KR100716310B1 - 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.

이를 위해서 본 발명은 멀티레벨(Multi Level)을 위해 입력전원(10)의 1차측은 모두 병렬 연결되고 2차측은 모두 직렬로 연결되는 다수의 출력 절연변압기(40)와,; 인버터의 스위치 개수를 줄이기 위해 공통암 스위치(20)와 H-브리지 스위치(30)를 갖는 스위치부와,; 위상변위 기법에 의해 스위치부의 제어 신호를 발생시키는 위상변위 제어기를 갖는 제어부를 포함하는 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 위상변의 제어 방법을 그 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 인버터 스위치의 구동 회수가 줄어 인버터의 스위칭 손실 저감 및 인버터 자체의 변환 효율이 향상되어질 뿐만 아니라 각 변압기의 이용률을 같게 하여 변압기의 설계가 용이하며, 같은 변압기를 여러 개 사용함으로 제작비용이 저렴하고, 공통암을 이용함으로 종래의 방식에 비해 스위치 개수가 줄어들어 제작비가 저렴하다는 경제적 효과가 있다.

인버터, 멀티레벨, 위상변위, 공통암

Description

위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 그 제어 방법{A Method For Controlling Output Voltage of multi-level inverter}

도 1은 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터의 구성을 설명하는 회로도,

도 2는 본 발명에 따른 위상변위 스위치 점호각 개념을 설명하는 선도,

도 3은 본 발명에 따른 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터의 개략적인 구성을 나타낸 블록도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10: 입력전원

20: 공통암 스위치

30: H-브리지 스위치

40: 출력 절연변압기

본 발명은 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 위상변위 기법을 이용한 공통암 멀티레벨 인버터에 의해 스위치의 구동횟수를 줄여 스위칭손실을 저감시키고, 종래 보다 스위치 개수를 줄 여 제작비를 절감할 수 있도록 개선된 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 인버터에서는 펄스변환방식(Pulse Width Modulation : PWM)을 사용하는 방법과 여러 개의 절연된 직류전원을 사용한 멀티레벨 방법과, 한 개의 직류전원을 사용하고 여러 개의 출력 절연변압기를 사용한 멀티레벨 방법 등이 널리 이용된다.

상기한 방법에 있어 펄스변환방식은 현재 가장 많이 사용되는 방법이나 스위칭 주파수가 높아 스위칭 손실이 많이 발생하여 전력변환기의 효율이 다소 떨어진다는 지적이 있다.

또한 기존의 멀티레벨 인버터의 경우 스위치 개수가 많이 필요하여 경제적인 차원에서 효용성이 다소 떨어지며, 출력 절연변압기를 사용하는 멀티레벨 인버터의 경우 변압기의 이용률이 서로 달라 각기 다른 변압기를 사용해야 하는 번거러움과 불편함이 있다.

따라서 현재 전력변환 효율을 증대시키고 효율적인 인버터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 공통암을 사용하여 스위치 개수를 줄일 수 있는 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터를 제공함에 주목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 위상변위 기법을 사용하여 출력변압기의 이용률을 모두 같게 하여 변압기 제작비용을 절감시킬 수 있는 경제적인 인버터를 제공함에 또 다른 목적이 있는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 멀티레벨을 위해 직렬 연결되는 다수의 출력변압기와,; 인버터의 스위치 개수를 줄이기 위한 공통암을 갖는 스위치부,; 위상변위 기법에 의해 스위치의 제어 신호를 발생하는 제어부를 포함하는 인버터를 제공하는데 그 특징이 있는 것이다.

또한 스위치의 도통 신호를 수학식 2와 수학식 3에 의해 계산하고 소호 신호는 수학식 4에 의해 계산하여 기본주파수당 한번만을 스위칭함으로 스위칭 손실이 저감되어 인버터 전력변환 효율을 증대시키고, 각 스위치의 점호 시간을 같게 하여 출력 절연변압기의 이용률을 높일 수 있는 위상변위 스위치 제어 방법을 제공하는데 또 다른 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 일실시 예에 따른 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 및 그 제어방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

첨부도면에 있어서 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성을 설명하는 회로도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위상변위 스위치 점호각 개념을 설명하는 선도이다.

도 1에서와 같이 본 발명의 멀티레벨 인버터는 입력전원(10)의 1차측은 모두 병렬 연결되고 2차측은 모두 직렬로 연결되는 다수의 출력 절연변압기(40)와,; 인버터의 스위치 개수를 줄이기 위해 공통암 스위치(20)와 H-브리지 스위치(30)를 갖는 스위치부와,; 위상변위 기법에 의해 스위치부의 제어 신호를 발생시키는 위상변위 제어기를 갖는 제어부를 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 구성에 있어 출력 절연변압기(40)는 스위치(20,30)를 통해 형성된 전압을 출력측에서 적층하기 위해 1차측은 모두 병렬 연결되고, 2차측은 모두 직렬로 연결된다.

또한, 각 출력 절연변압기(40)는 위상변위에 의해 기본주파수당 한번만을 스위칭을 하는 스텝펄스파 방식과 동일한 스위칭 주파수를 유지하게 하고, 각 스위치의 도통 시간을 같도록 제어하여 출력 절연변압기의 이용률이 모두 같은 종류의 변압기를 이용한다.

그리고 스위치부는 각각 스위칭신호에 따라 영 전압 즉 공통암 스위치와 정, 부의 직류전압을 발생할 수 있는 H-브리지 형태의 스위치 조합으로 구성되며, 각 브리지의 출력 극성이 모두 지령전압 극성영역에서는 같게 하여 H-브리지 극성이 반대극성에 나타나지 않게 한다.

이러한 조건을 갖는 경우 H-브리지에서 극성을 결정하는 암 신호는 동일한 형태가 되며, 이는 각 H-브리지의 극성결정 암은 서로 공유할 조건을 이루게 된다.

따라서 도 2에서 도시된 바와 같이 각 H-브리지의 극성을 결정하는 암을 공유하는 형태가 된다.

그리고 위상변위 기법을 이용하여 각 스위치의 신호를 발생시키는 제어부는 각 스위칭 신호 레벨을 형성하기 위해 점호되었던 순서와 동일하게 소호되는 순서를 정하게 된다.

이와 같은 스위칭방식은 스위치의 점호 및 소호 회수를 만들고자 하는 파형의 기본 주파수와 같게 하여 스위치의 도통 손실을 저감시킬 수 있게 된다.

또한 위상변위 기법에 의해 스위치 제어 신호를 제어하게 되면 스위치가 도통되는 시간을 같게 하여 출력 절연변압기의 이용률이 같아져 모든 변압기는 동일하게 제작 사용이 가능하다.

도 3에서와 같이 스위치의 점호각을 결정하는 각 레벨의 전압과 정현적인 지령전압과의 교점은 수학식 (1)에 의해 계산된다.

입력 직류전압(

)과 정현적인 지령전압(

)에서 n번째 적층전압의 교점각(

)은 아래의 수학식으로부터 계산된다.

수학식 (1)을 만족하는 교점이 존재하면, n번째 스위치의 점호각(

)은 아래의 수학식에 의해 계산된다.

하지만 수학식(1)을 만족하는 교점이 존재하지 않으면, n번째 스위치의 점호각(

)은 아래의 수학식에 의해 계산된다.

그리고 각 스위치의 소호각(

)의 순서는 점호각(

)의 순서와 동일하며, 정현파는 180°의 위상각에 대해 대칭이므로 아래의 식에 의해 n번째 스위치의 소호 신호에 대한 교점 소호각(

)이 계산된다.

이와 같이 본 발명은 스위치의 점호각을 결정하는 각 레벨의 전압과 정현적인 지령전압과의 교점은 수학식 (1)에 의해 계산한다. 만약 수학식 (1)을 만족하는 교점이 존재하면 스위치의 교점 점호각(

)은 수학식 (2)에 의해 계산하고, 식 (1)을 만족하는 교점신호가 존재하지 않으면 수학식 (3)에 의해 교점 점호각(

)각을 계산한다.

그리고 소호 신호에 대한 교점 소호각(

)은 수학식 (4)를 사용하여 계산한다.

이처럼 스위치의 도통 신호에 의한 교호 점호각(

)은 수학식 (2)와 수학식 (3)에 의해 각각 계산하고, 소호 신호에 대한 교점 소호각(

)은 수학식 (4)에 의해 계산하여 기본주파수당 한번만을 스위칭하게 함으로서 스위칭 손실이 저감되어 인버터 전력변환 효율을 증대시킴과 동시에 각 스위치의 점호 시간을 동일하게 제공할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터는, 극성을 좌우하는 암을 공통으로 사용하므로 스위치 개수가 줄어들며, 각 암의 스위치 도통 시간을 같게 하여 변압기 이용률이 같으므로 한 종류의 변압기 사용이 가능하게 되어 인버터 제조비용을 절감할 수 있어 경제적이다.

또한 멀티레벨 방식을 이용하므로 스위치 주파수가 줄어들어 스위칭 손실이 줄어들고, 고주파 노이즈를 제거하는 등의 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 입력전원(10)의 1차측은 모두 병렬 연결되고 2차측은 모두 직렬로 연결되는 다수의 출력 절연변압기(40)와,; 인버터의 스위치 개수를 줄이기 위해 공통암 스위치(20)와 H-브리지 스위치(30)를 갖는 스위치부와,; 위상변위 기법에 의해 스위치부의 제어 신호를 발생시키는 위상변위 제어기를 갖는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터.
2. 기본주파수당 한번만을 스위칭을 하는 스텝 펄스파 방식과 동일한 스위칭 주파수를 유지하도록 각 스위치의 도통 시간을 같게 하여 출력 절연변압기의 이용률이 같도록 제어하는 스위치부는,

   입력 직류전압(

   

   )과 정현적인 지령전압(

   

   )에서 n번째 적층전압의 교점각(

   

   )은 아래 수학식 (1)에 의해 계산하고,

   

   수학식 (1)을 만족하는 교점이 존재하면, n번째 스위치의 점호각(

   

   )은 아래 수학식 (2)에 의해 계산하며,

   

   수학식 (1)을 만족하는 교점이 존재하지 않으면, n번째 스위치의 점호각 (

   

   )은 아래 수학식 (3)에 의해 계산하고,

   

   n번째 스위치의 소호 신호에 대한 교점 소호각(

   

   )은 아래 수학식 (4)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 위상변위 기법을 이용한 멀티레벨 인버터 제어 방법.

   

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