KR20220054821A - 소프트-스위칭 전류원 인버터 - Google Patents

소프트-스위칭 전류원 인버터 Download PDF

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KR20220054821A
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마이클 제이 모거
라젠드라 프라사드 캔둘라
디팩 엠 디밴
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조지아 테크 리서치 코포레이션
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Abstract

본원 개시는 전류원 인버터(CSI), 특히 소프트 스위칭 전류원 인버터(SSCSI)에 관한 것이다. 예시적인 CSI는 제1 CSI 브리지, 제2 CSI 브리지, DC-링크 인덕터 및 공진 탱크를 포함한다. 제1 CSI 브리지는 제1 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제2 CSI 브리지는 제2 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 DC-링크 인덕터는 제1 및 제2 CSI 브리지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 탱크는 상기 DC-링크 인덕터와 병렬로 연결될 수 있다.

Description

소프트-스위칭 전류원 인버터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 8월 26일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 62/891,791호, 발명의 명칭 "소프트-스위칭 전류원 인버터"의 이익을 주장하며, 이 출원은 전체적으로 하기에 제시되는 것처럼 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 전력 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소프트-스위칭 전류원 인버터에 관한 것이다.
가변 속도 모터 드라이브(VSD)는 산업 공정의 대다수에서 운송 전기화에 이르기까지 다양한 애플리케이션이 있는 연간 200억 달러 이상의 산업이다. 가변 속도 모터 드라이브를 사용하면 모터가 특정 애플리케이션에 필요한 속도 및/또는 토크로 작동할 수 있다. VSD는 입력에서 3상 AC 시스템, 단상 AC 시스템 또는 DC 소스(전기 자동차)에 연결하고 출력에서 3상 AC 시스템을 생성하여 모터에 전력을 공급하고 제어할 수 있다. 일반적인 VSD 구성은 공통 전압 DC 링크로 연결된 2개의 백투백 전압 소스 컨버터(VSC)를 사용한다. 기존의 3상 대 3상 VSC 기반 구현이 도 1에 도시되어 있다.
대형 DC 링크 커패시터는 VSC의 적절한 제어를 보장하기 위해 종종 요구되며 달성 가능한 전력 밀도를 제한하며, 이는 운송 전기화 애플리케이션에서 특히 중요하다. 또한, 컨버터의 전압 소스 특성은 DC 버스의 단락 또는 모터 권선의 결함의 경우 큰 단락 전류로 이어져 반도체의 단락 보호를 어렵게 만들고 VSD 신뢰성을 방해한다.
VSC 기반 VSD는 입력/출력에서 고주파 스위칭 전압을 생성하고 민감한 전자 장치 및 프로세스를 방해할 수 있는 많은 양의 전자기 간섭(EMI)을 유발한다. 또한 일반적으로 출력 측에 라인 인덕터 필터가 없으며 모터 인덕턴스는 스위칭 전압을 사용 가능한 라인 전류로 필터링하여 추가 모터 손실을 생성하고 모터 설계를 복잡하게 한다.
또한 VSC 기반 VSD는 높은 수준의 공통 모드 전압을 생성하여 모터의 베어링 및 권선 절연의 조기 열화를 초래하고, 종종 부피가 크고 값비싼 공통 모드 완화 필터가 추가로 필요로 한다는 것이 잘 알려졌다.
게다가, 기존 VSC 토폴로지에서 단순한 '드롭인' 교체로 실리콘 카바이드(SiC) 장치와 같은 새로운 광대역 갭 기술을 사용하여 더 높은 성능을 추구하는 최근 업계의 노력은 이러한 최신 장치의 매우 높은 스위칭 속도로 인해 방해를 받았다. 기존 실리콘 장치보다 10배 높은 dv/dt를 전환하는 것은 일반적으로 보고되며 추가 EMI(전자기 간섭), 추가 모터 손실 및 전압 반사의 형태로 일련의 문제를 일으키거나 악화시킨다. 여기에는 일반적으로 컨버터 볼륨의 최대 30%를 차지하는 EMI 필터의 형태로 복잡하고 비용이 많이 들고 손실이 크고 부피가 큰 완화 기술이 필요하고, 이러한 새로운 전력 스위치 기술이 제공하는 더 낮은 스위칭 손실과 더 높은 작동 온도로 인한 잠재적인 시스템 수준 이들을 크게 제한한다.
한 때 선호되는 변환 구조였던 전류원 인버터(CSI)는 더 낮은 공통 모드 전압 생성, 낮은 기계 손실로 이어지는 라인 인덕터가 필요 없는 정현파 필터링된 출력 전압 파형, 단락 오류에 대한 자연 내성을 포함하여 모터 드라이브 애플리케이션에서 VSI보다 많은 이점이 있다. 이러한 고유한 특성에도 불구하고 토폴로지는 VSI에 비해 전도 손실이 크고 동일한 처리 전력에 대해 낮은 효율이 일상적으로 관찰된다. 또한 CSI는 일반적으로 큰 수동 소자가 필요하고 동적 성능이 좋지 않은 낮은 스위칭 주파수에서 작동한다. 결과적으로 VSI는 앞서 언급한 단점이 있는 오늘날 구동계 애플리케이션에 선호되는 토폴로지이다.
본 발명은 전류원 인버터(CSI), 특히 소프트-스위칭 전류원 인버터(SSCSI)에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 제1 CSI 브릿지, 제2 CSI 브릿지, DC-링크 인덕터 및 공진 탱크를 포함하는 CSI를 제공한다. 상기 제1 CSI 브리지는 제1 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 제2 CSI 브리지는 제2 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 DC-링크 인덕터는 제1 및 제2 CSI 브리지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 탱크는 상기 DC-링크 인덕터와 병렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력을 싱크하도록 구성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력을 공급하고 싱크하도록 구성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력을 싱크하도록 구성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력을 공급하고 싱크하도록 구성된다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 공진 탱크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 공진 탱크는 공진 커패시터, 공진 인덕터, 및 공진 스위치를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 공진 커패시터는 상기 DC-링크 인덕터와 병렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 공진 인덕터는 상기 공진 스위치와 직렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 직렬 연결된 공진 스위치 및 공진 인덕터는 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 공진 스위치는 역 차단 스위치일 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함할 수 있고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 직렬로 연결된 2개의 역 차단 스위치를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제2 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함할 수 있고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 직렬로 연결된 2개의 역방향 차단 스위치를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제1 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 연결된 하나 이상의 필터 커패시터를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제2 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 연결된 하나 이상의 필터 커패시터를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 제1 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제2 파워 뱅크와 상기 제2 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 역방향 차단 스위치들 중 하나 이상은 다이오드에 직렬로 연결된 제어가능한 스위치를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제어가능한 스위치들 중 하나 이상은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터, 역-차단 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 및 사이리스터(thyristor) 중 하나일 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제어가능한 스위치들 중 하나 이상은 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 하나 이상의 다이오드는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 스위칭 사이클에서 동작하도록 구성될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 스위칭 사이클은 활성 단계를 포함할 수 있고, 상기 활성 단계의 적어도 일부 동안, 전력은 (a) 상기 제1 CSI 브리지를 통해 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에, 그리고 (b) 상기 제2 CSI 브리지를 통해 상기 제2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 동시에 전송된다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 스위칭 사이클은 상기 DC-링크 인덕터와 제1 및 제2 파워 뱅크 사이에 전력이 전송되지 않는 프리휠링 단계(freewheeling phase)을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 CSI 브리지는 상기 제 2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함할 수 있으며, 상기 스위칭 사이클은 상기 제 1 및 제 2 복수의 스위치는 게이트 오프되고, 상기 공진 스위치는 게이트 오프되며, 상기 DC-링크 인덕터에 의해 생성된 전류는 상기 공진 커패시터를 통해 흐르는 하나 이상의 제로 전압 스위칭 전이 상태를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 각각의 제1 및 제2 CSI 브릿지는 2개 이상의 레그를 포함할 수 있고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함할 수 있으며, 프리휠링 단계(freewheeling phase) 동안, 상기 제1 CSI의 제1 레그의 제1 및 제2 스위치는 게이트 온되고 상기 제 2 CSI의 제 1 레그의 제 1 및 제 2 스위치는 게이트 온된다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 CSI 브리지는 상기 제 2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 스위칭 사이클은 상기 제 1 및 제 2 복수의 스위치가 게이트 오프되고, 상기 공진 스위치가 게이트 온되며, 상기 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이의 공진을 개시하는 공진 단계를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 스위칭 사이클은 스위칭 기간을 가질 수 있고, 여기서 상기 공진 단계는 상기 스위칭 기간의 10% 미만을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 0.9와 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수(DC-link current utilization factor)를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예는 제1 CSI 브릿지, 제2 CSI 브릿지, DC-링크 인덕터, 제1 공진 탱크 및 제2 공진 탱크를 포함하는 CSI를 제공한다. 상기 제1 CSI 브리지는 제1 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 제2 CSI 브리지는 제2 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 DC-링크 인덕터는 상기 제1 및 제2 CSI 브리지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 탱크는 상기 제1 CSI 브리지와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제2 공진 탱크는 상기 제2 CSI 브리지와 병렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제1 공진 탱크와 직렬로 연결된 제1 누설 관리 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제2 공진 탱크와 직렬로 연결된 제2 누설 관리 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 공진 탱크는 제1 공진 커패시터, 제1 공진 인덕터, 및 제1 공진 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 공진 탱크는 제2 공진 커패시터, 제2 공진 인덕터, 및 제2 공진 스위치를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 공진 커패시터는 상기 제1 CSI 브릿지와 병렬로 연결될 수 있고, 상기 제2 공진 커패시터는 상기 제2 CSI 브릿지와 병렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 공진 인덕터는 상기 제1 공진 스위치와 직렬로 연결될 수 있고, 상기 제2 공진 인덕터는 상기 제2 공진 스위치와 직렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 직렬 연결된 제1 공진 스위치 및 제1 공진 인덕터는 상기 제1 공진 커패시터와 병렬로 연결될 수 있고, 상기 직렬 연결된 제2 공진 스위치 및 상기 제2 공진 인덕터는 상기 제2 공진 커패시터와 병렬로 연결될 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 공진 스위치는 역 차단 스위치일 수 있고, 상기 제2 공진 스위치는 역 차단 스위치일 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 CSI 브리지는 상기 제2 파워 뱅크와 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 스위칭 사이클은 상기 제1 및 제2 복수의 스위치 중 적어도 하나가 게이트 오프되고, 상기 제1 및 제2 공진 스위치 중 적어도 하나가 게이트 온되고, 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 공진 인덕터 사이의 공진 및 상기 제2 공진 커패시터 및 상기 제2 공진 인덕터 사이의 공진 중 적어도 하나를 개시하는 공진 단계를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 CSI 브리지는 상기 제2 파워 뱅크와 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함할 수 있고, 상기 스위칭 사이클은 상기 제 1 및 제 2 복수의 스위치는 게이트 오프되고, 상기 제1 및 제2 공진 스위치는 게이트 오프되며, 상기 제1 DC-링크 인덕터에 의해 생성된 전류(또는 상기 제1 및 제2 DC-링크 인덕터 모두에 의해 생성된 전류)는 상기 제1 공진 커패시터 및 상기 제2 공진 커패시터 중 적어도 하나를 통해 흐르는 하나 이상의 제로 전압 스위칭 전이 상태를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 구현예 중 임의의 구현예에서, 상기 CSI는 상기 제1 및 제2 CSI 브리지들 사이에 직렬로 연결된 제2 DC-링크 인덕터를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 DC-링크 인덕터는 상기 제1 DC-링크 인덕터와 직렬로 연결되지 않는다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면에 기재되어 있다. 본 발명의 구현예의 다른 측면 및 특징은 다음의 본 발명의 구체적인 예시의 구현예의 설명을 도면과 관련하여 검토할 때 기술분야에 통상의 지식을 가진 사람들에게 명백해질 것이다. 본 발명의 특징이 특정 실시예 및 도면과 관련하여 논의될 수 있지만, 본 발명의 모든 실시예는 여기에서 논의된 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 실시예가 특정 유리한 특징을 갖는 것으로 논의될 수 있지만, 그러한 특징 중 하나 이상이 또한 여기에서 논의되는 다양한 실시예와 함께 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 예시적인 실시예가 장치, 시스템 또는 방법 실시예로서 아래에서 논의될 수 있지만, 그러한 예시적인 실시예는 본 개시의 다양한 장치, 시스템 및 방법에서 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본원 개시의 특정 구현예의 다음의 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 개시내용을 예시하기 위한 목적으로, 예시의 구현예가 도면에 도시된다. 하지만, 본 개시는 도면에 도시된 구현예의 정확한 배열 및 수단으로 제한되지 않는다.
도 1은 모터 구동 애플리케이션에 사용할 수 있는 백투백 구성의 기존 전압원 인버터를 보여준다.
도 2는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 7은 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 8은 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 소프트-스위칭 전류원 인버터를 도시한다.
도 9는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 전류원 인버터의 예시적인 스위칭 사이클을 도시한다.
도 10a 내지 10c는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 제로 전압 스위칭 전이 전(10A), 후(10B), 중(10C) 동안의 컨버터 스위칭 상태를 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 제로 전압 스위칭 전이 동안의 스위칭 파형 및 게이팅 시퀀스를 도시한다.
도 12는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 안정적인 벅 및 부스트 동작을 보여주는, 전기 자동차 구동계 애플리케이션을 위한 DC-3상 AC 변환 모드 및 V/f 제어에서 25kVA SSCSI의 시뮬레이션 파형을 도시한다.
도 13a 내지 13c는 본 발명의 예시의 구현예에 따른, 스위칭 기간 동안의 SSCSI DC-링크 전류(idc) 및 DC-링크 전압(vLdc)을 도시한다.
도 14는 표준 2-레벨 전압원 인버터에 결합된 DC-DC 양방향 부스트 컨버터를 사용하는 종래의 전기 자동차 구동계를 도시한다.
도 15는 본 개시내용의 예시적인 SSCSI 전기 차량 구동계와 25kVA 설계를 고려한 기존 VSI 전기차 구동계에 대한 정격 출력 전압 및 가변 부하 조건에서 계산된 효율 프로파일을 도시한다.
본 발명의 원리 및 특징의 이해를 용이하게 하기 위해, 이하에서는 다양한 예시적인 실시예를 설명한다. 본 명세서에 개시된 실시예의 다양한 요소를 구성하는 것으로서 이후에 설명되는 구성요소, 단계 및 재료는 예시를 위한 것이며 제한적인 것이 아니다. 본 명세서에 기재된 구성요소, 단계 및 재료와 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 많은 적합한 구성요소, 단계 및 재료는 본 개시내용의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 여기에 설명되지 않은 그러한 다른 구성요소, 단계 및 재료는 여기에 개시된 실시예의 개발 후에 개발된 유사한 구성요소 또는 단계를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.
본 발명은 CSI(Current Source Inverter)에 관한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 제1 CSI 브리지(105), 제2 CSI 브리지(110), DC-링크 인덕터(125) 및 공진 탱크(130)를 포함하는 소프트-스위칭 CIS(SSCSI)를 제공한다. 상기 제1 CSI 브리지(105)는 제1 파워 뱅크(115)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 제2 CSI 브리지는 제2 파워 뱅크(120)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 DC-링크 인덕터(125)는 에너지 저장량을 제공하기 위해 상기 제1 CSI 브리지(105) 및 상기 제2 CSI 브리지(110) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 탱크(130)는 상기 DC-링크 인덕터(125)와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 탱크(130)는 제1 및 제2 CSI 브리지의 각 스위치에 대해 제로 전압 스위칭 조건을 제공할 수 있다.
제1 및 제2 파워 뱅크(115, 120)는 전력을 공급하도록(예를 들어, 단상 AC 그리드, 3상 AC 그리드, 3상 4선 AC 그리드, DC 소스, 배터리 등) 또는 전력을 싱크하도록(전기 부하, 전기 모터, AC 그리드, 배터리 등) 구성될 수 있다. 또는 싱크 . 상기 각 파워 뱅크는 AC 및/또는 DC 전원을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 제1 파워 뱅크는 DC 배터리일 수 있고, 상기 제2 파워 뱅크는 전기 모터일 수 있다(도 8에 도시됨). 도 2 내지 도 7은 다양한 파워 뱅크와 인터페이스하도록 구성된 본 개시내용의 CSI를 예시한다. 일부 실시예에서, SSCSI는 양방향이어서, 상기 제1 파워 뱅크(115) 및 상기 제2 파워 뱅크(120)는 상이한 시간에 전력 소스 및 전력 싱크 모두로서 기능할 수 있다. 따라서, 전력은 일정 시간 동안 상기 DC-링크 인덕터(125)를 통해 상기 제1 파워 뱅크(115)에서 상기 제2 파워 뱅크(120)로 흐를 수 있고, 전력은 다른 시간의 부분 동안은 링크 인덕터를 통해 상기 제2 파워 뱅크(120)에서 상기 제1 파워 뱅크(115)로 흐를 수 있다. 이러한 실시예는 전력 싱크(예를 들어, 전기 모터)로부터 전력(예를 들어, DC 배터리)의 재생 충전이 요구되는 애플리케이션 또는 양방향 전력 흐름이 요구되는 애플리케이션에 특히 유용할 수 있다.
상기 DC-링크 인덕터는 공심(air-core) 인덕터, 갭이 있는 코어(gapped-core) 인덕터 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 공지된 고주파수에서의 동작에 적합한 많은 상이한 인덕터일 수 있다. 자기 코어 재료는 페라이트 코어, 비정질 코어, 나노결정 코어, 분말 코어, 연자성 재료 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 고주파에서의 작동에 적합한 많은 다른 자성 재료일 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 DC-링크 인덕터의 인덕턴스는 애플리케이션 및 SSCSI에 대한 동작 사이클 동안 원하는 에너지 저장량에 따라 선택/변동될 수 있다.
상기 공진 탱크(130)는 공진 커패시터(133), 공진 인덕터(132) 및 공진 스위치(131)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공진 커패시터(133)는 상기 DC-링크 인덕터(125)와 병렬로 연결될 수 있고, 상기 공진 인덕터(132)는 공진 스위치(131)와 직렬로 연결될 수 있으며, 상기 직렬 연결된 공진 스위치(131)와 상기 공진 인덕터(132)는 공진 커패시터(133)와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 공진 탱크는 모든 CSI 브리지의 모든 스위치에 대해 제로 전압 스위칭 조건(ZVS)을 제공하는 데 사용할 수 있다. 상기 공진 커패시터(133)는 DC-링크 전류가 ZVS 전이 상태(아래에서 논의됨) 동안 흐르기 위한 추가 경로를 제공할 수 있다. 상기 공진 커패시터의 결과적인 방전 속도는 정류 이벤트를 겪는 스위치의 dv/dt 스위칭 속도를 결정/제어할 수 있고, 모든 CSI 브리지의 모든 스위치에 ZVS 조건을 제공할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SSCSI는 상기 공진 탱크(130)와 상기 DC-링크 인덕터(125) 사이에 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드(134)를 더 포함할 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드는 고속 회복 다이오드, 쇼트키 다이오드(Si, SiC 등) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 공지된 낮은 역 회복을 갖는 많은 상이한 다이오드일 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드(134)는 제로 전압 스위칭(ZVS) 전이(아래에서 설명) 동안 공진 탱크의 작동에서 DC-링크 인덕터에 대한 공진 커패시터의 상호 연결에 의해 도입된 누설/기생 인덕턴스(leakage/parasitic inductance)가 충분히 낮게 유지될 수 없을 때 발생하는 원치 않는 심각한 공진 문제를 극복하는 데 사용할 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드(134)는 공진 탱크(130)로의 역 극성의 전류 흐름을 방지할 수 있고 결과적으로 상기 누설 관리 다이오드(134)는 전술한 원치 않는 공진 문제를 감쇠/방지하는 데 효과적일 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드(134)는 누설 관리 다이오드(134)가 메인 인덕터 전류를 전달하지 않고 오히려 ZVS 전이 및/또는 공진 기간 동안에만 누설 관리 다이오드(134)를 통해 흐르기 때문에 전도 손실 증가를 최소화하면서 앞서 언급한 원치 않는 공진 문제를 극복하는 데 사용할 수 있다.
상기 공진 인덕터(132)는 공심 인덕터, 코어 기반 인덕터 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 공지된 많은 상이한 고품질 인자 인덕터일 수 있고, 자석 와이어, 연선, 리츠 와이어, 구리 포일 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 공지된 많은 상이한 고주파 권선 구성을 가질 수 있다. 상기 DC-링크 인덕터(125)와 달리, 상기 공진 인덕터(132)는 에너지 저장을 제공하지 않으며, 그 크기는 등급에서 상당히 작을 수 있다. 상기 공진 커패시터(133)는 필름 커패시터, 세라믹 커패시터 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 공지된 많은 상이한 고품질 인자 커패시터일 수 있다. 상기 공진 커패시터(133)는 에너지 저장을 제공하지 않고 ZVS 전이 및 공진 단계 동안에만 전류를 전도하여 그 크기가 토폴로지의 다른 반응성 구성요소보다 훨씬 작을 수 있다. 상기 공진 스위치(131)는 역 차단 스위치일 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "역 차단 스위치"라는 용어는 한 방향으로 전류를 전도하고 양방향으로 전압을 차단하는 스위치 또는 스위치 어셈블리를 지칭한다. 본 명세서에 기술된 임의의 실시예에서, 상기 역방향 차단 스위치는 사이리스터(thyristor), 집적 게이트 정류 사이리스터, 게이트 턴오프 사이리스터, 역차단 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(RB-IGBT) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 한 방향으로 전류를 전도하고 양방향으로 전압을 차단하는 당업계에 공지된 많은 상이한 스위치로부터 단일 제어가능한 스위치일 수 있다. 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에서, 상기 역방향 차단 스위치는 또한 다이오드와 직렬로 연결된 역전도성 제어가능 스위치(예를 들어, IGBT 또는 MOSFET)를 포함하는 스위치 어셈블리일 수 있다. 상기 제어 가능한 스위치 및 다이오드는 많은 다른 반도체 구조에 의존할 수 있고 실리콘, 실리콘 카바이드, 갈륨 질화물, 와이드 밴드갭 반도체 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 많은 다른 재료를 포함할 수 있다.
상기 제1 CSI 브리지(105)는 2개 이상의 레그(106, 107)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 단일 또는 다중 단자 DC 및 단일 또는 다중 단자 AC 파워 뱅크 및 시스템과 인터페이스하기 위해 상이한 수의 레그(예를 들어, 2, 3, 4 또는 그 이상)를 사용할 수 있다. 상기 레그(106, 107) 각각은 직렬로 연결된 2개의 역 차단 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 CSI 브리지(105)의 제1 레그(106)는 제2 스위치(106b)와 직렬로 연결된 제1 스위치(106a)를 포함할 수 있고, 상기 제1 CSI 브리지(105)의 제2 레그(107)는 제2 스위치(107b)와 직렬로 연결된 제1 스위치(107a)를 포함할 수 있다..
유사하게, 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 CSI 브리지(110)는 2개 이상의 레그(111, 112, 113)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예는 단일 또는 다중 단자 DC 및 단일 또는 다중 단자 AC 파워 뱅크 및 시스템과 인터페이스하기 위해 상이한 수의 레그(예를 들어, 2, 3, 4 또는 그 이상)를 사용할 수 있다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 CSI 브리지(110)는 3개의 레그(111, 112, 113)를 포함한다. 상기 레그(111, 112, 113) 각각은 직렬로 연결된 2개의 역방향 차단 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 CSI 브리지(110)의 제1 레그(111)는 제2 스위치(111b)와 직렬로 연결된 제1 스위치(111a)를 포함할 수 있고, 제2 CSI 브리지(110)의 제2 레그(112)는 제2 스위치(112b)와 직렬로 연결된 제1 스위치(112a)를 포함할 수 있고, 제2 CSI 브리지(110)의 제3 레그(113)는 제2 스위치(113b)와 직렬로 연결된 제1 스위치(113a)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SSCSI는 상기 제1 CSI 브리지(105)의 두 개 이상의 레그(106, 107) 사이에 연결된 하나 이상의 필터 커패시터(116)를 더 포함할 수 있다. 상기 필터 커패시터는 고주파 스위칭 전류에 대한 경로를 제공하고 필터링된 단자 전압을 낮은 고조파로 합성하는 역할을 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SSCSI는 상기 제2 CSI 브리지의 두 개 이상의 레그 사이에 연결된 하나 이상의 필터 커패시터(121)를 더 포함할 수 있다. 상기 필터 커패시터는 고주파 스위칭 전류에 대한 경로를 제공하고 필터링된 단자 전압을 낮은 고조파로 합성하는 역할을 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 SSCSI는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 제1 CSI 브릿지의 두 개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 필터 인덕터(117)와 상기 제2 파워뱅크와 상기 제2 CSI 브릿지의 두 개 이상의 레그와 직렬로 연결된 하나 이상의 필터 인덕터(122)를 더 포함할 수 있다. 상기 필터 인덕터는 고조파를 더욱 억제하는 데 도움이 될 수 있다.
상기 SSCSI는 스위칭 사이클로 동작하도록 구성될 수 있다. 상기 스위칭 주기 동안 SSCSI의 작동은 제어기에 의해 실현되어 CSI의 다양한 스위치를 제어할 수 있다. 상기 제어기는 당업계에 공지된 많은 제어기일 수 있다. 상기 제어기는 프로세서에 의해 실행될 때 상기 제어기가 CSI의 다양한 스위치를 제어하게 할 수 있게 하는 메모리 및 명령어를 포함할 수 있다.
상기 스위칭 주기는 일반적으로 3개의 단계와 하나 이상의 전이 상태를 포함할 수 있다. 예시적인 스위칭 사이클은 도 9에 도시되어 있다. 상기 스위칭 사이클은 활성 단계, 프리휠링 단계(freewheeling phase), 공진 단계 및 하나 이상의 ZVS 전이 상태를 포함할 수 있다. 상기 활성 단계의 적어도 일부 동안에는 전력이 (a) 제1 CSI 브리지를 통해 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에, 및 (b) 제2 CSI 브리지를 통해 제2 파워뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 동시에 전송된다.
프리휠링 단계(freewheeling phase) 동안 상기 DC링크 인덕터와 제1 및 제2 파워 뱅크 간에 전력이 전송되지 않는다. 이것은 상기 제1 CSI 브리지(105)의 제1 레그(106)의 직렬 연결된 스위치(106a, 106b)와 제2 CSI 브리지(110)의 제1 레그(111)의 직렬 연결된 스위치(111a, 111b) 모두를 게이팅-온함으로써 달성될 수 있다. 상기 제1 CSI 브리지(105)의 레그(106, 107) 중 임의의 레그(106, 107) 및 제2 CSI 브리지(110)의 레그(111, 112, 113) 중 임의의 레그(111, 112, 113)의 직렬 연결된 스위치는 프리휠링 단계(freewheeling phase) 동안 게이트 온될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 CSI 브리지의 단일 레그 및 상기 제2 CSI 브리지의 단일 레그의 직렬 연결된 스위치는 프리휠링 단계(freewheeling phase) 동안 게이트 온될 수 있다. 상기 프리휠링 단계(freewheeling phase)는 스위칭 사이클을 '채우고'(pad), 일정한 스위칭 주파수에서 상기 SSCSI를 작동하는 데 사용할 수 있다.
상기 공진 단계 동안 상기 제1 CSI 브리지(105)의 레그(106, 107)와 제2 CSI 브리지(110)의 레그(111, 112, 113)의 스위치는 게이트 오프될 수 있고 상기 공진 스위치(131)는 게이트 온될 수 있다. 이것은 상기 공진 커패시터(133)와 공진 인덕터(132) 사이의 공진을 개시할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 공진 단계의 지속기간은 SSCSI의 효율성을 증가시키기 위해 최소로 유지될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 상기 공진 단계는 상기 스위칭 사이클의 25% 미만을 구성한다. 일부 실시예에서, 상기 공진 단계는 상기 스위칭 사이클의 20% 미만을 구성한다. 일부 실시예에서, 상기 공진 단계는 상기 스위칭 주기의 15% 미만을 구성한다. 일부 실시예에서, 상기 공진 단계는 상기 스위칭 주기의 10% 미만을 구성한다. 일부 실시예에서, 상기 공진 단계는 상기 스위칭 주기의 5% 미만을 구성한다. 상기 공진 단계는 음의 값에서 양의 값으로 공진 커패시터 전압을 '전환(flip)'하고 본질적으로 컨버터의 소프트 스위칭 작동을 '리셋'하는 데 사용할 수 있다.
상기 ZVS 전이 상태 동안, 컨버터의 모든 스위치(제1 CSI 브리지(105)의 모든 스위치, 제2 CSI 브리지(110)의 모든 스위치 및 공진 스위치(131) 포함)는 게이트 오프될 수 있고 상기 DC- 링크 전류는 공진 회로(130)의 공진 커패시터(133)를 통해 흐를 수 있다. 이 전류 흐름은 공진 커패시터(133)를 방전할 수 있고, 상기 공진 커패시터의 결과적인 방전 속도는 제어될 수 있으며, ZVS 전이 상태 동안, 스위치가 꺼진 후 및 스위치가 꺼지기 전에 모든 스위치의 dv/dt 스위칭 속도를 제한한다. 켰다. 상기 ZVS 전이 상태는 모든 컨버터 작동 조건에서 모든 스위치가 꺼지고 모든 스위치가 스위칭 주기 중 어느 순간에 켜질 때 ZVS 조건을 제공하는 데 사용할 수 있다.
예시적인 스위칭 사이클의 단계 및 ZVS 전이 상태에 대한 더 자세한 설명은 아래의 예에서 설명한다.
본 기술 분야의 다른 공진형 컨버터와 달리, 여기에 개시된 소프트-스위칭 CSI는 소프트-스위칭 동작으로 높은 DC-링크 전류 이용 계수(DC-link current utilization factor)을 제공할 수 있다. 상기 DC 링크 전류 이용 계수는 DC 링크 전류의 평균에 대한 브리지에 의해 파워 뱅크에 전달되는 최대 순시 전류의 비율로 정의할 수 있다. 일부 실시예에서, CSI는 0.7과 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, CSI는 0.8과 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, CSI는 0.9와 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, CSI는 0.95와 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수를 제공할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 제1 CSI 브릿지(205), 제2 CSI 브릿지(210), 제1 DC-링크 인덕터(225), 제1 공진 탱크(230) 및 제2 공진 탱크(235)를 포함하는 SSCSI를 제공한다. 상기 제1브리지(205)는 제1 파워 뱅크(215)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 제2 CSI 브리지(210)는 제2 파워 뱅크(220)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 상기 제1 DC-링크 인덕터(225)는 제1 CSI 브리지(205)와 제2 CSI 브리지(210) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 공진 탱크(230)는 제1 CSI 브릿지(205)와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제2 공진 탱크(235)는 제2 CSI 브릿지(210)와 병렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 공진 탱크(230)는 제1 공진 커패시터(233), 제1 공진 인덕터(232) 및 제1 공진 스위치(231)를 포함할 수 있고, 상기 제2 공진 탱크(235)는 제2 공진 커패시터(238), 제2 공진 인덕터(237), 및 제2 공진 스위치(236)를 포함할 수 있다. 상기 공진 커패시터, 인덕터 및 스위치는 위에서 설명한 공진 커패시터, 인덕터 및 스위치와 유사할 수 있다. 상기 제1 공진 커패시터(233)는 상기 제1 CSI 브릿지(205)와 병렬로 연결될 수 있고, 상기 제2 공진 커패시터(238)는 상기 제2 CSI 브릿지(210)와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 공진 인덕터(232)는 제1 공진 스위치(231)와 직렬 연결될 수 있고, 상기 제2 공진 인덕터(237)는 제2 공진 스위치(236)와 직렬 연결될 수 있다. 상기 직렬 연결된 제1 공진 스위치(231)와 상기 제1 공진 인덕터(232)는 제1 공진 커패시터(233)와 병렬로 연결될 수 있고, 직렬 연결된 제2 공진 스위치(236)와 제2 공진 인덕터(237)는 제2 공진 커패시터(238)와 병렬로 연될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, SSCSI는 상기 제1 공진 탱크(230)와 직렬로 연결된 제1 누설 관리 다이오드(234) 및 상기 제2 공진 탱크(235)와 직렬로 연결된 제2 누설 관리 다이오드(239)를 더 포함할 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드(234, 239)는 ZVS(제로 전압 스위칭) 전이 동안 공진 탱크 작동에서 CSI 브리지에 대한 공진 커패시터의 연결로 인해 발생하는 누설/기생 인덕턴스(leakage/parasitic inductance)가 충분히 낮게 유지될 수 없을 때 발생하는 원치 않는 심각한 공진 문제를 극복하는 데 사용할 수 있다. 두 개의 공진 탱크 사이의 원치 않는 공진 및 진동도 특정 조건에서 트리거될 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드(234, 239)는 공진 탱크(230, 235)로의 역 극성의 전류 흐름을 방지할 수 있고, 결과적으로 누설 관리 다이오드(234, 239)는 전술한 원치 않는 공진 문제를 감쇠/방지하는 데 효과적일 수 있다. 상기 누설 관리 다이오드(234, 239)는 누설 관리 다이오드(234, 239)가 메인 인덕터 전류를 전달하지 않지만 오히려 전류는 ZVS 전이 및/또는 공진 기간 동안에만 누설 관리 다이오드(234, 239)를 통해 흐르기 때문에 최소 전도 손실 증가로 앞서 언급한 원치 않는 공진 문제를 극복하는 데 사용할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 SSCSI는 제1 DC-링크 인덕터(225)의 반대편에서 제1(205) 및 제2(210) CSI 브리지 사이에 직렬로 연결된 제2 DC-링크 인덕터(226)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2 DC-링크 인덕터(226)는 상기 제1 DC-링크 인덕터(225)와 직렬로 연결되지 않는다. DC-링크 전류 경로에 2개의 DC-링크 인덕터(225, 226)가 있는 '분할' DC-링크 인덕터 구성은 공통 모드 전류 경로와 토폴로지에 의해 생성된 공통 모드 전압을 낮추고 대칭시키는 데 사용할 수 있다. 상기 구성은 또한 공통 파워 뱅크를 제공하기 위해 여러 SSCSI 컨버터의 병렬 연결을 용이하게 하는 데 사용할 수 있으며 인터리빙(interleaving)을 허용할 수 있다.
도 2의 SSCSI와 같이 도 5의 SSCSI는 스위칭 사이클에서 작동할 수 있다. 스위칭 사이클은 활성 단계, 프리휠링 단계, 공진 단계 및 ZVS 전이 상태를 포함할 수 있다. 상기 스위칭 사이클은 활성 단계, 프리휠링 단계, 공진 단계 및 ZVS 전이 상태를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 CSI에 대한 스위칭 사이클의 공진 단계 동안, 제1 및 제2 CSI 브리지의 레그를 구성하는 스위치가 게이트 오프되고, 제1 공진 커패시터와 제1 공진 인덕터 사이의 공진 및 제2 공진 커패시터와 제2 공진 인덕터 사이의 공진 중 적어도 하나를 개시하면서 제1 공진 스위치(231) 및 제2 공진 스위치(236) 중 적어도 하나는 게이트 온된다. 예를 들어, 상기 제1 공진 스위치(231)가 게이트 온되면, 상기 제1 공진 커패시터(233)와 상기 제1 공진 인덕터(232) 사이에 공진이 개시될 것이다. 상기 제2 공진 스위치(236)가 게이트 온되면, 상기 제2 공진 커패시터(238)와 상기 제2 공진 인덕터(237) 사이에 공진이 개시될 것이다.
도 2 내지 도 7의 개시된 컨버터 토폴로지는 1) 양방향 전력 흐름, 2) 전압 승압 및 강압, 3) VSI(Voltage-Source Inverter) 대응 제품보다 낮은 공통 모드 전압 생성, 4) 필터링된 출력 전압 파형, 5) 돌입 전류 제거, 6) 슛-스루(shoot-through) 조건의 제거, 7) 단락 전류에 대한 내성을 포함하는 표준 CSI의 이점을 유지할 수 있다. 또한, 개시된 컨버터 토폴로지는 기존 CSI를 개선할 수 있으며 다음과 같은 추가 기능을 제공할 수 있다: 1) CSI 브리지의 모든 스위치에 대한 ZVS 소프트 스위칭 작동, 2) 더 높은 변환 효율, 3) 더 높은 스위칭 주파수, 4) 감소된 DC 링크 인덕턴스, 5) 감소된 필터 커패시턴스, 6) dv/dt 스위칭 속도 감소 및 제어, 7) 더 낮은 EMI 생성 및 EMI 필터 요구 사항, 8) 더 빠른 컨버터 다이나믹, 9) 효율을 최대화하기 위한 컨버터 로딩 레벨의 함수로서 빠른 동적 DC-링크 전류 레벨 조정, 10) 의도적으로 중첩 시간을 추가하지 않고 단순화된 장치 전환 및 전환 메커니즘, 및 11) DC 링크 전류 경로를 열 때 치명적인 전압 스트레스를 겪지 않는 장치
개시된 컨버터 토폴로지는 또한 다른 기존 공진 컨버터와 다르며 다음 기능을 제공할 수 있다: 1) 펄스폭 변조(PWM) 및 공간 벡터 변조(SVM)가 가능한 간단하고 강력한 제어, 2) 전체 컨버터 전압, 전류 및 전력 범위에 걸친 소프트 스위칭 동작, 3) 고정 스위칭 주파수 작동, 4) 단일 공진 탱크를 사용하여 두 CSI 브리지의 ZVS 작동을 제공할 수 있다. 5) 공진 탱크가 주 전원 경로 외부에 있고 스위칭 사이클의 작은 부분 동안 작동하므로 공진 요소는 주 컨버터 무효 요소의 일부에서 평가될 수 있고 공진 탱크는 제한된 손실을 겪는다. 6) 0.8 이상의 높은 DC 링크 전류 이용 계수(DC-link current utilization factor)에서 소프트 스위칭 동작이 가능하다.
하기 실시예는 본 개시내용의 측면을 추가로 예시한다. 그러나, 이들은 본 명세서에 기재된 바와 같은 본 개시내용의 교시 또는 개시내용을 결코 제한하지 않는다.
실시예
도 8은 전기 자동차 구동계에 사용하기 위한 예시적인 소프트-스위칭 CSI(SSCSI)를 제공한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 SSCSI는 직렬 DC-링크 인덕터를 통해 연결된 2개의 표준 CSI 브리지를 포함한다. 상기 브리지의 위상 레그 또는 레그는 SiC 다이오드와 표준 Si IGBT 또는 고성능 애플리케이션을 위한 SiC MOSFET의 직렬 연결로 실현되는 2개의 역 차단 스위치를 포함한다. 상기 컨버터의 소프트 스위칭 작동은 DC-링크 인덕터를 거쳐 연결된 단일 공진 탱크 또는 공진 회로에 의해 활성화된다. 공진 커패시터 Cr, 공진 인덕터 Lr 및 보조 스위치 Sr에 의존하는 이 최소 공진 회로는 처리된 전력의 일부만 처리하도록 모두 등급이 지정되어 있으며, 스위칭 주기에 걸쳐 그리고 전체 전압, 전류 및 전력 범위에 걸쳐 CSI 브리지의 모든 전력 장치에 대한 제로 전압 스위칭(ZVS) 조건을 설정한다.
스위칭 손실을 실질적으로 감소(및 사실상 제거)함으로써, 소프트 스위칭 동작은 모터 드라이브 애플리케이션에서 앞서 언급한 모든 이점을 유지하면서 기존 CSI에 문제를 일으키는 더 높은 변환 손실을 해결한다. 또한 PWM 변조를 통해 더 높은 스위칭 주파수 동작이 가능하므로, DC-링크 인덕터 및 필터 커패시터 크기가 줄어들고 컨버터 다이내믹이 탁월해진다. 마지막으로, SSCSI 토폴로지는 벅-부스트(buck-boost) 전압 변환이 가능한 완전한 양방향이며, EMI를 줄이고 최신 SiC 장치를 최대한 활용하기 위한 고유한 dv /dt 제어를 제공하며, 높은 동작 주파수에서 매우 높은 효율성을 보여준다. 이제 토폴로지의 기본 작동 원리에 대해 설명될 것이다.
동작 원리
스위칭 주기: DC-to-3-상(phase) AC 구성에서 SSCSI의 예시적인 스위칭 사이클이 도 9에 도시되어 있다. 컨버터 동작은 주기에 걸쳐 세 가지 주요 단계(액티브, 프리휠링 및 레조넌스)로 분류될 수 있다:
활성 단계에서, CSI 브리지는 DC-링크에 일련의 전압 레벨을 적용하며, 이후에는 사용 가능한 레그-투-레그 전압 또는 프리휠링 상태 중 하나에 해당하는 "액티브 벡터"로 지칭된다. 도 8에서 사용된 규칙에 따라, 브리지 1,
Figure pct00001
, 및 브리지 2,
Figure pct00002
에 대해 가능한 액티브 벡터는:
Figure pct00003
Figure pct00004
이며, 여기서
Figure pct00005
는 배터리의 DC 전압이며,
Figure pct00006
는 3상 모터 선간 AC 전압이며, 0은 DC-링크 전류를 프리휠하기 위해 브리지의 전체 레그를 턴 온 하여 적용되는 제로-전압 벡터이다. DC-링크 인덕터와 공진 커패시터 양단의 결과 전압
Figure pct00007
는 다음과 같다.
Figure pct00008
션트 자화 인덕턴스를 저장 소자로 사용하여 브리지 간에 순차적으로 에너지를 전달하는 기존의 소프트-스위칭 반도체 변압기(S4T)와 달리, SSCSI의 두 브리지가 동시에 작동하여 DC-링크 전류와 반도체의 활용률을 높이게 된다. (3)에서, 활성 단계 동안 DC-링크 인덕터와 공진 커패시터 양단의 가능한 전압 레벨은 세트 (1)과 (2)의 데카르트 곱(Cartesian product)에 의해 주어진 액티브 벡터 쌍의 전압 합에서 비롯됨을 알 수 있다. 하나의 스위칭 주기 동안, 각 브리지에서 액티브 벡터의 선택, 순서 및 적용 시간은 변조 전략에 의해 결정될 수 있다. 따라서,
Figure pct00009
의 전압 레벨 수와 활성 단계 동안의 극성은 임의적일 수 있으며 스위칭 사이클을 통한 컨버터 스위칭 상태에 의존한다. 이 애플리케이션에 대한 가장 일반적인 경우에, 도 9에서
Figure pct00010
,
Figure pct00011
및
Figure pct00012
으로 식별되는 3개의 전압 레벨이
Figure pct00013
에서 관찰된다. 그러나 아래에 설명된 소프트 스위칭 원리의 파생에서는 특정 스위칭 주기 구조가 가정되지 않으며 제시된 메커니즘은 모든 SSCSI 구현 변형에 대하여 유효하다.
DC-링크 전류 컨트롤러는 인덕터와 공진 커패시터에 걸쳐 볼트-초(volt-second) 균형을 적용하여 정상 상태에서 다음 제약 조건이 성립하도록 하며:
Figure pct00014
여기서
Figure pct00015
는 하나의 스위칭 기간에 대한
Figure pct00016
의 평균이다.
지금까지 설명한 형태에서, 활성 단계 동안, SSCSI의 동작 원리는 표준 펄스-폭 변조 CSI와 유사하다. 그러나, 아래에 설명된 바와 같이, 소프트-스위칭 동작을 인에이블하기 위해 추가 고려 사항이 사용될 수 있다.
일정한 스위칭 주파수 동작을 보장하기 위해, 두 브리지에 대해 제로-전압 벡터를 선택하여 DC-링크 전류가 바이패스되는 프리휠링 단계로 스위칭 주기가 채워질 수 있다. 이것은 브리지당 하나의 레그를 턴 온하여 달성된다. 프리휠링 단계 동안 에너지 전달은 불가능하기 때문에 컨버터 전도 손실을 줄이고 DC-링크 활용도를 높이기 위해 지속 시간이 최소화 되어야 한다. 종래의 CSI에서, 스위칭 주파수는 일반적으로 전도 및 스위칭 손실의 균형을 유지하고 허용 가능한 효율 레벨에서 동작하도록 낮게 유지된다. 이것은 차례로 큰 DC-링크 인덕터를 필요로 하고 열악한 동적 성능을 초래한다. 결과적으로, DC-링크 전류 레벨은 일반적으로 일정하게 유지되거나, 부하 변동 하에서 양호한 컨버터 응답을 유지하기 위해 부하 요구 사항보다 훨씬 높게 제어된다. 그러나, SSCSI에서는 스위칭 손실을 사실상 제거하는 소프트 스위칭 기능으로 인해 더 높은 스위칭 주파수 동작이 가능하며, DC-링크 전류 레벨은 컨버터 로딩 레벨에 맞게 조정하고 프리휠링 시간을 최소화하기 위해 몇 번의 스위칭 주기 내에서 동적으로 변경될 수 있다. 이는 아래에 자세히 설명된 것처럼 고유한 효율성 프로파일을 이끌어 낸다.
마지막 컨버터 동작 모드는 공진 단계이다. 이 모드에서, CSI 브리지의 모든 전원 스위치가 OFF인 동안, 보조 스위치
Figure pct00017
은 제로-전류 스위칭(ZCS) 조건에서 ON으로 게이트되어 공진 커패시터
Figure pct00018
과 공진 인덕터
Figure pct00019
사이의 공진을 개시한다. 스위치
Figure pct00020
을 통해 흐르는 공진 전류의 후속하는 제로-크로싱에서, 직렬 다이오드가 자연스럽게 턴 오프되어 스위치의 ZCS가 턴 오프된다. 1차 근사치로서, 이 순간은
Figure pct00021
탱크의 공진 기간의 절반에 해당하며, 공진 커패시터 양단의 전압은 공진 단계 시작 시 초기 전압의 반대이다. 따라서, 이 동작 모드는 본질적으로 공진 커패시터 전압을 뒤집는 간단한 메커니즘을 제공하며, 아래에 설명된 바와 같이 소프트-스위칭 동작을 가능하게 하기 위해 스위칭 주기 전반에 걸쳐 마음대로 트리거될 수 있다. 프리휠링 단계의 경우, 공진 단계 동안 소스 및 부하와의 에너지 교환이 없으므로, 총 공진 지속 시간이 최소로 유지될 수 있다. 이것은, 이 단계에서 전압 및 전류 스트레스 레벨을 고려하면서, 공진 요소
Figure pct00022
및
Figure pct00023
의 적절한 선택을 통해 가능하다.
소프트-스위칭 메커니즘: 도 8에 도시된 SSCSI는 소프트-스위칭 동작이 액티브 벡터 간의 스위칭 전환 동안 단일 공진 회로에 의해 인에이블된다는 점에서 공진 전환 컨버터이다. DC-링크 전류가 브리지를 통해 흐를 수 있는 경로를 지속적으로 제공하기 위해 게이팅 시퀀스에 많은 주의를 기울여야 하는 종래의 PWM CSI와 달리, 도 8의 SSCSI의 공진 커패시터는 추가적인 전류 순환 경로를 제공한다. 이 추가 경로는 'ZVS 전이 상태'라고 하는 고유한 컨버터 상태에서 사용되며, 도 9에 나타난 바와 같이, 인접한 두 액티브 벡터 사이에 삽입된다.
일반성을 잃지 않고, 브리지 2가
Figure pct00024
에서
Figure pct00025
로 정류하는 반면 브리지1은 임의의 벡터
Figure pct00026
을 적용할 때, ZVS 전이 상태를 예로 들어 보자.
Figure pct00027
라고 가정할 때 대응하는 컨버터 스위칭 상태는 도 10a-c에 도시된다. 또한 다음을 가정한다.
Figure pct00028
도 10a에 도시된
Figure pct00029
인 초기 활성 단계로부터, ZVS 전이 상태는 스위치
Figure pct00030
이 온으로 유지된 상태에서 스위치
Figure pct00031
를 게이트 오프하고 스위치
Figure pct00032
를 게이트 온 함으로써 개시된다. 키르히호프의 전압 법칙을 스위칭 루프에 적용하면, 관심 있는 두 스위치 위치에 걸친 전압은:
Figure pct00033
이고 여기서,
Figure pct00034
및
Figure pct00035
는 각각 스위치 위치
Figure pct00036
및
Figure pct00037
에 걸친 전압이고,
Figure pct00038
및
Figure pct00039
는 모터의 선간 전압이고,
Figure pct00040
은 브리지 1에 의해 적용된 액티브 벡터이다.
이전 스위칭 상태의 초기 조건
Figure pct00041
인 (5) 및 (6)에서, ZVS 전이 상태의 시작에서는
Figure pct00042
이다. 이는 스위치 위치
Figure pct00043
의 직렬 다이오드가 역 바이어스되고,
Figure pct00044
를 게이트 온 하는 것이 스위치 위치를 효과적으로 턴 온 하지 않음을 의미한다. 따라서
Figure pct00045
가 턴 오프 되자마자, DC-링크 전류
Figure pct00046
는 도 10c에 도시된 바와 같이 공진 커패시터
Figure pct00047
을 통해 강제로 흐르게 되어 다음과 같이 방전된다:
Figure pct00048
(6)과 (7)에서, 그리고 ZVS 전이 상태의 시간 스케일에서 부하 및 소스 전압의 역학이 무시될 수 있음을 인식할 때, 관심 있는 두 스위치의 전압의 변화율은 다음과 같다:
Figure pct00049
따라서, ZVS 전이 상태 동안, 2개의 정류 스위치 위치에 걸친
Figure pct00050
가 제어되고, (8)에 후속하여
Figure pct00051
을 적절하게 선택하여 임의의 목표 값으로 설정될 수 있다. 공진 커패시터가 인입하는 결합 액티브 벡터 전압 레벨(이 경우
Figure pct00052
)로 방전되면, 스위치
Figure pct00053
의 직렬 다이오드가 순방향 바이어스되고, 스위치 위치가 전도를 시작하여, 도 10b에 도시된
Figure pct00054
를 갖는 후속 컨버터 활성 단계로 이어지게 된다. 이는 ZVS 상태 전환을 완료시키고, 나가는(outgoing) 스위치(이 예에서는
Figure pct00055
)의 ZVS이 턴 오프되고, 인입하는 스위치(이 경우
Figure pct00056
)의 ZVS이 턴 온 되면서 액티브 벡터 간의 정류가 발생한다. 이 예의 ZVS 전이 상태 동안의 스위칭 파형 및 게이팅 시퀀스는 도 11에 요약되어 있다.
위의 유도들은 사실인 가정 (5)를 기반으로 한다. 이것은 다음과 같이 SSCSI의 소프트 스위칭 메커니즘을 가능하게 하는 필요 충분 조건으로 일반화될 수 있다:
Figure pct00057
여기서,
Figure pct00058
은 브리지에 의해 적용되는 인입 액티브 벡터의 전압 레벨이고,
Figure pct00059
은 브리지가 스위칭되는 액티브 벡터의 전압 레벨이다.
조건 (9)는 SSCSI에 고유한 제약 조건이며, 스위칭 주기 전체에 걸쳐 액티브 벡터를 적절하게 시퀀싱하여 브리지 기반으로 시행될 수 있다. 이것은 수정된 SVM(Space Vector Modulation) 방식을 사용하여 구현될 수 있다.
스위칭 주기 동안, 브리지에 대해 선택된 모든 액티브 벡터가 적용되면 조건 (9)는 확인될 수 없으며, 공진 단계는, 공진 커패시터 전압 및, 따라서 DC-링크 전압
Figure pct00060
을 다음에 인입하는 결합 액티브 벡터 전압 레벨보다 큰 전압으로 뒤집는데 사용될 수 있다. 이는 위에서 설명한 바와 같이 보조 스위치를 게이트 온 함으로써 달성되며, 그 다음으로
Figure pct00061
가 인입 전압 레벨로 감소하는 ZVS 전이 상태가 뒤따른다. 공진 종료 시 DC-링크 전압이 인입 전압 레벨보다 크다는 것을 보장할 만큼, 공진 단계 이전의 초기 공진 커패시터 전압이 충분히 크지 않은 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 공진 커패시터를 추가로 방전하기 위해 보조 스위치를 게이트 온 하기 전에 추가 ZVS 전이 상태가 삽입될 수 있다. 이러한 유연성은 SSCSI의 ZVS 동작을 입력 및 출력 전압에서 분리하고 전체 전압, 전류 및 전력 범위에서 소프트 스위칭 동작을 가능하게 한다. DC-링크 활용을 극대화하기 위해, 두 브리지는 각각의 액티브 벡터 시퀀스를 동시에 적용한다. 따라서, 가장 일반적인 경우에서, 브리지 1과 브리지 2에 대해 조건 (9)를 적용할 수 없는 순간은 동기화되지 않고, 도 9에 도시된 바와 같이 스위칭 주기당 두 개의, 브리지당 하나의, 공진 단계가 사용된다.
제안된 토폴로지의 검증
SSCSI 토폴로지의 기본 작동 원리를 설명하기 위해, 표 I에 제공된 파라미터를 사용하여 도 8에 도시된 EV 구동계 구성에서의 25kVA SSCSI가 시뮬레이션된다. 전압 크기가 480Vrms의 공칭 값까지 증가할 때 주파수 범위가 0-500Hz인 AC 출력 전압 세트를 생성하기 위해 V/f 제어가 구현된다.
Figure pct00062
이 시뮬레이션에서, DC-링크 전류 레벨은 60A의 공칭 값에서 일정하게 유지된다. 입력 전압
Figure pct00063
, 배터리 전류 Ibat, 출력 브리지 선간 전압
Figure pct00064
, 선 전류
Figure pct00065
및 결과적인 피상 전력
Figure pct00066
이 도 12에 도시된다. DC-링크 전류
Figure pct00067
와 전압
Figure pct00068
도 도시된다. 출력 전압의 크기와 주파수가 130ms 내에 0pu에서 1pu로 증가하는 동안, 결과는 안정적이고 제어된 DC-링크 전류, 0A부터 소프트 스타트되는 V/f 제어에서 SSCSI의 적절한 동작을 검증한다. 램프업 시간은 컨버터의 동적 기능을 보여주기 위해 이 시뮬레이션에서 임의로 선택되었으며, 컨버터 램프업 시간이 더 짧을 수 있지만 시스템에 대해 적합하지 않을 수 있다는 점을 이해하면서 모터 및 차량 역학에 조정될 수 있다.
입력 배터리 전류는 출력 전력에 비례하여 증가하여 공칭 값으로 레귤레이트된 DC-링크 전류를 유지하고, 시동 시 돌입 전류는 관찰되지 않는다. 도 12에서 확인된 바와 같이, 이 시뮬레이션 연구는 또한 출력 전압 크기가 배터리 DC 전압 이상으로 매끄럽게 증가하는 벅 및 부스트 전압 변환 모드 모두에서 SSCSI의 동작을 확인한다. 추가적으로, SSCSI는 이 시뮬레이션과 이 설계에서 정격 전력 및 주파수가 각각 5% 및 2%일 때 출력 전압 및 전류 THD와 입력 배터리 전류 THD가 5.5%인 고품질 파형을 생성한다. 예상된 바와 같이, DC-링크 전류 리플은 전달된 출력 전력이 공칭 값에 도달함에 따라 증가하지만 최대 전력에서 60% 피크 대 피크라는 설계 목표 아래에 남아 있다. 이는 350μH의 소형 DC-링크 인덕터로 달성되며, 이는 25kVA 동작 지점에서 1J 미만의 저장된 에너지를 나타내며, 동등한 등급의 VSI 기반 구동계의 DC 버스에 저장된 에너지보다 10배 이상 낮으므로 전력 밀도가 높고 비용 효율적인 설계가 가능하다. 10J를 약간 넘는 총 필터 에너지에 대해 112μF의 결합 커패시턴스를 사용하여 입력 및 출력 필터에 대해서도 유사하게 관찰된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 출력 전압은 초기값 0V에서 480Vrms의 정격 선간 전압까지 상승하는 동안, DC-링크 전압
Figure pct00069
는 시뮬레이션 전반에 걸쳐 ±850V 대역 내에서 제어된다. 따라서 DC-링크 전압 스트레스는 본 연구에서 전체 전압 및 부하 범위에서 1.25pu로 낮고 일정하게 유지된다. 또한, 서로 다른 컨버터 동작 조건에서 소프트-스위칭 동작을 확인하기 위해, DC-링크 전류와 전압은 도 12에서 식별된 3개의 순간에서 하나의 스위칭 주기에 걸쳐 관찰된다. 선간 출력 전압,
Figure pct00070
, 출력 피상 전력
Figure pct00071
및 변환 모드는 세 가지 관찰에 대한 표 II에 요약되어 있으며, 결과 파형은 도 3에 도시된다.
Figure pct00072
3개의 경우에서, 스위칭 패턴은 위에서 설명한 개념적 파생과 유사하며, 활성 단계, 두 개의 공진 단계 및 프리휠링 단계가 수치에서 명확하게 식별된다. 관찰 1(도 13a) 및 관찰 2(도 13b)는 모두 벅 변환 모드에서 발생하고 스위칭 주기 시퀀스는 동일하다. 출력 전력이 1kVA ~ 10kVA 사이에서 증가함에 따라, DC-링크 전류가 일정한 이 시뮬레이션 연구에서 예상되는 바와 같이, 활성 단계의 지속 시간이 증가하고 프리휠링 단계의 지속 시간이 짧아진다. 중요한 것은, 출력 전압이 90Vrms에서 300Vrms로 3배 이상 증가하는 동안, 공진 단계 동안의
Figure pct00073
에 대한 전압 스트레스는 일정하게 유지되고, 소프트-스위칭 동작은 ZVS 전이 상태 동안
Figure pct00074
의
Figure pct00075
비율로 유지된다.
정격 출력 전압 및 전력, 각각 480Vrms 및 25kVA에서 관찰 3에 대한 DC-링크 파형은 도 13c에 도시되어 있다. 이 경우, SSCSI는 부스트 변환 모드에서 동작하고
Figure pct00076
,
Figure pct00077
및
Figure pct00078
의 순서는 도 13a-b와 상이하다. 이처럼 근본적으로 다른 동작 조건에도 불구하고, 공진 단계에서
Figure pct00079
에서의 전압 스트레스는 변경되지 않고 소프트-스위칭 동작이 다시 한 번 달성된다.
이 세 가지 관찰은 일반화될 수 있으며, 모든 부하, 전류 및 전압 조건에서 모든 전력 장치의 ZVS 동작을 보장하기 위해 공진 단계의 유연성과 공진 스위치 제어를 활용하는 SSCSI의 고유한 능력을 입증할 수 있다. 이는 넓은 출력 전압과 부하 범위가 예상되는 EV 구동계 애플리케이션에 매우 중요하다.
제안된 SSCSI와 종래 VSI의 프로파일의 효율성 비교
매력적인 속성 중 하나이자 SSCSI 구동계의 기능을 가능하게 하는 것은 토폴로지의 고유한 효율성 프로파일이다. 도 14에 도시된 양방향 DC/DC 부스트 컨버터에 결합된 종래의 VSI-기반 구동계는 상업용 전기 자동차에 널리 사용되며, 이 섹션에서 기준 사례로 취급된다. 이러한 VSI-기반 토폴로지의 경우, 스위칭 손실을 조절하고 변환 효율을 개선하기 위해 DC-버스 전압은 어느 정도 제어될 수 있다. 그러나 최소 DC-버스 전압은 배터리 및 출력 전압 크기에 의해 제한되므로 다양한 부하 조건에서 버스 전압을 동적으로 제어할 수 있는 여지가 거의 없다. 또한 효율 개선은 필요한 출력 전압이 정격 값보다 훨씬 낮은 모터의 저속 영역으로 제한된다. 뚜렷이 대조적으로, 토폴로지의 전류-소스 특성과 결합된 SSCSI 컨버터의 빠른 동적 특성은 DC-링크 전류 레벨을 입력 및 출력 전압 레벨에 관계없이 시스템의 전류 부하 기능으로서 정밀하게 조정될 수 있게 한다. 이는 다음에 제시되는 고유한 SSCSI 효율성 프로파일을 유도한다.
제안된 SSCSI 구동계와 종래 VSI-기반 드라이브에 대하여 공칭 출력 전압 및 가변 부하에서의 효율 프로파일은 표 III에 구체화된 파라미터를 사용하여 계산되며, 도 15에 도시된다. 3개의 상업적으로 이용 가능한 장치가 모델링되어 전력 반도체 손실 계산에 사용된다. 관심 파라미터는 표 IV에 나열되어 있으며, 접합 온도는 이 비교 연구에서 125 ℃에서 일정하다고 가정한다. 도 15에 라벨링된 바와 같이, SSCSI에 대해 두 가지 장치 구성 시나리오가 고려된다. 스위칭 손실과 전도 손실은 모두 VSI 구동계에 대해 평가되는 반면 스위칭 손실은 소프트-스위칭 SSCSI 변형에서 제거된다. 마그네틱의 코어 및 권선 손실이 고려되며 두 경우 모두 커패시터 손실은 무시된다. 마지막으로, VSI 구동계의 DC-링크 전압은 공칭 출력 전압이 생성될 때 정격 값으로 일정하게 유지되는 반면, SSCSI의 DC-링크 전류는 출력 전력 및 전류에 비례하여 동적으로 변한다.
Figure pct00080
Figure pct00081
도 15에서 보는 바와 같이, 동일한 Si IGBT와 SiC 다이오드를 사용하여, SSCSI에 대한 직렬 구성 및 VSI에 대한 역병렬 구성에서, 제안되는 SSCSI 파워트레인의 효율이 전체 전력 범위에 걸쳐 종래 VSI 솔루션보다 높다. 따라서, 역-차단 스위치를 구현하기 위한 두 장치의 직렬 연결로 인한 SSCSI 토폴로지의 명백한 이중 전압 강하 패널티에도 불구하고, 고려한 스위칭 주파수에서 스위칭 손실을 제거는 더 높은 변환 효율을 얻게 한다. 또한, 이 직렬 스위치 구성은, 비표준임에도 불구하고, 다이의 상호 연결의 간단한 재구성을 통해 기존 전력 모듈 기술로 쉽게 구현되어 더 높은 컨버터 통합을 이룰 수 있다.
고유
Figure pct00082
제어를 통한 소프트-스위칭 동작으로 인해, Si IGBT를 SiC MOSFET으로 교체하는 것이 SSCSI 토폴로지에서 크게 촉진되고, 도 15에 도시된 바와 같이 훨씬 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 더욱이, 기존의 VSI 모터 드라이브가 최대 전력 영역 근처에서 최대 효율로 동작하는 반면, SSCSI 구동계 효율은 동적 DC-링크 전류 조정 덕분에 출력 전력이 감소함에 따라 증가한다. 이러한 경향은 연속 전도 모드의 한계(일반적으로 공칭 부하의 30%)에 도달할 때까지 계속되며, DC-링크 전류는 더 이상 감소할 수 없으며, 이 지점에서 효율성이 감소하기 시작한다. 또한, 소프트-스위칭 동작으로 인해 SSCSI의 손실 프로파일은 본질적으로 출력 전압과 그 다음 차례로 모터 속도에 독립적이며, 따라서 전체 전압 및 모터 속도 범위에 걸쳐 유사한 효율 경향이 예상될 수 있다는 점을 유의하는 것이 중요하다. 따라서, SSCSI는 일반적인 주행 주기에서 기존 솔루션을 능가할 것으로 예상할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예 및 청구범위는 명세서에 기재되고 도면에 도시된 구성요소의 구성 및 배열의 세부사항에 대한 적용에 있어서 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 명세서 및 도면은 구상된 실시예의 예를 제공한다. 본 명세서에 개시된 실시예 및 청구범위는 또한 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 청구범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 됨을 이해해야 한다.
따라서, 당업자는 본 출원 및 청구범위의 기반이 되는 개념이 본 출원에 제시된 청구범위 및 실시예의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및 시스템의 설계를 위한 기초로서 용이하게 활용될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서 청구범위가 그러한 등가 구성을 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.
또한, 전술한 요약서의 목적은 미국 특허 상표청과, 특히 특허 및 법률 용어 또는 어법에 익숙하지 않은 해당 기술 분야의 실무자를 포함하는 일반 대중이 일반적으로 피상적인 조사를 통해 출원의 기술 공개의 성격과 본질을 신속하게 결정할 수 있도록 하는 것이다. 요약서는 본 출원의 청구범위를 정의하려는 의도가 아니며, 어떠한 방식으로든 청구범위를 제한하려는 의도 역시 아니다.

Claims (72)

  1. 제1 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결된 제1 CSI(Current Source Inverter, CSI) 브리지;
    제2 파워 뱅크에 동작 가능하게 연결된 제2 CSI 브리지;
    상기 제1 및 제2 CSI 브리지 사이에 직렬로 연결된 DC-링크 인덕터; 및
    상기 DC-링크 인덕터와 병렬로 연결된 공진 탱크
    를 포함하는 전류원 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력을 공급하도록 구성되는 전류원 인버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력을 싱크하도록 구성되는 전류원 인버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력을 공급 및 싱크하도록 구성되는 전류원 인버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력을 공급하도록 구성되는 전류원 인버터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력을 싱크하도록 구성되는 전류원 인버터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력을 공급 및 싱크하도록 구성되는 전류원 인버터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 DC-링크 인덕터와 상기 공진 탱크 사이에 직렬로 연결된 누설 관리 다이오드를 더 포함하는 전류원 인버터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 공진 탱크는 공진 커패시터, 공진 인덕터, 및 공진 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공진 커패시터는 상기 DC-링크 인덕터와 병렬로 연결되는 전류원 인버터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 공진 인덕터는 상기 공진 스위치와 직렬로 연결되는 전류원 인버터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 직렬 연결된 공진 스위치 및 공진 인덕터는 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결되는 전류원 인버터.
  13. 제9항에 있어서, 상기 공진 스위치는 역 차단 스위치인 전류원 인버터.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 직렬로 연결된 2개의 역 차단 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 연결된 하나 이상의 필터 커패시터를 포함하는 전류원 인버터.
  16. 제14항에 있어서, 상기 2개의 역방향 차단 스위치들 중 하나 이상은 다이오드에 직렬로 연결된 제어가능한 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어가능한 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 중 하나인 전류원 인버터.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제어가능한 스위치는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  19. 제16항에 있어서, 상기 다이오드는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제2 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 2개 이상의 레그 각각은 2개의 역방향 차단 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 1개 이상의 필터 커패시터를 더 포함하는 전류원 인버터.
  22. 제21항에 있어서, 상기 2개의 역방향 차단 스위치 중 하나 이상은 다이오드에 직렬로 연결된 제어 가능한 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제어 가능한 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 중 하나인 전류원 인버터.
  24. 제22항에 있어서, 상기 제어 가능한 스위치는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  25. 제22항에 있어서, 상기 다이오드는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  26. 제12항에 있어서, 상기 CSI는 스위칭 사이클에서 동작하도록 구성되는 전류원 인버터.
  27. 제26항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 활성 단계를 포함하고, 상기 활성 단계의 적어도 일부 동안, 전력은 (a) 상기 제1 CSI 브리지를 통해 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에, 및 (b) 상기 제2 CSI 브리지를 통해 상기 제2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 동시에 전송되는 전류원 인버터.
  28. 제26항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 상기 DC-링크 인덕터와 상기 제1 및 제2 파워 뱅크 사이에 전력이 전송되지 않는 프리휠링 단계(freewheeling phase)를 포함하는 전류원 인버터.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제1 및 제2 CSI 브릿지 각각은 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 프리휠링 단계(freewheeling phase) 동안, 상기 제1 CSI의 제1 레그의 제1 및 제2 스위치는 게이트 온되고, 상기 제2 CSI의 제1 레그의 제1 및 제2 스위치는 게이트 온되는 전류원 인버터.
  30. 제26항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 CSI 브리지는 상기 제2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함하고
    상기 스위칭 사이클은 상기 제1 및 제1 복수의 스위치는 게이트 오프되고, 상기 공진 스위치는 게이트 온되며, 상기 공진 커패시터와 상기 공진 인덕터 사이의 공진을 개시하는 공진 단계를 포함하는 전류원 인버터.
  31. 제30항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 스위칭 기간를 갖고, 이때 상기 공진 단계는 상기 스위칭 기간의 10% 미만을 포함하는 전류원 인버터.
  32. 제26항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 CSI 브리지는 상기 제2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함하고, 상기 스위칭 사이클은 상기 제1 및 제 2 복수의 스위치가 게이트 오프되고, 상기 공진 스위치가 게이트 오프되며, 상기 DC-링크 인덕터에 의해 생성된 전류가 상기 공진 커패시터를 통해 흐르는 하나 이상의 제로 전압 스위칭 전이 상태를 포함하는 전류원 인버터.
  33. 제1항에 있어서, 상기 CSI는 0.9와 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수(DC-link current utilization factor)을 가지는 전류원 인버터.
  34. 제1항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 CSI는 제1 파워 뱅크와 제1 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 더 포함하는 전류원 인버터.
  35. 제1항에 있어서, 상기 제2 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 CSI는 제2 파워 뱅크와 제2 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 더 포함하는 전류원 인버터.
  36. 제1 파워 뱅크에 작동 가능하게 연결된 제1 CSI(Current Source Inverter, CSI) 브리지;
    제2 파워 뱅크에 동작 가능하게 연결된 제2 CSI 브리지;
    상기 제1 및 제2 CSI 브리지 사이에 직렬로 연결된 제1 DC-링크 인덕터;
    상기 제1 CSI 브릿지와 병렬로 연결된 제1 공진 탱크; 및
    상기 제2 CSI 브리지와 병렬로 연결된 제2 공진 탱크
    를 포함하는 전류원 인버터.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1 파워 뱅크는 전원인 전류원 인버터.
  38. 제36항에 있어서, 상기 제1 파워 뱅크는 전력 부하인 전류원 인버터.
  39. 제36항에 있어서, 상기 제1 파워 뱅크는 전원 및 전원 부하 모두인 전류원 인버터.
  40. 제36항에 있어서, 상기 제2 파워 뱅크는 전원인 전류원 인버터.
  41. 제36항에 있어서, 상기 제2 파워 뱅크는 전력 부하인 전류원 인버터.
  42. 제36항에 있어서, 상기 제2 파워 뱅크는 전원 및 전력 부하 모두인 전류원 인버터.
  43. 제36항에 있어서, 상기 제1 공진 탱크와 직렬로 연결된 제1 누설 관리 다이오드를 더 포함하는 전류원 인버터.
  44. 제36항에 있어서, 상기 제2 공진 탱크와 직렬로 연결된 제2 누설 관리 다이오드를 더 포함하는 전류원 인버터.
  45. 제36항에 있어서, 상기 제 1 공진 탱크는 제1 공진 커패시터, 제1 공진 인덕터, 및 제1 공진 스위치를 포함하고, 상기 제2 공진 탱크는 제2 공진 커패시터, 제 2 공진 인덕터, 및 제2 공진 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  46. 제45항에 있어서, 상기 제1 공진 커패시터는 상기 제1 CSI 브릿지와 병렬로 연결되고, 상기 제2 공진 커패시터는 상기 제2 CSI 브릿지와 병렬로 연결되는 전류원 인버터.
  47. 제46항에 있어서, 상기 제1 공진 인덕터는 상기 제1 공진 스위치와 직렬로 연결되고, 상기 제2 공진 인덕터는 상기 제2 공진 스위치와 직렬로 연결되는 전류원 인버터.
  48. 제47항에 있어서, 상기 직렬 연결된 제1 공진 스위치 및 제1 공진 인덕터는 상기 제1 공진 커패시터와 병렬로 연결되고, 상기 직렬 연결된 제2 공진 스위치 및 상기 제2 공진 인덕터는 상기 제2 공진 커패시터와 병렬로 연결되는 전류원 인버터.
  49. 제45항에 있어서, 상기 제1 공진 스위치는 역 차단 스위치이고, 상기 제2 공진 스위치는 역 차단 스위치인 전류원 인버터.
  50. 제36항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 직렬로 연결된 2개의 역방향 차단 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  51. 제50항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 연결된 하나 이상의 필터 커패시터를 더 포함하는 전류원 인버터.
  52. 제50항에 있어서, 상기 2개의 역방향 차단 스위치 각각은 다이오드에 직렬로 연결된 제어 가능한 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  53. 제52항에 있어서, 상기 제어 가능한 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 중 하나인 전류원 인버터.
  54. 제52항에 있어서, 상기 제어 가능한 스위치는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  55. 제52항에 있어서, 상기 다이오드는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  56. 제36항에 있어서, 상기 제2 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 2개의 역방향 차단 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  57. 제56항에 있어서, 상기 제2 CSI 브리지의 두 개 이상의 레그 사이에 하나 이상의 필터 커패시터를 더 포함하는 전류원 인버터.
  58. 제56항에 있어서, 상기 2개의 역방향 차단 스위치 각각은 다이오드에 직렬로 연결된 제어 가능한 스위치를 포함하는 전류원 인버터.
  59. 제58항에 있어서, 상기 제어 가능한 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 중 하나인 전류원 인버터.
  60. 제58항에 있어서, 상기 제어 가능한 스위치는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  61. 제58항에 있어서, 상기 다이오드는 탄화규소(silicon carbide) 또는 질화갈륨(gallium nitride)을 포함하는 전류원 인버터.
  62. 제48항에 있어서, 상기 전류원 인버터는 스위칭 사이클에서 동작하도록 구성되는 전류원 인버터.
  63. 제62항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 활성 단계를 포함하고, 상기 활성 단계의 적어도 일부 동안, 전력은 (a) 상기 제1 CSI 브리지를 통해 상기 제1 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에, 및 (b) 상기 제2 CSI 브리지를 통해 상기 제2 파워 뱅크와 상기 DC-링크 인덕터 사이에 동시에 전송되는 전류원 인버터.
  64. 제62항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 상기 제1 DC-링크 인덕터와 상기 제1 및 제2 파워 뱅크 사이에 전력이 전송되지 않는 프리휠링 단계(freewheeling phase)를 포함하는 전류원 인버터.
  65. 제64항에 있어서, 상기 제1 및 제2 CSI 브릿지 각각은 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 2개 이상의 레그 각각은 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 프리휠링 단계(freewheeling phase) 동안, 제1 CSI의 제1 레그의 제1 및 제2 스위치는 게이트 온되고 제2 CSI의 제1 레그의 제1 및 제2 스위치는 게이트 온되는 전전류원 인버터.
  66. 제62항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 제1 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 CSI 브리지는 제2 파워 뱅크와 제1 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함하고,
    상기 스위칭 사이클은 상기 제1 및 제2 복수의 스위치 중 적어도 하나가 게이트 오프되고, 상기 제1 및 제2 공진 스위치 중 적어도 하나가 게이트 온되고, 상기 제1 공진 커패시터와 상기 제1 공진 인덕터 사이의 공진 및 상기 제2 공진 커패시터 및 상기 제2 공진 인덕터 사이의 공진 중 적어도 하나를 개시하는 공진 단계를 포함하는 전류원 인버터.
  67. 제66항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 스위칭 기간을 갖고, 상기 공진 단계는 상기 스위칭 기간의 10% 미만을 포함하는 전류원 인버터.
  68. 제62항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 상기 제1 파워 뱅크와 상기 제1 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제1 복수의 스위치를 포함하고, 상기 제2 CSI 브리지는 제 2 파워 뱅크와 제1 DC-링크 인덕터 사이에 전력을 전달하기 위한 제2 복수의 스위치를 포함하고, 상기 스위칭 사이클은 상기 제1 및 제2 복수의 스위치가 게이트 오프되고, 상기 제1 및 제2 공진 스위치가 게이트 오프되며, 상기 제1 DC-링크 인덕터에 의해 생성된 전류가 제1 및 제2 공진 커패시터 중 적어도 하나를 통해 흐르는 하나 이상의 제로 전압 스위칭 전이 상태를 포함하는 전류원 인버터.
  69. 제36항에 있어서, 상기 CSI는 0.9와 1.0 사이의 DC-링크 전류 이용 계수(DC-link current utilization factor)을 가지는 전류원 인버터.
  70. 제36항에 있어서, 상기 제1 및 제2 CSI 브리지 사이에 직렬로 연결된 제2 DC-링크 인덕터를 더 포함하고, 상기 제2 DC-링크 인덕터는 상기 제1 DC-링크 인덕터와 직렬로 연결되지 않는 전류원 인버터.
  71. 제36항에 있어서, 상기 제1 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 전류원 인버터는 제1 파워 뱅크와 제1 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 더 포함하는 전류원 인버터.
  72. 제36항에 있어서, 상기 제2 CSI 브리지는 2개 이상의 레그를 포함하고, 상기 전류원 인버터는 제2 파워 뱅크와 제2 CSI 브리지의 2개 이상의 레그 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 더 포함하는 전류원 인버터.



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