KR20180052707A - 절연을 갖는 인쇄 회로 기판 전력 셀 및 중간 전압 다중-셀 전력 공급부 - Google Patents

절연을 갖는 인쇄 회로 기판 전력 셀 및 중간 전압 다중-셀 전력 공급부 Download PDF

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Abstract

다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100)은, 다중 섹션 하우징(104, 106)을 갖는 하우징 어셈블리(102), 및 하우징 어셈블리(102) 내에 포지셔닝된 PCB 어셈블리(120)를 포함하고, 하우징 어셈블리(102) 및 PCB 어셈블리(120)는, 다중-셀 전력 공급부(500)의 출력 전압을 지원하는 전력 셀(100)의 통합 전압 절연을 제공하도록 구성된다. 게다가, 절연을 갖는 PCB 전력 셀(100)을 포함하는 다중-셀 전력 공급부(500)가 설명된다.

Description

절연을 갖는 인쇄 회로 기판 전력 셀 및 중간 전압 다중-셀 전력 공급부
[0001] 본 출원은, 2015년 9월 11일자로 미국 특허청에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/217,248호를 우선권으로 주장하며, 이 미국 가특허 출원의 내용들은 인용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다.
[0002] 본 발명의 양상들은 일반적으로, 절연(isolation)을 갖는 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board) 전력 셀(power cell)들 및 중간 전압 다중-셀 전력 공급부(medium voltage multi-cell power supply)들에 관한 것이다. 본 명세서 전반에 걸쳐, "드라이브(drive)", "드라이브 시스템(drive system)" 및 "전력 공급부"라는 용어들은 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
[0003] 제1 교류(AC; alternating current) 시스템과 제2 AC 시스템 사이의 에너지(energy)의 흐름을 제어하도록 구성된 전력 공급부들은 다양한 상업 및 산업 애플리케이션(application)들에서 사용된다. 다양한 전력 공급부들은 에너지를 제1 주파수 및 전압으로부터 제2 주파수 및 전압으로 변환(convert)한다. 예컨대, 전력 공급부는 통상적으로, AC 모터 제어 및 운영 시스템(AC motor control and operation system)들에서 사용된다. 이러한 전력 공급부를 구현하는 하나의 방식은, 하나 또는 그 초과의 전력 셀들을 포함하는 드라이브(본원에서 드라이브 시스템으로 또한 지칭됨), 이를테면, 예컨대, 모듈식 중간 전압 드라이브(modular medium voltage drive)이고, 각각의 전력 셀은, 중간 직류(DC; direct current) 링크(link)를 갖는 다수의 고체 상태 변환기(solid state converter)들을 포함한다. 이러한 전력 셀들을 통합하는 하나의 예시적인 시스템은 Hammond에 대한 미국 특허 번호 제5,625,545호에서 논의되어 있고, 이 미국 특허의 개시내용은 이로써 인용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다.
[0004] 모듈식 중간 전압 드라이브는 통상적으로, 모듈식 중간 전압 드라이브에 커플링되는(coupled) 전기 모터를 구동하는 데 요구되는 원하는 출력 중간 전압을 달성하기 위해, 각각의 페이즈(phase)에 대해, 직렬로 연결되는 몇몇 저전압 전력 셀들을 추가함으로써 구성된다. 예컨대, 전기 모터의 타입(type)에 따라, 드라이브 출력 전압은 대략 1kV 내지 11kV의 범위일 수 있다. 개별적인 전력 셀들이 더 낮은 전압을 포함할 수 있지만, 드라이브의 출력 중간 전압은 상당히 더 높을 수 있다. 출력 전압이 개별적인 전력 셀들의 전압들보다 상당히 더 높은 환경은, 전력 셀들 및 드라이브 시스템의 다양한 전도성 부분들과 컴포넌트(component)들 사이에 요구되는 최소 간격으로 인해, 중간 전압 드라이브의 구성에 대해 상당한 난제들을 추가한다. 통상적으로, 드라이브 시스템 인클로저(drive system enclosure)는 금속성이고, 각각의 전력 셀 인클로저의 적어도 부분들은 또한 금속성이다. 그러므로, 전력 셀들이 드라이브 시스템 캐비닛(drive system cabinet)에 장착될 때, 다양한 전력 셀들 사이의 그리고 전력 셀들과 시스템 캐비닛 사이의 적절한 절연을 유지하기 위한 추가의 작업이 요구된다. 이러한 적절한 절연은 통상적으로, 드라이브 시스템에 추가될 필요가 있는 절연 비-전도성 재료를 요구하는데, 이는 비용이 많이 들며, 드라이브의 인건비(labour cost)들을 추가로 증가시킨다. 따라서, 당해 기술분야에는 개선된 전력 셀 및 전력 셀들을 포함하는 개선된 드라이브 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
[0005] 간단히 설명하면, 본 발명의 양상들은, 절연을 갖는 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board) 전력 셀 및 모듈식 중간 전압 다중-셀 전력 공급부에 관한 것이다.
[0006] 본 발명의 제1 양상은, 다중-셀 전력 공급부에 배열하기 위한 PCB 전력 셀을 제공하며, PCB 전력 셀은, 다중 섹션 하우징(multiple section housing)을 포함하는 하우징 어셈블리(housing assembly); 및 하우징 어셈블리 내에 포지셔닝된(positioned) PCB 어셈블리를 포함하고; 하우징 어셈블리 및 PCB 어셈블리는, 다중-셀 전력 공급부의 출력 전압을 지원하는 전력 셀의 통합 전압 절연(integrated voltage isolation)을 제공하도록 구성된다.
[0007] 본 발명의 제2 양상은, 소스(source)로부터 전력을 수신하고 출력에서 전력을 부하(load)에 전달하기 위한 다중-셀 전력 공급부를 제공하며, 전력 공급부는 복수의 PCB 전력 셀들을 포함하고, 각각의 전력 셀은, 다중 섹션 하우징을 포함하는 하우징 어셈블리; 및 하우징 어셈블리 내에 포지셔닝된 PCB 어셈블리를 포함하고; 하우징 어셈블리 및 PCB 어셈블리는, 다중-셀 전력 공급부의 출력 전압을 지원하는 전력 셀의 통합 전압 절연을 제공하도록 구성된다.
[0008] 도 1은 알려진 모듈식 다중-셀 전력 공급부의 블록도(block diagram)를 예시한다.
[0009] 도 2는 다른 알려진 모듈식 다중-셀 전력 공급부의 블록도를 예시한다.
[0010] 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 절연을 갖는 인쇄 회로 기판 전력 셀의 사시도를 예시한다.
[0011] 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 절연을 갖는 인쇄 회로 기판 전력 셀의 확대된 사시도를 예시한다.
[0012] 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 중간 전압 다중-셀 전력 공급부의 사시도를 예시한다.
[0013] 도 6 및 도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 인쇄 회로 기판 전력 셀의 예시적인 회로도들을 예시한다.
[0014] 도 8 및 도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 인쇄 회로 기판 전력 셀들의 추가의 예시적인 회로도들을 예시한다.
[0015] 본 발명의 실시예들, 원리들, 및 특징들의 이해를 용이하게 하기 위해, 이들은 예시적인 실시예들에서의 구현을 참조하여 이하에서 설명된다. 특히, 이들은, 전기역학적 기계(electrodynamic machine)들, 특히 교류(AC; alternating current) 전기 모터들에 적절한 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board) 전력 셀들 및 중간 전압 다중-셀 전력 공급부들의 맥락에서 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 설명되는 디바이스(device)들 또는 방법들에서의 사용으로 제한되지 않는다.
[0016] 본원에서 사용되는 바와 같이, "중간 전압(medium voltage)"은 대략 690V 초과의 그리고 대략 69KV 미만의 전압이고, "저전압(low voltage)"은 대략 690V 미만의 전압이다. 당업자들은, 다른 전압 레벨(voltage level)들이 "중간 전압" 및 "저전압"으로 특정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 일부 실시예들에서, "중간 전압"은 대략 3kV 내지 대략 69kV의 전압일 수 있고, "저전압"은 대략 3kV 미만의 전압일 수 있다.
[0017] 다양한 실시예들을 구성하는 것으로서 아래에서 설명되는 컴포넌트들 및 재료들은 예시적인 것으로 의도되며 제한적이지 않다. 본원에서 설명되는 재료들과 동일한 또는 유사한 기능을 수행할 많은 적절한 컴포넌트들 및 재료들은 본 발명의 실시예들의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
[0018] 도 1 및 도 2 각각은 AC 소스로부터 3상 전력을 수신하고 그리고 전력을 부하(12), 예컨대, 3상 AC 모터에 전달하는 알려진 모듈식 다중-셀 전력 공급부(10)의 블록도를 예시한다.
[0019] 도 1에 도시된 바와 같이, 다중-셀 전력 공급부(10)는 변압기(14), 전력 회로(16), 및 제어기(18)를 포함한다. 변압기(14)는 9개의 2차 권선들을 여기(excite)시키는 1차 권선을 포함하고, 전력 회로(16)는 변압기(14)의 2차 권선들에 각각 동작가능하게 커플링되는 다수의 PCB 전력 셀들(26)(본원에서 간단히 전력 셀들(26)로 지칭됨)을 포함한다. 전력 공급부(10)가 9개의 2차 권선들을 포함하고, 전력 셀(26)이 각각의 2차 권선에 동작가능하게 커플링되기 때문에, 전력 공급부(10)는 9개의 전력 셀들(26)을 포함한다. 물론, 전력 공급부(10)는 전력 공급부(10)의 타입 및/또는 전력 공급부(10)에 커플링된 부하(12)의 타입에 따라 9개 초과의 또는 9개 미만의 전력 셀들(26) 및/또는 9개 초과의 또는 9개 미만의 2차 권선들을 포함할 수 있다.
[0020] 전력 셀들(26)은 더 낮은 전압들에 대해 정격될 수 있고, 중간 전압 출력을 부하(12)에 제공하도록 구성된다. 특히, 전력 회로(16)의 각각의 출력 상(output phase)(A, B, C)은 직렬로-연결된 전력 셀들(26)의 그룹(group)에 의해 공급된다. 전력 셀들(26)의 출력들은 제1 상 그룹(phase group)(30), 제2 상 그룹(32), 및 제3 상 그룹(34)에서 직렬로 커플링된다. 각각의 상 출력 전압은 각각의 상 그룹(30, 32 및 34)의 전력 셀들(26)의 출력 전압들의 합이다. 예컨대, 제1 상 그룹(30)은 A1, A2 및 A3으로 라벨링된(labelled) 전력 셀들(26)을 포함하고, 출력 상(A)의 상 출력 전압은 전력 셀들(A1, A2 및 A3)의 출력 전압들의 합이다. 출력 상(B) 및 전력 셀들(B1, B2, B3), 및 출력 상(C) 및 전력 셀들(C1, C2, C3)의 경우에도 마찬가지이다. 이와 관련하여, 전력 회로(16)는, 더 낮은 전압 표준들로 정격된 컴포넌트들을 포함하는 더 낮은 전압으로 정격된 전력 셀들(26)을 사용하여 부하(12)에 중간 전압 출력을 전달한다. 예컨대, 각각의 전력 셀(26)은, 예컨대, 광섬유 통신 링크(optical fiber communication link)를 통해 제어기(18)에 커플링되며, 제어기(18)는 전력 셀들(26)의 동작을 제어하기 위해 전류 피드백(current feedback) 및 전압 피드백을 사용할 수 있다.
[0021] 도 2에 예시된 바와 같이, 다중-셀 전력 공급부(10)는 3상 AC 전력 공급부(20), 전력 회로(16), 및 제어기(18)를 포함한다. 3상 AC 전력 공급부(20)는, AC 전압 측 상에서 전력 변환기 변압기(power converter transformer)(24)의 2차 권선들에 각각 연결되고 그리고 DC 전압 측 상에서 직렬로 전기적으로 연결되는 2개의 다이오드 브리지(diode bridge)들을 포함한다. 이들 상 그룹들의 병렬 연결을 위해 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) DC 전압 버스(DC voltage bus)가 제공된다. 전력 회로(16)는 전력 공급부(20)에 의해 생성된 DC 전압 버스에 커플링되는 전력 셀들(28)을 포함한다. 전력 셀들(28)은, 예컨대, 더 낮은 전압으로 정격되고, 중간 전압 출력을 부하(12)에 제공하도록 구성된다. 부하(12)가 다중-셀 전력 공급부(10) 내에 있는 것으로 예시될 수 있지만, 부하(12)는 다중-셀 전력 공급부(10)의 부분이 아니다. 오히려, 부하(12)는, 도 1에 더 명확하게 도시된 바와 같이, 다중-셀 전력 공급부(10)와 별개이며, 다중-셀 전력 공급부(10)에 연결된다.
[0022] 전력 회로(16)의 각각의 출력 상(A, B, C)은 출력 상들(A, B, C)을 참조하여 A1-A4, B1-B4 및 C1-C4로 또한 라벨링된, 직렬-연결된 전력 셀들(28)의 그룹에 의해 공급된다 . 전력 셀들(28)은 제1 상 그룹(30), 제2 상 그룹(32), 및 제3 상 그룹(34)에서 직렬로 커플링된다. 각각의 상 출력 전압은, 도 1을 참조하여 앞에서 설명된 바와 같이, 상 그룹(30, 32 및 34)의 전력 셀들(28)의 출력 전압들의 합이다. 전력 회로(16)는, 더 낮은 전압 표준들로 정격된 컴포넌트들을 포함하는 더 낮은 전압으로 정격된 전력 셀들(28)을 사용하여 부하(12)에 중간 전압 출력을 전달한다. 예컨대, 각각의 전력 셀(28)은, 예컨대, 광섬유 통신 링크(들)를 통해 제어기(18)에 커플링되며, 제어기(18)는 전력 셀들(28)의 동작을 제어하기 위해 전류 피드백 및 전압 피드백을 사용할 수 있다.
[0023] 도 1 및 도 2에서, 부하(12)에 의해 요구되는 바와 같은 상이한 중간 전압 출력들을 제공하기 위해, 각각의 상 그룹(30, 32, 34)의 전력 셀들(26, 28)의 수는 2개 내지 12개일 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 앞에서 주목된 바와 같이, 도 1의 실시예에서, 변압기(14)의 2차 권선들의 수는 전력 셀들(26)의 수와 매칭(match)된다. 도 2의 실시예에서, 변압기(24)의 1차 측 상에서의 고조파 소거(harmonic cancellation)를 가능하게 하기 위해, 다이오드 브리지들 및 변압기 2차 권선들의 수는 1부터 6까지 변화될 수 있다. 애플리케이션에 따라 다른 셀 카운트(cell count)들 및 다이오드 브리지 카운트들이 사용될 수 있고, 본원에서 도시되고 설명되는 구성들은 본질적으로 예시적인 것으로 의도된다는 것이 당업자들에 의해 인지될 것이다.
[0024] 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board) 전력 셀(100)의 사시도를 예시한다.
[0025] 앞에서 주목된 바와 같이, 예컨대, 전력 공급부 또는 드라이브 시스템, 예컨대, 도 1에서 설명된 바와 같은 알려진 전력 공급부(10)를 위한 알려진 인클로저는 금속성이고, 각각의 전력 셀 인클로저의 적어도 부분들은 또한 금속성이다. 그러므로, 전력 셀들이 드라이브 시스템 캐비닛에 장착될 때, 다양한 전력 셀들 사이의 그리고 전력 셀들과 시스템 캐비닛 사이의 적절한 절연을 유지하기 위한 추가의 작업이 요구된다. 이러한 적절한 절연은 통상적으로, 드라이브 시스템에 추가될 필요가 있는 절연 비-전도성 재료를 요구하는데, 이는 비용이 많이 들며, 드라이브의 인건비들을 추가로 증가시킨다.
[0026] 도 3에 예시된 바와 같이, 전력 셀(100)은, 전력 셀(100)의 외측 셸(outside shell)을 형성하고 그리고 전력 셀(100)의 전기 및 전자 컴포넌트들을 하우징(house)하는 하우징 어셈블리(102)를 포함한다. 하우징 어셈블리(102)는 모듈식(modular)이며, 본원에서 다중 섹션 하우징으로 지칭되는 다수의 컴포넌트들 또는 섹션들을 포함할 수 있다. 전력 셀(100)을 어셈블링(assembling)할 때, 전기/전자 컴포넌트들은 하우징 어셈블리(102) 내부의 배치된다(또한 도 4 참조).
[0027] 예시적인 실시예에 따르면, 하우징 어셈블리(102)는 다중 섹션 하우징, 구체적으로는 상부 하우징 섹션(104) 및 하부 하우징 섹션(106)을 포함한다. 상부 하우징 섹션(104)은 또한 하우징 커버(housing cover)로 지칭될 수 있다. 상부 및 하부 하우징 섹션들(104 및 106)은, 어셈블링될(assembled) 때, 하우징 어셈블리(102)를 형성하는 상보적인 컴포넌트들이다. 예컨대, 전력 셀(100)의 제조 또는 어셈블링 프로세스(process)들에 따라, 하우징 어셈블리(102)가 2개 초과의 섹션들을 포함할 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[0028] 상부 하우징 섹션(104) 및 하부 하우징 섹션(106)은, 2개의 섹션들(104, 106) 사이에 안전한 연결을 제공하기 위해, 상부 및 하부 섹션들(104, 106)을 서로 커플링(coupling)하기 위한 엘리먼트(element)들을 포함할 수 있다. 예컨대, 하부 하우징 섹션(106)은 상부 하우징 섹션(104)의 하나 또는 그 초과의 돌출부들(108)을 수용하기 위한 하나 또는 그 초과의 개구들(110)을 포함할 수 있다. 도 3에 따르면, 돌출부들(108) 및 개구들(110)은 하우징 어셈블리(102)의 대향 측들 상에 로케이팅될(located) 수 있다. 당업자는 상부 및 하부 하우징 섹션들(104, 106)을 서로 고정하기 위한 많은 다른 실시예들, 이를테면, 볼트(bolt)들, 스크루(screw)들 등을 고려할 수 있다.
[0029] 예시적인 실시예에 따르면, PCB 전력 셀(100)은, 본원에서 통합 전압 절연(integrated voltage isolation)으로 또한 지칭되는 빌트-인 전압 절연(built-in voltage isolation)을 포함한다. 이러한 빌트-인 전압 절연은, 전력 셀(100)이 비-전도성 재료를 포함하도록 구성함으로써 달성된다. 전력 셀(100)은 전력 셀(100) 내부에 전기 및 전자 컴포넌트들의 특정 어레인지먼트(arrangement) 및/또는 간격을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 하우징 어셈블리(102)는 비-전도성 재료를 포함하며, 비-전도성 재료를 포함하는 다중 피스(multiple piece)(섹션) 몰드(mold)일 수 있다. 비-전도성 재료는 고체 플라스틱 재료(solid plastic material)를 포함할 수 있으며, 예컨대, 유리 섬유 강화 플라스틱 재료일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상부 하우징 섹션(104) 및 하부 하우징 섹션(106) 각각은 각각의 전력 셀(100)에 대한 전압 절연을 제공하는 비-전도성 재료를 포함한다. 예컨대, 상부 하우징 섹션(104) 및 하부 하우징 섹션(106)은 각각 비-전도성 재료로 제조된다. 상부 및 하부 하우징 섹션들(104, 106)은 일체형 컴포넌트들, 예컨대, 유리 섬유 강화 플라스틱 재료를 포함하는 일체형 몰딩된 컴포넌트(one-piece molded component)들일 수 있다.
[0030] 앞에서 설명된 바와 같이, PCB 전력 셀(100)은 다중-셀 전력 공급부에 배열하기 위한 것이다(도 5 참조). 전력 셀(100)의 통합 전압 절연은 다중-셀 전력 공급부의 출력 전압을 지원한다. 다중-셀 전력 공급부가 다수의 전력 셀들(100)을 포함할 때, 각각의 전력 셀(100)은 다중-셀 전력 공급부의 출력 전압을 개별적으로 지원하는 통합 전압 절연을 포함한다. 예컨대, 다중-셀 전력 공급부의 출력 전압은 적어도 11kV일 수 있으며, 이때 각각의 전력 셀(100)의 절연 전압은 적어도 11kV인 한편, 각각의 전력 셀(100)의 정격 전압은 더 낮은 전압, 예컨대, 3kV 미만일 수 있다. 각각의 전력 셀(100)이 개별적으로 절연되기 때문에, 다수의 전력 셀들(100)을 포함하는 전력 공급부의 더 컴팩트(compact)한 구성이 가능한데, 왜냐하면, 전력 셀들(100)은 서로 훨씬 더 가까이 배치될 수 있고 그리고 또한 금속 백플레인(metal backplane)에 연결될 수 있기 때문이다. 이러한 더 컴팩트한 전력 공급부는 도 5를 참조하여 나중에 설명될 것이다.
[0031] 추가의 양상에 따르면, 각각의 전력 셀(100)은 바이패스 메커니즘(bypass mechanism)(142) 및 복수의 입력 퓨즈(input fuse)들(132)을 포함한다. 입력 퓨즈들(132)은 3상 AC 입력(130)(도 4 참조)에 동작가능하게 연결되고, 바이패스 메커니즘(142)은 단상 AC 출력(140)(도 4 참조)에 동작 가능하게 연결된다. 입력 퓨즈들(132)은 부하 회로 또는 소스 회로의 과전류(초과 전류) 보호를 제공한다. 바이패스 메커니즘(142)은, 고장난 전력 셀을 바이패싱(bypassing)하고 그리고 감소된 용량으로 다중-셀 전력 공급부를 계속 동작시키는 것을 가능하게 한다. 예컨대, 전력 셀 고장은, 셀 출력 전압을 명령된 출력과 비교하는 것, 셀 컴포넌트들을 확인 또는 검증하는 것, 진단 루틴(diagnostics routine)들의 사용을 통하는 것 등에 의해 검출될 수 있다. 이와 달리, 바이패스 메커니즘을 이용하지 않으면, 다중-셀 전력 공급부의 주어진 전력 셀이 개방-회로 모드(open-circuit mode)에서 고장나는 경우, 그 상-그룹의 모든 전력 셀들을 통하는 전류는 제로(zero)가 될 것이며, 더 이상의 동작은 가능하지 않다.
[0032] 바이패스 메커니즘(142) 및 입력 퓨즈들(132)은 하우징 어셈블리(102)의 외부에 로케이팅되지만, 앞에서 주목된 바와 같이, 전력 셀(100)의 하우징 어셈블리(102) 내부에 로케이팅되는 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)에 동작가능하게 커플링된다(도 4 참조). 구체적으로, 바이패스 메커니즘(142) 및 입력 퓨즈들(132)은 전력 셀(100)의 전면(112)에 로케이팅된다. 전력 셀(100)이 다중-셀 전력 공급부에 배열될 때, 전력 셀(100)의 전면(112)은 운용자(operator) 또는 사용자를 향한다(도 5 참조). 따라서, 바이패스 메커니즘(142) 및 입력 퓨즈들(132)은, 예컨대, 운용자 또는 사용자에 의해 용이하게 액세스가능(accessible)하다. 통상적으로, 바이패스 메커니즘 및 입력 퓨즈들은 전력 공급부의 다른 곳에 연결되는데, 이는 전력 시스템에 대한 추가의 연결들 및 인건비 증가를 의미한다. 바이패스 메커니즘(142) 및 입력 퓨즈들(132)을 전력 셀(100)의 전면(112)에 장착하는 것은, 전력 공급부의 전체 배선을 단순화하고 시스템 연결들에 대한 증가된 액세스가능성(accessibility)을 제공한다.
[0033] 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 인쇄 회로 기판 전력 셀(100)의 확대된 사시도를 예시한다. 도 3을 참조하여 앞에서 설명된 바와 같이, 전력 셀(100)은, 비-전도성 재료를 포함하는 상부 하우징 섹션(104) 및 하부 하우징 섹션(106)을 포함한다.
[0034] 전력 셀(100)은 전력 셀(100)의 상이한 전기 및/또는 전자 컴포넌트들을 하우징한다. 예컨대, PCB 어셈블리(120)는 하우징 어셈블리(102) 내부에 포지셔닝된다. 전력 셀(100)의 PCB 어셈블리(120)는 하나 또는 그 초과의 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board)들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전력 셀(100)은 제1 PCB(122) 및 제2 PCB(124)를 포함한다. PCB들(122, 124)은 다층 PCB들 또는 단층 PCB들일 수 있다. 상이한 수동 및 능동 컴포넌트들은 PCB들(122, 124) 상에 장착, 예컨대, 납땜될 수 있다.
[0035] 전력 셀(100)은, 제1 PCB(122)에 각각 연결되는, 예컨대, 납땜되는 복수의 커패시터(capacitor)들(126)을 포함한다. 커패시터들(126)은 전해질 커패시터(electrolytic capacitor)들 및 필름 커패시터(film capacitor)들을 포함할 수 있다(그러나 이에 제한되지 않음). 다양한 실시예들에서, 복수의 커패시터들(126)의 수, 타입 및 배치는, 커패시터 기술 및 전력 셀(100)의 원하는 성능 특성들에 따라 변화할 수 있다. 커패시터들(126)은 제1 PCB(122)의 제1 표면(122a) 상에 장착된다. 전력 셀(100)은, 제1 PCB(122)의 제1 표면(122a) 상에 또한 배치되는 적어도 하나의 히트 싱크(heat sink)(128)를 더 포함한다. 커패시터들(126) 및/또는 적어도 하나의 히트 싱크(128)는, 예컨대, 원하는 PCB 구성 및/또는 사용되는 커패시터 기술에 따라, 제1 PCB(122)의 어느 한 표면(122a, 122b) 상에 장착될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[0036] 앞에서 주목된 바와 같이, 전력 셀(100)은 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)을 포함한다. 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)은, 제1 PCB(122)의 제2 표면(122b)에 대향하는 제1 PCB(122)의 제1 표면(122a) 상에 각각 배치된다.
[0037] 예시적인 실시예에 따르면, 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)은 전력 셀(100)의 전면(112)에 로케이팅된다(또한 도 3 참조). 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 3상 AC입력(130) 및 단상 AC 출력(140)은 개별적인 라미네이팅된 버스 바(laminated bus bar)들(116, 118)에 의해 제1 측(122a)에서 PCB(122)에 커플링된다. 제1 라미네이팅된 버스 바(116)는 하나 또는 그 초과의 개별적인 입력 버스 바들을 포함하고 3상 AC 입력(130)을 PCB(122)에 커플링(couple)한다. 제2 라미네이팅된 버스 바(118)는 하나 또는 그 초과의 개별적인 출력 버스 바들을 포함하고 단상 AC 출력(140)을 PCB(122)에 커플링한다. 각각의 라미네이팅된 버스 바(116, 118)는, 개별적인 입력 또는 출력 버스 바들에 의해 생성된 자기장(들)을 적어도 부분적으로 소거하도록 구성되어, PCB(122)에 대한 잠재적인 잡음 영향들을 제거한다. 라미네이팅된 버스 바들(116, 118)은, 예컨대, 전력 셀(100)의 원하는 PCB 구성에 따라, 제1 PCB(122)의 어느 한 표면(122a, 122b) 상에 장착될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[0038] 하부 하우징 섹션(106)은, 전력 셀(100)을 어셈블링할 때, 전력 셀(100)의 컴포넌트들, 예컨대, 자신들의 각각의 수동 및/또는 능동 디바이스들을 포함하는 PCB들(122, 124)이 하부 하우징 섹션(106) 내에 배치될 수 있도록, 구성된다. 전력 셀(100)의 모든 컴포넌트들이 하부 하우징 섹션(106) 내에 배치된 후에, 하우징 커버로 또한 지칭되는 상부 하우징 섹션(104)이 최상부 상에 배치되며, 개구들(110)에 삽입되는 돌출부들(108)을 통해 하부 하우징 섹션(104)에 커플링된다.
[0039] PCB들(122, 124)을 포함하는 전력 셀(100)이, 본원에서 상세하게 설명되지 않은 많은 다른 컴포넌트들 또는 디바이스들, 이를테면, 예컨대, 중간 직류(DC; direct current) 링크를 갖는 다수의 고체 상태 변환기들을 포함할 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[0040] 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 중간 전압 다중-셀 전력 공급부(500)의 사시도를 예시한다.
[0041] 전력 공급부(500)는, 도 3 및 4에서 설명한 바와 같은 하나 또는 그 초과의 전력 셀들(100)을 포함하는 드라이브, 이를테면, 예컨대, 모듈식 중간 전압 드라이브로서 구현된다. 다중-셀 전력 공급부(500)는 복수의 전력 셀들(100)을 포함하는 전력 회로(520) 및 변압기(510)를 포함한다. 변압기(510)는, 복수의 3상 2차 권선들(512)을 여기시키는 3상 1차 권선을 포함하며, 전력 셀들(100)은 각각 2차 권선들(512)에 동작가능하게 커플링된다. 하나의 전력 셀(100)은 하나의 2차 권선(512)에 동작가능하게 커플링된다. 도 5의 예시적인 실시예에서, 전력 공급부(500)는 9개의 전력 셀들(100) 및 9개의 2차 권선들(512)을 포함한다. 물론, 전력 공급부(500)는 전력 공급부(500)의 타입 및/또는 전력 공급부(500)에 커플링되는 부하 ― 부하는 예컨대, 전기역학적 기계(electrodynamic machine)임 ― 의 타입에 따라 9개 초과의 또는 9개 미만의 전력 셀들(100) 및/또는 9개 초과의 또는 9개 미만의 2차 권선들(512)을 포함할 수 있다.
[0042] 예시적인 실시예에 따르면, 전력 공급부(500)의 전압 절연은, 전력 공급부(500)의 설계의 부분이 되는 것이 아니라, 개별적인 전력 셀들(100)에 통합된다. 따라서, 도 3 및 4를 참조하여 설명된 바와 같이, 각각의 전력 셀(100)은 빌트-인 전압 절연을 포함하며, 각각의 전력 셀(100)의 절연 전압은 적어도 11kV일 수 있다. 이는 비-전도성 재료들에 의해 그리고 필요한 경우에는 각각의 전력 셀(100) 내에서의 컴포넌트들의 간격에 의해 달성된다. 특히, 각각의 전력 셀(100)의 하우징 어셈블리(102)는 비-전도성 재료를 포함하며, 비-전도성 재료를 포함하는 다중 피스 몰드(multiple piece mold)일 수 있다. 적합한 비-전도성 재료들 및 간격을 갖는 전력 셀들(100)의 이러한 구성은, 각각의 전력 셀(100)이, 전력 공급부(500)의 전체 전압, 특히 출력 전압을 지원하는 전압 절연 성능(voltage isolation capability)을 갖는 것을 제공한다.
[0043] 중간 전압 전력 출력을 생성하기 위해 함께 링크된(linked) 자신의 일련의 저전압 전력 셀들(100)을 갖는 전력 공급부(500)는, 넓은 범위의 전압들 및 출력 전력에 대해 스케일링될(scaled) 수 있다. 예컨대, 각각의 전력 셀(100)이 적어도 11kV의 빌트-인 전압 절연을 포함하는 경우, 전체 전력 공급 전압은 최대 11kV일 수 있다. 그러나, 전력 공급 전압은 또한, 11kV 미만, 예컨대, 4kV일 수 있다. 통상적으로, 전력 셀들(100)은 셀 캐비닛 내에 배치된다. 각각의 전력 셀(100)이 개별적인 전압 절연을 포함하기 때문에, 전력 공급부(500)의 설계가 단순화되는데, 왜냐하면, 예컨대, 전력 공급부(500)의 상이한 출력 전압들에 대해 셀 캐비닛을 조정할 필요가 없기 때문이다.
[0044] 각각의 개별적인 전력 셀(100)이 적어도 11kV의 빌트-인 전압 절연을 포함하기 때문에, 각각의 전력 셀(100)은 11kV의 출력/입력 전압을 포함하는 전력 공급부(500)의 금속 백플레인에 연결되고 그리고/또는 금속 백플레인에 의해 지지될 수 있다. 백플레인은, 전력 공급부(500)를 위한 전력 셀들(100)을 배열할 때, 지지 및 구조를 제공한다. 전력 셀들(100)은 전력 셀(100)의 후면(113)에서 금속 백플레인에 의해 지지되고, 후면(113)은 전력 셀(100)의 전면(112)에 대향한다(도 3 참조).
[0045] 게다가, 전력 셀들(100)은 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)에 대한 용이한 전면 액세스(easy front access)를 포함한다. 각각의 전력 셀(100)의 바이패스 메커니즘(142) 및 입력 퓨즈들(132)은 하우징 어셈블리(102) 외부에 장착되며, 이에 의해, 전력 회로들, 제어 회로들, 보호 컴포넌트들 및 리던던시 피처(redundancy feature)들을 포함하는 컴팩트한 통합 전력 전자 셀 블록(compact integrated power electronics cell block)을 제공한다. 전력 공급부(500)가, 본원에서 상세하게 설명되지 않은 많은 다른 컴포넌트들, 이를테면, 장착 피처들 또는 냉각 어셈블리들을 포함할 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[0046] 도 6 및 도 7은, 전력 셀, 이를테면, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같은, 예컨대, 다중-셀 전력 공급부(10)의 전력 셀(26)의 예시적인 회로도들을 예시한다.
[0047] 도 8 및 도 9는, 전력 셀, 이를테면, 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같은, 예컨대, 다중-셀 전력 공급부(10)의 전력 셀(28)의 추가의 예시적인 회로도들을 예시한다.
[0048] 도 6-9의 회로도들은 본원에서 설명되고 제시된 바와 같은 인쇄 회로 기판으로 구성될 수 있다. 매우 다양한 대안적인 회로들 및 컴포넌트들이 원하는 기술 효과들을 달성하는 데 사용될 수 있다는 것이 당업자들에 의해 인지될 것이다. 도 8 및 9에 도시된 바와 같은 회로들의 경우, 어떤 정류기 모듈(rectifier module)도 포함되지 않으며, 결과적으로, 어떤 3상 AC 입력도 전력 셀(100)에 직접적으로 수신되지 않는다.
[0049] 예시적인 실시예에서, 본원에서 설명된 바와 같은 절연을 갖는 PCB 전력 셀(100)은 도 6-9의 하나 또는 그 초과의 도면들에서 예시된 바와 같은 회로를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 제1 PCB(122) 및/또는 제2 PCB(124)는 도 6-9에 예시된 바와 같은 회로를 포함할 수 있다.
[0050] 도 6을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 전력 셀(200)의 회로도가 예시된다. 전력 셀(200)은 3상 AC 입력(202)에 연결된 다이오드 브리지(214) 및 단상 AC 출력(204)에 연결된 H-브리지 인버터(H-Bridge inverter)(216)를 포함한다. 다이오드 브리지(214)는 3상 AC 전력을 수신하여 이를 DC 전력으로 변환한다. 예시적인 실시예들에서, 전력 셀(200)은 또한, 다이오드 브리지(214) 및 H-브리지 인버터(216) 둘 모두에 연결되는 커패시터(206)를 포함한다. 커패시터(206)가 단일 커패시터(206)로서 도시되었지만, 커패시터(206)가 직렬/병렬 조합으로 다수의 커패시터들을 포함할 수 있다는 것이 당업자들에 의해 인지될 것이다. 다이오드 브리지(214)는 복수의 다이오드들(230)을 포함하고, H-브리지 인버터(216)는 복수의 다이오드들(232) 및 트랜지스터(transistor)들(234)을 포함한다. 예시적인 실시예들에서, 도시된 다이오드 브리지(214)의 다이오드 구성은 또한 사이리스터(thyristor)들을 사용하여 실현될 수 있다. 트랜지스터들(234)은 예컨대, FET들, BJT들, IGBT들 등일 수 있다.
[0051] 도 7을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 전력 셀(300)의 회로도가 도시된다. 예시된 바와 같이, 전력 셀(300)은 3상 AC 입력(302)에 연결된 액티브-프론트-엔드 변환기(active-front-end converter)(314) 및 단상 AC 출력(304)에 연결된 H-브리지 인버터(316)를 포함한다. 액티브-프론트-엔드 변환기(314)는 3상 AC 전력을 수신하여 이를 DC 전력으로 변환한다. 예시적인 실시예들에서, 전력 셀(300)은 또한, 제1 부분(314) 및 제2 부분(316) 둘 모두에 연결되는 커패시터(306)를 포함한다. 커패시터(306)가 단일 커패시터(306)로서 도시되었지만, 커패시터(306)가 직렬/병렬 조합으로 다수의 커패시터들을 포함할 수 있다는 것이 당업자들에 의해 인지될 것이다. 예시적인 실시예들에서, 액티브-프론트-엔드 변환기(314) 및 H-브리지 인버터(316)는 복수의 다이오드들(332) 및 트랜지스터들(334)을 포함한다. 트랜지스터들(334)은 예컨대, FET들, BJT들, IGBT들 등일 수 있다.
[0052] 이제 도 8 및 도 9를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 단일 하프-브리지 변환기(single half-bridge converter)(450) 및 이중 하프-브리지 변환기(double half-bridge converter)(400)의 회로도들이 각각 도시된다. 예시적인 실시예들에서, 하프-브리지 변환기들(400, 450)은 또한 하나 또는 그 초과의 커패시터들(406)을 포함한다. 예시적인 실시예들에서, 각각의 커패시터(406)는 직렬/병렬 조합으로 다수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 이중 하프-브리지 변환기(400) 및 단일 하프-브리지 변환기(450)는 복수의 다이오드들(432) 및 트랜지스터들(434)을 포함한다. 트랜지스터들(434)은 예컨대, FET들, BJT들, IGBT들 등일 수 있다.
[0053] 본 발명의 실시예들이 예시적인 형태들로 개시되었지만, 아래의 청구항들에서 기술되는 바와 같은 본 발명 및 본 발명의 등가물들의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이, 많은 수정들, 추가들, 및 삭제들이 본 발명 내에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 다중-셀 전력 공급부(multi-cell power supply)(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board) 전력 셀(power cell)(100)로서,
    다중 섹션 하우징(multiple section housing)을 포함하는 하우징 어셈블리(housing assembly)(102); 및
    상기 하우징 어셈블리(102) 내에 포지셔닝된(positioned) PCB 어셈블리(120)를 포함하고,
    상기 하우징 어셈블리(102) 및 상기 PCB 어셈블리(120)는, 상기 다중-셀 전력 공급부(500)의 출력 전압을 지원하는 상기 전력 셀(100)의 통합 전압 절연(integrated voltage isolation)을 제공하도록 구성되는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징 어셈블리(102)는 비-전도성 재료를 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 다중 섹션 하우징의 섹션들(104, 106) 각각은 비-전도성 재료를 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비-전도성 재료는 유리 섬유 강화 플라스틱 재료(glass fiber reinforced plastic material)를 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 섹션 하우징의 섹션들(104, 106)은 각각 유리 섬유 강화 플라스틱 재료를 포함하는 일체형 몰딩된 컴포넌트(one-piece molded component)들인,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중-셀 전력 공급부(500)의 출력 전압은 적어도 11kV이고, 그리고 상기 전력 셀(100)의 통합 전압 절연은 적어도 11kV의 절연 전압을 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 셀(100)의 정격 전압은 3kV 미만인,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 라미네이팅된 버스 바(laminated bus bar)들(116, 118)에 의해 상기 PCB 어셈블리(120)에 커플링된(coupled) 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)을 더 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 3상 AC 입력(130)에 동작가능하게 커플링된 복수의 입력 퓨즈(input fuse)들(132); 및
    상기 단상 출력(140)에 동작가능하게 커플링된 바이패스 메커니즘(bypass mechanism)(142)을 더 포함하고,
    상기 복수의 입력 퓨즈들(132) 및 상기 바이패스 메커니즘(142)은 상기 하우징 어셈블리(102) 외부에 포지셔닝되는,
    다중-셀 전력 공급부(500)에 배열하기 위한 인쇄 회로 기판(PCB) 전력 셀(100).
  10. 소스(source)로부터 전력을 수신하고 그리고 출력에서 전력을 부하(load)에 전달하기 위한 다중-셀 전력 공급부(500)로서,
    복수의 인쇄 회로 기판(PCB; printed circuit board) 전력 셀들(100)을 포함하는 전력 회로(520)를 포함하고,
    각각의 전력 셀(100)은,
    다중 섹션 하우징을 포함하는 하우징 어셈블리(102); 및
    상기 하우징 어셈블리(102) 내에 포지셔닝된 PCB 어셈블리(120)를 포함하고,
    상기 하우징 어셈블리(102) 및 상기 PCB 어셈블리(120)는, 상기 다중-셀 전력 공급부(500)의 출력 전압을 지원하는 상기 전력 셀(100)의 통합 전압 절연을 제공하도록 구성되는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 하우징 어셈블리(102)는 비-전도성 재료를 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 비-전도성 재료는 유리 섬유 강화 플라스틱 재료를 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  13. 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 섹션 하우징의 섹션들(104, 106)은 각각 비-전도성 재료로 제조되는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  14. 제10 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중-셀 전력 공급부(500)의 출력 전압은 적어도 11kV이고, 그리고 각각의 전력 셀(100)은 적어도 11kV의 절연 전압을 포함하는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  15. 제10 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 전력 셀(100)의 정격 전압은 3kV 미만인,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  16. 제10 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 전력 셀(100)은,
    개별적인 라미네이팅된 버스 바들(116, 118)에 의해 상기 PCB 어셈블리(120)에 커플링된 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)을 더 포함하고,
    상기 3상 AC 입력(130) 및 단상 AC 출력(140)은 상기 전력 셀(100)의 전면(112)에 로케이팅되는(located),
    다중-셀 전력 공급부(500).
  17. 제16 항에 있어서,
    백플레인(backplane)을 더 포함하고,
    각각의 전력 셀(100)은 상기 전력 셀(100)의 후면(113)에서 상기 백플레인에 의해 지지되고, 상기 후면(113)은 상기 전력 셀(100)의 전면(112)에 대향하는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 백플레인은 금속 백플레인으로서 구성되는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  19. 제10 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1차 권선 및 복수의 2차 권선들(212)을 포함하는 변압기(210)를 더 포함하고,
    상기 복수의 전력 셀들(100)은 상기 복수의 2차 권선들(212)에 동작가능하게 커플링되는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
  20. 제16 항에 있어서,
    각각의 전력 셀(100)은,
    상기 3상 AC 입력(130)에 동작가능하게 커플링된 복수의 입력 퓨즈들(132); 및
    상기 단상 출력(140)에 동작가능하게 커플링된 바이패스 메커니즘(142)을 더 포함하고,
    상기 복수의 입력 퓨즈들(132) 및 상기 바이패스 메커니즘(142)은 상기 전력 셀(100)의 전면(112)에서 상기 하우징 어셈블리(102) 외부에 포지셔닝되는,
    다중-셀 전력 공급부(500).
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