KR20220166816A - 전력 변환기 - Google Patents

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KR20220166816A
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조르디 에버츠
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프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이.
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Abstract

전기 변환기는, (i) m개의 위상 입력 단자들(a, b, c), 중성 단자(N), 2개의 출력 단자들 (p, n), 제1 전원단(11), 입력 필터, 제2 전원단, (v)출력 필터(14), 및 제어기(40)를 포함하고, (ii) 제1 전원단은, m개의 입력 단자들 각각에 연결된 브리지 정류기, 및 상위 중간 노드(
Figure pct00252
) 및 하위 중간 노드(
Figure pct00253
)에 연결된 출력을 포함하고, 브리지 정류기는, 제1 능동 스위치들을 포함하고, (iii) 입력 필터는, AC 전류들을 필터링하고, (iv) 제2 전원단은 상위 부스트단 및 하위 부스트단을 포함하고, 상위 부스트단은 상위 중간 노드(
Figure pct00254
)와 공통 노드(m) 사이에 연결되고, 하위 부스트단은, 공통 노드(m)와 하위 중간 노드(
Figure pct00255
) 사이에 연결되고, (vi) 제어기는 제1, 제2 및 제3 능동 스위치들에 동작 가능하게 연결되고, 다상 AC 입력을 DC 출력으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 제1 동작 모드에 따라 동작하도록 구성된다. 제어기(40)는 중성 단자 및 m개의 위상 입력 단자들 중 적어도 하나에 인가되는 단상 AC 입력을 DC 출력으로 변환하기 위한 제2 동작 모드에 따라 동작하도록 구성된다. 제2 동작 모드에서, 제2 능동 스위치(
Figure pct00256
) 및 제3 능동 스위치(
Figure pct00257
)는 역 상태를 취하도록 구성된다.

Description

전력 변환기
본 발명은 전력 변환 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 3상 AC 전원(three phase AC power) 및 단상 AC 에너지(single phase AC energy) 둘 다를 DC 전원(DC power)으로 또는 그 반대로(vice versa) 변환할 수 있게 하는 전기 변환기 토폴로지(electrical converter topology), 및 그러한 전기 변환기를 제어하는 방법에 관한 것이다.
일부 3상 AC-DC 변환기 토폴로지는 기본적으로 단상 AC를 DC로 변환하기 위해 사용될 수도 있다. 이를 위해 3개의 위상 입력 단자들 중 하나는 순방향 컨덕터(forward conductor)로 사용되고 3개의 위상 입력 단자들 중 다른 하나는 반환 컨덕터(return conductor)로 사용되며 세 번째 단자는 사용되지 않는다. 단상 AC-DC 동작에서 AC 측과 DC 측 사이에 전달(transfer)될 수 있는 전원(power)은 단상 동작에 사용되는 위상 입력의 전류 경로(current path)에 연결된 전자 소자(electronic component)들의 정격 용량(power rating)에 따라 다르다. 일반적으로 단상 AC-DC 동작의 정격 용량은 3상 AC-DC 동작의 정격 용량의 약 1/3이다. 그러나 3상 AC-DC 변환기(three phase AC to DC converter)에서 단상 AC-DC 동작을 구현하는 것은 간단하지 않으며 변환기의 제어에서 복잡한 변경들이 필요하다.
3상 AC-DC 변환기 토폴로지는 벨기에 정류기(Belgian Rectifier)로도 알려진 WO 2020/035527(2020년 2월 20일)에 공지되어 있다. 변환기는 AC 입력 전압보다 높은 DC 출력 전압을 제공하기 위한 에너지 저장 요소들로서 AC 입력 필터단의 인덕터들을 이용하는 3상 정류기 브리지 및 부스트단을 포함한다.
본 발명의 목적은 3상(다상) 부스트형(boost type) PFC AC-DC 변환 및 단상 부스트형 PFC AC-DC 변환 모두에 효율적으로 사용될 수 있는 저비용 전기 변환기 토폴로지(low cost electrical converter topology)를 제공하는 것이다. 3상(다상) 및 단상 동작에서 동일한 정격 용량을 갖도록 하는 그러한 전기 변환기 토폴로지를 제공하는 것이 목적이며, 유리하게는 복잡성(complexity)이 추가되지 않고 최소 비용(minimal cost)으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 전기 변환기가 제공된다.
본 발명의 양태들에 따른 전기 변환기는 m개의 그리드 위상 단자(grid phase terminal)들을 가지는 다상 AC 입력(multi-phase AC input)과 DC 출력(DC output) 사이에서 전기 에너지(electrical energy)를 변환(convert)하는 것을 허용하고, 여기서 m = 3이다. 전기 변환기(Electrical converter)는, (i) m개의 위상 입력 단자(phase input terminal)들, 중성 단자(neutral terminal), 2개의 출력 (DC) 단자(output terminal)들, 제1 전원단(power stage), 입력 필터(input filter), 제2 전원단, 출력 필터(output filter), 및 제어기를 포함하고, (ii) 제1 전원단은, m개의 입력 단자들 각각에 연결(connect)된 브리지 정류기(bridge rectifier), 및 상위 중간 노드(upper intermediate node) 및 하위 중간 노드(lower intermediate node)에 연결된 출력(output)을 포함하고, 브리지 정류기는, 제1 능동 스위치(active switch)들을 포함하고, (iii) 입력 필터는, m개의 입력 단자들에 인가되는 AC 전류들을 필터링하고, (iv) 제2 전원단은 상위 부스트단(upper boost stage) 및 하위 부스트단(lower boost stage)을 포함하고, 상위 부스트단은 상위 중간 노드와 공통 노드(common node) 사이에 연결된 제2 능동 스위치를 포함하고, 하위 부스트단은, 공통 노드와 하위 중간 노드 사이에 연결된 제3 능동 스위치를 포함하고, (v) 출력 필터는 제2 전원단과 출력 단자들 사이에 배치된 적어도 하나의 필터 커패시터(filter capacitor)를 포함하고, (vi) 제어기는 다상 AC 입력을 DC 출력으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 제1 동작 모드(mode of operation)에 따라 동작하도록 구성된다. 이를 위해 제어기는 제1, 제2 및 제3 능동 스위치들에 동작 가능(operably)하게 연결된다. 공통 노드는 중성 단자에 연결된다.
본 발명에 따르면, 제어기는 단상(single phase) AC 입력을 DC 출력으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 제2 동작 모드에 따라 동작하도록 구성된다. 단상 AC 입력은 m개의 입력 단자들 중 적어도 하나와 중성 단자 사이에 인가된다. 즉, 단상 AC 입력의 순방향 컨덕터(forward conductor)는 m개의 입력 단자들 중 적어도 하나에 연결되고 반환 컨덕터(return conductor)는 중성 단자에 연결된다. 순방향 컨덕터에 연결되지 않은 m개의 위상 입력 단자들은 유리하게 사용되지 않고, 즉, 분리된다. 제2 동작 모드에서, 제어기는 펄스 폭 변조(pulse width modulation)를 통해 제1 스위치들을 동작시키도록 유리하게 구성된다. 이렇게 하면 출력 단자들에서 정류된(DC) 전압이 획득된다. 제2 및 제3 스위치들은 동작할 수 있지만 동작할 필요는 없다.
제2 및 제3 스위치들은 각각 역병렬(anti-parallel)로 배치(arrange)된 다이오드(diode)를 포함하는 것이 유리하다. 제2 및 제3 스위치들은 제2 동작 모드에서 역(즉, 상보적(complementary)) 상태를 취하도록 유리하게 구성된다. 제2 및 제3 스위치들이 동작하지 않는 경우, 제2 동작 모드는 역 상태(inverse state)들을 취하는 역병렬 다이오드(anti-parallel diode)들을 통해 획득될 수 있고, 즉, 제2 및 제3 스위치의 역병렬 다이오드들 중 하나는 전류를 전도하고 다른 하나는 전류를 차단(block)한다.
단상 AC 입력의 순방향 컨덕터와 반환 컨덕터라는 용어들은 같은 의미로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 변환기가 제2 동작 모드와 제1 동작 모드 모두에서 동작할 수 있도록 하기 위해, 출력 필터는 다음과 같은 가능한 구성들에 따라 배치될 수 있다:
출력 필터는 중간점 노드(midpoint node)를 포함하고(예: 중간점 노드를 정의하도록 허용하는 출력 단자들 사이에 직렬로 적어도 2개의 필터 커패시터들을 포함함), 공통 노드는 제4 스위치를 통해 중간점 노드에 연결되고,
출력 필터는 중간점 노드를 포함하고 공통 노드는 중간점 노드에 (영구적으로(permanently)) 연결되지 않고,
출력 필터는 중간점 노드를 포함하지 않으므로 공통 노드를 출력 필터(의 중간점 노드)에 연결할 가능성을 제거한다.
유리하게는, 구성 (a)에서, 제어기는 제2 동작 모드에서 동작하는 경우, 공통 노드와 중간점 노드 사이의 연결을 인터럽트(interrupt)하기 위해 제4 스위치를 열(open)도록 구성된다. 유리하게는, 제어기는, 제1 동작 모드에서 동작하는 경우, 제4 스위치를 닫(close)도록 구성된다.
위의 전기 변환기 토폴로지를 사용하면 단상 AC 입력의 반환 경로로서 중성 단자를 활용하여 3상(다상) AC와 DC 간의 변환과 단상 AC와 DC 간의 변환 모두에 동일한 변환기를 사용하여 쉽고 효율적인 방법으로 이용하는 것이 가능하다.
유리하게는, 제2 동작 모드에서, m개의 위상 입력 단자들 중 최소 2개 및 가능하면 3개 모두가 결합되어 결합된 단자를 형성하고 단상 AC 입력의 순방향 컨덕터가 결합된 단자에 인가/연결된다. 제어기는 m개의 입력 단자들 중 적어도 2개에 대응하는 제1 스위치들을 PWM(pulse width modulation)을 통해 병렬(동기 또는 인터리브(interleaved))로 동작시키도록 구성된다. 그렇게 함으로써, 위의 토폴로지는 3상 및 단상 동작 모두에서 전원단의 모든 위상 입력들의 전류 경로들을 효과적으로 활용할 수 있고, 따라서 거의 추가 하드웨어 없이 동일한 전력(electrical power)은 3상 및 단상 동작으로 변환될 수 있다(구성 (a)의 제4 스위치만 추가하면 됨). 결과적으로, 단상 동작의 경우 동일한 전원을 전달하기 위해 3상 동작에 필요한 것보다 더 높은 정격 용량을 가진 소자들을 사용할 필요가 없다. 따라서 위의 토폴로지는 단상 동작에도 3상 토폴로지를 효율적으로 사용할 수 있다.
유리하게, 변환기는 제어기에 접속된(coupled) m개의 위상 입력 단자들 각각에서 전압(또는 다른 적절한 신호(signal))을 센싱(sensing)하기 위한 전압 측정 수단(voltage measurement means) 또는 센서(sensor)들을 포함한다. 제2 동작 모드에서, 제어기는 m개의 위상 입력 단자들 중 어느 것에 단상 AC 입력이 인가되는지를 결정하고 그에 따라 제1 스위치를 동작시키도록 구성된다. 이를 통해 오류 없이 제2 동작 모드에서 변환기를 완전 자동으로 구성할 수 있다.
유리하게는, 입력 필터는 하나 이상의 입력 필터단(input filter stage)을 포함한다. 입력 필터는 유리하게는 차동 모드 필터 및 유리하게는 공통 모드 필터(common mode filter)를 포함한다. 차동 모드 필터 및 공통 모드 필터는 차동 모드 필터 단 및/또는 공통 모드 필터단을 개별적으로 포함할 수 있는 상이한 입력 필터단들 사이에 분포될 수 있다. 유리하게는, 제1 차동 모드 필터단은 m+1개의 제1 인덕터(inductor)들, m+1개의 제1 필터 입력 노드들 및 m+1개의 제1 필터 출력 노드들을 포함한다. m+1개의 제1 필터 입력 노드들 중 m개는 m개의 위상 입력 단자들에 연결된다. m+1개의 제1 인덕터들 중 m개는 m+1개의 제1 필터 입력 노드들과 m+1개의 제1 필터 출력 노드들 사이에 연결된다. m+1 제1 필터 입력 노드들 중 마지막 노드는 중성 단자에 연결되고, m+1개의 제1 인덕터들 중 마지막 인덕터는 m+1개의 제1 필터 입력 노드들 중 마지막 노드와 m+1개의 제1 필터 출력 노드들 중 마지막 노드 사이에 연결된다. 유리하게는, 제2 차동 모드 필터단은 m개의 제2 인덕터들, m+1개의 제2 필터 입력 노드들 및 m+1개의 제2 필터 출력 노드들을 포함한다. m+1개의 제2 필터 입력 노드들 중 m개는 m개의 위상 입력 단자들에 연결된다. m개의 제2 인덕터들은 m+1개의 제2 필터 입력 노드들 중 m개와 m +1개의 제2 필터 출력 노드들 중 m개의 사이에 연결된다. m+1개의 제2 필터 입력 노드들 중 마지막 노드는 m+1개의 제2 필터 출력 노드들 중 마지막 노드에 연결되며 제2 필터 입력 및 출력 노드들의 마지막 노드들 사이에는 인덕터가 연결되지 않는다. 입력 필터는 제1 및 제2 차동 모드 필터단들 중 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 입력 필터는 공통 모드 필터단(common mode filter stage) 및/또는 차동 모드 필터단(differential mode filter stage)의 직렬 배치(series arrangement)를 포함할 수 있다. 제2 차동 모드 필터단은 열(series)의 마지막에 유리하게 배치된다.
본 개시의 제2 양태에 따르면, 전기 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 시스템(battery charging system), 또는 제1 양태의 전기 변환기를 포함하는 자기 공명 이미징 장치(magnetic resonance imaging apparatus)가 제공된다. 유리하게는, 자기 공명 이미징 장치는 그래디언트 증폭기(gradient amplifier)를 포함하고, 그래디언트 증폭기는 전원 공급 유닛(power supply unit)을 포함하고, 전원 공급 유닛은 제1 양태의 전기 변환기를 포함한다.
제3 양태에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같이 단상 AC 전력과 DC 전력 사이를 변환하는 방법이 제공된다. 방법은 유리하게 제1 양태에 따른 변환기 토폴로지를 사용한다.
본 발명의 양태들은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이며, 동일한 참조 번호들은 동일한 특징들을 예시한다.
도 1은 중성 연결 단자를 포함하고 양방향(bidirectional)인 종래 기술에 따른 3상 전기 변환기 토폴로지를 도시한다.
도 2는 평형 AC 3상 주전원 전압의 360° 주기에 걸친 전압들을 나타내는 다이어그램을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 변환기의 토폴로지를 도시한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 전기 변환기에서 사용하기 위한 입력 필터단의 실시예들을 나타낸다.
도 7은 단상 AC 입력에 연결된 도 3의 전기 변환기를 나타낸다.
도 8a는 상위 그래프에서 정류기단의 입력 단자들 중 하나와 전기 변환기의 중성 입력 단자 사이의 스위치 전압을 나타내고, 하위 그래프에서 단상 동작 모드에서의 AC 인덕터 전류들을 나타낸다.
도 8b는 도 8a의 상위 및 하위 그래프의 확대된 부분을 나타내며, 정류기 브리지 레그의 병렬 인터리브 동작이 단상 동작 모드에서 명확하게 도시된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향인 전기 변환기를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변환기를 나타내며, 상위 및 하위 부스트 브리지 회로 사이의 공통 노드는 출력 필터의 중간점에 연결되지 않는다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 3-레벨(level) 하프-브리지들인 브리지 레그들을 포함하는 전기 변환기의 정류기 전원단의 다른 변형들을 도시한다.
도 12는 입력 필터단들의 예시적인 배치를 가지는 전기 변환기를 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른 전기 변환기를 포함하는 배터리 충전 장치의 도면을 나타낸다.
설명 및 특허청구범위에서 제1, 제2, 제3 등의 용어들은 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되며 반드시 순차적 또는 시간적 순서를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 용어들은 적절한 상황들에서 상호 교환 가능하며 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 설명되거나 예시된 것과 다른 순서들로 동작할 수 있다.
도 1은 BELGIAN RECTIFIER로 지칭되고 WO 2020/035527에 추가로 설명된 공지된 전기 변환기(10)를 도시한다. 전기 변환기(10)는 제1 3-상 능동 정류기단(three-phase active rectifier stage)(11) 및 제2 전원단(12) 형태의 2개의 전원단들(11, 12)을 포함한다. 전기 변환기(10)는 입력 필터(13) 및 출력 필터(14)를 더 포함한다.
전기 변환기(10)는 3-상 AC 그리드(20)의 3-상 전압, 예를 들어, 전기 자동차의 고전압(예를 들어, 800V) 배터리와 같은 DC 부하(DC load)(21)에 연결될 수 있는 2개의 DC 출력들(p, n), 및 AC 그리드(20)의 중성 컨덕터를 연결하기 위한 단자(N)에 연결된 3개의 위상 입력들(a, b, c)을 가지는 AC-DC 변환기이다.
2개의 전원단들(11, 12)은 2개의 전원단들 사이에 고주파 필터 커패시터(high-frequency filter capacitor)들이 존재하지 않고 두 단들이 공통 에너지 저장 인덕터(common energy storage inductor)(부스트 인덕터(boost inductor))들을 사용하기 때문에 하나의 '통합된(integrated)' 변환단(conversion stage)으로 볼 수 있다. 특히, 입력 필터(13)의 위상 인덕터들(La, Lb, Lc)은 부스트 인덕터들로서 사용되며 두 전원단들(11, 12) 사이에서 공유된다.
정류기단(11)은 입력 필터(13)의 위상 인덕터들(La, Lb, Lc)을 통해 3개의 위상 입력들(a, b, c)에 연결된 3개의 위상 입력들(
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
)과 2개의 출력들(
Figure pct00004
,
Figure pct00005
)을 갖는다. 이러한 출력들은 상위 중간 전압 노드와 하위 중간 전압 노드로 볼 수 있으며, 이는 제2 전원단(12)의 스위칭으로 인해 발생한 '스위치된' 전압 전위('switched' voltage potential)를 나타낸다.
정류기단(11)은 3개의 브리지 레그(bridge leg)들(15, 16, 17)를 포함하고, 각각은 하프 브리지 구성의 형태로 연결된 2개의 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치(actively switchable semiconductor device)들(레그(15)에 대한
Figure pct00006
및
Figure pct00007
, 레그(16)에 대한
Figure pct00008
및
Figure pct00009
, 레그(17)에 대한
Figure pct00010
및
Figure pct00011
)을 포함한다. 각 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치는 역병렬 다이오드를 갖는다. 이 예에서 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Field Effect Transistor)(MOSFET)들은 외부 역병렬 다이오드(external anti-parallel diode)를 대체할 수 있는 내부 역병렬 바디 다이오드(internal anti-parallel body diode)를 각각 포함하는 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치에 사용된다.
제2 전원단(12)은 2개의 적층된(stacked)(직렬 연결된) 부스트 브리지들(18, 19)을 포함한다. 각 부스트 브리지는 하프 브리지 구성으로 연결된 부스트 스위치들(상위 부스트 브리지(18)에 대한
Figure pct00012
,
Figure pct00013
및 하위 부스트 브리지(19)에 대한
Figure pct00014
,
Figure pct00015
)을 포함한다. 상위 부스트 브리지(18)의 중간 노드는 중간 전압 노드(intermediate voltage node)(
Figure pct00016
)에 연결되고 하위 부스트 브리지(19)의 중간 노드는 중간 전압 노드(
Figure pct00017
)에 연결된다. 두 부스트단들(18, 19)의 공통 노드(m)는 상위 출력 노드(p)와 하위 출력 노드(n) 사이에 직렬로 연결된 2개의 출력 필터 커패시터들(Cpm, Cmn)를 포함하는 출력 필터(14)의 중간점에 연결된다.
상위 부스트 브리지(18)는 상위 출력 노드(p)와 중간 출력 노드(m) 사이에 연결되고(즉, 상위 출력 필터 커패시터(Cpm)와 병렬로), 중간 전압 노드 (
Figure pct00018
)가 스위치(
Figure pct00019
)를 제어하여 중간 출력 노드(m)과 상위 출력 노드(p)에 교대로 연결될 수 있도록 배치되고, 전류는 스위치 (
Figure pct00020
)가 열려 있는 경우(전도되지 않음(not conducting)), 스위치 (
Figure pct00021
)(의 다이오드)를 통해 중간 전압 노드(
Figure pct00022
) 에서부터 상위 출력 노드(p)로 흐를 수 있고, 전류는 스위치(
Figure pct00023
)가 닫혀 있는 경우(전도됨(conducting)) (
Figure pct00024
)를 통해 중간 전압 노드(
Figure pct00025
) 에서부터 중간 출력 노드(m)로(또는 그 반대로) 흐를 수 있다.
하위 부스트 브리지(19)는 중간 출력 노드(m)과 하위 출력 노드(n) 사이에 연결되고(즉, 하위 출력 필터 커패시터(Cmn)과 병렬로), 중간 전압 노드(
Figure pct00026
)는 스위치(
Figure pct00027
)를 제어하여 중간 출력 노드(m)과 하위 출력 노드(n)에 교대로 연결될 수 있도록 배치되고, 전류는 스위치(
Figure pct00028
)가 열려 있는 경우(전도되지 않음), 스위치(
Figure pct00029
)(의 다이오드)를 통해 하위 출력 노드(n)에서부터 중간 전압 노드(
Figure pct00030
)로 흐를 수 있고, 전류는 스위치 (
Figure pct00031
)가 닫혀 있는 경우(전도됨) 스위치(
Figure pct00032
)를 통해 중간 출력 노드(m)에서부터 중간 전압 노드(
Figure pct00033
)로(또는 그 반대로) 흐를 수 있다. 전기 변환기(10)는 각각의 상위 또는 하위 중간 노드(
Figure pct00034
,
Figure pct00035
)와 각각의 출력 단자(p, n) 사이에 연결된 능동 스위치들(
Figure pct00036
및
Figure pct00037
)의 존재로 인해 양방향이라는 것을 주목하면 편리할 것이다.
부스트 브리지들(18, 19)의 부스트 스위치들(
Figure pct00038
,
Figure pct00039
)은 MOSFET들과 같은 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치들이다.
입력 필터(13)의 부분(part)인 3개의 AC 커패시터들(Ca, Cb, Cc)은 성형 연결(star-connection) 형태로 위상 입력들(a, b, c)을 상호 연결한다. 일반적으로 3개의 커패시터들(Ca, Cb, Cc)은 AC 그리드를 대칭적으로 부하하기 위해 실질적으로 동일한 값을 가지는 것이 유리하다.
3-상 AC 그리드의 중성 컨덕터는 변환기(10)의 중성 연결 단자(N)에 연결된다. 이 중성 연결 단자(N)은 AC 커패시터들(Ca, Cb, Cc)의 성형점(star-point) 및 적층된 부스트 브리지들(18, 19)의 공통 노드(m)에 추가로 연결된다(따라서 출력 필터(14)의 중간점에도 연결됨). 그 결과 완전히 대칭적인 변환기 구조가 된다.
3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압(highest voltage)을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)을 수신하는 정류기단(11)의 브리지 레그는 대응하는 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)를 통해 대응하는 위상 입력(a, b 또는 c)을 상위 중간 전압 노드(
Figure pct00040
)에 연결한다. 이를 달성하기 위해 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(
Figure pct00041
,
Figure pct00042
또는
Figure pct00043
)를 노드(
Figure pct00044
)와 연결한다. 그 결과, 종래의 DC/DC 부스트 변환기(상위 부스트 변환기)는 최고 전압을 가지는 위상의 AC 커패시터(Ca, Cb, 또는 Cc), 최고 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc), 상위 부스트 브리지(18) 및 상위 출력 커패시터(Cpm)로 형성된다. 이 상위 부스트 변환기의 입력 전압은 최고 전압 레벨을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)의 전압 (va, vb 또는 vc)이고, 이 상위 부스트 변환기의 출력 전압은 전체 DC 버스 전압(total DC bus voltage)의 절반과 실질적으로 동일한 전압 값을 가지는 상위 출력 커패시터(Cpm)에 걸친 전압 Vpm(Vpm
Figure pct00045
VDC/2)이다. 형성된 상위 부스트 변환기는 최고 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)의 전류를 제어하기 위해 특정한, 가능하면 가변적인(variable) 스위칭 주파수(switching frequency)(fs)에서 스위치(
Figure pct00046
)의 PWM 변조(PWM modulation)에 의해 동작될 수 있다.
3-상 AC 입력 전압 중 최저 전압(lowest voltage)을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)을 수신하는 정류기단(11)의 브리지 레그는 대응하는 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)를 통해 대응하는 위상 입력(a, b 또는 c)을 하위 중간 전압 노드(
Figure pct00047
)에 연결한다. 이를 달성하기 위해 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(
Figure pct00048
,
Figure pct00049
또는
Figure pct00050
)를 노드(
Figure pct00051
)와 연결한다. 그 결과, 종래의 '역'(음의 입력 전압(negative input voltage) 및 음의 출력 전압(negative output voltage)) DC/DC 부스트 변환기(하위 부스트 변환기)는 전압이 최저 위상의 AC 커패시터(Ca, Cb, 또는 Cc), 최저 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc), 하위 부스트 브리지(19) 및 하위 출력 커패시터(Cpm)로 형성된다. 이 하위 부스트 변환기의 입력 전압은 최저 전압 레벨을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)의 전압 (va, vb 또는 vc)이고, 이 하위 부스트 변환기의 출력 전압은 전체 DC 버스 전압의 마이너스 절반과 실질적으로 동일한 전압 값을 가지는 하위 출력 커패시터(Cnm)에 걸친 전압 Vnm(Vnm
Figure pct00052
VDC/2)이다. 형성된 하위 부스트 변환기는 최저 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)의 전류를 제어하기 위해 특정한, 가능하면 가변적인 스위칭 주파수(fs)에서 스위치(
Figure pct00053
)의 PWM 변조에 의해 동작될 수 있다.
3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)을 수신하는 정류기단(11)의 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(a, b 또는 c)이 대응하는 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)를 통해 상위 중간 전압 노드(
Figure pct00054
)와 하위 중간 전압 노드(
Figure pct00055
)에 교대로 연결되는 방식으로 스위칭된다. 이를 달성하기 위해 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(
Figure pct00056
,
Figure pct00057
또는
Figure pct00058
)를 노드(
Figure pct00059
)와 교대로 연결한다. 3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)에 흐르는 전류를 제어하기 위해, 3-상 AC 입력 전압의 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)에 연결된 정류기단(11)의 브리지 레그는 가능하면 가변적인 특정한 스위칭 주파수(fs)에서 브리지 레그 스위치의 PWM 변조에 의해 동작하고, 브리지 레그는 단상 하프 브리지(single-phase half-bridge) 전압 소스 변환기(voltage-source converter)(VSC)와 유사한 방식으로 스위칭될 수 있다.
정류기단(11)의 3개의 브리지 레그들 중 2개가 '선택 상태'에 있으며, 어떤 AC 커패시터(Ca, Cb 또는 Cc)와 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)가, 상위 부스트 브리지(18) 및 상위 출력 커패시터(Cpm)를 포함하고 3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)의 전류를 제어하기 위해 사용되는 상위 부스트 변환기의 부분인지, 및 어떤 AC 커패시터(Ca, Cb 또는 Cc)와 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)가, 하위 부스트 브리지(19) 및 하위 출력 커패시터(Cmn)를 포함하고 3-상 AC 입력 전압 중 최저 전압을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)의 전류를 제어하기 위해 사용되는 하위 부스트 변환기의 부분인지 선택한다. 정류기단(11)의 나머지 브리지 레그(remaining bridge leg)는 '능동 스위칭 상태'에 있으며 단상 하프 브리지 전압 소스 변환기(VSC)와 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 그것은 3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)의 나머지 위상 커패시터(Ca, Cb, 또는 Cc)와 나머지 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)를 포함하는 나머지 스위칭 회로를 형성한다. 나머지 스위칭 회로는 두 개의 출력 커패시터들(Cpm, Cmn)의 직렬 연결도 포함하고, 그것은 3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(La, Lb 또는 Lc)의 전류를 제어하기 위해 사용된다.
예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 실질적으로 평형 위상 전압들을 가지는 3-상 AC 그리드에서, 형성된 상위 부스트 변환기, 형성된 하위 부스트 변환기 및 형성된 나머지 스위칭 회로에 대한 정류기단(11)의 브리지 레그 상태 할당(assignment) ('선택 상태' 및 능동 스위칭 상태') 및 AC 커패시터(Ca, Cb, Cc) 및 위상 인덕터(La, Lb, Lc)의 할당은 위상 입력(a, b, c)의 전압 값에 따라 3-상 AC 입력 전압의 60° 섹터마다 변화한다. 그 결과 6개의 고유한(unique) 할당들이 생성된다. 이러한 할당들의 순서는 AC 주전원 전압의 주기(360°)마다 반복된다.
표 1은 도 2에 도시된 AC 주전원 전압의 주기(360°)의 모든 60° 섹터 동안 정류기단(11)의 브리지 레그들의 상태들('선택 상태' 및 '능동 스위칭 상태')을 요약한 것이다. '능동 스위칭 상태'에 있는 브리지 레그의 스위치들은 표 1에도 지시된 것처럼 PMW 변조된다(스위치 'PWM 변조' → S=PWM). '선택 상태'에 있는 브리지 레그의 스위치들은 표 1에도 지시된 것처럼 특정한 섹터 동안 ‘온(on)’ 또는 ‘오프(off)’이다(스위치 '온': → S=1, 스위치 ‘오프': → S=0). 전기 변환기(1)의 동작에 대한 추가 세부사항은 WO 2020/035527에서 발견되며, 그 내용은 참조로 여기에 포함된다.
섹터 브리지 레그(15) 브리지 레그(16) 브리지 레그(17)
Figure pct00060
 능동 스위칭 상태
Figure pct00061
&
Figure pct00062
PWM		 선택 상태
Figure pct00063
,
Figure pct00064
 선택 상태
Figure pct00065
,
Figure pct00066
Figure pct00067
 선택 상태
Figure pct00068
,
Figure pct00069
 선택 상태
Figure pct00070
,
Figure pct00071
 능동 스위칭 상태(PWM)
Figure pct00072
&
Figure pct00073
PWM
Figure pct00074
 선택 상태
Figure pct00075
,
Figure pct00076
 능동 스위칭 상태(PWM)
Figure pct00077
&
Figure pct00078
PWM		 선택 상태
Figure pct00079
,
Figure pct00080
Figure pct00081
 능동 스위칭 상태(PWM)
Figure pct00082
&
Figure pct00083
PWM		 선택 상태
Figure pct00084
,
Figure pct00085
 선택 상태
Figure pct00086
,
Figure pct00087
Figure pct00088
 선택 상태
Figure pct00089
,
Figure pct00090
 선택 상태
Figure pct00091
,
Figure pct00092
 능동 스위칭 상태(PWM)
Figure pct00093
&
Figure pct00094
PWM
Figure pct00095
 선택 상태
Figure pct00096
,
Figure pct00097
 능동 스위칭 상태(PWM)
Figure pct00098
&
Figure pct00099
PWM		 선택 상태
Figure pct00100
,
Figure pct00101
표 1: 그 스위치들과 정류기단(11)의 브리지 레그들의 상태
이제 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 전기 변환기(100)는 도 1의 종래 기술 변환기(10)의 토폴로지와 매우 유사한 토폴로지를 갖는다. 변환기(100)는 그리드 전압(va, vb, vc)으로 3상 주전원(AC 그리드(20))에 연결된 위상 입력 단자(a, b, c)로 도시되고, AC 그리드의 중성 컨덕터는 중성 연결 단자(N)에 연결된다. 전원단들(11, 12)과 출력 필터(14)의 토폴로지는 전기 변환기(10)와 변환기(100) 사이에서 동일할 수 있다. 변환기(100)에서, 상위 부스트 브리지(18) 및 하위 부스트 브리지(19)에는 변환기(10)의 역병렬 다이오드가 있는 능동 스위치들(
Figure pct00102
,
Figure pct00103
) 대신 상위 부스트 브리지(18)에 대한 다이오드(
Figure pct00104
) 및 하위 부스트 브리지(19)에 대한 다이오드(
Figure pct00105
)가 제공되어 변환기(100)를 단방향(unidirectional)으로 만든다.
변환기(100)와 변환기(10)의 토폴로지 사이의 제1 차이점은 입력 필터(130)에 존재하지만, 이것이 요구사항이 아니고 변환기(100)는 변환기(10)의 입력 필터(13)와 함께 본 발명에 따라 동작할 수 있다. 입력 필터(130)는 m=3이 위상 수인 m+1개의 입력 노드들 및 m+1개의 출력 노드들을 포함한다. 입력 필터(130)는 유리하게는 보호 접지(protective earth)에 연결하기 위한 접지 단자(ground terminal)(131)를 포함한다. 입력 필터(130)는 m+1개의 입력 노드들과 m+1개의 출력 노드들 사이에 직렬로 배치된 하나 이상의 입력 필터단을 포함한다. 가능한 입력 필터단들은 도 4, 5 및 6에 도시된다.
각 입력 필터단(132)은 m개의 위상 입력 노드들(133)과 m개의 위상 출력 노드들(135), 중성 입력 노드(134)와 중성 출력 노드(136)를 포함한다. 제1 입력 필터단의 m개의 입력 노드들(133)은 m개의 입력 단자들(a, b, c)에 연결된다. 마지막 입력 필터단의 m개의 위상 출력 노드들은 전원단(11)의 입력 노드들(
Figure pct00106
Figure pct00107
Figure pct00108
)에 연결된다. 제1 입력 필터단의 중성 입력 노드(134)는 중성 입력 단자(N)에 연결된다. 마지막 입력 필터단의 중성 출력 노드(136)는 제2 전원단(12)의 공통 노드(m), 특히 상위 및 하위 부스트 브리지들(18 및 19) 사이의 공통 노드에 연결된다.
각각의 입력 필터단(132, 137, 138)는 유리하게는 공통 모드 필터 부분을 포함한다. 공통 모드 필터는 유리하게는 m+1개의 코일들(710)을 포함하는 공통 모드 필터 초크(71)를 포함하고, 각각의 코일(710)은 대응하는 위상/중성 입력 노드(133, 134) 및 대응하는 위상/중성 출력 노드(135, 136) 사이에 연결된다. 공통 모드 필터 부분은 공통 모드 필터 초크(71)와 접지 단자(131) 사이의 용량 접속(74)을 포함할 수 있다. 용량 접속(74)은 중성 입력 노드(134)와 접지 단자(131) 사이에 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 각각의 입력 필터단(132, 137, 138)는 유리하게는 차동 모드 필터 부분을 포함한다. 차동 모드 필터 부분은 m 또는 m+1개의 인덕터들(73)을 포함할 수 있고, 각각은 대응하는 위상 입력 노드(133) 및 대응하는 위상 출력 노드(135) 사이에 연결되고, - m+1번째 인덕터의 경우 - 중성 입력 노드(134)와 중성 출력 노드(136) 사이에 연결된다. 공통 모드 필터 초크(common mode filter choke)(71)의 코일(coil)들(710) 및 인덕터들(73)은 대응하는 위상/중성 입력 노드(133, 134)와 대응하는 위상/중성 출력 노드(135, 136) 사이에 직렬로 배치될 수 있다.
각각의 입력 필터단(132, 137, 138)은 유리하게는 차동 모드 필터 부분의 부분을 형성하는 커패시터 네트워크(capacitor network)(75)를 포함한다. 커패시터 네트워크(75)는 m개의 위상 입력 노드들(133)에 연결되고 유리하게는 성형 연결(star connection)로 배치되는 커패시터들(750)을 포함하는 것이 유리하지만, m개의 위상 입력 노드들(133) 사이에서 커패시터들(750)의 델타 연결(delta connection)이 가능하다. 커패시터 네트워크(75)의 성형점(star point)은, 가능하면 추가 커패시터를 통해, 중성 입력 노드(134)(도 4), 중성 출력 노드(136)(도 6) 또는 공통 모드 필터 초크(71)의 코일(710)과 입력 노드의 라인 상의 인덕터(73) 사이의 중간점(77)에 연결된다.
다시 도 3을 참조하면, 입력 필터(13)는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 입력 필터단(132, 137, 138)의 하나 또는 직렬 배치를 포함할 수 있다. 유리하게는, 일련의 입력 필터단들의 마지막단은 m개의 인덕터들(73)만을 가지는 차동 모드 필터 부분을 포함한다. m개의 인덕터들(73)은 m개의 위상 입력 노드들(133)에 연결된 입력 단자들과 m개의 위상 출력 노드들(135)에 연결된 출력 단자들을 포함한다. 이 경우 중성 입력 노드(134)와 중성 출력 노드(136) 사이에 인덕터가 없는 것이 유리하다.
변환기(10)와 비교된 전기 변환기(100)의 제2 차이점은 공통 노드(m)를 출력 필터 중간점(t)에 연결하는 제어 가능한 스위치(30)의 존재이며, 그 동작은 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.
제어 유닛(40)은 전기 변환기(100)의 모든 제어 가능한 스위치들을 제어하기 위해 사용되며, 통신 인터페이스(50)를 통해 제어 신호들을 각 스위치에 전송한다. 또한, 제어 유닛(40)은 다음의 측정값들을 수신하기 위한 측정 입력 포트(measurement input port)들(43, 44, 45, 46)을 포함한다.
43: AC 그리드 위상 전압들 va, vb, vc;
44: AC 인덕터 전류들 ia, ib, ic;
45: DC 버스 전압 VDC;
46: DC 버스 중간-점 전압 Vmn=-Vnm.
제어 유닛(40)은 입력 포트(41)를 통해 요청된 DC 출력 전압(
Figure pct00109
)일 수 있는 설정-값(set-value)을 수신하고, 입력 포트(42)를 통해 3-상 동작으로 변환기를 동작시키는 경우에 위상 불균형 전류 제어(phase-imbalance current control)를 위한 설정-값들을 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 위상 불균형 전류 제어를 위한 설정-값들은 예를 들어 3-상 동작에서 동작하는 경우에 특정한 위상을 언로드(unload)하기 위해 위상 전류(phase current)의 최대 진폭(maximum amplitude)의 요청된 감소(requested reduction)를 각 위상에 대해 정의하는 값 백분율(values percentage)들일 수 있다.
제어 유닛(40)은 2개의 동작 모드들, 즉 다상 AC 동작 및 단상 AC 동작에 따라 동작하도록 구성된다. 다상 AC 동작 모드에서 다상 AC 입력, 예를 들어 3상 입력은 도 3에 도시된 바와 같이 입력 단자들에 인가된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단상 AC 동작 모드에서, 하나 또는 복수의 m상 입력 단자(a, b, c), 예를 들어 적어도 2개 또는 유리하게는 3개 모두가 단락(short)되고 단상 AC 입력의 순방향 컨덕터는 단락된 입력 단자에 인가되고 반환 컨덕터는 중성 입력 단자(N)에 인가된다.
제어 유닛(40)의 목표는 출력 전압(VDC)을 입력 포트(41)를 통해 외부 유닛으로부터 수신되는 요청된 설정-값(
Figure pct00110
)으로 제어하는 것이다.
추가로, 다상 및 단상 동작 모드에서, 위상 입력(a, b, c)에서 끌어온 전류는 실질적으로 사인파(sinusoidal) 형상이며 대응하는 위상 전압과 실질적으로 동상(in phase)이 되도록 제어된다. 인덕터 전류들(ia, ib, ic)의 고주파 리플(high-frequency ripple)은 전술한 바와 같이 입력 필터(130)의 하나 이상의 입력 필터단에 배치된 AC 커패시터에 의해 필터링되기 때문에, 위상 입력들(a, b, c)에서부터 끌어온 전류는 (마지막 단계)의 입력 필터(130)의 인덕터들(73)에서 필터링된(저역 통과된) 전류들(ia, ib, ic)과 동일하다. 따라서, 위상 입력들(a, b, c)에서부터 끌어온 전류들을 제어하는 것은 예를 들어 저역 통과 필터링된 인덕터 전류들(ia, ib, ic)을 제어하는 것에 의해 수행될 수 있다.
출력 전압(VDC)은 WO 2020/035527의 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 외부 전압 제어 루프(outer voltage control loop) 및 내부 전류 제어 루프(inner current control loop)를 포함하는 캐스케이드 제어 구조(cascaded control structure)를 사용하여 제어 유닛(40)에 의해 제어될 수 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다 .
다상 AC 동작 모드에서, 전류 제어기는 3개의 개별 전류 제어기들로 분할되며 각각은 다음과 같이 각 위상 입력 라인에서 각각의 전류(ia, ib, ic)를 제어한다:
제1 개별 전류 제어기는 3-상 AC 전압 중 최고 전압을 가지는 위상 입력(a, b, c)의 전류를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 상위 부스트 브리지(18)를 포함하는 상위 부스트 변환기의 스위치(
Figure pct00111
)의 PWM 변조에 의해 수행된다;
제2 개별 전류 제어기는 3-상 AC 전압 중 최저 전압을 가지는 위상 입력(a, b, c)의 전류를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 하위 부스트 브리지(19)를 포함하는 하위 부스트 변환기의 스위치(
Figure pct00112
)의 PWM 변조에 의해 수행된다.
제3 개별 전류 제어기는 3-상 AC 전압의 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상 입력(a, b, c)의 전류를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 '능동 스위칭 상태'에 있는 정류기의 브리지 레그를 포함하는 나머지 스위칭 회로의 브리지 레그 스위치들의 PWM 변조에 의해 수행된다.
다상 AC 동작 모드에서, 제어기(40)는 스위치(30)가 닫히도록 제어한다(노드(m) 및 (t) 사이의 전도 상태(conductive state)). 이것은 WO 2020/035527에 기술된 바와 같이 변환기(10)에 대한 것과 동일한 방식으로 변환기(100)를 동작시키는 것을 허용한다. 특히, 스위치(30)를 닫는 것은 예를 들어, 하위 출력 커패시터(Cmn)에 걸친 전압(Vnm)을 DC 버스 전압(VDC)의 절반과 실질적으로 동일하도록 제어함으로써 2개의 출력 커패시터들(Cpm 및 Cmn)에 걸친 전압을 능동적으로 균형을 맞추는 것을 허용한다.
단상 AC 동작 모드에서, 제어기(40)는 스위치(30)가 열리도록 제어한다(노드(m) 및 (t) 사이의 비전도 상태(non-conductive state)). 도 7을 참조하면, 전기 변환기(100)의 동작은 다음과 같다.
도 7 및 도 8a-b를 참조하면, AC 입력 전압(VaN)의 양의 부분(positive portion) 동안, 상위 부스트 브리지(18)의 스위치(
Figure pct00113
)는 열(비전도됨(non-conducting))리고, 하위 부스트 변환기 브리지(19)의 스위치(
Figure pct00114
)는 닫(전도됨)힌다. 결과적으로, 중간 전압 노드(
Figure pct00115
)는 출력 노드(p)에 연속적으로 연결되고, 중간 전압 노드(
Figure pct00116
)는 공통 노드(m)과 출력 노드(n)에 연속적으로 연결되며, 다이오드(
Figure pct00117
및
Figure pct00118
)는 변환기의 전원 흐름이 AC 입력으로부터 DC로의 출력인 경우에
Figure pct00119
에서부터 p로, n에서부터
Figure pct00120
로 흐르는 전류로 인해 전도된다고 가정한다. 스위치(
Figure pct00121
)가 닫혀 있으므로, 노드(n 및
Figure pct00122
)는 중성 입력 단자(N)에 연속적으로 연결되어 AC 입력 전압의 하단(bottom)에 연결된다.
정류기 브리지 레그들(15-17)(레그(15)에 대한
Figure pct00123
및
Figure pct00124
, 레그(16)에 대한
Figure pct00125
및
Figure pct00126
, 레그(17)에 대한
Figure pct00127
및
Figure pct00128
)의 스위치들은 제어기(40)에 의해 제어되는 PWM이므로, 노드들(
Figure pct00129
Figure pct00130
Figure pct00131
)이 노드들(
Figure pct00132
및
Figure pct00133
)에 교대로 연결되도록 한다. AC 입력 전압(VaN)의 양의 부분 동안, PWM은 AC 입력 (라인) 전압의 하단에 대한 노드들(
Figure pct00134
Figure pct00135
Figure pct00136
)의 평균 전압(노드 N,
Figure pct00137
, n에서에서)이 AC 입력 전압과 같도록 유리하게 수행된다. 다시 말해, 단자들이 노드들에 연결된 입력 필터(130)의 인덕터들은 정상 상태(steady state condition)여야 하고, 즉, 이러한 인덕터들의 볼트-초(volt-second)는 입력 전압의 한 주기(one period)에서 0이어야 한다.
AC 입력 전압(VaN)의 음의 부분 동안, 상위 부스트 브리지(18)의 스위치(
Figure pct00138
)는 닫혀 있고(전도됨), 하위 부스트 변환기 브리지(19)의 스위치(
Figure pct00139
)는 열려 있다(비전도됨). 결과적으로 공통 노드(m)은 중간 전압 노드(
Figure pct00140
)와 출력 노드(p)에 연속적으로 연결되고, 중간 전압 노드(
Figure pct00141
)는 출력 노드(n)에 연속적으로 연결되며, 다이오드(
Figure pct00142
및
Figure pct00143
)는 변환기의 전원 흐름이 AC 입력으로부터 DC로의 출력인 경우에
Figure pct00144
에서부터 p로, n에서부터
Figure pct00145
로 흐르는 전류로 인해 전도된다고 가정한다. 스위치(
Figure pct00146
)가 닫혀 있으므로, 노드(p 및
Figure pct00147
)는 중성 입력 단자(N)에 연속적으로 연결된다.
정류기 브리지 레그들(15-17)(레그(15)에 대한
Figure pct00148
및
Figure pct00149
, 레그(16)에 대한
Figure pct00150
및
Figure pct00151
, 레그(17)에 대한
Figure pct00152
및
Figure pct00153
)의 스위치들은 제어기(40)에 의해 제어되는 PWM이므로, 노드들(
Figure pct00154
Figure pct00155
Figure pct00156
)이 노드들(
Figure pct00157
및
Figure pct00158
)에 교대로 연결되도록 한다. AC 입력 전압(VaN)의 음의 부분 동안, PWM은 AC 입력 (라인) 전압의 하단에 대한 노드들(
Figure pct00159
Figure pct00160
Figure pct00161
)의 평균 전압(노드(N,
Figure pct00162
, p)에서)이 AC 입력 전압과 같도록 유리하게 수행된다. 다시 말해, 단자들이 노드들에 연결된 입력 필터(130)의 인덕터들은 정상 상태(steady state condition)여야 하고, 즉, 이러한 인덕터들의 볼트-초(volt-second)는 입력 전압의 한 주기(one period)에서 0이어야 한다. 노드들(a, b, c)에서 입력 전압은 N에 대해 음수이므로, N에 대한 노드들(
Figure pct00163
Figure pct00164
Figure pct00165
)의 평균 전압도 음수이다. 이것은 스위치(
Figure pct00166
)가 VaN 의 음의 부분 동안 N을
Figure pct00167
에 연결한다는 사실 때문에 가능하다.
대안적으로 제2 동작 모드에서 스위치들(
Figure pct00168
및
Figure pct00169
)중 어느 것도 동작하지 않는 것이 가능하다. 따라서 이러한 스위치들은 열린 상태(비전도됨)로 유지되고 제2 동작 모드에 대해 위에서 설명된 것과 같이 동작들은 스위치들(
Figure pct00170
및
Figure pct00171
)과 역병렬로 배치된 다이오드들을 통해 수행된다. 그러나 제2 동작 모드에서 스위치들(
Figure pct00172
및
Figure pct00173
)을 조작함으로써, 역병렬 다이오드들을 통해서만 동작하는 경우에 비해 손실들이 감소된다.
제어기(40)는 정류기 브리지 레그들(15-17)(레그(15)에 대한
Figure pct00174
및
Figure pct00175
, 레그(16)에 대한
Figure pct00176
및
Figure pct00177
, 레그(17)에 대한
Figure pct00178
및
Figure pct00179
)의 스위치를 PWM 제어하도록 구성되어, 예를 들어 단일 역률(unity power factor)이 적용되도록 역률(power factor)을 조정하기 위해 인덕터 전류들(ia, ib, ic)(의 합)을 동적으로 제어할 수 있도록 위에 지시된 정상 상태(steady state condition)에서 약간 벗어나도록 할 수 있다. 유리하게는, 단상 동작 모드에서, 제어기(40)는 인덕터 전류들(ia, ib, ic)의 합인 AC 입력 전류가 그리드 전압과 위상이 더 동일한 사인파 형상을 갖도록 제어하도록 구성된다. 유리하게는, 브리지 레그들(15-17)의 스위치의 PWM 제어는 AC 입력 전류가 (연결된) 위상 입력 단자(a, b, c), 즉 ia= ib= ic 사이에 균등하게 분배되도록 수행된다.
단상 AC 동작 모드에서, DC 출력 전압은 인덕터 전류들(ia, ib, ic)의 크기(magnitude)를 제어할 수 있는 내부 전류 제어 루프(inner current control loop)를 통해 제어될 수 있다. 외부 (닫힌) 전압 제어 루프는 출력 전압 오류를 0으로 발전시키기 위해, 내부 제어 루프에 입력 파라미터로 공급될 수 있는 출력 DC 전압 오류를 결정하여 AC 입력 전류(즉, 인덕터 전류들(ia, ib, ic)의 합)를 조정할 수 있다.
단상 AC 동작 모드에서, 제어기(40)는 유리하게는 상이한 브리지 레그들(15, 16 및 17)(레그(15)에 대한
Figure pct00180
및
Figure pct00181
, 레그(16)에 대한
Figure pct00182
및
Figure pct00183
, 레그(17)에 대한
Figure pct00184
및
Figure pct00185
)의 스위치들을 병렬로 동작시키도록 구성된다. 이것은 제1 전원단(11)의 모든 이용 가능한 브리지 레그에 걸쳐 전송된 전원을 분산시키는 것을 허용한다. 이렇게 함으로써, 단상 동작 모드에서, 모든 입력 위상 단자들(a, b, c)이 단상 동작에서 사용된다고 가정할 때, 다상 동작 모드에서와 동일한 전원이 전달될 수 있다.
유리하게는, 브리지 레그들(15, 16, 17)의 대응하는 스위치들은 동시에(synchronously) 동작한다. 대안적으로 단상 동작 모드 동안 브리지 레그들(15, 16, 17)의 대응하는 스위치들을 인터리브 패션(interleaved fashion)으로 동작시키는 것이 가능하다. 이러한 종류의 동작을 위한 인덕터 전류들 및 스위치 전압은 도 8a 및 도 8b의 확대도(enlarged view)에 도시되어 있다. 인터리브 동작은 중간 노드들(
Figure pct00186
및
Figure pct00187
)에서 합산된 전류와 AC 입력 전류(즉, 인덕터 전류들((ia, ib, ic)의 합))의 전류 리플을 감소시키고, 결과적으로, 입력 필터(130)는 더 작게 만들어질 수 있다.
도 3 및 도 7에 도시된 전기 변환기는 출력 전원단(12)이 다이오드들을 포함하기 때문에 단방향성이며, 전원이 전기 AC 그리드(20)로부터 끌어오고 이 전력을 그 출력에서 부하(21)에 제공하는 것만 허용한다. 한편, 도 3에 도시된 변환기의 제2 (부스트) 전원단(12)의 다이오드들(
Figure pct00188
및
Figure pct00189
)이 각각의 상위 및 하위 중간 노드(
Figure pct00190
,
Figure pct00191
)와 각각의 출력 단자(p, n) 사이에 연결된 제어 가능한 세미컨덕터 스위치들(
Figure pct00192
,
Figure pct00193
)로 보완되었기 때문에, 도 9는 양방향인 전기 변환기(200)를 도시한다. 단상 동작 모드에서, 스위치들(
Figure pct00194
,
Figure pct00195
)은 유리하게는 닫힌 상태를 유지하기 위해 제어기(40)에 의해 동작된다. AC 단상 입력 위상 전압은 도 7과 유사하게 연결된다.
도 10에는 부스트 브리지 중간점 노드(m)와 출력 필터 중간점 노드(t) 사이의 연결이 부재한(absent) 전기 변환기(300)가 도시되어 있다. 그 결과, 도 7 및 도 9의 스위치(30)가 생략될 수 있다. 다상 동작 모드에서, 중립 연결 단자(N)은 사용되지 않고 스위치들(
Figure pct00196
및
Figure pct00197
)은 단일 스위치를 모방(mimic)하여 동시에 동작하기 위해 동일한 PWM 신호로 동작할 수 있다. 전기 그리드의 중성 컨덕터가 없는 경우 및/또는 3-상 AC 그리드에서 끌어온 3개의 위상 전류들의 진폭들이 완전히 독립적으로 제어될 필요가 없는 경우, 예를 들어 실질적으로 동일한 진폭들로 전류를 끌어오기에 충분할 때, 이 변환기는 3개의 위상 전류들의 합과 동일한 반환 전류가 다상 동작 동안, 그리드의 중성 컨덕터로 다시 흐르도록 하는 경로를 제공하지 않는다. 단상 동작 모드는 도 9에 도시된 변환기(200)의 경우와 동일하다.
여전히 도 10을 참조하면, 출력 필터(14)는 대안적으로 단일 커패시터 필터로서 제공될 수 있으며, 단일 커패시터는 출력 단자들(p 및 n) 사이에 연결된다. 이 경우 중간점 노드(t)는 없다.
도 11a, 11b는 변환기(100, 200, 300)에서 사용될 수 있는 3-상 능동 정류기(11)의 다른 변형들을 도시한다. 도 11a 및 도 11b에서 브리지 레그들은 도 3 및 도 9에 대한 2-레벨 하프 브리지들 대신 3-레벨 하프 브리지들이다. 도 11a의 3-상 능동 정류기(11)에서, 하프 브리지는 NPC 기반(NPC는 'Neutral Point Clamped'를 나타냄)인 반면 도 11b의 3-상 능동 정류기(11)에서는 하프 브리지가 T형 기반이다. 도 11a, 11b 모두에서 3-레벨 브리지 레그들은 중간 출력 노드(z)를 포함한다는 점에 유의해야 한다. 중간 출력 노드(z)는 부스트단들의 공통 모드(m)에 연결되거나 출력 필터의 중간점 노드(t)에 연결될 수 있고, 즉, 중간 출력 노드(z)는 스위치(30)의 왼쪽 단자 또는 오른쪽 단자에 연결될 수 있다.
3-상 AC 입력 전압의 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상 입력(a, b 또는 c)과 연결된 도 11a, 11b의 정류기단의 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(a, b 또는 c)이 대응하는 위상 인덕터를 통해 상위 중간 전압 노드(
Figure pct00198
), 하위 중간 전압 노드(
Figure pct00199
) 및 중간 출력 노드(z)에 교대로 연결되는 방식으로 스위칭될 수 있고, 인덕터 전류의 고주파수 리플을 추가로 감소시킬 수 있는 추가 전압 전위가 위상 인덕터에 인가된다.
도 12를 참조하면, 2개의 입력 필터단들(132, 139)을 포함하는 입력 필터(130)의 가능한 배치를 가지는 전기 변환기(100)가 도시된다. 입력 필터단(139)는 순수 차동 모드 필터단(pure differential mode filter stage)이고 필터단의 중성 입력 노드와 출력 노드 사이에 연결된 단자들을 가지는 인덕터를 포함하지 않는다. 스위치(30)는 스위치 단자(switch terminal)와 보호 접지 사이에 연결된 커패시터(31)를 더 포함한다.
단상 AC 동작 모드에서,제어기(40)는 입력 단자들 중 어느 하나(3개 이하)가 단상 AC 그리드에 연결되어 있는지를 결정하기 위해 포트(43)에서 입력 단자들(a, b, c)의 AC 그리드 전압 신호들을 읽을 수 있다. 이것은 제어기(40)가 브리지 레그들(15, 16, 17) 중 어느 것을 제어할지 결정할 수 있게 한다.
본 개시에 따른 전기 변환기들은, 예를 들어, 저전압(예: 50Hz 주파수에서 380-400 또는 240Vrms) 그리드일 수 있는 전기 그리드의 3-상 AC 전압 또는 단상 AC 전압을 높은 DC 출력 전압(예: 700-1000V)으로 변환하기 위해 사용될 수 있다.
도 13을 참조하면, 배터리 충전 장치(400)는 전원 공급 유닛(404)을 포함한다. 전원 공급 유닛(404)은 예를 들어 전원 공급 유닛(404)을 배터리(403)에 연결하는 것을 허용하는 스위치 장치를 포함하는 인터페이스(402)에 연결된다. 전원 공급 유닛(404)는 DC-DC 변환기(401)에 접속된 전술한 바와 같은 전기 변환기들(100) 중 임의의 하나를 포함한다. DC-DC 변환기(401)는 절연된(isolated) DC-DC 변환기일 수 있다. DC-DC 변환기는 특히 전원 공급 유닛(404)과 배터리(403) 사이의 유선 전원 전달(wired power transfer)의 경우 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 수행하는 변압기(transformer)를 포함할 수 있다. DC-DC 변환기는 무선 전원 전달의 경우와 같이 공기를 통해 유도 접속되는(inductively coupled) 한 쌍의 코일들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 인터페이스(402)는 예를 들어 유선 전원 전달에서 플러그(plug) 및 소켓(socket)을 포함할 수 있다. 대안으로, 플러그와 소켓은 입력에서 (예를 들어, 노드들(a, b, c, N)에서) 제공될 수 있다.

Claims (20)

  1. 다상 AC 입력과 DC 출력 사이의 전력을 변환하기 위한 전기 변환기(100, 200, 300)에 있어서,
    m(m = 3)개의 위상 입력 단자들(a, b, c),
    중성 단자(N),
    2개의 출력 단자들(p, n),
    제1 전원단(11),
    입력 필터(130),
    제2 전원단(12),
    출력 필터(14), 및
    제어기(40)
    를 포함하고,
    상기 제1 전원단(11)은,
    상기 m개의 입력 단자들 각각에 연결된 브리지 정류기(15, 16, 17), 및
    상위 중간 노드(
    Figure pct00200
    ) 및 하위 중간 노드(
    Figure pct00201
    )에 연결된 출력
    을 포함하고,
    상기 브리지 정류기는,
    제1 능동 스위치들(
    Figure pct00202
    ,
    Figure pct00203
    ,
    Figure pct00204
    ,
    Figure pct00205
    ,
    Figure pct00206
    ,
    Figure pct00207
    )
    을 포함하고-,
    상기 입력 필터(130)는,
    상기 m개의 입력 단자(a, b, c), 상기 중성 단자(N) 및 상기 제1 전원단(11) 사이에 연결되고,
    상기 제2 전원단(12)은,
    상위 부스트단(18), 및
    하위 부스트단(19)
    을 포함하고,
    상기 상위 부스트단(18)은,
    상기 상위 중간 노드(
    Figure pct00208
    )와 공통 노드(m) 사이에 연결된 제2 능동 스위치(
    Figure pct00209
    )
    를 포함하고,
    상기 하위 부스트단(19)은,
    상기 공통 노드(m)와 상기 하위 중간 노드(
    Figure pct00210
    ) 사이에 연결된 제3 능동 스위치(
    Figure pct00211
    )
    를 포함하고,
    상기 공통 노드(m)는,
    상기 중성 단자(N)에 연결되고,
    상기 제2 능동 스위치 및 상기 제3 능동 스위치는, 각각,
    역병렬 다이오드를 포함하고,
    상기 출력 필터(14)는,
    상기 제2 전원단(12)과 상기 출력 단자들(p, n) 사이에 연결된 적어도 하나의 필터 커패시터(
    Figure pct00212
    ,
    Figure pct00213
    )를 포함하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 제1, 제2 및 제3 능동 스위치들(
    Figure pct00214
    ,
    Figure pct00215
    ,
    Figure pct00216
    ,
    Figure pct00217
    ,
    Figure pct00218
    ,
    Figure pct00219
    ,
    Figure pct00220
    ,
    Figure pct00221
    )에 동작 가능하게 연결되고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 m개의 위상 입력 단자들에 인가된 상기 다상 AC 입력을 DC 출력으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 제1 동작 모드에 따라 동작하도록 구성되고,
    상기 출력 필터(14)는 중간점 노드(t)를 포함하고 상기 공통 노드(m)는 상기 중간점 노드(t)에 연결되어 있지 않거나, 또는
    상기 공통 노드(m)는 제4 스위치(30)를 통해 상기 중간 노드에 연결되거나, 또는
    상기 출력 필터는 상기 중간점 노드(t)를 포함하지 않고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c) 중 적어도 하나와 상기 중성 단자(N) 사이에 인가되는 단상 AC 입력을 상기 DC 출력으로 또는 그 반대로 변환하기 위한 제2 동작 모드에 따라 동작하도록 구성되고,
    상기 제2 능동 스위치(
    Figure pct00222
    ) 및 상기 제3 능동 스위치(
    Figure pct00223
    는,
    상기 제2 동작 모드에서 역 상태들을 취하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 제어기(40)는,
    펄스 폭 변조를 통해 상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c) 중 적어도 하나에 연결된 상기 제1 스위치들을 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단상 AC 입력의 양의 전압 반주기(half-period)(VaN) 동안, 상기 제2 능동 스위치(
    Figure pct00224
    )는 비전도 상태로 구성되고, 상기 제3 능동 스위치(
    Figure pct00225
    는 전도 상태로 구성되고,
    상기 단상 AC 입력의 음의 전압 반주기(VaN) 동안, 상기 제3 능동 스위치(
    Figure pct00226
    는 비전도 상태로 구성되고, 상기 제2 능동 스위치(
    Figure pct00227
    )는 전도 상태로 구성되는,
    전기 변환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제4 스위치(30)를 포함하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 제2 동작 모드에서 동작하는 경우, 상기 공통 노드(m)와 상기 중간점 노드(t) 사이의 연결을 인터럽트하기 위해 상기 제4 스위치(30)를 열도록 구성되는,
    전기 변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 동작 모드에서 동작하는 경우, 상기 제4 스위치(30)를 닫도록 구성되는,
    전기 변환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(40)는,
    상기 제2 동작 모드에서 상기 역 상태를 취하도록 상기 제2 능동 스위치(
    Figure pct00228
    ) 및 상기 제3 능동 스위치(
    Figure pct00229
    )를 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 필터(14)는,
    상기 출력 단자들의 상위 출력 단자(p)와 상기 중간점 노드(t) 사이에 연결된 상위 필터 커패시터(
    Figure pct00230
    ), 및
    상기 출력 단자들의 하위 출력 단자(n)와 상기 중간점 노드(t) 사이에 연결된 하위 필터 커패시터(
    Figure pct00231
    )
    를 포함하는, 전기 변환기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 필터(130)는,
    제1 입력 필터단(132, 137, 138)
    을 포함하고,
    상기 제1 입력 필터단(132, 137, 138)은,
    제1 인덕터들(73), 및
    M+1개의 제1 필터 입력 노드들
    을 포함하고,
    상기 m+1개의 제1 필터 입력 노드는,
    각각 상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c)과 상기 중성 단자(N)에 연결되는,
    전기 변환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 입력 필터단은,
    m+1개의 제1 인덕터들(73)을 포함하고,
    각각의 제1 인덕터는,
    상기 중성 단자(N) 및 상기 m개의 위상 입력 단자들 중 대응하는 하나에 접속되는,
    전기 변환기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 입력 필터단은,
    커패시터(750)를 통해 상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c) 각각을 상기 중성 단자(N)에 연결하는 커패시터 네트워크(75)
    를 포함하는, 전기 변환기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 필터(130)는,
    공통 모드 필터(71)
    를 포함하는,
    전기 변환기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브리지 정류기는,
    m개의 브리지 레그들(15, 16, 17)
    을 포함하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 제2 동작 모드에서 인터리브 방식(interleaved manner)으로 상기 브리지 레그들의 대응하는 위치들에서 제1 스위치들(
    Figure pct00232
    ,
    Figure pct00233
    ,
    Figure pct00234
    ,
    Figure pct00235
    ,
    Figure pct00236
    ,
    Figure pct00237
    )을 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터들(73)을 통해 위상 전류들(
    Figure pct00238
    ,
    Figure pct00239
    ,
    Figure pct00240
    )을 측정하기 위한 수단
    을 포함하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 위상 전류들을 측정하기 위한 상기 수단과 상기 제2 및 제3 능동 스위치들(
    Figure pct00241
    ,
    Figure pct00242
    )에 접속된 전류 제어 루프(70)
    를 포함하고,
    상기 전류 제어 루프는,
    상기 제1 동작 모드에서 측정된 상기 위상 전류들(
    Figure pct00243
    ,
    Figure pct00244
    ,
    Figure pct00245
    )에 기초하여, 상기 제2 및 제3 능동 스위치들에 공급되는 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 인덕터들(73)을 통해 위상 전류들(
    Figure pct00246
    ,
    Figure pct00247
    ,
    Figure pct00248
    )을 측정하기 위한 수단
    을 포함하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 제2 동작 모드에서 상기 m개의 위상 입력 단자들 중 적어도 2개를 통해 실질적으로 동일한 위상 전류(
    Figure pct00249
    ,
    Figure pct00250
    ,
    Figure pct00251
    )를 획득하기 위해, 펄스 폭 변조 제어 신호를 이용하여 제1 스위치들을 제어하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 제어기는,
    상기 중간 전압을 가지는 상기 위상 입력 단자를 상기 상위 중간 노드와 상기 하위 중간 노드에 교대로 연결하기 위하여, 최고 전압과 최저 전압 사이의 중간 전압을 가지는 상기 위상 입력 단자에 연결된 상기 브리지 정류기의 브리지 레그의 상기 제1 스위치들을 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c)은,
    상기 단상 AC 입력의 순방향 컨덕터를 연결하기 위한 공통 입력 단자(common input terminal)를 제공하기 위해, 단락되는,
    전기 변환기.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c) 각각에서 입력을 센싱하고, 상기 제어기(40)에 신호(43)를 제공하도록 구성된 센싱 수단(sensing means)
    을 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 센싱 수단으로부터 상기 신호(43)에 기초하여 동작할 상기 제1 스위치들을 자동으로 결정하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  18. 전기차의 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 시스템에 있어서,
    전원 공급 유닛
    을 포함하고,
    상기 전원 공급 유닛은,
    제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 상기 전기 변환기(100, 200, 300)
    를 포함하는, 배터리 충전 시스템.
  19. 단상 AC 전력과 DC 전력 사이의 변환 방법에 있어서,
    제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 전기 변환기(100, 200, 300)를 제공하는 단계,
    상기 단상 AC 입력의 순방향 컨덕터를 상기 m개의 위상 입력 단자(a, b, c)들 중 적어도 하나에 연결하는 단계,
    상기 단상 AC 입력의 반환 컨덕터를 상기 중성 단자(N)에 연결하는 단계, 및
    상기 제2 동작 모드에서 상기 제어기(40)를 동작시키는 단계
    를 포함하는,
    변환 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 순방향 컨덕터는,
    상기 m개의 위상 입력 단자들(a, b, c) 중 적어도 2개에 연결되는,
    변환 방법.
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