KR20230126643A

KR20230126643A - 중성점 클램프(npc) 토폴로지를 기반으로 하는 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(hmmc)

Info

Publication number: KR20230126643A
Application number: KR1020230007933A
Authority: KR
Inventors: 지 저우
Original assignee: 지이 에너지 파워 컨버션 테크놀로지 엘티디
Priority date: 2022-02-23
Filing date: 2023-01-19
Publication date: 2023-08-30
Also published as: AU2023200695A1

Abstract

ABC N상 구조를 갖고 중성점 클램프(NPC) 토폴로지를 기반으로 하는 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC)가 제공된다. HMMC는 N쌍의 동일한 상부 및 하부 아암을 포함하고, 각각의 상부 및 하부 아암은 X개의 서브모듈 및 Y개의 스위치 세트로 구성되어 있다. 각각의 세트 내의 스위치는 캐스케이드되고 직렬로 접속되며, 서브모듈 각각은 풀-브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 컨버터로 형성되고, 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 형성된다.

Description

중성점 클램프(NPC) 토폴로지를 기반으로 하는 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC){HYBRID MODULAR MULTILEVEL CONVERTER (HMMC) BASED ON A NEUTRAL POINT CLAMPED (NPC) TOPOLOGY}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2022년 2월 23일에 출원된 발명의 명칭이 "Hybrid MMC Built-/Base-On Three Level NPC With FB-SMS Capable of Variable (Lower) DC Link (than AC) Voltage and DC Link Short-Circuit Protection"인 미국 가특허 출원 제63/313,268호에 이익을 주장하며, 이 개시는 참조에 의해 여기에 통합된다.

기술분야

다음의 개시는 일반적으로 중성점 파일럿(neutral point pilot; NPP) 또는 중성점 클램프(neutral point clamped; NPC) 토폴로지를 기반으로 하는 모듈러 다중 레벨 컨버터(modular multilevel converter; MMC)에 관한 것이다.

종래의 MMC는 모듈식이며 확장가능하며 전력 컨버터를 더 높은 전압 및 더 높은 전력 애플리케이션으로 확장하기 위해 기술적 장벽을 제거한다. 추가적으로, MMC는 변환 레벨의 수를 증가시킴으로써 전력 품질을 개선하기 위해 적절한 경로를 제공한다.

예로서, 그리고 당업자가 이해하는 바와 같이, 2레벨 컨버터는 기본적인 MMC 빌딩 블록으로 간주된다. 더 높은 전압 및 전력 품질 애플리케이션의 경우, 변환 레벨은 조작이 필요한 전압 레벨에 따라, 또는 원하는 파형 또는 전력 품질을 생성하기 위해 함께 중첩될 파형의 수에 따라 (2레벨 이상으로) 증가시킬 수 있다.

일반적으로, 변환 레벨의 수가 높을수록 전력 품질 성능이 높아진다. 고전적인 최신 기술에는 일반적으로 2레벨, 3레벨 또는 5레벨 컨버터가 포함된다. 변환 레벨의 수가 증가하면 최소 필터링 및 사후 프로세싱으로 더 나은 파형을 생성하기 위해 보다 유연성을 제공한다.

일반적으로 2레벨과 3레벨 컨버터의 조합 또는 2개의 3레벨 컨버터를 함께 사용하여 변환의 5레벨이 생성된다. 일반적으로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT) 디바이스는 원하는 변환 레벨을 생성하기 위해 결합 및 확장 가능한 모듈(아래에 더 상세하게 논의됨)로서 사용된다. 이 개념은 전통적인 MMC의 기초이다.

그러나, 더 높은 전압과 더 나은 품질의 전력 애플리케이션에 대한 한 가지 단점은 기존 MMC가 더 많은 수의 서브모듈(SM)이 사용되기 때문에 더 큰 풋프린트/볼륨, 더 많은 무게를 가지며, 더 비싸다는 것이다. 고정 유틸리티 또는 전력망 애플리케이션의 경우, 더 큰 부피와 더 무거운 무게는 문제되지 않을 수 있다. 그러나, 기동 애플리케이션(예를 들어, 선박 추진)의 경우 부피, 무게 및 전력 밀도가 비용 외에도 중요한 요건이다.

상기 결점을 고려할 때, 기존 MMC 솔루션과 비교하여 풋프린트/볼륨, 무게 및 비용을 감소시키기 위한 하이브리드 MMC(hybrid MMC; HMMC)를 위한 시스템 및 방법이 필요하다. 이러한 방법 및 시스템은 기존의 MMC의 모듈성, 확장성 및 전력 품질 성능을 유지해야 한다.

특정 상황에서, 실시예는 ABC N상 구조를 갖고 NPC 토폴로지를 기반으로 하는 HMMC를 포함한다. HMMC는 N쌍의 동일한 상부 및 하부 아암을 포함하며, 각각의 상부 및 하부 아암은 X개의 서브모듈 및 Y개의 스위치 세트로 구성된다. 각각의 세트 내의 스위치는 캐스케이드(cascade)되고 직렬로 접속되며, 서브모듈 각각은 풀-브리지 실리콘(Si) IGBT 컨버터로 형성되고, 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 형성된다.

실시예는 AC 소스/입력 전압보다 더 낮은 DC 링크 전압이 가능하고 DC 링크 단락 회로 격리 보호를 갖는 3레벨 중성점 클램프(3레벨 NPC) 컨버터 토폴로지에 구축된 HMMC를 제공한다. 더 낮은 DC 링크 전압은 풀-브리지 서브모듈(full-bridge submodule; FB-SM)을 사용하는 3L-NPC 컨버터 토폴로지에 구축된 고유한 HMMC 액티브 프런트 엔드(active front-end; AFE)를 통해 제공된다. 반대 극성으로 직렬 캐소케이드된 한 쌍의 IGBT가 또한 사용된다.

실시예에 따라 구성된 HMMC는 종래의 MMC 솔루션에 비해 부피, 무게 및 비용을 줄이면서 종래의 MMC의 모듈성, 확장성 및 전력 품질 성능을 유지한다.

구현예는 종래의 MMC와 연관된 더 큰 부피, 더 무거운 무게 및 더 높은 비용과 연관된 과제를 극복한다. 실시예는 종래의 MMC SM을 3L-NPC 컨버터 토폴로지 및 컴포넌트/서브시스템 기술과 하이브리드화한다.

첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예의 추가적인 특징부, 동작 모드, 장점 및 기타 측면이 아래에 설명된다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 특정 실시예에 제한되지 않는다는 점에 유의한다. 이들 실시예는 예시의 목적으로만 제공된다. 추가 실시예 또는 개시된 실시예의 수정은 제공된 교시에 기초하여 관련 기술(들)의 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.

예시적인 실시예는 다양한 컴포넌트 및 컴포넌트의 배열의 형태를 취할 수 있다. 예시적인 실시예는 첨부된 도면에 도시되어 있으며, 첨부된 도면에 걸쳐 동일한 참조 부호는 다양한 도면에서 대응하거나 유사한 부분을 나타낼 수 있다. 도면은 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 도면에 대한 다음의 가능한 설명이 주어지면, 본 발명의 새로운 측면은 관련 기술(들)의 당업자에게 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 전력 변환을 수행하기 위한 예시적인 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2a는 실시예에 따른 실리콘(Si) IGBT를 갖는 예시적인 FB-SM의 블록도를 도시한다.
도 2b는 실시예에 따른 실리콘 카바이드(SiC) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 갖는 예시적인 FB-SM의 블록도를 도시한다.
도 3은 실시예에 따른 Si IGBT를 갖는 예시적인 하이브리드 FB-SM(HFB-SM)의 블록도를 도시한다.
도 4a는 실시예에 따른 Si IGBT를 갖는 예시적인 하프-브리지 SM(HB-SM)의 블록도를 도시한다.
도 4b는 실시예에 따른 SiC MOSFET을 갖는 예시적인 HB-SM의 블록도를 도시한다.
도 5는 종래의 2레벨 MMC의 블록도를 도시한다.
도 6a는 종래의 3레벨 액티브 중성점 클램프(active neutral-point clamped; ANPC) MMC의 블록도를 도시한다.
도 6b 내지 도 6d는 본 개시의 다양한 실시예에 따라 스위치를 서브모듈로 대체하는 3레벨 ANPC MMC의 블록도를 도시한다.
도 7a는 실시예들에 따라 반대 극성 차단 방지 스위치를 사용하는 3레벨 ANPC 기반 HMMC의 블록도를 도시한다.
도 7b는 실시예들에 따라 반대 극성 차단 방지 스위치를 사용하는 3레벨 NPC 기반 HMMC의 블록도를 도시한다.
도 7c는 실시예에 따라 FB-SM(Si IGBT 또는 SiC MOSFET)을 사용하는 3레벨 NPC 기반 HMMC의 블록도를 도시한다.
도 8a는 실시예들에 따라 반대 극성 차단 방지 스위치를 사용하는 3레벨 NPP 기반 HMMC의 블록도를 도시한다.
도 8b는 실시예에 따라 각각의 위상 아암 브랜치에서 차단 방지 스위치를 사용하는 3레벨 NPP 기반 HMMC의 상세한 블록도를 도시한다.

예시적인 실시예는 특정 애플리케이션에 대해 설명되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 제공된 교시 내용에 접근할 수 있는 당업자는 본 분야 및 본 발명이 상당히 유용할 추가 분야의 범위 내에서 추가 적용, 수정 및 실시예를 인식할 것이다.

도 1은 전력을 변환하기 위한 시스템(100)을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템(100)은 소스(102), 전력 컨버터(104) 및 소스/부하(106)를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 소스라는 용어는 재생가능 전력원, 재생 불가능 전력원, 발전기, 그리드, 연료 전지, 에너지 저장 장치(방전 시) 등을 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 부하라는 용어는 모터, 전기 제품, 에너지 저장 장치(재충전 시) 등을 지칭할 수 있다.

또한, 전력 컨버터(104)는 다중 레벨 컨버터일 수 있다. 일 실시예에서, 소스(102)는 전력 컨버터(104)의 제1 단자(도시되지 않음)에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 전력 컨버터(104)의 제2 단자(도시되지 않음)는 소스/부하(106)에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 제1 단자 및 제2 단자는 대안적으로 전력 컨버터(104)의 입력 단자 또는 출력 단자로서 채용될 수 있다.

시스템(100)은 컨트롤러(108)를 더 포함한다. 컨트롤러(108)는 실시예에서 전력 컨버터(104)의 동작을 제어하도록 구성된다. 제한이 아닌, 단지 예로서, 컨트롤러(108)는 전력 컨버터(104) 내의 서브모듈(SM) 및 복수의 반도체 스위치의 스위칭을 제어함으로써 전력 컨버터(104)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 백그라운드로서, 2레벨 컨버터는 MMC의 기본 컴포넌트이다. 변환 레벨의 수가 증가함에 따라, 필요한 전압 레벨의 수에 따라 3레벨 컨버터 또는 5레벨 컨버터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 7, 9, 10 레벨 이상을 달성하려면 트루(true) 컨버터 모듈성이 필요한다. 이러한 모듈성은 전통적으로 서브모듈(SM)이라는 빌딩 블록을 사용하여 달성된다.

SM은 풀-브리지(full-bridge; FB) 컨버터를 사용하여 구현될 수 있다. FB 컨버터는 4개의 반도체 스위치와 에너지 저장/버퍼/필터를 위한 평활 커패시터를 포함한다. SM은 또한 2개의 반도체 스위치를 포함하는 하프-브리지(half-bridge; HB) 컨버터를 사용하여 구현될 수 있다.

도 2a는 실시예에 따른 예시적인 2레벨 FB-SM(200)의 블록도이다. 도 2a의 예시적인 2레벨 FB-SM(200)은 반도체 스위치(204a 내지 204d) 및 평활 커패시터(206)를 포함한다. 일 실시예에서, 스위치(204a 내지 204d)는 Si IGBT로 형성된다.

도 2b는 SiC MOSFET를 기반으로 하는 예시적인 2레벨 FB-SM(202)의 블록도이다. 2레벨 FB-SM(202)은 SiC MOSFET 스위치(208a 내지 208d) 및 평활 커패시터(210)를 포함한다.

HMMC 토폴로지는 저전압 FB-SM의 사용을 용이하게 한다. 결과적으로, 한 예로 정격 1.7 킬로볼트(kV)의 SiC MOSFET이 실행가능한 옵션이 된다. 다른 실행가능한 옵션으로는 다양한 정격 전압의 IGBT를 포함한다. 예를 들어, 본 개시의 다른 실시예에서, 반도체 스위치(예를 들어, 204a 내지 204d)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor; FET), 주입 강화 게이트 트랜지스터(injection enhanced gate transistor; IEGT), 갈륨 질화물계 스위치, 갈륨 비화물계 스위치, 또는 이들의 등가물로 형성될 수 있다.

FB-SM을 사용하면 DC 링크 단락 회로 고장의 경우 격리 보호뿐만 아니라 네거티브 중첩 또는 (SM 커패시터) 전압 감압의 옵션을 제공하여 AC 입력 전압보다 더 낮은 DC 링크 전압을 얻을 수 있다. 예를 들어, IGBT가 OFF 상태에 있을 때, 반대 극성의 직렬의 2개의 IGBT는 더 높은 AC 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 차단하여 제어 안정성 문제를 일으킬 수 있다.

도 3은 실시예에 따른 Si IGBT를 갖는 예시적인 2레벨 하이브리드 FB-SM(hybrid FB-SM; HFB-SM)(300)의 블록도이다. HFB-SM(300)은 평활 캐패시터(306)와 함께 반도체 스위치(304a 내지 304d)를 포함한다. 스위치(304a 내지 304d)는 Si IGBT 또는 SiC MOSFET(도 3에 도시되지 않음)를 갖는 혼합 다이오드로 형성된다. 상기 도 2a 및 도 2b의 경우에서와 같이, 두 옵션 모두 SM으로 사용될 수 있다. 다양한 다른 실시예 및 대안이 아래에서 보다 상세히 설명된다.

앞서 언급된 바와 같이, SM 반도체 스위치는 FB 또는 HB로 구현될 수 있다. 예를 들어, FB-SM(200)은 도 2a의 FB-SM(200)의 우측을 제거함으로써 HB-SM으로 구현될 수 있다. FB-SM(200)의 우측은 기본적으로 도 4a에 도시된 예시적인 2레벨 HB-SM(400)을 형성한다. 즉, HB-SM(400)은 도 2a의 FB-SM(200)의 Si IGBT 반도체 스위치(204a 내지 204b) 및 캐패시터(206)및로 구현될 수 있다.

동일한 방식으로, 도 4b는 FB-SM(202)의 우측 SiC MOSFET 스위치를 사용하여 구현된 예시적인 2레벨 HB-SM(402)의 블록도이다. 즉, HB-SM(402)은 도 2b의 FB-SM(202)의 반도체 스위치(204a 내지 204b) 및 캐패시터(206)로 구현될 수 있다.

도 2a 내지 도 4b에 도시된 2레벨 SM의 다양한 조합은 종래의 MMC에서 임의의 원하는 수의 변환 레벨을 생성하기 위해 직렬로 접속될 수 있다. 도 5는 직렬로 접속된 복수의 2레벨 SM을 사용하여 설명된 종래의 또는 전형적인 2레벨 MMC(500)의 블록도이다.

도 5에서, 전형적인 MMC(500)는 포지티브 및 네거티브 DC 전압 레일(502 및 504)을 각각 포함하는 ABC 3상 구조를 갖는다. 포지티브 레일(502)과 네거티브 레일(504)은 DC 단자(505)를 형성한다. 3상(A, B, 및 C) 각각은 위상 레그(506, 508, 및 510) 중 하나에 대응한다. 위상 레그(506, 508, 및 510)는 AC 단자(512A, 512B, 및 512C)에 각각에 접속된다.

예로서, 위상 레그(510)는 상부 아암(516A) 및 동일한 하부 아암(516B)을 포함한다. 도 5의 예에서, 상부 아암(516A)과 하부 아암(516B)은 하나의 리드에서 AC 단자(512C)에 함께 접속되고, 전류 억제를 위한 아암 인덕터(518A 및 518B)를 각각 포함한다. 상부 아암(516A) 및 하부 아암(516B)은 반대편 리드에서 포지티브 레일(502) 및 네거티브 레일(504)에 각각 접속된다.

위상 레그(510)에 관한 설명은 위상 레그(506 및 508)에 동일하게 적용된다. 각각의 위상 레그(506, 508, 및 510)의 상부 아암 및 하부 아암은 직렬 접속된 2레벨 서브모듈(SM1 내지 SMn)을 포함한다. 2레벨 서브모듈(SM1 내지 SMn) 각각은 풀-브리지 컨버터(예를 들어, 도 2a의 FB-SM(200)) 또는 하프-브리지 컨버터(예를 들어, 도 4a의 HB-SM(400))이다.

MMC(500)에서, 변환 레벨의 수를 증가시키기 위해 직렬 접속된 SM의 수는 증가될 수 있다. 즉, 보다 양호하고 정밀한 전력 품질 파형을 제공하기 위해 보다 많은 SM이 추가될 수 있다. 따라서, 다양한 컨버터 요건을 충족하기 위해서, 설계자는, MMC를 더 높은 전압, 더 높은 전력, 및 더 나은 전력 품질 성능을 갖는 더 큰 컨버터로 구축하도록 적절한 수의 SM을 선택하기만 하면 된다.

그러나, 문제는 더 많은 레벨을 달성하기 위해 더 많은 SM이 MMC에서 사용됨에 따라, 대응하는 비용, 중량, 풋프린트 또는 크기가 증가한다는 것이다. 전기 그리드와 같은 고정 MMC 애플리케이션의 경우, 이러한 단점은 거의 영향을 미치지 않는다.

예를 들어, 전기 그리드 애플리케이션의 경우, 일반적으로 더 많은 필수 장비 컴포넌트와 적용가능한 라인 교체가능 장치(line replaceable unit; LRU)를 수용할 수 있는 충분한 물리적 공간이 존재한다. 한편, 선박 추진, 항공, 및 유사한 기동 애플리케이션에서는 중량과 부피가 중요한 고려 사항이 된다.

본 개시의 실시예는 3레벨 NPP 또는 3레벨 NPC 컨버터 토폴로지를 사용하여 종래의 MMC SM을 하이브리드화함으로써 종래의 MMC와 연관된 더 큰 부피, 보다 무거운 중량, 및 더 높은 비용의 문제를 극복한다.

보다 구체적으로, 실시예는 3레벨 NPP 또는 3레벨 NPC MMC의 각각의 위상 아암 내에서 제어가능한 반도체 스위치와 서브모듈 모두의 혼합물을 포함하는 신규 HMMC 토폴로지 접근법을 제공한다. 예를 들어, 100% 서브모듈을 포함하는 전형적인 2레벨 MMC 내의 서브모듈을 사용하는 대신, 실시예는 3레벨 기본 구조 MMC를 사용한다. 각각의 위상의 대응하는 상부 아암 및 하부 아암 각각은 반도체 스위치와 서브모듈의 적절한 혼합물(예를 들어, 50% 스위치와 50% 서브모듈)을 포함한다.

도 6a는 종래의 3레벨 액티브 중성점 클램프(active neutral-point clamped; ANPC) 컨버터(600)의 블록도이다. ANPC 컨버터(600)는 본 명세서에 개시된 신규 HMMC 토폴로지에 대한 도입으로서 제공된다.

ANPC 컨버터(600)는 포지티브 전압 레일(602) 및 네거티브 DC 전압 레일(604)을 각각 포함하는 ABC 3상 구조를 포함한다. 포지티브 레일(602)과 네거티브 레일(604)은 DC 단자(606)를 형성한다. 3상(A, B, 및 C) 각각은 대응하는 위상 레그(608, 610, 및 612)를 포함한다. 위상 레그(608, 610, 및 612)는 AC 단자(614A, 614B, 및 614C)에 각각 연결되고, AC 측(616)을 형성한다. ANPC 컨버터(600)는 DC 중간점 노드(620)를 포함한다.

위상 레그(608)는 아암 인덕터(619A 및 619B)와 함께 상부 아암(618A) 및 하부 아암(618B)을 각각 포함한다. 예로서, 상부 아암(618A)은, 중간점 노드(620)를 능동적으로 제어하고, 중간점 노드(620)에 접속하기 위한 하나의 스위치(622A) 및 또 다른 스위치(624A)를 포함한다. 또한, 제3 스위치(626A)가 포함된다. 상부 아암(618A)에 대해 대칭인 하부 아암(618B)은 스위치(622B, 624B, 626B)를 포함한다.

실시예의 HMMC 토폴로지에 기반한 3레벨 ANPC 컨버터(600)에서, 상부 아암(618A) 및 하부 아암(618B)의 스위치는 도 6b 내지 도 6d의 실시예에 도시된 바와 같이 하나 이상의 SM으로 대체될 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 HMMC는 전형적인 MMC 솔루션에 비해 부피, 중량, 및 비용을 감소시키면서, 전형적인 MMC의 모듈성, 확장성, 및 전력 품질 성능을 유지한다.

일 예로서, 도 6b의 실시예에서, HMMC(600-1)는 위상 레그(608)(도 6a)의 상부 아암(618A) 내의 스위치(626A)를, SM1-A 및 SM2-A를 포함하는 한 쌍의 SM(626A-1)으로 대체한다. 유사하게, 하부 아암(618B)은 스위치(626B)를, SM1-B 및 SM2-B를 포함하는 한 쌍의 SM(626B-1)으로 대체한다. 나머지 위상 레그(610 및 612)는 위상 레그(608)에 대해 대칭이고, 서브모듈로 개별 스위치의 대응하는 대체를 반영한다. 모듈화 균일성의 목적을 위해, SM(626A-1) 쌍 내의 SM1-A 및 SM2-A와 같은 배열 내의 SM은 전형적으로 실질적으로 동일한 값이다. 그러나, 특정 실시예는 SM1-A 및 SM2-A, 또는 유사한 배열 내의 다른 SM이 동일하지 않은(예를 들어, 혼합된) 값이어야 할 필요가 있을 수 있다.

도 6c의 실시예에서, 예시적인 HMMC(600-2)는 위상 레그(608)(도 6a)의 상부 아암(618A) 내의 스위치(624A)를, SM1-A 및 SM2-A를 포함하는 한 쌍의 SM(624A-2)으로 대체한다. 유사하게, 하부 아암(618B)은 스위치(624B)를, SM1-B 및 SM2-B를 포함하는 한 쌍의 SM(624B-2)으로 대체한다. 나머지 위상 레그(610 및 612)는 위상 레그(608)에 대해 대칭이고, 서브모듈로 개별 스위치의 대응하는 대체를 반영한다.

도 6d의 실시예에서, 예시적인 HMMC(600-3)는 위상 레그(608)(도 6a)의 상부 아암(618A) 내의 스위치(622A)를, SM1-A 및 SM2-A를 포함하는 한 쌍의 SM(622A-3)으로 대체한다. 유사하게, 하부 아암(618B)은 스위치(622B)를, SM1-B 및 SM2-B를 포함하는 한 쌍의 SM(622B-3)으로 대체한다. 나머지 위상 레그(610 및 612)는 위상 레그(608)에 대해 대칭이고, 서브모듈로 개별 스위치의 대응하는 대체를 반영한다.

도 7a는 본 개시의 또 다른 실시예의 블록도를 도시한다. 도 7a에서, 3-레벨 ANPC HMMC(700)는 도 6a의 스위치(622A, 624A, 및 626A) 중 하나와 같은 단일 스위치를, 반대 극성으로 직렬 접속된 2개의 차단 방지 스위치로 대체한다. 예를 들어, ANPC HMMC(700)는 직렬로 접속된 반대 극성의 스위치(702A 및 702B)의 차단 방지 쌍(702)을 포함한다.

이 구성의 이점은, 서브모듈(704)이 하프-브리지인 경우, 반대 극성인 스위치(702A 및 702B)가 AC 측(705)으로부터의 더 높은 전압이 DC 측(706) 상의 DC 링크로 피드백되는 것을 차단함으로써 단락 격리 보호를 제공한다는 것이다. 예로서, HMMC(700)는 중성점(708)에 접속하기 위해 반도체 모듈(707)(각각의 위상 아암 내에 있음)을 포함한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 반도체 모듈(707)은 능동 스위치로서 수행하는 IGBT이며, 필요에 따라 중성점(708)에 능동적으로 접속된다.

도 7b는 실시예에 따라 반대 극성 차단 방지 스위치를 사용하는 3레벨 NPC 기반 HMMC(701)의 블록도를 도시한다. HMMC(701)는 중성점(708)에 접속하기 위한 반도체 모듈로서 패시브 다이오드(709)(각각의 위상 아암 내에 있음)를 사용하여 도 7a의 HMMC(700)와는 상이하다.

도 7c는 실시예에 따라 FB-SM(Si IGBT 또는 SiC MOSFET)을 사용하는 3레벨 NPC 기반 HMMC(703)의 블록도를 도시한다. 예를 들어, HMMC(703)는 IGBT로서 구현된 스위치(710)(각각의 위상 아암 내에 있음) 또는 동일한 극성을 갖는 직렬의 다이오드 스위치를 포함한다. 풀-브리지로 SM(704)을 구현하면 AC 측(705)으로부터 DC 측(706)에 대한 양방향 차단 기능을 제공한다.

NPP 개념에 대한 도입 및 집중을 통해, 도 8a는 본 개시의 추가 실시예의 블록도를 도시한다. NPP HMMC(810)를 사용하는 도 8a의 실시예는 도 7a의 ANPC HMMC(700)과 유사한 격리 기능을 제공한다. 예를 들어, NPP HMMC(810)는, 실시예에 따라 반대 극성을 가지며 직렬로 접속된 스위치(814A 및 814B)의 차단 방지 쌍(814)을 포함한다. 도 7a의 ANPC 컨버터(700)에서 달성된 바와 같이, NPP HMMC(810)는 또한, SM(812)이 HB-SM인 경우, AC 측(806)으로부터의 보다 높은 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 차단하도록 구성된다.

도 8b는 도 8a의 NPP 컨버터(810)와 유사성을 공유하는 3레벨 NPP HMMC(830)의 상세한 블록도를 도시한다. 그러나, 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, NPP HMMC(830)는 위상 아암의 양 브랜치에 차단 방지 스위치 쌍을 제공한다. 따라서, NPP HMMC(830)는, SM이 HB-SM인 경우, 차단 방지 스위치를 사용하여 DC 링크의 단락 차단을 제공하기도 한다.

제한이 아닌 편의만을 위해, 차단 방지 스위치는 도 7a 및 도 7b 및 도 8a 및 도 8b에만 도시되었다. 그러나, 주목할 것은 AC 측으로부터 더 높은 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 방지하기 위해 차단 방지 스위치를 사용하는 개념이 도 6b 내지 도 6d의 예시적인 실시예에 동일하게 적용된다는 것이다.

추가적으로, 3레벨 NPP HMMC(830)는 위상 레그의 모든 상부 및 하부 아암 내의 스위치와 SM 모두의 혼합물을 포함한다. 즉, HMMC(730)에서는 동등한 다중 레벨 컨버터에 사용되는 반도체 스위치의 일부(예를 들어, 30%, 40%, 50% 등)만이 SM으로 대체된다.

도 8b의 실시예에 도시된 반도체 스위치와 SM(즉, HMMC 토폴로지)의 혼합물은 모듈성을 포함하여 전형적인 MMC의 많은 유익한 특성을 제공한다. 그러나, 예시적인 NPP HMMC(830)은 전형적인 MMC보다 부피가 작고, 중량이 가벼우며, 비용이 저렴하지만, 동일하거나 더 나은 전력 품질 성능을 달성할 수 있다.

도 8b의 예시적인 HMMC(830)는 포지티브 DC 전압 레일(831) 및 네거티브 DC 전압 레일(832)을 포함한다. AC 측(833)은 AC 위상(A, B, 및 C)에 각각 대응하는 AC 출력 단자(834A, 834B, 및 834C)를 포함한다. AC 위상 레그(836, 838, 및 840)는 또한 AC 위상(A, B, 및 C)에 각각 해당하고, 중성점(842)에 전기적으로 커플링된다. HMMC(830)의 ABC 구조는 3개의 AC 위상을 나타내지만, 실시예는 (N개의) AC 위상을 포함하는 시스템에 적용될 수 있다.

위상 레그(836, 838, 및 840)는 포지티브 레일(831)과 네거티브 레일(832) 사이에 접속된다. 위상 레그(836, 838, 및 840) 각각은 상부 아암 및 하부 아암을 포함한다. 예를 들어, 위상 레그(836)는 상부 아암(844A) 및 하부 아암(844B)을 포함한다. 아래의 논의는 상부 아암(844A)에 집중되지만, 논의된 개념은 하부 아암(844B) 뿐만 아니라, 위상 레그(838 및 840)의 상부 아암 및 하부 아암에도 동일하게 적용된다.

HMMC(830)는 DC 링크 캐패시터(C1 및 C2)를 포함한다. 캐패시터(C1 및 C2) 각각의 리드는 중성점(742)에 함께 접속된다. 캐패시터(C1 및 C2)의 대향하는 리드는 포지티브 레일(731)과 네거티브 레일(732)에 각각 접속된다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 상부 아암(844A)은, 캐스케이딩되고 직렬로 접속된, 바람직하게는, 반대 극성의 제1 반도체 스위치 쌍(846)을 포함한다. 스위치 쌍(846) 중 하나의 리드는 AC 전압 단자(834A)에 연결되고, 다른 리드는 중성점(842)에 접속된다. 상부 아암(844A)은 또한 반대 극성으로 도시된 제2 반도체 스위치 쌍(848)을 포함한다. 이러한 반도체 스위치(848)는 반대 극성으로 도시되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다. 이러한 스위치 쌍(848)의 개방 리드는 포지티브 레일(831)에 커플링된다.

상부 아암(844A)은 또한 복수의 직렬 접속된 SM(850)을 포함하고, 따라서 MMC 위상 레그의 상부 및 하부 아암 내에서 SM과 반도체 스위치를 혼합하는 하이브리드 접근법을 도입한다. 다양한 실시예에서, SM(850)은 HB-SM일 수 있다. 직렬 접속된 SM(850) 중 하나의 리드는 스위치 쌍(848)의 리드에 커플링되고, 다른 리드는 아암 인덕터(754)에 커플링된다. 아암 인덕터(754)의 다른 리드는 AC 단자(834A)에 커플링된다.

도 8a의 예에서, SM(850)은 풀-브리지 또는 하프-브리지 토폴로지일 수 있다. 예를 들어, SM(850)이 HB-SM인 경우, 스위치들(848)은 바람직하게는 상기 언급된 차단 기능 및 결함 격리를 제공하기 위해 반대 극성일 것이다.

FB-SM을 갖는 SM(850)은 HB-SM에 비해 몇 가지 이점을 제공한다. 예를 들어, FB-SM은 트루(true) 가변 DC 링크 전압을 달성하는 유연성을 제공한다. 즉, 전형적인 AC-DC 컨버터에서, DC 측은 일반적으로 AC 측보다 높은 전압 레벨을 갖는다. 일반적으로, AC 측 상의 위상-중성(phase to neutral) 전압(V_phase)과 DC 측 상의 DC 링크 전압(HMMC의 경우 V_DCLink/2) 사이의 관계는 √2의 함수이다. 보다 구체적으로, V_DCLink ≥ 2√2(V_Phase)이다.

따라서, 풀-브리지로 SM(850)을 구현하면, 양방향 차단 기능(즉, SM(850)을 통해 AC 측으로부터 DC 측을 격리하는 기능)을 포함하여 DC 측에 상당한 범위의 특징부를 제공하게 된다. 예를 들어, DC 측에서 단락 회로가 발생하면, DC 측 단락 회로가 AC 측을 중단시키지 않도록 방지하는 차단이 필요하다.

본 개시의 다양한 실시예는 트루 가변 DC 링크 전압 레벨, 특히 AC 측의 전압보다 낮은 레벨을 가능하게 한다. 다양한 실시예는, Si IGBT 또는 SiC MOSFET으로 만들어진 FB-SM을 사용하는 것; 양방향 차단 IGBT를 제공하는 것; 전형적인 MMC와 비교하여 SM의 일정 비율만을 대체하지만 동일하거나 더 나은 전력 품질을 갖는 것; DC 링크 단락의 경우, AC 측의 임베디드 격리 보호를 제공하는 것; 및 전형적인 MMC와 비교하여 동등하거나 더 나은 전력 품질 성능을 가지면서 부피를 감소시키고, 중량을 낮추고, 비용을 감소시키는 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

DC 링크 전압이 가변적이고 AC 입력 전압보다 낮아야 하는 애플리케이션의 경우, 예를 들어, AC 모터 드라이브/인버터와 인터페이싱하는 액티브 프런트 엔드(active front end; AFE) 컨버터의 경우, 종래의 MMC는 작동하지 않을 것이다. 이러한 애플리케이션은 본 개시의 다양한 실시예에 포함된다.

추가적으로, 실시예는 부피와 중량을 약 30% 이상, 반도체 손실을 30% 가까이, SM 캐패시터 비용을 대략 50%, IGBT 비용을 25% 감소시킬 수 있다. 이들 수치 및 이하의 유사한 수치는 대략적인 추정치일 뿐이며, 실시예의 특정 제한 또는 한계를 나타내려는 의도는 아니다. 동시에, 실시예는 전형적인 MMC 기술과 비교하여 동일하거나 개선된 전력 품질 성능을 유지할 수 있다.

또한, 실시예에 따라 구성된 HMMC는 다음을 포함하여, 종래의 접근법에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공한다:

(a) AC 입력 전압보다 높거나 낮은 가변 DC 링크 전압;

(b) SM의 수가 1/2 감소되고, 크기 및 중량이 감소되고, 비용이 절감됨;

(c) SM의 수가 2배인 전형적인 MMC와 동등한 높은 전력 품질;

(d) 전형적인 MMC와 동일하거나 유사한 수의 변환 레벨이지만 SM의 수는 1/2이고, 동등하거나 더 나은 전력 품질을 가짐;

(e) SM용 DC 링크 전압(0.5Vdc)의 1/2이고, 더 낮은 정격의 디바이스 및 모듈; 2.5kV, 3.3kV 또는 4.5kV Si IGBT 또는 SiC MOSFET; 조합된 MMC 이점이 가능함;

(f) 한 쌍의 차단 IGBT 및 다이오드만 표시함. 더 많이(n개의 스위치) 필요한 경우 추가될 수 있음(예를 들어, xn);

(g) 32.5%의 총 부피 감소((총 SM 부피의 ~50%인) SM 캐패시터의 50%로 인한 25%, 즉 25%=50%*50%, 및 SM 부피의 약 50%인 IGBT 및 게이트 드라이버의 50%의 25%로 인한 12.5%, 즉 12.5%=25%*50%);

(h) 풀-브리지 SM을 사용하는 전형적인 MMC와 비교하여, SM 캐패시터 비용의 50% 비용 절감, IGBT 비용의 25% 비용 절감;

(i) 더 적은 수의 SM으로 인한, 반도체 전도 손실 감소(~30%) 및 효율성 향상;

(j) DC 링크 캐패시터에 대한 캐패시턴스(캐패시터 크기) 감소. 통신 캐패시터로서만 역할을 함;

(k) 낮은 라인 주파수(50Hz 또는 60Hz)에서, 적은 손실로, 더 효율적이고 더 안정적으로 스위칭하는 IGBT;

(l) 낮은(기본 AC) 주파수 스위칭 이후 IGBT에 대한 스너버 캡의 잠재적 제거;

(m) 더 높은 전압을 위해 더 많은 IGBT를 적층하는 것은 덜 중요한 문제이며, 더 높은 전압 애플리케이션의 경우 더욱 확장가능함; 및

(n) DC 단락 회로 고장의 경우 DC로부터 AC 격리 ― FB-SM으로 인한 정적 스위치.

다양한 실시예는, FB-SM IGBT 및 하나 이상의 동일한 극성 IGBT를 직렬로 갖거나; FB-SM MOSFET 및 하나 이상의 동일한 극성 IGBT를 직렬로; FB-SM IGBT 및 하나 이상의 동일한 극성 MOSFET를 직렬로; FB-SM MOSFET 및 하나 이상의 동일한 극성 MOSFET를 직렬로; FB-SM IGBT 및 양방향 차단 IGBT를; FB-SM MOSFET 및 양방향 차단 IGBT를; HFB-SM 다이오드 및 Si IGBT 및 양방향 차단 IGBT를; HFB-SM(다이오드 및 SiC MOSFET) 및 양방향 차단 IGBT를; HB-SM(다이오드 및 Si IGBT) 및 양방향 차단 IGBT를; 또는 HB-SM(다이오드 및 SiC MOSFET) 및 양방향 차단 IGBT를 구비한 3레벨 NPP 토폴로지에 구축된 것을 포함하는 하나 이상의 특징부를 기반으로 하는 HMMC를 포함할 수 있다.

실시예는 또한, HB-SM(다이오드 및 SiC MOSFET) 및 양방향 차단 MOSFET를; HB-SM(다이오드 및 Si IGBT) 및 양방향 차단 MOSFET를; Si IGBT의 중성점 파일럿 스위치와 함께 FB-SM IGBT 및 양방향 차단 IGBT를; SiC MOSFET의 중성점 파일럿 스위치와 함께 FB-SM IGBT 및 양방향 차단 IGBT를; Si IGBT의 중성점 파일럿 스위치와 함께 FB-SM MOSFET 및 양방향 차단 IGBT를; 또는 SiC MOSFET의 중성점 파일럿 스위치와 함께 FB-SM MOSFET 및 양방향 차단 IGBT를 구비한 3L-NPP를 기반으로 하는 HMMC를 포함할 수 있다.

본 명세서의 설명은 당업자가 본 개시을 제조하거나 사용할 수 있도록 제공된다. 본 개시에 대한 다양한 수정은 당업자에게는 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적 원리가 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 변형에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에 설명된 예시 및 설계에 한정되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규 특징부와 일관되는 가장 넓은 범위를 부여받아야 한다.

Claims

ABC N상 구조를 갖고 중성점 클램프(neutral point clamped; NPC) 토폴로지를 기반으로 하는 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(hybrid modular multilevel converter; HMMC)에 있어서, N쌍의 동일한 상부 및 하부 아암(arm)을 포함하고, 각각의 상부 및 하부 아암은 X개의 서브모듈 및 Y개의 스위치 세트로 구성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제1항에 있어서,
각각의 세트 내의 스위치는 캐스케이드(cascade)되고 직렬로 접속되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제2항에 있어서,
상기 서브모듈 각각은 풀-브리지(full-bridge) 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT) 컨버터로 형성되고,
상기 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제2항에 있어서,
상기 서브모듈 각각은 하프-브리지(half-bridge) 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT) 컨버터로 형성되고,
상기 Y개의 스위치 세트 각각 내의 스위치는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제2항에 있어서,
포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 직류(direct current; DC) 전압 레일, 중성점 노드, 및 (i) AC 측을 형성하고 (ii) 상기 N쌍의 상부 및 하부 아암에 각각 접속된 N개의 AC 단자를 더 포함하고,
상기 상부 아암은 상기 포지티브 DC 전압 레일과 상기 중성점 노드 사이에 접속되어 있고, 상기 하부 아암은 상기 네거티브 DC 전압 레일과 상기 중성점 노드 사이에 접속되어 있는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제5항에 있어서,
상기 포지티브 및 네거티브 DC 전압 레일은 상기 HMMC의 DC 측에 각각의 단자를 각각 형성하고,
상기 X개의 서브모듈은 상기 AC 측으로부터 상기 DC 측을 격리하도록 구성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제6항에 있어서,
위상-중성(phase to neutral) 전압 값은 DC 링크 전압 값보다 낮거나 높을 수 있는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
중성점 클램프(neutral point clamped; NPC) 토폴로지를 기반으로 하는 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(hybrid modular multilevel converter; HMMC)에 있어서,
포지티브 및 네거티브 직류(direct current; DC) 전압 레일, 중성점 노드, 및 각각이 (i) 교류(alternating current; AC) 위상에 대응하고 (ii) 상부 아암 및 하부 아암을 포함하는 복수의 위상 레그(phase leg)를 갖고, 각각의 상부 아암은 포지티브 DC 전압 레일과 상기 중성점 노드 사이에 접속되어 있고, 각각의 하부 아암은 상기 네거티브 DC 전압 레일과 상기 중성점 노드 사이에 접속되어 있고, 상기 상부 아암 및 상기 하부 아암 중 적어도 하나는,
대응하는 AC 위상의 출력 단자에 접속된 제1 리드를 갖는 2개 이상의 직렬 접속된 서브모듈, 및
직렬로 접속되고, 일단이 상기 포지티브 DC 전압 레일에 접속되고 타단이 (i) 상기 서브모듈의 제2 리드 및 (ii) 반도체 모듈의 제1 리드에 접속된 제1 캐스케이드된 스위치 세트를 포함하고,
상기 반도체 모듈의 제2 리드는 상기 중성점에 접속되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제8항에 있어서,
상기 출력 단자는 (i) AC 소스/입력에 접속되도록 구성된 일단 및 (ii) 대응하는 위상 레그에 접속된 타단을 포함하는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제8항에 있어서,
상기 반도체 모듈은 다이오드 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제10항에 있어서,
상기 서브모듈 각각은 풀-브리지 실리콘(Si) IGBT 컨버터로 형성되고,
상기 제1 스위치 세트는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제11항에 있어서,
상기 제1 스위치 세트는 양방향 차단 IGBT인 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제12항에 있어서,
상기 제1 스위치 세트는 프리휠링(free-wheeling) 다이오드로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제13항에 있어서,
일단이 상기 포지티브 DC 전압 레일에 커플링되고 타단이 상기 중성점에 커플링되는 제1 캐패시터, 및 일단이 상기 네거티브 DC 전압 레일에 커플링되고 타단이 상기 중성점에 커플링되는 제2 캐패시터를 더 포함하는, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제10항에 있어서,
상기 서브모듈 각각은 풀-브리지 실리콘 탄화물(SiC) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor; MOSFET) 컨버터로 형성되고,
상기 제1 및 제2 스위치 세트는 반대 극성의 SiC MOSFET 및 다이오드로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제8항에 있어서,
상기 다이오드는 프리휠링인 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제10항에 있어서,
상기 서브모듈 각각은 하프-브리지 Si IGBT 컨버터로 구성되고,
상기 제1 및 제2 스위치 세트는 반대 극성의 Si IGBT 및 다이오드로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제10항에 있어서,
상기 다이오드는 프리휠링인 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
제8항에 있어서,
라인-라인(line to line) 전압 값은 DC 링크 전압 값보다 낮거나 높을 수 있는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).
ABC N상 구조를 갖고 중성점 클램프(neutral point clamped; NPC) 토폴로지를 기반으로 하는 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(hybrid modular multilevel converter; HMMC)에 있어서, N쌍의 동일한 상부 및 하부 아암을 포함하고, 각각의 상부 및 하부 아암은 X개의 서브모듈 및 Y개의 스위치 세트로 구성되고,
각각의 세트 내의 스위치는 캐스케이드되고 직렬로 접속되며,
상기 서브모듈 각각은 풀-브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor; IGBT) 컨버터로 형성되고,
상기 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈러 다중 레벨 컨버터(HMMC).