KR20240026551A - 사이리스터들의 직렬 연결을 위한 회생형 클램프 회로들 - Google Patents

Abstract

사이리스터들의 직렬 연결을 위한 전압 클램프 회로들을 제시한다. 전압 클램프 회로들은 전력 손실을 줄이기 위한 회생 방전 회로를 포함한다. 회생 방전 회로에서 고주파 교류를 사용함으로써, 절연 변압기들의 크기가 작게 된다. 변압기들을 사다리 연결함으로써, 1차 권선과 2차 권선들 사이에 요구되는 절연 전압이 낮게 된다. 회생형 스너버들을 더 포함하는 회로들도 제시한다.

Description

사이리스터들의 직렬 연결을 위한 회생형 클램프 회로들{Regenerative clamp circuits for series connection of thyristors}

본 발명은 사이리스터들의 직렬 연결을 위한 회로들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회생형 클램프 회로들에 관한 것이다.

스위칭 전력 변환기

도 1에 스위칭 전력 변환기의 한 예로서 3상 교류-직류 전류원 변환기를 나타내었다. 이상적인 스위치는 무손실 소자이며, 따라서 이상적인 스위치들로 구성된 스위칭 전력 변환기들은 100%의 에너지 효율을 갖는다.

실제의 반도체 스위칭 소자들은 무손실은 아니고 저손실 특성을 갖는다. 실제의 스위칭 전력 변환기들은, 응용에 따라서 다르지만, 높게는 약 99%까지의 효율을 가질 수 있다.

99%의 에너지 효율은 어떤 응용에서는 만족스러울 수도 있지만, 특히 대전력 응용에서는 그리 만족스러운 것이 아니다. 예를 들어 500MW의 전력을 처리하는 변환기에서 1%의 손실은 5MW의 전력이다. 전력 손실은 그 자체로도 손실이며, 방열 장치에서도 부담이다.

사이리스터들은 다이오드들과 함께 가장 먼저 실용화된 전력용 반도체 스위칭 소자들이며, 턴 온 만 제어할 수 있다는 한계를 가지고 있다. 이 후 턴 오프도 제어할 수 있는 트랜지스터들이 실용화되면서 사이리스터들의 활용은 계속 감소해 왔다. 그렇지만, 사이리스터들은 트랜지스터들에 비해서 온 상태 손실이 적기 때문에, 고 효율이 특히 중요한 대 전력 응용에서는 여전히 많이 활용되고 있다. 도 2에 사이리스터들로 구성된 변환기를 나타내었다.

스위칭 소자들의 직렬 연결

실제의 반도체 스위칭 소자들은 전압 차단 능력에서도 한계를 갖는다. 현재 쓰이고 있는 사이리스터들의 차단 전압은 최대 수 천 V이다.

더 높은 전압의 전력 변환기를 구현하는 데에는 스위칭 소자들의 직렬 연결이 사용된다. 예로서, 도 3에 네 개의 사이리스터들이 직렬 연결된 변환기를 나타내었다. 수 백 kV의 HVDC 시스템의 경우에는 수 백 개의 사이리스터들이 직렬 연결된다.

전압 분배용 회로들

사이리스터들의 직렬 연결에는 차단 전압의 분배 문제가 있다. 사이리스터들의 오프 상태 특성이 동일하다면 차단 전압들도 동일하게 나뉘겠지만, 동일한 오프 상태 특성을 갖는 사이리스터들을 생산하는 데에는 한계가 있다고 알려져 있다. 그래서 전압 분배용 저항들을 추가로 연결하는 방법이 사용되고 있다. 도 4에 이것을 나타내었다. 전압 분배용 저항들의 값들은 가능한 한 정밀하게 동일한 값들로 제작되어야 한다.

전압 분배용 저항들을 연결하더라도 스위칭 과도 시간에는 또다른 문제가 발생한다. 사이리스터들이 턴 오프 될 때에, 사이리스터들의 특성이 완전히 동일하지 않기 때문에, 턴 오프 되는 시간이 완전히 동일하지 않게 된다. 그래서 먼저 턴 오프 되는 사이리스터들에 높은 차단 전압이 걸리게 된다. 또한, 턴 온 할 때에도 나중에 턴 온 되는 사이리스터들에 높은 차단 전압이 걸리게 된다.

위와 같은 문제를 완화하기 위해서 전압 분배용 스너버 회로들을 추가로 연결하는 방법이 사용되고 있다. 도 5에 이것을 나타내었다. 이 스너버 회로들은 차단 전압들이 조금 천천히 선형적으로 상승되도록 함으로써 스위칭 과도 시간에서의 차단 전압의 분배를 돕는다.

위의 방법은 널리 사용되어 온 방법이지만, 추가적인 전압 분배용 저항들과 전압 분배용 스너버들에서 추가적인 손실이 발생한다. 또한 차단 전압 분배 기능이 엄격하지 않고 과전압 방지 기능이 없기 때문에, 신뢰성을 확보를 위해서는 직렬 연결하는 사이리스터들의 개수를 조금 더 많이 해야 하며, 그러면 그만큼 사이리스터들에서의 온 상태 손실이 더 발생한다.

전압 클램프 회로

과전압 방지를 위해서 제너 다이오드들을 추가로 연결할 수 있다. 도 6에 이것을 나타내었다. 각 사이리스들에 걸리는 전압은 제너 전압보다 커지지 않게 되며, 이러한 기능을 전압 클램프라고 부른다.

제너 다이오드들을 연결하면, 전압 분배용 저항들이나 전압 분배용 스너버 회로들을 생략할 수도 있다. 도 7에 이것을 나타내었다. 이 경우에는 전압 분배용 스너버들에서 발생하는 손실과 유사한 수준의 손실이 제너 다이오드들에서 발생한다. 턴 오프 될 때에는 먼저 턴 오프 되는 사이리스터들 옆의 제너 다이오드들로 부하 전류가 흐르게 되면서 손실이 발생한다. 턴 온 할 때에는 나중에 턴 온 되는 사이리스터들 옆의 제너 다이오드들로 부하 전류가 흐르게 되면서 손실이 발생한다. 오프 상태에서도 전압이 클램프 되어 누설 전류가 제너 다이오드들로 흐를 수 있지만, 일반적으로 오프 상태 누설 전류는 매우 작다.

회생형 전압 클램프 회로

전압을 클램프 해서 과전압을 방지하는 것은 제너 다이오드들이 아니라 다이오드들과 전압원들을 가지고 할 수도 있다. 도 8에 이것을 나타내었다. 이 회로에서는 제너 다이오드들에서 발생했던 손실이 전압원들에 충전되므로 이상적으로는 손실을 없앨 수 있다. 그렇지만 문제는 전압원들을 어떻게 구현하는가에 있다.

전압원들을 커패시터들로 대체한 것을 도 9에 나타내었다. 처음에 어떤 수단을 가지고 커패시터들을 일정한 전압까지 충전하였다고 하자. 커패시터들의 전압이 일정한 레벨로 유지된다면, 커패시터들은 전압원들과 동등하다. 그렇지만, 턴 오프 될 때에는 먼저 턴 오프 되는 사이리스터들 옆의 다이오드들로 부하 전류가 흐르게 되면서 커패시터가 더 충전된다. 턴 온 할 때에는 나중에 턴 온 되는 사이리스터들 옆의 다이오드들로 부하 전류가 흐르게 되면서 커패시터가 더 충전된다. 커패시터들의 용량을 조금 크게 하면 매 스위칭에서 커패시터들의 전압들의 상승이 크지 않을 수 있지만, 장기적으로 커패시터들의 전압들을 일정한 레벨로 유지하려면 방전이 필요하다. 이제 문제는 더 충전된 커패시터들을 어떻게 필요한 만큼 방전시키면서 에너지를 회수하는가에 있다.

B. Gemmell, J. Dorn, D. Retzmann and D. Soerangr, "Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission," 2008 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2008. T. J. Hammons et al., "State of the Art in Ultrahigh-Voltage Transmission," in Proceedings of the IEEE, vol. 100, no. 2, pp. 360-390, Feb. 2012. R. Withanage and N. Shammas, "Series Connection of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs)," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 4, pp. 2204-2212, April 2012. V. U. Pawaskar, G. Gohil and P. T. Balsara, "Study of Voltage Balancing Techniques for Series-Connected Insulated Gate Power Devices," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 10, no. 2, pp. 2380-2394, April 2022.

본 발명의 과제는 사이리스터들의 직렬 연결을 위한 클램프 회로들에 있어서, 전력 손실을 줄이기 위한 회생 방전 회로들을 제공하는 것이다.

1. 사이리스터들의 직렬 연결을 위한 회로들에 있어서;

상기 사이리스터들에 병렬로 연결된 다이오드 전 브리지 정류기들;

상기 다이오드 전 브리지 정류기들에 병렬로 연결된 클램프 커패시터들;

상기 클램프 커패시터들에 병렬로 연결된 고주파 인버터들;

상기 고주파 인버터들에 연결된 고주파 절연 변압기들; 그리고

상기 고주파 절연 변압기들이 연결된 고주파 교류 전압원;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.

2. 위의 1항에 있어서, 상기 고주파 절연 변압기들과 상기 고주파 교류 전압원의 연결이 병렬 연결인 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.

3. 위의 1항에 있어서, 상기 고주파 절연 변압기들과 상기 고주파 교류 전압원의 연결이 사다리 연결인 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.

4. 위의 1항에 있어서, 상기 고주파 절연 변압기들과 상기 고주파 교류 전압원의 연결이 사다리 연결과 병렬 연결의 조합인 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.

5. 위의 1항, 2항, 3항, 또는 4항에 있어서,

상기 다이오드 전 브리지 정류기들과 상기 클램프 커패시터들 사이에 직렬 연결된 다이오드들;

상기 다이오드 전 브리지 정류기들에 병렬 연결된 스너버 커패시터들;

상기 스너버 커패시터들에 병렬 연결된 다이오드들; 그리고

상기 스너버 커패시터들과 상기 클램프 커패시터들 사이에 연결된 직류-직류 승압형 변환기들;

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.

본 발명은 회생형 클램프 회로들로서, 사이리스터들의 저 손실 직렬 연결을 가능하게 한다.

도 1은 스위칭 전력 변환기의 한 예를 보인다.
도 2는 사이리스터들로 구성된 변환기를 보인다.
도 3은 사이리스터들이 직렬 연결된 변환기의 한 예를 보인다.
도 4는 추가적인 전압 분배용 저항들을 보인다.
도 5는 추가적인 전압 분배용 스너버들을 보인다.
도 6은 추가적인 전압 클램프들을 보인다.
도 7은 전압 클램프들만 연결한 것을 보인다.
도 8은 이상적인 전압 클램프들을 보인다.
도 9는 미완성인 전압 클램프들을 보인다.
도 10은 본 발명의 첫째 실시예를 보인다.
도 11는 본 발명의 둘째 실시예를 보인다.
도 12는 미완성인 턴 오프 스너버들을 더 포함한 것을 보인다.
도 13은 본 발명의 셋째 실시예를 보인다.

.

도 10에 본 발명의 첫째 실시예를 보였다. 클램프 커패시터들에 고주파 인버터들(21)이 연결되고, 고주파 인버터들(21)은 인덕터들을 거쳐서 고주파 절연 변압기들(22)에 연결된다. 고주파 절연 변압기들(22)은 고주파 교류 전압원(23)에 병렬로 연결된다. 사이리스터들에 대한 전압 클램프 동작에 의해 클램프 커패시터들에 충전된 에너지는 고주파 인버터들(21)을 통해서 고주파 교류로 변환되고 고주파 절연 변압기들(22)을 거쳐서 고주파 교류 전압원(23)으로 회수된다. 고주파 인버터들(21)은 각각 방전 전류들을 제어함으로써 클램프 커패시터들의 전압들을 레귤레이션한다.

회수 에너지가 저장되는 고주파 교류 전압원(23)의 주파수를 높게 하면 고주파 절연 변압기들(22)들의 크기와 무게가 아주 작아진다.

클램프 커패시터들의 방전은 독립적인 고주파 인버터들(21)의 제어를 통해서 이루어지며, 항상 가능하다. 따라서 커패시터들의 용량이 크지 않아도 되며, 고주파 인버터들의 전류 정격이 작아도 된다.

도 10 회로의 문제는 고주파 절연 변압기들(22)에서 1차 및 2차 권선 사이에 높은 전압의 절연이 요구된다는 것이다. 수 백 kV의 HVDC 시스템에서 수 백 개의 사이리스터들이 직렬 연결된다면, 고주파 절연 변압기들(22)의 1차 및 2차 권선들 사이에 수 백 kV의 절연이 요구된다.

도 11에 본 발명의 둘째 실시예를 보였다. 구성과 동작 원리가 첫째 실시예와 유사하지만, 고주파 절연 변압기들(32)이 고주파 교류 전압원(33)에 사다리 연결된다는 점이 다르다.

도 11 회로의 고주파 절연 변압기들(32)에는 1차 및 2차 권선들 사이에 높은 전압의 절연이 요구되지 않는다. 고주파 절연 변압기들(32)의 1차 및 2차 권선 사이에 걸리는 전압들은 클램프 커패시터 전압들의 두 배 이내이다. 고주파 절연 변압기들(32)에 흐르는 전류의 양은 동일하지 않다. 전류들이 사다리로 계속 합류하기 때문에, 아래 쪽 고주파 절연 변압기들(32)일수록 더 많은 전류가 흐른다.

도 11 회로는 너무 많은 수의 고주파 절연 변압기들을 사다리 연결하면 고주파 절연 변압기들의 누설 인덕턴스들이 누적되어 전압 안정도에 문제가 생길 수 있다. 이 경우에는 사다리 회로에 댐핑용 저항들을 적절히 추가하여 전압 안정도를 개선할 수 있다. 또는, 사다리 연결의 수를 제한하고, 사다리 연결과 병렬 연결을 적절하게 조합할 수도 있다.

사이리스터들은 차단 전압의 시간 변화율(dv/dt)에도 한계가 있으며, 이것을 낮추는 목적으로 턴 오프 스너버 회로가 필요할 수 있다. 도 12에 이것을 나타내었다. 도 12는 직렬 사이리스터들 중에서 하나의 모듈 만을 나타낸 것이다. 병렬로 스너버 커패시터(42)를 추가하여 차단 전압이 0V에서부터 조금 천천히 선형적으로 증가하도록 하면 차단 전압의 시간 변화율이 낮아진다. 그렇지만, 사이리스터(41)가 턴 온 되어 온 상태가 되어 있는 동안에, 스너버 커패시터(42)에 충전된 에너지를 0V까지 방전시켜야 다음 번 턴 오프에서 스너버의 역할을 할 수 있다.

도 13에 회생형 턴 오프 스너버 회로가 포함된 전압 클램프 회로를 나타내었다. 스너버 커패시터의 방전 회로는 일종의 직류-직류 승압형 변환기이다. 스너버 커패시터(42)의 방전은 사이리스터(41)가 턴 온 되어 온 상태가 되어 있는 동안에 이루어진다. 방전 스위칭 소자(43)를 턴 온 하면 스너버 커패시터(42)의 에너지가 인덕터(44)로 옮겨지면서 스너버 커패시터(42)는 0V까지 방전된다. 방전 스위칭 소자(43)를 턴 오프 하면, 인덕터(44)에 저장된 에너지가 방전 다이오드(45)를 통해서 클램프 커패시터(46)에 충전된다.

사이리스터들 각각의 모듈에서, 클램프 커패시터의 전압은 적절한 전력 변환을 거쳐서 사이리스터와 다른 스위칭 소자들의 구동 전원 및 다른 전자 회로들의 전원으로 사용될 수 있다.

기동할 때에는 먼저 고주파 교류 전압원을 고주파 절연 변압기 회로에 인가하면, 고주파 인버터들이 다이오드 정류기들로 동작하면서 클램프 커패시터들이 충전되어 클램프 전압들이 확보된다. 그러면, 직렬 스위칭 소자들 각각의 모듈에서 스위칭 소자들의 구동 전원 및 다른 전자 회로들의 전원도 확보되어 가동 준비 상태가 된다.

Claims (5)

1. 사이리스터들의 직렬 연결을 위한 회로들에 있어서;
   상기 사이리스터들에 병렬로 연결된 다이오드 전 브리지 정류기들;
   상기 다이오드 전 브리지 정류기들에 병렬로 연결된 클램프 커패시터들;
   상기 클램프 커패시터들에 병렬로 연결된 고주파 인버터들;
   상기 고주파 인버터들에 연결된 고주파 절연 변압기들; 그리고
   상기 고주파 절연 변압기들이 연결된 고주파 교류 전압원;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 고주파 절연 변압기들과 상기 고주파 교류 전압원의 연결이 병렬 연결인 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 고주파 절연 변압기들과 상기 고주파 교류 전압원의 연결이 사다리 연결인 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 고주파 절연 변압기들과 상기 고주파 교류 전압원의 연결이 사다리 연결과 병렬 연결의 조합인 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.
5. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 3, 또는 청구항 4에 있어서, 상기 다이오드 전 브리지 정류기들과 상기 클램프 커패시터들 사이에 직렬 연결된 다이오드들;
   상기 다이오드 전 브리지 정류기들에 병렬 연결된 스너버 커패시터들;
   상기 스너버 커패시터들에 병렬 연결된 다이오드들; 그리고
   상기 스너버 커패시터들과 상기 클램프 커패시터들 사이에 연결된 직류-직류 승압형 변환기들;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회생형 클램프 회로들.