KR20230005330A - 전력 변환기 - Google Patents

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KR20230005330A
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converter
terminal
intermediate node
voltage
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KR1020227041877A
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조르디 에버츠
노우드 슬라츠
Original Assignee
프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이.
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Publication date
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Abstract

3개의 위상 전압들을 가지는 AC 신호를 DC 신호로 변환하는 전기 변환기(100)는 3개의 위상 단자들(A, B, C), 제1 DC 단자(P), 제2 DC 단자(N), 제1 변환기단(11) 및 제2 변환기단(12)을 포함하고, 제1 변환기단(11)은 적어도 3개의 위상 단자들에서의 AC 신호와 제1 중간 노드(x) 및 제2 중간 노드(y)에서의 제1 신호 사이를 변환하도록 구성되고, 제2 변환기단(12)은 제3 중간 노드(r) 및 제4 중간 노드(s)에서의 제2 신호와 제1 DC 단자(P) 및 제2 DC 단자(N)에서의 DC 신호 사이를 변환하도록 동작 가능하고, 제2 변환기단은 적어도 하나의 제1 능동 스위치(
Figure pct00407
,
Figure pct00408
)를 포함한다. 링크는 제1 중간 노드(x)를 제3 중간 노드(r)에 연결하고 제2 중간 노드(y)를 제4 중간 노드(s)에 연결한다. 전류 주입 회로는 제2 능동 스위치를 포함한다. 제어기(40)는 적어도 하나의 제1 능동 스위치(
Figure pct00409
,
Figure pct00410
) 및 제2 능동 스위치들이 펄스 폭 변조를 통해 동작되는 제1 동작 모드로 구현된다. 제어기(40)는 제3 및 제4 중간 노드(r, s)가 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자(P, N)에 각각 연속적으로 연결되어 제2 변환기단(12)이 동작하지 않고 제2 능동 스위치가 펄스 폭 변조를 통해 동작되는 제2 동작 모드로 구현된다.

Description

전력 변환기
본 발명은 전력 변환(electrical power conversion) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기 변환기 및 전기 변환기를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.
전기차(electric vehicle)의 배터리가 충전될 때 전기 그리드(electrical grid)의 AC 전압은 전기 변환기에 의해 DC 전압으로 변환된 다음 충전 중인 배터리에 제공된다. 예를 들어, 전기 변환기는 3-상 AC 전압을 차량의 고전압(예: 800V) 배터리가 연결될 수 있는 DC 버스의 단자 사이의 DC 전압으로 변환할 수 있다. 또한 전기 자동차용 무선 충전 시스템들 또는 자기 공명 이미징(Magnetic Resonance Imaging)(MRI) 스캐너용 그래디언트 증폭기들은 일반적으로 전원(power)을 끌어올 수 있는 고전압 DC 버스(high-voltage DC bus)를 생성하기 위해 이러한 3-상 AC-DC 변환(three-phase AC-to-DC conversion)이 필요하다.
예를 들어 부하(load)가 전기 변환기의 DC 출력으로부터 전원(power)을 끌어올 때 3-상 그리드의 각 위상으로부터 전기 변환기가 끌어오는 전류는 실질적으로 사인파(sinusoidal)여야 하고 그 특정한 위상의 사인파 전압과 실질적으로 동위상(in phase)이어야 하므로 역률(power factor)이 실질적으로 1이 된다. 3-상 AC-DC 변환은 유리하게 3-상 역률 보정(Power Factor Correcting)(PFC) 전기 AC-DC 변환기를 필요로 한다. 또한 그리드 전류(grid current)의 낮은 왜곡(low distortion), 예를 들어 낮은 전체 고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion)(THD)은 일반적으로 이러한 PFC 변환기들에 필요하다.
일반적으로 DC 버스 단자들 사이의 전압이 전파 정류된 AC 전압(full-wave rectified AC voltage)보다 높은 경우, 700~800V DC 출력의 부스트-형 PFC 단을 포함하는 부스트-형 전기 변환기(boost-type electrical converter)들이 사용된다.
부스트-형 PFC 변환기의 출력은 일반적으로 직렬 연결된(series-connected) 갈바닉 절연 DC/DC 변환기단(galvanically isolated DC/DC converter stage)으로 전달되어 최종 출력 전압(final output voltage) 및/또는 배터리 충전 전류(battery charging current)를 생성한다. 두 변환기단들의 동작 및 제어는 종종 분리되어 두 단들이 별도로 커미션(commission)될 수 있다. 그러나, 필요한 출력 전압이 낮은 경우(배터리가 크게 소모된 경우일 수 있음), 절연 DC/DC 변환기단(isolated DC/DC converter stage)은 높은 전압 비율(high voltage ratio)을 완전히 흡수해야 하며, 이는 변환기 구성요소(converter component)들에 스트레스를 가하고 과도한 치수를 필요로 하므로 서비스 수명(service life)이 단축되고 비용이 증가한다.
본 발명의 목적은 위의 유형의 변환기 시스템을 제공하고, 특히 위의 단점들을 극복할 수 있는 3-상 부스트-형 PFC AC-DC 변환을 위한 전기 변환기(Electrical converter)를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 전기 변환기가 제공된다.
본 발명에 따른 전기 변환기는 3개의 위상 전압(three phase voltage)들을 가지는 AC 신호(AC signal)를 DC 신호(DC signal), 바람직하게는 DC 전압으로 변환(convert)하는 것을 허용한다. 전기 변환기는 3개의 위상 단자(three phase terminal)들, 제1 DC 단자(DC terminal) 및 제2 DC 단자, 제1 변환기단(converter stage), 제2 변환기단, 전류 주입 회로(current injection circuit) 및 제어 유닛(control unit)을 포함한다. 전기 변환기는 그리드의 중성 컨덕터(neutral conductor)를 연결하기 위한 중성 단자(neutral terminal)를 선택적으로 포함한다. 제1 변환기단은 3개의 위상 단자에 동작 가능하게 접속(couple)되고 제1 중간 노드(intermediate node) 및 제2 중간 노드를 포함한다. 제1 변환기단은 3개의 위상 단자들에서의 AC 신호와 제1 중간 노드 및 제2 중간 노드에서의 제1 신호 사이를 변환하도록 구성된다. 제1 신호는 (스위칭된) 전압 또는 전류일 수 있다. 제2 변환기단은 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에 동작 가능하게 결합되고 제3 중간 노드 및 제4 중간 노드를 포함한다. 제2 변환기단은 적어도 하나의 제1 능동 스위치를 포함하고 제3 중간 노드 및 제4 중간 노드에서의 제2 신호, 예를 들어 (스위칭된) 전압 또는 전류와 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에서의 DC 신호 사이에서 변환하도록 동작 가능하다.
링크(link)는 제1 중간 노드를 제3 중간 노드에 연결하고 제2 중간 노드를 제4 중간 노드에 연결한다. 링크는 DC 링크일 수 있고 커패시터 및/또는 인덕터와 같은 전기 에너지 저장 소자(electrical energy storage element)들을 포함할 수 있거나 대안적으로 전기 에너지 저장 소자들이 없을 수 있다.
전류 주입 회로는, 제2 능동 스위치를 통해, 3개의 위상 단자들 중 가장 작은(smallest) 절대 순간 전압 값(absolute instantaneous voltage value)을 가지는 위상 단자와 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자 사이, 또는 가장 작은 절대 순간 전압 값을 가지는 위상 단자와 제1 중간 노드 및 제2 중간 노드 사이를 연결하도록 동작 가능하다.
제어 유닛(또는 제어기(controller))은 적어도 하나의 제1 능동 스위치 및 제2 능동 스위치가 펄스 폭 변조(pulse width modulation)(PWM)를 통해 동작되는 제1 동작 모드로 구현된다. 제2 변환기단은 부스트 회로(boost circuit)를 포함하거나 이로 구성될 수 있고, 부스트 회로는 전기 변환기가 제1 동작 모드에서 AC 신호의 위상 전압들의 순간 전파 정류 전압보다 높은 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에서의 DC 전압을 획득할 수 있게 한다. 이것은 펄스 폭 변조(제어 유닛을 통해)에 의해 제1 능동 스위치(들) 및 가능하게는 제2 능동 스위치들(전류 주입 회로)의 동작에 의해 획득될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제어 유닛은 (제어 유닛을 통해) 펄스 폭 변조를 통해 제2 능동 스위치가 동작되는 제2 동작 모드로 구현되는 반면, 제2 변환기단, 예를 들어, 부스트 회로가 동작하지 않는 동안, 특히 제3 중간 노드 및 제4 중간 노드는 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에 각각 연속적으로 연결된다. 그렇게 함으로써, AC 신호의 위상 전압의 순간 전파 정류 전압과 동일한 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자의 DC 전압을 획득할 수 있다.
본 발명의 한 가지 이점은 부하(load)에 의해 낮은 전압이 요구되는 경우에 제2 동작 모드가 평균 DC 버스 전압(average DC bus voltage)을 감소시킬 수 있다는 점이다. 이것은 DC 단자들에 연결된 임의의 변환기단의 스트레스를 감소시킨다. 또 다른 장점은 제2 동작 모드 동안 전류 주입 회로를 계속 동작시킴으로써 DC 신호가 맥동 전압(pulsating voltage)(및 전류)인 동안 AC 측(AC side)에서 사인파 전류(sinusoidal current) 및 단위 역률(unity power factor)을 획득할 수 있다는 것이다. 이것은 (갈바닉 절연) DC/DC 변환기 또는 정전력 모드(constant power mode)에서 유리하게 동작하는 DC/AC 변환기와 같은 제3 변환기단이 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에 연결되는 경우에 특히 사실이다.
전류 주입 회로는 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 일 구현은 3개의 위상 단자들을 제5 중간 노드에 선택적으로 연결하도록 구성된 제3 능동 스위치들을 포함하는 위상 선택기(phase selector)를 포함하고, 제2 능동 스위치들은 제5 중간 노드를 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에 연결하도록 동작 가능하다. 절대 순간 전압 값이 가장 작은 위상 단자가 제5 중간 노드에 연속적으로 연결되는 스위칭 패턴(switching pattern)에 따라 제3 능동 스위치들의 스위칭을 제어하도록 구성된다. 대안적인 구현은 제1 변환기단의 능동 브리지 변환기(active bridge converter)에 전류 주입 회로를 통합(integrate)한다. 능동 브리지 변환기의 능동 스위치들의 능동(펄스 폭 변조) 제어를 통해, 절대 순간 전압 값이 가장 작은 위상 단자는 제1 중간 노드 및 제2 중간 노드에 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 변환기는 AC 신호의 위상 전압들 및/또는 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에서의 전압 및/또는 제1 중간 노드 및 제2 중간 노드에서의 전압을 측정하기 위한 하나 이상의 전압 측정 센서(measuring sensor)를 포함할 수 있다. 제어기는 전압 측정 센서(들)에 동작 가능하게 접속될 수 있고, 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에서 측정된 전압 또는 세트를 나타내는 제3 신호를 수신하기 위한 제1 입력(input)을 포함할 수 있다. 제어기는 AC 신호의 순간 전파 정류 전압 값(instantaneous full-wave rectified voltage value)을 나타내는 임계값(threshold)을 결정하고, 예를 들어, 제3 신호의 (전압) 값이 임계값 이하인 경우에 제3 신호와 임계값 사이의 비교(comparison)에 기초하여 제2 동작 모드에서 동작하도록 구성된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 전원 공급 유닛(power supply unit)을 포함하는 배터리 충전 시스템(battery charging system), 전기 모터 구동 시스템(electric motor drive system), 또는 자기 공명 이미징 장치가 제공되고, 전원 공급 유닛은 제1 양태의 전기 변환기를 포함한다.
제3 양태에 따르면, 3상 AC 입력을 DC 출력으로 변환하는 방법이 본 명세서에 설명된다. 방법은 유리하게는 위에서 설명한 바와 같이 전기 변환기에서 구현된다.
본 발명의 양태는 예를 들어 저전압(예: 50Hz 주파수에서 380 - 400Vrms) 그리드일 수 있는 전기 그리드로부터 3-상 AC 전압을 높은 DC 출력 전압(예: 800V)으로 변환하는 데 사용될 수 있는 전기 변환기에 관한 것이다.
본 발명의 양태들은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이며, 동일한 참조 번호들은 동일한 특징들을 예시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단방향인 전기 변환기를 개략적으로 도시한다.
도 2a-g는 본 발명의 일 실시예에 따른 주전원 전압의 360° 주기(period) 동안 각각 전압들(도 2a, 2b, 2c), 전류들(도 2d, 2e) 및 위상 선택기 스위치의 스위칭 상태들(도 2f) 및 부스트(상위 및 하위) 회로 및 벅-부스트 회로의 스위치들의 스위칭 상태들(도 2g)을 나타내는 다이어그램들을 도시하고, 전기 변환기의 전체 동작 원리를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중앙 제어 유닛 및 제어 방법의 유리한 구현의 블록도를 도시한다.
도 4a, 4b, 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 변환기의 부스트(상위 및 하위) 및 벅-부스트 브리지 레그들의 5개의 연속적인 스위칭 사이클(switching cycle)들 내에서 전압들, 전류들 및 스위칭 상태들을 나타내는 다이어그램을 도시하고, 이들 브리지 레그들의 PWM 변조를 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향인 전기 변환기를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 변환기단 대신에 이전에 배치된 입력 필터를 가지는 단방향 전기 변환기를 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 전기 변환기에 사용될 수 있는 제1 변환기단의 상이한 변형들을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 전기 변환기에 사용될 수 있는 제1 변환기단의 다른 변형들을 도시한다.
도 9는 단방향(unidirectional)이고 그리드(4상)의 중성 컨덕터에 연결하기 위한 연결 단자를 포함하는 본 발명의 양태들에 따른 전기 변환기를 나타낸다.
도 10a는 3-상 주전원 전압들(va, vb, 및 vc)을 나타낸다. 도 10b는 부스트 회로(19, 20)의 동작 여부를 제어하기 위한 BoostOn 신호와 함께 출력 단자들(P, N)에 걸친 출력 전압(VDC) 및 대응하는 출력 전류(IDC)를 나타낸다.
도 11은 절연된 DC/DC 변환기단이 연결된 본 발명에 따른 전기 변환기의 DC 단자들을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변환기의 토폴로지를 나타낸다.
도 13a는 3-상 주전원 전압들(va, vb, 및 vc)을 나타낸다. 도 13b는 부스트 회로(19, 20)의 동작 여부를 제어하기 위한 BoostOn 신호와 함께, 출력 단자들(P, N)에 걸친 출력 전압(VDC)(또한 VPN이라고도 함) 및 대응하는 출력 전류(IDC)를 나타낸다.
도 14는 본 개시의 양태들에 따른 배터리 충전 시스템을 나타낸다.
도 1은 3-상 능동 위상 선택기(11) 및 DC/DC단(12) 형태의 2개의 변환기단들(11, 12)을 포함하는 DUTCH RECTIFIER로 지칭되는 전기 변환기(100)를 도시한다. 전기 변환기(100)는 입력 필터(input filter)(13) 및 출력 필터(output filter)(15)를 더 포함한다.
전기 변환기(100)는 3개의 위상 입력들(A, B, C) 및 2개의 DC 출력들(P, N)을 가지는 AC-DC 변환기이고, 3개의 위상 입력들(A, B, C)은 3-상 AC 그리드(21)의 3-상 전압에 연결되고, 2개의 DC 출력들(P, N)은 예를 들어, 전기차의 고전압(예를 들어, 800V) 배터리와 같은 DC 부하(22)에 연결될 수 있다.
제1 변환기단(11)은 3개의 위상 입력들(A, B, C) 및 3개의 출력들(x, y, z)에 연결된 3개의 위상 연결부(phase connection)들(a, b, c)을 포함한다. 이러한 출력들은 상위 중간 전압 노드(upper intermediate voltage node)(x), 하위 중간 전압 노드(lower intermediate voltage node)(y) 및 중위 중간 전압 노드(middle intermediate voltage node)(z)로 볼 수 있다.
제1 변환기단(11)은 3-상 브리지 정류기(24) 및 위상 선택기(phase selector)(25)를 포함하고, 3-상 브리지 정류기(24)는 3개의 브리지 레그들(16, 17, 18)을 포함하고, 3개의 브리지 레그들(16, 17, 18)은 각각 2개의 수동 세미컨덕터 장치(passive semiconductor device)들(레그(16)에 대한 다이오드들(
Figure pct00001
및
Figure pct00002
), 레그(17)에 대한 다이오드들(
Figure pct00003
및
Figure pct00004
) 레그(18)에 대한 다이오드들(
Figure pct00005
및
Figure pct00006
))을 포함하고, 2개의 수동 세미컨덕터 장치들 각각은 하프 브리지 구성의 형태(half bridge configuration)로 연결되고, 위상 선택기(25)는 3개의 선택기 스위치들(
Figure pct00007
,
Figure pct00008
, 및
Figure pct00009
)을 포함하고, 3개의 선택기 스위치들은 각각 역직렬로 연결된(anti-series connected) 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치(actively switchable semiconductor device)들을 포함한다. 이러한 스위칭 가능한(switchable) 세미컨덕터 장치(semiconductor device) 각각은 역병렬 다이오드(anti-parallel diode)를 가지는 것이 유리하다. 이 예에서 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Field Effect Transistor)(MOSFET)들은 동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치들에 사용되고, 각각은 외부 역병렬 다이오드(external anti-parallel diode)를 대체(replace)할 수 있는 내부 역병렬 바디 다이오드(internal anti-parallel body diode)를 포함한다.
DC/DC단(12)은 2개의 적층된(stacked) 부스트 브리지 레그들(19, 20) 및 1개의 벅-부스트 브리지 레그(buck-boost bridge leg)(14)를 포함하거나 이로 구성된다. 각 부스트 브리지 레그(19, 20)는 하프-브리지 구성으로 연결된 부스트 다이오드(상위 부스트 브리지 레그(19)에 대한 (
Figure pct00010
) 및 하위 부스트 브리지 레그(20)에 대한 (
Figure pct00011
)) 및 부스트 스위치(상위 부스트 브리지 레그(19)에 대한 (
Figure pct00012
) 및 하위 부스트 브리지 레그(20)에 대한 (
Figure pct00013
))을 포함한다. 벅-부스트 브리지 레그(14)는 하프-브리지 구성에 연결된 2개의 벅-부스트 스위치들(
Figure pct00014
및
Figure pct00015
)을 포함한다. 상위 부스트 브리지 레그(19)의 중위 노드(r)은 상위 부스트 인덕터(
Figure pct00016
)를 통해 중간 전압 노드(x)에 연결되고, 하위 부스트 브리지 레그(20)의 중위 노드(s)는 하위 부스트 인덕터(
Figure pct00017
)를 통해 중간 전압 노드(y)에 연결되고, 벅-부스트 브리지 레그(14)의 중위 노드(t)는 중위 벅-부스트 인덕터(
Figure pct00018
)를 통해 중간 전압 노드(z)에 연결된다.
상위 및 하위 부스트 브리지 레그(19, 20)의 공통 노드(common node)(m)는 유리하게는 출력 필터(15)의 중위 전압 노드(q)에 연결되어 2개의 적층된 2-레벨 부스트 회로(two-level boost circuit)들을 형성한다. 출력 필터(15)는 상위 출력 노드(P)와 하위 출력 노드(N) 사이에 직렬로 연결된 2개의 출력 필터 커패시터들(
Figure pct00019
) 및 커패시터들(
Figure pct00020
및
Figure pct00021
) 사이의 중위 노드를 형성하는 중위 전압 노드(q)를 포함한다.
상위 부스트 브리지 레그(19)는 상위 출력 노드(P)와 공통 노드(m) 사이에 연결되고(즉, 상위 출력 필터 커패시터(
Figure pct00022
)와 병렬로), 상위 부스트 브리지 레그(19)는 스위치(
Figure pct00023
)가 개방(전도되지 않음(not conducting), 오프 상태(off state))되는 경우에 전류가 다이오드(
Figure pct00024
)를 통해 중간 전압 노드(x)에서 상위 출력 노드(P)로 흐를 수 있는 방식으로 배치되고, 스위치(
Figure pct00025
)가 폐쇄(전도됨(conducting), 온 상태(on state))되는 경우에 전류가 스위치(
Figure pct00026
)를 통해 중간 전압 노드(x)에서 공통 노드(m)으로(또는 그 반대로) 흐를 수 있는 방식으로 배치된다. 부스트 브리지 레그(19)의 부스트 스위치(
Figure pct00027
)는 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치, 예를 들어 MOSFET이다.
하위 부스트 브리지 레그(20)는 공통 노드(m)과 하위 출력 노드(N) 사이에 연결되고(즉, 하위 출력 필터 커패시터(
Figure pct00028
)와 병렬로), 하위 부스트 브리지 레그(20)는 스위치(
Figure pct00029
)가 개방(전도되지 않음, 오프 상태)되는 경우에 전류가 다이오드(
Figure pct00030
)를 통해 하위 출력 노드(N)에서 중간 전압 노드(y)로 흐를 수 있는 방식으로 배치되고, 스위치(
Figure pct00031
)가 폐쇄(전도됨, 온 상태)되는 경우에 전류가 스위치(
Figure pct00032
)를 통해 공통 노드(m)에서 중간 전압 노드(y)로(또는 그 반대로) 흐를 수 있는 방식으로 배치된다. 부스트 브리지 레그(20)의 부스트 스위치(
Figure pct00033
)는 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치, 예를 들어 MOSFET이다.
벅-부스트 브리지 레그(14)는 상위 출력 노드(P)와 하위 출력 노드(N) 사이에 연결되고(즉, DC 부하(22)와 병렬로), 벅-부스트 브리지 레그(14)는 스위치(
Figure pct00034
)가 개방(전도되지 않음, 오프 상태)된 동안 스위치(
Figure pct00035
)가 폐쇄(전도됨, 온 상태)되는 경우에, 전류가 중간 전압 노드(z)에서 상위 출력 노드(P)로(또는 그 반대로) 흐르고, 스위치(
Figure pct00036
)가 개방(전도되지 않음, 오프 상태)된 동안 스위치(
Figure pct00037
)가 폐쇄(전도됨, 온 상태)되는 경우에, 전류가 중간 전압 노드(z)에서 하위 출력 노드(N)로 흐르도록 배치된 전류 주입 회로로서 작용(act)한다. 벅-부스트 브리지 레그(14)의 벅-부스트 스위치들(
Figure pct00038
)은 상보적인 방식으로 제어되는(즉, 하나는 폐쇄되고 다른 하나는 개방되고 그 반대도 마찬가지임) 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치, 예를 들어 MOSFET들이다.
유리하게는 입력 필터(13)의 부분(part)인 3개의 고주파수(high-frequency)(HF) 필터 커패시터들(
Figure pct00039
)은 성형 연결(star-connection) 형태로 중간 전압 노드들(x, y, z)을 상호 연결한다. 일반적으로 3개의 커패시터들(
Figure pct00040
Figure pct00041
Figure pct00042
)은 AC 그리드에 대칭적으로 부하를 주기 위해 실질적으로 동일한 값을 가지는 것이 유리하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 제어기는 본 명세서에서 더 설명되는 정상 동작(normal operation)이라고 하는 제1 동작 모드 및 데모크래틱 동작(democratic operation)이라고 하는 제2 동작 모드에 따라 동작하도록 구성된다.
중앙 제어 유닛(40)은 전기 변환기(100)의 제어 가능한 모든 세미컨덕터 장치들(스위치들)을 유리하게 제어하여 통신 인터페이스(communication interface)(50)를 통해 제어 신호(control signal)들을 각 스위치에 전송한다. 특히, 세미컨덕터 장치들(
Figure pct00043
,
Figure pct00044
,
Figure pct00045
,
Figure pct00046
)은 제어기(40)에 의해 제어된다. 또한, 제어 유닛은 다음의 측정값들을 수신하기 위한 측정 입력 포트(measurement input port)들(42, 43, 44, 45)을 포함한다:
42: AC 그리드 위상 전압들
Figure pct00047
;
43: 인덕터 전류들
Figure pct00048
;
44: DC 버스 전압
Figure pct00049
;
45: DC 버스 중간-점 전압
Figure pct00050
,
및 요구된 DC 출력 전압(
Figure pct00051
)일 수 있는 세트-값을 수신하기 위한 입력 포트(41). 제어기 동작을 통해 특히 정상 동작 동안에 인덕터 전류들(
Figure pct00052
)의 조각-별(piece-wise) 사인파 형태(sinusoidal shape)들을 달성할 수 있다.
도 1에 도시된 전기 변환기(100)는 입력단(11) 및 출력 전원단(12)이 다이오드들을 포함하기 때문에 단방향(unidirectional)이며, 전원이 전기 AC 그리드(21)로부터 끌어오게 되고 이 전원을 그 출력에서 부하(22)에 제공하는 것만 허용한다. 한편, 도 5는 양방향(bidirectional)인 본 발명에 따른 전기 변환기(200)를 도시한다. 전기 변환기(200)는 도 1에 도시된 변환기의 입력단(11)의 다이오드들(
Figure pct00053
,
Figure pct00054
,
Figure pct00055
,
Figure pct00056
,
Figure pct00057
,
Figure pct00058
) 및 출력 전원단(12)의 다이오드들(
Figure pct00059
,
Figure pct00060
)은 각각 입력단(11)의 제어 가능한 세미컨덕터 스위치들(
Figure pct00061
,
Figure pct00062
,
Figure pct00063
,
Figure pct00064
,
Figure pct00065
,
Figure pct00066
) 및 출력 전원단(12)의 스위치들(
Figure pct00067
,
Figure pct00068
)로 대체되었다는 점에서 변환기(100)와 다르다.
전기 변환기(200)는 브리지 변환기(24)의 상위 노드와 상위 중간 노드(x) 사이에 연결된 스위칭 장치(23)를 포함할 수 있다. 스위칭 장치(23)는 브리지 정류기(24)와 상위 중간 노드(x) 사이의 전기적 연결을 인터럽트할 수 있다. 스위칭 장치(23)는 세미컨덕터 스위치, 예를 들어 MOSFET로서 제공되지만, 대안적으로 릴레이 스위치(relay switch)와 같은 임의의 적절한 스위칭 장치일 수 있다. 스위칭 장치(23)는 유리하게는 제어기(40)에 동작 가능하게 연결된다. 대안적으로, 또는 추가적으로 장치(23)와 동일한 스위칭 장치가 브리지 변환기(24)의 하위 노드와 하위 중간 노드(y) 사이에 제공될 수 있다.
도 6에서, 입력 필터(13)가 제1 변환기단(11) 전에(후 대신에(instead of after)) 배치된다는 점에서 변환기(100)와 다른 전기 변환기(300)가 도시되어 있고, 즉 입력 필터(13)는 위상 입력 단자들(A, B, C)와 제1 변환기단(11) 사이에 연결된다. 제1 변환기단(11)은 입력 필터(13)의 대응하는 인덕터(
Figure pct00069
,
Figure pct00070
)를 통해 위상 입력 단자들(A, B, C)을 중간 노드들(x, y, z)에 연결한다. 커패시터들(
Figure pct00071
Figure pct00072
Figure pct00073
)은 위상 입력 단자들과 인덕터들 사이에 배치된다. 커패시터들은 성형 구성(star configuration)으로 연결되며, 이전 예에서와 같이 성형점(star point)이 출력 필터(15)의 중간점에 연결되는 것이 유리하다. 대안적으로, 커패시터들(
Figure pct00074
Figure pct00075
Figure pct00076
)은 3개의 위상 입력 라인(phase input line)들에 걸쳐 델타 구성(delta configuration)으로 배치될 수 있다. 도 6의 예에서, 스위치 노드들(r, s 및 t)에서의 전압들이 중간 노드들(x, y, z)의 전압들과 동일하기 때문에, 3개의 중간 노드들(x, y, z)에서의 전압 신호가 이전 예들(도 1, 도 5)과 비교하여 다소 다르다는 점에 주목하는 것이 편리할 것이다. 그 결과, 고주파 전류들이 제1 변환기단(11)을 통해 흐를 것이지만, 이전 예들(도 1 및 도 5)에서 고주파 전류들은 입력 필터(13)의 출력 전원단 다운스트림(output power stage downstream)에서만 발생한다.
전기 변환기들(100, 200, 300) 중 어느 하나에서, 다이오드들은 전기 변환기의 양방향 전원 흐름을 허용하도록 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치들로 대체될 수 있다.
전기 변환기들(100, 200 및 300) 중 하나에서, HF 커패시터들(
Figure pct00077
)(또는 도 6의 경우(
Figure pct00078
)) 성형 구성으로 연결된다. 성형점 연결부에서의 전압은 공통 노드(m)의 전압을 제어하여 제어할 수 있다.
도 7a, 도 7b는 도 1, 도 5, 도 6의 전기 변환기에서 사용될 수 있는 제1 변환기단(11)의 상이한 변형들을 도시한다.
도 8a 및 도 8b에는 제1 변환기 회로(11)의 또 다른 변형들이 도시되어 있다. 이러한 변형들에서, 위상 선택기의 3개의 브리지 레그들(16, 17 및 18)은, 하프-제어 사이리스터 레그들(도 8a) 또는 완전-제어 사이리스터 레그(full-controlled thyristor leg)들(도 8b)로 배치되고, 즉 하프-제어 사이리스터 레그들은 상위 중간 노드에 연결된 브리지 레그 부분들에서의 사이리스터들(Thyax, Thybx, Thycx) 및 하위 중간 노드에 연결된 다른 브리지 레그 부분에서의 다이오드들(또는 그 반대)을 포함하고, 완전-제어 사이리스터 레그들은 다이오드들 대신에 각 브리지 하프 레그에서의 사이리스터(Thyax, Thybx, Thycx, Thyya, Thyyb, Thyyc)를 포함한다. 이러한 위상 선택기는 추가적인 사전-충전 회로(pre-charging circuit) 없이도 출력 필터 커패시터(CPm, CmN, 또는 CPN)을 제어 가능하게 사전 충전할 수 있다.
도 9를 참조하면, 전기 변환기(400)는 3-상 AC 그리드의 중성 컨덕터를 연결하기 위한 연결 단자(n)을 포함한다는 점에서 전기 변환기(100, 200 또는 300)와 상이하다. 예를 들어 전기차들의 충전과 같은 일부 응용 분야들에서, 특정한 위상의 부하를 줄여 다른 소비자 장치들이 위상에 과부하(overloading)가 걸리지 않으면서 차량의 배터리를 충전하는 동안 특정한 위상으로부터 전원을 계속 끌어올 수 있도록 하기 위해, 3-상 그리드의 각 위상으로부터 끌어온 사인파 전류의 진폭(amplitude)이 독립적으로 제어될 수 있는 것이 종종 요구된다. 이 경우, 연결 단자(n)는 유리하게는 3-상 그리드의 중성 컨덕터에 연결되어 3개의 위상 전류들의 합과 실질적으로 동일한 반환 전류(return current)가 그리드의 중성 컨덕터로 다시 흐르도록 한다. 유리한 양태에서, 3개의 위상 전류들은 입력의 중성 컨덕터에 연결된 공통 노드를 제공함으로써 완전히 독립적으로 제어될 수 있다.
이 중성 연결 단자(n)는 AC 커패시터들(
Figure pct00079
Figure pct00080
Figure pct00081
)의 성형-점(star-point) 및 적층된 부스트 브리지들(19, 20)의 공통 노드(m)에 유리하게 연결된다(따라서 출력 필터(15)의 중간점에도 연결됨). 그 결과 완전히 대칭적인 변환기 구조가 된다. 이 경우 성형-점과 공통 노드의 전압은 그리드의 중성 컨덕터의 전압과 같다.
전기 변환기의 정상 동작(Normal operation of the electrical converter)
Figure pct00082
정상 동작 동안, 스위칭 장치(23)는 존재하는 경우 폐쇄 상태(전도 상태)를 유지하여 브리지 정류기(24)에 의해 가장 높은 전압을 가지는 위상 입력을 상위 중간 노드(x)에 인가한다.
도 1(또는 다이오드들(
Figure pct00083
,
Figure pct00084
) 및 다이오드들(
Figure pct00085
,
Figure pct00086
)에 대한 참조가 각각 능동 스위치들(
Figure pct00087
,
Figure pct00088
,
Figure pct00089
,
Figure pct00090
,
Figure pct00091
,
Figure pct00092
) 및 능동 스위치들(
Figure pct00093
,
Figure pct00094
)에 대한 참조로 읽어야 하는 도 5)을 참조하면, 3-상 AC 위상 전압 중 가장 높은 전압을 가지는 위상 입력(A, B 또는 C)에 연결된 브리지 정류기(24)의 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(A, B 또는 C)이 상위 중간 전압 노드(x)에 연결되는 방식으로 스위칭된다. 이를 달성하기 위해, 브리지 레그의 대응하는 선택기 스위치(
Figure pct00095
)가 개방(전도되지 않음, 오프 상태)되어 있는 동안, 브리지 레그는 브리지 레그의 상위 다이오드(
Figure pct00096
)를 통해 대응하는 위상 연결부(a, b, 또는 c)를 노드(x)와 연결한다. 3-상 AC 입력 전압 중 전압이 가장 낮은 위상 입력(A, B 또는 C)에 연결된 정류기(24)의 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(A, B 또는 C)이 하위 중간 전압 노드(y)에 연결되는 방식으로 스위칭된다. 이를 달성하기 위해, 브리지 레그의 대응하는 선택기 스위치(
Figure pct00097
)가 개방(전도되지 않음, 오프 상태)되어 있는 동안, 브리지 레그는 브리지 레그의 하위 다이오드(
Figure pct00098
Figure pct00099
Figure pct00100
)를 통해 대응하는 위상 연결부(a, b, 또는 c)를 노드(y)와 연결한다. 3-상 AC 입력 전압의 최고 전압(highest voltage)과 최저 전압(lowest voltage) 사이의 전압을 가지는 위상 입력(A, B 또는 C)는 위상 선택기(25)에 의해 중위 중간 전압 노드(z)에 연결된다. 이를 달성하기 위해, 위상 선택기(25)는 폐쇄된(전도됨, 온 상태) 선택기 스위치(
Figure pct00101
)를 통해 대응하는 위상 연결부(a, b 또는 c)를 노드(z)와 연결한다.
예를 들어 도 2a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 평형 위상 전압(balanced phase voltage)들을 가지는 3-상 AC 그리드에서, 3-상 AC 입력 전압(도 2a에 도시됨)은 상위 중간 전압 노드(x), 하위 중간 전압 노드(y) 및 중위 중간 노드(z) 사이에 제공된 3개의 중간 DC 전압들(
Figure pct00102
도 2b에 도시됨)로 변환된다. 따라서 이러한 DC 전압들은 조각-별 사인파 형태들을 보여준다. 3-상 AC 입력 전압을 3개의 중간 DC 전압들로 변환하는 것은 전술한 바와 같이 제1 변환기단(11)의 동작의 결과이다. 선택기 스위치들(
Figure pct00103
,
Figure pct00104
,
Figure pct00105
)의 스위칭 상태들(스위치 온
Figure pct00106
, 오프
Figure pct00107
)은 도 2f에 도시되어 있다. AC 주전원 전압의 주기(
Figure pct00108
) 내에서 전체 특정한
Figure pct00109
섹터들 동안 스위치들이 계속 '오프' 또는 '온'인 것을 볼 수 있다. 또한 브리지 정류기(24)의 다이오드들은 AC 주전원 전압의 주기(
Figure pct00110
) 내에서 전체 특정한 섹터들, 예를 들어,
Figure pct00111
동안 '전도됨' 또는 '전도되지 않음'이다. 스위치와 다이오드들의 상태들의 조합은 3-상 AC 입력 전압의 모든
Figure pct00112
섹터에 대해 고유(unique)하고 위상 입력들(A, B, C)의 전압 값에 따라 달라진다. 스위치들과 다이오드들의 6가지 고유한 상태들의 시퀀스(sequence)는 AC 주전원 전압의 매 주기(
Figure pct00113
)마다 반복된다.
중간 전압 노드들(x, y, z)의 관점에서 출력 단자들(P, N)을 향하여 볼 때, HF 필터 커패시터(
Figure pct00114
), 상위 부스트 인덕터(
Figure pct00115
), 상위 부스트 브리지 레그(19) 및 상위 출력 커패시터(
Figure pct00116
)를 포함하는 종래의 DC-DC 부스트 회로(상위 부스트 회로)가 형성된다. 이 상위 부스트 회로의 입력 전압은 커패시터(
Figure pct00117
)에 걸친 전압(
Figure pct00118
)(도 2c에 도시됨)이고, 이 상위 부스트 회로의 출력 전압은 전체 DC 버스 전압(total DC bus voltage)의 절반과 실질적으로 동일한 전압 값을 가지는 상위 출력 커패시터(
Figure pct00119
)에 걸친 전압(
Figure pct00120
)(
Figure pct00121
)이다. 형성된 상위 부스트 회로는 상위 부스트 인덕터(
Figure pct00122
)의 전류를 제어하기 위해 지정된, 가능하게는 가변적인(variable) 스위칭 주파수(switching frequency)(
Figure pct00123
)에서 스위치(
Figure pct00124
)의 PWM 변조(PWM modulation)에 의해 동작될 수 있다.
중간 전압 노드들(x, y, z)의 관점에서 출력 단자들(P, N)을 향하여 볼 때, HF 필터 커패시터(
Figure pct00125
), 하위 부스트 인덕터(
Figure pct00126
), 하위 부스트 브리지 레그(20) 및 하위 출력 커패시터(
Figure pct00127
)를 포함하는 종래의 '역'(음의 임력 전압 및 음의 출력 전압)DC-DC 부스트 회로(하위 부스트 회로)가 형성된다. 이 하위 부스트 회로의 입력 전압은 커패시터(
Figure pct00128
)에 걸친 전압(
Figure pct00129
)(도 2c에 도시됨)이고, 이 하위 부스트 회로의 출력 전압은 전체 DC 버스 전압의 마이너스 절반과 실질적으로 동일한 전압 값을 가지는 하위 출력 커패시터(
Figure pct00130
)에 걸친 전압(
Figure pct00131
)(
Figure pct00132
)이다. 형성된 하위 부스트 회로는 하위 부스트 인덕터(
Figure pct00133
)의 전류를 제어하기 위해 지정된, 가능하게는 가변적인 스위칭 주파수(
Figure pct00134
)에서 스위치(
Figure pct00135
)의 PWM 변조에 의해 동작될 수 있다.
중간 전압 노드들(x, y, z)의 관점에서 출력 단자들(P, N)을 향하여 볼 때, HF 필터 커패시터(
Figure pct00136
), 중위 벅 부스트 인덕터(
Figure pct00137
), 벅-부스트 브리지 레그(14) 및 출력 커패시터들(
Figure pct00138
,
Figure pct00139
)의 직렬 연결부를 포함하는 종래의 DC-DC 벅-부스트 회로(중위 벅-부스트 회로)가 형성된다. 이 DC-DC 벅-부스트 회로는 단상 하프-브리지(single-phase half-bridge) 전압 소스 변환기(voltage-source converter)(VSC)와 유사한 것으로 볼 수 있다. 이 중간 벅-부스트 회로의 입력 전압은 커패시터(
Figure pct00140
)에 걸친 전압(
Figure pct00141
)(도 2c에 도시됨)이고, 이 중간 벅-부스트 회로의 출력 전압은 출력 커패시터들(
Figure pct00142
,
Figure pct00143
)의 직렬 연결부에 걸친 출력 전압(
Figure pct00144
)이다. 형성된 중위 벅-부스트 회로는 중위 벅-부스트 인덕터(
Figure pct00145
)의 전류를 제어하기 위해 지정된, 가능하게는 가변적인 스위칭 주파수(
Figure pct00146
)에서 스위치들(
Figure pct00147
,
Figure pct00148
)의 PWM 변조에 의해 동작될 수 있다.
도 2g는 상위 부스트 브리지 레그(19)의 스위치(
Figure pct00149
)의 상태, 하위 부스트 브리지 레그(20)의 스위치(
Figure pct00150
)의 상태, 및 중위 벅-부스트 브리지 레그(14)의 스위치(
Figure pct00151
)의 상태(스위치(
Figure pct00152
)의 상태가 스위치(
Figure pct00153
) 상태의 보수(complement)임)를 도시한다. 스위치들(
Figure pct00154
)은 모두 PWM 변조되어 대응하는 스위치의 PWM 변조를 지시하는 검은색 바(black-colored bar)들로부터 보여진다.
인덕터들(
Figure pct00155
)에서의 전류들(
Figure pct00156
)의 예는 도 2d에 도시되어 있다. 보이는 바와 같이, 이들 전류들은 조각-별 사인파 형태를 갖도록 제어되고, 즉, 제1 변환기단(11)의 동작의 결과로서 도 2e에 도시된 3개의 사인파 AC 위상 전류들(
Figure pct00157
,
Figure pct00158
,
Figure pct00159
)로 변환된다.
도 3은 정상 동작으로 지칭되는 제1 동작 모드 동안 도 1의 중앙 제어 유닛(central control unit)(40)의 유리한 구현의 블록도를 도시한다. 전기 변환기(100)는 도 3에서 '단일-와이어(single-wire)' 등가 회로(equivalent circuit)로 표시되고, 여기서 소자들의 주석(annotation)들은 도 1에 제공된 주석들과 일치한다. 신호 라인의 3개의 슬래시(slash)들은 3개의 위상 신호들의 번들링(bundling)을 지시하며 벡터 표현(representation)으로의 전이(transition)를 나타낼 수 있다.
제어 유닛(40)의 목표는 예를 들어 하위 출력 커패시터(
Figure pct00160
)에 걸친 전압이 DC 버스 전압의 절반과 실질적으로 동일하도록 제어함으로써 2개의 출력 커패시터들(
Figure pct00161
및
Figure pct00162
)에 걸친 전압의 균형을 맞추는(balance) 것, 및 출력 전압(
Figure pct00163
)을 입력 포트(41)를 통해 외부 유닛으로부터 수신되는 요청된 세트-값(
Figure pct00164
)으로 제어하는 것이다. 또한 위상 입력(a,b,c)에서 끌어온 전류는 실질적으로 사인파 형태이어야 하고 대응하는 위상 전압과 실질적으로 동위상으로 제어되어야 한다. 이전에 설명했듯이, 이것은 인덕터 전류들(
Figure pct00165
)이 조각-별 사인파 형태들을 갖도록 제어하는 것(즉, 위상 전류들(
Figure pct00166
)을 직접 제어하는 것 대신)에 의해 달성될 수 있다. 특히, 인덕터 전류들의 저역 통과 필터링된 값(low-pass filtered value)들은 인덕터 전류들의 고주파 리플(high-frequency ripple)이 HF 필터 커패시터들(
Figure pct00167
)에 의해 필터링되는 동안 제어된다.
출력 전압(
Figure pct00168
)의 제어는 외부 전압 제어 루프(outer voltage control loop)(60) 및 내부 전류 제어 루프(inner current control loop)(70)를 포함하는 캐스케이드 제어 구조(cascaded control structure)를 사용하여 유리하게 수행된다. 출력 전압의 세트-값은 입력 포트(41)를 통해 비교기(comparator)(61)에 입력되고, 측정값 처리 유닛(measurement processing unit)(95)(예를 들어, 저역 통과 필터(low-pass filter)를 포함함)으로부터 획득된, 측정된 출력 전압과 비교된다. 비교기(61)의 출력은 출력 전압의 제어-에러 신호(control-error signal)이며, 위상 전류들의 진폭들의 순간 세트-값들을 출력하는 제어 소자(control element)(62)(예를 들어 비례 적분 제어 블록(proportional-integral control block)을 포함함)에 추가로 입력된다. 이들 진폭들은 승산기(multiplier)(63)에 입력되고, 위상 전압들의 정규화된 순간 값(normalized instantaneous value)들을 출력하는 계산 소자(calculation element)(64)로부터 획득된 신호들과 승산된(multiplied)다. 계산 소자(64)의 입력은 측정값 처리 유닛(93)(예를 들어, 저역 통과 필터를 포함함)으로부터 획득된(obtained), 측정된 위상 전압들(measured phase voltage)이다. 승산기(63)의 출력은 순간, 예를 들어 저역 통과 필터링된, 위상 전류들(
Figure pct00169
Figure pct00170
Figure pct00171
)에 대한 설정-값들(
Figure pct00172
)이고, 실질적으로 사인파 형태이고, 대응하는 위상 전압들과 실질적으로 동 위상으로 위치된(positioned)다. 세트-값들(
Figure pct00173
)은 추가 소자(67) 및 선택 소자(selection element)(81)를 통과한 후 전류 제어기(70)에 입력되며, 그 기능들은 다음 텍스트에서 더 자세히 설명된다.
전류 제어기(70)는 3개의 개별 전류 제어기(individual current controller)들(71, 74, 77)로 분할되며, 여기서:
개별 전류 제어기(71)는 중위 벅-부스트 인덕터(
Figure pct00174
)의 전류를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 중위 벅-부스트 브리지 레그(14)를 포함하는 중위 벅-부스트 회로 스위치들(
Figure pct00175
,
Figure pct00176
)의 PWM 변조에 의해 수행된다. 제1 변환기단(11)의 동작의 결과로서, 제어기(71)는 3-상 AC 전압의 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상 입력(A,B,C)의 전류를 제어하고;
개별 전류 제어기(74)는 상위 부스트 인덕터(
Figure pct00177
)의 전류를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 상위 부스트 브리지 레그(19)를 포함하는 상위 부스트 회로의 스위치(
Figure pct00178
)의 PWM 변조에 의해 수행된다. 제1 변환기단(11)의 동작의 결과로서, 제어기(74)는 3-상 AC 전압 중 가장 높은 전압을 가지는 위상 입력(A,B,C)의 전류를 제어하고;
개별 전류 제어기(77)는 하위 부스트 인덕터(
Figure pct00179
)의 전류를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 하위 부스트 브리지 레그(20)를 포함하는 하위 부스트 회로의 스위치(
Figure pct00180
)의 PWM 변조에 의해 수행된다. 제1 변환기단(11)의 동작의 결과로서, 제어기(77)는 3-상 AC 전압 중 가장 낮은 전압을 가지는 위상 입력(A,B,C)의 전류를 제어한다.
선택기 소자(81)는 위상 입력들(A, B, C)의 전압 값에 따라 순간 위상 전류들에 대한 세트-값들(
Figure pct00181
)(도 2d에 도시됨)을 올바른(correct) 개별 전류 제어기(71, 74, 77)로 전송하여, 각 인덕터 전류 제어기에 대한 인덕터 전류 세트-값들(
Figure pct00182
)(도 2e에 도시됨)을 생성하기 위해 사용되고, 여기서:
3-상 AC 전압 중 가장 높은 전압을 가지는 위상 입력(A,B,C)의 위상 전류의 세트-값은 개별 전류 제어기(74)로 보내져 세트-값(
Figure pct00183
)이 되고;
3-상 AC 전압 중 가장 낮은 전압을 가지는 위상 입력(A,B,C)의 위상 전류의 세트-값은 개별 전류 제어기(77)로 보내져 세트-값(
Figure pct00184
)이 되고;
3-상 AC 전압의 가장 높은 전압과 가장 낮은 전압 사이의 전압이 개별 전류 제어기(71)로 보내지는 위상 입력(A,B,C)의 위상 전류 세트-값은 결과적으로 세트-값(
Figure pct00185
)이 된다.
각 개별 전류 제어기에서, 순간 인덕터 전류에 대한 수신된 세트-값(
Figure pct00186
)은 비교기, 예를 들어 개별 전류 제어기(71)의 비교기(72)에 입력되고, 측정값처리 유닛(94)(예를 들어, 저역 통과 필터를 포함함)으로부터 획득된 측정된 인덕터 전류와 비교된다. 비교기의 출력은 제어 소자, 예를 들어 개별 전류 제어기(71)의 제어 소자(73)에 추가로 입력되는 전류의 제어-에러 신호이며, 그 출력은 PWM 생성 소자(generation element), 예를 들어 개별 전류 제어기(71)의 PWM 생성 소자(54)에 입력된다. 개별 전류 제어기들의 PWM 생성 소자는 PWM-제어된 브리지 레그(PWM-controlled bridge leg)들의 제어 가능한 세미컨덕터 스위치(controllable semiconductor switch)들(즉, 상위 부스트 회로의 상위 부스트 브리지 레그(19), 하위 부스트 회로의 하위 부스트 브리지 레그(20), 및 중위 벅-부스트 회로의 중위 벅-부스트 브리지 레그(14))에 대한 PWM-변조된 제어 신호(PWM-modulated control signal)들을 생성한다. 이러한 PWM-변조된 제어 신호들은 통신 인터페이스(communication interface)(50)를 통해 적절한 브리지 레그들로 전송된다.
제1 변환기단(11)의 선택기 스위치들은 위상 입력들(A, B, C)의 전압 값에 따라 3-상 AC 입력 전압의 각
Figure pct00187
섹터 동안 '온' 또는 '오프'이다. 선택기 스위치들에 대한 제어 신호들은 스위치-신호 발생기(switch-signal generator)들(51, 52, 53)에 의해 생성된다.
DC 버스 중간-점 밸런싱(DC bus mid-point balancing)은 승산기(63)에 의해 출력되는 순간, 예를 들어, 저역 통과 필터링된 위상 전류들(
Figure pct00188
Figure pct00189
Figure pct00190
)에 대한 세트-값들(
Figure pct00191
)에 오프셋 값(offset value)을 추가하는 것에 의해 수행될 수 있다. 오프셋 값은 비교기(65)를 사용하여 측정값 처리 유닛(96)(예: 저역 통과 필터를 포함함)으로부터 획득된 측정된 DC 버스 중간점 전압을 세트-값(예:
Figure pct00192
)과 비교하고, 비교기(65)에 의해 출력된 에러 신호를 제어 소자(66)에 공급하는 것에 의해 획득될 수 있다.
도 2e에 도시된 위상 전류들(
Figure pct00193
)은 이러한 제어 유닛(40) 및 전술한 텍스트에 상세히 설명된 제어 방법을 사용하여 전기 변환기(100)를 제어함으로써 획득된다. 또한 도 도 2e에는 도 3에 도시된 선택기 소자(81)에 대한 입력으로서 순간, 예를 들어 저역 통과 필터링된, 위상 전류들(
Figure pct00194
)에 대한 세트-값들(
Figure pct00195
)이 도시되어 있다. 위에서 설명한 것처럼, 위상 전류들(
Figure pct00196
)은 간접적으로 제어되고, 즉 이들은 인덕터 전류들(
Figure pct00197
)(도 2d에 도시됨)의 제어 및 제1 변환기단(11)의 동작의 결과이다. 인덕터 전류들(
Figure pct00198
)에 대한 세트-점(set-point)들은 측정된 위상 전압들에 기초한 선택기 요소(81)에 의해 세트-값들(
Figure pct00199
)로부터 도출된다.
도 4a 내지 도 4c는
Figure pct00200
인 3-상 AC 입력 전압(도 2 참조)의 섹터 내에 놓이는
Figure pct00201
주위의 시간 간격에 대한 전기 변환기(100)의 브리지 레그들의 5개의 연속적인 스위칭 사이클들(즉, 각각은 스위칭 주파수가 fs인 1/fs과 동일한 스위칭 주기(Ts)를 가짐) 내의 다이어그램들을 도시한다. 이 섹터 내에서 제1 변환기단(11)의 선택기 스위치들 및 다이오드들은 다음 스위칭 상태들에 있다:
스위치
Figure pct00202
(오프), 다이오드
Figure pct00203
(전도됨), 다이오드
Figure pct00204
(차단(blocking)); 위상 연결부(a)는 노드(x)와 연결된다;
스위치
Figure pct00205
(오프), 다이오드
Figure pct00206
(차단), 다이오드
Figure pct00207
(전도됨); 위상 연결부(b)는 노드(y)와 연결된다;
스위치
Figure pct00208
(온(on)), 다이오드
Figure pct00209
(차단), 다이오드
Figure pct00210
(차단); 위상 연결부(c)는 노드 z와 연결된다;
도 4a-4c의 다이어그램들은 밀리초 시간 축에 대한 전압들, 전류들 및 스위칭 신호들을 도시한다. 도 4a는 대응하는 인덕터 전류(
Figure pct00211
) (및 이 전류의 세트-값(
Figure pct00212
)), 인덕터 전압(
Figure pct00213
) 및 PWM-변조된 상위 부스트 브리지 레그(19)의 스위치의 제어 신호(
Figure pct00214
)를 도시하는 상위 부스트 회로의 동작에 대응한다. 도 4b는 대응하는 인덕터 전류(
Figure pct00215
) (및 이 전류의 세트-값(
Figure pct00216
)), 인덕터 전압(
Figure pct00217
) 및 PWM-변조된 하위 부스트 브리지 레그(20)의 스위치의 제어 신호(
Figure pct00218
)를 도시하는 하위 부스트 회로의 동작에 대응한다. 도 4c는 대응하는 인덕터 전류(
Figure pct00219
) (및 이 전류의 세트-값(
Figure pct00220
)), 인덕터 전압(
Figure pct00221
) 및 PWM-변조된 브리지 레그(14)의 상위 스위치의 제어 신호(
Figure pct00222
)를 도시하는 중위 벅-부스트 회로의 동작에 대응한다. PWM-변조된 브리지 레그(14)의 하위 스위치의 제어 신호(
Figure pct00223
)는 제어 신호(
Figure pct00224
)의 보수이다.
전기 변환기의 AC 입력 전류의 전체 고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion)(THD)을 최소화하기 위해 위상 전류들(
Figure pct00225
,
Figure pct00226
,
Figure pct00227
)의 고주파 리플은 유리하게 최소화된다.
전기 변환기(100)의 장점은 상위 부스트 인덕터와 하위 부스트 인덕터의 하프-스위칭-주기 볼트-초 곱/영역(half-switching-period volt-seconds product/area)이 종래의 6-스위치 부스트-형 PFC 정류기의 부스트 인덕터의 볼트-초 곱들/영역들보다 작다는 것이다. 이는 이들 인덕터들에 인가되는 전압들이 기존의 6-스위치 부스트-형 PFC 정류기보다 작기 때문이다. 중위 벅-부스트 인덕터의 경우, 인가된 전압들이 반드시 작을 필요는 없지만 인덕터에 흐르는 전류의 값은 기존의 6-스위치 부스트-형 PFC 정류기의 인덕터들에 흐르는 전류들의 값보다 작다. 그 결과, 더 적은 자기 에너지 저장장치(magnetic energy storage)를 가지는 더 작은 인덕터들이 실현 가능하고, 결과적으로 본 발명에 의해 제공되는 전기 3-상 AC-DC 변환기(100)의 더 높은 전력-대-부피 비율(power-to-volume ratio)을 초래한다.
스위칭 장치(23)가 제공된 변환기(200)의 경우, 시동 시에(at start-up), 스위칭 장치(23)가 개방되어 브리지 정류기(24)의 상위 노드와 상위 중간 노드(x) 사이의 전도를 인터럽트한다. 인덕터(
Figure pct00228
)를 통해 전류가 흐르지 않는다. 위상 선택기(25)는 이제 제한된 시간(예를 들어, 1us) 동안 출력 단자들(P, N)에 걸친 (순간) 출력 전압(VPN)보다 약간 높은 위상 입력 전압을 중위 중간 노드(z)에 인가하도록 동작된다. 이렇게 함으로써 제한된 시간 동안, 중위 중간 노드(z)의 전압과 출력 전압 (VDC)사이의 양의 전압 차가, 스위치 노드(t)와 단자(P) 사이의 스위치(
Figure pct00229
)에 연결된 (내부) 역병렬 다이오드(
Figure pct00230
)의 전도로 인해, 인덕터(
Figure pct00231
)를 걸쳐 인가되어 위상 전류가 인덕터(
Figure pct00232
)를 통해 상위 출력 단자(P)로 흐르도록 한다. 따라서 전류 경로(current path)는 중위 중간 노드(z)에서 스위치 노드(t)를 통해 역병렬 다이오드(
Figure pct00233
)와 출력 필터(15)의 커패시터들(CPm, CmN)을 거쳐 다시 하위 중간 노드(y)로 이동하고 브리지 정류기(24)의 하위 대응 다이오드들 중 하나를 통해 그리드의 위상으로 되돌아간다. 그렇게 함으로써, 출력 전압(VPN)은 점진적으로 승압(step)될 수 있다.
전기 변환기의 데모크래틱 제어(Democratic control of the electrical converter)
본 발명에 따르면, 제어기(40)는 요청된 및/또는 측정된 출력 전압(VDC)이 순간 전파 정류된 AC 라인 전압 이하(즉,
Figure pct00234
)인 경우에 선택되는 모드 II로 지칭되는 제2 동작 모드로 구현된다. 제2 동작 모드에서, 상위 부스트 브리지 레그(19) 및 하위 부스트 브리지 레그(20)가 동작되지 않고 스위치들(
Figure pct00235
,
Figure pct00236
)이 개방(전도되지 않음)된다. 이 경우 다이오드들(
Figure pct00237
,
Figure pct00238
)은 전도되고, 중간 노드들(r, s)을 출력 단자들(P, N)에 연결한다. 다이오드들(
Figure pct00239
,
Figure pct00240
)이 도 5의 변환기(200)에서와 같이 능동 스위치들(
Figure pct00241
,
Figure pct00242
)에 의해 대체되는 경우, 말할 필요도 없이, 이들은 효율을 향상시키기 위해 폐쇄/전도 상태로 유리하게 설정된다.
제2 동작 모드에서, 제1 변환기단(11) 및 전류 주입 회로(14)는 정상 동작 동안처럼 동작한다.
그렇게 함으로써, 감소된 전압은 도 10b의 섹션 II에 도시된 바와 같이 출력 단자들(P, N)에서 획득되며, 이는 정상 상태에서 정류된 주전원 전압과 동일하다. 섹션 I은 상위 부스트 브리지 레그 및 하위 부스트 브리지 레그가 더 높은 출력 전압을 제공하도록 동작되고, 따라서 전기 변환기(100)가 정상 부스트 변환기로서 동작하는 모드 I 동작이라고 하는 정상 동작을 나타낸다.
도 10b의 섹션 III은 동작 모드 I 및 II 사이의 전이에, 및/또는 모드 I 및 모드 II의 평균 출력 전압들 사이의 평균 출력 전압 중간을 획득하기 위해 유리하게 적용되는 전이 모드를 나타낸다.
전이 모드는 도 10b의 'BoostOn' 신호에 의해 도시된 바와 같이 요청된 및/또는 측정된 출력 전압(VDC)이 순간 전파 정류 AC 라인 전압보다 높은 시간 부분들 동안에만 상위 및 하위 부스트 브리지 레그들(스위치들(
Figure pct00243
,
Figure pct00244
))을 동작시키는 것에 의해 획득되고, 여기서 높은 값은 부스트 브리지 레그들(19, 20)이 동작됨을 지시하고, 낮은 값은 회로들(19, 20)이 동작되지 않음을 지시한다.
모드 II 동작에서, 맥동 출력 전압(pulsating output voltage)(예: 50Hz 주전원 주파수에 대해 150Hz 맥동)이 획득되지만, 이것은 출력 단자들(P, N)에 연결된 추가 DC/DC 변환기단, 특히 (차량) 배터리 충전 시스템들에 일반적으로 제공되는 도 11에 도시된 바와 같이 갈바닉 절연 DC/DC 변환기단(26)에 의해 쉽게 흡수될 수 있다는 것을 참고하는 것이 편하다. 변환기단(26)은 DC 단자들(P, N)과 부하(22) 사이에 직렬로 연결된다. 모드 II 동작의 중요한 이점은 (절연된) DC/DC 변환기단(26)이 낮은 출력 전압이 요청될 때(예를 들어, 배터리가 비었을 때) 감소된 전압 비율로 동작할 수 있다는 것이다. 이것은 (절연된) DC/DC 변환기단의 스트레스를 줄이고 더 작고 효율적으로 만들 수 있다.
유리하게는, 추가 DC/DC 변환기단(26)은 모드 II 동작 동안 정전력 모드(constant power mode)에서 동작하고, 가능하게는 모드 I 동작 및/또는 전이 모드 III에서 동작한다. 변환기단(26)이 정전력 모드에서 동작하는 경우, 전력 P, 전류 I 및 전압 v: i*v = P 간의 관계로 인해, DC 단자들(P, N)에서 획득된 전류(iDC)는 도 11b에 도시되어 있고, 즉 iDC*VDC= 상수(constant)이다. DC/DC 변환기단(26)의 정전력 모드 동작에서, 사인파 전류들은 AC 주전원 측(21)에서 획득될 수 있어, 단위 역률을 획득할 수 있다. 이 경우, 모드 II 동작 동안에, 전류 주입 회로(14)가 유리하게 동작된다.
모드 II 동작 동안, 스위칭 장치(23)(도 5 참조)는 존재한다면 브리지 정류기(24)에 의해 가장 높은 전압을 가지는 위상 입력을 상위 중간 노드(x)에 인가하기 위해 폐쇄된 상태(전도 상태)로 유지된다.
전기 변환기(500)의 또 다른 예시적인 실시예가 도 12에 나타나 있다. 전기 변환기(500)는 위상 선택기(25) 및 전류 주입 회로(14)가 없다는 점에서 변환기들(100, 200, 300 및 400)과 상이하다. 대신에, 제3 고조파 전류 주입이 브리지 레그들(16, 17, 18)의 스위치들을 통해 직접 제공된다. 이들은 양방향 동작을 허용하는 능동 브리지 레그(active bridge leg)들로 제공된다.
대안적 변환기 토폴로지(Alternative converter topology)
벨기에 정류기로 지칭되는 전기 변환기(500)는 3-상 능동 정류기단(11) 및 DC/DC단(12) 형태의 제1 변환기단을 포함한다. 전기 변환기(10)는 입력 필터(13) 및 출력 필터(14)를 더 포함한다.
전기 변환기(500)는 3-상 AC 그리드(21)의 3-상 전압, 예를 들어, 전기 자동차의 고전압(예를 들어, 800V) 배터리와 같은 DC 부하(DC load)(22)에 연결될 수 있는 2개의 DC 출력들(P, N), 및 AC 그리드(21)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(
Figure pct00245
Figure pct00246
Figure pct00247
)은 부스트 인덕터들로서 사용되며 두 변환기단들(11, 12) 사이에서 공유된다.
정류기단(11)은 입력 필터(13)의 위상 인덕터들(
Figure pct00248
Figure pct00249
Figure pct00250
)을 통해 3개의 위상 입력들(A, B, C)에 연결된 3개의 위상 입력들(
Figure pct00251
Figure pct00252
Figure pct00253
)과 2개의 출력들(
Figure pct00254
,
Figure pct00255
)을 갖는다. 이러한 출력들은 상위 중간 전압 노드(
Figure pct00256
)와 하위 중간 전압 노드(
Figure pct00257
)로 볼 수 있으며, 이는 DC/DC 단(12)의 스위칭으로 인해 발생한 '스위칭된' 전압 전위('switched' voltage potential)를 나타낸다.
정류기단(11)은 3개의 브리지 레그들(16, 17, 18)을 포함하고, 각각은 하프 브리지 구성의 형태로 연결된 2개의 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치(actively switchable semiconductor device)들(레그(16)에 대한
Figure pct00258
및
Figure pct00259
, 레그(17)에 대한
Figure pct00260
및
Figure pct00261
, 레그(18)에 대한
Figure pct00262
및
Figure pct00263
)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 대체(replace)할 수 있는 내부 역병렬 바디 다이오드(internal anti-parallel body diode)를 각각 포함하는 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치에 사용된다.
출력 전원단은 2개의 적층된 부스트 브리지들(19, 20)로 구성된다. 각 부스트 브리지는 하프-브리지 구성으로 연결된 부스트 다이오드(상위 부스트 브리지(19)에 대한 (
Figure pct00264
) 및 하위 부스트 브리지(20)에 대한 (
Figure pct00265
)) 및 부스트 스위치(상위 부스트 브리지(19)에 대한 (
Figure pct00266
) 및 하위 부스트 브리지(20)에 대한 (
Figure pct00267
))를 포함한다. 상위 부스트 브리지(19)의 중위 노드는 중간 전압 노드(
Figure pct00268
)에 연결되고 하위 부스트 브리지(20)의 중위 노드는 중간 전압 노드(
Figure pct00269
)에 연결된다. 두 부스트단들의 공통 노드(m)는 상위 출력 노드(p)와 하위 출력 노드(n) 사이에 직렬로 연결된 2개의 출력 필터 커패시터들(
Figure pct00270
Figure pct00271
)를 포함하는 출력 필터(15)의 중간점에 연결된다.
상위 부스트 브리지(19)는 상위 출력 노드(p)와 중위 출력 노드(m) 사이에 연결되고(즉, 상위 출력 필터 커패시터(
Figure pct00272
)과 병렬로), 중간 전압 노드 (
Figure pct00273
)가 스위치(
Figure pct00274
)를 제어하여 중위 출력 노드(m)과 상위 출력 노드(P)에 교대로 연결될 수 있도록 배치되고, 전류는 스위치 (
Figure pct00275
)가 개방된 경우(전도되지 않음), 다이오드(
Figure pct00276
)를 통해 중간 전압 노드(
Figure pct00277
)에서부터 상위 출력 노드(P)로 흐를 수 있고, 전류는 스위치(
Figure pct00278
)가 닫혀 있는 경우(전도됨), 스위치(
Figure pct00279
)를 통해 중간 전압 노드(
Figure pct00280
) 에서부터 중위 출력 노드(m)로(또는 그 반대로) 흐를 수 있다.
하위 부스트 브리지(20)는 중위 출력 노드(m)과 하위 출력 노드(N) 사이에 연결되고(즉, 하위 출력 필터 커패시터(
Figure pct00281
)과 병렬로), 중간 전압 노드(
Figure pct00282
)가 스위치(
Figure pct00283
)를 제어하여 중위 출력 노드(m)과 하위 출력 노드(N)에 교대로 연결될 수 있도록 배치되고, 전류는 스위치(
Figure pct00284
)가 개방된 경우(전도되지 않음), 다이오드(
Figure pct00285
)를 통해 하위 출력 노드(N)에서부터 중간 전압 노드(
Figure pct00286
)로 흐를 수 있고, 전류는 스위치 (
Figure pct00287
)가 폐쇄된 경우(전도됨) 스위치(
Figure pct00288
)를 통해 중위 출력 노드(m)에서부터 중간 전압 노드(
Figure pct00289
)로(또는 그 반대로) 흐를 수 있다.
부스트 브리지들의 부스트 스위치들(
Figure pct00290
,
Figure pct00291
)은 능동적으로 스위칭 가능한 세미컨덕터 장치들이다. 도 12의 예에서는 MOSFET들이 사용된다.
입력 필터(13)의 부분(part)인 3개의 AC 커패시터들(
Figure pct00292
Figure pct00293
Figure pct00294
)은 성형 연결 형태로 위상 입력들(a, b, c)을 상호 연결한다. 일반적으로 3개의 커패시터들(
Figure pct00295
Figure pct00296
Figure pct00297
)은 AC 그리드에 대칭적으로 부하를 주기 위해 실질적으로 동일한 값을 가지는 것이 유리하다.
사용 가능한 경우 3-상 AC 그리드의 중성 컨덕터는 변환기(500)의 중성 연결 단자(n)에 연결될 수 있다. 이 중성 연결 단자(N)는 AC 커패시터들(
Figure pct00298
Figure pct00299
Figure pct00300
)의 성형-점(star-point) 및 적층된 부스트 브리지들(19, 20)의 공통 노드(m)에 추가로 연결된다(따라서 출력 필터(15)의 중간점에도 연결됨). 그 결과 완전히 대칭적인 변환기 구조가 된다.
3-상 AC 입력 전압 중 전압이 가장 높은 위상 입력(A, B, 또는 C)에 연결된 정류기단(11)의 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(A, B 또는 C)가 대응하는 위상 인덕터(
Figure pct00301
Figure pct00302
또는
Figure pct00303
)를 통해 상위 중간 전압 노드(
Figure pct00304
)에 연결되는 방식으로 스위칭된다. 그 결과, 종래의 DC/DC 부스트 변환기(상위 부스트 변환기)는 전압이 가장 높은 위상의 AC 커패시터(
Figure pct00305
Figure pct00306
또는
Figure pct00307
), 전압이 가장 높은 위상의 위상 인덕터(
Figure pct00308
Figure pct00309
또는
Figure pct00310
), 상위 부스트 브리지(19) 및 상위 출력 커패시터(
Figure pct00311
)로 형성된다. 이 상위 부스트 변환기의 입력 전압은 전압 레벨이 가장 높은 위상 입력(A, B 또는 C)의 전압 (
Figure pct00312
Figure pct00313
또는
Figure pct00314
)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(
Figure pct00315
)에 걸친 전압
Figure pct00316
(
Figure pct00317
)이다. 형성된 상위 부스트 변환기는 전압이 가장 높은 위상의 위상 인덕터(
Figure pct00318
Figure pct00319
또는
Figure pct00320
)의 전류를 제어하기 위해 특정한, 가능하면 가변적인(variable) 스위칭 주파수(switching frequency)(
Figure pct00321
)에서 스위치(
Figure pct00322
)의 PWM 변조(PWM modulation)에 의해 동작될 수 있다.
3-상 AC 입력 전압 중 전압이 가장 낮은 위상 입력(A, B, 또는 C)에 연결된 정류기단(11)의 브리지 레그는 대응하는 위상 인덕터(
Figure pct00323
Figure pct00324
또는
Figure pct00325
)를 통해 대응하는 위상 입력(A, B, 또는 C)이 하위 중간 전압 노드(
Figure pct00326
)에 연결되는 방식으로 스위칭된다. 이를 달성하기 위해 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(
Figure pct00327
Figure pct00328
또는
Figure pct00329
)를 노드(
Figure pct00330
)와 연결한다. 그 결과, 종래의 '역'(음의 입력 전압 및 음의 출력 전압) DC/DC 부스트 변환기(하위 부스트 변환기)는 전압이 가장 낮은 위상의 AC 커패시터(
Figure pct00331
Figure pct00332
또는
Figure pct00333
), 전압이 가장 낮은 위상의 위상 인덕터(
Figure pct00334
Figure pct00335
또는
Figure pct00336
), 하위 부스트 브리지(20) 및 하위 출력 커패시터(
Figure pct00337
)로 형성된다. 이 하위 부스트 변환기의 입력 전압은 최저 전압 레벨(lowest voltage level)을 가지는 위상 입력(A, B 또는 C)의 전압 (
Figure pct00338
Figure pct00339
또는
Figure pct00340
)이고, 이 하위 부스트 변환기의 출력 전압은 전체 DC 버스 전압의 마이너스 절반과 실질적으로 동일한 전압 값을 가지는 하위 출력 커패시터(
Figure pct00341
)에 걸친 전압
Figure pct00342
(
Figure pct00343
)이다. 형성된 하위 부스트 변환기는 전압이 가장 낮은 위상의 위상 인덕터(
Figure pct00344
Figure pct00345
또는
Figure pct00346
)의 전류를 제어하기 위해 특정한, 가능하면 가변적인 스위칭 주파수(
Figure pct00347
)에서 스위치(
Figure pct00348
)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)에 연결된 정류기단(11)의 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(A, B, 또는 C)이 대응하는 위상 인덕터(
Figure pct00349
Figure pct00350
또는
Figure pct00351
)를 통해 상위 중간 전압 노드(
Figure pct00352
)와 하위 중간 전압 노드(
Figure pct00353
)에 교대로 연결되는 방식으로 스위칭된다. 이를 달성하기 위해, 브리지 레그는 대응하는 위상 입력(
Figure pct00354
Figure pct00355
또는
Figure pct00356
)를 노드들(
Figure pct00357
및
Figure pct00358
)과 교대로 연결한다. 3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(
Figure pct00359
Figure pct00360
또는
Figure pct00361
)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(
Figure pct00362
)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(
Figure pct00363
Figure pct00364
또는
Figure pct00365
)와 위상 인덕터(
Figure pct00366
Figure pct00367
또는
Figure pct00368
)가, 상위 부스트 브리지(19) 및 상위 출력 커패시터(
Figure pct00369
)를 포함하고 3-상 AC 입력 전압 중 전압이 가장 높은 위상 입력(A, B 또는 C)의 위상 인덕터(
Figure pct00370
Figure pct00371
또는
Figure pct00372
)의 전류를 제어하기 위해 사용되는 상위 부스트 변환기의 부분인지, 및 어떤 AC 커패시터(
Figure pct00373
Figure pct00374
또는
Figure pct00375
)와 위상 인덕터(
Figure pct00376
Figure pct00377
또는
Figure pct00378
)가, 하위 부스트 브리지(20) 및 하위 출력 커패시터(
Figure pct00379
)를 포함하고 3-상 AC 입력 전압 중 전압이 가장 낮은 위상 입력(A, B 또는 C)의 위상 인덕터(
Figure pct00380
Figure pct00381
또는
Figure pct00382
)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(single-phase half-bridge) 전압 소스 변환기(voltage-source converter)(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(
Figure pct00383
Figure pct00384
또는
Figure pct00385
)와 나머지 위상 인덕터(
Figure pct00386
Figure pct00387
또는
Figure pct00388
)를 포함하는 나머지 스위칭 회로를 형성한다. 나머지 스위칭 회로는 두 개의 출력 커패시터들(
Figure pct00389
,
Figure pct00390
)의 직렬 연결도 포함하고, 그것은 3-상 AC 입력 전압 중 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압을 가지는 위상의 위상 인덕터(
Figure pct00391
Figure pct00392
또는
Figure pct00393
)의 전류를 제어하기 위해 사용된다.
제어기(40)는 최소 절대 순간 전압(3-상 AC 입력 전압의 최고 전압과 최저 전압 사이의 전압)을 가지는 AC 위상 입력이 펄스 폭 변조를 통해 인가되는 브리지 레그를 동작시켜 이 위상을 상위 및 하위 중간 노드(x 및 y)에 교대로 연결하도록 구성된다.
변환기(100)와 유사하게, 전기 변환기(500)의 제어기(40)는 전술한 바와 같이 모드 II 동작으로 구현될 수 있다. 모드 II 동작에서, 부스트 브리지 레그(19, 20)는 동작하지 않고 제1 변환기단은 정상적으로 동작한다. 도 12b를 참조하면, 모드 II 동작은 변환기(100)에 대해 획득될 수 있는 것과 유사한 감소된 전압을 획득할 수 있게 한다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 동작 모드들로 구현될 수 있는 대안적인 적절한 변환기 토폴로지들은 WO 2020/035527에 기술되어 있다.
도 14를 참조하면, 배터리 충전 시스템(700)은 전원 공급 유닛(704)을 포함한다. 전원 공급 유닛(704)은 일 측에서 단자들(A, B, C)을 통해 AC 그리드에 연결되고 다른 측에서(단자들(P', N')에서) 예를 들어 전원 공급 유닛(704)를 배터리(703)에 연결할 수 있게 하는 스위치 장치를 포함하는 인터페이스(702)에 연결된다. 전원 공급 유닛(704)은 제1 및 제2 변환기단 및 본 시스템에서 DC-DC 변환기인 제3 변환기단(701)을 가지는 전술한 바와 같은 전기 변환기(100) 중 어느 하나를 포함한다. 전원 공급 유닛(704)은 무선 전원 전달(wireless power transfer)(미도시)의 경우와 같이 공기를 통해 유도 접속되는 한 쌍의 코일(coil)들을 더 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 인터페이스(702)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)에서) 제공될 수 있다.

Claims (13)

  1. 3개의 위상 전압들을 가지는 AC 신호를 DC 신호로 변환하기 위한 전기 변환기(100, 200, 300, 400, 500)에 있어서,
    3개의 위상 단자들(A, B, C),
    제1 DC 단자(P),
    제2 DC 단자(N),
    제1 변환기단(11),
    제2 변환기단(12),
    링크,
    전류 주입 회로, 및
    제어기(40)
    를 포함하고,
    상기 제1 변환기단(11)은.
    상기 3개의 위상 단자들에 동작 가능하게 접속되고,
    제1 중간 노드(x) 및 제2 중간 노드(y)를 포함하고,
    상기 제1 변환기단(11)은.
    상기 적어도 3개의 위상 단자들에서의 상기 AC 신호와 상기 제1 중간 노드(x) 및 상기 제2 중간 노드(y)에서의 제1 신호 사이를 변환하도록 구성되고,
    상기 제2 변환기단(12)은,
    상기 제1 DC 단자(P) 및 상기 제2 DC 단자(N)에 동작 가능하게 접속되고,
    제3 중간 노드(r) 및 제4 중간 노드(s)를 포함하고,
    상기 제2 변환기단(12)은,
    부스트 회로(19, 20)를 포함하고,
    상기 부스트 회로(19, 20)는,
    상기 제3 중간 노드(r) 및 상기 제4 중간 노드(s)에서의 제2 신호와 상기 제1 DC 단자(P) 및 상기 제2 DC 단자(N)에서의 상기 DC 신호 사이를 변환하도록 동작 가능하고,
    상기 부스트 회로(19, 20)는,
    적어도 하나의 제1 능동 스위치(
    Figure pct00394
    ,
    Figure pct00395
    )를 포함하고,
    상기 링크는,
    상기 제1 중간 노드(x)를 상기 제3 중간 노드(r)에 연결하고,
    상기 제2 중간 노드(y)를 상기 제4 중간 노드(들)에 연결하고,
    상기 전류 주입 회로는,
    제2 능동 스위치를 통해,
    상기 적어도 3개의 위상 단자들 중 가장 작은 절대 순간 전압 값을 가지는 위상 단자와 상기 제1 DC 단자(P) 및 상기 제2 DC 단자(N) 사이, 또는
    가장 작은 절대 순간 전압 값을 가지는 위상 단자와 상기 제1 중간 노드 및 상기 제2 중간 노드 사이
    를 연결하도록 동작 가능하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 적어도 하나의 제1 능동 스위치(
    Figure pct00396
    ,
    Figure pct00397
    ) 및 상기 제2 능동 스위치가 펄스 폭 변조를 통해 동작되는 제1 동작 모드로 구현되고,
    상기 전기 변환기는,
    제3 변환기단을 더 포함하고,
    상기 제3 변환기단은,
    상기 제1 DC 단자(P) 및 상기 제2 DC 단자(N)에 동작 가능하게 접속되고,
    상기 제1 DC 단자 및 상기 제2 DC 단자에서의 상기 DC 신호를 적어도 2개의 제3 단자들(P', N')에서의 제4 신호로 변환하도록 동작 가능하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 제3 중간 노드(r) 및 상기 제4 중간 노드(s)가 상기 제1 DC 단자(P) 및 상기 제2 DC 단자(N)에 각각 연속적으로 연결되는 제2 동작 모드로 구현되어, 상기 제2 변환기단(12)이 동작하지 않고, 상기 제2 능동 스위치들이 펄스 폭 변조를 통해 동작하고, 상기 제3 변환기단이 정전력 모드에서 동작하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 DC 단자 및 상기 제2 DC 단자에서 세트 또는 측정된 전압을 나타내는 제3 신호를 수신하기 위한 제1 입력을 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 AC 신호의 순간 전파 정류 전압 값을 나타내는 임계값을 결정하고, 상기 제3 신호와 상기 임계값 사이의 비교에 기초하여 상기 제2 동작 모드에서 동작하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제3 신호가 상기 임계값 이하인 경우에 상기 제2 동작 모드에서 동작하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 부스트 회로(19, 20)의 간헐적 동작(intermittent operation)에 의해 상기 제1 동작 모드 및 상기 제2 동작 모드 사이에서 전환(transition)하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 변환기단은,
    적어도 하나의 DC/DC 변환기(26) 또는 DC/AC 변환기를 포함하는,
    전기 변환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 변환기단은,
    갈바닉 절연 DC/DC 변환기(26)를 포함하는,
    전기 변환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스트 회로는,
    상기 제1 DC 단자(P)와 상기 제2 DC 단자(N) 사이에 적층된 제1 부스트 회로(19) 및 제2 부스트 회로(20)를 포함하고,
    상기 제1 부스트 회로 및 상기 제2 부스트 회로는,
    공통 노드(m)를 포함하고,
    상기 제1 부스트 회로 및 상기 제2 부스트 회로의 각각은,
    상기 제1 능동 스위치(
    Figure pct00398
    ,
    Figure pct00399
    ) 중 적어도 하나를 포함하는,
    전기 변환기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전기 변환기(100, 200, 300, 400)에 있어서,
    상기 전류 주입 회로는,
    상기 3개의 위상 단자들을 제5 중간 노드(z)에 선택적으로 연결하도록 구성된 제3 능동 스위치들(
    Figure pct00400
    ,
    Figure pct00401
    ,
    Figure pct00402
    )을 포함하는 위상 선택기(25)를 포함하고,
    상기 제2 능동 스위치들(
    Figure pct00403
    ,
    Figure pct00404
    )은,
    상기 제5 중간 노드(z)를 상기 제1 DC 단자(P) 및 상기 제2 DC 단자(N)에 연결하도록 동작 가능하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 3개의 위상 전압들 중 절대 순간 전압 값이 가장 작은 위상 단자가 상기 제5 중간 노드(z)에 연속적으로 연결되는 스위칭 패턴에 따라 제3 능동 스위치들의 스위칭을 제어하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 제어기(40)는,
    펄스 폭 변조에 의해 상기 제2 능동 스위치(
    Figure pct00405
    ,
    Figure pct00406
    )를 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전기 변환기(500)에 있어서,
    상기 제1 변환기단은,
    상기 3개의 위상 단자들에서의 상기 AC 신호와 상기 제1 중간 노드(x) 및 상기 제2 중간 노드(y)에서의 상기 제1 신호 사이를 변환하기 위한 3개의 능동 브리지 레그들을 포함하는 브리지 변환기를 포함하고,
    상기 제어기(40)는,
    상기 전류 주입 회로의 상기 제2 능동 스위치로서 작용하기 위해, 펄스 폭 변조를 통해 절대 순간 전압 값이 가장 작은 상기 AC 신호의 상기 위상 전압에 대응하는 3개의 능동 브리지 레그들 중 능동 브리지 레그를 동작시키도록 구성되고,
    상기 제1 신호는,
    상기 제2 신호인,
    전기 변환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 브리지 변환기는,
    순간 전압 값이 가장 높은 상기 AC 신호의 상기 위상에 대응하는 상기 위상 단자가 상기 제1 중간 노드에 연속적으로 연결되고, 순간 전압 값이 가장 낮은 상기 AC 신호의 상기 위상에 대응하는 상기 위상 단자가 상기 제2 중간 노드에 연속적으로 연결되도록 구성되는,
    전기 변환기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전기 변환기를 포함하는 전원 공급기(power supply)를 포함하는 배터리 충전 시스템.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전기 변환기를 포함하는 전원 공급 장치를 포함하는 전기 모터 구동 시스템.
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