KR20230138850A - 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치 - Google Patents

반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치 Download PDF

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KR20230138850A
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황광규
이재호
임정우
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엘에스일렉트릭(주)
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Abstract

본 발명은, 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용해 고압부를 제어하는 변압기 제어부에 제어 전원을 공급하는 장치로서, 변압부 및 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 스위치를 포함하고, 고압부의 직류 링크에 연결되며, 직류 링크 전압을 변환하여 변압기 제어부에 출력하는 컨버터부와, 직류 링크 전압을 변환하기 위해 스위치의 온오프를 제어하는 컨버터 제어부를 포함하고, 컨버터부는 직렬로 연결되는 제1 내지 제(n(여기서, n은 1이상의 정수)+1) 컨버터를 포함하는 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치를 제공한다.

Description

반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치{POWER SUPPLY DEVICE USING DC LINK VOLTAGE OF HIGH VOLTAGE PART OF SOLID-STATE TRANSFORMER}
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용해 변압기 제어부에 제어 전원을 공급하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
전력용 변압기는 계통에서 송전, 배전, 분전 등의 분기점에서 전압 가변의 기능을 통해 구분해주는 역할을 한다. 하지만, 기존 전력용 변압기는 저주파 교류의 전압을 바로 가변하는 방식이므로 소자가 커 부피 및 질량이 클 뿐 아니라, 입출력 제어가 불가능하다.
이러한 기존 전력용 변압기의 문제점을 해결하기 위해, 반도체 변압기는 제안되었다. 즉, 반도체 변압기는 기존 전력용 변압기에 비해 전력변환장치의 구성이 보다 효율적인 방식으로 변경된 방식이다. 이러한 반도체 변압기는 직류링크를 통해 신재생에너지, 직류 배전, 전기자동차 충전 등과 같은 다양한 기술에 적용 가능하다.
특히, 반도체 변압기는 전압 가변과 더불어 교류/직류의 전력변환, 역률 및 고조파 제어 등 다양한 기능을 구현할 수 있고, 고주파 변압기를 채용함에 따라, 기존 전력용 변압기에 비해 부피 및 무게를 크게 줄일 수 있다. 또한, 반도체 변압기는 고압의 입력전압을 직접 연결이 가능함으로 변환 과정의 단계를 줄일 수 있어 효율을 높일 수 있다.
일반적으로 반도체 변압기의 고압부를 제어하는 제어부는 별도의 전원 장치로부터 제어 전원을 공급 받아 구동된다. 그러나, 별도의 전원 장치를 이용하게 되면 고압부에 포함되는 복수의 스위치에 걸리는 고압의 전압과 별도의 전원 장치의 전압 간 큰 전압 차이가 발생하게 되어 절연 거리를 증가시켜야 하며, 이로 인해 별도의 전원 장치의 사이즈가 증가되는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용해 변압기 제어부에 제어 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 컨버터의 절연 거리 및 사이즈를 축소할 수 있고, 상대적으로 낮은 내압을 갖는 상용 스위치를 사용할 수 있는 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용해 고압부를 제어하는 변압기 제어부에 제어 전원을 공급하는 장치로서, 변압부 및 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 스위치를 포함하고, 고압부의 직류 링크에 연결되며, 직류 링크 전압을 변환하여 변압기 제어부에 출력하는 컨버터부와, 직류 링크 전압을 변환하기 위해 스위치의 온오프를 제어하는 컨버터 제어부를 포함하고, 컨버터부는 직렬로 연결되는 제1 내지 제(n(여기서, n은 1이상의 정수)+1) 컨버터를 포함하는 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치를 제공한다.
여기서, 제1 내지 제(n+1) 컨버터는, 변압부의 1차측이 직렬로 연결되고, 변압부의 2차측이 병렬로 연결된다.
또한, 제1 내지 제(n+1) 컨버터는, 변압부의 1차측에 각각 병렬로 연결되는 입력 커패시터와, 변압부의 2차측에 각각 병렬로 연결되는 출력 커패시터를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 전원 공급 장치는, 제1 내지 제(n+1) 컨버터에 포함되는 입력 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 회로를 더 포함한다.
또한, 밸런싱 회로는, 제1 내지 제(n+1) 컨버터에 포함되는 입력 커패시터의 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 컨버터 제어부에 출력한다.
또한, 컨버터 제어부는 제어 신호를 기초로 스위치의 온오프 듀티비를 조절한다.
또한, 제1 내지 제(n+1) 컨버터에 포함되는 입력 커패시터의 전압은 스위치의 온오프 듀티비 조절에 의해 밸런싱된다.
또한, 제n 컨버터는, 제n 변압부와, 제n 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 제n 스위치, 제n 변압부의 1차측에 병렬로 연결되는 제n 입력 커패시터를 포함한다.
또한, 제(n+1) 컨버터는, 제(n+1) 변압부와, 제(n+1) 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 제(n+1) 스위치와, 제(n+1) 변압부의 1차측에 병렬로 연결되는 제(n+1) 입력 커패시터를 포함한다.
또한, 컨버터 제어부는, 직류 링크 전압을 변환하기 위해 제n 스위치의 온오프 듀티비를 제어하는 제n 컨버터 제어부와, 직류 링크 전압을 변환하기 위해 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 제어하는 제(n+1) 컨버터 제어부를 포함한다.
또한, 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터는 직렬로 연결되며, 직렬 연결된 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터는 고압부의 직류 링크에 병렬로 연결된다.
또한, 본 발명의 전원 공급 장치는, 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 회로를 더 포함한다.
여기서, 밸런싱 회로는, 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터의 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부에 출력한다.
또한, 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부는, 제어 신호를 기초로 제n 및 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 조절한다.
또한, 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터의 전압은 제n 및 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비 조절에 의해 밸런싱된다.
또한, 제n 컨버터 제어부는, 제n 입력 커패시터의 전압이 제(n+1) 입력 커패시터의 전압 보다 낮으면 제n 스위치의 온오프 듀티비를 감소시키고, 제n 입력 커패시터의 전압이 제(n+1) 입력 커패시터의 전압 보다 높으면 제n 스위치의 온오프 듀티비를 증가시킨다.
또한, 제(n+1) 컨버터 제어부는, 제(n+1) 입력 커패시터의 전압이 제n 입력 커패시터의 전압 보다 낮으면 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 감소시키고, 제(n+1) 입력 커패시터의 전압이 제n 입력 커패시터의 전압 보다 높으면 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 증가시킨다.
또한, 밸런싱 회로는, 제n 입력 커패시터의 전압을 그대로 출력하는 버퍼와, 제(n+1) 입력 커패시터의 전압을 반전시켜 출력하는 반전 증폭기와, 버퍼에서 출력되는 제n 전압 및 반전 증폭기에서 출력되는 제(n+1) 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부에 출력하는 비교기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용해 변압기 제어부에 제어 전원을 공급함으로써, 심플한 제어 전원을 구성함과 동시에 고압부에 포함되는 복수의 스위치와 전원 공급 장치 간 전압 차이를 최소화할 수 있고, 이를 통해 절연 거리 및 전원 공급 장치의 사이즈를 축소할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 직렬로 연결된 복수의 컨버터를 고압부의 직류 링크에 연결함으로써, 절연 거리 및 컨버터의 사이즈를 축소할 수 있고, 상대적으로 낮은 내압을 갖는 상용 스위치를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 밸런싱 회로가 복수의 컨버터에 포함되는 입력 커패시터들의 전압을 밸런싱함으로써, 전압 불균형을 방지할 수 있고, 상대적으로 낮은 내압을 갖는 상용 스위치를 사용할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 변압기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 변압기 모듈의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 밸런싱 회로의 회로도이다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 변압기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 변압기(1)는 전력용으로 사용되는 solid state transformer(SST)이다. 일례로, 전력용으로 사용되는 반도체 변압기(1)는 계통에서 송전, 배전, 분전 등의 분기점에서 전압 가변의 기능을 통해 구분해주는 역할을 할 수 있다. 다만, 반도체 변압기(1)는 무겁고 부피가 큰 기존 전력용 변압기 대비 크기 감소와 고효율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 변압기(1)는 배전시스템에 적용될 수 있다. 이러한 SST는 비모듈형(Non-Modular), 준모듈형(Semi-Modular) 및 모듈형(Modular)으로 각각 구분될 수 있다. 즉, 반도체 변압기(1)는 반도체 변압기 모듈(10_1, 10_2, … 10_n(여기서, n은 2이상의 자연수))이 직렬 연결된 모듈형 SST일 수 있다.
각 변압기 모듈(10)은 전원부(20)의 전력을 변환하기 위한 구성들인 고압부(11), 변압부(12) 및 저압부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
고압부(11)는 고압의 전력을 다루는 구성으로서, 전원부(20)에서 출력되는 저주파의 AC 전력을 고주파의 AC로 변환한다. 일례로, 고압부(11)는 저주파의 AC 전력을 DC로 변환하며, 변환된 DC를 고주파의 AC로 변환할 수 있다.
변압부(12)는 전력의 변압을 위한 구성으로서, 고압부(11)에서 변환된 고주파의 AC를 고주파의 저압 AC로 변압한다.
저압부(13)는 저압의 전력을 다루는 구성으로서, 변압부(12)에서 변압된 고주파의 저압 AC를 저압 DC로 변환한다. 물론, 변압부(12)는 변환된 저압 DC를 AC로 변환하는 구성(즉, DC-AC 컨버터)을 더 포함할 수도 있다. 이때, 고주파는 상용 주파수(60Hz)보다 높은 주파수이다. 일례로, 저주파는 60Hz 등이고, 고주파는 10 kHz 등일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전원부(20)의 전력은 직렬 연결된 각 반도체 변압기 모듈(10_1, 10_2, … 10_n)에 전압 분배되어 공급된다. 즉, 직렬 연결에 따라 전원부(20)의 전력이 전압 분배되며, 이러한 분배된 전압이 직렬 연결된 각 고압부(11)에 공급된다.
일례로, n이 10이고 전원부(20)에서 10KV의 전력이 공급되는 경우, 제1 내지 제n 고압부는 동일 규격으로 구현되어 동일한 전력이 각각 분배된다. 이에 따라 제1 내지 제n 고압부에는 각각 동일하게 1KV의 전력이 분배되어 공급될 수 있다.
반도체 변압기 모듈(10_1, 10_2, … 10_n)의 저압부(13)는 부하(RL)와 병렬로 연결된다.
즉, 반도체 변압기 모듈(10_1, 10_2, … 10_n)은 자신의 부하에 따라 전원부(20)의 전력에 대해 직렬 분배를 받으며, 직렬 분배된 전력에 대한 변압 기능을 수행하며, 변압된 전력이 부하(RL)로 전달된다. 또한, 고압부(11) 및 저압부(12)의 변압 기능을 제어하기 위한 변압기 제어부(미도시)가 변압기(1)에 포함될 수 있다.
한편, 부하(RL)는 배전 선로 등의 선로이거나, DC-AC 컨버터이거나, 변압된 DC 전력을 이용하여 특정 기능을 수행하는 다양한 시스템 등일 수 있다. 일례로, 부하(RL)는 전동기 구동을 제어하는 인버터 또는 PLC를 포함하는 시스템일 수 있으며, 그 외에 측정, 통신, 입력, 출력, 연산 등에 관련된 다양한 기능을 위한 시스템일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 변압기 모듈의 회로도이다.
이하, 반도체 변압기 모듈(10)의 회로도의 각 구성에 대한 상세한 연결 및 동작에 대해서 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 반도체 변압기 모듈(10)은 고압부(11), 변압부(12) 및 저압부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
반도체 변압기 모듈(10)에서, 고압부(11)는 입력되는 고압 전력을 다루는데, 전원부(20)에서 출력되는 저주파의 AC 전력을 능동적으로 제어하여 DC로 변환하고, 변환된 DC를 고주파의 AC로 변환한다.
이러한 고압부(11)는 서로 직렬로 연결되는 2개의 3레벨 풀 브리지 레그(full bridge leg)(111, 112)와, 3레벨 하프 브리지(half bridge)(113)를 포함하며, 제2 풀 브리지 레그(112)와 하프 브리지(113)의 사이에 구비된 직류 링크 커패시터(C1, C2)를 포함한다. 이때, 직류 링크 커패시터(C1, C2)가 직렬로 연결된다. 즉, 제1 직류 링크 커패시터(C1)의 타단과 제2 직류 링크 커패시터(C2)의 일단이 연결되며, 이들 사이에 노드 N2가 형성된다.
제2 풀 브리지 레그(112)의 제1 출력단이 제1 직류 링크 커패시터(C1)의 일단 및 하프 브리지(113)의 제1 입력단에 연결되며, 제2 풀 브리지 레그(112)의 제2 출력단이 제2 직류 링크 커패시터(C2)의 타단 및 하프 브리지(113)의 제2 입력단에 연결된다.
또한, 전력의 어느 한 선로가 연결되는 제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)의 제1 입력단은 노드 N1에 연결되며, 전력의 다른 한 선로가 연결되는 제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)의 제2 입력단은 노드 N2에 연결된다.
또한, 제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)의 제1 및 제2 출력단에는 직류 링크 커패시터(C3)의 일단 및 타단이 각각 연결된다.
제1 풀 브리지 레그(111)는 4개의 스위치(S11, S12, S13, S14)와, 2개의 다이오드(D11, D12)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 풀 브리지(112)는 4개의 스위치(S21, S22, S23, S24)와, 2개의 다이오드(D21, D22)를 포함한다.
제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)의 스위치(S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24)는 변압기 제어부(미도시)의 제어 신호에 따라 그 on/off 여부가 결정된다. 예를 들어, 스위치(S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24)는 IGBT, MOSFET, 또는 GTO 등의 전력용 반도체 스위치일 수 있다.
제1 풀 브리지 레그(111)에서, 각 스위치(S11, S12, S13, S14)는 직렬로 연결된다. 즉, S11의 타단과 S12의 일단이 연결되어 노드 N3가 형성되고, S12의 타단과 S13의 일단이 연결되어 노드 N1이 형성되며, S13의 타단과 S14의 일단이 연결되어 노드 N4가 형성된다. 이때, S11의 일단은 C1의 일단에 연결되며, S14의 타단은 C2의 타단에 연결된다.
또한, 제1 풀 브리지 레그(111)에서, 각 다이오드(D11, D12)도 직렬로 연결된다. 즉, D11의 타단과 D12의 일단이 연결되어 노드 N5가 형성된다. 이때, D11의 일단은 N3에 연결되며, D12의 타단은 N4에 연결된다.
마찬가지로, 제2 풀 브리지(112)에서, 각 스위치(S21, S22, S23, S24)는 직렬로 연결된다. 즉, S21의 타단과 S22의 일단이 연결되어 노드 N6이 형성되고, S22의 타단과 S23의 일단이 연결되어 노드 N2가 형성되며, S23의 타단과 S24의 일단이 연결되어 노드 N7이 형성된다. 이때, S21의 일단은 C1의 일단에 연결되며, S24의 타단은 C4의 일단에 연결된다.
또한, 제2 풀 브리지(112)에서, 각 다이오드(D21, D22)도 직렬로 연결된다. 즉, D21의 타단과 D22의 일단이 서로 연결되되 N5에 연결된다. 이때, D21의 일단은 N6에 연결되며, D22의 타단은 N7에 연결된다.
제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)는 하나의 풀 브리지(full bridge)를 형성하여 AFE 컨버터로 동작하는데, on/off 제어가 가능한 스위치를 이용하여, 전원부(20)에서 출력되는 저주파의 AC 전력을 능동적으로 제어하여 DC로 변환한다. 이러한 AFE 컨버터는 직류 링크 커패시터(C1, C2)의 전압(이하, “링크 전압”이라 지칭함)의 제어, DC 링크 전압의 일정한 유지, 입력의 역률 제어, 입력 전류에 포함된 고조파 제거 등의 이점을 가진다.
제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)는 각각 3레벨을 가진다. 즉, 제1 풀 브리지 레그(111)에서, 제1 레벨은 S11 및 S12가 on 되고 S13 및 S14가 off 되는 상태이고, 제2 레벨은 S11 및 S12가 off 되고 S13 및 S14가 on 되는 상태이며, 제3 레벨은 S11 및 S14가 on 되는 상태이다. 마찬가지로, 제2 풀 브리지(112)에서, 제1 레벨은 S21 및 S22가 on 되고 S23 및 S24가 off 되는 상태이고, 제2 레벨은 S21 및 S22가 off 되고 S23 및 S24가 on 되는 상태이며, 제3 레벨은 S21 및 S24가 on 되는 상태이다. 이에 따라, 제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)에 의해 총 5레벨이 출력될 수 있다. 즉, C1의 일단 및 C2의 타단 사이의 전압을 VDC라고 할 경우, 각각 3레벨을 가지는 제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)들의 복합적인 동작에 따라, N1과 N2 사이의 전압은 VDC, VDC/2, 0, -VDC/2 및 -VDC의 총 5레벨을 나타날 수 있다.
하프 브리지(113)는 제1 및 제2 풀 브리지 레그(11, 112)에서 변환된 DC를 고주파의 AC로 변환한다. 이때, 하프 브리지(113)는 4개의 스위치(S31, S32, S33, S34)와, 2개의 다이오드(D31, D32)를 포함한다. 변압부(12)는 1차측과 및 2차측을 포함한다. 풀 브리지(131)는 4개의 스위치(S41, S42, S43, S44)를 포함한다.
하프 브리지(113)에서, 각 스위치(S31, S32, S33, S34)는 직렬로 연결된다. 즉, S31의 타단과 S32의 일단이 연결되어 노드 N9가 형성되고, S32의 타단과 S33의 일단이 연결되어 노드 N10이 형성되며, S33의 타단과 S34의 일단이 연결되어 노드 N11이 형성된다. 이때, S31의 일단은 C1의 일단에 연결되어 DAB 컨버터의 제1 입력단으로 작용할 수 있으며, S34의 타단은 C2의 타단에 연결되어 AFE 컨버터의 제2 입력단으로 작용할 수 있다.
또한, 하프 브리지(113)에서, 각 다이오드(D31, D32)도 직렬로 연결된다. 즉, D31의 타단과 D32의 일단이 서로 연결되되 N5에 연결된다. 이때, D31의 일단은 N9에 연결되며, D32의 타단은 N11에 연결된다.
하프 브리지(113)는 3레벨을 가진다. 즉, 하프 브리지(113)에서, 제1 레벨은 S31 및 S32가 on 되고 S33 및 S34가 off 되는 상태이고, 제2 레벨은 S32 및 S33이 on 되고 S31 및 S34가 off 되는 상태이며, 제3 레벨은 S31 및 S32가 off 되고 S33 및 S34가 on 되는 상태이다. 이때, 하프 브리지(113)에서, 제1 및 제2 출력단(N10, N5) 사이의 전압은 제1 레벨에서 VDC/2, 제2 레벨에서 0, 제3 레벨에서 -VDC/2이 각각 인가될 수 있다. 일례로, 변압기 제어부의 제어 신호에 따라, 제1 레벨에서 제3 레벨로 순차적으로 변경되는 제1 과정과, 이후 제3 레벨에서 제1 레벨로 순차적으로 변경되는 제2 과정이 반복 진행됨으로써, 제1 및 제2 풀 브리지 레그(11, 112)에서 변환된 DC를 고주파의 AC로 변환 동작이 수행될 수 있다.
반도체 변압기 모듈(10)에서, 변압부(12)는 하프 브리지(113)에서 변환된 고주파의 AC를 고주파의 저압 AC로 변압한다. 이때, 변압부(12)의 제1 입력단에 연결되는 하프 브리지(113)의 제1 출력단은 N10이며, 변압부(12)의 제2 입력단에 연결되는 하프 브리지(113)의 제2 출력단은 N5이다.
변압부(12)는 1차측과 및 2차측는 각각 다양한 권선을 가진 코일을 포함할 수 있다. 이때, 1차측의 코일 권선 수는 2차측의 코일 권선 수보다 많은 것이 바람직할 수 있다. 즉, 1차측으로 입력되는 변환된 고주파의 AC는 1차측 및 2차측 간의 권선 수 관계에 따라, 고주파의 저압 AC로 변압되어 2차측으로 출력된다.
이때, 1차측의 제1 입력단은 변압부(12)의 제1 입력단으로 작용하며, 하프 브리지(113)의 제1 출력단인 N10에 연결된다. 1차측의 제2 입력단은 변압부(12)의 제2 입력단으로 작용하며, 하프 브리지(113)의 제2 출력단인 N5에 연결된다. 또한, 1차측에는 능동 소자(인덕터 등) 또는 수동 소자(저항 등)가 추가로 연결될 수도 있다.
2차측의 제1 출력단은 변압부(12)의 제1 출력단으로 작용하며, 제3 풀 브리지(131)의 제1 입력단인 N11에 연결된다. 2차측의 제2 출력단은 변압부(12)의 제2 출력단으로 작용하며, 제3 풀 브리지(131)의 제2 입력단인 N12에 연결된다. 또한, 1차측에는 능동 소자(인덕터 등) 또는 수동 소자(저항 등)가 추가로 연결될 수도 있다. 특히, 2차측의 제1 또는 제2 출력단에는 DC 블로킹 기능(즉, 변압된 저압 AC에서 DC 성분을 제거하는 기능)을 위한 커패시터(C4)가 추가로 연결될 수도 있다.
반도체 변압기 모듈(10)에서, 저압부(13)는 변압부(12)에서 변환된 고주파의 저압 AC를 저압 DC로 변환한다. 이러한 저압부(13)는 2레벨의 제3 풀 브리지(full bridge)(131)와, 제3 풀 브리지(131)에 연결되는 직류 링크 커패시터(C3)를 포함한다.
제3 풀 브리지(131)는 4개의 스위치(S41, S42, S43, S44)를 포함한다. 제3 풀 브리지(131)의 스위치(S41, S42, S43, S44)는 변압기 제어부(미도시)의 제어 신호에 따라 그 on/off 여부가 결정된다. 예를 들어, 스위치(S41, S42, S43, S44)는 IGBT, MOSFET, 또는 GTO 등의 전력용 반도체 스위치일 수 있다.
서로 직렬로 연결되는 S41과 S42가 하나의 풀 브리지 레그를 형성하고, 서로 직렬로 연결되는 S43 및 S44가 다른 하나의 풀 브리지 레그를 형성한다. 즉, S41의 타단과 S42의 일단이 연결되어 노드 N11가 형성되고, S43의 타단과 S44의 일단이 연결되어 노드 N12가 형성된다. 이때, S41의 일단과 S43의 일단은 C3의 일단에 연결되어 제3 풀 브리지(131)의 제1 출력단으로 작용할 수 있으며, S42의 타단과 S44의 타단은 C3의 타단에 연결되어 제3 풀 브리지(131)의 제2 출력단으로 작용할 수 있다. 또한, C3의 일단은 반도체 변압기 모듈(10)의 제1 출력단으로 작용하여 부하(RL)의 제1 단자에 연결될 수 있으며, C3의 타단은 반도체 변압기 모듈(10)의 제2 출력단으로 작용하여 부하(RL)의 제2 단자에 연결될 수 있다.
제3 풀 브리지(131)는 2레벨을 가진다. 즉, 제3 풀 브리지(131)에서, 제1 레벨은 S41 및 S44가 on 되고 S42 및 S43이 off 되는 상태이고, 제2 레벨은 S41 및 S44가 off 되고 S42 및 S43이 on 되는 상태이다. 이러한 제1 레벨 및 제2 레벨의 과정이 반복적으로 진행됨으로써, 변압부(12)에서 변환된 고주파의 저압 AC를 DC로 변환하는 제3 동작이 수행될 수 있으며, 제3 동작에 따라 C3에 인가된 DC는 부하(RL)로 전달될 수 있다.
한편, 하프 브리지(113), 변압부(12) 및 제3 풀 브리지(131)는 하나의 DC-DC 컨버터로 동작한다. 즉, 제1 및 제2 풀 브리지 레그(111, 112)에서 변환된 DC를 고주파의 AC로 변환하는 제1 동작과, 변환된 고주파의 AC를 고주파의 저압 AC로 변압하는 제2 동작과, 변환된 고주파의 저압 AC를 저압 DC로 변환하는 제3 동작을 수행할 수 있다. 이러한 DC-DC 컨버터는 절연형 양방향 DC-DC 컨버터 중 하나인 DAB 컨버터에 해당할 수 있으며, CLLC 컨버터와 같은 양방향 공진형 컨버터와는 달리 부하 전류의 방향 전환이 매끄럽고, 위상 천이에 의한 전력 방향 제어가 용이하다는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 회로도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 밸런싱 회로의 회로도이다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치를 상세히 설명하겠다.
본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치는, 반도체 변압기(1)의 고압부(11)의 직류 링크 전압(VDC)을 이용해 고압부(11)를 제어하는 변압기 제어부(200)에 제어 전원을 공급하는 장치이다. 여기서, 변압기 제어부(200)는 반도체 변압기(1)의 고압부(11)에 포함되는 복수의 스위치((S11, S12, S13, S14), (S21, S22, S23, S24), (S31, S32, S33, S34))의 스위칭 동작을 제어하는 구성이다.
일반적으로 변압기 제어부(200)는 별도의 전원 장치로부터 제어 전원을 공급 받아 구동된다. 그러나, 별도의 전원 장치를 이용하게 되면 고압부(11)에 포함되는 복수의 스위치((S11, S12, S13, S14), (S21, S22, S23, S24), (S31, S32, S33, S34))에 걸리는 고압의 전압과 별도의 전원 장치의 전압 간 큰 전압 차이가 발생하게 되어 절연 거리를 증가시켜야 하며, 이로 인해 별도의 전원 장치의 사이즈가 증가되는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치는, 반도체 변압기(1)의 고압부(11)의 직류 링크 전압(VDC)을 이용해 변압기 제어부(200)에 제어 전원을 공급함으로써, 심플한 제어 전원을 구성함과 동시에 고압부(11)에 포함되는 복수의 스위치((S11, S12, S13, S14), (S21, S22, S23, S24), (S31, S32, S33, S34))와 전원 공급 장치 간 전압 차이를 최소화할 수 있고, 이를 통해 절연 거리 및 전원 공급 장치의 사이즈를 축소할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치는, 컨버터부(100) 및 컨버터 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
컨버터부(100)는 복수의 컨버터(100_1~100_(n+1))(여기서, n은 1이상의 정수)를 포함한다. 여기서, 복수의 컨버터(100_1~100_(n+1))는 플라이백 컨버터일 수 있다.
복수의 컨버터(100_1~100_(n+1))는 변압부(T1~T(n+1))(여기서, n은 1이상의 정수)와, 변압부(T1~T(n+1))의 1차측에 직렬로 연결되는 스위치(S1~S(n+1))(여기서, n은 1이상의 정수)와, 변압부(T1~T(n+1))의 1차측에 병렬로 연결되는 입력 커패시터(Ci1~Ci(n+1))(여기서, n은 1 이상의 정수)를 포함한다.
여기서, 변압부(T1~T(n+1))는 1차측 코일 및 2차측 코일을 포함하고, 스위치(S1~S(n+1))는 IGBT, MOSFET, 또는 GTO 등의 전력용 반도체 스위치일 수 있다.
또한, 복수의 컨버터(100_1~100_(n+1))는 변압부(T1~T(n+1))의 2차측에 직렬로 연결되는 다이오드(D1~D(n+1))와, 변압부(T1~T(n+1))의 2차측에 병렬로 연결되는 출력 커패시터(Co1~Co(n+1))(여기서, n은 1 이상의 정수)를 포함한다.
컨버터부(100)는 고압부(11)의 직류 링크(114)에 병렬로 연결되며, 직류 링크 전압(VDC)을 변환하여 변압기 제어부(200)에 출력할 수 있다.
컨버터 제어부(150)는 직류 링크 전압(VDC)을 변환하여 제어 전원을 생성하기 위해 컨버터부(150)의 스위치(S1~S(n+1))의 온오프 듀티비를 제어할 수 있다.
이하, 제1 컨버터(100_1)를 일 예로 하여 컨버팅 동작을 설명하겠다.
컨버터(100_1)에 입력된 직류 전압은 스위치(S1)의 스위칭 동작에 의해 변압부(T1)의 1차측에 공급된다. 이 때, 컨버터 제어부(150_1)는 변압부(T1)의 2차측 출력 전압을 피드백 받아 스위치(S1)의 스위칭 동작을 제어하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 그리고, 변환된 교류 전압은 변압부(T1)의 1차측에 입력되고, 변압부(T1)의 2차측에는 변압부(T1)의 권선비에 비례하는 교류 전압이 유기된다. 그리고, 유기된 교류 전압은 다이오드(D1) 및 출력 커패시터(Co1)에 의해 직류 전압으로 변환된다.
한편, 하나의 컨버터를 통해 반도체 변압기(1)의 고압부(11)의 직류 링크 전압(VDC)을 변압기 제어부(200)에 제어 전원으로 공급하는 경우, 하나의 컨버터에 높은 전압이 걸리기 때문에, 절연 거리 확보를 위해 컨버터의 사이즈가 증가될 뿐만 아니라, 복수의 스위치를 직렬로 연결하여 사용해야 한다. 이 때, 복수의 스위치에 걸리는 전압의 불균형으로 인해 높은 내압을 갖는 스위치를 사용해야 하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 컨버터부(100)는 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))를 포함하되, 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))가 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 컨버터부(100)는, 직류 링크 전압(VDC)이 전압 분배의 법칙에 따라 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))에 분배되어 입력되기 때문에, 절연 거리 및 컨버터의 사이즈를 축소할 수 있고, 상대적으로 낮은 내압을 갖는 상용 스위치를 사용할 수 있게 된다.
구체적으로, 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))는, 변압부(T1~T(n+1))의 1차측들이 직렬로 연결되고, 변압부(T1~T(n+1))의 2차측들이 병렬로 연결된다.
여기서, 직류 링크 전압(VDC)은 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))의 입력 커패시터(Ci1~Ci (n+1))에 분압되어 입력될 수 있다.
한편, 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))의 입력 커패시터(Ci1~Ci(n+1))에 입력되는 전압에 불균형이 발생할 수 있다. 이러한 전압 불균형으로 인해, 예를 들어, 제1 컨버터(100_1)의 제1 입력 커패시터(Ci1)에 상대적으로 높은 전압이 입력될 수 있고, 이 경우 제1 컨버터(100_1)에 포함되는 제1 스위치(S1)의 내압 보다 큰 전압이 걸려 제1 스위치(S1)가 소손될 우려가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 전원 공급 장치는 밸런싱 회로(170)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
밸런싱 회로(170)는 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))에 포함되는 입력 커패시터(Ci1~Ci (n+1))의 전압을 밸런싱할 수 있다.
구체적으로, 밸런싱 회로는 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))에 포함되는 입력 커패시터(Ci1~Ci (n+1))의 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 컨버터 제어부(150_1~150_(n+1))에 출력할 수 있다. 그리고, 컨버터 제어부(150_1~150_(n+1))는 입력 받은 제어 신호를 기초로 스위치(S1~S(n+1))의 온오프 듀티비를 조절할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제(n+1) 컨버터(100_1~100_(n+1))에 포함되는 입력 커패시터의 전압(Ci1~Ci (n+1))은 스위치(S1~S(n+1))의 온오프 듀티비 조절에 의해 밸런싱될 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 밸런싱 회로의 동작을 상세히 설명하겠다.
밸런싱 회로(170)는 제n 입력 커패시터(Cin) 및 제(n+1) 입력 커패시터(Ci(n+1))의 전압을 밸런싱할 수 있다.
구체적으로, 밸런싱 회로(170)는 제n 입력 커패시터(Cin) 및 제(n+1) 입력 커패시터(Ci(n+1))의 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 제n 컨버터(150_n) 및 제(n+1) 컨버터 제어부(150_(n+1))에 출력한다. 그리고, 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부는 입력 받은 제어 신호를 기초로 제n 스위치(Sn) 및 제(n+1) 스위치(S(n+1))의 온오프 듀티비를 조절한다. 이에 따라, 제n 입력 커패시터(Cin) 및 제(n+1) 입력 커패시터(Ci(n+1))의 전압은 제n 스위치(Sn) 및 제(n+1) 스위치(S(n+1))의 온오프 듀티비 조절에 의해 밸런싱된다.
더욱 구체적으로, 제n 컨버터 제어부(150_n)는, 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압이 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압 보다 낮으면 제n 스위치(Sn)의 온오프 듀티비를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 제n 입력 커패시터(Cin)에 저장된 전력을 변압부(Tn)의 2차측에 더 적게 전달하여 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압을 높일 수 있다.
그리고, 제n 컨버터 제어부(150_n)는, 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압이 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압 보다 높으면 제n 스위치(Sn)의 온오프 듀티비를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 제n 입력 커패시터(Cin)에 저장된 전력을 변압부(Tn)의 2차측에 더 많이 전달하여 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압을 낮출 수 있다.
또한, 제(n+1) 컨버터 제어부(150_(n+1))는, 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압이 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압 보다 낮으면 제(n+1) 스위치(S(n+1))의 온오프 듀티비를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))에 저장된 전력을 변압부(T(n+1))의 2차측에 더 적게 전달하여 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압을 높일 수 있다.
그리고, 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압이 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압 보다 높으면 제(n+1) 스위치(S(n+1))의 온오프 듀티비를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))에 저장된 전력을 변압부(T(n+1))의 2차측에 더 많이 전달하여 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압을 낮출 수 있다.
밸런싱 회로(170)는, 제1 전압 분배부(171), 제2 전압 분배부(172), 버퍼(173), 반전 증폭기(174), 제1 비교기(175) 및 제2 비교기(176)를 포함할 수 있다.
제1 전압 분배부(171)는, 2개의 저항(R11, R12)을 포함하며, 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압을 분배한다. 여기서, R11 및 R12는 직렬로 연결되고, 직렬 연결된 R11 및 R12는 제n 입력 커패시터(Cin)와 병렬로 연결된다.
제2 전압 분배부(172)는, 2개의 저항(R21, R22)을 포함하며, 제(n+1) 입력 커패시터(Ci(n+1))의 전압을 분배한다. 여기서, R21 및 R22는 직렬로 연결되고, 직렬 연결된 R21 및 R22는 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))와 병렬로 연결된다.
버퍼(173)는, 오피 엠프(OP1)를 포함하며, 제n 입력 커패시터(Cin)의 전압을 그대로 출력한다. 여기서, 오피 엠프(OP1)의 비반전 단자(+)는 제1 전압 분배부(171)의 2개의 저항(R11, R12) 사이에 연결되고, 오피 엠프(OP1)의 반전 단자(-)는 오피 엠프(OP1)의 출력 단자에 연결된다. 이에 따라, 커패시터(Cin)의 전압은 2개의 저항(R21, R22)에 의해 분배되고, 분배된 전압은 그대로 오피 엠프(OP1)의 출력 단자로 출력된다.
반전 증폭기(174)는, 오피 엠프(OP2), 2개의 저항(R31, R32) 및 1개의 커패시터(C31)를 포함하며, 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압을 반전시켜 출력한다. 여기서, R31는 제2 전압 분배부(172)의 2개의 저항(R21, R22) 사이의 노드와 오피 엠프(OP2)의 반전 단자(-) 사이에 연결된다. 그리고, R32와 C31는 오피 엠프(OP2)의 반전 단자(-) 및 오피 엠프(OP2)의 출력 단자에 병렬로 연결된다. 그리고, 오피 엠프(OP2)의 비반전 단자(+)는 접지에 연결된다.
제1 비교기(175)는, 오피 엠프(OP3), 5개의 저항(R41, R42, R43, R44, R45)및 2개의 커패시터(C41, C42)를 포함하며, 버퍼(173)에서 출력되는 제n 전압 및 반전 증폭기(174)에서 출력되는 제(n+1) 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 제n 컨버터 제어부(150_n)에 출력한다. 여기서, R41는 버퍼(173)의 출력 단자와 오피 엠프(OP3)의 반전 단자(-) 사이에 연결된다. 그리고, R42는 반전 증폭기(174)의 출력 단자와 오피 엠프(OP3)의 비반전 단자(+) 사이에 연결된다. 그리고, 오피 엠프(OP3)의 비반전 단자(+) 및 접지 사이에 R45가 연결된다. 그리고, R43과 C41은 직렬 연결되고, 직렬 연결된 R43과 C41와 C42는 오피 엠프(OP3)의 반전 단자(-) 및 오피 엠프(OP3)의 출력 단자에 병렬로 연결된다. 그리고, R44는 오피 엠프(OP3)의 출력 단자 및 제n 컨버터 제어부(150_n) 사이에 연결된다.
제2 비교기(176)는, 오피 엠프(OP4), 5개의 저항(R51, R52, R53, R54, R55)및 2개의 커패시터(C51, C52)를 포함하며, 버퍼(173)에서 출력되는 제n 전압 및 반전 증폭기(174)에서 출력되는 제(n+1) 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 제(n+1) 컨버터 제어부(150_(n+1))에 출력한다. 여기서, R52는 버퍼(173)의 출력 단자와 오피 엠프(OP4)의 비반전 단자(+) 사이에 연결된다. 그리고, R51는 반전 증폭기(174)의 출력 단자와 오피 엠프(OP4)의 반전 단자(-) 사이에 연결된다. 그리고, 오피 엠프(OP4)의 비반전 단자(+) 및 접지 사이에 R55가 연결된다. 그리고, R53과 C51은 직렬 연결되고, 직렬 연결된 R53과 C51와 C52는 오피 엠프(OP4)의 반전 단자(-) 및 오피 엠프(OP4)의 출력 단자에 병렬로 연결된다. 그리고, R54는 오피 엠프(OP4)의 출력 단자 및 제(n+1) 컨버터 제어부(150_(n+1)) 사이에 연결된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치에 따르면, 밸런싱 회로(170)가 제n 입력 커패시터(Cin) 및 제(n+1) 입력 커패시터(Ci (n+1))의 전압을 밸런싱함으로써, 전압 불균형을 방지할 수 있고, 상대적으로 낮은 내압을 갖는 상용 스위치를 사용할 수 있게 된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1: 반도체 변압기 10: 반도체 변압기 모듈
11: 고압부 12: 변압부
13: 저압부 100: 컨버터
150: 컨버터 제어부 170: 밸런싱 회로
200: 변압기 제어부

Claims (17)

  1. 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용해 상기 고압부를 제어하는 변압기 제어부에 제어 전원을 공급하는 장치로서,
    변압부 및 상기 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 스위치를 포함하고, 상기 고압부의 직류 링크에 연결되며, 상기 직류 링크 전압을 변환하여 상기 변압기 제어부에 출력하는 컨버터부; 및
    상기 직류 링크 전압을 변환하기 위해 상기 스위치의 온오프를 제어하는 컨버터 제어부를 포함하고,
    상기 컨버터부는 직렬로 연결되는 제1 내지 제(n(여기서, n은 1이상의 정수)+1) 컨버터를 포함하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제(n+1) 컨버터는
    상기 변압부의 1차측이 직렬로 연결되고, 상기 변압부의 2차측이 병렬로 연결되는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제(n+1) 컨버터는
    상기 변압부의 1차측에 각각 병렬로 연결되는 입력 커패시터; 및
    상기 변압부의 2차측에 각각 병렬로 연결되는 출력 커패시터를 더 포함하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제(n+1) 컨버터에 포함되는 상기 입력 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 회로
    를 더 포함하는 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는
    상기 제1 내지 제(n+1) 컨버터에 포함되는 상기 입력 커패시터의 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 상기 컨버터 제어부에 출력하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는
    상기 제어 신호를 기초로 상기 스위치의 온오프 듀티비를 조절하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제(n+1) 컨버터에 포함되는 상기 입력 커패시터의 전압은 상기 스위치의 온오프 듀티비 조절에 의해 밸런싱되는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제n 컨버터는
    제n 변압부와, 상기 제n 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 제n 스위치와, 상기 제n 변압부의 1차측에 병렬로 연결되는 제n 입력 커패시터를 포함하고,
    상기 제(n+1) 컨버터는
    제(n+1) 변압부와, 상기 제(n+1) 변압부의 1차측에 직렬로 연결되는 제(n+1) 스위치와, 상기 제(n+1) 변압부의 1차측에 병렬로 연결되는 제(n+1) 입력 커패시터를 포함하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는
    상기 직류 링크 전압을 변환하기 위해 상기 제n 스위치의 온오프 듀티비를 제어하는 제n 컨버터 제어부; 및
    상기 직류 링크 전압을 변환하기 위해 상기 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 제어하는 제(n+1) 컨버터 제어부를 포함하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터는 직렬로 연결되며, 직렬 연결된 상기 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터는 상기 고압부의 직류 링크에 병렬로 연결되는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 회로
    를 더 포함하는 반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는
    상기 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터의 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 상기 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부에 출력하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부는
    상기 제어 신호를 기초로 상기 제n 및 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 조절하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제n 및 제(n+1) 입력 커패시터의 전압은 상기 제n 및 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비 조절에 의해 밸런싱되는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제n 컨버터 제어부는
    상기 제n 입력 커패시터의 전압이 상기 제(n+1) 입력 커패시터의 전압 보다 낮으면 상기 제n 스위치의 온오프 듀티비를 감소시키고,
    상기 제n 입력 커패시터의 전압이 상기 제(n+1) 입력 커패시터의 전압 보다 높으면 상기 제n 스위치의 온오프 듀티비를 증가시키는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제(n+1) 컨버터 제어부는
    상기 제(n+1) 입력 커패시터의 전압이 상기 제n 입력 커패시터의 전압 보다 낮으면 상기 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 감소시키고,
    상기 제(n+1) 입력 커패시터의 전압이 상기 제n 입력 커패시터의 전압 보다 높으면 상기 제(n+1) 스위치의 온오프 듀티비를 증가시키는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 밸런싱 회로는
    상기 제n 입력 커패시터의 전압을 그대로 출력하는 버퍼;
    상기 제(n+1) 입력 커패시터의 전압을 반전시켜 출력하는 반전 증폭기; 및
    상기 버퍼에서 출력되는 제n 전압 및 상기 반전 증폭기에서 출력되는 제(n+1) 전압 차이에 대응하는 제어 신호를 상기 제n 및 제(n+1) 컨버터 제어부에 출력하는 비교기를 포함하는
    반도체 변압기의 고압부의 직류 링크 전압을 이용한 전원 공급 장치.
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