KR20180121475A - 공통 모드 인덕터와 차동 신호 변압기의 결합 - Google Patents

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Abstract

공통 모드 노이즈의 억제 및 차동 신호의 전송을 위한 공통 모드 인덕터(10)가 개시된다. 이러한 인덕터는 제 1 권선(11) 및 제 2 권선(12)을 갖는 코어를 포함하고, 여기서 제 1 권선 및 제 2 권선은 차동 통신 신호를 전달하도록 되어 있는 전도체들의 쌍을 형성한다. 또한, 제 3 권선(13) 및 제 4 권선(14)이 각각 제 1 권선 및 제 2 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되도록 구성된다. 제 3 권선과 제 4 권선은 각각 제 1 권선 및 제 2 권선에 국지적으로 유도성으로 결합될 수 있다. 더욱이, 제 3 권선과 제 4 권선은 서로 직렬로 연결되어, 제 3 권선 및 제 4 권선으로 변압되는 제 1 권선 및 제 2 권선 상의 차동 신호는 서로 더해질 수 있게 된다. 따라서, 제 3 권선과 제 4 권선은 제 1 권선 및 제 2 권선 내의 차동 통신 신호에 의해 유도되는 센서 신호를 제공할 수 있다. 이러한 공통 모드 인덕터를 포함하는 시스템(100) 그리고 상기 인덕터 내의 차동 신호를 측정하기 위한 방법이 또한 개시된다.

Description

공통 모드 인덕터와 차동 신호 변압기의 결합
본 명세서에서 개시되는 발명은 전기 시스템(electrical systems)에서의 통신에 관한 것으로, 특히 공통 모드 노이즈(common mode noise)를 억제(suppression)함과 동시에 차동 모드 신호(differential mode signal)를 전송 혹은 수신하기 위한 공통 모드 인덕터(common mode inductor)에 관한 것이다.
예를 들어, 통신 신호들과 같은 신호들의 전달은 전기 시스템들과 관련하여 관심이 대상이다. 이러한 신호들은 시스템의 상이한 컴포넌트(component)들의 제어 및 동작에 관한 정보를 운반할 수 있고, 특히 시스템의 성능을 제어하거나 최적화시키는 명령들 및 측정된 동작 파라미터(parameter)들에 관한 정보를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 파워 변환 시스템(power conversion system)들에서, 이러한 시스템의 효율적인 동작을 달성하기 위해, 입력 파워, 파워 변환기(power converter)(들)의 성능, 출력 파워 및/또는 동작 명령들에 관한 정보의 빠르고 효율적인 전달이 요구된다. 더욱이, 공통 모드 노이즈의 억제가 또한 이러한 시스템들에서 관심의 대상이 될 수 있는데, 왜냐하면 공통 모드 전류들 및/또는 전압들은 시스템 자체뿐만 아니라 주변에 있는 다른 시스템들을 모두 교란(disturb)시킬 수 있고 예컨대, 파워 그리드(power grid)를 통해 먼 거리로 전달될 수 있기 때문이다.
이러한 문제 중 일부는 예를 들어, WO 2014/131734 및 PCT/EP2012/066782에서 다루어 졌는데, 여기서 파워 인버터 시스템(power inverter system)의 복수의 스위칭 유닛(switching unit)들과 중앙 조정 유닛(central adaptation unit) 간의 제어 신호들은 무선(wireless) 혹은 공통 라인(common line) 통신 채널(communication channel)에 의해 전달된다.
이러한 통신 채널들의 구현을 위해 잘 알려진 방법들이 존재할지라도, 이러한 파워 인버터 시스템들과 관련된 정보를 비용 및 에너지 효율적 방식으로 전달하기 위한 대안적인 향상된 방법들에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 일부의 목적은 앞에서 설명된 기법에 대한 향상된 대안예를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 독립 청구항들의 특징을 갖는 공통 모드 인덕터, 시스템, 및 방법을 제공한다. 종속 청구항들은 이로운 실시예들을 정의한다.
제 1 실시형태에서는, 공통 모드 노이즈(common mode noise)의 억제(suppression) 및 차동 신호(differential signal)의 전송을 위한 공통 모드 인덕터(common mode inductor)가 제공된다. 이러한 인덕터는 제 1 권선(winding) 및 제 2 권선을 갖는 코어(core)를 포함하고, 여기서 제 1 권선 및 제 2 권선은 차동 통신 신호(differential communication signal)를 전달하도록 구성된 전도체(conductor)들의 쌍(pair)을 형성한다. 더욱이, 제 3 권선이 제 1 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되도록 구성되고, 제 4 권선이 제 2 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되도록 구성된다. 제 3 권선과 제 4 권선은 각각 제 1 권선 및 제 2 권선에 국지적으로(locally) 유도성으로(inductively) 결합될 수 있다. 더욱이, 제 3 권선과 제 4 권선은 서로 직렬로 연결되어, 제 3 권선 및 제 4 권선으로 변압(transform)되는 제 1 권선 및 제 2 권선 상의 차동 신호는 서로 더해질 수 있게 된다(즉, 증폭될 수 있게 됨). 따라서, 제 3 권선과 제 4 권선은 제 1 권선 및 제 2 권선 내의 차동 통신 신호에 의해 유도되는 센서 신호(sensor signal)를 제공하도록 구성될 수 있다.
제 2 실시예에 따르면, 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 입력 파워를 수신하고 출력 전압 파형 및 교류 전류(alternating current)를 출력하도록 구성된 스위칭 유닛(switching unit)과; 그리고 제 1 실시형태에 따른 공통 모드 인덕터를 포함한다. 출력 전압은 차동 신호이고 따라서 이러한 차동 신호는 인덕터에 의해 전달될 수 있다.
제 3 실시형태에 따르면, 제 1 실시형태에 따른 공통 모드 인덕터 내의 차동 통신 신호(이것은 출력 AC 신호보다 실질적으로 더 높은 주파수를 가질 수 있음)를 측정하기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 제 1 권선 및 제 2 권선을 통해 차동 통신 신호를 전송하는 것; 그리고 제 3 권선 및 제 4 권선으로 변압되는 차동 통신 신호를 측정하는 것을 포함한다.
공통 모드 신호는 제 1 권선 및 제 2 권선 양쪽 모두에서 동일한 부호(sign)를 갖는 신호로서 이해될 수 있다. 이러한 신호에 의해 발생되는 필드(field)들은 코어에서 인덕터에 부가될 수 있고, 이러한 인덕터는 결과적으로 신호를 차단(blocking) 혹은 감쇄(attenuating)시키는 고 임피던스 컴포넌트(high impedance component)로서 동작할 수 있다. 역으로, 차동 신호는 제 1 권선과 제 2 권선 내에서 상이한 부호들을 갖는 신호로서 이해될 수 있고, 그 필드들은 상당히 큰 정도로 서로를 상쇄(cancel)시킬 수 있다. 따라서, 인덕터는 신호를 통과시키는 저 인임피던스 컴포넌트(low impedance component)로서 동작할 수 있다.
비록 차동 신호들이 코어 내에서 필드들을 상호 상쇄 혹은 감쇄시킬 수 있도록 제 1 권선 및 제 2 권선이 정렬될 수 있어도, 제 3 권선 및 제 4 권선은 각각 변압 효과(transforming effect)를 제공하도록 제 1 권선 및 제 2차 유닛에 유도성으로 결합될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 제 3 권선 및 제 4 권선이 인덕터를 통해 전송되는 차동 신호를 측정하기 위한 센서 권선(sensor winding)을 형성하는데 사용될 수 있다는 이해를 이용한다. 이것은 공통 모드 인덕터를 이미 포함하고 있는 시스템들에서 특히 이로운 것인데, 왜냐하면 해당 컴포넌트는 추가적인 제 3 권선 및 제 4 권선에 의해 임의의 결합된 센서 디바이스로 보완(complement) 혹은 업그레이드(upgrade)될 수 있기 때문이다. 따라서, 별도의 감지 혹은 측정 디바이스들을 더 부가함이 없이 센서 혹은 측정 기능이 제공될 수 있다. 더욱이, 이것은 공통 (파워) 라인 내에서 전송되는 신호가 측정될 수 있게 하는바, 이는 별도의 통신 채널 및 추가적인 유선 혹은 무선 통신 수단에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 더욱이, 기존의 컴포넌트들을 사용함으로써 신호를 수신하기 위한 추가적인 감지 스테이지(sensing stage)들 혹은 수신기들이 필요 없다. 대신, 전기 시스템의 기존의 장비(equipment)가 부가적인 통신 목적으로 사용될 수 있고, 이는 예를 들어, 제조 및 유지와 관련된 물질, 크기 및 비용의 감소된 청구서(bill)를 가능하게 한다.
이미 언급된 바와 같이, 공통 모드 인덕터(이것은 또한 공통 모드 쵸크(common mode choke) 또는 공통 모드 초크 코일 혹은 코일들로 지칭됨)는, 본 출원의 맥락에서, 차동 모드 전류들에 대한 것이 아니라 공통 모드 전류들에 대하여 인덕터로서 동작하는 전기 컴포넌트를 지칭할 수 있다. 따라서, 공통 모드 인덕터는 차동 신호전달 혹은 파워 전송에서 필터링(filtering) 목적으로 사용될 수 있는데, 여기서 필터링 효과는 주로 공통 모드와 관련하여 요구될 수 있다. 전도체는 자성 코어(magnetic core) 상에서 반대 방향으로 감긴 차동 전도체들의 쌍을 형성하는 두 개의 코일들을 포함할 수 있다. 권선들은, 권선들 내의 차동 모드 전류들에 의해 생성되는 자기 필드(magnetic field)들이 서로를 상쇄시키는 경향이 있도록 하는 방식으로 구성될 수 있고, 반면 권선들 내의 공통 모드 전류들로부터의 자기 필드들이 함께 합해지는 경향이 있도록 하는 방식으로 구성될 수 있어 공통 모드 노이즈를 억제하는 임피던스를 제공하게 된다.
제 1 권선 및 제 2 권선의 적어도 일부를 따라 센서 권선(즉, 제 3 권선 및 제 4 권선)을 정렬함으로써, 제 1 권선 및/또는 제 2 권선과 센서 권선 간의 전자기 상호작용(electromagnetic interaction)이 달성될 수 있다. 전자기 상호작용으로 인해, 차동 신호 혹은 전기적 파워가 인덕터를 통해 흐름에 따라 센서 신호가 센서 권선 내에 유도될 수 있다. 제 3 권선과 제 4 권선의 직렬 연결은 차동 모드에서 제 3 권선과 제 4 권선 내에 동일 방향으로 전류들이 유도될 수 있게 한다. 역으로, 전류들은 공통 모드에서 상이한 방향으로 유도될 수 있어 제 3 권선 내에서 유도되는 전류들은 제 4 권선 내에서 유도되는 전류들과 반대일 수 있거나 제 4 권선 내에서 유도되는 전류들을 상쇄시킬 수 있다. 따라서 차동 모드 동작 동안 유도되는 전류들은 센서 신호에 부가될 수 있고, 이러한 센서 신호는 센서 권선으로부터 추출될 있으며, 차동 모드에서 공통 모드 인덕터를 통해 흐르는 차동 신호의 측정치로서 사용될 수 있다.
센서 신호는 차동 신호에 대응할 수 있고, 따라서 차동 신호를 결정 혹은 측정하기 위해 사용될 수 있다. 그럼으로써 본 실시형태들은 공통 모드 노이즈가 억제될 수 있게 하고 반면 차동 모드 신호는 상대적으로 낮은 차동 모드 성분(differential mode content)에 대해서도 변압될 수 있다.
차동 신호는 예를 들어, 시스템 내의 전압들 혹은 전류들에 관한 정보를 포함할 수 있고, 그리고 예를 들어, 전기 시스템의 온도, 능력, 및 성능에 관한 다른 파라미터들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공통 모드 인덕터의 코어는 강자성(ferromagnetic) 코어 그리고/또는 링-형상(ring-shaped) 코어, C-형상(C-shaped) 코어 혹은 E-형상(E-shaped) 코어일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 권선 및 제 2 권선은 DC 소스(DC source)와 같은 입력 파워 소스(input power source)에 연결된 스위칭 유닛(switching unit)으로부터의 차동 출력 AC(differential output AC)를 전달하도록 구성될 수 있다. 차동 모드 파워는 차동 모드 통신 신호와 함께 공통 라인에서 전달될 수 있고, 따라서 인덕터의 센서 권선에 의해 측정될 수 있다. 차동 통신 신호는 예를 들어, 차동 출력 AC 상의 중첩된 신호(superimposed signal)로서 전달될 수 있다. 더욱이, 차동 통신 신호는 스위칭 유닛을 동작시키기 위한 명령들을 포함할 수 있다. 본 실시예는 스위칭 유닛에서 이로운데 왜냐하면 동일한 라인을 통해 예를 들어, 동작 명령들과 같은 정보를 수신할 수 있고 AC를 출력할 수 있기 때문이다. 차동 신호를 위한 어떠한 추가적인 통신 채널도 필요하지 않다. 동시에, 공통 모드 신호들은 인덕터에 의해 차단 혹은 상쇄될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위칭 유닛은 파워 인버터 시스템의 일부를 형성할 수 있고, 여기서 파워 인버터 시스템은 서로 캐스케이드 구성(cascade configuration)으로 전기적으로 연결되는 복수의 스위칭 유닛들을 포함한다. 스위칭 유닛들 각각은 예를 들어, 광전지 패널(photovoltaic panel)로부터 각각의 입력 파워를 수신하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 스위칭 유닛들 각각은 공통 라인에 출력되는 결합된 출력 AC를 생성하도록 개별적으로 제어될 수 있다. 스위칭 유닛들은, 차동 신호를 통해 전송될 수 있는 그리고 공통 모드 인덕터의 센서 권선에 의해 수신될 수 있는 커맨드 신호(command signal)에 응답하여 동작될 수 있다.
스위칭 유닛들의 개별 제어는 각각의 입력 파워가 시간 경과에 따라 변하고 그리고/또는 예측하기 어려운 그러한 애플리케이션들 및 시스템들과 특히 관련이 있다. 이러한 경우는 예를 들어, 광전지 소자(photovoltaic element)들 혹은 솔라 패널(solar panel)들에서 일어날 수 있는데, 여기서 출력 파워는 전압과 전류 간의 비-선형 관계에 의해 결정될 수 있다. 지나가는 그림자와 같은 이벤트들, 혹은 오염으로 인한 패널 성능에서의 차이, 차등적 노화 혹은 제조 과정에서의 차이는 전체적으로 패널들의 어레이(array)가 그 최고 효율점(peak efficiency point)에서 동작하지 못하게 할 수 있다. 본 실시형태들은 각각의 스위칭 유닛에서 공통 모드 인덕터에 의해 측정되는 차동 신호에 응답하여 개별적으로 동작될 수 있는 각각의 스위칭 유닛에 각각의 패널이 연결될 수 있는 해법을 제공한다. 따라서, 스위칭 유닛의 동작은 동작 동안 특정 요건들에 맞게 조정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 파워 인버터 시스템은 스위칭 유닛들 중 적어도 일부의 동작을 제어하기 위한 커맨드 신호를 발생시키도록 구성된 중앙 유닛에 연결될 수 있다. 중앙 유닛은, 스위칭 유닛들 중 하나 혹은 수 개의 스위칭 유닛의 현재 상태를 표시하는 정보, 입력 전압 혹은 전류를 표시하는 측정치, 발생된 출력 전압 혹은 전류, 또는 예를 들어, 파워 인버터 시스템에 연결된 광전지 패널의 원하는 출력 AC, 온도 혹은 성능에 관한 추가 정보를 수신하도록 구성될 수 있다. 중앙 유닛은 커맨드 신호를 발생시키도록 구성될 수 있고, 이러한 커맨드 신호는 공통 라인을 통해 스위칭 유닛들로 전송되며, 여기서 공통 모드 인덕터에 의한 결정이 이루어 질 수 있다. 따라서, 파워 인버터 시스템의 스위칭 동작들은 커맨드 신호에 의해 운반되는 수신된 정보 혹은 파라미터들에 근거할 수 있다.
일부 예들에서, 커맨드 신호는 스위칭 유닛으로 하여금 파워를 출력 혹은 수신하도록 하는, 바람직하게는, 특정 레벨에서의 전압(양의 전압, 제로(zero)인 전압, 음의 전압, 혹은 그 사이에 있는 전압들)을 출력하도록 하는, 상태 커맨드(state command)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 혹은 대안적으로, 상태 커맨드는 스위칭 유닛으로 하여금 파워 혹은 전압을 출력하는 것을 멈추도록 할 수 있다. 커맨드 신호는 또한 스위칭 유닛들로 하여금 양의 전압, 음의 전압, 제로인 전압 혹은 그 사이에 있는 전압들 중 둘 이상의 임의의 조합을 출력하도록 하는 추가적 혹은 대안적 커맨드들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위칭 유닛은 H-브리지 변환기(H-bridge converter)이다. H-브리지 변환기는 예를 들어, 4개의 메탈 옥사이드 반도체 필드 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)들, 또는 임의의 다른 타입의 반도체 스위치 혹은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 스위칭 유닛은 또한 예를 들어, 하프 브리지 변환기(half bridge converter)로 형성될 수 있다. 하지만, 용어 "스위칭 유닛"은, 본 출원의 맥락에서, 입력 DC 파워를 수신할 수 있는 그리고 둘 이상의 상이한 전압/전류 레벨들의 다중레벨 출력을 생성할 수 있는 임의의 전기 컴포넌트를 지칭할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일 실시예에 따르면, 스위칭 유닛들은 인버터 모드(inverter mode) 및 통신 모드(communication mode)에서 동작할 수 있는데, 인버터 모드에서 스위칭 유닛들은 공통 라인 상에 전달되는 결합된 출력 전압 파형을 생성하도록 커맨드 신호의 스위칭 커맨드들에 응답하여 개별적으로 스위칭되며, 통신 모드에서 스위칭 유닛들은 공통 라인 상에 전송되는 통신 신호를 생성하도록 두 개의 연속하는 스위칭 커맨드들 사이에서 스위칭된다. 스위칭 유닛들 중 적어도 하나는 통신 모드에서 동작될 수 있고, 반면 잔존하는 스위칭 유닛들은 자신들의 현재 상태에서 유지되는데, 즉 잔존하는 스위칭 유닛들은 스위칭되지 않는다. 본 실시예는, 출력 전압 파형의 침묵 기간(silent period)들, 즉 스위칭 유닛들의 두 개의 상호 간 인접하는 스위칭 이벤트들 사이에 위치하는 시기들, 그리고 다중레벨 출력 전압 파형의 전압이 상대적으로 일정하고 상대적으로 낮은 고조파 성분(harmonic content)을 갖는 시기들이, 중첩된 통신 신호를 결합된 출력 전압 파형 상에서 전송하는데 이용될 수 있다는 점에서 유리하다. 통신 신호는 스위칭 유닛들 중 하나 혹은 수 개의 스위칭 유닛에 의해 제공될 수 있고 반면 잔존하는 스위칭 유닛들은 "침묵(silent)" 상태에 있게 하는데, 즉 스위칭되지 않은 현재 상태에서 유지되게 한다. 달리 말하면, 스위칭 유닛들은 두 개의 상이한 모드들, 즉 인버터 모드 및 통신 모드에서 동작하는 것으로 고려될 수 있는데, 여기서 인버터 모드는 결합된 다중스테이지 출력 전압 파형(combined multistage output voltage waveform)을 발생시키는 모드이고, 통신 모드는 통신 신호를 발생시키는 모드이다. 인버터 모드에서, 스위칭 유닛들 각각 혹은 적어도 일부는 원하는 다중스테이지 출력 전압 파형을 형성하도록 커맨드 신호의 스위칭 커맨드들에 근거하여 스위칭될 수 있다. 두 개의 상호 간 인접하는 스위칭 커맨드들에 의해 정의되는 기간은 다중스테이지 출력 전압 파형의 침묵 기간으로서 지칭될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 기간 동안 출력은 원치않은 고조파들에 관해 상대적으로 낮을 수 있기 때문이다. 달리 말하면, 출력 전압 파형은 이러한 침묵 기간 동안 상대적으로 낮은 노이즈를 가질 수 있고, 이것은 신호전달과 관련하여 특히 이로운 것인데, 왜냐하면 노이즈의 상대적으로 낮은 레벨은 통신 신호의 필터링 및 증폭에 대한 필요성을 감소시킬 수 있기 때문이다. 이러한 침묵 기간에서, 스위칭 유닛들 중 하나 혹은 수 개의 스위칭 유닛은 통신 모드에서 동작될 수 있는데, 이러한 통신 모드에서 스위칭 유닛들은 중첩된 통신 신호를 발생시키기 위해 복수 회 스위칭될 수 있다.
중앙 유닛은 앞에서 설명된 바와 유사한 방식으로, 즉 신호를 전송하기 위해 침묵 기간들을 이용하여 커맨드 신호를 발생시키고 동작하도록 구성된 스위칭 유닛을 포함할 수 있음이 이해될 것이다.
일 실시예에 따르면, 공통 모드 인덕터는 중앙 유닛에서 제공될 수 있고 공통 라인을 통해 스위칭 유닛(들)에서 발생된 통신 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 통신 신호는 예를 들어, 그리드 전압 파형(grid voltage waveform)과 같은 요구된 전압 파형의 주파수, 위상, 진폭 및 고조파들 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다. 이러한 정보는 수신된 통신 신호에 근거하여 커맨드 신호를 계산하도록 구성된 프로세서에 의해 프로세싱될 수 있다. 계산된 커맨드 신호는 그 다음에 공통 라인을 통해 출력될 수 있고 스위칭 유닛들로 전달될 수 있으며, 스위칭 유닛들은 이에 따라 복수의 스위칭 유닛들로부터의 결합된 출력이 그 요구된 전압 파형과 매칭(matching)되는 전압 파형을 생성하도록 개별적으로 제어될 수 있다.
본 출원의 맥락에서, 용어 "출력 전압 파형", "출력 전압", "출력 파워", "AC", "교류 전류" 및 "교류 전압"은 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 파워 인버터 시스템 혹은 스위칭 유닛으로부터 출력되는 전기적 파워는 교류 전류를 구동하는 교류 전압으로서 이해될 수 있다.
본 실시형태들은 높은-파워 전송 시스템에서 구현될 수 있거나 높은-파워 전송 시스템으로서 실현될 수 있음이 또한 이해될 것이다.
본 실시형태들은 프로그래밍가능 컴퓨터가 앞서 개략적으로 설명된 방법을 구현하도록 하는 방식으로 해당 프로그래밍가능 컴퓨터를 제어하기 위한 컴퓨터-판독가능 명령들로서 구현될 수 있다. 이러한 명령들은 명령들을 저장하는 컴퓨터-판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터-프로그램 제품의 형태로 배포될 수 있다. 특히, 명령들은 중앙 유닛의 마이크로제어기(microcontroller) 내에 로딩(loading)될 수 있다.
본 실시형태들의 추가 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 개시내용, 도면들, 및 첨부되는 청구항들을 연구하는 경우 명백하게 될 것이다. 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들은 비록 상이한 청구항들에 기재되어 있어도 본 실시형태들의 상이한 특징들이 다음의 설명에서 제시되는 것들과는 다른 실시예들에서 결합될 수 있음을 알고 있다.
본 발명의 앞서의 목적들, 특징들 및 장점들, 뿐만 아니라 추가적인 목적들, 특징들, 및 장점들은 본 발명의 실시예들의 다음과 같은 예시적이고 비-한정적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다. 첨부되는 도면들이 참조될 것이며, 도면들에서,
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공통 모드 인덕터를 보여주고;
도 2는 일 실시예에 따른 공통 모드 인덕터들을 포함하는 파워 인버터 시스템을 도식적으로 예시하고;
도 3은 일 실시예에 따른 스위칭 유닛을 보여주고;
도 4는 일 실시예에 따른 시스템의 레이아웃 및 그 관련 신호전달 경로들을 도식적으로 예시하고; 그리고
도 5는 일 실시예에 따른 시스템으로부터의 결합된 다중레벨 출력 전압 파형을 예시하는 도면이다.
모든 도면들은 개략적 도면이고 오로지 본 발명을 설명하기 위해 필요한 부분들만을 전반적으로 보여주고 있으며, 반면 다른 부분들은 생략될 수 있거나 단지 시사될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공통 모드 인덕터를 보여준다. 이러한 예에서, 공통 모드 인덕터(10)는 링-형상 코어(15) 둘레에 반대 방향으로 감긴 제 1 권선(11) 및 제 2 권선(12)을 갖는다. 권선들의 구성은 결과적으로 코어(15) 내에 자기 필드들이 유도되게 할 수 있고, 여기서 공통 모드 전류들은 협동하는(cooperating) 자기 필드들을 유도할 수 있고, 차동 모드 전류들은 서로 반작용(counteract)하는 반대방향 자기 필드들을 유도할 수 있다. 결과적으로, 공통 모드 인덕터는 주로 공통 모드 전류들과 관련하여 고 임피던스로서 동작할 수 있고, 반면 차동 모드 전류들에 대해서는 그다지 큰 영향을 미치지 않거나 전혀 영향을 미치지 않는다.
공통 모드 인덕터(10)는 또한 제 3 권선(13) 및 제 4 권선(14)을 포함할 수 있고, 이들 권선들은 함께 센서 권선(13, 14)을 형성할 수 있다. 제 3 권선(13)은 제 1 권선(11)의 적어도 일부를 따라 혹은 제 1 권선(11)의 적어도 일부에 평행하게 감길 수 있어, 제 1 권선(11) 내에 흐르는 전류는 제 3 권선(13) 내에 전류를 유도할 수 있게 된다. 유사하게, 제 4 권선(14)은 제 2 권선(12)의 적어도 일부를 따라 혹은 제 2 권선(12)의 적어도 일부에 평행하게 감길 수 있어, 제 2 권선(12) 내에 흐르는 전류는 제 4 권선(14) 내에 전류를 유도할 수 있게 된다. 제 3 권선(13) 및 제 4 권선(14) 각각 내의 유도된 전류들은 제 1 권선(11) 및 제 2 권선(12) 각각 내에 흐르는 전류들과 동일한 방향을 가질 수 있다. 제 3 권선(13)과 제 4 권선(14)이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 이에 따라 공통 모드에서 전류들은 센서 권선(13, 14) 내에서 반대 방향으로 유도될 수 있다. 따라서, 유도된 전류들은 공통 모드에서 서로를 억제할 수 있거나 혹은 심지어 서로를 상쇄시킬 수 있으며, 이것은 결과적으로 센서 권선(13, 14) 내에서 순 전류 흐름(net current flowing)이 상대적으로 낮게 하거나 제로가 되게 한다. 이에 대응하여, 차동 모드에서 전류들은 동일한 방향으로 유도될 수 있고, 이것은 결과적으로 제 3 권선(13) 내의 유도된 전류가 제 4 권선(14) 내의 유도된 전류와 협동하게 한다. 따라서, 유도된 전류들은 차동 모드에서 센서 신호에 부가될 수 있고, 이러한 센서 신호는 센서 권선(13, 14)으로부터 추출될 있으며, 인덕터(10)를 통해 흐르는 차동 신호의 측정치로서 사용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 중앙 유닛(130)에 연결된 파워 인버터 시스템(100)을 보여준다. 파워 인버터 시스템(100)은 예를 들어, H-브리지 변환기들(110)과 같은 복수의 스위칭 유닛들을 포함하고, 이들 각각은 예를 들어, 광전지 소자(도 1에서는 미도시)와 같은 각각의 소스로부터 입력 DC 파워 및 전압(VDC)을 공급받도록 구성된다. H-브리지 변환기들(110)은 다중레벨 출력 전압(VOUT)을 생성하도록 캐스케이드될 수 있고, 이러한 다중레벨 출력 전압(VOUT)은 공통 라인(120)을 통해 중앙 유닛(130)으로 공급될 수 있다. 스위칭 유닛들(110) 각각은 공통 모드 인덕터(10)를 포함할 수 있는데, 여기서 공통 모드 인덕터(10)는 도 1과 연결되어 논의된 실시예들과 유사하게 구성될 수 있고, 각각의 스위칭 유닛(110)의 출력 측에 연결될 수 있다. 이에 따라, 차동 모드 동작 동안, 센서 신호는 센서 권선(13, 14)으로부터 추출될 수 있다. 이러한 신호는 예를 들어, 중앙 제어 유닛(130)으로부터의 커맨드 신호에 대응할 수 있다. 측정된 차동 신호는 그 측정된 차동 신호에 근거하여 대응하는 스위칭 유닛을 제어하도록 구성된 예를 들어, 마이크로제어기와 같은 제어 회로로 전달될 수 있다.
중앙 유닛(130)은, 그리드 AC와 매칭되는 AC(VAC)를 출력하도록 구성될 수 있고, 그리고 스위칭 유닛들(110) 중 하나 혹은 수 개의 스위칭 유닛의 동작을 제어하기 위한 커맨드 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다. 커맨드 신호는 예를 들어, 중앙 유닛(130)에서 스위칭 유닛에 의해 발생될 수 있고, 여기서 스위칭 유닛은 통신 모드에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 이 경우 그 결합된 출력 AC(VOUT)의 침묵 기간들, 즉 인버터 모드 스위칭이 일어나지 않는 기간들은 커맨드 신호를 발생시키는데 이용된다. 커맨드 신호는 결합된 출력 AC(VOUT) 상에 중첩될 수 있고 공통 라인(120)을 통해 파워 인버터 시스템(100)으로 전송될 수 있으며, 여기서 공통 모드 인덕터(10)에 의해 측정될 수 있고 스위칭 유닛들(110)의 동작을 제어하는데 이용될 수 있다.
입력 전압 소스들이 광전지 패널들인 경우에, 각각의 H-브리지 변환기(110) 및 공통 모드 인덕터(10)는 예를 들어, 각각의 패널의 접합 박스(junction box) 내에 통합될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2를 참조하여 논의된 실시예들과 유사하게 구성된 공통 모드 인덕터(10) 및 스위칭 유닛(110)의 예시적인 실시예를 보여준다. 더 구체적으로, H-브리지 변환기(21)의 출력 단자들에 결합되는 공통 모드 인덕터(10)의 회로도가 보여지고 있는데, 여기서 H-브리지 변환기는 4개의 메탈 옥사이드 반도체 필드 효과 트랜지스터(MOSFET)들(Q1, Q2, Q3, Q4)의 형태로 4개의 스위치들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 포함하고 있다. 하지만, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)들, 혹은 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)들과 같은 임의의 다른 적절한 스위칭 소자가 공통 모드 인덕터(10)와 함께 사용될 수 있다.
공통 모드 인덕터(10)는 공통 모드 노이즈, 특히 출력 AC 신호의 주파수와 비교하여 상대적으로 높은 주파수를 갖는 노이즈를 억제하도록 스위칭 유닛(110)의 출력 단자들(52, 54)에 연결될 수 있다. 도 3에 표시된 바와 같이, 공통 모드 인덕터(10)의 제 1 권선(11)은 스위칭 유닛(110)의 제 1 출력 단자(52)에 연결될 수 있고, 제 2 권선(12)은 스위칭 유닛(110)의 제 2 출력 단자(54)에 연결될 수 있다. 차동 신호는 제 3 권선(13)과 제 4 권선(14) 내에서, 유도된 전류로서 측정될 수 있다.
제 1 트랜지스터(Q1)의 드레인(D1) 및 제 2 트랜지스터(Q2)의 드레인(D2)은 예를 들어, 광전지 패널(미도시)과 같은 입력 DC 파워 소스의 양극(positive pole)(15)에 전기적으로 연결될 수 있고, 반면 제 1 트랜지스터(Q1) 및 제 2 트랜지스터(Q2) 각각의 소스(S1) 및 소스(S2)는 제 4 트랜지스터(Q4) 및 제 3 트랜지스터(Q3)의 드레인(D4) 및 드레인(D3)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 제 3 트랜지스터(Q3) 및 제 4 트랜지스터(Q4)의 소스(S3) 및 소스(S4)는 입력 DC 파워 소스의 음극(negative pole)(43)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 트랜지스터(Q1)의 소스(S1)는 제 1 출력 단자(52)에서 제 4 트랜지스터(Q4)의 드레인(D4)에 전기적으로 연결될 수 있고, 반면 제 2 트랜지스터(Q2)의 소스(S2)는 제 2 출력 단자(54)에서 제 3 트랜지스터(Q3)의 드레인(D3)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 출력 단자(52) 및 제 2 출력 단자(54)는 파워 인버터 시스템의 공통 라인에 연결될 수 있다(도 3에서는 미도시).
4개의 트랜지스터들(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트 단자들(G1, G2, G3, G4)은 스위치 제어 회로 혹은 마이크로제어기(60)에 전기적으로 연결될 수 있거나, 혹은 (MOSFET들(Q1, Q2, Q3, Q4) 각각의 게이트들(G1, G2, G3, G4)에 게이트 전압을 공급함으로써) MOSFET들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 제어하도록 구성될 수 있다. 스위치 제어 회로 혹은 마이크로제어기(60)는 예를 들어, 스위칭 유닛(110)과 함께 인쇄 회로 보드(printed circuit board)(미도시) 상에 장착될 수 있다. 마이크로-제어기(60)는 또한 공통 모드 인덕터(10)에 연결될 수 있고, 공통 모드 인덕터(10)는 공통 라인 상에서 전송되는 정보를 마이크로제어기에 제공한다.
마이크로제어기(60)는 파워 인버터 시스템(100)의 복수의 스위칭 유닛들(110)로부터의 결합된 출력이 그 요구된 AC와 매칭되는 결합된 다중레벨 AC를 생성하도록 하는 방식으로 인버터 모드에서 스위칭 유닛들(110)을 동작시키도록 구성될 수 있다. 더욱이, 마이크로-제어기(60)는 통신 모드에서 스위칭 유닛(110)을 동작시킬 수 있으며, 이 경우 스위칭 유닛(110)은 복수의 스위칭 유닛들(110) 중 임의의 스위칭 유닛의 두 개의 연속하는 스위칭 이벤트들 사이의 침묵 기간에서 통신 신호를 생성할 수 있다. 이것은 마이크로-제어기(60)에 의해 달성될 수 있는데, 마이크로-제어기(60)는 원하는 통신 신호를 형성하는 출력을 발생시키도록 스위칭 유닛들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 동작시킬 수 있다. 마이크로제어기(60)는 공통 모드 인덕터(10)의 센서 권선(13, 14)에 의해 중앙 유닛으로부터 커맨드 신호를 수신하도록 구성될 수 있고, 그리고 이에 따라 인버터 모드에서 스위칭 유닛(110)을 동작시키도록 구성될 수 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3을 참조하여 논의된 실시예들과 유사하게 구성된 파워 인버터 시스템 및 중앙 유닛을 보여준다. 파워 인버터 시스템(100)은 중앙 유닛(130)에 연결되는 복수의 캐스케이드된 스위칭 유닛들(110)을 포함할 수 있고, 여기서 중앙 유닛(130)은 파워 인버터 시스템(100)에 의해 발생된 통신 신호를 수신하도록 구성될 수 있고 파워 인버터 시스템(100)의 동작을 제어하는 커맨드 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 스위칭 유닛들(110) 각각은 공통 라인(120) 내의 차동 신호를 측정하기 위한 공통 모드 인덕터(10)에 연결될 수 있다. 도 4에서 표시된 바와 같이, 예를 들어, 공통 라인(120) 내의 통신 신호의 반사(reflection)들을 감소시키기 위한 종단기(terminator)(122)와 같은 추가적인 컴포넌트들이 또한 제공될 수 있다. 추가적인 컴포넌트들은, 예를 들어, 출력 AC(VAC)가 예컨대, 그리드에 출력되기 전에 출력 AC(VAC)를 필터링하기 위한 필터(126)일 수 있고, 그리고 예를 들어, 커맨드 신호를 필터링하기 위한 필터(124)일 수 있다. 필터들(124, 126)은 예를 들어, 중앙 유닛(130)과 구조적으로 통합될 수 있다.
도 4에서, 통신 신호 및 커맨드 신호는 점선으로 나타내어지고 있는데, 여기서 화살표는 파워 인버터 시스템(100) 및 중앙 유닛(130)의 동작 동안 신호들의 경로를 도식적으로 표시하기 위해 제공된다. 표시된 바와 같이, 통신 신호 및 커맨드 신호는 파워 인버터 시스템(100)의 스위칭 유닛들(110)로부터 공통 라인(120)을 통해 중앙 유닛(130)으로 순환(circulate)하며, 중앙 유닛(130)으로부터 (통신 신호에 근거할 수 있는) 커맨드 신호가 스위칭 유닛들(110)의 공통 모드 인덕터들(10)로 출력/리턴(output/return)된다. 결합된 출력 AC(VOUT)는 통신 신호 및/또는 커맨드 신호와 동일한 공통 라인(120)에서 전송될 수 있지만 또한 출력 AC(VAC)로서 예컨대, 그리드로 전송될 수 있다.
도 5는 도 1 내지 도 4 중 임의의 도면을 참조하여 설명된 실시예들과 유사하게 구성될 수 있는 파워 인버터 시스템으로부터의 결합된 다중레벨 출력 AC(VOUT)를 예시하는 도면이다. 도면에서, 결합된 출력 AC(VOUT)는 시간(t)(수평 축)에 따른 전류(I)(수직 축)로서 표시되어 있다. 현재, 예시적인 사례로 12개의 캐스케이드된 스위칭 유닛들이 임의의 원하는 정현파 AC(VAC)와 매칭되는 결합된 다중레벨 출력 AC(VOUT)를 발생시키기 위해 사용된다. 스위칭 유닛들의 스위칭 이벤트들은, 수평 축 상에서 t0, t1, ..., tn에 의해 표시되어 있고 커맨드 신호의 스위칭 커맨드들에 대응할 수 있는데, 이러한 스위칭 커맨드들은 스위칭 유닛들로 하여금 상이한 출력 레벨들 간의 스위칭을 일으키도록 한다. 신호전달을 위해 사용될 수 있는 침묵 기간들은 두 개의 연속하는 스위칭 커맨드들 혹은 스위칭 이벤트들(tn, tn+1) 사이의 평평한 단(step)들에 의해 도식적으로 나타내어져 있다. 현재 도면에서, 통신 신호는 스위칭 이벤트들(t0과 t1) 사이의 침묵 기간(T) 동안 발생된다. 이러한 신호는 예를 들어, 해당 기간 동안 통신 모드에서 스위칭 유닛들 중 하나를 동작시킴으로써 발생될 수 있는바, 즉 t0과 t1 사이에서 스위칭 유닛을 복수 회 스위칭시킴으로써 발생될 수 있고 그리고/또는 중앙 유닛의 스위칭 유닛을 유사한 방식으로 스위칭시킴으로써 발생될 수 있다. 따라서 통신 신호 및/또는 커맨드 신호는 결합된 다중레벨 AC 상에 중첩될 수 있다.
앞서의 실시예들 중 임의의 실시예를 참조하여 논의된 바와 같은 공통 모드 인덕터가 이전에 설명된 바와 같은 차동 통신 신호를 측정하기 위한 방법에서 사용될 수 있음이 또한 이해될 것이다. 본 방법에 따르면, 차동 통신 신호는 제 1 권선 및 제 2 권선을 통해 전송될 수 있고, 그리고 차동 통신 신호는 제 3 권선 및 제 4 권선 내에 유도되는 센서 신호에 근거하여 측정될 수 있다. 이러한 방법은 컴퓨터-실행가능 명령들로서 구현될 수 있는데, 여기서 컴퓨터-실행가능 명령들은 이러한 명령들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터-프로그램 제품의 형태로 배포 및 사용된다. 예를 들어, 컴퓨터-판독가능 매체들은 컴퓨터 저장 매체들 및 통신 매체들을 포함할 수 있다. 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 컴퓨터 저장 매체들은 컴퓨터 판독가능 명령들, 데이터 구조들, 프로그램 모듈들, 혹은 다른 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 혹은 기술로 구현되는 휘발성 및 비휘발성, 탈착가능 및 비-탈착가능 매체들을 모두 포함한다. 컴퓨터 저장 매체들은, RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리(flash memory) 혹은 다른 메모리 기술, CD-ROM, 디지털 다용도 디스크(Digital Versatile Disks, DVD) 혹은 다른 광학 디스크 저장소, 자기 카세트(magnetic cassettes), 자기 테이프(magnetic tape), 자기 디스크 저장소(magnetic disk storage) 혹은 다른 자기 저장 디바이스를 포함하지만, 이러한 것으로만 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 통신 매체들이 전형적으로, 컴퓨터 판독가능 명령들, 데이터 구조들, 프로그램 모듈들, 또는 반송파(carrier wave) 혹은 다른 운반 메커니즘과 같은 변조된 데이터 신호 내의 다른 데이터를 포함한다는 것, 그리고 임의의 정보 전달 매체들을 포함한다는 것은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람에게 알려져 있다.

Claims (13)

  1. 공통 모드 노이즈(common mode noise)의 억제(suppression) 및 차동 모드 신호(differential mode signal)의 전송을 위한 공통 모드 인덕터(common mode inductor)(10)로서, 상기 공통 모드 인덕터는,
    제 1 권선(winding)(11) 및 제 2 권선(12)을 갖는 코어(core)(15)와, 여기서 상기 제 1 권선 및 상기 제 2 권선은 차동 통신 신호(differential communication signal)를 전달하도록 되어 있는 전도체(conductor)들의 차동 쌍(differential pair)을 형성하며;
    상기 제 1 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되며 상기 제 1 권선의 상기 적어도 일부분에 유도성으로(inductively) 결합되는 제 3 권선(13)과; 그리고
    상기 제 2 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되며 상기 제 2 권선의 상기 적어도 일부분에 유도성으로 결합되는 제 4 권선(14)을 포함하고,
    상기 제 3 권선과 상기 제 4 권선은 서로 직렬로 연결되어 상기 제 1 권선 및 상기 제 2 권선 내의 상기 차동 통신 신호에 의해 유도되는 센서 신호(sensor signal)를 제공하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공통 모드 노이즈의 억제 및 차동 모드 신호의 전송을 위한 공통 모드 인덕터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 강자성(ferromagnetic) 코어, 링-형상(ring-shaped) 코어, C-형상(C-shaped) 코어 혹은 E-형상(E-shaped) 코어인 것을 특징으로 하는 공통 모드 노이즈의 억제 및 차동 모드 신호의 전송을 위한 공통 모드 인덕터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 권선 및 상기 제 2 권선은 입력 DC 파워 소스(input DC power source)에 연결된 스위칭 유닛(switching unit)(110)으로부터의 차동 출력 AC(differential output AC)를 전달하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공통 모드 노이즈의 억제 및 차동 모드 신호의 전송을 위한 공통 모드 인덕터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차동 통신 신호는 중앙 유닛(central unit)(130)에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 공통 모드 노이즈의 억제 및 차동 모드 신호의 전송을 위한 공통 모드 인덕터.
  5. 시스템으로서, 상기 시스템은,
    입력 DC 파워를 수신하고 출력 AC 파워를 출력하도록 되어 있는 스위칭 유닛과; 그리고
    상기 스위칭 유닛에 연결되어 상기 출력 AC를 차동 출력 AC로서 전달하도록 되어 있는 청구항 제1항에 기재된 공통 모드 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 차동 통신 신호는 상기 스위칭 유닛의 동작을 제어하기 위한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 시스템은 결합된 출력 AC(combined output AC)를 생성하기 위해 서로 연결되는 복수의 스위칭 유닛들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시스템은 또한, 상기 결합된 출력 AC를 전송하도록 되어 있는 공통 라인(common line)(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공통 라인은 상기 차동 통신 신호를 전송하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 입력 DC 파워는 광전지 패널(photovoltaic panel)로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 유닛들은 캐스케이드 구성(cascade configuration)으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 유닛들은 H-브리지 변환기(H-bridge converter)들인 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 공통 모드 인덕터 내의 차동 통신 신호를 측정하기 위한 방법으로서, 상기 공통 모드 인덕터는,
    제 1 권선 및 제 2 권선을 갖는 코어와, 여기서 상기 제 1 권선 및 상기 제 2 권선은 상기 차동 신호를 전달하도록 되어 있는 전도체들의 차동 쌍을 형성하며;
    상기 제 1 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되며 상기 제 1 권선의 상기 적어도 일부분에 유도성으로 결합되는 제 3 권선과; 그리고
    상기 제 2 권선의 적어도 일부분을 따라 연장되며 상기 제 2 권선의 상기 적어도 일부분에 유도성으로 결합되는 제 4 권선을 포함하고,
    상기 제 3 권선과 상기 제 4 권선은 서로 직렬로 연결되며,
    상기 방법은,
    상기 제 1 권선 및 상기 제 2 권선을 통해 차동 통신 신호를 전송하는 단계와; 그리고
    상기 제 3 권선 및 상기 제 4 권선에서 유도된 센서 신호에 근거하여 상기 차동 통신 신호를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공통 모드 인덕터 내의 차동 통신 신호를 측정하기 위한 방법.
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