KR102322428B1 - Direct matrix converter system with input filter to prevent overcurrent - Google Patents

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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.The present invention provides a direct matrix converter including a plurality of switches electrically connected to input terminals of a plurality of phases; and an input filter provided at the input terminal to prevent burnout of the switch due to an overcurrent of the direct matrix converter, wherein the switch is connected in two directions in which a current is conducted to each phase of the input terminal in different directions. and the input filter is a control signal having no delay in switching time between a T1 waveform for controlling the switch connected to the first phase of the input terminal and a T2 waveform for controlling the switch connected to the second phase of the input terminal When is applied to the direct matrix converter, it is a CL filter that limits the short-circuit current of the direct-type matrix converter. characterized in that

Description

과전류를 방지하는 입력 필터가 구비된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템{DIRECT MATRIX CONVERTER SYSTEM WITH INPUT FILTER TO PREVENT OVERCURRENT}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.The present invention relates to a matrix converter system, and more particularly, to a direct matrix converter system to which a commutation technique for generating a control signal having no delay in switching time when current is switched.

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.An electric motor is a device that converts electrical energy into mechanical energy, and a motor drive system for driving a load consists of a power source, an electric motor, a power conversion device, and a controller. Most motor drive systems are powered from single-phase or three-phase AC power sources. At this time, the power conversion device of the driving system converts the supplied power to be suitable for the target to be driven. The power conversion device is divided into an AC/DC power conversion device, a converter, and a DC/AC power conversion device, an inverter, according to the types of input and output power. A power converter requires a DC link capacitor between the two power converters. However, the DC link capacitor increases the volume of the system and reduces the lifespan of the system. Therefore, in order to eliminate the problems caused by the DC link capacitor, the matrix converter as an AC/AC power converter was applied to the motor driving field. Matrix converters are divided into direct and indirect types according to their structure. Direct matrix converters directly convert AC input to AC output using a bidirectional switch.

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. A direct matrix converter using a two-way switch has the advantage of suppressing the harmonic current of the power supply in the motor drive system and utilizing the regenerative energy generated during deceleration of the motor. Due to these characteristics, direct matrix converters are widely used in variable speed motor drive systems and wind power generation systems.

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. However, since the direct matrix converter does not have an energy storage device, the components cannot be reliably protected in the event of a malfunction or accident of the direct matrix converter system. In addition, the bidirectional switch is composed of two unidirectional switches having opposite directions, and each unidirectional switch operates with a different switching signal. Therefore, the direct matrix converter must have a switch operation that can ensure stable operation.

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. 1 is a short circuit diagram when the direct matrix converter system 1 according to an embodiment of the present invention is short-circuited. When three switches are connected to one load phase, when two switches among the three conduct at the same time, the input voltage sources may be shorted to each other and an overcurrent may occur. 1 shows a state in which two switches (S A , S B ) connected to a power source (V 0 ) are simultaneously conducted. At this time, the S A , S B switch is configured as a bidirectional switch in which two unidirectional switches (S A1 , S A2 ) are connected in series, respectively. Overcurrent is a problem because it can exceed the rated current of the switch and cause the switch to burn out.

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. 2 is a circuit diagram when the direct matrix converter system 1 according to an embodiment of the present invention is opened. FIG. 2 is a case in which input 2 phase and output 1 phase are connected, and all three switches S A , S B , S C on one phase of the output are turned off and the current source of the load is open. The S A , S B , and S C switches of FIG. 2 are configured as bidirectional switches in which two unidirectional switches are connected in series, respectively, as in FIG. 1 . When open, since there is no freewheeling path in the circuit, an overvoltage may be applied to the switch, and the device may be destroyed beyond the rated voltage of the switch.

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. Accordingly, a plurality of switches of the direct matrix converter 30 should not be shorted or opened at the same time as in FIG. 1 or FIG. 2 . In order to prevent such a state from occurring, in the direct matrix converter 30, one of the three switches must be turned on in one phase of the load. In addition, when one phase is switched to another phase, the risk of overcurrent and overvoltage may occur. Therefore, in order to prevent the occurrence of an input-side short circuit and an output-side open circuit and secure driving stability, various current commutation techniques are used for three switches connected on a common output.

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.FIG. 3A is a circuit diagram in which two-phase input and one-phase output having a bidirectional switch are connected to the direct matrix converter 30 according to an embodiment of the present invention. The switches (S aA , S aB ) of Figure 3a are bidirectional switches connected to each phase of each input terminal, and each switch consists of a bidirectional switch in which two unidirectional switches (S aA1 , S aA2 or S aB1 , S aB2 ) are connected in series. do.

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. 3B and 3C are switching waveforms derived by applying the switching technique to the circuit of FIG. 3A. There are various switching techniques, but there are typically a method using the polarity of the output current and a method using the relative magnitude of the input voltage.

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.3B is a switching waveform derived by applying the switching method using the polarity of the output current according to the embodiment of the present invention to the circuit of FIG. 3A. Figure 3b shows the on/off state of each switch when the general four-step current switching technique is applied to Figure 3a. The switching technique using the polarity of the output current is a method of performing the switching of each switch of the bidirectional switch in each step depending on whether the output current enters the load or exits the load. This process prevents overvoltage and overcurrent from occurring. In more detail, the waveform on the left of FIG. 3b shows the output current entering the load when ia is greater than 0, and the waveform on the right side of FIG. 3b shows the direction in which the output current comes out of the load when ia is less than 0. In the 4-step current switching technique, 3 steps occur and a commutation time of t d *2 may occur.

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.3C is a switching waveform derived by applying the switching method using the relative magnitude of the input voltage to the circuit of FIG. 3A according to an embodiment of the present invention. If switching is performed using the relative magnitude of the input voltage, a freewheeling path can be secured during the switching process. In the direct matrix converter 30 , except for the switches necessary for blocking the reverse voltage, all switches S aA2 , S aB1 are turned off, and only S aA1 and S aB2 are phase-changed, which is relatively simple.

그러나, 위와 같은 종래의 절환 방식들은 다음의 문제점을 갖는다. However, the above conventional switching methods have the following problems.

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. The first problem is that the conventional switching technique cannot guarantee stable switching because a malfunction may occur due to an error in current/voltage measurement or discrimination. Accordingly, there is a problem that a switch burnout and a failure of the AC power conversion device may occur. Therefore, in the conventional switching technique, it is required to accurately determine the polarity of a voltage or current, and for this, an additional voltage or current detection circuit configuration is required.

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. The second problem is that hardware configuration for programming logic circuits such as field programmable gate array (FPGA) is additionally required to implement the switching technique. The addition of the hardware configuration increases the configuration complexity of the overall direct matrix converter system and increases the cost.

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.A third problem is that a blanking period occurs to ensure switching when switching is performed, so that the utilization rate of the direct AC power converter decreases. The blanking section also affects the generation of input/output harmonics of the power converter, thereby limiting the improvement of power quality, which is problematic.

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.On the other hand, the related prior art Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2009-0090734 (hereinafter abbreviated as 'Prior Patent') discloses a matrix converter commutation circuit that obtains AC output of multiple phases from AC input power of multiple phases.

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.Accordingly, the present applicant conducted additional research and development on an input filter, which is a component that can solve the overcurrent problem in a direct matrix converter to which a specific current commutation technique that does not generate a separate commutation time or dead time when switching a switch. . Accordingly, it was confirmed that the switch can be switched stably with a simpler structure than the prior patent.

한국공개특허 제10-2009-0090734호Korean Patent Publication No. 10-2009-0090734

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.An object of the present invention is to provide a direct matrix converter system including an input filter that does not generate overcurrent, which is a problem caused by applying a switching technique without a switching step to a direct matrix converter.

본 발명이 해결하려는 과제들은 앞에서 언급한 과제들로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the aforementioned problems. Other objects and advantages of the present invention will be more clearly understood by the following description.

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.In order to achieve the above object, the present invention provides a direct matrix converter including a plurality of switches electrically connected to input terminals of a plurality of phases; and an input filter provided at the input terminal to prevent burnout of the switch due to an overcurrent of the direct matrix converter, wherein the switch is connected in two directions in which a current is conducted to each phase of the input terminal in different directions. and the input filter is a control signal having no delay in switching time between a T1 waveform for controlling the switch connected to the first phase of the input terminal and a T2 waveform for controlling the switch connected to the second phase of the input terminal When is applied to the direct matrix converter, it is characterized in that the CL filter that limits the short-circuit current of the direct matrix converter.

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.Preferably, in the CL filter, one end of a plurality of inductors is connected in series with each phase of the input terminal, a capacitor is connected to a line branched from one end of the inductor, and the capacitor is connected in parallel with each phase of the input terminal and the inductor may be positioned between the capacitor and the direct matrix converter.

바람직하게, 상기 CL 필터는, 인덕터에 저항이 병렬로 연결될 수 있다.Preferably, in the CL filter, a resistor may be connected in parallel to an inductor.

바람직하게, 상기 입력 필터는,Preferably, the input filter comprises:

하기 [수학식 2]의 전달함수를 갖고, 상기 인덕터의 계통 인덕턴스와 상기 커패시터가 2차 저역 통과 필터로 동작할 수 있다. Having the transfer function of [Equation 2] below, the system inductance of the inductor and the capacitor may operate as a second-order low-pass filter.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020018605444-pat00001
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.However, in the above equation, G i (s) is the transfer function, i g is the power supply side current, and i M is the input current of the direct matrix converter system. R c is the equivalent series resistance, C f is the capacitor of the input filter 103 , and Lg is the power supply inductance.

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.Preferably, the CL filter may be a low-pass filter for reducing harmonic components under the condition that the inductance of the inductor is 0.1 mH to 0.5 mH, the capacitance of the capacitor is 4 μF to 20 μF, and the resistance is 5 Ω to 15 Ω.

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. According to the present invention, the direct matrix converter system to which the switching technique without the switching step is applied does not require a sensing element that separately measures or determines the current/voltage, so it is more economical and can be applied regardless of the structure of the bidirectional switch. There is this. In addition, the direct matrix converter system of the present invention that does not require a sensing element does not cause a malfunction due to an error in current/voltage measured by the sensing element, thereby ensuring stable switching.

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. Since the direct matrix converter system of the present invention does not require a separate hardware configuration to implement the switching technique, the configuration complexity is low and the cost is not additionally increased. In addition, since a blanking section for ensuring switching switching does not occur, harmonics are not affected, so there is an effect that power quality is not limited.

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. The input filter including the CL structure and gallium-nitride (GaN) device proposed by the present invention forms an input-side short circuit and an output-side open circuit to solve the problem of a direct matrix converter system that can cause overcurrent and overvoltage problems It can be solved, and harmonics can be reduced from the input filter.

따라서 본 발명의 직접형 매트릭스 컨버터 시스템은 단락 전류의 기울기를 제한하여 과전류로 인한 스위치의 소손을 방지하며, 시스템의 안정성을 높이는 효과가 있다.Therefore, the direct matrix converter system of the present invention has the effect of limiting the slope of the short-circuit current, preventing the switch from being burned out due to overcurrent, and improving the stability of the system.

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. 1 is a circuit diagram in the case of a short circuit in a direct matrix converter system according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram of an open case in a direct matrix converter system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a circuit diagram in which two input phases and one output phase having a bidirectional switch are connected in a direct matrix converter according to an embodiment of the present invention. 3B is a switching waveform derived by applying the switching method using the polarity of the output current according to the embodiment of the present invention to the circuit of FIG. 3A. 3C is a switching waveform derived by applying the switching method using the relative magnitude of the input voltage to the circuit of FIG. 3A according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a direct matrix converter system according to an embodiment of the present invention.
5 is a case in which a switching technique for generating a control signal without a delay in switching time, that is, a 'stepless current commutation technique', is applied when currents are switched between the two-phase input and the single-phase output according to an embodiment of the present invention; It is a switch circuit diagram and a switching waveform of a direct matrix converter.
6 is a circuit diagram of a conventional LC input filter applied to a direct matrix converter system.
7A is a circuit diagram of a CL filter applied to a direct matrix converter system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B is an equivalent circuit when the CL filter of FIG. 7A is short-circuited.
8A is a single-phase equivalent circuit on the power supply side of a direct matrix converter system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8B shows a frequency response of a transfer function between a current of a power supply and an input current of a direct matrix converter.
9 is a gate applied to each switch of the direct matrix converter when the direct matrix converter system is operated by the stepless current commutation method in order to verify the overcurrent prevention and harmonic component removal performance of the input filter according to the embodiment of the present invention; - This is the source voltage waveform.
10 is an input waveform ( FIG. 10A ) and an output waveform ( FIG. 10B ) of the direct matrix converter when a load connected to the direct matrix converter according to an embodiment of the present invention drives.

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.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. The same reference numerals provided in the respective drawings indicate members that perform substantially the same functions.

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.Objects and effects of the present invention can be naturally understood or made clearer by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직접형 매트릭스 컨버터 시스템(1)의 구성도를 나타낸다.4 is a block diagram of a direct matrix converter system 1 according to an embodiment of the present invention.

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. The direct matrix converter system 1 is installed between the input terminal 10 and the load 90 , and performs power conversion between the input terminal 10 and the load 90 . The direct matrix converter system 1 may include an input terminal 10 , a direct matrix converter 30 , a controller 50 , and an output filter 70 .

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. The input terminal 10 is described as an example that the power source 101 is a three-phase AC power source in the embodiment of the present invention, but the AC power source is not limited thereto. The input terminal 10 may include a power source 101 and an input filter 103 .

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. The direct matrix converter 30 may be configured with a plurality of bidirectional switches electrically connected to input terminals of a plurality of phases. The switch may be connected in two directions in which the direction of conducting current in each phase of the input terminal 10 is different from each other.

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.According to Fig. 4, which is an embodiment of the present invention, the direct matrix converter 30 is connected to the three phases R, S, and T of the input terminal 10 and the U, V, and W phases of the load 90, respectively. It can be configured as a bidirectional switch. The direct matrix converter 30 may be configured in various forms, and according to an embodiment of the present invention, the direct matrix converter 30 includes nine bidirectional switches on each of the input terminal 10 and the load 90 . It may be provided connected in parallel. The bidirectional switch may have a configuration as shown in FIG. 5A, which will be described later. That is, unidirectional switches in opposite directions may be connected in series to form a pair. It can be controlled by individually operating (on/off) the unidirectional switching elements constituting each bidirectional switch.

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.In the direct matrix converter system 1 according to an embodiment of the present invention, a specific switching technique ('stepless current commutation technique') to be described below is applied among the switching techniques that can minimize the switching loss by reducing the number of switching. may be limited to cases.

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. The controller 50 may generate a signal applied to the direct matrix converter 30 . The control unit 50 is defined for convenience of description and may be implemented by being embedded in a device such as a computer that generates a signal applied to the direct matrix converter 30 without being physically separated. In the embodiment of FIG. 4 of the present invention, a separate configuration is implemented for convenience of description.

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.When the switch of the direct matrix converter 30 is switched, the control unit 50 includes a T1 waveform for controlling a switch connected to a first phase among a plurality of phases of the input terminal 10 and a second phase of the input terminal 10 . A control signal having no delay in the switching time of the T2 waveform for controlling the connected switch may be generated and applied to the direct matrix converter 30 . The T1 waveform and the T2 waveform generated by the controller 50 according to the embodiment of the present invention do not generate a commutation time or a dead time when the current is switched. In the present specification, the current commutation technique applied to the present invention, that is, the 'stepless current commutation technique' will be described in detail below with reference to FIG. 5 .

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. The input filter 103 is provided at the input terminal 10 having a plurality of phases, and it is possible to prevent the switch from being burned out due to an overcurrent of the direct matrix converter 30 . The input filter 103 is at the switching time of the T1 waveform for controlling the switch connected to the first phase of the power supply 101 having a plurality of phases and the T2 waveform for controlling the switch connected to the second phase of the power supply 101 . When a control signal without delay is applied to the direct matrix converter 30 , it is possible to limit the short-circuit current of the direct matrix converter 30 .

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.The input filter 103 may be a CL filter 103 . The CL filter 103 is composed of an inductor and a capacitor. One end of the inductor is connected in series with each phase of the input terminal, and a capacitor is connected to a line branched from one end of the inductor, so that the capacitor may be connected in parallel with each phase of the input terminal. The inductor of the CL filter 103 may be positioned between the capacitor and the direct matrix converter to limit the short-circuit current in the event of a short circuit. The CL filter 103 may have a resistor connected to an inductor in parallel. In addition, the input filter 103 may reduce a short circuit time by using a gallium-nitride (GaN) power semiconductor device having a fast switching characteristic.

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. 5 is a case in which a switching technique for generating a control signal without a delay in switching time, that is, a 'stepless current commutation technique', is applied when currents are switched between the two-phase input and the single-phase output according to an embodiment of the present invention; Switch circuit diagram and switching waveform. Since the stepless current commutation technique allows two unidirectional switches to operate together as a pair, one switching signal is applied to one bidirectional switch signal. Also, there is no separate step when the switch is switched.

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. In more detail, FIG. 5A is a switch circuit diagram illustrating a configuration of two pairs of bidirectional switches electrically connected between an input terminal of two phases and an output terminal of a single phase. The switch of FIG. 5A may be configured as a bidirectional switch without an anti-parallel diode of a common source structure.

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. 5B is a switching waveform in which a stepless current commutation technique is applied to the switch configuration of FIG. 5A. That is, FIG. 5B is a switching waveform when the current on the output U flows through the bidirectional switch S RU and then flows through S SU . In general commutation of current, when the current flowing in a certain direction is switched by changing the direction, a commutation time is separately required or a dead time occurs when two bidirectional switches are opened at the same time. However, in the switch circuit such as the embodiment of the present invention to which the stepless current commutation technique is applied, a separate switching time or dead time does not occur.

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. Among the four switching waveforms of FIG. 5B , the upper two waveforms S RU1 and S RU2 are referred to as T1 waveforms, and the lower two waveforms S SU1 and S SU2 are referred to as T2 waveforms. At this time, the T1 waveforms of S RU1 and S RU2 are converted from on to off at the same time, and the T2 waveforms including S SU1 and S SU2 have the same time at which they are converted from off to on. In addition, the conversion time of the T1 waveform and the conversion time of the T2 waveform are the same. That is, in the embodiment of the present invention to which the stepless current commutation technique is applied, it can be seen that there is no delay in the switching time between the T1 waveform and the T2 waveform. Therefore, the stepless current commutation technique can be applied regardless of the magnitude of the input voltage, the polarity of the output current, or the structure of the bidirectional switch.

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.However, the stepless current commutation technique may cause overcurrent and overvoltage problems due to the occurrence of an input-side short circuit and an output-side open circuit. The overvoltage problem can be prevented with clamp circuits and snubber circuits used as protection circuits in conventional matrix converters. Therefore, the input filter 103 for preventing overcurrent by limiting the short-circuit current of the direct matrix converter 30 will be described.

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.6 is a circuit diagram of a conventional LC input filter applied to the direct matrix converter system 1 . According to an embodiment of the present invention, the input terminal 10 forms three phases of R, S, and T, and in the conventional LC input filter, the inductors (L fR , L fS , L fT ) are in series on each phase of the input terminal 10 . and capacitors C fR , C fS , and C fT are connected in parallel with each phase of the input terminal 10 . The capacitor is located between the inductor and the direct matrix converter 30 . The conventional LC input filter serves to prevent the switching frequency component and harmonic component generated by the switch from flowing into the load 90 . For damping and overvoltage protection, resistors R dR , R dS , R dT may be connected in parallel to the inductor, respectively. In the conventional LC filter, when the stepless current commutation method is applied to the direct matrix converter system (1), the inductor is connected in series to the power supply (101) to reduce the ripple of the DC waveform and smooth the change of the current to harmonics. components can be reduced. However, since the capacitor of the LC filter is located closer to the direct matrix converter 1 than the inductor, when all the switches are turned on, a short circuit is formed, and overcurrent cannot be prevented.

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. 7A is a circuit diagram of a CL filter 103 applied to the direct matrix converter system 1 according to an embodiment of the present invention. According to an embodiment of the present invention, the input terminal 10 forms three phases of R, S, and T, and the CL filter 103 includes inductors (L fR , L fS , L fT ) in series on each phase of the input terminal 10 . and capacitors C fR , C fS , and C fT are connected in parallel with each phase of the input terminal 10 . For damping and overvoltage protection, resistors R dR , R dS , R dT may be connected in parallel to the inductor, respectively. 6 , in the CL filter 103 according to the embodiment of the present invention, the inductor is connected in series to the power supply 101 to reduce harmonic components. Since the inductor is located between the power supply 101 and the capacitor of the input terminal 10 and the direct matrix converter 30 , it is possible to limit the slope of the current when a short circuit occurs.

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.FIG. 7B is an equivalent circuit when the CL filter 103 of FIG. 7A is short-circuited. In more detail, Figure 7b shows when the CL filter 103 according to an embodiment of the present invention is connected to the input power two phases (V Rn and V Sn ) and the common output phase (U), 2 connected to the common output phase This is an equivalent circuit when two switches are turned on at the same time and the two input power phases are short-circuited. If it is assumed that the damping resistor and the current i short before the short circuit is 0, the short circuit current can be expressed by [Equation 1].

Figure 112020018605444-pat00002
Figure 112020018605444-pat00002

위 식에서 ishort는 단락되기 전의 전류이며, VRS는 입력 전압이고, Δtshort는 단락 시간이며, LfR 및 LfS는 CL 필터(103)의 인덕터이다. In the above equation, i short is the current before short circuit, V RS is the input voltage, Δt short is the short circuit time, and L fR and L fS are the inductors of the CL filter 103 .

[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.According to [Equation 1], i short is proportional to V RS and Δt short , and is inversely proportional to L fR and L fS . Therefore, in order to limit i short to prevent overcurrent, the filter inductance should be increased or Δt short should be shortened. Therefore, in the embodiment of the present invention, a WBG device having a fast switching time can be used, and a short-circuit current can be reduced by using a GaN FET device that is a WBG device.

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. 8A is a single-phase equivalent circuit on the power supply 101 side of the direct matrix converter system 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a diagram between the current of the power supply 101 and the input current of the direct matrix converter 1 It shows the frequency response of the transfer function.

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.The input filter 103 should reduce the harmonic content as well as limit the short-circuit current. The input filter 103 has a transfer function of the following [Equation 2]. Since it can be confirmed that the harmonic component is reduced in the input filter 103 of the direct matrix converter system 1 through the single-phase equivalent circuit on the power supply 101 side, the input filter 103 is converted into a second-order low-pass filter. can work In the equivalent circuit of FIG. 8A , the inductance L gR of the power supply 101 and the parasitic resistance R dR of the capacitor of the input filter 103 are considered, and the input current i M of the direct matrix converter system 1 ) was considered as a dependent current source. The transfer function between the power supply 101 side current i g and the input current i M of the direct matrix converter system 1 may be expressed as [Equation 2].

Figure 112020018605444-pat00003
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.In the above equation, G i (s) is the transfer function, i g is the current on the power supply 101 side, and i M is the input current of the direct matrix converter system 1 . R c is the equivalent series resistance, C f is the capacitor of the input filter 103 , and Lg is the inductance of the power supply 101 .

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.For the frequency response of FIG. 8B , the value of the input filter 103 may be calculated with reference to Table 1 below. According to the embodiment of the present invention [Table 1], L is 0.2mH gR, equivalent series resistance (R c) is 5mΩ, switching frequency is the resonance frequency in a particular condition of 10kHz was measured to be lower than the switching frequency 4.1kHz. Accordingly, it can be confirmed that the harmonic component of the input current of the direct matrix converter system 1 is reduced by the CL input filter 103 .

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.However, the CL filter 103 serves as a low-pass filter to reduce harmonic components, so the inductance of the CL filter 103 is 0.1 mH to 0.5 mH, the capacitance is 4 μF to 20 μF, and the series resistance is 5 Ω to 15 Ω. have. The inductance may be set according to the short-circuit time and the magnitude of the short-circuit current of [Equation 1], and the range of 0.1 mH to 0.5 mH of the inductance is such that the voltage drop due to the inductance is within 1% of the input voltage of the power supply 101. It may be a section The range of 4 μF to 20 μF of capacitance may be a section in which the resonance frequency of the input filter 103 is set to be located at 1/3 to 1/4 of the switching frequency. The range of 5Ω to 15Ω of the series resistance may be a section set in consideration of a gain attenuation ratio at a resonant frequency in frequency response characteristics.

Figure 112020018605444-pat00004
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. 9 is a direct matrix converter ( 30) is the gate-source voltage waveform applied to each switch. The four waveforms of FIG. 9 are gate-source voltage waveforms of each switch according to the switch configuration of FIG. 5B described above. Referring to FIG. 9 , the switching waveform does not generate a separate commutation time or dead time.

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. 10 is an input waveform ( FIG. 10A ) and an output waveform ( FIG. 10B ) of the direct matrix converter system 1 when the direct matrix converter system 1 drives the connected load 90 . Referring to FIG. 10A , it can be seen that the amplitude of i MR , which is the current on the direct matrix converter system 1 side, is 5A, and thus the magnitude of the short-circuit current is limited. That is, the input filter 103 limits the short-circuit current. On the other hand, it can be seen that the current i gR of the load 90 side has an amplitude of 2A, so that a short-circuit current does not appear. That is, it can be seen that i gR has reduced harmonic components compared to the current on the direct matrix converter system 1 side.

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.Referring to FIG. 10B , the output waveform of the direct matrix converter system 1 to which the stepless commutation technique and the CL filter 103 are applied has an output voltage of 200V and an output current of 5A. It shows that voltage and current can be output.

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. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.

1: 직접형 매트릭스 컨버터 시스템
10: 입력단
101: 전원
103: 입력 필터(CL 필터)
30: 직접형 매트릭스 컨버터
50: 제어부
70: 출력 필터
90: 부하1: Direct matrix converter system
10: input
101: power
103: input filter (CL filter)
30: direct matrix converter
50: control unit
70: output filter
90: load

Claims (6)

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.

A direct matrix converter system capable of preventing overcurrent generated when a short circuit is formed, comprising:
a direct matrix converter including a plurality of switches electrically connected to input terminals of a plurality of phases; and
an input filter provided at the input terminal to prevent burnout of the switch due to overcurrent of the direct matrix converter;
The switch is
It is connected in two directions in which the direction of conducting current is different in each phase of the input terminal,
The input filter is
A control signal having no delay in switching time between the T1 waveform for controlling the switch connected to the first phase of the input terminal and the T2 waveform for controlling the switch connected to the second phase of the input terminal is transmitted to the direct matrix converter. A direct matrix converter system, characterized in that when applied, it is a CL filter that limits the short circuit current of the direct matrix converter.

 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.

The method of claim 1,
The CL filter is
One end of an inductor is connected in series with each phase of the input terminal, a capacitor is connected to a line branched from one end of the inductor, and the capacitor is connected in parallel with each phase of the input terminal,
The inductor is
and is positioned between the capacitor and the direct matrix converter.

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

3. The method of claim 2,
The CL filter is
A direct matrix converter system, characterized in that a resistor is connected in parallel to the inductor.

 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.
3. The method of claim 2,
The input filter is
A direct matrix converter system having a transfer function of the following [Equation 2], wherein the inductance of the inductor and the capacitor operate as a second-order low-pass filter.
[Equation 2]
Figure 112020018605444-pat00005

However, in the above equation, G i (s) is the transfer function, i g is the power supply side current, and i M is the input current of the direct matrix converter system. R c is the equivalent series resistance, C f is the capacitor of the input filter, and Lg is the supply inductance.
 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.
The method of claim 1,
The switch includes a WBG (Wide Band Gap) device,
The input filter direct matrix converter system, characterized in that reducing the short-circuit current in inverse proportion to the switching time of the switch.
 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.
4. The method of claim 3,
The CL filter is
A direct matrix converter system, characterized in that the inductance is 0.1 mH to 0.5 mH, the capacitance of the capacitor is 4 μF to 20 μF, and the low-pass filter is a low-pass filter for reducing harmonics under the condition that the resistance is 5 Ω to 15 Ω.
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