KR20230053447A - 전력변환장치 - Google Patents

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KR20230053447A
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박정흠
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하는 컨버터, 및 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 제1 구동전원을 이용하여 상기 상측 스위치의 구동전원을 공급하는 부트스트랩 회로를 포함한다.

Description

전력변환장치{power converting apparatus}
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다중 동작 모드로 동작하는 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. MLPE는 태양광 셀로부터 입력받은 전력을 변환하여 최대전력점 추종을 수행하는데, 상황에 따라서는 전력 변환없이 입력전압을 출력전압으로 바로 출력하는 동작이 필요할 수 있다.
따라서, 태양광 셀 모듈을 최적화하기 위하여, MLPE가 다양한 동작 모드로 동작하도록 구현하는 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다중 동작 모드로 동작하는 전력변환장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하는 컨버터; 및 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고, 상기 보조전원부는, 상기 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 제1 구동전원을 이용하여 상기 상측 스위치의 구동전원을 공급하는 부트스트랩 회로를 포함한다.
또한, 상기 부트스트랩 회로는, 상기 제1 구동전원으로부터 전원을 입력받아 충전되는 커패시터; 및 상기 제1 구동전원과 상기 커패시터 사이에 연결되는 다이오드를 포함하고, 상기 커패시터는, 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치 사이의 노드에 연결되고, 상기 하측 스위치가 턴 온되면, 상기 제1 구동전원, 상기 다이오드, 상기 커패시터, 및 상기 하측 스위치로 연결되는 폐루프가 형성되어 상기 제1 구동전원으로 전원을 입력받아 충전되고, 상기 하측 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 구동전원으로 전원을 입력받아 충전된 전원을 상기 상측 스위치의 구동전원으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 컨버터는, 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치가 제1 주파수로 상보적으로 도통되는 제 1모드, 또는 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치가 제2 주파수로 상보적으로 도통되는 제2 모드로 동작하고, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 상이할 수 있다.
또한, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수의 1/4 이하일 수 있다.
또한, 상기 제1 주파수는 20 kHz 이상일 수 있다.
또한, 상기 제2 주파수는, 컨버터의 입출력 전압, 전류, 및 온도에 따라 설정될 수 있다.
또한, 상기 상측 스위치가 도통하는 제1 구간 및 상기 하측 스위치가 도통하는 제2 구간을 포함하고, 상기 컨버터는, 상기 제2 모드에서 상기 제1 구간과 상기 제2 구간의 비율이 제1 비율이 되도록 동작하고, 상기 제1 비율은 상기 제1 구간이 상기 제2 구간보다 길 수 있다.
또한, 상기 컨버터는, 모드 변경시, 상기 제1 구간과 상기 제2 구간의 비율은 점진적으로 변경할 수 있다.
또한, 상기 제2 모드에서 상기 컨버터의 입력부의 전압과 상기 컨버터의 출력부의 전압의 차는 제1 임계 전압값 이하일 수 있다.
또한, 상기 컨버터는, 제1 주기 이상 상기 하측 스위치가 연결되는 제3 모드로 동작하고, 상기 상측 스위치가 상기 하측 스위치와 출력단 (+) 단자 사이에 연결되는 경우, 상기 상측 스위치는 상기 제3 모드에서 상기 제1 주기 이상 상기 하측 스위치와 동시에 연결될 수 있다.
또한, 상기 컨버터는 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 및 벅 부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제3 모드에서, 상기 벅 컨버터는 하측 스위치만 연결되고, 상기 부스트 컨버터는 상측 스위치와 하측 스위치가 모두 연결되고, 상기 벅 부스트 컨버터는 출력측 상측 스위치 및 하측 스위치가 모두 연결될 수 있다.
또한, 제1 전압을 입력받는 입력부; 및 상기 컨버터의 출력전압을 출력하는 출력부를 포함하고, 상기 컨버터는, 상기 제1 전압을 제2 전압으로 변환하는 제1 모드, 또는 상기 제1 전압을 상기 출력부로 출력하는 제2 모드로 동작하고, 상기 출력부는, 상기 제1 모드에서 상기 제2 전압을 출력하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 컨버터는 상기 출력부에 바이패스경로를 생성하는 제3 모드로 동작하고, 상기 출력부는 상기 제3 모드에서 출력측으로부터 입력되는 제3 전압을 출력할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력변환장치는 멀티레벨을 구성하는 복수의 전력회로를 포함하고, 상기 각 전력회로는 상기 기재한 전력변환장치를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전력변환모드, 입출력연결모드, 바이패스모드의 다중 동작 모드로 전력변환장치를 이용할 수 있다. 전력변환회로를 이용하여 입출력연결모드 또는 바이패스모드를 구현하거나 강화할 수 있다. 전력변환회로를 전력변환모드 또는 입출력연결모드로 동작함에 있어서, 부트스트랩 회로를 이용하여 상측 스위치 및 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 보조전원회로를 간단하고 저렴하게 구현할 수 있다.
도 1은 최대전력점 추종제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 보조전원부를 포함하는 블록도이다.
도 13 내지 도 17은 도 12의 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 전력회로가 멀티레벨로 구성되는 전력변환장치의 블록도이다.
도 19 내지 도 21은 도 18의 실시예에 따른 전력변환장치를 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
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는 태양광 발전 패널에서 생성되는 전력을 부하 또는 배터리에 적합한 전력으로 변환하는 장치일 수 있다. 태양광 발전을 수행하는 태양광 셀은 복수의 셀이 직렬로 연결되는 셀 스트링 단위로 표현할 수 있다.
셀 스트링은 적어도 하나 이상의 셀을 포함할 수 있고, 복수의 셀을 포함하는 경우, 복수의 셀은 직렬로 연결될 수 있다. 셀 스트링은 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 1와 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.
복수의 셀 스트링에 대한 최대전력점 추종을 수행하기 위하여, 각 셀 스트링에 대한 개별 제어가 필요할 수 있다. 예를 들어, 특정 셀 스트링에 이물질이 수광을 방해하거나 그늘이 있는 경우, 다른 셀 스트링과 발전 정도가 달라질 수 있어, 셀 스트링에서 출력되는 전력을 변환하는 동작 모드뿐만 아니라, 전력 변환 이외의 동작이 필요할 수 있다. 셀 스트링에서 출력되는 전력의 변환없이 바로 출력하거나, 해당 셀 스트링을 바이패스하는 동작 들이 필요할 수 있다. 각 상황별로, 각 셀 스트링에서 출력되는 전력에 대해 가장 적합한 모드로 동작할 수 있는 다중 동작 모드가 가능한 장치가 필요하다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치는 각 상황별로 가장 적합한 모드로 동작하기 위하여, 전력변환 모드(제1 모드), 입출력연결 모드(제2 모드), 및 바이패스 모드(제3 모드)의 다중 모드로 동작할 수 있다. 상기 전력변환 모드, 입출력연결 모드, 및 바이패스 모드 이외에 설계에 따라 다른 동작 모드를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 블록도이고, 도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 입력부(110), 전력변환부(120), 출력부(130), 입출력연결부(140), 및 바이패스부(150)로 구성되고, 모니터링부, 보조전원부, 온도센서, 제어부, 커플링회로, 무선 트랜시버를 포함할 수 있다.
입력부(110)는 제1 전압을 입력받는다. 입력부(110)는 셀 스트링에 연결되어 제1 전압을 입력받을 수 있다.
전력변환부(120)는 상기 제1 전압을 제2 전압으로 변환한다. 제1 전압이 입력부로 입력되면, 전력변환모드에 따라 전력변환부(120)는 제1 전압을 제2 전압을 변환한다. 제1 전압은 제2 전압보다 높거나 낮을 수 있다. 전력변환부(120)는 입력받은 제1 전압을 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 변환하거나 제1 전압보다 낮은 제2 전압으로 변환할 수 있다. 또는, 제1 전류를 제2 전류로 변환할 수 있다. 여기서, 제1 전류는 제2 전류보다 높거나 낮을 수 있다. 전력변환부(120)는 전력을 변환하기 위한 컨버터를 포함할 수 있다.
출력부(130)는 전력변환부(120)의 출력전압을 출력한다. 출력부(130)는 전력변환부(120)에서 변환되어 출력되는 제2 전압을 출력한다.
입력받은 전력을 최대전력점 추종을 수행하며, 전력을 변환하는 전력변환모드에서는 입력부(110), 전력변환부(120), 및 출력부(130)를 통해, 전력변환이 수행된다. 입력부(110)가 연결된 셀 스트링의 전력이 최대전력이 되도록 최대전력점 추종을 수행한다.
입출력연결부(140)는 상기 입력부(110)를 상기 출력부(130)와 연결한다. 상황에 따라 입력 전압을 변환하지 않고 바로 출력 측으로 전달하는 입출력 연결모드를 수행하기 위하여, 입출력 연결모드에서 입출력연결부(140)는 입력부(110)와 출력부(130)를 연결한다. 예를 들어, 복수의 셀 스트링 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 전력 변환없이 그대로 출력시킬 필요가 있다. 이때, 입출력연결부(140)가 입력부(110)와 출력부(130)를 연결하여 입출력연결 모드를 수행한다. 입출력연결 모드에서 입력받은 제1 전압을 그대로 출력하는바, 출력부(130)에서 출력되는 전압은 입력부(110)의 제1 전압이 된다.
바이패스부(150)는 상기 전력변환부(120) 또는 상기 입출력연결부(140)를 바이패스하는 바이패스경로를 상기 출력부(130)에 생성한다. 전력변환을 수행하기 않고 입력 전압을 그대로 출력하는 입출력연결 모드뿐만 아니라 전력변환부(120) 및 입출력연결부(140)를 바이패스시키기 위하여, 출력부(130)가 출력측에만 연결되도록 하는 바이패스 경로를 생성하는 바이패스 모드로 동작할 수 있다. 바이패스 모드는 전력변환장치의 출력 전압을 방전 시키거나, 미리 설정된 전압 이하 또는 0 V로 유지하는 역할을 한다. 바이패스 모드에서는 바이패스부(150)가 바이패스 경로를 출력부(130)에 생성하여, 출력부(130)로부터 입력되는 전류가 전력변환부(120)로 흘러가는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 입력부(110)의 전류 보다 출력부(130)의 전류가 클 경우에 바이패스부(150)는 그 차이에 해당하는 전류를 위한 바이패스 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 셀 스트링을 포함하는 태양광 발전 모듈에 고장이 발생하거나 입력부가 미체결되어 전력변환장치로 입력되는 입력 전류가 없을 때, 바이패스부(150)는 출력 전류에 대한 바이패스 경로를 제공할 수 있다. 특히, 태양광 발전 모듈에 핫스팟(hot-spot)이 발생할 때, 바이패스부(150)는 출력 전류의 우회 경로를 제공하여 태양광 발전 모듈에 흐르는 전류값을 낮추어 발열을 억제할 수 있다. 이를 통해, 태양광 발전 모듈이 출력 가능한 전류보다 큰 전류를 강제를 도통시키면, 태양광 발전 모듈의 임피던스가 증가하여 발열량이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
출력부(130)는 상기 각 모드에 따라 동작하는 상기 전력변환부(120), 상기 입출력연결부(140), 또는 상기 바이패스부(150)의 동작에 따라 상기 제1 전압, 상기 제2 전압, 또는 출력측으로부터 입력되는 제3 전압을 출력한다. 즉, 전력변환 모드에서는 전력변환부(120)에서 출력되는 제2 전압이 출력되고, 입출력연결 모드에서는 입력부(110)와 바로 연결되어 입력부(110)가 입력받은 제1 전압이 그대로 출력되고, 바이패스모드에서는 전력변환부(120) 또는 입력부(110)의 전압과 무관하게, 출력측으로 입력되는 제3 전압이 출력된다.
전력변환부(120), 입출력연결부(140), 바이패스부(150)는 제어부에 의해 동작할 수 있고, 제어부는 입출력 전압 및 전류, 온도 등의 정보에 따라 가장 적합한 모드로 동작하도록 제어 신호를 각 구성에 전송할 수 있다. 또한, 외부 제어부의 제어신호 또는 사용자의 입력에 따라 해당 모드로 동작할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 도 3과 같이, 전력변환부(Power conversion circuit, 120), 전력변환부(120)를 우회하여 입력부와 출력부를 연결하는 입출력연결부(Contactor, 140), 및 출력단의 양 단을 연결하여 출력부(130)에 바이패스 경로를 생성하는 바이패스부(Bypass circuit, 150)으로 구현될 수 있다. 입출력연결부(140)는 전력변환부(120)를 우회, 즉 바이패스시키는 일종의 바이패스회로이나, 바이패스부(150)와 구분하여 설명하기 위하여, 입출력연결부(140) 내지 접촉기(contactor)라 명칭한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 도 4와 같이, 다중 동작 모드로 동작하기 위하여 다양한 구성들을 포함할 수 있다.
상기 입력부(110)의 전압 또는 상기 출력부(130)의 전압을 이용하여 보조전원을 생성하는 보조전원부(auxiliary Power Supply)를 포함할 수 있다. 보조 전원부는 전력변환장치의 입력부 또는 출력부의 전압 중 하나 이상을 입력받아 단일 혹은 복수의 전원을 생성할 수 있다. 생성된 전원은 3.3V, 5V, 12V 등과 같이 반도체 소자가 통상적으로 사용하는 전압일 수 있다. 일부 전원은 전력변환장치의 그라운드(ground)에서 뜬(floating) 전위를 가질 수 있다. 보조 전원부는 단일 또는 다수의 전력변환회로로 구성될 수 있다. 예를 들어, 플라이백 컨버터(fly-back converter) 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter), 리니어 레귤레이터(linear regulator), 차지펌프(charge pump) 중 적어도 하나를 포함하거나, 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
모니터링부(monitoring circuit)는 상기 입력부(110)의 전류, 상기 입력부(110)의 전압, 상기 출력부(130)의 전류, 및 상기 출력부(130)의 전압 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
메모리(memory)는 정보를 저장하기 위한 비휘발성 메모리(non-volatile memory)를 포함할 수 있다. 메모리에는 물리적/소프트웨어적 식별 정보, 모니터링 보정 정보, 고장 이력 등이 저장될 수 있다.
온도 측정을 위한 온도 센서(Thermal sensor)를 포함할 수 있다. 온도 센서는 전력변환장치의 온도를 측정할 수 있다. 특히, 온도 센서는 MOFSET, 다이오드와 전력반도체 소자 및 트랜스포머, 인덕터와 같은 자성부품의 온도 또는 근접한 영역의 온도를 접촉, 비접촉 방식으로 측정할 수 있다.
제어부(Control circuit)은 전력변환장치 및 외부로부터 수신되는 정보를 이용하여 전력변환장치의 각 구성들을 제어할 수 있다. 이때, 전력변환부(120)의 회로에 따라, 전력변환부(120)에 포함된 인덕터의 전류를 검출하기 위한 추가적인 전류 검출 회로가 사용될 수 있다. 제어부는 검출된 전압, 전류, 온도 정보에 근거하여 보호기능(Protection)을 활성화시킬 수 있다. 예를 들어, 과전압, 과전류 검출 시 특정 파라미터를 제한시키거나 전력변환장치의 동작을 정지시킬 수 있다. 또한, 과열을 검출하는 경우 전력변환장치의 출력 전력을 낮추거나, 정지시킬 수 있다.
제어부는 각종 파라미터를 검출하고, 전력회로를 제어, 외부 장비와 통신(communication), 정보 저장하는 기능을 담당한다. 모니터링부에서 입력된 신호를 ADC(analog Digital Converter)하여 인식할 수 있고, PWM 또는 GPIO를 출력하여 전력회로를 제어할 수 있다. 또한, 모니터링부에서 입력된 신호를 토대로, PV 모듈에서 공급되는 전력이 최대가 되는 동작점을 추종하도록 전력회로를 제어할 수 있다. 모니터링부에서 검출된 신호를 근거로, 과전압 및 과전류 보호 기능을 구현할 수 있고, 외부 장치와 통신하여 정보를 송신 및 수신할 수 있다. 통신 수단으로는 유선 방식 및 무선 방식을 사용할 수 있다. 유선 방식의 경우 통신용 케이블 연결을 위한 추가적인 단자를 구비할 수 있고, 무선 방식의 경우에는 통신을 위한 무선 송수신장치(Wireless Transceiver)를 추가적으로 구비할 수 있다. PLC(Power Line Communication)를 사용할 경우에는 출력 단자의 (+)단자 또는 (-)단자에 커플링 회로(Coupling circuit)를 추가적으로 구비할 수 있다. 송신 정보는 전력변환장치에서 검출된 파라미터, 고장 유무 및 고장 이력, 물리적/소프트웨어적 식별 정보, 모니터링 회로의 보정 정보 등이 포함될 수 있다. 전력회로의 (+)단자 및 (-)단자 간에 노이즈 제거를 위한 커패시터가 추가적으로 사용될 수 있다.
전력변환부(120)는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하는 컨버터를 포함할 수 있다. 상측 스위치 및 하측 스위치의 온오프를 제어하여 전력변환을 수행한다. 이때, 상측 스위치와 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, 스위칭 소자는 FET, MOSFET, 또는 IGBT 등 반도체 스위칭 소자일 수 있다.
전력변환부(120)는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있고, 이때, 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 및 벅 부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전력변환부(120)는 도 5(A)와 같이, 상측 스위치, 하측 스위치, 및 인덕터로 구성되어 전압을 낮추는 벅 컨버터로 구현될 수 있다. 이때, 입력된 전류는 높은 전류로 변환시킬 수 있다. 또한, 도 5(B)와 같이, 인덕터, 상측 스위치, 및 하측 스위치로 구성되어 전압을 높이는 부스트 컨버터로 구현될 수 있다. 이때, 입력된 전류는 낮은 전류로 변환시킬 수 있다. 또한, 도 5(C)와 같이, 제1 상측 스위치, 제1 하측 스위치, 인덕터, 제2 상측 스위치, 및 제2 하측 스위치로 구성되어 전압을 낮추거나 높이는 벅 부스트 컨버터로 구현될 수 있다. 각 컨버터의 입출력단에는 각각 커패시터가 병렬로 연결될 수 있다.
입출력연결부(140)는 상기 입력부(110)와 상기 출력부(130)를 연결하는 스위칭소자를 포함할 수 있다. 입출력연결부(140)는 입력부(110)와 출력부(130)를 연결함으로써 입력된 전압 및 전류를 변환하지 않고 출력부(130)로 출력한다. 이때, 스위칭소자로 릴레이(relay)와 같은 기계적 스위칭 소자 또는 MOSFET, 다이오드와 같이 반도체 스위칭 소자를 단일 또는 조합하여 사용할 수 있다. 입출력연결부(140)는 노이즈 저감을 위한 인덕터 및 캐패시터를 포함할 수 있다.
입출력연결부(140)는 캐소드가 상기 입력부(110)와 연결되는 바디 다이오드를 포함하는 하나의 MOSFET, 및 공통 소스 또는 공통 드레인으로 직렬 연결되는 두 개의 MOSFET 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입출력연결부(140)는 도 6과 같이, 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 도 6(A)와 같이, 기계적 스위치로 구현되거나, 도 6(B)와 같이, 바디 다이오드를 포함하는 MOSFET로 구현시, 바디 다이오드는 캐소드가 입력부(110)와 연결되도록 입력부(110)와 출력부(130) 사이에 연결될 수 있다. 또한, 두 개의 MOSFET으로 구현될 때, 도 6(C)와 같이, 공통 소스(common source)로 직렬 연결하거나, 도 6(D)와 같이, 공통 드레인(common drain)로 직렬 연결할 수 있다. 두 개의 MOSFET을 공통 소스 또는 공통 드레인으로 직렬 연결하여 안정성을 높일 수 있다.
바이패스부(150)는 상기 출력부(130)의 (+) 단자와 (-) 단자를 연결하는 스위칭소자를 포함할 수 있다. 이때, 바이패스부(150)는 캐소드가 상기 출력부의 (+) 단자와 연결되는 다이오드 및 캐소드가 상기 출력부의 (+) 단자와 연결되는 바디 다이오드를 포함하는 MOSFET 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바이패스부(150)는 출력부(130)의 (+) 단자와 (-) 단자를 연결하되, 출력단으로의 경로를 형성하기 위하여, (-) 단자에서 (+) 단자로 전류가 흐르도록 연결되어야 한다. 이를 위하여, 도 7과 같이, 다이오드 또는 바디 다이오드를 포함할 수 있다. 도 7(A)와 같이, 캐소드가 상기 출력부의 (+) 단자와 연결되는 다이오드로 구현되거나, 도 7(B)와 같이, 캐소드가 상기 출력부의 (+) 단자와 연결되는 바디 다이오드를 포함하는 MOSFET으로 구현되거나, 도 7(C)와 같이, 다이오드 및 바디 다이오드를 포함하는 MOSFET을 병렬로 연결하거나, 도 7(D)와 같이, 다이오드와 다른 종류의 스위칭 소자를 병렬로 연결할 수 있다.
상기와 같이, 전력변환부(120), 입출력연결부(140), 바이패스부(150)의 동작에 따라 전력변환장치가 전력변환모드, 입출력연결 모드, 바이패스 모드의 다중 동작 모드로 동작하도록 할 수 있다. 이를 통해, 상황에 따라 가장 적합한 모드로 동작할 수 있다.
전력변환장치(100)가 다중 동작 모드로 동작하도록 함에 있어서, 컨버터가 전력변환모드, 입출력연결 모드, 바이패스 모드의 다중 동작 모드로 동작하도록 구현할 수 있다. 이를 위하여, 컨버터는 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함한다.
컨버터는 입력부(110)가 입력받은 제1 전압을 제2 전압으로 변환하는 제1 모드(전력변환 모드), 상기 제1 전압을 출력부(130)로 출력하는 제2 모드(입출력연결 모드), 출력부(130)에 바이패스경로를 생성하는 제3 모드(바이패스 모드)로 동작할 수 있다. 출력부(130)는 각 모드에 따른 컨버터의 동작에 따라 상기 전력변환 모드에서 상기 제2 전압, 상기 입출력연결 모드에서 상기 제1 전압, 상기 바이패스 모드에서 출력측으로부터 입력되는 제3 전압을 출력할 수 있다.
컨버터는 전력변환 모드에서 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치를 상보적으로 도통시켜 상기 제1 전압을 상기 제2 전압을 변환할 수 있다. 전력변환 모드는 컨버터의 일반적인 동작으로, 변환하고자 하는 전력의 전압 또는 전류에 따른 듀티비로 상측 스위치와 하측 스위치가 도통되고, 그에 따라 입력받은 제1 전압을 제2 전압을 변환한다.
컨버터는 입출력연결 모드에서 상기 상측 스위치는 온을 유지하고, 상기 하측 스위치는 오프시켜 상기 제1 전압을 상기 출력부로 출력할 수 있다. 입출력연결 모드에서는 입력부(110)와 출력부(130)를 직접 연결한다. 이때, 상측 스위치는 입력부(110)와 출력부(130) 사이에 연결되는바, 상측 스위치는 온을 유지하고, 하측 스위치를 오프시켜 입력부(110)와 출력부(130)가 연결되는 상태를 유지한다.
도 8과 같이, 컨버터는 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅 부스트 컨버터로 각각 구현되는 경우, 입출력연결 모드에서 상측 스위치만 온을 유지함으로써 입력부와 출력부가 직접 연결되도록 할 수 있다. 도 8(A)와 같이, 벅 컨버터는 입력부(110), 상측 스위치, 인덕터, 출력부(130)로 경로가 형성되어 전력변환 없이 입력부(110)의 제1 전압이 출력부(130)로 출력된다. 도 8(B)와 같이, 부스트 컨버터는 입력부(110), 인덕터, 상측 스위치, 출력부(130)로 경로가 형성되어 전력변환 없이 입력부(110)의 제1 전압이 출력부(130)로 출력된다. 벅 부스트 컨버터는 도 8(C)와 같이, 입력부(110), 제1 상측 스위치, 인덕터, 제2 상측 스위치, 출력부(130)로 경로가 형성되어 전력변환 없이 입력부(110)의 제1 전압이 출력부(130)로 출력된다. 입출력연결 경로 상에 위치하는 인덕터는 노이즈 저감을 위한 필터의 기능을 수행할 수 있어, 보다 안정적으로 전력을 전달할 수 있다.
이때, 입출력연결 모드에서 상기 입력부(110)와 상기 출력부(130)를 연결하고, 상기 컨버터와 병렬 연결되는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 컨버터와 입출력연결부(140)를 병렬로 연결하여, 입출력연결 모드를 구현할 수 있다. 컨버터와 입출력연결부(140)가 각각 입출력 연결 경로를 형성하는바, 소자의 전류 스트레스 및 발열을 저감할 수 있다. 도 9와 같이, 벅 컨버터(A), 부스트 컨버터(B), 벅 부스트 컨버터(C)의 입출력단에 바디 다이도를 포함하는 MOSFET과 같은 스위칭 소자를 병렬로 연결하여 입출력연결 경로를 복수로 형성할 수 있다.
컨버터는 바이패스 모드로 동작함에 있어서, 컨버터의 종류에 따라 출력부(130)에 바이패스 경로를 형성하기 위하여 상측 스위치 내지 하측 스위치의 온오프를 제어할 수 있다.
바이패스 모드에서, 컨버터가 벅 컨버터인 경우 하측 스위치만 연결되고, 부스트 컨버터인 경우 상측 스위치와 하측 스위치가 모두 연결되고, 벅 부스트 컨버터인 경우, 출력측 상측 스위치 및 하측 스위치가 모두 연결되어, 각각 바이패스 경로를 생성할 수 있다. 도 10(A)와 같이, 벅 컨버터는 하측 스위치만 연결되어, 출력부 (-) 단자, 하측 스위치, 인덕터, 출력부 (+) 단자로 바이패스 경로가 형성되어 출력부 (-) 단자로 입력되는 전압이 그대로 출력부(130)로 출력된다. 도 10(B)와 같이, 부스트 컨버터는 출력부 (-) 단자, 하측 스위치, 상측 스위치, 출력부 (+) 단자로 바이패스 경로가 형성되어 출력부 (-) 단자로 입력되는 전압이 그대로 출력부(130)로 출력된다. 벅 부스트 컨버터는 도 10(C)와 같이, 출력부 (-) 단자, 제2 하측 스위치, 제2 상측 스위치, 출력부 (+) 단자로 바이패스 경로가 형성되어 출력부 (-) 단자로 입력되는 전압이 그대로 출력부(130)로 출력된다. 이때, 제1 상측 스위치는 오프되어야 하나, 제1 하측 스위치는 선택적으로 온오프될 수 있다. 제1 하측 스위치가 온인 경우, 출력부 (-) 단자, 제1 하측 스위치, 인덕터, 제2 상측 스위치, 출력부 (+) 단자로 추가적인 바이패스 경로가 형성될 수 있다.
이때, 바이패스 모드에서 상기 출력부의 (+) 단자와 (-) 단자를 연결하고, 상기 컨버터와 병렬 연결되는 스위칭소자를 포함할 수 있다. 컨버터와 바이패스부(150)를 병렬로 연결하여, 바이패스 모드를 구현할 수 있다. 컨버터와 바이패스부(150)가 각각 바이패스 경로를 형성하는바, 소자의 전류 스트레스 및 발열을 저감할 수 있다. 도 11과 같이, 벅 컨버터(A), 부스트 컨버터(B), 벅 부스트 컨버터(C)의 입출력단에 다이오드와 같은 스위칭 소자를 병렬로 연결하여 바이패스 경로를 복수로 형성할 수 있다.
적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하는 컨버터를 전력변환 모드, 입출력연결 모드, 바이패스 모드로 동작시킴에 있어서, 컨버터는, 전력변환 모드에서 제1 주기 동안 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치의 연결 상태가 적어도 한 번 이상 변경되고, 입출력연결 모드에서 상기 제1 주기 이상 상기 상측 스위치만 연결되고, 바이패스 모드에서 상기 제1 주기 이상 상기 하측 스위치가 연결될 수 있다. 상기 상측 스위치가 상기 하측 스위치와 출력단 (+) 단자 사이에 연결되는 경우, 상기 상측 스위치는 상기 바이패스 모드에서 상기 제1 주기 이상 상기 하측 스위치와 동시에 연결될 수 있다. 전력변환장치(100)가 컨버터로 구현되어 각 모드로 동작함에 있어서, 동작모드에 띠라 컨버터의 각 스위치의 동작 시간이 달라질 수 있다.
전력변환부(120), 입출력연결부(140), 바이패스부(150)가 동작하는 경우, 각각의 구성의 동작에 따라 동작하나, 컨버터가 제1 내지 제3 모드로 동작하는 경우, 각 스위치의 동작 시간이 달라진다.
전력변환 모드에서는 전력변환부(120)가 동작하여, 입력값(예를 들어, 전압 또는 전류)과 상이한 출력값을 제공한다. 예를 들어, 낮은 전류, 높은 전압을 가진 입력값을 낮은 전압, 높은 전류를 가진 출력값으로 변환할 수 있다. 반대의 경우에도 가능하다. 컨버터로 구현되는 전력변환부(120)는 스위칭 주기인 제 1 주기 내에서 상측 스위치와 하측 스위치의 도통 상태가 적어도 한 번 이상 변경된다. 여기서, 제1 주기는 가변적일 수 있다. 예를 들어, 검출된 전압, 전류, 온도 등에 따라 제1 주기가 설정될 수 있다. 제1 주기 내에서 설정된 듀티로 스위칭 동작을 수행하여 전력을 변환한다.
입출력연결 모드에서는 입출력연결부(140)가 동작하여, 입력값과 동일한 출력값을 제공한다. 예를 들어, 입력 전류와 출력 전류가 동일할 수 있다. 전력변환부(120)가 컨버터로 구현되는 경우, 컨버터가 입출력연결부(140)의 기능을 대체하거나 입출력연결부(140)와 병렬로 연결되어 동작할 수 있다. 입출력연결 모드에서 상측 스위치의 연결을 유지해야 하는바, 상측 스위치는 제 1 주기보다 긴 시간 동안 도통 상태를 유지할 수 있다.
바이패스 모드에서는 바이패스부(150)가 동작하여, 출력부의 (-) 단자와 (+) 단자 간의 전기적 경로를 제공한다. 예를 들어, PV모듈에서 입력된 전류 보다 전력회로의 출력 전류가 클 경우에 바이패스 회로는 그 차이에 해당하는 전류를 위한 도통 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, PV모듈이 고장 또는 미체결되어 전력회로에 입력 전류가 없을 때, 바이패스 회로는 출력 전류 도통 경로를 제공할 수 있다. PV모듈에 hot-spot이 발생할 때, 바이패스부(150)는 출력 전류의 우회 경로를 제공하여 PV 모듈에 흐르는 전류값을 낮추어 PV 모듈의 발열을 억제할 수 있다. 이를 통해, PV모듈이 출력 가능한 전류보다 큰 전류를 강제를 도통시키면, PV모듈의 임피던스가 증가하여 발열량이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 전력변환부(120)가 컨버터로 구현되는 경우, 컨버터가 바이패스부(150)기능을 대체하거나 바이패스부(150)와 병렬로 연결되어 동작할 수 있다. 바이패스 모드에서 출력부 (-) 단자와 (+) 단자의 연결을 유지해야 하는바, 하측 스위치는 제 1 주기 보다 긴 시간 동안 스위칭 소자의 도통 상태를 유지할 수 있다. 컨버터가 벅 컨버터인 경우, 하측 스위치만 제1 주기보다 긴 시간동안 도통을 유지하고, 컨버터가 부스트 컨버터인 상측 스위치와 하측 스위치 모두 제1 주기보다 긴 시간동안 도통을 유지하고, 컨버터가 벅 부스트 컨버터인 경우, 제2 상측 스위치와 제2 하측 스위치가 제1 주기보다 긴 시간동안 도통을 유지할 수 있다.
전력변환장치(100)는 모니터링부 또는 온도 센서 등에서 검출된 파라미터에 근거하여 동작 모드가 설정될 수 있다. 또한, 통신을 통해 외부로부터 수신된 정보에 근거하여 동작 모드가 설정될 수 있다. 필요에 따라 3가지 동작 모드 외에 추가적인 모드를 추가 사용할 수 있다. 예를 들어, 전력변환장치 보호를 위한 추가적인 모드를 사용할 수 있다. 모드 변경 시에는 과도 구간이 존재할 수 있으며, 필요에 따라 별도의 모드로 정의할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 보조전원부를 포함하는 블록도이다. 전력변환장치(200)는 적어도 하나의 상측 스위치(211) 및 적어도 하나의 하측 스위치(212)를 포함하는 컨버터(210)를 포함할 수 있고, 상기 상측 스위치(211) 및 상기 하측 스위치(212)에 구동전원을 공급하는 보조전원부(220)를 포함할 수 있다. 이때, 보조전원부(220)는, 상기 하측 스위치(212)에 구동전원을 공급하는 제1 구동전원(221)을 이용하여 상기 상측 스위치(211)의 구동전원을 공급하는 부트스트랩 회로(222)를 포함한다. 여기서, 컨버터(210)의 상측 스위치(211) 및 하측 스위치(212)에 구동전원을 공급하는 구성만을 중심적으로 설명하는 것으로, 보조전원부(220)는 컨버터(210)의 상측 스위치(211) 및 하측 스위치(212) 이외의 구성에도 보조전원을 공급할 수 있음은 당연하다.
보조전원부(220)는 컨버터(210) 상측 스위치(211) 및 하측 스위치(212)에 구동전원을 공급한다. 각 스위치는 구동전원을 입력받아 동작하는 스위칭 소자일 수 있고, 각 스위치를 동작시키기 위하여, 보조전원이 필요하다. 스위칭 소자는 Si 또는 SiC 계열의 MOSFET, GaN HEMT, IGBT 등의 반도체 스위칭 소자일 수 있다.
보조전원부(220)는 부트스트랩 회로(222)가 아닌 절연형 컨버터 등을 이용하여 상측 스위치(211)에 보조전원을 공급할 수도 있다. 이때, 보조전원부는 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. 이 경우, 상측 스위치를 하측 스위치의 동작 여부와 독립적으로 구동전원을 공급할 수 있다.
도 12의 실시예에 따른 전력변환장치(100)는 부트스트랩 회로(222)를 이용하여 간단하게 상측 스위치(211)에 구동전원을 공급할 수 있다. 이를 위하여, 보조전원부(220)는 하측 스위치(212)에 구동전원을 공급하는 제1 구동전원(221) 및 제1 구동전원(221)을 이용하여 상측 스위치(211)에 공급할 구동전원을 생성하는 부트스트랩 회로(222)를 포함한다. 상측 스위치(211) 및 하측 스위치(212)는 도 13과 같이, MOSFET으로 구현되는 경우, 게이트에 구동전압을 공급하는 게이트 드라이버(Driving circuit)에 구동전원을 공급해야 한다. 게이트 드라이버는 MCU 또는 PWM 컨트롤러 등의 제어부의 구동신호(signal)에 따라 각 스위치의 게이트에 게이트 전압을 공급한다. 여기서, 구동신호는 3.3V 또는 5V 레벨을 갖는 PWM 신호를 사용할 수 있다.
도 13과 같이, 컨버터(210)가 벅 컨버터인 경우, 하측 스위치의 경우에 소스단자가 제1 구동전원의 음극과 직접 결선될 수 있어, 구동 시에 보조전원을 직접 사용할 수 있다. 하지만, 상측 스위치의 소스단자는 제1 구동전원의 음극과 직접 결선되지 않아 게이트 드라이버가 보조전원을 직접 사용할 수 없으므로, 부트스트랩(boot-strap) 회로를 통해 이용하여 별도 구동 전원을 생성하여야 한다.
컨버터(210)가 도 14와 같이, 부스트 컨버터(A) 또는 벅 부스트 컨버터(B)인 경우에도 상측 스위치를 포함하고 있는바, 상측 스위치에 전원을 공급하기 위해 보조전원부(220)는 부트스트랩 회로를 포함할 수 있다.
부트스트랩 회로(222)는 상기 제1 구동전원(221)으로부터 전원을 입력받아 충전되는 커패시터; 및 상기 제1 구동전원(221)과 상기 커패시터 사이에 연결되는 다이오드를 포함한다. 여기서, 상기 커패시터는 상기 상측 스위치(211) 및 상기 하측 스위치(212) 사이의 노드에 연결되고, 상기 하측 스위치(212)가 턴 온되면, 상기 제1 구동전원(221), 상기 다이오드, 상기 커패시터, 및 상기 하측 스위치(212)로 연결되는 폐루프가 형성되어 상기 제1 구동전원(221)으로부터 전원을 입력받아 충전되고, 상기 하측 스위치(212)가 턴 오프되면, 상기 제1 구동전원(221)으로부터 전원을 입력받아 충전된 전원을 상기 상측 스위치(211)의 구동전원으로 공급할 수 있다.
도 15와 같이, 부트스트랩 회로(222)는 다이오드(223) 및 커패시터(224)를 포함할 수 있다. 커패시터(224)는 일단이 다이오드(223)를 통해 제1 구동전원(221)과 연결되고, 타단이 상기 상측 스위치(211) 및 상기 하측 스위치(212) 사이의 노드(225)에 연결된다. 하측 스위치(212)가 턴 온되면, 제1 구동전원(221), 다이오드(223), 커패시터(224), 및 하측 스위치(212)로 연결되는 폐루프가 형성되어 제1 구동전원(221)으로부터 전원을 입력받아 충전된다. 이때, 상측 스위치(211)는 오프되어 있는바, 커패시터(224)는 충전만 된다.
이후, 상기 하측 스위치(212)가 턴 오프되면, 하측 스위치(212)는 오픈되어 제1 구동전원(221), 다이오드(223), 커패시터(224), 및 하측 스위치(212)로 연결되는 루프가 연결해제되고, 커패시터(224), 상측 스위치(211)의 폐루프가 형성되어 커패시터(224) 충전된 전원이 방전되어 상측 스위치(211)의 구동전원으로 공급된다.
도 16과 같이, 컨버터(210)가 부스트 컨버터(A) 또는 벅-부스트 컨버터(B)에도 상측 스위치(211)의 구동전원은 이에 대응되는 하측 스위치(212)의 제1 구동전원(221) 및 부트스트랩 회로(222)를 이용하여 공급될 수 있다.
즉, 부트스트랩 회로(222)를 이용하여 상측 스위치(211)로 구동전원을 공급하기 위해선 커패시터의 충전이 이루어져야 한다. 따라서, 하측 스위치의 동작없이 상측 스위치를 지속적으로 도통시키는 것이 불가능하며, 짧은 시간이라도 하측 스위치를 도통시켜 부트스트랩의 출력 전압을 유지해야 한다.
즉, 상측 스위치(211)의 구동전원은 대응되는 하측 스위치(212)의 온오프 동작에 종속적이다. 하측 스위치(212)가 도통되는 시간이 충분히 확보되지 않으면, 부트스트랩 회로(222)를 통해 공급되는 전력이 게이트 드라이버에서 소비되는 전력 보다 적어서 충분한 전압 레벨을 유지할 수 없다. 또한, 하프 브릿지(half-bridge) 구조는 shoot-through condition이라 불리는 회로 손상을 유발할 수 있는 단락(short-circuit)을 방지하기 위해 상측 스위치(211)와 하측 스위치(212)를 동시에 턴온 시키지 않는바, 이로 인해, 부트스트랩 회로(222)를 이용하여 상측 스위치(211)의 구동전원을 생성하는 경우에 상측 스위치(211)를 연속적으로 도통 시키는데 제약이 있다.
따라서, 부트스트랩 회로(222)를 포함하는 보조전원부(220)로 구동전원을 공급받는 컨버터(210)가 입출력연결 모드로 동작하기 위해선, 상측 스위치(211)가 도통되는 제1 구간을 최대한 길게 유지하되, 하측 스위치(212)가 도통하는 제2 구간을 포함하여야 한다. 이를 통해, 제1 구간에서 컨버터(210)는 입력값과 동일한 출력값을 제공하며, 제2 구간에서 부트스트랩 회로(222)를 통해 상측 스위치(211)의 구동전원을 충전한다.
상기 컨버터(210)는 입출력연결 모드에서 상기 제1 구간과 상기 제2 구간의 비율이 제1 비율이 되도록 동작할 수 있다. 여기서, 상기 제1 비율은 상기 제1 구간이 상기 제2 구간보다 길 수 있다. 제1 비율은 컨버터(210)의 스펙에 따라 미리 설정된 값으로 설정될 수 있다. 여기서, 제2 구간의 비율은 상측 스위치(211)의 구동전원을 공급하기 위하여 커패시터(224)를 충전하기 위한 최소 비율로 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 구간은 1% 및 제1 구간이 99%로 설정될 수 있다. 또는, 제2 구간 0.1% 및 제1 구간 99.9%로 설정될 수 있다.
또한, 제1 구간과 제2 구간의 제1 비율은 가변적일 수 있다. 예를 들어, 부트스트랩 회로(222)에서 발생하는 돌입전류(inrush current)를 억제하기 위해 모드 변경시, 제1 구간과 제2 구간의 비율은 점진적으로 증가 또는 감소하도록 할 수 있다.
입출력연결 모드에서 컨버터(210)의 입력부의 전압과 컨버터(210)의 출력부의 전압의 차는 제1 임계 전압값 이하가 되도록 제1 비율을 설정할 수 있다. 제1 임계 전압값은 미리 설정되거나 사용자에 의해 설정될 수 있다. 제1 임계 전압값은 오차 범위일 수 있다. 입력부와 출력부의 전압의 차가 미리 설정된 오차 범위 내가 되도록 제1 비율을 산출하여 적용할 수 있다. 제1 비율은 시뮬레이션 또는 계산을 통해 산출되어 설정될 수 있다.
컨버터(210)는 전력변환 모드에서 상기 상측 스위치(211) 및 상기 하측 스위치(212)가 제1 주파수로 상보적으로 도통되고, 입출력연결 모드에서는 상기 상측 스위치(211) 및 상기 하측 스위치(212)가 제2 주파수로 상보적으로 도통될 수 있다.
입출력연결 모드에서 제1 구간과 제2 구간이 반복되는 제2 주파수는 전력변환 모드에서 스위칭 소자의 스위칭 주파수인 제1 주파수와 상이할 수 있다.
전력변환 모드에서 전력변환 과정에서 발생하는 전압/전류의 리플을 낮추거나, 인덕터/변압기/캐패시터와 같은 수동소자의 크기를 줄이기 위해 높은 주파수를 갖는 제1 주파수로 동작한다. 예를 들어, 제1 주파수는 사람의 가청주파수 보다 높은 20kHz 이상의 주파수를 사용할 수 있다.
반면, 입출력연결 모드에서는 전압/전류 리플 및 수동소자의 크기에 대한 제약이 적다. 따라서, 높은 주파수를 사용할 필요가 없고, 낮은 주파수는 갖는 제2 주파수로 동작할 수 있다. 제2 주파수가 낮을 수록 스위칭 소자의 온오프 과정에서 발생하는 스위칭 손실의 빈도가 감소하여, 스위칭 손실 저감에 따른 효율 상승 효과를 기대할 수 있다. 스위칭 손실 저감 효과를 충분히 확보하기 위해 제2 주파수는 제1 주파수 대비 1/4배 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수는 20kHz 내지 100kHz이고, 제2 주파수는 0.001Hz 내지 10kHz이하일 수 있다.
여기서, 상기 제2 주파수는, 컨버터의 입출력 전압, 전류, 및 온도에 따라 설정될 수 있다. 또한, 전자기적으로 발생하는 노이즈를 저감하기 위해 지터링(jittering) 기능을 사용할 수 있고, 제2 주파수는 가청주파수를 회피하기 위해 20~20kHz 이외의 주파수를 사용할 수 있다.
도 17과 같이, 입출력연결 모드(A)에서는 상측 스위치(211)를 도통하는 제1 구간이 하측 스위치(212)를 도통하는 제2 구간보다 길게 동작하고, 제1 구간과 제2 구간을 반복하는 제2 주파수가 전력변환 모드(B)의 제1 주파수보다 낮게 동작할 수 있다. 제1 구간의 비율 또한, 입출력연결 모드(A)가 전력변환 모드(B)보다 긴 것을 알 수 있다. 이와 같이, 동작 모드에 따라 다르게 동작함으로써 컨버터(210)는 다중 동작 모드로 동작할 수 있다.
도 18는 본 발명의 실시예에 따른 복수의 전력회로가 멀티레벨로 구성되는 전력변환장치의 블록도이고, 도 19 내지 도 21은 도 18의 실시예에 따른 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
복수의 전력회로(310 내지 330)가 멀티레벨로 구성되는 전력변환장치(300)의 각 전력회로(310 내지 330)에 대한 상세한 설명은 도 2 내지 도 11의 전력변환장치(100) 및 도 12 내지 도 17의 전력변환장치(200)에 대응하는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
복수의 전력회로(310 내지 330)는 멀티레벨로 구성되되, 태양광 발전 모듈을 구성하는 각각 셀 스트링과 개별 연결될 수 있다. 각각의 전력회로는 모듈 레벨 파워 일렉트로닉스(Module-Level Power Electronics, MLPE)일 수 있다. 전력변환장치는 도 19와 같이, 다른 전력변환장치들과 역시 멀티레벨로 연결되어 인버터 또는 부하로 전력을 출력할 수 있다.
복수의 전력회로(310 내지 330)는 멀티레벨을 구성하기 위하여, 캐스코드(cascode)로 연결될 수 있다. 여기서, 캐스코드는 출력단이 다단으로 연결되는 형태를 의미하며, 캐스코드 연결에 따라 전력회로의 출력단이 쌓여 멀티레벨을 구성한다. 멀티레벨은 각 전력회로의 출력신호가 하나의 신호로 합쳐져 출력되는 구조를 의미한다. 이때, 상위 레벨의 전력회로 출력단의 (-)단자가 이웃하는 하위 레벨의 전력회로 출력단의 (+) 단자와 순차적으로 연결되어, 최상위 레벨의 전력회로의 출력부터 최하위 레벨의 전력회로의 출력이 합쳐져 하나의 신호로 출력된다.
또한, 복수의 전력회로는 도 20과 같이, 하나의 태양광 발전 패널의 다수 쌍의 출력 단자와 각각 연결되어 멀티레벨을 구성할 수 있다. 이때, 전력변환장치(300)로 입력되는 입력단자는 다수 쌍이나, 멀티레벨로 구성되는 전력회로의 연결에 따라 출력단자는 단일 쌍일 수 있다.
각 전력회로(310 내지 330)는 전력변환부, 입출력연결부, 및 바이패스부를 포함하여 전력변환 모드, 입출력연결 모드, 및 바이패스 모드의 다중 동작 모드로 동작하거나, 전력변환 모드, 입출력연결 모드, 및 바이패스 모드로 동작하는 컨버터를 포함할 수 있다. 각 전력회로(310 내지 330)의 동작 모드는 독립적으로 결정된 모드를 가질 수도 있고, 경우에 따라 모두 동일한 모드로 동작할 수 있다.
복수의 전력회로(310 내지 330) 전체를 바이패스하는 바이패스경로를 멀티레벨 출력단에 생성하는 멀티레벨 바이패스부(340)를 포함할 수 있다. 각 전력회로(310 내지 330)를 개별적으로 바이패스시키는 대신, 멀티레벨 바이패스부(340)는 멀티레벨을 구성하는 복수의 전력회로 전체를 바이패스하는 경로를 생성한다.
또한, 복수의 전력회로의 각각의 입출력단을 모니터링하는 개별 모니터링부뿐만 아니라 복수의 전력회로 전체의 출력단을 모니터링하는 멀티레벨 모니터링부를 포함할 수 있다.
또한, 도 21과 같이, 복수의 전력회로(310 내지 330)에 구동전원을 각각 공급하는 보조전원부를 포함할 수 있다. 이때, 각 전력회로(310 내지 330)가 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하는 컨버터를 포함하고, 각 전력회로(310 내지 330)에 공급되는 구동전원은 하측 스위치의 구동전원이고, 부트스트랩 회로를 이용하여 상측 스위치에 구동전원을 공급할 수 있다.
각 전력회로(310 내지 330)는 벅 컨버터로 구성될 수 있고, 벅 컨버터로 전력변환 모드, 입출력연결 모드, 바이패스 모드의 기능을 구현할 수 있다. 컨버터에 포함된 각 스위칭 소자에는 구동회로가 연결되며, 구동회로는 스위칭 소자의 도통 상태를 제어한다. 하측 스위치의 구동전원은 보조 전원 회로를 통해 공급되며, 상측 스위치의 구동전원은 부트스트랩 회로를 통해 생성된다. 전력회로가 입출력연결 모드로 동작시 긴 시간 동안 상측 스위치를 도통시키는 제1 구간과 짧은 시간 동안 하측 스위치를 도통시키는 제2 구간을 포함할 수 있다. 이때, 제1 구간과 제2 구간을 반복하는 제2 주파수는 전력변환 모드에서의 스위칭 주파수인 제1 주파수보다 낮을 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 (15)

  1. 적어도 하나의 상측 스위치 및 적어도 하나의 하측 스위치를 포함하는 컨버터; 및
    상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 보조전원부를 포함하고,
    상기 보조전원부는,
    상기 하측 스위치에 구동전원을 공급하는 제1 구동전원을 이용하여 상기 상측 스위치의 구동전원을 공급하는 부트스트랩 회로를 포함하는 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부트스트랩 회로는,
    상기 제1 구동전원으로부터 전원을 입력받아 충전되는 커패시터; 및
    상기 제1 구동전원과 상기 커패시터 사이에 연결되는 다이오드를 포함하고,
    상기 커패시터는,
    상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치 사이의 노드에 연결되고,
    상기 하측 스위치가 턴 온되면, 상기 제1 구동전원, 상기 다이오드, 상기 커패시터, 및 상기 하측 스위치로 연결되는 폐루프가 형성되어 상기 제1 구동전원으로 전원을 입력받아 충전되고,
    상기 하측 스위치가 턴 오프되면, 상기 제1 구동전원으로 전원을 입력받아 충전된 전원을 상기 상측 스위치의 구동전원으로 공급하는 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치가 제1 주파수로 상보적으로 도통되는 제 1모드, 또는 상기 상측 스위치 및 상기 하측 스위치가 제2 주파수로 상보적으로 도통되는 제2 모드로 동작하고
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 상이한 젼력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 작은 전력변환장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수의 1/4 이하인 전력변환장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 20 kHz 이상인 전력변환장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 주파수는, 컨버터의 입출력 전압, 전류, 및 온도에 따라 설정되는 전력변환장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 상측 스위치가 도통하는 제1 구간 및 상기 하측 스위치가 도통하는 제2 구간을 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 제2 모드에서 상기 제1 구간과 상기 제2 구간의 비율이 제1 비율이 되도록 동작하고,
    상기 제1 비율은 상기 제1 구간이 상기 제2 구간보다 긴 전력변환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    모드 변경시, 상기 제1 구간과 상기 제2 구간의 비율은 점진적으로 변경하는 전력변환장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 모드에서 상기 컨버터의 입력부의 전압과 상기 컨버터의 출력부의 전압의 차는 제1 임계 전압값 이하인 전력변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    제1 주기 이상 상기 하측 스위치가 연결되는 제3 모드로 동작하고,
    상기 상측 스위치가 상기 하측 스위치와 출력단 (+) 단자 사이에 연결되는 경우, 상기 상측 스위치는 상기 제3 모드에서 상기 제1 주기 이상 상기 하측 스위치와 동시에 연결되는 전력변환장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨버터는 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 및 벅 부스트 컨버터 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제3 모드에서,
    상기 벅 컨버터는 하측 스위치만 연결되고, 상기 부스트 컨버터는 상측 스위치와 하측 스위치가 모두 연결되고, 상기 벅 부스트 컨버터는 출력측 상측 스위치 및 하측 스위치가 모두 연결되는 전력변환장치.
  13. 제1항에 있어서,
    제1 전압을 입력받는 입력부; 및
    상기 컨버터의 출력전압을 출력하는 출력부를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 제1 전압을 제2 전압으로 변환하는 제1 모드 또는 상기 제1 전압을 상기 출력부로 출력하는 제2 모드로 동작하고,
    상기 출력부는,
    상기 제1 모드에서 상기 제2 전압을 출력하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 전압을 출력하는 전력변환장치.
  14. 제13항에 잇어서,
    상기 컨버터는 상기 출력부에 바이패스경로를 생성하는 제3 모드로 동작하고,
    상기 출력부는 상기 제3 모드에서 출력측으로부터 입력되는 제3 전압을 출력하는 전력변환장치.
  15. 멀티레벨을 구성하는 복수의 전력회로를 포함하고,
    상기 각 전력회로는 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전력변환장치를 포함하는 멀티레벨 전력변환장치.
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