KR20160057912A - 4레벨 전력변환장치 - Google Patents

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KR20160057912A
KR20160057912A KR1020140159144A KR20140159144A KR20160057912A KR 20160057912 A KR20160057912 A KR 20160057912A KR 1020140159144 A KR1020140159144 A KR 1020140159144A KR 20140159144 A KR20140159144 A KR 20140159144A KR 20160057912 A KR20160057912 A KR 20160057912A
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김명호
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Abstract

본 발명은 스위칭 소자간의 손실이 균등해지도록 하여 출력 전압 효율을 높이는 4레벨 전력변환장치에 관한 것이다. 이러한 4레벨 전력변환장치는 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제3 커패시터가 서로 직렬로 연결된 직류링크부, 일단이 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이의 제1 노드에 연결된 제1 스위치부, 일단이 제2 커패시터와 제3 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 스위치부, 일단이 제1 입력단에 연결되고 타단이 제1 스위치부의 타단인 제1 접지점에 연결된 제3 스위치부, 일단이 제2 입력단에 연결되고 타단이 제2 스위치부의 타단인 제2 접지점에 연결된 제4 스위치부, 및 제1 접지점과 제2 접지점 사이에 연결된 공통스위치부를 포함한다.

Description

4레벨 전력변환장치 {Four level power converter}
본 발명은 4레벨 전력변환장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적의 회로구성을 통해 전력반도체간의 손실이 균등해지도록 하여 전압을 출력하는 4레벨 전력변환장치에 관한 것이다.
중요 부하를 안정적으로 구동하기 위한 전원 장치로 2-레벨 컨버터 및 3-레벨의 컨버터 등이 멀티레벌 컨버터가 사용되고 있다. 이 중에서도, NPC(Neutral Point Clamped) 구조의 3-레벨 컨버터는 가장 흔하게 사용되는 전력변환장치의 구조방식이다. 이러한 3-레벨 컨버터는 직렬 연결된 커패시터의 직류단의 중성점에 연결된 다이오드를 이용해 전력 반도체에 인가되는 전압을 제한하여, 순시 전압 변동(dv/dt)의 크기를 줄이는 특징이 있다.
그러나, 3-레벨 컨버터는 운전 조건에 따라 스위칭 손실이 발생 되는 위치가 달라져 각각의 전력 반도체 간에 발생하는 손실 간에 차이가 생기게 되면서, 신뢰도의 향상을 위해 큰 디레이팅(Derating)을 필요로 하는 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 멀티레벨 전력변환장치에 대해 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다. 그러나, 이러한 멀티레벨 인버터는 레벨 수의 증가에 비례하여 전력반도체 소자 수가 증가되면서, 회로가 복잡할 뿐만 아니라, 각각의 소자에서 발생하는 손실을 균일하게 유지하기 어려운 문제가 있다.
일본 공개특허공보 특개 2013-55830 (2013.03.21)
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전력반도체의 손실이 균등해지도록 하는 최적의 회로구성을 갖는 4레벨 전력변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 4레벨 전력변환장치는 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제3 커패시터가 서로 직렬로 연결된 직류링크부, 일단이 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 제1 노드에 연결된 제1 스위치부, 일단이 상기 제2 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 스위치부, 일단이 상기 제1 입력단에 연결되고 타단이 상기 제1 스위치부의 타단인 제1 접지점에 연결된 제3 스위치부, 일단이 상기 제2 입력단에 연결되고 타단이 상기 제2 스위치부의 타단인 제2 접지점에 연결된 제4 스위치부, 및 상기 제1 접지점과 상기 제2 접지점 사이에 연결된 공통스위치부를 포함한다.
상기 제1 스위치부, 상기 제2 스위치부, 상기 제3 스위치부, 상기 제4 스위치부 및 상기 공통스위치부는 한 쌍의 반도체 스위치와, 상기 한 쌍의 반도체 스위치에 각각 역병렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치부와 상기 제2 스위치부는 상기 한 쌍의 반도체 스위치가 서로 역방향 또는 순방향으로 연결될 수 있다.
상기 제3 스위치부와 상기 제4 스위치부와 상기 공통 스위치부는 상기 한 쌍의 반도체 스위치가 서로 순방향으로 연결될 수 있다.
외부출력단이 상기 공통스위치부의 상기 한 쌍의 반도체 스위치 사이에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 4레벨 전력변환장치는 동일한 전기적 특성의 반도체 스위치를 최소한으로 사용하고, 각각의 반도체 스위치에 인가되는 내전압을 균등하게 되어 동일한 특성의 반도체 스위치로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 4레벨 전력변환장치의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 2 내지 도 5는 반도체 스위치의 작동(on)/비작동(off)상태에 따른 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 반도체 스위치의 온/오프의 동작에 따른 4레벨의 출력전압을 나타낸 반도체 스위치의 작동(on)/ 비작동(off)표이다.
도 7은 4레벨 전력변환장치에서 각각의 레벨에 따라 출력된 전압을 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 반도체 스위치의 온/오프에 따라 각각의 반도체 스위치의 신호를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 수 있다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 4레벨 전력변환장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 4레벨 전력변환장치의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 4레벨 전력변환장치(1)는 출력되는 모든 전압의 전류가 공통적으로 통과하는 공통스위치부(50)를 외부 출력단(Ou)과 연결 되도록 배치하여, 출력되는 전류의 전류 패스(current path)를 형성하는 반도체 스위치(T1 내지 T10)에 균등한 전압 및 반도체 스위치(T1내지 T10)의 내압 이하의 전압이 인가될 수 있도록 한다. 따라서, 4레벨 전력변환장치(1)는 모두 동일한 내압을 가지는 반도체 스위치(T1 내지 T10)로 구성될 수 있다.
이러한 4레벨 전력변환장치(1)는 제1 입력단(N)과 제2 입력단(P) 사이에 제1 커패시터(11), 제2 커패시터(12), 제3 커패시터가(13) 서로 직렬 연결된 직류링크부(10), 일단이 제1 커패시터(11)와 제2 커패시터(12) 사이의 제1 노드(21)에 연결된 제1 스위치부(31), 일단이 제2 커패시터(12)와 제3 커패시터(13) 사이의 제2 노드(22)에 연결된 제2 스위치부(32), 일단이 제1 입력단(N)에 연결되고 타단이 제1 스위치부(31)의 타단인 제1 접지점(41)에 연결된 제3 스위치부(33), 일단이 제2 입력단(P)에 연결되고 타단이 제2 스위치부(32)의 타단인 제2 접지점(42)에 연결된 제4 스위치부(34), 및 제1 접지점(41)과 제2 접지점(42) 사이에 연결된 공통스위치부(50)를 포함한다.
공통스위치부(50)는 제1 스위치부(31) 내지 제4 스위치부(34) 및 외부출력단(Ou)과 연결되어 직류링크부(10)에서 공급되는 전기에너지가 출력되도록 한다. 다시 말해, 공통스위치부(50)는 제1 스위치부(31) 내지 제4 스위치부(34)를 통과하여 흐르는 전류가 외부출력단(Ou)으로 출력될 때, 반드시 통과하는 전류 패스(current path)를 형성한다. 아울러, 공통스위치부(50)는 반도체 스위치(T1 내지 T10) 가운데 비작동(off) 상태의 반도체 스위치 즉, 전류 패스를 형성하지 않는 반도체 스위치에 직류링크부(10)에서 인가되는 전압이 균등하게 분배되도록 한다. 외부출력단(Ou)은 공통스위치부(50)의 한 쌍의 반도체 스위치(T9 및 T10) 사이에 연결될 수 있다.
이하, 4레벨 전력변환장치(1)의 각 구성요소에 관하여 좀 더 상세히 설명한다.
직류링크부(10)는 극성(polarized)을 가지는 동일한 전기적 특성을 가지는 제1 커패시터(11), 제2 커패시터(12), 제3 커패시터가(13)가 제1 입력단(N)과 제2 입력단(P) 사이에 서로 직렬로 연결된 구조이다. 이에, 각각의 커패시터(11 내지 13)는 동일한 양의 전하를 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 동일한 양의 전하를 방출할 수 있다.
일 례로. 제1 입력단(N)과 제2 입력단(P) 사이의 전위차가 1Vdc이면, 제1 커패시터(11) 내지 제3 커패시터(13)는 각각 동일한 크기의 1/3Vdc의 전위로 충전된다. 이러한 제1 커패시터(11) 내지 제3 커패시터 (13)사이에는 제1 노드(21) 및 제2 노드(22)가 형성되며, 제1 노드(21)는 제1 커패시터(11)의 일단과 제2 커패시터(12)의 타단이 연결되는 접점이 되고, 제2 노드(22)는 제2 커패시터(12)의 일단과 제3 커패시터(13)의 타단이 연결되는 접점이 된다.
제1 노드(21)는 제1 스위치부(31)와 연결되어, 제1 커패시터(11)에 충전되어 있는 전위의 전하가 제1 스위치부(31)로 유입될 수 있도록 하고, 제2 노드(22)는 제2 스위치부(32)와 연결되어, 제1 커패시터(11) 및 제2 커패시터(12)에 충전된 전하가 제2 스위치부(32)로 유입될 수 있도록 한다.
제1 스위치부(31), 제2 스위치부(32), 제3 스위치부(33), 제4 스위치부(34) 및 공통스위치부(50)는 입력된 신호 즉, 전압 또는 전류에 의해 신호의 흐름을 제어하는 소자이다. 이러한 제1 스위치부(31), 제2 스위치부(32), 제3 스위치부(33), 제4 스위치부(34) 및 공통스위치부(50)는 동일한 전기적 특성을 포함하는 반도체 스위치(T1 내지 T10), 반도체 스위치(T1 내지 T10)에 역병렬로 연결된 다이오드(D1 내지 D10), 및 다이오드(D1 내지 D10)에 병렬로 연결되는 커패시터 또는 저항을 포함할 수 있다. 여기서, 다이오드(D1 내지 D10)는 직류링크부(10)로부터 부하로 전류가 흐를 수 있도록 하는 경로 및 부하로부터 발생하는 역기전력에 의해 형성된 전류를 다시 직류링크부(10)로 흐를 수 있도록 하는 경로 역할을 할 수 있다.
구체적으로, 제1 스위치부(31)는 일단이 제1 커패시터(11)와 제2 커패시터(12) 사이의 제1 노드(21)에 연결되고, 제2 스위치부(32)는 일단이 제2 커패시터(12)와 제3 커패시터(13) 사이의 제2 노드(22)에 연결된다. 또한, 제3 스위치부(33)는 일단이 제1 입력단(N)에 연결되고 타단이 제1 스위치부(31)의 타단인 제1 접지점(41)에 연결되며, 제 4스위치부(34)는 일단이 제2 입력단(P)에 연결되고 타단이 제2 스위치부(32)의 타단인 제2 접지점(42)에 연결된다.
제1 스위치부(31), 제2 스위치부(32), 제3 스위치부(33), 제4 스위치부(34) 및 공통스위치부(50)는 한 쌍의 반도체 스위치와, 상기 한 쌍의 반도체 스위치에 각각 역병렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다. 반도체 스위치(T1 내지 T10)는 회로 상에서 전류 패스(current path)를 형성하는 다양한 전력반도체 즉, IGBT, IEGT, MOSFET, ICGT, GCT, SGCT 및 GTO 가운데 어느 하나가 될 수 있다.
다만, 본 명세서에서는 구동이 간편하고, 고전압 및 대전류에서 효율이 높은 IGBT를 반도체 스위치(T1 내지 T10)의 일 례로 하여 설명한다. IGBT는 게이트, 이미터 및 컬렉터 단자를 가지고 있으며, 게이트 단자에는 제어기가 설치되어, IGBT가 작동(on) 또는 비작동(off)으로 제어될 수 있다.
제1 스위치부(31) 및 제2 스위치부(32)는 동일한 전기적 특성을 가지는 한 쌍의 반도체 스위치(T1 내지 T4)가 순방향으로 연결되는 구조 또는 역?향으로 연결되는 구조가 될 수 있다. 즉, 제1 반도체 스위치(T1) 및 제3 반도체 스위치(T3)의 컬렉터 단자가 각각 제2 반도체 스위치(T2) 및 제4 반도체 스위치(T4)의 컬렉터 단자에 연결되는 구조, 또는 제1 반도체 스위치(T1) 및 제3 반도체 스위치(T3)의 이미터 단자가 제2 반도체 스위치(T2) 및 제4 반도체 스위치(T4)의 이미터 단자에 연결되는 구조가 될 수 있다. 이러한 반도체 스위치(T1 내지 T4)에는 다이오드(D1 내지 D4)가 역병렬 연결 즉, 반도체 스위치(T1 내지 T4)의 이미터 및 컬렉터 단자에 다이오드(D1 내지 D4)의 애노드 및 캐소드가 각각 연결될 수 있다.
이에, 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제4 반도체 스위치(T4)는 제어기를 통해 작동(on) 또는 비작동(off)으로 제어되면서 전류가 직류링크부(10)로부터 외부출력단(Ou) 방향으로 흐르는 것을 제어 할 뿐만 아니라, 외부출력단(Ou)으로부터 직류링크부(10) 방향으로 흐르는 것을 제어할 수 있다.
한편, 제3 스위치부(33), 제4 스위치부(34) 및 공통스위치부(50)는 동일한 전기적 특성을 가지는 한 쌍의 반도체 스위치(T5 내지 T10)가 서로 순방향으로 연결된 구조이다. 즉, 제5 반도체 스위치(T5), 제7 반도체 스위치(T7) 및 제9 반도체 스위치(T9)의 이미터 단자가 제6 반도체 스위치(T6), 제8 반도체 스위치(T8) 및 제10 반도체 스위치(T10)의 컬렉터 단자에 연결되는 구조이다.
이러한 반도체 스위치(T5 내지 T10)에는 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제4 반도체 스위치(T4)와 동일하게 다이오드(D5 내지 D10)가 역병렬로 연결된다. 이에, 제5 반도체 스위치(T5) 내지 제10 반도체 스위치(T10)는 전류가 직류링크부(10)로부터 외부출력단(Ou) 방향으로 흐르는 것을 제어할 수고, 외부출력단(Ou)으로 부터 발생되는 전류를 다시 직류링크부(10)로 용이하게 되돌릴 수 있다.
특히, 공통스위치부(50)는 제1 스위치부(31) 내지 제4 스위치부(34) 및 외부출력단(Ou)과 연결된다. 이에, 직류링크부(10)의 다양한 크기의 전압에 의해 형성되는 전류는 제1 스위치부(31) 내지 제4 스위치부(34) 가운데 어느 하나의 스위치부 및 공통스위치부(50)를 통과하여 외부로 출력된다. 즉, 공통스위치부(50)는 다양한 레벨의 전압에 의해 형성되는 전류가 외부로 출력될 때, 공통적으로 통과하는 전류 패스(current path)가 된다.
외부출력단(Ou)에는 부하 즉, 역기전력을 발생시키는 전력 계통이 설치될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 반도체 스위치의 온/오프에 따라 출력되는 4가지의 전압에 대해 설명한다.
도 2 내지 도 5에서 나타내는 직류링크부(10)에 형성되는 전위의 크기 Vdc 및 제1 커패시터(11), 제2 커패시터(12), 제3 커패시터(13)에 형성되는 전위의 크기 1/3Vdc는 설명의 편의상 나타내는 크기 일 뿐, 반드시 이로써, 제1 커패시터(11) 내지 제3 커패시터(13)에 저장되는 전위의 크기가 한정되는 것은 아니며, 다양한 크기의 전위가 각각의 커패시터(11 내지 13)에 저장될 수 있다.
도 2 및 도 3은 반도체 스위치의 작동(on)/비작동(off)상태에 따라 4레벨 전력변환장치(1)에서 출력되는 4가지 전압 가운데, Level 1 과 Level 2가 되는 0Vdc. 1/3Vdc 전압이 출력되는 반도체 스위치의 동작모드를 나타내고 있다. 그리고, 도 4 및 도 5는 4레벨 전력변환장치(1)에서 출력되는 4가지 전압 가운데, Level 3 과 Level 4가 되는 2/3Vdc. 1Vdc 전압이 출력되는 반도체 스위치의 동작모드를 나타내고 있다. 아울러, 도 6은 도2 내지 도 5의 반도체 스위치의 작동(on) 및 비작동(off)을 나타낸 반도체 스위치의 작동(on) 및 비작동(off)표이다.
먼저, 도 2는 Level 1이 되는 0Vdc 전압이 출력되는 반도체 스위치의 동작모드를 나타내고 있다.
외부출력단(Ou)에서 0Vdc 전압을 출력하기 위해서는 반도체 스위치(T1 내지 T10) 가운데 제5 반도체 스위치(T5), 제6 반도체 스위치(T6) 및 제10 반도체 스위치(T10)는 작동(on) 상태가 되고, 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제4 반도체 스위치(T4) 및 제 7 반도체 스위치(T7) 내지 제 9 반도체 스위치(T9)는 비작동(off) 상태가 될 수 있다.
이에, 작동 상태가 되는 제5 반도체 스위치(T5), 제6 반도체 스위치(T6), 및 제10 반도체 스위치(T10)는 직류링크부(10)로부터 인가되는 0Vdc에 대응되는 전류(점선 참조)를 외부출력단(Ou)으로 용이하게 출력한다. 아울러, 역기전력에 의해 외부출력단(Ou)으로부터 유입되는 전류(이점쇄선 참조)는 일 례로, 제5 다이오드(D5), 제6 다이오드(D6), 및 제10 다이오드(D10)를 통과하여, 직류링크부(10)로 환류 될 수 있다.
이 때, 비작동(off) 상태가 되는 반도체 스위치들에 인가될 수 있는 최대 전압의 크기는 다음과 같이 볼 수 있다.
제1 커패시터(11) 내지 제3 커패시터(13)에 충전된 전위 즉, 1Vdc는 비작동(off) 상태가 되는 제7 반도체 스위치(T7) 내지 제9 반도체 스위치(T9)에 균등하게 1/3Vdc씩 인가될 수 있고, 제1 커패시터(11) 및 제2 커패시터(12)에 충전된 전위 즉, 2/3Vdc는 제3 반도체 스위치(T3) 및 제9 반도체 스위치(T9)에 균등하게 1/3Vdc씩 인가될 수 있으며, 제1 커패시터(11)에 충전된 전위 즉, 1/3Vdc는 제1 반도체 스위치(T1)에 인가될 수 있다. 여기서, 제1 반도체 스위치(T1), 제3 반도체 스위치(T3) 및 제7 반도체 스위치(T7) 내지 제9 반도체 스위치(T9)는 1/3Vdc의 내압을 버틸 수 있는 소자가 사용될 수 있다. 이에, 4레벨 전력변환장치(1)는 모두 동일한 크기의 내압을 견디는 반도체 스위치(T1 내지 T10)로 구성될 수 있다.
도 3은 Level 2가 되는 1/3Vdc 전압이 출력되는 반도체 스위치의 동작모드를 나타내고 있다.
외부출력단(Ou)에서 1/3Vdc 전압을 출력하기 위해서는 반도체 스위치(T1 내지 T10) 가운데 제1 반도체 스위치(T1), 제2 반도체 스위치(T2) 및 제10 반도체 스위치(T10)는 작동(on) 상태가 되고, 제3 반도체 스위치(T3) 내지 제9 반도체 스위치(T9)는 비작동(off)상태가 될 수 있다.
이에, 작동 상태가 되는 제1 반도체 스위치(T1), 제2 다이오드(D2) 및 제10 다이오드(D10)는 직류링크부(10)로부터 인가되는 1/3Vdc에 대응되는 전류(점선 참조)를 외부출력단(Ou)으로 용이하게 출력한다. 아울러, 역기전력에 의해 외부출력단(Ou)으로부터 유입되는 전류(이점쇄선 참조)는 일 례로, 제10 반도체 스위치(T10), 제2 반도체 스위치(T2) 및 제1 다이오드(D1)를 통과하여, 직류링크부(10)로 환류 될 수 있다.
이 때, 비작동(off) 상태가 되는 반도체 스위치들에 인가될 수 있는 최대 전압의 크기는 다음과 같이 볼 수 있다.
제2 커패시터(12) 및 제3 커패시터(13)에 충전된 전위 즉, 2/3Vdc는 비작동 상태가 되는 제7 반도체 스위치(T7) 내지 제9 반도체 스위치(T9)에 균등하게 2/9Vdc씩 인가될 수 있고, 제2 커패시터(12)에 충전된 전위 즉, 1/3Vdc는 제3 반도체 스위치(T3) 및 제9 반도체 스위치(T9)에 1/6Vdc씩 인가될 수 있다. 제1 커패시터(11)에 충전된 전위 즉, 1/3Vdc는 제5 반도체 스위치(T5) 및 제6 반도체 스위치(T6)에 균등하게 1/6Vdc씩 인가될 수 있다. 여기서, 제3 반도체 스위치(T3), 제5 반도체 스위치(T5) 내지 제9 반도체 스위치(T9)는 1/3Vdc의 내압을 버틸 수 있는 소자가 사용될 수 있다. 이에, 4레벨 전력변환장치(1)는 모두 동일한 크기의 내압을 견디는 반도체 스위치(T1 내지 T10)로 구성될 수 있다.
도 4는 Level 3이 되는 2/3Vdc 전압이 출력되는 반도체 스위치의 동작모드를 나타내고 있다.
외부출력단(Ou)에서 2/3Vdc 전압이 출력되기 위해서는 반도체 스위치(T1 내지 T10) 가운데 제3 반도체 스위치(T3), 제4 반도체 스위치(T4), 제9 반도체 스위치(T9) 는 작동(on) 상태가 된다. 반면, 제1 반도체 스위치(T1), 제2 반도체 스위치(T2), 제5 반도체 스위치(T5), 제6 반도체 스위치(T6), 제7 반도체 스위치(T7) 및 제8 반도체 스위치(T8) 및 제10 반도체 스위치(T10)는 비작동(off)상태가 될 수 있다.
이에, 제3 반도체 스위치(T3), 제4 다이오드(D4) 및 제9 반도체 스위치 (T9)는 직류링크부(10)로부터 인가되는 2/3Vdc에 대응되는 전류(점선 참조)를 외부출력단(Ou)으로 용이하게 출력할 수 있도록 한다. 아울러, 역기전력에 의해 외부출력단(Ou)으로부터 유입되는 전류(이점쇄선 참조)는 일 례로, 제9 다이오드(D9), 제4 반도체 스위치(T4) 및 제3 다이오드(D3)을 통과하여, 직류링크부(10)로 환류 될 수 있다.
이 때, 비작동(off) 상태가 되는 반도체 스위치들에 인가될 수 있는 최대 전압의 크기는 다음과 같이 볼 수 있다.
제1 커패시터(11) 및 제2 커패시터(12)에 충전된 전위 즉, 2/3Vdc는 비작동 상태가 되는 제5 반도체 스위치(T6), 제6 반도체 스위치(T6) 및 제10 반도체 스위치(T10)에 균등하게 2/9Vdc씩 인가될 수 있고, 제2 커패시터(12)에 충전된 전위 즉, 1/3Vdc는 제2 반도체 스위치(T2) 및 제10 반도체 스위치(T10)에 1/6Vdc씩 인가될 수 있다. 제3 커패시터(13)에 충전된 전위 즉, 1/3Vdc는 제7 반도체 스위치(T7) 및 제8 반도체 스위치(T8)에 균등하게 1/6Vdc씩 인가될 수 있다. 여기서, 제1 반도체 스위치(T1), 제2 반도체 스위치(T2), 제5 반도체 스위치(T5) 내지 제8 반도체 스위치(T8) 및 제10 반도체 스위치(T10)는 1/3Vdc의 내압을 버틸 수 있는 소자가 사용될 수 있다. 이에, 4레벨 전력변환장치(1)는 모두 동일한 크기의 내압을 견디는 반도체 스위치(T1 내지 T10)로 구성될 수 있다.
도 5는 Level 4가 되는 1Vdc 전압이 출력되는 반도체 스위치의 동작모드를 나타내고 있다.
외부출력단(Ou)에서 1Vdc 전압이 출력되기 위해서는 반도체 스위치(T1 내지 T10) 가운데 제7 반도체 스위치(T7), 제8 반도체 스위치(T8) 및 제9 반도체 스위치(T9)는 작동(on)상태가 되고 된다. 반면, 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제6 반도체 스위치(T6) 및 제10 반도체 스위치(T10)는 비작동(off) 상태가 될 수 있다.
이에, 제7 반도체 스위치(T7) 내지 제9 반도체 스위치(T9)는 직류링크부(10)로부터 인가되는 1Vdc에 대응되는 전류(점선 참조)를 외부출력단(Ou)으로 용이하게 출력할 수 있도록 한다. 아울러, 역기전력에 의해 외부출력단(Ou)으로부터 유입되는 전류(이점쇄선 참조)는 일 례로, 제7 다이오드(D7) 내지 제9 다이오드 (D9)를 통과하여, 직류링크부(10)로 환류 될 수 있다.
이 때, 비작동(off) 상태가 되는 반도체 스위치들에 인가될 수 있는 최대 전압의 크기는 다음과 같이 볼 수 있다.
제1 커패시터(11) 내지 제3 커패시터(13)에 충전된 전위 즉, 1Vdc는 비작동(off) 상태가 되는 제5 반도체 스위치(T5), 제6 반도체 스위치(T6) 및 제1 반도체 스위치(T10)에 균등하게 1/3Vdc씩 인가될 수 있고, 제2 커패시터(12) 및 제3 커패시터(13)에 충전된 전위 즉, 2/3Vdc는 제2 반도체 스위치(T2), 제10 반도체 스위치(T10)에 균등하게 1/3Vdc씩 인가될 수 있으며, 제3 커패시터(13)에 충전된 전위 즉, 1/3Vdc는 제4 반도체 스위치(T1)에 인가될 수 있다. 여기서, 제2 반도체 스위치(T1), 제4 반도체 스위치(T3) 내지 제6 반도체 스위치(T6) 및 제10 반도체 스위치(T10)는 1/3Vdc의 내압을 버틸 수 있는 소자가 사용될 수 있다. 이에, 4레벨 전력변환장치(1)는 모두 동일한 크기의 내압을 견디는 반도체 스위치(T1 내지 T10)로 구성될 수 있다.
이와 같은 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제10 반도체 스위치(T10)의 작동(on) 및 비작동(off) 상태로 교번되면서, 출력되는 0~1Vdc의 출력 전압은 전술한 반도체 스위치(T1 내지 T10)의 작동(on)/비작동(off)동작모드로 한정되는 것은 아니며, 다양한 조합의 작동(on)/비작동(off)의 동작모드로 출력될 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 반도체 스위치의 온/오프에 따라 출력되는 전압에 대해 설명한다.
도 7을 4레벨 전력변환장치에서 각각의 레벨에 따라 출력된 전압을 나타낸 도면이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 반도체 스위치의 온/오프에 따라 각각의 반도체 스위치의 신호를 나타낸 도면이다.
출력된 전압은 반도체 스위치(T1 내지 T10)가 작동(on) 상태 또는 비작동(off)상태로 교번 되면서 Level 1 내지 Level 4의 4가지 전압 즉, 0, 1/3Vdc, 2/3Vdc 및 1Vdc이 된다.
Level 1은 복수 개의 다이오드(D5, D6 및 D10) 및 복수 개의 반도체 스위치(T5, T6 및 T10)가 작동(on)상태(도8 및 도9 참조)가 되면서 형성된 전류패스로부터 출력된 0Vdc를 나타낸다. 이 때, 전류패스는 제5 다이오드(D5), 제6 다이오드(D6) 및 제10 다이오드(10)에 의한 전류 경로 및 제5 반도체 스위치(T5), 제6 반도체 스위치(T6) 및 제10 반도체 스위치(T10)에 의한 전류 경로가 될 수 있다.
Level 2는 제1 반도체 스위치(T1), 제2 반도체 스위치(T2) 및 제10 반도체 스위치(T10)가 작동(on) 상태가 되면서 형성된 전류패스로부터 출력된 1/3Vdc를 나타낸다.
이 때, 전류패스는 제1 반도체 스위치(T1), 제2 다이오드(D2) 및 제10 다이오드(D10)에 의한 전류경로 및 제10 반도체 스위치(T10), 제2 반도체 스위치(T2) 및 제1 다이오드(D1)에 의한 전류경로가 될 수 있다.
Level 3은 제3 반도체 스위치(T3), 제4 반도체 스위치(T4) 및 제9 반도체 스위치(T9)가 작동(on) 상태가 되면서, 형성된 전류패스로부터 출력된 2/3Vdc를 나타낸다. 이때, 전류패스는 제3 반도체 스위치(T3), 제4 다이오드(D4) 및 제9 반도체 스위치(T9)에 의한 전류경로 및 제9 다이오드(D9), 제4 반도체 스위치(T4) 및 제3 다이오드(D3)에 의한 전류경로가 될 수 있다.
Level 4는 제7 반도체 스위치(T7), 제8 반도체 스위치(T8) 및 제9 반도체 스위치(T9)가 작동(on) 상태가 되면서, 형성된 전류패스로부터 출력된 1Vdc를 나타낸다. 이때, 전류패스는 제7 반도체 스위치(T7), 제8 반도체 스위치(T8)및 제9 반도체 스위치(T9)에 의한 전류경로 및 제7 다이오드(D7), 제8 다이오드(D8) 및 제9 다이오드(D9)에 의한 전류경로가 될 수 있다.
이와 같은 Level 1 내지 Level 4의 전압은 반도체 스위치(T1 내지 T10)의 게이트 단자에 연결된 제어기에 의해 작동(on)/비작동(off)으로 교번되면서, 출력될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서도 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 4레벨 전력변환장치 10: 직류링크부
11: 제1 커패시터 12: 제2 커패시터
13: 제3 커패시터 21: 제1 노드
22: 제2 노드 31: 제1 스위치부
32: 제2 스위치부 33: 제3 스위치부
34: 제4 스위치부 41: 제1 접지점
42: 제2 접지점 50: 공통스위치부
T1~T10: 반도체 스위치 D1~D10: 다이오드
N: 제1 입력단 P: 제2 입력단
Ou: 외부출력단

Claims (5)

  1. 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제3 커패시터가 서로 직렬로 연결된 직류링크부;
    일단이 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 제1 노드에 연결된 제1 스위치부;
    일단이 상기 제2 커패시터와 상기 제3 커패시터 사이의 제2 노드에 연결된 제2 스위치부;
    일단이 상기 제1 입력단에 연결되고 타단이 상기 제1 스위치부의 타단인 제1 접지점에 연결된 제3 스위치부;
    일단이 상기 제2 입력단에 연결되고 타단이 상기 제2 스위치부의 타단인 제2 접지점에 연결된 제4 스위치부; 및
    상기 제1 접지점과 상기 제2 접지점 사이에 연결된 공통스위치부를 포함하는 4레벨 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 스위치부, 상기 제2 스위치부, 상기 제3 스위치부, 상기 제4 스위치부 및 상기 공통스위치부는 한 쌍의 반도체 스위치와, 상기 한 쌍의 반도체 스위치에 각각 역병렬로 연결된 다이오드를 포함하는 4레벨 전력변환장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 스위치부는 상기 한 쌍의 반도체 스위치가 서로 역방향 또는 순방향으로 연결된 4레벨 전력변환장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제3 스위치부와 상기 제4 스위치부와 상기 공통 스위치부는 상기 한 쌍의 반도체 스위치가 서로 순방향으로 연결된 4레벨 전력변환장치.
  5. 제2항에 있어서, 외부출력단이 상기 공통스위치부의 상기 한 쌍의 반도체 스위치 사이에 연결된 4레벨 전력변환장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018094256A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 University Of Hawaii Apparatus and method for harvesting ambient energy by circuit reconfiguration
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