KR20100121522A - 전압 소스 컨버터 - Google Patents

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비외른 야콥손
군나르 아스플룬드
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Abstract

컨버터의 직류 전압측의 대향 폴들에 접속된 적어도 하나의 위상 레그를 가지며, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 포함하고 2개의 상태, 즉, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압 및 제로 전압 각각이 스위칭 엘리먼트의 단자 양단에 인가되는 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성된 스위칭 엘리먼트 (7!) 의 직렬 접속을 포함하는 전압 소스 컨버터는, 적어도 3개의 반도체 칩을 포함하는 스택 (S) 에 배열된 상기 스위칭 엘리먼트의 반도체 칩을 갖는다. 컨버터는 각 스택의 대향 단부에 압력을 인가하도록 구성된 장치 (39) 를 갖는다.

Description

전압 소스 컨버터{A VOLTAGE SOURCE CONVERTER}
본 발명은 컨버터의 직류 전압측의 대향하는 폴 (pole) 에 접속하고 스위칭 엘리먼트의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 갖는 전압 소스 컨버터에 관한 것이고, 상기 스위칭 엘리먼트 각각은 한편으로는 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드 및 턴-오프형의 반도체 디바이스를 각각 갖는 적어도 2개의 반도체 칩 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 가지고, 위상 출력을 형성하는 상기 직렬 접속의 중간 포인트는 컨버터의 교류 전압측에 접속되고 위상 레그를 상위 밸브 브랜치와 하위 밸브 브랜치로 분할하도록 구성되고, 상기 스위칭 엘리먼트 각각은 상기 위상 출력에 대한 결정된 교류 전압을 획득하기 위해, 각 스위칭 엘리먼트의 상기 반도체 디바이스의 제어에 의해 2개의 스위칭 상태, 즉, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압 및 제로 전압 각각이 스위칭 엘리먼트의 단자들 양단에 인가되는 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성된다.
임의의 수의 위상 레그를 갖는 이러한 컨버터가 구성되지만, 이들은 통상적으로 교류 전압측에 대해 3개의 위상 교류 전압을 갖는 3개의 이러한 위상 레그를 갖는다.
이러한 타입의 전압 소스 컨버터는, 직류 전압이 교류 전압으로 또는 그 역으로 컨버팅되는 모든 종류의 상황에서 사용될 수도 있고, 그러한 사용들의 예들이, 직류 전압이 3상 교류 전압으로 또는 그 역으로 일반적으로 컨버팅되는 HVDC (High Voltage Direct Current) - 플랜트들의 스테이션들, 또는 먼저 교류 전압이 직류 전압으로 컨버팅되고 그 후 그 직류 전압이 교류 전압으로 컨버팅되는 소위 백-투-백-스테이션 (back-to-back-station) 들에 있다. 이것은 또한, 교류 전압 네트워크에서 무효 전력을 흡수하거나 주입하기 위해 사용될 수도 있다.
이러한 타입의 전압 소스 컨버터가 예를 들어, DE 101 03 031 A1 및 WO 2007/023064 A1 을 통해 알려져 있고, 일반적으로 멀티-셀 컨버터 또는 M2LC 라 칭한다. 이러한 타입의 컨버터의 기능에 대해 이들 공보를 참조한다. 상기 컨버터의 스위칭 엘리먼트는 상기 공보에 도시된 바와는 다른 외관을 가질 수도 있으며, 예를 들어, 도입에서 언급한 2개의 상태 사이에서 스위칭될 스위칭 엘리먼트를 제어하는 것이 가능한 한, 각 스위칭 엘리먼트가 2개 이상의 상기 에너지 저장 커패시터를 갖는 것이 가능하다.
본 발명은 독점적으로는 아니지만 주로, 고전력을 전달하도록 구성된 전압 소스 컨버터에 관한 것이며, 이러한 이유로 본 발명을 이에 제한하지 않고 예시하기 위해 이하에 고전력을 전달하는 경우를 주로 논의할 것이다. 이러한 전압 소스 컨버터가 고전력을 전달하기 위해 사용될 때, 이것은 또한, 고전압이 핸들링되며, 컨버터의 직류 전압측의 전압이 스위칭 엘리먼트의 상기 에너지 저장 커패시터 양단의 전압에 의해 결정되고 일반적으로 이들 전압의 합의 절반으로 설정된다는 것을 의미한다. 이것은, 비교적 다수의 이러한 스위칭 엘리먼트가 직렬로 접속되거나 다수의 반도체 디바이스, 즉, 상기 반도체 칩이 상기 스위칭 엘리먼트에서 직렬로 접속되며, 상기 위상 레그에서의 스위칭 엘리먼트의 수가 적어도 8개와 같이 비교적 높을 때 이러한 타입의 전압 소스 컨버터가 특히 중요하다는 것을 의미한다. 직렬로 접속된 다수의 이러한 스위칭 엘리먼트는, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 상태 사이에서 변경하기 위해 이들 스위칭 엘리먼트를 제어하고, 상기 위상 출력에서 사인 전압에 매우 근접한 교류 전압을 이미 획득하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 이것은, 턴-오프 타입의 적어도 하나의 반도체 디바이스 및 역-병렬로 접속된 적어도 하나의 프리 휠링 (free wheeling) 다이오드를 갖는 스위칭 엘리먼트를 가지는 DE 101 03 031 A1 호의 도 1 에 도시된 타입의 공지된 전압 소스 컨버터에서 통상적으로 사용된 것 보다 실질적으로 작은 스위칭 주파수에 의해 이미 획득될 수도 있다. 이것은, 실질적으로 낮은 손실을 획득할 수 있게 하며, 또한 필터링 및 고조파 전류 및 무선 간섭의 문제를 현저하게 감소시켜서, 장비를 저렴하게 할 수도 있다.
그러나, 직렬로 접속된 다수의 스위칭 엘리먼트 및 이들 스위칭 엘리먼트에 속하는 에너지 저장 커패시터는 이러한 타입의 전압 소스 컨버터를 상당히 부피가 커지게 해서, 예를 들어, HVDC-플랜트의 경우에서, 매우 큰 밸브 홀이 이러한 컨버터에 대해 구성된다.
본 발명의 목적은, 이미 알려진 이러한 전압 소스 컨버터에 관하여 적어도 일부 양태에서 개선된 도입부에서 정의된 타입의 전압 소스 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이러한 목적은 이러한 전압 소스 컨버터를 제공함으로써 획득되고, 여기서, 상기 스위칭 엘리먼트의 상기 반도체 칩은 적어도 2개의 반도체 칩을 각각 포함하는 스택에 배열되며, 컨버터는 상기 스택에서 반도체 칩들 사이의 전기적 접촉을 얻기 위해 상기 칩을 서로를 향해 압착하는 상기 스택 각각의 대향 단부에 압력을 인가하도록 구성된 장치를 포함한다.
미국 특허 5 705 853 호를 통해 알려진 소위 프레스팩 (presspack) 기술을 사용함으로써, 이러한 타입의 전압 소스 컨버터는 이전 보다 더욱 컴팩트해질 수도 있어서, 치수가 특히 이러한 컨버터에 대한 밸브 홀의 형태의 빌딩에 대해 감소될 수도 있다. 이러한 타입의 컨버터에서의 반도체 칩은 지금까지는 나사 접속에 의해 접속되었는데, 이것은 나사 또는 볼트를 단단히 죄기 위해 나사 또는 볼트에 대한 액세스를 제공하는데 더 많은 장소를 요구한다. 스택에 반도체 칩들을 배열하고 서로에 대해 이들을 압착함으로써 반도체 칩들 사이의 전기적 접촉을 획득하는 것은, 종래 솔루션에 대하여 이러한 접속의 신뢰성을 또한 증가시킨다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 장치는 상기 각 스택에 스프링 로딩된 압력을 인가하도록 구성된 수단으로서, 스택의 2개의 단부를 서로를 향해 가압하여 상기 수단의 부재에 저장된 위치 에너지 (potential energy) 를 푸는, 상기 스프링 로딩된 압력을 인가하도록 구성된 수단을 포함한다. 상기 부재는, 압축될 때 위치 에너지를 저장하는 임의의 타입일 수도 있고, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 상기 각 스택의 적어도 하나의 단부상에서 작동하는 스프링일 수도 있고, 여기서, 상기 스프링은 가스 스프링과 같은 다른 타입의 스프링 뿐만 아니라 기계적 스프링일 수도 있다. 이것은, 상기 스택에서의 반도체 칩들 사이의 전기적 접촉이 예를 들어, 상기 스택에서의 반도체 칩들의 병렬 접속의 경우에서와 같이 치수의 불규칙에 관계없이 높은 신뢰도로 획득될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 장치는 상기 스택의 대향 단부에 근접하게 배열되도록 구성된 2개의 단부판 및 상기 판들을 상호접속하면서 그 사이의 거리를 결정하는 연장된 부재를 포함하며, 상기 위치 에너지를 저장하는 부재는 스택을 함께 압축하면서 단부판과 이격된 스택 단부를 가압하기 위해 상기 단부판들 중 적어도 하나와 상기 스택의 대응하는 단부 사이에서 작용하도록 배열된다. 그 후, 상기 장치는, 상기 거리 및 상기 스택에 인가된 압력을 변화시키기 위해 종방향으로 상기 상호접속 부재를 따른 상기 단부판들 중 적어도 하나의 변위를 허용하도록 구성된 수단을 포함할 수도 있어서, 상기 장치 형태의 동일한 장비가 이러한 상이한 스택에 대해 사용될 수도 있고 구성될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 장치는 상기 스택의 하나의 단부상에 적용되도록 구성되고 상기 연장된 부재에 대하여 종방향으로 이동가능한 다른 판을 포함하며, 상기 위치 에너지를 저장하는 부재는 스택을 함께 압축하기 위해 상기 다른 판 및 이격되어 상기 다른 판에 나란한 상기 단부판을 가압하도록 배열된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 반도체 칩은 판-형 구조를 가지며, 스택의 연장 방향을 향하는 큰 측면에 의해 배열된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 적어도 2개의 반도체 칩은 동일한 스위칭 엘리먼트에 속하고, 동일한 스위칭 엘리먼트에 속하는 인접하는 반도체 칩은 금속판에 대해 압축함으로써 2개의 칩 사이에 전기적 접속을 획득하기 위해 개재된 금속판에 의해 분리된다. 이것은 동일한 스위칭 엘리먼트에 속하는 상기 반도체 칩들 사이에서 신뢰할 수 있고 우수한 전기 접촉이 획득될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 금속판은 상기 반도체 칩 각각의 양면상에 배열되고, 이것은, 상기 반도체 칩들을 냉각하기 위해 이러한 금속판을 사용하는 가능성에 있어서 특히 바람직하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 스택 각각은 하나의 스위칭 엘리먼트에 속하는 모든 반도체 칩들을 적어도 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 스택 각각은, 복수의 상기 스위칭 엘리먼트의 상기 반도체 칩을 포함하고, 이것은 컨버터를 매우 컴팩트하게 만든다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 스택 각각은, 서브-스택에서 배열된 하나의 스위칭 엘리먼트의 반도체 칩을 가지고, 동일한 상기 장치에 의해 함께 압축될 상기 서브-스택 모두는 하나의 단일 스택에서 서로의 상부상에 배열되고, 전기적 절연층이 인접하는 이러한 서브-스택들 사이에 개재되어 이 서브-스택들을 분리하며, 인접하는 서브-스택 및 서로에 대해 상기 직렬 접속에 있는 인접하는 스위칭 엘리먼트를 전기적으로 접속하기 위한 도전체가 배열된다. 상기 스택의 이러한 설계는, 다수의 스위칭 엘리먼트, 상기 밸브 브랜치의 편평한 모든 스위칭 엘리먼트를 하나의 단일 스택에 배열할 수 있게 하여 컨버터를 매우 컴팩트하게 만든다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 동일한 상기 장치에 의해 함께 압축될 상기 반도체 칩이 적어도 2개의 병렬 스택에 배열되고, 상기 병렬 스택 각각은, 각각이 서브-스택에 배열된 상기 반도체 칩을 갖는 복수의 중첩된 스위칭 엘리먼트를 포함하고, 상기 스택 각각의 상기 서브-스택 모두는 상기 병렬 스택중 하나를 형성하기 위해 서로의 상부에 배열되고, 전기적 절연층이 인접하는 이러한 서브-스택들 사이에 개재되어 이 서브-스택들을 분리하고, 각 서브-스택 스위칭 엘리먼트는 이러한 스위칭 엘리먼트의 적어도 하나의 반도체 칩에 의해 분리된 2개의 금속판을 포함하며, 상기 병렬 스택은 종방향으로 서로 변위되어서, 각 스위칭 엘리먼트에 대해서, 거기에 속하는 상기 2개의 금속판이 상기 2개의 스위칭 엘리먼트 사이에 직렬 접속으로 배열된 다른 병렬 스택의 스위칭 엘리먼트와 상기 하나의 병렬 스택에서 상기 절연층에 의해 분리된 2개의 스위칭 엘리먼트의 직렬 접속을 획득하기 위해 다른 병렬 스택의 상이한 인접하는 스위칭 엘리먼트에 접속하고 그 상이한 인접하는 스위칭 엘리먼트에 대해 공통이다. 상기 스위칭 엘리먼트 또는 셀의 직렬 접속을 지그재그-형 패턴으로 획득하는 이러한 방식은 컨버터를 더욱 더 컴팩트하게 만들 수 있고 밸브 빌딩의 사이즈 (길이) 를 감소시킬 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 금속판에는 채널이 제공되며, 컨버터는 상기 금속판에 인접한 상기 반도체 칩을 냉각시키기 위해 상기 채널에서 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 수단을 포함하고, 여기서, 상기 냉각 매체는 다른 타입의 냉각 매체를 생각할 수 있지만 바람직하게는 물이다. 이러한 냉각 기술의 사용은, 컨버터의 스위칭 엘리먼트에 대한 냉각 매체의 접속의 수가 스위칭 엘리먼트가 이러한 금속판을 공유하지 않는데 요구된 수의 절반으로 감소될 수도 있다는 것을 의미하기 때문에, 병렬 스택을 갖는 상기 정의된 실시형태의 추가의 이점을 발생시킨다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 각 스위칭 엘리먼트는 상기 스택에 배열된 3개 이상의 상기 반도체 칩을 포함한다. 각 스위칭 엘리먼트에서 다수의 반도체 칩을 갖는 이점은, 적은 수의 스위칭 엘리먼트의 결과로서 스위칭 엘리먼트에 대해 요구된 적은 수의 접속으로 인해 비용이 절약될 수도 있다는 것이다. 그러나, 이러한 이점과 상기 위상 출력에 대해 획득된 교류 전압의 더 양호한 품질 사이의 트레이드 오프는 스위칭 엘리먼트 또는 셀의 수를 높게 한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 각 스위칭 엘리먼트는 상기 스택에서 서로에 후속하는 2N 개의 상기 반도체 칩을 갖고, 여기서, N 은 2 이상 (N ≥ 2) 의 정수이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 위상 레그의 스위칭 엘리먼트의 수는, 8 이상 (≥ 8), 12 - 32, 16 - 24 또는 50 - 150 이다. 이러한 타입의 컨버터는 상기 언급한 바와 같이, 상기 위상 레그의 스위칭 엘리먼트의 수가 다소 높아서 상기 위상 출력에 전달된 전압 펄스의 다수의 가능한 레벨을 발생시킬 때 특히 중요하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 스위칭 엘리먼트 칩의 상기 반도체 디바이스는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 GTO (Gate Turn-Off thyristor) 이다. IGCT 와 같은 턴-오프 타입의 다른 반도체 디바이스를 또한 생각할 수 있지만, 이들이 이러한 컨버터용 반도체 디바이스로 적합하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 컨버터는 고전압 직류 (HVDC) 를 전송하는 직류 전압 네트워크에 접속된 상기 직류 전압측 및 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 라인에 접속된 교류 전압측을 갖도록 구성된다. 이것은, 이러한 타입의 컨버터의 특히 중요한 애플리케이션에 요구된 다수의 반도체 칩 때문이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 상기 2개의 폴 양단에서 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV 또는 100 kV - 1200 kV 인 직류 전압을 갖도록 구성된다. 본 발명은 상기 직류 전압이 높을수록 더 중요하다.
또한, 본 발명은 첨부한 청구범위에 따른 전력을 전송하는 플랜트에 관한 것이다. 이러한 플랜트의 스테이션의 사이즈는 도입부에서 정의된 타입의 전압 소스 컨버터를 사용하여 이미 공지된 플랜트에 대해 감소될 수도 있다.
본 발명의 다른 이점 뿐만 아니라 바람직한 특징은 아래의 설명으로부터 알 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태들을 예로서 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 타입의 전압 소스 컨버터의 매우 단순화된 도면이다.
도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 전압 소스 컨버터의 일부일 수도 있는 2개의 상이한 공지된 스위칭 엘리먼트를 예시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 전압 소스 컨버터를 매우 개략적으로 예시하는 단순화된 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 컨버터의 하나의 단일 스택에서 2개의 스위칭 엘리먼트가 어떻게 중첩될 수 있는지를 예시하는 단순화된 도면이다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 컨버터에서 도 5 에 도시된 타입의 스위칭 엘리먼트의 스택을 획득하고 배열하는 원리를 예시하는 단순화된 도면이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 컨버터의 스위칭 엘리먼트의 소위 병렬 스택의 일부의 도 5 에 대응하는 매우 단순화된 도면이다.
도 8 은 도 7 에 도시된 상기 병렬 스택의 일부의 회로도이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 컨버터의 스위칭 엘리먼트를 예시하는 회로도이다.
도 10 은 도 9 에 따른 스위칭 엘리먼트를 예시하는 매우 단순화된 도면이다.
도 11 은 도 10 에 도시된 스위칭 엘리먼트의 상부로부터의 매우 단순화된 도면이다.
도 1 은 본 발명이 관련되는 타입의 전압 소스 컨버터 (1) 의 일반적 구성을 매우 개략적으로 예시한다. 이러한 컨버터는 고전압 직류를 전송하는 직류 전압 네트워크와 같은 컨버터의 직류 전압측의 대향 폴 (5, 6) 에 접속된 3개의 위상 레그 (2 - 4) 를 갖는다. 각 위상 레그는 이 경우에서는 16개인 박스로 표시된 스위칭 엘리먼트 (7) 의 직렬 접속을 포함하고, 이러한 직렬 접속은 2개의 동일한 부분, 즉 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성된 위상 출력을 형성하는 중간 포인트 (10 - 12) 에 의해 상부 밸브 브랜치 (8) 및 하부 밸브 브랜치 (9) 로 분리된다. 위상 출력 (10 - 12) 은 가능하게는 변압기를 통해 3개의 위상 교류 전압 네트워크, 부하 등에 접속할 수도 있다. 또한, 상기 교류 전압측에 대한 교류 전압의 형상을 개선하기 위해 필터링 장비가 상기 교류 전압측에 배열된다.
직류 전압을 교류 전압으로 및 교류 전압을 직류 전압으로 컨버팅하기 위해 스위칭 엘리먼트 (7) 및 컨버터를 제어하는 제어 장치 (13) 가 배열된다.
전압 소스 컨버터는, 한편으로는 병렬로 접속된 프리 휠링 다이오드, 및 턴-오프 타입의 반도체 디바이스를 각각 갖는 적어도 2개의 반도체 칩, 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 갖는 타입의 스위칭 엘리먼트 (7) 를 가지고, 이러한 스위칭 엘리먼트의 2개의 예가 도 2 및 도 3 에 도시되어 있다. 스위칭 엘리먼트의 단자 (14, 15) 는 위상 레그를 형성하는 스위칭 엘리먼트의 직렬 접속에서 인접하는 스위칭 엘리먼트에 접속되도록 구성된다. 반도체 디바이스 (16, 17) 는 이러한 경우에서는 다이오드 (18, 19) 와 병렬로 접속된 IGBT 이다. 에너지 저장 커패시터 (20) 가 다이오드 및 반도체 디바이스의 각각의 직렬 접속과 병렬로 접속된다. 하나의 단자 (14) 가 2개의 반도체 디바이스 사이의 중간 포인트 뿐만 아니라 2개의 다이오드 사이의 중간 포인트에 접속된다. 다른 단자 (15) 는 에너지 저장 커패시터 (20) 에 접속되는데, 도 2 의 실시형태에서는 에너지 저장 커패시터의 일측에 접속되고, 도 3 에 따른 실시형태에서는 에너지 저장 커패시터의 타측에 접속된다. 도 2 및 도 3 에 도시된 각 반도체 디바이스 및 각 다이오드는 처리될 전압을 처리할 수 있기 위해 2개 이상이 직렬로 접속될 수도 있으며, 그 후, 직렬로 접속된 반도체 디바이스는 하나의 단일 반도체 디바이스로서 작동하도록 동시에 제어될 수도 있다.
도 2 및 도 3 에 도시된 스위칭 엘리먼트는 a) 제 1 스위칭 상태 및 b) 제 2 스위칭 상태 중 하나를 획득하기 위해 제어될 수도 있으며, 여기서, a) 에 대해 커패시터 (20) 양단의 전압 및 b) 에 대해 제로 전압이 단자 (14, 15) 양단에 인가된다. 도 2 에서의 제 1 상태를 획득하기 위해, 반도체 디바이스 (16) 는 턴 온되고 반도체 디바이스 (17) 는 턴 오프되며, 도 3 에 따른 실시형태에서는, 반도체 디바이스 (17) 가 턴 온 되며 반도체 디바이스 (16) 는 턴 오프된다. 스위칭 엘리먼트는 반도체 디바이스의 상태를 변경함으로써 제 2 상태로 스위칭되어서, 도 2 에 따른 실시형태에서, 반도체 디바이스 (16) 는 턴 오프되고, 17 은 턴 온되며, 도 3 에서, 반도체 디바이스 (17) 는 턴 오프되고 16 은 턴 온된다.
도 4 는 도 1 에 따른 컨버터의 위상 레그가 도 3 에 도시된 타입의 스위칭 엘리먼트에 의해 어떻게 형성되는지를 좀더 상세히 도시하고, 여기서, 총 10개의 스위칭 엘리먼트가 도면을 단순화하기 위해 생략되어 있다. 제어 장치 (13) 는 반도체 디바이스를 제어함으로써 스위칭 엘리먼트를 제어하도록 구성되어서, 이들은 상기 직렬 접속에서 다른 스위칭 엘리먼트의 전압에 추가될 커패시터 양단의 전압 또는 제로 전압을 전달한다. 여기서, 변압기 (21) 및 필터링 장비 (22) 가 또한 표시된다. 각 밸브 브랜치가 위상 리액터 (50, 51) 를 통해 위상 출력 (10) 에 어떻게 접속되는지가 도시되어 있으며, 이러한 위상 리액터는 위상 출력 (10, 11, 및 12) 을 위해 도 1 에 또한 존재해야 하지만, 예시를 단순화하기 위해 생략되어 있다.
도 5 는 도 2 에 도시된 타입의 중첩된 2개의 스위칭 엘리먼트 (7') 의 형태의 스택의 일부를 매우 개략적으로 예시한다. 각 스위칭 엘리먼트 (7') 는 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 및 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드를 각각 갖고, 그렇게 형성된 서브-스택 (35) 에서의 각 반도체 칩의 각 측상에 금속판 (32 - 34) 을 갖는 판형 구조를 갖는 2개의 반도체 칩 (30, 31) 을 포함한다. 상기 스택에서 서로에 후속하는 스위칭 엘리먼트가 금속판 (34 및 32) 을 분리시키는 절연층 (36) 을 통해 서로에 대하여 어떻게 전기적으로 절연되는지가 예시된다. 인접하는 스위칭 엘리먼트가 와이어 형태의 전기 도전체 (37) 에 의해 서로에 접속된다.
냉각수와 같은 냉각 매체를 전송하는 덕트 (38) 가 금속판들 사이에 위치된 반도체 칩을 냉각시키기 위해 금속판 (32 - 34) 의 채널에 어떻게 접속되는지가 예시된다. 이 경우에서, 상이한 금속판의 냉각 필요성을 나타내는 관계 9:10:1 을 갖는 냉각 효과를 획득하기 위해 물이 판 (32, 33 및 34) 을 통해 유출된다. 물론, 도면을 단순화하기 위해 도 5 에서는 하부 스위칭 엘리먼트에 대해서만 도시되어 있지만, 이러한 냉각은 컨버터의 스위칭 엘리먼트의 모든 금속판에 대해 제공된다. 물론, 이것은 하나의 스위칭 엘리먼트에 대해서만 도시되어 있는 예를 들어, 에너지 저장 커패시터 (20) 및 전기적 도전체 (37) 에 대해 또한 유효하다.
도 6 은, 도 5 에 따른 스위칭 엘리먼트 (7') 의 4개의 이러한 서브-스택 (35) 이 하나의 단일 스택에 어떻게 배열될 수 있는지, 및 동일한 서브-스택에서의 반도체 칩들 사이의 전기적 접촉을 획득하기 위해 서로를 향해 그리고 각각의 금속판을 향해 반도체 칩 (30, 31) 을 압축하기 위해 스택 (S) 의 대향 단부 (40, 41) 에 압력을 인가하도록 구성된 장치 (39) 가 어떻게 제공될 수 있는지를 예시한다. 이러한 장치 (39) 는 스프링 로딩된 압력을 상기 각 스택에 인가하도록 구성된 수단 (42) 을 포함한다. 장치는 스택의 대향 단부에 근접하게 배열되도록 구성된 2개의 단부판 (43, 44) 및 로드 형태, 예를 들어, 단부판 (43, 44) 사이의 거리를 결정하면서 단부판 (43, 44) 을 상호접속시키는 유리 섬유의 로드 형태의 신장된 부재 (45) 를 갖는다. 단부판 (43, 44) 은 로드 (45) 의 스레드된 단부상에 위치된 너트 (46) 를 단단히 죄거나 품으로써 서로에 대해 변위될 수도 있다. 다른 판 (47) 이 스택의 하나의 단부상에 적용되도록 구성되며, 종방향에서 로드 (45) 에 대하여 이동가능하다. 위치 에너지를 저장하는 스프링 부재 (48) 가, 스택을 함께 압축하기 위해 상기 다른 판 (47) 및 이격되어 상기 다른 판에 나란한 단부판 (44) 을 가압하도록 배열된다. 이것은 스택에서 반도체 칩의 매우 신뢰할 수 있는 상호 접촉을 발생시킨다.
컨버터의 상부 밸브 브랜치 (8) 및 위상 출력 (10) 만이 도 6 에 도시되어 있으며, 따라서 이러한 컨버터는 각 밸브 브랜치에서 직렬로 접속된 8개의 스위칭 엘리먼트를 갖는다. 물론, 다른 수의 스위칭 엘리먼트를 생각할 수 있으며, 이들은 각각의 애플리케이션에 대해 가장 적절한 것으로 판정되는 다수의 스택으로 분리될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 단일 장치 (39) 에 의해 함께 홀딩된 하나의 단일 스택에 배열된 밸브 브랜치의 모든 스위칭 엘리먼트를 갖는 것이 가능하다. 스위칭 엘리먼트를 배열하는 이러한 방식은, 반도체 칩의 장치를 밸브 홀의 치수를 억제하는 가능성으로 매우 컴팩트하게 만든다.
예를 들어, 4개의 반도체 칩 (30) 이 반도체 칩을 통해 흐를 수도 있는 전류를 함께 운반할 수 있는 스위칭 엘리먼트의 각 금속판 (32 - 34) 사이에 병렬로 어떻게 배열될 수도 있는지가 도 6 의 오른쪽에 원 (50) 을 통해 도시되어 있다. 따라서, 도 5 및 또한 도 6 및 도 7 에 도시된 반도체 칩 (30, 31) 은 복수의 반도체 칩의 이러한 병렬 접속을 나타낼 수도 있다.
도 7 은, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 컨버터에서의 스위칭 엘리먼트가 소위 "더블" 스택에 어떻게 배열될 수도 있는지를 개략적으로 예시하고, 그 회로도가 도 8 에 도시되어 있다. 2개의 병렬 스택 (51, 52) 각각은, 각각이 서브-스택에 배열된 반도체 칩 (30, 31) 을 갖는 복수의 중첩된 스위칭 엘리먼트 (7b, 7d 및 7a, 7c) 를 각각 포함한다. 전기적 절연층 (53) 이, 반도체 칩 (30) 의 컬렉터층상에 배열된 인접하는 서브-스택 사이에 개재되고 이 서브-스택을 분리한다. 각 서브-스택 스위칭 엘리먼트는 다른 서브-스택으로 연장하는 2개의 금속판 (54, 55) 을 포함한다. 병렬 스택 (51, 52) 은 종방향으로 상호 변위되어서, 각 스위칭 엘리먼트에 대해, 거기에 속하는 금속판 (54, 55) 은 상기 2개의 스위칭 엘리먼트 사이의 직렬 접속에 배열된 다른 병렬 스택의 스위칭 엘리먼트와 상기 하나의 병렬 스택에서 상기 절연층 (53) 에 의해 분리된 2개의 스위칭 엘리먼트의 직렬 접속을 획득하기 위해 다른 병렬 스택의 상이한 인접하는 스위칭 엘리먼트에 접속하고 그 상이한 인접하는 스위칭 엘리먼트에 공통이다. 이것은, 스위칭 엘리먼트 (7b) 의 2개의 금속판 (54, 55) 이 스위칭 엘리먼트 (7a 및 7c) 각각에 또한 속한다는 것을 의미한다. 이것은 7a, 7b, 7c 및 7d 의 순서로 지그재그형 패턴에 따라 병렬 스택에서 스위칭 엘리먼트의 직렬 접속을 발생시킨다.
도 7 에 도시된 병렬 스택 (51, 52) 은 임의의 적절한 수의 중첩된 스위칭 엘리먼트를 포함할 수도 있으며, 금속판을 향해 반도체 칩을 압축하는 도 6 에 도시된 타입의 하나의 장치에 의해 함께 홀딩된다. 도 5 에 도시된 설계에 대하여 이러한 설계의 이점은, 스택의 높이가 직렬로 접속된 결정된 수의 스위칭 엘리먼트에 대해, 감소될 수도 있으며, 금속판에 대한 냉각 매체 (물) 접속의 수가 또한 감소된다는 것이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 컨버터에서의 스위칭 엘리먼트를 개략적으로 예시한다. 이러한 스위칭 엘리먼트는 직렬로 접속된 총 16개의 반도체 칩 (30, 31) 을 갖는다. 반도체 칩의 각각의 반도체 디바이스를 제어하기 위해 사용된 게이트 드라이브 유닛 (60) 이 개략적으로 예시된다. 커패시터 양단의 전압 (U20 및 U20') 의 차이 뿐만 아니라 커패시터 (20 + 20') 양단의 총 전압을 측정하는 2개의 전압 분할기 저항기 (62, 63) 를 활용하는 외부 커패시터 전압 분할기 (61) 가 상기 임의의 커패시터에서 가능한 고장을 검출하기 위해 배열된다. 또한, 커패시터 전압 측정은 동일한 브랜치의 스위칭 엘리먼트 사이의 전압 분할의 제어에 사용된다.
상술한 타입의 장치 (39) 에 의해 함께 홀딩되고, 개재된 금속판과 하나의 스택에 배열된 16개의 반도체 칩에 의해 형성된 스위칭 엘리먼트가 도 10 에 매우 개략적으로 도시되어 있다. 도 11 은 상부로부터의 스위칭 엘리먼트를 도시하고, 여기서, 커패시터가 반도체 칩에 어떻게 접속되는지가 화살표 (70) 에 의해 개략적으로 표시되어 있다. 이러한 스위칭 엘리먼트는 통상적으로, 커패시터 양단에서 20 kV 정도의 전압 (U20 + U20') 을 가질 수도 있다.
동일한 스위칭 엘리먼트 또는 셀에서의 이러한 다수의 반도체 칩은 컨버터에서 감소된 수의 스위칭 엘리먼트를 발생시켜서, 컨버터에 대한 접속 비용이 절약될 수도 있다. 그러나, 이것은 또한, 적은 수의 상이한 레벨이 상기 위상 출력에 대한 펄스를 획득하기 위해 가능해서, 상기 변환으로부터 발생하는 교류 전압이 더 낮은 품질을 갖는다는 것을 의미한다.
물론, 본 발명은 상술한 실시형태들에 어떤 식으로든 제한되지 않지만, 변형에 대한 다수의 가능성이 첨부한 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 기본 아이디어로부터 벗어나지 않고 당업자에게는 명백할 것이다.
스택의 대향 단부에 대해 압축된 장치의 부재에 대해 본 개시물에서 사용된 바와 같은 "판" 은 광범위하게 해석되고 또한 더 많은 박스형 부재 및 리세스, 중공 스페이스 등의 상이한 타입을 갖는 부재를 커버한다.

Claims (21)

  1. 전압 소스 컨버터의 직류 전압측의 대향 폴들 (5, 6) 에 접속하고 스위칭 엘리먼트들 (7) 의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (2 - 4) 를 가지며, 상기 스위칭 엘리먼트 각각이, 한편으로는, 턴-오프 타입의 반도체 디바이스 (16, 17) 및 병렬로 접속된 프리-휠링 (free-wheeling) 다이오드 (18, 19) 를 각각 갖는 적어도 2개의 반도체 칩 (30, 31) 및 다른 한편으로는, 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (20) 를 가지고, 위상 출력 (10 - 12) 을 형성하는 상기 직렬 접속의 중간 포인트가 상기 전압 소스 컨버터의 교류 전압측에 접속되고 위상 레그를 상부 밸브 브랜치 (8) 및 하부 밸브 브랜치 (9) 로 분리하도록 구성되고, 상기 스위칭 엘리먼트 각각은 각 스위칭 엘리먼트의 상기 반도체 디바이스들의 제어에 의해 2개의 스위칭 상태, 즉, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압 및 제로 전압이 각각 상기 위상 출력에 대한 결정된 교류 전압을 획득하기 위해 상기 스위칭 엘리먼트의 단자들 (14, 15) 양단에 인가되는 제 1 스위칭 상태 및 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성되는, 전압 소스 컨버터로서,
    상기 스위칭 엘리먼트들의 상기 반도체 칩 (30, 31) 은 적어도 2개의 반도체 칩을 포함하는 스택들 (S, 51, 52) 에 배열되고, 상기 전압 소스 컨버터는 상기 스택에서 반도체 칩들 사이의 전기적 접촉을 획득하도록 서로를 향해 상기 반도체 칩들을 압축하기 위해 상기 스택 각각의 대향 단부들 (40, 41) 에 압력을 인가하도록 구성된 장치 (39) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치 (39) 는 상기 스택 각각에 스프링 로딩된 압력을 인가하여, 상기 수단의 부재들 (48) 에 저장된 위치 에너지를 방출하면서 상기 스택의 2개의 단부 (40, 41) 를 서로를 향해 가압하도록 구성된 수단 (42) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부재들은 상기 스택 각각의 적어도 하나의 단부상에서 작용하는 스프링들 (48) 인 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 스택의 대향 단부들 (40, 41) 에 근접하게 배열되도록 구성된 2개의 단부판들 (43, 44) 및 상기 단부판들 사이의 거리를 결정하면서 상기 단부판들을 상호접속시키는 신장된 부재들 (45) 을 포함하며, 상기 위치 에너지를 저장하는 부재들 (48) 은, 상기 스택을 함께 압축하면서 이러한 단부판과 이격된 스택 단부를 가압하기 위해 상기 스택의 대응하는 단부와 상기 단부판들 중 적어도 하나 사이에서 작용하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 거리 및 상기 스택에 인가된 압력을 변화시키기 위해 종방향으로 상기 상호접속하는 부재들을 따른 상기 단부판들 중 적어도 하나의 변위를 허용하도록 구성된 수단 (45, 46) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 스택의 하나의 단부상에 적용되도록 구성되고 상기 종방향으로 상기 신장된 부재들 (45) 에 대해 이동가능한 다른 판 (47) 을 포함하며, 상기 위치 에너지를 저장하는 부재들 (48) 은 상기 스택을 함께 압축하기 위해 상기 다른 판 (47) 및 이격되어 나란한 상기 단부판 (44) 을 가압하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 칩 (30, 31) 은 판형 구조를 가지며, 상기 스택의 연장 방향을 향하는 큰 측면들에 의해 배열되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 반도체 칩 (30, 31) 은 동일한 스위칭 엘리먼트에 속하고, 상기 동일한 스위칭 엘리먼트에 속하는 인접하는 반도체 칩들은 상기 2개의 반도체 칩을 금속판 (32 - 34, 54, 55) 에 대해 압축함으로써 상기 2개의 반도체 칩 사이의 전기적 접속을 획득하기 위해 개재된 상기 금속판 (32 - 34, 54, 55) 에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속판 (32 - 34, 54, 55) 은 상기 반도체 칩 각각의 양측면상에 배열되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택 각각은, 하나의 스위칭 엘리먼트 (7, 7') 에 속하는 적어도 모든 반도체 칩 (30, 31) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택 각각은, 복수의 상기 스위칭 엘리먼트 (7') 의 상기 반도체 칩 (30, 31) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 스택 각각은 서브-스택 (35) 에 배열된 하나의 스위칭 엘리먼트의 반도체 칩 (30, 31) 을 가지고, 하나의 동일한 상기 장치에 의해 함께 압축될 상기 서브-스택 모두는 하나의 단일 스택에서 서로의 상부상에 배열되고, 전기적 절연층 (36) 이 인접하는 이러한 서브-스택들 사이에 개재되어 상기 인접하는 서브-스택들을 분리하며, 도전체 (37) 가 인접하는 서브-스택들 및 서로에 대한 상기 직렬 접속에서의 인접하는 스위칭 엘리먼트들을 전기적으로 접속하기 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  13. 제 11 항에 있어서,
    하나의 동일한 상기 장치 (39) 에 의해 함께 압축될 상기 반도체 칩 (30, 31) 은 적어도 2개의 병렬 스택 (51, 52) 에 배열되고, 상기 병렬 스택 각각은 서브-스택에 배열된 상기 반도체 칩들을 각각 갖는 복수의 중첩된 스위칭 엘리먼트를 포함하고, 상기 병렬 스택 각각의 상기 서브-스택 모두는 상기 병렬 스택 중 하나를 형성하기 위해 서로의 상부상에 배열되고, 전기적 절연층 (53) 이 인접하는 이러한 서브-스택들 사이에 개재되어 상기 인접하는 서브-스택들을 분리하고, 각 서브-스택 스위칭 엘리먼트 (7a - 7d) 가 이러한 스위칭 엘리먼트의 적어도 하나의 반도체 칩 (30, 31) 에 의해 분리된 2개의 금속판 (54, 55) 을 포함하며, 상기 병렬 스택 (51, 52) 은 상기 종방향으로 상호 변위되어서, 각 스위칭 엘리먼트에 대해, 각 스위칭 엘리먼트에 속하는 상기 2개의 금속판은 2개의 스위칭 엘리먼트 사이의 직렬 접속에 배열된 다른 병렬 스택의 스위칭 엘리먼트와 하나의 상기 병렬 스택에서의 상기 절연층에 의해 분리된 2개의 스위칭 엘리먼트의 직렬 접속을 획득하기 위해 상기 다른 병렬 스택의 상이한 인접하는 스위칭 엘리먼트들에 접속하고, 그 상이한 인접하는 스위칭 엘리먼트들에 대해 공통인 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  14. 제 8 항, 제 9 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 금속판 (32 - 34, 54, 55) 에는 채널들이 제공되며, 상기 전압 소스 컨버터는 상기 금속판에 인접한 상기 반도체 칩 (30, 31) 을 냉각하기 위해 상기 채널들에서 냉각 매체를 순환시키도록 구성된 수단 (38) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 스위칭 엘리먼트는 상기 스택에 배열된 3개 이상의 상기 반도체 칩 (30, 31) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트 각각은 상기 스택에서 서로에 후속하는 2N 개의 상기 반도체 칩 (30, 31) 을 포하고, N 은 2 이상 (≥ 2) 의 정수인 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 레그의 상기 스위칭 엘리먼트 (7, 7') 의 수는, 8 이상 (≥ 8), 12 - 32, 16 - 24 또는 50 - 150 인 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트 칩의 상기 반도체 디바이스 (16, 17) 는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 인 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고전압 직류 (HVDC) 를 전송하는 직류 전압 네트워크에 접속된 상기 직류 전압측 및 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 라인에 접속된 교류 전압측을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 폴들 양단에 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV 또는 100 kV - 1200 kV 인 직류 전압을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 소스 컨버터.
  21. 직류 전압 네트워크 및 스테이션을 통해 접속된 적어도 하나의 교류 전압 네트워크를 포함하고, 상기 스테이션은 상기 직류 전압 네트워크와 상기 교류 전압 네트워크 사이의 전력의 전송을 수행하도록 구성되고 직류 전압을 교류 전압으로 그리고 교류 전압을 직류 전압으로 컨버팅하도록 구성된 적어도 하나의 전압 소스 컨버터를 포함하는, 전력 전송용 플랜트로서,
    상기 플랜트의 상기 스테이션은 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 기재된 전압 소스 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송용 플랜트.
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