KR102587260B1 - AC-DC Solid-State Transformer by Using Synchronous Switched Capacitor Converter - Google Patents

AC-DC Solid-State Transformer by Using Synchronous Switched Capacitor Converter Download PDF

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원재혁
홍준희
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Abstract

동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 반도체 변압기는 입력 전원의 양단에 연결되어 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기와; 상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치와 직렬용 스위치가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치와 직렬용 스위치의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터가 연결된 형태의 동기 셀이, 직전 동기 셀의 병렬용 스위치와 직렬용 스위치의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터와 병렬용 스위치의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터와 직렬용 스위치의 접점은 병렬용 바텀 스위치를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터와 직렬용 스위치의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며, 상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와; 상기 스위치들의 온오프를 제어하는 제어부와; 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와; 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.A semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter includes a rectifier connected to both ends of the input power to rectify the supplied alternating current power into direct current power; A parallel switch and a series switch for switching the direct current power are connected in series, and a capacitor for charging and discharging the direct current power is connected to each other end of the parallel switch and the series switch, and a synchronous cell is provided in parallel with the previous synchronous cell. The contact point of the switch and the series switch is connected to the capacitor of the next synchronization cell and the contact point of the parallel switch, and the contact point of the capacitor of the previous synchronization cell and the series switch is connected to the capacitor of the next synchronization cell and the series switch via the parallel bottom switch. A plurality of synchronous switched capacitor converters are connected in cascade and connected to the contact points of and connected to the rectifier; a control unit that controls on and off of the switches; an inductance element located between the synchronous switched capacitor converter and a rectifier; It is characterized in that it consists of a load stage that outputs the output voltage (V o ) generated from the synchronous switched capacitor converter.

Description

동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기{AC-DC Solid-State Transformer by Using Synchronous Switched Capacitor Converter}AC-DC Solid-State Transformer by Using Synchronous Switched Capacitor Converter}

본 발명은 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기에 관한 것이다. The present invention relates to an alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.

통상 직류 마이크로 그리드 또는 직류 나노 그리드 시스템 구축을 위해서는 저압 직류전압버스를 만들어야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래에는 강압형 저주파 변압기를 사용하여 저압 배전 교류전압을 만든 후 후단에서 교류-직류 컨버터를 사용하여 저압 직류전압을 생성한다. 반면, 반도체 변압기 기술을 사용하면 종래의 저주파 변압기를 대체하여 더 작고 가볍게 제작할 수 있다. Typically, in order to build a DC microgrid or DC nanogrid system, a low-voltage DC voltage bus must be created. As shown in Figure 1, conventionally, a low-voltage distribution AC voltage is created using a step-down low-frequency transformer, and then an AC-DC converter is used at the rear end to generate a low-voltage DC voltage. On the other hand, using semiconductor transformer technology, it can be manufactured smaller and lighter by replacing conventional low-frequency transformers.

일반적인 반도체 변압기는 전력용 반도체 소자를 사용한다. 가장 일반적인 예로는 도 1과 같은 총 2단의 전력변환회로 형태를 갖는다. 첫 번째 단에서는 고압교류전압을 고압 직류전압으로 변환시키고 두 번째 단에서는 고압 직류전압을 절연을 담당해주는 고주파 변압기와 함께 저압 직류전압으로 변환시킨다. 고주파 변압기는 전력용 반도체의 빠른 스위칭을 통하여 실현 가능하며, 그 부피는 저주파 변압기에 비해 매우 작게 설계가 가능하다.A typical semiconductor transformer uses power semiconductor devices. The most common example has a two-stage power conversion circuit as shown in Figure 1. In the first stage, the high-voltage AC voltage is converted to high-voltage direct current voltage, and in the second stage, the high-voltage direct current voltage is converted to low-voltage direct current voltage with a high-frequency transformer in charge of insulation. High-frequency transformers can be realized through fast switching of power semiconductors, and their volume can be designed to be much smaller than low-frequency transformers.

따라서 반도체 변압기를 통하여 저압 직류전압을 생성하게 된다면 흔히 400 V 이하의 시스템으로 정의되는 다양한 형태의 DC 부하에 전력공급을 할 수 있다. 뿐만 아니라 별도의 직류-직류 컨버터 또는 직류-교류 컨버터를 사용해서 더 작은 전압을 필요로 하는 DC 부하 또는 AC 부하에 연결할 수도 있다. Therefore, if a low-voltage direct current voltage is generated through a semiconductor transformer, power can be supplied to various types of DC loads, which are commonly defined as systems below 400 V. In addition, a separate DC-DC converter or DC-AC converter can be used to connect to a DC load or AC load that requires a smaller voltage.

상기 종래 반도체 변압기의 각 컨버터는 모두 풀 브릿지(Full bridge) 타입으로 되어 있으며 각각의 모듈은 입력-직렬 출력-병렬(Input-series output-parallel, ISOP)의 형태로 이루어져 있다. 입력 측의 고압교류전압에 비해 전력반도체가 감당해야하는 전압이 너무 크기 때문에 각 모듈의 직렬 연결을 통해 전력반도체 하나가 갖는 전압 스트레스의 크기를 분배하게 된다. 출력 측은 저압 직류전압이 필요하므로 모듈을 직렬 연결할 필요성이 없으며, 오히려 출력 전류 증대의 목적으로 병렬로 연결하게 된다. Each converter of the conventional semiconductor transformer is of the full bridge type, and each module is in the form of input-series output-parallel (ISOP). Because the voltage that the power semiconductor must handle is too large compared to the high-voltage AC voltage on the input side, the magnitude of the voltage stress of one power semiconductor is distributed through the series connection of each module. Since the output side requires a low-voltage direct current voltage, there is no need to connect the modules in series; rather, they are connected in parallel for the purpose of increasing the output current.

하지만, 입력 측에서 모듈을 직렬로 연결하는 경우에는 모듈 간의 전압 및 전력 균형제어를 고려해야 한다. 각 모듈의 구성품(직류링크 캐패시턴스, 변압기 누설 인덕턴스, 스위치 및 다이오드의 기생 성분)의 설계값과 실제값의 파라미터 오차가 발생하는 경우, 각 모듈 간의 동일 성능 보장이 어려우며 제어에 있어서 불균형을 야기시킬 수 있다.However, when connecting modules in series on the input side, voltage and power balance control between modules must be considered. If there is a parameter error between the design and actual values of the components of each module (DC link capacitance, transformer leakage inductance, parasitic components of switches and diodes), it is difficult to guarantee the same performance between each module and may cause imbalance in control. there is.

본 발명은 일반적인 스위치드 캐패시터(Switched Capacitor) 타입의 회로와는 다르게 입력 측에 인덕터를 삽입하여 입력 교류 측에서 역률보상기능(Power Factor Correction, PFC)을 수행할 수 있고, 출력 측에서는 전압 게인을 정수가 아닌 유기적인 값으로 설정이 가능하며, 일반적인 다이오드 대신 동기 신호를 사용하는 스위치를 사용해서 컨버터 시스템 전체 효율을 개선할 수 있도록 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기를 제공하는 데 목적이 있다.The present invention, unlike a typical switched capacitor type circuit, inserts an inductor into the input side to perform power factor correction (PFC) on the input alternating current side, and on the output side, the voltage gain is an integer. The purpose is to provide an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter that can be set to an organic value, and can improve the overall efficiency of the converter system by using a switch that uses a synchronous signal instead of a general diode. .

본 발명의 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기는,The alternating current-direct current semiconductor transformer using the synchronous switched capacitor converter of the present invention,

입력 전원(Vin)의 양단에 연결되어, 상기 입력 전원(Vin)에서 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기(Rectifier)와; A rectifier connected to both ends of the input power (V in ) and rectifying the alternating current power supplied from the input power (V in ) into direct current power;

상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결된 형태의 동기 셀이,A parallel switch (S PT ) and a series switch (S S ) for switching the direct current power are connected in series, and DC power is charged and discharged at each other end of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ). A synchronous cell with a capacitor (C) connected,

직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 병렬용 다이오드(DP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며, The contact points of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, and the capacitor ( The contact points of C) and the series switch (S S ) are connected in plural numbers in a cascade method, which is connected to the contact point of the capacitor (C) of the next synchronization cell and the serial switch (S S ) through the parallel diode (D PB ). It comes true,

상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와;a synchronous switched capacitor converter connected to the rectifier;

상기 각 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 온오프를 제어하는 제어부와;a control unit that controls on and off of the parallel switch (S PT ) and the serial switch (S S ) of each synchronous cell;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과, 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와;an inductance element located between the contact point of the capacitor (C) of the first synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and the parallel switch (S PT ), and a rectifier;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 마지막 동기 셀의 커패시터(C) 양측에 연결되어 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0);으로 이루어진 것을 특징으로 한다. It is characterized by consisting of a load terminal (R 0 ) connected to both sides of the capacitor (C) of the last synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and outputting the output voltage (V o ) generated by the synchronous switched capacitor converter.

본 발명의 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기는,The alternating current-direct current semiconductor transformer using the synchronous switched capacitor converter of the present invention,

입력 전원(Vin)의 양단에 연결되어, 상기 입력 전원(Vin)에서 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기(Rectifier)와; A rectifier connected to both ends of the input power (V in ) and rectifying the alternating current power supplied from the input power (V in ) into direct current power;

상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결된 형태의 동기 셀이,A parallel switch (S PT ) and a series diode ( DS ) for switching the direct current power are connected in series, and DC power is charged and discharged at each other end of the parallel switch (S PT ) and the series diode ( DS ). A synchronous cell with a capacitor (C) connected,

직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며, The contact points of the parallel switch (S PT ) and the series diode ( DS ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, and the capacitor ( The contact points of C) and the serial diode ( DS ) are connected in a cascade manner, connecting to the contact points of the capacitor (C) and the serial diode ( DS ) of the next synchronization cell through the parallel bottom switch (S PB ). It is accomplished,

상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와;a synchronous switched capacitor converter connected to the rectifier;

상기 각 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프를 제어하는 제어부와;a control unit that controls on and off of the parallel switch (S PT ) and the parallel bottom switch (S PB ) of each synchronous cell;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과, 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와;an inductance element located between the contact point of the capacitor (C) of the first synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and the parallel switch (S PT ), and a rectifier;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 마지막 동기 셀의 커패시터(C) 양측에 연결되어 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0); 으로 이루어진 것을 특징으로 한다. A load terminal (R 0 ) connected to both sides of the capacitor (C) of the last synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter to output the output voltage (V o ) generated by the synchronous switched capacitor converter; It is characterized by consisting of.

본 발명의 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기는,The alternating current-direct current semiconductor transformer using the synchronous switched capacitor converter of the present invention,

입력 전원(Vin)의 양단에 연결되어, 상기 입력 전원(Vin)에서 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기(Rectifier)와; A rectifier connected to both ends of the input power (V in ) and rectifying the alternating current power supplied from the input power (V in ) into direct current power;

상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결된 형태의 동기 셀이,A parallel switch (S PT ) and a series switch (S S ) for switching the direct current power are connected in series, and DC power is charged and discharged at each other end of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ). A synchronous cell with a capacitor (C) connected,

직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며, The contact points of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, and the capacitor ( The contact points of C) and the serial switch (S S ) are connected in plural numbers in a cascade method, which is connected to the contact point of the capacitor (C) of the next synchronization cell and the serial switch (S S ) via the parallel bottom switch (S PB ). It is accomplished,

상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와;a synchronous switched capacitor converter connected to the rectifier;

상기 각 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T), 직렬용 스위치(SS)와 병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프를 제어하는 제어부와;a control unit that controls on and off of the parallel switch (S PT ), the serial switch (S S ), and the parallel bottom switch (S PB ) of each synchronous cell;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과, 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와;an inductance element located between the contact point of the capacitor (C) of the first synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and the parallel switch (S PT ), and a rectifier;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 마지막 동기 셀의 커패시터(C) 양측에 연결되어 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0); 으로 이루어진 것을 특징으로 한다. A load terminal (R 0 ) connected to both sides of the capacitor (C) of the last synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter to output the output voltage (V o ) generated by the synchronous switched capacitor converter; It is characterized by consisting of.

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 3개 이상의 동기 셀로 이루어지는 것이 바람직하다. The synchronous switched capacitor converter preferably consists of three or more synchronous cells.

상기 제어부는 입력 전원(Vin)의 위상신호에 근거한 듀티 비(duty ratio)로 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내의 동기 셀을 스위칭하는 것이 바람직하다.The control unit preferably switches the synchronous cells in the synchronous switched capacitor converter with a duty ratio based on the phase signal of the input power (V in ).

상기 정류기는 3상4선식 입력 전원에 각 상 별로 연결되는 것이 바람직하다. The rectifier is preferably connected to a three-phase, four-wire input power supply for each phase.

3상4선식 입력 전원에 연결되는 정류기는 각 브릿지의 상하에 복수 개의 다이오드가 직렬연결된 것이 바람직하다. The rectifier connected to the three-phase, four-wire input power supply preferably has multiple diodes connected in series above and below each bridge.

상기 입력 전원이 3상 3선식인 경우, 정류기는 3상 다이오드 정류기인 것이 바람직하다. When the input power is a three-phase, three-wire type, the rectifier is preferably a three-phase diode rectifier.

상기 병렬용 스위치(SP-T), 직렬용 스위치(SS)의 온오프 제어는 다음 수학식에 의한 관계를 갖는 것이 바람직하다. It is preferable that the on-off control of the parallel switch (S PT ) and the serial switch (S S ) have a relationship according to the following equation.

상기 병렬용 스위치(SP-T), 병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프 제어는 다음 수학식에 의한 관계를 갖는 것이 바람직하다. The on-off control of the parallel switch (S PT ) and the parallel bottom switch (S PB ) preferably has a relationship according to the following equation.

본 발명에 의하면, 일반적인 스위치드 캐패시터(Switched Capacitor) 타입의 회로와는 다르게 입력 측에 인덕터를 삽입하여 입력 교류 측에서 역률보상기능(Power Factor Correction, PFC)을 수행할 수 있고, 출력 직류 측에서는 전압 게인을 정수가 아닌 유기적인 값으로 설정이 가능하며, 일반적인 다이오드 대신 동기 신호를 사용하는 스위치를 사용해서 컨버터 시스템 전체 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, unlike a typical switched capacitor type circuit, a power factor correction (PFC) function can be performed on the input alternating current side by inserting an inductor on the input side, and a voltage gain can be achieved on the output direct current side. can be set to an organic value rather than an integer, and the overall efficiency of the converter system can be improved by using a switch that uses a synchronous signal instead of a general diode.

본 발명에 의하면, 벅 컨버터 타입으로 동작하므로 출력전압을 입력전압에 비해 낮출 수 있으므로 나노 그리드 단위(kW 전력단위 이내)에서는 불필요한 승압 단계가 필요 없다는 효과가 있다.According to the present invention, since it operates as a buck converter type, the output voltage can be lowered compared to the input voltage, which has the effect of eliminating the need for an unnecessary boosting step in nano-grid units (within kW power units).

본 발명에 의하면, 사용하려는 입력 교류전압 뿐 아니라 형성하려는 출력 직류 전압도 필요한 스펙에 따라 자유롭게 조절 가능(연결하는 셀 개수 조절 및 전압제어기의 피드백 제어)하므로 추가적인 별도의 직류-직류 컨버터가 필요하지 않으므로, 시스템을 간단하게 구축할 수 있고 설치 면적과 부피도 줄일 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, not only the input AC voltage to be used but also the output DC voltage to be formed can be freely adjusted according to the required specifications (adjusting the number of cells to be connected and feedback control of the voltage controller), so an additional separate DC-DC converter is not required. , the system can be constructed simply and has the effect of reducing the installation area and volume.

본 발명에 의하면 과부하, 과전류, 단락전류에 상황에 있어서 매우 빠른 응답속도로 시스템과 전력망 사이를 차단시켜 전력망에 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to secure the stability of the power grid by blocking the connection between the system and the power grid with a very fast response speed in situations of overload, overcurrent, and short circuit current.

도 1은 종래의 변압기를 사용하는 고압교류-저압직류 변환 시스템을 나타낸 도.
도 2는 본 발명에 따른 동기 셀의 여러 형태를 나타낸 도.
도 3 내지 도 5는 본 발명 실시예들에 따른 교류-직류 반도체 변압기들을 나타낸 도.
도 6은 본 발명 일 실시예에 따른 각 모드 별 등가회로를 나타낸 도.
도 7은 본 발명 일 실시예에 따른 각 모드 별 스위치 온-오프 상태를 나타낸 도.
도 8은 본 발명 일 실시예에 따른 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 작동을 위한 보조전원장치 및 게이팅 신호 블록 다이어그램을 나타낸 도.
도 9은 본 발명 일 실시예에 따른 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 제어를 위한 게이팅 신호를 나타낸 도.
도 10은 본 실시예에 따른 입력교류 3상 시스템(3상3선식)에서 제 1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 나타낸 도.
도 11은 본 실시예에 따른 고압 입력교류 3상 시스템(3상4선식)에서 교류-직류 반도체 변압기 및 절연형 직류-직류 컨버터의 출력을 병렬로 연결하는 예시를 나타낸 도.Figure 1 is a diagram showing a high-voltage alternating current-low-voltage direct current conversion system using a conventional transformer.
Figure 2 is a diagram showing various types of synchronous cells according to the present invention.
3 to 5 are diagrams showing alternating current-direct current semiconductor transformers according to embodiments of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing an equivalent circuit for each mode according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing switch on-off states for each mode according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a block diagram showing an auxiliary power supply and gating signal for operation of a synchronous switched capacitor converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing a gating signal for controlling a synchronous switched capacitor converter according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the first synchronous switched capacitor converter in the input AC 3-phase system (3-phase 3-wire type) according to this embodiment.
Figure 11 is a diagram showing an example of connecting the outputs of an AC-DC semiconductor transformer and an insulated DC-DC converter in parallel in a high-voltage input AC 3-phase system (3-phase 4-wire type) according to this embodiment.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 실시예는 부피가 크고 무겁고 큰 설치면적을 요구하는 50 Hz/60 Hz 전력 변압기를 대체할 수 있는 반도체 변압기(Solid-state transformer, SST)에 대한 것이다.This embodiment relates to a solid-state transformer (SST) that can replace 50 Hz/60 Hz power transformers that are bulky, heavy, and require a large installation area.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 마이크로 그리드(Micro-grid) 또는 나노 그리드(Nano-grid) 시스템에서 고압 교류전압(Medium voltage AC > 1 kV 이상)에 접속 할 수 있고, 고압의 교류전압에 비해 상대적으로 낮은 저압 직류전압(Low voltage DC)를 만들어 낼 수 있다. The semiconductor transformer according to this embodiment can be connected to high-voltage AC voltage (Medium voltage AC > 1 kV or more) in a micro-grid or nano-grid system, and has a relative voltage compared to high-voltage AC voltage. It is possible to produce low voltage DC.

본 실시예에 따른 반도체 변압기에 적용되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 모듈러 멀티레벨의 타입이므로 모듈(동기 셀)의 개수를 조정함으로써 입력 교류 전압의 레벨에 상관없이 전력망에 유기적으로 연결할 수 있다. 동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 고압뿐 아니라 사용자가 쓰는 상용전압 (220 V/380 V)에서도 저압의 직류전압을 공급하는데 유용하게 사용할 수 있다.Since the synchronous switched capacitor converter applied to the semiconductor transformer according to this embodiment is a modular multi-level type, it can be organically connected to the power grid regardless of the level of the input alternating voltage by adjusting the number of modules (synchronous cells). Synchronous switched capacitor converters can be useful for supplying low-voltage direct current voltage not only at high voltage but also at the commercial voltage used by the user (220 V/380 V).

본 실시예에 의하면 스위치드 캐패시터 회로를 사용하면서 역률보상기능을 갖는 교류-직류 컨버터를 제공한다. 교류-직류 컨버터는 직류전압을 강압시켜 2차단에 연결되는 절연형 직류-직류 컨버터에서 사용하는 소자의 전압 스트레스를 줄일 수 있다.According to this embodiment, an AC-DC converter having a power factor correction function while using a switched capacitor circuit is provided. The AC-DC converter can reduce the voltage stress of the elements used in the isolated DC-DC converter connected to the secondary circuit by stepping down the DC voltage.

동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 반도체 변압기에 적용시키는 경우, 다양한 입력 교류 배전 전압(각 나라별, 배전단의 위치와 규정에 따라 그 크기가 상이함)의 크기에 맞게 자유롭게 동기 셀의 개수를 설정할 수 있으며 시스템의 요구 사항에 따라 원하는 출력 직류 전압을 만들어 낼 수 있다.When applying a synchronous switched capacitor converter to a semiconductor transformer, the number of synchronous cells can be freely set according to the size of various input AC distribution voltages (the size varies depending on the location and regulations of the distribution stage in each country) and the system The desired output direct current voltage can be produced according to the requirements.

동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 배전 전압을 승압하는 대신 강압하기 때문에 상대적으로 낮은 고압의 직류링크를 사용하므로써 안전성을 확보할 수 있다. 동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 동기 셀의 개수에 따라 각 전력스위치와 캐패시터 소자 양단에 걸리는 전압을 설정할 수 있으므로 시스템의 요구 사항에 대응하기 적절하다. Since the synchronous switched capacitor converter steps down the distribution voltage instead of boosting it, safety can be ensured by using a relatively low high voltage direct current link. The synchronous switched capacitor converter is suitable for responding to system requirements because it can set the voltage applied across each power switch and capacitor element depending on the number of synchronous cells.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 동기 셀의 형태에 무관하게 스위치드 커패시터 내의 다수의 커패시터의 전압은 마지막 전압의 피드백-루프 제어만으로 충분히 균등제어가 가능하다. 이를 위해서는 마지막 동기 셀 커패시터의 전압 측정을 위해 전압센서 및 주변회로가 필요할 수 있다. 균등제어는 위상천이 제어에서 입력전압에 따라 직렬-병렬의 조합이 결정되는데 이때의 특정 모드에서 각 커패시터를 순차적으로 병렬 연결해주는 모드가 반복됨으로써 수행된다.In the semiconductor transformer according to this embodiment, regardless of the type of synchronous cell, the voltages of multiple capacitors in the switched capacitor can be sufficiently uniformly controlled only by feedback-loop control of the last voltage. This may require a voltage sensor and peripheral circuitry to measure the voltage of the last synchronization cell capacitor. In phase shift control, equalization control determines the series-parallel combination depending on the input voltage, and is performed by repeating the mode of sequentially connecting each capacitor in parallel in a specific mode.

본 실시예에 따른 반도체 변압기의 입력단에는 다이오드 방식의 정류기가 구비되어 단방향 전력제어만 가능하며 전력스위치가 사용되지 않아 시스템 구현이 간편하다. 역방향의 전류가 차단되므로 전력 운영에 안정성이 확보되며, 수백W-수kW 수준의 나노 그리드 시스템에서는 잉여되는 전력량이 크지 않기 때문에 역방향 전력제어를 필요로 하지 않는다.The input terminal of the semiconductor transformer according to this embodiment is equipped with a diode-type rectifier, enabling only one-way power control, and no power switch is used, making system implementation simple. Since reverse current is blocked, stability in power operation is ensured, and reverse power control is not required because the amount of surplus power is not large in a nano grid system of hundreds of W to several kW.

본 실시예에 따른 반도체 변압기에 포함된 스위치드 커패시터 컨버터의 동기 셀의 개수는 연결하고자 하는 교류 입력 전압과 출력해야하는 직류 출력 전압의 크기에 맞게 3개 이상으로 설정할 수 있으며, 요구되는 효율 및 부피 사항에 맞게 도 2 에 도시된 여러가지 형태의 동기 셀을 적절히 조합 가능하다.The number of synchronous cells of the switched capacitor converter included in the semiconductor transformer according to this embodiment can be set to three or more according to the size of the AC input voltage to be connected and the size of the DC output voltage to be output, and can be set to three or more according to the required efficiency and volume. Various types of synchronization cells shown in FIG. 2 can be appropriately combined.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 역률보상제어를 구현함에 있어서 입력전압과 입력전류의 정보를 얻기 위해 단상 기준 각 한 개의 전류, 전압센서가 필요하며, 이를 통해 과전압과 과전류 상황에서 보호동작에도 활용할 수 있다.In implementing power factor compensation control, the semiconductor transformer according to this embodiment requires one current and voltage sensor on a single-phase basis to obtain information on the input voltage and input current, and this can be used for protection operations in overvoltage and overcurrent situations. there is.

본 실시예에 따른 반도체 변압기 내의 동기 셀의 커패시터와 스위치의 전압사양은 입력 교류 전압의 피크값을 동기 셀의 개수로 나누어서 선정할 수 있다.The voltage specifications of the capacitor and switch of the synchronous cell in the semiconductor transformer according to this embodiment can be selected by dividing the peak value of the input alternating voltage by the number of synchronous cells.

본 실시예에 따른 반도체 변압기 내의 단상 교류 입력전압이 220V인 경우 피크 전압은 311V로 형성되며 3개의 셀을 사용하는 경우 커패시터 전압은 대략 100V로 형성되고 200 V 정도의 일반적인 Si-MOSFET 표준품을 사용할 수 있다.If the single-phase AC input voltage in the semiconductor transformer according to this embodiment is 220V, the peak voltage is formed at 311V, and when three cells are used, the capacitor voltage is formed at approximately 100V, and a general Si-MOSFET standard product of about 200 V can be used. there is.

본 실시예에 따른 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 동기 셀의 형태들은 도 2에 도시된 바와 같다. 시스템의 효율, 크기, 회로의 복잡성, 가격 등을 고려하여 제안한 셀 중에 선택하여 전체 컨버터 회로를 설계 가능하다. The shapes of synchronous cells of the synchronous switched capacitor converter according to this embodiment are as shown in FIG. 2. The entire converter circuit can be designed by selecting among the proposed cells considering system efficiency, size, circuit complexity, and price.

도 2(a)의 동기 셀(점선 부분)은 상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결되어 있다. In the synchronous cell (dotted line portion) of FIG. 2(a), a parallel switch (S PT ) and a series switch (S S ) for switching the DC power are connected in series, and a parallel switch (S PT ) and a series switch are connected in series. A capacitor (C) that charges and discharges direct current power is connected to each other terminal of (S S ).

도 2(a)의 동기 셀은 다음과 같은 캐스케이드(Cascade) 방식으로 복수 개 연결된다. A plurality of synchronization cells in FIG. 2(a) are connected in the following cascade method.

도 3을 참조하면, 직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 병렬용 다이오드(DP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점과 연결되는 형태의 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 있다. Referring to Figure 3, the contact points of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, The contact point of the capacitor (C) of the previous synchronization cell and the series switch (S S ) is connected to the contact point of the capacitor (C) of the next synchronization cell and the series switch (S S ) via the parallel diode (D PB ). A plurality of them are connected in a cascade manner.

즉, 첫번째 동기 셀(210)의 병렬용 스위치(SP-T,1)와 직렬용 스위치(SS,1)의 접점은 두번째 동기 셀(220)의 커패시터(C2)와 병렬용 스위치(SP-T,2)의 접점과 연결되며, 첫번째 동기 셀(210)의 커패시터 (C1)와 직렬용 스위치(SS,1)의 접점은 병렬용 다이오드(DP-B,1)를 거쳐 두번째 동기 셀(220)의 커패시터 (C2)와 직렬용 스위치(SS,2)의 접점과 연결되게 된다. That is, the contact point of the parallel switch (S PT,1 ) and the serial switch (S S,1 ) of the first synchronization cell 210 is connected to the capacitor (C 2 ) of the second synchronization cell 220 and the parallel switch (S PT) . ,2 ), and the contact points of the capacitor (C 1 ) of the first synchronization cell 210 and the serial switch (S S,1 ) are for parallel use. It is connected to the contact point of the capacitor (C 2 ) of the second synchronization cell 220 and the serial switch (S S,2 ) via the diode (D PB,1 ).

이와 같은 형태로 연결된 복수의 동기 셀을 제 1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터라 부르기로 한다. A plurality of synchronous cells connected in this manner will be referred to as a first synchronous switched capacitor converter.

제 1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. The first synchronous switched capacitor converter will be described in more detail as follows.

도 3의 제 1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫 번째 동기 셀(210)은 캐패시터(C1), 병렬용 스위치(SP-T,1), 직렬용 스위치(SS,1)를 포함한다. The first synchronous cell 210 of the first synchronous switched capacitor converter of FIG. 3 includes a capacitor (C 1 ), a parallel switch (S PT , 1 ), and a series switch (S S,1 ).

캐패시터(C1)의 일단은 인덕턴스 소자(L)의 타단과 병렬용 스위치(SP-T,1)의 전류 인입단과의 접점에 연결된다. 캐패시터(C1)의 타단은 직렬용 스위치 (SS,1)의 전류 인출단에 연결된다.One end of the capacitor (C 1 ) is connected to a contact point between the other end of the inductance element (L) and the current inlet terminal of the parallel switch (S PT ,1). The other end of the capacitor (C 1 ) is connected to the current withdrawal terminal of the series switch (S S,1 ).

병렬용 스위치(SP-T,1)의 전류인입단은 캐패시터(C1)의 일단과 인덕턴스 소자(L)의 타단의 접점에 연결된다. 병렬용 스위치(SP-T,1)의 제어 입력단은 제어부에 연결된다. 병렬용 스위치(SP-T,1)의 전류 인출단은 직렬용 스위치(SS,1)의 전류 인입단에 연결된다.The current input terminal of the parallel switch (S PT , 1 ) is connected to the contact point of one end of the capacitor (C 1 ) and the other end of the inductance element (L). The control input terminal of the parallel switch (S PT , 1 ) is connected to the control unit. The current output terminal of the parallel switch (S PT , 1 ) is connected to the current input terminal of the series switch (S S,1 ).

직렬용 스위치(SS,1)의 전류 인입단은 병렬용 스위치(SP-T,1)의 전류인출단에 연결된다. 직렬용 스위치(SS,1)의 제어 입력단은 제어부에 연결된다. 직렬용 스위치 (SS,1)의 전류인출단은 캐패시터(C1)의 타단에 연결된다.The current input terminal of the series switch (S S,1 ) is connected to the current output terminal of the parallel switch (S PT , 1 ). The control input terminal of the serial switch (S S,1 ) is connected to the control unit. The current draw terminal of the series switch (S S,1 ) is connected to the other terminal of the capacitor (C 1 ).

제1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내에서 연결되는 첫 번째 동기 셀(210)과 두 번째 동기셀(220)은 병렬용 다이오드(DP-B,1)를 이용하여 연결된다.The first synchronization cell 210 and the second synchronization cell 220 connected within the first synchronous switched capacitor converter are connected using a parallel diode (D PB , 1 ).

병렬용 다이오드(DP-B,1)의 캐소드는 직렬용 스위치(SS,1)의 전류인출단과 캐패시터(C1)의 타단의 접점에 연결된다. 병렬용 다이오드(DP-B,1)의 애노드(Anode)는 제1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내에서 연결되는 두 번째 동기셀(220)의 일단에 연결되는 구조를 갖는다.The cathode of the parallel diode (D PB , 1 ) is connected to the current draw terminal of the series switch (S S, 1 ) and the contact point of the other end of the capacitor (C 1 ). The anode of the parallel diode (D PB , 1 ) has a structure connected to one end of the second synchronous cell 220 connected within the first synchronous switched capacitor converter.

이와 같은 방식으로 연결된 마지막 동기 셀, 즉 n 번째 동기 셀은 병렬용 다이오드(DP-B,n-1)를 이용하여 n-1 번째 동기 셀과 연결된다.The last synchronization cell connected in this way, that is, the nth synchronization cell, is connected to the n-1th synchronization cell using a parallel diode (D PB , n-1 ).

병렬용 다이오드(DP-B,n-1)의 캐소드는 n-1 번째 동기 셀(도시되지 않음)의 직렬용 스위치 (Ss,n-1)의 전류인출단과 캐패시터(Cn-1)의 타단의 접점에 연결된다. 병렬용 다이오드(DP-B,n-1)의 애노드는 n 번째 동기 셀의 캐패시터(Cn)의 일단에 연결되는 구조를 갖는다.The cathode of the parallel diode (D PB , n-1 ) is connected to the current draw terminal of the series switch (S s,n-1 ) of the n-1th synchronous cell (not shown) and the other end of the capacitor (C n-1 ). connected to the contact point of The anode of the parallel diode (D PB , n-1 ) has a structure connected to one end of the capacitor (C n ) of the n-th synchronization cell.

n 번째 동기셀(240)은 캐패시터(Cn), 병렬용 스위치(SP-T,n), 직렬용 스위치 (Ss,n)를 포함한다.The n-th synchronous cell 240 includes a capacitor (C n ), a parallel switch (S PT,n ), and a series switch (S s,n ).

제 n 캐패시터(C3)의 일단은 제 n-1 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T,n-1)의 전류인출단과 직렬용 스위치(Ss,n-1)의 전류인입단의 접점, 병렬용 스위치(SP-T,n)의 전류인입단에 연결된다. 캐패시터(Cn)의 타단은 직렬용 스위치(SS,n)의 전류인출단과 병렬용 다이오드(DP-B,n-1)의 애노드에 연결된다.One end of the n-th capacitor (C 3 ) is a contact point between the current output terminal of the parallel switch (S PT , n-1 ) of the n-1 synchronous cell and the current incoming terminal of the series switch (S s,n-1 ), It is connected to the current input terminal of the parallel switch (S PT ,n). The other end of the capacitor (C n ) is connected to the current draw terminal of the series switch (S S,n ) and the anode of the parallel diode (D PB , n-1 ).

병렬용 스위치(SP-T,n)의 전류인입단은 캐패시터(Cn)의 일단과, 제 n-1 동기 셀의 병렬용 스위치 (SP-T,n-1)의 전류인출단과 직렬용 스위치(Ss,n-1)의 전류인입단의 접점에 연결된다. 병렬용 스위치(SP-T,n)의 제어입력단은 제어부에 연결된다. 병렬용 스위치 (SP-T,n)의 전류인출단은 직렬용 스위치(Ss,n)의 전류 인입단에 연결된다.The current input terminal of the parallel switch (S PT , n ) is one end of the capacitor (C n ), and the current output terminal of the parallel switch (S PT , n-1 ) of the n-1 synchronous cell and the series switch (S It is connected to the contact point of the current input terminal (s,n-1 ). The control input terminal of the parallel switch (S PT , n ) is connected to the control unit. The current output terminal of the parallel switch (S PT , n ) is connected to the current incoming terminal of the series switch (S s,n ).

직렬용 스위치(Ss,n)의 전류인입단은 병렬용 스위치(SP-T,n)의 전류인출단에 연결된다. 직렬용 스위치(Ss,n)의 제어입력단은 제어부에 연결된다. 직렬용 스위치 (Ss,n)의 전류인출단은 캐패시터(Cn)의 타단에 연결된다.The current incoming terminal of the series switch (S s, n ) is connected to the current output terminal of the parallel switch (S PT , n ). The control input terminal of the serial switch (S s,n ) is connected to the control unit. The current draw terminal of the series switch (S s,n ) is connected to the other terminal of the capacitor (C n ).

도 2(b)의 동기 셀(점선 부분)은 상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결되어 있다. In the synchronous cell (dotted line portion) of FIG. 2(b), a parallel switch (S PT ) and a series diode ( DS ) for switching the DC power are connected in series, and a parallel switch (S PT ) and a series diode are connected in series. A capacitor (C) that charges and discharges direct current power is connected to each other terminal of (D S ).

도 2(b)의 동기 셀은 다음과 같은 캐스케이드(Cascade) 방식으로 복수 개 연결된다. A plurality of synchronous cells in FIG. 2(b) are connected in the following cascade method.

도 4를 참조하면, 직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 있다. Referring to Figure 4, the contact point of the parallel switch (S PT ) and the series diode (D S ) of the previous synchronization cell is connected to the contact point of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, The contact point of the capacitor (C) of the previous synchronization cell and the serial diode ( DS ) is connected to the contact point of the capacitor (C) and the series diode ( DS ) of the next synchronization cell through the parallel bottom switch (S PB ). Multiple units are connected in cascade.

즉, 첫번째 동기 셀(310)의 병렬용 스위치(SP-T,1)와 직렬용 다이오드(DS,1)의 접점은 두번째 동기 셀(320)의 커패시터(C2)와 병렬용 스위치(SP-T,2)의 접점과 연결되며, 첫번째 동기 셀(310)의 커패시터 (C1)와 직렬용 다이오드(DS,1)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B,1)를 거쳐 두번째 동기 셀(320)의 커패시터 (C2)와 직렬용 직렬용 다이오드(DS,2)의 접점과 연결되게 된다. That is, the contact point of the parallel switch (S PT,1 ) and the series diode (D S,1 ) of the first synchronization cell 310 is connected to the capacitor (C 2 ) of the second synchronization cell 320 and the parallel switch (S PT) . ,2 ), and the contact point of the capacitor (C 1 ) and the serial diode (D S,1 ) of the first synchronization cell 310 is connected to the second synchronization cell (S PB,1) via the parallel bottom switch (S PB,1 ). It is connected to the contact point of the capacitor (C 2 ) of 320) and the series diode (D S,2 ).

이와 같은 형태로 연결된 복수의 동기 셀을 제 2 동기 스위치드 캐패시터 컨버터라 부르기로 한다. A plurality of synchronous cells connected in this manner will be referred to as a second synchronous switched capacitor converter.

도 2(c)의 동기 셀(점선 부분)은 상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결되어 있는 점에서 도 2(a)의 동기 셀과 동일하다. In the synchronous cell (dotted line portion) of FIG. 2(c), a parallel switch (S PT ) and a series switch (S S ) for switching the DC power are connected in series, and a parallel switch (S PT ) and a series switch are connected in series. It is the same as the synchronous cell in FIG. 2(a) in that a capacitor (C) that charges and discharges direct current power is connected to each other end of (S S ).

도 5를 참조하면, 직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 있다. Referring to Figure 5, the contact point of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ) of the previous synchronization cell is connected to the contact point of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, The contact point of the capacitor (C) of the previous synchronization cell and the serial switch (S S ) is connected to the contact point of the capacitor (C) of the next synchronization cell and the serial switch (S S ) via the parallel bottom switch (S PB ). Multiple units are connected in cascade.

즉, 첫번째 동기 셀(410)의 병렬용 스위치(SP-T,1)와 직렬용 스위치(SS,1)의 접점은 두번째 동기 셀(420)의 커패시터(C2)와 병렬용 스위치(SP-T,2)의 접점과 연결되며, 첫번째 동기 셀(410)의 커패시터 (C1)와 직렬용 스위치(SS,1)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B,1)를 거쳐 두번째 동기 셀(420)의 커패시터 (C2)와 직렬용 스위치(SS,2)의 접점과 연결되게 된다. That is, the contact point of the parallel switch (S PT,1 ) and the serial switch (S S,1 ) of the first synchronization cell 410 is connected to the capacitor (C 2 ) of the second synchronization cell 420 and the parallel switch (S PT) . ,2 ), and the contact point of the capacitor (C 1 ) of the first synchronization cell 410 and the serial switch (S S,1 ) is connected to the second synchronization cell (S PB,1) via the parallel bottom switch (S PB,1 ). 420) is connected to the capacitor (C 2 ) and the contact point of the series switch (S S,2 ).

이와 같은 형태로 연결된 복수의 동기 셀을 제 3 동기 스위치드 캐패시터 컨버터라 부르기로 한다. A plurality of synchronous cells connected in this manner will be referred to as a third synchronous switched capacitor converter.

도 4,5의 제 2,3 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하더라도, 도 3의 제 1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에 대한 설명에 따라 컨버터 회로의 각 구조는 명확히 이해될 수 있을 것이다. Even if a detailed description of the second and third synchronous switched capacitor converters of FIGS. 4 and 5 is omitted, each structure of the converter circuit can be clearly understood according to the description of the first synchronous switched capacitor converter of FIG. 3.

도 3,4,5에 도시된 바와 같이, 각 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C1)와 병렬용 스위치(SP-T,1)의 접점과 정류기 사이에는 인덕턴스 소자(L) 가 배치되어 있고,As shown in Figures 3, 4, and 5, an inductance element (L) is disposed between the capacitor (C 1 ) of the first synchronous cell of each synchronous switched capacitor converter and the contact point of the parallel switch (S PT,1 ) and the rectifier. It is done,

마지막 동기 셀의 커패시터(Cn) 양측에는 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0)이 연결되어 있다. A load terminal (R 0 ) that outputs the output voltage (V o ) generated from the synchronous switched capacitor converter is connected to both sides of the capacitor (C n ) of the last synchronous cell.

인덕턴스 소자(L)는 고조파 필터(Harmonic Filter) 및 역률(Power Factor)을 만족시키는 회로를 구현한다. The inductance element (L) implements a circuit that satisfies the harmonic filter and power factor.

부하회로(R0)의 양단은 절연형 DC/DC 컨버터(Isolated DC/DC Converter)에 연결 가능하다.Both ends of the load circuit (R 0 ) can be connected to an isolated DC/DC converter.

동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 3개 이상의 동기 셀로 이루어지는 것이 바람직하다. The synchronous switched capacitor converter preferably consists of three or more synchronous cells.

도 3,4,5에 도시된 바와 같이, 정류기(Rectifier)는 입력 전원(Vin)의 양단에 직렬로 연결되어, 입력 전원(Vin)에서 발생한 교류 전원을 직류 전원으로 정류한다. 정류기는 3상4선식에 병렬로 연결하는 것도 가능하다.As shown in Figures 3, 4, and 5, a rectifier is connected in series to both ends of the input power source (V in ), and rectifies the alternating current power generated from the input power source (V in ) into direct current power. The rectifier can also be connected in parallel to a 3-phase 4-wire system.

동기 셀들로 이루어진 동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 정류기의 양단에 직렬로 연결된다. A synchronous switched capacitor converter consisting of synchronous cells is connected in series to both ends of the rectifier.

제어부는 입력 전원(Vin)의 위상신호에 근거한 듀티 비(duty ratio)로 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내의 동기 셀을 스위칭한다.The control unit switches the synchronous cells in the synchronous switched capacitor converter with a duty ratio based on the phase signal of the input power (V in ).

도 6은 본 실시예에 따른 제 3 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 각 모드 별 등가회로를 나타낸 도면이다.Figure 6 is a diagram showing an equivalent circuit for each mode of the third synchronous switched capacitor converter according to this embodiment.

본 실시예에 따른 제 3 동기 스위치드 캐패시터 컨버터가 동작할 때 얻을 수 있는 모든 모드별 도통 구간(굵은 실선으로 표시)는 도 6에 도시된 바와 같다. 각 모드 뒤에 붙는 숫자는 회로의 직렬과 병렬 연결 조합하여 합성되는 전압의 크기를 나타낸다. 예컨대, 모드 0은 바이패스를 통해 0 Vdc의 합성전압을 갖게 되며 모드 3은 모든 커패시터가 직렬로 연결되면서 합성전압은 3 Vdc가 된다. 반면, 모드 1과 2에 있어서는 각각 3가지 경우 (a, b, c)의 수가 존재한다. All conduction sections (indicated by thick solid lines) for each mode that can be obtained when the third synchronous switched capacitor converter according to this embodiment operates are as shown in FIG. 6. The number after each mode indicates the size of the voltage synthesized by combining the series and parallel connections of the circuit. For example, mode 0 has a resultant voltage of 0 Vdc through bypass, and in mode 3, all capacitors are connected in series and the resultant voltage is 3 Vdc. On the other hand, in modes 1 and 2, there are three cases (a, b, c) each.

모드 0은 모든 스위치를 온 시키면서 커패시터를 바이패스 하게 되며 회로에서 출력 전압은 합성되지 않는다. 모드 1-a에서는 첫번째 커패시터(C1)만 회로에 포함되며 그 뒷 부분의 셀은 스위치를 도통함으로써 커패시터를 바이패스한다. 모드 1-b에서는 첫번째와 두번째 커패시터(C1, C2)가 병렬연결되며 마지막 커패시터(C3)는 바이패스 한다. 모드 1-c에서는 모든 커패시터가 병렬연결되며 전압균등에 가장 이로운 모드이다. 모드 1의 합성 전압은 경우의 수와 상관없이 1 Vdc로 동일하다. 모드 2-a는 첫번째와 두번째 커패시터(C1, C2)를 직렬 연결하고 마지막 스위치만 도통시킴으로써 마지막 커패시터(C3)는 바이패스 시킨다. 모드 2-b는 첫번째와 두번째 커패시터(C1, C2)는 병렬 연결하고 마지막 커패시터(C3)와는 직렬 연결을 구성한다. 모드 2-c는 첫번째 스위치를 오프시킴으로써 병렬연결을 하고 있는 두번째와 세번째 커패시터(C2, C3)와 직렬연결을 한다. 모드 2에서는 경우의 수와 상관없이 합성 전압을 2 Vdc 로 구성할 수 있다. 모드 3에서는 모든 스위치를 오프시킴으로써 모든 커패시터를 직렬 연결하고 그 결과 3 Vdc을 출력 측에 합성할 수 있다. Mode 0 turns on all switches and bypasses the capacitor, and no output voltage is synthesized in the circuit. In mode 1-a, only the first capacitor (C 1 ) is included in the circuit, and the cells behind it bypass the capacitor by conducting the switch. In mode 1-b, the first and second capacitors (C 1 , C 2 ) are connected in parallel, and the last capacitor (C 3 ) is bypassed. In mode 1-c, all capacitors are connected in parallel and is the most beneficial mode for voltage equalization. The resultant voltage in mode 1 is the same at 1 Vdc regardless of the number of cases. Mode 2-a connects the first and second capacitors (C 1 , C 2 ) in series and turns on only the last switch, thereby bypassing the last capacitor (C 3 ). In mode 2-b, the first and second capacitors (C 1 , C 2 ) are connected in parallel and the last capacitor (C 3 ) is connected in series. Mode 2-c connects the second and third capacitors (C 2 and C 3 ) in series in parallel by turning off the first switch. In mode 2, the composite voltage can be configured as 2 Vdc regardless of the number of cases. In mode 3, by turning all switches off, all capacitors can be connected in series, resulting in 3 Vdc on the output side.

도 7은 본 실시예에 따른 각 모드 별 스위치 상태를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing switch states for each mode according to this embodiment.

캐패시터를 직렬로 연결해주기 위한 직렬용 스위치 SS,1, SS,2, SS,3 는 캐패시터를 병렬로 연결해주는 병렬용 스위치 SP-T,1, SP-T,2, SP-T,3와 온-오프 상태가 반대이다. 또한, 캐패시터를 병렬로 연결해주기 위한 병렬용 바텀 스위치 SP-B,1, SP-B,2 는 직렬용 스위치 SS,1, SS,2 와 온-오프 상태가 일치한다. Series switches for connecting capacitors in series S S,1 , S S,2 , S S,3 has an opposite on-off state to the parallel switches S PT , 1 , S PT , 2 , and S PT , 3 , which connect capacitors in parallel. In addition, the parallel bottom switches S PB , 1 and S PB , 2 for connecting capacitors in parallel have the same on-off state as the series switches S S,1 and S S,2 .

도 6,7은 제 3 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에 대한 것이지만, 이와 같은 설명을 통해 제 1 또는 제 2 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에 대한 각 모드에 대하여도 충분히 이해할 수 있고 구현 가능할 것이다. Figures 6 and 7 are for the third synchronous switched capacitor converter, but through this description, each mode for the first or second synchronous switched capacitor converter can be fully understood and implemented.

또한, 도통저항(Rds,on) 값이 작은 스위치를 사용하면, 상대적으로 작은 손실을 발생시킬 수 있기 때문에 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다. Additionally, if a switch with a small conduction resistance (R ds,on ) value is used, relatively small losses can be generated, thereby increasing the efficiency of the overall system.

전력 스위치의 경우 최근 SiC 소자 개발 및 기술 발전에 따라 1.2 kV 와 1.7 kV 소자의 경우에서도 도통저항이 수십-수백 m옴의 값을 갖는다. 동기 신호 구성과 게이트 드라이브 전원장치를 추가하여 컨버터의 부피, 단가 등 실질적인 측면을 동시에 고려할 수 있다.In the case of power switches, according to recent SiC device development and technological advancement, even in the case of 1.2 kV and 1.7 kV devices, the conduction resistance has a value of tens to hundreds of mOhms. By adding synchronization signal configuration and gate drive power supply, practical aspects such as converter volume and unit cost can be considered at the same time.

도 8은 본 실시예에 따른 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 동작을 위한 보조전원장치 및 게이팅 신호 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.Figure 8 is a diagram showing a block diagram of an auxiliary power supply and gating signal for the operation of a synchronous switched capacitor converter according to this embodiment.

실제 하드웨어를 구현하기 위해서는 다수의 보조전원장치(Auxiliary power supply)와 스위치 온-오프 신호를 위한 다수의 게이팅 신호(Pulse width modulation, PWM)에 대한 구성이 중요하며 관련된 블록 다이어그램은 도 8에 도시된 바와 같다. In order to implement actual hardware, it is important to configure multiple auxiliary power supplies and multiple gating signals (Pulse width modulation, PWM) for switch on-off signals, and the related block diagram is shown in Figure 8. It's like a bar.

본 실시예는 연속모드(Continuous Conduction Mode, CCM)를 기반으로 위상천이(Phase-shift) PWM 방식을 사용하는 시스템으로써, 병렬용 스위치(SP-T)에 적용하는 게이팅 신호를 기준으로 설정한다. This embodiment is a system that uses a phase-shift PWM method based on continuous conduction mode (CCM), and is set based on the gating signal applied to the parallel switch (S PT ).

직렬용 스위치(SS) 및 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 위해서는 기준 게이팅 신호와 동기된 신호(반전 또는 비반전)를 사용하며 그에 해당하는 자세한 게이팅 신호는 도 7에 나타나있다. For the series switch (S S ) and the parallel bottom switch (S PB ), a signal (inverted or non-inverted) synchronized with the reference gating signal is used, and the corresponding detailed gating signal is shown in FIG. 7.

피드백 제어의 결과값은 PWM1로 전달된다. 다시 말해, PWM의 시비율(duty ratio)은 PWM1이 기준이고, 나머지 PWM2와 PWM3은 위상천이 값(2π/셀개수)에 의거해서 위상이 뒤로 천이 된다. The result of feedback control is transmitted to PWM1. In other words, the duty ratio of the PWM is based on PWM1, and the phases of the remaining PWM2 and PWM3 are shifted backward based on the phase shift value (2π/number of cells).

NOT 게이트 블록은 기준 PWM 결과값 뒷단에 위치하며 직렬용 스위치(SS)을 위해서 사용된다. 병렬용 바텀 스위치(SP-B)는 NOT 게이트 블록 없이 기준 PWM값과 동일하다. The NOT gate block is located behind the standard PWM result and is used for the serial switch (S S ). The parallel bottom switch (S PB ) is the same as the reference PWM value without the NOT gate block.

도 9는 상용주파수인 50 Hz 또는 60 Hz의 교류전압 기준으로 1/4분기 동안 컨버터의 게이팅 신호를 나타낸다. 여기서, 도 7에 도시된 M은 Mode를 의미한다. Figure 9 shows the gating signal of the converter during the first quarter based on an AC voltage of 50 Hz or 60 Hz, which is the commercial frequency. Here, M shown in FIG. 7 means Mode.

상대적으로 매우 저속인 상용주파수와의 비교하면서 이해의 편의를 위해 실제로 사용하는 고속 스위칭(수십 kHz 이상) 대신 도 9에 도시된 바와 같이 약식으로 게이팅 신호를 나타낸다. For ease of understanding while comparing with the relatively very low speed commercial frequency, the gating signal is abbreviated as shown in FIG. 9 instead of the high-speed switching (several tens of kHz or more) that is actually used.

교류전압이 가장 낮을 때는 모드 0과 모드 1이 반복적으로 나타나며, 위상천이 PWM 방식이므로 모드 1-a, 모드 1-b, 모드 1-c가 모드 0과 함께 순차적으로 반복된다. 이어서 교류전압이 중간정도로 높아짐에 따라 모드 1과 모드 2가 반복된다. When the AC voltage is at its lowest, mode 0 and mode 1 appear repeatedly, and since it is a phase shift PWM method, mode 1-a, mode 1-b, and mode 1-c are sequentially repeated along with mode 0. Then, as the AC voltage increases to a medium level, Mode 1 and Mode 2 are repeated.

전술한 원리로 인하여 모드 1-a, 모드 1-b, 모드 1-c 와 모드 2-a, 모드 2-b, 모드 2-c가 교차되면서 순차적으로 반복된다. 마지막으로 교류전압이 가장 높게 위치할 때에는 모드 2와 모드 3이 교차되는데 모드 2에 있어서는 모드 2-a, 모드 2-b, 모드 2-c가 순차적으로 나타나며 모드 3과 같이 반복하게 된다.Due to the above-described principle, mode 1-a, mode 1-b, mode 1-c, mode 2-a, mode 2-b, and mode 2-c are alternately repeated sequentially. Lastly, when the AC voltage is at its highest, Mode 2 and Mode 3 alternate. In Mode 2, Mode 2-a, Mode 2-b, and Mode 2-c appear sequentially and repeat like Mode 3.

도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 게이팅 신호에 대해서는 아래와 같은 수학식을 형성할 수 있다. As shown in FIGS. 7 and 9, the following equation can be formed for the gating signal.

직렬용 스위치(SS)를 채택하는 제 1, 3 스위치드 캐패시터 컨버터의 경우, 아래 수학식 1 내지 수학식 3이 성립하게 된다.In the case of the first and third switched capacitor converters employing a series switch (S S ), Equations 1 to 3 below are established.

병렬용 바텀 스위치를 채택하는 제 2, 3 스위치드 캐패시터 컨버터의 경우, 아래 수학식 4,5가 성립하게 된다.In the case of the second and third switched capacitor converters that adopt parallel bottom switches, Equations 4 and 5 below are established.

동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 사용하면 다음 수학식과 같이 손실 분석이 가능하다.Using a synchronous switched capacitor converter, loss analysis is possible as shown in the following equation.

직렬용 스위치와 병렬용 바텀 스위치를 모두 다이오드로 사용하는 종래의 캐패시터 컨버터에서 순방향 전압에 의한 전력손실은 다음과 같다. 수학식6에서 D는 시비율을 나타내며 D'는 1-D의 값을 갖는다.In a conventional capacitor converter that uses diodes for both the series switch and the parallel bottom switch, the power loss due to the forward voltage is as follows. In Equation 6, D represents the application rate and D' has the value of 1-D.

반면, 본 발명의 경우 같은 크기의 전류가 흐른다는 조건에서 스위치 도통저항에 의한 전력 소실은 수학식 7을 이용하여 얻을 수 있다.On the other hand, in the case of the present invention, under the condition that the same amount of current flows, the power dissipation due to the switch conduction resistance can be obtained using Equation 7.

Vf는 보통 1 V의 값을 가지며 그보다 유의미하게 작은 값을 갖는 소자는 존재하지 않는다. 반면, 도통저항(Rds,on)은 보통 수백m옴을 갖으며 스위치의 전압, 전류와 같은 전기적인 사양에 따라 가격에 따라 수십m옴의 소자도 수급할 수 있다. 결과적으로 수학식 6과 7을 비교하면 같은 시비율과 전류 조건에서 PS의 값이 PD보다 작은 값을 갖게 되며, 다수의 셀을 사용하는 경우 각 소자의 손실이 합해지기 때문에 기존의 컨버터 회로보다 본 실시예의 컨버터 회로가 더 높은 효율을 갖게 된다.V f usually has a value of 1 V, and there are no devices with a value significantly smaller than that. On the other hand, the conduction resistance (R ds,on ) is usually hundreds of mOhms, and depending on the electrical specifications such as the voltage and current of the switch, devices with tens of mOhms can be supplied depending on the price. As a result, comparing Equations 6 and 7, the value of P S has a smaller value than P D under the same power ratio and current conditions, and when multiple cells are used, the losses of each element are added, so the existing converter circuit The converter circuit of this embodiment has higher efficiency.

도 10은 본 실시예에 따른 입력교류 3상 시스템(3상3선식)의 제 1 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 나타낸 도면이다.Figure 10 is a diagram showing the first synchronous switched capacitor converter of the input AC 3-phase system (3-phase 3-wire type) according to this embodiment.

전술한 단상 입력 교류 뿐 아니라 3상의 입력 교류 시스템에도 본 발명의 컨버터는 적용가능하다. 3상 다이오드 정류기를 사용하고 그 뒷단의 연결은 앞선 실시예에서의 단상의 경우와 일치한다. The converter of the present invention is applicable not only to the single-phase input AC system described above, but also to a three-phase input AC system. A three-phase diode rectifier is used, and the connection at the rear end is consistent with the single-phase case in the previous embodiment.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 3상 교류 입력전압이 380V(3상3선식)인 경우 3상 다이오드 정류기를 사용하면 정류된 출력 직류의 피크전압은 537 V이므로 커패시터 전압을 대략 100V로 형상하고자 하는 경우 5개의 셀을 사용하면서 일반적인 200 V급의 Si-MOSFET 표준품을 사용할 수 있다.The semiconductor transformer according to this embodiment has a peak voltage of 537 V when a three-phase diode rectifier is used when the three-phase alternating current input voltage is 380V (three-phase three-wire type), so the capacitor voltage is designed to be approximately 100V. In this case, standard 200 V Si-MOSFET products can be used while using 5 cells.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 3상 교류 입력전압이 380V(3상4선식)인 경우 도 11과 같이 각 상 별로 다이오드 정류기를 쓰게 되면 220 V의 단상 전압을 사용한다고 간주할 수 있으며 이 경우 정류된 출력 직류의 피크전압은 대략 311V이므로 3개의 셀을 사용하는 경우 커패시터 전압은 대략 100V로 형성되고 200V 정도의 일반적인 Si-MOSFET 표준품을 사용할 수 있다. 이때 총 3상에서 총 9개의 셀이 필요하다.The semiconductor transformer according to this embodiment can be considered to use a single-phase voltage of 220 V if the three-phase AC input voltage is 380V (3-phase 4-wire type) and a diode rectifier is used for each phase as shown in FIG. 11. In this case, rectification The peak voltage of the output direct current is approximately 311V, so when three cells are used, the capacitor voltage is approximately 100V, and a general Si-MOSFET standard product of approximately 200V can be used. At this time, a total of 9 cells in 3 phases are required.

도 11은 3상4선식의 고압 교류입력에서의 실시예를 나타내며 출력단에 절연된 전압을 형성하면서 전체 출력전류와 전력을 높일 수 있는 방법에 대한 회로를 나타내고 있다. 본 실시예에 따른 컨버터는 비절연형 타입이므로 절연을 요구하는 부하를 위해서는 추가로 절연형 직류-직류 컨버터가 연결되어 있다. 부스트형 컨버터와 비교하면 본 실시예에 따른 컨버터는 강압형으로 동작하므로 뒷단에 연결되는 절연형 컨버터에서의 여러 소자들의 전압 스트레스를 줄일 수 있다.Figure 11 shows an embodiment of a three-phase, four-wire high-voltage AC input and shows a circuit for a method of increasing the total output current and power while forming an insulated voltage at the output terminal. Since the converter according to this embodiment is a non-isolated type, an additional isolated DC-DC converter is connected for loads requiring insulation. Compared to the boost type converter, the converter according to this embodiment operates in a step-down type, so it can reduce the voltage stress of various elements in the isolation type converter connected to the rear end.

3상 시스템에서는 각 상과 중성점을 연결해서 본 발명에서 단상 시스템에서 제안한 것과 동일한 방식으로 단상 정류기를 연결한다. 즉, 각 상 별로 스위치드 캐패시터 컨버터를 사용하고 각 컨버터의 마지막 캐패시터에 추가로 절연형 직류-직류 컨버터를 사용한다. 각 상의 직류-직류 컨버터 출력단에서 병렬로 부하를 연결하면 각 부하 전류가 합성되면서 하나의 부하에 큰 전력을 공급할 수 있다. 다이오드 4개를 연결해서 사용하는 단상 다이오드 정류기와는 다르게 고압교류입력에 대응하기 위해 각 브릿지의 위/아래에 다수의 다이오드(도 11의 점선 박스)를 직렬연결한다. In a three-phase system, each phase and the neutral point are connected to connect a single-phase rectifier in the same manner as proposed in the single-phase system in the present invention. That is, a switched capacitor converter is used for each phase, and an isolated DC-DC converter is used in addition to the last capacitor of each converter. If loads are connected in parallel at the output terminal of the DC-DC converter on each phase, each load current can be combined to supply a large amount of power to one load. Unlike a single-phase diode rectifier that uses four diodes connected, multiple diodes (dotted box in Figure 11) are connected in series above and below each bridge to respond to high-voltage alternating current input.

특히, 반도체 변압기의 개념으로 본 발명을 사용할 때는 고압에 대응해야하기 때문에 고압 전력스위치(SiC MOSFET 기준)를 사용하더라도 셀의 개수는 최소 수십개 정도를 필요하게 되며 셀 개수가 많아져도 별도의 균등제어없이 각 셀의 캐패시터 전압은 동일하게 유지될 수 있다. 도 11에 도시된 절연형 직류-직류 컨버터는 가장 기본적인 풀브릿지의 형태가 될 수 있으며 일반적인 컨버터 회로가 모두 사용 가능하다.In particular, when using the present invention in the concept of a semiconductor transformer, it must respond to high voltage, so even if a high-voltage power switch (based on SiC MOSFET) is used, the number of cells is at least several dozen, and even if the number of cells increases, separate equalization control is required. The capacitor voltage of each cell can be kept the same. The isolated DC-DC converter shown in FIG. 11 can be in the most basic full bridge form, and all general converter circuits can be used.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 100V 정도의 출력전압을 형성하는 경우에 나노 그리드 시스템 구축을 위해 추가로 절연형 직류-직류 컨버터를 사용하여 수백W급의 24V 직류전압버스를 형성할 수 있다.When the semiconductor transformer according to this embodiment forms an output voltage of about 100V, a 24V DC voltage bus of hundreds of W can be formed by using an additional isolated DC-DC converter to build a nanogrid system.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 고압의 3상 교류 입력전압이 22900V(3상4선식)인 경우 각 상 별로 다이오드 정류기를 쓰게 되면 13200V의 단상 전압을 사용한다고 간주할 수 있다. 이 경우 정류된 출력 직류의 피크전압은 대략 18600V 이므로 현재 상용으로 사용할 수 있는 전력 반도체 스위치 1700V 소자를 사용하는 경우에 마진율을 고려하여 15개의 셀을 사용함으로써 설계 가능하다. 이때 총 3상에서 총 45개의 셀이 필요하다.The semiconductor transformer according to this embodiment can be considered to use a single-phase voltage of 13200V if the high-voltage three-phase AC input voltage is 22900V (3-phase 4-wire type) and a diode rectifier is used for each phase. In this case, the peak voltage of the rectified output direct current is approximately 18600V, so when using a 1700V power semiconductor switch device that is currently available commercially, it can be designed by using 15 cells taking the margin ratio into consideration. At this time, a total of 45 cells in 3 phases are needed.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 1200V 정도의 출력전압을 형성하는 경우에 마이크로 그리드 시스템 구축의 목적으로 추가로 절연형 직류-직류 컨버터를 사용하여 수 kW급의 400 V 직류전압버스를 형성할 수 있다.When the semiconductor transformer according to this embodiment forms an output voltage of about 1200V, a 400V DC voltage bus of several kW can be formed by using an additional isolated DC-DC converter for the purpose of building a microgrid system. .

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 직류-직류 컨버터의 경우 일반적인 회로 모두 활용 가능하며, 전력 밀도가 높은 반도체 변압기의 적용을 위해서 SiC 소자를 적극활용하고 최소 50 kHz에서 최대 200 kHz의 스위칭 주파수로 컨버터를 동작시킨다.The semiconductor transformer according to this embodiment can be used in all general circuits in the case of a DC-DC converter, and for the application of a semiconductor transformer with high power density, SiC elements are actively utilized and the converter is operated with a switching frequency from a minimum of 50 kHz to a maximum of 200 kHz. Operate it.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 사용되는 스위치 모두 같은 스위칭 주파수로 제어되며 전류연속모드에서는 최소 10 kHz 이상 최대 100 kHz 이하로 설정 가능하며, 스위치의 도통손실과 스위칭 손실, 입력 인덕터의 코어 크기를 고려하여 적절한 스위칭 주파수를 고정시켜서 컨버터를 작동시킨다. In the semiconductor transformer according to this embodiment, all switches used are controlled at the same switching frequency, and in continuous current mode, it can be set to a minimum of 10 kHz and a maximum of 100 kHz or less, considering the conduction loss and switching loss of the switch and the core size of the input inductor. The converter operates by fixing the appropriate switching frequency.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 인덕터 전류에서 확인할 수 있는 합성된 유효 스위칭 주파수는 위상천이제어 방식에 따라 고정 스위칭 주파수와 동기 셀 개수의 곱으로 나타난다.In the semiconductor transformer according to this embodiment, the synthesized effective switching frequency that can be confirmed from the inductor current is expressed as the product of the fixed switching frequency and the number of synchronous cells according to the phase shift control method.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 포함하는 동기 셀에 있어서 순방향전압이 낮은 다이오드로 설계하는 것이 효율에 유리하다. 본 실시예에 따른 반도체 변압기는 포함하는 동기 셀에 있어서 낮은 도통저항을 갖는 스위치 소자로 설계하는 것이 효율에 유리하며, 동기 셀 간의 흐르는 순환전류를 고려하여 스위치는 충분한 전류내력을 확보하게 된다.In the synchronous cell including the semiconductor transformer according to this embodiment, it is advantageous for efficiency to design a diode with a low forward voltage. It is advantageous for efficiency to design the switch element with low conduction resistance in the synchronous cell including the semiconductor transformer according to this embodiment, and the switch secures sufficient current capacity by considering the circulating current flowing between synchronous cells.

본 실시예에 따른 반도체 변압기는 포함하는 동기 셀에 있어서 커패시터는 빠른 스위칭을 통해 충방전을 반복하기 때문에 큰 용량의 전해 커패시터 대신 필름 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다. In the synchronous cell including the semiconductor transformer according to this embodiment, the capacitor repeats charge and discharge through rapid switching, so it is preferable to include a film capacitor instead of a large-capacity electrolytic capacitor.

본 실시예에 따른 반도체 변압기의 대체된 스위치를 구동하기 위한 게이트 드라이브 회로가 추가로 포함한다. 이는 셀 간의 공통 접지 분석을 통해 복잡도를 낮추며, 요구되는 절연전압내력을 갖는 게이트 드라이브 IC를 사용하면서 실현 가능하다.A gate drive circuit for driving the replaced switch of the semiconductor transformer according to this embodiment is further included. This can be achieved by reducing complexity through common ground analysis between cells and using a gate drive IC with the required isolation voltage resistance.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Accordingly, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but rather to explain it, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these examples. The scope of protection of this embodiment should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of this embodiment.

Claims (21)

입력 전원(Vin)의 양단에 연결되어, 상기 입력 전원(Vin)에서 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기(Rectifier)와;

상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결된 형태의 동기 셀이,
직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 병렬용 다이오드(DP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며,
상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와;

상기 각 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 온오프를 제어하는 제어부와;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과, 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 마지막 동기 셀의 커패시터(C) 양측에 연결되어 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0);으로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
A rectifier connected to both ends of the input power (V in ) and rectifying the alternating current power supplied from the input power (V in ) into direct current power;

A parallel switch (S PT ) and a series switch (S S ) for switching the direct current power are connected in series, and DC power is charged and discharged at each other end of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ). A synchronous cell with a capacitor (C) connected,
The contact points of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, and the capacitor ( The contact points of C) and the series switch (S S ) are connected in plural numbers in a cascade method, which is connected to the contact point of the capacitor (C) of the next synchronization cell and the serial switch (S S ) through the parallel diode (D PB ). It comes true,
a synchronous switched capacitor converter connected to the rectifier;

a control unit that controls on and off of the parallel switch (S PT ) and the serial switch (S S ) of each synchronous cell;

an inductance element located between the contact point of the capacitor (C) of the first synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and the parallel switch (S PT ), and a rectifier;

A synchronous switched capacitor comprising a load terminal (R 0 ) connected to both sides of the capacitor (C) of the last synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and outputting the output voltage (V o ) generated by the synchronous switched capacitor converter. AC-DC semiconductor transformer using a converter.
 제 1 항에 있어서,
동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 3개 이상의 동기 셀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 1,
The synchronous switched capacitor converter is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it consists of three or more synchronous cells.
 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 입력 전원(Vin)의 위상신호에 근거한 듀티 비(duty ratio)로 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내의 동기 셀을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 1,
The control unit switches the synchronous cells in the synchronous switched capacitor converter with a duty ratio based on the phase signal of the input power (V in ). An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.
 제 1 항에 있어서,
상기 정류기는 3상4선식 입력 전원에 각 상 별로 연결되는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 1,
The rectifier is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that each phase is connected to a 3-phase 4-wire input power source.
 제 4 항에 있어서,
상기 정류기는 각 브릿지의 상하에 복수 개의 다이오드가 직렬연결된 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 4,
The rectifier is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that a plurality of diodes are connected in series at the top and bottom of each bridge.
 제 1 항에 있어서,
상기 입력 전원이 3상 3선식인 경우, 정류기는 3상 다이오드 정류기인 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 1,
When the input power is a three-phase three-wire type, the rectifier is a three-phase diode rectifier. An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.
 제 1 항에 있어서,
상기 병렬용 스위치(SP-T), 직렬용 스위치(SS)의 온오프 제어는 다음 수학식

에 의한 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 1,
The on-off control of the parallel switch (S PT ) and the serial switch (S S ) is performed using the following equation:

An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it has a relationship by.
 입력 전원(Vin)의 양단에 연결되어, 상기 입력 전원(Vin)에서 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기(Rectifier)와;

상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결된 형태의 동기 셀이,
직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 다이오드(DS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며,
상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와;

상기 각 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프를 제어하는 제어부와;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과, 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 마지막 동기 셀의 커패시터(C) 양측에 연결되어 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0); 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
A rectifier connected to both ends of the input power (V in ) and rectifying the alternating current power supplied from the input power (V in ) into direct current power;

A parallel switch (S PT ) and a series diode ( DS ) for switching the direct current power are connected in series, and DC power is charged and discharged at each other end of the parallel switch (S PT ) and the series diode ( DS ). A synchronous cell with a capacitor (C) connected,
The contact points of the parallel switch (S PT ) and the series diode ( DS ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, and the capacitor ( The contact points of C) and the serial diode ( DS ) are connected in a cascade manner, connecting to the contact points of the capacitor (C) and the serial diode ( DS ) of the next synchronization cell through the parallel bottom switch (S PB ). It is accomplished,
a synchronous switched capacitor converter connected to the rectifier;

a control unit that controls on and off of the parallel switch (S PT ) and the parallel bottom switch (S PB ) of each synchronous cell;

an inductance element located between the contact point of the capacitor (C) of the first synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and the parallel switch (S PT ), and a rectifier;

A load terminal (R 0 ) connected to both sides of the capacitor (C) of the last synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter to output the output voltage (V o ) generated by the synchronous switched capacitor converter; An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it consists of.
 제 8 항에 있어서,
동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 3개 이상의 동기 셀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 8,
The synchronous switched capacitor converter is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it consists of three or more synchronous cells.
 제 8 항에 있어서,
상기 제어부는 입력 전원(Vin)의 위상신호에 근거한 듀티 비(duty ratio)로 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내의 동기 셀을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 8,
The control unit switches the synchronous cells in the synchronous switched capacitor converter with a duty ratio based on the phase signal of the input power (V in ). An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.
 제 8 항에 있어서,
상기 정류기는 3상4선식 입력 전원에 각 상 별로 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 8,
The rectifier is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that each phase is connected to a 3-phase 4-wire input power supply.
 제 11 항에 있어서,
상기 정류기는 각 브릿지의 상하에 복수 개의 다이오드가 직렬연결된 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 11,
The rectifier is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that a plurality of diodes are connected in series at the top and bottom of each bridge.
 제 8 항에 있어서,
상기 입력 전원이 3상 3선식인 경우, 정류기는 3상 다이오드 정류기인 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 8,
When the input power is a three-phase three-wire type, the rectifier is a three-phase diode rectifier. An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.
 제 8 항에 있어서,
상기 병렬용 스위치(SP-T), 병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프 제어는 다음 수학식

에 의한 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 8,
The on-off control of the parallel switch (S PT ) and the parallel bottom switch (S PB ) is performed using the following equation:

An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it has a relationship by.
 입력 전원(Vin)의 양단에 연결되어, 상기 입력 전원(Vin)에서 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기(Rectifier)와;

상기 직류 전원을 스위칭하는 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)가 직렬 연결되고, 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 각 타단에는 직류 전원을 충방전하는 커패시터(C)가 연결된 형태의 동기 셀이,
직전 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 다음 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과 연결되며, 직전 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점은 병렬용 바텀 스위치(SP-B)를 거쳐 다음 동기 셀의 커패시터 (C)와 직렬용 스위치(SS)의 접점과 연결되는 캐스케이드 방식으로 복수 개 연결되어 이루어지며,
상기 정류기에 연결되는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터와;

상기 각 동기 셀의 병렬용 스위치(SP-T), 직렬용 스위치(SS)와 병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프를 제어하는 제어부와;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 첫번째 동기 셀의 커패시터(C)와 병렬용 스위치(SP-T)의 접점과, 정류기 사이에 위치하는 인덕턴스 소자와;

상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터의 마지막 동기 셀의 커패시터(C) 양측에 연결되어 상기 동기 스위치드 캐패시터 컨버터에서 발생한 출력 전압(V o )을 출력하는 부하단(R0); 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
A rectifier connected to both ends of the input power (V in ) and rectifying the alternating current power supplied from the input power (V in ) into direct current power;

A parallel switch (S PT ) and a series switch (S S ) for switching the direct current power are connected in series, and DC power is charged and discharged at each other end of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ). A synchronous cell with a capacitor (C) connected,
The contact points of the parallel switch (S PT ) and the series switch (S S ) of the previous synchronization cell are connected to the contact points of the capacitor (C) and the parallel switch (S PT ) of the next synchronization cell, and the capacitor ( The contact points of C) and the serial switch (S S ) are connected in plural numbers in a cascade method, which is connected to the contact point of the capacitor (C) of the next synchronization cell and the serial switch (S S ) via the parallel bottom switch (S PB ). It is accomplished,
a synchronous switched capacitor converter connected to the rectifier;

a control unit that controls on and off of the parallel switch (S PT ), the serial switch (S S ), and the parallel bottom switch (S PB ) of each synchronous cell;

an inductance element located between the contact point of the capacitor (C) of the first synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter and the parallel switch (S PT ), and a rectifier;

A load terminal (R 0 ) connected to both sides of the capacitor (C) of the last synchronous cell of the synchronous switched capacitor converter to output the output voltage (V o ) generated by the synchronous switched capacitor converter; An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it consists of.
 제 15 항에 있어서,
동기 스위치드 캐패시터 컨버터는 3개 이상의 동기 셀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 15,
The synchronous switched capacitor converter is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it consists of three or more synchronous cells.
 제 15 항에 있어서,
상기 제어부는 입력 전원(Vin)의 위상신호에 근거한 듀티 비(duty ratio)로 동기 스위치드 캐패시터 컨버터 내의 동기 셀을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 15,
The control unit switches the synchronous cells in the synchronous switched capacitor converter with a duty ratio based on the phase signal of the input power (V in ). An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.
 제 15 항에 있어서,
상기 정류기는 3상4선식 입력 전원에 각 상 별로 연결되는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 15,
The rectifier is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that each phase is connected to a 3-phase 4-wire input power source.
 제 18 항에 있어서,
상기 정류기는 각 브릿지의 상하에 복수 개의 다이오드가 직렬연결된 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 18,
The rectifier is an AC-DC semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that a plurality of diodes are connected in series at the top and bottom of each bridge.
 제 15 항에 있어서,
상기 입력 전원이 3상 3선식인 경우, 정류기는 3상 다이오드 정류기인 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 15,
When the input power is a three-phase three-wire type, the rectifier is a three-phase diode rectifier. An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter.
 제 15 항에 있어서,
상기 상기 병렬용 스위치(SP-T), 직렬용 스위치(SS)와병렬용 바텀 스위치(SP-B)의 온오프 제어는 다음 수학식


에 의한 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 동기 스위치드 캐패시터 컨버터를 이용한 교류-직류 반도체 변압기.
According to claim 15,
The on-off control of the parallel switch (S PT ), the serial switch (S S ), and the parallel bottom switch (S PB ) is performed using the following equation:


An alternating current-direct current semiconductor transformer using a synchronous switched capacitor converter, characterized in that it has a relationship by.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150020035A (en) * 2013-08-12 2015-02-25 서울대학교산학협력단 Current supperssion device of high voltage power transmission system and control method thereof
KR20160060513A (en) * 2014-11-20 2016-05-30 삼성중공업 주식회사 Test equipment of converter
KR20220081110A (en) * 2020-12-08 2022-06-15 한국항공우주연구원 Ac-dc converter with integrated bridgeless pfc converter and phase-shifted full-bridge resonant dc-dc converter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150020035A (en) * 2013-08-12 2015-02-25 서울대학교산학협력단 Current supperssion device of high voltage power transmission system and control method thereof
KR20160060513A (en) * 2014-11-20 2016-05-30 삼성중공업 주식회사 Test equipment of converter
KR20220081110A (en) * 2020-12-08 2022-06-15 한국항공우주연구원 Ac-dc converter with integrated bridgeless pfc converter and phase-shifted full-bridge resonant dc-dc converter

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