KR20220020955A - 멀티레벨 변환기를 위한 전압 밸런스 시스템 및 방법 - Google Patents

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라마누잠 라마바드란
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

멀티레벨 변환기 시스템이 제공된다. 시스템은 변환기 및 변환기와 인터페이싱되는 변환기 제어기를 포함한다. 변환기 제어기는 전압 루프, 전류 루프 및 전압 보상 루프를 포함한다. 전압 루프는 변환기의 제1 및 제2 세그먼트로부터 제1 및 제2 전압 및 기준 전압을 수신하도록 구성된다. 전류 루프는 변환기의 전류 출력, 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류를 수신하도록 구성된다. 전압 보상 루프는 제1 및 제2 전압 및 부호 신호를 수신하도록 구성된다. 변환기 제어기는 전류 루프로부터의 출력 신호 및 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 및 제2 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성하도록 구성된다. PWM 신호는 변환기의 스위치를 제어하고, 제1 전압을 제2 전압과 밸런싱하도록 구성된다.

Description

멀티레벨 변환기를 위한 전압 밸런스 시스템 및 방법
본 개시의 분야는 일반적으로 전압 밸런스 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 멀티레벨 변환기의 상이한 세그먼트 사이의 전압을 밸런싱하는 데 밸런싱 기준 전류를 사용하는 전압 밸런스 시스템에 관한 것이다.
산업계는 메가와트 레벨 또는 그 이상에 도달할 수 있는 고전력 장비를 요구하기 시작했다. 이러한 장비에서, 멀티레벨 변환기는 고전압 작업을 가능하게 한다. 멀티레벨 변환기는 전형적으로 전력 반도체 및 커패시터 전압 소스의 어레이를 포함한다. 전력 반도체로 형성된 스위치의 정류는 커패시터 전압을 추가할 수 있게 하고 높은 출력 전압에 도달할 수 있게 한다. 그러나, 커패시터 양단의 전압은 일반적으로 밸런싱되어야 한다. 그렇지 않으면, 과전압 또는 저전압으로 인해 시스템이 트립(trip)될 수 있다.
일 양상에서, 멀티레벨 변환기 시스템이 제공된다. 멀티레벨 변환기 시스템은 변환기, 밸런싱 기준 전류 생성기 및 변환기 제어기를 포함한다. 변환기는 제1 세그먼트 및 제1 세그먼트에 전기적으로 연결된 제2 세그먼트를 포함하고, 제1 및 제2 세그먼트는 각각 제1 전류를 제2 전류로 변환하도록 구성된다. 제1 세그먼트는 복수의 제1 스위치를 포함한다. 제2 세그먼트는 복수의 제2 스위치를 포함한다. 밸런싱 기준 전류 생성기는 밸런싱 기준 전류를 생성하도록 구성된다. 변환기 제어기는 변환기와 인터페이싱된다. 변환기 제어기는 전압 루프, 전류 루프 및 전압 보상 루프를 포함한다. 전압 루프는 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 제2 세그먼트로부터 제2 전압 및 기준 전압을 수신하도록 구성된다. 전압 루프는 기준 전류를 생성하도록 더 구성된다. 전류 루프는 변환기의 전류 출력, 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하도록 구성된다. 전류 루프는 변환기의 전류 출력, 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하도록 더 구성된다. 전압 보상 루프는 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 제2 세그먼트로부터 제2 전압 및 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하고, 제1 전압, 제2 전압 및 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하도록 구성된다. 변환기 제어기는 전류 루프로부터의 출력 신호 및 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 펄스 폭 변조(PWM) 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성된다. 제1 PWM 신호는 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성된다. 제2 PWM 신호는 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성된다. 제1 및 제2 PWM 신호는 제1 전압을 제2 전압과 밸런싱하도록 구성된다.
다른 양상에서, 멀티레벨 변환기를 위한 변환기 제어기가 제공된다. 변환기 제어기는 전압 루프, 전류 루프 및 전압 보상 루프를 포함한다. 전압 루프는 변환기의 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 변환기의 제2 세그먼트로부터 제2 전압 및 기준 전압을 수신하도록 구성된다. 전압 루프는 기준 전류를 생성하도록 더 구성된다. 전류 루프는 변환기로부터의 전류 출력, 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하도록 구성된다. 전류 루프는 멀티레벨 변환기의 전류 출력, 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하도록 더 구성된다. 전압 보상 루프는 제1 및 제2 전압 및 멀티레벨 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하고, 제1 및 제2 전압 및 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하도록 구성된다. 변환기 제어기는 전류 루프로부터의 출력 신호 및 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 PWM 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성된다. 제1 PWM 신호는 변환기의 제1 세그먼트의 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성된다. 제2 PWM 신호는 변환기의 제2 세그먼트의 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성된다. 제1 및 제2 PWM 신호는 제1 전압을 제2 전압과 밸런싱하도록 구성된다.
또 다른 양상에서, 전원 시스템을 작동시키는 방법이 제공된다. 방법은 변환기 제어기의 전압 루프에서, 멀티레벨 변환기의 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 멀티레벨 변환기의 제2 세그먼트로부터의 제2 전압 및 기준 전압을 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 전압 루프에 의해 기준 전류를 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 변환기 제어기의 전류 루프에서, 멀티레벨 변환기로부터 전류 출력, 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하는 단계를 더 포함한다. 방법은 또한 전류 루프에 의해, 멀티레벨 변환기의 전류 출력, 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 변환기 제어기의 전압 보상 루프에서, 제1 및 제2 전압 및 멀티레벨 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 전압 보상 루프에 의해, 제1 및 제2 전압 및 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 전류 루프로부터의 출력 신호 및 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 펄스 폭 변조(PWM) 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다. 제1 PWM 신호는 멀티레벨 변환기의 제1 세그먼트의 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성된다. 제2 PWM 신호는 멀티레벨 변환기의 제2 세그먼트의 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성된다. 제1 및 제2 PWM 신호는 제1 전압을 제2 전압과 밸런싱하도록 구성된다.
도 1은 예시적인 멀티레벨 변환기를 포함하는 예시적인 전원 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 멀티레벨 변환기를 제어하는 데 사용될 수 있는 변환기 제어기의 블록도이다.
도 3은 전원 시스템을 작동시키는 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 밸런싱 기준 전류가 변환기 제어기에서 사용되지 않을 때 도 1에 도시된 멀티레벨 변환기의 상이한 세그먼트의 전압 출력을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 2에 도시된 변환기 제어기에서 밸런싱 기준 전류가 사용될 때 도 1에 도시된 멀티레벨 변환기의 상이한 세그먼트의 전압 출력을 보여주 그래프이다.
도 6은 도 5에 도시된 그래프의 확대 부분이다.
도 7은 버스 전압을 변화시키면서 도 2에 도시된 변환기 제어기에서 밸런싱 기준 전류가 사용될 때 도 1에 도시된 멀티레벨 변환기의 상이한 세그먼트의 전압 출력을 보여주는 그래프이다.
도 8은 다른 예시적인 멀티레벨 변환기의 개략도이다.
변환기 제어기에서 밸런싱 기준 전류를 사용하여 멀티레벨 변환기의 세그먼트들 간에 전압을 밸런싱하기 위한 시스템 및 방법의 예시적인 실시예가 본 명세서에 설명된다. 기준 전류 외에, 밸런싱 기준 전류가 변환기 제어기에서 사용되어 멀티레벨 변환기의 전류 출력에서 전류 에러를 도출하고, 전류 에러는 변환기를 제어하기 위한 피드백으로서 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 0 부하 및 0에 가까운 부하를 포함하는 모든 부하 조건에 대해 밸런싱된 전압을 유지하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로 변환기는 안정적이다.
멀티레벨 변환기를 제어하기 위해, 변환기 제어기는 변환기의 스위치를 제어하는 펄스 폭 변조 기능을 생성한다. 기준 전압과 기준 전류는 변환기 제어기에 대한 피드백 루프의 입력으로서 사용된다. 기존의 전압 밸런싱 기법이 사용되면, 변환기의 전류가 비교적 작을 때, 변환기 제어기에 의해 생성된 제어 신호가 너무 작아서 검출된 에러에 응답하고 세그먼트 간의 전압을 밸런싱하도록 스위치를 효과적이고 정확하게 구동하지 못할 수도 있다. 이에 반해, 본 명세서에 개시된 실시예를 사용하면, 전류 레벨이 비교적 작은 경우에도 밸런스와 안정성이 유지된다.
도 1은 멀티레벨 변환기(100)를 포함하는 예시적인 전원 시스템(101)의 개략도이다. 예시적인 실시예에서, 전원 시스템(101)은 직류(DC) 전력 그리드(111)를 포함할 수 있다. DC 전력 그리드(111)는 소비자에게 전력을 공급하는 부하 버스일 수 있다. DC 전력 그리드는 전력을 생성하는 소스 버스일 수도 있다. 전원 시스템(101)은 배터리 측(102) 및/또는 버스 측(104)에 광전지(PV) 시스템(113, 114), 전기 자동차(EV) 충전기(133, 134), 또는 둘 다를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 멀티레벨 변환기(100)는 대칭 3 레벨 부스트 변환기이다. 부스트 변환기에서, 출력 전압은 입력 전압보다 높다. 멀티레벨 변환기는 2개 초과의 출력 전압 레벨을 갖는 변환기이다. 예를 들어, 도 1의 변환기(100)는 변환기의 스위치의 온-오프 상태에 따라 3개의 출력 전압 레벨을 갖는다. 멀티레벨 변환기는 출력 전압을 높이고 출력 신호의 파형과 고조파를 개선하는 데 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 변환기(100)는 배터리 측(102) 및 버스 측(104)을 포함한다. 배터리 측(102)에서, 변환기(100)는 배터리 스트링(106)을 포함한다. 배터리 스트링(106)은 하나 이상의 에너지 셀을 포함할 수 있다. 변환기(100)는 배터리 측(102) 상의 복수의 커패시터(112)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 버스 측(104)에서, 변환기(100)는 제1 세그먼트(126) 및 제2 세그먼트(127)를 포함한다. 제1 및 제2 세그먼트(126, 127)의 토폴로지는 대칭일 수 있다. 변환기(100)의 제1 세그먼트(126)는 복수의 제1 스위치(S1, S1')를 포함한다. 제2 세그먼트(127)는 복수의 제2 스위치(S2, S2')를 포함한다. 변환기(100)는 복수의 커패시터(116, 117) 및 복수의 인덕터(118)를 더 포함할 수 있다. 스위치(S1, S1', S2, S2')는 예를 들어, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)(119, 120, 121, 122)를 포함할 수 있다. 스위치(S1, S1', S2, S2')는 MOSFET(119, 120, 121, 122)의 바디 다이오드인 다이오드(124) 또는 별개의 역병렬 다이오드(미도시)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 동작시, 제1 커패시터(116) 양단의 전압은 Vbus1이고 제2 커패시터(117) 양단의 전압은 Vbus2이다. 변환기(100)가 승압 변환기(step-up converter)로서 기능하는 경우, 배터리 스트링(106), EV 충전기(134) 및/또는 PV 시스템(114)으로부터 하나의 전압 레벨에서의 DC 전력을 버스(110)에서의 더 높은 전압 레벨로 변환한다. 변환기(100)가 감압 변환기(step-down converter)로서 기능하면, 배터리 스트링(106) 및/또는 EV 충전기(134)를 충전하기 위해 버스(110)에서의 DC 전력을 배터리 측(102)의 더 낮은 전압 레벨로 변환한다.
멀티레벨 변환기의 경우, 세그먼트(126, 127)의 전압(Vbus1 및 Vbus2)은 회로의 트립을 피하기 위해 밸런싱되어야 한다. Vbus1과 Vbus2의 차이의 크기가 사전결정된 임계값보다 작을 때 전압 Vbus1과 Vbus2는 밸런싱된다. 일부 실시예에서, 임계값은 100볼트(V)이다. 이와 달리, 사전결정된 임계값은 변환기(100)가 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 값일 수 있다.
변환기(100)는 변환기 제어기(200)(도 1에 도시되지 않음)에 의해 제어된다. 변환기 제어기(200)는 예시적인 실시예에서 변환기(100)의 스위치(S1, S1', S2, S2')를 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 기반 변환기 제어기이다. 예를 들어, PWM 신호는 MOSFET(119, 120, 121, 122)의 게이트(128, 129, 130, 131)에 공급될 수 있다. 변환기 제어기(200)는 피드백 메커니즘을 사용하여 전압 출력(201)(도 1에 도시되지 않음) 및/또는 전류 출력(202)(도 1에 도시되지 않음)을 제어하여 출력이 사전결정된 사양을 충족하도록 한다. 예시적인 실시예에서, 배터리 측(102)과 버스 측(104) 사이에 흐르는 전류(i)는 전류 출력(202)이고 전압
Figure pct00001
(
Figure pct00002
+
Figure pct00003
)은 변환기 제어기(200)에 대한 피드백으로서 사용될 전압 출력(201)이다.
작동시, PV 시스템(114)과 EV 충전기(134) 중 적어도 하나는 배터리 측(102)에서 변환기(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. 변환기(100)의 버스 측(104)은 DC 전력 그리드(111), PV 시스템(113) 및/또는 EV 충전기(133)에 전기적으로 연결될 수 있다. 변환기(100)는 배터리 측(102)에서 버스 측(104)으로, 또한 버스 측(104)에서 배터리 측(102)으로 전력을 전송할 수 있도록 양방향일 수 있다. 이러한 구성을 사용하면, 전력 수요가 낮을 때, DC 전력 그리드(111), PV 시스템(113) 및/또는 EV 충전기(133)로부터의 전력은 버스(110)를 통해 전송되고 DC 전력으로 변환되어 배터리 스트링(106) 및/또는 EV 충전기(134)를 충전하여 전력을 저장한다. 대조적으로, 전력 수요가 높을 때, 배터리 스트링(106) 및/또는 EV 충전기(115)에 저장되고/되거나 PV 시스템(114)으로부터 전달된 전력은 DC 전력 그래드(111) 및 EV 충전기(133)에 공급된다.
도 2는 예시적인 변환기 제어기(200)의 개략도이다. 변환기 제어기(200)는 변환기(100)(도 1에 도시됨)를 제어하는 데 사용되며, 유사한 참조 번호는 유사한 특징을 지정하는 데 사용된다. 변환기 제어기(200)는 PWM 기반 제어기이며, 변환기 제어기(200)의 제어 기능은 변환기 제어기(200)의 펄스 폭 변조기의 듀티 사이클 함수(d)에 매핑된다. 생성된 듀티 사이클 함수(d)를 사용하여, 펄스 폭 변조기는 변환기(100)의 스위치(S1, S1', S2, S2')를 제어하는 데 사용되는 PWM 신호를 생성한다. 변환기 제어기(200)의 제어 기능은 전압 에러 및/또는 전류 에러로부터 도출될 수 있다. 변환기 제어기(200)는 예를 들어, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서, 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이를 사용하여 디지털 방식으로 구현되거나 아날로그 형태로 구현될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 변환기 제어기(200)는 변환기(100)의 전압 출력(Vbus)(201)의 전압 에러(203)와 변환기(100)의 전류 출력(i)(202)의 전류 에러(205)를 변환기(100)를 제어하기 위한 피드백으로서 사용한다. 전압 출력(Vbus)(201)은 Vbus1및 Vbus2의 합(즉,
Figure pct00004
)이다. 변환기 제어기(200)는 전압 에러(203) 및 전류 에러(205)를 사용하여 PWM 신호(208, 209)를 생성하고, 이는 그 다음에 변환기(100)의 스위치(S1, S1', S2, S2')를 제어하는 데 사용된다. 전압 에러(203)는 전압 출력(201)과 변환기(100)에 대한 원하는 출력 전압인 기준 전압(
Figure pct00005
)(246)의 차이다. 기준 전압 생성기(207)는 기준 전압(
Figure pct00006
)(246)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 기준 전압 생성기(207)는 변환기 제어기(200)를 기준 전압 생성기(207)에 전기적으로 연결함으로써 변환기 제어기(200)와 인터페이싱할 수 있다. 이와 달리, 기준 전압 생성기(207)는 광학적으로, 자기적으로, 또는 전원 시스템(101)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 다른 방식으로 변환기 제어기(200)와 인터페이싱할 수 있다. 유사하게, 전류 에러(205)는 전류 출력(202)과 변환기(100)에 대한 원하는 출력 전류인 기준 전류(i*)(248)의 차이다. 기준 전류(i*)(248)는 기준 전압(
Figure pct00007
)(246)으로부터 유도되거나 기준 전류 생성기에 의해 생성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 스위치(S1, S1', S2, S2')의 온/오프 상태를 제어하기 위해, 제1 PWM 신호(208)는 MOSFET(119, 120)(도 1에 도시됨)의 게이트(128, 129)(도 1에 도시됨)에 공급되고, 제2 PWM 신호(209)는 MOSFET(121, 122)(도 1에 도시됨)의 게이트(130, 131)(도 1에 도시됨)에 공급된다.
예시적인 실시예에서, 변환기 제어기(200)는 전압 루프(204), 전류 루프(206) 및 전압 보상 루프(258)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전압 루프(204)는 전압을 입력으로서 취하고, 전류 루프(206)는 전류를 입력으로서 취하며, 전압 보상 루프(258)는 전압차와 부호 신호를 입력으로서 취한다. 예를 들어, 전압 루프(204)는 변환기(100)로부터의 전압 출력(201) 및 기준 전압(
Figure pct00008
)(246)을 입력으로서 취한다. 전류 루프(206)는 변환기(100)로부터의 전류 출력(i)(202) 및 기준 전류(i*)(248)를 입력으로서 취한다. 전압 보상 루프(258)는 전압 차(232) 및 부호 신호(241)를 입력으로서 취한다. 전압 루프(204) 및 전류 루프(206)는 에러 신호(즉, 전압 에러(203) 및 전류 에러(205))를 생성한다. 전압 에러(203) 및 전류 에러(205)는 변환기 제어기(200)를 작동시키는 데 사용되는 피드백이다. 전압 루프(204), 전류 루프(206) 및 전압 보상 루프(258)는 비례 적분(proportional integral: PI) 제어기(222, 224) 및 비례 제어기(226)와 같은 레귤레이터를 더 포함한다. 이러한 레귤레이터는 변환기 제어기(200)가 교란, 과도 응답 및 안정성의 거부에 관한 사양 또는 설계 목표를 충족하도록 선택된다. 다른 레귤레이터, 예컨대, 비례 미분 제어기 또는 비례 적분 미분 제어기는 사양 또는 설계 목표를 충족하기 위해 추가로 또는 대안적으로 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전압 루프(204)는 기준 전압(
Figure pct00009
)(246) 및 변환기(100)의 전압 출력(201)을 입력으로서 취하고, 기준 전류(i*)(248)를 생성한다. 전압 루프(204)는 비교기(220) 및 PI 제어기(222)를 포함한다. 비교기(220)는 입력 신호를 비교하고 입력 신호의 차이를 출력한다. 구체적으로, 비교기(220)는 기준 전압(
Figure pct00010
)(246) 및 변환기(100)의 전압 출력(201)(
Figure pct00011
)을 입력으로서 수신하고, 이들을 비교하여 전압 에러(203)를 생성한다. 그 다음에 PI 제어기(222)는 전압 에러(203)를 입력으로서 취하고 기준 전류(i*)(248)를 생성한다.
예시적인 실시예에서, 전압 보상 루프(258)는 전압 Vbus1와 Vbus2의 전압 차(232)와 전류 출력(i)의 부호 신호(241)를 입력으로서 수신하고 전압 보상 신호(256)의 출력을 생성한다. 부호 신호(241)는 전류 출력(i)(202)의 극성을 나타낸다. 본 명세서에서 사용되는 전류의 극성은 전기 회로에서 전류가 흐르는 방향으로 정의된다. 일 실시예에서, 부호 신호(241)는 전류 출력(i)(202)을 감지함으로써 결정될 수 있다. 부호 신호(241)는 또한 전압 루프(204)에 의해 생성된 기준 전류(i*)(248)와 밸런싱 기준 전류 생성기(244)에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류(254)를 합산함으로써 결정될 수 있다. 전압 보상 루프(258)는 비례 제어기(226) 및 곱셈기(240)를 더 포함한다. 곱셈기(240)는 입력 신호를 곱하고 이들 입력 신호의 곱을 출력한다. 비례 제어기(226)는 입력으로서 전압차(232)(
Figure pct00012
)를 수신하고 전압차(232)에 비례하는 출력(234)을 생성한다. 곱셈기(240)에서, 출력(234)을 변환기 전류 출력(i)(202)의 부호 신호 Sign(i)(241)와 곱한다. 곱셈기(240)는 출력(Δd)(256)을 생성한다. 출력(Δd)(256)은 제1 듀티 사이클 함수(d1)(250) 및 제2 듀티 사이클 함수(d2)(252)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 출력(Δd)(256)은 제1 듀티 사이클 함수(d1)(250)와 제2 듀티 사이클 함수(d2)(252)의 차이에 비례한다.
예시적인 실시예에서, 전압 루프(204)에 의해 생성된 기준 전류(i*)(248)는 그 후 펄스 폭 변조기(212, 213)에 대한 듀티 사이클 함수(250, 252)(즉, d1, d2)를 생성하는 데 사용되는 출력(216)을 생성하기 위해 전류 루프(206)에 입력된다. 전류 루프(206)는 제1 비교기(236) 및 PI 제어기(224)를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 제1 비교기(236)는 전류 출력(i)(202), 기준 전류(i*)(248) 및 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)를 입력으로서 수신한다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)는 밸런싱 기준 전류 생성기(244)에 의해 생성될 수 있다. 밸런싱 기준 전류 생성기(244)는 변환기 제어기(200)를 밸런싱 기준 전류 생성기(244)에 전기적으로 연결함으로써 변환기 제어기(200)와 인터페이싱할 수 있다. 이와 달리, 밸런싱 기준 전류 생성기(244)는 광학적으로, 자기적으로, 또는 전원 시스템(101)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 다른 방식으로 변환기 제어기(200)와 인터페이싱할 수 있다. 밸런싱 기준 전류 생성기(244)는 사전결정된 진폭, 파형 및 주파수를 갖는 신호를 생성하는 파형 생성기이다. 밸런싱 기준 전류 생성기(244) 및 기준 전압 생성기(207)는 하나의 파형 생성기로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 비교기(236)는 전류 출력(i)(202)을 기준 전류(i*)(248)과 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 합과 비교하고, 전류 에러(205)를 출력한다. 그 다음, 전류 에러(205)는 PI 제어기(224)에 입력된다. PI 제어기(224)는 출력(216)을 생성한다. 출력(216)은 제1 펄스 폭 변조기(212)에 대한 제1 듀티 사이클 함수(d1)(250)와 제2 펄스 폭 변조기(213)에 대한 제2 듀티 사이클 함수(d2)(252)의 합에 비례할 수 있다.
기준 전류(i*)(248)는 원하는 전류 출력이다. 변환기(100)가 초기화될 때 또는 변환기(100)가 0 또는 0에 가까운 부하를 가질 때, 전류 출력(i)(202)은 낮거나 0에 가까울 수 있다. 0에 가까운 전류를 피드백으로 사용하면, 전압 출력(201)은 변경될 수 없거나 비교적 느리게만 변경될 수 있다. 또한, 전류가 0에 가까워지면, 전류 방향의 검출이 어려워지며, 종종 잘못된 검출이 발생한다. 전술한 바와 같이, 전압 보상 루프(258)는 듀티 사이클 함수 차이에 비례하는 출력(Δd)(256)을 생성하는 입력들 중 하나로서, 전류 출력(i)(202)의 전류 방향을 나타내는 부호 신호 Sign(i)(241)를 사용한다. 잘못된 전류 방향을 검출한다는 것은 출력(Δd)(256)을 생성하는 데 사용되는 부호 신호 Sign(i)(241)가 정확하지 않다는 것을 의미한다. 그 결과, 생성된 듀티 사이클 함수(250, 252) 및 대응하는 PWM 신호(208, 209)는 변환기 출력(201, 202) 및 출력 에러(203, 205)를 정확하게 반영하지 않으며, 따라서 변환기 불안정을 초래한다.
예시적인 실시예에서, 전류 에러(205)를 생성할 때, 제1 비교기(236)에 대한 입력은 전류 출력(i)(202) 및 기준 전류(i*)(248)에 더하여 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)를 포함한다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)를 주입하는 목적은 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 진폭이 변환기(100)의 정상 작동을 방해할 만큼 충분히 높지 않은 동안 변환기 제어기(200)가 밸런스 전압에 응답하게 하도록 고주파 전류를 도입하는 것이다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)는 예시적인 실시예에서 AC이고, 전류 출력(i)(202)에 비해 높은 주파수를 가질 수 있다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 주파수는 전압 루프(204)의 제어 대역폭보다 높을 수 있다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 주파수는 또한 전류 루프(206)의 제어 대역폭보다 낮을 수 있다. 일 실시예에서, 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)는 사인파이다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 주파수는 대략 750Hz일 수 있다. 밸런싱 기준 전류의 진폭은 변환기(100)의 정격 전류 출력의 대략 1%일 수 있다. 제1 세그먼트(126)의 전압(Vbus1)을 제2 세그먼트(127)의 전압(Vbus2)과 밸런싱하기 위해, 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 진폭은 초기에 높은 진폭에서 시작한 후 전압 출력(201)이 원하는 전압 출력으로 수렴함에 따라 감소함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 진폭은 약 1 암페어(A)에서 시작한 후 약 0.3A로 감소할 수 있다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 최종 진폭은 변환기(100)의 정상 작동을 방해할 만큼 충분히 높지 않은 레벨에서 선택된다. 예를 들어, 최종 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)는 변환기(100)의 정격 전류의 1% 미만의 진폭을 가질 수 있다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 주파수, 파형 및 진폭의 선택은 변환기 요구사항 및 사양에 의존한다.
예시적인 실시예에서, 변환기 제어기는 혼합기(238) 및 제2 비교기(242)를 더 포함한다. 혼합기(238)는 출력(216) 및 출력(Δd)(256)을 입력으로서 취하고 출력(216)과 출력(Δd)(256)의 합인 제1 듀티 사이클 함수(d1)(250)를 출력한다. 제2 비교기(242)에서, 출력(216) 및 출력(Δd)(256)이 입력으로 취해진다. 제2 비교기(242)는 출력(216)을 출력(Δd)(256)과 비교하고 출력(216)과 출력(Δd)(256)의 차이인 제2 듀티 사이클 함수(d2)(252)로서 출력을 생성한다. 그 다음에 제1 및 제2 듀티 사이클 함수(250, 252)는 PWM 신호(208, 209)를 생성하기 위한 펄스 폭 변조기(212, 213)로 입력된다.
변환기 제어기(200)는 복수의 펄스 폭 변조기(212, 213)를 더 포함한다. 펄스 폭 변조기(212, 213)는 제1 및 제2 듀티 사이클 함수(250, 252)를 사용하여 변환기(100)의 스위치(S1, S1', S2, S2')를 제어하는 펄스 폭 변조 신호(208, 209)를 생성한다.
PWM 신호를 생성하는 데에 사용되는 PWM 전략은 2 레벨 변환기에 대한 PWM 전략으로부터 멀티레벨 변환기에 적합하도록 수정된다. 멀티레벨 PWM 방법은 공간 벡터 제어 방법 및 선택적 고조파 제거 방법과 같은 기본 스위칭 주파수를 사용하는 전략이나 공간 벡터 PWM 방법, 선택적 고조파 제거 PWM 방법 및/또는 사인파 PWM 방법과 같은 높은 스위칭 주파수 PWM을 사용하는 전략을 포함할 수 있다. 적절한 PWM 전략을 사용하여, 펄스 폭 변조기(212, 213)는 PWM 신호(208, 209)를 생성한다. PWM 신호(208, 209)는 스위치(S1, S1', S2, S2')의 온-오프 상태를 제어하기 위해 MOSFET(119, 120, 121, 122)의 게이트(128, 129, 130, 131)로 전송된다. 변환기 제어기(200)는 변환기 제어기(200)를 변환기(100)에 전기적으로 연결함으로써 변환기(100)와 인터페이싱할 수 있다. 이와 달리, 변환기 제어기(200)는 광학적으로, 자기적으로, 또는 전원 시스템(101)이 본 명세서에 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 다른 방식으로 변환기(100)와 인터페이싱할 수 있다.
도 3은 전원 시스템을 작동시키기 위한 예시적인 방법(300)의 흐름도이다. 방법(300)은 변환기 제어기의 전압 루프에서, 멀티레벨 변환기의 제1 세그먼트로부터의 제1 전압, 멀티레벨 변환기의 제2 세그먼트로부터의 제2 전압 및 기준 전압을 수신하는 단계(302)를 포함한다. 방법(300)은 전압 루프에 의해 기준 전류를 생성하는 단계(303)를 또한 포함한다. 생성된 기준 전류는 제1 및 제2 전압과 기준 전압에 기초할 수 있다. 방법(300)은 변환기 제어기의 전류 루프에서, 멀티레벨 변환기로부터의 전류 출력, 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하는 단계(304)를 더 포함한다. 방법(300)은 또한 전류 루프에 의해, 멀티레벨 변환기의 전류 출력, 기준 전류, 및 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하는 단계(306)를 포함한다. 더욱이, 방법(300)은 변환기 제어기의 전압 보상 루프에서, 제1 및 제2 전압 및 멀티레벨 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하는 단계(308)를 포함한다. 또한, 방법(300)은 전압 보상 루프에 의해, 제1 및 제2 전압 및 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하는 단계(310)를 포함한다. 방법(300)은 또한 전류 루프로부터의 출력 신호 및 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 PWM 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하는 단계(312)를 포함한다. 제1 PWM 신호는 멀티레벨 변환기의 제1 세그먼트의 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성된다. 제2 PWM 신호는 멀티레벨 변환기의 제2 세그먼트의 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성된다. 제1 및 제2 PWM 신호는 제1 전압과 제2 전압을 밸런싱하도록 구성된다.
방법(300)은 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해, 사인파 교류인 밸런싱 기준 전류를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 밸런싱 기준 전류는 전압 루프의 제어 대역폭보다 크고 전류 루프의 제어 대역폭보다 작은 주파수를 가질 수 있다. 방법(300)은 밸런싱 기준 전류의 진폭을 멀티레벨 변환기의 정격 전류의 1%보다 큰 진폭으로 설정하는 단계와, 제1 전압과 제2 전압의 차이가 사전결정된 임계값 내에 있을 때까지 밸런싱 기준 전류의 진폭을 조정하는 단계와, 밸런싱 기준 전류의 진폭을 멀티레벨 변환기의 정격 전류의 1% 미만의 진폭으로 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법(300)은 배터리 스트링을 변환기에 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 방법(300)은 PV 시스템 또는 EV 충전기를 변환기에 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(300)은 변환기를 분배 버스에 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 변환기는 버스를 통해 전력 그리드에 전기적으로 연결될 수 있다. 전력 그리드는 배전 그리드 또는 부하 그리드일 수 있다. 방법(300)은 i) 변환기의 전류 출력을 감지하는 단계 및 ii) 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류와 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 합산하는 단계 중 하나에 의해 부호 신호를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)가 사용되지 않을 때(도 4에 도시됨) 및 밸런싱 기준 전류(ib*) 254가 사용될 때(도 5 내지 도 7에 도시됨), 예시적으로 측정된 제1 세그먼트(126)의 전압(Vbus1) 및 제2 세그먼트(127)의 전압(Vbus2)을 도시한다. 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 멀티레벨 변환기의 세그먼트 간에 밸런싱된 전압은 변환기 또는 변환기 제어기에 추가 하드웨어 구성요소를 도입하지 않고도 얻을 수 있다. 도 4 내지 도 7에서, Vbat(도 1에 도시됨)는 약 980V이고 Vbus는 약 1400V이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 밸런싱 기준 전류가 사용되지 않을 때, 변환기 제어기(200)는 제1 세그먼트(126)의 전압 출력(Vbus1)을 제2 세그먼트(127)의 전압 출력(Vbus2)과 밸런싱할 수 없다. 전압(Vbus1)과 전압(Vbus2)의 차이(ΔV)는 40V에서 시작된다. 시간(t2) 이후에, 차이(ΔV)는 변환기(100)를 트리핑하는 100V 이상으로 증가하고, 즉, 전류 출력(i)(202) 및 단자 전압(Vt)(도 1에 도시됨)은 시간(t2)에서 0이 된다. 이 예에서는 100V의 임계값이 사용된다.
도 5는 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)가 사용될 때 전압(Vbus1) 및 전압(Vbus2)을 도시한다. 이 예에서, 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)는 사인파 파형, 즉,
Figure pct00013
이고 Ib는 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 진폭이고 fb는 이의 주파수이다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 진폭(Ib)은 대략 0.3A이다. 진폭(Ib)은 대략 1A에서 시작한 후 전압(Vbus1 및 Vbus2)가 서로를 향해 수렴하기 시작함에 따라 0.3A로 감소될 수 있다. 밸런싱 기준 전류(ib*)(254)의 주파수(fb)는 약 750Hz이다. 도시된 바와 같이, 시간(t1) 이후에, 전압(Vbus1 및 Vbus2)의 파형이 서로를 향해 수렴하기 시작하고, 전압(Vbus1, Vbus2)의 차이는 40V의 초기값에서 임계값(예컨대, 100V)보다 훨씬 낮은 레벨로 감소한다. 전류 출력(i)(202) 및 단자 전압(Vt)도 안정적이다.
도 6은 도 5에 도시된 전압(Vbus1, Vbus2)의 확대된 파형을 도시한다. 세그먼트 간의 전압차가 변동하고 리플이 있지만, 리플은 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템의 효율성에 영향을 미치지 않는다. 즉, 전압(Vbus1 및 Vbus2)은 리플에도 불구하고 서로 밸런싱된다.
도 7은 전압(Vbus1 및 Vbus2)이 변경될 때 전압(Vbus1 및 Vbus2)의 차이를 효과적으로 제거하는 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템을 도시한다. 전압(Vbus1 및 Vbus2)은 초기에 밸런싱되고, 시간(t1)에, 기준 전압(
Figure pct00014
)의 증가로 인해 증가하기 시작한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전압(Vbus1 및 Vbus2)이 변경될 때에도, 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템을 사용하여 서로 밸런싱된다.
3 레벨 대칭 부스트 변환기가 예로서 사용되지만, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 이 토폴로지로 제한되지 않는다. 시스템 및 방법은 3개 초과의 전압 레벨을 갖는 멀티레벨 변환기에 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 플라잉 커패시터 멀티레벨 변환기(flying capacitor multilevel converter)와 같은 대칭 부스트 변환기 이외의 멀티레벨 변환기의 유형에도 사용되어 상이한 세그먼트 사이의 전압을 밸런싱할 수 있다.
도 8은 변환기(100)(도 1에 도시됨)의 변환기 토폴로지와 다른 변환기 토폴로지인 예시적인 플라잉 커패시터 멀티레벨 변환기(800)를 도시한다. 변환기(800)는 배터리 측(802) 및 버스 측(804)을 포함한다. 배터리 측(802)에서, 변환기(800)는 배터리 스트링(106)을 포함한다. 버스 측(804)에서, 변환기(800)는 제1 세그먼트(826) 및 제2 세그먼트(827)를 포함한다. 제1 세그먼트(826)는 복수의 제1 스위치(S1, S1')를 포함한다. 제2 세그먼트(827)는 복수의 제2 스위치(S2, S2')를 포함한다. 변환기(800)는 복수의 커패시터(116, 117) 및 인덕터(118)를 더 포함할 수 있다. 스위치(S1, S1', S2, S2')는 예를 들어, MOSFET(119, 120, 121, 122)을 포함할 수 있다. 스위치(S1, S1', S2, S2')는 또한 MOSFET(119, 120, 121, 122)의 바디 다이오드인 다이오드(124) 또는 별개의 역병렬 다이오드(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 동작시, 제1 커패시터(116) 양단의 전압은 Vbus1이고 제2 커패시터(117) 양단의 전압은 Vbus2이다. 전압(Vbus2)은 부하(108)로 전송된다. 대칭 부스트 변환기와 달리, 플라잉 커패시터 멀티레벨 변환기(800)에서, 전압(Vbus1)은 전압(Vbus2)의 절반과 밸런싱되어야 한다. 이를 위해, 유사하게, Vbus1, Vbus2, 배터리 측(802)과 버스 측(804) 사이에 흐르는 전류 출력(i) 및 변환기(800)의 부호 신호 Sign(i)(241)이 변환기 제어기(200)에 입력된다. 변환기 제어기(200)는 도 2 및 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이 이들 입력된 신호를 기반으로 PWM 신호를 생성한다. 그 다음 PWM 신호는 전압(Vbus1)과 전압(Vbus2)의 절반을 밸런싱하기 위해 변환기(800)의 스위치(S1, S1', S2, S2')를 제어하는 데 사용된다. 예를 들어, PWM 신호(208, 209)는 MOSFET(119, 120, 121, 122)의 게이트(128, 129, 130, 131)에 공급될 수 있다.
멀티레벨 변환기에 대한 전압 밸런스 전략을 포함하는 시스템 및 방법의 예시적인 실시예가 위에서 상세히 설명되었다. 시스템 및 방법은 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 오히려 시스템의 구성요소 및/또는 방법의 동작은 본 명세서에 설명된 다른 구성요소 및/또는 동작과 독립적으로 및 별도로 활용될 수 있다. 또한, 설명된 구성요소 및/또는 동작은 다른 시스템, 방법 및/또는 장치에서 정의되거나 이와 조합하여 사용될 수도 있으며, 본 명세서에 설명된 시스템만으로 실행하는 것으로 제한되지 않는다.
본 명세서에 설명된 시스템 및 방법의 적어도 하나의 기술적 효과는 (a) 0인 부하 또는 거의 0인 부하에 대해서도 멀티레벨 변환기의 세그먼트 간의 전압을 밸런싱하는 것과, (b) 모든 부하 조건에 대해 멀티레벨 변환기를 안정화하는 것과, (c) 추가 하드웨어 구성요소를 도입하지 않고 밸런싱된 전압을 달성하는 것을 포함한다.
본 명세서에 예시되고 설명된 본 발명의 실시예에서 동작의 실행 또는 수행의 순서는 달리 명시되지 않는 한 필수적인 것은 아니다. 즉, 동작은 달리 명시되지 않는 한 임의의 순서로 수행될 수 있으며, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 개시된 것보다 추가로 또는 더 적은 동작을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 동작 이전, 그와 동시에, 또는 그 후에 특정 동작을 실행하거나 수행하는 것은 본 발명의 양상의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
본 발명의 다양한 실시예의 특정 특징이 일부 도면에 도시되고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리에 따르면, 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.
이 서면 설명은 예를 사용하여 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 구성하고 사용하며, 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정의되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 청구범위의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 가지고 있거나 청구범위의 문자 그대로의 언어와 실질적으로 차이가 없는 균등한 구조적 요소를 포함하는 경우 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 멀티레벨 변환기 시스템으로서,
    제1 세그먼트 및 상기 제1 세그먼트에 전기적으로 연결된 제2 세그먼트를 포함하는 변환기 - 상기 제 1 세그먼트 및 상기 제 2 세그먼트는 각각 제1 전류를 제2 전류로 변환하도록 구성되고, 상기 제1 세그먼트는 복수의 제1 스위치를 포함하고, 상기 변환기는 제2 세그먼트는 복수의 제2 스위치를 포함함 - 와,
    밸런싱 기준 전류를 생성하도록 구성된 밸런싱 기준 전류 생성기와,
    상기 변환기와 인터페이싱되는 변환기 제어기를 포함하되,
    상기 변환기 제어기는,
    상기 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 상기 제2 세그먼트로부터 제2 전압 및 기준 전압을 수신하도록 구성된 전압 루프 - 상기 전압 루프는 기준 전류를 생성하도록 더 구성됨 - 와,
    상기 변환기의 전류 출력, 상기 전압 루프에 의해 생성된 상기 기준 전류 및 상기 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하고, 상기 변환기의 전류 출력, 상기 기준 전류 및 상기 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하도록 구성된 전류 루프와,
    상기 제1 세그먼트로부터 상기 제1 전압, 상기 제2 세그먼트로부터 상기 제2 전압 및 상기 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하고, 상기 제1 전압, 상기 제2 전압 및 상기 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하도록 구성된 전압 보상 루프를 포함하고,
    상기 변환기 제어기는 상기 전류 루프로부터의 출력 신호 및 상기 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 펄스 폭 변조(PWM) 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 PWM 신호는 상기 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성되고, 상기 제2 PWM 신호는 상기 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성되며, 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호는 상기 제1 전압을 상기 제2 전압과 밸런싱하도록 구성되는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류는 사인파 교류인
    멀티레벨 변환기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류는 상기 변환기의 정격 전류의 1% 미만의 진폭을 갖는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류는 상기 전압 루프의 제어 대역폭보다 크고 상기 전류 루프의 제어 대역폭보다 작은 주파수를 갖는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변환기는 대칭 부스트 멀티레벨 변환기(symmetric boost multilevel converter) 및 플라잉 커패시터 멀티레벨 변환기(flying capacitor multilevel converter) 중 하나를 포함하는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변환기 제어기는 상기 전류 루프로부터의 출력 신호 및 상기 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 듀티 사이클 함수 및 제2 듀티 사이클 함수를 생성하도록 구성되고, 상기 변환기 제어기는 제1 펄스 폭 변조기 및 제2 펄스 폭 변조기를 포함하며, 상기 제1 펄스 폭 변조기는 상기 제1 듀티 사이클 함수를 사용하여 상기 제1 PWM 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 펄스 폭 변조기는 상기 제2 듀티 사이클 함수를 사용하여 상기 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성되는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전류 루프는 레귤레이터를 포함하고, 상기 전류 루프는 상기 변환기의 전류 출력을 상기 밸런싱 기준 전류와 상기 전압 루프에 의해 생성된 상기 기준 전류의 합과 비교하고, 상기 레귤레이터에 대한 입력을 생성하도록 구성되며, 상기 레귤레이터는 상기 제1 듀티 사이클 함수 및 상기 제2 듀티 사이클 함수의 합에 비례하는 출력을 생성하도록 구성되는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부호 신호는 i) 상기 변환기의 전류 출력을 감지하는 것과, ii) 상기 전압 루프에 의해 생성된 상기 기준 전류와 상기 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 상기 밸런싱 기준 전류를 합하는 것 중 하나에 의해 결정되는
    멀티레벨 변환기 시스템.
  9. 멀티레벨 변환기를 위한 변환기 제어기로서,
    상기 변환기 제어기는,
    멀티레벨 변환기의 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 상기 멀티레벨 변환기의 제2 세그먼트로부터 제2 전압 및 기준 전압을 수신하도록 구성된 전압 루프 - 상기 전압 루프는 기준 전류를 생성하도록 더 구성됨 - 와,
    상기 멀티레벨 변환기로부터 전류 출력, 상기 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하고, 상기 멀티레벨 변환기의 전류 출력, 상기 기준 전류 및 상기 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하도록 구성된 전류 루프와,
    상기 제1 전압, 상기 제2 전압 및 상기 멀티레벨 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하고, 상기 제1 전압, 상기 제2 전압 및 상기 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하도록 구성된 전압 보상 루프를 포함하고,
    상기 변환기 제어기는 상기 전류 루프로부터의 출력 신호 및 상기 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 펄스 폭 변조(PWM) 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 PWM 신호는 상기 멀티레벨 변환기의 상기 제1 세그먼트의 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성되고, 상기 제2 PWM 신호는 상기 멀티레벨 변환기의 상기 제2 세그먼트의 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성되며, 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호는 상기 제1 전압을 상기 제2 전압과 밸런싱하도록 구성되는
    변환기 제어기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류는 사인파 교류인
    변환기 제어기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류는 상기 멀티레벨 변환기의 정격 전류의 1% 미만의 진폭을 갖는
    변환기 제어기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류는 상기 전압 루프의 제어 대역폭보다 크고 상기 전류 루프의 제어 대역폭보다 작은 주파수를 갖는
    변환기 제어기.
  13. 제9항에 있어서,
    제1 펄스 폭 변조기 및 제2 펄스 폭 변조기를 더 포함하되,
    상기 변환기 제어기는 상기 전류 루프로부터의 출력 신호 및 상기 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 듀티 사이클 함수 및 제2 듀티 사이클 함수를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 펄스 폭 변조기는 상기 제1 듀티 사이클 함수를 사용하여 상기 제1 PWM 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 펄스 폭 변조기는 상기 제2 듀티 사이클 함수를 사용하여 상기 제2 PWM 신호를 생성하도록 구성되는
    변환기 제어기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 부호 신호는 i) 상기 변환기의 전류 출력을 감지하는 것과, ii) 상기 전압 루프에 의해 생성된 상기 기준 전류와 상기 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 상기 밸런싱 기준 전류를 합하는 것 중 하나에 의해 결정되는
    변환기 제어기.
  15. 전원 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    변환기 제어기의 전압 루프에서, 멀티레벨 변환기의 제1 세그먼트로부터 제1 전압, 상기 멀티레벨 변환기의 제2 세그먼트로부터 제2 전압 및 기준 전압을 수신하는 단계와,
    상기 전압 루프에 의해 기준 전류를 생성하는 단계와,
    상기 변환기 제어기의 전류 루프에서, 상기 멀티레벨 변환기로부터 전류 출력, 상기 전압 루프에 의해 생성된 기준 전류 및 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 밸런싱 기준 전류를 수신하는 단계와,
    상기 전류 루프에 의해, 상기 멀티레벨 변환기의 전류 출력, 상기 기준 전류 및 상기 밸런싱 기준 전류에 기초하여 출력 신호를 생성하는 단계와,
    상기 변환기 제어기의 전압 보상 루프에서, 상기 제1 전압, 상기 제2 전압 및 상기 멀티레벨 변환기의 전류 출력의 극성을 나타내는 부호 신호를 수신하는 단계와,
    상기 전압 보상 루프에 의해, 상기 제1 전압, 상기 제2 전압 및 상기 부호 신호에 기초하여 출력 보상 신호를 생성하는 단계와,
    상기 전류 루프로부터의 출력 신호 및 상기 전압 보상 루프로부터의 출력 보상 신호를 사용하여 제1 펄스 폭 변조(PWM) 신호 및 제2 PWM 신호를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 PWM 신호는 상기 멀티레벨 변환기의 상기 제1 세그먼트의 복수의 제1 스위치를 제어하도록 구성되고, 상기 제2 PWM 신호는 상기 멀티레벨 변환기의 상기 제2 세그먼트의 복수의 제2 스위치를 제어하도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 PWM 신호는 상기 제1 전압을 상기 제2 전압과 밸런싱하도록 구성되는
    방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해, 사인파 교류인 상기 밸런싱 기준 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해, 상기 전압 루프의 제어 대역폭보다 크고 상기 전류 루프의 제어 대역폭보다 작은 주파수를 갖는 상기 밸런싱 기준 전류를 생성하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 밸런싱 기준 전류의 진폭을 상기 멀티레벨 변환기의 정격 전류의 1%보다 큰 진폭으로 설정하는 단계와,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 사전결정된 임계값 내에 있을 때까지 상기 밸런싱 기준 전류의 진폭을 조정하는 단계와,
    상기 밸런싱 기준 전류의 진폭을 상기 멀티레벨 변환기의 정격 전류의 1% 미만의 진폭으로 감소시키는 단계를 더 포함하는
    방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 변환기에 배터리 스트링(battery string)을 전기적으로 연결하는 단계와,
    상기 변환기를 분배 버스에 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  20. 제15항에 있어서,
    i) 상기 변환기의 상기 전류 출력을 감지하는 것과, ii) 상기 전압 루프에 의해 생성된 상기 기준 전류와 상기 밸런싱 기준 전류 생성기에 의해 생성된 상기 밸런싱 기준 전류를 합하는 것 중 하나에 의해 상기 부호 신호를 결정하는 단계를 더 포함하는
    방법.
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