KR20230005700A - 멀티레벨 구조를 가지는 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터, 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 1차측 회로, 상기 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 절연형 컨버터, 및 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.

Description

멀티레벨 구조를 가지는 전력변환장치 {power converting apparatus having multi-level structure}
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 멀티레벨 구조를 가지는 복수의 컨버터를 이용하는 전력변환장치에 관한 발명이다.
태양광 발전은 친환경 에너지 발전 방식으로 기존 화학발전이나 원자력 발전을 대체하여 널리 보급되고 있다. 태양광 발전은 컨버터에 배터리가 접속되는 독립형과 전력계통과 연계되는 연계형태가 있고, 일반적으로 독립형 발전은 태양전지, 축전지, 전력변환 장치 등으로 구성되고 전력계통 연계형 시스템은 상용 전원과 연결하여 부하계통선과 전력을 상호 교류할 수 있도록 구성된다.
태양광 셀 모듈은 일조량, 온도 등에 따라 최대전력점이 상이해진다. 태양광 셀을 최대 전력 점에서 동작시키기 위해 모듈 단위로 최대전력점 추종(MPPT) 제어를 하는 모듈 레벨 파워 일렉트로닉스(Module-Level Power Electronics, MLPE)를 사용할 수 있다. 하지만, 단일 컨버터를 적용한 MLPE는 모듈 내 각 셀의 일조량, 온도 등이 상이할 경우 최적화된 최대전력점 추종 제어가 어렵다.
도 1과 같이, 단일 컨버터 적용 방식은 모든 셀을 직렬 결선하여 MLPE에 입력하고, MLPE는 태양광 셀 모듈 전체에 대한 최대전력점 추종제어를 수행한다. 이 경우, 셀 스트링의 일조량이 상이하여 각 셀 스트링 별로 최대전력점이 다를 경우에 개별 스트링에 대한 최대전력점 추종 제어가 불가한 문제가 있다.
또한, 단일 컨버터 적용 방식의 MLPE는 도 2와 같이, 태양광 셀 모듈, DC/DC 컨버터, 컨트롤러는 동일한 기준 전위(Electric potential)로 설계된다. 이로 인해, 컨트롤러가 태양광 셀 모듈 전압 및 DC/DC 컨버터 출력 전압을 검출함에 있어서, 저항 분배 회로만으로도 전압 검출 회로 구현이 가능하다. 하지만, 멀티레벨 구조의 MLPE에서는 상기와 같을 방식을 그대로 적용할 수 없다.
또한, 단일 컨버터 적용 방식의 MLPE는 태양광 셀 모듈, DC/DC 컨버터, 컨트롤러, 보조전원이 모두 동일한 그라운드를 사용한다. 이로 인해, 도 3 및 도 4와 같이, 태양광 셀 모듈로부터 전력을 공급받아 컨버터 및 컨트롤러 등에 보조전원을 공급하기 위한 보조전원회로를 구성하는 것이 가능하다. 하지만, 멀티레벨 구조의 MLPE에서는 상기와 같을 방식을 그대로 적용할 수 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 멀티레벨 구조를 가지는 복수의 컨버터를 이용하는 전력변환장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 1차측 회로; 상기 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 절연형 컨버터; 및 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.
또한, 상기 각 제1 2차측 회로는, 상기 상측 스위치에 게이트 신호를 공급하는 상측 게이트 드라이버 및 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치 사이의 단자에 연결될 수 있다.
또한, 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각 구동전원을 공급하는 복수의 개별보조전원부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 개별보조전원부는, 상기 복수의 컨버터의 각 입력단 양단 사이에 연결되는 레귤레이터를 포함하고, 상기 레귤레이터는, 상기 하측 스위치에 게이트 신호를 공급하는 하측 게이트 드라이버 및 상기 입력단의 (-) 단자 사이에 연결될 수 있다.
또한, 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제2 2차측 회로를 포함하고, 상기 절연형 컨버터는, 상기 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 복수의 컨버터 중 적어도 하나의 컨버터는, 해당 컨버터의 상측 스위치가 연속 도통 동작할 수 있다.
또한, 상기 상측 스위치가 연속 도통 동작하여 해당 컨버터의 입력 전압이 바이패스되어 출력될 수 있다.
또한, 상기 1차측 회로는, 상기 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 스위칭소자를 통해 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 절연형 컨버터는 플라이백 컨버터, 포워드 컨버터, 및 LLC 컨터버 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연형 컨버터는 상기 1차측 회로와 동일 기준 전위를 가지는 2차측 회로의 출력 전압을 참조하여 PSR(Primary Side Regulation)을 수행할 수 있다.
또한, 상기 복수의 컨버터는 캐스코드(cascode)로 연결될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 제1 1차측 회로; 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 제2 1차측 회로; 상기 제1 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 제1 절연형 컨버터; 상기 제2 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력하는 제2 절연형 컨버터; 상기 제1 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로; 및 상기 제2 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제2 2차측 회로를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.
또한, 상기 복수의 컨버터 중 적어도 하나의 컨버터는, 해당 컨버터의 상측 스위치가 연속 도통 동작하여 해당 컨버터의 입력 전압이 바이패스되어 출력될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 멀티레벨 구조를 갖는 MLPE를 사용함에 있어서, 보조전원회로를 구현하여 각 DC/DC 컨버터의 상측 스위치 및 하측 스위치에 보조전원을 원활히 공급할 수 있다. 여기서, 보조전원회로에 단일 또는 복수의 절연형 컨버터를 적용하여 다수의 보조전원생성이 가능하여, 재료비 절감에 유리하다. 아울러, 멀티레벨 구조를 갖는 MLPE를 사용함에 있어서, 각 DC/DC 컨버터의 상측 스위치에 보조전원을 제공할 수 있어, 상측 스위치를 듀티 100%로 도통시킬 수 있고, 바이패스 모드에서의 동작을 보다 최적화할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 비교 실시예에 따른 태양광 모듈의 블록도이다.
도 5는 최대전력점 추종제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
도 7 내지 도 12은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 변형례는 각 실시예 중 일부 구성과 다른 실시예 중 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 다양한 실시예 중 하나 실시예를 포함하되 일부 구성이 생략되고 대응하는 다른 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 반대일 수 있다. 실시예들에 설명할 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이고, 도 7 내지 도 12은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 복수의 컨버터(110) 및 보조전원부(120)로 구성되고, 복수의 셀 스트링(130), 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
복수의 컨버터(110)의 각 컨버터는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 컨버터(110) 각각은 복수의 셀 스트링에 각각 연결된다.
복수의 셀 스트링(130) 각각은 적어도 하나 이상의 셀을 포함할 수 있고, 복수의 셀을 포함하는 경우, 복수의 셀은 직렬로 연결될 수 있다. 셀 스트링(130)은 태양광 셀을 포함하는 태양광 셀 스트링일 수 있다. 태양광 셀 스트링은 태양광패널을 형성할 수 있다. 태양광 셀은 광전효과를 이용하여 전력을 생성하는 태양광 발전(PV, Photovoltaic)을 한다. 광전효과는 특정 주파수 이상의 빛이 특정 금속 물질에 부딪히면 전자 방출하는 것으로, P형 반도체와 n형 반도체를 이용하여 pn 접합을 형성하고, 광전효과에 의해 발생하는 전자를 이용하여 전류를 생성함으로써 전력을 생성한다. 태양광 셀은 실리콘 등을 이용하여 형성되며, 웨이퍼 형태로 형성될 수 있다. 태양광 셀은 태양광을 잘 받을 수 있는 야지나 건물의 외벽, 옥상 등에 위치하여, 태양광을 이용하여 전력을 생성한다. 이때, 태양광 셀은 건물과 일체형으로 형성되는 BIPV(건물 일체형 태양광 발전)로 형성될 수 있다.
하나의 태양광 셀에서 생성되는 전력의 크기가 부하나 전력계통에서 이용하기에는 부족하기 때문에, 하나의 태양광 셀이 아닌 복수의 태양광 셀을 직렬로 연결하여 태양광 셀 스트링을 형성함으로써 이용하기에 적합한 크기의 전력을 생성할 수 있다. 태양광 셀 스트링은 전력을 생성하는 기본 단위일 수 있다. 기본 단위인 셀 스트링을 복수 개를 패널로 형성하여 태양광 발전패널을 형성할 수 있다. 태양광 셀은 일조량, 기온 등에 따라 도 5와 같이, 상이한 전압-전류 특성을 가지며, 최대 전력 점(MPP) 또한 변동된다. (발전전력 = 전압 X 전류) 전력변환장치는 태양광 셀이 각 조건에서 전력이 최대가 되는 동작점인 최대 전력 점(MPP)에서 태양광 셀이 동작하도록 제어하는 역할을 한다. 이를 최대전력점 추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking)이라 하고, 최대전력점 추종을 이용하여 태양광 발전의 효율성을 높일 수 있다. 태양광 발전에 있어서 전류와 전압의 관계 및 전압과 전력과의 관계에서의 특성에 따라 최대 전력은 최대 전압이 아닌 최대 전압에서 약 80% 정도일 때의 전력이 될 수 있다. 이와 같은 최대전력점은 태양광패널에서 생성되는 전압 및 전류의 크기에 따라 계속 변하기 때문에, 최대전력 점을 발생시킬 수 있는 지점을 계속 찾아야 한다. 즉, 최대전압이 아닌 최대전력을 추종하기 위하여, 최대전력이 되도록 전압과 전류의 크기를 가변할 수 있다. 즉, 전력이 커지는 방향으로 전압을 감소시키고 전류를 증가시키거나, 전압을 증가시키고, 전류를 감소시킬 수 있다.
컨버터는 복수의 셀 스트링(130)의 수에 대응되는 복수의 컨버터(110)를 포함한다. 각 컨버터(110)는 대응하는 셀 스트링(130)과 연결되어 셀 스트링(130)에서 생성되는 전력을 인가받고, 전압을 변환하여 출력한다. 도 1과 같이, 모든 셀 스트링을 직렬로 연결하고, 하나의 컨버터를 이용하여 최대전력점 추종제어를 수행하는 경우, 셀 스트링간 일조량 등에 차이가 있는 경우, 최적의 최대전력점 추종이 어려운바, 효율적인 최대전력점 추정제어를 위하여, 셀 스트링 단위로 최대전력점 추종을 수행하기 위하여, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터를 포함한다.
컨버터(110)는 DC-DC 컨버터이고, 제1 전압을 가지는 신호를 제2 전압을 가지는 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 또는, 제1 전류를 가지는 신호를 제2 전류를 가지는 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이때, 복수의 컨버터(110)는 멀티레벨을 구성한다. 복수의 컨버터(110)는 멀티레벨을 구성하기 위하여, 캐스코드(cascode)로 연결될 수 있다. 여기서, 캐스코드는 출력단이 다단으로 연결되는 형태를 의미하며, 캐스코드 연결에 따라 컨버터의 출력단이 쌓여 멀티레벨을 구성한다. 멀티레벨은 각 컨버터의 출력신호가 하나의 신호로 합쳐져 출력되는 구조를 의미한다. 이때, 상위 레벨의 컨버터 출력단의 (-)단자가 이웃하는 하위 레벨의 컨버터 출력단의 (+) 단자와 순차적으로 연결되어, 최상위 레벨의 컨버터의 출력부터 최하위 레벨의 컨버터의 출력이 합쳐져 하나의 신호로 출력된다.
제어부는 복수의 컨버터(110) 각각에 제어신호를 인가한다. 복수의 컨버터(110)는 상기 제어신호를 수신하여 전력 변환을 수행한다. 이때, 최대전력점 추종제어를 수행하거나, 바이패스 동작을 수행할 수 있다.
복수의 컨버터(110) 각각은 제어부로부터 제어신호를 받아, 각자 연결된 셀 스트링(130)의 전력이 최대전력이 되도록 최대전력점 추종을 수행할 수 있다. 복수의 셀 스트링으로 형성되는 태양광 모듈이 일정 면적 이상으로 형성되는 경우, 셀 스트링 간 일조량이 상이한 경우, 셀 스트링 간 최대전력점이 달라지는바, 복수의 컨버터 각각은 셀 스트링 별로 최대전력점 추종제어를 수행하여, 각 셀 스트링에서 최대전력이 생성되도록 한다. 이를 통해, 셀 스트링 별 최적화된 최대전력점 추종제어가 가능하다.
복수의 컨버터(110)는 상황에 따라 셀 스트링의 전압을 그대로 출력하는 바이패스(bypass) 기능을 수행할 필요가 있다. 바이패스 동작에 대해서는 이후에 자세히 설명하도록 한다.
보조전원부(120)는 상기 복수의 컨버터(110) 각각에 구동전원을 공급한다.
복수의 컨버터(110)는 각각 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 상측 스위치 및 하측 스위치를 온오프 제어하여 전력변환을 수행한다. 이때, 상측 스위치 및 하측 스위치는 서로 상보적으로 도통될 수 있다. 각 스위치는 턴온을 유지하는 시간, 즉 일정 듀티비로 제어될 수 있다. 여기서, 듀티비는 일정 주기 내 온인 비율을 의미하며, 시비율이라고도 한다.
각 스위치는 구동전원을 입력받아 동작하는 스위칭 소자일 수 있고, 각 스위치를 동작시키기 위하여, 보조전원이 필요하다. 스위칭 소자는 FET 또는 IGBT 등 반도체 스위칭 소자일 수 있다.
도 7 및 도 8과 같이, 보조전원을 생성하여 각 컨버터에 제공할 수 있다. 도 7은 각 컨버터의 기준 전위 대비 보조전원(V_aux. X)을 생성 및 공급하는 보조전원회로를 구성할 수 있다. 각 컨버터에 대한 보조전원(V_aux. X)은 각 컨버터에 포함된 스위칭 소자인 FET를 구동하기 위한 게이트 드라이버(gate driver)에 구동전원을 공급할 수 있다.
도 8과 같이, 하측 스위치(Low-side FET)의 경우에 소스단자가 보조전원(Vaux. X)의 음극과 직접 결선될 수 있어, FET 구동 시에 보조전원을 직접 사용할 수 있다. 하지만, 상측 스위치(High-side FET)의 소스단자는 보조전원의 음극과 직접 결선되지 않아 게이트 드라이버가 보조전원을 직접 사용할 수 없으므로, 부트스트랩(boot-strap) 회로 등을 이용하여 별도 전원(V_HS X)을 생성하여 사용하여 한다. 부트스트랩 회로가 전압을 생성하기 위해서는 하측 스위치가 도통되어 캐패시터의 충전 경로를 형성해야 한다. 따라서, 하측 스위치의 동작없이 상측 스위치를 지속적으로 도통시키는 것이 불가능하며, 짧은 시간이라도 간헐적으로 하측 스위치를 도통시켜 부트스트랩의 출력 전압을 유지해야 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 복수의 컨버터(110) 중 적어도 하나의 컨버터는 상황에 따라 셀 스트링의 전압을 출력 측으로 그대로 전달하는 바이패스(bypass) 동작이 필요할 수 있다. 예를 들어, 복수의 셀 스트링(130) 중 일부의 셀 스트링이 음영 등에 의해 다른 셀 스트링에 비해 낮은 전압을 생성하는 경우, 각 셀 스트링간 전압 차이를 줄여 손실을 줄이고 효율을 높이기 위하여, 다른 셀 스트링의 전압을 출력으로 그대로 바이패스시킬 수 있다. 입력전압의 바이패스를 위하여, 상측 스위치를 계속 도통시켜 출력 전압이 걸리는 캐패시터에 입력전압이 걸리도록 해야 한다. 즉, 상측 스위치의 듀티비를 100%로 유지해야 하는데, 도 7 및 도 8의 실시예에서는 상측 스위치를 계속 도통시킬 수 없는 한계가 존재한다. 하측스위치를 짧은 시간이라도 도통시켜야 하기 ‹š문에, 효율이 떨어지는 문제가 있다.
바이패스 동작을 위해 상측 스위치를 계속 도통시키기 위해서, 보조전원부(120)는 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 1차측 회로, 상기 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 절연형 컨버터, 및 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로를 포함할 수 있다.
도 9 내지 도 12와 같이, 절연형 컨버터를 이용하여 복수의 컨버터의 상측 스위치에 하측 스위치와 별도의 구동전원을 공급함으로써 상측 스위치를 100% 듀티비로 도통시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치에 대해 컨버터의 스위치를 구동하기 위한 보조전원을 생성하는 보조전원부의 구성을 중심으로 표현한 것으로, 일부 구성에 대한 설명이 생략되었다 하여도 본 발명의 실시예들에 따른 구성들을 포함할 수 있음은 당연하다.
복수의 컨버터(110)는 복수의 셀 스트링(130)에 각각 연결되며, 캐스코드(cascode)로 연결되어 멀티레벨을 구성한다. 복수의 컨버터(110)에서 출력되는 최상위 레벨부터 최하위 레벨까지의 신호들이 합쳐져 하나의 신호로 출력된다.
보조 전원부(120)는 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급한다. 셀 스트링, 컨버터, 컨트롤러, 및 보조전원이 모두 동일한 그라운드를 이용하는 도 3 및 도 4와 달리, 멀티레벨로 구성되는 경우, 보조 전원부(150)는 각 레벨에 맞는 보조전원을 공급해야 한다.
이를 위하여, 보조 전원부(150)는 절연형 컨버터를 포함한다. 절연형 컨버터의 1차측 회로는 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받고, 절연형 컨버터는 상기 1차측 회로의 전압에 따라 2차측 회로에 전압을 출력하고, 복수의 제1 2차측 회로는 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상측 스위치 각각에 구동전원을 공급한다.
1차측 회로에는 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는다, 이때, 상기 1차측 회로는 상기 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 스위칭소자를 통해 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 상기 스위칭소자는 도 9와 같이 다이오드일 수 있다. 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 모두 연결되되 다이오드를 통해 연결됨으로써 셀 스트링 전압 중 가장 높은 전압이 선택적으로 인가될 수 있다. 즉, 일부의 셀 스트링에 일조량이 부족하더라도 충분히 발전이 이루어지는 다른 셀 스트링의 전압을 이용하여 모든 컨버터에 대한 구동전원을 제공할 수 있다. 이를 통해 리던던시(Redundancy)도 확보할 수 있다. 또는, 다이오드 없이 특정 셀 스트링의 전압을 입력받아 보조전원을 공급하는데 이용할 수도 있음은 당연하다.
절연형 컨버터는 플라이백(flyback) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 및 LLC 컨터버 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 절연형 컨버터는 PSR(Primary Side Regulation)을 수행할 수 있다. 1차측 회로와 동일 기준 전위를 가지는 제1 2차측 회로의 출력 전압을 참조하여 상기 PSR을 수행할 수 있다. 제1 2차 회로부 출력이 변압기를 통해 1차 측으로 반영(reflected)된 전압을 참조하여 제어할 수 있다. 절연형 컨버터는 제1 2차 회로부 출력을 제어하기 위해 3차 권선(tertiary winding)를 사용할 수도 있다. 절연형 컨버터는 1차 회로부와 동일한 전위를 기준으로 하는 제2 2차 회로부 출력 전압만 참조하여 제어할 수도 있다. 예를 들어, 1차 회로부가 그라운드를 기준으로 하는 경우 그라운드를 기준으로 하는 제1 2차 회로부 출력 전압을 참조하여 제어할 수 있다.
절연형 컨버터 및 제1 2차측 회로부를 통해 상측 스위치에 구동전원을 공급하고, 하측 스위치에 구동전원을 공급하기 위하여, 개별보조전원부를 포함하거나, 제2 2차측 회로를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각 구동전원을 공급하는 복수의 개별보조전원부를 포함할 수 있다. 도 10과 같이, 제1 2차측 회로부와 별도로 개별보조전원부를 통해 하측 스위치에 구동전원을 공급할 수 있다.
상기 개별보조전원부는 상기 복수의 컨버터의 각 입력단 양단 사이에 연결되는 레귤레이터를 포함할 수 있고, 상기 레귤레이터는 상기 하측 스위치에 게이트 신호를 공급하는 하측 게이트 드라이버 및 상기 입력단의 (-) 단자 사이에 연결될 수 있다. 도 10과 같이, 개별보조전원부는 각 컨버터의 입력단의 (-) 단자를 기준으로 구동전원을 공급할 수 있다.
상측 스위치에 구동전원을 공급하는 각 제1 2차측 회로는 상기 상측 스위치에 게이트 신호를 공급하는 상측 게이트 드라이버 및 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치 사이의 단자에 연결될 수 있다. 도 10과 같이, 상측 스위치와 하측 스위치 사이의 단자를 기준으로 구동전원을 공급할 수 있다.
절연형 컨버터를 사용하여 각 상측 스위치 에 구동 전원을 공급하고, 개별 레귤레이터를 적용하여 각 하측 스위치에 구동 전원을 공급할 수 있다.
MLPE 특성 상 많은 비율로 바이패스 모드에서 동작할 수 있고, 상기와 같이 개별 보조전원을 개별적으로 구현됨으로써 바이패스 모드에 최적화된 보조전원 공급이 가능하다. 즉, 절연형 컨버터를 사용하여 상측 스위치를 100% 듀티비로 연속 도통이 가능하다. 또한, 부트스트랩 회로 미적용으로 개별 레귤레이터의 부하가 절연형 컨버터로 일부 전가되어 개별 레귤레이터의 전력 용량이 감소하므로, 바이패스 모드에서 사용 빈도가 낮은 개별 보조전원을 보다 낮은 재료비로 구성할 수 있다.
개별보조전원부는 단일 레귤레이터를 포함할 수 있다. 단일 레귤레이터는 리니어 레귤레이터, 차지 펌프, 승강형 컨버터, 승압형 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단일 레귤레이터는 리니어(linear) 레귤레이터, 차지 펌프(charge pump), 승강형(벅-부스트) 컨버터, 승압형(Boost) 컨버터를 선택적으로 사용할 수 있다. 개별보조전원부를 단일 레귤레이터로 구현하면 회로 구성이 간단한 장점이 있다.
셀 스트링 전압은 태양괄 셀의 조건에 따라 수시로 변화하므로 스트링 전압의 변동 범위와 보조전원의 목표 전압(V_aux)의 관계에 따라 적절하게 적용되어야 한다. 보조전원의 목표 전압(V_aux)이 최저 셀 스트링 전압보다 낮은 경우, 강압이 필요한바, 이때는 리니어 레귤레이터 또는 벅 컨버터를 이용할 수 있다. 보조전원의 목표 전압(V_aux)이 최고 셀 스트링 전압보다 높은 경우, 승압이 필요한바, 이때는 차지 펌프 또는 부스트 컨버터를 이용할 수 있다. 강압 또는 승압만 필요한 경우에는 비교적 회로 구성이 간단하고, 낮은 재료비로 구현이 가능하다. 하지만, 보조전원의 목표 전압(V_aux)이 최고 셀 스트링 전압보다 낮고, 최저 셀 스트링 전압보다 높은 경우에는 승강압이 필요하고, 이때는 출력 전압이 음전압으로 반전되지 않는 비반전형 벅-부스트 컨버터를 사용해야 한다. 비반전형 벅-부스트 컨버터는 4개의 반도체 스위치가 필요하여, 상대적으로 회로가 복잡하고, 재료비가 높다.
개별보조전원부를 구성함에 있어서, 캐스케이드로 결선된 2단 이상의 레귤레이터를 사용할 수 있다. 상기 2단 이상의 레귤레이터는 리니어 레귤레이터, 차지 펌프, 승강형 컨버터, 승압형 컨버터 중 적어도 두개를 포함할 수 있다. 동일 종류 또는 서로 다른 종류의 레귤레이터를 2 단을 사용할 수도 있다. 승강압이 가능한 보조전원회로를 구현함에 있어서, 승압형 레귤레이터 및 강압형 레귤레이터를 케스케이드로 구성할 수 있다. 이때, 승압형 및 강압형 레귤레이터의 배치 순서에 관계없이 회로 구현이 가능하다. 2단 레귤레이터 구성에서는 승강압형이라 함은 셀-스트링 전압 대비 보조전원 전압(V_aux) 이 승압 및 강압이 가능함을 의미한다.
이때, 상기 2단 이상의 레귤레이터는 도 23과 같이, 강압형 레귤레이터 및 승압형 레귤레이터를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 강압형 레귤레이터는 리니어 레귤레이터 및 강압형 컨버터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 승압형 레귤레이터는 차지펌프 및 승압형 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
2단 레귤레이터로 리니어 레귤레이터, 차치 펌프, 승강형 컨버터, 승압형 컨버터, 승강형 컨버터를 조합하여 사용할 수 있고, 2단 레귤레이터로로 승강압형 기능을 구현함에 있어서, 강압형 레귤레이터와 승압형 레귤레이터를 조합할 수 있다. 도 24와 같이, 리니어 레귤레이터-차지 펌프 조합, 리니어 레귤레이터-부스트 컨버터 조합, 벅 컨터버-차지 펌프 조합, 벅 컨버터-부스트 컨버터 조합으로 보조전원부를 형성할 수 있다. 이 중 1 내지 3 조합은 비반전형 벅-부스트 컨버터 대비 재료비 절감이 가능하다.
또한, 상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터(110)의 상기 하측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제2 2차측 회로를 포함하고, 상기 절연형 컨버터는, 상기 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력할 수 있다.
상기 제1 2차측 회로 및 제2 2차측 회로는 도 11와 같이, 상기 각 컨버터에 포함되는 상측 스위치에 보조전원을 공급하는 제1 2차측 회로 및 상기 각 컨버터에 포함되는 하측 스위치에 보조전원을 공급하는 제2 2차측 회로를 포함할 수 있다. 상측 스위치 및 하측 스위치에 각각 개별 구동전원을 제공할 수 있다.
보조 전원부(120)는 다중 출력 절연형 컨버터일 수 있고, 이때, 상기 다중 출력 절연형 컨버터는, 상기 각 컨버터에 포함되는 상측 스위치에 보조전원을 공급하는 제1 출력 및 상기 각 컨버터에 포함되는 하측 스위치에 보조전원을 공급하는 제2 출력을 포함할 수 있다. 단일 레귤레이터로 다중 출력 가능한 절연형 컨버터를 적용할 수도 있다. 다중 출력 가능한 절연형 컨버터를 사용하면, 컨버터에 포함된 하측 스위치 및 상측 스위치 에 각각 구동 전원을 공급할 수 있다. 2차 회로의 출력을 입력으로 하는 별도의 컨버터, 리니어 레귤레이터를 결합하여 보조전원을 생성할 수도 있다.
상기 복수의 컨버터의 입력신호, 출력신호, 및 각 컨버터에 포함된 인덕터에 흐르는 전류 중 적어도 하나를 모니터링하여 전력선통신(PLC)를 통해 외부로 전송하거나, 상기 복수의 컨버터 각각에 대한 제어신호를 생성하여 인가하는 제어부를 포함하고, 제어부에 구동전원을 공급하는 제3 2차측 회로를 포함할 수 있다. 2차 회로부는 각 컨버터에 대응되는 2차 회로부 외에 별도 용도의 2차 회로부를 추가 사용할 수 있다. 이외에 구동전원 등 전원이 필요한 다양한 모듈에 보조전원을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터, 및 상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11을 통해 설명한 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 이하 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치의 보조전원부는, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 제1 1차측 회로, 상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 제2 1차측 회로, 상기 제1 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 제1 절연형 컨버터, 상기 제2 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력하는 제2 절연형 컨버터, 상기 제1 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로, 및 상기 제2 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제2 2차측 회로를 포함하고, 상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성한다.
보조전원을 제공함에 있어서, 하나의 절연형 컨버터가 아닌 복수의 절연형 컨버터를 이용할 수 있다. 즉, 상측 스위치에 구동전원을 공급하기 위한 제1 절연형 컨버터 및 하측 스위치에 구동전원을 공급하기 위한 제2 절연형 컨버터를 이용함으로써 상보적으로 도통하는 상측 스위치 및 하측 스위치를 개별 동작시킬 수 있는바, 전원소모를 줄일 수 있다.
도 12와 같이, 제1 1차측 회로, 제1 절연형 컨버터, 제1 2차측 회로를 이용하여 컨버터의 상측 스위치에 구동전원을 공급할 수 있고, 제2 1차측 회로, 제2 절연형 컨버터, 제2 2차측 회로를 이용하여 컨버터의 하측 스위치에 구동전원을 공급할 수 있다.
1개의 절연형 컨버터로 상측 스위치 및 하측 스위치 에 모두 대응하는 것에 비해 출력 개수 및 최고 출력 전력이 감소하여 컨버터 설계가 용이하다. 또한, 대부분 바이패스 모드에서 동작하는 MLPE 특성 상, 사용 빈도가 낮은 하측 스위치 의 보조전원을 단일 컨버터로 구현하여 재료비를 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 모듈은 복수의 셀 스트링(130), 복수의 컨버터(110), 및 보조 전원부(120)로 구성된다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 모듈에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 컨버터의 상측 스위치에 개별 구동전원을 공급하여 상측 스위치를 100% 듀티비로 연속 도통시킬 수 있어, 바이패스 모드에서의 동작을 보다 최적화할 수 있고, 하측 스위치 에 구동전원을 공급하는 보조전원회로에 대한 부담이 경감되어, 사용빈도가 낮은 보조전원회로를 보다 간단하고, 낮은 재료비로 구성할 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및
    상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고,
    상기 보조전원부는,
    상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 1차측 회로;
    상기 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 절연형 컨버터; 및
    상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로를 포함하고,
    상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 제1 2차측 회로는,
    상기 상측 스위치에 게이트 신호를 공급하는 상측 게이트 드라이버 및 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치 사이의 단자에 연결되는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각 구동전원을 공급하는 복수의 개별보조전원부를 포함하는 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개별보조전원부는,
    상기 복수의 컨버터의 각 입력단 양단 사이에 연결되는 레귤레이터를 포함하고,
    상기 레귤레이터는,
    상기 하측 스위치에 게이트 신호를 공급하는 하측 게이트 드라이버 및 상기 입력단의 (-) 단자 사이에 연결되는 전력변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제2 2차측 회로를 포함하고,
    상기 절연형 컨버터는,
    상기 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력하는 전력변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 중 적어도 하나의 컨버터는,
    해당 컨버터의 상측 스위치가 연속 도통 동작하는 전력변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상측 스위치가 연속 도통 동작하여 해당 컨버터의 입력 전압이 바이패스되어 출력되는 전력변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 1차측 회로는,
    상기 복수의 셀 스트링의 각 출력단들이 스위칭소자를 통해 병렬로 연결되는 전력변환장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연형 컨버터는 플라이백 컨버터, 포워드 컨버터, 및 LLC 컨터버 중 적어도 하나를 포함하는 전력변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절연형 컨버터는 상기 1차측 회로와 동일 기준 전위를 가지는 2차측 회로의 출력 전압을 참조하여 PSR(Primary Side Regulation)을 수행하는 전력변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터는 캐스코드(cascode)로 연결되는 전력변환장치.
  12. 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하고, 복수의 셀 스트링에 각각 연결되는 복수의 컨버터; 및
    상기 복수의 컨버터 각각에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고,
    상기 보조전원부는,
    상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 제1 1차측 회로;
    상기 복수의 셀 스트링의 출력단 중 적어도 하나의 출력단의 전압을 인가받는 제2 1차측 회로;
    상기 제1 1차측 회로의 전압에 따라 제1 2차측 회로에 전압을 출력하는 제1 절연형 컨버터;
    상기 제2 1차측 회로의 전압에 따라 제2 2차측 회로에 전압을 출력하는 제2 절연형 컨버터;
    상기 제1 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 상측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제1 2차측 회로; 및
    상기 제2 절연형 컨버터에서 출력되는 전압을 이용하여 상기 복수의 컨버터의 상기 하측 스위치에 각각에 구동전원을 공급하는 복수의 제2 2차측 회로를 포함하고,
    상기 복수의 컨버터는 멀티레벨을 구성하는 전력변환장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 중 적어도 하나의 컨버터는,
    해당 컨버터의 상측 스위치가 연속 도통 동작하여 해당 컨버터의 입력 전압이 바이패스되어 출력되는 전력변환장치.
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