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KR101225322B1 - 전압 소스 컨버터 - Google Patents

전압 소스 컨버터 Download PDF

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KR101225322B1
KR101225322B1 KR1020107023379A KR20107023379A KR101225322B1 KR 101225322 B1 KR101225322 B1 KR 101225322B1 KR 1020107023379 A KR1020107023379 A KR 1020107023379A KR 20107023379 A KR20107023379 A KR 20107023379A KR 101225322 B1 KR101225322 B1 KR 101225322B1
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semiconductor
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스타판 노르가
토마스 유 욘손
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에이비비 리써치 리미티드
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Abstract

컨버터의 직류 전압측의 대향 폭에 접속되고 스위칭 셀 (7) 의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그를 갖는 전압 소스 컨버터는 컨버터의 각 스위칭 셀의 제 1 경로 (23) 의 반도체 어셈블리가 각각의 스위칭 셀의 고장의 경우에 영구적으로 폐쇄 상태가 되는 것을 보장하면서 스택에서의 반도체 어셈블리 사이에 전기적 접촉을 획득하도록 서로를 향해 어셈블리를 압축하기 위한 반도체 어셈블리의 스택의 대향 단부에 압력을 인가하도록 구성된 장치 (25) 를 갖는다. 각 스위칭 셀의 제 2 경로 (27) 는 에너지 저장 커패시터 (20) 를 포함하는 상기 제 2 경로가 상기 고장의 발생시에 비도통을 유지하도록 구성된 수단 (29) 을 갖는다.

Description

전압 소스 컨버터{A VOLTAGE SOURCE CONVERTER}
본 발명은 컨버터의 직류 전압측의 대향하는 폴 (pole) 에 접속하고 스위칭 셀의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 갖는 전압 소스 컨버터에 관한 것이고, 상기 스위칭 셀 각각은 그 단자들 사이에서, 직렬로 접속되고 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 그와 디바이스와 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드를 각각 갖는 하나 이상의 제 1 반도체 어셈블리에 의해 형성된 제 1 전류 경로, 및 한편으로는 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 그와 병렬로 접속된 프리 휠링 다이오드를 갖는 적어도 하나의 제 2 반도체 어셈블리 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터의 직렬 접속을 포함하는 제 2 경로를 갖는 적어도 2개의 전류 경로를 갖고, 위상 출력을 형성하는 상기 스위칭 셀의 직렬 접속의 중간 포인트는 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성되고, 상기 스위칭 셀 각각은 상기 위상 출력에 대한 결정된 교류 전압을 획득하기 위해, 각 스위칭 셀의 상기 반도체 디바이스의 제어에 의해 2개의 스위칭 상태, 즉, 상기 제 1 경로가 비도통 상태에 있고 상기 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 양단의 전압이 상기 스위칭 셀의 단자 양단에 인가되는 제 1 스위칭 상태 및 상기 제 1 경로가 폐쇄되고 제로 전압이 스위칭 셀의 단자 양단에 인가되는 제 2 스위칭 상태를 획득하도록 구성된다.
임의의 수의 위상 레그를 갖는 이러한 컨버터가 구성되지만, 이들은 통상적으로 교류 전압측에 대해 3개의 위상 교류 전압을 갖는 3개의 이러한 위상 레그를 갖는다.
이러한 타입의 전압 소스 컨버터는, 직류 전압이 교류 전압으로 또는 그 역으로 컨버팅되는 모든 종류의 상황에서 사용될 수도 있고, 그러한 사용들의 예들이, 직류 전압이 3상 교류 전압으로 또는 그 역으로 일반적으로 컨버팅되는 HVDC (High Voltage Direct Current) - 플랜트들의 스테이션들, 또는 먼저 교류 전압이 직류 전압으로 컨버팅되고 그 후 그 직류 전압이 교류 전압으로 컨버팅되는 소위 백-투-백-스테이션 (back-to-back-station) 들 뿐만 아니라 직류 전압측이 자유롭게 행잉하는 커패시터를 구성하는 SVC (Static Var Compensator) 에 있다. 그러나, 본 발명은 이들 애플리케이션에 제한되지 않으며, 머신, 비히클 등에 대한 상이한 타입의 구동 시스템에서와 같은 다른 애플리케이션을 또한 생각할 수 있다.
이러한 타입의 전압 소스 컨버터가 예를 들어, DE 101 03 031 A1 및 WO 2007/023064 A1 을 통해 알려져 있고, 개시된 바와 같이 일반적으로 멀티-셀 컨버터 또는 M2LC 라 칭한다. 이러한 타입의 컨버터의 기능에 대해 이들 공보를 참조한다. 상기 컨버터의 스위칭 셀은 상기 공보에 도시된 바와는 다른 외관을 가질 수도 있으며, 예를 들어, 도입에서 언급한 2개의 상태 사이에서 스위칭될 스위칭 셀을 제어하는 것이 가능한 한, 각 스위칭 셀이 2개 이상의 상기 에너지 저장 커패시터를 갖는 것이 가능하다.
이러한 타입의 다른 전압 소스 컨버터가 Static Var Compensator 에서 사용된 US 5 642 275 를 통해 알려져 있으며, 여기서, 스위칭 셀은 소위 풀 브리지의 형태의 다른 외관을 갖는다.
본 발명은 독점적으로는 아니지만 주로, 고전력을 전달하도록 구성된 전압 소스 컨버터에 관한 것이며, 이러한 이유로 본 발명을 이에 임의의 방식으로 제한하지 않고 예시하기 위해 이하에 고전력을 전달하는 경우를 주로 논의할 것이다. 이러한 전압 소스 컨버터가 고전력을 전달하기 위해 사용될 때, 이것은 또한, 고전압이 핸들링되며, 컨버터의 직류 전압측의 전압이 스위칭 셀의 상기 에너지 저장 커패시터 양단의 전압에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 이것은, 비교적 다수의 이러한 스위칭 셀이 다수의 반도체 디바이스에 대해 직렬로 접속되고, 즉, 상기 반도체 어셈블리가 상기 스위칭 셀 각각에서 직렬로 접속되며, 상기 위상 레그에서의 스위칭 셀의 수가 비교적 높을 때 이러한 타입의 전압 소스 컨버터가 특히 중요하다는 것을 의미한다. 직렬로 접속된 다수의 이러한 스위칭 셀은, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 상태 사이에서 변경하기 위해 이들 스위칭 셀을 제어하고, 상기 위상 출력에서 사인 전압에 매우 근접한 교류 전압을 이미 획득하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 이것은, 턴-오프형의 적어도 하나의 반도체 디바이스 및 그와 역-병렬로 접속된 적어도 하나의 프리 휠링 (free wheeling) 다이오드를 갖는 스위칭 셀을 가지는 DE 101 03 031 A1 호의 도 1 에 도시된 타입의 공지된 전압 소스 컨버터에서 통상적으로 사용된 것 보다 실질적으로 작은 스위칭 주파수에 의해 이미 획득될 수도 있다. 이것은, 실질적으로 낮은 손실을 획득할 수 있게 하며, 또한 필터링 및 고조파 전류 및 무선 간섭의 문제를 현저하게 감소시켜서, 장비를 저렴하게 할 수도 있다.
여러 스위칭 셀이 고전압을 핸들링하기 위해 직렬로 접속될 수도 있는 이러한 타입의 전압 소스 컨버터에서, 단일 스위칭 셀 또는 그의 반도체 어셈블리에서의 고장이 전체 컨버터의 동작을 위태롭게 할 수도 있기 때문에, 신뢰도가 감소될 수도 있다. WO 2007/023064 호는 리던던시를 달성함으로써 이러한 문제점에 대한 솔루션을 개시한다. 이것은 바이-패스 스위칭의 배열에 의해 고장 스위칭 셀을 단락함으로써 이루어진다. 그러나, 이것은 수단, 즉, 스위칭 셀을 단락하기 위해 사용된 스위칭의 신뢰도에 대한 높은 요구를 부여하고, 또한 상기 수단의 신뢰가능한 제어의 제공을 요구한다.
본 발명의 목적은 이미 공지되어 있는 솔루션 보다는 더욱 바람직한 적어도 일부 양태에서의 방식으로 스위칭 셀의 고정을 핸들링하기 위해 리던던시를 획득하는 문제점을 다루는 도입부에서 정의된 타입의 전압 소스 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이러한 목적은 도입부에서 정의된 타입의 전압 소스 컨버터를 제공함으로써 획득되고, 여기서, 상기 스위칭 셀의 상기 제 1 반도체 어셈블리는 적어도 하나의 반도체 어셈블리를 포함하는 스택에 배열되고, 컨버터는 상기 스택에서의 반도체 어셈블리들 사이의 전기적 접촉을 획득하면서, 각각의 스위칭 셀의 고장의 경우에 상기 제 1 경로의 반도체 어셈블리가 영구적으로 폐쇄된 회로 상태가 되고, 각 스위칭 셀의 상기 제 2 경로가 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로를 비도통으로 유지하도록 구성된 수단을 갖도록 구성된 장치를 포함한다.
각 스위칭 셀의 단자들 사이의 상기 제 1 경로에서 제 1 반도체 어셈블리를 상호접속하는 미국 특허 5 705 853 호를 통해 공지된 소위 프레스 팩 (press pack) 기술을 사용함으로써, 상기 제 1 경로가 영구적으로 폐쇄된 회로 상태가 되고 이에 의해 스위칭 셀 고장이 고장의 발생시에 자동으로 바이-패스되는 것이 보장될 수도 있다. 또한, 각 스위칭 셀의 상기 제 2 경로에서의 상기 수단의 장치는, 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로가 비도통으로 유지되어 이러한 고장의 경우에 에너지 저장 커패시터가 접속되지 않는다는 것을 보장하고, 이것은 컨버터의 다른 컴포넌트를 보호하는데 매우 중요하다. 따라서, 상기 수단은 상기 고장의 발생시에 커패시터가 "분리"되는 것을 보장함으로써 스위칭 셀의 직렬 접속에서 프레스 팩 기술의 양호한 기능을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명은 매우 단순한 수단으로 달성된 고유의 신뢰성을 갖는 스위칭 셀을 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 수단은 상기 제 2 경로에서 제 2 반도체 어셈블리를 상호접속하고 차단하도록 구성되어, 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로를 개방 회로 상태로 천이하도록 구성된 부재를 포함한다. 이것은 상기 제 2 경로가 스위칭 셀의 상기 고장의 발생시에 비도통으로 되는 것을 획득하는 신뢰가능하고 비용 효율적인 방식을 구성한다. 이것을 획득하는 흥미있는 방식이 본 발명의 다른 실시형태에서 정의되고, 여기서, 상기 부재는 제 2 반도체 어셈블리를 서로에 결합하고, 상기 고장의 발생시에 와이어를 통한 과전류에 의한 상기 반도체 어셈블리를 연소 (burn through) 하여 전기적으로 접속하지 않도록 구성된 적어도 하나의 와이어를 포함한다. 직렬로 접속된 반도체 어셈블리의 이러한 와이어 결합된 모듈은 소위 프레스 팩 기술을 이용하는 스택 형태의 모듈 보다 저렴하고, 제 2 반도체 어셈블리를 상호접속하는 이러한 종래 방식이 스위칭 셀의 고장의 경우에 에너지 저장 커패시터의 신뢰할 수 있는 비접속을 획득하기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 수단은 제 2 경로에서 상기 에너지 저장 커패시터와 직렬로 접속되고 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로에서 발생하는 과전류에 의해 연소하도록 구성된 부재를 포함한다. 그 후, 이러한 부재는 퓨즈인 것이 바람직하다. 이것은, 컨버터의 치수를 가능한 한 작게 유지하면서, 고장 스위칭 셀의 에너지 저장 커패시터가 상기 고장의 발생시에 접속되지 않는 것을 여전히 보장하는 것이 요구되는 경우에, 상기 프레스 팩 기술을 사용하면서 상기 제 2 반도체 어셈블리를 또한 스택되게 하는 것이 가능하다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 수단은 상기 제 2 경로에서 상기 에너지 저장 커패시터와 직렬로 접속되고 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로를 기계적으로 인터럽트하도록 구성된 부재를 포함한다. 본 발명은 또한, 상기 고장의 발생시에 에너지 저장 커패시터를 분리하기 위해 상기 제 2 경로에 기계적 스위치를 배열하는 경우를 커버한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 장치는 상기 각 스택에 스프링 로딩된 압력을 인가하도록 구성된 수단으로서, 스택의 2개의 단부를 서로를 향해 가압하여 상기 수단의 부재에 저장된 위치 에너지 (potential energy) 를 푸는, 상기 스프링 로딩된 압력을 인가하도록 구성된 수단을 포함한다. 상기 부재는, 압축될 때 위치 에너지를 저장하는 임의의 타입일 수도 있고, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 상기 각 스택의 적어도 하나의 단부상에서 작동하는 스프링일 수도 있고, 여기서, 상기 스프링은 가스 스프링과 같은 다른 타입의 스프링 뿐만 아니라 기계적 스프링일 수도 있다. 이것은, 상기 스택에서의 반도체 칩들 사이의 전기적 접촉이 예를 들어, 상기 스택에서의 반도체 칩들의 병렬 접속의 경우에서와 같이 치수의 불규칙에 관계없이 높은 신뢰도로 획득될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 인접하는 반도체 어셈블리의 상호접속이, 결함 반도체 어셈블리를 영구적으로 도통하게 하고 그에 따라 스위칭 셀을 바이-패싱하는 상기 고장의 발생시에 발생하는 과전류에 의해 파괴되는 위험이 없다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 각 스위칭 셀은 상기 스택에서 서로에 후속하는 N 개의 상기 제 1 반도체 어셈블리를 갖고, 여기서, N 은 2 이상 (≥ 2) 또는 4 이상 (≥ 4) 의 정수이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 위상 레그의 스위칭 셀의 수는, 4 이상 (≥ 4), 12 이상 (≥ 12), 30 이상 (≥ 30) 또는 50 이상 (≥ 50) 이다. 이러한 타입의 컨버터는 상기 언급한 바와 같이, 상기 위상 레그의 스위칭 셀의 수가 다소 높아서 상기 위상 출력에 전달된 전압 펄스의 다수의 가능한 레벨을 발생시킬 때 특히 중요하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 스위칭 셀 어셈블리의 상기 반도체 디바이스는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 또는 GTO (Gate Turn-Off thyristor) 이다. 턴-오프형의 다른 반도체 디바이스를 또한 생각할 수 있지만, 이들이 이러한 컨버터용 반도체 디바이스로 적합하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 컨버터는 고전압 직류 (HVDC) 를 전송하는 직류 전압 네트워크에 접속된 상기 직류 전압측 및 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 라인에 접속된 교류 전압측을 갖도록 구성된다. 이것은, 이러한 타입의 컨버터의 특히 중요한 애플리케이션에 요구된 다수의 반도체 어셈블리 때문이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 스위칭 셀의 상기 에너지 저장 커패시터에 의해 형성된 직류 전압측 및 교류 전압측에 접속된 교류 전압 위상 출력을 갖는 SVC (Static Var Compensator) 의 일부이다. 고장이 소위 이러한 타입의 컨버터의 풀 브리지 스위칭 셀에서 발생하면, 이러한 스위칭 셀은 M2LC-타입의 하프 브리지로 변경되며, 이것은 스위칭 셀에서 다른 고장의 발생시에 스위칭 셀의 에너지 저장 커패시터를 접속하지 않으면서 상기 제 1 경로가 영구적으로 폐쇄된 회로 상태가 되고 상기 2 경로가 비도통으로 유지된다는 것이 중요하고, 이것은 본 발명의 이러한 실시형태에 따른 컨버터에 의해 보장된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 컨버터는 상기 2개의 폴 양단에서 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV 또는 100 kV - 1200 kV 인 직류 전압을 갖도록 구성된다. 본 발명은 상기 직류 전압이 높을수록 더 중요하다.
본 발명은 또한 본 발명의 첨부한 청구범위에 따른 전력을 전달하는 플랜트에 관한 것이다. 이러한 플랜트의 스테이션에는 흥미로운 치수 및 저비용에 대한 고신뢰도가 제공될 수도 있다.
본 발명의 이점들 뿐만 아니라 다른 이점들은 아래의 설명으로부터 나타난다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태들을 예로서 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 타입의 전압 소스 컨버터의 매우 단순화된 도면이다.
도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 전압 소스 컨버터의 일부일 수도 있는 2개의 상이한 공지된 스위칭 셀을 예시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 전압 소스 컨버터를 매우 개략적으로 예시하는 단순화된 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 컨버터에서 설명된 바와 같은 도 3 에 도시된 타입의 스위칭 셀을 매우 개략적으로 예시하는 단순화된 도면이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 컨버터에서의 스위칭 셀의 도 5 에 대응하는 도면이다.
도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 컨버터에서의 스위칭 셀의 도 5 에 대응하는 도면이다.
도 8 은 Static Var Compensator 에서 사용된 본 발명에 따른 컨버터를 매우 개략적으로 예시한다.
도 9 는 도 8 에 도시된 컨버터의 스위칭 셀을 개략적으로 예시한다.
도 10 은 고장의 발생시에 도 9 에 도시된 스위칭 셀에 무엇이 발생하는 지를 예시한다.
도 1 은 본 발명이 관련되는 타입의 전압 소스 컨버터 (1) 의 일반적 구성을 매우 개략적으로 예시한다. 이러한 컨버터는 고전압 직류를 전송하는 직류 전압 네트워크와 같은, 컨버터의 직류 전압측의 대향 폴 (5, 6) 에 접속되는 3개의 위상 레그 (2 - 4) 를 갖는다. 각 위상 레그는 각 위상 레그는 이 경우에서는 16개인 박스로 표시된 스위칭 셀 (7) 의 직렬 접속을 포함하고, 이러한 직렬 접속은 2개의 동일한 부분, 즉 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성된 위상 출력을 형성하는 중간 포인트 (10 - 12) 에 의해 분리된 상부 밸브 브랜치 (8) 및 하부 밸브 브랜치 (9) 로 분리된다. 위상 출력 (10 - 12) 은 가능하게는 변압기를 통해 3개의 위상 교류 전압 네트워크, 부하 등에 접속할 수도 있다. 또한, 상기 교류 전압측에 대한 교류 전압의 형상을 개선하기 위해 필터링 장비가 상기 교류 전압측에 배열된다.
직류 전압을 교류 전압으로 및 교류 전압을 직류 전압으로 컨버팅하기 위해 스위칭 셀 (7) 및 컨버터를 제어하는 제어 장치 (13) 가 배열된다.
전압 소스 컨버터는, 한편으로는 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 그와 병렬로 접속된 프리 휠링 다이오드를 각각 갖는 적어도 2개의 반도체 어셈블리, 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터를 갖는 타입의 스위칭 셀 (7) 을 가지고, 이러한 스위칭 셀의 2개의 예가 도 2 및 도 3 에 도시되어 있다. 스위칭 셀의 단자 (14, 15) 는 위상 레그를 형성하는 스위칭 셀의 직렬 접속에서 인접하는 스위칭 셀에 접속되도록 구성된다. 반도체 디바이스 (16, 17) 는 이러한 경우에서는 다이오드 (18, 19) 와 병렬로 접속된 IGBT 이다. 오직 하나의 반도체 디바이스 및 하나의 다이오드만을 어셈블리 마다 도시하였지만, 이들은 어셈블리를 통해 흐르는 전류를 공유하기 위해 병렬로 접속된 다수의 반도체 디바이스 및 다이오드를 각각 나타낼 수도 있다. 에너지 저장 커패시터 (20) 가 다이오드 및 반도체 디바이스의 각각의 직렬 접속과 병렬로 접속된다. 하나의 단자 (14) 가 2개의 반도체 디바이스 사이의 중간 포인트 뿐만 아니라 2개의 다이오드 사이의 중간 포인트에 접속된다. 다른 단자 (15) 는 에너지 저장 커패시터 (20) 에 접속되는데, 도 2 의 실시형태에서는 에너지 저장 커패시터의 일측에 접속되고, 도 3 에 따른 실시형태에서는 에너지 저장 커패시터의 타측에 접속된다. 도 2 및 도 3 에 도시된 각 반도체 디바이스 및 각 다이오드는 처리될 전압을 처리할 수 있기 위해 2개 이상이 직렬로 접속될 수도 있으며, 그 후, 직렬로 접속된 반도체 디바이스는 하나의 단일 반도체 디바이스로서 작동하도록 동시에 제어될 수도 있다.
도 2 및 도 3 에 도시된 스위칭 셀은 a) 제 1 스위칭 상태 및 b) 제 2 스위칭 상태 중 하나를 획득하기 위해 제어될 수도 있으며, 여기서, a) 에 대해 커패시터 (20) 양단의 전압 및 b) 에 대해 제로 전압이 단자 (14, 15) 양단에 인가된다. 도 2 에서의 제 1 상태를 획득하기 위해, 반도체 디바이스 (16) 는 턴 온되고 반도체 디바이스 (17) 는 턴 오프되며, 도 3 에 따른 실시형태에서는, 반도체 디바이스 (17) 가 턴 온 되며 반도체 디바이스 (16) 는 턴 오프된다. 스위칭 셀은 반도체 디바이스의 상태를 변경함으로써 제 2 상태로 스위칭되어서, 도 2 에 따른 실시형태에서, 반도체 디바이스 (16) 는 턴 오프되고, 17 은 턴 온되며, 도 3 에서, 반도체 디바이스 (17) 는 턴 오프되고 16 은 턴 온된다.
도 4 는 도 1 에 따른 컨버터의 위상 레그가 도 3 에 도시된 타입의 스위칭 셀에 의해 어떻게 형성되는지를 좀더 상세히 도시하고, 여기서, 총 10개의 스위칭 셀이 도면을 단순화하기 위해 생략되어 있다. 제어 장치 (13) 는 반도체 디바이스를 제어함으로써 스위칭 셀을 제어하도록 구성되어서, 이들은 상기 직렬 접속에서 다른 스위칭 셀의 전압에 추가될 커패시터 양단의 전압 또는 제로 전압을 전달한다. 여기서, 변압기 (21) 및 필터링 장비 (22) 가 또한 표시된다. 각 밸브 브랜치가 위상 리액터 (50, 51) 를 통해 위상 출력 (10) 에 어떻게 접속되는지가 도시되어 있으며, 이러한 위상 리액터는 위상 출력 (10, 11, 및 12) 을 위해 도 1 에 또한 존재해야 하지만, 예시를 단순화하기 위해 생략되어 있다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전압 소스 컨버터의 도 3 에 도시된 타입의 각 스위칭 셀 (7) 의 설계를 매우 개략적으로 예시한다. 각 스위칭 셀은 직렬로 접속된 플레이트로 개략적으로 표시되고 도 3 에 도시된 바와 같이 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 그와 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드를 각각 갖는 복수의 제 1 반도체 어셈블리 (24) 에 의해 형성된 제 1 전류 경로 (23) 를 갖는다. 장치 (25) 는 스택에서 반도체 어셈블리들 사이의 전기적 접촉을 획득하기 위해 서로를 향해 어셈블리들을 압축하는 제 1 반도체 어셈블리의 스택 (30) 의 대향 단부에 압력을 인가하도록 구성된다. 이를 위해, 장치는 저장된 위치 에너지를 풀면서 서로를 향해 스택의 2개의 단부를 가압하기 위해 상기 스택 각각의 적어도 하나의 단부상에서 작용하는 스프링 (26) 형태에 위치 에너지를 저장하는 부재를 갖는다. 상기 제 1 반도체 어셈블리의 이러한 소위 프레스 팩 장치는 매우 높은 전류를 취할 수 있는 상호접속을 발생시킨다.
스위칭 셀은 또한, 한편으로는 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 그와 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드를 갖는 적어도 하나의 제 2 반도체 어셈블리 (28) 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (20) 의 직렬 접속을 포함하는 제 2 경로 (27) 를 포함한다.
고장이 스위칭 셀에서 발생할 때, 스위칭 셀이 단락되고, 에너지 저장 커패시터 (20) 가 제 2 경로 (27) 를 통해 방전되지 않을 수도 있는 것이 중요하다. 고장이 발생할 때, 제 1 반도체 어셈블리 (24) 에 의해 구성된 스위칭 모듈 및 제 2 반도체 어셈블리 (28) 로 구성된 스위칭 모듈은 개방된다. 그 후, 커패시터 (20) 로부터의 방전 전류가 제 1 반도체 어셈블리 (24) 를 파괴하여, 스위칭 셀 (7) 을 바이 패싱하는 영구적으로 폐쇄된 회로 상태가 된다. 그 후, 제 2 경로 (27) 가 컨버터의 나머지로부터 커패시터 (20) 를 접속하지 않기 위해 비도통으로 유지되는 것이 또한 중요하다. 이것은 상이한 방식으로 획득될 수도 있다. 예를 들어, 제 2 반도체 어셈블리에서의 반도체 디바이스와 같이 고장 경우에 전압이 발생하는 것을 차단할 수 있는 IGCT 또는 GTO 를 사용할 수 있어서, 커패시터를 접속하지 않기 위해 상기 고장의 발생시에 제 2 경로를 개방 회로 상태로 천이할 필요가 없다.
도 5 에 도시된 실시형태에서, 제 2 경로에서의 제 2 반도체 어셈블리 (28) 가 고장의 발생시에 제 2 경로에서 발생하는 과전류에 의해 연소하도록 구성된 종래의 와이어에 의해 상호접속되는 것이 가능하다.
도 6 에 도시된 실시형태에서의 스위칭 셀은, 상기 제 2 경로 (27) 에서 상기 에너지 저장 커패시터와 직렬로 접속되고 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로에서 발생하는 과전류에 의해 연소하도록 구성된 부재 (29) 의 배열에 의해 도 5 에 따른 것과는 다르다. 이러한 경우에서, 이러한 부재는 반도체 어셈블리를 스위칭 셀의 하나의 단자 (14) 에 접속하는 와이어이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 스위칭 셀을 예시하고, 여기서, 연소하는 상기 부재는 퓨즈 (29') 에 의해 형성된다. 도 6 및 도 7 에 도시된 2개의 실시형태에서, 커패시터 (20) 의 비접속이 부재 (29 및 29') 각각의 배열에 의해 여전히 보장되기 때문에, 제 2 경로에서 반도체 어셈블리 (28) 를 상호접속하는 소위 프레스 팩 기술을 사용하는 것이 또한 가능하다. 도 7 에서의 부재 (29') 는 상기 고장의 발생시에 개방되도록 구성된 기계적 스위치를 또한 나타낼 수도 있다.
도 8 은 무효 전력 보상을 위해 Static Var Compensator 에서 사용된 본 발명에 따른 전압 소스 컨버터의 일반적 구성을 예시한다. 이러한 컨버터의 직류 전압측은 스위칭 셀 (7") 의 상기 에너지 저장 커패시터에 의해 형성되며, 이러한 컨버터의 스위칭 셀 (7") 은 미국 특허 5 642 275 에 개시된 바와 같이 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 그와 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드를 갖는 반도체 어셈블리를 갖는 소위 풀 브리지이다.
도 9 및 도 10 을 참조하면, 이제, 고장이 이러한 스위칭 셀 (7") 에서 나타난다고 가정한다. 이것은, 모듈 (A 및 B) 중 하나가 영구적으로 도통이 되고 다른 하나가 턴 오프된다는 것을 의미한다. A 는 영구적으로 도통인 상태로 턴하는 모듈이고 모듈 B 는 턴 오프되어, 도 5 내지 도 7 에 따른 스위칭 셀에 대응하는 도 10 에 따른 회로를 발생시킨다는 것을 가정한다. 그 후, 본 발명에 따른 모듈 C 가 프레스 팩 기술에 따라 제조되고 모듈 D 는 도 5 내지 도 7 중 어느 하나에 따른 스위칭 셀에서의 제 2 반도체 어셈블리에 대해 설명한 바와 동일한 특징을 갖는다. 이것은, 다른 고장이 스위칭 셀에서 발생할 때, 제 1 경로 (23) 가 모듈 C 의 파괴에 의해 영구적으로 폐쇄된 회로 상태가 되고 제 2 경로가 커패시터 (20) 를 접속하지 않는 영구적으로 개방된 회로 상태와 같은 비도통 상태로 천이된다는 것을 의미한다.
물론, 본 발명은 상술한 실시형태들에 어떤 식으로든 제한되지 않지만, 변형에 대한 다수의 가능성이 첨부한 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 기본 아이디어로부터 벗어나지 않고 당업자에게는 명백할 것이다.
각 상기 스택에서 오직 하나의 반도체 어셈블리를 갖고, 이러한 어셈블리의 오직 하나의 반도체 디바이스가 상기 프레스 팩 배열에 따라 배열되어야 한다는 것이 본 발명의 범위내에 있음을 지적하였다. 그 후, US 5 705 853 에 개시된 바와 같이 각 반도체 디바이스 및 다이오드에 대해 개별 압력 접촉을 갖는 것이 가능하다. 또한, 웨이퍼 엘리먼트를 갖는 디스크 타입 디바이스를 갖는 것이 가능하고, 여기서, (예를 들어, 압축된 스택에서) 외부 압력은 전기적 접촉을 달성한다. 도 5 내지 도 7 의 매우 개략적 예시는 프레스 팩 기술의 사용의 대안을 커버하도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 멀티-셀 컨버터로서, 상기 멀티-셀 컨버터의 직류 전압측의 대향 폴들 (5, 6) 에 접속하고 스위칭 셀들 (7, 7', 7") 의 직렬 접속을 포함하는 적어도 하나의 위상 레그 (2 - 4) 를 가지고, 상기 스위칭 셀 각각은 단자들 (14, 15) 사이에 적어도 2개의 전류 경로 (23, 27) 를 가지며, 제 1 전류 경로 (23) 는 턴-오프형의 반도체 디바이스 (16, 17) 및 이와 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드 (18, 19) 를 각각 갖고 직렬로 접속된 하나 이상의 제 1 반도체 어셈블리 (24) 에 의해 형성되고, 제 2 경로 (27) 는 한편으로는 턴-오프형의 반도체 디바이스 및 이와 병렬로 접속된 프리-휠링 다이오드를 갖는 적어도 하나의 제 2 반도체 어셈블리 (28) 및 다른 한편으로는 적어도 하나의 에너지 저장 커패시터 (20) 의 직렬 접속을 포함하고, 위상 출력 (10 -12) 을 형성하는 상기 스위칭 셀들의 직렬 접속의 중간 포인트가 상기 멀티-셀 컨버터의 교류 전압측에 접속되도록 구성되는, 멀티-셀 컨버터에 있어서,
    상기 스위칭 셀들 (7, 7', 7") 의 상기 제 1 반도체 어셈블리 (24) 는 적어도 하나의 반도체 어셈블리를 각각 포함하는 스택에 배열되고, 상기 멀티-셀 컨버터는 각각의 스위칭 셀의 고장의 경우에, 상기 커패시터 (20) 로부터의 방전 전류가 상기 제 1 반도체 어셈블리 (24) 를 파괴함으로써, 상기 제 1 경로 (23) 의 상기 제 1 반도체 어셈블리가 영구적으로 폐쇄된 회로 상태가 되는 것을 보장하면서 상기 스택에서 제 1 반도체 어셈블리 (24) 를 통한 전기적 접촉을 획득하도록 구성된 장치 (25) 를 포함하며, 각 스위칭 셀 (7, 7', 7") 의 상기 제 2 경로 (27) 는 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로를 비도통으로 유지하도록 구성된 수단 (29, 29') 을 갖는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 제 2 경로 (27) 에서 제 2 반도체 어셈블리 (28) 들을 상호접속하도록 구성되고 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로를 차단하여 상기 제 2 경로를 개방 회로 상태로 천이하도록 구성된 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부재는 상기 제 2 반도체 어셈블리 (28) 를 서로에 결합하고, 상기 고장의 발생시에 와이어를 통한 과전류에 의해 상기 제 2 반도체 어셈블리를 퓨즈 (fuse) 하여 전기적으로 접속되지 않도록 구성된 적어도 하나의 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수단은, 상기 제 2 경로 (27) 에서 상기 에너지 저장 커패시터 (20) 와 직렬로 접속되고, 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로에서 발생하는 과전류에 의해 연소 (burn through) 하도록 구성된 부재 (29, 29') 를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부재는 퓨즈 (29') 인 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수단은 상기 제 2 경로 (27) 에서 상기 에너지 저장 커패시터 (20) 와 직렬로 접속되고 상기 고장의 발생시에 상기 제 2 경로를 기계적으로 인터럽트하도록 구성된 부재 (29') 를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치 (25) 는 상기 스택 각각에 스프링 로딩된 압력을 인가하여 상기 스택 각각이 상기 수단의 부재들 (26) 에 저장된 위치 에너지를 릴리즈하면서 상기 스택의 2개의 단부를 서로를 향해 가압하도록 구성된 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    위치 에너지를 저장하는 상기 부재들 (26) 은 상기 스택 각각의 적어도 하나의 단부상에서 작용하는 스프링들인 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 셀 (7, 7', 7") 각각은 상기 스택에서 서로에 후속하는 N 개의 상기 제 1 반도체 어셈블리들을 포함하고, N 은 2 이상 (≥ 2) 또는 4 이상 (≥ 4) 의 정수인 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 레그 (2 - 4) 의 상기 스위칭 셀들 (7, 7', 7") 의 수는 4 이상 (≥ 4), 12 이상 (≥ 12), 30 이상 (≥ 30) 또는 50 이상 (≥ 50) 인 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스위칭 셀 어셈블리들의 상기 반도체 디바이스들 (16, 17) 은 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) 또는 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) 인 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고전압 직류 (HDVC) 를 전송하기 위해 직류 전압 네트워크 (5, 6) 에 접속된 상기 직류 전압측 및 교류 전압 네트워크에 속하는 교류 전압 위상 라인에 접속된 상기 교류 전압측을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 셀들의 상기 에너지 저장 커패시터 (20) 에 의해 형성된 직류 전압측 및 교류 전압 네트워크에 접속된 상기 교류 전압 위상 출력 (10 - 12) 을 갖는 SVC (Static Var Compensator) 의 일부인 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  14. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 대향 폴들 (5, 6) 양단에, 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV 또는 100 kV - 1200 kV 인 직류 전압을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티-셀 컨버터.
  15. 직류 전압 네트워크 및 스테이션을 통해 접속된 적어도 하나의 교류 전압 네트워크를 포함하고, 상기 스테이션은 상기 직류 전압 네트워크와 상기 교류 전압 네트워크 사이의 전력의 전송을 수행하도록 구성되고 직류 전압을 교류 전압으로 그리고 교류 전압을 직류 전압으로 컨버팅하도록 구성된 적어도 하나의 멀티-셀 컨버터를 포함하는, 전력 전송용 플랜트로서,
    상기 플랜트의 상기 스테이션은 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 멀티-셀 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송용 플랜트.
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