KR101983591B1 - 3-level t-type inverter operation method using level change - Google Patents

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KR101983591B1 KR1020170029863A KR20170029863A KR101983591B1 KR 101983591 B1 KR101983591 B1 KR 101983591B1 KR 1020170029863 A KR1020170029863 A KR 1020170029863A KR 20170029863 A KR20170029863 A KR 20170029863A KR 101983591 B1 KR101983591 B1 KR 101983591B1
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Abstract

본 발명은 2레벨 전압 소스 컨버터의 회로 구성과 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 회로 구성을 내포한 3레벨 T타입 인버터를 동작시키는 3레벨 T타입 인버터 동작 방법에 관한 것으로, (a) 상기 3레벨 T타입 인버터의 동작 주기마다 각 상에서의 출력 전압(V xn ), DC 링크 전압(V dc ), 및 인덕터 전류(i xL )를 측정하는 단계; (b) 상기 단계에서 측정된 파라미터를 이용하여 상기 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실(P xsw2 ) 및 전도 손실(P xcon2 )을 연산하고, 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실(P xsw3 ) 및 전도 손실(P xcon3 )을 연산하는 단계; (c) 상기 동작 주기 각각에서 상기 2레벨 전압 소스 컨버터의 총 손실(P x2 )와 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 총 손실(P x3 )를 비교하는 단계; 및 (d) 상기 P x3 가 상기 P x2 이상이면 상기 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작시키며, 상기 P x3 가 상기 P x2 미만이면 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작시키는 단계를 포함하는 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법을 제공한다.

Figure 112017023420711-pat00033
수식(8)
Figure 112017023420711-pat00034
수식(12)
여기서, P x2 는 2레벨 전압 소스 컨버터의 총 손실이고, P xsw2 는 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이고, P xcon2 는 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 전도 손실이고, P x3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 총 손실이고, P xsw3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이고, P xcon3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이다.
본 발명에 따르면, 스위칭 동작 주기 각각에서 3LT VSC로 동작할 때의 스위칭 손실 및 전도 손실과 2레벨 VSC로 동작할 때의 스위칭 손실 및 전도 손실을 연산하고, 연산 결과에 기반하여 양자의 총 손실을 비교하고, 비교 결과에 따라 3LT VSC와 2레벨 VSC 간에 동작 모드를 전환함으로써, 각각의 개별 동작과 대비하여 손실을 최소화하고 효율을 향상시킬 수 있으며, 각 토폴로지의 동작 분석을 토대로 연산 시간을 줄임으로써 빠른 레벨 전환을 가능하게 하는 효과가 있다.The present invention relates to a three-level T-type inverter operating method for operating a three-level T-type inverter including a circuit configuration of a two-level voltage source converter and a circuit configuration of a three-level T-type voltage source converter, Measuring an output voltage ( V xn ), a DC link voltage ( V dc ), and an inductor current ( i xL ) at each phase for each operation period of the T type inverter; (b) calculating a switching loss ( P xsw2 ) and a conduction loss ( P xcon2 ) when operating as the two-level voltage source converter using the parameters measured in the step Calculating a switching loss ( P xsw3 ) and a conduction loss ( P xcon3 ) at the time of switching; (c) comparing the total loss (P x2) and total loss (P x3) of the third level T-type voltage-source converter of the two-level voltage source converter in said operation cycle, respectively; And (d) operating the two-level voltage source converter if the P x3 is greater than or equal to the P x2 , and operating the three-level T-type voltage source converter if the P x3 is less than the P x2 , Level T-type inverter.
Figure 112017023420711-pat00033
Equation (8)
Figure 112017023420711-pat00034
Equation (12)
Here, P x2 is the total loss of the two-level voltage source converter, P xsw2 is a switching loss when operating in a two-level voltage source converter, P xcon2 are conduction losses when operating in a two-level voltage source converter, P x3 is the total loss of the three-level T-type voltage-source converter, P xsw3 3 level T and the switching loss when operating in a type of voltage-source converter, P xcon3 the switching loss when operating in a three-level T-type voltage-source converter to be.
According to the present invention, switching loss and conduction loss when operating with 3LT VSC and switching loss and conduction loss when operating with 2-level VSC in each switching operation cycle are computed, and based on the calculation result, By comparing the operation mode between the 3LT VSC and the 2-level VSC according to the comparison result, it is possible to minimize the loss and improve the efficiency as compared with each individual operation. By reducing the calculation time based on the operation analysis of each topology It has the effect of enabling quick level switching.

Description

레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법{3-LEVEL T-TYPE INVERTER OPERATION METHOD USING LEVEL CHANGE}[0001] The present invention relates to a three-level T-type inverter,

본 발명은 3레벨 T타입 인버터를 2레벨 전압 소스 컨버터 동작 모드와 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터 동작 모드로 레벨 전환하여 전도 손실을 최소화하고 효율을 향상시킨 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-level T-type inverter operation method using a level switching which minimizes conduction loss and improves efficiency by converting a three-level T-type inverter to a two-level voltage source converter operation mode and a three- .

일반적으로, 다중 레벨 인버터는 2레벨 전압 소스 컨버터(VSC: Voltage Source Converter)에 비해 많은 장점이 있다. 스위치의 스위칭 전압이 DC 링크 전압의 절반에 해당하므로 스위칭 및 고조파 손실이 감소하고 고품질의 출력 전압을 생성할 수 있다. 중성점 고정 방식(NPC: Neutral-Point-Clamped) 및 능동 NPC 방식의 다중 레벨 인버터는 중간 전압 측면에서 이점이 있다.In general, multilevel inverters have many advantages over a two-level voltage source converter (VSC). The switching voltage of the switch is half of the DC link voltage, which reduces switching and harmonic losses and can produce a high quality output voltage. Neutral-point-clamped (NPC) and active NPC multilevel inverters have advantages in terms of intermediate voltage.

그러나 다중 레벨 인버터 토폴로지는 반도체의 수가 증가함에 따라 높은 전도 손실이 발생한다는 단점을 갖는다. 이러한 단점에 의해 저전압 응용에는 적합하지 않다.However, the multi-level inverter topology has a disadvantage that a high conduction loss occurs as the number of semiconductors increases. These disadvantages make them unsuitable for low voltage applications.

예를 들어, 대한민국 공개특허 10-2014-0013863호는 3레벨 NPC 인버터의 도통 손실 및 스위칭 손실을 저감시키기 위해 주 스위칭 소자의 전압 전격을 낮추는 방안을 제안하고 있다. 하지만, 클램핑 다이오드 역회복 전류를 최소화하는 방안으로서, NPC 방식이 갖는 기본적인 문제는 해결하지 못하고 있으며 여전히 높은 도통 손실이 발생하고 있다.For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0013863 proposes a method of reducing the voltage drop of the main switching device in order to reduce conduction loss and switching loss of a three-level NPC inverter. However, as a method of minimizing the reverse recovery current of the clamping diode, the basic problem of the NPC method is not solved, and still high conduction loss occurs.

이러한 단점을 극복하기 위해서, 3레벨 인버터를 저전압 어플리케이션에 적용하기 위해 3레벨 T형(3-Level T-Type) VSC(3LT VSC)가 제안되었다. 3LT VSC는 NPC와 같은 기존의 다중 레벨 토폴로지와 비교하여 스위치 및 절연 게이트 드라이버의 수를 줄임으로써 전도 손실을 낮출 수 있는 장점을 갖는다.To overcome these drawbacks, a 3-level T-type VSC (3LT VSC) has been proposed to apply a 3-level inverter to low voltage applications. 3LT VSC has the advantage of reducing conduction losses by reducing the number of switch and insulated gate drivers compared to conventional multi-level topologies such as NPCs.

예를 들어, 3LT VSC는 저전압 조건 하에서 그리고 스위칭 주파수가 10kHz 이상인 경우, 2레벨 VSC와 비교하여도 낮은 스위칭 손실 특성을 가지며 높은 효율을 달성한다.For example, a 3LT VSC achieves high efficiency with low switching loss characteristics even under low voltage conditions and with a switching frequency of 10 kHz or higher compared to a 2-level VSC.

그런데, 3LT VSC의 효율은 스위칭 주파수와 DC 링크 전압이 동일하면 진폭 변조 지수(MI)에 따라 달라진다. 만약 MI가 작으면(즉, 0에 가까우면), 전도 손실이 증가되어 3LT VSC의 효율이 감소하는 문제점이 있다.However, the efficiency of the 3LT VSC depends on the amplitude modulation index (MI) if the switching frequency and the DC link voltage are the same. If the MI is small (i.e., close to 0), there is a problem that the conduction loss is increased and the efficiency of the 3LT VSC is reduced.

전도 손실은 중성점 스위치의 턴 온 비율과 MI에 의해 의존된다. 하지만, 2레벨 VSC는 중성점 스위치를 포함하지 않으므로, 낮은 MI에서 3LT VSC보다 높은 효율을 보인다. 따라서 3LT VSC의 효율을 향상시키기 위한 방안이 요구된다.Conduction losses are dependent on the turn-on ratio of the neutral switch and MI. However, since the 2-level VSC does not include a neutral switch, it exhibits higher efficiency than 3LT VSC at lower MI. Therefore, a plan for improving the efficiency of the 3LT VSC is required.

대한민국 공개특허 10-2014-0013863호Korean Patent Publication No. 10-2014-0013863

본 발명은 3레벨 T타입 VSC가 기존의 2레벨 VSC와 비교하여 동일한 회로에 추가로 2개의 중성점 스위치가 부가된 유사한 구성을 갖는다는 점에 착안한 것으로서, 소정 제어 주기 상에서 3레벨 T타입 VSC와 2레벨 VSC 각각에서의 손실을 연산하고, 연산 결과에 기반하여 3레벨 T타입 VSC로 동작할 것인지 2레벨 VSC로 동작할 것인지를 결정함으로써, 전도 손실을 최소화하고 효율을 향상시킨 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention is based on the idea that the 3-level T-type VSC has a similar configuration in which two additional neutral switches are added to the same circuit in comparison with the existing 2-level VSC. Level VSC, and determines whether to operate as a 3-level T-type VSC or a 2-level VSC based on the calculation result, thereby reducing the conduction loss and improving the efficiency. And a method of operating a level T type inverter.

본 발명의 일실시예에 따른 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법은, 2레벨 전압 소스 컨버터의 회로 구성과 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 회로 구성을 내포한 3레벨 T타입 인버터를 동작시키는 3레벨 T타입 인버터 동작 방법에 있어서, (a) 상기 3레벨 T타입 인버터의 동작 주기마다 각 상에서의 출력 전압(V xn ), DC 링크 전압(V dc ), 및 인덕터 전류(i xL )를 측정하는 단계; (b) 상기 단계에서 측정된 파라미터를 이용하여 상기 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실(P xsw2 ) 및 전도 손실(P xcon2 )을 연산하고, 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실(P xsw3 ) 및 전도 손실(P xcon3 )을 연산하는 단계; (c) 상기 동작 주기 각각에서 상기 2레벨 전압 소스 컨버터의 총 손실(P x2 )와 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 총 손실(P x3 )를 비교하는 단계; 및 (d) 상기 P x3 가 상기 P x2 이상이면 상기 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작시키며, 상기 P x3 가 상기 P x2 미만이면 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작시키는 단계를 포함한다.A method for operating a 3-level T-type inverter using level switching according to an embodiment of the present invention includes operating a 3-level T-type inverter including a circuit configuration of a 2-level voltage source converter and a circuit configuration of a 3-level T- Wherein the output voltage ( V xn ), the DC link voltage ( V dc ), and the inductor current ( i xL ) of each of the three-level T- Measuring; (b) calculating a switching loss ( P xsw2 ) and a conduction loss ( P xcon2 ) when operating as the two-level voltage source converter using the parameters measured in the step Calculating a switching loss ( P xsw3 ) and a conduction loss ( P xcon3 ) at the time of switching; (c) comparing the total loss (P x2) and total loss (P x3) of the third level T-type voltage-source converter of the two-level voltage source converter in said operation cycle, respectively; And (d) operating the two-level voltage source converter if the P x3 is greater than or equal to the P x2 , and operating the three-level T-type voltage source converter if the P x3 is less than the P x2 .

Figure 112017023420711-pat00001
수식(8)
Figure 112017023420711-pat00001
Equation (8)

Figure 112017023420711-pat00002
수식(12)
Figure 112017023420711-pat00002
Equation (12)

여기서, P x2 는 2레벨 전압 소스 컨버터의 총 손실이고, P xsw2 는 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이고, P xcon2 는 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 전도 손실이고, P x3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 총 손실이고, P xsw3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이고, P xcon3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이다.Here, P x2 is the total loss of the two-level voltage source converter, P xsw2 is a switching loss when operating in a two-level voltage source converter, P xcon2 are conduction losses when operating in a two-level voltage source converter, P x3 is the total loss of the three-level T-type voltage-source converter, P xsw3 3 level T and the switching loss when operating in a type of voltage-source converter, P xcon3 the switching loss when operating in a three-level T-type voltage-source converter to be.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법은, 상기 3레벨 T타입 인버터 내에 포함된 스위치의 스위칭 주파수(fs )는 10kHz 내지 20kHz이다.In a method of operating a 3-level T-type inverter using level switching according to another embodiment of the present invention, the switching frequency ( f s ) of the switch included in the 3-level T-type inverter is 10 kHz to 20 kHz.

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본 발명의 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법에 따르면, 스위칭 동작 주기 각각에서 3LT VSC로 동작할 때의 스위칭 손실 및 전도 손실과 2레벨 VSC로 동작할 때의 스위칭 손실 및 전도 손실을 연산하고, 연산 결과에 기반하여 양자의 총 손실을 비교하고, 비교 결과에 따라 3LT VSC와 2레벨 VSC 간에 동작 모드를 전환함으로써, 각각의 개별 동작과 대비하여 손실을 최소화하고 효율을 향상시킬 수 있으며, 각 토폴로지의 동작 분석을 토대로 연산 시간을 줄임으로써 빠른 레벨 전환을 가능하게 하는 효과가 있다.According to the 3-level T-type inverter operating method using level switching of the present invention, switching loss and conduction loss when operating with 3LT VSC and switching loss and conduction loss when operating with 2-level VSC are calculated And comparing the total loss of both of them based on the calculation result and switching the operation mode between the 3LT VSC and the 2-level VSC according to the comparison result, the loss can be minimized and the efficiency can be improved in comparison with each individual operation, Based on the motion analysis of each topology, it is possible to achieve fast level switching by reducing the computation time.

도 1은 3LT 인버터에서 A상에서의 출력 전압과 인덕터 전류의 위상각에 기초한 동작 영역을 예시한 파형도,
도 2는 2레벨 VSC의 회로도,
도 3은 2레벨 VSC의 모든 영역에서의 동작 중 스위칭 손실과 전도 손실 방정식을 예시한 표,
도 4는 3LT VSC의 회로도,
도 5는 3LT VSC의 모든 영역에서의 동작 중 스위치 손실과 전도 손실 방정식을 보여주는 표,
도 6은 본 발명에 따른 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법을 예시한 흐름도,
도 7은 본 발명에 따른 동작 방법을 검증하기 위해 PSIM 시뮬레이션 파형을 예시한 도면,
도 8은 도 7과 같은 시뮬레이션을 수행한 결과를 보여주는 표,
도 9 내지 11은 본 발명에 따른 레벨 전환을 이용한 3LT 인버터 동작 방법의 실험 결과를 보여주는 그래프, 및
도 12는 도 9 내지 11에 의한 실험 결과에 따르는 효율 비교를 보여주는 표이다.
1 is a waveform diagram illustrating an operation region based on a phase angle of an inductor current and an output voltage on A in a 3LT inverter,
2 is a circuit diagram of a 2-level VSC,
3 is a table illustrating switching loss and conduction loss equations during operation in all regions of a 2-level VSC,
4 is a circuit diagram of a 3LT VSC,
5 is a table showing the switch loss and conduction loss equations during operation in all regions of a 3LT VSC,
6 is a flow chart illustrating a method of operating a 3-level T-type inverter using level switching according to the present invention,
Figure 7 illustrates a PSIM simulation waveform for verifying an operating method according to the present invention;
FIG. 8 is a table showing the results of the simulation as shown in FIG. 7,
FIGS. 9 to 11 are graphs showing experimental results of the 3LT inverter operation method using level switching according to the present invention, and FIGS.
FIG. 12 is a table showing the efficiency comparison according to the experimental results of FIGS. 9 to 11. FIG.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, specific embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.Parts having similar configurations and operations throughout the specification are denoted by the same reference numerals. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the following description of the embodiments, redundant descriptions and explanations of techniques obvious to those skilled in the art are omitted. Also, in the following description, when a section is referred to as " comprising " another element, it means that it may further include other elements in addition to the described element unless otherwise specifically stated.

또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. Also, the terms "to", "to", "to", and "modules" in the specification mean units for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software . In addition, when a part is electrically connected to another part, it includes not only a case directly connected but also a case where the other parts are connected to each other in the middle.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component.

본 발명은 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터의 동작 방법에 관한 것으로서, 3레벨 T타입 인버터를 2레벨 전압 소스 컨버터(VSC: Voltage Source Converter)와 3-Level T-type(이하 '3LT'라 칭함) 전압 소스 컨버터(이하 'VSC'라 칭함)로 동작 모드를 전환하여 동작시키는 방법에 관한 것이다. 이하의 설명에서는 10 ~ 20 kHZ의 제어 주기 상에에서 3LT VSC와 2레벨 VSC 각각에서의 손실을 연산하고, 손실 연산을 기반으로 3LT VSC로 동작할 것인지 2레벨 VSC로 동작할 것인지 결정하는 과정을 예시하여 설명하겠으나, 본 발명에 따른 기술사상을 기반으로 다른 제어 주기 상에서도 동일한 효율 향상의 효과를 기대할 수 있음은 물론이다.The present invention relates to an operation method of a three-level T-type inverter using level switching, and more particularly, to a three-level T-type inverter using a two-level voltage source converter (VSC) and a 3-level T- (Hereinafter referred to as " VSC "). In the following description, the loss in each of the 3LT VSC and the 2LVSC is calculated in a control cycle of 10 to 20 kHz, and a determination is made as to whether to operate as a 3LT VSC or a 2LVSC based on the loss operation However, it goes without saying that the same efficiency improvement effect can be expected over other control cycles based on the technical idea of the present invention.

도 1은 3LT 인버터에서 A상에서의 출력 전압과 인덕터 전류의 위상각에 기초한 동작 영역을 예시한 파형도이다.1 is a waveform diagram illustrating an operation region based on a phase angle of an output voltage and an inductor current on A in a 3LT inverter.

스위칭 손실 및 전도 손실은 DC 링크 전압(V dc )과, 출력 전압(V an )과, 인덕터 전류(i aL )로부터 얻을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 동작 영역은 4개로 나누어지며(영역1 ~ 영역4), 각 영역마다 동작 모드에 따라 스위칭 손실과 전도 손실이 분석된다.The switching loss and the conduction loss can be obtained from the DC link voltage ( V dc ), the output voltage ( V an ) and the inductor current ( i aL ). As shown in FIG. 1, the operation region is divided into four regions (regions 1 to 4), and switching loss and conduction loss are analyzed according to the operation mode for each region.

도 2는 2레벨 VSC의 회로도를 보여준다.2 shows a circuit diagram of a 2-level VSC.

도 2를 참조하면, 모든 영역에서 제1 스위칭부(110)를 구성하는 스위치 Sx_H는 제2 스위칭부(120)를 구성하는 스위치 Sx_L에 대한 상보적인 스위치로서 동작한다. 영역 1 및 4에서, 하나의 스위칭 사이클 내에서의 스위칭 손실은 Sx_H의 턴 온 손실(P xon2 ) 및 턴 오프 손실(P xoff2 )을 포함한다. Sx_L의 다이오드 역회복 손실(P xrr2 )도 발생한다. 각각의 스위칭 손실은 아래의 수식(1) 내지 (3)과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 2, the switch S x_H constituting the first switching unit 110 in all regions operates as a complementary switch to the switch S x_L constituting the second switching unit 120. In areas 1 and 4, the switching loss in a switching cycle comprises a turn-on loss (P xon2) and turn-off loss (P xoff2) of S x_H. The diode reverse recovery loss ( P xrr2 ) of S x_L also occurs. Each switching loss can be expressed by the following equations (1) to (3).

Figure 112017023420711-pat00011
수식(1)
Figure 112017023420711-pat00011
Equation (1)

Figure 112017023420711-pat00012
수식(2)
Figure 112017023420711-pat00012
Equation (2)

Figure 112017023420711-pat00013
수식(3)
Figure 112017023420711-pat00013
Equation (3)

여기서, 인덕터 전류(i xL )는 다음의 수식(4)와 같다.Here, the inductor current ( i xL ) is expressed by the following equation (4).

Figure 112017023420711-pat00014
수식(4)
Figure 112017023420711-pat00014
Equation (4)

여기서, V dc 는 DC 링크 전압이고, V data 는 데이터 시트의 기준 스위칭 전압이다. 2레벨 VSC의 스위칭 전압은 V dc 와 동일하다. AB는 IGBT 스위칭 에너지 손실을 콜렉터 전류의 함수로 얻은 상수이고, C는 데이터 시트의 콜렉터 전류의 함수로서 다이오드 역회복 에너지 손실에서 얻은 상수이다. 또한, φ는 출력 전압과 인덕터 전류 i xL 사이의 위상 지연이다.Where V dc is the DC link voltage and V data is the reference switching voltage of the data sheet. The switching voltage of the 2-level VSC is equal to V dc . A and B are constants obtained by taking IGBT switching energy loss as a function of collector current, and C is a constant obtained from diode reverse recovery energy loss as a function of collector current in the data sheet. Further, φ is the phase delay between the output voltage and inductor current i xL.

IGBT의 다이오드 전도 손실(P xd )과 IGBT의 트랜지스터 전도 손실(P xtr )은 다음의 수식(5) 및 (6)으로 나타낼 수 있다.The diode conduction loss ( P xd ) of the IGBT and the transistor conduction loss ( P xtr ) of the IGBT can be expressed by the following equations (5) and (6).

Figure 112017023420711-pat00015
수식(5)
Figure 112017023420711-pat00015
Equation (5)

Figure 112017023420711-pat00016
수식(6)
Figure 112017023420711-pat00016
Equation (6)

여기서, Vtr0 Vd0 은 IGBT가 턴 온 되지만 전류가 존재하지 않을 때 IGBT의 콜렉터와 이미터 사이의 온 상태 포화 전압이다. Rtr 은 IGBT의 온 상태에서 콜렉터와 이미터 사이의 저항이고 Rd 는 IGBT의 온 상태에서 역병렬 연결된 다이오드 양단의 저항이며, 이는 데이터 시트의 IGBT와 역병렬 다이오드의 Ic -Vce 특성으로부터 얻어진다.Where V tr0 and V d0 are the on-state saturation voltages between the collector and emitter of the IGBT when the IGBT is turned on but no current is present. R tr is the resistance between the collector and the emitter in the on state of the IGBT and R d is the resistance across the diode inversely parallel connected in the on state of the IGBT and is derived from the I c - V ce characteristics of the IGBT and antiparallel diode in the data sheet .

하나의 제어 주기에서 전도 손실은 듀티 비(duty ratio)에 따라 변한다. 영역 1에서, Sx_H가 온 상태이면 전류 ixL 이 Sx_H의 다이오드로 흐르고 턴 온 비율에 따라 다이오드 전도 손실이 발생한다. 스위칭 시간 동안 역회복 에너지 손실이 발생한다. Sx_H의 듀티비(

Figure 112018118198911-pat00047
)는 다음의 수식(7)로 표현된다.In one control period, the conduction loss varies with the duty ratio. In region 1, when S x_H is on, the current i xL flows into the diode of S x_H and a diode conduction loss occurs depending on the turn-on ratio. A reverse recovery energy loss occurs during the switching time. The duty ratio of S x_H (
Figure 112018118198911-pat00047
) Is expressed by the following equation (7).

Figure 112017023420711-pat00017
수식(7)
Figure 112017023420711-pat00017
Equation (7)

따라서 듀티 비는 출력 전압에 따라 달라진다. 전도 손실을 연산할 때 각 스위치의 듀티 비를 고려해야 한다. Sa_H가 턴 오프되고 Sa_L이 온 상태이면, 현재의 iaL 은 Sa_L의 트랜지스터를 통해 흐를 것이다. 스위칭 시간 동안 Sx_L에서 턴 온 및 턴 오프 손실(Pxon2 , Pxoff2 )이 발생한다. Sa_L의 듀티 비는 (1-D)가 된다.Therefore, the duty ratio depends on the output voltage. The duty ratio of each switch should be considered when calculating conduction losses. If S a - H is turned off and S a L is on, the current i aL will flow through the transistors of S a L. Turn-on and turn-off losses ( P xon2 , P xoff2 ) occur in S x_L during the switching time. The duty ratio of S a_L becomes ( 1-D ).

도 3은 2레벨 VSC의 모든 영역에서의 동작 중 스위칭 손실과 전도 손실 방정식을 예시한 표이다.3 is a table illustrating switching losses and conduction loss equations during operation in all regions of a 2-level VSC.

도 3을 참조하면, 2레벨 VSC에서 Pxsw2 는 스위칭 손실을 나타내며 Pxcon2 는 전도 손실을 나타낸다. 전류가 하나의 IGBT 트랜지스터와 하나의 IGBT 역병렬 다이오드를 통해 흐르기 때문에, 각 영역에서 Pxsw2 는 동일한 방정식을 사용한다. 그러나 전도 손실은 듀티 비를 고려해야하기 때문에, 각 영역에서 Pxcon2 는 다른 방정식을 사용한다. 2레벨 VSC의 총 손실은 다음의 수식(8)로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 3, P xsw2 represents a switching loss and P xcon2 represents a conduction loss in the second level VSC. Since current flows through one IGBT transistor and one IGBT antiparallel diode, P xsw2 in each region uses the same equation. However, since conduction losses must take into account the duty ratio, P xcon2 in each region uses a different equation. The total loss of the 2-level VSC can be expressed by the following equation (8).

Figure 112017023420711-pat00018
수식(8)
Figure 112017023420711-pat00018
Equation (8)

도 4는 3LT VSC의 회로도를 보여준다.4 shows a circuit diagram of a 3LT VSC.

도 4를 참조하면, 제1 스위칭부(110)를 구성하는 Sx_H 및 제3 스위칭부(130)를 구성하는 Sx_N2은 상보적 스위칭 동작을 수행하며, 제3 스위칭부(130)를 구성하는 Sx_N1 및 제2 스위칭부(120)를 구성하는 Sx_L 역시 상보적 스위칭 동작을 수행한다. 단일 사이클에서, 3LT VSC의 출력 전압은 0에서 V dc /2까지 또는 (-V dc /2)에서 0까지이다. 스위치의 턴 온/오프 전압이 감소하기 때문에 스위칭 손실과 고조파가 감소될 수 있다. 3LT VSC의 IGBT 턴 온 및 턴 오프 손실(P xon3 , P xoff3 )과 다이오드 역회복 손실(P xrr3 )은 각각 다음의 수식(9) 내지 (11)로 표현된다.4, the first 1 S x_H and the S x_N2 constituting the third switching unit 130 constituting the switch section 110 performs the complementary switching operation, constituting the third switch 130 S x_N1 and the 2 S x_L constituting the switching unit 120 and also performs a switching operation complementarily. In a single cycle, the output voltage of the 3LT VSC is 0 to V dc / 2 or ( -V dc / 2 ) to 0. Switching losses and harmonics can be reduced because the turn-on / off voltage of the switch is reduced. The IGBT turn-on and turn-off losses ( P xon3 and P xoff3 ) of the 3LT VSC and the diode reverse recovery loss ( P xrr3 ) are expressed by the following equations (9) to (11), respectively.

Figure 112017023420711-pat00019
수식(9)
Figure 112017023420711-pat00019
Equation (9)

Figure 112017023420711-pat00020
수식(10)
Figure 112017023420711-pat00020
Equation (10)

Figure 112017023420711-pat00021
수식(11)
Figure 112017023420711-pat00021
Equation (11)

여기서 V dc /2는 3LT VSC의 스위칭 전압과 동일하다.Where V dc / 2 is equal to the switching voltage of 3LT VSC.

전류가 IGBT의 중성점 (Sx_N1, Sx_N2)을 통해 흐를 때, 트랜지스터 및 다이오드에서 모두 전도 손실이 발생하기 때문에, 전도 손실은 2레벨 VSC의 2배로 증가한다. 따라서 Sx_N1과 Sx_N2의 듀티 비가 충분히 높으면 3LT VSC의 전도 손실은 2 레벨 VSC의 전도 손실보다 높게 될 것이다.When the current flows through the neutral point (S x_N1 , S x_N2 ) of the IGBT, the conduction loss increases twice as much as the two-level VSC because conduction loss occurs in both the transistor and the diode. Therefore, if the duty ratio of S x_N1 and S x_N2 is high enough, the conduction loss of the 3LT VSC will be higher than the conduction loss of the 2-level VSC.

3LT VSC의 동작은 도 1에 도시된 영역들에 기초하여 분리된다. 영역1 및 3에서, Sa_N1은 온 상태를 유지하고, Sa_L은 오프 상태를 유지하는 반면, Sa_H 및 Sa_N2는 상보적인 스위칭 동작을 수행한다. 영역 1에서와 Sa_H 온 상태에서, Sa_H 다이오드를 통해 전류가 흐르고 다이오드 전도 손실이 발생한다. 또한, Sa_H 스위칭 시간에, 다이오드 역회복 손실이 발생한다. Sa_L 온 상태에서, 전류는 Sa_L 트랜지스터를 통해 흐른다. 따라서 트랜지스터 전도 손실이 발생한다. 스위칭 시간 동안, Sx_L 턴 온 및 턴 오프 손실이 발생한다.The operation of the 3LT VSC is separated based on the areas shown in Fig. In the areas 1 and 3, S a_N 1 maintains the ON state and S a L maintains the OFF state while S a_H and S a_N 2 perform the complementary switching operation. In region 1 and S a - H on, current flows through the S a - H diode and diode conduction losses occur. Also, in the Si_H switching time, a diode reverse recovery loss occurs. In the S a L on state, current flows through the S a_L transistor. Therefore, transistor conduction loss occurs. During the switching time, S x_L turn-on and turn-off losses occur.

도 5는 3LT VSC의 모든 영역에서의 동작 중 스위치 손실과 전도 손실 방정식을 보여주는 표이다.5 is a table showing switch loss and conduction loss equations during operation in all regions of a 3LT VSC.

도 5를 참조하면, 전류가 하나의 IGBT 트랜지스터와 하나의 IGBT 역병렬 다이오드를 통해 흐르기 때문에, 3LT VSC 스위칭 손실(Pxsw3 )은 각 영역에서 동일한 방정식을 사용한다. 3LT VSC 전도 손실(Pxcon3 )은 두 개의 스위치가 중성점에 있기 때문에 3개 텀(terms)의 합이다. 각 영역에서의 전도 손실은 각 스위치의 듀티 비에 따라 다르다. 3LT VSC 총 손실은 다음의 수식(12)로 표현될 수 있다.Referring to FIG. 5, since the current flows through one IGBT transistor and one IGBT anti-parallel diode, the 3LT VSC switching loss ( P xsw3 ) uses the same equation in each region. The 3LT VSC conduction loss ( P xcon3 ) is the sum of the three terms because the two switches are at neutral. Conduction loss in each region depends on the duty ratio of each switch. The 3LT VSC total loss can be expressed by the following equation (12).

Figure 112017023420711-pat00022
수식(12)
Figure 112017023420711-pat00022
Equation (12)

도 6은 본 발명에 따른 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법을 예시한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method of operating a 3-level T-type inverter using level switching according to the present invention.

본 발명에 따른 3LT 인버터 동작 방법은 최적의 효율을 위해 2레벨 VSC 및 3LT VSC 간의 모드 전환 방식을 제안한다. 수식(8)과 수식(12)의 연산 결과를 비교하고, 즉시 어떤 동작 모드가 높은 효율을 산출하는지를 결정한다. 손실 연산 결과에 영향을 미치는 매개 변수는 듀티 비(DC 링크 전압과 출력 전압의) 및 인덕터 전류이다. 본 발에 따른 동작 방법은 2레벨 VSC 또는 3LT VSC 각각에 비하여 높은 효율을 달성할 수 있다.The 3LT inverter operating method according to the present invention proposes a mode switching method between 2-level VSC and 3LT VSC for optimum efficiency. (8) and (12), and immediately determines which operation mode produces high efficiency. The parameters affecting the loss operation result are the duty ratio (of the DC link voltage and the output voltage) and the inductor current. The operation method according to the present invention can achieve higher efficiency than each of the 2-level VSC or 3LT VSC.

도 6의 시퀀스는 10 ~ 20 kHz의 매 제어 주기마다 수행된다. 도 6을 참조하면, 파라미터 값(V xn , V dc , i xL )을 측정하는 것으로 단계가 시작된다(ST610). 파라미터 값은 각 상에서의 출력 전압(V xn )과, DC 링크 전압(V dc )과, 인덕터 전류(i xL )이다.The sequence of FIG. 6 is performed every control cycle of 10 to 20 kHz. Referring to Figure 6, a step by measuring a parameter value (V xn, V dc, i xL) is started (ST610). The parameter values are the output voltage ( V xn ), DC link voltage ( V dc ) and inductor current ( i xL ) of each phase.

다음으로, 2레벨 VSC 동작 모드에서의 스위칭 손실 및 전도 손실(P xsw2 , P xcon2 )과, 3LT VSC 동작 모드에서의 스위칭 손실 및 전도 손실(P xsw3 , P xcon3 )을 연산한다(ST615 ~ ST650).Next, operation for a two level VSC switching losses and conduction losses in the operation mode (P xsw2, P xcon2) and, switching losses and conduction losses (P xsw3, P xcon3) in 3LT VSC operation mode (ST615 ~ ST650) .

각각의 동작 모드에서의 손실 연산은 도 6의 시퀀스 상에서 출력 전압(V xn )과 인덕터 전류(i xL )에 따라 각 영역별로 연산된다. 그리고 각 영역에서 2레벨 VSC 동작 모드에서의 스위칭 손실 및 전도 손실(P xsw2 , P xcon2 )은 도 3에 도시된 표에 주어진 손실 방정식을 기반으로 연산되며, 각 영역에서 3LT VSC 동작 모드에서의 스위칭 손실 및 전도 손실(P xsw3 , P xcon3 )은 도 5에 도시된 표에 주어진 손실 방정식을 기반으로 연산된다. 손실 방정식 상에 표시된 각 상에서의 스위칭 손실 및 전도 손실은 전술한 수식(1)-(3), (5), (6), 및 (9)-(11)에 의해 구할 수 있다.Loss of operation in each operation mode is calculated for each area in accordance with an output voltage (V xn) and inductor current (i xL) in a sequence of FIG. The switching loss and the conduction loss ( P xsw2 , P xcon2 ) in the two-level VSC operating mode in each region are calculated based on the loss equation given in the table shown in Fig. 3, and the switching in the 3LT VSC operating mode The loss and conduction losses ( P xsw3 , P xcon3 ) are calculated based on the loss equation given in the table shown in Fig. The switching loss and conduction loss in each phase shown on the loss equation can be obtained by the above-mentioned equations (1) - (3), (5), (6), and (9) - (11).

예를 들어, 단계 ST620에서 V xn 이 0 이상인지를 판단하고, 0 이상인 경우에는 단계 ST625에서 i xL 이 0 이상인지를 판단한다. V xn 이 0 미만이라면, 단계 ST630에서 i xL 이 0 이상인지를 판단한다. 단계 ST625에서 i xL 이 0 이상으로 판단되면, 영역1에서의 손실을 연산한다(ST635). 이와 같은 방식으로 단계 ST640에서 영역2에서의 손실을, 단계 ST645에서 영역3에서의 손실을, 단계 ST650에서 영역4에서의 손실을 연산한다.For example, if at least determined whether the V xn is greater than or equal to zero in step ST620, and 0, the i xL in step ST625 it is determined whether or equal to zero. If V xn is less than 0, it is determined in step ST 630 if i xL is equal to or greater than zero. If it is determined in step ST625 that i xL is equal to or larger than 0, the loss in area 1 is calculated (ST 635). In this manner, the loss in the area 2 is calculated in step ST640, the loss in the area 3 in the step ST645, and the loss in the area 4 in the step ST650.

그리고 전술한 수식(8)을 이용하여 2레벨 VSC 동작 모드에서의 총 손실(P x2 )을 연산하고, 수식(12)를 이용하여 3LT VSC 동작 모드에서의 총 손실(P x3 )을 연산한다(ST655). 단계 ST655에서 연산된 각 동작 모드에서의 총 손실을 비교한다(ST660).And using the above-described formula (8) calculates the total loss (P x2) in a two level VSC mode of operation, and by using the equation (12) calculates a total loss (P x3) in 3LT VSC operation mode ( ST655). The total loss in each operation mode calculated in step ST655 is compared (ST660).

만약 P x3 P x2 이상이라면, 단계 ST665로 진행하여 2레벨 VSC 동작 모드로 선택된다. 그렇지 않으면, 단계 ST670으로 진행하여 3LT VSC 동작 모드가 선택된다.If P x3 is greater than or equal to P x2 , the flow advances to step ST665 to select the two-level VSC operation mode. Otherwise, the process proceeds to step ST670 and the 3LT VSC operation mode is selected.

도 7은 본 발명에 따른 동작 방법을 검증하기 위해 PSIM 시뮬레이션 파형을 예시한 도면이다. 도 7은 스위칭 주파수(f s ) 10kHz, 부하 저항 48Ω에서 측정한 파형이며, 도 7의 (a)는 출력 전압 V an , V bn , V cn 의 파형을 나타내고 있고, (b)는 인덕터 전류 i aL , i bL , i cL 의 파형을 나타내고 있고, (c)는 2레벨 VSC의 A상 손실(P a2 )과 3LT VSC의 A상 손실(P a3 )을 비교한 파형이고, (d)는 손실 차이(P a3 - P a2 )를 나타낸 파형이다.7 is a diagram illustrating a PSIM simulation waveform for verifying an operation method according to the present invention. Figure 7 is the switching frequency (f s) 10kHz, (a ) of the load resistance and a waveform measured at 48Ω, 7 denotes a waveform of the output voltage V an, V bn, V cn , (b) the inductor current i shows the waveform of the aL, i bL, i cL and, (c) is a comparison of the a phase loss of the two-level VSC (P a2) and the a phase loss (P a3) of 3LT VSC waveform, (d) is lost And the difference ( P a3 - P a2 ).

인버터의 동작과 사용된 수식의 연산은 DLL 기능을 이용하여 수행되었다. 연산 결과를 확인하기 위하여 PSIM 내의 열 모듈(Thermal Module)이 이용되었다. 아래의 <표1>은 시뮬레이션과 실험에 사용된 파라미터를 나타내고 있다.The operation of the inverter and the calculation of the used equations were performed using the DLL function. A thermal module in the PSIM was used to verify the operation results. Table 1 below shows the parameters used in the simulation and experiment.

시스템 파라미터System parameters ParameterParameter ValueValue DC-link volatage(V dc )DC-link volatage ( V dc ) 700[V]700 [V] Output volatage(V xn )Output volatage ( V xn ) 220[V]220 [V] Switching frequency(f s )Switching frequency ( f s ) 10, 15, 20[kHz]10, 15, 20 [kHz] Resistor load(R load )Resistor load ( R load ) 24, 48[Ω]24, 48 [Ω] Filter inductor(L f )Filter inductor ( L f ) 1[mH]1 [mH] Filter capacitor(C f )Filter capacitor ( C f ) 100[uF]100 [uF]

도 7은 PSIM 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 각 방법에서의 동작 손실은 열 모듈로부터 얻을 수 있는 총 손실에 의해 식별된다. 총 손실의 평균 값(AVG)이 평균적인 손실을 식별하기 위해 이용된다.Fig. 7 shows the result of the PSIM simulation. The operating loss in each method is identified by the total loss that can be obtained from the thermal module. The average value of total loss (AVG) is used to identify the average loss.

도 7의 (c)에서와 같이 A상에서 2레벨 VSC의 총 손실(P a2 )과 3LT VSC의 총 손실(P a3 )이 시뮬레이션 파형에 의해 검증되었으며, (d)에서와 같이 (P a3 - P a2 )의 값을 나타낼 수 있다.Total loss (P a3) a total loss (P a2) and 3LT VSC two levels of VSC also on A as shown in 7 (c) has been verified by simulation waveform, (P a3, as shown in (d) - P a2 ). &lt; / RTI &gt;

도 8은 <표 1>의 파라미터를 조건으로 도 7과 같은 시뮬레이션을 수행한 결과를 보여주는 표이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따라 2레벨 VSC 동작 모드와 3LT VSC 동작 모드를 전환하는 동작 방법은 각각의 개별 동작 방법에 비해 높은 효율을 달성하고 있음을 알 수 있다. 효율은 10kHz의 주파수와 1kW의 저항 부하에서 약 0.3 % 증가했다.FIG. 8 is a table showing the results of the simulation as shown in FIG. 7 under the condition of the parameters in Table 1. FIG. Referring to FIG. 8, it can be seen that the method of switching between the 2-level VSC operating mode and the 3LT VSC operating mode according to the present invention achieves higher efficiency than the respective individual operating methods. The efficiency increased about 0.3% at a frequency of 10 kHz and a resistive load of 1 kW.

도 9 내지 11은 본 발명에 따른 레벨 전환을 이용한 3LT 인버터 동작 방법의 실험 결과를 보여주는 그래프로서, 도 9는 2레벨 VSC의 동작 파형을 보여주고 있고, 도 10은 3LT VSC의 동작 파형을 보여주고 있고, 도 11은 본 발명에 따른 동작 파형을 보여주고 있다.9 to 11 are graphs showing experimental results of a 3LT inverter operating method using level switching according to the present invention. FIG. 9 shows an operation waveform of a 2-level VSC, FIG. 10 shows an operation waveform of a 3LT VSC And FIG. 11 shows an operation waveform according to the present invention.

도 9 내지 11의 실험 조건은 <표 1>에 열거된 조건과 동일하다. 실험에 사용된 프로토 타입 3LT VSC는 Vincotech 70-W212NMA300SC-M208P IGBT(1200V, 300A)로 구성되었다. 제안된 동작 방법을 구현하기 위해서, DSP(Digital Signal Processor) TMS320F28335가 사용되었다. 제어 주기는 15kHz이고, 저항 부하는 2kW이다.The experimental conditions of FIGS. 9 to 11 are the same as those listed in <Table 1>. The prototype 3LT VSC used in the experiment consisted of Vincotech 70-W212NMA300SC-M208P IGBT (1200V, 300A). To implement the proposed method of operation, a DSP (Digital Signal Processor) TMS320F28335 was used. The control period is 15 kHz, and the resistive load is 2 kW.

도 9의 2레벨 VSC의 동작 파형에서, Ch1은 출력 전압 V an (250V/div), CH2는 인버터 전압 V ainv (250V/div), Ch3은 인덕터 전류 i aL (10A/div)을 각각 나타낸다. 도 9를 참조하면, 2레벨 VSC에서 인버터 전압 변동은 DC 링크 전압과 동일함을 알 수 있다.In the operating waveforms of the two level VSC in Fig. 9, Ch1 is the output voltage V an (250V / div), CH2 denotes respectively the inverter voltage V ainv (250V / div), Ch3 is the inductor current i aL (10A / div). Referring to FIG. 9, it can be seen that the inverter voltage variation at the 2-level VSC is equal to the DC link voltage.

도 10의 3LT VSC의 동작 파형에서, Ch1은 출력 전압 V an (250V/div), CH2는 인버터 전압 V ainv (250V/div), Ch3은 인덕터 전류 i aL (10A/div)을 각각 나타낸다. 도 10을 참조하면, 3LT VSC의 전류 변동이 2레벨 VSC보다 낮다는 것을 알 수 있다.In the operating waveforms of the 3LT VSC in Fig. 10, Ch1 is an output voltage V (250V / div), CH2 denotes respectively the inverter voltage V ainv (250V / div), Ch3 is the inductor current i aL (10A / div). Referring to FIG. 10, it can be seen that the current variation of the 3LT VSC is lower than the 2-level VSC.

도 11은 본 발명에 따른 동작 파형을 보여주고 있으며, 도 11에서 Ch1은 출력 전압 V an (250V/div), CH2는 인버터 전압 V ainv (250V/div), Ch3은 인덕터 전류 i aL (10A/div), Ch4는 서로 다른 두 동작 모드에서의 손실 차이(P a3 - P a2 ) 값(2W/div)을 각각 나타낸다.11, Ch 1 represents the output voltage V an (250 V / div), CH 2 represents the inverter voltage V ainv (250 V / div), Ch 3 represents the inductor current i aL (10 A / div), Ch4 is another loss difference in the two different operating modes (P a3 - a2 denotes a P) value (2W / div), respectively.

앞서 설명한 바와 같이, 도 11의 예시에서 존재하는 추가 파형인 '(P a3 - P a2 ) ≥ 0'일 때, 인버터는 2레벨 VSC로 동작한다. '(P a3 - P a2 ) < 0'일 때 인버터는 3LT VSC로 동작한다. 2 레벨 VSC 동작은 대략 '0'과 'π'의 위상각에서 수행되었음을 알 수 있다.As described above, when the additional waveform existing in the example of FIG. 11, '( P a3 - P a2 ) 0', the inverter operates as a two level VSC. '( P a3 - P a2 ) <0', the inverter operates with 3LT VSC. It can be seen that the 2-level VSC operation is performed at phase angles of approximately '0' and 'π'.

도 12는 도 9 내지 11에 의한 실험 결과에 따르는 효율 비교를 보여주는 표이다. 효율을 측정하기 위해 기본 전력의 정확도가 0.02%인 HIOKI PW6001 전력 분석기가 사용되었다. 10kHz의 스위칭 주파수에서 2레벨 VSC 동작 방법은 3LT VSC 동작 모드보다 높은 효율을 달성했다. 15kHz의 스위칭 주파수에서는 3LT VSC 동작 방법이 2레벨 VSC보다 높은 효율을 달성했다. 본 발명에 따른 레벨 전환을 이용한 3LT 인버터 동작 방법은 두 개의 서로 다른 동작 방법에 비해 높은 효율을 달성했다. 본 발명에 따른 동작 방법에서 효율은 15kHz 주파수와 2kW 저항 부하에서 약 0.67 % 증가했다.FIG. 12 is a table showing the efficiency comparison according to the experimental results of FIGS. 9 to 11. FIG. In order to measure the efficiency, HIOKI PW6001 power analyzer with 0.02% accuracy of the basic power was used. At a switching frequency of 10kHz, the 2-level VSC operating method achieved higher efficiency than the 3LT VSC operating mode. At the switching frequency of 15kHz, the 3LT VSC operating method achieved higher efficiency than the 2-level VSC. The method of operating a 3LT inverter using level switching according to the present invention achieves higher efficiency than two different operating methods. In the operating method according to the invention, the efficiency increased by about 0.67% at a frequency of 15 kHz and a load of 2 kW resistances.

전술한 바와 같은 본 발명의 레벨 전환을 이용한 3LT 인버터 동작 방법은 최적의 효율을 위해 2레벨 VSC 및 3LT VSC 간의 모드 전환 방식을 제안했다. 3LT VSC는 스위칭 전압이 DC 링크 전압의 절반이기 때문에 낮은 스위칭 손실이라는 이점이 있다. 하지만, 3LT VSC는 2개의 중성점 스위치로 인해 2레벨 VSC보다 높은 전도 손실이 발생하는 단점이 있다. 이에 낮은 전압에서 3LT VSC는 2레벨 VSC보다 낮은 효율을 보였다. 따라서 본 발명의 레벨 전환을 이용한 3LT 인버터 동작 방법은 3LT VSC와 2레벨 VSC 간에 동작 모드를 전환함으로써, 각각의 방법에 비해 높은 효율을 달성하였으며, 시뮬레이션 및 실험 결과에 의해 본 발명의 동작 방법이 높은 효율을 달성함을 입증하였다. 전체적인 효율은 15kHz 주파수와 2kW 저항 부하에서 약 0.67 % 증가했다.The 3LT inverter operating method using the level switching of the present invention as described above has proposed a mode switching method between 2-level VSC and 3LT VSC for optimum efficiency. The 3LT VSC has the advantage of a low switching loss because the switching voltage is half the DC link voltage. However, the 3LT VSC has a disadvantage in that conduction loss is higher than that of the 2-level VSC due to the two neutral switches. Therefore, 3LT VSC showed lower efficiency than 2-level VSC at low voltage. Therefore, the method of operating the 3LT inverter using the level switching of the present invention achieves higher efficiency than that of each method by switching the operation mode between the 3LT VSC and the 2-level VSC, and the operation method of the present invention is high Efficiency is achieved. Overall efficiency increased about 0.67% at 15kHz frequency and 2kW resistive load.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.The invention described above is susceptible to various modifications within the scope not impairing the basic idea. In other words, all of the above embodiments should be interpreted by way of example and not by way of limitation. Therefore, the scope of protection of the present invention should be determined in accordance with the appended claims rather than the above-described embodiments, and should be construed as falling within the scope of the present invention when the constituent elements defined in the appended claims are replaced by equivalents.

110 : 제1 스위칭부 120 : 제2 스위칭부
130 : 제3 스위칭부
110: first switching unit 120: second switching unit
130: a third switching unit

Claims (3)

2레벨 전압 소스 컨버터의 회로 구성과 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 회로 구성을 내포한 3레벨 T타입 인버터를 동작시키는 3레벨 T타입 인버터 동작 방법에 있어서,
(a) 상기 3레벨 T타입 인버터의 동작 주기마다 각 상에서의 출력 전압(V xn ), DC 링크 전압(V dc ), 및 인덕터 전류(i xL )를 측정하는 단계;
(b) 상기 단계에서 측정된 파라미터를 이용하여 상기 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실(P xsw2 ) 및 전도 손실(P xcon2 )을 연산하고, 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실(P xsw3 ) 및 전도 손실(P xcon3 )을 연산하는 단계;
(c) 상기 동작 주기 각각에서 상기 2레벨 전압 소스 컨버터의 총 손실(P x2 )와 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 총 손실(P x3 )를 비교하는 단계; 및
(d) 상기 P x3 가 상기 P x2 이상이면 상기 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작시키며, 상기 P x3 가 상기 P x2 미만이면 상기 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작시키는 단계
를 포함하는 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법.
Figure 112017023420711-pat00023
수식(8)
Figure 112017023420711-pat00024
수식(12)
여기서, P x2 는 2레벨 전압 소스 컨버터의 총 손실이고, P xsw2 는 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이고, P xcon2 는 2레벨 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 전도 손실이고, P x3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터의 총 손실이고, P xsw3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이고, P xcon3 은 3레벨 T타입 전압 소스 컨버터로 동작할 때의 스위칭 손실이다.
A three-level T-type inverter operation method for operating a three-level T-type inverter including a circuit configuration of a two-level voltage source converter and a circuit configuration of a three-level T-type voltage source converter,
(a) measuring an output voltage ( V xn ), a DC link voltage ( V dc ), and an inductor current ( i xL ) at each phase for each operation period of the 3-level T-type inverter;
(b) calculating a switching loss ( P xsw2 ) and a conduction loss ( P xcon2 ) when operating as the two-level voltage source converter using the parameters measured in the step Calculating a switching loss ( P xsw3 ) and a conduction loss ( P xcon3 ) at the time of switching;
(c) comparing the total loss (P x2) and total loss (P x3) of the third level T-type voltage-source converter of the two-level voltage source converter in said operation cycle, respectively; And
(d) operating as a two-level voltage source converter if P x3 is greater than or equal to P x2 , and operating as a three-level T-type voltage source converter if P x3 is less than P x2
Level T-type inverter.
Figure 112017023420711-pat00023
Equation (8)
Figure 112017023420711-pat00024
Equation (12)
Here, P x2 is the total loss of the two-level voltage source converter, P xsw2 is a switching loss when operating in a two-level voltage source converter, P xcon2 are conduction losses when operating in a two-level voltage source converter, P x3 is the total loss of the three-level T-type voltage-source converter, P xsw3 3 level T and the switching loss when operating in a type of voltage-source converter, P xcon3 the switching loss when operating in a three-level T-type voltage-source converter to be.
제1항에 있어서,
상기 3레벨 T타입 인버터 내에 포함된 스위치의 스위칭 주파수(fs )는 10kHz 내지 20kHz인 레벨 전환을 이용한 3레벨 T타입 인버터 동작 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the switching frequency ( f s ) of the switches included in the 3-level T-type inverter is 10 kHz to 20 kHz.
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