KR100296224B1

KR100296224B1 - 스위칭 모듈, 전력 변환기 및 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 전력 변환기

Info

Publication number: KR100296224B1
Application number: KR1019970025127A
Authority: KR
Inventors: 마미 미즈타니
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2001-10-24
Also published as: JPH1014260A; US6084788A; KR980006771A; CN1067816C; US5953222A; CN1173068A; JP3263317B2

Abstract

본 발명은 제1 자기 소호 소자, 제1 자기 소호 소자에 접속된 제2 자기 소호 소자, 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드, 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드 및 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속된 제3 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 스위칭 모듈은 제1 자기 소호 소자의 정측 단자에 접속된 제1 외부 단자, 제2 자기 소호 소자의 부측 단자에 접속된 제2 외부 단자, 제3 다이오드의 애노드에 접속된 제3 외부 단자, 제1 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제1 외부 제어 단자 및 제2 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제2 외부 제어 단자를 더 포함한다.

Description

스위칭 모듈, 전력 변환기 및 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 전력 변환기

본 발명은 스위칭 모듈(switching module), 전력 변환기 및 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 전력 변환기에 관한 것으로, 특히 복수의 직렬 접속된 자기 소호 소자(self-turn-off device), 저손실 스너버 회로(snubber circuits)를 구비한 전력 변환기, 및 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 저손실 스너버 회로를 구비한 전력 변환기에 관한 것이다.

지금까지 사용되어 온 단일 자기 소호 소자로 구성된 스위칭 모듈(SM0)을 도 25에 나타냈다. 이 스위칭 모듈(SM0)은 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터:Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 단일 자기 소호 소자(S1), 자기 소호 소자(S1)와 역병렬 접속된 단일 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)(D1)로 구성된다. 자기 소호 소자(S1)의 컬렉터 단자(정측 단자)를 제1 외부 단자(1)로서 도출시키고, 자기 소호 소자(S1)의 에미터 단자(부측 단자)를 제2 외부 단자(2)로서 도출시키고, 자기 소호 소자(S1)의 ON/OFF 제어용 게이트 신호 단자(30)를 스위칭 모듈(SM0)로부터 도출시킨다.

이와 같은 스위칭 모듈(SM0)을 사용하여 구성한 단상에 대한 종래의 중성점 클램프식 전력 변환기(neutral point clamped power converter, 이하 "NPC 인버터"라고 한다)의 구성예를 도 26에 나타냈다. 또한 도 26에 나타낸 NPC 인버터의 회로 구성을 도 27에서 나타냈다.

도 26 및 27에 도시된 NPC 인버터는 직렬 접속된 4개의 스위칭 모듈(SM01~SM04)로 구성되어 있고, 각각의 모듈은 단일 자기 소호 소자(S1, S2, S3 및 S4)와 이들과 역병렬 접속된 단일 프리휠링 다이오드(D1, D2, D3 및 D4)로 구성되어 있다. 스위칭 모듈(SM01~SM04)은 정측 스위칭 모듈의 외부 단자(2)를 부측 스위칭 모듈의 외부 단자(1)에 접속함으로써 직렬로 접속되어 있다. 또한 각각의 자기 소호 소자(S1, S2, S3 및 S4)가 스너버 회로에 병렬로 접속되어 있다. 각각의 스너버 회로는 스너버 다이오드(Ds), 스너버 다이오드(Ds)에 직렬 접속된 스너버 커패시터(Cs) 및 스너버 다이오드(Ds)에 병렬 접속된 스너버 저항(Rs)으로 구성된다. 소자를 나타내는 참조 부호중 후단 숫자 부분(1∼4)은 대응하는 모듈(SM01~SM04)을 의미한다. 클램프 다이오드(Dc1, Dc2)는, 스위칭 모듈(SM01, SM02)의 접속점과 스위칭 모듈(SM03, SM04)의 접속점 사이에, 복수의 자기 소호 소자(S1~S4)의 역방향으로 직렬 접속되어 있다. 전압이 Vd1, Vd2인 커패시터(Cp1, Cp2)로 구성된 직류 전압원(전압 Vd = Vd1 + Vd2)으로부터 정측 단자(10), 영 전압 단자(11) 및 부측 단자(12)가 도출되어 있다. 직렬 접속된 4개의 스위칭 모듈(SM01~SM04)이, 라인 인덕턴스(L1, L3)를 통해 정부측 단자(10, 12) 사이에 접속되어 있다. 또한 클램프 다이오드(Dc1, Dc2)의 접속점이, 라인 인덕턴스(L2)를 통해 영 전압 단자(11)에 접속되어 있다. 스위칭 모듈(SM02, SM03)의 접속점에서, NPC 인버터의 출력 단자(20)가 도출되어 있다.

다음에, 도 26 및 27에 도시된 NPC 인버터의 동작에 대해 설명한다.

자기 소호 소자(S1~S4)의 스위칭 동작과 전압 레벨(level)의 관계의 일예를 이하에 나타낸다. 이 NPC 인버터는, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온"일 경우 전압(Vd1)을 출력하고, 자기 소호 소자(S2, S3)가 "온"일 경우 영전압을 출력하고, 자기 소호 소자(S3, S4)가 "온"일 경우 전압(-Vd2)을 출력한다. 설명을 간략화하기 위해 Vd1 = Vd2 = Vd/2 라고 가정한다.

NPC 인버터에서는, 예를 들어 자기 소호 소자(S1~S3)가 동시에 "온"되면, 자기 소호 소자(S1-S2-S3)와 클램프 다이오드(Dc2)의 경로에 인가되는 직류 전압(Vd1)에 의해 단락 회로(short circuit)가 형성되며, 단락 회로 내의 소자들을 통해서 과도한 단락 전류가 흐른다. 이러한 단락 회로 전류를 방지하기 위하여, 자기 소호 소자들(S1, S3)을 역동작(이 중 하나가 "온"일 경우, 다른 하나는 "오프")시키고 자기 소호 소자(S2, S4)도 또한 역동작시킨다.

다음에, 도 26, 27에 도시된 스너버 회로의 동작에 대해 설명한다. 라인 인덕턴스의 영향을 감소시키기 위하여, 각각의 스너버 회로는 대응되는 자기 소호 소자(S1~S4)에 가깝게 배치되어 있다. 전류가 라인 인덕턴스(L1)와 자기 소호 소자(S1, S2)를 통해 흐르고 있는 상태에서 자기 소호 소자(S1)가 "오프"되면, 도 28에 도시된 바와 같이 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지는 스너버 다이오드(Ds1)를 통해서 스너버 커패시터(Cs1)에 충전된다. 커패시터(Cs1)의 전압은 직류 전압(Vd1)과 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지에 의한 전압의 합이 된다. 다음에 자기 소호 소자(S1)가 "온"되면, 스너버 커패시터(Cs1) → 스너버 저항(Rs1) → 자기 소호 소자(S1)의 경로를 통해서 스너버 커패시터(Cs1)의 전하가 방전되고, 스너버 커패시터(Cs1)의 전하가 거의 영으로 떨어진다. 이것은 또한 도 29에 나타낸 바와 같이 다른 자기 소호 소자(S2~S4)에서도 마찬가지이다.

도 25에 나타낸 스위칭 모듈(SM0)에서, 자기 소호 소자(S1)와 이것에 역병렬 접속된 프리휠링 다이오드(D1) 사이의 배선 길이를 단축하면, 그들 사이의 라인 인덕턴스를 감소시킬 수 있다. 그러나 스위칭 모듈(SM0)과 다른 소자 사이에 요구되는 배선의 인덕턴스를 감소시킬 수는 없다. 또한, 도 27에 나타낸 회로 구성에서의 스너버 회로에서는, 스너버 에너지가 모두 스너버 저항(Rs1~Rs4)에 의해 소모되므로 그 효율이 악화된다.

이러한 결점을 해결하기 위해, NPC 인버터용 저손실 스너버 회로가 제안되어 있다(일본 1995년 전기학회 전국대회, No.5, p.320, 1178 : "3레벨 인버터용 클램프스너버방식"). 이 스너버 회로를 도 30에 나타냈다.

도 30은 이와 같은 저손실 스너버 회로를 사용한 NPC 인버터의 단상에 대한 주회로 구성의 일예를 나타낸다. 또한 도 30에 나타낸 회로에 있어서, 도 25에 나타낸 종래의 스위칭 모듈(SM0)을 적용한 NPC 인버터의 단상에 대한 주회로 구성의 일예를 도 31에 나타냈다.

도 30, 31에서 스너버 다이오드(Ds1~Ds4, Ds22 및 Ds32), 스너버 커패시터(Cs1~Cs4) 및 스너버 저항(Rs1~Rs4)이, 도 26, 27에 도시된 NPC 인버터의 방전 스너버 회로용 스너버 회로 소자로서 부가되어 있다.

도 30, 31에 도시된 저손실 스너버 회로를 사용한 NPC 인버터의 동작에 대해 설명한다. 라인 인덕턴스(L1)와 자기 소호 소자(S1, S2)를 통해 전류가 흐르고 있는 상태에서 자기 소호 소자(S1)가 턴-오프되는 경우, 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지에 의해 자기 소호 소자(S1)의 전압이 상승한다. 자기 소호 소자(S1)의 전압이 스너버 커패시터(Cs1)의 전압을 초과하는 경우, 스너버 다이오드(Ds1)로 순방향 전압이 가해져 스너버 다이오드(Ds1)가 "온" 상태로 된다. 그 결과 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지가 스너버 커패시터(Cs1)에 유입된다. 이 때 스너버 커패시터(Cs1)의 전압이 직류 전압(Vd1)을 초과하면, 잉여 전압이 스너버 저항(Rs1)에 의해 방전되어 스너버 커패시터(Cs1)의 전압이 전압(Vd1)과 같게 된다.

이들 상태를 도 32 및 33에 나타냈다. 스너버 커패시터(Cs1)의 전압이 자기 소호 소자(S1)로 인가되고, 거기에 직류 전압(Vd1)이 지속적으로 인가된다. 자기 소호 소자(S1)가 "온"인 경우, 커패시터(Cs1)는 방전되지 않고 직류 전압(Vd1)으로 클램프된다. 그러므로, 턴-오프시의 잉여 전압만이 스너버 저항(Rs1)을 통해 방전되어, 저손실 스너버 회로를 얻을 수 있다.

다음에 자기 소호 소자(S2)가 턴-오프되는 경우의 동작을 설명한다. 자기 소호 소자(S2)가 "온"이고 전류가 라인 인덕턴스(L2), 클램프 다이오드(Dc1) 및 자기 소호 소자(S2)를 통해 흐르고 있는 상태에서 자기 소호 소자(S2)가 턴-오프될 경우, 라인 인덕턴스(L2)의 잔류 에너지에 의해 자기 소호 소자(S2)의 전압이 상승한다. 자기 소호 소자(S2)의 단자 전압이 스너버 커패시터(Cs2)의 전압을 초과하면, 스너버 다이오드(Ds2)가 "온" 상태로 되고 라인 인덕턴스(L2)의 잔류 에너지가 스너버 커패시터(Cs2)로 유입된다. 그 결과 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 상승하고, 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 직류 전압(Vd2)을 초과하더라도 전하가 갈 곳이 없게 되어 스너버 커패시터(Cs2)는 충전 상태를 유지한다. 이 상태의 회로도를 도 34에 나타냈다.

도 35는 스너버 커패시터(Cs2)의 과충전된 전하를 방전하는 경로를 나타낸 것이다. 자기 소호 소자(S2)가 다음에 "온" 될 경우, 자기 소호 소자(S3)도 또한 상술한 스위칭 제어에 따라 "온" 상태로 된다. 방전 경로는 스너버 커패시터(Cs2) → 자기 소호 소자(S2) → 자기 소호 소자(S3) → 클램프 다이오드(Ds2) → 직류 전압원(Cp2) → 스너버 다이오드(Ds22) → 스너버 저항(Rs2)으로 된다. 스너버 커패시터(Cs2)의 전압은 전압(Vd2)에 클램프되고, 전압(Vd2)을 초과하는 전압분만이 스너버 저항(Rs2)을 통해 방전된다. 이것은 또한 자기 소호 소자(S3, S4)의 스너버 회로에서도 마찬가지이다.

도 30, 31에 도시된 종래의 저손실 스너버 회로에서는 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)를 추가로 요구한다. 이 다이오드(Ds22, Ds32)의 동작에 대해 이하 설명한다. 예를 들어, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온" 상태일 경우 자기 소호 소자(S2)의 정측 단자, 즉 스너버 커패시터(Cs2)의 일단의 전위는 직류 전압원의 정측 단자(10)의 전위와 같게 된다. 스너버 다이오드(Ds22)가 없다고 가정할 경우, 스너버 커패시터(Cs2)의 타단의 전위는 직류 전압원의 부측 단자(12)의 전위와 같게 된다. 즉, 직류 전압원의 전체 전압이 스너버 커패시터(Cs2)로 인가되는 상태 즉, 직류 전압원의 전체 전압이 자기 소호 소자(S2)에 인가되는 상태를 방지하기 위해, 스너버 다이오드(Ds22)를 필요로 한다. 마찬가지로, 스너버 다이오드(Ds32)는 직류 전압원의 전체 전압이 자기 소호 소자(S3)에 인가되는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 30, 31에 도시된 종래의 저손실 스너버 회로를 사용한 NPC 인버터의 회로 구성에서, "온/오프" 스위칭에 있어서 자기 소호 소자의 조합은 자기 소호 소자(S1, S2), 자기 소호 소자(S2, S3) 및 자기 소호 소자(S3, S4)이어야 한다는 문제점이 있다. 여기서 다른 스위칭 제어 시스템의 예로서는 특개평 4-295279호에 제안된 것이 있다.

이 제어 시스템에서는 출력 전류 방향에 따라 요구되는 자기 소호 소자만을 "온"시킴으로써 무용한 스위칭 동작을 제거하여 손실을 저감하도록 한 것이다.

즉, 출력 전류가 정일 경우에, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온"이면 출력 전압 레벨은 Vd1(Vd/2)이고;

출력 전류가 정일 경우에, 자기 소호 소자(S2)가 "온"이면 전압 레벨은 0V이고;

출력 전류가 부일 경우에, 자기 소호 소자(S3)가 "온"이면 전압 레벨은 0V이며;

출력 전류가 부일 경우에, 자기 소호 소자(S3, S4)가 "온"이면 전압 레벨은 -Vd2(= -Vd/2)이다.

다른 말로 하면, 출력 전류가 정일 경우, 자기 소호 소자(S3, S4)가 "오프"로 유지되어 무용한 스위칭이 실행되지 않는다. 또한 출력 전류가 부일 경우, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "오프"로 유지되어 무용한 스위칭이 수행되지 않는다. 그리하여, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.

그러나, 이 제어 시스템을 도 30 및 도 31에 도시된 종래의 저손실 스너버 회로를 사용한 NPC 인버터에 적용할 경우, 이하의 문제가 발생한다.

즉, 예를 들어, 출력 전류가 정일 경우, 자기 소호 소자(S3, S4)를 "오프"상태로 한 상태에서 자기 소호 소자(S2)를 온/오프할 필요가 있을 수 있다. 이 경우 자기 소호 소자(S2)가 턴-온되더라도, 자기 소호 소자(S3)가 "오프"상태를 유지하므로 스너버 커패시터(Cs2)는 방전되지 않는다. 그러므로 자기 소호 소자(S2)가 턴-오프될 때마다 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 상승하고, 최종적으로 스너버 커패시터(Cs2)가 직류 전압원의 전체 전압(Vd = Vd1 + Vd2)으로까지 충전된다. 그 결과 자기 소호 소자(S2)의 전압은 과전압이 된다. 이로 인해 도 30, 31에 도시된 저손실 스너버 회로를 갖는 NPC 인버터에 상술한 제어 시스템을 적용하는 것은 곤란하다.

상술한 종래의 스위칭 모듈 및 종래의 전력 변환기는 하기의 문제점을 갖는다.

1. 종래의 스위칭 모듈을 사용하여 전력 변환기를 구성한 경우, 외부 배선이 길어지고 라인 인덕턴스가 증가하여 그 결과 회로 동작에 문제가 발생한다.

2. 라인 인덕턴스의 영향을 줄이기 위해, 스너버 회로를 가능한 한 스위칭 모듈에 가깝게 배치해야 하므로, 스너버 회로 구성에 제한이 있다.

3. 스위칭 모듈에 가까이 배치된 종래의 스너버 회로는 손실이 크고, 전력 변환기의 효율이 악화되며, 이와 관련하여 냉각 설비의 대형화가 불가피하다.

4. 종래의 저손실 스너버 회로를 구비한 중성점 클램프식 전력 변환기는 스위칭 제어상의 제한이 있으며, 제어 시스템에 따라 자기 소호 소자에 과대한 전압이 인가될 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 전력 변환기의 주회로 내의 라인 인덕턴스를 저감시킬 수 있고, 전력 변환기 전체의 소형화를 달성할 수 있으며 또한 저손실 스너버 회로를 용이하게 구성할 수 있는 스위칭 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저손실 스너버 회로를 구비한 고효율 전력 변환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기 소호 소자의 스위칭 제어상의 제한이 거의 없는 주회로를 구비하는 저손실 스너버 회로를 갖는 전력 변환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 저손실 스너버 회로를 구비한, 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 고효율의 전력 변환기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 2a는 도 1에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 2b는 도 1에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 4a는 도 3에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 4b는 도 3에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 5b는 도 5a에 도시된 스위칭 모듈의 분해 사시도.

도 6a는 도 5에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 6b는 도 5에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 8a는 도 7에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 8b는 도 7에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 10a는 도 9에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 10b는 도 9에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 11은 본 발명의 제6 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 12a는 도 11에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 12b는 도 11에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 13은 본 발명의 제7 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 14a는 도 13에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 14b는 도 13에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 15는 본 발명의 제8 실시예에 의한 스위칭 모듈의 구성도.

도 16a는 도 15에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 평면도.

도 16b는 도 15에 도시된 스위칭 모듈의 구성을 나타내는 정면도.

도 17은 저손실 스너버 회로를 구비한, 본 발명의 제9 실시예에 의한 NPC 인버터의 회로도.

도 18은 저손실 스너버 회로를 구비한, 본 발명의 제10 실시예에 의한 NPC 인버터의 회로도.

도 19는 도 18에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 충전 동작을 설명하는 도면.

도 20은 도 18에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 저항 및 스너버 커패시터의 방전 동작을 설명하는 도면.

도 21은 저손실 스너버 회로를 구비한, 본 발명의 제11 실시예에 의한 NPC 인버터의 회로도.

도 22는 저손실 스너버 회로를 구비한, 본 발명의 제12 실시예에 의한 NPC 인버터의 회로도.

도 23은 도 22에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 충전 동작을 설명하는 도면.

도 24는 도 22에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 저항 및 스너버 커패시터의 방전 동작을 설명하는 도면.

도 25는 종래의 스위칭 모듈의 일예의 구성도.

도 26은 도 25에 도시된 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 종래의 NPC 인버터의 일예의 회로도.

도 27은 도 26에 도시된 NPC 인버터의 회로도.

도 28은 도 27에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 충전 동작을 설명하는 도면.

도 29는 도 27에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 방전 동작을 설명하는 도면.

도 30은 저손실 스너버 회로를 구비한 종래의 NPC 인버터의 일예의 회로도.

도 31은 도 25에 도시된 스위칭 모듈을 사용하여 구성한, 도 30에 도시된 회로 구성을 갖는 종래의 NPC 인버터의 일예의 회로도.

도 32는 도 30에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 충전 동작을 설명하는 도면.

도 33은 도 30에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 방전 동작을 설명하는 도면.

도 34는 도 30에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스위칭 모듈의 충전 동작을 설명하는 도면.

도 35는 도 30에 도시된 NPC 인버터에 있어서 스너버 커패시터의 방전 동작을 설명하는 도면.

상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위하여, 제1 자기 소호 소자, 제1 자기 소호 소자에 직렬 접속된 제2 자기 소호 소자, 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드, 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드, 및 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속된 제3 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈을 제공한다. 스위칭 모듈은 제1 자기 소호 소자의 정측 단자에 접속된 제1 외부 단자, 제2 자기 소호 소자의 부측 단자에 접속된 제2 외부 단자, 제3 다이오드의 애노드에 접속된 제3 외부 단자, 제1 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제1 외부 제어 단자, 및 제2 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제2 외부 제어 단자를 더 포함한다.

본 발명의 일면에 따르면, 제1 자기 소호 소자, 제1 자기 소호 소자에 직렬 접속된 제2 자기 소호 소자, 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드, 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드, 및 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 애노드가 접속된 제3 다이오드를 포함하는 스위칭 모듈을 제공한다. 스위칭 모듈은 제1 자기 소호 소자의 정측 단자에 접속된 제1 외부 단자, 제2 자기 소호 소자의 부측 단자에 접속된 제2 외부 단자, 제3 다이오드의 캐소드에 접속된 제3 외부 단자, 제1 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제1 외부 제어 단자, 및 제2 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제2 외부 제어 단자를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 정측 단자, 영 전압 단자 및 부측 단자를 갖는 DC 전압원, 상기한 스위칭 모듈로 구성된 제1 스위칭 모듈, 상기한 스위칭 모듈로 구성된 제2 스위칭 모듈, 제1 스위칭 모듈의 제2 외부 단자 및 제2 스위칭 모듈의 제1 외부 단자에 접속된 중성점 클램프식 전력 변환기의 출력 단자를 포함하는 중성점 클램프식 전력 변환기를 제공한다. 제1 스위칭 모듈의 제1 외부 단자는 직류 전압원의 정측 단자에 접속되고, 제1 스위칭 모듈의 제3 외부 단자 및 제2 스위칭 모듈의 제3 외부 단자는 직류 전압원의 영 전압 단자에 접속되고, 제2 스위칭 모듈의 제2 외부 단자는 직류 전압원의 부측 단자에 접속된다. 중성점 클램프식 전력 변환기는, 제1 스위칭 모듈의 제3 외부 단자에 캐소드가 접속된 제1 스너버 다이오드, 제1 스너버 다이오드의 애노드와 제1 스위칭 모듈의 제1 외부 단자 사이에 접속된 제1 스너버 커패시터, 제1 스너버 커패시터와 병렬 접속된 제1 스너버 저항, 제1 스위칭 모듈의 제2 외부 단자에 캐소드가 접속된 제2 스너버 다이오드, 제2 스너버 다이오드의 애노드와 제1 스위칭 모듈의 제3 외부 단자 사이에 접속된 제2 스너버 커패시터, 제2 스너버 다이오드의 애노드와 직류 전압원의 부측 단자 사이에 접속된 제2 스너버 저항, 제2 스위칭 모듈의 제1 외부 단자에 애노드가 접속된 제3 스너버 다이오드, 제3 스너버 다이오드의 캐소드와 제2 스위칭 모듈의 제3 외부 단자 사이에 접속된 제3 스너버 커패시터, 제3 스너버 다이오드의 캐소드와 직류 전압원의 정측 단자 사이에 접속된 제3 스너버 저항, 제2 스위칭 모듈의 제3 외부 단자에 애노드가 접속된 제4 스너버 다이오드, 제4 스너버 다이오드의 캐소드와 제2 스위칭 모듈의 제2 외부 단자 사이에 접속된 제4 스너버 커패시터, 및 제4 스너버 커패시터에 병렬 접속된 제4 스너버 저항을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 정측 단자, 영 전압 단자 및 부측 단자를 갖는 직류 전압원, 제1 자기 소호 소자, 제2 자기 소호 소자, 제3 자기 소호 소자 및 제4 자기 소호 소자의 직렬 회로, 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드, 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드, 제3 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제3 다이오드, 제4 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제4 다이오드, 및 제2 및 제3 자기 소호 소자의 접속점에 접속된 중성점 클램프식 전력 변환기의 출력 단자를 포함하는 중성점 클램프식 전력 변환기를 제공한다. 제1 자기 소호 소자의 정측 단자는 직류 전압원의 정측 단자에 접속되고, 제4 자기 소호 소자의 부측 단자는 직류 전압원의 부측 단자에 접속된다. 중성점 클램프식 전력 변환기는 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속되고 직류 전압원의 영 전압 단자에 애노드가 접속된 제5 다이오드, 제3 및 제4 자기 소호 소자의 접속점에 애노드가 접속되고 직류 전압원의 영 전압 단자에 캐소드가 접속된 제6 다이오드, 제2 및 제3 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속된 제7 다이오드, 제2 및 제3 자기 소호 소자의 접속점에 애노드가 접속된 제8 다이오드, 제5 다이오드의 애노드에 캐소드가 접속된 제9 다이오드, 제6 다이오드의 캐소드에 애노드가 접속된 제10 다이오드를 더 포함한다. 중성점 클램프식 전력 변환기는 또한 제9 다이오드의 애노드와 제1 자기 소호 소자의 정측 단자 사이에 접속된 제1 커패시터, 제9 다이오드에 병렬 접속된 제1 저항, 제5 다이오드의 애노드와 제7 다이오드의 애노드 사이에 접속된 제2 커패시터, 제7 다이오드의 애노드와 직류 전압원의 부측 단자 사이에 접속된 제2 저항, 제8 다이오드의 캐소드와 직류 전압원의 정측 단자 사이에 접속된 제3 저항, 제6 다이오드의 캐소드와 제8 다이오드의 캐소드 사이에 접속된 제3 커패시터, 제10 다이오드의 캐소드와 제4 자기 소호 소자의 부측 단자 사이에 접속된 제4 커패시터, 및 제10 다이오드에 병렬 접속된 제4 저항을 포함한다.

이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명하는 바, 동일한 참조 부호는 여러 도면에 걸쳐서 동일 또는 상응하는 부분을 가리킨다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM1)의 구성을 설명하기 위한 것이다. 스위칭 모듈(SM1)은 예컨대 IGBT로 구성된 2개의 직렬 접속된 자기 소호 소자(S1, S2), 자기 소호 소자(S1, S2)에 각각 역병렬 접속된 프리휠링 다이오드(D1, D2), 및 2개의 자기 소호 소자(S1, S2)의 접속점에 캐소드가 접속된 클램프 다이오드(Dc1)로 구성된다. 스위칭 모듈(SM1)에서, 자기 소호 소자(S1)의 컬렉터 즉 정측 단자가 제1 외부 단자(1)로서 인출되어 있고, 자기 소호 소자(S2)의 에미터 즉 부측 단자가 제2 외부 단자(2)로서 인출되어 있고, 클램프 다이오드(Dc1)의 애노드가 제3 외부 단자(3)로서 인출되어 있으며, 또한 각 자기 소호 소자(S1, S2)의 게이트 신호 단자가 외부로 인출되어 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 스위칭 모듈(SM1)의 구성예를 나타낸 것으로, 도 2a는 평면도이고, 도 2b는 정면도이다. 도 2에서 스위칭 모듈(SM1)의 상면 중앙부에 제1~제3 외부 단자(1, 2, 3)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM1)의 일단 낮은 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

또한 클램프 다이오드(Dc1)를 구비한 스위칭 모듈(SM1)은 중성점 클램프식 전력 변환기내에서 직류 전압원의 정측에 접속되어 사용된다.

전력 변환기를 구성하기 위한 2개의 자기 소호 소자(S1, S2)와 3개의 다이오드(D1, D2, Dc1)를 1개의 스위칭 모듈(SM1)로 통합함으로써 전력 변환기의 주회로 내의 라인 인덕턴스를 저감시킬 수 있다. 특히 클램프 다이오드로서 기능하는 다이오드(Dc1)와 2개의 자기 소호 소자(S1, S2)의 접속점 사이의 배선을 극소화함으로써 저손실 스너버 회로를 용이하게 구성할 수 있는 스위칭 모듈을 만들 수 있고, 그에 따라 전체 회로를 소형화할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM2)의 구성을 나타낸 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 스위칭 모듈(SM1)과 비교하면, 여기에 나타낸 스위칭 모듈(SM2)은, 2개의 자기 소호 소자(S1, S2) 사이의 접속점, 즉 다이오드(Dc1)의 캐소드가 제4 외부 단자(4)로서 새로이 인출되어 있다는 데 특징이 있다. 스위칭 모듈(SM2)의 다른 부분은 스위칭 모듈(SM1)에서와 마찬가지이다.

도 4는 스위칭 모듈(SM2)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM2)의 상면 중앙부에 제1~제4 외부 단자(1~4)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM2)의 상면 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

제2 실시예는 전력 변환기를 구성하기 위한 2개의 자기 소호 소자(S1, S2)와 3개의 다이오드(D1, D2, Dc1)를 1개의 스위칭 모듈(SM2)로 함으로써, 그리고 특히 제4 외부 단자(4)를 제공함으로써, 제1의 실시예의 작용·효과에 더하여, 전력 변환기를 구성할 때에 3레벨의 변환기 뿐만 아니라 2레벨의 변환기도 용이하게 구성할 수 있다는 작용·효과가 있다.

도 5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM3)의 구성을 나타낸 것이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 스위칭 모듈(SM1)과 비교하면, 스위칭 모듈(SM3)은 자기 소호 소자(S1)의 정측 단자 즉 컬렉터에 애노드가 접속된 제4의 다이오드(Ds1)와, 자기 소호 소자(S2)의 부측 단자에 캐소드가 접속된 제5의 다이오드(Ds2)를 부가적으로 구비한다는 특징이 있다. 또한 다이오드(Ds1)의 캐소드가 제4 외부 단자(4)로서 인출되어 있고, 다이오드(Ds1)의 애노드가 제5 외부 단자로서 인출되어 있다.

도 6은 스위칭 모듈(SM3)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM3)의 상면 중앙부에 제1 ~ 제5 외부 단자(1~5)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM3)의 상면 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

전력 변환기를 구성하기 위한 2개의 자기 소호 소자(S1, S2)와 5개의 다이오드(D1, D2, Dc1, Ds1, Ds2)를 1개의 스위칭 모듈(SM3)로 통합함으로써 전력 변환기의 주회로 내의 라인 인덕턴스를 저감시킬 수 있다. 특히 클램프 다이오드로서 기능하는 제3 다이오드(Dc1), 스너버 다이오드로서 기능하는 제4, 5 다이오드(Ds1, Ds2) 및 2개의 자기 소호 소자(S1, S2)의 접속점 사이의 배선을 극소화하고, 전체 회로를 소형화하며 또한 저손실 스너버 회로를 구성하는 것이 가능하다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM4)의 구성을 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 스위칭 모듈(SM3)과 비교하면, 스위칭 모듈(SM4)은 자기 소호 소자(S1, S2)의 접속점 즉 다이오드(Dc1)의 캐소드가 제6 외부 단자(6)로서 인출되어 있다는 특징이 있다. 스위칭 모듈(SM4)의 다른 모든 부분은 스위칭 모듈(SM3)에서와 마찬가지이다.

도 8은 스위칭 모듈(SM4)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM4)의 상면 중앙부에 제1 ~ 제6 외부 단자(1~6)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM4)의 상면 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

도 5, 도 6에 나타낸 스위칭 모듈(SM3)과 비교하면, 스위칭 모듈(SM4)에는 특히 외부 단자(6)가 설치되어 있고, 스위칭 모듈(SM4)을 사용하여 전력 변환기를 구성할 경우 3레벨 전력 변환기뿐만 아니라 2레벨 전력 변환기를 용이하게 구성할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM5)의 구성을 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM5)은, 도 1, 2에 도시된 스위칭 모듈(SM1)에서 다이오드(Dc1) 대신에 다이오드(Dc1)의 극성과 역방향으로 다이오드(Dc2)를 구비한 것에 해당한다. 즉 스위칭 모듈(SM5)은 직렬 접속된 자기 소호 소자(S3, S4), 자기 소호 소자(S3, S4)에 각각 역병렬 접속된 프리휠링 다이오드(D3, D4), 및 2개의 자기 소호 소자(S3, S4)의 접속점에 애노드가 접속된 클램프 다이오드(Dc2)로 구성되어 있다. 이 스위칭 모듈(SM5)에서는 자기 소호 소자(S3)의 컬렉터 즉 정측 단자가 제1 외부 단자(1)로서 인출되어 있고, 자기 소호 소자(S4)의 에미터 즉 부측 단자가 제2 외부 단자(2)로서 인출되어 있고, 클램프 다이오드(Dc2)의 캐소드가 제3 외부 단자(3)로서 인출되어 있으며, 또한 각 자기 소호 소자(S3, S4)의 게이트 신호 단자(31, 32)가 외부로 인출되어 있다.

도 10은 스위칭 모듈(SM5)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM5)의 상면 중앙부에 제1 ~ 제3 외부 단자(1, 2, 3)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM5)의 일단 낮은 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

또한 클램프 다이오드(Dc2)를 구비한 스위칭 모듈(SM5)은 중성점 클램프식 전력 변환기 내의 직류 전압원의 부측에 접속되어 사용된다.

이 실시예의 작용·효과는 도 1, 도 2에 나타낸 제1 실시예에서와 마찬가지이다.

도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM6)의 구성을 나타낸 것이다. 도 9 및 도 10에 도시된 스위칭 모듈(SM5)과 비교할 경우, 여기에 도시된 스위칭 모듈(SM6)은 2개의 자기 소호 소자(S3, S4)의 접속점 즉 다이오드(Dc2)의 애노드가 제4 외부 단자(4)로서 새로이 인출되어 있다는 특징이 있다. 스위칭 모듈(SM6)의 다른 모든 부분은 스위칭 모듈(SM5)에서와 마찬가지이다.

도 12는 스위칭 모듈(SM6)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM6)의 상면 중앙부에 제1 ~ 제4 외부 단자(1~4)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM6)의 상면 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

이 실시예의 작용·효과는 도 3, 도 4에 도시된 제2 실시예에서와 마찬가지이다.

도 13은 본 발명의 제7 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM7)의 구성을 나타낸 것이다. 도 9, 10에 나타낸 스위칭 모듈(SM5)과 비교할 경우, 스위칭 모듈(SM7)은 자기 소호 소자(S3)의 정측 단자 즉 컬렉터에 애노드가 접속된 제4 다이오드(Ds3), 및 자기 소호 소자(S4)의 부측 단자 즉 에미터에 캐소드가 접속된 제5 다이오드(Ds4)가 부가하여 설치되어 있다는 특징이 있다. 또한 다이오드(Ds3)의 캐소드가 제4 외부 단자(4)로서 인출되어 있고, 다이오드(Ds4)의 애노드가 제5 외부 단자(5)로서 인출되어 있다.

도 14는 스위칭 모듈(SM7)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM7)의 상면 중앙부에 제1 ~ 제5 외부 단자(1~5)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM7)의 상면 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

이 실시예의 작용·효과는 도 5, 6에 도시된 제3 실시예에서와 마찬가지이다.

도 15는 본 발명의 제8 실시예에 따른 스위칭 모듈(SM8)의 구성을 나타낸 것이다. 도 13, 14에 나타낸 스위칭 모듈(SM7)과 비교할 경우, 스위칭 모듈(SM8)은 자기 소호 소자(S3, S4)의 접속점 즉 다이오드(Dc2)의 애노드가 제6 외부 단자(6)로서 인출되어 있다는 특징이 있다. 스위칭 모듈(SM8)의 다른 모든 부분은 스위칭 모듈(SM7)에서와 마찬가지이다.

도 16은 스위칭 모듈(SM8)의 구성예를 나타낸 것이다. 스위칭 모듈(SM8)의 상면 중앙부에 제1 ~ 제6 외부 단자(1~6)가 거의 등간격으로 형성되어 있고, 또한 스위칭 모듈(SM8)의 상면 양단부에 게이트 신호 단자(31, 32)가 형성되어 있다.

이 실시예의 작용·효과는 도 7, 8에 나타낸 제4 실시예에서와 마찬가지이다.

이하 스위칭 모듈(SM3)을 예로 들어 스위칭 모듈(SM1~SM8)의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 5b는 스위칭 모듈(SM3)의 분해 사시도이다. 자기 소호 소자(S1), 자기 소호 소자(S2)(도시하지 않음), 프리휠링 다이오드(D1), 프리휠링 다이오드(D2)(도시하지 않음), 스너버 다이오드(Ds1), 스너버 다이오드(Ds2)(도시하지 않음) 및 클램프 다이오드(Dc1)의 칩들을 기판상에 장착하고, 종래의 스위칭 모듈(SM0)의 제조에서도 사용한 베어칩장착법(bare chip mounting method)으로 배선하여 스위칭 모듈(SM3)을 형성한다.

다른 스위칭 모듈(SM1, SM2, SM4 ~ SM8)도 또한 스위칭 모듈(SM1, SM2, SM4 ~ SM8)의 회로 각각에 필요한 칩들을 사용하여 베어칩장착법에 의해 제조한다. 따라서 이들의 상세한 제조법에 대해서는 생략한다.

도 17은 저손실 스너버 회로를 구비한 본 발명의 제9 실시예에 따른 NPC 인버터를 나타낸 것이다. 도 17은 단상(U상)에 대한 NPC 인버터의 주회로를 나타낸 것이며, 3상 출력 인버터의 경우에 주회로는 U상에서와 마찬가지로 V상 및 W상에 대해 구성된다.

도 17에 도시된 전력 변환기(NPC 인버터)(PC1)는 직렬 접속된 도 1, 2에 나타낸 스위칭 모듈(SM1)과 도 9, 10에 나타낸 스위칭 모듈(SM5)을 사용하여 구성된다. 스너버 회로는 각각 스위칭 모듈(SM1, SM5)에 접속되어 있다. 스너버 회로는 스너버 커패시터(Cs1 ~ Cs4), 스너버 다이오드(Ds1 ~ Ds4) 및 스너버 저항(Rs1 ~ Rs4)으로 구성되어 있다. 직류 전압원(전압 Vd)은 정측 단자(10), 영 전압 단자(11) 및 부측 단자(12)를 구비한다. 직류 전압원(전압 Vd = Vd1 + Vd2)은 정측 단자(10)와 영 전압 단자(11)간, 영 전압 단자(11)와 부측 단자(12)간의 전압(Vd1, Vd2)을 갖는 커패시터(Cp1, Cp2)이다. 정부측 단자(10, 12)는 2개의 스위칭 모듈(SM1, SM5)의 양단, 즉 스위칭 모듈(SM1)의 외부 단자(1)와 스위칭 모듈(SM5)의 외부 단자(2)에 각각 접속되어 있다. 스위칭 모듈(SM1)의 외부 단자(2)와 스위칭 모듈(SM5)의 외부 단자(1)는 출력 단자(20)에 접속되어 있다. 또한 양 스위칭 모듈(SM1, SM5)의 외부 단자(3)는 각각 영 전압 단자(11)에 접속되어 있다. 직류 전압원으로의 라인 인덕턴스는 각각 L1 ~ L3으로 표시된다.

제1 스너버 다이오드(Ds1)의 캐소드는 스위칭 모듈(SM1)의 제3 외부 단자(3)에 접속되고, 제1 스너버 커패시터(Cs1)는 제1 스너버 다이오드(Ds1)의 애노드와 스위칭 모듈(SM1)의 제1 외부 단자(1) 사이에 접속되어 있다. 제1 스너버 저항(Rs1)은 제1 스너버 다이오드(Ds1)에 병렬 접속된다. 제2 스너버 다이오드(Ds2)의 캐소드는 스위칭 모듈(SM1)의 제2 외부 단자(2)에 접속되어 있고, 제2 스너버 커패시터(Cs2)는 스위칭 모듈(SM1)의 제3 외부 단자(3)와 제2 스너버 다이오드(Ds2)의 애노드 사이에 접속되어 있다. 제2 스너버 저항(Rs2)은 제2 스너버 다이오드(Ds2)의 애노드와 직류 전압원의 부측 단자(12) 사이에 접속되어 있다. 제3 스너버 다이오드(Ds3)의 애노드는 스위칭 모듈(SM5)의 제1 외부 단자(1)에 접속되어 있고, 제3 스너버 커패시터(Cs3)는 제3 스너버 다이오드(Ds3)의 캐소드와 스위칭 모듈(SM5)의 제3 외부 단자(3) 사이에 접속되어 있다. 제3 스너버 저항(Rs3)은 제3 스너버 다이오드(Ds3)의 캐소드와 직류 전압원의 정측 단자(10) 사이에 접속되어 있다. 제4 스너버 다이오드(Ds4)의 애노드는 스위칭 모듈(SM5)의 제3 외부 단자(3)에 접속되어 있고, 제4 스너버 커패시터(Cs4)는 제4 스너버 다이오드(Ds4)의 캐소드와 스위칭 모듈(SM5)의 제2 외부 단자(2) 사이에 접속되어 있다. 또한 제4 스너버 저항(Rs4)은 제4 스너버 다이오드(Ds4)에 병렬 접속되어 있다.

도 17에 나타낸 NPC 인버터(PC1) 내의 스위칭 모듈(SM1)의 클램프 다이오드(Dc1)와 스위칭 모듈(SM5)의 클램프 다이오드(Dc2)의 접속점들은 도 30에 나타낸 종래의 NPC 인버터의 클램프 다이오드(Dc1, Dc2)의 접속점들과는 다르다는 것에 유의해야 한다.

도 17에서 스위칭 모듈(SM1)의 클램프 다이오드(Dc1)는 자기 소호 소자(S1, S2)의 접속점과, 스위칭 모듈(SM1)의 제3 외부 단자(3) 즉 직류 전압원의 영 전압 단자(11) 사이에 (라인 인덕턴스(L2)를 경유하여) 접속되어 있다. 도 30에서 클램프 다이오드(Dc1)는 스너버 다이오드(Ds1)와 스너버 커패시터(Cs2)의 접속점과, 직류 전압원의 영 전압 단자(11) 사이에 (라인 인덕턴스(L2)를 경유하여) 접속되어 있다.

또한 도 17에서 스위칭 모듈(SM5)의 클램프 다이오드(Dc2)는 자기 소호 소자(S3, S4)의 접속점과, 스위칭 모듈(SM5)의 제3 외부 단자(3) 즉 직류 전압원의 영 전압 단자(11) 사이에 (라인 인덕턴스(L2)를 경유하여) 접속되어 있다. 도 30에서 클램프 다이오드(Dc2)는 스너버 다이오드(Ds4)와 스너버 커패시터(Cs3)의 접속점과, 직류 전압원의 영 전압 단자(11) 사이에 (라인 인덕턴스(L2)를 경유하여) 접속되어 있다.

이 실시예의 작용은 스위칭 모듈에 의한 제한이 없이 구성되는 하기 제10 실시예(도 18)에서와 마찬가지이고, 제10 실시예 부분에서 설명한다.

도 17에 설명한 실시예에 의하면, NPC 인버터의 주회로의 배선 길이를 짧게 함으로써 라인 인덕턴스가 저감된, 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터를 제공할 수 있다. 또한 본 발명에 의한 NPC 인버터(PC1)는 저손실 스너버 회로를 구비한 종래의 NPC 인버터와 비교할 경우 자기 소호 소자의 스위칭 제어가 제한되지 않는다는 장점이 있다. 또한 종래의 저손실 스너버 회로에서 요구되었던 외부 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)가 본 발명에서는 필요 없게 되어, 다이오드의 수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 18은 저손실 스너버 회로를 구비한 본 발명의 제10 실시예에 따른 NPC 인버터(PC2)를 나타낸 것이다. 도 18은 단상(U상)에 대한 NPC 인버터의 주회로를 나타내고, V상 및 W상에 대한 주회로도 U상에서와 마찬가지로 구성된다.

이 실시예는 스위칭 모듈을 사용하지 않고 개별 부품으로 회로를 구성한다는 점에서 도 17에 도시된 실시예와는 다르다. 즉 도 18에 나타낸 NPC 인버터(PC2)에서, 스위칭 모듈(SM1)은 개별의 자기 소호 소자(S1, S2), 프리휠링 다이오드(D1, D2) 및 클램프 다이오드(Dc1)로 대체된다. 이와 유사하게 스위칭 모듈(SM5)은 개별의 자기 소호 소자(S3, S4), 프리휠링 다이오드(D3, D4) 및 클램프 다이오드(Dc2)로 대체된다. 그러므로 도 18에 나타낸 회로 구성은 실질상 도 17에 나타낸 회로와 등가이다.

자기 소호 소자(S1~S4)의 스위칭 동작과 NPC 인버터(PC2)에서의 전압 레벨 간의 관계의 일례에 대해 후술한다. 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온"일 경우 전압(Vd1)이 출력되고, 자기 소호 소자(S2, S3)가 "온"일 경우 영전압이 출력되고, 자기 소호 소자(S3, S4)가 "온"일 경우 전압(-Vd2)이 출력된다. 설명의 간략화를 위해 여기서 전압은 Vd1 = Vd2 = Vd/2라고 가정한다.

NPC 인버터에서, 예를 들어 자기 소호 소자(S1~S3)가 동시에 "온"이 될 경우, 자기 소호 소자(S1 → S2 → S3) → 클램프 다이오드(Dc2)의 경로에 인가되는 직류 전압(Vd1)에 의해 단락 회로가 형성되어 과도한 단락 회로 전류가 자기 소호 소자(S1, S2, S3)로 흐른다. 이러한 단락 회로 전류를 방지하기 위해 자기 소호 소자(S1, S3)와 자기 소호 소자(S2, S4)는 각각 역동작된다.

전류가 라인 인덕턴스(L1)와 자기 소호 소자(S1, S2)를 통해 흐르고 있는 상태를 가정할 경우, 스너버 커패시터(Cs1)의 전압은 Vd1이고 스너버 커패시터(Cs1)는 이미 충전된 상태에 있다. 이 때 자기 소호 소자(S1)를 "오프"로 할 경우, 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지에 의해 자기 소호 소자(S1)의 전압이 상승한다. 이 전압이 스너버 커패시터(Cs1)의 전압을 초과할 경우, 순방향 전압이 스너버 다이오드(Ds1)에 인가되어 "온" 상태로 된다. 그 결과, 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지가 도 19에 나타낸 바와 같이 스너버 커패시터(Cs1)로 흘러들어 흡수된다.

스너버 커패시터(Cs1)의 전압이 상승할 지라도, 전압은 직류 전압(Vd1)에 클램프되므로, 잉여 전압은 스너버 저항(Rs1)에 의해 방전되어 스너버 커패시터(Cs1)의 전압이 전압(Vd1)과 같게 된다. 방전 전류의 경로는 도 20에 나타낸 바와 같이 Cs1 → L1 → Cp1 → L2 → Rs1 → Cs1 이다. 자기 소호 소자(S1)의 전압이 스너버 커패시터(Cs1)의 전압에 클램프되기 때문에, 자기 소호 소자(S1)의 전압은 거의 전압(Vd1)으로 유지된다. 비록 자기 소호 소자(S1)가 다시 턴-온되더라도, 스너버 커패시터(Cs1)는 방전하지 않고 전압(Vd1)을 유지한다. 스너버 저항(Rs1)에 의해 소모되는 손실은 단지 스너버 커패시터(Cs1)에 충전된 잉여 전압이다. 따라서 이 실시예에서는 종래의 방전형 스너버 회로에 비해 현저하게 손실을 감소시킬 수 있다.

자기 소호 소자(S2)의 동작과 그 스너버 회로의 작용은 자기 소호 소자(S1)의 경우와 동일하다. 전류가 라인 인덕턴스(L2), 클램프 다이오드(Dc1) 및 자기 소호 소자(S2, S3)를 통해 흐르고 있는 상태를 가정할 경우, 스너버 커패시터(Cs2)의 전압은 Vd2이고 스너버 커패시터(Cs2)는 이미 충전된 상태에 있다. 이 때 자기 소호 소자(S2)를 "오프"로 할 경우, 라인 인덕턴스(L2)의 잔류 에너지에 의해 자기 소호 소자(S2)의 전압이 상승한다. 자기 소호 소자(S2)의 전압이 스너버 커패시터(Cs2)의 전압을 초과할 경우, 순방향 전압이 스너버 다이오드(Ds2)에 인가되어 "온" 상태로 된다. 그 결과 라인 인덕턴스(L2)의 잔류 에너지가 스너버 커패시터(Cs2)로 유입되어 흡수된다. 이 때 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 상승하지만 전압(-Vd2)에 클램프되므로, 스너버 저항(Rs2)에 의해 잉여 전압이 방전되어 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 전압(-Vd2)과 같게 된다. 비록 자기 소호 소자(S2)가 다시 턴-온되더라도, 스너버 커패시터(Cs2)는 방전하지 않고 전압(-Vd2)을 유지한다. 이 때문에 스너버 저항(Rs2)에 의해 소모되는 손실은 단지 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압이므로, 종래의 방전형 스너버 회로에 비해 현저하게 전압 손실을 저감될 수 있다. 또한 종래의 저손실 스너버 회로와 비교할 경우, 종래의 저손실 스너버 회로에서는 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압을 방전시키기 위해 자기 소호 소자(S2)가 다시 턴-온되어야 하고 또한 자기 소호 소자(S3)도 "온" 상태이어야 한다. 그러나 본 발명에 의한 NPC 인버터(PC2)의 저손실 스너버 회로에서는, 자기 소호 소자(S2)의 동작 상태와 무관하게 스너버 커패시터(Cs2)와 자기 소호 소자(S2)의 단자 전압이 직류 전압(-Vd2)과 안정적으로 동일하게 된다.

자기 소호 소자(S3, S4)에 대한 스너버 회로의 작용도 또한 자기 소호 소자(S1, S2)의 경우와 동일하다.

이 실시예에 따르면, 예를 들어 일본 특개평 4-295279호에 기재된 제어 시스템도 이 실시예에 적용할 수 있다. 이 제어 시스템에 의하면 출력 전류의 방향에 따라 요구되는 자기 소호 소자만을 턴-온시킴으로써 무용한 스위칭 동작을 제거하여 손실을 저감할 수 있다. 예컨대 출력 전류가 정일 경우, 자기 소호 소자(S3, S4)는 "오프" 상태에 고정된다. 또한 출력 전류가 부일 경우, 자기 소호 소자(S1, S2)는 "오프" 상태에 고정된다. 즉 무용한 스위칭을 제거하여 스위칭 손실을 저감할 수 있다.

이하, 이러한 제어 시스템이 적용된 본 발명에 따른 NPC 인버터와, 이 제어 시스템을 적용한 종래의 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터를 비교한다. 출력 전류가 정이고 자기 소호 소자(S3, S4)가 "오프"인 상태에서 자기 소호 소자(S2)가 "온/오프" 된다고 가정한다. 종래의 저손실 스너버 회로에서 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압을 방전시키기 위해, 자기 소호 소자(S2)가 다시 턴-온되고 자기 소호 소자(S3)도 또한 "온" 상태에 있지 않는 한은 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압은 방전되지 않는다. 한편 본 발명에 의한 NPC 인버터에서의 저손실 스너버 회로에서, 자기 소호 소자(S2)의 동작 상태에 무관하게 스너버 커패시터(Cs2)의 잉여 전압을 방전시키는 것이 가능하므로 스너버 커패시터(Cs2)의 전압과 자기 소호 소자(S2)의 전압을 직류 전압(-Vd2)과 동일 레벨로 안정적으로 유지할 수 있다.

종래의 저손실 스너버 회로(도 30, 31)에서 요구되는 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)는 본 발명에 의한 NPC 인버터(PC2)의 저손실 스너버 회로에는 더 이상 요구되지 않는다.

예컨대 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온" 상태에 있다고 가정한다.

도 30에 나타낸 회로에서, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온" 상태에 있을 경우, 자기 소호 소자(S1)가 "온" 상태에 있기 때문에 스너버 커패시터(Cs2)의 정측 단자의 전위는 직류 전압원의 정측 단자(10)의 전위와 동일하게 된다. 스너버 다이오드(Ds22)가 없다고 가정할 경우, 직류 전압원의 정측 단자(10), 스너버 커패시터(Cs2), 스너버 저항(Rs2) 및 직류 전압원의 부측 단자(12)의 직렬 회로를 통해 전류가 흐른다. 그 결과 전류가 스너버 저항(Rs2)을 통해 계속 흐르고 그에 의해 스너버 저항(Rs2)에 의한 손실이 증가된다. 이러한 상태를 방지하기 위해, 스너버 다이오드(Ds22)를 도 30에 나타낸 바와 같이 접속하여 스너버 저항(Rs2)을 통해 이러한 전류가 흐르는 것을 방지한다.

도 18에 도시된 회로에서 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온" 상태에 있을 경우, 스너버 커패시터(Cs2)의 정측 단자의 전위가 직류 전압원의 영 전압 단자(11)의 전위와 동일하게 되고, 스너버 커패시터(Cs2)의 부측 단자의 전위는 직류 전압원의 부측 단자(12)의 전위와 거의 동일하게 된다. 즉 자기 소호 소자(S1)가 "온" 상태에 있을지라도, 클램프 다이오드(Dc1)는 자기 소호 소자(S1)의 부측 단자와 스너버 커패시터(Cs2)의 정측 단자 사이에 도 18에 나타낸 바와 같은 방향으로 접속되어, 스너버 커패시터(Cs2)를 통해 전류가 흐르지 않는다. 그 결과 직류 전압원의 전체 전압(Vd)이 스너버 커패시터(Cs2)에 인가되는 일은 발생하지 않는다.

상술한 작용에 있어서, 본 발명에 의한 NPC 인버터의 저손실 스너버 회로에서는, 종래의 저손실 스너버 회로에서의 문제점이었던 직류 전압원의 전체 전압이 스너버 커패시터(Cs2, Cs3)에 인가되는 일은 발생하지 않는다.

도 18에 도시된 실시예에 의하면, 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터를 제공할 수 있다. 또한 종래의 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터와 비교하면, 본 발명에 의한 NPC 인버터는 자기 소호 소자의 스위칭 제어가 제한되지 않는다는 장점이 있다. 또한 본 발명에 의한 NPC 인버터는 종래의 저손실 스너버 회로에 요구된 외부 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)가 불필요하므로 다이오드의 수를 줄일 수 있다는 다른 장점도 가진다.

도 21은 저손실 스너버 회로를 구비한 본 발명의 제11 실시예에 따른 NPC 인버터를 나타낸 것이다. 도 21은 단상분(U상)에 대한 NPC 인버터의 주회로를 나타내고, 3상 출력 인버터의 경우에, V상 및 W상에 대한 주회로도 U상에서와 마찬가지로 구성된다.

도 21에 나타낸 NPC 인버터(PC3)는 직렬 접속된, 도 5, 6에 나타낸 스위칭 모듈(SM3)과 도 13, 14에 나타낸 스위칭 모듈(SM7)로 구성된다. 도 17에 도시된 것과는 다른 스너버 회로가 스위칭 모듈(SM3, SM7)에 접속되어 있다. 외부 스너버 회로는 스너버 커패시터(Cs1~Cs4)와 스너버 저항(Rs1~Rs4)으로 구성된다. 여기서 스너버 다이오드(Ds1~Ds4)는 스위칭 모듈(SM3, SM7)에 내장되고, 스위칭 모듈(SM3, SM7)의 외부에 사용되는 스너버 다이오드는 없다. 직류 전압원(전압 : Vd)은 정측 단자(10), 영 전압 단자(11) 및 부측 단자(12)를 구비한다. 정측 단자(10)와 영 전압 단자(11) 사이와, 영 전압 단자(11)와 부측 단자(12) 사이에는 커패시터(Cp1, Cp2)가 각각 접속되어 있고, 커패시터(Cp1, Cp2)의 전압은 전압(Vd1, Vd2)으로 각각 나타냈다. 정부측 단자(10, 12)는 직렬 접속된 스위칭 모듈(SM3, SM7)의 양단, 즉 스위칭 모듈(SM3)의 외부 단자(1)와 스위칭 모듈(SM7)의 외부 단자(2)에 각각 접속되어 있다. 스위칭 모듈(SM3)의 외부 단자(2)와 스위칭 모듈(SM7)의 외부 단자(1)는 출력 단자(20)에 접속되어 있다. 또한 양 스위칭 모듈(SM3, SM7)의 외부 단자들(3)은 영 전압 단자(11)에 각각 접속되어 있다. 직류 전압원에 대한 라인 인덕턴스는 L1~L3으로 각각 나타냈다.

제1 스너버 저항(Rs1)은 스위칭 모듈(SM3)의 제1 및 제4 외부 단자(1, 4) 사이에 접속되어 있다. 제1 스너버 커패시터(Cs1)는 제3 및 제4 외부 단자(3, 4) 사이에 접속되어 있고, 제2 스너버 커패시터(Cs2)는 제3 및 제5 외부 단자(3, 5) 사이에 접속되어 있다. 제2 스너버 저항(Rs2)은 스위칭 모듈(SM3)의 제5 외부 단자(5)와 직류 전압원의 부측 단자(12) 사이에 접속되어 있다. 이와 유사하게 스위칭 모듈(SM7)의 제4 외부 단자(4)와 직류 전압원의 정측 단자(10) 사이에는 제3 스너버 저항(Rs3)이 접속되어 있고, 스위칭 모듈(SM7)의 제3 및 제4 외부 단자(3, 4) 사이에는 제3 스너버 커패시터(Cs3)가 접속되어 있다. 제3 및 제5 외부 단자(3, 5) 사이에는 제4 스너버 커패시터(Cs4)가 접속되어 있고, 스위칭 모듈(SM7)의 제2 및 제5 외부 단자(2, 5) 사이에는 제4 스너버 저항(Rs4)이 접속되어 있다.

도 21에 도시된 NPC 인버터(PC3) 내의 스위칭 모듈(SM3)의 클램프 다이오드(Dc1)와 스위칭 모듈(SM7)의 클램프 다이오드(Dc2)의 접속점들은 도 30에 도시된 종래의 NPC 인버터 내의 클램프 다이오드(Dc1, Dc2)의 접속점들과는 다르다는 것에 유의해야 한다.

도 21에서 클램프 다이오드(Dc1, Dc2)는 도 17에 나타낸 NPC 인버터(PC1)에서와 실질적으로 동일한 위치에 접속되어 있다. 즉 스위칭 모듈(SM3)의 클램프 다이오드(Dc1)는 자기 소호 소자(S1, S2)의 접속점과, 스위칭 모듈(SM3)의 제3 외부 단자(3) 즉 직류 전압원의 영 전압 단자(11) 사이에 (라인 인덕턴스(L2)를 경유하여) 접속되어 있다. 또한 스위칭 모듈(SM7)의 클램프 다이오드(Dc2)는 자기 소호 소자(S3, S4)의 접속점과, 스위칭 모듈(SM7)의 제3 외부 단자(3) 즉 직류 전압원의 영 전압 단자(11) 사이에 (라인 인덕턴스(L2)를 경유하여) 접속되어 있다.

이 실시예의 작용은, 하기 제12 실시예(도 22)에서와 동일한 것으로, 스위칭 모듈에 의한 제한 없이 구성되며, 제12 실시예 부분에서 설명한다.

도 21에 도시된 실시예에 의하면, NPC 인버터의 주회로의 배선 길이를 짧게 함으로써 라인 인덕턴스가 줄어든, 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터를 제공할 수 있다. 또한 저손실 스너버 회로를 구비한 종래의 NPC 인버터와 비교할 때, 본 발명에 의한 NPC 인버터는 자기 소호 소자의 스위칭 제어가 제한되지 않는다는 장점이 있고, 또한 종래의 저손실 스너버 회로에서 요구되었던 외부 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)가 이 실시예에서는 필요 없게 되어 다이오드의 수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 22는 저손실 스너버 회로를 구비한 본 발명의 제12 실시예에 따른 NPC 인버터(PC4)를 나타낸 것이다. 도 22는 단상(U상)에 대한 NPC 인버터의 주회로를 나타낸 것이고, V상 및 W상에 대한 주회로도 U상에서와 마찬가지로 구성된다.

이 실시예는 스위칭 모듈을 사용하지 않고 개별 부품으로 회로가 구성된다는 점에서 도 21에 도시된 실시예와는 다르다. 즉 도 22에 나타낸 NPC 인버터(PC4)에서, 도 21에 도시된 스위칭 모듈(SM3)은 개별의 자기 소호 소자(S1, S2), 프리휠링 다이오드(D1, D2), 클램프 다이오드(Dc1) 및 스너버 다이오드(Ds1, Ds2)로 대체된다. 이와 유사하게 스위칭 모듈(SM5)은 개별의 자기 소호 소자(S3, S4), 프리휠링 다이오드(D3, D4), 클램프 다이오드(Dc2) 및 스너버 다이오드(Ds3, Ds4)로 대체된다. 그러므로 도 22에서의 회로 구성은 도 21에 도시된 회로와 실질적으로 등가이다.

자기 소호 소자의 스위칭 동작과 도 22에 도시된 NPC 인버터(PC4)에서의 전압 레벨 사이의 관계의 일례에 대해 후술한다. 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온"일 경우 전압(Vd1)이 출력되고, 자기 소호 소자(S2, S3)가 "온"일 경우 영전압이 출력되고, 자기 소호 소자(S3, S4)가 "온"일 경우 전압(-Vd2)이 출력된다. 설명의 간략화를 위해 전압은 Vd1 = Vd2 = Vd/2라고 가정한다.

예컨대 NPC 인버터에서 자기 소호 소자(S1~S3)가 동시에 턴-온되면, 상술한 바와 같이 직류 전압(Vd1)이 자기 소호 소자(S1 → S2 → S3) → 클램프 다이오드(Dc2)의 경로로 인가되어 단락 회로가 형성되고, 그 결과 과도한 단락 회로 전류가 자기 소호 소자(S1, S2, S3)를 통해 흐른다. 이러한 단락 회로 전류를 방지하기 위해 자기 소호 소자(S1, S3)가 역동작되며, 자기 소호 소자(S2, S4)가 또한 역동작된다.

라인 인덕턴스(L1)와 자기 소호 소자(S1, S2)를 통해 전류가 흐르고 있는 상태를 가정한다. 이 때 스너버 커패시터(Cs1)의 전압은 Vd1이고 스너버 커패시터(Cs1)는 이미 충전된 상태에 있다. 자기 소호 소자(S1)를 턴-오프시키면, 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지에 의해 자기 소호 소자(S1)의 전압이 상승한다. 이 전압이 스너버 커패시터(Cs1)의 전압을 초과할 경우, 순방향 전압이 스너버 다이오드(Ds1)로 인가되어 "온" 상태로 된다. 그 결과 라인 인덕턴스(L1)의 잔류 에너지가 스너버 커패시터(Cs1)로 유입되어 흡수된다. 이 상태를 도 23에 나타낸다. 이 때 스너버 커패시터(Cs1)의 전압은 상승하지만 직류 전압(Vd1)에 클램프되므로, 잉여 전압은 도 24에 나타낸 바와 같이 스너버 커패시터(Cs1) → 스너버 저항(Rs1)의 경로에서 스너버 저항(Rs1)에 의해 방전되어 스너버 커패시터(Cs1)의 전압이 전압(Vd1)과 같게 된다. 자기 소호 소자(S1)의 전압이 스너버 커패시터(Cs1)의 전압에 클램프되므로, 자기 소호 소자(S1)의 전압은 거의 전압(Vd1)으로 유지될 수 있다.

자기 소호 소자(S1)가 다시 턴-온되더라도, 스너버 커패시터(Cs1)는 방전되지 않고 전압(Vd1)을 유지한다. 그리하여, 스너버 저항(Rs1)에 의해 소모되는 손실은 단지 스너버 커패시터(Cs1)에 충전된 잉여 전압이다. 따라서 이 실시예에서는 종래의 방전형 스너버 회로에 비해 현저하게 손실을 감소시킬 수 있다.

자기 소호 소자(S2)의 동작과 그 스너버 회로의 작용을 설명한다. 라인 인덕턴스(L2), 클램프 다이오드(Dc1) 및 자기 소호 소자(S2, S3)를 통해 전류가 흐르고 있는 상태를 가정한다. 이 때 스너버 커패시터(Cs2)의 전압은 Vd2이고 스너버 커패시터(Cs2)는 이미 충전된 상태에 있다. 자기 소호 소자(S2)가 턴-오프되면, 라인 인덕턴스(L2)의 잔류 에너지에 의해 자기 소호 소자(S2)의 전압이 상승한다. 자기 소호 소자(S2)의 전압이 스너버 커패시터(Cs2)의 전압을 초과할 경우, 순방향 전압이 스너버 다이오드(Ds2)에 인가되어 "온" 상태로 된다. 그 결과 라인 인덕턴스(L2)의 잔류 에너지가 스너버 커패시터(Cs2)로 유입되어 흡수된다. 이 때 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 상승하지만 전압(Vd2)에 클램프되므로, 스너버 저항(Rs2)에 의해 잉여 전압이 방전되어 스너버 커패시터(Cs2)의 전압이 전압(Vd2)과 같게 된다. 자기 소호 소자(S2)가 다시 턴-온되어도, 스너버 커패시터(Cs2)는 방전되지 않고 전압(Vd2)을 유지한다. 그러므로, 스너버 저항(Rs2)에 의해 소모되는 손실은 단지 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압이어서, 종래의 방전형 스너버 회로에 비해 현저하게 전압 손실을 감소시킬 수 있다. 또한 종래의 저손실 스너버 회로와 비교할 경우, 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압을 방전시키기 위해, 종래의 저손실 스너버 회로에서는 자기 소호 소자(S2)가 다시 턴-온되어야 하고 또한 자기 소호 소자(S3)도 "온" 상태이어야 한다. 반면에 본 발명에 의한 NPC 인버터(PC4)의 저손실 스너버 회로에서는, 스너버 커패시터(Cs2)와 자기 소호 소자(S2)의 전압이 자기 소호 소자(S2)의 동작 상태와 무관하게 직류 전압(Vd2)과 안정적으로 동일하게 된다.

자기 소호 소자(S3, S4)에 대한 스너버 회로의 작용도 또한 상술한 바와 같이 자기 소호 소자(S1, S2)의 경우와 동일하다. 본 발명에 의하면, 예컨대 일본 특개평 4-295279호에 기재된 제어 시스템도 이 실시예에 적용할 수 있다. 이 제어 시스템에 의하면 출력 전류의 방향에 따라 요구되는 자기 소호 소자만을 턴-온시킴으로써 무용한 스위칭 동작을 제거하여 손실을 저감할 수 있다. 예컨대 출력 전류가 정일 경우, 자기 소호 소자(S3, S4)는 "오프" 상태에 고정된다. 또한 출력 전류가 부일 경우, 자기 소호 소자(S1, S2)는 "오프" 상태에 고정된다. 그리하여 무용한 스위칭을 제거하여 스위칭 손실을 저감할 수 있다.

이 제어 시스템을 적용된 본 발명에 의한 NPC 인버터와 이 제어 시스템을 적용한 종래의 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터를 비교한다. 출력 전류가 정이고 자기 소호 소자(S3, S4)가 "오프"인 상태에서 자기 소호 소자(S2)가 "온/오프" 된다고 가정한다. 종래의 저손실 스너버 회로에서 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압을 방전시키기 위해, 자기 소호 소자(S2)가 다시 턴-온되고 자기 소호 소자(S3)도 또한 "온" 상태에 있지 않는 한은 스너버 커패시터(Cs2)에 충전된 잉여 전압은 방전되지 않는다. 한편 본 발명에 의한 NPC 인버터에서의 저손실 스너버 회로에서, 자기 소호 소자(S2)의 동작 상태에 무관하게 스너버 커패시터(Cs2)의 잉여 전압을 방전시키는 것이 가능하므로 스너버 커패시터(Cs2)의 전압과 자기 소호 소자(S2)의 전압을 직류 전압(Vd2)과 안정적으로 동일하게 할 수 있다.

종래의 저손실 스너버 회로(도 30, 31)에서 요구되는 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)는 본 발명에 의한 NPC 인버터(PC4)의 저손실 스너버 회로에서는 더 이상 요구되지 않는다.

예컨대 자기 소호 소자(S1, S2)는 "온" 상태에 있다고 가정한다.

도 30에 나타낸 회로에서, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온" 상태에 있을 경우, 자기 소호 소자(S1)는 "온" 상태에 있기 때문에 스너버 커패시터(Cs2)의 정측 단자의 전위는 직류 전압원의 정측 단자(10)의 전위와 동일하게 된다. 스너버 다이오드(Ds22)가 없다고 가정할 경우, 직류 전압원의 정측 단자(10), 스너버 커패시터(Cs2), 스너버 저항(Rs2) 및 직류 전압원의 부측 단자(12)의 직렬 회로를 통해 전류가 흐른다. 그 결과 전류가 스너버 저항(Rs2)을 통해 계속 흐름으로써 스너버 저항(Rs2)에 의한 손실이 증가된다. 이 상태를 방지시키기 위해서, 스너버 다이오드(Ds22)를 도 30에 나타낸 바와 같이 접속하여 전류가 스너버 저항(Rs2)을 통해 흐르는 것을 방지한다.

도 22에 도시된 회로에서, 자기 소호 소자(S1, S2)가 "온" 상태에 있을 경우, 스너버 커패시터(Cs2)의 정측 단자의 전위가 직류 전압원의 영 전압 단자(11)의 전위와 동일하게 되고, 스너버 커패시터(Cs2)의 부측 단자의 전위는 직류 전압원의 부측 단자(12)의 전위와 거의 동일하게 된다. 즉 자기 소호 소자(S1)가 "온" 상태에 있더라도, 도 22에 나타낸 바와 같은 방향으로 자기 소호 소자(S1)의 부측 단자와 스너버 커패시터(Cs2)의 정측 단자 사이에 클램프 다이오드(Dc1)가 접속되며, 스너버 커패시터(Cs2)를 통해 전류가 흐르지 않는다. 그 결과 직류 전압원의 전체 전압(Vd)이 스너버 커패시터(Cs2)에 인가되는 일은 발생하지 않는다.

상술한 작용에 있어서, 본 발명에 의한 NPC 인버터의 저손실 스너버 회로에서는, 종래의 저손실 스너버 회로에서의 문제점이었던, 직류 전압원의 전체 전압이 스너버 커패시터(Cs2 또는 Cs3)에 인가되는 일은 발생하지 않는다.

도 22에 도시된 실시예에 의하면, 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터를 제공할 수 있다. 또한 종래의 저손실 스너버 회로를 구비한 NPC 인버터와 비교할 경우, 본 발명에 의한 NPC 인버터는 자기 소호 소자의 스위칭 제어에 제한이 없고, 또한 종래의 저손실 스너버 회로에 요구된 외부 스너버 다이오드(Ds22, Ds32)가 불필요하여 다이오드의 수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

상술한 바로부터 명확하듯이, 본 발명에 의하면 후술하는 효과를 얻을 수 있다.

1. 본 발명의 스위칭 모듈에 의하면, 외부 배선을 최단화하고, 전력 변환기의 주회로의 라인 인덕턴스를 저감하며, 또한 전력 변환기의 전체 시스템의 크기를 줄이는 것이 가능하다. 특히 클램프 다이오드와 자기 소호 소자 사이의 배선 길이를 최단화함으로써, 중성점 클램프식 인버터 내에서 저손실 스너버 회로를 구성하기 용이한 스위칭 모듈을 제공할 수 있다. 또한 2 레벨 인버터와 3 레벨 인버터(중성점 클램프식 인버터)에 공통으로 사용 가능하고 표준화에 적합한 스위칭 모듈을 제공할 수 있다.

2. 부품수를 줄일 수 있는 본 발명의 저손실 스너버 회로를 구비한 중성점 클램프식 인버터를 제공할 수 있다. 더욱이, 스너버 커패시터의 방전 동작에서 스위칭 제어에 의존하지 않는 저손실 스너버 회로를 구비한 고효율 전력 변환기를 제공할 수 있다.

3. 또한 저손실 스너버 회로를 구비한, 스위칭 모듈을 사용하여 구성한 고효율 전력 변환기를 제공할 수 있다.

상기한 사상 내에서 본 발명의 다양한 변형 및 변종이 가능하다는 것이 명백하다. 그러므로 본 발명은 첨부한 특허청구범위 내에서 이해되어야 하며, 본 발명은 여기에서 특히 기재된 것 이외에도 적용 가능하다.

Claims

제1 자기 소호 소자;

상기 제1 자기 소호 소자에 직렬 접속된 제2 자기 소호 소자;

상기 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드;

상기 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드;

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속된 제3 다이오드;

상기 제1 자기 소호 소자의 정측 단자에 접속된 제1 외부 단자;

상기 제2 자기 소호 소자의 부측 단자에 접속된 제2 외부 단자;

상기 제3 다이오드의 애노드에 접속된 제3 외부 단자;

상기 제1 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제1 외부 제어 단자; 및

상기 제2 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제2 외부 제어 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 상기 접속점에 접속된 제4 외부 단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제1항에 있어서,

상기 제1 자기 소호 소자의 상기 정측 단자에 애노드가 접속된 제4 다이오드;

상기 제2 자기 소호 소자의 상기 부측 단자에 캐소드가 접속된 제5 다이오드;

상기 제4 다이오드의 캐소드에 접속된 제4 외부 단자; 및

상기 제5 다이오드의 애노드에 접속된 제5 외부 단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제3항에 있어서,

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 상기 접속점에 접속된 제6 외부 단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제1 자기 소호 소자;

상기 제1 자기 소호 소자에 직렬 접속된 제2 자기 소호 소자;

상기 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드;

상기 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드;

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 애노드가 접속된 제3 다이오드;

상기 제1 자기 소호 소자의 정측 단자에 접속된 제1 외부 단자;

상기 제2 자기 소호 소자의 부측 단자에 접속된 제2 외부 단자;

상기 제3 다이오드의 캐소드에 접속된 제3 외부 단자;

상기 제1 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제1 외부 제어 단자; 및

상기 제2 자기 소호 소자의 제어 신호 단자에 접속된 제2 외부 제어 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제5항에 있어서,

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 상기 접속점에 접속된 제4 외부 단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제5항에 있어서,

상기 제1 자기 소호 소자의 상기 정측 단자에 애노드가 접속된 제4 다이오드;

상기 제2 자기 소호 소자의 상기 부측 단자에 캐소드가 접속된 제5 다이오드;

상기 제4 다이오드의 캐소드에 접속된 제4 외부 단자; 및

상기 제5 다이오드의 애노드에 접속된 제5 외부 단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
제7항에 있어서,

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 상기 접속점에 접속된 제6 외부 단자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모듈.
정측 단자, 영 전압 단자 및 부측 단자를 갖는 직류 전압원;

제1항 기재의 스위칭 모듈로 구성된 제1 스위칭 모듈;

제5항에 기재의 스위칭 모듈로 구성된 제2 스위칭 모듈;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제2 외부 단자 및 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제1 외부 단자에 접속된 중성점 클램프식 전력 변환기의 출력 단자;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제3 외부단자에 캐소드가 접속된 제1 스너버 다이오드;

상기 제1 스너버 다이오드의 애노드와 상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제1 외부 단자 사이에 접속된 제1 스너버 커패시터;

상기 제1 스너버 다이오드에 병렬 접속된 제1 스너버 저항;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제2 외부 단자에 캐소드가 접속된 제2 스너버 다이오드;

상기 제2 스너버 다이오드의 애노드와 상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제3 외부 단자 사이에 접속된 제2 스너버 커패시터;

상기 제2 스너버 다이오드의 상기 애노드와 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자 사이에 접속된 제2 스너버 저항;

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제1 외부 단자에 애노드가 접속된 제3 스너버 다이오드;

상기 제3 스너버 다이오드의 캐소드와 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제3 외부 단자 사이에 접속된 제2 스너버 커패시터;

상기 제3 스너버 다이오드의 상기 캐소드와 상기 직류 전압원의 상기 정측 당자 사이에 접속된 제3 스버너 저항;

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제3 외부 단자에 애노드가 접속된 제4 스너버 다이오드;

상기 제4 스너버 다이오드의 캐소드와 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제2 외부 단자 사이에 접속된 제4 스너버 커패시터; 및

상기 제4 스너버 다이오드에 병렬 접속된 제4 스너버 저항을 구비하며,

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제1 외부 단자는 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자에 접속되고,

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제3 외부 단자 및 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제3 외부 단자는 상기 직류 전압원의 상기 영 전압 단자에 접속되며,

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제2 외부 단자는 상기 전류 전압원의 상기 부측 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 중성점 클램프식 전력 변환기.
정측 단자, 영 전압 단자 및 부측 단자를 갖는 직류 전압원;

제1 자기 소호 소자, 제2 자기 소호 소자, 제3 자기 소호 소자 및 제4 자기 소호 소자의 직렬 회로;

상기 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드;

상기 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드;

상기 제3 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제3 다이오드;

상기 제4 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제4 다이오드;

상기 제2 및 제3 자기 소호 소자의 접속점에 접속된 중성점 클램프식 전력 변환기의 출력 단자;

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속되고 상기 직류 전압원의 상기 영 전압 단자에 애노드가 접속된 제5 다이오드;

상기 제3 및 제4 자기 소호 소자의 접속점에 애노드가 접속되고 상기 직류 전압원의 상기 영 전압 단자에 캐소드가 접속된 제6 다이오드;

상기 제2 및 제3 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속된 제7 다이오드;

상기 제2 및 제3 자기 소호 소자의 상기 접속점에 애노드가 접속된 제8 다이오드;

상기 제5 다이오드의 상기 애노드에 캐소드가 접속된 제9 다이오드;

상기 제6 다이오드의 상기 캐소드에 애노드가 접속된 제10 다이오드;

상기 제9 다이오드의 애노드와 상기 제1 자기 소호 소자의 상기 정측 단자 사이에 접속된 제1 커패시터;

상기 제9 다이오드에 병렬 접속된 제1 저항;

상기 제5 다이오드의 상기 애노드와 상기 제7 다이오드의 애노드 사이에 접속된 제2 커패시터;

상기 제7 다이오드의 상기 애노드와 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자 사이에 접속된 제2 저항;

상기 제8 다이오드의 캐소드와 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자 사이에 접속된 제3 저항;

상기 제6 다이오드의 상기 캐소드와 상기 제8 다이오드의 상기 캐소드 사이에 접속된 제3 커패시터;

상기 제10 다이오드의 캐소드와 상기 제4 자기 소호 소자의 상기 부측 단자 사이에 접속된 제4 커패시터; 및

상기 제10 다이오드에 병렬 접속된 제4 저항을 구비하며,

상기 제1 자기 소호 소자의 정측 단자는 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자에 접속되고,

상기 제4 자기 소호 소자의 부측 단자는 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 중성점 클램프식 전력 변환기
정측 단자, 영 전압 단자 및 부측 단자를 갖는 직류 전압원;

제3항에 따른 상기 스위칭 모듈로 구성된 제1 스위칭 모듈;

제7항 기재의 스위칭 모듈로 구성된 제2 스위칭 모듈;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제2 외부 단자 및 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제1 외부 단자에 접속된 중성점 클램프식 전력 변환기의 출력 단자;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제1 및 제4 외부 단자 사이에 접속된 제1 스너버 저항;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제3 및 제4 외부 단자 사이에 접속된 제1 스너버 커패시터;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제3 및 제5 외부 단자 사이에 접속된 제2 스너버 커패시터;

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제5 외부 단자와 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자 사이에 접속된 제2 스너버 저항;

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제2 및 제5 외부 단자 사이에 접속된 제3 스너버 저항;

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제3 및 제5 외부 단자 사이에 접속된 제3 스너버 커패시터;

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제3 및 제4 외부 단자 사이에 접속된 제4 스너버 커패시터; 및

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제4 단자와 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자 사이에 접속된 제4 스너버 저항을 구비하며,

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제1 외부 단자는 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자에 접속되고,

상기 제1 스위칭 모듈의 상기 제3 외부 단자 및 상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제3 오부 단자는 상기 직류 전압원의 상기 영 전압 단자에 접속되며,

상기 제2 스위칭 모듈의 상기 제2 외부 단자는 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 중성점 클램프식 전력 변환기.
정측 단자, 영 전압 단자 및 부측 단자를 갖는 직류 전압원;

제1 자기 소호 소자, 제2 자기 소호 소자, 제3 자기 소호 소자 및 제4 자기 소호 소자의 직렬 회로;

상기 제1 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제1 다이오드;

상기 제2 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제2 다이오드;

상기 제3 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제3 다이오드;

상기 제4 자기 소호 소자에 역병렬 접속된 제4 다이오드;

상기 제2 및 제3 자기 소호 소자의 접속점에 접속된 중성점 클램프식 전력 변환기의 출력 단자;

상기 제1 자기 소호 소자의 상기 정측 단자에 애노드가 접속된 제5 다이오드;

상기 제1 및 제2 자기 소호 소자의 접속점에 캐소드가 접속되고 상기 직류 전압원의 상기 영 전압 단자에 애노드가 접속된 제6 다이오드;

상기 제2 및 제3 자기 소호 소자의 상기 접속점에 캐소드가 접속된 제7 다이오드;

상기 제2 및 제3 자기 소호 소자의 상기 접속점에 애노드가 접속된 제8 다이오드;

상기 제3 및 제4 자기 소호 소자의 접속점에 애노드가 접속되고 상기 직류 전압원의 상기 영 전압 단자에 캐소드가 접속된 제9 다이오드;

상기 제4 자기 소호 소자의 상기 부측 단자에 캐소드가 접속된 제10 다이오드;

상기 제5 다이오드의 캐소드와 상기 제6 다이오드의 상기 애노드 사이에 접속된 제1 커패시터;

상기 제5 다이오드에 병렬 접속된 제1 저항;

상기 제6 다이오드의 상기 애노드와 상기 제7 다이오드의 애노드 사이에 접속된 제2 커패시터;

상기 제7 다이오드의 상기 애노드와 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자 사이에 접속된 제2 저항;

상기 제8 다이오드의 캐소드와 상기 제9 다이오드의 상기 캐소드 사이에 접속된 제3 커패시터;

상기 제8 다이오드의 상기 캐소드와 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자 사이에 접속된 제3 저항;

상기 제9 다이오드의 상기 캐소드와 상기 제10 다이오드의 애노드 사이에 접속된 제4 커패시터; 및

상기 제10 다이오드에 병렬 접속된 제4 저항을 구비하며,

상기 제1 자기 소호 소자의 정측 단자는 상기 직류 전압원의 상기 정측 단자에 접속되고,

상기 제4 자기 소호 소자의 부측 단자는 상기 직류 전압원의 상기 부측 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 중성점 클램프식 전력 변환기.