KR20230000966A - 자체 재구성 가능하고, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 - Google Patents

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KR20230000966A
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지 저우
스티븐 만케비치
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지이 에너지 파워 컨버션 테크놀로지 엘티디
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Abstract

이동식 전력 발전 및 지원을 위한 전력 변환 시스템은, 시간이 지남에 따라 변하는 다양한 임무 요건, 시스템 상태, 환경적 상황에 대해, 그리고 다양한 전력 소스 및 전력 부하에 대해 적응 가능하도록 구성된다. 적응성은, DC로부터 AC로의, AC로부터 DC로의, AC로부터 AC로의, 그리고 DC로부터 DC로의 변환의 실시간의 즉석에서의 적응; 강압 변환으로부터 승압 변환으로의 적응; 및 전류 소스 변환 모드로부터 전압 소스 변환 모드로의 적응을 포함한다. 한 실시형태에서, 하나 이상의 전력 전자 빌딩 블록에 대한 개개의 내부 전력 스테이지는 다수의 내부 전류 라우팅 스위치/접촉기를 갖추고 있다. 전류 흐름은 각각의 전력 스테이지의 H 브리지와 관련되는 상이한 전류 경로를 따라 동적으로 다시 라우팅될 수도 있다. 대안적인 전류 라우팅은, 전류 경로를 따르는 중요한 지점에서의 인덕터의 도입 또는 제거를 허용한다. 전력 트랜지스터 레벨에서의 그러한 즉석의 전류 재라우팅은, 전력 컨버터의 적응성을 가능하게 한다. 특정한 개방/폐쇄 스위치 설정 및 특정한 전류 라우팅 구성이 제공된다.

Description

자체 재구성 가능하고, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록{Self-Reconfigurable, Adaptable Power Electronics Building Block (A PEBB)}
본 주제는 일반적으로 고전력 전자 전력 시스템(high power electronics power system)에 관한 것으로, 특히, 수백 또는 수천 볼트에 대해 그리고 메가와트 부하에 대해 정격화되는 고전력 전력 시스템(high power electrical power system)에서 전압 또는 전류를 변환하기 위한 고전력 컨버터에 관한 것이다. 본 주제는 또한, 모듈식의 확장 가능한 전력 컨버터의 기본 엘리먼트인 전력 전자 빌딩 블록(power electronics building block; PEBB)에 관한 것이다.
전력 컨버터 및 PEBB: 메가와트 부하에 대해 수백 또는 수천 볼트를 전송하기 위한 용량을 갖는 중간 내지 고전력 전기 그리드 시스템은, 산업 플랜트, 공장, 사무실 건물, 아파트 블록, 또는 전체 도시에서 활용되는 대규모 전기 시스템에 전기를 제공할 수도 있다. 대형 운송 차량(예컨대, 대형 선박 및 비행기)은, 메가와트 부하를 지원할 수도 있는 온보드 전력 발전기(power generator) 및 관련된 차량에 걸친 전송 그리드를 또한 구비할 수도 있다.
그러한 그리드의 하나의 엘리먼트는 전력 변환 시스템, 또는 전력 컨버터인데, 이것은, 예를 들면, 중간 및 고전력 전자 분배 전력 버스 및 그리드에서 전력을 변환한다. 그러한 전력 컨버터는: (i) 더 높은 전압을 더 낮은 전압으로 변환할 수도 있거나; (ii) 더 낮은 전압을 더 높은 전압으로 변환할 수도 있거나; (iii) 전기를 하나의 교류 주파수로부터 다른 교류 주파수로 변환할 수도 있거나; 또는 (iv) 직류로부터 교류로, 또는 교류로부터 직류로 변환할 수도 있다. 전력 컨버터는, 위상 변화 및 전기 신호 필터링/정리(cleanup)와 같은 추가적인 기능을 역시 수행할 수도 있다.
그러나, 전력 컨버터에 대한 본 시스템 및 방법은, 특히, 선박 및 비행기 상에서 발견될 수 있는 것들과 같은 마이크로그리드에만 배타적으로 적합되는 것은 아니다. (그리드 및 마이크로그리드는 일반적으로 이 문서에서 "전력 시스템"으로 지칭된다.)
전력 시스템은 일반적으로 발전(generation), 송전, 분배 및 최종 사용 엘리먼트로 구성된다. 전류 형태의 전력 발전(power generation)은 전기 발전기 또는 발전기들(이들은 결국에는 화석 연료 또는 원자력에 의해 연료를 공급받을 수도 있음)에 의해, 또는 태양 전력(solar power) 및 풍차와 같은 재생 가능 에너지 시스템에 의해 공급된다. 최종 부하(전력을 사용하는 디바이스)로 가는 도중에, 전력은 통상적으로 하나 이상의 전력 컨버터에 의해 수신 및 송신된다. 예를 들면, 발전기 측 컨버터는 고정자 버스를 통해 발전기로부터 교류(alternating current; AC) 전력을 수신할 수 있고, AC 전력을 전력 그리드 주파수와 같은 적절한 출력 주파수로 변환할 수 있다. AC 전력은 라인 버스를 통해 전기 그리드에 제공된다.
저, 중, 고전압은 엄격하게 정의되어 있지 않지만, 그러나 예를 들면, 용어 "저전압"은 1.5 kV보다 더 작거나 또는 동일한 전압을 가리킬 수도 있고, "중간 전압(medium voltage)"은 1.5 kV보다 더 크고 100 kV보다 더 작은 전압을 가리킬 수도 있고, 고전압은 100 kV 이상의 전압을 가리킬 수도 있다.
전력 전자 빌딩 블록(PEBB)은 전력 컨버터의 구조적 및 기능성 엘리먼트이다. PEBB는, 임의의 입력 전력을 소망되는 전압, 전류 및 주파수 출력으로 변환하는 임의의 전력 프로세서일 수도 있다. PEBB는 다수의 인터커넥트된 PEBB를 통상적으로 활용하는 모듈식의 확장 가능한 전력 컨버터 아키텍쳐의 일부로서의 사용을 위해 의도된다. 각각의 PEBB는, 모든 인터페이스 및 동작 설정이 구성 가능한 다양한 전력 애플리케이션에서 사용될 수도 있다.
PEBB는, 통상적으로, 전력 트랜지스터 및 전력 다이오드, 게이트 드라이브, 및 다른 컴포넌트를, 다음의 것을 갖는 빌딩 블록으로 통합한다: (i) 구성 가능하고 명확하게 정의된 기능성(functionality), (ii) 표준화된 하드웨어, (iii) 제어 인터페이스, 및 (iv) 다른 PEBB와 상호 운용성.
소형 공간 요건을 갖는 선박 및 다른 환경: 군용 및 상업용 선박 및 항공기와 같은 소정의 환경에 대한 전력 컨버터는 공간의 활용을 중시한다. 결과적으로, 선박은 육상 기반의 환경에서 활용할 수도 있는 것들보다 더 소형인 전력 컨버터를 필요로 한다. 또한, 해양 애플리케이션(maritime application)을 위한 전력 변환 시스템의 중량을 감소시키는 것이 바람직하다. 전력 컨버터 볼륨 및 전력 컨버터 중량에서의 감소는, 향상된 전력 밀도 및 선박에 대한 더 적은 견인력 둘 모두로 이어진다.
해양 애플리케이션의 경우, 정부와 업계 둘 모두가 개시한 PEBB 연구 개발 노력은, "PEBB 1000 최소/라인 교체 가능 유닛(Least/Line Replaceable Unit)"(이하 "PEBB 1000 LRU")으로 또한 지칭되는, PEBB 1000 빌딩 블록에 중점을 두었다.
공지된 하드웨어 구성에서, PEBB 1000 LRU는, 중간에 고주파 솔리드 스테이트 변압기가 배치된 세 개 또는 네 개의 전력 변환 스테이지를 갖는다. 현존하는 모듈식 3 또는 4 스테이지 PEBB 1000 LRU는 PEBB 1000의 양쪽에서 대략 1 kVolt(1 kV)(또는 그 미만)의 DC 또는 AC 전압을 가질 것이다. 레거시 PEBB 1000 LRU 중간에 있는 고주파(high frequency; HF) 변압기는 1:1(단일) 권선 비율을 가지는데, 이것은 레거시 전력 사용에서 소정의 이점: 대칭성, 단순성, 및 상이한 PEBB 1000 LRU에 대한 공통 부품/컴포넌트(즉, 1:1 비율 변압기의 규약 또는 표준)을 가질 수도 있다.
내부적으로, 이 현존하는 PEBB 1000 LRU 하드웨어 구성은, 스위칭을 위한 성숙되고 이용 가능한 1.2 kV 또는 1.7 kV 정격 SiC MOSFET 및/또는 1.2 kV 또는 1.7 kV IGBT 디바이스를 또한 활용한다. 공지된 레거시 PEBB 1000 LRU는 일반적으로 전력에서 85 kW 내지 125 kW에서 정격되며, 680 V에서부터 1 kVDC까지의 또는 480 VAC로부터 707 VAC까지의 범위에 이르는 전압을 제공한다. 1 메가와트(1 MW) 이하의 전력 애플리케이션의 경우, 그리고 12 kV 이하 전력 애플리케이션의 경우, 공통의 또는 통합된 하드웨어 전력 컨버터는 통상적으로, (애플리케이션의 전압 요건에 따라) PEBB 1000 LRU의 각각의 측면에 병렬의 또는 종속 접속된 연결을 갖는 열두 개(12 개)의 PEBB 1000 LRU를 사용하여 아키텍쳐화된다. 통상적으로, 레거시 해양 전력 컨버터(펄스 부하, 에너지 스토리지, 및 에너지 매거진(energy magazine)을 수반함)는 컨버터에서 열두 개의 PEBB 1000 LRU를 활용하며, 1 kVDC 대 450 VAC; 1 kVDC 대 4160 VAC; 1 kVDC 대 6 kVDC; 또는 1 kVDC 대 12 kVDC PEBB의 변환을 위해 정격된다.
고정 선박 임무 전력 컨버터 설계 제한 사항
레거시 기술에서, 선박 및 다른 제한된 공간 애플리케이션을 위한 전력 컨버터는, 전력 소스(power source) 및 전력 요건의 적절한 그러나 고정된 세트를 갖는, 확립된, 상대적으로 잘 정의된 임무 또는 임무의 범위를 갖는 유인 선박 상에서의 사용을 위해 지정되는 특정한 고정된 전력 아키텍쳐의 프레임워크 내에서 통상적으로 설계된다. 예를 들면, 제1 선박 'A'는 군함(military vessel)(예컨대, 구축함 또는 순양함)일 수도 있고, 제2 선박 'B'는 연구선(research vessel)일 수도 있으며, 제3 선박 'C'는 화물 또는 운송선일 수도 있다.
전력 소스의 경우, 특정한 선박 'A'는 가스터빈 메인 전력 발전기, 에너지 저장을 위한 연료 전지, (선박이 도크(dock)에 있을 때) 육상 전력(shore power)을 위한 인터페이스, 및 보조 디젤 전력 발전기를 구비할 수도 있다. 부하의 경우, 선박 'A'는 항구 추진 모터(port propulsion motor), 우현 추진 모터(starboard propulsion motor), 레이더 부하, 소나 부하, 하나 이상의 펄스식 부하(예컨대, 무기 시스템), 및 다양한 선박 서비스 센터를 구비할 수도 있다. 선박 'A'에 대한 모든 부하는 모든 또는 실질적으로 대부분의 시간에 사용될 것이다는 것, 또는 몇몇 부하는 일부의 시간에만 그러나 높은 전력 수요를 가지고 사용될 수도 있다는 것이 예상될 수도 있다.
이들 인자를 염두에 두고, 선박 A에 대한 선박 전체 전력 컨버터 시스템, 및 특정한 전력 컨버터 서브시스템은, (인버터 및 다른 엘리먼트와 함께) AC/DC 컨버터, DC/AC 컨버터, 및 DC/DC 및/또는 AC/AC 컨버터의 특정한 전력 아키텍쳐(particular power architecture)(또는 전력 토폴로지)(Pa A)를 가지고 설계될 수도 있다. 다수의 다양한 컨버터는, 방사형 전력 분배 시스템 또는 구역형 전력 분배 시스템과 같은 특정한 구성으로 선박 전체에서 배열 및 커플링될 수도 있다.
연구선 'B'는 선박 'A'와 유사한 사이즈를 가질 수도 있고 유사한 전체적/최대 전력 소비를 가질 수도 있다. 그러나, 'B'는 'A'와 비교하여 상이한 임무(또는 임무의 범위)를 가지며, 따라서, 상이한 그리고 더 많은/더 적은 전력 소스를 가지고, 그리고 상이한 그리고 더 많은/더 적은 부하를 가지고 설계된다. 따라서, 선박 B에 대한 전체 전력 컨버터 아키텍쳐(Pa B)는 선박 A의 'Pa A'와는 크게 다를 수도 있다. 선박 C에 대해서도 유사한 고려 사항이 적용될 수도 있다.
각각의 선박 A, B, 및 C는 그것의 임무 요건에 걸맞게 설계되는 특정한 전력 아키텍쳐에 맞게 제한된다. 이것은 상이한 임무에 대한 선박 A, B, 또는 C 중 임의의 것의 적응성을 제한할 수도 있다. 그러한 제한은 선박의 등급 내에서 추가로 적용될 수도 있다. 예를 들면, 한 척은 구축함이고 한 척은 순양함인 두 척의 군함 A1과 A2는, 적어도 부분적으로는 그들의 고정된 특정한 전력 아키텍쳐에 기인하는, 적응성에서 그리고 임무 범위에서 통상적으로 정의된다.
무인 선박(No Manning Required Ships; NOMARS): 해군 함정 및 다른 선박은 설계가 다양하며 "무인 선박(NOMARS)"을 포함한다. 그러한 선박은, 적응 가능하고 유연한 임무 요건을 갖는, 그리고 (잠재적으로) 전력 소스 및 부하의 적응 가능한 구성을 갖는 무인 선박일 수도 있다. (예를 들면, 그러한 선박이 도크에 있을 때 전력 소스 및 부하는 변경될 수도 있다.) 그러한 NOMARS 선박은, 운용 동안 무인인 것으로부터 생기는 다양한 이점 외에도, 평시 군사(peace time military), 전투 군대, 심지어 엄격하게 상업적인 또는 민간의 임무의 범위에 대해 또한 더 많이 적응 가능할 수도 있다.
NOMARS를 위한 전력 시스템: 최대 임무 적응성을 보장하기 위해, NOMARS는, 다양한 전력/에너지 소스(원동기(prime mover)/엔진 발전기(genset), 태양 PV(solar PV), 에너지 스토리지, 등등)에 그리고 다양한 부하(AC, DC, 맥동(pulsating), 연속 및 UPS, 등등)에 적응 가능한, 통합되고 유연한 전력 발전 및 분배 시스템을 필요로 할 것이다. 다양한 임무에 적응 가능한, 그러한 NOMARS 전력 시스템의 주요한 특성/피쳐는, 선박의 (운용 및 건전성) 조건 및 선박이 처한 상황/환경에 기초한 모듈성(modularity) 및 적응성을 포함한다.
그 다음, 필요한 것은, 선박이 운항하는 동안, 어떠한 하드웨어 교체도 필요로 하지 않으면서, 임무 적응 및 변경을 지원하기에 적절한 고급 전력 전자기기 아키텍쳐(advanced power electronics architecture)이다. 추가로 필요로 되는 것은, NOMAR 선박에서 그리고 다른 무인 차량(un-manned vehicles; UxV) 예컨대 무인 수중 차량(unmanned underwater vehicle), 무인 항공기, 및 또한 무인 수상 차량(unmanned surface vehicle), 항공기, 및 우주선에서 전력 발전 및 전력 분배에 적절한 전력 전자 빌딩 블록(PEBB)이다.
몇몇 실시형태에서, 본 시스템은 (예를 들면, 백플레인(backplane)을 통해 또는 전기 케이블류(electrical cabling)를 통해 서로 커플링될 수도 있는) 다수의 연결된 별개의 전력 빌딩 블록을 갖는 적응 가능한 전력 컨버터 시스템을 제공한다. 빌딩 블록의 적어도 일부, 및 어쩌면 모두는 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 최소 교체 가능 유닛(least replaceable unit)(A-PEBB LRU)이다. 하나의 예시적인 실시형태에서, A-PEBB LRU는 SiC MOSFET을 가지고 구축될 수도 있고, 자체 재구성 가능한 연결 토폴로지를 활용한다.
예시적인 실시형태에서, A-PEBB LRU는, 직렬로 전기적으로 커플링되는 풀 브리지 컨버터(full bridge converter)(H 브리지로서 또한 지칭됨)일 수도 있는 네 개의 전력 스테이지를 포함할 수도 있는 별개의 유닛이다. 일련의 네 개의 전력 스테이지는 두 개의 외부 H 브리지(이것은, 일반적으로 "전력 리소스"로 지칭되는, 전력 소스 또는 전력 부하에 연결됨)로 시작하고 종료된다. 고주파(100-200 kHz) 솔리드 스테이트 절연 변압기(solid state isolation transformer)를 통해 커플링되는 두 개의 내부 브리지/전력 스테이지가 두 개의 외부 브리지 사이에서 스위칭된다. 두 개의 외부 브리지 또는 전력 스테이지는 자체 구성 가능한 전력 스테이지 또는 적응 가능한 전력 스테이지이다. 각각의 자체 구성 가능한 전력 스테이지(self-configurable power stage; SCPS)는 지점에서 자체 구성 가능한 H 브리지(self-configurable H Bridge; SCHB)로서 또한 지칭될 수도 있다.
예시적인 실시형태에서, SCPS는, SCPS에서의 전류의 경로 흐름을 변경하기 위해, 그에 의해, SCPS의 동작을 실시간으로 적응시키기 위해 사용될 수 있는 복수의 전기 접촉기(contactor)(기계적 스위치, 릴레이) 및/또는 전자 스위치(저전력 트랜지스터)와 함께, 역병렬 다이오드(antiparallel diode)를 각각 갖는 네 개의 SiC MOSFET 스위치/디바이스로 구성될 수도 있다. 또한, 내부 전류 흐름을 추가로 조절하기 위해 SCPS에서 다수의 인덕터가 활용될 수도 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 두 개의 별개의 인덕터(즉, 변압기 유닛의 일부가 아닌 인덕터)가 활용될 수도 있다. 하기에서, 이 문서는 이들 엘리먼트에 대한 하나의 예시적인 연결 토폴로지를 제공한다.
더 낮은 전력 트랜지스터를 통해, 적응 가능한 SCPS는, 임의의 하나의 주어진 시간에, 양방향 DC 대 DC 컨버터, 양방향 DC 대 AC, 및 양방향 AC 대 AC 컨버터 중 임의의 하나로서 다양하게 기능하도록 자체 구성될 수 있다; 즉, SCPS는, 임베딩된 소형 고주파 절연 변압기를 모두 갖는 다수의 적응 가능한 전력 변환 모드를 갖는다.
다른 모드 중에서도, SCPS는 양방향 강압(buck), 승압(boost), 또는 강압 및 승압 DC 대 DC 컨버터 중 임의의 하나로서 자체 구성될 수 있다. 외부 H 브리지의 동작 모드를 적절하게 변경하는 것에 의해, 전체 A-PEBB의 동작 모드는 상이한 전력 애플리케이션 및 상이한 임무 모드에 걸맞게 변경될 수 있거나 또는 재구성될 수 있다.
본 발명의 실시형태의 유리한 설계는 독립 청구항 및 종속 청구항, 설명, 및 도면으로부터 유래한다. 다음에서는, 본 발명의 실시형태의 바람직한 예가 첨부의 도면의 도움으로 상세하게 설명된다. 본원에서 통합되며 명세서의 일부를 형성하는 도면은 본 발명을 예시하며, 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하도록 그리고 관련 기술 분야(들)의 숙련된 자가 본 발명을 만들고 사용하는 것을 가능하게 하도록 추가로 역할을 한다.
도 1은, 예를 들면, 선상 전기 시스템(ship-board electrical system)일 수도 있는 예시적인 대규모 전기 시스템의 개략도를 제시한다.
도 2는 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록(A-PEBB) 라인 교체 유닛(line replacement unit; LRU), 또는 A-PEBB LRU를 예시한다.
도 3a는 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 적응 가능한 전력 스테이지(adaptable power stage; A-PS)의 개략적인 예시이다.
도 3b는 도 3a의 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)의 다른 예시적인 뷰를 나타낸다.
도 3c는 도 3a의 예시적인 A-PS에 대한 매치하는 전기 접촉기 설정을 갖는 전력 변환 모드의 예시적인 테이블을 제시한다.
도 4a는, 전기 접촉기가 두 개의 특정한 선택된 전력 모드 중 어느 하나에 대해 설정된 도 3a의 예시적인 A-PS의 개략적인 예시이다.
도 4b는, 전기 접촉기가 특정한 선택된 전력 모드에 대해 설정된 도 3a의 예시적인 A-PS의 개략적인 예시이다.
도 4c는, 전기 접촉기가 두 개의 특정한 선택된 전력 모드 중 어느 하나에 대해 설정된 도 3a의 예시적인 A-PS의 개략적인 예시이다.
도 4d는, 전기 접촉기가 두 개의 특정한 선택된 전력 모드 중 어느 하나에 대해 설정된 도 3a의 예시적인 A-PS의 개략적인 예시이다.
도 5는 다수의 A-PEBB LRU이 다수의 A-PS로 구성된 예시적인 전체 DC↔AC 컨버터의 개략적인 예시이다.
도 6a는, 도 5의 A-PEBB 기반의 컨버터에 대한 자체 구성 가능하고 적응 가능한 출력 필터의 개략적인 예시이다.
도 6b는, 도 6a의 자체 구성 가능하고 적응 가능한 출력 파일러(filer)에 대한 전기 스위치/계약자 상태 또는 포지션(개방 또는 폐쇄)의 예시적인 테이블을 제시한다.
도 7은 예시적인 A-PEBB 기반의 전력 컨버터 자체 구성 프로세스의 플로우차트이다.
도면에서의 텍스트와 관련하여: 도면에서의 임의의 텍스트는, 독자에게 엘리먼트의 적어도 하나의 가능한 실시형태를 상기시키기 위해, 이해에 대한 보조로서 편의성을 위해 제공된다. 그러한 텍스트는 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 성문의 개시 내에서 설명되는 바와 같이, 상이한 엘리먼트가 추가적인 또는 대안적인 라벨, 명명법, 또는 대안적인 실시형태에 의해 공지될 수도 있거나 또는 이해될 수도 있다. 도면에서 도시되는 특정한 기능 또는 동작 값(예를 들면, 전압 값 또는 전력 값)은 제한으로서가 아니라 단지 예시로서 해석되어야 한다.
본 발명이 특정한 애플리케이션을 위한 예시적인 실시형태와 함께 본원에서 설명되지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다는 것이 이해되어야 한다.
다음의 상세한 설명은 본질적으로 단지 예시에 불과하며, 교시되는 시스템, 구성 및 방법을 제한하도록 의도되지도 않고, 또한 교시되는 시스템, 구성 및 방법의 엘리먼트 또는 단계를 제한하도록 의도되지도 않으며, 또한 본원에서 개시되는 바와 같은 본 시스템, 방법, 및 구성의 적용을 제한하도록 의도되지 않는다. 게다가, 전술한 배경기술 또는 발명의 내용(summary)에서 제시되는 또는 다음의 상세한 설명에서 제시되는 임의의 이론으로 또는 그 임의의 이론에 의해 범위를 구속하려는 또는 제한하려는 의도는 없다. 본원에서 제공되는 교시에 접근할 수 있는 기술 분야의 숙련된 자는, 본 교시의 범위 및 본 발명이 상당한 유용성을 가질 추가적인 분야 내에서 추가적인 수정예, 적용예, 및 실시형태를 인식할 것이다.
본 출원 전체에 걸쳐, 다양한 실시형태의 설명은, 시스템 및 방법이 설명되는 소정의 엘리먼트 또는 단계를 포함할 수도 있다는 것; 그러나, 설명되지 않은, 또는 다른 실시형태와 연계하여 설명될 수도 있는, 또는 도면에서만 도시될 수도 있는, 또는 전력 시스템의 기능에 필요한 것으로 기술 분야에서 널리 공지되어 있는 다른 엘리먼트 또는 단계를 시스템 및 방법이 또한 포함할 수도 있다는 것을 나타내는 언어 "포함하는(comprising)"을 사용할 수도 있다. 그러나, 몇몇 특정한 경우에, 실시형태는 언어 "본질적으로 ~로 구성되는" 또는 "~로 구성되는"을 사용하여 대안적으로 설명될 수 있다는 것이 기술 분야의 숙련된 자에 의해 이해될 것이다.
본 교시의 더 나은 이해의 목적을 위해 그리고 본 교시의 범위를 어떤 식으로도 제한하지 않는 것의 목적을 위해, 단수형의 사용이, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 복수형을 포함한다는 것이 기술 분야의 숙련된 자에게는 명백할 것이다. 따라서, 용어 "a(한)", "an(한)" 및 "적어도 하나"는 본 출원에서 상호 교환 가능하게 사용된다.
이 상세한 설명에 사용되는 표제(headings)는 이 문서를 읽기 쉽고 탐색하기 쉽게 만드는 것을 돕기 위해서만 존재하며, 정의 또는 제한으로서 해석되어서는 안된다.
시스템 및 방법은, 단지 예시인, 이하에서 설명되는 실시형태로 제한되지는 않는다. 오히려, 시스템 및 방법의 전체 범위는 후속하는 청구범위에서 기재된다. 첨부된 청구범위 그들 자체가 개시이며, 시스템 및 방법의 전체 범위는 단지 청구범위에서만 기재되는 엘리먼트를 포함할 수도 있다는 것이 추가로 이해될 것이다.
대규모 전기 시스템
대규모 전기 시스템(100)은 대규모 애플리케이션에서 함께 활용되는 결합된 전력 발전, 전력 분배 및 전력 사용 시스템으로서 이해될 수도 있다. 도 1은, 예를 들면, 선상 전기 시스템일 수도 있는 예시적인 대규모 전기 시스템(100)을 예시한다. 그러한 대규모 전기 시스템(100)은, 예를 들면, 다음의 것을, 제한 없이, 포함할 수도 있다: 대형 선박(군함, 화물선, 여객 정기선 또는 대형 요트), 공장, 다가구 건물(multi-dwelling unit building)(아파트 단지 및 콘도미니엄), 사무실 건물, 학교 건물, 연구실, 및 통상적으로 킬로와트 이상의 전력 수요를 수반하는 다른 환경. 몇몇 그러한 대규모 전력 시스템(100)의 경우, 1차(primary) 전력 소스(들)(110.1)는 오프사이트에서 위치될 수도 있고(예컨대, 전체 도시에 의해 공유되는 공동 전력 발전소); 다른 그러한 대규모 전력 시스템의 경우, 1차 전력 발전 소스(110.1)는 로컬일 수도 있다(예를 들면, 자체 발전기를 갖는 선박, 또는 태양 전력 패널에 의해 전력을 공급받는 캠퍼스).
전기 시스템(100)은, 예를 들면 그리고 제한 없이, 다음의 것을 포함할 수도 있다: (I) 전력 리소스(110) 및 (II) 전력 컨버터(500). 이들은 바로 아래에서 추가로 논의된다.
(I) 전력 리소스(110)는 일반적으로 다음의 것 중 어느 하나인 임의의 전기 서브시스템을 가리킨다:
(i) 전력의 소스(110.1)(다음의 것을, 예를 들면 그리고 제한 없이, 포함함: 배터리, 울트라커패시터, 다른 형태의 에너지 스토리지 모듈, 다기능 에너지 스토리지 모듈(multi-function energy storage module; MFESM), 전기 발전기, 태양 전력 패널, 전기 전력 그리드); 또는
(ii) 전력용 부하(110.2)(예를 들면 그리고 제한 없이, 레이저, 센서, 전등, 전기 모터, 가열 및 냉각 시스템, 레이더, 소나, 의료 기기, 컴프레서, 펌프, 디지털 시스템, 통신 시스템, 및 동작을 위해 전력을 요구하는 다른 시스템을 포함함).
전력 소스(110.1)는, 발전기(예를 들면, 증기 터빈 엔진, 연소 터빈 엔진, 왕복 엔진, 풍력 터빈, 및 원자력 발전기)를 구동하는 연료 소비 디바이스인 (i) 전기 발전기 및 (ii) "원동기"의 조합인 엔진 발전기를 포함할 수도 있다. 전력 소스(110.1)는, 축전지(storage battery), 태양 전력 패널, 및 커패시턴스 기반의 배터리 또는 울트라커패시터/수퍼커패시터를 또한 포함할 수도 있다.
(II) 전력 전자 빌딩 블록 컨버터(PEBB 컨버터)(500)는 전체 전력 분배 시스템(115)의 일부로서 활용된다. PEBB 컨버터(500)는 전압을 승압 및/또는 강압하도록, AC 전류를 DC 전류로 또는 그 반대로 변환하도록, 그리고 상이한 부하(110.2) 사이에서 전력을 분배하도록 역할을 한다. 전력 분배 시스템(115)은 시스템 전체 전력 흐름을 라우팅하거나 또는 제어하기 위한 다양한 라우팅 스위치(routing switch; RS)를 포함할 수도 있는데, 여기서 스위치(RS)는, 결과적으로 그리고 다양한 실시형태에서, 때때로 PEBB 컨버터(500)에 통합될 수도 있다. 전력 분배 시스템은, 전기 케이블류 및 와이어(120), 및 다른 엘리먼트 예컨대 회로 차단기, 로컬 전력 콘센트(outlet) 및 로컬 전력 스위치(즉, 룸 레벨 온/오프 스위치), 및 기술 분야에서 공지되어 있는 그리고 도 1에서 예시되지 않는 다른 엘리먼트를 또한 포함할 것이다.
본 시스템 및 방법은 전력 컨버터(500) 및 전력 컨버터의 구조적 빌딩 블록(PEBB)(200) 예컨대 PEBB LRU(200)에 관한 것이다; 본원에서 설명되는 시스템은 일반적으로 소스 단부(source end) 및 하나 이상의 부하(110.2)에서 하나 이상의 전력 소스(110.1)를 동작시키도록 구성된다. 관례에 의해, 소스는 PEBB(500)의 "제1 단부" 또는 "전력 단부(power end)"로 지칭되는 것에 접속되고, 부하는 일반적으로, 종래에, PEBB(500)의 "제2 단부" 또는 "부하 단부(load end)"로 지칭되는 것에 연결된다. 그러나, 다음의 것을 유의한다:
(i) 더 큰 시스템 토폴로지는 다수의 전력 연결 지점 및/또는 부하 연결 지점을 수반할 수도 있고, 그 결과 "단부"는, 반드시, 물리적 시스템의 두 개의 구조적으로 반대되는 단부를 가리키는 것으로 해석되어서는 안되고, 그리고
(ii) 몇몇 예시적인 실시형태에서, 그것은, 소스 연결이 부하 연결이 되도록, 또는 그 반대가 되도록 A-PEBB LRU(200.A) 및 PEBB(500)가 적응될 수도 있거나 또는 재구성될 수도 있는 본 시스템 및 방법의 엘리먼트이다.
적응 가능한 PEBB(A-PEBB): 도 1에서, 예시적인 PEBB 컨버터(500)는 적응 가능한 PEBB(500.A)(A-PEBB)인데, 이것은 이 문서 전체에 걸쳐 더욱 상세하게 논의된다. 도 1에서는 단지 하나의 A-PEBB 컨버터(500)가 예시되지만, 관련 기술 분야에서 숙련된 자는, 단일의 대규모 전기 시스템(100)이 다수의 PEBB 컨버터(500)(이들 중 일부는, 본 시스템 및 방법의 초점인 A-PEBB 컨버터(500.A)와 함께, 종래의 PEBB 컨버터일 수도 있음)를 활용할 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
도 1의 A-PEBB 컨버터(500)는, "구성 가능하지 않은 PEBB LRU"(2200.nc)로 또한 지칭되는 두 개의 종래의 PEBB LRU와 함께, 세 개의 A-PEBB LRU(200.A)(상호 접속이 도 1에서는 도시되지 않음, 도 5 참조)를 갖는 것으로 예시된다는 것을 또한 알 수 있을 것이다. 이것은 단지 예시이며, 다양한 실시형태에서, A-PEBB 컨버터는 하나, 둘, 또는 그 이상의 내부 A-PEBB LRU(200.A)를 가질 수도 있고; 또한 제로 개, 한 개 또는 그 이상의 구성 가능하지 않은 PEBB LRU(200.nc)를 가질 수도 있다. (본 시스템 및 방법의 몇몇 예시적인 실시형태에서, 심지어 단일의 A-PEBB LRU(200.A)도 단일의 독립형 A-PEBB 전력 컨버터(500.A)로서 역할을 할 수도 있다. 더욱 통상적인 애플리케이션에서, A-PEBB 컨버터(500.A)는 두 개 이상의 PEBB LRU(200)를 구비할 것이다.)
하기의 설명 및 교시의 목적을 위해, 뿐만 아니라 첨부된 청구범위에서, 그리고 달리 언급될 수도 있는 경우를 제외하면: 전력 컨버터(500) 및 A-PEBB LRU(200)로서 본원에서 개시되는 시스템은, 전력을 제공하는 또는 전력 컨버터(500.A)에 대한 전기 부하로서 역할을 하는 전력 리소스(110)(소스 또는 부하)와는 별개이며, 그들과는 구별되는 기능성 하드웨어 유닛으로서 해석되어야 한다. 그러나, 몇몇 상황 및 시스템 토폴로지에서, 제1 전력 컨버터(500.A)는 제2 전력 컨버터(500.A)를 위한 전력 소스일 수도 있는데, 제2 전력 컨버터(500.A)는 제1 전력 컨버터(500.A) 상의 부하로서 또한 간주된다는 것이 이해될 것이다.
전력 컨버터(500) 및 전기 시스템(100): 도 1이 단일의 A-PEBB 컨버터(500.A)를 예시하지만, 관련 기술 분야에서 숙련된 자는, 대규모 전기 시스템이 (어쩌면, 하나 이상의 종래의 PEBB 컨버터와 함께), 몇몇 A-PEBB 컨버터(500)가 다양한 부하에 대한 단부 지점 전력 소스이고 다른 A-PEBB 컨버터가 중간 전력 스트림 전압 또는 전류 변환(mid-power-stream voltage or current conversion)을 제공하는, 다수의 인터커넥트된 A-PEBB 컨버터(500.A)를 활용할 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 그러한 전기 시스템 토폴로지의 세부 사항은 이 문서의 범위를 넘어선다.
"강압" 및 "승압"
이 문서에서, 용어 "강압 컨버터(buck converter)"는, 더 높은 입력 전압(B)을 수용하고 그것을 더 낮은 전압(A)으로 감소시키거나, 또는 강압하는 전기 컨버터를 지칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "강압(bucking)"은 B로부터 A로 전압을 강압하는 액트 또는 프로세스를 지칭한다.
이 문서에서, 용어 "승압 컨버터(boost converter)"는, 더 낮은 입력 전압(A)을 수용하고 그것을 더 높은 전압(B)으로 증가시키거나 또는 승압하는 전기 컨버터를 지칭한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "승압(boosting)"은 전압을 A로부터 B로 승압하는 액트 또는 프로세스를 지칭한다.
예시적인 적응 가능한 전력 시스템
예시적인 실시형태에서, 본 시스템 및 방법은, 부분적으로는, 전체 시스템(100) 내의 다양한 부하(110.2)(AC, DC, 맥동, 연속, 및 UPS, 등등) 및 다양한 전력/에너지 소스(110.1)(원동기/엔진 발전기, 태양 전력, 에너지 스토리지(배터리, 등등)에 적용 가능한, 통합된 적응 가능한/유연한 전력 발전/전력 분배 시스템(100)에 관한 것이다.
그러한 적응 가능한 전력 시스템(100)은, 하나의 예를 들면, "무인 선박(NOMARS)" 에 대한 선상 전력 애플리케이션을 지원하기 위해 사용될 수도 있다. 다양한 임무를 갖는 선박을 위한 NOMARS 전력 시스템(100)은, 선박의 운용 및 건전성 조건에 기초하여, 다양한 임무 요건에 기초하여, 그리고 또한 선박이 처한 상황적 환경에 기초하여 모듈성 및 적응성을 필요로 할 것이다. 그러한 유연한 NOMARS 전력 발전 및 분배 시스템에서, 고급 전력 전자기기(advanced power electronics)가 핵심 구현 기술로서 중요한 역할을 할 것이다.
예시적인 실시형태에서, 본 시스템 및 방법은 본원에서 NOMARS 시스템의 맥락에서 설명될 수도 있지만, 본 시스템은, 예를 들면 그리고 제한 없이 다음의 것을 포함하는 다른 무인 운송 차량(UxV)과의 사용을 위해 동등하게 적용 가능하다는 것을 유의한다: 무인 항공기(unmanned aerial vehicle; UAV), 무인 수상 차량(USV) 및 다른 자율 선박, 항공기 및 차량.
본 시스템 및 방법은, 자율적이고 뿐만 아니라 임무/상황에 적응 가능한 동작을 필요로 하는 비이동식(고정식) 시설의 일부인 대규모 전력 시스템(100)에서 또한 활용될 수도 있다. 본 시스템 및 방법은, 고정된 장소의 다양한 시설을 상이한 시간에 지원하기 위해 사용되는 이동식의 운송 가능한 전력 발전 시스템인 대규모 전력 시스템(100)에서 또한 활용될 수도 있다.
결과적으로, 적응 가능한 대규모 전력 시스템(100)은, 도 1의 예시적인 시스템(100)에서 도시되는 바와 같이, 적응 가능한 전력 전자 컨버터(power electronics converter)(500.A)를 활용할 수도 있다. 결과적으로, 그리고 도 1 및 도 5 둘 모두로부터 명백할 바와 같이, 적응 가능한 전력 전자 컨버터는 현장 적응 가능한 하나 이상의 적응 가능한 라인 교체 유닛인 A-PEBB LRU(200)로부터 구축될 수도 있다.
몇몇 구성 불가능 PEBB LRU(200.nc)의 동작이 기술 분야에서 공지되어 있으며, 그들의 컴포넌트, 아키텍쳐, 토폴로지, 및 동작의 설명은 이 문서에서 상세하게 제시되지 않을 것이다. General Electric Company(제너럴 일렉트릭 캄파니)는 과거에 그러한 전력 시스템 PEBB LRU(200.nc)를 개발하였으며 미래에도 그러한 개발을 계속할 것으로 예상된다는 것을 유의한다; 예를 들면, [여기에 최근에 출원된 출원의 특허 번호를 입력하시오]을 참조한다.
도 2는, 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 A-PEBB 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU)(200.A)을 예시한다. 예시적인 A-PEBB LRU(200.A)는 직렬로 전기적으로 커플링되는 네 개의 전력 스테이지(210, 300)를 포함한다.
단자, 적응 가능한 전력 스테이지(Terminal, Adaptable Power Stage): 도 2로부터 알 수도 있는 바와 같이, 하나의 예시적인 실시형태에서, 네 개의 전력 스테이지는, 적응 가능한 전력 스테이지인 두 개의 단자 전력 스테이지(terminal-power stage)(300.1 및 300.2)를 포함한다; 이들 두 개의 단부 전력 스테이지(end-power stage)의 내부 동작은 하기에서 추가로 설명된다(특히 도 3 및 도 4 참조). 본 시스템 및 방법의 몇몇 예시적인 실시형태에서, 하나 이상의 전력 소스(110.1)로부터의 소스 전력(273.1)은 두 개의 단자 전력 스테이지(300) 중 하나에서(단자(X0, Y0)에서) 수신될 수도 있고, 한편, 부하(110.2)에 대한 출력 전력(273.2)은 두 개의 단자 스테이지(300) 중 다른 하나로부터(단자(X5, Y5)에서) 유래할 수도 있다.
도면에서, 입력 전력이 전력 스테이지(300.1)에 제공되고 출력 전력이 전력 스테이지(300.2)로부터 출력되지만, 이것은 단지 예시의 목적을 위한 것이며 제한하는 것은 아니다 것을 유의한다. 몇몇 실시형태에서, 예를 들면, DC 전류가 출력 전류와 함께 단자(X5, Y5)에서 입력될 수 있고 그 다음 단자(X0, Y0)에서 산출될 수도 있도록, 적응 가능한 전력 스테이지(300)가 A-PEBB LRU(200.A)를 통한 전압 변화 및/또는 전류 흐름(직류의 경우)의 방향을 반전시키도록, 현장에서, 재구성될 수 있다는 것이 본 시스템 및 방법의 이점이다.
일반적으로, 단자 A-PEBB 전력 스테이지(300) 각각은, 다음의 것 중 임의의 것 또는 모두에 대해 현장 적응 가능하다: 전류 흐름의 방향을 변경하는 것; 전압 강하의 방향을 변경하는 것; A-PEBB LRU(200.A) 전체에 대한 동작의 변환 모드를, 예를 들면, 강압으로부터 승압으로, AC/AC로부터 AC/DC, DC/AC, 또는 DC/DC로 변경하는 것; 및 전류 소스 컨버터(500)로부터 전압 소스 컨버터로, 또는 그 반대로 전체 동작을 변경하는 것. A-PEBB LRU(200.A) 전체에 대한 동작 모드의 효과적인 제어는 두 개의 단자 A-PEBB LRU(300) 사이의 조정 모드 스위칭을 요구할 수도 있다.
솔리드 스테이트 변압기: 도 2를 추가로 참조하면, A-PEBB LRU(200.A)의 예시적인 실시형태에서, 내부 섹션(232)이 두 개의 단자 A-PEBB LRU(300) 사이에서 끼워지고, 그들 사이에서 직렬로 전기적으로 커플링된다. 한 실시형태에서, 내부 섹션(232)은, 그 자체가 제2 절연 전력 스테이지(210.2)와 직렬로 추가로 커플링되는 고주파 변압기(222)와 직렬로 커플링되는 제1 절연 전력 스테이지(210.1)를 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 다양한 전력 스테이지(210, 300)는, 변압기(222)와 함께, 예시적인 커패시터(270)를 통해 커플링될 수도 있다.
제1 및 제2 절연 전력 스테이지(210)는 풀 브리지 컨버터로서 기능한다. 변압기(222)는 전압 인덕턴스의 형태로 두 개의 내부 전력 스테이지(210) 사이에서 전력 전송을 제공하고, 동시에, 예시적인 A-PEBB LRU(200.A) 전체의 단자 스테이지(300) 사이에서 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 또한 제공한다. 전체 내부 섹션(232) - 즉, 두 개의 내부 전력 스테이지(210)와 함께, 적절한 변압기(222) - 은 소형 고주파(100-200 kHz) 솔리드 스테이트 절연 변압기(232)의 엘리먼트로서 함께 간주될 수도 있다.
본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 절연 전력 스테이지(210) 둘 모두는, 접점(juncture)(A2/B2 및 X3/Y3)이 직류 전용이 되도록 직류(direct current; DC)를 핸들링하기 위해 제공된다. 두 개의 절연 전력 스테이지(210.1, 210.2) 중 하나는 고주파 전력 변환을 제공한다. 그러나, 단자 전력 스테이지(300)가 적응 가능하기 때문에, A-PEBB LRU(200.A)의 단부 단자(X0/Y0 및 X5/Y5) 둘 모두는 AC 또는 DC 중 어느 하나에 대해 구성될 수 있다.
도 2의 예시적인 A-PEBB LRU(200.A)의 경우, 두 개의 절연 전력 스테이지(210)의 정확한 트랜지스터 구성, 다이오드 구성, 및 토폴로지는 단지 예시일 뿐이며, 기술 분야에서 공지되어 있는 바와 같이 몇몇 변형예가 활용될 수도 있다. 이들은, 예를 들면 그리고 제한 없이, 풀 브리지와 함께, 또는 풀 브리지 대신에, 하나 이상의 하프 브리지(half-bridge)의 추가 또는 대체; 및 여러 가지 상이한 타입의 전력 트랜지스터의 선택을 포함할 수도 있다.
변압기를 통한 갈바닉 절연: 출력에 대한 갈바닉 절연은, 입력과 관련하여 "플로팅하는(floating)" 전력 출력을 갖는 것을 가능하게 한다(입력과 출력 사이에서 직접적인 전기적 연결이 없거나 또는 전류 전도 경로가 없다는 것을 의미함). 갈바닉 절연의 이점은, 예를 들면 그리고 제한 없이, 다음의 것을 포함한다: 전기 시스템에서 노이즈를 감소시키기 위해 접지 루프가 절단될 수 있음; 출력 극성은 자유롭게 선택될 수 있음; 그리고 (변압기(222)에 의해 형성되는) 전류 절연 배리어는, 전기적 충격을 방지하기 위해 그리고 전기적 장애 상태(예컨대, 단락)에 의해 야기되는 다른 위험을 감소시키기 위해, 중요한 안전 엘리먼트를 형성할 수 있음.
변압기 냉각: 몇몇 실시형태에서, AC 대 AC 변압기(222)는 매우 높은 주파수(60 Hz를 훨씬 초과함)에서 전류 절연과 함께 공진 커플링을 제공하는데, 이것은 높은 전력 밀도 및 높은 효율성(낮은 전력 손실)을 갖는 소형 변압기의 사용을 가능하게 한다. 따라서, 변압기(222)는 매우 효율적인 전력 전달, 또는 동등하게, 매우 낮은 전력 손실을 제공할 수도 있다. 결과적으로, 변압기(222)는 높은 레벨의 열을 발생시킬 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 공기 냉각, 히트 싱크, 및 팬과 같은 종래의 수단에 의해 변압기(222)에 대한 냉각이 제공될 수도 있지만; 그러나, 대안적인 실시형태에서, 변압기(222)에 대한 냉각은 대안적인 또는 추가적인 냉각 시스템에 의해 제공될 수도 있다. 예를 들면, 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태는, 변압기 냉각을 위해, General Electric Company를 출원인으로 하여 2020년 3월 31일자로 출원된 공동 계류 중인 PCT 특허 출원 번호 PCT/US20/26026(이하, '026 출원)에서 교시되는 예시적인 냉각 시스템, 또는 '026 출원의 청구범위의 범위 내의 다른 액체 냉각 시스템 중 하나와 같은, 고전력 밀도(high power-density; HPD) 변압기에 대한 액체/유체 냉각 시스템을 활용할 수도 있다.
프로세서/제어: 다양한 예시적인 실시형태에서, A-PEBB LRU(200.A)는, 스위치, 콘택, 커패시터, 냉각 시스템(도 2에서 도시되지 않음), 온보드 상태 센서(도 2에서 도시되지 않음), 및 실시간 제어를 필요로 하는 다른 인자의 조절을 위한 컨트롤러 또는 마이크로컨트롤러 유닛(microcontroller unit; MCU)(227)의 사용 또는 그 통합을 포함할 수도 있다. 그러한 제어 시스템(227)은, 마이크로프로세서, 디지털 입력/출력 엘리먼트, 메모리(예컨대, 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM) 및 다양한 형태의 불휘발성 메모리), 디스플레이 시스템, 오디오 입력 및/또는 오디오 시그널링 시스템, 및/또는 기술 분야에서 공지되어 있는 또는 개발될 아날로그 제어 엘리먼트의 사용을 수반할 수도 있다. MCU(227)는 A-PEBB LRU(200)의 다양한 양태를 제어하기 위해, 메모리에 저장되는 적절한 코딩된 소프트웨어를 활용할 수도 있다. 특히, MCU(227)는 A-PEBB LRU(200.A)의 동적 필드 구성을 지원할 수도 있다.
도 2에서, MCU(227)가 활성 전력 스테이지(active power stage)(300.1, 300.2)와 통신 가능하게 커플링되는 것으로, 그러나, 절연 전력 스테이지(210.1, 210.2)와는 그렇지 않은 것으로 도시된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이것은 단지 예시일 뿐이며, 제한하는 것은 아니다. 본 개시가 적응 가능한 전력 스테이지(300)의 제어에 관한 것이지만, 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 절연 전력 스테이지(210)는 제어 또는 변경을 필요로 하는 몇몇 내부 엘리먼트를 여전히 가질 수도 있다. 후자의 실시형태에서, MCU(227)는 활성 전력 스테이지(300) 및 또한 절연 전력 스테이지(210)와 통신 가능하게 커플링될 수도 있다.
추가적인 엘리먼트: 단자 전력 스테이지(300.1, 300.2)는 브리지 컨버터로서 또한 기능하지만, 그러나, 하기에서 추가로 논의되는 바와 같이 둘 모두는 현장 구성 가능하다(특히 도 3 시리즈 도면 및 도 4 시리즈 도면 참조).
도 2의 예시적인 A-PEBB LRU(200.A)의 토폴로지는 단지 예시일 뿐이며 제한하는 것은 아니다는 것이 이해될 것이다. 첨부된 청구범위의 범위 내에서 다른 토폴로지가 활용될 수도 있다. 유사하게, 명확화를 위해, 소정의 필수 컴포넌트가 도면으로부터 생략되었다. 이들 컴포넌트는, 예를 들면 그리고 제한 없이, 다음의 것을 포함할 수도 있다:
(i) A-PEBB LRU(200.A)용 외부 케이싱 또는 엔클로저;
(ii) 추가적인 커패시터뿐만 아니라, 저항기 및/또는 인덕터; 및
(iii) A-PEBB LRU(200.A)를 백플레인에 전기적으로 그리고 물리적으로 연결하기 위한 커넥터 컴포넌트.
적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)
바로 위에서 논의되는 도 2의 예시적인 A-PEBB LRU(200)는, 전력 스테이지(210)로 또한 지칭되는 네 개의 브리지 컨버터(210, 300)로 구성된다. 두 개의 "외부" 브리지 또는 전력 스테이지는 자체 구성 가능하거나 또는 적응 가능한 전력 스테이지(300)이다. 도 3a는 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)의 개략적인 예시를 나타낸다.
브리지 변환을 위한 고전류 전력 스위칭 엘리먼트: 비제한적인 본 시스템 및 방법의 예시적인 실시형태에서, A-PS(300)는, 도 3a에서 S1, S2, S3, S4로서 또한 라벨링되는, 네 개의 고전류 전력 스위칭 엘리먼트(high-current power switching element; HC-PS)(325.1, 325.2, 325.3, 325.4)를 포함하는 재구성 가능한 H 브리지 컨버터(re-configurable H-bridge converter; RH-BC) 모듈(320)을 갖는다. (간결성을 위해, 이들은 이 문서에서 간단히 HC-PS 325.n으로서, HC-PS 325로서, 또는 HPCSE Sn으로서 참조할 수도 있다.) 예시적인 실시형태에서, 각각의 HC-PS의 컴포넌트는 SiC MOSFET 전력 트랜지스터(330)를 포함하는데, 이것은 역병렬 다이오드(335)와 병렬로 전기적으로 연결된다.
네 개의 예시적인 SiC MOSFET 전력 트랜지스터(330)는, 적어도 수십 킬로헤르츠 또는 수백 kHz까지의 스위칭 주파수에서 (온 상태로부터 오프 상태로 또는 그 반대로) 스위칭 가능하다. 그러한 만큼, 전력 트랜지스터(330)는 이들 주파수에서 전류/전압 스위칭/샘플링에 적합하다; 따라서, 조합하여, AC 대 DC 전압 변환, DC 대 AC 전압 변환, 제1 AC 주파수 대 제2 AC 주파수 변환, 및 전압 반전에 대해, 모두, 전력 트랜지스터(330)의 게이트 엘리먼트의 적절한 제어 변조를 통해, 쉽게 적합 가능하다. 이것의 세부 사항은 브리지 컨버터 분야에서 공지되어 있으며, 여기에서는 반복되지 않을 것이다. (갈바닉 절연으로 인해, 출력 AC 주파수가 입력 주파수와 동일한 주파수일 수도 있거나 또는 상이한 주파수일 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다.)
예시적인 재구성 가능한 H 브리지 컨버터(RH-BC) 모듈(320)은, 도 3a로부터 생략되는 하나 이상의 커패시터 및 하나 이상의 저항기를 또한 포함할 수도 있다. RH-BC 모듈(320)은, 도 3a로부터 또한 생략되는, SiC MOSFET 스위치의 게이트의 전압 제어를 또한 제공할 수도 있다.
A-PS(300)에서의 SiC MOSFET 전력 트랜지스터(330)의 예시/사용은 단지 예시일 뿐이며, 제한하는 것은 아니다; 대안적인 실시형태에서, 본 시스템 및 방법은, 예를 들면 그리고 제한 없이 다양한 다른 타입의 MOSFET 및 다양한 타입의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT)(325)와 같은, 다른 타입의 고전류 또는 고전력 스위치를 활용할 수도 있다.
본 시스템 및 방법의 예시적인 실시형태에서, 네 개의 HC-PS(325)는, 도 3a에서 도시되는 예시적인 연결 토폴로지에 따라, 적절한 전도성 경로(와이어 또는 전기 전도성 트랙)(340)를 통해 전기적으로 연결된다. 관련 기술 분야의 숙련된 자는, 이들 예시적인 경로/연결(340)이 상기의 도 2의 고정된 H 브리지(210)와 유사한 H 브리지로서 기능하도록 네 개의 HP-CS(325)를 함께 확립하는 데 적합하다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 본 시스템 및 방법은, 전류 라우팅 스위치(350) 및 인덕터(355)와 함께, 추가적인 전력 연결 지점 또는 노드(N)(N3, N4, N6, N16, N14, N13)을 도입하고; 수정된 또는 추가적인 회로 경로(340)가 이들 후자의 엘리먼트와 관련된다. 함께, 이들 엘리먼트는, 종래의 고정 H된 브리지(210)를 가지고는 불가능한 방식으로 전력 스위치 모듈(300)의 동작을 동적으로 수정하기 위해 사용될 수도 있다. 이것의 세부 사항은 바로 아래에서 추가로 논의된다.
회로 전도성 경로 및 토폴로지: 편의성을 위해, 그리고 현재 첨부된 청구범위 및/또는 이 문서와 관련하여 미래에 제시될 수도 있는 임의의 청구범위에서의 식별을 위해, 회로 노드(연결 지점 및/또는 분기 지점)는 N1, ..., N32(또는 일반적으로 Ni(i = 1, ..., 32))로서 라벨링된다. 도면에서 도시되는 회로 경로(340) 및 회로 노드(Ni)는 예시적인 A-PS(300)의 회로 토폴로지를 식별하고, 따라서 회로의 예시적인 설명을 구성한다는 것이 이해될 것이다. 제1 예를 통해, 스위치(SW4)는 노드(N17과 N19) 사이에서 연결된다는 것, 및 스위치(SW6)는 노드(N19와 N21) 사이에서 연결된다는 것, 그에 의해, 노드(N17과 N21) 사이에서 스위치(SW4 및 SW6)를 직렬로 전기적으로 연결한다는 것을 알 수 있을 것이다. 제2 예로서, 인덕터(L1) 및 스위치(SW4)가 노드(N17과 N19) 사이에서 병렬로 연결되고, 그 결과, 스위치(SW4)가 열려 있거나 또는 닫혀 있는 상태가, 전류가 인덕터(L1)을 통해 흐르는지 또는 인덕터(L1) 주변에서 분로/단락되는지를, 부분적으로, 결정할 수도 있다는 것이 도면으로부터 명백할 것이다.
엘리먼트 연결 및 엘리먼트 상호 작용에 대한 유사한 식별 또는 특성 묘사가, 특정한 노드에 대한 엘리먼트 연결에 기초하여, 예시적인 A-PS(300)의 다른 회로 엘리먼트에 대해 이루어질 수도 있다.
또한, 몇몇 인접한 노드는 중복적인 것으로 나타나고, 그 결과, 예를 들면, N6 및 N7이, 노드(N16 및 N23)가 그런 것처럼, 전기적으로 등가일 수도 있다(SW3의 개방/폐쇄 상태에 따라, 동일한 전압을 가짐)는 것을 알 수도 있다. 몇몇 예시적인 실시형태에서, 노드(N7 및 N23)는, 물리적으로 분리된 회로 기판에 있을 수도 있는 전류 흐름 제어(current flow control; CFC) 모듈(375.3)과 물리적으로 분리된 재구성 가능한 H 브리지 컨버터(RH-BC) 모듈(320) 사이의 (플러그, 포트, 또는 다른 물리적 플러그/콘센트를 통한) 전기적 연결의 물리적 지점을 나타낼 수도 있다. 대안적인 실시형태에서, RH-BC 모듈(320) 및 CFC 모듈(375.3)을 비롯한, A-PS(300)의 모든 컴포넌트 엘리먼트는 단일의 공통 물리적 회로 기판 또는 다른 단일의 물리적 장착 구조물(이 경우, 노드(N7 및 N23)는 존재하지 않을 수도 있음) 상에 장착될 수도 있다. 회로 노드(N24 내지 N32)는, 엄밀히 말하면, 연결 또는 분기의 어떠한 추가적인 지점도 정의하지 않는다. 회로 노드(N24 내지 N32)는, (예를 들면, 몇몇 컴포넌트의 엔드포인트를 식별하기 위해) 이 상세한 개시에서, 또는 첨부된 청구범위에서, 또는 잠재적으로는 본 출원의 심사의 과정에서 유용할 수도 있는 소정의 회로 지점을 식별함에 있어서의 편의성을 위해 포함된다.
적응 가능한 전류 라우팅 및 적응 가능한 전압 소싱/전류 소싱을 위한 엘리먼트: 본 시스템 및 방법의 한 실시형태에서, 예시적인 A-PS(300)는, 도 3a에서 L1 및 L2로서 라벨링되는 두 개의 인덕터(355)와 함께, 도 3a에서 SW1-SW9 및 SW14-SW16로서 라벨링되는 아홉 개의 전류 흐름 스위치 및/또는 전기 접촉기(350)를 포함한다.
스위치: 전류 흐름 스위치/접촉기(350)는 수동 제어에 적절한 기계적 스위치, 및/또는 예시적인 적응 가능한 전력 스테이지(300)에서 전류 흐름의 소프트웨어 기반의 제어를 제공할 수도 있는 릴레이 또는 트랜지스터 기반의 스위치일 수도 있다. 기술 분야에서 공지되어 있는 바와 같이, "폐쇄 상태" 또는 "폐쇄 포지션"에 있는 전류 흐름(current flow; CF) 스위치(350)(수동 접촉기든, 릴레이든, 또는 트랜지스터 기반이든 간에)는 스위치를 통한 전류 흐름을 제공하고; 한편 "개방 상태"에 있는 CF 스위치/접촉기(350)는 CF 스위치(350)를 통한 어떠한 전류 흐름도 완전히 방지한다.
각자의 CF 스위치/접촉기(SW1 내지 SW9 및 SW14 내지 SW16)에 대한 다양한 각자의 개방 및 폐쇄 상태의 적절한 선택에 의해, A-PS(300)는 현장 구성 가능하다. "현장 구성 가능한"은 A-PS(300)가 동작 변경에 대해 적응 가능하고, 동시에, 운용 사용을 위해 선박 또는 다른 전기 시스템(100)에 탑재되어 설치되는 A-PEBB LRU(200.A)의 일부이다는 것을 의미한다.
MCU: 몇몇 실시형태에서, A-PS(300)는 전력 스테이지 마이크로컨트롤러 유닛(MCU‡)(327)을 포함할 수도 있는데, 이것은, 예를 들면, 적절한 메모리, 펌웨어, 및 I/O 포트를 갖는 마이크로프로세서일 수도 있다. MCU‡(327)는 A-PS(300)에 대한 다양한 제어 기능을 제공할 수도 있다. 특히, CF 스위치(350)의 일부 또는 모두가 원격으로 및/또는 자동적으로 스위치 온 또는 오프될 수 있는 경우(예를 들면, 릴레이 또는 트랜지스터 기반의 스위치 중 어느 하나), 그러면, MCU‡(327)는, A-PS(300)의 다양한 변환 모드(CM.n)(392) 사이를 변경하기 위해, 다양한 CF 스위치(350)를 개방하거나 또는 폐쇄하도록 기능할 수도 있다.
인덕터: 두 개의 인덕터(355)(L1 및 L2)는, 도 3a에서 도시되는 바와 같은 그들의 근접 스위치와 조합하여, 예시적인 A-PS(300)가 전압 제어 전력 스테이지 또는 전류 제어 전력 스테이지 중 어느 하나로서 기능하는 것을 가능하게 한다. L1이 연결되고 L2가 연결되지 않은 상태에서, 전력 리소스 연결(302.1)(입력(An 및 Bn)을 포함함)은 전압 소스 전력 변환을 제공하여, A-PS를 전압 소스 전력 스테이지로 만든다. 반대로, L2가 연결되고 L1이 연결되지 않은 상태에서, 전력 리소스 연결(302.1)(입력(An 및 Bn)을 가짐)은 전류 소스 전력 변환을 제공하여, A-PS(300)를 전류 소스 전력 스테이지로 만든다. 레거시 전력 스테이지는 전압 소스 또는 전류 소스 전력 변환 중 하나 또는 다른 하나만을 제공한다. 본 시스템 및 방법은 (어느 한 순간에) 전압 소스 또는 전류 소스 전력 변환 중 어느 하나를 위한 현장 구성 가능한 전력 제어를 제공한다.
도 2 및 예시적인 A-PEBB LRU(200.A)와 연계하여 상기에서 언급되는 바와 같이, A-PS(300)는, 양방향 DC 대 DC, DC 대 AC, 및 AC 대 AC 변환을 위한 현장 구성 가능한 서비스를 제공하기 위해, 소형의 고주파 절연 변압기(222)와 함께, 다른 전력 스테이지(210, 300)과 함께 작동한다. 더 구체적으로, 그리고 전류 흐름 스위치(350)(SW1-SW9 및 SW14-SW16)의 적절한 개방/폐쇄 설정을 통해, 예시적인 적응 가능한 전력 스테이지(300)는 다음의 변환 모드(CM)(392) 중 임의의 것에 대한 양방향 컨버터가 되도록 자체 구성될 수 있다:
(CM1) 전압 소스 변환: DC↔DC(강압)
(CM2) 전압 소스 변환: DC↔DC(승압)
(CM3) 전압 소스 변환: DC↔DC(강압 및 승압)
(CM4) 전압 소스 변환: DC↔AC
(CM5) 전압 소스 변환: AC↔AC
(CM6) 전류 소스 변환: DC↔AC/DC
도 3b는 도 3a의 예시적인 A-PS(300)와 구조적으로 동일한 예시적인 A-PS(300)의 다른 뷰를 제시한다. 설명의 목적을 위해, 도 3b는 도 3a에서 도시되는 몇몇 라벨을 생략하고, 동시에 바로 아래에서 논의되는 바와 같은 몇몇 추가적인 엘리먼트 라벨을 제공한다. 도 3b는 또한 상기의 도 2에서 처음으로 제시되는 바와 같은 예시적인 절연 전력 스테이지(isolation power stage; I-PS)(210)의 뷰를 제시한다. 다시, 설명의 목적을 위해, A-PS(300) 및 I-PS(210)의 몇몇 엘리먼트는, 기술 분야에서 이미 공지되어 있을 수도 있는 바와 같은 예시적인 A-PS(300)와 예시적인 절연 H 브리지(210) 사이의 몇몇 차이점을 강조하는 목적을 위해, 번호 매김에서 대략 유사한 참조 번호를 가지고 제공될 수도 있다. (즉, 엘리먼트(380 및 280)는 유사한 참조 번호 매김을 활용한다. 예를 들면, 전류 라우팅 접합점(routing junction)(380.S.1)은, 토폴로지적으로(topologically), 노드(280.1)에 대응하고, 다른 CR 접합점/노드(380.S.n 및 280.n)의 경우에 대해서도 유사하다).
도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 절연 전력 스테이지 H 브리지(210)는, 노드 또는 노드 쌍(280.1, 280.2, 280.3 및 280.4)과 같은, I-PS(210)의 엘리먼트 안으로, 그들 외부로, 그리고 그들 사이에서 전류를 라우팅하기 위한 280에 대한 다수의 고정 노드를 구비한다. 본 시스템 및 방법의 예시적인 재구성 가능한 H 브리지 컨버터(RH-BC)(320)는 노드 또는 노드 쌍(280.n) 대신에 전류 라우팅 접합접(current routing junction; CRJ)(380)을 활용한다.
전류 라우팅 접합점(CRJ)(380)은 다음의 것 중 어느 하나일 수도 있다: (i) 종래의 H 브리지가 단순히 연속 회로 경로를 제공하는 선택된 회로 포지션에서 개방/폐쇄 스위치에 대한 배치를 제공하는 노드(Ni, Nj)의 쌍인 스위칭을 위한 CRJ(380.S), 및 (ii) 종래의 H 브리지에서는 활용되지 않는 추가적인 회로 경로 연결 노드를 제공하는 접속을 위한 CRJ(380.A). 어느 형태(접속 CRJ(380.A) 또는 스위칭 CRJ(380.S))에서든, CRJ(380)는 H 브리지 토폴로지 및 동작의 즉석에서의 수정을 가능하게 한다. A-PS(300)는, 임의의 하나의 CRJ(380)의 노드의 쌍에 접속될 수도 있는 하나 이상의 전류 흐름 제어(CFC) 모듈(375)을 추가로 활용한다. CFC(375) 모듈은, 결과적으로, 하나 이상의 접촉기(SWn)(350), 하나 이상의 인덕터(L)(355), 및 어쩌면 다른 회로 엘리먼트 예컨대 추가적인 트랜지스터, 커패시터 또는 저항기(도면에서 도시되지 않음)를 포함할 수도 있다.
재구성 가능한 H 브리지 토폴로지: 도 2와 연계하여 상기에서 언급되는 바와 같이, 본 시스템 및 방법은 네 개의 전력 스위치(325.1, 325.2, 325.3, 325.4)를 구비한다. 네 개의 전력 스위치(325)는, 적어도 도 3a 및 도 3b로부터 명백한 바와 같이, 종래의 H 브리지(210)의 것과 실질적으로 유사한 연결 토폴로지에서 상호 커플링되고 배열된다.
예시적인 재구성 가능한 H 브리지 컨버터 모듈(320)은, 제1 하프 브리지(328.1)(도 3b에서 괄호로 묶인 엘리먼트(328.1, 328.2) 참조)를 형성하는, 직렬로 직접적으로 연결되는 스위치(325.1 및 325.2)를 구비하고; 스위치(325.3 및 325.4)도 또한 직렬로 직접적으로 연결되어, 제2 하프 브리지(328.2)를 형성하고; 두 개의 하프 브리지(328.n)는 일반적으로 병렬로 연결되고(비록, 본 시스템 및 방법의 접촉기(350)가 몇몇 모드에서 이것으로부터의 몇몇 변형예를 제공할 수도 있을지라도); 그리고 하프 브리지(328.1 및 328.2) 각각은 각자의 직렬 전력 스위치 각각 사이에서 각자의 전력 연결 노드(N22, N15)를 갖는다. 다른 연결 엘리먼트가 도 3a 및 도 3b로부터 확인될 수도 있다. 설명의 목적을 위해 그리고 첨부된 청구범위에서, 이 연결 토폴로지는 재구성 가능한 H 브리지 토폴로지로서 지칭될 수도 있다. 본 시스템 및 방법은, RH-BC 모듈(320)의 선택된 지점에서 전류 흐름의 경로 및 특성을 변경할 수 있는 스위치 및 수동 전류/전압 제어 엘리먼트를 CFC(375)에서 제공한다.
CRJ(380.S.1): 예를 들면, I-PS(210)의 고정된 전력 소스 액세스 노드(280.1) 대신, 본 시스템 및 방법은, 전류 라우팅 접합점(CRJ)(380.S.1)으로서 함께 역할을 하는 두 개의 노드(N10, N25)를 제공한다. 그 다음, CRJ(380.S.1)는, 결과적으로, 예시적인 CFC 모듈(375.1)과 같은 CFC 모듈과 연결될 수도 있다. 예시적인 CFC 모듈(375.1)은, 스위치(SW1, SW14 및 SW15)를 통해, 다음의 것 중 임의의 것을 제공하도록 구성 가능하다: (i) CRJ(380.S.1)를 통한 전류(AC 또는 DC)의 직접적인 흐름(SW15 폐쇄, SW14 개방); (ii) CRJ(380.S.1)를 통한 전류의 흐름 없음(SW1, SW14, SW15 모두 개방); (iii) 인덕터(L2)를 통한 CRJ(380.S.1)을 통한 전류의 흐름(SW14 폐쇄, SW15 개방); 또는 (iv) (SW1의 폐쇄를 통한) 노드(N10 및 N25)의 단락(직류 경로를 제공함).
CRJ(380.S.2): 다른 예를 들면, I-PS(210)의 고정된 전력 소스 액세스 노드(280.2) 대신, 본 시스템 및 방법은, 전류 라우팅 접합점(CRJ)(380.S.2)으로서 함께 역할을 하는 두 개의 노드(N12, N26)를 제공한다. CRJ(380.S.2)는 폐쇄 상태에서 노드(N12 및 N26)를 단락시키는 단일의 스위치(SW2)를 구비한다.
CRJ(380.A.1), CRJ(380.A.2): 다른 예를 들면, I-PS(210)의 쌍을 이루는 회로 노드(280.3, 280.4)(이들은 토폴로지적으로 A-PS(300)의 CRJ 연결(380.A.1, 380.A.2)과 유사한 것으로 간주될 수도 있음)는 고정된 전류 라우팅만을 제공한다. 대조적으로, RH-BC(320)의 CRJ 연결(380.A.1, 380.A.2)은 예시적인 CFC 모듈(375.3)에 대한 다수의 연결을 제공한다. CFC 모듈(375.3)은, 결과적으로, 인덕터(L1), 및 여섯 개의 접촉기(350)(SW3, SW4, SW5, SW16, SW8, SW9)를 가지는데, 이들은 A-PS(300) 내에서 다양한 전류 라우팅을 달성하기 위해; 추가로, 그에 의해 A-PS(300)에 대한 여러 가지 상이한 동작 변환 모드(CM)(392)를 달성하기 위해, 개방/폐쇄 설정(395)의 다양한 조합으로 설정될 수 있다. 예시적인 동작 모드(392) 및 접촉기 설정(395)이 도 3c와 연계하여 하기에서 추가로 논의된다.
A-PS(300)의 많은 엘리먼트는 단지 예시일 뿐이다는 것을 알 수 있을 것이다. 이들은 전류 라우팅 접합점(CRJ)(380)의 개수 및 위치; 및 CFC 모듈(375)의 내부 엘리먼트 및 구성을 를 포함한다. 대안적인 실시형태에서, A-PS(300)는 더 많은, 더 적은, 또는 대안적인 CRJ(380)를 활용할 수도 있고; 유사하게 상이한 내부 컴포넌트 또는 컴포넌트의 배열과 함께 더 많은, 더 적은, 또는 상이한 CFC 모듈(375)을 활용할 수도 있다. 관련 기술 분야에서 숙련된 자는, 그러한 대안적인 실시형태가 상기에서 그리고 또한 도 3c와 연계하여 또한 하기에서 논의되는 동작 모드에서 변형예를 수반할 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
도 3c는, 접촉기(350)에 대한 적절한 개방/폐쇄 설정(395) 및 적절한 입력/출력 극성 설정(397)과 함께, 예시적인 A-PS(300)에 대한 상기에서 정의된 변환 모드(CM)(392)를 나열하는 테이블 Λ(390)를 제시한다.
강압 및 승압 구성(CM3)은, 정격 H 브리지 용량의 절반과 함께, 풀 브리지의 절반만을 활용하지만, 그러나 임의의 주어진 시간에 강압 또는 승압 기능성 중 어느 하나를 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다. 테이블 Λ(390)에서 추가로 나타내어지는 바와 같이:
(I) CM4 및 CM5의 경우, SW14에 대한 디폴트 및 바람직한 설정은 개방이다. 그러나, SW14는 개방 또는 폐쇄 포지션(비전도성 또는 전도성) 중 어느 하나에 있을 수 있다. 동작에서, 그리고 몇몇 실시형태에서, SW14는, 심지어 다른 스위치가 모드(CM4 또는 CM5)로 변경되도록 재설정될 수도 있는 경우에도, 자신의 이전 포지션(개방 또는 폐쇄)에 남아 있을 수도 있다.
(II) CM5가 A-HPEBB LRU(200)에서 동작하기 위해서는, 적응 가능한 PEBB(A-PEBBS)(300.1, 300.2 둘 모두(즉, 두 개의 단자 A-PEBBS, 도 2 참조) 각각이 모드(CM5)로 설정되어야만 한다. 그 다음, 적용 가능한 입력 및 출력 연결은 전체 A-PEBB LRU - 즉, 연결(X0, Y0 및 X5, Y5) - 에 대한 것이다(도 2 다시 참조).
일반적인 및 특정한 동작: 회로 엘리먼트의 주어진 세트에 대해, 전기 회로의 기능 및 출력이 그들 컴포넌트의 라우팅 및 연결에서의 변형예에 따라 변할 것이라는 것이 관련 기술 분야에서 숙련된 자에게 명백할 것이다. 본 시스템 및 방법은, 브리지 컨버터 전력 스테이지(한 실시형태에서, H 브리지)를 취하고, 인덕터와 같은 새로운 컴포넌트의 추가를 통해; 및/또는 몇몇 회로 경로를 재라우팅하는 것에 의해, 그들을 수정한다.
예시적인 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)에 대해, 그리고 상기에서 논의되는 바와 같이, 도 3c의 테이블 Λ(390)는, 다양한 전기 접촉기(350)가 다양한 조합으로 개방 또는 폐쇄 포지션으로 설정될 때 결과적으로 나타나는 전력 변환 모드를 제시한다. 몇몇 동작 모드(CMn)에서, 모드(392)는, 개방/폐쇄 스위치(CMn)에 대한 설정(350)에 의해, 뿐만 아니라 단자 노드(302.1, 302.2)((An, Bn) 및 (Xn, Yn)) 각각에서의 전력 입력 또는 전력 출력(397)의 선택에 의해 결정될 수도 있다는 것을 테이블 Λ(390)로부터 알 수 있을 것이다. 즉, 동작의 몇몇 모드(392) - 예를 들면, 예시적인 모드(CM1 및 CM2) - 에 대해, 스위치(350)의 동일한 설정은, DC 입력 전압이 노드(302.1)(An, Bn)에 인가되는지 또는 노드(302.2)(Xn, Yn)에 인가되는지의 여부에 따라, 상이한 동작 모드(각각, 강압 또는 승압)로 귀결된다.
도 3a의 예시적인 A-PS(300)에 대해, 도 4a, 도 4b, 도 4c, 및 도 4d는 상이한 변환 모드(CM)(392)의 다양한 스위치 설정(395)에 대한 결과적으로 나타나는 유효 회로 구성을 예시한다.
몇몇 도면은 유효 회로에 대해, 단지 하나가 아니라, 대신, 두 개의 숫자(예를 들면, 도 4a의 경우 300.1, 300.2)를 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다. 인덱스 번호 "n"("300.n")은 각각의 사례에서의 대응하는 변환 모드를 가리킨다. 따라서 도 4a의 경우, 스위치 설정(395)의 하나의 세트는, 입력/출력 단자(302)(테이블 Λ의 열(397))의 선택에 따라, 모드 CM1 또는 CM2 중 어느 하나로 귀결될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d에서, 실선의 회로 라인(410)("───")은 예시된 스위치 설정으로부터 유래하는 실제 전류 전도성 경로를 나타낸다. 동일한 도면에서, 점선의 회로 라인("---------")(420)은 비전도성 경로, 즉, A-PS(300) 상에서 존재하는 그러나 하나 이상의 개방 스위치에 기인하여 어떠한 전류도 도통시키고 있지 않은 회로 경로를 나타낸다. (인덕터(355)(L1 및/또는 L2)의 경우, 병렬로 배열되는 스위치가 폐쇄되는 경우 인덕터(355)는 비전도성일 수도 있다는 것을 유의한다; 예를 들면, 스위치(SW4)가 폐쇄되는 경우, 이것은 인덕터(L1) 주변의 전류를 효과적으로 분로할 수도 있다.) 그 다음, 도면에서, 점선의(전류를 전달하지 않는) 회로 라인(420)은, 그들이, 예시되는 변환 모드에 대해 무효로(비전도성으로) 되는 예시적인 A-PS(300)의 회로 경로를 예시하기 때문에, 설명 및 학습의 목적을 위해서만 도시된다.
상기에서 언급되는 바와 같이, DC 대 DC 강압 및 승압 구성(CM3, 도 4b)은 (정격 H 브리지 용량의 절반과 함께) 풀 브리지의 절반만을 활용하며, 그것은 임의의 주어진 시간에 강압 또는 승압 기능성 중 단지 하나만을 제공한다. 토폴로지 또는 기능성 재구성/적응은 소프트웨어 재구성을 통해 달성될 수 있고, 스위치(SW1-SW9 또는 SW14-W16) 포지션 중 임의의 것에 대한 하드웨어 변경을 필요로 하지 않는다(즉, 물리적 포지션 변경을 필요로 하지 않음).
다양한 변환 모드(AC/DC↔AC/DC, 강압 또는 승압, 전압 소스 또는 전류 소스)에 대한 이들 유효 회로(300.1, ..., 300.6) 각각의 동작은, 예시되는 회로 엘리먼트 및 배선 연결에 기초하여, 일반적으로 관련 기술 분야에서 숙련된 자에게 명백할 것이다.
AC↔AC 변환 모드: AC↔AC 변환(변환 모드(CM5), A-PS(300.5))의 경우, 두 개의 A-PS(300.5)가 필요로 될 것이고 공통 DC 링크를 사용하여 (AC↔DC↔AC)로서 백투백으로 종속 접속될 것이다는 것을 도 4c와 관련하여 알 수 있을 것이다. 도 4d와 관련하여 유사하게, 공통 DC 링크를 사용하여 (AC↔DC↔AC)로서 백투백으로 종속 접속되는 두 개의 A-PS(300.6)를 사용하는 것에 의해 AC↔AC 변환 모드가 확립될 수 있다.
인덕터의 역할: 인덕터(L2)의 존재 및 인덕터(L1)의 효과적인 제거(단락)는 전류 소스 변환을 지원한다; L2의 효과적인 제거(즉, L2의 단락 또는 L2 상에서의 전류 차단)는 (L1이 회로의 유효 부분인지의 여부에 관계없이) 전압 소스 변환을 지원한다; 그리고 L1의 효과적인 존재는 회로를 DC 대 DC 변환으로만 제한한다.
전력 트랜지스터 게이트 스위칭: 접촉기(350)(SW1, ..., SW9, SW14 ... SW16)의 개방/폐쇄 상태를 변경하는 것에 더하여, 상이한 동작 변환 모드(CM.n)(392)는 네 개의 고전류 스위칭 엘리먼트(HC-PS)(325)의 게이트(G)에 대한 온/오프 스위칭 패턴(또는 스위칭 타이밍)에서 변형예를 또한 수반할 수도 있다는 것을 관련 기술 분야에서 숙련된 자는 인식할 것이다. 스위칭 패턴은 A-PS(300)의 프로그래머블 마이크로컨트롤러(327)에 의해, 또는 A-PEBB LRU(200.A)의 마이크로컨트롤러(227)에 의해 제어될 수도 있다.
전압 소스 변환 대 전류 소스 변환 모드
예시적인 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)에 대해, 그리고 상기의 도면 및 논의로부터 명백해질 바와 같이, 모드(CM1 내지 CM5)는 모두 전압 소스 변환(VSC) 모드인데, 여기에서 인덕터(L2)는 활성화되지 않고(관통하여 전류가 흐르지 않음), An/Bn은 전압 소스로서 활용된다. 모드(CM6)는 An 및 Bn에서 전류 소스를 사용하여 전류 소스 변환을 제공한다; An/Bn에 진입하는 전류는 인덕터(L2)를 통해 진행하고(SW14 및 SW1은 폐쇄되고, SW15는 개방됨), 한편 인덕터(L1)는 활성화되지 않는다(SW3 및 SW16은 개방되고, SW4 및 SW6, SW5 및 SW7은 폐쇄됨).
레거시 전력 스테이지 기술은 VSC 또는 CSC 중 하나를 제공한다. 본 시스템 및 방법은, 구성 가능하게, VSC 및 CSC 동작 둘 모두를 (비록 한 번에 하나이지만) 지원하는 적응 가능한 전력 스테이지(300)를 제공한다.
부상하고 있는 오늘날의 기술에서, CSC 모드는 훨씬 더 중요해지고 있다(영구 자석 모터 애플리케이션의 경우). 영구 자석 모터 애플리케이션의 경우, 영구 자석 모터가 부하로서 Xn/Yn에 연결되는 경우, 모터는 셧다운 이후 전류를 생성하는데, 이것은 A-PS(300)에 소망되지 않는 피드백을 도입한다. 그러나, CSC 동작(모드(CM6))과 함께 영구 자석 모터가 부하로서 Xn/Yn에 연결된 상태에서, 인덕터(L2)는 전류 제한 안전 디바이스로서 기능한다.
예시적인 전력 컨버터
가장 단순한 사례 시나리오에서, 상대적으로 적당한 전기 시스템(100)은 단일의 전력 컨버터(500.A)만을 가질 수도 있고, 단일의 전력 컨버터(500.A)는, 결과적으로, 그 자체가 단일의 A-PEBB LRU(200.A)일 수도 있다. 예를 들면, "하위 단부(lower end)" 대규모 전기 시스템(100)(이것은 아마도 "중간 규모 전기 시스템"으로 지칭될 수도 있음)은, 1000 볼트 및 125 kW에서 정격될 수도 있는 단일의 A-PEBB LRU(200)를 갖는 하나의 전력 컨버터(500)를 활용할 수도 있다.
더 높은 전압 및 더 높은 전력 애플리케이션을 위해, 하나, 둘 또는 그 이상의 전력 컨버터(100)가 활용될 수도 있고; 또한, 각각의 전력 컨버터(100)는 두 개 이상의 A-PEBB LRU(200.A)를 가질 수도 있다. 그러면, 단일의 전력 컨버터(100) 내의 각각의 A-PEBB LRU(200.A)는, (병렬로 및/또는 직렬로)네트워크화될/적층될 수 있는 모듈식 빌딩 블록이고; 결합된 A-PEBB LRU(200.A)는, 더 높은 전압 및 전력 요건을 충족하기 위해, 다수의 PEBB LRU(200.A)(200.nc)를 갖는 더 큰 컨버터를 형성하도록 (어쩌면 하나 이상의 구성 가능하지 않은 PEBB LRU(200.nc)와 조합하여) 함께 확장된다. 설명의 간결성 및 간략화를 위해, 이 문서의 대부분은 A-PEBB LRU(200.A)만을 다룬다. 두 개 이상의 A-PEBB LRU(200.A)의 자체 구성 가능성/적응성으로 인해, 전체적으로 볼 때, 확장된 A-PEBB 컨버터(100.A)는 도 3c의 상기의 예시적인 테이블 Λ(390)에서 나열되는 전력 변환 모드 중 임의의 것에 있을 수도 있다.
상기에서 이미 논의된 도 1은 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 A-PEBB 컨버터(500)를 개략적인 형태로 예시한다. 도 5는, 본 시스템 및 방법에 따른, 다른 예시적인 A-PEBB 컨버터(500)를 더욱 상세하게 제시한다. 도 5의 예시적인 A-PEBB 컨버터(500)는, 예를 들면, 메가와트 규모의 저전압(low voltage; LV) DC(최대 1000 VDC) 내지 중간 전압(medium voltage; MV) AC(예를 들면, 4160 VAC) A-PEBB 전력 컨버터(500)일 수도 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, A-PEBB 전력 컨버터(500.A)는 세 개의 상이한 전력 리소스(110)에 대한 세 개의 전력 리소스 연결(505)을 가질 수도 있는데, 이들은 리소스 스위치(RS)를 통해 스위칭 가능하게 연결되거나 또는 연결 해제될 수 있다.
도 5는 MVAC(4160 Vac) 1차(primary) 분배 버스(110.P)와 2차(secondary) LVDC(예를 들면, 최대 1000 Vdc) 에너지 스토리지 또는 태양 PV 분배 버스(110.S)와 연결되는 A-PEBB 컨버터의 한 예이다. 조절된 LVDC 버스/포트(110.L)에 부하가 또한 연결될 수 있다. 예시적인 A-PEBB 컨버터(500.A)는 AC 대 DC 및 DC 대 AC 변환 모드에서 동작하고 있다.
도 5의 예시적인 A-PEBB 전력 컨버터(500.A)는 다수의 A-PEBB LRU(200.A.n)를 단일의 전력 컨버터로 통합한다. A-PEBB 전력 컨버터(500.A)는 3상 전력(A, B, C)에 대해 추가로 구성된다.
현장 사용시 어떤 콘택 스위치 설정(395) 및 어떤 전력 변환 모드(들)(CM.n)(392)가 A-PEBB 컨버터(500)에 의해 활용되는지의 선택은, 예를 들면 그리고 제한 없이 다음의 것을 포함하는 다양한 상황적/컨텍스트에 맞는 인자에 실제로 의존할 것이다: 동작 조건; 이용 가능한 전력/에너지 소스; 예상된 평균 및/또는 최대 부하; 시스템 건전성(이것은 도면에서 도시되지 않는 전력 시스템 센서에 의해 결정될 수도 있음); 및 환경 조건(이것은 이 문서의 범위를 넘어서는 환경 센서에 의해 결정될 수도 있음).
A-PEBB 전력 컨버터(500)의 다양한 예시적인 실시형태에서, 그리고 더 높은 전압 및 더 높은 전력 애플리케이션의 경우, 각각의 A-PEBB LRU(200.A)는, 다수의 A-PEBB LRU(200)를 갖는 더 큰 컨버터(500)로 확장하기 위해, 병렬로 및/또는 직렬로 네트워크화될/적층될 수 있는 모듈식 빌딩 블록으로서 기능한다.
3상 전력: 세 개의 전기적으로 커플링된 백플레인(505.A, 505.B, 및 505.C)이, 개략적인 형태로, 도 5에서 도시되는데, A-PEBB 컨버터 위상 A에 대한 제1 백플레인(505.A)은 전경에서 도시된다. 대안적인 실시형태에서, 모두 세 개의 백플레인(505.Z)은 단일의 물리적 백플레인에 구조적으로 통합될 수도 있다. 예시적인 A-PEBB 컨버터(500.A)의 경우, 각각의 백플레인(505.Z)은 자신의 네 개의 별개의 A-PEBB LRU(200.A.1, ..., 200.A.4) 상에서 장착되었다. 세 개의 백플레인 각각은 세 개의 위상 컨버터(203.A, 203.B, 203.C)(또는 간략히 "203.P")로서 기능하는데, 그 각각은 전력 시스템(100)의 단상(A, B 또는 C)에 대한 전력 컨버터(203)이다. 각각의 위상(A, B, C) 내의 네 개의 A-PEBB LRU(200.A)는 AFE 전력 스테이지의 양쪽 상에서 병렬로 연결되어(530.1, 530.2), 이중(조절되지 않은 및 조절된) DC 버스/링크를 가능하게 한다. 네 개의 LRU(200.A.n)는 A-PEBB LRU(200.A)의 AC 포트/측 상에서 직렬로 연결된다(537). 3상(A, B, 및 C)의 (AFE 전력 스테이지의 양쪽 상의) 조절되지 않은 및 조절된 LVDC 둘 모두는 병렬로 연결된다(502). 3상의 MVAC 측 상의 중성선(neutral)(504)은 함께 결합된다.
시스템 제어 및 모드 스위칭: 다양한 예시적인 실시형태에서, 본 시스템 및 방법은, 스위치, 커패시터, 냉각 시스템, 및 실시간 제어를 필요로 하는 다른 인자의 조절을 위한 제어 시스템 또는 마이크로컨트롤러(MCU")(527)의 통합의 사용을 수반할 수도 있다. 그러한 제어 시스템(527)은, 마이크로프로세서, 디지털 입력/출력 엘리먼트, 메모리(예컨대, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 다양한 형태의 불휘발성 메모리), 디스플레이 시스템, 오디오 입력 및/또는 오디오 시그널링 시스템, 및/또는 기술 분야에서 공지되어 있는 또는 개발될 아날로그 제어 엘리먼트의 사용을 수반할 수도 있다. 그러한 제어 시스템(527)은 시스템 동작의 다양한 양태를 제어하기 위해, 메모리에 저장되는 적절한 코딩된 소프트웨어를 활용할 수도 있다.
몇몇 실시형태에서, MCU"(527)는 A-PEBB LRU(200.A)의 마이크로컨트롤러(MCU)(227)를 조절, 모니터링, 및/또는 제어할 수도 있고; 및/또는 A-PEBB LRU(200.A) 내의 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)의 MCU‡(327)를 조절, 모니터링, 및/또는 제어할 수도 있다. 적절한 시그널링 및/또는 제어 메커니즘을 통해, A-PEBB 전력 컨버터(500)는 현장 동작 동안 전력 변환 모드를 동적으로 및/또는 자동적으로 변경할 수도 있다.
태양 PV 전력 소스가 이용 가능할 때 그리고 태양 PV 전력 소스가 이용 가능한 경우, 다수의 A-PEBB LRU(200.A) 및 마이크로컨트롤러(527)를 갖는 예시적인 A-PEBB 컨버터(500)는, 따라서, 배터리 시스템(110.B)을 충전하기 위해 DC 대 DC 모드에서 동작하도록, 또는 부하를 지원하기 위해 또는 그리드(1차 버스(110.1))와 인터페이싱하기 위해 DC 대 DC 또는 DC 대 AC 모드에서 동작하도록 자체 재구성될 수 있다.
본 시스템 및 방법의 다양한 실시형태에서, 그리고 전체에 걸친 적절한 스위치 설정과 함께 A-PEBB LRU(200.A)의 다양한 선택을 통해, 부하는 또한 추진기(propulsor)(예를 들면, 림 구동 모터(rim driven motor)/추력기(thruster) 또는 폰툰(pontoon) 통합/구동 프로펠러)일 수/수도 있는데, 이 경우, 필요로 되는 전력은 메가와트 규모일 수도 있다. A-PEBB 컨버터(500)의 모듈성에 기인하여, 다음의 것을 하기 위해, 다수의 A-PEBB LRU(200.A)는 통합될 수 있고 추진기/프로펠러의 림 주위에서, 또는 폰툰 내부에서 분배 및 통합될 수 있다: (i) 공간을 절약하면서 추진 전력 요건을 충족하는 것, (ii) 서비스 및 유지 보수(예를 들면, A-PEBB LRU를 교체하는 것)를 단순화하는 것, 및 (iii) A-PEBB 컨버터(500)에 대한 (해양, 바다, 또는 강으로부터의 수랭을 통해) 편리하고 효과적인 냉각 열 관리를 제공하는 것/가능하게 하는 것.
중복성 및 자가 치유: 예시적인 A-PEBB 컨버터(500)은 본질적으로 내재하는 중복성을 갖는다. 임무 동안, 컨버터(500)를 계속 작동시키기 위해, 또는 등가적인 또는 감소된/디레이팅된(de-rated) 용량을 가지고 컨버터 기반의 전력 분배 동작을 유지하기 위해, 임의의 고장난/오작동하는 A-PEBB LRU(200.A)는 우회될 수 있다. 게다가, 임무 동안 소스 및 부하의 건전성 상태 및 이용 가능성에 따라, A-PEBB 컨버터(500)는, 나머지 이용 가능한 자산의 동작을 최적화/극대화하기 위해, 재구성될 수 있거나 또는 용도 변경될 수 있다. 이러한 "자가 치유" 적응성은, 전력 시스템(100)이 충돌 임무 또는 적대적인 환경(이 경우 몇몇 소스 및 부하는 손상될 수도 있거나 또는 이용 가능하지 않게 될 수도 있음)에서 활용될 때, 현장 생존 가능성을 갖는 전력 분배를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 자체 재구성 가능성은 정상 작동 조건에서 NOMARS(또는 다른 이동식 시스템) 온보드 자산을 완전히 활용하는 데 또한 유용하다. 예를 들면, 햇빛이 쬐는 날 동안, A-PEBB 컨버터(500)는, 부하를 지원하기 위해 또는 그 날 동안 전기 시스템(100)을 충전하기 위해, 태양 PV 에너지(존재하는 경우)를 변환하도록 구성될 수 있다. 그 다음, A-PEBB 컨버터(500)는 밤에 부하를 지원하기 위해 다른 이용 가능한 소스(발전기 또는 배터리)와 인터페이싱하도록 재구성될 수 있거나 또는 용도 변경될 수 있다.
상기에서, 본 시스템의 예시적인 실시형태는 다양한 전력, 전류, 및/또는 전압 정격(rating)의 예시적인 컴포넌트와 함께 제시되었다. 다른 전력/전류/전압 정격은 첨부된 청구범위의 범위 내에서 활용될 수도 있다.
전력 품질 요건 및 필터
상기에서 설명되는 바와 같이, 본 시스템 및 방법의 예시적인 실시형태에서, 적응 가능한 PEBB 전력 컨버터(500.A)는, 어쩌면, 특정한 전압 및 전력 요건을 충족하도록 컨버터(500)를 구축하기 위해 직렬로 및/또는 병렬로 네트워크화되는 또는 연결되는 다수의 구성 가능하지 않은 PEBB LRU(200.nc)와 함께, 다수의 A-PEBB LRU(200.A)를 가질 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 다수의 LRU(200)는 인터리빙될 것이다. 그러면, A-PEBB 전력 컨버터(500.A) 전체에 대한 등가적 스위칭 주파수는, 임의의 개개의 LRU의 스위칭 주파수(예를 들면, 10 kHz)보다 수 배 더 빠를 것이다.
풀 스케일 컨버터(500)의 높은 등가적 스위칭 주파수에 기인하여, 전압 및 전류 신호의 리플은 작을 것으로 예상된다. 결과적으로, 추가적인 주파수 필터가 통상적으로 필요로 되지 않을 것이다.
그러나, 초고전력 품질의 요건을 가질 수도 있는 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 전압 및/또는 전류 리플을 다루기하기 위한 추가적인 리플 필터(들)(600)가 시스템(100)에 추가될 수도 있다. 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 적응 가능한 리플 필터(adaptable ripple filter; ARF)(600)가 (LRU 레벨에서가 아니라) 컨버터(500) 레벨에서 추가될 수도 있다. 도 6은, 직렬로 연결되는 인덕터(L3)(655), 커패시터(C1)(657), 및 저항기(R1)(659)를 포함하는, 본 시스템 및 방법에 따른 예시적인 재구성 가능한 또는 적응 가능한 RLC 필터(600)를 개략적인 형태로 예시한다. 예시적인 ARF(600)는, 필터(600)를 구성하기 위해 사용될 수도 있는 다수의 전류 라우팅 스위치(SW17, SW18, SW19)를 또한 포함한다. 테이블 β(베타)(680)는 적응 가능한 전력 컨버터(500)의 상이한 전력 변환 모드에 대한 전압 또는 전류 필터의 대응하는 스위치 포지션을 나타낸다.
3상 전력을 갖는 적응 가능한 PEBB 전력 컨버터(500)를 활용하는 본 시스템 및 방법의 몇몇 예시적인 실시형태에서, 각각의 전력 위상(A, B, C)은, 도 6에서 개략적으로 예시되는 바와 같이, 그 자신의 각자의 독립적으로 연결된 필터(600.a, 600.b, 및 600.c))를 가질 수도 있다.
방법
도 1 내지 도 7과 연계한 이 문서의 상기의 예시적인 실시형태 논의에서, 전력 컨버터(500), 및 전기적 요건을 변경하는 것에 응답하여 현장 적응 가능한 전력 변환을 제공하는 전력 컨버터(500)의 엘리먼트(예컨대, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(200.A) 및 적응 가능한 전력 스테이지(300))에 대한 시스템이 제공된다. 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 필드 적응은 상기에서 논의되는 마이크로컨트롤러 유닛(227, 327, 527) 중 임의의 것 상에서 실행되는 소프트웨어 및 소프트웨어 모듈을 통해 자동적으로 이루어질 수도 있다.
소프트웨어의 특정한 기능성 및 제어 기능이 MCU(227, 327, 527)의 하나의 또는 다수의 프로세서를 통해 구현될 수도 있고, 또한, 본 전력 전자 시스템(100)을 활용하는 운송 차량과 관련될 수도 있는 다른 디지털 또는 아날로그 프로세싱 유닛(도면에서 예시되지 않음)을 통해 부분적으로 구현될 수도 있다는 것을 관련 기술 분야에서 숙련된 자는 인식할 것이다. 따라서, 본원에서 개시되는 방법은 단일의 MCU(227, 327, 527)를 통해, 또는 다수의 네트워크화된 MCU(227, 327, 527) 사이에 분배되는 소프트웨어를 통해 구현될 수도 있다. 예를 들면, 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 몇몇 환경 감지 기능 및 결정, 임무 평가, 및 전기 시스템 상태 평가(전력 리소스(110)의 평가를 포함함)는, (적절한 메모리 및 센서와 함께) 적응 가능한 전력 컨버터(500)의 일부가 아닌 센서 및/또는 프로세싱 유닛에 의해 수행될 수도 있다; 이들 기능은, 더 큰 이동식의 적응 가능한 전기 시스템(100)의 엘리먼트로 통합되는 프로세서, 메모리, 및 센서에 의해, 대신, 수행될 수도 있다. 그러한 프로세서 및 센서는 다양한 전력 리소스(소스 및 부하)(110)과 관련되는 센서/프로세서를 포함할 수도 있다.
도 7은 본 시스템 및 방법에 따른 전력 컨버터(100)에 대한 자동화된 조절 및 적응성을 위한 예시적인 방법(700)의 플로우차트를 나타낸다.
방법(700)은 단계(710)로 시작한다. 단계(710)에서, 방법은 현재의 및/또는 미래의 임무 요건, 전력 수요, 운용/상황 환경(들), 및 전기 시스템 상태/건전성을 식별하였다. 임무 요건 평가는, 다양한 위치, 시간, 및 감지된 임무 컨텍스트와 관련되는 사전 정의되고 저장된 임무 정의에 적어도 부분적으로 기초할 수도 있다. 이어서, 전력 수요는, 다양한 각자의 임무 요건(M1, ..., Mn)을 각자의 관련된 전기 시스템 전력 부하(PL1, ..., PLn)과 관련시키는 사전 정의된 데이터베이스 및/또는 알고리즘을 통해 결정될 수도 있다. 이어서, 임무 요건(M1, ..., Mn)은 감지된 운용/상황 환경(operational/situational environment; OSE)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 결정될 수도 있다.
방법(700)은, 현재의 및/또는 미래의 전기 시스템 전력 소스(들) 및/또는 전력 부하(들)를 식별하는 단계(720)로 계속된다. 전력 소스(110.1)를 결정하기 위한 알고리즘은 환경 인자 및/또는 시스템 건전성 상태를 식별하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 하루 중 시간 및 기상 조건의 결정은, 태양 전력의 이용 가능성 또는 이용 가능성의 결여를 나타낼 수도 있다. 다른 전력 소스 결정 인자는, 발전기(110.1)에 대한 이용 가능한 연료의 평가, 발전기 시스템 건전성, 이용 가능한 배터리 충전, 및 유사한 고려 사항을 포함할 수도 있다. 그 다음, 방법(700)은 또한, 어쩌면 예상되는 임무 지속 기간을 고려하여, 총 이용 가능한 전력의 평가에 따라 다양한 잠재적 부하의 우선 순위를 지정할 수도 있다.
단계(730)에서 상기의 결정 - 이용 가능한 전력 소스(110.1) 및 예상되는 임무 고유의 부하(110.2) - 에 기초하여, 방법은, 하나 이상의 적응 가능한 전력 컨버터(500)에 대한, 그리고 그들의 내부 A-PEBB LRU(들)(200.A)에 대한 적절한 전력 변환 요건을 결정한다.
예를 들면, (제1 시점에서의) 제1 임무는, 낮은 출력 전압을 갖는 AC 대 DC 전력 변환에 대한 단독의 또는 1차 요건을 가지고, 다수의 DC 부하를 지원하기 위해 발전기로부터의 AC 전력을 활용할 수도 있다. 나중의 시점에서, 상이한 임무는, 다수의 AC 및 DC 부하를 지원해야만 하는 (예를 들면, 배터리 또는 태양 전력으로부터의) 이용 가능한 DC 전력만을 가질 수도 있고, 따라서, 전압 또는 전류 요건을 갖는 시스템 전체의 DC 대 AC 전력 변환을 필요로 한다. 그러한 평가에 기초하여, 단계(730)는, 전력 컨버터(들)(500) 및 그들의 내부 A-PEBB LRU(들)(200.A)에 대한 컨텍스트에 맞는 미션 고유의 변환 요건을 식별한다.
방법은 단계(740)에서 계속된다. 단계(740)에서, 그리고 A-PEBB LRU(들)(APEBBLRU.1, ..., APEBBLRU.(x-1), APEBBLRU.x)에 대한 요구되는 각자의 전력 변환 모드(RPCM1, ..., RPCMx)에 기초하여, 방법은 특정한 전력 스테이지(A-PS.1.1, A-PS.1.2, ... , A-PS.(x-1).1, ..., A-PS.(x-1).2, A-PS.x.1, ..., A-PS.x.2)의 수많은 접촉기(350)에 대한 적절한 내부 개방/폐쇄 상태를 결정한다. 접촉기(350)에 대한 이들 필수 상태는, 예를 들면, 테이블 Λ(390) 및/또는 테이블 β(680)의 저장된 버전에 기초할 수도 있다.
단계(750)에서, 그리고 단계(740)의 결정에 기초하여, 방법은 전력 시스템 전체에 걸쳐 접촉기(350)의 적절한 개방/폐쇄 상태를 설정한다. 단계(750)에서, 본 시스템 및 방법은 또한, 전기 시스템(100)을 통해 적절한 전력 제어 커맨드를 다양한 전력 리소스(110)로 동시에 전송할 수도 있다.
VI. 추가적인 실시형태
변압기: 몇몇 실시형태에서, 전력 변압기(222)에서도 변형예가 역시 활용될 수도 있다. 예를 들면, 1:1의 권선 비율을 활용하는 것보다는, 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태는 1:2, 1:3 또는 2:3과 같은 다른 권선 비율을 활용할 수도 있다. 대안적인 실시형태에서, 본 시스템 및 방법의 A-PEBB LRU는 두 개 이상의 별개의 변압기를 가지고 제공될 수도 있고, 전류를 라우팅하기 위한 특정한 변압기의 필드 선택을 위해 추가로 제공될 수도 있다. 필드 선택은, 도면에서 도시되지 않는, 기계식, 릴레이 기반, 또는 트랜지스터/IC 기반 중 어느 하나인 추가적인 스위치를 통할 수도 있다. 후자의 실시형태는 상이한 권선 비율을 갖는, 또는 두 개 이상 중에서 변압기의 필드 선택을 허용할 수도 있다.
적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300): 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, A-PS(300)는, 전류 흐름 스위치(350)로서 기계적 콘택(릴레이)를 활용하는, 별개의 엘리먼트인 별개의 엘리먼트(전류 흐름 스위치(350), 전력 스위치(325), 인덕터(355))로부터 구축될 수 있다. 모든 이들 별개의 엘리먼트는 통합 유닛으로서 단일의 모듈 상에서 A-PS(300) 시스템에 구축될 수도 있다. 전력 스위치(325)의 전력 트랜지스터(330)는 IGBT 트랜지스터, MOSFET 트랜지스터, 또는 다른 타입의 솔리드 스테이트 전력 트랜지스터일 수도 있다.
대안적인 실시형태에서, CF 접촉기(350)는 바이폴라 접합 트랜지스터(bi-polar junction transistor; BJT) 또는 MOSFET와 같은 솔리드 스테이트(반도체) 엘리먼트일 수도 있다. 몇몇 그러한 실시형태에서, 예시적인 A-PS는 집적 회로(integrated circuit; IC)로서 구현될 수도 있다.
상기에서, 본 시스템의 예시적인 실시형태는, 다양한 전력, 전류, 및/또는 전압 정격, 예를 들면, 1.7 kV 스위치 및 10 kV 스위치의 예시적인 컴포넌트와 함께 제시되었다. 다른 전력/전류/전압 정격은 첨부된 청구범위의 범위 내에서 활용될 수도 있다.
전력 스테이지 및 A-PEBB LRU: 이 문서의 상기에서 제시되는 예시적인 실시형태에서, 예시적인 A-PEBB LRU(200.A)는 두 개의 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)를 포함하는데, 그 각각은 내부 설계가 실질적으로 유사할 수도 있다. 본 시스템 및 방법의 대안적인 실시형태에서, A-PEBB LRU(200.A)는 단지 하나의, 단지 두 개의, 또는 세 개 또는 그 이상의 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)를 포함할 수도 있다는 것을 관련 기술 분야에서 숙련된 자는 인식할 것이다. 유사하게, 본 시스템 및 방법의 대안적인 실시형태에서, A-PEBB LRU(200.A)는 한 개, 두 개, 또는 세 개 이상의 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300)를 포함할 수도 있으며, 그 중 일부 또는 그 각각은, 몇몇 양태에서, 이 문서의 상기에서 논의되는 예시적인 A-PS(300)와는 상이할 수도 있다.
몇몇 실시형태에서, A-PS(300)는, 어쩌면 상이한 스위칭 토폴로지, 및 더 많은 또는 더 적은 인덕터(355)와 함께, 상기에서 설명되는 예시적인 다수의 스위치 접촉기보다 더 많은 또는 더 적은 CF 접촉기(350)를 가질 수도 있다. 유사하게, 몇몇 실시형태에서, A-PS(300)는 테이블 Λ(390)와 연계하여 상기에서 열거되는 것들보다 더 많은, 더 적은, 또는 상이한 전력 변환 모드(392)를 가질 수도 있고; 또한, 그러한 전력 변환 모드는 상기의 테이블 Λ(390)에서 열거되는 것들 이외의 접촉기 설정(395)을 통해 달성될 수도 있다.
VII. 적응과 수정, 및 결론
본 개시에 의해 여전히 포괄되는 대안적 실시형태, 예, 및 수정예는, 특히 전술한 교시에 비추어, 기술 분야의 숙련된 자에 의해 이루어질 수도 있다. 게다가, 본 개시를 설명하기 위해 사용되는 용어는, 본질적으로, 제한의 단어가 아니라, 설명의 단어가 되도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
상기에서 설명되는 바람직하고 대안적인 실시형태의 다양한 적응예 및 수정예가 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않으면서 구성될 수 있다는 것을 기술 분야의 숙련된 자는 또한 인식할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 본 개시는 본원에서 구체적으로 설명되는 바와는 달리 실시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은, 명시된 기능 및 그들의 관계의 구현예를 예시하는 기능적 빌딩 블록의 도움으로 상기에서 설명되었다. 이들 기능적 빌딩 블록의 경계는 설명의 편의성을 위해 본원에서 임의적으로 정의되었다. 명시된 기능 및 그들의 관계가 적절하게 수행되는 한, 대안적인 경계가 정의될 수 있다.
특히: 본 시스템 및 방법의 몇몇 실시형태에서, 전력 스테이지 A-PS(300), A-PEBB LRU(200.A), 및 전력 컨버터(500)는, 개개의 기본 전자 컴포넌트 예컨대 전력 트랜지스터(330), 다이오드(335), 인덕터(355), 전기적으로 전도성인 회로 경로(340)(통상적으로 다양한 금속 또는 금속 합금으로 구성됨), 전류 흐름 스위치/접촉기(350), 및 다른 컴포넌트 예컨대 도면에서 도시되지 않을 수도 있는 저항기 또는 커패시터로 구조적으로 구성된다는 것이, 관련 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 이해될 것이다. 그러한 실시형태의 경우, 회로 토폴로지 및 동작의 완전한 설명은, 기본 전자 컴포넌트(330, 335, 340, 350, 355)의 연결 및 동작의 관점에서 전체적으로 제공될 수도 있다는 것이 추가로 이해될 것이다. RH-BC 모듈(320), HC-PS(325), 및 CFC 모듈(375)과 같은 기능/블록/모듈 단위로의, 뿐만 아니라, 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS)(300) 및 A-PEBB LRU(200.A)로의 이들 컴포넌트의 그룹화는 설명의 편의성을 위한 것이다.
기본 컴포넌트의 관점에서 뿐만 아니라 대안적으로서 기능/블록/모듈 유닛의 관점에서 시스템 동작의 이 문서에서의 설명은 서로 보완하도록 의도되며, 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 몇몇 대안적인 실시형태에서, 몇몇 기능 모듈(320, 325, 375, 300, 200.A, 500)은, 본 발명이 본원에서 설명되는 바와 같은 기능 모듈(320, 325, 375, 300, 200.A, 500)의 관점에서 여전히 동작 가능한 상태에서, 대안적인 컴포넌트 또는 추가적인 기본 컴포넌트를 활용할 수도 있다. 유사하게, 기본 전자 컴포넌트(330, 335, 340, 350, 355)는, 기능적 또는 동작적 설명의 목적을 위해, 이 문서에서 구체적으로 설명되는 것들 이외의 모듈로 그룹화 또는 편제되는 것으로 이해될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시형태의 시뮬레이션, 합성 및/또는 제조는, 일부는 기술 분야에서 공지되어 있고 일부는 아직 개발되지 않은, 금속, 비금속, 수지, 에폭시, 반도체, 유리, 폴리머, 철 재료, 비철 재료, 전도체, 절연체, 및 액체를 비롯한, 다양한 금속의 사용을 통해 부분적으로 달성될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
본 시스템 및 방법에 대해, 예컨대 마이크로프로세서 상에서 실행되는 제어 시스템(227)에 대해 컴퓨터 코드가 필요로 되는 경우, 컴퓨터 판독 가능 코드는, 반도체, 자기 디스크, 광학 디스크(예컨대, CD-ROM, DVD-ROM)를 포함하는 임의의 공지된 컴퓨터 사용 가능 매체에서 그리고 컴퓨터 사용 가능(예를 들면, 판독 가능) 송신 매체(예컨대 반송파 또는 디지털, 광학, 또는 아날로그 기반의 매체를 포함하는 임의의 다른 매체)에서 구체화되는 컴퓨터 데이터 신호로서 배치될 수 있다. 그러한 만큼, 코드는 인터넷 및 인트라넷을 포함하는 통신 네트워크를 통해 송신될 수 있다.
상기에서 설명되는 시스템 및 기술과 연계하여 달성될 제어 기능 또는 모니터링 기능은, 프로그램 코드에서 구체화되는 코어(예컨대 CPU 코어)에서 표현될 수 있고 적절한 회로, 무선 통신, 및/또는 광학 메시징을 통해 하드웨어로 변환될 수 있다는 것이 이해된다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용(Detailed Description) 섹션(발명의 내용(Summary) 및 요약서 섹션은 아님)은 청구범위를 해석하기 위해 사용되도록 주로 의도된다는 것이 인식되어야 한다. 발명의 내용 및 요약서 섹션은, 발명자(들)에 의해 고려되는 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시형태의 모두가 아닌 하나 이상을 기술할 수도 있으며, 따라서, 본 발명 및 첨부된 청구범위를 어떤 식으로든 제한하도록 의도되는 것은 아니다.
추가로, 첨부된 청구범위와 관련하여, 임의의 그리고 모든 참조 부호/번호는, 청구범위를 이해하기 더 쉽게 만들기 위해 제공되며, 청구범위에 의해 보호되는 본질의 범위를 제한하는 것으로 취급되어서는 안된다; 그들의 유일한 기능은 본 개시 및 도면의 엘리먼트에 대한 명확한 참조를 제공하는 것이다.

Claims (21)

  1. 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(adaptable power stage; A-PS)로서,
    복수의 전류 라우팅 접합점(current routing junction; CRJ)을 포함하는 재구성 가능한 H 브리지 컨버터(reconfigurable H-bridge converter; RH-BC)를 형성하도록 배열되고 전기적으로 커플링되는 네 개의 고전류 솔리드 스테이트 전력 스위치(high-current solid state power switch; HCPS); 및
    각자의 전류 라우팅 접합 모듈 - 각각의 전류 라우팅 접합 모듈은 하나 이상의 전류 흐름 접촉기(current flow contactor; CFC)를 포함함 -에 커플링되는 복수의 각자의 전류 흐름 제어(current flow control; CFC) 모듈을 포함하되;
    상기 적응 가능한 전력 스테이지는 복수의 대안적 전력 변환 모드에 대해 적응 가능하고, 상기 복수의 대안적 전력 변환 모드의 각각의 전력 변환 모드는 상기 CFC 모듈의 상기 하나 이상의 전력 접촉기의 개방/폐쇄 설정의 특정한 세트를 통해 적어도 부분적으로 결정되는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 각각의 CFC 모듈 중 적어도 하나의 CFC 모듈은:
    인덕터; 및
    상기 인덕터를 통한 전류 흐름을 가능하게 하도록 또는 상기 인덕터를 통한 전류 흐름을 방지하도록 스위칭 가능하게 설정될 수도 있는 하나 이상의 전류 흐름 접촉기를 더 포함하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 각각의 CFC 모듈 중 적어도 하나의 CFC 모듈은 복수의 전류 흐름 접촉기를 더 포함하되, 상기 복수의 전류 흐름 접촉기는:
    (i) 제1 전류 리소스(302.n)와 상기 RH-BC 사이의 두 개 이상의 상이한 전류 경로;
    (ii) 제2 전류 리소스(302.n)와 상기 RH-BC 사이의 두 개 이상의 상이한 전류 경로;
    (iii) 제1 CFC 모듈과 제2 CFC 모듈 사이의 두 개 이상의 상이한 전류 경로;
    (iv) 상기 RH-BC의 선택된 고전류 전력 스위치를 통한 전류 흐름 또는 비 전류 흐름 중 어느 하나의 선택;
    (v) 상기 RH-BC의 선택된 고전류 전력 스위치의 드레인(D) 또는 소스(S)로부터의 전류 흐름 없음과 전류 흐름 사이의 선택; 및
    (vi) 상기 RH-BC의 선택된 고전류 전력 스위치의 드레인(D) 또는 소스(S)에 대한 제1 전류 경로와 제2 전류 흐름 경로 사이의 선택
    중 적어도 하나를 제공하도록 커플링되는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  4. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 전류 흐름 스위치에 대한 상기 개방/폐쇄 상태를 제어하도록 구성되는 마이크로컨트롤러 유닛(microcontroller unit; MCU)(327)을 더 포함하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전류 흐름 제어(CFC) 모듈은, 제1 전력 리소스 포트(An, Bn)와 상기 RH-BC 모듈 사이의 전류 흐름이 인덕터(L1)를 포함하는지 또는 포함하지 않는지를 스위칭 가능하게 결정하도록 구성되는 CRC 모듈을 포함하되:
    상기 인덕터(L1)의 포함은 상기 제1 전력 리소스 포트에서 전류 소스 변환을 위해 상기 A-PS를 구성하고; 그리고
    상기 인덕터(L1)의 제외는 상기 제1 전력 리소스 포스트에서 전압 소스 변환을 위해 상기 A-PS를 구성하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전류 흐름 제어(CFC) 모듈은, 상기 RH-CB 모듈과 상기 A-PS의 제2 전력 리소스 포트(Xn, Yn) 사이의 복수의 전류 흐름 경로 중에서부터, 조합하여, 선택하도록 구성되는 복수의 접촉기(SW3, SW4, SW5, SW6, SW7, SW16, SW8, SW9)를 갖는 CRC 모듈을 포함하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 대안적 전력 변환 모드는: DC↔DC 강압(buck) 모드(CM1); DC↔DC 승압(boost) 모드(CM2); DC↔DC 강압 및 승압 모드(CM3); DC↔AC 모드(CM4); 및 AC↔AC 모드(CM5)를 포함하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 대안적 전력 변환 모드는 DC↔AC/DC 모드(CM6)를 더 포함하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 A-PS는 열두 개의 전류 흐름 접촉기를 포함하고, 그리고
    상기 복수의 대안적 변환 모드는 상기 열두 개의 전류 흐름 접촉기에 대한 개방/폐쇄 설정을 통해 스위칭 가능하게 선택 가능한, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열두 개의 전류 흐름 접촉기, 상기 두 개의 인덕터, 및 상기 네 개의 고전류 전력 스위치는 도 3a의 개략적인 구성에 따라 전기적으로 커플링되는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 변환 모드는 도 3c의 테이블 Λ에 따른 상기 전류 흐름 접촉기의 특정한 개방/폐쇄 설정을 통해 적어도 부분적으로 선택 가능한, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전류 흐름 접촉기는, 상기 A-PS의 제1 전력 리소스 포트(302.1)와 제2 전력 리소스 포트(302.2) 사이에서 DC 대 AC 전류 및 AC 대 DC 전류 중 어느 하나에 대한 가역적인 흐름을 갖는 적어도 하나의 변환 모드를 제공하도록 구성되되, 전류 흐름 접촉기 설정의 단일의 세트가 DC 대 AC 전류 및 AC 대 DC 전류 중 상기 어느 하나를 제공하는, 적응 가능한 전력 컨버터에 대한 적응 가능한 전력 스테이지(A-PS).
  13. 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(adaptable power electronics building block line replacement unit; A-PEBB LRU)으로서,
    제1 적응 가능한 전력 스테이지 및 제2 적응 가능한 전력 스테이지; 및
    솔리드 스테이트 변압기를 포함하되;
    상기 제1 적응 가능한 전력 스테이지 및 상기 제2 적응 가능한 전력 스테이지는 상기 솔리드 스테이트 변압기를 통해 직렬로 커플링되고;
    상기 제1 적응 가능한 전력 스테이지 및 상기 제2 적응 가능한 전력 스테이지 각각은 상기 A-PEBB LRU의 각자의 제1 및 제2 전력 리소스 포트를 제공하고; 그리고
    상기 A-PEBB LRU는, 상기 제1 및 제2 적응 가능한 전력 스테이지의 설정을 통해, 복수의 전력 변환 모드에 대해 적응 가능한, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 솔리드 스테이트 변압기는 고주파 변압기를 통해 직렬로 커플링되는 제1 절연 브리지 컨버터 및 제2 절연 브리지 컨버터(210.2)를 포함하는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 적응 가능한 전력 스테이지 및 상기 제2 적응 가능한 전력 스테이지의 각각의 적응 가능한 전력 스테이지는:
    복수의 전류 라우팅 접합점(CRJ)을 포함하는 재구성 가능한 H 브리지 컨버터(RH-BC)를 형성하도록 배열되고 전기적으로 커플링되는 네 개의 고전류 솔리드 스테이트 전력 스위치(HCPS); 및
    각자의 전류 라우팅 접합 모듈 - 각각의 전류 라우팅 접합 모듈은 하나 이상의 전류 흐름 접촉기(CFC)를 포함함 - 에 커플링되는 복수의 각자의 전류 흐름 제어(CFC) 모듈을 포함하되;
    상기 적응 가능한 전력 스테이지는 복수의 대안적 전력 변환 모드에 대해 적응 가능하고, 상기 복수의 대안적 전력 변환 모드의 각각의 전력 변환 모드는 상기 CFC 모듈의 상기 하나 이상의 전력 접촉기의 개방/폐쇄 설정의 특정한 세트를 통해 적어도 부분적으로 결정되는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  16. 제15항에 있어서,
    각각의 적응 가능한 전력 스테이지의 적어도 하나의 CFC 모듈은:
    인덕터; 및
    상기 인덕터를 통한 전류 흐름을 가능하게 하도록 또는 상기 인덕터를 통한 전류 흐름을 방지하도록 스위칭 가능하게 설정될 수도 있는 하나 이상의 전류 흐름 접촉기를 더 포함하는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  17. 제15항에 있어서,
    각각의 적응 가능한 전력 스테이지의 적어도 하나의 CFC 모듈은 복수의 전류 흐름 접촉기를 더 포함하되, 상기 복수의 전류 흐름 접촉기는:
    (i) 제1 전류 리소스와 상기 RH-BC 사이의 두 개 이상의 상이한 전류 경로;
    (ii) 제2 전류 리소스와 상기 RH-BC 사이의 두 개 이상의 상이한 전류 경로;
    (iii) 제1 CFC 모듈과 제2 CFC 모듈 사이의 두 개 이상의 상이한 전류 경로;
    (iv) 상기 RH-BC의 선택된 고전류 전력 스위치를 통한 전류 흐름 또는 비 전류 흐름 중 어느 하나의 선택;
    (v) 상기 RH-BC의 선택된 고전류 전력 스위치의 드레인(D) 또는 소스(S)로부터의 전류 흐름 없음과 전류 사이의 선택; 및
    (vi) 상기 RH-BC의 선택된 고전류 전력 스위치의 드레인(D) 또는 소스(S)에 대한 제1 전류 경로와 제2 전류 흐름 경로 사이의 선택
    중 적어도 하나를 제공하도록 커플링되는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  18. 제15항에 있어서,
    상기 적응 가능한 전력 스테이지를 제어하도록 구성되는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)을 더 포함하는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  19. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 전력 변환 모드는: DC↔DC 강압 모드(CM1); DC↔DC 승압 모드(CM2); DC↔DC 강압 및 승압 모드(CM3); DC↔AC 모드(CM4); 및 AC↔AC 모드(CM5)를 포함하는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 전력 변환 모드는 DC↔AC/DC 모드(CM6)를 더 포함하는, 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU).
  21. 적어도 하나의 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU)을 포함하는 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 전력(adaptable power electronics building block power; A-PEBB) 전력 컨버터로서,
    상기 A-PEBB LRU는 복수의 대안적 전력 변환 모드에 대해 적응 가능하되, 상기 복수의 대안적 전력 변환 모드의 각각 각자의 전력 변환 모드는, 상기 A-PEBB LRU의 하나 이상의 스위칭 가능한 전력 접촉기의 개방/폐쇄 설정의 특정한 각자의 세트를 통해 적어도 부분적으로 결정되고; 그리고
    상기 A-PEBB 전력 컨버터는 상기 적어도 하나의 A-PEBB LRU의 상기 전력 변환 모드 설정을 통해 상기 복수의 대안적 전력 변환 모드에 대해 적응 가능한, 적어도 하나의 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 라인 교체 유닛(A-PEBB LRU)을 포함하는 적응 가능한 전력 전자 빌딩 블록 전력(A-PEBB) 전력 컨버터.
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