KR20160030300A - 다중 레벨 변환기 - Google Patents

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KR20160030300A
KR20160030300A KR1020167003541A KR20167003541A KR20160030300A KR 20160030300 A KR20160030300 A KR 20160030300A KR 1020167003541 A KR1020167003541 A KR 1020167003541A KR 20167003541 A KR20167003541 A KR 20167003541A KR 20160030300 A KR20160030300 A KR 20160030300A
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한스-귄테르 에켈
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 각각이 제1 스위치(S11, S21), 제2 스위치(S12, S22) 및 커패시터(C1, C2)를 갖고 있고, 방전 단계에서, 커패시터에 의하여 전류를 방출하고, 충전 단계에서, 커패시터를 충전하기 위해 전류를 수용하는 복수의 직렬-연결된 서브모듈들(31, 32)를 가지고 있고, 다중 레벨 변환기(10)의 작동을 제어하기 위한 중앙 장치(20)를 가지고 있는 다중 레벨 변환기(10)에 관한 것이다. 본 발명은 서브모듈들(31, 32) 중 2개 이상이 다중 모듈(30)의 형성 하에 직렬로 연결되는 것을 제공하며, 여기에서, 다중 모듈(30)의 충전 단계에서 그리고 방전 단계에서, 각각의 서브모듈(31, 32)의 스위치들 중 각각 하나가 스위치 오프되고, 각각의 서브모듈(31, 32)의 각각 다른 스위치가 스위치 온되고, 다중 모듈(30)은 중앙 장치(20)에 연결되고 중앙 장치(20)로부터의 제어 신호들(T1, T2)에 기초하여 다중 모듈(30)의 서브모듈들(31, 32)을 제어하는 제어 장치(33)를 가지고 있으며, 제어 장치(33)는, 서브모듈들(31, 32)의 커패시터 전압들을 모니터링하고, 커패시터 전압들의 불균형의 경우에, - 다중 모듈(30)의 다른 서브모듈들(32)의 커패시터 전압과 비교하여 - 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 서브모듈들(31)에 대해 각각 하나 이상의 각자의 블로킹 기간(Tv)을 제공함으로써 균형을 이루도록 구성되며, 이 블로킹 기간에는 제1 및 제2개의 스위치들(S11, S12)가 동시에 스위치 오프된다.

Description

다중 레벨 변환기{MULTILEVEL CONVERTER}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 특징들을 갖는 다중 레벨 변환기에 관한 것이다.
이런 유형의 다중 레벨 변환기는, ETG 심포지움 "Bauelemente der Lesitungselektronik und ihre Anwendungen" ("Power electronics components and their applications"), 2002, Bad Nauheim, by Rainer Marquardt, Anton Lesnicar and Jurgen Hildinger, Institute of Electrical Drives Engineering, Power Electronics and Control at the Universitat des Bundeswehr, Munich에 제출된 논문 "Modulares Stromrichterkonzept fur Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen"("Modular power converter concept for mains-coupling applications at high voltages")에 설명되어 있다. 공지된 다중 레벨 변환기는 그것의 각각이 제1 스위치, 제2 스위치 및 커패시터를 포함한 복수의 직렬-연결된 서브모듈들을 갖추고 있고, 방전 단계에서, 커패시터에 의하여 전류를 방출하고, 충전 단계에서, 커패시터를 충전하기 위해 전류를 수용한다. 중앙 장치는 다중 레벨 변환기의 작동을 제어하는데 사용된다.
발명의 목적은 특히 단순한 설계를 가지고 있으면서도 정밀 제어를 허용하는 다중 레벨 변환기를 규정하는 것이다.
청구항 1에서 청구된 특징들을 갖는 다중 레벨 변환기에 의해 본 발명에 따른 이러한 목적이 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명에 따른 다중 레벨 변환기의 유리한 실시예들을 포함한다.
그러므로 본 발명에 따르면, 서브모듈들 중 2개 이상이 다중 모듈의 형성 하에 직렬로 연결되는데, 여기에서 다중 모듈의 충전 단계와 방전 단계에서, 각각의 서브모듈의 스위치들 중 각각 하나는 스위치 오프되고, 각각의 서브모듈의 각각 다른 스위치는 스위치 온되고, 다중 모듈은 중앙 장치에 연결된 제어 장치를 포함하는데, 이 제어 장치는 중앙 장치로부터의 제어 신호들을 기초로 하여 다중 모듈의 서브모듈들을 제어하고, 서브모듈들의 커패시터 전압들을 모니터링하도록 설계되며, 커패시터 전압들의 불균형의 경우에, 다중 모듈의 다른 서브모듈들의 커패시터 전압에 비해 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈에 하나 이상의 블로킹 기간(blocking period)을 제공함으로써 균형을 이루는데, 블로킹 기간에는 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 스위치 오프된다.
본 발명에 따른 다중 레벨 변환기의 본질적인 장점은 서브모듈들의 제어가 중앙 장치 자체에 의해 개별적으로 모든 서브모듈들에 대하여 실행될 필요가 없고, 그 대신 각각의 다중 모듈들에서 개입된 제어 장치들에 의하여 수행될 수 있다는 것이 고려될 수 있다. 다중 모듈들로의 서브모듈들의 할당은 제어 장치의 제어 작업들을 덜어준다. 또한, 더 이상 각각의 서브모듈이 직접적으로 중앙 장치에 연결될 필요가 없기 때문에 제어선들의 수는 감소될 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 다중 레벨 변환기의 디자인은 알려진 다중 레벨 변환기들을 위한 디자인보다 더 단순하고 그러므로 생산 비용들은 떨어진다.
본 발명에 따른 다중 레벨 변환기의 또 다른 본질적인 장점은 상기 다중 레벨 변환기에 대해 다중 모듈들에서 함께 그룹화된 서브모듈들의 커패시터 전압들이 매우 쉽게 균형화를 이룰 수 있다는 점이 고려될 수 있는데, 그 이유는 본 발명에 따른 블로킹 기간에서의 균형화는 다중 모듈과 그것의 서브모듈들을 통하여 흐르는 모듈 전류의 흐름의 방향에 상관없이 자동적으로 일어나기 때문이다. 이것은 블로킹 기간에 있는 서브모듈들에 대해, 커패시터들은 오직 충전만 되고 방전은 되지 않을 수 있기 때문이다. 그러므로 균형화의 목적을 위해, 모듈 전류의 흐름의 방향을 알거나 측정할 필요가 없다. 그 대신, 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 서브모듈들에 대해 본 발명에 따른 블로킹 기간을 제공하는 것으로 충분하다. 다시 말하면, 균형화는 충분한 DC 링크 전압을 가지고 있는 서브모듈들에 대해서는 커패시터가 방전되게 하고, 너무 낮은 DC 링크 전압을 가지고 있는 서브모듈들에 대해서는 블로킹 기간에 커패시터가 방전되지 못하게 함으로써 수행된다.
제어 장치가 각각의 서브모듈마다 커패시터 전압과 다중 모듈의 서브모듈들의 커패시터 전압들의 평균값과의 사이의 차이를 결정하고, 그리고 그 차이가 소정 임계값을 초과하면, 관계된 각각의 서브모듈들에 하나 이상의 블로킹 기간을 제공한다면 유리한 것으로 간주된다.
제어 장치는 바람직하게는 커패시터 전압들에서의 불균형을 기초로 하여 특히 각각의 서브모듈마다 블로킹 기간의 시간 길이를 정의한다.
제어 장치가 각각의 서브모듈마다 커패시터 전압과 다중 모듈의 서브모듈들의 커패시터 전압들의 평균값과의 사이의 차이를 결정하고, 특히 커패시터 전압과 평균값 사이의 각각의 차이를 기초로 하여 각각의 서브모듈에 대해 특정하게 블로킹 기간의 시간 길이를 규정한다면 특히 유리하고, 거기서 커패시터 전압과 평균값 사이의 각각의 차이가 클수록, 블로킹 기간의 각각의 시간 길이가 길다.
제어 장치가 서브모듈들의 제1 스위치와 제2 스위치를 스위칭시키기 위해 제어 신호를 중앙 장치로부터 수신할 때마다 블로킹 기간을 개시하도록 설계된다면 특히 유리하다.
각각의 서브모듈의 제1 스위치는 바람직하게는 커패시터와 직렬로 연결되고, 제2 스위치는 바람직하게는 커패시터와 제1 스위치를 포함한 직렬 회로에 전기적으로 병렬로 되어 있다.
블로킹 기간들의 시간에서의 위치 설정에 관해서, 제2 스위치가 오프되거나, 중앙 장치로부터의 제어 신호에 기초하여 스위치 오프되어야 할 때마다 블로킹 기간을 삽입하고, 블로킹 기간이 제1 스위치의 스위치 온-기간을 희생하면서 삽입되도록 제어 장치를 설계하는 것이 유리한 것으로 간주된다.
제1 스위치의 스위치 온-기간이 출력 전압 펄스들의 중심 축이 유지되기 위해서 제2 스위치의 스위치 오프-기간에 관하여 대칭적으로 더 짧게 만들어지는 경우에 특히 유리하다. 이런 방식으로 대칭적으로 만드는 것은 제1 스위치가 스위치 온되기 전의 블로킹 기간의 길이가, 제1 스위치가 다시 스위치 오프되고 그에 따라 제2 스위치가 스위치 온된 후의 블로킹 기간의 길이와 동일한 사이즈로 정확하게 만들어지는 경우에 유리하게 달성될 수 있다.
제1 다이오드는 제2 스위치와 병렬로 연결되는 것이 바람직하고, 제2 다이오드는 제1 스위치와 병렬로 연결된다. 제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함한 직렬 회로는 바람직하게는 커패시터와 병렬로 연결된다.
다이오드들과 관련하여, 제1 다이오드의 애노드 단자가 제2 다이오드의 캐소드 단자에 연결되고, 제1 다이오드의 캐소드 단자가 커패시터의 커패시터 단자에 연결되고, 제2 다이오드의 애노드 단자가 커패시터의 다른 커패시터 단자에 연결되는 경우에 유리한 것으로 간주된다.
본 발명은 또한, 각각이 제1 스위치, 제2 스위치 및 커패시터를 포함한 복수의 직렬-연결된 서브모듈들을 가지고 있는 다중 레벨 변환기를 작동시키기 위한 방법과 관련되어 있고, 방전 단계에서, 커패시터에 의하여 전류를 방출하고, 충전 단계에서, 커패시터를 충전하기 위해 전류를 수용한다.
그러한 방법과 관련하여, 본 발명에 따르면 서브모듈들 중 2개 이상은 다중 모듈의 형성 하에 직렬로 연결되며, 여기서 다중 모듈의 충전 단계와 방전 단계에서, 각각의 서브모듈의 스위치들 중 각각 하나는 스위치 오프되고, 각각의 서브모듈의 각각 다른 스위치는 스위치 온되고, 서브모듈들의 커패시터 전압들은 모니터링되고, 커패시터 전압들에서의 불균형의 경우에, 균형화는 다중 모듈의 다른 서브모듈들의 커패시터 전압에 비해 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈마다 하나 이상의 블로킹 기간을 제공함으로써 생성되며, 블로킹 기간에 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 스위치 오프된다.
본 발명에 따른 방법의 장점들과 관련하여, 상기 실시예들이 본 발명에 따른 방법에 따라 적용하기 때문에, 본 발명에 따른 다중 레벨 변환기와 관련되는 상기 실시예들에 대해 참조가 이루어져야 한다.
제1 스위치의 스위치 온-기간은 바람직하게는 제2 스위치의 스위치 오프-기간의 시간에서의 위치에 대해 대칭적으로 더 짧게 만들어진다.
관련된 서브모듈의 제2 스위치의 스위치 오프-기간에 대해 제1 스위치의 스위치 온-기간의 시간에서의 대칭적, 즉 중심의 위치와 관련하여, 다중 모듈의 다른 서브모듈들의 커패시터 전압에 비해 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈마다 2개의 블로킹 주기가 제공되는 경우에 유리한 것으로 간주되며, 블로킹 기간에 제1 스위치와 제2 스위치가 동시에 오프되는데, 여기에서 2개의 블로킹 기간이 동일한 길이로 되어 있고 블로킹 기간 중 하나는 제2 스위치가 스위치 오프된 후 그리고 제1 스위치가 스위치 온되기 전의 시간 구간에 있고, 다른 블로킹 기간은 제1 스위치가 다음에(다시) 스위치 오프된 후 그리고 제2 스위치가 다음에(다시) 스위치 온되기 전의 시간 구간에 있다.
본 발명은 예로서, 예시적 실시예들과 관련하여 하기에 더 상세하게 설명된다:
도 1은 본 발명에 따른 다중 레벨 변환기의 예시적 실시예를 도시한다;
도 2는 도 1에 도시된 다중 레벨 변환기를 위한 2개의 서브모듈들을 포함한 다중 모듈의 예시적 실시예를 더 상세하게 도시한다;
도 3은 서브모듈들의 커패시터들의 커패시터 전압들이 동일하거나 최소한 대략 동일한 경우를 위해 도 2의 다중 모듈의 작동을 예로서 도시한다;
도 4는 커패시터 전압들이 불균형이고 커패시터 전압들이 블로킹 기간을 제공함으로써 균등화되는 경우를 위해 도 2의 다중 모듈의 작동을 예로서 도시한다;
도 5는 서브모듈의 DC 링크를 충전하는 포지티브 모듈 전류를 위한 블로킹 기간 동안 도 2의 다중 모듈의 "차단된(blocked)" 서브모듈을 통한 전류 흐름을 예로서 도시한다;
도 6은 네거티브 모듈 전류를 위한 블로킹 기간 동안 "차단된(blocked)" 서브모듈을 위한 전류 흐름을 도시한다;
도 7은 포지티브 모듈 전류를 위한 서브모듈의 제1 스위치의 보통 스위치 온-기간 동안 "차단되지 않은(unblocked)" 서브모듈을 통한 전류 흐름을 비교의 목적으로 도시한다;
도 8은 네거티브 모듈 전류를 위한 제1 스위치의 보통의 스위치 온-기간 동안 "차단되지 않은(unblocked)" 서브모듈을 통한 전류 흐름을 비교의 목적으로 도시한다.
명료성을 위하여, 동일한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 성분들을 위해 도면에 항상 사용된다.
도 1은 3상 다중 레벨 변환기(10)의 예시적 실시예를 도시한다. 이 변환기는 AC 전류를 내부에 공급하거나 또는 AC 전류를 외부로 공급하거나 방출하기 위한 AC 단자(W10)들을 포함한다. 또한, 다중 레벨 변환기(10)는, DC 전류 또는 시변 전류, 특히 또한 AC 전류가 내부에 공급되거나 방출될 수 있는 2개의 전압 단자(G10a와 G10b)들을 가지고 있고; 전압 단자(G10a와 G10b)들은, 언급된 것처럼, 이들 단자에서 단독으로 DC 전류를 내부에 공급하거나 방출하는 것이 강제적이지 않을지라도, "DC 단자"로서 하기에 예로서 언급된다.
다중 레벨 변환기(10)는 3개의 병렬-연결된 직렬 회로들(R1, R2 및 R3)을 포함하는데, 그것의 외부 단자들(R11, R21 및 R31)은 DC 단자(G10a)에 연결된다. 외부 단자들(R12, R22 및 R32)은 DC측(G10)의 DC 단자(G10b)에 연결된다. 그러므로 다시 말하면, 3개의 직렬 회로들(R1, R2 및 R3)의 외부 단자는 다중 레벨 변환기(10)의 DC측을 형성한다.
3개의 직렬 회로들(R1, R2 및 R3) 각각은 다수의 직렬-연결된 서브모듈들 T와 2개의 인덕터들 D를 구비한다. 각 쌍의 인덕터들 D 사이에는 중간 단자 Z가 있는데, 이는 전위의 관점에서 도 1의 상단에서의 서브모듈들과 도 1의 하단에서의 서브모듈들 사이에 놓여 있고 다중 레벨 변환기(10)의 3개의 AC 단자들(W10) 중 하나를 형성한다.
도 1은 또한 서브모듈들 T의 디자인의 예를 도시한다. 도 1에 도시된 예시적 실시예에서, 각각의 서브모듈들 T는 제1 스위치 S1(예를 들어, 트랜지스터의 형태), 제2 스위치 S2(예를 들어, 트랜지스터의 형태) 및 커패시터 C를 포함한다.
도 1에 도시된 다중 레벨 변환기(10)에서, 서브모듈들 T는 중앙 장치(20)에 의해 제어된다. 제어를 가능하게 하기 위해서 중앙 장치(20)가 각각의 서브모듈들 T에 개별적으로 연결될 필요를 회피하기 위해, 도 1에 도시된 예시적 실시예에서, 개별적 서브모듈들 또는 모든 서브모듈들 T는 다중 모듈들 내로 함께 그룹으로 만들어진다.
도 1에서, 그러한 다중 모듈의 예시적 실시예는 참조 부호 30으로 표시된다. 다중 모듈(30)은 2개의 서브모듈들(31과 32)을 포함하는데, 이들은 다중 모듈-특정 제어 장치(33)에 의해 제어된다.
중앙 장치(20)는 다중 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2에 의하여 다중 모듈(30)을 제어하며, 여기서 제어 신호 T1은 2개의 서브모듈들(31과 32) 각각의 제1 스위치를 제어하기 위해 이용되고, 제어 신호 T2는 2개의 서브모듈들(31과 32) 각각의 제2 스위치를 제어하기 위해 이용된다.
중앙 장치(20)는 바람직하게는 다중 모듈 DC 링크 전압, 즉 다중 모듈(30)의 개별적 서브모듈들(31과 32)의 DC 링크 전압에 의해 형성된 전압 합계를 기초로 하여 다중 모듈(30)을 제어한다. 다시 말하면, 제어의 목적을 위해, 중앙 장치(20)는 개별적 커패시터 전압, 즉 각각의 서브모듈들(31과 32)의 개별적 DC 링크 바람직하게는 전압보다 오히려 다중 모듈당 단지 하나의 싱글 전압 값을 필요로 하고, 중앙 장치(20)의 부하가 감소된다.
제어 장치(33)의 기능은 중앙 장치(20)로부터의 제어 신호들 T1과 T2를 처리하고 2개의 서브모듈들(31과 32)의 스위치들을 제어하기 위한 서브모듈-특정 제어 신호들 T11, T12, T21 및 T22을 형성하기 위해 제어 신호들 T1과 T2를 이용하는 것이다.
제어 장치(33)의 또 다른 기능은 서브모듈들(31과 32)의 커패시터들의 커패시터 전압들의 합계, 즉 개별적 DC 링크 전압들의 합계를 형성하고, 이러한 합계를, 즉 개별적 커패시터 전압들, 다른 말로는 개별적 DC 링크 전압들이 아닌, 합계를 각각의 서브모듈들로부터 중앙 장치(20)로 전송하는 것이다. 이미 언급된 것처럼, 중앙 장치(20)는 다중 모듈(30)을 제어하기 위해 다중 모듈 DC 링크 전압을 이용한다.
도 2는 예로서 도 1의 다중 모듈(30)의 디자인을 더 상세하게 도시한다.
다중 모듈(30)의 서브모듈(31)은 제1 스위치 S11을 포함하는데, 이는 커패시터 C1과 직렬로 되어 있다. 제1 스위치 S11과 커패시터 C1을 포함한 직렬 회로는 서브모듈(31)의 모듈 단자(31a와 31b)에 연결된다. 제1 스위치 S11과 커패시터 C1을 포함한 직렬 회로와는, 2개의 모듈 단자(31a와 31b)에 직접적으로 연결되어 있는 제2 스위치 S12가 병렬로 되어 있다.
서브모듈(32)의 디자인은 서브모듈(31)의 디자인과 동일하다. 제1 스위치 S21은 커패시터 C2와 직렬로 있는데, 여기서 직렬 회로는 제2 스위치 S22와 병렬로 되어 있다. 제2 스위치 S22의 단자들, 즉 제1 스위치 S21과 커패시터 C2로 형성된 직렬 회로의 단자들은 서브모듈(32)의 모듈 단자들(32a와 32b)을 형성한다.
2개의 서브모듈들(31과 32)의 스위치들을 제어하기 위하여, 제어 신호들 T11, T12, T21 및 T22는 제어선들(34a, 34b, 34c 및 34d)을 통해 4개의 스위치들 S11, S12, S21과 S22로 전송된다.
도 3과 4는 중앙 장치(20)로부터 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2에 따른 제어 장치(33)의 작동을 더 상세하게 설명하기 위해 예로서 이용된다.
도 3은 2개의 서브모듈들(31과 32)의 2개의 커패시터들 C1과 C2의 커패시터 전압들 Ud1과 Ud2가 동일하거나 거의 동일한 경우에 대해서 제어 장치(33)의 작동을 도시한다. 이런 경우에, 다중 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2는 미리 결정된 지연 기간 ΔT1의 끝에서 그에 따라 변한다. 그것은 시간 중앙 장치(20)로부터 시간 t0에 도달하는 전환 명령에 따라, 2개의 서브모듈들(31과 32)(도 2 참조)의 2개의 제1 스위치들 S11과 S21은 지연 기간 ΔT1의 끝에서 스위치 온된다. 이에 대응하여, 시간 t0에 제어 신호 T2의 형태로 수신된 스위치-오프 명령은 지연 기간 ΔT1의 끝에서 2개의 서브모듈들(31과 32)(도 2 참조)의 2개의 제2개의 스위치들 S12와 S22에 대해서 구현된다.
유사하게, 다중 모듈(30)의 4개 스위치들은 이러한 4개의 스위치들을 스위칭시키기 위한 전환 명령이 시간 t1에 다중 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2의 에지 변화에 의해 다중 모듈(30)에 중앙 장치(20)에 의해 전달되자마자 스위칭된다.
도 4는 2개의 커패시터 C1과 C2의 커패시터 전압들 Ud1과 Ud2가 상이한 크기인, 즉 불균형한 경우를 위한 다중 모듈(30)의 제어 장치(33)의 작동을 도시한다. 도 4에 도시된 예시적 실시예에서, 커패시터 전압 Ud1이 커패시터 전압 Ud2보다 작고, 2개의 커패시터 전압들 Ud1과 Ud2가 균등한 것으로 여겨지는 것이 예로서 가정된다.
다중 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2에서의 에지 변화가, 2개의 다중 모듈들(31과 32)의 2개의 제1 스위치들 S11과 S21이 스위치 온되는 것으로 여겨지고 2개의 서브모듈들(31과 32)의 2개의 제2개의 스위치들 S12와 S22가 스위치 오프되는 것으로 여겨지도록 시간 t0에서 발생하면, 서브모듈(31)에 있어서, 커패시터 전압 Ud1이 커패시터 전압 Ud2보다 너무 작거나 더 작고, 이 전환 명령은 시간 지연을 가진 제1 스위치 S11에 대해서 구현된다. 그러므로 그것은 도 4에서 서브모듈(31)에 있어서 그것이 단지 제2 스위치 S12가 지연 기간 ΔT1 내에 스위칭되는 것이 나타날 수 있다. 그러나, 제1 스위치 S11를 스위치 온하기 위한 스위치-온 명령은, 제2 스위치의 상기 스위칭에 대해서 지연되는데, 즉, 블로킹 기간 Tv의 끝이 되어서야, 지연된다. 바람직하게는 블로킹 기간 Tv의 길이가 길수록, 커패시터 전압들 Ud1과 Ud2 사이의 차이가 커진다. 바람직하게는 다음 식이 적용된다:
Tv = k * (Ud1 - Ud2)
여기서, k는 비례 계수를 나타낸다.
그러므로 블로킹 기간 Tv에서, 스위치들 S11과 S12의 양쪽은 서브모듈(31)에 대해서 스위치 오프된다.
서브모듈(32)에 관해서, 제어 장치(33)는 2개의 스위치들 S21과 S22의 스위칭을 수정하지 않는다. 이는 시간 t0에서 다중 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2에 의해 지정된 것처럼, 이것은 2개 스위치들의 필요한 스위칭이 지연 기간 ΔT1의 끝에서 일어난다는 것을 의미한다.
시간 t1에서, 제어 신호들 T1과 T2의 에지 변화의 형태로 추가적 전환 명령이 제어 장치(33)에서 수신되면, 서브모듈(31)의 제1 스위치 S11은 바람직하게는 제2 스위치 S12 이전에, 즉 앞선 스위치-온을 위한 블로킹 기간 Tv의 시간 길이와 같은 시간 구간만큼 더 일찍 스위칭된다. 이런 방식으로 제어 신호 T12에 대해 제어 신호 T11의 신호 파형을 대칭으로 만들기 위해서, 제1 스위치 S11은 바람직하게는 시간 t1에서 제어 신호들 T1과 T2에서의 에지 변화의 도달 후 시간 구간 Ta 이후에 스위칭되며, 여기서 다음 식이 적용된다:
Ta = ΔT1 - Tv
3개 다른 스위치들, 즉 도 2에 도시된 서브모듈(31)의 제2 스위치 S12와 서브모듈(32)의 2개의 스위치들 S21과 S22가, 모듈-특정 제어 신호들 T1과 T2에 의해 지정된 지연 기간 ΔT1의 끝에서 스위칭되는데, 이는 또한 커패시터 전압들의 균형적 분산이 있는 경우에서 발생하는 것이고 도 3과 관련하여 설명된다.
블로킹 기간 Tv의 기능은 서브모듈(31)과 관련하여 하기에 더 상세하게 설명된다.
도 5는 커패시터 전압 Ud1가 너무 작은 경우의, 즉 이러한 이유로 제공된 블로킹 기간 Tv 동안 (도 4 참조)의 서브모듈(31)의 작동을 도시한다. 도 5는 이 경우에 포지티브 전류 iL(iL > 0)에 대한 블로킹 기간 Tv 동안 전류 흐름 iL을 시각화하기 위해 두꺼운 선들을 사용한다. 커패시터 C1은 충전되는 중이고 그것의 커패시터 전압 Ud1이 상승하고 있는 것은 분명하다.
도 6은 네거티브 전류 iL(iL < 0)에 대한 블로킹 기간 Tv(도 4 참조) 동안의 서브모듈(31)의 작동을 도시한다. 네거티브 전류 iL의 경우에, 커패시터 C1의 커패시터 전압 Ud1은 전류 iL이 커패시터 C1을 우회하기 때문에 변화없이 지속된다.
비교의 목적을 위해, 도 7은 서브모듈(31)의 제1 스위치 S11의 "보통" 스위치 온-기간 동안 포지티브 전류 iL(iL > 0)에 대한 서브모듈(31)의 작동을 도시한다. 서브모듈(31)의 커패시터 C1이 이러한 시간 구간에서 충전되는 것은 분명하다.
도 8은 비교의 목적을 위해 제1 스위치 S11의 "보통" 스위치 온-기간 동안 네거티브 전류 iL(iL < 0)에 대한 서브모듈(31)의 작동을 도시한다. 서브모듈(31)의 커패시터 C1이 방전되고 있는 것은 분명하다.
그러므로, 요약하면, 서브모듈(31)의 제1 스위치 S11의 "보통" 스위치 온-기간 동안, 커패시터 C1은 모듈 전류 iL의 흐름의 방향에 따라 충전되거나 방전된다. 그러나, 블로킹 기간 Tv에서, 즉 포지티브 전류 iL이 있는 동안, 커패시터 C1을 충전하는 것만이 가능하고, 반면에 커패시터 C1을 방전하는 것은 차단된다. 이러한 블로킹의 결과로서, 서브모듈(31)의 DC 링크 전압, 즉 커패시터 C1의 커패시터 전압 Ud1은 서브모듈(32)의 DC 링크 전압, 즉 커패시터 C2의 커패시터 전압 Ud2에 대하여 블로킹 기간 Tv(도 4 참조) 동안 상승할 것이고, 이는 커패시터 전압들 Ud1과 Ud2의 균등화의 결과가 된다.
도 1에 도시된 다중 레벨 변환기(10)과 도 2에 도시된 다중 모듈(30)은 바람직하게는 하기에 요약된 것처럼 작동된다:
- 개별적 서브모듈들(30과 31)의 부분적 DC 링크 전압들의 균형화는 바람직하게는 각각의 서브모듈들의 스위치들 사이의 가변 블로킹 기간 Tv에 의해 실행된다. 블로킹 기간 Tv 동안, 각각의 현재 차단된 서브모듈의 양쪽 스위치들은 스위치 오프된다.
- 블로킹 기간들 동안, 서브모듈을 통하여 흐르는 전류의 흐름의 방향에 따른 각각의 경우에서, 서브모듈의 커패시터는 (포지티브 전류 iL > 0의 경우에) 충전되거나 또는 DC 링크 전압은 변화없이 지속된다.
- 블로킹 기간들은 바람직하게는 차단될 서브모듈의 제1 스위치의 특별한 스위치 온-기간 전후에 둘 다 제공되고, 서브모듈의 제1 스위치의 스위치 온-기간이 제2 스위치의 스위치 오프-기간에 관하여 시간에 있어서 대칭적으로 놓여 있다는 점에서 대칭적으로 제공된다. 이런 방식으로 스위치 온-기간을 대칭적이게 만드는 것은 출력 전압 펄스들의 중심 축이 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
다중 모듈들의 작동은 다중 모듈이 2개의 서브모듈들을 포함하는 경우에 대해 예로서 도 2 내지 8과 관련하여 설명되었다. 서브모듈들은 다중 모듈이 2보다 많은 서브모듈들을 포함하는 경우 상응하는 방식으로 제어될 수 있다. 그런 경우에 이러한 다중 모듈의 서브모듈들의 DC 링크 전압들의 평균값보다 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈에 대해 블로킹 기간을 제공하는 것이 유리한 것으로 간주되며, 블로킹 기간에서는 관련된 서브모듈의 제1 스위치는 스위치 온-기간이 단축되며, 스위치 온-기간이 중앙 장치에 의해 요구되며, 서브모듈의 스위치들은 둘 다 스위치 오프된다. 네거티브 모듈 전류 iL < 0에 있어서, 제1 스위치의 "보통" 스위치 온-기간 동안 발생한 "방전 DC 링크" 상태는 따라서 "변하지 않은 DC 링크 전압" 상태에 의해 블로킹 기간 동안 대체된다. 그러므로 블로킹 기간들에 의해 기본 주파수의 한 사이클 동안 다른 차단되지 않은 서브모듈들의 DC 링크 전압에 대하여 차단된 서브모듈들의 DC 링크 전압들이 증가하는 것을 달성할 수 있다.
본 발명이 바람직한 예식적 실시예들을 이용하여 더 상세하게 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예들에 제한되지 않고, 다른 변형들이 본 발명의 보호의 범위를 벗어나지 않고 본 분야의 숙련자에 의해 본 명세서로부터 유도될 수 있다.
10: 다중 레벨 변환기
20: 중앙 장치
30: 다중 모듈
31: 서브모듈
31a: 모듈 단자
31b: 모듈 단자
32: 서브모듈
32a: 모듈 단자
32b 모듈 단자
33: 제어 장치
34a: 제어선
34b: 제어선
34c: 제어선
34d: 제어선
C: 커패시터
C1: 커패시터
C2: 커패시터
D: 인덕터
G10: DC 측
G10a: 전압 단자
G10b: 전압 단자
iL: 전류 흐름
R1: 직렬 회로
R11: 직렬 회로 R1의 외부 단자
R12: 직렬 회로 R1의 외부 단자
R2: 직렬 회로
R21: 직렬 회로 R2의 외부 단자
R22: 직렬 회로 R2의 외부 단자
R3: 직렬 회로
R31: 직렬 회로 R3의 외부 단자
R32: 직렬 회로 R3의 외부 단자
S1: 스위치
S11: 스위치
S12: 스위치
S2: 스위치
S21: 스위치
S22: 스위치
t0: 시점
t1: 시점
T: 서브모듈
T1: 제어 신호
T11: 제어 신호
T12: 제어 신호
T2: 제어 신호
T21: 제어 신호
T22: 제어 신호
Ta: 시간 구간
Tv: 블로킹 기간
Ud1: 커패시터 전압
Ud2: 커패시터 전압
W10: AC 단자
Z: 중간 단자
ΔT1: 지연 기간

Claims (13)

  1. 각각이 제1 스위치(S11, S21), 제2 스위치(S12, S22) 및 커패시터(C1, C2)를 포함하고, 방전 단계에서, 상기 커패시터에 의해 전류를 방출하고, 충전 단계에서, 상기 커패시터를 충전하기 위해 전류를 수용하는 복수의 직렬-연결된 서브모듈들(31, 32)을 가지고 있고, 다중 레벨 변환기(10)의 작동을 제어하기 위한 중앙 장치(20)를 가지고 있는 다중 레벨 변환기(10)에 있어서,
    - 서브모듈들(31, 32) 중 2개 이상은 다중 모듈(30)의 형성 하에 직렬로 연결되며, 여기에서 다중 모듈(30)의 상기 충전 단계와 상기 방전 단계에서, 각각의 서브모듈(31, 32)의 스위치들 중 각각 하나가 스위치 오프되고, 각각의 서브모듈(31, 32)의 각각 다른 스위치가 스위치 온되고,
    - 다중 모듈(30)은 중앙 장치(20)에 연결된 제어 장치(33)를 포함하며, 이 제어 장치는 중앙 장치(20)로부터의 제어 신호들(T1, T2)에 기초하여 다중 모듈(30)의 서브모듈들(31, 32)을 제어하고,
    - 여기에서, 제어 장치(33)는 서브모듈들(31, 32)의 상기 커패시터 전압들을 모니터링하고, 상기 커패시터 전압들이 불균형인 경우에, 다중 모듈(30)의 다른 서브모듈들(32)의 상기 커패시터 전압에 비해 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈(31)에 대해 하나 이상의 블로킹 기간(Tv)을 제공함으로써 균형화를 이루도록 설계되며, 이 블로킹 기간에는 제1 스위치와 제2 스위치(S11, S12)가 동시에 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  2. 제1항에 있어서,
    제어 장치(33)는 상기 커패시터 전압들에서의 불균형에 기초하여 각각의 서브모듈에 대해 특정하게 블로킹 기간(Tv)의 시간 길이를 정의하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제어 장치(33)는 각각의 서브모듈(31, 32)에 대해서 상기 커패시터 전압과 다중 모듈(30)의 서브모듈들(31, 32)의 커패시터 전압들의 평균값과의 사이의 차이를 결정하고, 그 차이가 미리 결정된 임계값을 초과하면, 각각의 서브모듈들(30)에 대해 각각 하나 이상의 블로킹 기간(Tv)을 제공하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 장치(33)는 각각의 서브모듈(31, 32)에 대해서 상기 커패시터 전압과 서브모듈들(31, 32)의 커패시터 전압들의 평균값과의 사이의 차이를 결정하고, 상기 커패시터 전압과 상기 평균값 사이의 각각의 차이에 기초하여 각각의 서브모듈에 대해 특정하게 블로킹 기간(Tv)의 시간 길이를 규정하며, 상기 커패시터 전압과 상기 평균값 사이의 각각의 차이가 클수록, 블로킹 기간(Tv)의 각각의 시간 길이가 길어지는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 장치(33)는 서브모듈들(31, 32)의 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 스위칭하기 위한 제어 신호를 중앙 장치(20)로부터 수신할 때의 각 경우에 블로킹 기간(Tv)을 개시하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 서브모듈(31, 32)의 제1 스위치(S11, S21)는 커패시터(C1, C2)와 직렬로 연결되고, 제2 스위치(S12, S22)는 커패시터(C1, C2)와 제1 스위치(S11, S21)를 포함한 상기 직렬 회로와 전기적으로 병렬로 되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 장치(33)는 제2 스위치(S12, S22)가 오프되거나, 중앙 장치(20)로부터의 상기 제어 신호에 기초하여 스위치 오프되어야 할 때의 각 경우에 블로킹 기간(Tv)을 삽입하도록 설계되고, 블로킹 기간(Tv)은 제1 스위치(S11, S21)의 스위치 온-기간을 희생하면서 삽입되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 다이오드가 제1 스위치(S11, S21)와 병렬로 연결되고, 제2 다이오드가 제2 스위치(S12, S22)와 병렬로 되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 다이오드와 제2 다이오드를 포함한 직렬 회로가 상기 커패시터와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제1 다이오드의 애노드 단자는 상기 제2 다이오드의 캐소드 단자에 연결되고,
    - 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자는 상기 커패시터의 커패시터 단자에 연결되고, 상기 제2 다이오드의 애노드 단자는 상기 커패시터의 다른 커패시터 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 변환기(10).
  11. 각각이 제1 스위치(S11, S21), 제2 스위치(S12, S22) 및 커패시터(C1, C2)를 포함하고, 방전 단계에서, 상기 커패시터에 의해 전류를 방출하고, 충전 단계에서, 상기 커패시터를 충전하기 위해 전류를 수용하는 복수의 직렬-연결된 서브모듈들(31, 32)를 가지고 있는 다중 레벨 변환기(10)를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    - 서브모듈들(31, 32) 중 2개 이상은 다중 모듈(30)의 형성 하에 직렬로 연결되며, 여기에서 다중 모듈(30)의 상기 충전 단계와 상기 방전 단계에서, 각각의 서브모듈(31, 32)의 스위치들 중 각각 하나가 스위치 오프되고, 각각의 서브모듈(31, 32)의 각각 다른 스위치가 스위치 온되고,
    - 서브모듈들(30)의 커패시터 전압들이 모니터링되고, 상기 커패시터 전압들이 불균형인 경우에, 다중 모듈(30)의 다른 서브모듈들(32)의 커패시터 전압에 비해 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈(31)에 대해 하나 이상의 블로킹 기간(Tv)을 제공함으로써 균형화가 이루어지며, 상기 블로킹 기간에 제1 스위치(S11)와 제2 스위치(S12)가 동시에 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 스위치(S11)의 스위치 온-기간은 제2 스위치(S12)의 스위치 오프-기간의 시간에서의 위치에 대해 대칭적으로 더 짧게 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    - 각각 2개의 블로킹 기간(Tv)들이 다중 모듈(30)의 다른 서브모듈들(32)의 커패시터 전압에 비해 너무 낮은 커패시터 전압을 가지고 있는 각각의 서브모듈(31)에 대하여 제공되며, 상기 블로킹 기간에는, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치가 동시에 스위치 오프되고,
    - 여기에서 2개의 블로킹 기간(Tv)들은 동일 길이를 가지고 있고 블로킹 기간(Tv)들 중 하나는 제2 스위치(S12)가 스위치 오프된 후 그리고 제1 스위치(S11)가 스위치 온되기 전의 시간 구간에 있고, 다른 블로킹 기간(Tv)은 제1 스위치(S11)가 다시 스위치 오프된 후 그리고 제2 스위치(S12)가 다시 스위치 온되기 전의 시간 구간에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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