KR20230052286A - 모듈식 재구성 가능한 전기 ac/dc 변환기 - Google Patents

모듈식 재구성 가능한 전기 ac/dc 변환기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230052286A
KR20230052286A KR1020237009042A KR20237009042A KR20230052286A KR 20230052286 A KR20230052286 A KR 20230052286A KR 1020237009042 A KR1020237009042 A KR 1020237009042A KR 20237009042 A KR20237009042 A KR 20237009042A KR 20230052286 A KR20230052286 A KR 20230052286A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
converter
modules
terminal
phase
electrical
Prior art date
Application number
KR1020237009042A
Other languages
English (en)
Inventor
요한 발터 코라
데이비드 멘지
요르디 에베르츠
Original Assignee
프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이. filed Critical 프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이.
Publication of KR20230052286A publication Critical patent/KR20230052286A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10—Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from ac or dc
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0043—Converters switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/2173—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a biphase or polyphase circuit arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/23—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only arranged for operation in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/81—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal arranged for operation in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/30—AC to DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

전기 변환기(10)는 복수의 AC 단자들, 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자, 및 복수의 변환기 모듈들(11)을 포함한다. 복수의 변환기 모듈들의 각각은 AC 노드를 포함한다. 제2 DC 단자는 복수의 변환기 모듈들의 공통 노드를 형성한다. 상기 복수의 변환기 모듈들의 상기 AC 노드들과 상기 복수의 AC 단자들 사이의 연결은, 상기 전기 변환기가, 제1 복수의 위상 전압들을 가지는 제1 AC 신호와 상기 DC 신호 사이를 변환하는 제1 동작 모드에 따라, 및 단상 전압을 가지는 제2 AC 신호와 상기 DC 신호 사이를 변환하는 제2 동작 모드에 따라, 동작하도록 재구성 가능하고, 변환기 모듈들은, 제1 그룹들(101, 102, 103)로 그룹화되고, 상기 제2 동작 모드에서 제2 그룹들로 재배치된다. 전기 변환기는 제1 그룹들 및 제2 그룹들의 동일한 그룹에 할당된 다수의 변환기 모듈들을 병렬로 동작시키도록 구성된다.

Description

모듈식 재구성 가능한 전기 AC/DC 변환기
본 발명은 전기 AC/DC 변환기(electrical AC/DC converter)에 관한 것으로, 단상(single phase) 및 3상(three phase) AC-DC 동작을 모두 가능하게 한다. 특히, 본 발명은 벅(buck) 및 부스트 기능(boost capability)을 허용하는 전기 변환기(electrical converter)들에 관한 것이다.
전기차(Electric Vehicle)(EV)들의 추가 확산(further proliferation)을 지원(support)하기 위해, 유로피안 3-상 그리드(European three-phase grid)(예: 400Vrms 선간 전압(line-to-line voltage)) 및 미국 아메리칸 분할 단상 그리드(US American split single-phase grid)(예: 2x120 Vrms 상전압(line-to-neutral voltage)의 분할 단상 연결을 위한 240 Vrms Vrms 선간 전압)에 연결된 경우, 배터리 충전기 시스템(battery charger system)들은 공칭 전력 동작(nominal power operation)을 모두 허용해야 한다. 또한 충전 시스템(charging system)들은 벅-부스트 기능(buck-boost capability)이 필요한 다양한 EV 배터리 공칭 전압(EV battery nominal voltage)들과의 호환성(compatibility)을 허용하기 위해 일반적으로(typically) 400V - 750V의 넓은 DC 출력 전압 범위를 커버(cover)해야 한다.
일반적인 3-상 정류기 시스템(three-phase rectifier system)은 하나의 위상 단자를 (제1) 선 도체(line conductor)에 연결하고 제2 위상 단자를 중성(neutral)/제2 선 도체에 연결하여 단상 그리드(single-phase grid)에서 동작시킬 수 있고, 여기서 하나의 위상 단자는 연결되지 않는다. 결과적으로, 이용(employ)된 구성요소(component)들을 과대화(overdimension)하지 않고, 단상 동작(single-phase operation)에서 공칭 출력 전력(nominal output power)의 약 1/3만 제공될 수 있다.
WO 2020/079019는 3-상 및 단상 동작을 모두 허용하는 AC/DC 변환기 토폴로지(AC/DC converter topology)를 개시한다. 단상 동작에서, 정류기(rectifier)의 3개의 위상들은 병렬로 동작하고 선 도체에 연결되고, 중성 도체(neutral conductor)는 저주파 언폴더 브리지 레그(low-frequency unfolder bridge-leg)에 연결된다. 단상 동작에서 코어 포화(core saturation)를 방지하려면 4상 공통 모드 초크(four phase common mode choke)가 필요하다. 따라서 이 토폴로지(topology)는 3-상 및 단상 동작 모두에서 전체 전력 변환(full power conversion)을 허용한다. 그러나, 이 토폴로지는 벅 또는 부스트 동작으로 제한되는 단일-단(single-stage) 역률 보정(Power Factor Correction)(PFC) 정류기를 포함하고, 따라서 넓은(wide) DC 출력 전압 범위(DC output voltage range)를 준수(comply)하기 위해 추가(additional) DC/DC 변환기 단(DC/DC converter stage)이 필요하다.
Antivachis M. 외, Three-Phase Buck-Boost Y-Inverter with Wide DC Input Voltage Range, Proc. of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1492-1499, March 2018은 추가 DC/DC 변환기 단 없이 3-상 부스트 및 벅 동작이 가능하여 초소형 및 고효율 변환기 실현(realization)을 가능하게 하는 위상 모듈식(phase-modular) 3-모듈(three-module) Y-인버터(Y-Inverter)를 개시한다. 그러나 Y-인버터는 3-상 동작만 허용한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 AC/DC 변환기들에 비해 개선된 시스템 성능으로 및 가능하게는 감소된 하드웨어 카운트(reduced hardware count)로 및/또는 구성요소 과대화의 필요성 없이 3-상 및 단상 AC/DC 변환을 모두 허용하는 전기 AC/DC 변환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 3-상 및 단상 동작에서 모듈성(modularity)을 유지할 수 있게 하는 위의 유형의 전기 변환기(Electrical converter)를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 전기 변환기가 제공된다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 전기 변환기들은 AC 신호와 DC 신호 간의 변환을 위해 동작 가능하고, 정류기 동작, 인버터 동작 또는 둘 다, 즉 양방향 전력 흐름(bidirectional power flow)에 유리하게 사용된다.
본 발명에 따른 전기 변환기는 복수의 AC 단자(terminal)들, 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자 및 복수의 변환기 모듈(converter module)들을 포함한다. 복수의 변환기 모듈들의 각각은 AC 노드(node), 제1 스위치 노드(switch node)를 포함하는 제1 변환기 단(converter stage), 제2 스위치 노드를 포함하는 제2 변환기 단, 제1 인덕터(inductor) 및 제1 커패시터(capacitor)를 포함한다. 제1 스위치 노드 및 제2 스위치 노드는 제1 인덕터의 반대쪽 단자(opposite terminal)들에 연결된다. AC 노드와 제2 DC 단자는 제1 커패시터의 반대쪽 단자들에 연결되어 제2 DC 단자가 복수의 변환기 모듈들의 제1 커패시터들의 공통 노드(common node)를 형성한다. 복수의 변환기 모듈들의 AC 노드들과 복수의 AC 단자들 사이의 연결은 전기 변환기가 제1 동작 모드(mode of operation) 및 제2 동작 모드에 따라 동작하도록 재구성 가능(reconfigurable)하다. 제1 동작 모드는 제1 복수의 p1개(p1
Figure pct00001
2)의 위상 전압(phase voltage)들을 가지는 제1 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하도록 구성된다. 제2 동작 모드는 단상 전압(single-phase voltage) 또는 제2 복수의 p2개의 위상 전압들을 가지는 제2 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하도록 구성되어, 제1 동작 모드에서 DC 신호와 제1 AC 신호 사이의 변환에 기여(contribute)하는 복수의 변환기 모듈들이 제2 동작 모드에서 활성 용량성 에너지 저장 장치(active capacitive energy storage) 또는 제2 AC 신호와 DC 신호 간의 변환에 기여하도록 한다.
본 발명에 따른 전기 변환기는 AC 단자들과 DC 단자들 사이에서 병렬 그룹(parallel group)들로 동작하도록 구성된 복수의 변환기 모듈들을 포함하는 모듈식 구조(modular structure)를 특징으로 한다. AC 그리드 전류는 변환기 모듈들 간에 공유되어 각 변환기 모듈을 모듈 방식(modular fashion)으로 개별적으로 제어할 수 있다. 본 발명의 전기 변환기들의 한 가지 이점은 모듈성의 손실 없이, 3-상 및 단상 동작 사이에서 스위칭하는 경우에 병렬 변환기 모듈들의 그룹들을 재배치(rearrange)하는 것에 의해 변환기가 재구성될 수 있다는 것이다. 이 모듈식 접근 방식을 통해 스위칭 손실들을 줄이고 구성요소의 과대화를 제거할 수 있다.
본 발명의 추가 측면에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 전기 배터리 충전 시스템(Battery charging system)이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하는 방법이 설명된다. 제1 동작 모드에서, 방법은 복수의 변환기 모듈들을 구성하는 것을 포함하고 제1 복수의 p1개(p1
Figure pct00002
2, 유리하게는 p1
Figure pct00003
3)의 위상 전압들을 가지는 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하는 것을 포함한다. 제2 동작 모드에서, 방법은 복수의 변환기 모듈들을 재구성하는 것을 포함하고, 단상 전압(single-phase voltage) 또는 제2 복수의 p2개의 위상 전압들을 가지는 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하는 것을 포함한다.
유리하게는, 복수의 변환기 모듈들은, 적어도 p1k개의 변환기 모듈들이고, k는 2 이상의 양의 정수이다. 제1 동작 모드에서, p1k개의 변환기 모듈들은, 제1 복수의 p1개(p1
Figure pct00004
2)의 위상 전압들을 가지는 제1 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하기 위해, p1개의 제1 그룹(group)들로 그룹화(group)된다. 제2 동작 모드에서, p1k개의 변환기 모듈들은, 적어도 2개의 제2 그룹들로 재배치(rearrange)된다. 제1 그룹들 및 제2 그룹들 중 동일한 그룹에 할당(assign)된 변환기 모듈들은 병렬로(in parallel) 동작한다.
본 발명의 측면들은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이며, 동일한 참조 번호들은 동일한 특징들을 예시한다.
도 1은 각각의 3개의 위상 단자들에 연결된 2개의 병렬 모듈들의 3개 그룹들을 가지는 3-상 AC 그리드에 연결된 본 발명에 따른 6-모듈 Y-변환기(정류기)의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 6-모듈 Y-변환기가 선 도체 및 중성 도체에 연결된 3개의 병렬 모듈들의 2개 그룹들을 가지는 단상 AC 그리드에 연결된 것을 나타낸다.
도 3은 도 1 및 도 2의 변환기에 대한 빌딩 블록으로서 사용되는 변환기 모듈을 나타낸다.
도 4는 순간 입력-출력 전압 비율에 따른 도 3의 변환기 모듈의 벅 및 부스트 단의 듀티 사이클 결과를 나타낸다.
도 5a-d는 평균 시스템 출력 전력
Figure pct00005
(
Figure pct00006
= 6.6 kW) 및 400V의 DC 전압에 대한 3-상 동작에서 도 1의 전기 변환기의 주요 파형들을 나타낸다. 도 5a는 AC 단자 전압 및 DC 단자 전압을 나타낸다. 도 5b는 도 3의 단일 변환기 모듈의 벅 단(A) 및 부스트 단(B)의 듀티 사이클(duty cycle)을 나타낸다. 도 5c는 2개의 병렬 변환기 모듈들이 위상 전류를 동등하게 공유할 때 위상 단자 및 변환기 모듈 전류들을 나타낸다. 도 5d는 시스템 순간 및 평균 전력을 나타낸다.
도 6a-d는 평균 시스템 출력 전력
Figure pct00007
(
Figure pct00008
= 6.6kW) 및 400V의 DC 전압에 대한 단상 동작에서 도 2의 전기 변환기의 주요 파형들을 나타낸다. 도 6a는 AC 단자 전압 및 DC 단자 전압을 나타낸다. 도 6b는 선 단자(g)에 연결된 도 3의 단일 변환기 모듈의 벅 단(A) 및 부스트 단(B)의 듀티 사이클들을 나타낸다. 도 6c는 3개의 병렬 변환기 모듈들이 동일하게 선 전류를 공유하는 경우에 선 단자(g)에 연결된 변환기 모듈의 전류들 및 위상 단자를 나타낸다. 도 6d는 시스템 순간 및 평균 전력을 나타낸다.
도 7은 400V의 DC 전압 및 AC-측 단자 전압들에 대한 시변 오프셋 전압(time-varying offset voltage)을 가지는 단상 동작에서 도 2의 전기 변환기의 AC 및 DC 단자 전압 파형들을 나타낸다.
도 8은 400V의 DC 전압 및 AC-측 단자 전압에 대한 최소 일정한 오프셋 전압(minimum constant offset voltage)을 가지는 단상 동작에서 도 2의 전기 변환기의 AC 및 DC 단자 전압 파형들을 나타낸다.
도 9는 400V ~ 650V의 넓은 DC 전압 범위 내에서 6.6kW의 일정한 시스템 전력에 대한 DC 출력 전압 및 전류 범위를 나타낸다.
도 10은 3-상 및 단상 동작 모두에서 도 1 및 2의 전기 변환기를 동작시키기 위한 제어 유닛의 예시적인 실시예를 나타낸다. 제어 유닛은 계단식 제어 구조(cascaded control structure)를 구현하고 가능한 측정(measurement)들이 지시된다.
도 11a는 각 그룹 내의 변환기 모듈들의 입력 커패시터들의 AC-측 단자가 3-상 동작으로 상호 연결된 도 1의 전기 변환기를 나타낸다. 도 11b는 각 그룹 내의 변환기 모듈들의 입력 커패시터들의 AC-측 단자가 단상 동작으로 상호 연결된 도 2의 전기 변환기를 나타낸다.
도 12a는 변환기 모듈들이 단상 동작에서 동일하지 않은 수의 변환기 모듈들의 그룹들로 그룹화된 도 2의 전기 변환기를 나타낸다. 도 12b는 변환기 모듈들의 그룹들이 도 12a에서와 같이 구성되고 AC 필터 구조가 도 2에서와 같이 구성되는 도 2의 전기 변환기를 나타낸다.
도 13은 단상 동작에서 도 12a의 전기 변환기의 부스트 동작에 대한 단자 전압 파형들을 나타낸다.
도 14는 단상 동작에서 도 12a의 전기 변환기의 벅 및 부스트 동작에 대한 단자 전압 파형들을 나타낸다.
도 15a는 3-상 그리드에 연결된 본 명세서에 기술된 바와 같은 또 다른 전기 변환기를 나타내며, 여기서 하나의 변환기 모듈은 전력 맥동 버퍼로서 작용(act)할 수 있다. 도 15b는 단상 그리드에 연결된 도 15a의 전기 변환기를 나타내며, 두 개의 변환기 모듈들은 각각의 위상 단자들에 연결되고 제3 변환기 모듈은 그리드로부터 연결 해제(disconnect)되어 전력 맥동 버퍼로서 작용한다.
도 16a는 도 15a의 전기 변환기를 나타내며, 전력 맥동 버퍼로서 작용하는 변환기 모듈의 대안적인 구성을 갖는다. 도 16b는 단상 그리드에 연결된 도 16a의 전기 변환기를 나타내고 전력 맥동 버퍼로서 작용하는 변환기 모듈의 스위칭 가능한 연결들을 도시한다.
도 17은 본 명세서에 기술된 바와 같은 전기 변환기를 포함하는 배터리 충전 시스템을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 측면에 따른 전기 변환기(Electrical converter)(10)는 3상 동작의 경우(도 1) a, b, c 또는 단상 동작의 경우(도 2) g, N으로서 표시되는 위상 단자들을 가지는 AC 인터페이스 사이에 배치된 가능한 동일한 복수의 변환기 모듈들(11)을 포함하고, g는 선을 나타내고 N은 중립 연결 단자들을 나타낸다. 따라서 전기 변환기(10)는 3-상 AC-DC 변환 및 단상 AC-DC 변환 모두에서 동작할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 전기 변환기(10)는 모두 음의 DC 단자(DC-)에 연결되는 음의 DC 링크 레일(negative DC link rail)(n)을 참조하는(reference) 6개의 변환기 모듈(11)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이 3-상 동작에서, 2개의 변환기 모듈들(11)은 각각의 위상 단자(a, b, c)에 병렬로 연결되어 각각 2개의 병렬 변환기 모듈들의 3개의 그룹들(101, 102, 103)을 형성한다. 중성 단자(N)은 변환기 모듈들이나 음의 DC 단자에 연결되지 않는 것이 유리하다. 각각의 그룹(101, 102, 103)의 2개의 변환기 모듈들은 바람직하게 각각의 위상 전류(i a , i b , i c ), 즉 위상 a: i 1 = i a /2에 연결된 그룹(103)의 변환기 모듈들에 대해 동등하게 공유한다. 도 2에 도시된 바와 같은 단상 동작에서, 전기 변환기(10)는 3개의 변환기 모듈들(11)이 각각의 단자 g(그리드 선) 및 N(중성 선)에 병렬로 연결되도록 재구성되어, 각각 3개의 병렬 변환기 모듈들(11)의 2개의 그룹들(104, 105)을 형성한다. 단상 그리드 전류 i g 는 그들 사이에서 유리하게 균등하게 공유되며 i 1 = i g /3이다.
보다 일반적으로, 전기 변환기는 p1 x k 모듈들, 유리하게는 p1 x p2 x k 모듈들을 포함하고, 여기서 p1, p2 및 k는 양의 정수들(
Figure pct00009
)이고 유리하게는 p1 > p2이고, 전기 변환기는 p1 위상 전압들을 가지는 제1 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하기 위한 제1 동작 상태와 p2 위상 전압들을 가지 제2 AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하기 위한 제2 동작 상태 사이에서 재구성 가능하다. 도 1 및 도 2의 예에서 k=1, p1 = 3 및 p2 = 2이다. 이 두 동작 상태들 사이의 재구성은 제1 동작 상태에서 p2 k 병렬 동작 변환기 모듈들의 p1 그룹들에 및 제2 동작 상태에서 p1 k 병렬 동작 변환기 모듈들의 p2 그룹들에 변환기 모듈들을 배치하는 것에 의해 이루어진다. p1 x p2 x k 모듈들의 존재(presence)는 변환기 구성에 대한 자유도(freedom)를 나타내고, 변환기 모듈들은 p1- 또는 p2-위상 동작이 수행되는지 여부에 따라 재그룹화되어 두 경우들 모두 전력 변환을 위해 모든 모듈들의 활용을 허용한다. 재구성은 기계적 접촉 스위치(mechanical contact switch)들 또는 릴레이(relay)들을 통해 수동 또는 자동으로 수행될 수 있다.
모든 그룹들의 변환기 모듈들(단상 및 3-상 동작 모두)은 단자들이 양의 DC 단자 DC+ 및 음의 DC 단자 DC-에 각각 연결된 DC 링크 커패시터(C dc )에 병렬로 연결된다.
3-상 및 단상 동작 모두에서 전자기 간섭(electromagnetic interference)(EMI) 방출 표준(emission standard)들을 준수하기 위해 전기 변환기의 AC 측에 적합한 필터 구조(14)가 제공될 수 있다. 필터 구조(14)는 유리하게 공통 모드(common mode)(CM) 필터를 포함한다. 공통 모드 필터(common mode filter)는 유리하게는 변환기 모듈들의 수와 동일한 수의 권선들을 가지는 공통 모드 초크(L CM )를 포함하거나 구성될 수 있으며, 예를 들어 6-변환기 모듈 전기 변환기(10)에 대해 L CM 은 6-권선 초크이다. 추가로 또는 대안적으로, 차동 모드 필터(differential mode filter)가 당업계에 공지된 바와 같이 제공될 수 있다. 따라서 필터 구조(14)는 공통 모드 커패시터(common mode capacitor)들(C CM ), 차동 모드 커패시터(differential mode capacitor)들(C DM ), 차동 모드 인덕터(differential mode inductor)들(L DM ) 및 공통 모드 인덕터(common mode inductor)들(L CM ) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 변환기 모듈(11) 중 하나가 도 3에 분리된 도면으로 도시되어 있다. 변환기 모듈(11)은 2개의 단들(12 및 13)을 포함한다. 제1 단(12)은 AC-측 커패시터(C)에 걸쳐 연결되고 스위치 노드(A)를 포함한다. AC-측 커패시터(C)는 AC 노드(a1)와 음의 DC 링크 레일(n) 사이에 연결된다. 제1 단(12)은 커패시터(C)의 반대쪽 단자들(즉, AC 노드(a1) 및 음의 DC 링크 레일(n))을 스위치 노드(A)에 각각 연결하는 활성 스위치들(T1 및 T2)를 가지는 하프 브리지(half-bridge)와 같은 적절한 변환 회로(conversion circuitry)를 포함한다. 도 3에서, 전기 변환기(10)의 필터 구조(14)(도 1)의 각각의 분기(branch)가 생략된다. 그러나, 변환기 모듈의 위상 단자(a)와 AC 노드(a1) 사이에 임의의 적절한 필터 분기가 연결될 수 있음이 명백할 것이다.
제2 단(13)은 양의 DC 링크 노드(p)와 음의 DC 링크 레일(n) 사이에 연결되고 스위치 노드(B)를 포함한다. 제2 단(13)은 양의 DC 링크 레일(노드(p)) 및 음의 DC 링크 레일(n)을 스위치 노드(B)에 각각 연결하는 활성 스위치들(T3 및 T4)을 가지는 하프 브리지와 같은 적절한 변환 회로를 포함한다.
스위치 노드들(A 및 B)는 물리적(physical) 인덕터 (L)의 반대쪽 단자들에 연결된다.
토폴로지는 각 변환기 모듈(11)이 노드 a1의 AC 신호와 노드 p와 n 사이의 DC 신호 간의 벅-부스트 AC/DC 변환을 독립적으로 수행할 수 있게 한다. 아래에서 자세히 설명하겠지만, 제1 단(12)은 벅 변환기 동작이 필요한 경우에 동작하고, 제2 단(13)은 부스트 변환기 동작이 필요하는 경우에 동작한다. 벅 단 및 부스트 단은 상호 배타적인 방식(mutually exclusive fashion)으로 유리하게 동작되며, 즉, 2개의 단들(12, 13) 중 하나만이 한 시점(point of time)에서 펄스 폭 변조되고, 다른 단은 스위치 노드(A, B)가 각각의 AC 노드(a1) 및 양의 DC 링크 노드(p)에 각각 고정(clamp)되어 있음을 의미한다. 이렇게 하는 것에 의해 단일 단 고주파 에너지 변환이 획득될 수 있어 성능 향상으로 이어진다.
제1 단(12) 및/또는 제2 단(13)의 하프 브리지들은 단일 단 벅 또는 부스트 AC/DC 변환을 획득할 수 있는 임의의 다른 적합한 변환 회로로 대체될 수 있다는 점에 유의하는 것이 편리할 것이다. 적합한 변환 회로의 한 예는 2020년 7월 30일에 출원된 네덜란드 특허 출원 번호 2026176에 설명된 것과 같은 (다중-레벨(multi-level)) 플라잉 커패시터 회로(flying capacitor circuit)이며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 3을 참조하면, 단일-단 고주파 에너지 변환(single-stage high-frequency energy conversion)을 달성하기 위해, 변환기 모듈(11)은 순간 변조 깊이 m(t) = u an(t)/U dc(즉, 입력-출력 전압 비율)에 따라 두 개의 가능한 동작 모드들(부스트 동작 및 벅 동작) 중 하나에서 작동(work)한다.
(AC 단자 a에 연결된 변환기 모듈(11)의) 부스트 동작 모드는 각각의 위상 입력 전압 u an이 U dc보다 낮은 경우에 선택된다. 벅 브리지-레그(buck bridge-leg)(단(12))의 상부 스위치(upper switch)(T 1 )은 영구적으로 켜져 있으므로 단 12의 스위치 노드 A는 AC 단자 전압에 고정된다. 부스트 단(13)은 펄스 폭 변조(pulse width modulation)(PWM)를 통해 제어되어 스위치 노드(B)의 전압이 AC 단자 전압과 동일한 로컬 평균 값(local average value)(즉, 하나의 펄스 주기(pulse period)에 걸쳐 평균됨)을 갖는다. 이 동작 모드에서, 2차 입력 필터(second order input filter)는 위상 인덕터(L) 및 AC-측 커패시터(C)에 의해 유리하게 형성된다.
u an이 U dc를 초과하면 벅 동작 모드가 선택된다. 부스트 브리지-레그(boost bridge-leg)(단(13))의 상부 스위치(T 3 )는 영구적으로 켜져 있고 부스트 단(13)의 스위치 노드(B)는 양의 DC 링크 레일(노드(p))에 고정된다. 단(12)는 이제 스위치 노드(A)의 전압이 DC 전압(Udc)와 동일한 로컬 평균값을 갖도록 AC 단자 전압을 낮추기 위해 PWM 동작된다. 이 동작 모드에서, AC-측 커패시터(C)만이 입력 필터로서 작용하고 인덕터 전류(i L1)은 상승된 기본(elevated fundamental)(로컬 평균) 전류(
Figure pct00010
)를 나타낸다.
벅 단(12)의 활성 스위치들(T1, T2) 및 부스트 단(13)의 T3, T4는 바람직하게는 반도체 스위칭 장치들, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)(FET)들, 특히 MOSFET 장치들이다.
따라서, 변환기 모듈(11)의 단들(12, 13)은 다음과 같이 정의될 수 있는 벅 단(12)의 시변 듀티 사이클(time varying duty cycle)들(d A) 및 부스트 단(13)의 d B로 동작된다:
Figure pct00011
Figure pct00012
듀티 사이클들은 도 4에 그래프로 도시된다. 이러한 듀티 사이클들은 각각 벅 및 부스트 단들(12, 13)의 상호 배타적인 고주파 동작(high-frequency operation)을 보장한다. 또한, 도 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 듀티 사이클들(d A 및 d B) 모두 유리하게는 연속적이어서 단순한 제어 구조(simple control structure)를 허용하고 변조 영역(modulation region)들의 전환(changeover) 동안 일시적인 발진(transient oscillation)을 피한다.
다시 도 1을 참조하면, 3-상 동작에서, 전기 변환기(10)는 6개의 변환기 모듈들(11)이 병렬로 동작하고 3개의 위상 단자들(a, b, c)의 각각의 하나에 연결되는 각각의 2개의 변환기 모듈들의 3개의 그룹들(101-103)로 그룹화되도록 구성된다. 각 그룹(101-103)의 2개의 변환기 모듈들(11)은 동일하고 따라서 예를 들어 위상 a에 대해 각각의 위상 전류를 동등하게 공유한다:
Figure pct00013
. 정류기 동작에서, 변환기 모듈들은 위에 지시된 대로 위상 전류의 절반으로 독립적으로 동작한다. 목표 평균 출력 전력(desired average output power)
Figure pct00014
과 동일한 일정한 순간 전력(constant instantaneous power) P가 그리드로부터 인출된다. 유리하게, 2개의 병렬 변환기 모듈들은 360°/2k = 180° 위상 편이 PWM 캐리어(phase-shifted PWM carrier)들과 함께 제공되어 단들(12 및 13)의 활성 스위치들의 인터리브된 동작(interleaved operation)을 가능하게 하고 고주파 EMI 방출(emission)들을 감소시킨다.
도 5a-d를 참조하면, AC 단자와 음의 DC 링크 레일(n) 사이의 전압들, 즉 u an으로 표시되는 커패시터(C) 사이의 전압들(다른 두 위상들(b, c)에 대해: u bn 및 u cn)은 절대적으로(strictly) 양(positive)이므로 변환기 모듈들이 DC/DC 변환기들로서 동작할 수 있다. 공통 모드 오프셋 u CM = 1/3(u an + u bn + u cn)에는 대응하는 전류 경로(current path)가 없으므로, 정현 그리드 전류(sinusoidal grid current)들(i a , i b , i c)이 조절(regulate)될 수 있다. u CM은 절대적으로 양의 단자 전압(strictly positive terminal voltage)들의 요건(requirement)에 의해서만 제한되며 예를 들어 불연속 펄스 폭 변조(Discontinuous Pulse Width Modulation)(DPWM)을 활성화하기 위해 사용될 수 있으므로 스위칭 작업(switching action)들의 수를 33%까지 줄일 수 있어 반도체 스위칭 손실(semiconductor switching loss)들을 크게 감소시킨다. 평균 시스템 출력 전력(average system output power)
Figure pct00015
= 6.6kW 및 400V의 DC 전압에 대한 주요 변환기 파형(main converter waveform)들이 도 5a-d에 도시되어 있다.
다시 도 2를 참조하면, 단상 동작에서, 전기 변환기(10)는 6개의 변환기 모듈들(11)이 3개의 병렬 변환기 모듈들의 2개의 그룹들(104, 105)로 그룹화되도록 구성된다. 그룹(105)의 변환기 모듈들은 선(line)(g)에 연결되고 그룹(104)의 변환기 모듈들은 그리드의 중성 단자(N)에 연결된다.
도 6a-d를 참조하면, AC 단자들(g, N) 과 음의 DC 링크 레일(n) 사이의 전압들, 즉 u gn 및 u Nn으로 표시된 커패시터(C)에 걸친 전압들은 절대적으로 양이므로 변환기 모듈들이 DC/DC 변환기들로서 동작할 수 있다. 선 g에 연결된 변환기 모듈들의 입력 전류는 i 1 = i g / 3으로 주어진다. 유리하게, 변환기 모듈들의 각 그룹(104, 105)은 고정되고 즉, T1 및 T4는 각 위상이 가장 낮은 전압을 가지는 그리드 기본 주기(grid fundamental period)(T ac)의 절반 동안 영구적으로 켜져 있어 스위칭 작업들의 수를 50%까지 감소시킬 수 있다. 그리드 기본 주기의 절반 동안 가장 높은 위상 전압을 가지는 다른 그룹(104, 105)은 전술한 바와 같이 정상적으로 동작한다(즉, PWM에 의한 부스트 또는 벅 동작). 평균 시스템 출력 전력(
Figure pct00016
) = 6.6kW 및 400V의 DC 전압에 대한 주요 변환기 파형들이 도 6a-d에 도시되어 있다. u gn 및 u Nn은 영구적으로 DC 링크 전압 U dc = 400V 미만이므로, 도 6b에 표시된 듀티 사이클 파형들에서 관찰될 수 있는 바와 같이 모든 변환기 모듈들은 활성인 경우에 부스트 모드에서 동작한다. 또한 이 동작 모드에서, 병렬 변환기 모듈들은 360°/3k = 120° 위상 편이 PWM 캐리어들과 함께 유리하게 공급되어 부스트 단들의 인터리브된 동작을 가능하게 하고 고주파 EMI 방출들을 감소시킬 수 있다.
단상 동작에서, 음의 DC 링크 레일(n)에 대한 단자 전압 오프셋 u off = (u gn + u Nn)/2은 변환기 모듈들의 전력 반도체들 간에 전도(conduction) 및 스위칭 스트레스(switching stress)들을 재분배(redistribute)할 수 있는 단상 동작에 대한 자유도(degree of freedom)를 나타내고, 상쇄(cancel out)된다. 도 7은 제1 가능한 단자 전압 파형(possible terminal voltage waveform)을 도시한다. 여기에서 단자 전압 오프셋(u off)는 시간에 따라 달라지므로 변환기 모듈들의 각 그룹(104 및 105)이 PWM이 기본 주기(T ac)의 50% 동안에만 동작되도록 한다. 도 8은 일정한 단자 전압 오프셋(constant terminal voltage offset)을 가지는 제2 가능한 단자 전압 파형을 도시한다. 후자의 경우, 변환기 모듈들의 그룹들(104 및 105) 모두 PWM이 지속적으로(continuously) 동작되어야 한다.
3-상 및 단상 동작 모두에 대해 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 전기 변환기에 대해 전류 스트레스 분석(current stress analysis)이 수행되었다. 이를 위해, 도 9에 지시된 바와 같이 2개의 동작 점(operating point)들 ① 및 ② 가 선택되었다. 동작 점 ①은 400V의 DC 전압 및 출력 전력
Figure pct00017
= 6.6 kW을 가리킨다. 동작 점 ②는 650V의 DC 전압 및 출력 전력
Figure pct00018
= 6.6 kW을 의미한다. 2개의 동작 점 ① 및 ②에 대한 3-상 및 단상 동작에서 하나의 변환기 모듈의 결과 구성요소 RMS 및 피크 전류 스트레스들이 표 1에서 나타난다. 선 전류(예: i g 또는 i a)는 (3-상 동작에 비해) 단상 동작에서 3배 증가하지만, 그러나 3k 병렬 변환기 모듈들 간에 공유되기 때문에 선 전류는 구성요소 스트레스들에 직접적인 영향을 미치지 않으므로 구성요소 크기(component dimensioning)에 영향을 미친다는 점에 유의하는 것이 편리할 것이다.
표 1에서부터, 변환기 모듈 입력 전류 i 1은 EMI 필터의 유도성 구성요소(inductive component)들(즉, 도 1 및 2의 L CM, L DM / CM)에서 우세한 손실 드라이버(predominant loss driver)를 나타내며 단상 동작에서 2배 증가한다는 것이 도출될 수 있다. 따라서 필터 구성요소 과대화(filter component overdimensioning)가 유리할 것이다.
인덕터 전류(i L) 및 반도체 전류들(i T1 , i T2 , i T3)의 경우 고주파 전류 리플(high-frequency current ripple)이 결과 전류 RMS 및 피크 값(peak value)들에 영향을 미치기 때문에 단상 동작에 대한 스트레스 증가는 덜 뚜렷하다. 반도체 스위치(semiconductor switch)(T 4)만이 도 6a에 따른 클램핑(clamping)뿐만 아니라 일정한 부스트 동작(constant boost operation)에 의해 주어진 2.5배까지 실질적인 전류 스트레스 증가에 직면한다. 동시에 클램핑은 스위칭 작업들의 수를 감소시켜 T 4의 스위칭 손실을 감소시킨다.
표 1: 325 Vpk의 그리드 상전압(grid line-to-neutral)에 대한 3-상 및 단상 구성에서 도 9에 강조 표시된 두 동작 점들(① and ②)(즉, 400 V 및 650 V의 DC 출력 전압)에 대한 모듈 구성요소 RMS 및 피크 전류 스트레스들. 구성요소 지정자(component designator)들은 도 1 및 2를 참조하고, 여기서 i a 및 i g는 각각 3-상 및 단상 동작에서 선 전류에 대응하고 i T1 , i T2 , i T3 , i T4 는 각각 반도체 스위치들 T1, T2, T3, T4를 통과하는 전류들이다. 선 전류는 그룹 내의 병렬 모듈들 간에 균등하게 분할되고, 여기서, 고려된 동작 점들 내에서 각 구성요소의 최대 발생 스트레스(maximally occurring stress)들은 굵게(bold) 강조 표시되어 있으며 각각 3-상(2개의 병렬 변환기 모듈들) 및 단상(3개의 병렬 변환기 모듈들) 동작에 대해 비교된다.
　 3-상 단상 1상/3상
　 400VDC 650VDC　 400VDC　 650VDC 최대. 스트레스
　 Arms Apk Arms Apk Arms Apk Arms Apk Arms/Arms Apk/Apk
ia (ig) 9.4 13.3 9.4 13.3 28.3 40 28.3 40 3.0 3.0
i1 4.7 6.7 4.7 6.7 9.4 13.3 9.4 13.3 2.0 2.0
iL 6.3 15.6 5 7.3 9.5 15.2 9.6 18.4 1.5 1.2
iT1 5.5 15.6 5 7.3 9.5 15.2 9.6 18.4 1.7 1.2
iT2 3 15.6 0 0 0 0 0 0 0.0 0.0
iT3 5.4 15.6 3.6 7.3 5.6 15.2 4.5 18.4 1.0 1.2
iT4 3.2 7.1 3.6 7.3 7.7 15.2 8.5 18.4 2.4 2.5
T 4의 전류 스트레스들은 더 높은 오프셋 전압 u off를 선택함으로써 그리고/또는 유리하게는 도 6a에 지시된 T 1 및 T 4의 클램핑 간격 동안 (단상 동작에서 낮은 전류 스트레스들로) T 2를 켜서 T 2와 T4 사이의 전류 공유를 허용하고 전체 전도 손실(conduction loss)들을 감소시키는 것에 의해 감소될 수 있다.
도 10을 참조하면, 변환기(10)는 3-상 동작 및 단상 동작 모두에서 전기 변환기를 동작시키도록 구성된 제어 유닛(control unit)(15)을 포함한다. 제어 유닛(15)은 모듈 방식(modular fashion)/독립 방식(independent fashion)으로 상이한 변환기 모듈들(11)을 동작시키기 위한 개별 제어 모듈(individual control module)들을 포함할 수 있다. 단일 변환기 모듈(11), 예를 들어 AC 단자(a)에 연결된 그룹(103)의 변환기 모듈들 중 하나를 동작시키기 위한 그러한 하나의 개별 제어 모듈(16)이 도 10에 개략적으로 도시되어 있다.
제어 유닛(15)은 당업계에 공지된 계단식 제어 구조로 역률 보정(PFC) 정류기 제어를 수행하도록 유리하게 구성된다. 측정 수단(Measurement mean)은, 3-상 AC 그리드 전압들(u a,u b,u c), 단상 AC 그리드 전압(u gN) 및 3-상 그리드 전류들(i a , i b , i c ), 단상 그리드 전류(i g) 및 인덕터 전류(i L )를 측정하기 위해 유리하게 제공된다. DC 측에서, 측정 수단은 유리하게는 DC 단자 전압(U dc) 및 유리하게는 DC 단자 전류(I dc)를 측정하기 위해 제공된다. 이러한 측정치(measurement)들은 유리하게는 제어 유닛(15)에 입력된다.
3-상 동작에서, 전류 제어는 3-상 전류 제어 블록(151)을 통해 수행된다. 정현 그리드 전류 기준(Sinusoidal grid current reference)들(
Figure pct00019
)은 DC 전압 오류 및 측정된 AC 전압들(u a,u b,u c)에 기초하여 도출된다. 그런 다음, AC 단자 전압 기준들(
Figure pct00020
)은 필요한 그리드 전류들을 적용(enforce)하기 위해 설정된다. 이들 AC 단자 전압 기준들은 각각의 변환기 모듈을 개별적으로 동작시키기 위해 각각의 제어 모듈들(16)에 공급(feed)된다.
단상 동작을 위해, 전류 제어는 단상 전류 제어 블록(152)을 통해 수행된다. 그리드 입력 전력(P)은 주전원 주파수(mains frequency)의 두 배로 변동(fluctuate)하므로 측정된 DC 전압은 기준 값(reference value)과 비교하기 전에 노치 필터(notch filter)(미도시)로 유리하게 처리된다. 목표 평균 출력 전력을 제공하기 위해 측정된 그리드 전압(u gN)과 같은 위상으로 다시 (3-상 동작에 비해) 3배 상승된 그리드 전류 기준(
Figure pct00021
)이 설정된다. 결과적으로, 그리드 전류 오류, 측정된 그리드 전압(u gN) 및 가능하면 오프셋 전압 기준(
Figure pct00022
)에 기초하여, 입력 단자 전압 기준들(
Figure pct00023
)이 도출된다. 앞서 언급한 바와 같이, 오프셋 전압 기준은 상수 값(constant value) 또는 예를 들어 하위 단자 전압 기준(lower terminal voltage reference)이 0이 되도록 시간에 따라 변하는 값으로 설정할 수 있다.
제어 모듈(16)(그 중 하나만이 도 10에 도시됨)을 통한 변환기 모듈들의 기본 제어(underlying control)는 선택된 단상 또는 3-상 구성과 독립적으로 동작하고, 여기에서 선 전류 기준은 각 위상에 대해 병렬 연결된 모듈들 간에 유리하게 균등하게 공유되고, 즉, 3-상의 경우
Figure pct00024
이고, 단상의 경우
Figure pct00025
이다.
제어 모듈(16)은 AC 전압 제어 블록(161), 인덕터 전류 제어 블록(162) 및 변조기(163)를 포함한다. 인덕터 전류 제어 블록(162)의 출력 신호는 변조기(163)에 공급되어 벅 단(12)과 부스트 단(13)의 상호 배타적인 동작을 위한 듀티 사이클들을 생성한다. 활성 스위치들(T1, T2, T3 및 T4)에 대한 제어 신호들은 당업계에 공지된 바와 같이 생성된 듀티 사이클들로부터 PWM을 사용하여 생성된다.
도 11a-b를 참조하면, 전기 변환기(10)에는 하나의 그룹 내의 모든 변환기 모듈들의 AC측 커패시터들(C)의 AC측 단자들(111)을 상호 연결하기 위한 추가적인 스위칭 수단(switching means)(112)(예를 들어, 기계적 접촉 스위치(mechanical contact switch)들 또는 릴레이(relay)들)이 제공될 수 있다. 인터커넥션(interconnection)은 한 그룹의 변환기 모듈들 간에 인터리브된 PWM 동작이 수행되는 경우에 인터리브된 전류들이 적어도 부분적으로 상쇄되도록 하여 EMI 규정(EMI regulation)들을 준수하기 위해 필요한 필터 감쇠(filter attenuation)를 유리하게 감소시킨다. 단자들(111) 사이의 인터커넥션들은 3-상 동작(도 11a), 단상 동작(도 11b) 또는 3-상 및 단상 동작 모두에 대해 제공될 수 있다. 인터커넥션들(112)은 3-상 동작 모드와 단상 동작 모드 사이에서 재구성하는 경우에 가능한 자동 재구성(automatic reconfiguration)을 허용하도록 유리하게 스위칭 가능하다.
위의 실시예들에서, 변환기 모듈들의 모든 그룹들(101-103 및 104-105)은 동일한 수의 변환기 모듈들을 포함했지만, 특히 단상 동작의 경우에는 그럴 필요가 없다. 도 12a를 참조하면, AC 선 단자(g)에 연결된 변환기 모듈들의 그룹(105)이 병렬로 배치된 4개의 변환기 모듈들(11)을 포함하도록 단상 동작에서 전기 변환기(10)를 구성하는 것이 가능하지만, 중성 단자(N)에 연결된 그룹(104)은 2개의 변환기 모듈들(11)만을 포함한다. 이 경우에, 그룹(104)의 변환기 모듈들은 언폴더 회로(unfolder circuit)들로서, 즉 단지 선 전류의 복귀 경로(return path)를 제공하도록 구성되어 동작될 것이다. 그룹(104)의 변환기 모듈들의 언폴더 동작으로, 반도체들 T1은 영구적으로 켜지고 T3 및 T2/T4는 그리드 기본 주기의 절반(half the grid fundamental period)에서 각각 p 및 n에 교대로 클램핑된다. 언폴더 동작에서, 따라서 그룹(104)의 변환기 모듈들은 상승된 반도체 전도 스트레스들을 갖지만 실질적으로 스위칭 손실들은 없다. 그러므로 이 목적을 위해 더 적은 수의 변환기 모듈들이 사용될 수 있고, 예를 들어 두 개의 변환기 모듈들은 이 작업(task)에 충분하며 나머지(세 번째 또는 제3) 변환기 모듈은 선 단자(g)에 연결된 그룹(105)에 추가로 할당될 수 있다. 그룹(105)의 변환기 모듈들은 상술한 바와 같이 PWM 동작될 것이고 따라서 반도체 스위치들(T1-T4)은 고주파(high-frequency)(HF) 동작하므로 전도 및 스위칭 손실들 모두에 직면한다. 추가된 변환기 모듈로, 그룹(105)의 4개의 변환기 모듈들은 도 2의 구성에 대한 그리드 전류의 1/3에 비해 그리드 전류의 ¼을 동등하게 공유한다. 따라서 반도체들에 대한 전류 스트레스들은 감소될 수 있고 반도체 활용(semiconductor utilization)은 향상될 수 있다.
단상 동작에서 도 12a에 따른 변환기 구성에 대한 단자 전압 파형들은 부스트 동작에 대해서는 도 13에, 벅 및 부스트 동작에 대해서는 도 14에 도시되어 있다. 도 13을 참조하면, DC 링크 전압 Udc가 u gn 보다 높은 경우에, 그룹 104 변환기 모듈들은 영구적으로(permanently) 언폴더 동작 상태이다(in unfolder operation). 이 경우, u Nn 은 기본 주파수 레벨(fundamental frequency level)에서 블록 형태(block shape)이고 u gN 은 정현파여야 한다. 따라서 그룹 105 변환기 모듈들은 영구적으로 부스트 동작 상태이며 제어 모듈(16)을 통해 개별적으로 제어될 수 있다. 전압 오프셋 u off =0.5(u gn +u Nn )는 시간에 따라 변한다는 점에 유의하는 것이 편리할 것이다.
(예를 들어, 일반적으로 감소된 전력만이 출력에서 제공되어야 하는 매우 낮은 DC 전압들에 대해) 벅 동작에서의 단자 전압 파형들은 도 14에 도시되어 있다. 벅 동작에서, 즉, 단자(N)에 할당된 그룹 104 변환기 모듈들은 u Nn 이 Udc를 초과하는 짧은 주기(TPWM)을 제외하고 언폴더 회로들로서 동작한다. TPWM 동안, 그룹 104 변환기 모듈들은 예를 들어 도 10과 관련하여 전술된 제어 전략(control strategy)에 기초하여 PWM 동작된다. 그룹 105 변환기 모듈들은 유리하게 고정되며, 즉 T1 및 T4가 영구적으로 켜져 있다.
또 다른 실시예에서, 도 12b를 참조하면, 단상 동작을 위한 도 12a의 변환기 모듈 구성, 즉, N에 연결된 그룹(104)에 배치된 2개의 변환기 모듈들과 g에 연결된 그룹(105)에 배치된 4개의 변환기 모듈들이 유지되는 반면, AC 측 필터 구조(AC side filter structure)(14)는 3-3 구성(3-3 configuration)에서 2개의 AC 단자들(g 및 N) 사이에 동일하게 공유된다. 다시 말해서, AC 필터(14)는 공통 모드 인덕터들(L DM/CM 및 L CM ) 및/또는 차동 모드의 권선들이 도 11b의 구성과 마찬가지로 단자들(g 및 N) 간에 동일하게 공유되도록 AC 단자들에 연결되고, 따라서 동일한 수의 권선들(분기들)을 가지는 2개의 필터 그룹들(141 및 142)을 획득하는 반면, 도 12a의 4/2 변환기 모듈 구성이 유지된다. 따라서, 필터 그룹(141)은 단자(N)과 그룹 104 변환기 모듈들 사이에 연결되고, 필터 그룹(142)은 단자(g)와 그룹 105 변환기 모듈들 사이에 연결된다. 이는 도 12b에 도시된 바와 같이, 하나의 그룹 내 변환기 모듈들의 AC-측 커패시터들(C)의 AC-측 단자들(111)을 상호 연결(interconnect)하는 추가 스위칭 수단(112)을 적절하게 스위칭하는 것에 의해 획득될 수 있다. 유리하게는, 스위칭 수단(112) 중 적어도 하나는 도 12b에 도시된 바와 같이 각각의 AC 필터 분기로부터 변환기 모듈을 연결 해제하도록 허용해야 한다. 이는 변환기 모듈의 4/2 구성의 장점을 유지하면서 AC 필터(14) 내에서 기본 주파수 전류 스트레스들을 고르게 분배할 수 있게 한다 .
단상 정류기 동작에서, 선 주파수의 두 배(twice)에서 맥동(pulsate)하는 시변 전력(P)이 도 6d에 도시된 바와 같이 그리드로부터 인출된다. 출력 전력 리플(output power ripple)은 적절한 크기의 DC 링크 커패시터 Cdc를 제공하는 것에 의해 감소될 수 있다. 또는 단상 동작에 사용하기 위해 활성 전력 맥동 버퍼(active power pulsation buffer)(PPB)가 제공될 수 있으므로, 대형 DC 링크 커패시터(large DC link capacitor)가 필요하지 않다. 활성 PPB는 DC 링크와 버퍼 커패시터(buffer capacitor) 사이에 인터페이싱하는 하프 브리지 변환기와 같은 변환기 회로와 버퍼 커패시터를 포함할 수 있다. 유리하게는, 변환기 회로는 변환기 모듈(11)과 동일하게 제공될 수 있다. PPB로 사용되는 변환기 모듈의 벅-부스트 기능은 버퍼 커패시터 전압을 목표 DC 링크 전압 위 및 아래 모두에서 광범위하게 변경할 수 있는 이점이 있다.
도 15a-b를 참조하면, 전기 변환기 (예를 들어, 변환기 모듈)의 변환기 모듈들(21) 중 하나 이상은 단상 동작에서 PPB로서 사용하기 위한 각각의 버퍼 커패시터(CPPB)와 함께 제공될 수 있다. 변환기 모듈들(21, 22)은 전술한 변환기 모듈들(11)과 동일할 수 있다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 3-상 동작에서, CPPB는도 1과 관련하여 기술된 바와 같이, AC 단자(a)로부터 연결 해제되어 각각의 AC 단자들(a, b, c)에 연결된 모듈식 그룹들에서 다른 변환기 모듈들(21)과 함께 동작할 수 있다. 도 15b에 도시된 바와 같이 단상 동작에서, 변환기 모듈(22)은 AC 그리드로부터 연결 해제되고 버퍼 커패시터(CPPB)는 필터 커패시터들 C 및/또는 CDM/CM에 평행하게 PPB로서 동작한다. CPPB에 걸친 전압은 DC 링크 전압(Udc)보다 높거나 낮을 수 있다. 도 15b에서, 공통 모드 초크(L CM )이 노드(211)에서 버퍼 커패시터들 / 변환기 모듈(22)로부터 연결 해제된 것으로 도시되어 있지만, 이것은 요구사항이 아니며 공통 모드 초크가 부착된 상태로 남을 수 있다. 예를 들어, 커패시터들 C 및/또는 CDM/CM이 충분한 에너지 저장 기능을 제공하는 경우에 버퍼 커패시터(CPPB)가 선택적이라는 것에 유의하는 것이 편리할 것이다. PPB 변환기 모듈들은 단상 동작을 위한 최소 DC 링크 커패시턴스 값(minimum DC link capacitance value)을 감소시킨다.
도 16a-b를 참조하면, PPB로서 작용하는 변환기 모듈(22)은, 적절한 스위칭 회로(212)를 제공하여 단상 동작에서 스위치 노드(A)로부터 스위치 노드(B)를 연결 해제하는 동시에 버퍼 커패시터(CPPB)를 스위치 노드(B)에 동작 가능하게 연결할 수 있도록 한다. 특히, 스위칭 회로(212)는 단자(213)를 CPPB에 연결하면서 인덕터(L)의 각 단자(213)로부터 스위치 노드(A)를 연결 해제하도록 구성된다. 스위칭 회로(212)는 스위치 노드(A)가 중성 단자(N)에 연결되는 동안, 브리지-레그(bridge-leg)(T1/T2)를 양의 DC 링크 레일(p) 및 음의 DC 링크 레일(n)에 걸쳐 연결하도록 유리하게 더 구성된다. 그렇게 함으로써, 변환기 모듈(22)은 부스트 단(13)만이 PPB(23)(이제 DC 링크 전압보다 절대적으로 낮은 PPB 전압을 가짐)로서 동작하도록 분할된다. 유리하게는, 브리지-레그(T1/T2)는 언폴더 회로(24)로서 작용하여, 단자(g)에 병렬로 연결된 변환기 모듈들(21)을 병렬화할 수 있게 하고 그리드 전류를 동일하게 공유하게 한다.
도 15a-b 및 도 16a-b에서 참조되는 변환기 모듈들(21, 가능하면 22)은 앞서 설명한 변환기 모듈들(11)과 같이 단일 변환기 모듈들을 지칭할 수도 있고, 또는 위의 실시예들 중 어느 하나에서 설명한 바와 같이 변환기 모듈들의 그룹들(101-103 및 104-105)을 지칭할 수도 있음에 유의하는 것이 편리할 것이다. 특히 유리한 실시예에서, 도 12a 및 12b와 관련하여 설명된 바와 같은 4/2 변환기 모듈 구성은 4개의 그룹 105 변환기 모듈들(11) 중 하나가 PPB로서 사용되도록 조정될 수 있다. 따라서, 3개의 그룹 105 변환기 모듈들, 2개의 그룹 104 변환기 모듈들 및 1개의 PPB 모듈이 있는 구성은 단상 동작에서 획득되는 반면, 모든 6개의 변환기 모듈들(11)은 3상 동작에서 그룹들(101-103)에 할당되는 데 사용 가능할 수 있다.
단상 및 3-상 동작 모두에서 결과 그리드 전류들은 각각의 그리드 전압들과 위상이 반드시 일치할 필요는 없으며, 본 발명의 측면들에 따른 전기 변환기는 정적 VAR 보상기(Static VAR Compensator)(SVC) 애플리케이션에도 사용될 수 있다는 것에 유의하는 것이 편리할 것이다.
본 명세서서에 설명된 전기 변환기는 위에서 설명된 것과 유사한 제어 구조로 3-상 및 단상 동작을 위한 인버터로 동작될 수 있다. 또한 전기 변환기를 통한 양방향 전력 흐름이 가능하여 AC 그리드에 전력을 주입하기 위해 사용될 수 있다.
도 17을 참조하면, 배터리 충전 시스템(700)은 전력 공급 유닛(power supply unit)(704)을 포함한다. 전력 공급 유닛(704)은 일 측(side)이 단자들(a, b, c)을 통해 AC 그리드에 연결되고 다른 측(단자들(P', N'))에서 예를 들어 전력 공급 유닛(704)을 배터리(703)에 연결할 수 있게 하는 스위치 장치를 포함하는 인터페이스(702)에 연결된다. 전력 공급 유닛(704)은 위에서 설명된 바와 같이 전기 변환기들 중 임의의 하나, 예를 들어 변환기(10)를 포함하고, 본 시스템에서 DC-DC 변환기인 추가 변환기 단(701)을 포함할 수 있다. 전력 공급 유닛(704), 예를 들어 변환기 단(701)은 무선 전력 전송(wireless power transfer)의 경우와 같이 공기(미도시)를 통해 유도 접속(inductively couple)되는 한 쌍의 코일들을 포함할 수 있다. 대안적으로, DC-DC 변환기 단(701)은 하나 이상의 가능한 절연된 DC-DC 변환기(isolated DC-DC converter)들을 포함하거나 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 인터페이스(702)는 예를 들어 유선 전력 전송(wired power transfer)에서 플러그(plug) 및 소켓(socket)을 포함할 수 있다. 대안으로, 플러그와 소켓은 입력에서 (예를 들어, 노드들(a, b, c)에서) 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 변환기들의 다른 가능한 적용은 전기 모터 구동 시스템(electric motor drive system)의 트랙션 인버터(traction inverter)이다.

Claims (23)

  1. AC 신호와 DC 신호 사이를 변환하기 위한 전기 변환기(10, 20)에 있어서,
    복수의 AC 단자들(a, b, c, g, N), 제1 DC 단자(DC+) 및 제2 DC 단자(DC-),
    복수의 변환기 모듈들(11, 21, 22)
    을 포함하고,
    상기 복수의 변환기 모듈들의 각각은,
    AC 노드(a1, 111),
    제1 스위치 노드(A)를 포함하는 제1 변환기 단(12),
    제2 스위치 노드(B)를 포함하는 제2 변환기 단(13),
    제1 인덕터(L), 및
    제1 커패시터(C)
    를 포함하고,
    상기 제1 스위치 노드 및 상기 제2 스위치 노드는,
    상기 제1 인덕터의 반대쪽 단자들에 연결되고,
    상기 AC 노드(a1, 111) 및 상기 제2 DC 단자(DC-)는,
    상기 제1 커패시터의 반대쪽 단자들에 연결되어 상기 제2 DC 단자가 상기 복수의 변환기 모듈들의 상기 제1 커패시터들(C)의 공통 노드를 형성하고,
    상기 복수의 변환기 모듈들의 상기 AC 노드들(a1, 111)과 상기 복수의 AC 단자들 사이의 연결은,
    상기 전기 변환기가,
    제1 복수의 p1개(p1
    Figure pct00026
    2)의 위상 전압들을 가지는 제1 AC 신호와 상기 DC 신호 사이를 변환하도록 구성된 제1 동작 모드에 따라, 및
    단상 전압 또는 제2 복수의 p2개의 위상 전압들을 가지는 제2 AC 신호와 상기 DC 신호 사이를 변환하도록 구성된 제2 동작 모드에 따라
    동작하도록 재구성 가능하여,
    상기 제1 동작 모드에서 상기 DC 신호와 상기 제1 AC 신호 사이의 변환에 기여하는 복수의 변환기 모듈들(11, 21, 22)이,
    상기 제2 동작 모드에서 활성 용량성 에너지 저장 장치(CPPB) 또는 상기 제2 AC 신호와 상기 DC 신호 간의 변환에 기여하도록 하고,
    상기 복수의 변환기 모듈들은,
    적어도 p1k개의 변환기 모듈들이고,
    k는 2 이상의 양의 정수이고,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 p1k개의 변환기 모듈들은,
    p1개의 제1 그룹들(101, 102, 103)로 그룹화되고,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 p1k개의 변환기 모듈들은,
    적어도 2개의 제2 그룹들(104, 105)로 재배치되고,
    상기 전기 변환기는,
    상기 제1 그룹들 및 상기 제2 그룹들 중 동일한 그룹에 할당된 다수의(multiple) 변환기 모듈들을 병렬로 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    p1
    Figure pct00027
    3인,
    전기 변환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 AC 신호는,
    단상 전압을 가지는,
    전기 변환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 그룹들(101, 102, 103)은,
    동일한 수의 변환기 모듈들(11, 21)을 가지는,
    전기 변환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 그룹들은,
    동일한 수 또는 다른 수(disparate number)의 변환기 모듈들(11, 21)을 가지는,
    전기 변환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 AC 신호는,
    단상 전압을 갖고,
    상기 제2 그룹들은,
    2개(104, 105)인,
    전기 변환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자에 걸쳐 연결된 제2 커패시터(Cdc)를 포함하고,
    상기 복수의 변환기 모듈들의 상기 제2 변환기 단들은,
    상기 제2 커패시터에 병렬로 연결된,
    전기 변환기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 AC 단자들(a,b,c,g,N)과 상기 AC 노드들(111) 사이에 연결되는 AC 필터(14)를 포함하고,
    상기 AC 필터는,
    공통 모드 초크(LCM)를 포함하는 공통 모드 필터를 포함하는,
    전기 변환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공통 모드 초크(LCM)는,
    상기 복수의 변환기 모듈들의 각각에 대한 분기를 포함하고,
    상기 분기는,
    상기 복수의 변환기 모듈들의 각각의 상기 AC 노드(111)에 연결되거나 연결 가능(connectable)한,
    전기 변환기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    재구성 가능한 방식(reconfigurable manner)으로 AC 노드(111)의 측에서 상기 제1 커패시터들(C)의 단자들을 상호 연결하기 위한 제1 스위칭 수단(112)을 포함하는,
    전기 변환기.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항과 관련하여 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 수단(112)은,
    상기 제1 그룹들 및/또는 상기 제2 그룹들 중 동일한 그룹에 할당된 상기 변환기 모듈들의 상기 제1 커패시터들(C)의 상기 단자들을 상호 연결하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  12. 제9항과 관련하여 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 수단(112)은,
    제1 개수의 분기들을 제2 개수의 상기 복수의 변환기 모듈들에 연결하도록 구성되고,
    상기 제1 개수 및 상기 제2 개수는,
    동일하지 않은,
    전기 변환기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(15)을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    제3 동작 모드에 따라 상기 복수의 변환기 모듈들(11)의 각각을 동작시키도록 구성되고,
    상기 제1 단자 및 제2 DC 단자에 걸친 DC 전압(Udc)은,
    상기 각 제1 커패시터(C)에 걸친 제1 전압(uan, ugn)보다 작거나 같고,
    제4 동작 모드에 따르면, 상기 DC 전압(Udc)은,
    제1 전압(uan, ugn)보다 큰,
    전기 변환기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(15)을 포함하고,
    상기 제1 변환기 단(12) 및 상기 제2 변환기 단(13)는,
    상기 제1 스위치 노드(A) 및 상기 제2 스위치 노드(B)의 각각에 동작 가능하게 연결된 활성 반도체 스위치들(T1, T2, T3, T4)을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    펄스 폭 변조를 통해 상호 배타적으로 상기 제1 변환기 단 및 상기 제2 변환기 단의 상기 활성 반도체 스위치들을 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 AC 신호는,
    단상 전압을 가지고,
    상기 제어 유닛(15)은,
    상기 제2 동작 모드에서 동작을 위해 상기 복수의 AC 단자들(N) 중 하나에 연결된 상기 복수의 변환기 모듈들 중 하나 이상의 제1 변환기 모듈의 상기 활성 반도체 스위치들(T1, T2, T3, T4)을 동작시키도록 구성되고,
    바람직하게 상기 제어 유닛은,
    상기 제1 동작 모드에서 펄스 폭 변조를 통해 상기 하나 이상의 제1 변환기 모듈을 동작시키도록 구성되는,
    전기 변환기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(15)을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 각 제1 커패시터(C)에 걸친 제1 기준 전압(reference voltage)(u*an, u*gn)에 기초하여 독립적으로 상기 복수의 변환기 모듈들의 각각에 대한 듀티 사이클(dA, dB)을 결정하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 변환기 모듈들(22) 중 적어도 하나는,
    상기 제2 동작 모드에서 전력 맥동 버퍼로서 동작되도록 구성되는,
    전기 변환기.
  18. 제17항에 있어서,
    전력 맥동 버퍼로서 동작하도록 구성된 상기 적어도 하나의 변환기 모듈(21)은,
    상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 커패시터(C)를 충전 및 방전(discharge)하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    전력 맥동 버퍼로서 동작되도록 구성된 상기 적어도 하나의 변환기 모듈(21)은,
    버퍼 커패시터(CPPB), 및
    상기 버퍼 커패시터를 충전 및 방전하기 위하여 상기 제2 동작 모드에서 상기 버퍼 커패시터(CPPB)를 상기 적어도 하나의 변환기 모듈(21)에 동작 가능하게 연결하도록 구성된 제2 스위칭 수단
    을 더 포함하는,
    전기 변환기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 수단은,
    상기 버퍼 커패시터(CPPB)를 상기 제1 커패시터(C)에 병렬로 연결하도록 구성되는,
    전기 변환기.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 수단(212)은,
    상기 제1 스위치 노드(A)와 상기 버퍼 커패시터(CPPB)의 단자 사이에서 상기 제1 인덕터(L)의 단자(213)의 연결을 스위칭하도록 구성되고,
    상기 제2 변환기 단(13)은,
    상기 제2 동작 모드에서 상기 버퍼 커패시터를 충전 및 방전하도록 동작 가능한,
    전기 변환기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 수단(212)은,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 제1 DC 단자 및 제2 DC 단자와 상기 제1 스위치 노드(A) 사이에서, 상기 제1 변환기 단(12)의 브리지-레그(24)를 각각의 AC 단자에 연결하도록 더 구성되는,
    전기 변환기.
  23. 특히 전기차 구동 배터리(electric vehicle drive battery)들을 충전하기 위한 배터리 충전 시스템에 있어서,
    상기 배터리 충전 시스템은,
    전력 공급 장치를 포함하고,
    상기 전력 공급 장치는,
    제1항 내지 제22항 중 어느 한 항의 전기 변환기(10)를 포함하는,
    배터리 충전 시스템.
KR1020237009042A 2020-08-21 2021-08-20 모듈식 재구성 가능한 전기 ac/dc 변환기 KR20230052286A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL2026324 2020-08-21
NL2026324A NL2026324B1 (en) 2020-08-21 2020-08-21 Modular reconfigurable electrical AC/DC converter
PCT/EP2021/073198 WO2022038288A1 (en) 2020-08-21 2021-08-20 Modular reconfigurable electrical ac/dc converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230052286A true KR20230052286A (ko) 2023-04-19

Family

ID=72802119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237009042A KR20230052286A (ko) 2020-08-21 2021-08-20 모듈식 재구성 가능한 전기 ac/dc 변환기

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20230336072A1 (ko)
EP (1) EP4200964A1 (ko)
JP (1) JP2023542475A (ko)
KR (1) KR20230052286A (ko)
CN (1) CN116686205A (ko)
IL (1) IL300793A (ko)
NL (1) NL2026324B1 (ko)
WO (1) WO2022038288A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230144906A1 (en) * 2021-11-08 2023-05-11 Pacific Fast Charge Corporation Modular high power bi-directional half bridge buck/boost converter assembly
EP4280447A1 (en) * 2022-05-18 2023-11-22 KONE Corporation A regenerative frequency converter and an elevator system

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2026176A1 (de) 1970-05-29 1971-12-09 Stute G Vorrichtung zur Verbindung eines Pro zessrechners mit numerisch gesteuerten Fer tigungsvornchtungen
GB0625121D0 (en) * 2006-12-18 2007-01-24 Gendrive Ltd Electrical energy converter
KR20110110783A (ko) * 2009-01-29 2011-10-07 브루사 일렉트로닉 아게 단상과 3상 동작을 위한 컨버터, ｄｃ 전압원 및 배터리충전기
DE102014211853A1 (de) * 2014-06-20 2015-12-24 Robert Bosch Gmbh Spannungskonverter und Verfahren zum Konvertieren einer elektrischen Spannung
CH714180B1 (de) * 2017-09-20 2021-11-15 Eth Zuerich Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC und einem AC-System.
DE102018116486A1 (de) * 2018-07-06 2020-01-09 HELLA GmbH & Co. KGaA Kopplungsvorrichtung
CH715448A2 (de) 2018-10-15 2020-04-15 Prodrive Tech Bv Mehrphasige Umrichtertopologie für mehrphasigen und einphasigen Betrieb.

Also Published As

Publication number Publication date
EP4200964A1 (en) 2023-06-28
CN116686205A (zh) 2023-09-01
JP2023542475A (ja) 2023-10-10
NL2026324B1 (en) 2022-04-14
WO2022038288A1 (en) 2022-02-24
US20230336072A1 (en) 2023-10-19
IL300793A (en) 2023-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2489345C (en) Impedance source power converter
EP3837759B1 (en) Electrical power converter
US10381951B1 (en) Family of modular quasi-resonant inverters
US11387730B2 (en) Electrical power converter
US20220190744A1 (en) Electrical converter
US20230155518A1 (en) Electrical power converter
KR20230052286A (ko) 모듈식 재구성 가능한 전기 ac/dc 변환기
US20230223861A1 (en) Electrical power converter
US20230238876A1 (en) Electrical power converter
US20220278607A1 (en) Electrical converter
CN116057825A (zh) 多电平双向电ac/dc转换器
US20230223860A1 (en) Electrical power converter
EP4147340B1 (en) Electrical power converter
TW202211599A (zh) Ａｃ／ｄｃ整流器、ｄｃ／ａｃ逆變器、ｄｃ／ｄｃ轉換器和不斷電電源供應器
Seragi et al. Review on Z-Source Inverter
CN114069807B (en) System and method for an enhanced single-stage vehicle charger with integrated rectifier