KR20160106435A

KR20160106435A - Zvs/zcs 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기

Info

Publication number: KR20160106435A
Application number: KR1020150029350A
Authority: KR
Inventors: 정윤이
Original assignee: 주식회사 루비
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-09-12

Abstract

본 발명은 ZVS (Zero Voltage Switching) / ZCS (Zero Current Switching) 제어 기법을 사용한 양방향 AC/DC 전력 변환기(PCS, Power Conversion System)를 구성하는 방법을 개시한다. 본 발명은 도 1과 같이 SPM Module 을 구성하여 이를 사용하여 전력 변환기를 구성하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

Description

ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기{ZVS/ZCS controlled modular type grid tied bidirectional PCS}

본 발명은 ZVS (Zero Voltage Switching) / ZCS (Zero Current Switching) 제어 기법을 사용한 양방향 AC/DC 전력 변환기 (PCS, Power Conversion System) 를 구성 하는 방법에 관한 것이다.

여기서 PCS 라 함은 전력 변환기를 총 칭 하는 것으로 여기에는 AC/DC 정류기 (또는 AC/DC 컨버터라고도 한다), DC/DC 컨버터 (또는 '초퍼'라고도 한다), AC/AC 컨버터 (또는 '시이클로 컨버터' 라고도 한다), DC/AC 인버터 (또는 DC/AC 컨버터라고도 한다) 등을 포함한다.

기존의 PCS 시스템은 Hard Switching 기법을 사용하여 전력 변환 시 손실이 크고 과도한 열과 EMI 발생의 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 전력 변환 시 손실을 줄이고 과도한 열과 EMI 발생의 문제를 해결한 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도 1과 같이 SPM Module 을 구성 하여 이를 사용하여 전력 변환기를 구성 하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

또한, 본 발명은 도 2와 같이 SPM Module 을 구성하고 이를 사용하여 전력 변환기를 구성하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

또한, 본 발명은 도 3에 보인 것과 같이 도 1의 SPM Module 을 사용하여 PCS (전력 변환 기)를 구성하고 PCS 의 main board 가 여러 개의 SPM Module 들과 통신을 하여 SPM Module 들의 IGBT 를 구동하여 전력 변환 기능을 수행하는데 있어 PCS main board 와 SPM Module 간의 통신의 동기를 맞추기 위해 PCS main board 가 NMI 신호를 생성하여 각 각의 SPM Module 에 보내주는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

또한, 본 발명은 도 4에 보인 것과 같이 SPM Module A형을 사용하여 DC/AC 컨버터 모듈을 구성하여 ZVS/ZCS 방식으로 전력 변환을 하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

또한, 본 발명은 도 5에 보인 것과 같이, SPM Module A형을 사용하여 DC/AC 인버터를 구성하고, SPM Module B형을 사용하여 DC/DC 컨버터를 구성하고, SPM Module B 형을 사용하여 AC/DC 정류기를 구성하여, 전체 시스템을 계통 연계형 단상 양방향 AC/DC PCS 를 구성한 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

또한, 본 발명은 도 6에 보인 것과 같이, SPM Module A형을 사용한 도 4의 DC/AC 인버터 3 개를 병렬로 연결하고, SPM Module B형을 사용하여 DC/DC 컨버터를 구성하고, SPM Module B 형을 사용하여 AC/DC 정류기를 구성하여, 전체 시스템을 계통 연계형 3상 양방향 AC/DC PCS 를 구성한 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기를 제공한다.

여기서 도 4의 DC/AC 인버터는 필요한 PCS 의 출력에 따라 그 수를 가감 할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시예는 도 7에 비교한 것과 같이 기존의 양방향 AC/DC PCS 는 AD/DC 변환기가 한 개로 구성되어 있어 AD/DC 변환을 DC/AC 변환으로 전환하는데 시간이 걸리는 것에 비해 본 발명의 방법에서는 계통 연계 형 DC/AC 인버터를 사용하고 여기에 별도의 계통 연계 형 AC/DC 변환기가 있어 AC/DC 및 DC/AC 의 전력 변환을 동시에 수행 할 수 있어 on-line UPS 기능을 동시에 수행 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 SPM Module A 형의 구성도 이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 SPM Module B 형의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 SPM Module A형으로 구성한 PCS 의 시스템 구성도의 예시를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 SPM Module A형으로 구성한 단상 DC/AC 인버터 모듈 구성의 예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예로 SPM Module A형으로 구성한 DC/AC 인버터 모듈과 SPM Module B 형으로 구성한 단상 양방향 AC/DC PCS 구성의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로 SPM Module A형으로 구성한 DC/AC 인버터 모듈과 SPM Module B 형으로 구성한 삼상 양방향 AC/DC PCS 구성의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 양방향 AC/DC PCS (왼편) 와 기존 방식의 양방향 AC/DC PCS (오른편)의 비교도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 Soft Switching 기법인 ZVS / ZCS 기법을 사용한다. 이 기법을 효과적으로 해결하기 위해 도 1, 2에 예시한 것과 같이 IGBT 소자에 DSP, ADC, PWM, CPU, GPIO, 절연 형 전원 공급장치 및 통신 모듈 등을 결합하여 SPM Module 을 구성하여 IGBT 구동 신호 및 피드백 신호를 SPM Module 에서 처리하였다.

도 1은 본 발명의 SPM Module A형의 구성도를 보여준다. SPM Module A 형에는 IGBT 와 IGBT 구동 회로, PWM 생성 기, ADC, DSP, GPIO, CPU, 통신 모듈 등이 내장되어 있다. 여기서 통신 모듈은 통신 매체를 동선을 사용한 모듈일 수도 있고, 광 케이블을 사용한 광 통신 모듈일 수도 있고, 무선을 사용한 무선 통신 모듈일 수도 있다. Power supplies (전원 공급 장치) 는 SPM Module이 필요한 전원을 외부에서 공급해 주는 단자이다. Communication with PCS main board 단자는 SPM Module 과 PCS 의 main board 와의 통신을 위한 커넥터이다. GPIO (General purpose input output) 단자는 환풍기 제어 또는 휴즈 상태 감지 등을 위해 사용 할 수 있다. Voltage Sensors 단자에는 전압 감지회로 들을 연결하여 SPM Module 에서 전압을 감지하여 전압 값을 계산 할 수 있게 해 준다. Current sensors 단자에는 전류 감지회로 들을 연결하여 SPM Module 에서 전류를 감지하여 전류 값을 계산 할 수 있게 해 준다. 따라서 SPM Module 은 자체적으로 PCS 피드백 전압 전류 값을 계산하여 이 신호들을 PCS main board 에 보내주기도 하고 ZVS/ZCS 제어를 수행하는데 사용한다.

도 2는 SPM Module B형의 구성도를 보여 준다. SPM Module A 형과 SPM Module B 형은 내장하고 있는 IGBT 의 수가 SPM Module A 형은 2 개이고 SPM Module B형은 1개 인 점이 다르며 그 외는 동일 하다.

도 3은 여러 개의 SPM Module A 형을 사용하여 PCS를 구성한 예를 보여준다. 도 3에서 구성한 PCS 는 IGBT 를 스위칭하는 방법에 따라 AC/DC 전력 변환을 할 수도 있고 DC/AC 전력 변환을 할 수도 있다. IGBT 의 출력 측에 전류 센서 들을 설치하여 SPM Module 의 전류 센서 단자에 연결 할 수 있다. 필요에 따라 전압 센서를 연결 할 수 도 있다. SPM Module 을 여러 개 조합하여 PCS 를 구성 할 경우 PCS 의 main board 에서 보내주는 data 에 따라 SPM Module 들은 SPM Module 내부에 있는 IGBT 를 제어하여 전력 변환을 하게 되는데 이때 PCS main board 에서 SPM Module 들에 보내 주는 신호의 동기를 위해 PCS main board 는 NMI (non-maskable interrupt) 신호를 만들어 보내준다.

도 4는 SPM Module A형을 사용하여 구성한 ZVS/ZCS 제어 형 DC/AC 인버터 모듈의 회로도 이다. 도 4에 보여준 L 과 C 의 공진을 이용해 ZVS/ZCS 제어를 수행한다. 도 4에서는 단상 DC/AC 인버터 모듈이라고 표기를 하였으나 이 모듈은 SPM Module 의 스위칭 방법에 따라 DC/AC 인버터로 동작 할 수도 있고 또는 AC/DC 정류기로 동작 할 수도 있다.

도 5는 SPM Module A형으로 구성한 DC/AC 인버터 모듈을 사용하고 SPM Module B 형을 사용하여 단상 AC/DC 정류기를 구성하고 또한 SPM Module B 형을 사용하여 DC/DC 컨버터를 구성하여 전체적으로 단상 양방향 AC/DC PCS 를 구성한 회로의 예시이다. 도 5의 단상 양방향 AC/DC PCS 는 계통 연계형으로 동작 할 수도 있다.

도 6은 도 5에 도 4의 단상 AC/DC 인버터 모듈을 두 개 더 추가하여 3상 양방향 AC/DC PCS 를 구성한 회로의 예이다. 또한 도 6에서는 AC/DC 정류 부에는 도 5와는 달리 3상 AC/DC 정류기가 사용되었다. 도 6의 양방향 AC/DC PCS 는 계통 연계형으로 동작 할 수도 있다

도 7은 기존의 양방향 AC/DC PCS 와 본 발명의 양방향 AC/DC PCS 를 비교하여 보여 준다. 기존의 방식에서는 AC/DC 컨버터 한 개를 가지고 양방향으로 동작 시킴으로 AC/DC 변환에서 DC/AC 로의 변환에 비록 짧은 시간이지만 시간이 필요하다. 본 발명의 방법에서는 AD/DC 변환 기와 DC/AC 변환기가 따로 있어 AD/AC 변환에서 DC/AC 변환으로의 전환이 동시에 일어나며 따라서 본 발명의 AC/DC PCS 는 정전시 무순단으로 부하에 전력을 공급해야 하는 on-line UPS 의 기능을 수행 할 수 있는 장점이 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

도 1과 같이 SPM Module 을 구성 하여 이를 사용하여 전력 변환기를 구성 하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기.
도 2와 같이 SPM Module 을 구성하고 이를 사용하여 전력 변환기를 구성하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기.
도 3에 보인 것과 같이 도 1의 SPM Module 을 사용하여 PCS (전력 변환 기)를 구성하고 PCS 의 main board 가 여러 개의 SPM Module 들과 통신을 하여 SPM Module 들의 IGBT 를 구동하여 전력 변환 기능을 수행하는데 있어 PCS main board 와 SPM Module 간의 통신의 동기를 맞추기 위해 PCS main board 가 NMI 신호를 생성하여 각 각의 SPM Module 에 보내주는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기.
도 4에 보인 것과 같이 SPM Module A형을 사용하여 DC/AC 컨버터 모듈을 구성하여 ZVS/ZCS 방식으로 전력 변환을 하는 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기.
도 5에 보인 것과 같이
SPM Module A형을 사용하여 DC/AC 인버터를 구성하고,
SPM Module B형을 사용하여 DC/DC 컨버터를 구성하고,
SPM Module B 형을 사용하여 AC/DC 정류기를 구성하여,
전체 시스템을 계통 연계형 단상 양방향 AC/DC PCS 를 구성한 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기.
도 6에 보인 것과 같이
SPM Module A형을 사용한 도 4의 DC/AC 인버터 3 개를 병렬로 연결하고,
SPM Module B형을 사용하여 DC/DC 컨버터를 구성하고,
SPM Module B 형을 사용하여 AC/DC 정류기를 구성하여,
전체 시스템을 계통 연계형 3상 양방향 AC/DC PCS 를 구성한 ZVS/ZCS 제어 방식을 사용한 모듈식 계통 연계형 양방향 전력 변환기.
여기서 도 4의 DC/AC 인버터는 필요한 PCS 의 출력에 따라 그 수를 가감 할 수 있다.