2.1 제안된 FC 초기 충전 회로

Fig. 1은 본 논문에서 제안하는 3-레벨 FC 컨버터의 한 폴(pole)에 적용된 초기 충전회로를 나타낸다. Fig. 1에 제시된 초기 충전회로는 기존의 3-레벨 FC 컨버터에 부가적으로 장착되어 플라잉 커패시터 $C_{x}$의 전압을 $V_{dc}/2$로 충전하는 기능을 갖는다. Fig. 1에서 2개의 스위치 $S_{s1}$, $S_{s2}$는 충전회로를 동작시키기 위한 충전 스위치이며 FC 컨버터의 주 스위치를 모두 턴오프 시킨 상태에서만 동작시킨다. 또 다이오드 $D_{1}$, $D_{2}$, $D_{3}$는 플라잉 커패시터를 충전할 때는 충전 전류의 경로를 제공하며 턴온되지만 충전이 완료되어 FC 컨버터가 정상 운전될 때에는 역방향 접속되어 충전회로를 FC 컨버터의 주 회로와 분리시키는 역할을 한다. 저항 $R_{s1}$, $R_{s2}$, $R_{x}$는 충전전압의 크기와 충전 속도를 정한다.

초기 충전회로가 올바르게 동작하기 위한 작동 순서는 다음과 같다.

(1) FC 컨버터의 초기 상태는 모든 스위치가 턴오프 상태이며 플라잉 커패시터의 초기전압 $v_{cx}$는 영(0)인 상태이다. 즉, FC 컨버터의 모든 주 스위치 $Q_{1}$, $Q_{2}$, $Q_{3}$, $Q_{4}$와 초기 충전회로의 충전 스위치 $S_{s1}$, $S_{s2}$가 턴오프 상태이다.

(2) FC 컨버터의 모든 주 스위치가 턴오프 상태일 때 충전 스위치 $S_{s1}$, $S_{s2}$을 동시에 턴온함으로써 초기 충전동작이 개시된다. $S_{s1}$, $S_{s2}$를 턴온하면 플라잉 커패시터 $C_{x}$의 전압은 일정한 시상수를 갖고 지수함수적으로 증가하기 시작한다.

(3) 충분한 시간이 지나서 플라잉 커패시터의 전압이 $V_{dc}/2$근처에 도달하면 충전이 완료된 것으로 보고 충전스위치 $S_{s1}$, $S_{s2}$를 턴오프 함으로써 충전을 완료한다. 충전 스위치를 턴오프하면 충전회로는 FC 컨버터의 주 회로로부터 분리된 것으로 볼 수 있다.

(4) 플라잉 커패시터가 적당한 전압으로 충전되어 있으므로 FC 컨버터를 정상 운전 개시한다.

Fig. 2는 제안된 3-레벨 FC 컨버터의 초기 충전회로의 전형적인 동작 파형을 나타낸다. Fig. 2를 참조하여 동작을 설명하면 다음과 같다.

$0<t<t_{on}$ : FC 컨버터의 주 스위치와 충전회로의 충전 스위치가 모두 턴오프 되어 있는 상태이다. 이때 플라잉 커패시터의 전압 $v_{cx}=0$이므로 X점과 Y점은 단락된 것으로 볼 수 있으므로 $v_{Q 2}=v_{Q 3}=0$이고 DC-링크의 전압 $V_{dc}$는 IGBT $Q_{1}$과 $Q_{4}$에 나누어 인가되므로 $v_{Q 1}=v_{Q 4}=V_{dc}/2$가 된다.

$t_{on}<t<t_{off}$ : $t=t_{on}$일 때 충전 스위치 $S_{s1}$. $S_{s2}$을 동시에 턴온하면 플라잉 커패시터 $C_{x}$의 충전이 개시되며 플라잉 커패시터의 전압 $v_{cx}$는 지수함수적으로 $V_{dc}/2$까지 증가한다. IGBT $Q_{2}$와 $Q_{3}$에 인가되는 전압은 $v_{Q 2}=v_{Q 3}=v_{cx}/2$이므로 $v_{cx}$가 증가하는 동안 $v_{Q 2}$와 $v_{Q 3}$도 지수함수적으로 증가하며 $v_{cx}$가 $V_{dc}/2$에 도달할 때 $v_{Q 2}=v_{Q 3}=V_{dc}/4$가 된다. 또 IGBT $Q_{1}$과 $Q_{4}$에 인가되는 전압은 $v_{Q 1}=v_{Q 4}$$=(V_{dc}-v_{cx})/2$이므로 $v_{cx}$가 증가하는 동안 $v_{Q 1}$과 $v_{Q 4}$는 지수함수적으로 감소하며 $v_{cx}$가 $V_{dc}/2$에 도달할 때 $v_{Q 1}=v_{Q 4}=V_{dc}/4$가 된다.

$t>t_{off}$ : $t=t_{off}$일 때 충전 스위치 $S_{s1}$, $S_{s2}$을 동시에 턴오프하면 충전동작이 완료된다. 플라잉 커패시터의 충전이 완료되면 $v_{cx}=V_{dc}/2$이고 $v_{Q 1}=v_{Q 2}$$=v_{Q 3}=v_{Q 4}=V_{dc}/4$가 된다. 즉 모든 주 스위치에 인가되는 전압은 $V_{dc}/4$가 된다.

Fig. 1. The proposed flying capacitor initial charging circuit in 3-level converter(single-pole)

Fig. 2. The typical waveforms of the proposed flying capacitor initial charging circuit

2.2 FC 초기 충전 회로의 설계

Fig. 3에서 (a)는 충전 동작을 하는 충전회로만 분리하여 나타낸 회로이다. Fig. 2에서 (a)의 회로는 (b)의 회로처럼 간략화 할 수 있다. 여기서

Fig. 3(b)는 1차 회로이며 스위치 $S_{s}$가 닫히면 $v_{cx}$는 다음과 같다.

여기서 $\tau$는 시상수이며

식 (2)에서 $v_{cx}(\infty)=V_{dc}/2$가 되기 위하여 다음의 조건을 만족하여야 한다.

이 경우 시상수 $\tau$는 다음과 같다.

제안된 초기 충전회로의 회로정수의 결정은 다음과 같은 순서로 정한다.

(1) 플라잉 커패시터 $C_{x}$의 값은 3-레벨 FC 컨버터의 동작으로부터 가장 먼저 정해진다.

(2) 시상수 $\tau$의 값을 설정한다. 그러면 식 (5)로부터 $R_{x}=2\tau /C_{x}$로 $R_{x}$의 값이 정해진다.

(3) $R_{s1}$, $R_{s2}$의 값은 식 (1)과 (4)로부터 $R_{s}=R_{x}=R_{s1}+R_{s2}$이고 대칭의 동작을 위하여 $R_{s1}=R_{s2}$이라고 하면 $R_{s1}=R_{s2}=R_{x}/2$로 정한다.

Fig. 3. The equivalent circuit during initial charging operation

2.3 3상 회로에의 적용

Fig. 4는 제안된 플라잉 커패시터 초기 충전회로를 3상 3-레벨 FC 컨버터에 적용한 회로를 나타낸다. 3상 3-레벨 FC 컨버터의 충전회로는 3개의 플라잉 커패시터가 있지만 저항 $R_{s1}$, $R_{s2}$, $R_{x}$과 스위치 $S_{s1}$, $S_{s2}$ 및 블로킹 다이오드 $D_{3}$는 공통으로 사용하게 된다. 즉, 상의 수가 증가하더라도 충전 스위치는 2개만 사용되므로 매우 효율적이다. Fig. 4에 보인 3상의 회로에 대한 초기 충전회로를 설계 과정은 다음과 같다.

(1) Fig. 4에서 충전회로가 동작할 때 $D_{1a}$, $D_{2a}$, $D_{1b}$, $D_{2b}$, $D_{1c}$, $D_{2c}$가 도통하면서 $C_{xa}$, $C_{xb}$, $C_{xc}$는 병렬연결된다. 따라서 충전회로의 등가 합성 커패시턴스 $C_{x}$는 $C_{x}=C_{xa}+C_{xb}+C_{xc}$가 된다.

(2) 시상수 $\tau$의 값을 설정한다. 그러면 식 (5)로부터 $R_{x}=2\tau /C_{x}$로 $R_{x}$의 값이 정해진다.

(3) 대칭의 동작을 위하여 $R_{s1}=R_{s2}$이라고 하면 $R_{s1}=R_{s2}=R_{x}/2$로 정한다.

Fig. 4. The proposed flying capacitor initial charging circuit applied to 3-phase 3-level converter

본 논문에서 제안하는 플라잉 커패시터 초기 충전회로 특징 및 장점은 다음과 같다. 첫째, 플라잉 커패시터가 적정 수준으로 충전되기 전에는 절대로 FC 컨버터의 주 스위치($Q_{1}$～$Q_{4}$)를 동작시키지 않으므로 FC 컨버터의 주회로가 보호된다. 둘째, 플라잉 커패시터의 충전과정에 충전 스위치는 단순한 시퀀스 제어만으로 동작 가능하고 충전 스위치의 PWM 동작을 수반하지 않으므로 제어가 단순하다. 셋째, 충전 시 동작하는

충전 스위치의 추가 없이 3상 이상의 다상 구성의 FC 컨버터 회로에도 적용이 가능하다. 넷째, 플라잉 커패시터의 충전과정에서 멀티레벨 FC 컨버터의 주 스위치의 전압 스트레스를 DC-링크 전압보다 훨씬 낮은 전압으로 제한한다.