KR100884356B1

KR100884356B1 - 공통암을 이용한 ３상 변압기 멀티레벨 인버터

Info

Publication number: KR100884356B1
Application number: KR1020070037610A
Authority: KR
Inventors: 박성준; 송성근; 김동옥; 임영철
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2009-02-17
Also published as: KR20080093641A

Abstract

본 발명은 멀티레벨 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력단을 3상 변압기를 이용하여 절연하므로 단일 직류전원을 사용하며 공통암을 사용하는 멀티레벨 인버터에 관한 것이다.

본 발명은 멀티레벨 출력을 위해 출력단이 직렬 연결되는 복수 개의 저주파 변압기들; 상기 저주파 변압기들을 스위칭하기 위한 것으로 직류전원과 병렬연결되는 에이치브릿지들로 구성되는 스위치부; 및 상기 스위치부를 제어하기 위한 제어부;를 포함하고, 상기 변압기들은 3상 변압기이고, 상기 3상 변압기의 출력단은 각 상별로 직렬 연결되고 각 상은 Δ결선되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터를 개시한다.

멀티레벨 인버터, 3상, 변압기, H-Bridge, 공통암

Description

공통암을 이용한 ３상 변압기 멀티레벨 인버터{Multi-level Inverter Using 3-Phase Transformers and Common-Arm}

도 1a, 1b 및 도 2는 종래의 멀티레벨인버터의 구성과 그 동작원리를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성을 보여주는 도면,

도 4는 3개의 변압기를 사용한 경우에 대해 본 발명의 제 1실시예에 따른 3상 IHCML 인버터를 간단히 표현한 도면,

도 5는

번째 3상 변압기의 상별 변압기 입력 전압과

상의 출력 전압을 보여주는 도면,

도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 공통암을 이용한 3상 IHCML 인버터의 구조를 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 도면들에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100, 110 : 저주파 변압기 200, 210 : 스위치부

300 : 공통암

인버터 출력의 고조파 성분을 제거하기 위해서 인버터 자체에서 발생되는 고조파 성분을 최대한 억제하려는 연구가 최근 활발히 진행되고 있으며, 이러한 시도 중에서 대표적인 것이 멀티레벨 인버터이다. 멀티레벨 인버터는 고조파성분 감소와 높은 전압 정격을 실현할 수 있는 큰 장점을 갖고 있으며, 전압의 레벨 수가 증가함에 따라 적은 고조파성분과 낮은 동작주파수 및 전압 변동률이 작아진다는 특징이 있다. 이러한 특징은 기존의 PWM기법 인버터의 단점을 극복할 수 있는 대안으로 그 적용이 활발해지고 있다. 멀티레벨 인버터는 크게 플로팅 상태의 분리된 커패시터를 이용하여 출력 레벨을 형성하는 플라잉 커패시터 회로(Flying Capacitor Circuit; FCC), 다이오드클램프 방식을 적용하여 출력 레벨을 형성하는 다이오드 클램프 회로(Diode Clamped Circuit; DCC), 절연된 풀-브리지 형태를 모듈화하여 결합시킨 절연 에이치 브릿지 회로(Isolated H-bridge Circuit; IHC) 형태의 세 가지로 구분될 수 있다. 일반적으로 이들 회로는 저전압 스위칭 소자를 이용하여 고전압을 형성하는데 그 주안점을 두고 있으며, 직렬로 연결된 스위치들이 연속적으 로 스위칭 되어 요구되는 출력 전압을 계단 형태로 생성하게 된다. FCC 타입 멀티레벨 인버터는 비교적 적은 소자로 멀티 레벨을 구성할 수 있다는 장점을 갖지만 다수의 커패시터로 인한 전체 시스템 부피가 증가하는 단점이 있고, DCC 타입 멀티레벨 인버터는 각 레벨의 생성을 위해서 다수의 커패시터와 다이오드가 필요하며, DC 링크 커패시터의 전압 균형을 위한 제어가 필요하며 복잡한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 요구된다. IHC 타입 멀티레벨 인버터는 저압의 H-Bridge 형태의 회로를 직렬로 연결하여 독립된 DC 링크단을 가지는 셀들로 구성되어 모듈화 설계가 가능하나 각 H-Bridge마다 독립된 전압을 공급해야하는 문제점이 있다.

멀티레벨 인버터로 일반적으로 사용되는 것은 에이치 브릿지 멀티레벨 인버터(H-Bridge Multi-lavel Inverter; HBML)이다. 도 1a 및 1b는 4개의 H-bridge 인버터를 직렬로 연결하여 9레벨을 발생할 수 있는 HBML 타입의 멀티레벨인버터의 구성과 그 동작원리를 나타내고 있다. HBML 인버터는 저압 H-bridge를 직렬로 연결하며 독립된 DC링크(dc-link)를 갖는 단위셀(H-Bridge Cell) 또는 H-Bridge 인버터로 구성된다. 각 H-bridge 인버터는 스위칭함수에 따라 영 전압 및 정, 부의 DC링크(dc-link) 전압을 발생할 수 있으며, 최종 출력전압 V _o 는 직렬로 연결된 각 H-bridge 인버터의 출력전압의 합이 된다. 도면에서 나타낸 스위칭 함수는 일반적으로 사용되는 스위칭함수에 의해 나타난 각 인버터의 출력과 직렬로 연결된 최종출력전압이다. 도면에서 보는 봐와 같이 각 인버터에서 출력을 제어할 수 있는 제어요소는 도통각(

)이므로 출력전압을 제어할 수 있는 요소는 각 인버터의 도통각인

,

가된다. 그러나 이러한 구성의 멀티레벨 인버터는 H-bridge수와 동일한 독립된 직류전원이 필요하다는 단점이 있다.

또한 도 1a과 같이 4개의 H-Bridge 인버터를 사용한 HBML방식에서는 출력전압의 순시 최대치가 전원전압의 4배를 초과할 수 없다. 이러한 조건은 낮은 전원전압을 사용하여 높은 출력전압의 발생이 필요로 하는 장치에는 별도의 승압용 전원장치가 부가적으로 필요하게 된다는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위해서 도 2에처럼 4개의 H-Bridge 모듈을 직류전원과 병렬로 연결하고, 2차 측은 직렬로 결합된 4개의 변압기로 구성된 멀티레벨 인버터의 개발이 이루어진바 있다. 도 2에서 인버터의 출력전압은 직류전원전압과 변압기의 권수비(

)로 표현될 수 있으며, 도 2와 같은 멀티레벨 인버터는 변압기를 사용함으로 기존의 HBML인버터와 달리 전원전압과 출력전압의 분리가 되는 절연형 HBML인버터가 되는 장점이 있다.

그러나 이와 같은 변압기 타입의 멀티레벨 인버터를 사용하여 3상 멀티레벨 인버터로 구성할 경우 각상에 동일한 변압기가 사용되어야 하므로 변압기의 수의 증대가 큰 문제점으로 되고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 절연 변압기를 3상 저주파 변압기를 이용하여 전압을 적층하는 방식의 3상 변압기 절연형 H-Bridge 멀리레벨 인버터(IHCML, Isolated H-Bridge Cascade Multi Level)를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 H-Bridge의 극성을 결정하는 암을 공통암을 사용함으로써 스위칭 소자 수를 줄일 수 있는 멀티레벨 인버터를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 멀티레벨 인버터에 있어서, 멀티레벨 출력을 위해 출력단이 직렬 연결되는 복수 개의 저주파 변압기 상기 저주파 변압기들을 스위칭하기 위한 것으로 직류전원과 병렬연결되는 에이치브릿지들로 구성되는 스위치부; 및 상기 스위치부를 제어하기 위한 제어부;를 포함하고, 상기 변압기들은 3상 변압기이고, 상기 3상 변압기의 출력단은 각 상별로 직렬 연결되고 각 상은 Δ결선되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 스위치부의 각 에이치 브리지는 하나의 공통암을 갖도록 연결되는 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

[제 1실시예]

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멀티레벨 인버터는

복수 개의 저주파 변압기들(100), 스위치부(200) 및 제어부(미도시)로 구성 된다.

상기 복수개의 저주파 변압기들(100)은 멀티레벨 출력을 위해 출력단이 직렬 연결되고, 상기 스위치부(200)는 상기 저주파 변압기들을 스위칭하기 위한 것으로 직류전원과 병렬연결되는 에이치브릿지(H-Bridge Cell)들로 구성되며, 상기 제어부는 상기 스위치부(200)를 제어하기 위한 것이다.

본 발명의 제 1실시예에 따른 멀티레벨 인버터는 단일 직류 전원을 사용하며, 전압 적층을 위해 3상 저주파 변압기를 사용하는 구조로 되어 있다. 본 발명의 제 1실시예에 따른 멀티레벨 인버터는 3상 변압기를 이용하므로 단상 변압기를 이용한 경우보다 변압기 수를 줄일 수 있으며, 변압기 이용률이 증가 하므로 부피도 줄일 수 있어 저렴한 인버터 구현이 가능하다. 도 3에서보인 본 발명의 제 1실시예에 따른 IHCML 인버터의 변압기 1차측 각 상은 에이치브릿지(H-Bridge) 인버터에 연결되어 있어

,

의 전압 레벨을 갖게 되며, 변압기 2차측은 각 상별로 직렬 연결하여 전압 적층을 한다. 각 상별 변압기 출력은 3상 변압기의 자계 불평형 성분을 제거하기 위해

결선을 한다.

도 4는 3개의 변압기를 사용한 경우에 대해 본 발명의 제 1실시예에 따른 3상 IHCML 인버터를 간단히 표현한 것으로 상별 IHCML 인버터는 3상 변압기를 도면에서 표현한 바와 같이 입력은 3상이고 출력은 한상을 가지고 있는 것으로 생각할 수 있으며 전압을 적층하기 위해 출력을 직렬로 연결한 구조로 생각할 수 있다. 이와 같이 표현하면 상별로 독립적인 표현이 가능하다.

도 3에서 전압

,

는

번째 변압기의 에이치브릿지(H-Bridge) 출력 전압 즉, 변압기 입력 전압을

,

는 상별 변압기 출력 전압을 나타내며 3상 변압기의 입력과 출력 전압은 다음 수학식 1을 만족한다.

상기 수학식에서

는 변압기 1, 2차 측의 변압비(

)를 나타내며, 만약 입력전압이 3상 평형이면 다음 수학식 2와 같이 각상 전압의 합은 0이 된다.

이 경우 변압기 출력 전압은 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 다음 수학식 3과 같이 구해진다.

즉, 변압기 상별 출력전압은 상별 입력전압에 변압기 턴수비를 곱한 값이 된다. 그러나 IHCML 인버터의 경우 변압기 1차측 전압

,

는 각각 독립된 에이치브릿지(H-Bridge)에 연결되어

,

의 전압 레벨을 갖기 때문에 3상 평형이 되지 않으므로 수학식 3은 성립하지 않고 수학식 1에 의해서만 표현이 가능하다. IHCML 인버터의 출력전압은 각 변압기의 출력 전압을 직렬로 연결한 것이므로 다음 수학식 4에 의해 선간 전압

,

으로 표현이 가능하다.

위 식에서 볼 수 있듯 3상 IHCML 인버터의 선간 전압은 각 변압기의 출력 전압의 합으로 표현 가능하며 다음과 같이 간략이 정의 된다.

도 5a 내지 5c는

번째 3상 변압기의 상별 변압기 입력 전압과

상의 출력 전압을 보여주는 도면들로 도면에서 볼 수 있듯 변압기 입력 전압은 에이치브릿지(H-Bridge)의 출력으로 스위칭 주파수는 기본 주파수와 같은 구형파 전압이다.

,

상은

상에 대해 각각

뒤지거나 앞서게 스위칭 하므로 제어 할 수 있는 요소는 도통각

만 있다.

개의 변압기를 사용하는 경우 제어 가능한 도통각은

,

, …

이 있으며 이를 적절히 조절하면 변압기 출력 전압을 제어 할 수 있다. 또한 에이치브릿지(H-Bridge)의 소호각은

에 대해 대칭이어야 하므로

,

, …

가 된다. 도통각의 제어 범위는

이나 상기한 바 와 같이 변압기 입력이 3상 평형을 이루지 못하므로 3상 변압기 출력 전압은 수학식 1에서 표현한 바와 같이

,

상 전압의 조합으로 형성 되며, 도통각에 따라 변압기 출력 전압은 모두 세 가지 경우로 나누어 볼 수 있다. 도 5a는 도통각

의 범위가

, 도 5b는

, 도 5c는

인 경우 각 상의 스위칭 패턴 및 3상 변압기의 출력전압을 보여주는 것으로 변압비

는 모두 1로 가정한 경우이다. 각 경우에 대해

상의 출력 전압

는 대칭이며, 기함수이므로 퓨리에 급수 전개를 하면 다음과 같다.

위 식에서 상수

은 도통각에 따라 다음 수학식 7 내지 수학식 9와 같이 전개된다.

Case 1:

+

case 2:

+

case 3:

+

위 식에서

이다.

위의 전개식에서 확인 할 수 있듯이 각 경우에 대한 퓨리의 급수 전개 결과가 모두 같으므로 도통각 범위

에서 수학식 6의

가 일정한 값을 갖는 다는 것 을 확인 할 수 있다. 이와 같은 과정은 수학식 1을 이용해 다음과 같이 증명이 된다. 변압기 1차측 전압

,

를 퓨리의 변환 하면 다음과 같다.

단 위의

이다.

위 식에서 계수

은

가 반파 대칭 이면서, 기함수 이므로

이 된다. 또한 수학식 1 및 수학식 10을 이용하여

상의 출력 전압

를 표현하면 다음의 수학식들,

이 되므로

번째 변압기의 출력 전압

는 차수

에 대해서 만 존재한다. 이상에서 알 수 있듯 3상 인버터의 경우 출력측에 3의 배수 고조파 성분은 출력되지 않는다.

[제 2실시예]

3상 변압기를 이용한 멀티레벨 인버터는 단상 변압기를 이용한 경우에 비해 변압기 수를 줄일 수 있으며, 변압기 이용률을 증대시켜 변압기 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있으나 많은 수의 스위치 소자가 필요하다는 단점이 있다. 본 발명의 제 2실시예에서는 공통암을 이용하여 스위치 수를 줄인 3상 변압기 절연 멀티레벨 인버터를 제공한다.

도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 공통암을 이용한 3상 IHCML 인버터의 구조를 보여주는 도면이다. 도 6에서는 변압기를 5개 사용한 경우의 IHCML 인버터의 구조를 보여주며, 각 인버터는 단일 직류 전원을 사용하며, 전압 적층을 위해 3상 저주파 변압기를 사용한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 IHCML 인버터는 멀티레벨 출력을 위해 출력단이 직렬 연결되는 복수 개의 저주파 변압기들(110), 상기 저주파 변압기들을 스위칭하기 위한 것으로 직류전원과 병렬연결되는 에이치브릿지들로 구성되는 스위치부(210) 및 상기 스위치부를 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 상기 변압기들은 3상 변압기이고, 상기 3상 변압기의 출력단은 각 상별로 직렬 연결되고 각 상은 Δ결선되며, 상기 스위치부의 각 에이치 브리지는 하나의 공통암(300)을 갖도록 연결되는 구조를 갖는다.

종래의 IHCML인버터에서는 출력의 왜율(THD; Total Harmonic Distortion)을 저감시키기 위해 레벨 수를 증가 시키게 되면 그만큼 많은 수의 스위치 수 증가시켜 줘야만 한다. 그러나 본 발명의 제 2실시예에 따른 IHCML 인버터는 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 모든 변압기의 도통각은

, 소호각은

범위에 있으므로 모든 에이치브릿지(H-Bridge)의 극성은 같게 되고 또한 변압기를 통해 절연되므로 단일 직류 전원을 사용하게 되며 이로 인해 H-Bridge의 한 암을 공통으로 사용할 수가 있다.

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제 2실시예에 따른 IHCML 인버터는 각 상의 극성을 결정하는 암을 공통암(300)으로 사용하여 그렇지 않은 경우에 비해 24개의 스위치 소자를 줄일 수 있으며, 만일

개의 변압기를 이용하는 경우 줄일 수 있는 소자 수(

)는 다음 수학식 15와 같다.

이상에서, 본 발명의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 3상 변압기를 이용하므로 기존의 단상 변압기를 이용하여 구현하는 방식보다 변압기 이용률을 증가 시킬 수 있어 경제적이며 효율적인 인버터의 구현이 가능하다는 장점이 있다.

Claims

멀티레벨 인버터에 있어서,

멀티레벨 출력을 위해 출력단이 직렬 연결되는 복수 개의 저주파 변압기(100);

상기 저주파 변압기들을 스위칭하기 위한 것으로 직류전원과 병렬연결되는 에이치브릿지(H-Bridge Cell)들로 구성되는 스위치부(200); 및

상기 스위치부를 제어하기 위한 제어부;를 포함하고,

상기 변압기들은 3상 변압기이고, 상기 3상 변압기의 출력단은 각 상별로 직렬 연결되고 각 상은 Δ결선되는 것을 특징으로 하는 3상 변압기 멀티레벨 인버터.
제 1항에 있어서,

상기 스위치부의 각 에이치브릿지들은 하나의 공통암(300)을 갖도록 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 변압기 멀티레벨 인버터.