KR100928549B1 - 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 클램핑 다이오드를 사용하지 않고 스위치로 중성점들을 클램프 함으로써, 출력전압의 레벨을 증가시켜 출력전압의 고조파 및 부하전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 멀티-레벨로 확장시 용이하게 모듈화할 수 있는 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터에 관한 것이다.

이를 위해,

스위치 클램프트 3-레벨 인버터에 있어서,

직렬연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치;

상기 제1 스위치와 제3 스위치의 중성점에 직렬로 연결되는 제2 스위치 및 제4 스위치;

를 포함하여 구성되며, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치는 동종의 스위치이고, 상기 제4 스위치의 정격전압은 상기 동종의 스위치 정격전압의 두 배인 것을 특징으로 하는 스위치 클램프트 3-레벨 인버터를 제공한다.

산업용 전동기, 인버터, 멀티레벨, 다이오드 클램프트, 중성점 전압 불균형, 모듈화, 고조파, 전류리플.

Description

스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터 {Switch Clamped Multi-Level Inverter}

본 발명은 멀티-레벨 인버터에 대한 것으로, 특히 중성점(NPC) 멀티-레벨 인버터에 관한 것이다.

일반적으로 전동기를 구동할 수 있는 전력변환장치에는 2-레벨 인버터와 멀티-레벨(multi-level) 인버터 방식이 있으며, 이 중 멀티-레벨 인버터는 각 스위칭 소자가 직렬연결 구조를 이루면서도 턴-오프시의 균등한 차단전압분배를 이룰 수 있고, 인버터 출력전압의 고조파를 같은 스위칭 주파수에서 비교할 때 2-레벨 인버터보다 2배 이상 줄일 수 있어 고성능의 고압전동기 구동시스템에서 널리 적용되고 있다.

현재까지 발표된 멀티-레벨 인버터 구조는 크게 H-bridge 인버터, 플라잉 커패시터 인버터, NPC(neutral point clamped) 인버터 등 3가지 형태가 있다.

이 중에서 NPC 3-레벨 인버터는 1981년 Nabae에 의해서 처음 제안된 것으로, 후에 이것을 일반화시켜 멀티-레벨 인버터로 확장이 되었다.

NPC 멀티-레벨 인버터는 가장 대표적인 멀티 레벨 인버터로서, 현재까지 구준한 연구가 진행되고 있다. 구조적인 특성으로는 N-레벨의 상전압을 얻기 위해 클램핑 다이오드를 필요로 하지만 전체 DC-링크 전압을 단일 전원을 사용하여 충전시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 상기와 같은 클램핑 다이오드가 구비된 3상 3-레벨 멀티-레벨 인버터의 회로도를 나타내며, 11은 양방향 스위치 소자를, 12는 클램핑 다이오드를, 13은 DC 링크 커패시터를 각각 나타낸다.

그러나 클램핑 다이오드로 전류가 흐르게 되면 커패시터간의 전압 불균형 문제(중성점 전압변동)가 발생되며, 이러한 문제는 출력전압 파형의 왜곡과 스위치 오프시 차단전압을 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 소자의 파괴를 가져올 수 있다.

또한, 상기 NPC 멀티-레벨 인버터는 N-레벨로 증가하면 부가적인 클램핑 다이오드가 필요하며, 상기 다이오드의 정격이 레벨 수에 따라 달라지므로 최소정격의 다이오드를 직렬로 연결해야 하고 이를 위하여 3차원적인 배치가 요구된다는 문제가 있다.

또한, DC링크 커패시터와 스위치를 연결하는 부분이 길어져서 표유인덕턴스가 증가해 스위칭시 온오프 특성이 떨어지며, 중성점(neutral point)의 전위를 제어하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 상기 클램핑 다이오드를 사용하지 않고 스위치로 중성점들을 클램프 함으로써, 출력전압의 레벨을 증가시켜 출력전압의 고조파 및 부하전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 멀티-레벨로 확장시 용이하게 모듈화할 수 있는 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명 스위치 클램프트 3-레벨 인버터에 있어서,

직렬연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치;

상기 제1 스위치와 제3 스위치의 중성점에 직렬로 연결되는 제2 스위치 및 제4 스위치;

를 포함하여 구성되며, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치는 동종의 스위치이고, 상기 제4 스위치의 정격전압은 상기 동종의 스위치 정격전압의 두 배인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 제4 스위치는 상기 동종의 스위치 두 개를 직렬연결하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 온(on)하고, 상기 제3 스위치와 제4 스위치를 오프(off)하여 0.5*Vdc 출력전압을 발생시키고,

상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 온(on)하고, 상기 제1 스위치와 제4 스위치를 오프(off)하여 0 출력전압을 발생시키며,

상기 제3 스위치 및 제4 스위치를 온(on)하고, 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 오프(off)하여 -0.5*Vdc 출력전압을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 스위치 클램프트 N-레벨 인버터에 있어서,

상기 인버터는 직렬연결된 제1 스위치 및 제2 스위치를 각각 포함하여 구성되는 N-1개의 스위치군(제1 스위치군, 제2 스위치군, ... , 제N-1 스위치군)으로 구성되며,

상기 제k (2≤k≤N-1) 스위치군의 스위치 중 제1 스위치는 상기 제k-1 스위치군의 중성점에 연결되고,

상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치를 제외한 나머지 스위치는 동종의 스위치이며, 상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치 정격전압은 상기 동종의 스위치 정격전압의 N-1배인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치는 상기 동종의 스위치를 N-1개 직렬연결하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터에 의하면,

첫째, 출력전압의 레벨을 증가시켜 출력전압의 고조파 및 부하전류의 리플을 감소시킬 수 있고,

둘째, 멀티-레벨로 확장시 모듈화가 가능하며,

셋째, 인버터의 레벨 수가 증가하여도 추가적인 다이오드가 필요하지 않고 회로의 평면적인 배치가 가능하므로, 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, "스위치"는 GTO(gate turn-off thyristors), IGBT(insulated gate bipolar transistors), IGCT(integrated gate commutated thyristors), BJT(bipolar juntion transistors), MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistors)와 같은 "스위치 소자"를 의미한다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터의 구성에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 3상 스위치 클램프트 3-레벨 인버터의 구성을 나타낸다.

상기 인버터는 동일한 전압정격 및 전류정격을 갖는 제1 스위치(21), 제2 스위치(22), 제3 스위치(23)와, 상기 스위치와 전류정격은 동일하나 전압정격은 두 배인 제4 스위치(24), DC링크 커패시터(25)를 포함하여 구성된다.

상기에서, 제1 스위치(21)와 제2 스위치(22)가 온(on)이고 제3 스위치(23)와 제4 스위치(24)가 오프(off)일 때, 상기 제3 스위치(23)의 양단에는 DC링크의 위단 커패시터(25) 전압이 걸리고, 상기 제4 스위치(24)의 양단에는 DC링크의 위단 커패시터(25) 전압의 2배 전압, 즉 전체 DC링크 전압이 걸리기 때문에, 제4 스위치(24)의 전압정격은 다른 스위치 전압정격의 두 배이어야 한다.

이때, 상기 제4 스위치(24)는 상기 전압정격을 얻기 위하여 제1, 제2, 제3 스위치(21, 22, 23)와 같은 종류의 스위치 두 개를 직렬연결하여 구성할 수 있다.

상기 제2 스위치(22)는 제1 스위치(21)와 제3 스위치(23)의 중성점에 연결되며, 상기 제4 스위치(24)와 직렬로 연결된다.

상기 DC링크 커패시터(25)가 0.5*Vdc의 전압크기를 갖고, 커패시터들의 중성점이 0 전위를 갖는 경우, 상기 네 개의 스위치(21, 22, 23, 24)를 조합하여 다음표 1과 같은 3-레벨의 출력전압벡터 및 출력전압을 얻는다.

즉, 스위치의 온-오프를 조절을 통해 세 가지 출력전압(0.5*Vdc, 0, -0.5*Vdc)을 얻을 수 있으므로 3-레벨 인버터라 한다.

도 3은 출력전압벡터가 '2' 인 경우 부하전류 방향에 따른 전류의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 4는 출력전압벡터가 '1' 인 경우 부하전류 방향에 따른 전류의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 5는 출력전압벡터가 '0' 인 경우 부하전류 방향에 따른 전류의 흐름을 나타낸 도면이다.

한편, 도 6은 인버터의 한 상에 대하여 N-레벨로 확장시킨 경우로서, 스위치 클램프트 N-레벨 인버터 구성을 나타낸다. 2-레벨에 대한 제1 스위치군(m₁), 3-레벨에 대한 제2 스위치군(m₂), ... , N 레벨에 대한 제N-1 스위치군(m_{n -1}) 등이 모두 결합되어 스위치 클램프트 N-레벨 인버터(m₁, m₂, ... m_{n -2}, m_{n -1})를 형성한다. 도시된 바와 같이, 각 스위치군은 직렬연결된 제1 스위치(61, 63, 65, 67)와 제2 스위치(62, 64, 66, 68)를 포함하여 구성되며, 상기 제1 스위치군(m₁)을 제외한 나머지 군의 제1 스위치(63, 65, 67)은 각각 이전 스위치군의 중성점과 연결된다.

이때, 마지막 스위치 군(제N-1 스위치군, m_{n -1})의 제2 스위치(68)를 제외한 나머지 스위치는 전압정격 및 전류정격이 동일하며, 마지막 스위치 군(제N-1 스위치군, m_{n -1})의 제2 스위치(68)의 전압정격은 다른 스위치 전압정격의 (N-1)배가 된다.

또는, 상기 전압정격을 얻기 위하여, 상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치(68)는 다른 스위치를 N-1개를 직렬연결하여 구성할 수도 있다.

상기와 같은 스위치 클램프트 멀티-레벨 인버터에 의하면, 출력전압의 레벨을 증가시켜 출력전압의 고조파 및 부하전류의 리플을 감소시킬 수 있고, 멀티-레벨로 확장시 모듈화가 가능하며, 인버터의 레벨 수가 증가하여도 추가적인 다이오드가 필요하지 않고 회로의 평면적인 배치가 가능하다.

상기에서, 하나의 DC링크 커패시터와 하나의 스위치군을 하나의 모듈로 모듈화하여, 2개의 모듈을 연결하여 3-레벨 인버터를 구성하거나, 3개의 모듈을 연결하여 4-레벨 인버터를 구성하거나, N-1개의 모듈을 연결하여 N-레벨 인버터를 구성할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래기술에 따른 다이오드 클램프트 멀티-레벨 인버터의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 스위치 클램프트 3-레벨 인버터의 구성을 나타낸 도면,

도 3 내지 도 5는 상기 인버터에서 부하전류 방향에 따른 전류의 흐름을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 따른 스위치 클램프트 N-레벨 인버터의 구성을 나타낸 도면,

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

11 : 스위치 12 : 클램프 다이오드

13 : 커패시터

21 : 제1 스위치 22 : 제2 스위치

23 : 제3 스위치 24 : 제4 스위치

25 : 커패시터

m₁ : 제1 스위치군 m_{n -1} : 제N-1 스위치군

61 : 제1 스위치군의 제1 스위치

62 : 제1 스위치군의 제2 스위치

67 : 제N-1 스위치군의 제1 스위치

68 : 제N-1 스위치군의 제2 스위치

Claims (5)

1. 스위치 클램프트 3-레벨 인버터에 있어서,

   직렬연결되는 제1 스위치 및 제3 스위치;

   상기 제1 스위치와 제3 스위치의 중성점에 직렬로 연결되는 제2 스위치 및 제4 스위치;

   를 포함하여 구성되며, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치는 동종의 스위치이고, 상기 제4 스위치의 정격전압은 상기 동종의 스위치 정격전압의 두 배인 것을 특징으로 하는 스위치 클램프트 3-레벨 인버터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제4 스위치는 상기 동종의 스위치 두 개를 직렬연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 스위치 클램프트 3-레벨 인버터.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 온(on)하고, 상기 제3 스위치와 제4 스위치를 오프(off)하여 0.5*Vdc 출력전압을 발생시키고,

   상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 온(on)하고, 상기 제1 스위치와 제4 스위 치를 오프(off)하여 0 출력전압을 발생시키며,

   상기 제3 스위치 및 제4 스위치를 온(on)하고, 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 오프(off)하여 -0.5*Vdc 출력전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 스위치 클램프트 3-레벨 인버터.
4. 스위치 클램프트 N-레벨 인버터에 있어서,

   상기 인버터는 직렬연결된 제1 스위치 및 제2 스위치를 각각 포함하여 구성되는 N-1개의 스위치군(제1 스위치군, 제2 스위치군, ... , 제k-1 스위치군, 제k 스위치군, ... , 제N-1 스위치군)(2≤k≤N-1)으로 구성되며,

   상기 제k 스위치군의 스위치 중 제1 스위치는 상기 제k-1 스위치군의 중성점에 연결되고,

   상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치를 제외한 나머지 스위치는 동종의 스위치이며, 상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치 정격전압은 상기 동종의 스위치 정격전압의 N-1배인 것을 특징으로 하는 스위치 클램프트 N-레벨 인버터.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 제N-1 스위치군의 제2 스위치는 상기 동종의 스위치를 N-1개 직렬연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치 클램프트 N-레벨 인버터.

Images