HVDC 컨버터를 위한 보호 전자 모듈{A PROTECTIVE ELECTRONIC MODULE FOR AN HVDC CONVERTOR}
본 발명은 HVDC 컨버터의 전력 반도체 디바이스들을 보호하기 위한 전자 모듈에 관련되고, 더 구체적으로는 고전류 서지들(surges) 또는 방전의 경우에서 HVDC 컨버터 전력 모듈의 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 보호하기 위한 - 그렇게 하지 못하면 전력 반도체 디바이스가 손상될 수 있음 - 단락 회로 디바이스에 관련된다.
고압 직류(HVDC, high voltage direct current) 시스템들은 전 세계에서 에너지 전송에 사용된다. 이 HVDC 시스템들은 특히 가공선 또는 케이블들을 통하여 장거리에 걸쳐 전기 에너지를 경제적으로 송신하는 데 사용된다. 이들은 또한 비동기 그리드들 또는 상이한 주파수들을 갖는 그리드들의 연결에, 또는 내륙의 전력 그리드를 갖는 연안의 풍력 발전 지역의 연결에 사용된다. HVDC 시스템들은 DC 연결에 의하여 연결되는 복잡한 컨버터 스테이션들을 포함한다. 컨버터 스테이션에서의 주요 컴포넌트들 중 하나는 교류(AC)에서 직류(DC)로 또는 그 반대로 전력을 변환하는 데 사용되는 HVDC 컨버터들이다. 이 컨버터들은 직렬로 연결되는 전력 모듈들을 포함하는 컨버터 암들(converter arms)을 갖는다. 이 전력 모듈들은 사이리스터들, IGBT들 등과 같은 전력 반도체 디바이스들을 포함한다. 이 전력 반도체 디바이스들은 전류 서지들(surges)로부터 보호될 필요가 있다. 컨버터 암들은 문헌에서 종종 전류 밸브들(current valves)로 일컬어진다. 이러한 컨버터 암의 전력 모듈은 사이리스터, IGBT 등과 같은 단일 전력 반도체 디바이스일 수 있다. 모듈러 다중 레벨 컨버터들(modular multilevel converters)은 하나보다 많은 전력 반도체 디바이스를 갖는 전력 모듈들을 제공받는다. 전력 반도체 디바이스들은 하프 브리지(half-bridge) 또는 풀 브리지(full-bridge) 구성으로 커패시터와 연결된다. 실패의 경우, 커패시터 내의 에너지는 모듈들의 전력 반도체 디바이스들에 방전된다. 이는 전력 반도체 디바이스의 폭발로 이어진다. 방출되는 에너지들을 제어하기 위해서는, 방폭 보호(anti-explosion protection)가 구현되어야 한다. 유럽 특허 EP 1894240 B1은 이러한 보호 전자 모듈의 하나를 개시한다. 이 발명은 연결 도체들이라는 수단으로써 전력 반도체들에 연결되는 적어도 제1 및 제2 단자를 갖고, 각각의 전력 반도체들은 그것에 병렬로 연결되는 적어도 하나의 다이오드를 가지며, 전력 반도체들은 병렬로 연결되는 커패시터를 갖는 전자 모듈에 관련된다. 연결 도체들은 적어도 두 개의 병렬 연장부들을 가지고, 그들 중 적어도 하나는 변형 가능하며, 전자 모듈에 흐르는 전류는 반대 방향으로 흘러, 전자기적 상호작용 때문에 연결 도체들을 밀어내는 힘이 생성되고, 연장부들의 치수는 전류의 임계치가 초과될 때, 전력 반도체들 및 커패시터를 모두 바이패스하며 단자들 간의 전도적 연결이 성립되도록 정해지고, 그로써 전류를 위한 단락 경로를 제공하고 갑작스러운 전류 서지로부터 전력 반도체들을 보호한다. 그러나 위에서 개시된 발명은 커패시터에서부터 일어나는 에너지 방전으로부터 회로를 보호하지 못한다. 예를 들어 스위칭 실패의 경우, 커패시터에 저장되어 있던 전하는 HVDC 컨버터의 전력 모듈들의 전력 반도체 디바이스들을 통하여, 예를 들어 IGBT들 중 하나 또는 전부를 통하여 방전되고, 따라서 전력 모듈들을 손상시킨다. 따라서, HVDC 컨버터의 전력 모듈의 전력 반도체 디바이스들을 단락 전류로부터 뿐 아니라 커패시터로부터의 방전으로부터도 보호할 효과적인 보호 회로의 필요성이 대두된다.
본 발명의 목적은 HVDC 컨버터 전력 모듈들의 전력 반도체 디바이스들을 커패시터로부터의 전기적 방전에 의한 손상으로부터 보호하기 위한, 효율적이고 비용 효과가 높은 해결책을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 개시되는 바와 같은, HVDC 컨버터 전력 모듈의 전력 반도체 디바이스들을 커패시터로부터의 고에너지 방전 또는 고전류 서지들로부터 보호하는 전자 모듈로 달성된다. 본 발명에 따르면, 전자 모듈은 커패시터, 단락 회로 디바이스, 가동부(movable portion), 단락 회로부(short circuit portion), 및 스프링 요소를 포함한다. 단락 회로 디바이스는 커패시터에 대하여 병렬로 연결되고, 단락 회로 디바이스는 커패시터의 제1극에 연결되는 제1 버스바(busbar) 및 커패시터의 제2극에 연결되는 제2 버스바를 포함한다. 가동부는 가요성 연결 수단(flexible connection means)에 의하여 제1 버스바에 연결되고, 단락 회로부는 제2 버스바에 연결된다. 스프링 요소는 가동부와 단락 회로부 사이에 배치된다. 가동부는 제2 버스바에 병렬로 연장되어, 단락 전류가 제1 버스바를 통하여 흐를 때 두 버스바들 사이의 전자기적 힘이 제1 버스바로 하여금 제2 버스바를 밀어내고 단락 회로부를 향하여 이동하게 만든다. 단락 회로부는 제1 버스바를 제2 버스바에 연결시키는 단락 경로를 제공하여, 전자 모듈의 작동 중 단락 상태인 동안 커패시터를 단락시킨다. 이렇게 함으로써 고전류 및 방전은 HVDC 컨버터 전력 모듈에 닿지 않고 단락 회로부를 통하여 바이패스된다. 단락 동안의 고전류들은 커패시터와 전력 모듈 사이의 병렬 전류 버스바들에 강한 힘을 생성한다. 그 결과로, 플러그 및 소켓 연결은 사용할 수 없었고, 그 대신 나사 연결들이 사용되고 있었다. 본 발명에 따르면, 단락 회로 디바이스는 커패시터와 HVDC 컨버터 전력 모듈들 사이에서 연결된다. 단락 전류가 단락 회로 디바이스를 통하는 방향으로 향함에 따라, 버스바들 상의 강한 힘은 커패시터와 단락 회로 디바이스 사이의 지역에서만 발생한다. 이 방법으로, 플러그 및 소켓 연결로써 전력 모듈과 단락 회로 디바이스 사이의 연결을 설계하는 것이 가능해진다. 이는 컨버터의 조립에 있어 큰 장점이 있으며, 상당한 비용 절약 가능성을 보인다. 두 바 사이에 작용하는 힘들은 버스바들의 길이, 버스바들을 통하여 흐르는 전류, 버스바들 사이의 거리 등과 같은 요인들에 의존한다. 본 발명의 한 실시예에서, 스프링 요소는 가동부 및 단락 회로부와 직접 접촉하지 않는다. 추가적인 실시예에서 스프링 요소는 별개의 요소를 통하여 가동부와 단락 회로부 사이에 간접적인 연결을 형성한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제2 버스바는 제1 버스바의 가동부에 대하여 고정적이다. 제2 버스바는 단락 회로부와 고정 또는 정적인 연결로 연결된다. 이 실시예에서, 단락 회로 디바이스를 통하여 고전류가 흐르는 경우에 제1 버스바의 가동부만이 움직인다. 전자 모듈의 가동 부분이 적을 때, 단락 회로 디바이스의 마모는 덜하고 안정성은 높아질 것이다. 추가적인 실시예에서, 제2 버스바는 제2 버스바와 제1 버스바 사이에 배치되는 절연 라이닝(insulation lining)을 갖는다. 안전 동작 모드에 있는 동안, 즉 전자 모듈을 통하는 전류가 임계치보다 적을 때, 전류 값이 안전 한계 내에 있고 전력 모듈에서의 전력 반도체 디바이스들을 손상시키기 않을 것이기 때문에 단락 회로 디바이스는 전류가 전력 모듈을 통과하도록 허용한다. 절연 라이닝은 이 안전 동작 모드에 있는 동안 전류가 제1 바로부터 제2 버스바에 흘러들어가는 것을 방지한다. 전류는 전력 모듈에 흘러들어가고 컨버터는 전력 반도체 디바이스들에의 손상에 대한 두려움 없이 정상적으로 동작한다. 절연 라이닝은 제2 버스바의 절연 코팅일 수 있다. 단락 동안 버스바들을 통하여 흐르는 전류가 안전 동작 모드에 있는 동안 흐르는 전류보다 수백 배는 클 것이기 때문에, 절연 라이닝은 실패의 경우 버스바들 사이의 자기장에 영향을 미치지 않을 것이다. 추가적인 실시예에서, 가동부와 단락 회로부 사이에 배치되는 스프링 요소는 절연체이다. 안전 동작 모드에서 스프링 요소는 정상적으로 연장 또는 늘어난 상태이고, 절연체는 전류가 제1 바로부터 단락 회로부로 새어들어가는 것을 방지하며, 그럼으로써 두 버스바들 사이의 단락 회로 연결을 방지한다. 그러나 전류가 임계치를 넘을 때, 즉 단락 상태에 있는 동안, 버스바들 사이의 전자기적 힘은 제1 버스바로 하여금 제2 버스바를 밀어내어 제2 버스바로부터 멀어지며 그 대신 단락 회로부를 향하여 이동하도록 만든다. 제1 버스바의 이러한 이동은 스프링 요소의 압축을 야기하고 단락 회로부를 통하여 두 버스바들 사이에 전도 경로가 성립하여, 그 결과로 두 버스바들 사이에 단락 회로 연결이 성립된다. 이 단락 회로는 커패시터를 단락시키고 전력 모듈을 바이패스시킴으로써 전력 모듈을 보호한다. 추가적인 실시예에서, 스프링 요소는 가동부에 연결되는 제1 말단 및 단락 회로부에 연결되는 제2 말단을 포함하며, 제1 말단 및 제2 말단은 절연된다. 이는 절연 물질을 더 적게 요구할 것이며, 스프링 요소의 압축 가능성은 지장을 받지 않을 것이다. 추가적인 실시예에서, 가요성 연결 수단은 가요성 구리 밴드를 포함한다. 구리 밴드의 가요성은 제1 버스바가 전류 서지의 경우에 단락 회로부를 향하는 움직임 및 전자 모듈의 안전 동작 모드에 있는 동안 자신의 원래 위치로 돌아오는 움직임의 매끄러움을 보장한다. 따라서, 가요성 구리 밴드는 모듈이 수차례의 전류 서지들 및 단락들에 걸쳐 사용될 수 있도록 전자 모듈에 재사용가능성 특성을 제공한다. 추가적인 실시예에 따르면, 가요성 연결 수단은 구리 리본, 구리 커넥터, 또는 임의의 가요성 금속 커넥터이다. 추가적인 실시예에서, 제1 및 제2 버스바들은 구리 버스바들이다. 구리는 훌륭한 전도성을 제공하기 때문에, 좋은 전기 전도체인 구리는 버스바들에 대한 최선의 선택이다. 그러나 임의의 다른 금속 버스바 또한 사용될 수 있다. 또 다른 추가적인 실시예에서, 단락 회로부는 구리로 만들어진다. 단락 회로부는 매우 높은 전류 서지들에 대하여 단락 경로를 제공하고, 따라서 단락 회로부는 좋은 전도성을 가져야 한다. 아주 좋은 전기 전도체인 구리는 최선의 선택이다. 그러나 임의의 다른 금속 또한 사용될 수 있다. 추가적인 실시예에 따르면, 단락 회로 디바이스는 HVDC 컨버터 전력 모듈의 전력 반도체 디바이스에 연결하기 위한 플러그 및 소켓 연결을 포함한다. 이는 전자 모듈의 조립을 훨씬 더 용이하게 하며, 또한 상당한 비용 절감 가능성을 제시한다. 추가적인 실시예에서, 단락 회로부는 단락 상태에 있는 동안 압축된 스프링 요소를 수용할 수 있는 슬롯들을 포함한다. 이 슬롯들은 단락 상태에 있는 동안 가동부와 단락 회로부의 적절한 접촉을 보장할 것이다. 본 발명에서 설명된 바와 같은 전자 모듈은 모듈러 다중 레벨 컨버터들(MMC)에서 널리 적용될 것이다. 이러한 MMC는 바이폴라 서브모듈들(bipolar sub-modules)의 직렬 연결을 갖는 컨버터 암들을 포함한다. 각각의 서브모듈은 서브모듈의 두 연결 클램프들을 형성하는 전력 모듈 및 본 발명에 따른 전자 모듈을 제공받는다. 덧붙여, 본 발명에서 개시된 바와 같은 전자 모듈은 본 발명에 따른 상이한 회로의 실시예들에 대하여 상술한 특징들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 상술한 특징 및 다른 특징들이 이제 본 발명의 첨부된 도면들을 참조하여 다루어질 것이다. 도해된 실시예들은 본 발명을 도해하지만, 한정하지는 않도록 의도되었다. 도면들은 다음 도면들을 포함하고, 설명 및 도면들 전반에 걸쳐 유사한 숫자들은 유사한 부분들을 지칭한다.
도 1은 HVDC 컨버터의 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스를 보호하기 위한 전자 모듈의 개략도이다.
도 2는 전자 모듈(1)이 단락 상태에 있을 때의 전자 모듈(1)의 개략도이다.
도 3은 커패시터와 HVDC 컨버터의 전력 모듈 사이의 단락 회로 디바이스의 배열 및 배치의 블록도이다.
다음 설명에서, 설명의 목적에서, 하나 이상의 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여 구체적인 여러 세부사항들이 제시된다. 이러한 실시예들이 이 구체적인 세부 사항들 없이도 실시될 수 있다는 것이 명확해질 것이다. 도 1은 HVDC 컨버터 전력 모듈(3)의 적어도 하나의 전력 반도체 디바이스(2)를 보호하기 위한 전자 모듈(1)의 개략도를 도해한다. 도 1은 안전 동작 모드에 있는 전자 모듈(1)의 상태를 도시한다. 이 모드에서 전자 모듈(1)을 통하여 흐르는 전류는 임계치보다 낮고, 그러한 임계치 위에서 HVDC 컨버터 전력 모듈(3) 내 전력 반도체 디바이스(2)는 손상될 수 있다. 전자 모듈(1)은 커패시터(4) 및 단락 회로 디바이스(5)를 포함한다. 단락 회로 디바이스(5)는 커패시터(4)에 대하여 병렬로 연결된다. 나아가, 단락 회로 디바이스(5)는 제1 버스바(6) 및 제2 버스바(8), 가동부(10), 단락 회로부(12), 및 스프링 요소(13)를 포함한다. 제1 버스바(6)는 커패시터(4)의 제1극(7)에 연결되고, 제2 버스바(8)는 커패시터(4)의 제2극(9)에 연결된다. 가동부(10)는 가요성 연결 수단(11)에 의하여 제1 버스바(6)에 연결된다. 단락 회로부(12)는 제2 버스바(8)와 연결된다. 스프링 요소(13)는 가동부(10)와 단락 회로부(12) 사이에 배열된다. 가동부(10)는 제2 버스바(8)에 병렬로 배열된다. 이제 도 2를 참조하면, 전자 모듈(1)이 단락 상태에 있을 때의 전자 모듈(1)의 개략도가 도해되어 있다. 이 상태에서, 제1 버스바(6)의 가동부(10)는 제2 버스바(8)로부터 밀려나고 스프링 요소(13)(도면에 나와 있지 않음)를 압축함으로써 단락 회로부(12)를 향하여 이동한다. 이는 단락 회로부(12)를 통한 제1 버스바(6)와 제2 버스바(8) 간의 전기적 연결을 성립시킨다. 이 전기적 연결은 커패시터(4)를 단락시키고 전자 모듈(1)에 들어오는 고전류들을 안전하게 흘려보내거나, 이들이 HVDC 컨버터 전력 모듈(3)의 전력 반도체 디바이스(2)에 닿지 않도록 하면서 버스바들(6, 8)을 통하여 커패시터(4)로부터의 방전들을 안전하게 흘려보낸다. 따라서, 전력 반도체 디바이스(2)는 커패시터(4)로부터의 고전력 방전 또는 급작스런 전류 서지들 때문에 발생하는 손상 또는 폭발로부터 보호된다. 도 3은 커패시터(4)와 HVDC 컨버터 전력 모듈(3) 사이의 단락 회로 디바이스(5)의 위치를 도시하는 블록도이다. 도 3으로부터, 커패시터(4)는 제1극(7) 및 제2극(9)의 두 극을 가진다는 것을 알 수 있다. 제1 바(6)는 제1극(7)에 연결되고, 제2 버스바(8)는 제2극(9)에 연결된다. 단락 회로 디바이스(5)는 제1(6) 및 제2 버스바들(8)을 통하여 커패시터(4)에 병렬로 연결된다. 나아가, HVDC 컨버터 전력 모듈(3)은 단락 회로 디바이스(5)를 가로질러 연결된다. 커패시터(4) 및 버스바들(6, 8)은 합쳐져서 전자 모듈(1)을 형성한다. 본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 한정하는 의미로 해석되도록 의도된 것이 아니다. 공개된 실시예들의 다양한 수정들과 더불어 본 발명의 대안적인 실시예들이 본 발명의 설명을 참조하여 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백해질 것이다. 따라서 정의된 대로의 본 발명의 실시예들로부터 벗어나지 않고도 이러한 수정들은 이루어질 수 있다.
1 전자 모듈
2 전력 반도체 디바이스
3 HVDC 컨버터 전력 모듈
4 커패시터
5 단락 회로 디바이스
6 제1 버스바
7 제1극
8 제2 버스바
9 제2극
10 가동부
11 가요성 연결 수단
12 단락 회로부
13 스프링 요소
14 절연 라이닝
15 제1 말단
16 제2 말단
17 플러그 및 소켓 연결 |
