KR101791289B1 - 멀티레벨 인버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보다 효율적인 구조를 가진 멀티 레벨 고압 인버터를 제공한다. 본 발명은 3상의 제1 위상전압을 입력받아 정류한 정류전압을 제공하는 정류부; 상기 정류전압을 입력받아 서로 다른 제1 내지 제3 노드로 각각 다른 레벨의 전압으로 제공하기 위한 평활부; 상기 평활부에서 제공되는 3가지 레벨의 전압을 전달하기 위해 다수의 스위치부를 구비한 인버터부를 구비하며, 상기 인버터부는 상기 제1 노드와 제1 출력단 사이에 구비되는 제1 스위치부와, 상기 제2 노드와 상기 제1 출력단 사이에 구비되는 제2 스위치부와, 상기 제3 노드와 상기 제1 출력단 사이에 구비되는 제3 스위치부와, 상기 제1 노드와 제2 출력단 사이에 구비되는 제4 스위치부와, 상기 제2 노드와 상기 제2 출력단 사이에 구비되는 제5 스위치부와, 상기 제3 노드와 상기 제2 출력단 사이에 구비되는 제6 스위치부를 구비하는 멀티레벨 인버터를 제공한다.

Description

멀티레벨 인버터{Multi-level inverter}
본 발명은 인버터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 단위전력셀을 이용하는 고압 멀티 레벨(multi-level) 인버터에 관한 것이다.
멀티 레벨 고압 인버터(multi-level medium-voltage inverter)는 입력 선간 전압 실효치가 600V 이상의 입력 전원을 갖는 인버터로 출력 상 전압(output phase voltage)은 여러 단계를 갖는다. 고압 인버터는 일반적으로 수 백 kW ~ 수 십 MW의 용량을 갖는 대용량의 전동기를 구동하는데 사용되고 있으며, 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor), 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor)와 같은 분야에서 주로 사용된다.
통상의 전압형 고압 인버터는 직렬 연결형 H-브릿지 인버터(Cascaded H-bridge inverter)를 사용하거나 이를 변형한 직렬 연결형 NPC 인버터(Cascaded Neutral Point Clamped inverter)를 이용한다. 최근 사용되기 시작한 직렬 연결형 NPC 인버터는 기존의 직렬 연결형 H-브릿지 인버터와 비교하여 그 부피가 작다는 점이 크게 부각되고 있다.
다양한 분야에서 적용되는 멀티 레벨 고압 인버터의 경우 더 작은 소자로 구성되고, 보다 더 높은 효율성을 가지기를 요구된다.
본 발명은 보다 효율적인 구조를 가진 멀티 레벨 고압 인버터를 제공한다.
본 발명은 3상의 제1 위상전압을 입력받아 정류한 정류전압을 제공하는 정류부; 상기 정류전압을 입력받아 서로 다른 제1 내지 제3 노드로 각각 다른 레벨의 전압으로 제공하기 위한 평활부; 상기 평활부에서 제공되는 3가지 레벨의 전압을 전달하기 위해 다수의 스위치부를 구비한 인버터부를 구비하며, 상기 인버터부는 상기 제1 노드와 제1 출력단 사이에 구비되는 제1 스위치부와, 상기 제2 노드와 상기 제1 출력단 사이에 구비되는 제2 스위치부와, 상기 제3 노드와 상기 제1 출력단 사이에 구비되는 제3 스위치부와, 상기 제1 노드와 제2 출력단 사이에 구비되는 제4 스위치부와, 상기 제2 노드와 상기 제2 출력단 사이에 구비되는 제5 스위치부와, 상기 제3 노드와 상기 제2 출력단 사이에 구비되는 제6 스위치부를 구비하는 멀티레벨 인버터를 제공한다.
또한, 상기 제1 내지 제6 스위치부는 전력용 반도체와 다이오드를 구비한다.
또한, 상기 제2 스위치부는 상기 제2 노드에서 상기 제1 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드; 상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체; 상기 제1 다이오드와 전류 역방향성을 가지며, 상기 제1 다이오드와 직렬연결된 제2 다이오드; 및상기 제1 전력용 반도체와 전류 역방향성을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비한다.
또한, 상기 제1 스위치부는 상기 제1 출력단에서 상기 제1 노드로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드; 및 상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체를 구비한다.
또한, 상기 제3 스위치부는 상기 제3 노드에서 상기 제1 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제2 다이오드; 및 상기 제2 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비한다.
또한, 상기 제5 스위치부는 상기 제2 노드에서 상기 제2 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드; 상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체; 상기 제1 다이오드와 전류 역방향성을 가지며, 상기 제1 다이오드와 직렬연결된 제2 다이오드; 및상기 제1 전력용 반도체와 전류 역방향성을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비한다.
또한, 상기 제4 스위치부는 상기 제2 출력단에서 상기 제1 노드로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드; 및 상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체를 구비한다.
또한, 상기 제6 스위치부는 상기 제3 노드에서 상기 제2 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제2 다이오드; 및 상기 제2 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비한다.
또한, 상기 평활부는 직렬연결된 제1 및 제2 캐패시터를 구비하여, 상기 제1 및 제2 캐패시터는 일측과 타측을 통해 상기 정류전압을 인가받고, 상기 제1 및 제2 캐패시터의 일측과 공통노드 및 타측노드가 각각 상기 제1 내지 제3 노드인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정류부는 상기 제1 캐패시터의 일측과 타측을 연결하며, 공통노드로 상기 제1 위상전압의 제1 상 전압을 제공받는 제1 및 제2 다이오드; 상기 제1 캐패시터의 일측과 타측을 연결하며, 공통노드로 상기 제1 위상전압의 제2 상 전압을 제공받는 제3 및 제4 다이오드; 및 상기 제1 캐패시터의 일측과 타측을 연결하며, 공통노드로 상기 제1 위상전압의 제3상 전압을 제공받는 제5 및 제6 다이오드를 구비한다.
또한, 상기 정류부, 상기 평활부, 및 상기 인버터부를 구비한 단위전력셀을 다수 구비하며, 3상의 위상전압을 입력받아 상기 단위전력셀에 예정된 위상을 가지는 전원신호를 제공하는 위상치환변압기를 구비한다.
본 발명의 새로운 고압 인버터는 새로운 형태의 멀티레벨 인버터를 사용하는 방식으로 직렬 연결형 NPC 인버터에 비교하여 전력 반도체 소자수가 작고, 도통 손실이 작기 때문에 기존의 멀티레벨 고압 인버터에 비해서 효율이 증대되고, 가격과 부피를 절감할 수 있다.
도1은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 인버터를 포함하는 전력 변환 회로를 나타내는 블럭도.
도2는 도1에 도시된 각 단위전력셀의 구조를 나타낸 블럭도.
도3은 또 다른 인버터를 포함하는 전력 변환 회로를 나타내는 블럭도.
도4은 도2에 도시된 각 단위전력셀의 구조를 나타낸 블럭도.
도5 내지 도10은 도1과 도2에 도시된 인버터부의 동작을 나타내는 회로도.
도11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위전력셀을 나타내는 회로도.
도12 내지 도14는 도11의 단위전력셀을 이용한 인버터의 실시예를 각각 나타내는 블럭도.
도15 내지 도21은 도11에 도시된 인버터부의 동작을 나타내는 회로도.
도22 ~ 도 25는 도11에 도시된 인버터부의 동작을 나타내는 파형도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 멀티레벨 인버터를 포함하는 인버터 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 위상치환변압기(phase shift transformer)와 멀티레벨 고압 인버터를 포함하는 인버터 시스템(101)은 입력 3상 전원(102), 3상 전동기(103), 위상치환변압기(104), 단위전력셀(105a~105f)을 포함한다.
입력 3상 전원(102)은 선간 전압(line-to-line voltage) 실효치(root mean square)가 600V 이상인 전압이 공급되고 있는 것을 의미한다. 3상 전동기(103)는 인버터 시스템의 부하(load)이다. 위상치환변압기(104)의 1차 측 권선(primary winding)은 3상 와이 결선의 형태를 가지고 있으며, 2차 측(secondary winding)은 1차 측 권선 대비 -15도, 0도, 15도, 30도의 위상 차를 갖는 권선이 각 3개씩 총 12개로 구성된다. 2차 측 권선의 구조는 단위전력셀(105a~105f)의 전력셀 수에 따라 결정된다.
단위전력셀(105a~105f)의 각 출력 전압은 5레벨(5-level)이다. 부하로 동작하는 전동기(103)의 각 상당 2개의 단위전력셀로 구성되어 있으며, 필요에 따라 단위전력셀의 수는 확장은 가능하다. 단위전력셀(105a와 105b)의 출력은 직렬로 연결되어 부하 3상 전동기의 a상 전압을 출력하고, 단위전력셀(105c와 105d)은 b상 전압을, 단위전력셀(105e와 105f)는 c상 전압을 출력한다. 단위전력셀(105a, 105c, 105e)은 위상치환변압기(104)의 출력 중 -15도와 0도의 위상을 갖는 출력과 연결되고, 단위전력셀(105b, 105d, 105f)은 위상치환변압기(104)의 출력 중 15도와 30도의 위상을 갖는 출력과 연결된다.
도2는 도1에 도시된 각 단위전력셀의 구조를 나타낸 블럭도이다.
도2를 참조하여 살펴보면, 단위전력셀은 다이오드 정류부(201), 평활부(202), 출력 전압을 합성하는 인버터부(203)를 구비한다. 다이오드 정류부(201)는 두 개의 3상 전원 입력을 받으며, 입력 전원은 도1에 도시된 위상치환변압기(104)의 출력전압이다. 다이오드 정류부(201)의 출력은 직렬 연결(series-connected)된 2개의 직류 단 캐패시터(DC-link capacitor)로 전달되며, 두 개의 직류 단 캐패시터는 동일한 캐패시턴스(capacitance)를 가진다. 인버터부(203)는 출력 전압을 합성하기 위한 것으로, 출력 선간 전압이 5레벨이 된다.
도3은 또 다른 인버터를 포함하는 인버터 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도3을 참조하여 살펴보면, 인버터 시스템(301)은 입력 3상 전원(302), 3상 전동기(303), 위상치환변압기(304), 단위전력셀(305a~305c)을 포함한다.
입력 3상 전원(302)은 선간 전압(line-to-line voltage) 실효치(root mean square)가 600V 이상인 전압이 공급되고 있는 것을 의미한다. 3상 전동기(303)는 인버터 시스템의 부하(load)이다. 위상치환변압기(304)의 1차 측 권선(primary winding)은 3상 와이 결선의 형태를 가지고 있으며, 2차 측(secondary winding)은 1차 측 권선 대비 -15도, 0도, 15도, 30도의 위상 차를 갖는 권선이 각 3개씩 총 12개로 구성된다. 2차 측 권선의 구조는 단위전력셀(305a~305c)의 전력셀 수에 따라 결정된다. 단위전력셀(305a~305c)는 5레벨의 출력 전압을 합성할 수 있으며, 단위전력셀(305a)는 부하 전동기(303)의 a상 전압을 출력하고, 단위전력셀(305b)은 b상 전압을 출력하며, 단위전력셀(305c)은 c상 전압을 출력한다.
도4는 도3에 도시된 단위전력셀의 내부 회로도이다. 다이오드 정류부(401), 평활부(402), 출력 전압을 합성하는 인버터부(403)를 구비한다. 도4의 경우에는 입력단 입력 단 다이오드 정류부(401)가 4개로 구성되며, 인버터부(403)의 동작은 도2와 실질적으로 같다. 단, 도2와 도4의 단위전력셀은 요구되는 출력에 따라 단위전력셀에 사용되는 전력 소자의 정격 전압(rated voltage)과 정격 전류(rated current)의 값이 달라질 수 있다. 단위전력셀의 출력전압은 5레벨까지 나타난다.
도5 내지 도10은 도1과 도2에 도시된 인버터부의 동작을 나타내는 회로도이다. 계속해서 도1 내지 도10을 참조하여 인버터부의 동작에 대해서 설명한다. 특히 도1 및 도2에 도시된 인버터부의 동작을 중심으로 설명한다.
도2에 도시된 인버터부(203)의 한 레그(leg)는 4개의 스위치부(203a, 203b, 203c, 204d)가 직렬 연결되어 있으며, 스위치부의 동작에 따라 출력 전압이 정의된다.
스위치부(203a와 203c)의 동작은 서로 상보적(complimentary)하며, 스위치부(203b와 203d)의 스위칭 동작 역시 서로 상보적이다. 따라서, 직렬 연결되어 있는 평활부(202)의 전압이 각각 E라고 정의할 때, 스위치부(203a, 203b)가 켜져 있을 경우, 스위치부(203c와 204d)는 꺼지게 되고, 이때 출력되는 극 전압(pole voltage)는 E가 된다. 또한, 스위치부(203a와 203c)가 켜져 있으면 스위치부(203b, 203d)는 꺼지게 되며 이 경우 출력 극 전압은 0이 된다. 마찬가지로, 스위치부(203a, 203b)가 꺼져 있는 상태에서는 스위치부(203c와 203d)는 켜지게 되고, 이 경우 출력 극 전압은 -E가 출력된다.
이와 같이 정의되는 출력 극 전압을 이용하면 각 단위 셀의 출력 선간 전압은 2E, E, 0, -E, -2E의 5단계를 갖게 된다. 각 셀의 출력 선간 전압이 5레벨로 정의됨에 의해, 도3의 단위전력셀(305a, 305b)이 합성할 수 있는 전압은 4E, 3E, 2E, E, 0, -E, -2E, -3E, -4E의 9단계를 갖게 되고, 부하 전동기(303)의 출력 선간 전압은 8E, 7E, 6E, 5E, 4E, 3E, 2E, E, 0, -E, -2E, -3E, -4E, -5E, -6E, -7E, -8E의 17레벨을 가질 수 있다.
다단 고압 인버터의 PWM 방법은 삼각 반송파(triangular carrier)의 형태에 따라 크게 위상 천이 PWM(Phase shifted PWM)과 레벨 천이 PWM(Level shifted PWM)으로 나뉘는데, 본 발명에서 설명하는 단상 NPC 인버터를 이용한 멀티레벨 인버터는 레벨 천이 PWM 방법으로 주로 작동한다. 또한, 레벨 천이 PWM은 삼각 반송파의 위상에 따라 IPD(In-phase disposition), APOD(Alternative phase opposite disposition), POD(Phase opposite disposition)으로 나뉘는데, 통상 IPD 방식이 출력 전압의 고조파(harmonics) 측면에서 가장 우수하다. 이에 따라서 본 발명에서는 IPD 방식의 레벨 천이 PWM 방법을 주로 이용하여 다단 고압 인버터의 전압 합성 방법에 대해서 자세히 설명한다.
계속해서 살펴보면, 출력 극 전압이 E, 0, -E로 결정되었을 때 전류의 방향에 따른 전력 반도체의 도통(conduction) 상태는 도5 내지 도10에 도시된 바와 같다.
도5는 출력 극 전압이 0이고, 출력 전류가 양(positive)일 때, 도6은 출력 극 전압이 E이고, 출력 전류가 양인 경우이며, 도7는 출력 극 전압이 -E이고, 출력 전류가 양일 때 도통이 되는 스위치부를 표시한 것이다. 도5에서는 다이오드 1개, 스위치부 1개가, 도6에서는 스위치부 2개, 도7에서는 다이오드 2개가 도통이 된다.
도8는 출력 극 전압이 0이고, 출력 전류가 음(negative)일 때, 도9는 출력 극 전압이 E이고, 출력 전류가 음인 경우이며, 도10는 출력 극 전압이 -E이고, 출력 전류가 음일 때 도통이 되는 스위치부를 표시한 것이다. 도8에서는 다이오드 1개, 스위치부 1개가, 도9에서는 다이오드 2개, 도10에서는 스위치부 2개가 도통이 된다.
다음으로 도2와 도4의 다이오드 정류부의 동작에 대해서 살펴본다. 정류부(201), 도4의 정류부(401)는 각각 도1의 위상천이 변압기(104)와 도3의 위상치환 변압기(304)의 2차 측과 연결되어 평활부(202, 402)의 캐패시터에 인가되는 전원 전압을 일정하게 유지하는 역할을 한다. 도1과 도3과 같이 구성된 시스템에서는 도2의 평활부(202)와 도4의 평활부(402)의 각각 구비한 캐패시터가 정류부(201,401)의 출력에 직접 연결되어 있기 때문에, 각 캐패시터의 전압은 무부하(no-load) 상태에서 평균적으로 다음과 같은 수식에 의한 값을 갖는다.
Figure 112013053404093-pat00001
이 때, V는 정류부(201,401)의 입력 전원의 상 전압(phase voltage) 크기이다. 수학식1과 같은 관계를 갖는 직류 단 전원 전압이 도1에서는 2개, 도3에서는 4개가 나타나게 되며, 정류부 숫자에 따라서 위상 치환 변압기(104,304) 출력의 수가 결정된다.
도1부터 도10을 참조하여 살펴본 직렬 연결형 NPC 인버터(Cascaded Neutral Point Clamped inverter)는 항상 2개의 전력 반도체(power semi-conductor)가 도통이 되는 것을 확인할 수 있다. 도1 내지 도10을 통해 살펴본 직렬 연결형 NPC 인버터는 직렬 연결형 H-브릿지 인버터(Cascaded H-bridge inverter)에 비해서 부피가 작다는 장점을 갖지만, 전압 합성에 있어서 항상 2개의 전력 반도체를 도통시켜야 하기 때문에 효율 증대가 어렵고 이에 따라서 방열 장치가 상대적으로 커야 하는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해, 단위전력셀의 입력부는 6-펄스(pulse)의 다이오드 정류부로 구성하고, 단위전력셀의 인버터 부는 기존의 3-레벨 NPC 인버터 보다 도통 손실을 감소시켜 단위전력셀의 효율 증대에 적당하도록 한 멀티 레벨 고압 인버터를 제안한다.
기존의 고압 인버터는 단위전력셀의 인버터 부를 H-브릿지 인버터(H-bridge inverter) 혹은 단상 NPC 인버터(single phase Neutral Point Clamped inverter)로 구성하여 단위전력셀의 출력을 직렬 연결하였으나, 본 발명에서 제안하는 멀티 레벨 고압 인버터의 단위전력셀은 단상 T-type NPC 인버터(single phase T-type Neutral Point Clamed inverter)로 구현된다. 단상 T-type NPC 인버터로 구성된 단위전력셀은 기존의 단위전력셀에 비해서 도통 손실이 작기 때문에 방열 설계가 유리하다. 또한, 단상 NPC 인버터를 이용한 단위전력셀 보다 동작시 사용되는 전력 반도체 소자의 숫자가 적다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 사용된 T-type NPC 인버터를 이용한 단위전력셀의 입력 단은 6-펄스, 12-펄스, 24-펄스의 다이오드 정류부로 구성할 수 있는데, 6-펄스 다이오드 정류부를 사용할 경우, 12-펄스나 24-펄스의 다이오드 정류부를 사용하는 경우에 비해서 입력 단의 위상 치환 변압기의 구조를 간단하게 할 수 있다.
도11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위전력셀을 나타내는 회로도이다.
도11에 도시된 바와 같이, 단위전력셀은 정류부(1101), 평활부(1102), 인버터부(1103)를 포함한다. 정류부(1101)는 제공되는 AC 전압을 정류하기 위한 것으로 6개의 다이오드를 이용하여 3상의 입력전압을 제공받아 평활부(1102)로 정류된 전압을 제공한다. 평활부(1102)는 캐패시터를 구비하여, 정류부(1101)에서 정류된 전압을 서로 다른 제1 내지 제3 노드(A,B,C)로 다른 레벨의 전압으로 제공하기 위한 것이다. 인버터부(1103)는 평활부(1102)에서 제공되는 3가지 레벨의 전압을 전달하기 위해 다수의 스위치부(1103a ~ 1103h)를 구비한다. 인버터부(103)는 제1 노드(A)와 제1 출력단(OUT1) 사이에 구비되는 제1 스위치부(1103a)와, 제2 노드(B)와 제1 출력단(OUT1) 사이에 구비되는 제2 스위치부(1103c,1103d)와, 제3 노드(C)와 제1 출력단(OUT1) 사이에 구비되는 제3 스위치부(1103b)와, 제1 노드(A)와 제2 출력단(OUT2) 사이에 구비되는 제4 스위치부(1103e)와, 제2 노드(B)와 제2 출력단(OUT2) 사이에 구비되는 제5 스위치부(1103g,1103h)와, 제3 노드(C)와 제2 출력단(OUT2) 사이에 구비되는 제6 스위치부(1103f)를 구비한다. 하나의 스위치부는 다이오드와, 다이오드를 포함하는 전력용 반도체가 서로 역방향의 전류방향을 가지며 구비된다. 전력용 반도체는 IGBT 또는 Power MOSFET을 포함한다.
평활부(1102)에 구비된 캐패시터는 정류부(1101)에 연결되어 있으며 정류부(1101)의 출력단에 직/병렬로 캐패시터가 추가로 더 연결되어 구성될 수 있다. 인버터부(1103)는 단상 T-type NPC 인버터(single phase T-type Neutral Point Clamped Inverter)이다. 스위치부(1103a, 1103b, 1103c, 1103d)가 하나의 레그(leg)를 구성하고, 스위치부(1103e, 1103f, 1103g, 1103h)가 또 하나의 레그를 구성하여 두 레그 사이의 전위 차로 출력 전압을 합성(synthesize)한다.
도12 내지 도14는 도11의 단위전력셀을 이용한 T-type NPC 인버터의 실시예를 각각 나타내는 블럭도이다.
도12는 단위전력셀을 전동기 한 상 당 3개로 총 9개의 단위전력셀을 이용하여 고압 인버터를 구현한 것이고, 도13는 전동기 한 상 당 단위전력셀을 4로 하여 총 12개의 단위전력셀로 고압 인버터를 구성한 경우이며, 도14는 단위전력셀을 전동기 한 상 당 5개로, 총 15개의 단위전력셀로 고압 인버터를 구성한 경우을 나타내고 있다.
도12를 참조하여 살펴보면, 제1 실시예에 따른 멀티레벨 인버터(1201)는 9개의 단위전력셀(1205a ~ 1205i)과 위상 치환 변압기(1204)를 포함한다. 전압공급부(1202)는 전압 실효치가 600V 이상인 전압을 제공한다. 전력변환회로(1203)는 전력변환회로의 부하인 3상 전동기이다. 위상 치환 변압기(1204)로 적용 방법에 따라 위상 각은 변동할 수 있다. 단위전력셀(1205a ~ 1205i)은 5레벨의 출력 전압을 합성할 수 있다. 단위전력셀(1205a, 1205b, 1205c)는 전동기의 a상 전압을 출력하고, 단위전력셀(1205d, 1205e, 1205f)는 b상 전압을 출력하며, 단위전력셀(1205g, 1205h, 1205i)는 c상 전압을 출력한다.
도13을 참조하여 살펴보면, 제2 실시예에 따른 멀티레벨 인버터(1301)는 12개의 단위전력셀(1305a ~ 1305l)과 위상 치환 변압기(1304)를 포함한다. 전압공급부(1302)는 전압 실효치가 600V 이상인 전압을 제공한다. 전력변환회로(1303)는 전력변환회로의 부하인 3상 전동기이다. 위상 치환 변압기(1304)로 적용 방법에 따라 위상 각은 변동할 수 있다. 단위전력셀(1305a ~ 1305l)은 5레벨의 출력 전압을 합성할 수 있다. 단위전력셀(1305a, 1305b, 1305c, 1305d)는 전동기의 a상 전압을 출력하고, 단위전력셀(1305e, 1305f, 1305g, 1305h)는 b상 전압을 출력하며, 단위전력셀(1305i, 1305j, 1305k, 1305l)는 c상 전압을 출력한다.
도14을 참조하여 살펴보면, 제3 실시에에 따른 멀티레벨 인버터(1401)는 15개의 단위전력셀(1405a ~ 1405o)과 위상 치환 변압기(1404)를 포함한다. 전압공급부(1402)는 전압 실효치가 600V 이상인 전압을 제공한다. 전력변환회로(1403)는 전력변환회로의 부하인 3상 전동기이다. 위상 치환 변압기(1404)로 적용 방법에 따라 위상 각은 변동할 수 있다. 단위전력셀(1405a ~ 1405o)은 5레벨의 출력 전압을 합성할 수 있다. 단위전력셀(1405a, 1405b, 1405c, 1405d, 1405e)는 전동기의 a상 전압을 출력하고, 단위전력셀(1405f, 1405g, 1405h, 1405i, 1405j)는 b상 전압을 출력하며, 단위전력셀(1405k, 1405l, 1405m, 1405n, 1405o)는 c상 전압을 출력한다.
본 실시예에 설명하는 인버터부는 단상 T-type NPC 인버터로 구현되며, 단위전력셀에 구비되는 인버터는 도11에 도시된 바와 같이, 한 레그(leg)가 4개의 스위치(switch)로 구성되며, 스위치부(1103a, 1103b, 1103c, 1104d)의 동작에 따라 출력 극 전압(output pole voltage)이 정의된다. 스위치부(1103a와 1103c)는 동시에 켜질 수 없으며, 스위치부(1103b와 1103d) 역시 동시에 켜질 수 없다. 또한, 스위치부(1103a와 1103b)의 동작은 서로 독립적으로 요구되는 출력 극 전압이 양(positive)인 경우에는 스위치부(1103a와 1103c)가 동작을 하고, 출력 극 전압 지령이 음(negative)인 경우에는 스위치부(1103b와 1103d)가 동작을 한다.
평활부(1102)의 직렬 연결되어 있는 직류 단 캐패시터의 전압이 각각 E라고 정의하고, 출력 극 전압 지령이 양일 때, 스위치부(1103a)가 켜지고, 스위치부(1103c)가 꺼진 경우에는 출력 극 전압은 E를 출력하게 되고, 스위치부(1103a)가 꺼지고, 스위치부(1103c)가 켜진 경우에는 출력 극 전압이 0이 된다. 출력 극 전압 지령이 음일 때, 스위치부(1103b)가 켜지고, 스위치부(1103d)가 꺼진 경우에는 출력 극 전압은 -E를 출력하고, 스위치부(1103b) 꺼지고, 스위치부(1103d)가 켜진 경우에는 출력 극 전압이 0이 된다. 이와 같이 정의되는 출력 극 전압을 이용하면 각 단위 셀의 출력 선간 전압은 2E, E, 0, -E, -2E의 5단계를 갖게 된다. 출력 극 전압을 E, 0, -E로 결정되었을 때 전류의 방향에 따른 전력 반도체의 도통 상태는 살펴보면 도15도부터 도20도에 도시되어 있다.
도15 내지 도21은 도11에 도시된 인버터부의 동작을 나타내는 회로도이고, 도22 ~ 도 25는 도11에 도시된 인버터부의 동작을 나타내는 파형도이다.
도15에서는 출력 극 전압이 0이고, 출력 전류가 양(positive)일 때, 도16는 출력 극 전압이 E이고, 출력 전류가 양인 경우이며, 도17은 출력 극 전압이 -E이고, 출력 전류가 양일 때 도통이 되는 스위치를 표시한 것이다. 도15에서는 다이오드 1개, 스위치 1개가, 도16에서는 스위치 1개, 도17에서는 다이오드 1개가 도통이 된다. 도18도에서는 출력 극 전압이 0이고, 출력 전류가 음(negative)일 때, 도19는 출력 극 전압이 E이고, 출력 전류가 음인 경우이며, 도20는 출력 극 전압이 -E이고, 출력 전류가 음일 때 도통이 되는 스위치를 표시한 것이다. 도18에서는 다이오드 1개, 스위치 1개가, 도19도는 다이오드 1개, 제 20도에서는 스위치 1개가 도통이 된다.
도15와 도18에서는 스위치 1개, 다이오드 1개가 도통되지만, 나머지 경우에는 다이오드 1개 또는 스위치 1개만 도통하여 평균적으로 도통되는 전력 반도체 소자의 숫자가 도5부터 도10도까지의 경우와 비교하여 줄어드는 것을 알 수 있으며, 이로부터 전력용 반도체에서 발생하는 손실이 감소하여 전체 시스템의 효율이 증대되고 이로 인하여 방열의 크기가 줄어들 수 있다.
계속해서, 단위전력셀의 다이오드 정류부를 6-펄스로 구성함에 따라서 나타날 수 있는 직류 단 캐패시터 불평형에 대한 해결책에 대해서 살펴본다.
도11에서 정류부(1101 )의 평균적인 출력 전압은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112013053404093-pat00002
이 때, V는 다이오드 정류부 입력 전원의 상 전압(phase voltage) 크기이다. 도11의 평활부의 캐패시터(1102a와 1102b)의 전압을 각각 Vdc_1, Vdc_2와 같이 정의한다면 다음과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112013053404093-pat00003
수학식3에서 볼 수 있듯이, 캐패시터(1102a, 1102b)에 인가되는 전압 합은 항상 일정하나, Vdc_1과 Vdc_2의 값은 다를 수 있다.
도15부터 도20에 도시된 전류 방향에 따른 전압 합성을 살펴보면, 평활부의 캐패시터에 인가되는 전압을 이용하여 극 전압을 출력하게 되는데 부하 전류의 경로는 평활부의 캐패시터(1102a와 1102b)의 내부 연결 점을 통과하게 되므로 직류 단의 전압 변화가 발생하게 된다.
평활부의 캐패시터(1102a와 1102b)에 인가되는 전압 변화는 부하 전류의 크기와 방향, 그리고 스위칭 상태와 직류 단 캐패시터의 용량에 영향을 받는데, 직류 단 캐패새터의 전압 변화가 누적되어 정류부(1101a와 1101b)의 직류 단 전원 전압의 크기가 불일치하게 되면 출력 전압에 대한 비대칭성이 발생하게 되어 출력 전압이 왜곡된다. 만약, 평활부의 캐패시터(1102a와 1102b) 각각 인가되는 전압의 크기가 다르게 된다면, 도15도에서 도20까지 정의된 인버터부의 출력 상황에 따라 Vdc_1 또는 Vdc_2의 전압 중 하나는 0으로 나머지 하나는 Vdc_cap으로 수렴하게 된다. 하나의 직류 단 캐패시터의 전압이 커지게 되어 직류 단 캐패시터의 내전압(withstand voltage)을 넘어서게 되면 직류 단 캐패시터 또는 전력 반도체로 구성된 스위치에 문제가 발생하게 되어 인버터 부가 고장(fault) 상태가 되기 때문에 이에 대한 해결책이 필요하다.
본 발명에서는 다음과 같은 과정을 통하여 직류 단 캐패시터 전압의 균등화(balancing)를 이룬다.
도11도의 인버터 부의 한 레그(leg)를 그리면 도21와 같다. 도21도에서 점선과 실선은 각각 도22, 도23도와 같은 반송파를 형성하게 된다. 도22도와 도23도에서 도면부호 '2201'과 '2301'은 도21도의 극 전압 지령(reference pole voltage)이고, '2202a'와 '2302a'는 도21의 스위치부(1103a, 1103b)의 반송파(carrier)로, Vdc_1과 Vdc_2가 동일한 값을 가질 경우, 최대 값은 Vdc_1, 최소 값은 0인 삼각(triangular) 파이고, '2202b'와 '2302b'는 도21의 스위치부(1103c, 1103d)의 반송파로, Vdc_1과 Vdc_2가 동일한 값을 가질 경우, 최대 값은 0, 최소 값은 -Vdc_2이다. '2203a'와 '2303a'는 스위치부(1103a)의 스위칭 상태를 나타낸 것이고, '2203b'와 '2303b'는 스위치부(1103b)의 스위칭 상태를, '2203c'와 '2303c'는 스위치부(1103c)의 스위칭 상태를, '2203d'와 '2303d'는 스위치부(1103d)의 스위칭 상태를 각각 나타낸다.
도22는 극 전압 지령이 양(positive)인 경우이고, 도23는 극 전압 지령이 음(negative)인 경우이다. 도22도와 같이 극 전압 지령이 양인 경우에는 스위치부(1103a와 1103b)가 삼각 반송 파와 비교하여 켜지거나 꺼지며, 스위칩(2103c)는 항상 켜져 있고, 스위치부(2103d)는 항상 꺼진다. 도23와 같이 극 전압 지령이 음인 경우에는 스위치부(1103c와 1103d)가 삼각 반송 파와 비교하여 켜지거나 꺼지며, 스위치부(2103a)는 항상 꺼져 있고, 스위치부(2103b)는 항상 켜진다. Vdc_1과 Vdc_2의 값이 다를 경우 도22와 도23의 삼각 반송파는 도24와 도25와 같이 변동하게 된다.
도24는 Vdc_1보다 Vdc_2가 큰 경우이고, 도25는 Vdc_1이 Vdc_2보다 큰 경우이다. 도24와 도25의 '2401a', '2501a'는 스위치부(1102a와 1102b)의 삼각 반송 파로 최대 값은 (Vdc_1+Vcd_2)/2이고, 최소 값은 (-Vdc_1+Vcd_2)/2이다. '2401b'와 '2501b'는 스위치부(1102c와 1102d)의 삼각 반송 파로 최대 값은 (-Vdc_1+Vcd_2)/2이고, 최소 값은 (-Vdc_1-Vcd_2)/2 이다. 도24와 같은 경우, 극 전압 지령이 양(positive)인 경우에는 도16와 도19의 상태를 유지하는 시간이 짧아지고, 극 전압 지령이 음(negative)인 경우에는 도17도와 도20도와 같은 상태를 유지하는 시간이 증가하게 된다. 도25와 같은 경우, 극 전압 지령이 양(positive)인 경우에는 도16와 도19의 상태를 유지하는 시간이 증가하고, 극 전압 지령잉 음(negative)인 경우에는 도17와 도20와 같은 상태를 유지하는 시간이 감소하게 된다. 결과적으로 평활부에서 인가되는 직류 단 전압의 크기가 작은 캐패시터의 사용율을 감소시키고, 직류 단 전압의 크기가 큰 캐패시터의 사용을 증가시켜서 직류 단 전원 전압 불평형 상태를 해소할 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명은 단상 3레벨 인버터를 단위전력셀로 하는 고압 멀티 레벨 인버터를 제공하며, 특히 단위전력셀의 입력부는 6-펄스의 다이오드 정류부로 구성하고, 단위전력셀의 인버터부는 기존의 3-레벨 NPC 인버터 보다 도통 손실을 감소시켜 단위전력셀의 효율 증대에 적당하도록 하였다.
기존의 고압 인버터는 단위전력셀의 인버터 부를 H-브릿지 인버터 혹은 단상 NPC 인버터로 구성하여 단위전력셀의 출력을 직렬 연결하였으나, 본 발명에서 제안하는 멀티 레벨 고압 인버터의 단위전력셀은 단상 T-type NPC 인버터(single phase T-type Neutral Point Clamed inverter)로 구성하였다. 본 발명에서 제안하는 단상 T-type NPC 인버터로 구성된 단위전력셀은 기존의 단위전력셀에 비해서 도통 손실이 작기 때문에 방열 설계가 유리해지고, 단상 NPC 인버터를 이용한 단위전력셀 보다 구동시 활용되는 전력 반도체 소자의 숫자가 적다. 따라서, 기존의 멀티레벨 고압 인버터에 비해서 본 발명에 의한 멀티레벨 인버터는 효율이 증대되고, 가격과 부피를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 사용된 T-type NPC 인버터를 이용한 단위전력셀의 입력 단은 6-펄스, 12-펄스, 24-펄스의 다이오드 정류부로 구성할 수 있는데, 6-펄스 다이오드 정류부를 사용할 경우, 12-펄스나 24-펄스의 다이오드 정류부를 사용하는 경우에 비해서 입력단의 위상 치환 변압기의 구조를 간단하게 할 수 있다. 또한, 위상 치환 변압기의 2차 측 출력 수 감소를 통해 단위전력셀의 입력단을 6-펄스 다이오드 정류부로 구성하는 경우, 평활부의 캐패시터에 인가되는 직류 단 전압의 균등화는 반송파의 크기 변동을 통하여 달성할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 3상의 제1 위상전압을 입력받아 정류한 정류전압을 제공하는 정류부;
    상기 정류전압을 입력받아 서로 다른 제1 내지 제3 노드로 각각 다른 레벨의 전압으로 제공하기 위한 평활부;
    상기 평활부에서 제공되는 3가지 레벨의 전압을 전달하기 위해 다수의 스위치부를 구비한 인버터부를 구비하며,
    상기 인버터부는
    상기 제1 노드와 제1 출력단 사이에 구비되는 제1 스위치부와, 상기 제2 노드와 상기 제1 출력단 사이에 구비되는 제2 스위치부와, 상기 제3 노드와 상기 제1 출력단 사이에 구비되는 제3 스위치부와,
    상기 제1 노드와 제2 출력단 사이에 구비되는 제4 스위치부와, 상기 제2 노드와 상기 제2 출력단 사이에 구비되는 제5 스위치부와, 상기 제3 노드와 상기 제2 출력단 사이에 구비되는 제6 스위치부를 구비하고,
    상기 제2 스위치부는 제2-1 스위치부 및 제2-2 스위치부를 포함하며,
    상기 제1 스위치부, 상기 제2 스위치부 및 상기 제3 스위치부가 제1 레그를 구성하고, 상기 제4 스위치부, 상기 제5 스위치부 및 상기 제6 스위치부가 제2 레그를 구성하며, 상기 제1 레그와 상기 제2 레그 사이의 전위 차로 출력 전압을 합성하고,
    상기 제1 스위치부와 상기 제2-1 스위치부는 동시에 켜지지 않으며, 상기 제2-2 스위치부 및 상기 제3 스위치부는 동시에 켜지지 않고, 서로 독립적으로 요구되는 출력 극 전압이 양인 경우에는 상기 제1 스위치부와 상기 제2-1 스위치부가 동작하고, 출력 극 전압 지령이 음인 경우에는 제2-2 스위치부 및 제3 스위치부가 동작하는 멀티레벨 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6 스위치부는 전력용 반도체와 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 스위치부는
    상기 제2 노드에서 상기 제1 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드;
    상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체;
    상기 제1 다이오드와 전류 역방향성을 가지며, 상기 제1 다이오드와 직렬연결된 제2 다이오드; 및
    상기 제1 전력용 반도체와 전류 역방향성을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는
    상기 제1 출력단에서 상기 제1 노드로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드; 및
    상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3 스위치부는
    상기 제3 노드에서 상기 제1 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제2 다이오드; 및
    상기 제2 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제5 스위치부는
    상기 제2 노드에서 상기 제2 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드;
    상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체;
    상기 제1 다이오드와 전류 역방향성을 가지며, 상기 제1 다이오드와 직렬연결된 제2 다이오드; 및
    상기 제1 전력용 반도체와 전류 역방향성을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 스위치부는
    상기 제2 출력단에서 상기 제1 노드로 전류의 방향성을 가지는 제1 다이오드; 및
    상기 제1 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제1 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제1 전력용 반도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제6 스위치부는
    상기 제3 노드에서 상기 제2 출력단으로 전류의 방향성을 가지는 제2 다이오드; 및
    상기 제2 다이오드와 역방향성의 전류흐름을 가지며 상기 제2 다이오드의 일측과 타측을 연결하는 제2 전력용 반도체를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 평활부는
    직렬연결된 제1 및 제2 캐패시터를 구비하여,
    상기 제1 및 제2 캐패시터는 일측과 타측을 통해 상기 정류전압을 인가받고, 상기 제1 및 제2 캐패시터의 일측과 공통노드 및 타측노드가 각각 상기 제1 내지 제3 노드인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정류부는
    상기 제1 캐패시터의 일측과 타측을 연결하며, 공통노드로 상기 제1 위상전압의 제1 상 전압을 제공받는 제1 및 제2 다이오드;
    상기 제1 캐패시터의 일측과 타측을 연결하며, 공통노드로 상기 제1 위상전압의 제2 상 전압을 제공받는 제3 및 제4 다이오드; 및
    상기 제1 캐패시터의 일측과 타측을 연결하며, 공통노드로 상기 제1 위상전압의 제3상 전압을 제공받는 제5 및 제6 다이오드를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류부, 상기 평활부, 및 상기 인버터부를 구비한 단위전력셀을 다수 구비하며, 3상의 위상전압을 입력받아 상기 단위전력셀에 예정된 위상을 가지는 전원신호를 제공하는 위상치환변압기를 구비하는 멀티레벨 인버터.
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