KR20230126642A - Hybrid modular multilevel converter (hmmc) based on a neutral point pilot (npp) topology - Google Patents
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Abstract
중립 포인트 파일럿(NPP) 토폴로지에 기반하고 ABC N-위상 구조를 갖는 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC)가 제공된다. HMMC는 N개의 쌍의 동일한 상부 암 및 하부 암을 포함하며, 각 상부 암 및 하부 암은 X개의 서브모듈과 Y개의 스위치 세트로 구성된다. 각 세트 내의 스위치는 캐스케이딩되어 직렬로 연결되고, 각 서브모듈은 풀 브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 컨버터로 구성되며, 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 구성된다. A hybrid modular multilevel converter (HMMC) based on a neutral point pilot (NPP) topology and having an ABC N-phase structure is provided. The HMMC includes N pairs of identical upper and lower arms, each upper and lower arm consisting of X submodules and Y switch sets. The switches in each set are cascaded and connected in series, each submodule consists of a full bridge silicon (Si) insulated gate bipolar transistor (IGBT) converter, and at least one of the switch sets consists of an IGBT of opposite polarity.
Description
본 출원은 2022년 2월 23일에 출원된 “(AC보다 낮은) 가변 DC 링크 전압 및 DC 링크 단락 보호가 가능한 FB-SMC를 갖는 3 레벨 NPP 상에 구축된/기반한 하이브리드 MMC (Hybrid MMC Built-/Based-On Three Level NPP with FB-SMS Capable of Variable (Lower) DC Link (than AC) Voltage and DC Link Short-Circuit Protection)”라는 명칭의 미국 임시 특허 출원 번호 제63/313,271호에 대한 이익을 주장하며, 이러한 미국 출원의 개시내용은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다. This application, filed on February 23, 2022, “Hybrid MMC Built-based on 3-level NPP with variable DC link voltage (lower than AC) and FB-SMC capable of DC link short circuit protection /Based-On Three Level NPP with FB-SMS Capable of Variable (Lower) DC Link (than AC) Voltage and DC Link Short-Circuit Protection)” asserted, the disclosure of this US application is hereby incorporated by reference in its entirety.
이하의 개시내용은 일반적으로 중립 포인트 파일럿(neutral point pilot)(NPP) 또는 중립 포인트 클래프드(neutral point clamped)(NPC) 토폴로지에 기반한 모듈식 다중 레벨 컨버터(modular multilevel converter)(MMC)에 관한 것이다. The following disclosure relates generally to a modular multilevel converter (MMC) based on a neutral point pilot (NPP) or neutral point clamped (NPC) topology. .
기존의 MMC는 모듈식이고 확장 가능하며, 전력 컨버터를 보다 높은 전압 및 보다 높은 전력 애플리케이션으로 확장하기 위한 기술적 장벽을 제거한다. 추가적으로, MMC는 변환 레벨의 증가시킴으로써 전력 품질을 개선할 수 있는 편리한 경로를 제공한다. Existing MMCs are modular and scalable, removing technical barriers to extending power converters to higher voltage and higher power applications. Additionally, MMC provides a convenient path to improve power quality by increasing the conversion level.
예로서, 그리고 본 기술 분야에 의해 이해되는 바와 같이, 2-레벨 컨버터는 기본적인 MMC 구축 블록으로 간주된다. 보다 높은 전압 및 전력 품질 애플리케이션의 경우, 조작이 필요한 전압 레벨에 따라 또는 원하는 파형 또는 전력 품질을 생성하기 위해 얼마나 많은 파형이 함께 중첩될 것인지에 따라 변환 레벨은 (2-레벨을 넘어) 증가될 수 있다. By way of example, and as understood by those skilled in the art, a two-level converter is considered a basic MMC building block. For higher voltage and power quality applications, the conversion level can be increased (beyond 2-levels) depending on the voltage level that needs to be manipulated or how many waveforms will be superimposed together to create the desired waveform or power quality. .
일반적으로, 변환 레벨의 수가 높을수록 전력 품질 성능은 높아진다. 고전적인 최신 기술에는 일반적으로 2-레벨, 3-레벨, 또는 5-레벨 컨버터가 포함된다. 변환 레벨의 수를 증가시키면 유연성이 증가하여 최소한의 필터링 및 사후 처리로 보다 나은 파형을 생성할 수 있게 된다. In general, the higher the number of conversion levels, the higher the power quality performance. Classic state-of-the-art typically includes 2-level, 3-level, or 5-level converters. Increasing the number of transform levels increases the flexibility to create better waveforms with minimal filtering and post-processing.
일반적으로 2-레벨과 3-레벨 컨버터의 조합 또는 2개의 3-레벨 컨버터를 함께 사용하여 5개 레벨의 변환을 생성한다. 일반적으로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor)(IGBT) 디바이스는 원하는 변환 레벨을 생성하기 위해 조합 및 확장 가능한 모듈(아래에서 상세히 설명됨)로서 사용된다. 이 개념은 기존의 MMC의 토대가 된다. Typically, a combination of 2-level and 3-level converters or two 3-level converters together are used to create 5 levels of conversion. Typically, insulated-gate bipolar transistor (IGBT) devices are used as combinable and scalable modules (described in detail below) to create desired conversion levels. This concept is the foundation of the existing MMC.
그러나, 보다 높은 전압과 보다 나은 품질의 전력 애플리케이션에 대한 한 가지 단점은, 기존의 MMC가 보다 큰 풋프린트/볼륨, 보다 무거운 중량을 가지며, 보다 많은 수의 서브모듈(SM)을 사용하기 때문에 더 비싸다는 것이다. 고정 유틸리티 또는 전력망 애플리케이션의 경우, 보다 큰 볼륨과 보다 무거운 중량은 문제가 되지 않을 수 있다. 그러나, 동력 애플리케이션(예컨대, 선박 추진)의 경우, 볼륨, 중량, 및 전력 밀도는 비용 외에도 중요한 요건이 된다. However, one drawback for higher voltage and better quality power applications is that conventional MMCs have a larger footprint/volume, heavier weight, and use a larger number of submodules (SMs), making them more compact. that it is expensive For stationary utility or power grid applications, larger volume and heavier weight may not be an issue. However, for power applications (eg, ship propulsion), volume, weight, and power density become important requirements in addition to cost.
전술한 결점을 고려할 때, 하이브리드 MMC(HMMC)는 기존의 MMC 해결책과 비교하여 풋프린트/볼륨, 중량, 및 비용을 감소시키기 위한 시스템 및 방법을 필요로 하고 있다. 이러한 방법과 시스템은 기존의 MMC의 모듈성, 확장성, 및 전력 품질 성능을 유지해야 한다. In view of the foregoing drawbacks, hybrid MMC (HMMC) requires systems and methods to reduce footprint/volume, weight, and cost compared to existing MMC solutions. These methods and systems should maintain the modularity, scalability, and power quality performance of existing MMCs.
특정 상황에서, 실시예는, NPP 토폴로지에 기반하고, ABC N-위상 구조를 갖는 HMMC를 포함한다. HMMC는 N개의 쌍의 동일한 상부 암 및 하부 암을 포함하며, 각 상부 암 및 하부 암은 X개의 서브모듈과 Y개의 스위치 세트로 구성된다. 각 세트 내의 스위치는 캐스케이딩되어 직렬로 연결되고, 각 서브모듈은 풀 브리지(full-bridge) 실리콘(Si) IGBT 컨버터로 구성되며, 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 구성된다. In certain circumstances, an embodiment includes an HMMC based on an NPP topology and having an ABC N-topic structure. The HMMC includes N pairs of identical upper and lower arms, each upper and lower arm consisting of X submodules and Y switch sets. The switches in each set are cascaded and connected in series, each submodule consists of a full-bridge silicon (Si) IGBT converter, and at least one of the switch sets consists of IGBTs of opposite polarity.
실시예는, AC 소스/입력 전압보다 낮은 DC 링크 전압이 가능하고, DC 링크 단락 격리 보호가 있는 3-레벨 중립 포인트 파일럿(3-레벨 NPP) 컨버터 토폴로지 상에 구축된 HMMC를 제공한다. 보다 낮은 DC 링크 전압은, 풀 브리지 서브 모듈(FB-SM)을 사용하는 3L-NPP 컨버터 토폴로지 상에 구축된 고유한 HMMC 액티브 프런트 엔드(active front-end)(AFE)를 통해 제공된다. 또한 반대 극성과 직렬로 캐스케이딩된 한 쌍의 IGBT도 사용된다. Embodiments provide an HMMC built on a 3-level neutral point pilot (3-level NPP) converter topology capable of DC link voltage lower than the AC source/input voltage and with DC link short isolation protection. The lower DC link voltage is provided through a unique HMMC active front-end (AFE) built on a 3L-NPP converter topology using a full-bridge sub-module (FB-SM). A pair of IGBTs cascaded in series with opposite polarity is also used.
실시예에 따라 구성된 HMMC는 기존의 MMC 해결책에 비해 볼륨, 중량, 및 비용을 감소시키면서, 기존의 MMC의 모듈성, 확장성, 및 전력 품질 성능을 유지한다. An HMMC configured according to an embodiment maintains the modularity, scalability, and power quality performance of existing MMCs while reducing volume, weight, and cost compared to existing MMC solutions.
실시예는 기존의 MMC와 연관된 보다 큰 볼륨, 보다 무거운 중량, 및 보다 높은 비용과 연관된 문제를 극복한다. 실시예는 기존의 MMC SM을 3L-NPP 컨버터 토폴로지 및 컴포넌트/서브시스템 기술과 하이브리드화한다. Embodiments overcome problems associated with larger volume, heavier weight, and higher cost associated with existing MMCs. Embodiments hybridize existing MMC SMs with 3L-NPP converter topologies and component/subsystem technologies.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예의 추가적인 특징, 동작 모드, 이점, 및 다른 양태를 아래에서 설명한다. 본 개시내용은 본원에 기술된 특정 실시예에 국한되지 않는다는 것에 주목해야 한다. 이들 실시예는 단지 예시적인 목적으로만 제시된다. 추가적인 실시예 또는 개시된 이들 실시예의 변형례는 제공된 교시내용에 기반하여 관련 기술 분야(들)의 기술자에게 명백할 것이다. Additional features, modes of operation, advantages, and other aspects of various embodiments are described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that this disclosure is not limited to the specific embodiments described herein. These examples are presented for illustrative purposes only. Additional embodiments or variations of these disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the relevant art(s) based on the teachings provided.
예시적인 실시예는 다양한 컴포넌트 및 컴포넌트의 배열 형태를 취할 수 있다. 예시적인 실시예는 첨부된 도면에 도시되어 있으며, 전체에 걸쳐 유사한 참조 부호는 다양한 도면에서 대응하거나 유사한 부분을 나타낼 수 있다. 도면은 실시예를 설명하기 위한 목적일 뿐이며 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 도면에 대한 하기의 가능한 설명이 주어지면, 본 개시내용의 새로운 양태는 관련 기술 분야(들)의 통상의 기술자에게 자명해질 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따라 전력 변환을 수행하기 위한 예시적인 시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 2a는 실시예에 따른 실리콘(Si) IGBT를 갖는 예시적인 FB-SM의 블록도를 도시한 것이다.
도 2b는 실시예에 따른 실리콘 탄화물(SiC) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 갖는 예시적인 FB-SM의 블록도를 도시한 것이다.
도 3은 실시예에 따른 Si IGBT를 갖는 예시적인 하이브리드 FB-SM (HFB-SM)의 블록도를 도시한 것이다.
도 4a는 실시예에 따른 Si IGBT를 갖는 예시적인 하프 브리지 SM (HB-SM)의 블록도를 도시한 것이다.
도 4b는 실시예에 따른 SiC MOSFET을 갖는 예시적인 HB-SM의 블록도를 도시한 것이다.
도 5는 종래 기술의 2-레벨 MMC의 블록도를 도시한 것이다.
도 6a는 종래 기술의 3-레벨 액티브 중립 포인트 클램프드(active neutral-point clamped)(ANPC) MMC의 블록도를 도시한 것이다.
도 6b 내지 도 6d는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따라 스위치를 서브모듈로 대체하는 3-레벨 ANPC MMC의 블록도를 도시한 것이다.
도 7a는 실시예에 따라 반대 극성의 차단 방지 스위치를 사용하는 3-레벨 ANPC 기반 HMMC의 블록도를 도시한 것이다.
도 7b는 실시예에 따라 반대 극성의 차단 방지 스위치를 사용하는 3-레벨 NPP 기반 HMMC의 블록도를 도시한 것이다.
도 7c는 실시예에 따라 각 위상 암 브랜치(phase arm branch)에서 차단 방지 스위치를 사용하는 3-레벨 NPP 기반 HMMC의 상세한 블록도를 도시한 것이다.Exemplary embodiments may take the form of various components and arrangements of components. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Exemplary embodiments are shown in the accompanying drawings, and like reference numbers throughout may indicate corresponding or like parts in the various drawings. The drawings are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present disclosure. Given the following possible description of the drawings, new aspects of the present disclosure will become apparent to those skilled in the relevant art(s).
1 illustrates a block diagram of an exemplary system for performing power conversion in accordance with an embodiment of the present disclosure.
2A shows a block diagram of an exemplary FB-SM with silicon (Si) IGBTs according to an embodiment.
2B shows a block diagram of an exemplary FB-SM having a silicon carbide (SiC) metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) according to an embodiment.
3 shows a block diagram of an exemplary hybrid FB-SM (HFB-SM) with Si IGBTs according to an embodiment.
4A shows a block diagram of an exemplary half-bridge SM (HB-SM) with Si IGBTs according to an embodiment.
4B shows a block diagram of an example HB-SM with a SiC MOSFET according to an embodiment.
5 shows a block diagram of a prior art two-level MMC.
6A shows a block diagram of a prior art 3-level active neutral-point clamped (ANPC) MMC.
6B-6D show block diagrams of a 3-level ANPC MMC replacing switches with submodules in accordance with various embodiments of the present disclosure.
7A shows a block diagram of a 3-level ANPC based HMMC using anti-blocking switches of opposite polarity according to an embodiment.
Figure 7b shows a block diagram of a 3-level NPP based HMMC using an anti-blocking switch of opposite polarity according to an embodiment.
7C shows a detailed block diagram of a 3-level NPP based HMMC using an anti-block switch at each phase arm branch according to an embodiment.
본원에서는 특정 애플리케이션에 대한 특정 실시예가 설명되지만, 본 개시내용은 이에 국한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 본원에 제공되는 교시내용에 접근할 수 있는 본 기술 분야의 기술자는 본 개시내용의 범위 및 본 개시내용이 상당한 유용성을 가지게 될 추가적인 분야 내의 추가적인 애플리케이션, 변형례, 및 실시예를 인식할 것이다. Although specific embodiments for specific applications are described herein, it should be understood that the disclosure is not limited thereto. Those skilled in the art having access to the teachings provided herein will recognize additional applications, variations, and embodiments within the scope of the present disclosure and additional fields in which it will find significant utility.
도 1은 전력을 변환하기 위한 시스템(100)을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템(100)은 소스(102), 전력 컨버터(104), 및 소스/부하(106)를 포함한다. 본원에서 사용되는 소스라는 용어는 재생 가능한 전력 소스, 재생 불가능한 전력 소스, 발전기, 그리드, 연료 전지, (방전 시의) 에너지 스토리지 등을 지칭한다. 또한, 본원에서 사용되는 부하라는 용어는 모터, 전기 기기, (재충전 시의) 에너지 스토리지 등을 지칭할 수 있다. 1 includes a system 100 for converting electrical power. In one embodiment, system 100 includes a
또한, 전력 컨버터(104)는 다중 레벨 컨버터일 수 있다. 일 실시예에서, 소스(102)는 전력 컨버터(104)의 제1 단자(미도시)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 전력 컨버터(104)의 제2 단자(미도시)는 소스/부하(106)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 제1 단자 및 제2 단자는 전력 컨버터(104)의 입력 단자 또는 출력 단자로서 교대로 이용될 수 있다. Also, the
시스템(100)은 컨트롤러(108)를 더 포함한다. 컨트롤러(108)는 전력 컨버터(104)의 동작을 제어하도록 구성된다. 제한이 아닌 예로서만, 컨트롤러(108)는 전력 컨버터(104) 내의 복수의 반도체 스위치 및 서브모듈(SM)의 스위칭을 제어함으로써 전력 컨버터(104)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. System 100 further includes a
위에서 배경으로서 언급된 바와 같이, 2-레벨 컨버터는 MMC의 기본 컴포넌트이다. 변환 레벨의 수가 증가함에 따라, 필요한 전압 레벨의 수에 따른 3-레벨 컨버터 또는 5-레벨 컨버터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 7개, 9개, 10개의 레벨 이상을 달성하려면 진정한 컨버터 모듈성이 필요하다. 이러한 모듈성은 전통적으로 서브모듈(SM)이라고 지칭되는 구축 블록을 사용하여 달성된다. As mentioned above as background, the 2-level converter is a basic component of MMC. As the number of conversion levels increases, a 3-level converter or a 5-level converter depending on the number of required voltage levels can be used. For example, achieving more than 7, 9, 10 levels requires true converter modularity. This modularity is achieved using building blocks, traditionally referred to as submodules (SMs).
SM은 풀 브리지(FB) 컨버터를 사용하여 구현될 수 있다. FB 컨버터는 에너지 저장/버퍼/필터를 위한 4개의 반도체 스위치 및 하나의 평활 캐패시터를 포함한다. SM은 또한 2개의 반도체 스위치를 포함하는 하프 브리지(half-bridge)(HB) 컨버터를 사용하여 구현될 수 있다. SM can be implemented using full bridge (FB) converters. The FB converter includes four semiconductor switches and one smoothing capacitor for energy storage/buffer/filter. SM can also be implemented using a half-bridge (HB) converter that includes two semiconductor switches.
도 2a는 실시예에 따른 예시적인 2-레벨 FB-SM(200)의 블록도이다. 도 2a의 예시적인 2-레벨 FB-SM(200)은 반도체 스위치(204a 내지 204d) 및 평활 캐패시터(206)를 포함한다. 일 실시예에서, 스위치(204a 내지 204d)는 Si IGBT로 형성된다. 2A is a block diagram of an exemplary two-level FB-
도 2b는 SiC MOSFET에 기반한 예시적인 2-레벨 FB-SM(202)의 블록도이다. 2-레벨 FB-SM(202)은 SiC MOSFET 스위치(208a 내지 208d) 및 평활 캐패시터(210)를 포함한다. 2B is a block diagram of an exemplary two-level FB-
HMMC 토폴로지는 저전압 FB-SM의 사용을 가능하게 한다. 결과적으로, 일 예로서 1.7kV 정격의 SiC MOSFET이 실행 가능한 옵션이 된다. 다른 실행 가능한 옵션으로는 다양한 정격 전압을 갖는 IGBT가 포함된다. 예를 들어, 본 개시내용의 다른 실시예에서, 반도체 스위치(예컨대, 204a 내지 204d)는 전계 효과 트랜지스터(FET), 주입 강화형 게이트 트랜지스터(injection enhanced gate transistor)(IEGT), 갈륨 질화물 기반 스위치, 갈륨 비화물 기반 스위치, 또는 이들의 동등물로 구성될 수 있다. The HMMC topology enables the use of low voltage FB-SM. As a result, a SiC MOSFET rated at 1.7 kV as an example becomes a viable option. Other viable options include IGBTs with various voltage ratings. For example, in another embodiment of the present disclosure, the semiconductor switches (e.g., 204a through 204d) may be field effect transistors (FETs), injection enhanced gate transistors (IEGTs), gallium nitride based switches, gallium arsenide based switches, or equivalents thereof.
FB-SM을 사용하면, DC 링크 단락 결함이 발생한 경우, 격리 보호를 제공할 뿐만 아니라, 네거티브 전압을 중첩하거나 (SM 캐패시터) 전압을 빼서 AC 입력 전압보다 낮은 DC 링크 전압을 얻는 옵션을 제공하게 된다. 예를 들어, IGBT가 OFF 상태에 있는 경우, 반대 극성으로 연결된 2개의 IGBT는 보다 높은 AC 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 차단하여 제어 안정성 문제를 유발할 수 있다. With FB-SM, it provides isolation protection in case of a DC link short fault, as well as the option of superimposing the negative voltage (SM capacitor) or subtracting the voltage to obtain a DC link voltage lower than the AC input voltage. . For example, when the IGBTs are in the OFF state, two IGBTs connected with opposite polarity can block the higher AC voltage from feeding back into the DC link, causing control stability issues.
도 3은 실시예에 따른 Si IGBT를 갖는 예시적인 2-레벨 하이브리드 FB-SM (HFB-SM)(300)의 블록도이다. HFB-SM(300)은 평활 캐패시터(306)와 함께 반도체 스위치(304a 내지 304d)를 포함한다. 스위치(304a 내지 304d)는 Si IGBT 또는 SiC MOSFET(도 3에 도시되지 않음)를 갖는 혼합 다이오드로 형성된다. 위의 도 2a 및 도 2b의 경우에서와 같이, 두 옵션 모두 SM으로 사용될 수 있다. 다양한 다른 실시예 및 대안이 아래에서 보다 상세히 설명된다. 3 is a block diagram of an exemplary two-level hybrid FB-SM (HFB-SM) 300 with Si IGBTs according to an embodiment. The HFB-
앞서 언급된 바와 같이, SM 반도체 스위치는 FB 또는 HB로 구현될 수 있다. 예를 들어, FB-SM(200)은 도 2a의 FB-SM(200)의 우측을 제거함으로써 HB-SM으로 구현될 수 있다. FB-SM(200)의 우측은 기본적으로 도 4a에 도시된 예시적인 2-레벨 HB-SM(400)을 형성한다. 즉, HB-SM(400)은 도 2a의 FB-SM(200)의 Si IGBT 반도체 스위치(204a 내지 204b) 및 캐패시터(206)로 구현될 수 있다. As mentioned above, the SM semiconductor switch can be implemented as FB or HB. For example, the FB-
동일한 방식으로, 도 4b는 FB-SM(202)의 우측 SiC MOSFET 스위치를 사용하여 구현된 예시적인 2-레벨 HB-SM(402)의 블록도이다. 즉, HB-SM(402)은 도 2b의 FB-SM(202)의 반도체 스위치(204a 내지 204b) 및 캐패시터(206)로 구현될 수 있다. In the same manner, FIG. 4B is a block diagram of an exemplary two-level HB-
도 2a 내지 도 4b에 도시된 2-레벨 SM의 다양한 조합은 종래의 MMC에서 임의의 원하는 수의 변환 레벨을 생성하기 위해 직렬로 연결될 수 있다. 도 5는 직렬로 연결된 복수의 2-레벨 SM을 사용하여 설명된 종래 기술의 또는 고전적인 2-레벨 MMC(500)의 블록도이다. The various combinations of two-level SMs shown in FIGS. 2A-4B can be connected in series to create any desired number of conversion levels in a conventional MMC. 5 is a block diagram of a prior art or classic two-level MMC 500 described using a plurality of two-level SMs connected in series.
도 5에서, 고전적인 MMC(500)는 포지티브 및 네거티브 DC 전압 레일(502 및 504)을 제각기 포함하는 ABC 3-위상 구조를 갖는다. 포지티브 레일(502)과 네거티브 레일(504)은 DC 단자(505)를 형성한다. 3-위상(A, B, 및 C) 각각은 위상 레그(506, 508, 및 510) 중 하나에 해당한다. 위상 레그(506, 508, 및 510)는 제각기 AC 단자(512A, 512B, 및 512C)에 연결된다. In FIG. 5, the classical MMC 500 has an ABC 3-phase structure including positive and negative DC voltage rails 502 and 504, respectively. Positive rail 502 and negative rail 504 form DC terminal 505 . Each of the 3-phases A, B, and C corresponds to one of phase legs 506, 508, and 510. Phase legs 506, 508, and 510 are connected to AC terminals 512A, 512B, and 512C, respectively.
예로서, 위상 레그(510)는 상부 암(516A) 및 동일한 하부 암(516B)을 포함한다. 도 5의 예에서, 상부 암(516A)과 하부 암(516B)은 하나의 리드에서 AC 단자(512C)에 함께 연결되고, 전류 억제를 위한 암 인덕터(518A 및 518B)를 제각기 포함한다. 상부 암(516A)과 하부 암(516B)은 반대편 리드에서 포지티브 레일(502)과 네거티브 레일(504)에 제각기 연결된다. As an example, phase leg 510 includes an upper arm 516A and an identical lower arm 516B. In the example of FIG. 5 , upper arm 516A and lower arm 516B are connected together on one lead to AC terminal 512C and include arm inductors 518A and 518B for current suppression, respectively. Upper arm 516A and lower arm 516B are connected to positive rail 502 and negative rail 504 respectively on opposite leads.
위상 레그(510)에 관한 설명은 위상 레그(506 및 508)에 동일하게 적용된다. 각 위상 레그(506, 508, 및 510)의 상부 암 및 하부 암은 직렬 연결된 2-레벨 서브모듈 SM1 내지 SMn을 포함한다. 2-레벨 서브모듈 SM1 내지 SMn 각각은 풀 브리지 컨버터(예컨대, 도 2a의 FB-SM(200)) 또는 하프 브리지 컨버터(예컨대, 도 4a의 HB-SM(400))이다. The description of phase leg 510 applies equally to phase legs 506 and 508 . The upper and lower arms of each phase leg 506, 508, and 510 include serially connected two-level submodules SM1 to SMn. Each of the two-level submodules SM1 to SMn is a full bridge converter (eg, FB-
MMC(500)에서는 변환 레벨의 수를 증가시키기 위해 직렬로 연결된 SM의 수를 증가시킬 수 있다. 즉, 보다 양호하고 정밀한 전력 품질 파형을 제공하기 위해 보다 많은 SM이 추가될 수 있다. 따라서, 다양한 컨버터 요건을 충족하기 위해서는, 설계자는 적절한 수의 SM을 선택하여, MMC를 보다 높은 전압, 보다 높은 전력, 및 보다 나은 전력 품질 성능을 갖춘 보다 큰 컨버터로 구축하기만 하면 된다. In the MMC 500, the number of serially connected SMs may be increased to increase the number of conversion levels. That is, more SMs can be added to provide better and more precise power quality waveforms. Thus, to meet various converter requirements, designers only need to select the appropriate number of SMs and build the MMC into a larger converter with higher voltage, higher power, and better power quality performance.
그러나, 문제는 더 많은 레벨을 달성하기 위해 더 많은 SM이 MMC에서 사용됨에 따라, 그에 상응하는 비용, 중량, 풋프린트 또는 크기가 증가한다는 것이다. 전기 그리드와 같은 고정 MMC 애플리케이션의 경우, 이러한 단점은 거의 영향을 미치지 않는다. However, the problem is that as more SMs are used in the MMC to achieve more levels, the corresponding cost, weight, footprint or size increases. For stationary MMC applications such as electrical grids, this drawback has little impact.
예를 들어, 전기 그리드 애플리케이션의 경우, 일반적으로 보다 많은 필수 장비 컴포넌트와 적용 가능한 라인 교체 가능 장치(line replaceable unit)(LRU)를 수용할 수 있는 충분한 물리적 공간이 존재한다. 한편, 선박 추진, 항공, 및 유사한 동력 애플리케이션에서는 중량과 볼륨이 중요한 고려 사항이 된다. For example, in electrical grid applications, there is usually sufficient physical space to accommodate more essential equipment components and applicable line replaceable units (LRUs). On the other hand, in ship propulsion, aviation, and similar power applications, weight and volume become important considerations.
본 개시내용의 실시예는 3-레벨 NPP 또는 3-레벨 NPC 컨버터 토폴로지를 사용하여 종래 기술의 MMC SM을 하이브리드화함으로써 종래 기술의 MMC와 연관된 보다 큰 볼륨, 보다 무거운 중량, 및 더 높은 비용의 문제를 극복한다. Embodiments of the present disclosure hybridize prior art MMC SMs using a 3-level NPP or 3-level NPC converter topology to address the larger volume, heavier weight, and higher cost problems associated with prior art MMCs. overcome
보다 구체적으로, 실시예는 3-레벨 NPP 또는 3-레벨 NPC MMC의 각 위상 암 내에서 제어 가능한 반도체 스위치와 서브모듈 모두의 혼합물을 포함하는 새로운 HMMC 토폴로지 접근법을 제공한다. 예를 들어, 100% 서브모듈을 포함하는 기존의 2-레벨 MMC에서 서브모듈을 사용하는 대신, 실시예는 3-레벨 기본 구조 MMC를 사용한다. 각 위상의 해당 상부 암 및 하부 암 각각은 반도체 스위치와 서브모듈의 적절한 혼함물(예컨대, 50% 스위치와 50% 서브모듈)을 포함한다. More specifically, the embodiment provides a novel HMMC topology approach that includes a mixture of both controllable semiconductor switches and submodules within each phase arm of a 3-level NPP or 3-level NPC MMC. For example, instead of using submodules in an existing 2-level MMC containing 100% submodules, the embodiment uses a 3-level basic structure MMC. Each of the corresponding upper and lower arms of each phase includes a suitable mixture of semiconductor switches and submodules (eg, 50% switches and 50% submodules).
도 6a는 종래 기술의 3-레벨 액티브 중립 포인트 클램프드(ANPC) 컨버터(600)의 블록도이다. ANPC 컨버터(600)는 본원에서 개시된 새로운 HMMC 토폴로지에 대한 도입물로서 제공된다. 6A is a block diagram of a prior art three-level active neutral point clamped (ANPC)
ANPC 컨버터(600)는 포지티브 및 네거티브 DC 전압 레일(602 및 604)을 제각기 포함하는 ABC 3-위상 구조를 포함한다. 포지티브 레일(602)과 네거티브 레일(604)은 DC 단자(606)를 형성한다. 3-위상(A, B, 및 C) 각각은 해당 위상 레그(608, 610, 및 612)를 포함한다. 위상 레그(608, 610, 및 612)는 AC 단자(614A, 614B, 및 614C)에 제각기 연결되고, AC 측(616)을 형성한다. ANPC 컨버터(600)는 DC 중간점 노드(620)를 포함한다.
위상 레그(608)는 암 인덕터(619A 및 619B)와 함께 상부 및 하부 암(618A 및 618B)을 제각기 포함한다. 예로서, 상부 암(618A)은, 중간점 노드(620)를 능동적으로 제어하고, 중간점 노드(620)에 연결하기 위한 하나의 스위치(622A) 및 또 다른 스위치(624A)를 포함한다. 또한 제3 스위치(626A)가 포함된다. 상부 암(618A)에 대해 대칭인 하부 암(618B)은 스위치(622B, 624B, 626B)를 포함한다.
실시예의 HMMC 토폴로지에 기반한 3-레벨 ANPC 컨버터(600)에서, 상부 암(618A) 및 하부 암(618B)의 스위치는 도 6b 내지 도 6d의 실시예에 도시된 바와 같이 하나 이상의 SM으로 대체될 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 HMMC는 기존의 MMC 해결책에 비해 볼륨, 중량, 및 비용을 감소시키면서, 기존의 MMC의 모듈성, 확장성, 및 전력 품질 성능을 유지한다. In the 3-
일 예로서, 도 6b의 실시예에서, HMMC(600-1)는 위상 레그(608)(도 6a)의 상부 암(618A) 내의 스위치(626A)를, SM1-A 및 SM2-A를 포함하는 한 쌍의 SM(626A-1)으로 대체한다. 유사하게, 하부 암(618B)은 스위치(626B)를, SM1-B 및 SM2-B를 포함하는 한 쌍의 SM(626B-1)으로 대체한다. 나머지 위상 레그(610 및 612)는 위상 레그(608)에 대해 대칭이고, 서브모듈로 개별 스위치의 해당 대체를 반영한다. 모듈화 균일성의 목적을 위해, SM(626A-1) 쌍 내의 SM1-A 및 SM2-A와 같은 배열 내의 SM은 일반적으로 실질적으로 동일한 값이다. 그러나, 특정 실시예는 SM1-A 및 SM2-A, 또는 유사한 배열 내의 다른 SM이 동일하지 않은(예컨대, 혼합된) 값이어야 할 필요가 있을 수 있다. As an example, in the embodiment of FIG. 6B , HMMC 600-1 includes
도 6c의 실시예에서, 예시적인 HMMC(600-2)는 위상 레그(608)(도 6a)의 상부 암(618A) 내의 스위치(624A)를, SM1-A 및 SM2-A를 포함하는 한 쌍의 SM(624A-2)으로 대체한다. 유사하게, 하부 암(618B)은 스위치(624B)를, SM1-B 및 SM2-B를 포함하는 한 쌍의 SM(624B-2)으로 대체한다. 나머지 위상 레그(610 및 612)는 위상 레그(608)에 대해 대칭이고, 서브모듈로 개별 스위치의 해당 대체를 반영한다. In the embodiment of FIG. 6C , exemplary HMMC 600-2 includes
도 6d의 실시예에서, 예시적인 HMMC(600-3)는 위상 레그(608)(도 6a)의 상부 암(618A) 내의 스위치(622A)를, SM1-A 및 SM2-A를 포함하는 한 쌍의 SM(622A-3)으로 대체한다. 유사하게, 하부 암(618B)은 스위치(622B)를, SM1-B 및 SM2-B를 포함하는 한 쌍의 SM(622B-3)으로 대체한다. 나머지 위상 레그(610 및 612)는 위상 레그(608)에 대해 대칭이고, 서브모듈로 개별 스위치의 해당 대체를 반영한다. In the embodiment of FIG. 6D , exemplary HMMC 600-3 includes
도 7a는 본 개시내용의 또 다른 실시예의 블록도를 도시한 것이다. 도 7a에서, 3-레벨 ANPC HMMC(700)는 도 6a의 스위치(622A, 624A, 및 626A) 중 하나와 같은 단일 스위치를, 직렬로 그리고 반대 극성으로 연결된 2개의 차단 방지 스위치로 대체한다. 예를 들어, ANPC HMMC(700)는 직렬로 연결된 반대 극성의 스위치(702A 및 702B)의 차단 방지 쌍(702)을 포함한다. 이 구성의 이점은, 서브모듈(704)이 하프 브리지인 경우, 반대 극성인 스위치(702A 및 702B)가 AC 측(706)으로부터의 보다 높은 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 차단함으로써 단락 격리 보호를 제공한다는 것이다. 7A shows a block diagram of another embodiment of the present disclosure. In FIG. 7A, a three-
NPP 개념에 대한 도입 및 집중을 통해, 도 7b는 본 개시내용의 추가 실시예의 블록도를 도시한 것이다. NPP HMMC(710)를 사용하는 도 7b의 실시예는 도 7a의 ANPC HMMC(700)과 유사한 격리 기능을 제공한다. 예를 들어, NPP HMMC(710)는, 실시예에 따라 반대 극성을 가지며 직렬로 연결된 스위치(714A 및 714B)의 차단 방지 쌍(714)을 포함한다. 도 7a의 ANPC 컨버터(700)에서 달성된 바와 같이, NPP HMMC(710)는 또한, SM(712)이 HB-SM인 경우, AC 측(706)으로부터의 보다 높은 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 차단하도록 구성된다. With an introduction and focus on the NPP concept, FIG. 7B shows a block diagram of a further embodiment of the present disclosure. The embodiment of FIG. 7B using the
도 7c는 도 7b의 NPP 컨버터(710)와 유사성을 공유하는 3-레벨 NPP HMMC(730)의 상세한 블록도를 도시한 것이다. 그러나, 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, NPP HMMC(730)는 위상 암의 양 브랜치에 차단 방지 스위치 쌍을 제공한다. 따라서, NPP HMMC(730)는, SM이 HB-SM인 경우, 차단 방지 스위치를 사용하여 DC 링크의 단락 차단을 제공하기도 한다. FIG. 7C shows a detailed block diagram of a 3-
제한이 아닌 편의만을 위해, 차단 방지 스위치는 도 7a 내지 도 7c에만 도시되었다. 그러나, 주목할 것은 AC 측으로부터 보다 높은 전압이 DC 링크로 피드백되는 것을 방지하기 위해 차단 방지 스위치를 사용하는 개념이 도 6b 내지 도 6d의 예시적인 실시예에 동일하게 적용된다는 것이다. For convenience and not limitation only, the anti-disconnect switch is shown only in FIGS. 7A-7C. However, it should be noted that the concept of using an anti-blocking switch to prevent higher voltages from the AC side from being fed back to the DC link applies equally to the exemplary embodiment of FIGS. 6B-6D.
추가적으로, 3-레벨 NPP HMMC(730)는 위상 레그의 모든 상부 및 하부 암 내의 스위치와 SM 모두의 혼합물을 포함한다. 즉, HMMC(730)에서는 동등한 다중 레벨 컨버터에 사용되는 반도체 스위치의 일부(예컨대, 30%, 40%, 50% 등)만이 SM으로 대체된다. Additionally, the 3-
도 7c의 실시예에 도시된 반도체 스위치와 SM(즉, HMMC 토폴로지)의 혼합물은 모듈성을 포함하여 고전적인 MMC의 많은 유익한 특성을 제공한다. 그러나, 예시적인 NPP HMMC(730)은 고전적인 MMC보다 볼륨이 작고, 중량이 가벼우며, 비용이 저렴하지만, 동일하거나 보다 나은 전력 품질 성능을 달성할 수 있다. The mixture of semiconductor switches and SMs (i.e., HMMC topology) shown in the embodiment of FIG. 7c provides many of the beneficial properties of classical MMCs, including modularity. However, the
도 7c의 예시적인 HMMC(730)는 포지티브 DC 전압 레일(731) 및 네거티브 DC 전압 레일(732)을 포함한다. AC 측(733)은 AC 위상(A, B, 및 C)에 제각기 대응하는 AC 출력 단자(734A, 734B, 및 734C)를 포함한다. AC 위상 레그(736, 738, 및 740)는 또한 AC 위상(A, B, 및 C)에 제각기 해당하고, 중립 포인트(742)에 전기적으로 연결된다. HMMC(730)의 ABC 구조는 3개의 AC 위상을 나타내지만, 실시예는 (N개의) AC 위상을 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. The
위상 레그(736, 738, 및 740)는 포지티브 레일(731)과 네거티브 레일(732) 사이에 연결된다. 위상 레그(736, 738, 및 740) 각각은 상부 암 및 하부 암을 포함한다. 예를 들어, 위상 레그(736)는 상부 암(744A) 및 하부 암(744B)을 포함한다. 아래의 논의는 상부 암(744A)에 집중되지만, 논의된 개념은 하부 암(744B) 뿐만 아니라, 위상 레그(738 및 740)의 상부 암 및 하부 암에도 동일하게 적용된다.
HMMC(730)는 DC 링크 캐패시터(C1 및 C2)를 포함한다. 캐패시터(C1 및 C2) 각각의 리드는 중립 포인트(742)에 함께 연결된다. 캐패시터(C1 및 C2)의 반대편 리드는 포지티브 레일(731)과 네거티브 레일(732)에 제각기 연결된다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 상부 암(744A)은, 캐스케이딩되어 직렬로 연결된, 바람직하게는, 반대 극성의 제1 반도체 스위치 쌍(746)을 포함한다. 이러한 스위치 쌍(746) 중 하나의 리드는 AC 전압 단자(734A)에 연결되고, 다른 리드는 중립 포인트(742)에 연결된다. 상부 암(744A)은 또한 반대 극성으로 도시된 제2 반도체 스위치 쌍(748)을 포함한다. 이러한 반도체 스위치 쌍(748)은 반대 극성으로 도시되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다. 이러한 스위치 쌍(748)의 개방 리드는 포지티브 레일(731)에 연결된다. As shown in FIG. 7C ,
상부 암(744A)은 또한 복수의 직렬 연결된 SM(750)을 포함하고, 따라서 MMC 위상 레그의 상부 및 하부 암 내에서 SM과 반도체 스위치를 혼합하는 하이브리드 접근법을 도입한다. 다양한 실시예에서, SM(750)은 HB-SM일 수 있다. 직렬 연결된 SM(750) 중 하나의 리드는 스위치 쌍(748)의 리드에 연결되고, 다른 리드는 암 인덕터(754)에 연결된다. 암 인덕터(754)의 다른 리드는 AC 단자(734A)에 연결된다.
도 7b의 예에서, SM(750)은 풀 브리지 또는 하프 브리지 토폴로지일 수 있다. 예를 들어, SM(750)이 HB-SM인 경우, 스위치들(748)은 바람직하게는 위에서 언급된 차단 기능 및 결함 격리를 제공하기 위해 반대 극성일 것이다. In the example of FIG. 7B ,
FB-SM을 갖는 SM(750)은 HB-SM에 비해 몇 가지 이점을 제공한다. 예를 들어, FB-SM은 진정한 가변 DC 링크 전압을 달성하는 유연성을 제공한다. 즉, 일반적인 AC-DC 컨버터에서, DC 측은 일반적으로 AC 측보다 높은 전압 레벨을 갖는다. 일반적으로, AC 측 상의 중립에 대한 위상 전압(Vphase)과 DC 측 상의 DC 링크 전압(HMMC의 경우 VDCLink/2) 간의 관계는 √2의 함수이다. 보다 구체적으로, VDCLink ≥ 2√2(VPhase)이다.
따라서, 풀 브리지로 SM(750)을 구현하면, 양방향 차단 기능(즉, SM(750)을 통해 AC 측에서 DC 측을 분리하는 기능)을 포함하여 DC 측에 상당한 범위의 특징을 제공하게 된다. 예를 들어, DC 측에서 단락이 발생하면, DC 측 단락이 AC 측을 중단시키지 않도록 방지하는 차단이 필요하다. Implementing the
본 개시내용의 다양한 실시예는 진정한 가변 DC 링크 전압 레벨, 특히 AC 측의 전압보다 낮은 레벨을 가능하게 한다. 다양한 실시예는: Si IGBT 또는 SiC MOSFET으로 만들어진 FB-SM을 사용하는 것; 양방향 차단 IGBT를 제공하는 것; 기존의 MMC와 비교하여 SM의 일부 백분율만을 대체하지만 동일하거나 보다 나은 전력 품질을 갖는 것; DC 링크 단락의 경우, AC 측의 임베디드 격리 보호를 제공하는 것; 및 기존의 MMC와 비교하여 동등하거나 보다 나은 전력 품질 성능을 가지면서 볼륨을 감소시키고, 중량을 낮추고, 비용을 감소시키는 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다. Various embodiments of the present disclosure enable truly variable DC link voltage levels, especially lower than the voltage on the AC side. Various embodiments include: using FB-SMs made of Si IGBTs or SiC MOSFETs; providing a bi-directional blocking IGBT; Replacing only some percentage of SMs compared to conventional MMCs, but with the same or better power quality; To provide embedded isolation protection on the AC side in case of DC link short circuit; and reducing volume, lowering weight, and reducing cost while having equivalent or better power quality performance compared to existing MMCs.
DC 링크 전압이 가변적이고 AC 입력 전압보다 낮아야 하는 애플리케이션의 경우, 예를 들어, AC 모터 드라이브/인버터와 인터페이싱하는 액티브 프런트 엔드(AFE) 컨버터의 경우, 종래 기술의 MMC는 작동되지 않을 것이다. 이러한 애플리케이션은 본 개시내용의 다양한 실시예에 포함된다. For applications where the DC link voltage is variable and must be lower than the AC input voltage, for example an active front end (AFE) converter interfacing with an AC motor drive/inverter, prior art MMCs will not work. Such applications are included in various embodiments of the present disclosure.
추가적으로, 실시예는 볼륨과 중량을 약 30% 이상만큼, 반도체 손실을 약 30%만큼, SM 캐패시터 비용을 약 50%만큼, IGBT 비용을 25%만큼 감소시킬 수 있다. 이들 수치 및 이하의 유사한 수치는 대략적인 추정치일 뿐이며, 실시예의 특정 제한 또는 한계를 나타내려는 의도는 아니다. 동시에, 실시예는 기존의 MMC 기술과 비교하여 동일하거나 개선된 전력 품질 성능을 유지할 수 있다. Additionally, embodiments may reduce volume and weight by about 30% or more, semiconductor losses by about 30%, SM capacitor cost by about 50%, and IGBT cost by 25%. These numbers and similar numbers below are approximate estimates only and are not intended to represent any particular limitation or limitation of the embodiments. At the same time, embodiments may maintain the same or improved power quality performance compared to existing MMC technologies.
또한, 실시예에 따라 구성된 HMMC는 다음을 포함하여, 종래 기술의 접근법에 비해 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공한다:In addition, HMMCs constructed according to the embodiments provide several distinct advantages over prior art approaches, including:
(a) AC 입력 전압보다 높거나 낮은 가변 DC 링크 전압;(a) a variable DC link voltage above or below the AC input voltage;
(b) SM의 수가 절반으로 감소되면서도, 크기와 중량이 감소되고, 비용이 절감된 것;(b) the number of SMs is reduced by half, while the size and weight are reduced, and the cost is reduced;
(c) SM의 수가 2배인 기존의 MMC와 동등한 높은 전력 품질;(c) high power quality equivalent to conventional MMC with twice the number of SMs;
(d) 기존의 MMC와 동일하거나 유사한 수의 변환 레벨이지만 SM의 수는 절반이고, 동등하거나 더 나은 전력 품질을 갖는 것;(d) the same or similar number of conversion levels as conventional MMCs but half the number of SMs and equal or better power quality;
(e) SM용 DC 링크 전압(0.5Vdc)의 절반으로 정격이 보다 낮은 디바이스 및 모듈을 사용할 수 있고; 2.5kV, 3.3kV 또는 4.5kV Si IGBT 또는 SiC MOSFET; 조합된 MMC 이점;(e) half of the DC link voltage for the SM (0.5 Vdc) allows the use of lower rated devices and modules; 2.5kV, 3.3kV or 4.5kV Si IGBT or SiC MOSFET; Combined MMC Benefits;
(f) 한 쌍의 차단 IGBT 및 다이오드만 표시되며, 더 많은 것(n개의 스위치)이 필요한 경우 추가될 수 있는 것(예컨대, xn);(f) only a pair of blocking IGBTs and diodes are shown, more (n switches) can be added if needed (eg xn);
(g) 32.5%의 총 볼륨 감소((총 SM 볼륨의 ~50%인) SM 캐패시터의 50%로 인한 25%, 즉 25%=50%*50%, 및 SM 볼륨의 약 50%인 IGBT 및 게이트 드라이버의 50%의 25%로 인한 12.5%, 즉 12.5%=25%*50%);(g) Total volume reduction of 32.5% (25% due to 50% of SM capacitors (which is ~50% of total SM volume), i.e. 25%=50%*50%, and IGBTs which are approximately 50% of SM volume and 12.5% due to 25% of 50% of the gate driver, i.e. 12.5%=25%*50%);
(h) 풀 브리지 SM을 사용하는 기존의 MMC와 비교하여, SM 캐패시터 비용의 50% 비용 절감, IGBT 비용의 25% 비용 절감;(h) 50% cost reduction of SM capacitor cost, 25% cost reduction of IGBT cost, compared with conventional MMC using full bridge SM;
(i) 보다 적은 수의 SM으로 인한, 감소된 반도체 전도 손실(~30%) 및 효율성 향상;(i) reduced semiconductor conduction losses (~30%) and improved efficiency due to fewer SMs;
(j) DC 링크 캐패시터에 대한 감소된 캐패시턴스(캐패시터 크기). 통신 캐패시터로서만 역할을 함;(j) Reduced capacitance for the DC link capacitor (capacitor size). serves only as a communication capacitor;
(k) 낮은 라인 주파수(50Hz 또는 60Hz)에서, 보다 적은 손실로, 보다 효율적으로, 그리고 보다 안정적으로 스위칭하는 IGBT;(k) IGBTs that switch more efficiently, more reliably, with less losses, at lower line frequencies (50 Hz or 60 Hz);
(l) 낮은(기본 AC) 주파수 스위칭 이후 IGBT에 대한 스너버 캡의 잠재적 제거;(l) Potential elimination of snubber caps for IGBTs after low (default AC) frequency switching;
(m) 보다 높은 전압을 위해 보다 많은 IGBT를 적층하는 것은 문제가 되지 않으며, 더 높은 전압 애플리케이션의 경우 더욱 확장 가능한 것; 및(m) Stacking more IGBTs for higher voltages is not a problem, more scalable for higher voltage applications; and
(n) DC 단락 결함의 경우 DC에서 AC 격리 ― FB-SM으로 인한 정적 스위치.(n) DC to AC isolation in case of DC short fault - static switch due to FB-SM.
다양한 실시예는, FB-SM IGBT 및 하나 이상의 동일한 극성 IGBT를 직렬로 갖거나; FB-SM MOSFET 및 하나 이상의 동일한 극성 IGBT를 직렬로 갖거나; FB-SM IGBT 및 하나 이상의 동일한 극성 MOSFET를 직렬로 갖거나; FB-SM MOSFET 및 하나 이상의 동일한 극성 MOSFET를 직렬로 갖거나; FB-SM IGBT 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; FB-SM MOSFET 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; HFB-SM 다이오드 및 Si IGBT 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; HFB-SM(다이오드 및 SiC MOSFET) 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; HB-SM(다이오드 및 Si IGBT) 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; 또는 HB-SM(다이오드 및 SiC MOSFET) 및 양방향 차단 IGBT를 갖는 3-레벨 NPP 토폴로지에 구축된 것을 포함하는 하나 이상의 특징에 기반한 HMMC를 포함할 수 있다. Various embodiments have a FB-SM IGBT and one or more same polarity IGBTs in series; have a FB-SM MOSFET and one or more same-polarity IGBTs in series; FB-SM IGBTs and one or more same-polarity MOSFETs in series; have a FB-SM MOSFET and one or more same polarity MOSFETs in series; have a FB-SM IGBT and a bi-directional blocking IGBT; have a FB-SM MOSFET and a bi-directional blocking IGBT; with HFB-SM diodes and Si IGBTs and bi-directional blocking IGBTs; with HFB-SM (diode and SiC MOSFET) and bi-directional blocking IGBT; with HB-SM (diode and Si IGBT) and bi-directional blocking IGBT; or an HMMC based on one or more characteristics including one built on a 3-level NPP topology with HB-SM (diode and SiC MOSFET) and bi-directional blocking IGBT.
실시예는 또한, HB-SM(다이오드 및 SiC MOSFET) 및 양방향 차단 MOSFET를 갖거나; HB-SM(다이오드 및 Si IGBT) 및 양방향 차단 MOSFET를 갖거나; Si IGBT의 중립 포인트 파일럿 스위치와 함께 FB-SM IGBT 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; SiC MOSFET의 중립 포인트 파일럿 스위치와 함께 FB-SM IGBT 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; Si IGBT의 중립 포인트 파일럿 스위치와 함께 FB-SM MOSFET 및 양방향 차단 IGBT를 갖거나; 또는 SiC MOSFET의 중립 포인트 파일럿 스위치와 함께 FB-SM MOSFET 및 양방향 차단 IGBT를 갖는 3L-NPP에 기반한 HMMC를 포함할 수 있다. Embodiments also have HB-SM (diode and SiC MOSFET) and bidirectional blocking MOSFET; with HB-SM (diode and Si IGBT) and bi-directional blocking MOSFET; have FB-SM IGBTs and bi-directional blocking IGBTs with neutral point pilot switches of Si IGBTs; have FB-SM IGBTs and bi-directional blocking IGBTs with neutral point pilot switches on SiC MOSFETs; have a FB-SM MOSFET and bi-directional blocking IGBT with neutral point pilot switch of Si IGBT; Alternatively, it can include an HMMC based on 3L-NPP with an FB-SM MOSFET and bi-directional blocking IGBT with neutral point pilot switch of SiC MOSFET.
본원의 설명은 본 기술 분야의 기술자가 본 개시내용을 만들거나 사용할 수 있도록 제공된다. 본 개시내용에 대한 다양한 수정례는 본 기술 분야의 기술자에게는 명백할 것이며, 본원에 정의된 일반 원리가 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다른 변형례에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 본원에 설명된 예 및 설계에 국한되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규 특징과 일관되는 가장 넓은 범위를 부여받아야 한다.The description herein is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present disclosure. Various modifications to this disclosure will be apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other variations without departing from the scope of this disclosure. Accordingly, the present disclosure is not to be limited to the examples and designs described herein, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
Claims (20)
N 쌍의 동일한 상부 암 및 하부 암을 포함하며, 각각의 상부 암 및 하부 암은 X개의 서브모듈과 Y개의 스위치 세트로 구성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).In a hybrid modular multilevel converter (HMMC) based on a neutral point pilot (NPP) topology and having an ABC N-phase structure,
A hybrid modular multilevel converter (HMMC) comprising N pairs of identical upper and lower arms, each upper and lower arm being composed of X submodules and Y switch sets.
각 세트 내의 스위치들은 캐스케이딩되어 직렬로 연결되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 1,
A hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the switches in each set are cascaded and connected in series.
상기 서브모듈의 각각은 풀 브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; insulated-gate bipolar transistor) 컨버터로 형성되고,
상기 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 2,
Each of the submodules is formed of a full bridge silicon (Si) insulated-gate bipolar transistor (IGBT) converter;
At least one of the set of switches is formed of an IGBT of opposite polarity, a hybrid modular multi-level converter (HMMC).
상기 서브모듈의 각각은 하프 브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 컨버터로 형성되고,
상기 Y개의 스위치 세트 각각 내의 스위치들은 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 2,
Each of the submodules is formed of a half bridge silicon (Si) insulated gate bipolar transistor (IGBT) converter;
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the switches in each of the Y switch sets are formed of IGBTs of opposite polarity.
포지티브 및 네거티브 직류(DC) 전압 레일, 중립 포인트 노드, 및 (i) AC 측을 형성하며 (ii) 상기 N 쌍의 상부 암 및 하부 암에 제각기 연결되는 N개의 AC 단자를 더 포함하고,
상기 상부 암은 상기 포지티브 DC 전압 레일과 상기 중립 포인트 노드 사이에 연결되고, 상기 하부 암은 상기 네거티브 DC 전압 레일과 상기 중립 포인트 노드 사이에 연결되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 2,
positive and negative direct current (DC) voltage rails, a neutral point node, and (i) N AC terminals forming an AC side and (ii) connected respectively to the upper and lower arms of the N pairs;
wherein the upper arm is connected between the positive DC voltage rail and the neutral point node, and the lower arm is connected between the negative DC voltage rail and the neutral point node.
상기 포지티브 및 네거티브 DC 전압 레일은 각각 상기 HMMC의 DC 측에 제각기의 단자를 형성하고,
상기 X개의 서브모듈은 상기 AC 측으로부터 상기 DC 측을 격리하도록 구성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 5,
The positive and negative DC voltage rails each form respective terminals on the DC side of the HMMC;
Wherein the X submodules are configured to isolate the DC side from the AC side.
중립에 대한 위상의 전압 값은 DC 링크 전압 값보다 낮거나 높을 수 있는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 6,
A hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the voltage value of the phase to neutral may be lower or higher than the DC link voltage value.
포지티브 및 네거티브 직류(DC) 전압 레일, 중립 포인트 노드, 및 복수의 위상 레그를 가지며, 상기 복수의 위상 레그 각각은 (i) 교류(AC) 위상에 대응하며 (ii) 상부 암 및 하부 암을 포함하고, 각 상부 암은 상기 포지티브 DC 전압 레일과 상기 중립 포인트 노드 사이에 연결되며, 각 하부 암은 상기 네거티브 DC 전압 레일과 상기 중립 포인트 노드 사이에 연결되고,
상기 상부 암과 상기 하부 암 중 적어도 하나는:
상기 포지티브 DC 전압 레일에 적어도 간접적으로 연결된 제1 리드 및 상기 대응하는 AC 위상의 출력 단자에 연결된 제2 리드를 갖는 2개 이상의 직렬 연결된 서브모듈; 및
직렬로 연결되고, (i) 하나의 단부가 상기 출력 단자에 연결되며 (ii) 다른 단부가 상기 중립 포인트 노드에 연결된, 제1 캐스케이딩된 스위치 세트
를 포함하는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).In a hybrid modular multi-level converter (HMMC) based on a neutral point pilot (NPP) topology,
positive and negative direct current (DC) voltage rails, a neutral point node, and a plurality of phase legs, each of the plurality of phase legs (i) corresponding to an alternating current (AC) phase and (ii) including an upper arm and a lower arm wherein each upper arm is connected between the positive DC voltage rail and the neutral point node, and each lower arm is connected between the negative DC voltage rail and the neutral point node;
At least one of the upper arm and the lower arm:
two or more series-connected submodules having a first lead connected at least indirectly to the positive DC voltage rail and a second lead connected to an output terminal of the corresponding AC phase; and
A first set of cascaded switches connected in series, wherein (i) one end is connected to the output terminal and (ii) the other end is connected to the neutral point node.
A hybrid modular multi-level converter (HMMC) comprising a.
상기 출력 단자는, (i) AC 소스/입력에 연결되도록 구성된 하나의 단부 및 (ii) 그의 대응하는 위상 레그에 연결된 다른 단부를 포함하는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 8,
wherein the output terminal comprises (i) one end configured to be connected to an AC source/input and (ii) the other end connected to its corresponding phase leg.
상기 포지티브 DC 전압 레일과 상기 2개 이상의 직렬 연결된 서브모듈 사이에 직렬로 연결된 제2 캐스케이딩된 스위치 세트를 더 포함하는, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC). According to claim 9,
and a second set of cascaded switches connected in series between the positive DC voltage rail and the two or more series connected submodules.
상기 서브모듈의 각각은 풀 브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 컨버터로 형성되고,
상기 제1 캐스케이딩된 스위치 세트는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 10,
Each of the submodules is formed of a full bridge silicon (Si) insulated gate bipolar transistor (IGBT) converter;
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the first set of cascaded switches is formed of IGBTs of opposite polarity.
상기 제1 캐스케이딩된 스위치 세트는 양방향 차단 IGBT인 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 11,
wherein the first set of cascaded switches are bi-directional blocking IGBTs.
상기 제1 캐스케이딩된 스위치 세트는 환류 다이오드(free-wheeling diode)로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 12,
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the first set of cascaded switches is formed of free-wheeling diodes.
하나의 단부가 상기 포지티브 DC 전압 레일에 결합되며 다른 단부가 상기 중립 포인트 노드에 결합된 제1 캐패시터, 및 하나의 단부가 상기 네거티브 DC 전압 레일에 결합되며 다른 단부가 상기 중립 포인트 노드에 결합된 제2 캐패시터를 더 포함하는, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 13,
A first capacitor having one end coupled to the positive DC voltage rail and the other end coupled to the neutral point node, and a first capacitor having one end coupled to the negative DC voltage rail and the other end coupled to the neutral point node. A hybrid modular multi-level converter (HMMC), further comprising 2 capacitors.
상기 서브모듈의 각각은 풀 브리지 실리콘 탄화물(SiC) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET; metal oxide semiconductor field effect transistor) 컨버터로 형성되고,
상기 제1 및 제2 캐스케이딩된 스위치 세트는 반대 극성의 다이오드 및 SiC MOSFET로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 10,
Each of the submodules is formed of a full bridge silicon carbide (SiC) metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) converter;
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the first and second sets of cascaded switches are formed of opposite polarity diodes and SiC MOSFETs.
상기 다이오드는 환류인 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 8,
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the diode is freewheeling.
상기 서브모듈의 각각은 하프 브리지 Si IGBT 컨버터로 형성되고,
상기 제1 및 제2 캐스케이딩된 스위치 세트는 반대 극성의 다이오드 및 SiC MOSFET로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 10,
Each of the submodules is formed of a half-bridge Si IGBT converter,
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the first and second sets of cascaded switches are formed of opposite polarity diodes and SiC MOSFETs.
상기 다이오드는 환류인 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 10,
The hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the diode is freewheeling.
라인 간 전압 값은 DC 링크 전압 값보다 낮거나 높을 수 있는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).According to claim 8,
A hybrid modular multi-level converter (HMMC), wherein the line-to-line voltage value may be lower or higher than the DC link voltage value.
N 쌍의 동일한 상부 암 및 하부 암을 포함하며, 각각의 상부 암 및 하부 암은 X개의 서브모듈과 Y개의 스위치 세트로 구성되고,
각 세트 내의 스위치들은 캐스케이딩되어 직렬로 연결되며,
상기 서브모듈의 각각은 풀 브리지 실리콘(Si) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 컨버터로 형성되고,
상기 스위치 세트 중 적어도 하나는 반대 극성의 IGBT로 형성되는 것인, 하이브리드 모듈식 다중 레벨 컨버터(HMMC).In a hybrid modular multi-level converter (HMMC) based on a neutral point pilot (NPP) topology and having an ABC N-phase structure,
N pairs of identical upper and lower arms, each upper and lower arm composed of X submodules and Y switch sets;
The switches in each set are cascaded and connected in series,
Each of the submodules is formed of a full bridge silicon (Si) insulated gate bipolar transistor (IGBT) converter;
At least one of the set of switches is formed of an IGBT of opposite polarity, a hybrid modular multi-level converter (HMMC).
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
US202263313271P | 2022-02-23 | 2022-02-23 | |
US63/313,271 | 2022-02-23 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20230126642A true KR20230126642A (en) | 2023-08-30 |
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---|---|---|---|
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2023
- 2023-01-18 KR KR1020230007491A patent/KR20230126642A/en unknown
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