KR102322428B1 - 과전류를 방지하는 입력 필터가 구비된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템 - Google Patents

과전류를 방지하는 입력 필터가 구비된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 상의 입력단에 전기적으로 연결된 복수개 스위치를 포함하는 직접형 매트릭스 컨버터; 및 상기 입력단에 마련되며, 상기 직접형 매트릭스 컨버터의 과전류로 인한 상기 스위치의 소손을 방지하는 입력 필터를 포함하고, 상기 스위치는, 상기 입력단의 각 상에 전류를 도통시키는 방향이 서로 다른 양방향으로 결선되고, 상기 입력 필터는, 상기 입력단의 제1 상에 결선된 상기 스위치를 제어하는 T1 파형과, 상기 입력단의 제2 상에 결선된 상기 스위치를 제어하는 T2 파형의 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호가 상기 직접형 매트릭스 컨버터로 인가될 때, 상기 직접형 매트릭스 컨버터의 단락 전류를 제한하는 CL 필터이며, 단락 전류의 기울기를 제한하여 과전류로 인한 스위치의 소손을 방지하고 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

과전류를 방지하는 입력 필터가 구비된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템{DIRECT MATRIX CONVERTER SYSTEM WITH INPUT FILTER TO PREVENT OVERCURRENT}
본 발명은 매트릭스 컨버터 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류가 절환될 때 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호를 생성하는 커뮤테이션 기법이 적용된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템에 관한 것이다.
전동기는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 주는 장치로서, 부하 구동을 위한 전동기 구동 시스템은 전원, 전동기, 전력 변환 장치, 제어기 등으로 구성된다. 전동기 구동 시스템은 대부분 단상이나 3상 교류 전원으로부터 전력을 공급을 받는다. 이 때 구동 시스템의 전력 변환 장치가 공급받은 전력을 구동하려는 대상에 적합하도록 변환시킨다. 전력 변환 장치는 입력 및 출력 전원의 형태에 따라 AC/DC 전력 변환 장치인 컨버터와 DC/AC 전력 변환 장치인 인버터로 구분되어 이루어진다. 전력 변환 장치에는 두 전력 변환 장치 사이에 직류단 커패시터를 필요로 한다. 그러나, 직류단 커패시터는 시스템의 부피를 증가시키고, 시스템의 수명을 줄이는 원인이 된다. 따라서 직류단 커패시터로 인해 발생하는 문제점을 없애기 위해 AC/AC 전력 변환 장치로 매트릭스 컨버터가 전동기 구동 분야에 적용되었다. 매트릭스 컨버터는 구조에 따라 직접형과 간접형으로 구분되는데, 직접형 매트릭스 컨버터는 양방향 스위치를 이용하여 AC 입력에서 AC 출력으로 직접 변환시킨다.
양방향 스위치를 이용한 직접형 매트릭스 컨버터는 전동기 구동 시스템에서 전원의 고조파 전류를 억제하고 전동기 감속 시 발생하는 회생 에너지를 활용할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 특징으로 직접형 매트릭스 컨버터는 가변속 전동기 구동 시스템, 풍력발전 시스템 등에 널리 활용되고 있다.
그러나 직접형 매트릭스 컨버터는 에너지 저장 장치가 없어, 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 오동작(Malfunction) 및 사고 발생시 구성 요소를 안정적으로 보호할 수 없다. 또한, 양방향 스위치는 방향이 상반된 2개의 단방향 스위치로 이루어지고, 각 단방향 스위치는 각기 다른 스위칭 신호로 동작한다. 따라서 직접형 매트릭스 컨버터에는 안정적인 구동을 보장할 수 있는 스위치 동작이 마련되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)이 단락된 경우의 단락 회로도이다. 부하 한 상에 3개의 스위치가 연결된 경우, 3개 중 2개의 스위치가 동시에 도통되면, 입력 전압원이 서로 단락(Short)되어 과전류가 발생할 수 있다. 도 1는 전원(V0)에 연결된 두 개의 스위치(SA, SB)가 동시에 도통된 모습을 나타낸다. 이때, SA, SB 스위치는 각각 2개의 단방향 스위치(SA1, SA2)가 직렬 연결된 양방향 스위치로 구성된다. 과전류는 스위치의 정격 전류를 초과하여 스위치를 소손에 이르게 할 수 있어 문제가 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)이 개방된 경우의 회로도이다. 도 2는 입력 2상과 출력 1상이 연결된 경우로, 출력의 부하 한 상에서 3개의 스위치(SA, SB, SC)가 모두 꺼져 부하의 전류원이 개방(Open)된 상태이다. 도 2의 SA, SB, SC 스위치는 도 1과 마찬가지로 각각 2개의 단방향 스위치가 직렬 연결된 양방향 스위치로 구성된다. 개방된 경우에는 회로에 프리 휠링 경로가 없으므로 스위치에 과전압이 인가될 수 있고, 스위치의 정격 전압을 넘어 소자가 파괴될 수 있다.
따라서, 도 1 또는 도 2와 같이 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 복수개의 스위치는 동시에 단락되거나 개방되어서는 안된다. 이러한 상태의 발생을 방지하기 위해 직접형 매트릭스 컨버터(30)에서는 부하 한 상에서 3개의 스위치 중 1개의 스위치가 반드시 켜져 있어야 한다. 또한, 하나의 상에서 다른 상으로 절환하는 경우에는 과전류 및 과전압의 위험이 발생할 수 있다. 그러므로 입력 측 단락 회로 및 출력 측 개방 회로의 발생을 방지하고 구동 안정성을 확보하기 위해서, 공통된 출력상에 연결되어 있는 3개의 스위치에 다양한 전류 커뮤테이션(commutation) 기법들이 사용된다.
도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터(30)에 양방향 스위치가 구비된 입력 2상과 출력 1상이 연결된 회로도이다. 도 3a의 스위치(SaA, SaB)는 각 입력단의 각 상에 연결된 양방향 스위치이며, 각 스위치는 2개의 단방향 스위치(SaA1, SaA2 또는 SaB1, SaB2)가 직렬 연결된 양방향 스위치로 구성된다.
도 3b 및 도 3c는 절환 기법을 도 3a의 회로에 적용하여 도출된 스위칭 파형이다. 절환 기법은 다양하나, 대표적으로 출력 전류의 극성을 이용하는 방법과 입력 전압의 상대적인 크기를 이용하는 방법이 있다.
도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 출력 전류의 극성을 이용하는 절환 방법을 도 3a의 회로에 적용하여 도출된 스위칭 파형이다. 도 3b는 일반적인 4단계 전류 절환 기법을 도 3a에 적용하였을 때 각 스위치의 온/오프 상태를 나타낸 것이다. 출력 전류의 극성을 이용하는 절환 기법은 출력 전류가 부하로 들어가는 방향인지, 부하에서 나오는 방향인지에 따라 양방향 스위치의 각 스위치의 스위칭을 각 단계별로 수행하는 방법이다. 이 과정을 통해 과전압 및 과전류가 발생하지 않도록 하는 것이다. 보다 상세하게 도 3b의 왼쪽 파형은 ia가 0보다 큰 경우로 출력 전류가 부하로 들어가며, 도 3b의 오른쪽 파형은 ia가 0보다 작은 경우로 출력 전류가 부하에서 나오는 방향이다. 4단계 전류 절환 기법은 3개의 스텝이 발생하며 td*2 만큼의 커뮤테이션 시간이 발생할 수 있다.
도 3c는 본 발명의 실시 예에 따른 입력 전압의 상대적인 크기를 이용하는 절환 방법을 도 3a의 회로에 적용하여 도출된 스위칭 파형이다. 입력 전압의 상대적인 크기를 이용하여 절환하면 절환 과정에서 프리 휠링 경로를 확보할 수 있다. 직접형 매트릭스 컨버터(30)에서 역전압 차단에 필요한 스위치를 제외한 모든 스위치(SaA2, SaB1)는 꺼지도록 하며, SaA1과 SaB2에서만 상 전환되어 비교적 간단하게 진행된다.
그러나, 위와 같은 종래의 절환 방식들은 다음의 문제점을 갖는다.
첫 번째 문제점은 종래의 절환 기법은 전류/전압의 측정 또는 판별의 오차로 인해 오동작이 발생할 수 있어 안정적인 절환을 보장할 수 없다는 것이다. 따라서 스위치 소손 및 교류 전력 변환 장치의 고장이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 그러므로 종래의 절환 기법에서는 전압 또는 전류의 극성을 정확하게 판단하도록 요구되며 이를 위해 추가적인 전압 또는 전류 검출 회로 구성이 요구된다.
두 번째 문제점은 절환 기법 구현을 위해서 FPGA(Field programmable gate array)와 같은 논리 회로 프로그래밍을 위한 하드웨어 구성이 추가적으로 필요하다는 것이다. 하드웨어 구성의 추가는 전체 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 구성 복잡도를 증가시키고 원가를 상승시킨다.
세 번째 문제점은 스위칭 절환 시 절환 보장을 위해 블랭킹 구간(Blanking period)이 발생하므로, 직접형 교류 전력 변환 장치의 이용률이 감소한다는 점이다. 블랭킹 구간은 전력 변환기의 입출력 고조파 발생에도 영향을 주어 전력 품질 개선에 제한을 줄 수 있어 문제가 된다.
한편, 관련 종래기술 한국공개특허 제10-2009-0090734호(이하, ‘선행특허’라 약칭한다)는 다수상의 교류 입력 전원으로부터 다수 상의 교류 출력을 얻는 매트릭스 컨버터 커뮤테이션 회로를 개시한다.
이에 본 출원인은 스위치의 절환시 별도의 커뮤테이션 시간 또는 데드타임을 발생시키지 않는 특정 전류 커뮤테이션 기법이 적용된 직접형 매트릭스 컨버터에서 과전류 문제를 해결할 수 있는 구성인 입력 필터에 관한 추가적인 연구 개발을 진행하였다. 이에, 상기 선행특허보다 간단한 구조로 안정하게 스위치를 절환시킬 수 있음을 확인하게 되었다.
한국공개특허 제10-2009-0090734호
본 발명은 직접형 매트릭스 컨버터에 절환 단계가 없는 절환 기법을 적용하여 발생하는 문제점인 과전류를 발생시키지 않는 입력 필터를 포함하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 앞에서 언급한 과제들로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 복수의 상의 입력단에 전기적으로 연결된 복수개 스위치를 포함하는 직접형 매트릭스 컨버터; 및 상기 입력단에 마련되며, 상기 직접형 매트릭스 컨버터의 과전류로 인한 상기 스위치의 소손을 방지하는 입력 필터를 포함하고, 상기 스위치는, 상기 입력단의 각 상에 전류를 도통시키는 방향이 서로 다른 양방향으로 결선되고, 상기 입력 필터는, 상기 입력단의 제1 상에 결선된 상기 스위치를 제어하는 T1 파형과, 상기 입력단의 제2 상에 결선된 상기 스위치를 제어하는 T2 파형의 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호가 상기 직접형 매트릭스 컨버터로 인가될 때, 상기 직접형 매트릭스 컨버터의 단락 전류를 제한하는 CL 필터인 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 CL 필터는, 복수의 인덕터의 일단이 상기 입력단의 각 상과 직렬로 연결되고, 상기 인덕터의 일단에서 분기된 라인에 커패시터가 연결되어 상기 커패시터는 상기 입력단의 각 상과 병렬로 연결되며, 상기 인덕터는, 상기 커패시터와 상기 직접형 매트릭스 컨버터 사이에 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 CL 필터는, 인덕터에 저항이 병렬로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 입력 필터는,
하기 [수학식 2]의 전달함수를 갖고, 상기 인덕터의 계통 인덕턴스와 상기 커패시터가 2차 저역 통과 필터로 동작할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020018605444-pat00001
단, 위 식에서 Gi(s)는 전달 함수이며, ig는 전원 측 전류이고, iM은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 입력 전류이다. Rc는 등가 직렬 저항이고, Cf는 입력 필터(103)의 커패시터이며, Lg는 전원 인덕턴스이다.
바람직하게, 상기 CL 필터는, 상기 인덕터의 인덕턴스는 0.1mH 내지 0.5mH, 상기 커패시터의 커패시턴스가 4μF 내지 20μF, 상기 저항이 5Ω 내지 15Ω인 조건에서 고조파 성분을 저감시키는 저역 필터일 수 있다.
본 발명에 따르면, 절환 단계가 없는 절환 기법이 적용된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템은 전류/전압을 별도로 측정 또는 판별하는 센싱 소자를 필요로 하지 않으므로 보다 경제적이며, 양방향 스위치의 구조와 무관하게 적용이 가능한 장점이 있다. 또한, 센싱 소자가 요구되지 않는 본 발명의 직접형 매트릭스 컨버터 시스템은 센싱 소자에서 측정된 전류/전압의 오차로 인한 오동작이 발생하지 않아 안정적인 절환을 보장할 수 있다.
본 발명의 직접형 매트릭스 컨버터 시스템은 절환 기법을 구현하기 위해 별도의 하드웨어 구성이 필요하지 않으므로 구성 복잡도가 낮고 추가적으로 원가가 상승되지 않는 장점이 있다. 또한, 스위칭 절환을 보장하기 위한 블랭킹 구간이 발생하지 않으므로 고조파에 영향을 주지 않아 전력 품질에 제한이 생기지 않는 효과가 있다.
본 발명이 제안하는 CL 구조 및 gallium-nitride(GaN) 소자를 포함하는 입력 필터는 입력 측 단락 회로 및 출력 측 개방 회로를 형성하여 과전류, 과전압 문제를 야기할 수 있는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 문제를 해결할 수 있으며, 입력 필터로부터 고조파를 저감할 수 있다.
따라서 본 발명의 직접형 매트릭스 컨버터 시스템은 단락 전류의 기울기를 제한하여 과전류로 인한 스위치의 소손을 방지하며, 시스템의 안정성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템에서 단락된 경우의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템에서 개방된 경우의 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터에 양방향 스위치가 구비된 입력 2상과 출력 1상이 연결된 회로도이다. 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 출력 전류의 극성을 이용하는 절환 방법을 도 3a의 회로에 적용하여 도출된 스위칭 파형이다. 도 3c는 본 발명의 실시 예에 따른 입력 전압의 상대적인 크기를 이용하는 절환 방법을 도 3a의 회로에 적용하여 도출된 스위칭 파형이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2상의 입력과 단상의 출력에서 전류가 절환될 때 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호를 생성하는 절환 기법, 즉 ‘스텝리스 전류 커뮤테이션 기법’이 적용된 경우의 직접형 매트릭스 컨버터의 스위치 회로도 및 스위칭 파형이다.
도 6은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템에 적용되는 기존의 LC 입력 필터의 회로도이다.
도 7a는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템에 적용되는 CL 필터의 회로도이며, 도 7b는 도 7a의 CL 필터가 단락되는 경우의 등가회로이다.
도 8a는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 전원 측 단상 등가회로이며, 도 8b는 전원의 전류와 직접형 매트릭스 컨버토의 입력 전류간 전달함수의 주파수 응답을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 입력 필터의 과전류 방지 및 고조파 성분 제거 성능을 검증하고자 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법으로 직접형 매트릭스 컨버터 시스템이 동작할 때 직접형 매트릭스 컨버터의 각 스위치에 인가되는 게이트-소스 전압 파형이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터에 연결된 부하가 구동할 때, 직접형 매트릭스 컨버터의 입력 파형(도 10a)과 출력 파형(도 10b)이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 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.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 구성도를 나타낸다.
직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)은 입력단(10)과 부하(90)의 사이에 설치되고, 입력단(10)과 부하(90) 사이의 전력 변환을 수행한다. 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)은 입력단(10), 직접형 매트릭스 컨버터(30), 제어부(50), 출력 필터(70)를 포함할 수 있다.
입력단(10)은 본 발명의 실시예에서 전원(101)이 3상의 교류 전원인 것을 예로 설명하지만, 교류 전원은 이에 한정되지 않는다. 입력단(10)은 전원(101)과 입력 필터(103)를 포함할 수 있다.
직접형 매트릭스 컨버터(30)는 복수의 상의 입력단에 전기적으로 연결된 양방향의 복수개의 스위치로 구성될 수 있다. 스위치는 입력단(10)의 각 상에 전류를 도통시키는 방향이 서로 다른 양방향으로 결선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예인 도 4에 따르면 직접형 매트릭스 컨버터(30)는 입력단(10)의 3상인 R상, S상, T상과 부하(90)의 U상, V상, W상에 각각 접속하는 양방향 스위치로 구성될 수 있다. 직접형 매트릭스 컨버터(30)는 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 직접형 매트릭스 컨버터(30)는 입력단(10)과 부하(90)의 각 상에 9개의 양방향 스위치가 병렬로 연결되어 구비될 수 있다. 양방향 스위치는 이하 후술할 도 5a와 같은 구성을 가질 수 있다. 즉, 서로 반대 방향의 단방향 스위치가 직렬로 연결되어 한 쌍을 이룰 수 있다. 각 양방향 스위치를 구성하는 단방향 스위칭 소자를 개별적으로 동작(온/오프)시킴으로써 제어할 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)은 절환 횟수를 줄임으로 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 절환 기법 중 이하 후술할 특정 절환 기법(‘이하 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법’)이 적용되는 경우로 제한될 수 있다.
제어부(50)는 직접형 매트릭스 컨버터(30)에 인가되는 신호를 생성할 수 있다. 제어부(50)는 설명의 편의를 위하여 정의된 것으로 실제 물리적으로 구분되지 않고 직접형 매트릭스 컨버터(30)에 인가되는 신호를 생성하는 컴퓨터 등의 장치에 내재되어 구현될 수 있다. 본 발명의 도 4의 실시 예에서는 설명의 편의를 위하여 별도의 구성으로 구현하였다.
제어부(50)는 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 스위치가 절환될 때 입력단(10)의 복수의 상 중 제1 상에 결선된 스위치를 제어하는 T1 파형과, 입력단(10)의 제2 상에 결선된 스위치를 제어하는 T2 파형의 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호를 생성하여 직접형 매트릭스 컨버터(30)에 인가할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 제어부(50)로부터 생성되는 T1 파형과 T2 파형은 전류가 절환될 때 커뮤테이션 시간 또는 데드타임을 발생시키지 않는다. 본 명세서는 본 발명에 적용된 전류 커뮤테이션 기법, 즉 ‘스텝리스 전류 커뮤테이션 기법’은 이하 도 5에서 자세히 후술한다.
입력 필터(103)는 복수의 상을 갖는 입력단(10)에 마련되며, 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 과전류로 인한 스위치의 소손을 방지할 수 있다. 입력 필터(103)는 복수의 상을 가진 전원(101)의 제1 상에 결선된 스위치를 제어하는 T1 파형과 전원(101)의 제2 상에 결선된 스위치를 제어하는 T2 파형의 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호가 직접형 매트릭스 컨버터(30)로 인가될 때, 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 단락 전류를 제한할 수 있다.
입력 필터(103)는 CL 필터(103)일 수 있다. CL 필터(103)는 인덕터와 커패시터로 구성되며. 인덕터의 일단이 입력단의 각 상과 직렬로 연결되고 인덕터의 일단에서 분기된 라인에 커패시터가 연결되어 커패시터는 입력단의 각 상과 병렬로 연결될 수 있다. CL 필터(103)의 인덕터는 커패시터와 직접형 매트릭스 컨버터 사이에 위치됨으로써 단락 시 단락 전류를 제한할 수 있다. CL 필터(103)는 인덕터에 저항이 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 입력 필터(103)는 빠른 스위칭 특성을 갖는 gallium-nitride(GaN) 전력반도체 소자를 이용하여 단락 회로가 발생하는 시간을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2상의 입력과 단상의 출력에서 전류가 절환될 때 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호를 생성하는 절환 기법, 즉 ‘스텝리스 전류 커뮤테이션 기법’이 적용된 경우의 스위치 회로도 및 스위칭 파형이다. 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법은 두 개의 단방향 스위치가 하나의 쌍으로서 함께 동작하도록 하므로 하나의 양방향 스위치 신호에 하나의 스위칭 신호를 인가시킨다. 또한, 스위치가 절환될 때 별도의 단계가 존재하지 않는다.
보다 자세하게 도 5a는 2상의 입력단과 단상의 출력단 사이에 전기적으로 연결된 2쌍의 양방향 스위치 구성을 나타낸 스위치 회로도이다. 도 5a의 스위치는 공통 소스 구조의 역병렬 다이오드가 없는 양방향 스위치로 구성될 수 있다.
도 5b는 도 5a의 스위치 구성에 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법이 적용된 스위칭 파형이다. 즉, 도 5b는 출력 U상의 전류가 양방향 스위치 SRU를 통해 흐르다가 SSU를 통해 흐를 때 스위칭 파형이다. 일반적인 전류의 커뮤테이션은 일정 방향으로 흐르던 전류가 방향을 바꿔 절환될 때 커뮤테이션 시간이 별도로 요구되거나 두 개의 양방향 스위치가 동시에 오픈되는 데드타임(dead time)이 발생한다. 그러나, 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법이 적용된 본 발명의 실시예와 같은 스위치 회로에서는 별도의 절환 시간 또는 데드타임이 발생하지 않는다.
도 5b의 4개의 스위칭 파형 중 상위 두 개의 파형(SRU1 및 SRU2)을 T1 파형이라 하고, 하위 두 개의 파형(SSU1 및 SSU2)을 T2 파형이라 한다. 이때, SRU1와 SRU2인 T1 파형은 온(on)에서 오프(off)로 변환되는 시점이 동일하고, SSU1와 SSU2인 T2 파형은 오프에서 온으로 변환되는 시점이 동일하다. 또한, T1 파형의 변환 시점과 T2 파형의 변환 시점이은 동일하다. 즉, 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법이 적용된 본 발명의 실시예에서는 T1 파형과 T2 파형 사이에 절환 시간에 지연이 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법은 입력 전압의 크기와 출력 전류의 극성 또는 양방향 스위치의 구조와 무관하게 적용가능하다.
다만, 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법은 입력측 단락 회로 및 출력 측 개방 회로의 발생으로 인해 과전류 및 과전압 문제를 발생할 수 있다. 과전압 문제는 기존 매트릭스 컨버터에 보호 회로로 사용되는 클램프 회로 및 스너버 회로로 방지할 수 있다. 따라서 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 단락 전류를 제한하여 과전류를 방지하는 입력 필터(103)에 대해 설명한다.
도 6은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)에 적용되는 기존의 LC 입력 필터의 회로도이다. 본 발명의 실시예에 따르면 입력단(10)은 R, S, T의 3상을 이루며, 기존의 LC 입력 필터는 입력단(10)의 각 상에 인덕터(LfR, LfS, LfT)가 직렬로 연결되고 커패시터(CfR, CfS, CfT)는 입력단(10)의 각 상과 병렬로 연결된다. 커패시터는 인덕터와 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 사이에 위치한다. 기존의 LC 입력 필터는 스위치에 의해 발생하는 스위칭 주파수 성분과 고조파 성분이 부하(90)로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 댐핑 및 과전압 방지를 위해 저항(RdR, RdS, RdT)은 인덕터에 각각 병렬로 연결될 수 있다. 기존의 LC 필터는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)에 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법이 적용되었을 때에 인덕터가 전원(101)에 직렬 연결되어 직류파형의 리플을 작게하고, 전류의 변화를 완만하게 하여 고조파 성분을 저감할 수 있다. 그러나, LC 필터의 커패시터가 인덕터보다 직접형 매트릭스 컨버터(1)에 가깝게 위치하므로 스위치가 모두 켜졌을 경우에는 단락 회로가 형성되어 과전류를 막을 수 없는 문제점이 있다.
도 7a는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)에 적용되는 CL 필터(103)의 회로도이다. 본 발명의 실시예에 따르면 입력단(10)은 R, S, T의 3상을 이루며, CL 필터(103)는 입력단(10)의 각 상에 인덕터(LfR, LfS, LfT)가 직렬로 연결되고 커패시터(CfR, CfS, CfT)는 입력단(10)의 각 상과 병렬로 연결된다. 댐핑 및 과전압 방지를 위해 저항(RdR, RdS, RdT)은 인덕터에 각각 병렬로 연결될 수 있다. 도 6과 마찬가지로 본 발명의 실시 예에 따른 CL 필터(103)도 인덕터가 전원(101)에 직렬 연결되어 고조파 성분을 저감할 수 있다. 인덕터는 입력단(10)의 전원(101) 및 커패시터와 직접형 매트릭스 컨버터(30) 사이에 위치하므로, 단락 회로 발생 시 전류의 기울기를 제한할 수 있다.
도 7b는 도 7a의 CL 필터(103)가 단락되는 경우의 등가회로이다. 보다 상세하게, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 CL 필터(103)가 입력 전원 2상(VRn 및 VSn)과 공통된 출력상(U)에 연결되어 있을 때, 공통된 출력상에 연결된 2개의 스위치가 동시에 켜져 입력 전원 2상이 단락되었을 때의 등가회로이다. 댐핑 저항과 단락되기 전의 전류(ishort)를 0이라 가정한다면, 단락 전류는 [수학식 1]로 나타낼 수 있다.
Figure 112020018605444-pat00002
위 식에서 ishort는 단락되기 전의 전류이며, VRS는 입력 전압이고, Δtshort는 단락 시간이며, LfR 및 LfS는 CL 필터(103)의 인덕터이다.
[수학식 1]에 따르면, ishort는 VRS 및 Δtshort에 비례하며, LfR 및 LfS에는 반비례한다. 따라서, 과전류를 방지하기 위해 ishort를 제한하기 위해서는 필터 인덕턴스를 증가시키거나 Δtshort이 짧도록 해야한다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 빠른 스위칭 시간을 가지는 WBG 소자를 사용할 수 있고, WBG 소자인 GaN FET 소자를 이용함으로써 단락 전류를 저감할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 전원(101) 측 단상 등가회로이며, 도 8b는 전원(101)의 전류와 직접형 매트릭스 컨버터(1)의 입력 전류간 전달함수의 주파수 응답을 나타낸다.
입력 필터(103)는 단락 전류를 제한하는 것뿐만 아니라 고조파 성분을 저감해야 한다. 입력 필터(103)는 하기 [수학식 2]의 전달함수를 갖는다. 전원(101) 측 단상의 등가회로를 통해 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 입력 필터(103)에서 고조파 성분이 저감되는 것을 확인할 수 있으므로, 이를 통해 입력 필터(103)는 2차 저역 통과 필터로 동작할 수 있다. 도 8a의 등가회로에는 전원(101) 측의 인덕턴스(LgR)와 입력 필터(103)의 커패시터의 기생 저항(RdR)이 고려되었으며, 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 입력 전류(iM)는 종속 전류원으로 간주되었다. 전원(101) 측 전류(ig)와 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 입력 전류(iM) 간 전달함수는 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020018605444-pat00003
위 식에서 Gi(s)는 전달 함수이며, ig는 전원(101) 측 전류이고, iM은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 입력 전류이다. Rc는 등가 직렬 저항이고, Cf는 입력 필터(103)의 커패시터이며, Lg는 전원(101) 인덕턴스이다.
도 8b의 주파수 응답은 하기의 [표 1]을 참고하여 입력 필터(103)의 값을 산출할 수 있다. 본 발명의 실시예의 [표 1]에 따르면, LgR은 0.2mH, 등가 직렬 저항(Rc)은 5mΩ, 스위칭 주파수는 10kHz인 특정 조건에서 공진 주파수는 스위칭 주파수보다 낮은 4.1kHz로 측정되었다. 따라서 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 입력 전류는 CL 입력 필터(103)에 의해 고조파 성분이 저감되는 것을 확인할 수 있다.
다만, CL 필터(103)가 고조파 성분을 저감시키는 저역 필터 역할은 CL 필터(103)의 인덕턴스가 0.1mH 내지 0.5mH, 커패시턴스가 4μF 내지 20μF, 직렬 저항이 5Ω 내지 15Ω인 조건에도 동일하게 작용할 수 있다. 인덕턴스는 [수학식 1]의 단락 시간 및 단락 전류의 크기에 따라 설정될 수 있고, 인덕턴스의 0.1mH 내지 0.5mH 범위는 인덕턴스에 의한 전압 강하가 전원(101)의 입력 전압의 1% 이내가 되도록 하는 구간일 수 있다. 커패시턴스의 4μF 내지 20μF 범위는 입력 필터(103)의 공진 주파수가 스위칭 주파수의 1/3 내지 1/4에 위치하도록 설정된 구간일 수 있다. 직렬 저항의 5Ω 내지 15Ω 범위는 주파수 응답 특성에서 공진 주파수에서의 이득 감쇠비를 고려하여 설정된 구간일 수 있다.
Figure 112020018605444-pat00004
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 입력 필터(103)의 과전류 방지 및 고조파 성분 제거 성능을 검증하고자 스텝리스 전류 커뮤테이션 기법으로 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)이 동작할 때 직접형 매트릭스 컨버터(30)의 각 스위치에 인가되는 게이트-소스 전압 파형이다. 도 9의 4개의 파형은 전술한 도 5b의 스위치 구성에 따른 각 스위치의 게이트-소스 전압 파형이다. 도 9를 참고하면, 스위칭 파형은 별도의 커뮤테이션 시간 또는 데드타임을 생성하지 않는다.
도 10은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)이 연결된 부하(90)를 구동할 때, 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 입력 파형(도 10a)과 출력 파형(도 10b)이다. 도 10a를 참고하면, 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1) 측의 전류인 iMR은 진폭이 5A로서 단락 전류의 크기가 제한되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 입력 필터(103)가 단락 전류를 제한한다. 반면, 부하(90) 측 전류인 igR은 진폭이 2A로서 단락 전류가 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 즉, igR은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1) 측 전류와 비교하여 고조파 성분들이 저감된 것을 알 수 있다.
도 10b를 참고하면, 스텝리스 커뮤테이션 기법 및 CL 필터(103)가 적용된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 출력 파형은 출력 전압이 200V이며, 출력 전류가 5A로서 과전압 및 과전류 문제가 해결되어 원하는 전압 및 전류를 출력할 수 있음을 보여준다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 직접형 매트릭스 컨버터 시스템
10: 입력단
101: 전원
103: 입력 필터(CL 필터)
30: 직접형 매트릭스 컨버터
50: 제어부
70: 출력 필터
90: 부하

Claims (6)

  1. 단락 회로 형성 시 발생된 과전류를 방지할 수 있는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템에 있어서,
    복수의 상의 입력단에 전기적으로 연결된 복수개 스위치를 포함하는 직접형 매트릭스 컨버터; 및
    상기 입력단에 마련되며, 상기 직접형 매트릭스 컨버터의 과전류로 인한 상기 스위치의 소손을 방지하는 입력 필터를 포함하고,
    상기 스위치는,
    상기 입력단의 각 상에 전류를 도통시키는 방향이 서로 다른 양방향으로 결선되고,
    상기 입력 필터는,
    상기 입력단의 제1 상에 결선된 상기 스위치를 제어하는 T1 파형과, 상기 입력단의 제2 상에 결선된 상기 스위치를 제어하는 T2 파형의 절환 시간에 지연이 없는 제어 신호가 상기 직접형 매트릭스 컨버터로 인가될 때, 상기 직접형 매트릭스 컨버터의 단락 전류를 제한하는 CL 필터인 것을 특징으로 하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 CL 필터는,
    인덕터의 일단이 상기 입력단의 각 상과 직렬로 연결되고, 상기 인덕터의 일단에서 분기된 라인에 커패시터가 연결되어 상기 커패시터는 상기 입력단의 각 상과 병렬로 연결되며,
    상기 인덕터는,
    상기 커패시터와 상기 직접형 매트릭스 컨버터 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템.

  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 CL 필터는,
    상기 인덕터에 저항이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템.

  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 입력 필터는,
    하기 [수학식 2]의 전달함수를 갖고, 상기 인덕터의 인덕턴스와 상기 커패시터가 2차 저역 통과 필터로 동작하는 것을 특징으로 하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112020018605444-pat00005

    단, 위 식에서 Gi(s)는 전달 함수이며, ig는 전원 측 전류이고, iM은 직접형 매트릭스 컨버터 시스템의 입력 전류이다. Rc는 등가 직렬 저항이고, Cf는 입력 필터의 커패시터이며, Lg는 전원 인덕턴스이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 WBG(Wide Band Gap) 소자를 포함하고,
    상기 입력필터는 상기 스위치의 스위칭 시간에 반비례하여 단락 전류를 저감시키는 것을 특징으로 하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 CL 필터는,
    상기 인덕터의 인덕턴스는 0.1mH 내지 0.5mH, 상기 커패시터의 커패시턴스가 4μF 내지 20μF, 상기 저항이 5Ω 내지 15Ω인 조건에서 고조파 성분을 저감시키는 저역 필터인 것을 특징으로 하는 직접형 매트릭스 컨버터 시스템.
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