KR101230862B1 - Inverter apparatus for driving multilevel with a single input source - Google Patents

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강필순
최원균
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A multilevel inverter device with single power is provided to output an inverting signal with a multilevel using single power by applying the output of a top inverter to a bottom inverter through a transformer. CONSTITUTION: A first inverter(100) firstly inverts power applied from the outside and outputs the inverted power. The first inverter includes a first charging unit(110), a first bridge unit(120), and a first switch unit(130). A transformer(200) is connected to the first inverter and transforms an output signal. A second inverter(300) secondly inverts the output signal from the transformer and outputs the inverted output signal. The second inverter includes a second charging unit(310), a second bridge unit(320), and a second switch unit(330).

Description

단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치{INVERTER APPARATUS FOR DRIVING MULTILEVEL WITH A SINGLE INPUT SOURCE}Multi-level inverter device driven by a single power supply {INVERTER APPARATUS FOR DRIVING MULTILEVEL WITH A SINGLE INPUT SOURCE}

본 발명은 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일전원을 입력받아 다단의 레벨로 이루어지는 인버터 신호를 출력하는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a multilevel inverter device driven by a single power source, and more particularly, to a multilevel inverter device driven by a single power source for receiving a single power source and outputting an inverter signal composed of multiple levels.

출력전압에 다수의 레벨 형성이 용이한 멀티레벨 인버터는 낮은 스위칭 주파수로도 사인파에 가까운 양질의 출력전압 파형을 생성할 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때 적은 수의 회로 소자를 이용하여 출력 전압 레벨을 가능한 많이 형성하는 것이 멀티레벨 인버터의 회로 디자인에 있어 중요한 요소 중 하나이다. Multilevel inverters, which are easy to form multiple levels of output voltage, can generate high-quality output voltage waveforms close to sine waves even at low switching frequencies. From this point of view, forming as many output voltage levels as possible using fewer circuit elements is one of the important factors in the circuit design of a multilevel inverter.

멀티레벨 인버터의 종류 중 Cascaded H-bridge cell 방식은 적은 소자 수를 이용해 출력전압 레벨 수를 증가시키기 위해 가장 유용한 방식으로 알려져 있으며 이를 기반으로 출력전압 레벨 수를 증가시킨 다양한 멀티레벨 인버터가 사용되고 있다. Cascaded H-bridge cell method is one of the most useful methods to increase the number of output voltage levels by using a small number of devices. Based on this, various multilevel inverters are used.

최근 3 n 승비의 권선비를 갖는 다단변압기를 이용한 멀티레벨 인버터는 출력전압 레벨 수를 증가시키기 위한 매우 유용한 방식이다. 기존 Cascaded H-bridge 방식은 독립된 입력전원을 필요로 하나, 이 방식은 단일 입력전압원만으로 출력전압 레벨 수를 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. Recently, a multilevel inverter using a multistage transformer having a turns ratio of 3 n ratio is a very useful way to increase the number of output voltage levels. The existing Cascaded H-bridge method requires an independent input power supply, but this method has the advantage of increasing the number of output voltage levels with only a single input voltage source.

또한 다단으로 결합된 변압기들의 누설 인덕턴스에 따른 필터링 효과까지 있어 양질의 출력전압 형성이 가능하다. 다단 변압기 적용 방식 중 공통암을 이용하여 스위칭 소자수를 보다 저감시킬 수 있는 방식이 연구되었다. In addition, the filtering effect of the leakage inductance of the transformers coupled in multiple stages enables high quality output voltage. The method of reducing the number of switching elements by using common arm among the multi-stage transformer application methods has been studied.

이는 동일 출력전압 레벨 형성시 한 암을 공통으로 사용함으로써 사용되는 스위칭 소자 수를 저감시킬 수 있지만 공통암의 전류 스트레스가 증가하는 문제를 발생시킨다. This reduces the number of switching elements used by using one arm in common when forming the same output voltage level, but causes a problem of increasing current stress of the common arm.

또한 다단 변압기 사용 대수를 저감하는 대신 PWM(pulse width modulation) 방식을 추가하는 멀티레벨 인버터가 사용되고 있다. 그러나 높은 스위칭 주파수로 인한 스위칭 손실 발생은 단점으로 지적된다. In addition, instead of reducing the number of multi-stage transformers used, multi-level inverters using pulse width modulation (PWM) methods are used. However, the occurrence of switching losses due to the high switching frequency is pointed out as a disadvantage.

상기에 언급된 멀티레벨 인버터들은 적은 소자수로 다수의 출력전압 레벨 수를 증가시킬 수 있는 효과적인 방법이지만 공통적으로 변압기를 채용하게 되어 변압기 자체의 전력변환 손실, 저주파 변압기로 인한 전체 시스템 부피의 증가 문제를 발생시킨다. 무엇보다도 저주파 변압기를 채용하는 방식은 주파수 제어가 필요한 전동기 구동용 인버터로 사용하기에는 곤란하므로 그 응용에 한계가 있는 문제점이 있다.
Multi-level inverters mentioned above are an effective way to increase the number of output voltage levels with a small number of elements, but common transformers are used to reduce the power conversion loss of the transformer itself and increase the overall system volume due to the low frequency transformer. Generates. Above all, the method employing the low frequency transformer has a problem in that its application is limited because it is difficult to use as an inverter for driving a motor requiring frequency control.

본 발명은 단일전원을 입력받아 다단의 레벨로 이루어지는 인버터 신호를 출력하도록 두 인버터 간에 변압기를 연결하고, 변압기에서 하단의 인버터에 상단의 인버터의 출력 신호를 전원으로 공급하여 단일전원으로 멀티레벨의 인버터 신호를 출력하는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention connects a transformer between two inverters to receive a single power input and outputs an inverter signal composed of multiple levels, and supplies the output signal of the upper inverter from the transformer to the lower inverter from the transformer as a single power, thereby multi-level inverter. It is to provide a multilevel inverter device driven by a single power supply for outputting a signal.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치는, 외부에서 인가되는 전원이 연결되며, 1차로 외부 전원을 인버팅하는 제1 인버터부와, 상기 제1 인버터부에 형성되는 제1 출력단자에 연결되어 상기 제1 인버터부의 출력신호를 변압하여 하위로 인가하는 변압부와, 상기 변압부에서 인가되는 변압된 출력신호를 2차로 인버팅하여 제2 출력단자를 통해 출력하는 제2 인버터부를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, a multi-level inverter device driven by a single power source of the present invention includes a first inverter unit connected to a power source applied from the outside and inverting the external power source first, and the first inverter unit. A transformer for converting an output signal of the first inverter unit to be lowered and a transformer for inverting the transformed output signal applied from the transformer unit and outputting the secondary output terminal through a second output terminal. It may include a second inverter unit.

구체적으로, 상기 제1 인버터부는 외부 전원이 인가되는 전원단자의 양단 간에 연결되며, 제1 캐패시터와 제2 캐패시터가 직렬로 연결되어 이루어지는 제1 충전부와, 상기 제1 충전부와 연결되어 상기 제1 충전부에서 인가되는 전원의 인가방향을 조절하는 제1 브릿지부와, 상기 제1 브릿지부와 상기 제1 충전부의 양단에 연결되어 상기 전원단자에서 인가되는 전원을 인버팅하고, 직렬로 연결되는 제1 스위치, 제2 스위치와, 직렬로 연결되어 상기 제1 스위치, 제2 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 제3 스위치, 제4 스위치로 구성되는 제1 스위치부와, 상기 제1 스위치부에 형성되어 인버팅된 전원을 출력하는 제1 출력단자를 포함할 수 있다.In detail, the first inverter unit is connected between both ends of a power terminal to which external power is applied, and a first charging unit in which a first capacitor and a second capacitor are connected in series, and the first charging unit is connected to the first charging unit. A first switch connected to both ends of the first bridge part and the first bridge part and the first charging part to invert the power applied from the power terminal and connected in series; A first switch unit comprising a second switch, a third switch connected in series and connected in parallel to both ends of the second switch, and a fourth switch; It may include a first output terminal for outputting the butted power.

상기 변압부는 상기 제1 인버터부의 상기 제1 출력단자를 통해 출력되는 인버팅된 신호를 변압하고, 두개의 출력신호로 분할시켜 상기 제2 인버터부로 인가할 수 있다.The transformer may transform an inverted signal output through the first output terminal of the first inverter unit, divide the output signal into two output signals, and apply the same to the second inverter unit.

상기 제2 인버터부는 상기 변압부와 직렬로 연결되며, 제3 캐패시터와 제4 캐패시터가 직렬로 연결되어 이루어지는 제2 충전부와, 상기 제2 충전부와 연결되어 상기 제2 충전부에서 인가되는 전원의 인가방향을 조절하는 제2 브릿지부와, 상기 제2 브릿지부와 상기 제2 충전부의 양단에 연결되어 상기 전원단자에서 인가되는 전원을 인버팅하고, 직렬로 연결되는 제5 스위치, 제6 스위치와, 직렬로 연결되어 상기 제5 스위치, 제6 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 제7 스위치, 제8 스위치로 구성되는 제2 스위치부와 상기 제2 스위치부에 형성되어 인버팅된 전원을 출력하는 제2 출력단자를 포함할 수 있다.The second inverter part is connected in series with the transformer part, and a second charging part formed by connecting a third capacitor and a fourth capacitor in series, and a direction in which power is applied from the second charging part connected to the second charging part. A second bridge unit for controlling a power supply, connected to both ends of the second bridge unit and the second charging unit, inverting power applied from the power supply terminal, and connected in series with a fifth switch and a sixth switch; A second switch configured as a seventh switch and an eighth switch connected in parallel to both ends of the fifth switch and the sixth switch and a second switch configured to output the inverted power; It may include an output terminal.

상기 변압부와 제2 충전부 간에는 역전류를 방지하는 다이오드부가 연결될 수 있다.A diode unit may be connected between the transformer and the second charging unit to prevent reverse current.

상기 다이오드부는 상기 제3 캐패시터와 상기 변압부 간에 연결되는 제1 다이오드와, 상기 제4 캐패시터와 상기 변압부 간에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
The diode unit may further include a first diode connected between the third capacitor and the transformer, and a second diode connected between the fourth capacitor and the transformer.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 단일 입력전원을 인가받는 상단 인버터의 출력을 변압기를 통해 하단 인버터로 인가하므로 단일전원만으로 다단의 멀티레벨 인버팅 신호를 출력할 수 있으므로, 다수의 전원이 필요치 않는 이점이 있다.
As described above, in the present invention, since the output of the upper inverter receiving a single input power is applied to the lower inverter through a transformer, the multi-level inverting signal can be output using only a single power source, and thus, multiple power sources are not required. There is this.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 멀티레벨 인버터의 제1,2 인버터부에서 각각 출력되는 출력신호를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 멀티레벨 인버터의 최종 출력단자에서 출력되는 출력신호를 나타낸 그래프이다.1 is an overall configuration diagram of a multilevel inverter device driven by a single power supply according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph illustrating output signals respectively output from the first and second inverter units of the multilevel inverter according to the present invention.
3 is a graph showing an output signal output from the final output terminal of the multi-level inverter according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like elements in the figures are denoted by the same reference numerals wherever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치를 나타낸 도면으로서, 외부에서 인가되는 전원을 1차로 인버팅하는 제1 인버터부(100)와, 제1 인버터부(100)와 연결되어 출력신호를 변압하는 변압부(200)와, 변압부(200)에서 변압되어 출력되는 출력신호를 2차로 인버팅하여 출력하는 제2 인버터부(300)를 포함한다.1 is a view showing a multi-level inverter device driven by a single power source according to an embodiment of the present invention, the first inverter unit 100 and the first inverter unit 100 to invert the power applied from the outside primarily And a second inverter unit 300 which inverts the output signal transformed by the transformer unit 200 and outputs the secondary output signal.

제1 인버터부(100)는 외부에서 인가되는 전원이 연결되어 충전되는 제1 충전부(110)와, 상기 제1 충전부(110)와 연결되어 상기 제1 충전부(110)에서 인가되는 전원의 인가방향을 변환하는 제1 브릿지부(120)와, 상기 제1 브릿지부(120)의 양단에 연결되어 전원을 인버팅하는 제1 스위치부(110)와, 상기 제1 스위치부(110)에 형성되어 인버팅된 전원신호가 출력되는 제1 출력단자(Vo1)를 포함하여 구성된다.The first inverter unit 100 is connected to the first charging unit 110 is charged by the power applied from the outside, the direction of application of the power applied from the first charging unit 110 is connected to the first charging unit 110 Is formed in the first bridge portion 120 for converting the first switch portion, the first switch portion 110 connected to both ends of the first bridge portion 120 to invert power, and the first switch portion 110. The first output terminal Vo1 outputs the inverted power signal.

상기 제1 충전부(110)는 전원단자의 양단 간에 연결되어 전원단자를 통해 인가되는 외부전원을 충전하며, 직렬로 연결되는 제1 캐패시터(C1)와 제2 캐패시터(C2)로 이루어진다. 이로 인해 두개의 외부전원이 입력되는 것과 같은 효과를 나타낸다.The first charging unit 110 is connected between both ends of the power terminal to charge the external power applied through the power terminal, it is composed of a first capacitor (C1) and a second capacitor (C2) connected in series. This has the same effect as two external power inputs.

상기 제1 브릿지부(120)는 제1 충전부(110)의 제1,2 캐패시터 간과 제1 스위치부(110) 간에 연결되어 제1 충전부(110)에서 인가되는 외부전원의 흐름 방향을 변환시킨다.The first bridge unit 120 is connected between the first and second capacitors of the first charging unit 110 and the first switch unit 110 to convert the flow direction of the external power applied from the first charging unit 110.

이때, 상기 제1 브릿지부(120)는 제1 스위치부(110)의의 스위칭으로 인해 전원이 흐르는 방향이 변환되어 역류되는 전원이나 흐르는 방향이 잘못되어 전원 간에 간섭이 일어나는 것을 방지하게된다. 이로 인해 정전원이 제1 스위치부(110)로 인가되어 인버팅되는 신호가 안정적으로 출력된다.At this time, the first bridge portion 120 is to prevent the interference between the power source because the power flow direction is changed by the switching of the first switch unit 110 is reversed or the flow direction is wrong. As a result, the electrostatic source is applied to the first switch unit 110 and the inverted signal is stably output.

상기 제1 스위치부(110)는 제1 충전부(110)의 양단에 연결되어 서로 직렬로 연결되는 제1,2 스위치(Q1,Q2)와, 상기 제1,2 스위치(Q1,Q2)와 병렬로 연결되어 서로 직렬로 연결되는 제3,4 스위치(Q3,Q4)로 구성된다. 이때, 상기 제1,2 스위치(Q1,Q2) 간과, 제3,4 스위치(Q3,Q4) 간에 제1 출력단자(Vo1)가 형성되어 상기 제1 스위치부(110)에서 인버팅된 전원신호가 출력된다. The first switch unit 110 is connected to both ends of the first charging unit 110 and connected in series with each other in parallel with the first and second switches Q1 and Q2 and the first and second switches Q1 and Q2. And third and fourth switches Q3 and Q4 connected in series with each other. In this case, a first output terminal Vo1 is formed between the first and second switches Q1 and Q2 and between the third and fourth switches Q3 and Q4, and thus the power signal inverted by the first switch unit 110. Is output.

이렇게 상기 제1 출력단자(Vo1)에서 출력되는 전원신호 중 제1,2 스위치(Q1,Q2) 간의 출력은 그대로 외부로 출력되며, 제3,4 스위치(Q3,Q4) 간의 출력은 제2 스위치부(330)에 연결된다.Thus, the output between the first and second switches Q1 and Q2 among the power signals output from the first output terminal Vo1 is output as it is, and the output between the third and fourth switches Q3 and Q4 is the second switch. Is connected to the unit 330.

상기 제1 출력단자(Vo1)는 변압부(200)와도 연결되며, 제1 출력단자(Vo1)에서 출력되는 인버팅 전원신호를 변압부(200)로 인가하게 된다.The first output terminal Vo1 is also connected to the transformer 200 and applies an inverting power signal output from the first output terminal Vo1 to the transformer 200.

이렇게 상기 변압부(200)로 인가된 제1 출력단자(Vo1)의 출력신호는 변압부(200)에서 변압되어 제2 충전부(150)로 인가된다. 이때, 상기 변압부(200)는 입력되는 전원신호를 두개의 출력으로 분할하여 제2 인버터부(300)의 제2 충전부(150)의 직렬로 연결되는 제3,4 캐패시터(C3,C4)로 인가하게 된다.The output signal of the first output terminal Vo1 applied to the transformer 200 is transformed by the transformer 200 and applied to the second charger 150. In this case, the transformer 200 divides the input power signal into two outputs and connects the third and fourth capacitors C3 and C4 connected in series to the second charging unit 150 of the second inverter unit 300. Will be authorized.

이때, 상기 변압부(200)와 제2 충전부(150)의 제3,4 캐패시터(C3,C4) 간에는 다이오드부(340)의 제1,2 다이오드(D1,D2)가 각각 연결되어 제3,4 캐패시터(C3,C4)에서 제2 스위치부(330)로 전원이 인가될 때 역전류가 변압부(200)로 흐르지 않도록 한다.In this case, the first and second diodes D1 and D2 of the diode unit 340 are connected between the transformer unit 200 and the third and fourth capacitors C3 and C4 of the second charging unit 150, respectively. When the power is applied from the four capacitors C3 and C4 to the second switch unit 330, the reverse current does not flow to the transformer unit 200.

도 2에 도시된 그래프는 제1 인버터부(100)의 제1 출력단자(Vo1)에서 출력되는 인버팅 신호와 제2 인버터부(300)의 제2 출력단자(Vo2)에서 출력되는 인버팅 신호를 나타낸 것이다.2 shows an inverting signal output from the first output terminal Vo1 of the first inverter unit 100 and an inverting signal output from the second output terminal Vo2 of the second inverter unit 300. It is shown.

이처럼 상기 변압부(200)의 출력이 두개로 이루어지는 이유는 제2 인버터부(300)에서 전원을 인버팅 하기 위해서는 두개의 전원이 입력되어야 하므로 이를 위해 변압부(200)에서 제1 인버터부(100)의 출력을 둘로 나누어 제2 인버터부(300)로 인가하게 된다.The reason why the output of the transformer 200 is two as described above is because two powers must be input in order to invert the power from the second inverter unit 300. ) Is divided into two and applied to the second inverter unit 300.

상기 제2 브릿지부(320)는 제2 충전부(150)에서 인가되는 외부전원의 흐름 방향을 변환시킨다.The second bridge part 320 converts the flow direction of external power applied from the second charging part 150.

이때, 상기 제2 브릿지부(320)는 제2 스위치부(330)의 스위칭으로 인해 전원이 흐르는 방향이 변환되어 역류되는 전원이나 흐르는 방향이 잘못되어 충돌되는 전원을 방지하게 된다. 이로 인해 정전원이 제2 스위치부(330)로 인가되어 인버팅되는 신호가 안정적으로 출력된다.In this case, the second bridge unit 320 prevents power that is reversed due to the switching of the second switch unit 330 and power that flows backwards or collides with an incorrect flow direction. As a result, the electrostatic source is applied to the second switch unit 330, and the inverted signal is stably output.

상기 제2 충전부(150)를 통해 전송되는 1차로 인버팅된 전원은 제2 스위치부(330)를 통해 2차로 인버팅되어 제2 출력단자(Vo2)로 출력된다.The primary inverted power transmitted through the second charging unit 150 is inverted secondly through the second switch unit 330 and output to the second output terminal Vo2.

상기 제2 스위치부(330)는 제2 충전부(150)의 양단에 연결되어 서로 직렬로 연결되는 제5,6 스위치(Q5,Q6)와, 상기 제5,6 스위치(Q5,Q6)의 양단에 병렬로 연결되어 서로 직렬로 연결되는 제7,8 스위치로 구성되며, 제5,6 스위치(Q5,Q6) 간과 제3,4 캐패시터(C3,C4) 간에 상기 제2 브릿지부(320)가 연결된다.The second switch unit 330 is connected to both ends of the second charging unit 150 and connected in series with each other, the fifth and sixth switches Q5 and Q6 and both ends of the fifth and sixth switches Q5 and Q6. And a seventh and eighth switches connected in series to each other in parallel to each other, and the second bridge portion 320 is interposed between the fifth and sixth switches Q5 and Q6 and the third and fourth capacitors C3 and C4. Connected.

상기 제5,6 스위치(Q5,Q6) 간과 제7,8 스위치 간에서 제2 인버터부(300)의 출력이 나오는 제2 출력단자(Vo2)가 형성된다.A second output terminal Vo2 from which the output of the second inverter unit 300 is output is formed between the fifth and sixth switches Q5 and Q6 and the seventh and eighth switches.

이렇게 상기 제1,2 인버터부를 통해 인버팅된 신호는 제1,2 출력단자(Vo1,Vo2)를 통해 출력되는데 이때, 제1 인버터부(100)의 제3,4 스위치(Q3,Q4) 간과, 제2 인버터부(300)의 제5,6 스위치(Q5,Q6) 간이 연결되어 제1 인버터부(100)의 -극에 해당하는 출력이 제2 인버터부(300)의 +극에 해당하는 출력과 합산되어 제2 스위치부(330)에서 인버팅된다.The signal inverted through the first and second inverters is output through the first and second output terminals Vo1 and Vo2. At this time, the third and fourth switches Q3 and Q4 of the first inverter unit 100 are overlooked. The fifth and sixth switches Q5 and Q6 of the second inverter unit 300 are connected to each other so that an output corresponding to the negative pole of the first inverter unit 100 corresponds to the + pole of the second inverter unit 300. It is summed with the output and inverted by the second switch unit 330.

이렇게 인버팅된 신호는 상기 제1 인버터부(100)의 제3,4 스위치(Q3,Q4) 간과 제7,8 스위치 간에 형성되는 최종 출력단자(Vout)를 통해 최종값이 출력된다.The inverted signal is output through a final output terminal Vout formed between the third and fourth switches Q3 and Q4 and the seventh and eighth switches of the first inverter unit 100.

상기 최종 출력단자(Vout)에서 출력되는 최종 출력값은 최초 전원이 0 ~ 25 레벨의 출력레벨로 출력될 수 있다.The final output value output from the final output terminal Vout may be output at an output level of 0 to 25 levels.

좀더 상세하게 설명하면, 제1,2 인버터부 사이에 변압부(200)를 결합하고 일차측과 이차측의 절연 상태를 확보하는 방식이다. 즉, 제1 출력단자(Vo1)를 변압부(200) 일차측과 연결시킴으로써 추가적인 전원 및 스위치의 연결 없이 이들 제1,2 스위치(110,310)의 동작으로 이차측으로 전력 전달이 가능하도록 구성된다. In more detail, the transformer 200 is coupled between the first and second inverters to secure an insulation state between the primary side and the secondary side. That is, by connecting the first output terminal Vo1 to the primary side of the transformer unit 200, power can be transferred to the secondary side by the operation of the first and second switches 110 and 310 without additional power and switch connections.

상기 변압부(200) 이차측으로 전력을 전달하는 과정은 크게 정방향, 부방향 스위칭 상태로 구분된다. 입력이 정방향 동작 상태로 제1 스위치와 제4 스위치가 On 일 때, 변압부(200) 이차측의 제1 다이오드는 On, 제2 다이오드(D2)는 Off 상태가 되어 변압부(200) 이차측 제3 캐패시터(C3)가 충전된다. 이와 반대로 입력이 부방향 동작 상태에서는 제2 스위치(Q2)와 제3 스위치(Q3)가 On 되어 변압부(200) 이차측의 다이오드 제2 다이오드(D2)는 On, 제1 다이오드는 Off 상태가 되어 변압부(200) 이차측 제4 캐패시터(C4)가 충전되게 된다. The process of transferring power to the transformer 200 is classified into a forward and a negative switching state. When the first switch and the fourth switch are turned on while the input is in the forward operation state, the first diode on the secondary side of the transformer unit 200 is turned on and the second diode D2 is off. The third capacitor C3 is charged. On the contrary, when the input is operated in the negative direction, the second switch Q2 and the third switch Q3 are turned on so that the second diode D2 on the secondary side of the transformer 200 is turned on and the first diode is turned off. As a result, the transformer 200 is charged with the second side fourth capacitor C4.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1 인버터부(100)는 -2V dc 부터 2V dc 까지의 출력전압을 제2 인버터부(300) 출력으로 생성되는 -10V dc 부터 10V dc 까지와의 가감을 통해 -12V dc 부터 12V dc 까지 영레벨을 포함한 25레벨의 출력전압 형성이 가능하다.As shown in FIG. 3, the first inverter unit 100 may output an output voltage of −2 V dc to 2 V dc from −10 V dc to 10 V dc generated as the output of the second inverter unit 300. 25 levels of output voltage, including zero levels, are available from -12 V dc to 12 V dc .

이처럼 본 발명은 25레벨 인버터에서 기본 출력전압 레벨은 제1 출력단자(Vo1)에 의해 생성되며 변압부(200) 이차측에 생성된 전압원을 이용하는 제2 인버터부(300)는 출력전압 파형의 개선 목적으로 다수의 출력전압 레벨 형성을 위해 전압 파형의 가감에 목적이 있다. 따라서 상대적으로 낮은 전력 소모가 발생하므로 제안된 5:1의 권선비를 가지는 강압형 변압부(200) 사용이 효과적이다. 또한 변압부(200) 이차측 전압의 크기는 변압부(200) 일차측에 의해 결정되므로 입력전압의 크기가 변화하더라도 변압부(200) 이차측 전압의 크기가 연동되어 변화되므로 출력전압의 THD(Total Harmonic Distortion, 전체 고조파 왜곡율)를 저하시키는 문제는 발생하지 않는다. As described above, in the 25-level inverter, the basic output voltage level is generated by the first output terminal Vo1 and the second inverter unit 300 using the voltage source generated on the secondary side of the transformer unit 200 improves the output voltage waveform. The purpose is to add or subtract voltage waveforms to form multiple output voltage levels. Therefore, since relatively low power consumption occurs, the use of the step-down transformer 200 having a turns ratio of 5: 1 is effective. Also, since the magnitude of the voltage of the secondary side of the transformer 200 is determined by the primary side of the transformer 200, even if the magnitude of the input voltage changes, the magnitude of the voltage of the secondary side of the transformer 200 changes in tandem. There is no problem of lowering Total Harmonic Distortion.

여기서 상기 THD란 증폭기를 이용하여 신호를 증폭하는 경우 증폭기의 입/출력 특성이 가지는 비직선성(Non-Linearity)으로 인하여 출력신호에 찌그러짐(왜곡, Distortion)이 일어난다. Here, when the THD is used to amplify a signal using an amplifier, distortion (distortion) occurs in the output signal due to non-linearity of the input / output characteristics of the amplifier.

이러한 출력신호가 찌그러지면 고조파(Harmonic Frequency)가 발생하는데, 고조파는 원래 신호 주파수(기본 주파수, Fundmental Frequency)의 배수의 주파수로 나타난다.When this output signal is distorted, a harmonic frequency is generated, which appears as a frequency multiple of the original signal frequency (fundamental frequency).

이와 같이 구성된 본 발명은 단일 입력전원을 인가받는 상단 인버터의 출력을 변압기를 통해 하단 인버터로 인가하므로 단일전원만으로 다단의 멀티레벨 인버팅 신호를 출력할 수 있으므로, 다수의 전원이 필요치 않는 이점이 있다.According to the present invention configured as described above, since the output of the upper inverter receiving the single input power is applied to the lower inverter through the transformer, the multi-level inverting signal can be output with only a single power supply, so that a plurality of power sources are not required. .

상기와 같은 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
The multilevel inverter device driven by a single power source as described above is not limited to the configuration and operation of the embodiments described above. The above embodiments may be configured such that various modifications may be made by selectively combining all or part of the embodiments.

100 : 제1 인버터부 110 : 제1 충전부
C1 : 제1 캐패시터 C2 : 제2 캐패시터
120 : 제1 브릿지부 130 : 제1 스위치부
Q1 : 제1 스위치 Q2 : 제2 스위치
Q3 : 제3 스위치 Q4 : 제4 스위치
200 : 변압부 300 : 제2 인버터부
310 : 제2 충전부 C3 : 제3 캐패시터
C4 : 제4 캐패시터 320 : 제2 브릿지부
330 : 제2 스위치부 Q5 : 제5 스위치
Q6 : 제6 스위치 Q7 : 제7 스위치
Q8 : 제8 스위치 Vo1 : 제1 출력단자
Vo2 : 제2 출력단자 Vout : 최종 출력단자
340 : 다이오드부100: first inverter unit 110: first charging unit
C1: first capacitor C2: second capacitor
120: first bridge portion 130: first switch portion
Q1: first switch Q2: second switch
Q3: third switch Q4: fourth switch
200: transformer unit 300: second inverter unit
310: second charging unit C3: third capacitor
C4: fourth capacitor 320: second bridge portion
330: second switch Q5: fifth switch
Q6: 6th switch Q7: 7th switch
Q8: 8th switch Vo1: 1st output terminal
Vo2: Second output terminal Vout: Final output terminal
340: diode

Claims (6)

외부에서 인가되는 직류전원이 연결되며, 캐스케이드 방식의 H-브리지(Cascaded H-bridge)를 통해 외부 전원을 1차로 인버팅하여 제1 레벨단자와 제1 출력단자를 통해 출력하는 제1 인버터부;
상기 제1 인버터부에 형성되는 제1 출력단자에 연결되어 상기 제1 인버터부의 출력신호를 변압하여 하위로 인가하는 변압부; 및
상기 변압부에서 인가되는 변압된 출력신호를 캐스케이드 방식의 H-브리지를 통해 2차로 인버팅하여 제2 레벨단자와 제2 출력단자를 통해 각각 출력하는 제2 인버터부;를 포함하며,
상기 제1 레벨단자는 전원단이고, 제2 레벨단자는 접지단이며, 상기 제1 레벨단자와 제2 레벨단자를 통해 최종 교류신호를 출력하는, 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치.
A first inverter unit connected to a DC power source applied from the outside and inverting the external power source primarily through a cascaded H-bridge to output through a first level terminal and a first output terminal;
A transformer unit connected to a first output terminal formed on the first inverter unit to convert an output signal of the first inverter unit to apply a lower signal; And
And a second inverter unit for inverting the transformed output signal applied from the transformer unit through the cascade-type H-bridge to the second level terminal and the second output terminal, respectively.
And the first level terminal is a power terminal, the second level terminal is a ground terminal, and outputs a final AC signal through the first level terminal and the second level terminal.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 인버터부는,
외부 전원이 인가되는 전원단자의 양단 간에 연결되며, 제1 캐패시터와 제2 캐패시터가 직렬로 연결되어 이루어지는 제1 충전부; 상기 제1 충전부와 연결되어 상기 제1 충전부에서 인가되는 전원의 인가방향을 조절하는 제1 브릿지부; 상기 제1 브릿지부와 상기 제1 충전부의 양단에 연결되어 상기 전원단자에서 인가되는 전원을 인버팅하고, 직렬로 연결되는 제1 스위치, 제2 스위치와, 직렬로 연결되어 상기 제1 스위치, 제2 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 제3 스위치, 제4 스위치로 구성되는 제1 스위치부; 상기 제1 스위치부에 형성되어 인버팅된 전원을 출력하는 제1 출력단자; 및 상기 제1 스위치부의 제1 스위치와 제2 스위치 사이의 노드에서 외부로 출력되는 제1 레벨단자;를 포함하는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치.
The method according to claim 1,
The first inverter unit,
A first charging unit connected between both ends of a power supply terminal to which external power is applied, the first charging unit including a first capacitor and a second capacitor connected in series; A first bridge part connected to the first charging part to adjust an application direction of power applied from the first charging part; The first switch and the second switch connected to both ends of the first bridge part and the first charging part to invert power applied from the power terminal, and connected in series to the first switch and the first switch, A first switch comprising a third switch and a fourth switch connected in parallel to both ends of the two switches; A first output terminal formed at the first switch unit to output an inverted power source; And a first level terminal output to the outside from a node between the first switch and the second switch of the first switch unit. 2.
청구항 1에 있어서,
상기 변압부는 상기 제1 인버터부의 상기 제1 출력단자를 통해 출력되는 인버팅된 신호를 변압하고, 두개의 출력신호로 분할시켜 상기 제2 인버터부로 인가하는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치.
The method according to claim 1,
And the transformer converts an inverted signal output through the first output terminal of the first inverter unit, is divided into two output signals, and is driven by a single power supply to the second inverter unit.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 인버터부는
상기 변압부와 직렬로 연결되며, 제3 캐패시터와 제4 캐패시터가 직렬로 연결되어 이루어지는 제2 충전부; 상기 제2 충전부와 연결되어 상기 제2 충전부에서 인가되는 전원의 인가방향을 조절하는 제2 브릿지부; 상기 제2 브릿지부와 상기 제2 충전부의 양단에 연결되어 상기 전원단자에서 인가되는 전원을 인버팅하고, 직렬로 연결되는 제5 스위치, 제6 스위치와, 직렬로 연결되어 상기 제5 스위치, 제6 스위치의 양단에 병렬로 연결되는 제7 스위치, 제8 스위치로 구성되는 제2 스위치부; 상기 제2 스위치부에 형성되어 인버팅된 전원을 출력하는 제2 출력단자; 및 상기 제2 스위치부의 제7 스위치와 제8 스위치 사이의 노드에서 외부로 출력되는 제2 레벨단자;를 포함하는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치.
The method according to claim 2,
The second inverter unit
A second charging part connected in series with the transformer and having a third capacitor and a fourth capacitor connected in series; A second bridge part connected to the second charging part to adjust an application direction of power applied from the second charging part; Fifth and sixth switches connected in series with the second bridge unit and the second charging unit to invert power applied from the power supply terminal, and connected in series; A second switch unit comprising a seventh switch and an eighth switch connected in parallel to both ends of the six switch; A second output terminal formed at the second switch unit to output an inverted power source; And a second level terminal output from the node between the seventh and eighth switches of the second switch unit to the outside.
청구항 4에 있어서,
상기 변압부와 제2 충전부 간에는 역전류를 방지하는 다이오드부가 연결되는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치.
The method of claim 4,
The multi-level inverter device is driven by a single power supply is connected between the transformer portion and the second charging portion to prevent the reverse current diode unit.
청구항 5에 있어서,
상기 다이오드부는 상기 제3 캐패시터와 상기 변압부 간에 연결되는 제1 다이오드; 및
상기 제4 캐패시터와 상기 변압부 간에 연결되는 제2 다이오드;를 더 포함하는 단일 전원으로 구동되는 멀티레벨 인버터 장치.The method according to claim 5,
The diode unit may include a first diode connected between the third capacitor and the transformer unit; And
And a second diode connected between the fourth capacitor and the transformer unit.
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