 해양 조사선(research vessel) 또는 여객 수송선(passenger ship)과 같은 선박이다. 또 다른 예는 잠수함이다. DC/DC 컨버터의 입력 측은 편의상 연료 전지에 접속된다. DC/DC 컨버터의 출력 측은 편의상, 예를 들어, 모바일 시스템의 전기 시스템의 전기 모터들이나 추가 부하들과 같은 부하들에 접속된다.
바람직한 - 그러나 어떠한 경우에도 한정적이지 않는 - 본 발명의 예시적인 실시예들은 이제 도면들에 근거하여 더 자세히 설명된다. 특징들이 도면들로서 제시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지를 갖는 전기 공급 시스템의 매우 도식화된 구성이고,
도 2는 연료 전지를 갖는 전기 공급 시스템 및 개개의 컨버터들을 갖는 DC/DC 컨버터의 도식화된 구성이고,
도 3은 위상-시프트된 풀 브리지(phase-shifted full bridge)로서 설계된, 개개의 컨버터의 회로 다이어그램이다.
도 1에 따른 알려진 기본 구성은 연료 전지(5)를 도시한다. 연료 전지(5)의 출구들에서 인가되는 전기 전압은 DC/DC 컨버터(4)의 입력 터미널들(7a, b)에 접속된다. DC/DC 컨버터(4)의 출력 터미널들(6a, b)은 축전지(accumulator; 3)에 접속된다. 전기 모터(2) 및 추가 부하(1), 예를 들어, 선박 또는 또 다른 모바일 시스템의 전기 시스템은 축전지(3)에 병렬로 접속된다. 축전지(3)는 에너지의 버퍼링된 저장을 보장한다. 연료 전지들(5)을 사용할 때, 그들은 비교적 천천히 자신의 출력 전력을 바꿀 수 있기 때문에 바람직하다. 수요의 단기 변동들(short-term fluctuations in demand)은 바람직하게는 축전지(3)를 통해 보상된다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 직류 전압 컨버터(10)를 갖는 기본 구성에 대한 예시적인 실시예를 도시한다. 이 예에서, 직류 전압 컨버터(10)는 20개의 개개의 컨버터(10a...n)들로 구성된다. 개개의 컨버터들(10a...n)은 병렬로 접속되고 공유된 입력 터미널들(7a, b)은 물론 공유된 출력 터미널들(6a, b)을 갖는다. 직류 전압 컨버터(10)는 그의 입력 터미널들(7a, b)에 의해 다시 연료 전지(5)에 접속된다. 그의 출력 터미널들(6a, b)에 의해, 직류 전압 컨버터(10)는 축전지(3)는 물론 예시적인 방식으로 전기 모터(2) 및 추가 부하(1)에 접속된다.
20개의 개개의 컨버터들(10a...n)은 제어를 위해 제어 시스템(11)에 링크된다. 제어 시스템(11)은 개개의 컨버터들(10a...n)에 있는 스위치들의 스위칭 동작들을 제어한다. 또한, 제어 시스템(11)은 개개의 컨버터(10a...n) 당 각각 하나의 전류 감지 저항기(33)와 접속된다.
제어 시스템(11)은 직류 전압 컨버터(10)의 동작에서 액티브 전류 보상을 수행한다. 이를 위해, 그것은 현재 동작중인 개개의 컨버터들(10a...n)을 통한 전류 흐름에 대한 값들을 기록한다. 전류 흐름이 표준으로부터의 이탈들을 표시하는 경우, 제어 시스템(11)은 관련된 개개의 컨버터(10a...n)의 반도체 스위치들에 대한 스위칭 동작들을 조정한다. 예를 들어, 개개의 컨버터(10a...n)를 통해 너무 많은 전류가 흐르는 경우에, 관련된 개개의 컨버터(10a...n)의 반도체 스위치들의 듀티 사이클들이 감소된다. 전반적으로, 대칭 분포, 다시 말해, 개개의 컨버터들(10a...n)에 걸친 부하의 균등한 분포가 이러한 방식으로 실현된다.
마찬가지로, 제어 시스템(11)은 개개의 컨버터(10a...n)의 실패에 대해 보상하도록 설계된다. 이를 위해, 제어 시스템(11)은, 나머지 19개의 개개의 컨버터들(10a...n)이 필요한 총 전류 부하를 부담하는 방식으로 개개의 컨버터들(10a...n)을 제어한다. 예를 들어, 부하 제한에 도달했기 때문에 그것이 가능하지 않은 경우에, 제어 시스템(11)은 출력되는 총 전류를 감소시킨다.
개개의 컨버터(10a...n)의 구성은 도 3에 도시적으로 도시된다. 입력 터미널들(7a, b)은 커패시터(36)에 접속된다. 그 다음에, 그들 각각의 표류 정전용량(stray capacitances) 및 바디 다이오드(body diode)를 갖는 도 3에 도시되는 4개의 MOSFET(30a...d)의 풀 브리지(full bridge)가 온다. 변압기(31)의 1차 권선은 풀 브리지의 중앙 바(central bar)에서 접속된다.
또한, 중앙 바는 변압기(31)의 1차 권선에 직렬인 LC 엘리먼트(35)를 포함한다. LC 엘리먼트(35)는 커패시터와 인덕터의 직렬 회로로 구성된다. LC 엘리먼트(35) 및 1차 권선의 엘리먼트들은, 이 예에서 250㎑의 공진 주파수가 생산되는 방식으로 MOSFET들(30a...d)과 코디네이트된다. 커패시터는 단지 직류 전압 컴포넌트만 차단한다(block). 한편, 변압기(31)의 2차 권선은 다이오드 브리지 정류기(32)에 접속된다. 그의 출력은 직렬 인덕터와 병렬 캐패시터로 구성된 로우-패스 필터(34)를 통해 출력 터미널들(6a, b)로 이동한다. 전류 감지 저항기(33)는 또한 로우-패스 필터(34)의 다운스트림이다. 제어 시스템(11)은 편의상 그들의 제어를 위한 풀 브리지의 MOSFET들(30a...d)은 물론 전류 감지 저항기(33)에 접속된다. 전류 측정은 출력 측에서 이루어 진다.

Claims (7)

  1. 모바일 애플리케이션에서 전기 공급을 위한 DC/DC 컨버터(10)로서,
    복수의 개개의 컨버터들(10a...n)
    을 포함하고,
    상기 개개의 컨버터들(10a...n)은,
    각각 DC/DC 컨버터들이고,
    전기적으로 병렬로 접속되고,
    각각 반도체 스위치들(30a...d)을 가지며,
    상기 개개의 컨버터들(10a...n) 각각은 별도의 인덕터를 포함하는 DC/DC 컨버터(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개개의 컨버터들(10a...n) 각각은 전류 감지 저항기(33)를 포함하는 DC/DC 컨버터(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체 스위치들(30a...d)은 적어도 부분적으로 MOSFET들(30a...d)인 DC/DC 컨버터(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치들(30a...d)에 대해 20㎑보다 큰, 특히, 50㎑보다 큰 스위칭 주파수를 사용하도록 설계되는 제어 시스템(11)을 포함하는 DC/DC 컨버터(10).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 시스템(11)은, 상기 개개의 컨버터들(10a...n)의 적어도 일부를 통한 전류 흐름에 대한 전류 측정 값들을 기록하고, 상기 DC/DC 컨버터(10)의 총 출력 전류를 제어하기 위해 상기 전류 측정 값들로부터 상기 반도체 스위치들(30a...d)의 스위칭 동작들을 제어하도록 설계되는 DC/DC 컨버터(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개개의 컨버터들(10a...n)은 갈바니 전기에 의해 격리되는(galvanically isolated) DC/DC 컨버터(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개개의 컨버터들(10a...n)은 풀 브리지 제어(full bridge control)를 갖는 푸시-풀 흐름 컨버터들(push-pull flow converters)로서 설계되는 DC/DC 컨버터(10).
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