KR20190103197A - Dc 전력 스위칭 어셈블리 및 방법 - Google Patents

Dc 전력 스위칭 어셈블리 및 방법 Download PDF

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Abstract

DC 전력 스위칭 어셈블리(22)는 복수의 직렬 연결된 전력 스위칭 유닛들(21)을 포함한다. 각각의 전력 스위칭 유닛(21, 45)은 유닛의 제1 단자(23) 및 유닛의 제2 단자(24)를 포함하며, 단자들은 동일한 극성을 갖는다. 유닛의 제1 단자와 제2 단자 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해 제1 단자와 제2 단자 사이에 전력 스위칭 서브-유닛(46, 47)이 전기적으로 커플링된다. 서브-유닛(46, 47)은 적어도 하나의 반도체 디바이스(Q1, Q2), 전류 제한기(L1, L2), 및 전류 제한기와 병렬인 한 쌍의 직렬 연결된 다이오드들(D1, D11, D2, D21)을 포함한다. 직렬 연결된 다이오드들, 및 전류 제한기는 반도체 디바이스의 하나의 단자에 연결되며; 반도체 디바이스의 다른 단자에는 커패시터(C1, C2)가 연결된다.

Description

DC 전력 스위칭 어셈블리 및 방법
본 발명은, 특히 오프쇼어 플랫폼(offshore platform) 또는 선박을 위한 DC 전력 스위칭 어셈블리(switching assembly)에 관한 것이다.
오프쇼어 플랫폼들 또는 선박들, 드릴링 리그(drilling rig)들, 항공기, HVDC 시스템(system)들, 풍력 그리드(grid)들 또는 유사한 DC 시스템들에서, 많은 장비는 임계적인(critical) 것으로 여겨지며, 규제 요건들은 결함(fault)의 경우에 전력의 이용가능성을 특정한다. 결과적으로, 결함이 하나의 섹션(section)에서 발생하면, 이 결함이 다른 섹션으로 전달되지 않고 모든 동작 능력이 손실되지 않도록, 중복적으로, 선박 또는 리그에 있는 장비를 섹션들로 분리(separate)하고 각각의 섹션에 별개의 전력을 제공하는 것이 정상적인 관행이었다. 이 분리는, 상시 개방(normally open)되는, 섹션들 사이의 버스 타이(bus tie)들을 이용하여 동작시키고, 제한된 상황들에서만, 일 측이 다른 측으로부터 전력을 수신하는 것을 가능하게 하기 위해 그러한 버스 타이들을 폐쇄함으로써 달성되었다. 그러나, 이러한 버스 타이들은 저전압 DC 시스템들에 대해서만 이용가능하다. 고전압 시스템들에 대해서는, 기계 차단기들이 사용되어야 한다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, DC 전력 스위칭 어셈블리는 복수의 직렬 연결된 전력 스위칭 유닛(switching unit)들을 포함하며; 각각의 전력 스위칭 유닛은 유닛의 제1 단자 및 유닛의 제2 단자, 그리고 제1 단자와 제2 단자 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해 제1 단자와 제2 단자 사이에 전기적으로 커플링된(coupled) 전력 스위칭 서브-유닛(sub-unit)을 포함하며; 제1 단자와 제2 단자는 동일한 극성을 가지며; 서브-유닛은, 정상 동작에서는 전도하며 제1 단자와 제2 단자 중 하나의 단자에서 결함이 생기는 경우에는 더 이상 전도하지 않는 적어도 하나의 반도체 디바이스(device), 전류 제한기, 및 전류 제한기와 병렬인 한 쌍의 직렬 연결된 다이오드(diode)들을 포함하며, 직렬 연결된 다이오드들, 및 전류 제한기는 반도체 디바이스의 하나의 단자에 연결되며; 직렬 연결된 다이오드들은, 반도체 디바이스가 더 이상 전도하지 않으면 전류 제한기가 방전될 때까지 전류 흐름이 계속될 수 있게 하며; 그리고 반도체 디바이스들이 더 이상 전도하지 않을 때 전압을 차단하기 위해 반도체 디바이스의 다른 단자에는 커패시터(capacitor)가 연결된다.
바람직하게는, 전력 스위칭 유닛은 2 개의 대칭적인 전력 스위칭 서브-유닛들을 포함하고, 각각의 유닛은 일 측에서 제1 전력 스위칭 유닛 단자 및 제2 전력 스위칭 유닛 단자 중 하나에 연결되고, 다른 측에서 다른 서브-유닛에 연결된다.
커패시터는 반도체 디바이스와 직렬로 연결될 수 있지만, 바람직하게는, 커패시터는 반도체 디바이스에 걸쳐 병렬로 연결된다.
바람직하게는, 서브-유닛들 중 하나 또는 각각은 커패시터와 직렬인 저항기를 더 포함한다.
이는 시스템 오실레이션(oscillation)들을 제한하도록 돕는다.
바람직하게는, 서브-유닛들 중 하나 또는 각각은 커패시터와 직렬인 댐핑(damping) 회로를 더 포함한다.
이는 시스템 오실레이션들을 제한하도록 돕는다.
바람직하게는, 반도체 디바이스는 다이오드 또는 트랜지스터(transistor) 중 하나를 포함한다.
바람직하게는, 반도체 디바이스는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)를 포함한다.
바람직하게는, 전류 제한기는 인덕턴스(inductance)를 포함한다.
본 발명의 제2 양상에 따르면, DC 전력 공급 시스템은 제1 DC 배전 버스 섹션(section) 및 제2 DC 배전 버스 섹션, 그리고 제1 양상에 따른 DC 전력 스위칭 어셈블리를 포함하며, 어셈블리의 제1 단자가 배전 버스의 제1 DC 버스 섹션에 전기적으로 커플링되고, 제2 단자가 배전 버스의 제2 DC 버스 섹션에 전기적으로 커플링된다.
바람직하게는, 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1 KV 이상이다.
바람직하게는, 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1 KV 내지 15 KV 범위 내에 있다.
본 발명의 제3 양상에 따르면, 제1 양상 또는 제2 양상에 따른 DC 전력 스위칭 어셈블리를 동작시키는 방법은, 동작 동안 시스템 전압 및 전류를 모니터링(monitoring)하는 단계; 단락이 검출되면, 시스템의 단락 측으로부터의 전류를 차단하기 위해 전력 스위칭 유닛들을 개방하는 단계; 단락이 처리되었다는(cleared) 표시에 대해 모니터링하는 단계; 전류가 전력 스위칭 유닛들을 통과할 수 있도록 전력 스위칭 유닛들을 폐쇄하는 단계; 및 단락의 표시들에 대해 시스템을 계속 모니터링하는 단계를 포함한다.
이제, 본 발명에 따른 DC 전력 스위칭 어셈블리 및 방법의 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 이 도면들에서:
도 1은 저전압 디젤(diesel) 전기 추진 시스템을 위한 회로소자의 예를 예시하고;
도 2a는 고전압 DC 애플리케이션(application)들에 적절한, 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리의 전력 스위칭 유닛의 제1 예를 예시하고;
도 2b는 고전압 DC 애플리케이션들에 적절한, 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리의 전력 스위칭 유닛의 제2 예를 예시하고;
도 3은 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리의 예시적인 토폴로지(topology)를 도시하고;
도 4는 도 3의 전력 스위칭 어셈블리에 대한 전기 등가 회로이고;
도 5a는 도 3의 예에 대한, 시간에 따른 전류 및 전압 곡선들을 예시하고;
도 5b는 도 3의 예에 대한, 시간에 따른 커패시터(C1 및 C2)에서의 전압을 예시하며;
도 6은 본 발명에 따른, 전력 스위칭 어셈블리의 동작 방법의 흐름 다이어그램(diagram)이다.
오프쇼어 선박들 또는 플랫폼들, 또는 원격 드릴링 리그들에 있는 DC 배전 시스템들은 통상적으로, 버스 타이 스위치(switch)에 의해 결합되는(joined) DC 버스 섹션들과 함께 전력원, 이를테면 원동기, 발전기 또는 에너지(energy) 저장소를 포함한다. 안전한 동작을 위한 규제 요건들을 충족시키기 위하여, 시스템의 일 측에서의 결함이 다른 측으로 전파되고 잠재적으로 임계 시스템들, 이를테면 드릴링 장비의 스러스터(thruster)들 또는 필수적인 부품들에 대한 모든 전력을 잃는 것을 방지하기 위해, 버스 타이 스위치는 DC 버스 섹션들을 서로 연결해제(disconnect)할 수 있어야 한다.
통상적으로, 도 1에 도시된 것과 같은, 통상적으로 최대 1000 V DC의 저전압 DC 분배 시스템들 또는 기계 차단기들을 갖는 AC 분배(고전압 및 저전압) 솔루션(solution)들에 대해서는 버스 타이 스위치 또는 차단기 기능이 제공된다. 현재, 해양 및 오프쇼어 시스템들에서 사용하기 위한 고전압 정적 DC 스위치들에 대해서는 제한된 옵션(option)들이 이용가능하다. 통상적으로 10 내지 15 kV에서의 동작을 위한 고전압 등가물(equivalent)들은 이용가능하지 않다. 분류 표준들을 충족시키기 위해 두 개의 독립적으로 동작하는 전력 시스템들이 요구되는 경우, 결함들이 일 측으로부터 다른 측으로 전파되는 것을 방지하기 위해, DC 버스 타이 연결들을 매우 빠르게 연결해제할 필요가 있다. 기존의 저전압 버스 타이 스위치들은 1000 V를 초과하는 전압들에서는 동작할 수 없으며, 10 내지 15 kV 이상 구역의 전압에 대해서는 확실히 동작할 수 없다.
도 1의 예는 저전압 DC 분배에 기반하는 디젤 전기 추진 시스템이고, 복수의 디젤 엔진(engine)들(1)을 포함하며, 복수의 디젤 엔진들(1) 각각은 개개의 발전기 보호 시스템들(P1, P2, P3, P4) 내의 발전기(G1, G2, G3, G4)에 연결된다. 발전기 보호 시스템들은 발전기 제어부(2)를 통합하는 발전기 큐비클(cubicle)(K1, K2, K3, K4)을 포함한다. 각각의 발전기는, 다이오드(4) 및 격리 스위치(5)를 포함하는 라인(line)(3)을 통해 DC 주 스위치보드(switchboard)(S1, S2)에 커플링된다. 발전기들(G1 및 G2)은 스위치보드(S1)에 커플링된다. 발전기들(G3 및 G4)은 스위치보드(S2)에 커플링된다. 스위치보드(S1, S2) 각각으로부터, DC 주 스위치보드와 모터(motor)들(10) 사이의 인버터(inverter)들(9)로의, 또는 필터(filter)(11) 및 트랜스포머(transformer)(12)를 통해 AC 보조 스위치보드(A1, A2)에 커플링되는, 모터 기능을 갖는 축 발전기로의 라인들(8)에, 스위치들(6) 및 퓨즈(fuse)들(7)이 제공된다. 부가하여, DC 주 스위치보드(S1, S2)는 DC-DC 컨버터(DC to DC converter)(20)를 통해 배터리(battery)(19)를 공급한다. AC 보조 스위치보드는 바이패스(bypass)(13) 및 격리 스위치들(14)을 통해 커플링된다. DC 주 스위치보드는, di/dt 리액터(reactor)(18)의 양측에 격리 스위치(16) 및 트랜지스터 다이오드 어레인지먼트(arrangement)(17)를 포함하는 버스 타이 스위치(15)를 통해 연결된다.
도 1의 예는, 버스 타이 스위치(15)를 이하에 설명된 전력 스위칭 어셈블리(22)로 대체함으로써, 고전압 DC 분배를 위해 적응될 수 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리용 전력 스위칭 유닛, 특히, 적응된 도 1의 회로소자에 통합될 수 있는 고전압 DC 시스템들에서 사용하기에 적절한 전력 스위칭 유닛의 제1 예를 예시한다. 도 1의 버스 타이 스위치(15)는 도 3의 전력 스위칭 어셈블리(22) 또는 회로 차단기로 대체된다. 전력 스위칭 어셈블리(22)는, 도 3의 전력 스위칭 어셈블리(22)를 형성하도록 도 3에 예시된 바와 같이 함께 연결된, 도 2a 또는 도 2b에 예시된 복수의 전력 스위칭 유닛들(21)을 포함한다.
전력 스위칭 어셈블리는, 접지 전위로부터 전기적으로 리프팅되는(lifted) 전력 유닛들(21)에 기반하여 고전압 모듈러(modular) DC 버스 타이 스위치를 제공한다. 버스 타이 스위치는, 특정 애플리케이션에 요구되는 토폴로지에 따라 쉽게 부가되거나 또는 제거될 수 있는 복수의 전력 스위칭 유닛 모듈(module)들을 포함한다. 각각의 전력 유닛은 제1 단자(23) 및 제2 단자(24)를 포함하며, 제1 단자(23)와 제2 단자(24) 사이에 서브-유닛 회로(46)가 있으며, 서브-유닛 회로(46)는 반도체 디바이스(Q1), 통상적으로 다이오드 또는 트랜지스터, 커패시터(C1), 다이오드들(D11, D1), 그리고 전류 제한기, 통상적으로 인덕턴스인 인덕터(inductor)(L1)를 포함한다. 제1 단자와 제2 단자는 동일한 극성으로 있는데, 즉, 둘 모두가 양이거나 또는 둘 모두가 음이다. 제1 단자(23) 및 제2 단자(24)는 전류 흐름의 방향에 따라 입력들 또는 출력들일 수 있다. 반도체 디바이스는 정상 동작에서 전도한다. 도 2a에 도시된 일 실시예에서, 대칭 라인(25)의 다른 측에 다른 서브-유닛 회로(46)가 있으며, 다른 서브-유닛 회로(46)는 반도체 디바이스 회로(Q2), 커패시터(C2), 다이오드들(D21, D2), 및 전류 제한 인덕턴스인 인덕터(L2)를 포함한다. 편도 차단기만이 요구되면, 차단기가 동작할 원하는 방향에 따라, 대칭 라인의 일 측에 있는 구성요소들만이 구현된다. 양방향 차단기를 위해서는, 대칭 라인의 양측에 있는, 도 2에 도시된 구성요소들이 구현된다. 양방향 차단기가 구현되는 경우, 통상적으로, 서브-유닛들은 단일 전력 스위칭 유닛 모듈의 일부를 형성하지만, 대안적으로, 예컨대, 별개의 화재 존(zone)들이 있는 오프쇼어 플랫폼 또는 선박에서, 서브-유닛들은, 2 개의 서브-유닛들 사이의 DC 연결에 의해 함께 커플링되는 인접한 화재 존들에 있도록 배열될 수 있다.
선택적으로, 하나의 또는 각각의 서브-유닛 회로(46)는 저항기(R1, R2)를 가질 수 있다. 하나의 또는 각각의 서브-유닛은 커패시터들과 직렬로 제공되는 에너지 흡수 회로(26a, 26b) 또는 댐퍼(damper), 예컨대 다이오드 회로를 가질 수 있다. 저항기 및 댐퍼는 시스템 오실레이션들을 제한하고, 전압 스파이크(spike)들을 억제한다. 댐퍼는 통상적으로, 직렬 연결된 커패시터 및 저항기, 또는 직렬 연결된 인덕턴스 및 저항기를 포함하며, 이들은 이어서, 트랜지스터 또는 다이오드와 병렬로 연결된다. 각각의 서브-유닛의 다이오드들(D1, D2)은 트랜지스터에서 프리휠링(freewheeling) 다이오드들로서 구현될 수 있다. 커패시터들(C1, C2)과 직렬인 선택적인 댐핑 회로(26a, 26b)는 반도체 디바이스의 설계의 일부로서 삽입될(implanted) 수 있다.
트랜지스터 다이오드 회로들(Q1, Q2)은 회로 차단기(22)가 온(ON) 상태에 있을 때 전류를 전도한다. 시스템의 일 측에서 단락이 발생하면, 단락의 방향에 따라, 인덕터(L1, L2) 중 적절한 인덕터가 단락 미분(derivative), 즉 전류의 변화율인 di/dt를 제한하며, 차단기가 개방될 때, 트랜지스터 다이오드 회로들(Q1, Q2) 중 하나가 턴 오프된다(turn off). 인덕터가 방전될 때까지, 인덕터(L1, L2)를 이전에 통과한 전류가 프리휠링 다이오드들(D1, D11, 또는 D2, D21)을 통해 이동하고, Q1, Q2가 턴 오프될 때, 커패시터들(C1, C2) 중 하나가 전압을 차단한다. 트랜지스터들이 턴 오프될 때, 저항기(R1, R2)가 LC 오실레이션 회로를 댐핑(damp)하고, Q1, Q2가 턴 온(turn on)될 때, 커패시터 방전 전류를 또한 제한한다. 시스템의 다른 측에서 단락이 발생하면, 미러(mirror) 구성요소들 중 각각의 구성요소의 다른 하나가 동작하게 된다. 선택적인 저항기들이 외부 저항기들(R1, R2) 또는 커패시터들(C1, C1)에서의 내부 직렬 저항으로서 구현될 수 있다. 오실레이션 회로에서의 인덕턴스는 통상적으로, 도 4에 더욱 상세히 예시된 바와 같이, 유닛들(21)의 수(n)와, 가장 가까운 전압원 또는 커패시터 뱅크(bank)로부터 연결된 전체 직렬의 유닛들에서의 표유 인덕턴스의 곱(product)이다.
도 2b는 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리용 전력 스위칭 유닛, 특히, 적응된 도 1의 회로소자에 통합될 수 있는 고전압 DC 시스템들에서 사용하기에 적절한 전력 스위칭 유닛의 제2 예를 예시한다. 도 1의 버스 타이 스위치(15)는 도 3의 전력 스위칭 어셈블리(22) 또는 회로 차단기로 대체된다. 전력 스위칭 어셈블리(22)는, 도 3의 전력 스위칭 어셈블리(22)를 형성하도록 도 3에 예시된 바와 같이 함께 연결된, 도 2b에 예시된 복수의 전력 스위칭 유닛들(45)을 포함한다.
도 2a의 예에서와 같이, 모듈러 DC 버스 타이 스위칭은 제1 단자(23) 및 제2 단자(24)를 포함하는 전력 스위칭 유닛들에 기반하며, 제1 단자(23)와 제2 단자(24) 사이에 회로(47)가 있으며, 회로(47)는 반도체 디바이스(Q1), 통상적으로 다이오드 또는 트랜지스터, 커패시터(C1), 다이오드들(D11, D1), 그리고 전류 제한 인덕턴스인 인덕터(L1)를 포함한다. 제1 단자(23) 및 제2 단자(24)는 전류 흐름의 방향에 따라 입력들 또는 출력들일 수 있다. 도 2b에 도시된 실시예에서, 대칭 라인(25)의 다른 측에 다른 회로(47)가 있으며, 다른 회로(47)는 반도체 디바이스 회로(Q2), 커패시터(C2), 다이오드들(D21, D2), 및 전류 제한 인덕턴스인 인덕터(L2)를 포함한다. 편도 차단기만이 요구되면, 차단기가 동작할 원하는 방향에 따라, 대칭 라인의 일 측에 있는 구성요소들만이 구현된다. 양방향 차단기를 위해서는, 대칭 라인의 양측에 있는, 도 2b에 도시된 구성요소들이 구현된다.
선택적으로, 각각의 회로(47)는 저항기(R1, R2)를 가질 수 있으며, 커패시터들(C1, C2)과 직렬로 제공되는 댐핑 회로(26a, 26b)를 또한 가질 수 있다. 저항기 및 댐핑 회로는 시스템 오실레이션들을 제한한다. 대안적으로, 도 2b의 예에 예시된 바와 같이, 댐핑 회로(49a, 49b)가 커패시터들과 병렬로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 직렬 및 병렬 댐핑 회로들(26a, 26b, 49a, 49b) 둘 모두가 제공될 수 있다. 이들은 도 2a의 예에 동일하게 적용가능하다. 이 댐퍼(26a, 26b, 49a, 49b) 또는 각각의 댐퍼(26a, 26b, 49a, 49b)는, 트랜지스터 또는 다이오드와 병렬로 연결될 수 있는 직렬 연결된 커패시터 및 저항기 또는 직렬 연결된 인덕터 및 저항기를 포함할 수 있거나; 또는 직렬 연결된 커패시터 및 다이오드와, 커패시터와 병렬인 저항기를 포함할 수 있다. 커패시터들(C1, C2)과 직렬 또는 병렬인 선택적인 댐퍼(26a, 26b, 49a, 49b)는 반도체 디바이스의 설계의 일부로서 삽입될 수 있다. 다이오드들(D1, D2)은 트랜지스터에서 프리휠링 다이오드들로서 구현될 수 있다.
트랜지스터 다이오드 회로들(Q1, Q2)은 회로 차단기(22)가 온(ON) 상태에 있을 때 전류를 전도한다. 시스템의 일 측에서 단락이 발생하면, 단락의 방향에 따라, 인덕터(L1, L2) 중 하나가 단락 미분, 즉 전류의 변화율인 di/dt를 제한하며, 차단기가 개방될 때, 트랜지스터 다이오드 회로들(Q1, Q2) 중 하나가 턴 오프된다. 인덕터(L1, L2)를 이전에 통과한 전류가 프리휠링 다이오드들(D1, D11, 또는 D2, D21)을 통해 이동하고, Q1, Q2가 턴 오프될 때, 커패시터들(C1, C2) 중 하나가 전압을 차단한다. 트랜지스터들이 턴 오프될 때, 저항기(R1, R2)가 LC 오실레이션 회로를 댐핑하고, Q1, Q2가 턴 온될 때, 커패시터 방전 전류를 또한 제한한다. 시스템의 다른 측에서 단락이 발생하면, 미러 구성요소들 중 각각의 구성요소의 다른 하나가 동작하게 된다.
도 2b의 예의 구조적 어레인지먼트는, 도 2b에서는, 커패시터에 연결되는 트랜지스터 다이오드 회로의 단자가 전력 스위칭 유닛의 단자(23, 24)에 또한 연결되는 반면에, 도 2a에서는, 트랜지스터 다이오드 회로의 그 단자는 다른 서브-유닛에 있는 트랜지스터 다이오드 회로의 등가 단자에 연결되었다는 점에서, 도 2a의 예와는 상이하다. 도 2a에서, 유닛의 단자에 연결되었던 직렬 연결된 다이오드들 및 전류 제한기에 연결된 것은, 트랜지스터 다이오드 회로의 단자였다. 도 2a의 예에서와 같이, 선택적인 저항기들이 외부 저항기들(R1, R2) 또는 커패시터들(C1, C1)에서의 내부 직렬 저항으로서 구현될 수 있다. 오실레이션 회로에서의 인덕턴스는 통상적으로, 도 4에 더욱 상세히 예시된 바와 같이, 유닛들(21)의 수(n)와, 가장 가까운 전압원 또는 커패시터 뱅크로부터 연결된 전체 직렬의 유닛들에서의 표유 인덕턴스의 곱(product)이다.
통상적으로, 복수의 유닛들(21, 45)은 도 3에서와 같이 직렬로 함께 연결되고, 이어서, DC 주 스위치보드의 양측(S1, S2) 사이의 전력 공급 시스템에 연결된다. 도 3의 어레인지먼트는 전력 유닛들(21, 45)이 단지 하나의 극성으로, 즉 양으로 DC 버스의 양측 사이에서 연결된다는 것을 의미한다. 이는 구성을 덜 복잡하게 그리고 만들기 쉽게 한다. 낮은 인덕턴스 커패시터 뱅크가 전력 스위칭 어셈블리(22) 외부의 DC 버스 바(bar)에 연결되면, DC 버스의 양측의 음극들 사이에 전력 유닛들을 연결할 필요가 없지만, 부가적인 예방책으로서, 선택적으로, 커패시터 뱅크들(48)은 측 1 및 측 2 중 어느 하나 또는 양측의 극들에 걸쳐 연결될 수 있다. 도 2와 관련하여 설명된 유형의 선택적인 저항기(미도시) 또는 댐퍼 회로(미도시)가 커패시턴스(capacitance)(148)와 직렬로 부가될 수 있다. U1, U2...Un로서 표시된, 임의의 수의 직렬 연결된 유닛들이 사용될 수 있으며, 여기서, Un은 무한 유닛 번호일 수 있다. 기계 스위치들(27)은 양극 및 음극의 측 1 및 측 2에 제공되며, 이들 스위치들은, 표유 전류(stray current)들이 일 측으로부터 다른 측으로 전달되는 것을 차단하기 위해 전력 스위칭 어셈블리(22)의 양측 사이의 갈바닉(galvanic) 분리를 제공한다. 이들 유닛들은 대체로 자립적(self contained)이어서, 전류 스파이크들로부터 이들 유닛들을 보호하기 위한 외부 인덕턴스에 대한 필요가 방지되며, 이에 따라 어셈블리 내의 단락들의 잠재적인 원인이 제거된다.
도 4는 도 2a에 예시된 전력 스위칭 유닛들(21)을 포함하는, 본 발명에 따른 전력 스위칭 어셈블리에 대한, 도 3의 전력 스위칭 어셈블리의 전기 등가를 예시하지만, 전력 스위칭 유닛들은 동등하게 도 2b의 예의 전력 스위칭 유닛들일 수도 있는데, 그 이유는 도 5a 및 도 5b의 모델링된(modelled) 결과들이 유닛들(21, 45)의 어느 하나의 예에 적용되기 때문이다. 음극에서, 측 1 및 측 2에 표유 인덕턴스(40)가 있을 뿐만 아니라, 기계 스위치들(27) 사이에 표유 인덕턴스(41)가 있다. 양극에서, 측 1 및 측 2에 표유 인덕턴스(42)가 있을 뿐만 아니라, 전력 유닛들(21) 각각과 기계 스위치들(27) 사이에 표유 인덕턴스(43)가 있으며, 그리고 또한 2 개의 전력 유닛들 사이에 표유 인덕턴스(44)가 있다. 측 1로부터의 입력(28) 및 측 2로부터의 입력(29)은 대형 커패시터 또는 전압원으로서 취급된다. DC 전력 공급 시스템의 측 1 또는 측 2에서의 고장(failure), 이를테면 이 예에서는 측 2에 도시된 단락(30)의 경우에, 시스템의 다른 측, 이 예에서는 측 1에서의 안정된 전압에 대해서는 어떤 중단도 없다.
직렬로 연결된 2 개의 전력 유닛들(21) 및 측 1에 2000 V DC 전압원을 갖는 전력 스위칭 어셈블리(22)의 시뮬레이션(simulation)으로부터의 전류 및 전압의 예가 도 5a 및 도 5b에 도시된다. 도 5a에서, 곡선(31)은 시간에 따른, 결함 또는 고장을 갖는 측인 측 2에서의 전류의 변동(variation)을 표현하며, 곡선(32)은 시간에 따른, 측 2에서의 DC 전압의 변동을 표현한다. 도 5b는 전력 유닛 자체에 대한 전압을 도시한다. 곡선(33)은 전력 유닛(21)에서의 커패시터(C1)에 걸친 DC 전압을 표현하고, 곡선(34)은 전력 유닛에서의 커패시터(C2)에 걸친 DC 전압을 표현한다. 전압 축적(build up)은 유닛들(21) 전부에 대해 동일한데, 그 이유는 유닛들(21)이 직렬로 있기 때문이다.
초기에, 회로 차단기는 개방되고, 트랜지스터 또는 다이오드 누설 임피던스(impedance)에 기인하여 전압(31)은 측 2에서 높다. 측 2에서의 전류(32)는 초기에 0이고, 전력 유닛(U1)의 커패시터들에 걸친 DC 전압(33, 34)은 없다. 시간(0.1 ms)에서, 2 MW 부하가 연결되고, 차단기는 여전히 개방된 상태이지만, 측 1에서, 전력 유닛(21)에서의 커패시터들은 각각 전체 전압원의 ½, 즉 1000 V로 충전되기 시작하는데, 그 이유는 직렬로 2 개의 유닛들이 있기 때문이다. DC 전압(31)은 0으로 떨어지고, 이어서, 측 2에서의 전압(31) 및 전류(32) 둘 모두가 상승하기 시작한다. 약 0.15 ms에서, 전압(31) 및 전류(32)는 차츰 작아지기 시작하고, 0.6 ms까지 0으로 떨어진다. 0.1 ms와 0.6 ms 사이에서, 커패시터(C2)에 걸친 전압(34)은 1 KV에 가깝게 상승하지만, C1에 걸친 전압(33)은 계속 0에 있다.
시간(0.6 ms)에서, 회로 차단기 폐쇄의 효과가 예시된다. 커패시터 뱅크들에서의 전압(34)이 0으로 떨어지며, 이는 유닛 인덕턴스 및 커패시터 직렬 저항기에 의해 제어된다. C1에 걸친 전압(33)이 계속 0에 있는 한편, 측 2에서의 전압(31) 및 전류(32) 둘 모두는 초기에 상승하고, 이어서, 안정된다(level off). 시간(0.80 ms)에서, 측 2에서의 단락의 효과가 예시되며, 여기서, 이상적인 차단기가 즉시 폐쇄되어서, 측 2에서의 전압(31)이 0으로 떨어지고 측 2에서의 전류(32)의 스파이크가 유발된다. 바로 그 후(시간(0.82 ms)에서 도시됨), 차단기는 개방되고, 제어 시스템은 단락을 검출하며, 제어 시스템은 트랜지스터들을 개방한다. 커패시터(C2)에 걸친 전압(34)이 최고조에 달하고, 이어서, 1 KV를 향해 차츰 작아지기 시작하는 한편, 전압(33)은 유사한 패턴(pattern)을 따라, 500 V 미만의 값으로 상승하기 시작한다. 동시에, 측 2에서의 전류(32)는 0 미만으로 떨어지고, 전압(31)은 계속 0에 있다.
시간(0.95 ms)에서, 단락이 처리되고, 차단기가 개방되어서, 전류(32) 및 전압(31)이 0으로 복귀되고, 커패시터들에 걸친 전압들(33, 34)이 안정된다. 시간(1.20 ms)에서, 차단기가 폐쇄되고, 부하가 여전히 연결된 상태이며, 유닛들에서의 커패시터들이 0으로 방전되는 한편, 측 2에서의 전류(32) 및 전압(31)은 상승하고 그리고 안정된다. 시간(1.4 ms)에서, 차단기는 개방되고, 전압(34)은 올라가며, 그리고 유닛들에서의 커패시터들은 충전된다. 전압(31) 및 전류(32)는 0을 향해 차츰 작아진다. 도시된 예에서, 전압은 시간(1.4 ms)부터 1 KV로 올라가지만, 전류는 6000 A 미만의 값으로 제한되며, 이에 따라 구성요소들, 특히 트랜지스터들 및 다이오드들은 발생하는 결함에 의해 과응력을 받지 않는다. 손상 없이 전류가 상승할 수 있는 정도는 전력 스위칭 유닛들에서의 전압 및 구성요소 정격에 따라 좌우된다. 반도체 디바이스들의 전압 차단 효과는 또한, 고전압들에서 구성요소들을 보호하는 데 유익하다.
도 6은 본 발명에 따른 DC 전력 스위칭 어셈블리의 동작 방법의 예를 도시하는 흐름 다이어그램이다. 회로에 부하가 연결될 수 있으며(50), 전력 스위칭 어셈블리(22)의 버스 타이 스위치들은 정상 동작을 위해 폐쇄되도록 세팅된다(set)(51). 정상 동작에서, 서브-유닛 내의 트랜지스터 다이오드 회로소자가 전도한다. 시스템 제어기(미도시)는 동작 동안 시스템 전압 및 전류를 모니터링(monitor)한다(52). 전력 스위칭 어셈블리(22)의 일 측에서의 단락의 검출(53) 시, 제어기는 차단기들이 개방되게 하고(54) 방향에 따라 적절한 서브-유닛(46) 내의 트랜지스터 다이오드 회로소자를 개방하며(55), 이에 따라 전류 또는 전압을 차단하기 위해 서브-유닛에서의 반도체 디바이스(Q1, Q2)는 더 이상 전도하지 않는다. 반도체 디바이스가 더 이상 전도하지 않으면, 서브-유닛의 직렬 연결된 다이오드들(D1, D11 또는 D2, D21)은, 서브-유닛의 전류 제한기(L1, L2)가 방전될 때까지 전류 흐름이 계속되도록 허용하며, 반도체 디바이스의 다른 단자에 연결된 커패시터(C1, C2)는 전압을 차단한다. 단락의 원인이 제거되고(56) 처리된 후에, 시스템은 차단기를 다시 폐쇄하여서(57), 관련 서브-유닛의 트랜지스터 다이오드 회로를 폐쇄하여 전류 또는 전압을 다시 허용할 수 있으며, 정상 동작이 재개되는데(58), 시스템 제어기는 다른 단락이 발생하는지를 결정하기 위해 전류 및 전압을 계속 모니터링한다(52).
본 발명의 회로소자는, 일반적으로 이용가능한 구성요소들에 기반하여 임의의 DC 전압 수준에 대해 사용될 수 있으며, 특히, 고전압 수준들에서, 즉 1000 V를 초과하는 전압 수준에서, 1 kV 내지 10 kV 범위에서, 1 kV 내지 15 KV 범위에서, 또는 심지어 15 KV를 훨씬 초과하는 전압 수준에서도 사용될 수 있는 정적 DC 회로 차단기를 제공한다. 2 개의 직렬 연결된 전력 스위칭 유닛들에 대한 예들이 제공되었지만, 임의의 요구되는 전압에 대해, 각각의 유닛이 동작하도록 정격되는 전압을 고려하여 유닛들 전부에 걸쳐 실질적으로 동등하게 총 전압 요건을 분할함으로써 전력 스위칭 어셈블리를 형성하도록, 직렬인 전력 스위칭 유닛들의 수가 선정된다. 현재 바람직한 전압들은 대략 10 KV 내지 15 KV이지만, 모듈러 접근법은, 추가적인 유닛들을 부가함으로써 100 KV에서의 동작이 달성되는 것을 가능하게 한다.

Claims (12)

  1. DC 전력 스위칭 어셈블리(switching assembly)로서,
    복수의 직렬 연결된 전력 스위칭 유닛(unit)들을 포함하며;
    각각의 전력 스위칭 유닛은 상기 유닛의 제1 단자 및 상기 유닛의 제2 단자, 그리고 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 전기적으로 커플링된(coupled) 전력 스위칭 서브-유닛(sub-unit)을 포함하며;
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자는 동일한 극성을 가지며;
    상기 서브-유닛은, 정상 동작에서는 전도하며 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 중 하나의 단자에서 결함(fault)이 생기는 경우에는 더 이상 전도하지 않는 적어도 하나의 반도체 디바이스(device), 전류 제한기, 및 상기 전류 제한기와 병렬인 한 쌍의 직렬 연결된 다이오드(diode)들을 포함하며, 상기 직렬 연결된 다이오드들, 및 상기 전류 제한기는 상기 반도체 디바이스의 하나의 단자에 연결되며;
    상기 직렬 연결된 다이오드들은, 상기 반도체 디바이스가 더 이상 전도하지 않으면 상기 전류 제한기가 방전될 때까지 전류 흐름이 계속될 수 있게 하며; 그리고
    상기 반도체 디바이스들이 더 이상 전도하지 않을 때 전압을 차단하기 위해 상기 반도체 디바이스의 다른 단자에는 커패시터(capacitor)가 연결되는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 스위칭 유닛은 2 개의 대칭적인 전력 스위칭 서브-유닛들을 포함하고, 각각의 유닛은 일 측에서 제1 전력 스위칭 유닛 단자 및 제2 전력 스위칭 유닛 단자 중 하나에 연결되고, 다른 측에서 다른 서브-유닛에 연결되는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 반도체 디바이스에 걸쳐 병렬로 연결되는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브-유닛들 중 하나 또는 각각은 상기 커패시터와 직렬인 저항기를 더 포함하는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브-유닛들 중 하나 또는 각각은 상기 커패시터와 직렬인 댐핑(damping) 회로를 더 포함하는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 디바이스는 다이오드 또는 트랜지스터(transistor) 중 하나를 포함하는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 디바이스는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)를 포함하는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 제한기는 인덕턴스(inductance)를 포함하는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리.
  9. DC 전력 공급 시스템(system)으로서,
    제1 DC 배전 버스 섹션(bus section) 및 제2 DC 배전 버스 섹션, 그리고 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 DC 전력 스위칭 어셈블리를 포함하며,
    상기 어셈블리의 제1 단자가 배전 버스의 제1 DC 버스 섹션에 전기적으로 커플링되고 제2 단자가 상기 배전 버스의 제2 DC 버스 섹션에 전기적으로 커플링되는,
    DC 전력 공급 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1 KV 이상인,
    DC 전력 공급 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전력 스위칭 어셈블리의 일 측에서의 전압은 1 KV 내지 15 KV 범위 내에 있는,
    DC 전력 공급 시스템.
  12. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 DC 전력 스위칭 어셈블리를 동작시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    동작 동안 시스템 전압 및 전류를 모니터링(monitoring)하는 단계;
    단락이 검출되면, 상기 시스템의 단락 측으로부터의 전류를 차단하기 위해 상기 전력 스위칭 유닛들을 개방하는 단계;
    상기 단락이 처리되었다는(cleared) 표시에 대해 모니터링하는 단계;
    전류가 상기 전력 스위칭 유닛들을 통과할 수 있도록 상기 전력 스위칭 유닛들을 폐쇄하는 단계; 및
    단락의 표시들에 대해 상기 시스템을 계속 모니터링하는 단계
    를 포함하는,
    DC 전력 스위칭 어셈블리를 동작시키는 방법.
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