KR20240056294A - Unified power conversion platform - Google Patents
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Abstract
일 예에 따르면, 전력 변환 플랫폼은 다상 정류기와, 다상 인버터와, 역률 보정 (PFC) 회로와, 바이패스 회로를 포함하며, 역률 보정 회로 및 바이패스 회로가 다상 정류기와 다상 인버터의 사이에 연결된다. 이 전력 변환 플랫폼은, 다상 정류기에 고전압의 입력이 인가되면, 다상 정류기의 출력이 상기 바이패스 회로를 거쳐 다상 인버터에 인가되고, 다상 정류기에 저전압의 다상 입력 또는 단상 입력이 인가되면, 다상 정류기의 출력이 역률 보정 회로에서 승압된 후, 승압된 출력이 다상 인버터에 인가되는 방식으로 동작한다.According to one example, the power conversion platform includes a polyphase rectifier, a polyphase inverter, a power factor correction (PFC) circuit, and a bypass circuit, where the power factor correction circuit and the bypass circuit are connected between the polyphase rectifier and the polyphase inverter. . This power conversion platform is such that when a high voltage input is applied to the polyphase rectifier, the output of the polyphase rectifier is applied to the polyphase inverter through the bypass circuit, and when a low voltage polyphase input or single phase input is applied to the polyphase rectifier, the output of the polyphase rectifier is applied to the polyphase rectifier. It operates in such a way that after the output is boosted in the power factor correction circuit, the boosted output is applied to the multi-phase inverter.
Description
진열판매용 냉장고나 상업용 에어컨 시스템(Commercial Air-Conditioning (CAC) System)과 같은 경공업 설비가 널리 사용되고 있는데, 이들 설비의 콤프레서 및/또는 모터는 인버터 시스템을 사용하여 구동될 수 있다. Light industrial equipment such as display refrigerators and commercial air-conditioning (CAC) systems are widely used, and their compressors and/or motors may be driven using inverter systems.
일반적으로 인버터를 사용하여 콤프레서를 구동하는 장치는 입력 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 전압 변환 유닛(컨버터)과, 변환된 전압을 저장 및 평활화하는 평활 유닛(컨덴서)과, 평활 유닛의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 인버터의 교류 전압에 의해 구동되는 콤프레서 및/또는 모터의 출력 주파수 등을 제어하는 제어 유닛 등이 포함된다. 여기서, 인버터는 스위칭 소자를 연결하여 구성하는데, 스위칭 소자로서 특성이 우수한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)라는 반도체 소자를 일반적으로 사용할 수 있다. In general, a device that uses an inverter to drive a compressor includes a voltage conversion unit (converter) that converts the input alternating voltage to direct current voltage, a smoothing unit (condenser) that stores and smoothes the converted voltage, and the direct current voltage of the smoothing unit. It includes an inverter that converts AC voltage and a control unit that controls the output frequency of a compressor and/or motor driven by the AC voltage of the inverter. Here, the inverter is constructed by connecting switching elements, and a semiconductor element called IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), which has excellent characteristics, can generally be used as the switching element.
통상의 진열판매용 냉장고의 경우는 전력 용량이 4HP 에서 7HP (=5.25kW)에 해당하며, 상업용 에어컨 시스템의 경우는 용량이 5kW 에서 17kW (또는 22kW)에 해당한다. A typical display refrigerator has a power capacity of 4HP to 7HP (=5.25kW), and a commercial air conditioning system has a power capacity of 5kW to 17kW (or 22kW).
이처럼 경공업 장치에서 사용되는 전력 용량의 범위가 비교적 넓기 때문에, 전력 변환 플랫폼의 내부 구조를 일원화하여 전력 변환 플랫폼의 크기/무게를 크게 증가시키지 않으면서, 상이한 입력 전압을 처리 가능하도록 하는 효과적인 방안이 요구된다. Since the range of power capacities used in light industrial devices is relatively wide, an effective method is required to unify the internal structure of the power conversion platform to handle different input voltages without significantly increasing the size/weight of the power conversion platform. do.
도 1은 PFC 회로와 바이패스 회로를 갖는 전력 변환 플랫폼의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 2는 전력 변환 플랫폼의 일 예를 개념적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 플랫폼이 제1 상태로 작동하는 경우의 예시적 전류 경로를 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 변환 플랫폼이 제2 상태로 작동하는 경우의 예시적 전류 경로를 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 전력 변환 플랫폼이 제3 상태로 작동하는 경우의 예시적 전류 경로를 나타낸다.
도 6a는 단상 입력 시의 예시적인 동작 파형이며, 도 6b는 고전압 다상 입력 시의 예시적인 동작 파형이다.1 shows a block diagram of a power conversion platform with a PFC circuit and a bypass circuit.
2 conceptually illustrates an example of a power conversion platform.
FIG. 3 illustrates an example current path when the power conversion platform shown in FIG. 2 is operating in a first state.
FIG. 4 illustrates an example current path when the power conversion platform shown in FIG. 2 is operating in a second state.
FIG. 5 illustrates an example current path when the power conversion platform shown in FIG. 2 is operating in a third state.
FIG. 6A is an exemplary operating waveform for a single-phase input, and FIG. 6B is an exemplary operating waveform for a high voltage multi-phase input.
전력 변환 플랫폼, 예컨대 인버터 플랫폼의 경우, 7kW의 용량을 기준으로 구조가 달라진다. 전력 용량이 7kW를 밑도는 경우에는 인버터 플랫폼에 단상 입력 정류기(single-phase input rectifier)와, 부스트 회로(boost circuit), 예컨대, 부스트 PFC(Power Factor Correction) 회로, 그리고 3상 인버터가 포함된다. 이러한 인버터 플랫폼은 입력받은 단상 정류 전압을 부스트 회로를 사용하여 승압한 후 3상 인버터로 인가하는 방식을 취한다. 전력 용량이 7kW를 넘는 경우에는 인버터 플랫폼에 3상 입력 정류기(3-phase input rectifier)와, 3상 인버터가 포함되는데, 이러한 인버터 플랫폼은 입력받은 3상 정류 전압을 별도의 승압 단계 없이 3상 인버터로 인가할 수 있다. In the case of a power conversion platform, such as an inverter platform, the structure varies based on a capacity of 7kW. For power capacities below 7 kW, the inverter platform includes a single-phase input rectifier, a boost circuit, such as a boost PFC (Power Factor Correction) circuit, and a three-phase inverter. This inverter platform boosts the input single-phase rectified voltage using a boost circuit and then applies it to a three-phase inverter. If the power capacity exceeds 7kW, the inverter platform includes a 3-phase input rectifier and a 3-phase inverter. This inverter platform converts the input 3-phase rectified voltage into a 3-phase inverter without a separate boosting step. It can be approved as .
진열판매용 냉장고나 상업용 에어컨 시스템과 같은 경공업 장비에서 사용되는 전력 용량을 살펴보면, 진열판매용 냉장고는 4HP 에서 7HP (=5.25kW), 상업용 에어컨 시스템은 5kW 에서 17kW (또는 22kW)로서, 단상 입력 전압과 3상 입력 전압을 모두 포함한다. 그러나, 입력 전압의 유형에 따라 서로 다른 인버터 시스템이 요구되므로, 장치의 복잡성이 커지고 크기/무게가 증가된다는 문제가 있다. Looking at the power capacity used in light industrial equipment such as display refrigerators and commercial air conditioning systems, display refrigerators range from 4 HP to 7 HP (=5.25 kW), and commercial air conditioning systems range from 5 kW to 17 kW (or 22 kW), depending on the single-phase input voltage and 3 Includes all phase input voltages. However, since different inverter systems are required depending on the type of input voltage, there is a problem that the complexity of the device increases and the size/weight increases.
본 개시는 입력 전압에 따라 상이한 인버터 시스템을 마련해야 하는 위 문제를 해결하기 위한 것으로, 일 예에 따르면, 하나의 통합형 전력 변환 플랫폼 내에서 입력 전압의 크기에 따라 두 가지의 서로 다른 경로를 사용하여 입력 전압을 변환 가능하도록 하여, 하나의 인버터 시스템이 다양한 입력 전압을 처리 가능하도록 하는 방안을 제공하는 것을 일 목적으로 한다. The present disclosure is intended to solve the above problem of having to prepare different inverter systems depending on the input voltage. According to one example, two different paths are used according to the size of the input voltage within one integrated power conversion platform. The purpose is to provide a method for converting voltages so that one inverter system can process various input voltages.
일 예에 따른 통합 전력 변환 플랫폼은 전력 변환 시스템의 일반적인 구조, 즉, 입력된 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기와 인버터에 더하여 역률 보정 (Power Factor Correction: PFC) 회로와 바이패스 회로를 추가로 구비하여, 낮은 전압이 입력되는 경우, 예컨대 저전압 3상 입력 또는 단상 입력의 경우에는 역률 보정 회로를 통하여 입력 전압을 승압하고, 높은 전압이 입력되는 경우, 예컨대 고전압 3상 입력의 경우에는 바이패스 회로를 통하여 승압 단계를 생략하는 방식을 취함으로써, 비교적 작은 풋프린트를 유지하면서, 넓은 범위의 입력 전압을 처리 가능하도록 한다.An integrated power conversion platform according to one example has the general structure of a power conversion system, that is, in addition to a rectifier and an inverter that converts the input voltage to a direct current voltage, it additionally includes a power factor correction (PFC) circuit and a bypass circuit. Therefore, when a low voltage is input, for example, in the case of a low-voltage three-phase input or single-phase input, the input voltage is boosted through a power factor correction circuit, and when a high voltage is input, for example, in the case of a high-voltage three-phase input, a bypass circuit is used. By omitting the step-up step, it is possible to handle a wide range of input voltages while maintaining a relatively small footprint.
이하, 본 개시에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아니라, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.Hereinafter, the terms used in the present disclosure have selected general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present disclosure, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. Therefore, the terms used in this disclosure are not simply term names, but should be defined based on the meaning of the term and the overall content of this disclosure.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When it is said that a part "includes" a certain element throughout the specification, this means that, unless specifically stated to the contrary, it does not exclude other elements but may further include other elements.
“제1”, “제2” 등의 용어가 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 해당 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 즉, 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소가 제2 구성요소로 명명될 수도 있고, 마찬가지로 제2 구성요소가 제1 구성요소로 명명될 수도 있다. “및/또는”이라는 용어는 관련하여 기재된 복수 개의 항목들의 조합 또는 관련하여 기재된 복수 개의 항목들 중 임의의 항목을 포함한다.Although terms such as “first” and “second” may be used to describe various components, these components should not be limited by these terms. That is, terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present disclosure. The term “and/or” includes any combination of a plurality of items stated in relation to each other or any of a plurality of items stated in relation to each other.
한편, 아래의 실시예에 대한 설명에서 인버터 내의 전류검출 스위칭 소자로서, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 사용하는 예를 들어 설명하였다. 그러나 그러한 예에 한정되지 않고 다양한 스위칭 소자의 경우에도 본 발명의 실시예가 적용될 수 있음은 자명할 것이다. 예를 들어, 인버터를 구성하는 각 전류검출 스위칭 소자는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 이외에도 다이오드가 병렬 접속되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등이 사용될 수 있어 IGBT에 한정되지 않는다.Meanwhile, in the description of the embodiment below, an example of using an insulated gate bipolar transistor (IGBT) device as a current detection switching device in the inverter is given. However, it will be apparent that the embodiments of the present invention are not limited to such examples and can be applied to various switching devices. For example, the current detection switching elements that make up the inverter are not limited to IGBTs, as in addition to insulated gate bipolar transistors (IGBTs), MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) with diodes connected in parallel can be used.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 일 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 예에 한정되지 않는다.Below, with reference to the attached drawings, an example of the present disclosure will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice it. However, the present disclosure may be implemented in many different forms and is not limited to the examples described herein.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼의 블록 다이어그램을 도시한 것이다. 1 shows a block diagram of a power conversion platform according to an embodiment of the present invention.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼은 다상 정류기(11)를 포함한다. 다상 정류기(11)는 다상 교류 입력 또는 단상 교류 입력을 인가받아, 이를 직류로 변환하여 바이패스 회로(13) 또는 PFC 회로(14)에 출력한다. 다상 정류기(11)는 예컨대, 3 쌍의 다이오드를 포함할 수 있으며, 다이오드 각 쌍은 두 다이오드의 사이에 입력 단자가 접속되는 하프 브리지 구성(half bridge configuration)을 갖도록 정렬될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 다양한 구성의 정류기가 본 발명의 실시예에 이용될 수 있음은 자명할 것이다. 예를 들어, 정류기의 구성은 하프 브리지 구성 이외에도 전파 정류기(full-wave rectifier), 풀 브리지 정류기(full-bridge rectifier) 구성 등이 사용될 수 있다. A power conversion platform according to one embodiment includes a multi-phase rectifier (11). The multi-phase rectifier 11 receives multi-phase alternating current input or single-phase alternating current input, converts it into direct current, and outputs it to the bypass circuit 13 or the PFC circuit 14. The multi-phase rectifier 11 may include, for example, three pairs of diodes, and each pair of diodes may be arranged to have a half bridge configuration in which an input terminal is connected between the two diodes. However, it will be apparent that the present invention is not limited to this and rectifiers of various configurations can be used in embodiments of the present invention. For example, the rectifier configuration may include a full-wave rectifier or full-bridge rectifier configuration in addition to a half-bridge configuration.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼은 다상 인버터(12)를 포함한다. 다상 인버터(12)는 바이패스 회로(13) 또는 PFC 회로(14)로부터 직류 입력을 인가받아, 이를 요구되는 주파수·진폭의 교류 전압으로 변환하여 콤프레서 또는 모터로 출력한다. 다상 인버터(12)는 적어도 3 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수 있는데, 스위칭 소자의 각 쌍은 하프 브리지 구성으로 정렬되어 두 개의 스위칭 소자 사이에 콤프레서 또는 모터로의 출력 단자가 구비될 수 있다. 스위칭 소자로는 IGBT 소자가 사용될 수 있으나, 이외에도 다이오드가 병렬 접속되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등이 사용될 수 있다. A power conversion platform according to one embodiment includes a multi-phase inverter (12). The multi-phase inverter 12 receives direct current input from the bypass circuit 13 or the PFC circuit 14, converts it into an alternating current voltage of the required frequency and amplitude, and outputs it to a compressor or motor. The multi-phase inverter 12 may include at least three pairs of switching elements, each pair of switching elements arranged in a half-bridge configuration with an output terminal to a compressor or motor between the two switching elements. IGBT devices can be used as switching devices, but in addition, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) in which diodes are connected in parallel can be used.
일 실시예에 따른 다상 인버터(12)는 또한 직류 입력의 맥동(ripple)을 없애기 위한 평활 회로(smoothing circuit)을 포함할 수 있다. 다상 인버터(12)로의 직류 입력은 평활 회로를 거쳐 맥동이 제거된 후에 스위칭 소자에 입력된다. 평활 회로는 커패시터, 초크, 저항 등을 사용하여 만들 수 있다.The multi-phase inverter 12 according to one embodiment may also include a smoothing circuit to eliminate ripples in the direct current input. The direct current input to the multi-phase inverter 12 is input to the switching element after pulsation is removed through a smoothing circuit. A smoothing circuit can be created using capacitors, chokes, resistors, etc.
다상 정류기(11)와 다상 인버터(12)는 개별 요소로 구성될 수도 있으나, 하나의 모듈, 즉, 파워 집적 모듈(Power Integrated Module: PIM)로 구성될 수도 있다. The multi-phase rectifier 11 and the multi-phase inverter 12 may be composed of individual elements, but may also be composed of one module, that is, a power integrated module (PIM).
일 실시예에 따른 다상 인버터(12)의 출력 주파수·진폭은 제어 유닛(도시되지 않음)에 의하여 제어될 수 있다. 다상 인버터(12)의 출력이 인가되는 모터 및/또는 콤프레서의 상태에 따라, 다상 인버터(12)의 출력을 제어하는 제어 유닛은 다상 인버터 내에 구비될 수도 있고, 다상 인버터의 외부에 별도로 구비될 수도 있다.The output frequency and amplitude of the multi-phase inverter 12 according to one embodiment may be controlled by a control unit (not shown). Depending on the state of the motor and/or compressor to which the output of the multi-phase inverter 12 is applied, the control unit that controls the output of the multi-phase inverter 12 may be provided within the multi-phase inverter, or may be separately provided outside the multi-phase inverter. there is.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼은 바이패스 회로(13)를 포함할 수 있다. 바이패스 회로(13)는 다상 정류기(11)와 다상 인버터(12)의 사이에 구비된다. 바이패스 회로(13)는 다상 정류기(11)의 출력이 사전 결정된 임계 직류 전압 레벨을 넘는 경우, 다상 정류기(11)의 출력이 별도의 승압 단계를 거치지 않고, 즉, PFC 회로(14)를 거치지 않고, 다상 인버터(12)에 인가되도록 한다. 바이패스 회로(13)는 바이패스 다이오드 또는 저속 충전 저항을 포함하는 릴레이로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 구성의 바이패스 회로가 본 발명의 실시예가 적용될 수 있음은 자명할 것이다.The power conversion platform according to one embodiment may include a bypass circuit 13. The bypass circuit 13 is provided between the multi-phase rectifier 11 and the multi-phase inverter 12. The bypass circuit 13 prevents the output of the multi-phase rectifier 11 from going through a separate boosting step, that is, from going through the PFC circuit 14, when the output of the multi-phase rectifier 11 exceeds a predetermined critical DC voltage level. and is applied to the multi-phase inverter (12). The bypass circuit 13 may be composed of a bypass diode or a relay including a slow charging resistor, but it will be apparent that the present invention is not limited to this and various configurations of the bypass circuit can be applied to the embodiment of the present invention.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼은 PFC 회로(14)를 포함할 수 있다. PFC 회로(14)는 다상 정류기(11)와 다상 인버터(12)의 사이에 구비되며, 다상 정류기(11)의 출력이 사전 결정된 임계 직류 전압 레벨에 미치지 않는 경우, 다상 정류기(11)의 출력을 적정한 레벨로 승압하여, 승압된 직류 전압이 다상 인버터(12)에 인가되도록 한다. 예컨대, 일 실시예에 따른 PFC 회로(14)는 입력 AC 전류가 입력 AC 전압과 동상(in phase)이 되도록 역률을 조정하여 결과적으로 승압되는 효과를 도출할 수 있다. A power conversion platform according to one embodiment may include a PFC circuit 14. The PFC circuit 14 is provided between the multi-phase rectifier 11 and the multi-phase inverter 12, and when the output of the multi-phase rectifier 11 does not reach the predetermined critical DC voltage level, the output of the multi-phase rectifier 11 is adjusted. The voltage is boosted to an appropriate level so that the boosted direct current voltage is applied to the multi-phase inverter (12). For example, the PFC circuit 14 according to one embodiment may adjust the power factor so that the input AC current is in phase with the input AC voltage, resulting in a boosting effect.
PFC 회로(14)는 스위칭 소자, 인덕터 및 다이오드를 포함할 수 있다, 스위칭 소자는 SiC 스위칭 소자, 예컨대, SiC MOSFET일 수 있으며, 다이오드는 SiC 다이오드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 구성의 PFC 회로가 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다.The PFC circuit 14 may include a switching element, an inductor, and a diode. The switching element may be a SiC switching element, for example, a SiC MOSFET, and the diode may be a SiC diode, but is not limited to this and may be of various configurations. PFC circuits may be used in embodiments of the present invention.
역률 보정 단계에서 SiC 다이오드를 사용하면 Si 다이오드를 사용하는 경우에 비해 요구되는 PFC 인덕턴스가 크게 줄어들어, 스위칭 주파수를 향상시킬 수 있다. 또한, PFC 회로에서 SiC MOSFET을 사용하면, Si-IGBT를 사용하는 경우에 비해 DC 링크 전압을 3상 수준으로 승압 가능하여, 단상 입력을 3상 인버터에 연결할 수 있게 된다. Using SiC diodes in the power factor correction stage significantly reduces the required PFC inductance compared to using Si diodes, improving the switching frequency. Additionally, when SiC MOSFET is used in a PFC circuit, the DC link voltage can be boosted to a three-phase level compared to when Si-IGBT is used, making it possible to connect a single-phase input to a three-phase inverter.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼의 일 예를 개념적으로 도시한 것이다. Figure 2 conceptually illustrates an example of a power conversion platform according to an embodiment of the present invention.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼에 포함된 예시적인 다상 정류기는 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6)를 포함한다. 각 쌍의 다이오드는 두 개의 다이오드의 사이에 입력 단자가 구비되는 하프 브리지 구성으로 배열된다. An exemplary polyphase rectifier included in a power conversion platform according to one embodiment includes three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5, and D6). Each pair of diodes is arranged in a half-bridge configuration with an input terminal between the two diodes.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼에 포함된 예시적인 다상 인버터는 3 쌍의 스위칭 소자(IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6)와, 스위칭 소자로의 입력을 평활화하기 위하여 사용되는 커패시터(C1)를 포함한다. 각 쌍의 스위칭 소자는 두 개의 스위칭 소자의 사이에 콤프레서 또는 모터로의 출력 단자가 구비되는 하프 브리지 구성을 갖는다. 스위칭 소자로 IGBT 소자가 예시적으로 도시되었으나, 이외에도 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등 다양한 스위칭 소자가 사용 가능할 것이다.An exemplary multi-phase inverter included in a power conversion platform according to one embodiment includes three pairs of switching elements (IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6) and a capacitor (C1) used to smooth the input to the switching elements. ) includes. Each pair of switching elements has a half-bridge configuration in which an output terminal to a compressor or motor is provided between the two switching elements. An IGBT device is shown as an example as a switching device, but various switching devices such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) may also be used.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼의 예시적인 PFC 회로는 스위칭 소자(FETD1), 인덕터(L1) 및 다이오드(D7)를 포함한다. 스위칭 소자(FETD1)는 SiC 스위칭 소자, 예컨대, SiC MOSFET일 수 있으며, 다이오드(D7)는 SiC 다이오드로 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.An exemplary PFC circuit of a power conversion platform according to one embodiment includes a switching element (FETD1), an inductor (L1), and a diode (D7). The switching element FETD1 may be a SiC switching element, for example, a SiC MOSFET, and the diode D7 may be a SiC diode, but is not limited thereto.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼은 바이패스 회로로서 바이패스 다이오드를 포함한다. The power conversion platform according to one embodiment includes a bypass diode as a bypass circuit.
일 실시예에 따른 전력 변환 플랫폼은 PFC 회로에 인가되는 전류를 검출하기 위한 션트 회로(R_shunt1)와, 인버터에 인가되는 전류를 검출하기 위한 션트 회로(R_shunt2)를 추가로 포함할 수 있으나, 전류 검출 회로는 션트 저항기로 제한되는 것이 아니며, 다른 다양한 전류 검출 방법이 사용 가능하다. 나아가, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전류 검출 회로는 전력 변환 플랫폼에 필수 요소는 아니며 생략 가능한 것임을 명확하게 인지할 것이다.The power conversion platform according to one embodiment may further include a shunt circuit (R_shunt1) for detecting the current applied to the PFC circuit and a shunt circuit (R_shunt2) for detecting the current applied to the inverter, but the current detection The circuit is not limited to shunt resistors; a variety of other current detection methods can be used. Furthermore, those skilled in the art will clearly recognize that the current detection circuit is not an essential element of the power conversion platform and can be omitted.
도 3은 도 2에 도시된 전력 변환 플랫폼에 고전압 다상 입력이 인가되어 작동되는 경우의 예시적 전류 경로를 나타낸다. FIG. 3 shows an example current path when the power conversion platform shown in FIG. 2 is operated by applying a high voltage multi-phase input.
전력 변환 플랫폼의 다상 정류기에 고전압 다상 입력(예컨대, 고전압 3상 입력)이 인가되면, 다상 정류기의 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6) 모두에 입력이 인가된다. 다상 정류기는 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6)를 사용하여 높은 전압 레벨을 갖는 DC 출력을 생성한다. When a high voltage polyphase input (e.g., a high voltage three-phase input) is applied to the polyphase rectifier of the power conversion platform, the input is applied to all three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5, and D6) of the polyphase rectifier. The polyphase rectifier uses three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5, and D6) to produce a DC output with high voltage levels.
다상 정류기로부터의 높은 전압 레벨을 갖는 DC 출력은 별도의 승압 단계를 거치지 않고, 즉, PFC 회로를 거치지 않고, 바이패스 다이오드를 통하여 다상 인버터에 인가된다. 높은 전압 레벨을 갖는 DC 출력은 다상 인버터의 커패시터(C1)를 사용하여 맥동이 제거되고, 평활화된 DC 출력은 다상 인버터의 3 쌍의 스위칭 소자(IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6)를 사용하여 변환되어 콤프레서 또는 모터로 출력된다. The DC output with a high voltage level from the multi-phase rectifier is applied to the multi-phase inverter through a bypass diode without going through a separate boosting step, that is, without going through the PFC circuit. The DC output with high voltage level is de-pulsated using the capacitor (C1) of the multi-phase inverter, and the smoothed DC output is generated using three pairs of switching elements (IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6) of the multi-phase inverter. It is converted and output to a compressor or motor.
예를 들어, 유럽, 중국 등에서 사용되는 400 V 내외 레벨의 고전압 3상 입력이 전력 변환 플랫폼에 입력되는 경우, 고전압 3상 입력은 다상 정류기의 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6)를 사용하여 높은 전압 레벨을 갖는 DC 출력으로 변환된다. 변환된 DC 출력은 바이패스 다이오드를 통하여 다상 인버터로 인가되어 요구되는 주파수·진폭의 교류 전압으로 변환된다.For example, when a high voltage three-phase input of around 400 V used in Europe, China, etc. is input to the power conversion platform, the high voltage three-phase input is connected to three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5) of a multi-phase rectifier. and D6) is converted to a DC output with a high voltage level. The converted DC output is applied to the multi-phase inverter through a bypass diode and converted into an alternating voltage of the required frequency and amplitude.
도 4는 도 2에 도시된 전력 변환 플랫폼에 단상 입력이 인가되어 작동되는 경우의 예시적 전류 경로를 나타낸다. FIG. 4 illustrates an example current path when the power conversion platform shown in FIG. 2 is operated with a single-phase input.
전력 변환 플랫폼의 다상 정류기에 단상 입력이 인가되면, 다상 정류기의 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6) 중 단상 입력에 대응되는 두 쌍의 다이오드(D1, D2, D5 및 D6)에 입력이 인가된다. 다상 정류기는 두 쌍의 다이오드(D1, D2, D5 및 D6)를 사용하여 맥동을 갖는 비교적 낮은 전압 레벨의 DC 출력을 생성한다. When a single-phase input is applied to the multi-phase rectifier of the power conversion platform, among the three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5, and D6) of the multi-phase rectifier, two pairs of diodes (D1, D2, D5, and Input is applied to D6). A polyphase rectifier uses two pairs of diodes (D1, D2, D5, and D6) to produce a pulsating, relatively low voltage level DC output.
다상 정류기로부터의 정류된 DC 출력은 다상 인버터에 인가되기에 앞서, PFC 회로에 의해 사전 결정된 임계 전압 레벨 이상으로 승압된다. 즉, PFC 회로는 단상 입력의 정류된 DC 출력을, 고전압 다상 입력이 다상 정류기에 입력된 경우의 출력 전압 레벨에 근접한 전압 레벨로 승압시킨다. The rectified DC output from the multi-phase rectifier is boosted above a predetermined threshold voltage level by a PFC circuit before being applied to the multi-phase inverter. That is, the PFC circuit boosts the rectified DC output of the single-phase input to a voltage level close to the output voltage level when the high-voltage multi-phase input is input to the multi-phase rectifier.
PFC 회로에서 승압된 DC 출력은 다상 인버터로 입력되어, 다상 인버터의 커패시터(C1)를 사용하여 맥동이 제거된다. 평활화된 DC 출력은 다상 인버터의 3 쌍의 스위칭 소자(IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6)를 사용하여 요구되는 주파수·진폭의 교류 전압으로 변환되어 콤프레서 또는 모터로 출력된다.The DC output boosted from the PFC circuit is input to the multi-phase inverter, and pulsation is removed using the capacitor (C1) of the multi-phase inverter. The smoothed DC output is converted to an alternating voltage of the required frequency and amplitude using three pairs of switching elements (IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6) of the multi-phase inverter and output to a compressor or motor.
예를 들어, 미국, 일본 등에서 사용되는 110 V 내외의 저전압 단상 입력이 전력 변환 플랫폼에 입력되는 경우, 저전압 단상 입력은 다상 정류기를 사용하여 비교적 낮은 전압 레벨의 DC 출력으로 변환된다. PFC 회로는 변환된 DC 출력을, 380 V 내외의 레벨의 고전압 3상 입력이 다상 정류기에 입력된 경우의 직류 출력의 전압 레벨에 근접한 전압 레벨로 승압한다. 이처럼 PFC 회로를 사용한 승압 단계를 거치면, 저전압 단상 입력의 정류된 DC 출력과 고전압 3상 입력의 정류된 DC 출력을 동일한 다상 인버터를 사용하여 변환할 수 있게 된다.For example, when a low-voltage single-phase input of around 110 V used in the United States, Japan, etc. is input to the power conversion platform, the low-voltage single-phase input is converted into a DC output at a relatively low voltage level using a multi-phase rectifier. The PFC circuit boosts the converted DC output to a voltage level close to the voltage level of the DC output when a high voltage three-phase input of around 380 V is input to the multi-phase rectifier. By going through the step-up step using a PFC circuit like this, the rectified DC output of the low-voltage single-phase input and the rectified DC output of the high-voltage three-phase input can be converted using the same multi-phase inverter.
다른 예로, 유럽, 한국, 중국 등에서 사용되는 220 V 내외의 고전압 단상 입력이 전력 변환 플랫폼에 입력되는 경우에도, 다상 정류기를 사용하여 이를 DC 출력으로 변환하고, PFC 회로는 변환된 DC 출력을, 400 V 내외의 레벨의 고전압 3상 입력이 다상 정류기에 입력된 경우의 직류 출력에 근접한 전압 레벨로 승압한다. 승압된 DC 출력은 고전압 3상 입력의 정류된 DC 출력과 동일한 다상 인버터를 사용하여 요구되는 주파수·진폭의 교류 전압으로 변환 가능하다. As another example, even when a high voltage single-phase input of around 220 V used in Europe, Korea, China, etc. is input to the power conversion platform, a multi-phase rectifier is used to convert it into DC output, and the PFC circuit converts the converted DC output to 400 V. The high voltage three-phase input at a level around V is boosted to a voltage level close to the direct current output when input to the multi-phase rectifier. The boosted DC output can be converted to an alternating voltage of the required frequency and amplitude using the same multi-phase inverter as the rectified DC output of the high-voltage three-phase input.
나아가, 다른 예로서, 전력 변환 플랫폼에 저전압 다상 입력이 인가되는 경우도 가능하다. 도 5는 도 2에 도시된 전력 변환 플랫폼에 저전압 다상 입력이 인가되어 작동되는 경우의 예시적 전류 경로를 나타낸다. Furthermore, as another example, it is possible that a low-voltage multi-phase input is applied to the power conversion platform. FIG. 5 shows an example current path when the power conversion platform shown in FIG. 2 is operated with a low-voltage multi-phase input.
전력 변환 플랫폼의 다상 정류기에 저전압 다상 입력(예컨대, 저전압 3상 입력)이 인가되면, 다상 정류기의 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6) 모두에 입력이 인가되고, 다상 정류기는 3 쌍의 다이오드(D1, D2, D3, D4, D5 및 D6)를 사용하여 비교적 낮은 전압 레벨을 갖는 DC 출력을 생성한다. When a low-voltage polyphase input (for example, a low-voltage three-phase input) is applied to the polyphase rectifier of the power conversion platform, the input is applied to all three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5, and D6) of the polyphase rectifier, and the polyphase The rectifier uses three pairs of diodes (D1, D2, D3, D4, D5, and D6) to produce a DC output with relatively low voltage levels.
다상 정류기에서 정류된 DC 출력은 다상 인버터에 인가되기에 앞서, PFC 회로에 의해 사전 결정된 임계 전압 레벨 이상으로 승압된다. 즉, PFC 회로는 저전압 다상 입력의 정류된 DC 출력을, 고전압 다상 입력이 다상 정류기에 입력된 경우의 출력 전압 레벨에 근접한 전압 레벨로 승압시킨다. The DC output rectified from the multi-phase rectifier is boosted above a predetermined threshold voltage level by a PFC circuit before being applied to the multi-phase inverter. That is, the PFC circuit boosts the rectified DC output of the low-voltage multi-phase input to a voltage level close to the output voltage level when the high-voltage multi-phase input is input to the poly-phase rectifier.
PFC 회로에서 승압된 DC 출력은 다상 인버터로 입력되어, 다상 인버터의 커패시터(C1)를 사용하여 맥동이 제거된다. 평활화된 DC 출력은 다상 인버터의 3 쌍의 스위칭 소자(IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6)를 사용하여 요구되는 주파수·진폭의 교류 전압으로 변환되어 콤프레서 또는 모터로 출력된다.The DC output boosted from the PFC circuit is input to the multi-phase inverter, and pulsation is removed using the capacitor (C1) of the multi-phase inverter. The smoothed DC output is converted to an alternating voltage of the required frequency and amplitude using three pairs of switching elements (IGBTD1, IGBTD2, IGBTD3, IGBTD4, IGBTD5, IGBTD6) of the multi-phase inverter and output to a compressor or motor.
예를 들어, 미국 등에서 사용되는 110 V 내외의 레벨의 저전압 3상 입력이 전력 변환 플랫폼에 입력되는 경우, 저전압 3상 입력은 다상 정류기를 사용하여 비교적 낮은 전압 레벨을 갖는 DC 출력으로 변환된다. PFC 회로는 변환된 DC 출력을, 400 V 내외의 레벨의 고전압 3상 입력이 다상 정류기에 입력된 경우의 직류 출력에 근접한 전압 레벨로 승압한다. 이처럼 PFC 회로를 사용한 승압 단계를 거치면, 저전압 3상 입력의 정류된 출력과 고전압 3상 입력의 정류된 출력을 동일한 다상 인버터를 사용하여 변환할 수 있게 된다.For example, when a low-voltage three-phase input with a level of around 110 V used in the United States is input to a power conversion platform, the low-voltage three-phase input is converted into a DC output with a relatively low voltage level using a multi-phase rectifier. The PFC circuit boosts the converted DC output to a voltage level close to the DC output when a high voltage three-phase input of around 400 V is input to the multi-phase rectifier. By going through the step-up step using a PFC circuit like this, the rectified output of the low-voltage three-phase input and the rectified output of the high-voltage three-phase input can be converted using the same multi-phase inverter.
도 6a는 도 2의 실시예에 기반하여 구현한 예시적인 전력 변환 플랫폼에 단상 입력을 인가한 시뮬레이션의 동작 파형을 나타내며, 도 6b는 동일한 전력 변환 플랫폼에 고전압 3상 입력을 인가한 시뮬레이션의 동작 파형을 나타낸다. FIG. 6A shows the operating waveform of a simulation in which a single-phase input is applied to an exemplary power conversion platform implemented based on the embodiment of FIG. 2, and FIG. 6B shows the operating waveform in a simulation in which a high-voltage three-phase input is applied to the same power conversion platform. represents.
도 6a에 도시된 동작 파형의 수치 정보는 다음과 같다. Numerical information of the operating waveform shown in FIG. 6A is as follows.
도 6b에 도시된 동작 파형의 수치 정보는 다음과 같다. Numerical information of the operating waveform shown in FIG. 6B is as follows.
해당 시뮬레이션에 사용된 예시적인 전력 변환 플랫폼으로서 3상 정류기와 3상 인버터를 포함하는 PIM 모듈로 인피니언사의 “FP25R12W2T7” 제품이 사용되었으며, PFC 회로로는 SiC MOSFET, SiC 다이오드, 단채널 게이트 IC가 사용되었고, 평활 회로로는 전해질 및 필름 커패시터가 사용되었다. As an exemplary power conversion platform used in the simulation, Infineon's “FP25R12W2T7” product was used as a PIM module including a three-phase rectifier and a three-phase inverter, and SiC MOSFET, SiC diode, and single-channel gate IC were used as the PFC circuit. and electrolyte and film capacitor were used as the smoothing circuit.
도 6a 및 도 6b에서 볼 수 있듯이, 예시적인 전력 변환 플랫폼을 사용하면 단상 입력과 3상 입력 모두에서 유사한 출력을 획득 가능하다. As can be seen in FIGS. 6A and 6B, similar outputs can be achieved from both single-phase and three-phase inputs using the example power conversion platform.
이상과 같이 일 예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 위의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행될 수도 있고, 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the examples have been described with limited embodiments and drawings as described above, those skilled in the art can understand that various modifications and variations can be made from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the described method, components such as the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a form different from the described method, or other components or Appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by equivalents.
그러므로, 본 개시의 범위는 설명된 일 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위의 균등물에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present disclosure should not be limited to the described example, but should be determined by the claims described below as well as equivalents of these claims.
Claims (9)
다상 정류기와,
다상 인버터와,
역률 보정 (PFC) 회로와,
바이패스 회로를 포함하되,
상기 역률 보정 회로 및 상기 바이패스 회로는 상기 다상 정류기와 상기 다상 인버터의 사이에 연결되고,
상기 다상 정류기에 고전압의 다상 입력이 인가되면, 상기 다상 정류기의 출력이 상기 바이패스 회로를 거쳐 상기 다상 인버터에 인가되며,
상기 다상 정류기에 저전압의 다상 입력 또는 단상 입력이 인가되면, 상기 다상 정류기의 출력이 상기 역률 보정 회로에서 승압되고, 상기 승압된 출력이 상기 다상 인버터에 인가되는
전력 변환 플랫폼.
As a power conversion platform,
multi-phase rectifier,
A multi-phase inverter,
a power factor correction (PFC) circuit;
Including a bypass circuit,
The power factor correction circuit and the bypass circuit are connected between the polyphase rectifier and the polyphase inverter,
When a high voltage polyphase input is applied to the polyphase rectifier, the output of the polyphase rectifier is applied to the polyphase inverter through the bypass circuit,
When a low-voltage multi-phase input or single-phase input is applied to the multi-phase rectifier, the output of the multi-phase rectifier is boosted in the power factor correction circuit, and the boosted output is applied to the multi-phase inverter.
Power conversion platform.
상기 역률 보정 회로는 인덕터와, 다이오드와 스위칭 소자를 포함하는,
전력 변환 플랫폼.
According to claim 1,
The power factor correction circuit includes an inductor, a diode, and a switching element.
Power conversion platform.
상기 스위칭 소자는 능동 SiC 스위칭 소자인,
전력 변환 플랫폼.
According to clause 2,
The switching element is an active SiC switching element,
Power conversion platform.
상기 다상 정류기는 적어도 3 쌍의 다이오드를 포함하고,
상기 다상 정류기에 다상 입력이 인가되면, 상기 다상 정류기의 상기 적어도 3 쌍의 다이오드가 상기 다상 입력을 정류하며,
상기 다상 정류기에 단상 입력이 인가되면, 상기 적어도 3 쌍의 다이오드 중 2 쌍의 다이오드가 상기 단상 입력을 정류하는,
전력 변환 플랫폼.
According to claim 1,
The multi-phase rectifier includes at least three pairs of diodes,
When a polyphase input is applied to the polyphase rectifier, the at least three pairs of diodes of the polyphase rectifier rectify the polyphase input,
When a single-phase input is applied to the multi-phase rectifier, two pairs of diodes among the at least three pairs of diodes rectify the single-phase input.
Power conversion platform.
상기 바이패스 회로는 바이패스 다이오드 또는 저속 충전 저항을 포함하는 릴레이인,
전력 변환 플랫폼.
According to claim 1,
The bypass circuit is a relay including a bypass diode or a slow charge resistor,
Power conversion platform.
상기 다상 인버터는 하프 브리지 구성(half-bridge configuration)으로 정렬된 적어도 3 쌍의 IGBT 또는 MOSFET을 포함하는,
전력 변환 플랫폼.
According to claim 1,
The multi-phase inverter includes at least three pairs of IGBTs or MOSFETs arranged in a half-bridge configuration,
Power conversion platform.
제1 교류 전압 레벨을 갖는 상기 고전압 다상 입력이 상기 다상 정류기에 인가되면, 상기 다상 정류기의 출력은 제1 직류 전압 레벨을 갖는 제1 직류 전압이고,
상기 제1 교류 전압 레벨보다 낮은 제2 교류 전압 레벨을 갖는 상기 저전압 다상 입력 또는 단상 입력이 상기 다상 정류기에 인가되면, 상기 다상 정류기의 출력은 상기 제1 직류 전압 레벨보다 낮은 제2 직류 전압 레벨을 갖는 제2 직류 전압이며, 상기 역률 보정 회로는 상기 제2 직류 전압을 승압하여, 상기 승압된 제2 직류 전압의 전압 레벨이 상기 제1 직류 전압 레벨에 이르게 하도록 구성되는,
전력 변환 플랫폼.
According to claim 1,
When the high voltage polyphase input having a first alternating current voltage level is applied to the polyphase rectifier, the output of the polyphase rectifier is a first direct current voltage having a first direct current voltage level,
When the low-voltage multi-phase input or single-phase input having a second AC voltage level lower than the first AC voltage level is applied to the polyphase rectifier, the output of the polyphase rectifier has a second DC voltage level lower than the first DC voltage level. A second direct current voltage having a second direct current voltage, wherein the power factor correction circuit is configured to boost the second direct current voltage so that the voltage level of the boosted second direct current voltage reaches the first direct current voltage level,
Power conversion platform.
상기 다상 정류기의 출력 직류 전압 레벨을 검출하도록 구성되는 검출 회로와,
상기 검출된 출력 직류 전압 레벨이 사전결정된 임계 직류 전압 레벨보다 낮으면, 상기 역률 보정 회로의 동작을 제어하도록 구성되는 제어 회로
를 더 포함하는
전력 변환 플랫폼.
According to clause 7,
a detection circuit configured to detect an output direct current voltage level of the multi-phase rectifier;
A control circuit configured to control operation of the power factor correction circuit when the detected output direct current voltage level is lower than a predetermined threshold direct current voltage level.
containing more
Power conversion platform.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220136758A KR20240056294A (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Unified power conversion platform |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220136758A KR20240056294A (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Unified power conversion platform |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220136758A KR20240056294A (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Unified power conversion platform |
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