KR102261327B1 - 인버터 시스템 - Google Patents

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KR102261327B1
KR102261327B1 KR1020170123402A KR20170123402A KR102261327B1 KR 102261327 B1 KR102261327 B1 KR 102261327B1 KR 1020170123402 A KR1020170123402 A KR 1020170123402A KR 20170123402 A KR20170123402 A KR 20170123402A KR 102261327 B1 KR102261327 B1 KR 102261327B1
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엘에스일렉트릭(주)
서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템은, 전원부로부터 입력되는 전원 전압의 위상과 크기를 변환하여 출력하는 위상 치환 변압기, 상기 위상 치환 변압기로부터 출력되는 전압을 이용하여 상 전압을 출력하는 다수의 단위 전력 셀을 포함하고, 상기 단위 전력 셀은 서로 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자와 각각 역병렬로 연결되는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 제4 다이오드와, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결점과 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결점 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제7 다이오드 및 제8 다이오드를 포함하는 제1 레그 및 서로 직렬로 연결되는 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자와, 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자와 각각 역병렬로 연결되는 제5 다이오드 및 제6 다이오드를 포함하고 상기 제1 레그와 병렬로 연결되는 제2 레그를 포함한다.

Description

인버터 시스템{INVERTER SYSTEM}
본 발명은 인버터 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 토폴로지를 갖는 인버터로 구성되는 인버터 시스템에 관한 것이다.
고압 인버터 시스템은 선간 전압의 실효치가 600V 이상인 입력 전원을 사용하는 시스템으로서, 일반적으로 수백 kW ~ 수십 MW의 용량의 대용량의 전동기를 구동하는데 사용되고 있으며, 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor), 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor)와 같은 분야에서 주로 사용된다.
이러한 인버터 시스템은 주로 3레벨 이상의 출력 전압을 발생시키는 직렬형 멀티 레벨 인버터(cascaded multi-level inverter) 형태로 구현된다. 멀티 레벨 인버터를 구성하는 단위 전력 셀의 개수에 따라 인버터 시스템의 출력 전압 레벨의 크기와 개수가 결정되며, 각각의 단위 전력 셀은 절연된 입력 전압을 사용한다.
인버터 시스템에서는 다수의 단위 전력 셀이 직렬 연결되어 각 상을 구성하며, 인버터의 다상 출력 전압은 각 상을 구성하는 단위 전력 셀의 출력 전압의 합에 의해 결정된다. 이 때 각각의 단위 전력 셀을 구성하는 인버터는 다양한 토폴로지로 구성될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 토폴로지를 갖는 인버터로 구성되는 단위 전력 셀의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 토폴로지를 갖는 인버터로 구성되는 단위 전력셀은 정류부(102), 평활부(104), 출력 전압을 합성하는 인버터부(106)를 포함한다.
정류부(102)는 입력 전원으로부터 출력되는 두 개의 3상 전원 전압을 수신한다. 정류부(102)는 다수의 다이오드로 구성되며, 정류된 직류단 전압의 크기는, 정류부(102)의 입력 전력과 단위 전력 셀의 출력 전력의 차의 관계로부터 결정된다.
정류부(102)의 출력은 직렬 연결된 2개의 직류단 커패시터(DC-link capacitor)(C1, C2)로 구성되는 평활부(104)로 전달된다. 직류단 커패시터(C1, C2)는 입출력단의 순시적인 전력 불균형을 해소하는 기능을 한다. 도 1에서 각각의 커패시터(C1, C2)는 서로 동일한 전압(E)을 나타낸다.
인버터부(106)는 정류부(102) 및 직류단 커패시터(C1, C2)를 거쳐서 제공되는 적류 전압을 이용하여 출력 전압을 합성한다. 도 1에 도시된 바와 같이 인버터부(106)는 종래 기술에 따른 중성점 클램프(neutral-point clamped; NPC) 방식과 H-브릿지 방식이 혼합된 토폴로지에 따라 구성된 것으로, 다수의 스위칭 소자(S1 내지 S8) 및 다수의 다이오드(D1 내지 D12)를 포함한다.
인버터부(106)에 포함된 스위칭 소자(S1 내지 S8)는 대응되는 다이오드(D1 내지 D8)과 역병렬로 연결된다. 본 명세서에서 스위칭 소자와 다이오드의 '역병렬'은 다이오드를 통해서 흐르는 전류의 방향과, 스위칭 소자가 턴 온 되었을 때 스위칭 소자를 통해서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대임을 의미한다.
도 1에 도시된 종래의 인버터부(106)의 스위칭 소자(S1, S5)와 스위칭 소자(S3, S7)는 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프되고, 스위칭 소자(S2, S6)와 스위칭 소자(S4, S8)은 서로 상보적으로 턴 온 및 턴 오프된다.
예컨대 직류단 커패시터(C1, C2)의 전압이 각각 E일 때, 스위칭 소자(S1) 및 스위칭 소자(S2)가 턴 온되면 스위칭 소자(S3) 및 스위칭 소자(S4)는 턴 오프되고, 이 때 출력되는 극 전압(pole voltage)(VU)은 E가 된다.
또한 스위칭 소자(S1) 및 스위칭 소자(S3)이 턴 온되면 스위칭 소자(S2) 및 스위칭 소자(S4)는 턴 오프되고, 이 때 출력 극 전압은 0이 된다. 마찬가지로, 스위칭 소자(S1) 및 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되면 스위칭 소자(S3) 및 스위칭 소자(S4)는 턴 온되고, 이 때 출력 극 전압은 -E가 된다.
마찬가지로, 스위칭 소자(S5 내지 S8)의 상보적인 턴 온 및 턴 오프 동작에 따라서 3가지 레벨의 극 전압(VV)이 출력된다. 이와 같이 출력되는 두 출력 극 전압의 조합에 따라서, 도 1의 단위 전력 셀은 2E, E, 0, -E, -2E의 5단계 전압 레벨을 나타낼 수 있다.
그런데 도 1에 도시된 바와 같은 종래 토폴로지에 따른 인버터는 지나치게 많은 스위칭 소자와 다이오드로 구성된다. 이와 같이 각각의 단위 전력 셀이 많은 소자들로 구성될 경우, 사용되는 소자 개수가 증가함에 따라서 각 소자의 고장 가능성이 증가하게 된다. 이러한 고장 가능성의 증가는 도 1과 같은 인버터를 포함하는 고압 인버터 시스템 전체의 신뢰성 저하를 야기하게 된다.
특히 스위칭 소자의 개수가 증가하면 스위칭 소자의 스위칭 동작(턴 온/턴 오프) 반복으로 인한 발열량이 증가한다. 이와 같은 발열량의 증가는 단위 전력 셀 및 인버터 시스템의 고장 가능성을 높이는 원인이 된다.
또한 도 1과 같이 지나치게 많은 소자로 구성된 인버터를 사용할 경우, 고압 인버터 시스템의 크기 및 부피가 증가하게 되는 문제도 있다.
본 발명은 종래 토폴로지에 따른 인버터에 비해 내부 소자의 개수를 줄임으로써 고장 가능성을 낮출 수 있는 새로운 토폴로지가 적용된 인버터 및 인버터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 종래 토폴로지에 따른 인버터에 비해 내부 소자의 개수를 줄임으로써 종래에 비해 크기 및 부피가 감소된 인버터 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템은, 전원부로부터 입력되는 전원 전압의 위상과 크기를 변환하여 출력하는 위상 치환 변압기, 상기 위상 치환 변압기로부터 출력되는 전압을 이용하여 상 전압을 출력하는 다수의 단위 전력 셀을 포함하고, 상기 단위 전력 셀은 서로 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자와 각각 역병렬로 연결되는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 제4 다이오드와, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결점과 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결점 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제7 다이오드 및 제8 다이오드를 포함하는 제1 레그 및 서로 직렬로 연결되는 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자와, 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자와 각각 역병렬로 연결되는 제5 다이오드 및 제6 다이오드를 포함하고 상기 제1 레그와 병렬로 연결되는 제2 레그를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제1 전압 레벨을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제2 전압 레벨을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제3 전압 레벨을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제4 전압 레벨을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드, 상기 제3 다이오드, 상기 제4 다이오드, 상기 제5 다이오드, 상기 제6 다이오드는 서로 동일한 방향으로 연결될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제7 다이오드 및 상기 제8 다이오드는 서로 동일한 방향으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 새로운 토폴로지가 적용된 인버터 및 인버터 시스템은 종래 토폴로지에 따른 인버터에 비해 내부 소자의 개수가 감소되어 고장 가능성이 낮아지는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 인버터 시스템은 종래 토폴로지에 따른 인버터에 비해 내부 소자의 개수가 감소됨으로써 종래에 비해 크기 및 부피가 감소하는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 토폴로지를 갖는 인버터로 구성되는 단위 전력 셀의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템을 구성하는 단위 전력 셀의 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 단위 전력 셀의 인버터부의 스위칭 소자의 턴 온/턴 오프 상태에 따른 출력 극 전압의 파형을 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 도 3에 도시된 단위 전력 셀의 인버터부의 스위칭 소자 턴 온 및 턴 오프 상태에 따른 전류의 흐름을 나타낸다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템(204)은 전원부(202)로부터 입력되는 전원을 변환하여 3상 전동기(210)에 제공한다. 예를 들어 전원부(202)는 실효치가 600V 이상인 3상 전원을 인버터 시스템(204)에 공급할 수 있다. 또한 3상 전동기(210)는 인버터 시스템(204)에 연결되는 부하로서 유도 전동기나 동기 전동기일 수 있으며, 실시예에 따라서 3상 전동기(210)가 아닌 다른 부하가 인버터 시스템(204)에 연결될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 인버터 시스템(204)은 위상 치환 변압기(206) 및 다수의 단위 전력 셀(20a1, 20a2, 20b1, 20b2, 20c1, 20c2)을 포함한다.
위상 치환 변압기(206)는 전원부(202)로부터 입력되는 전원 전압의 위상과 크기를 변환하여 다수의 단위 전력 셀(20a1, 20a2, 20b1, 20b2, 20c1, 20c2)에 제공할 수 있다. 이와 같은 위상 치환을 통해서 입력 전류의 전 고조파 왜율(Total Harmonic Distortion, THD)을 개선할 수 있다.
단위 전력 셀(20a1, 20a2, 20b1, 20b2, 20c1, 20c2)은 위상 치환 변압기(206)로부터 출력되는 출력 전압을 수신하여 부하, 예컨대 3상 전동기(210)에 적합한 상 전압을 출력한다.
도 2에서는 단위 전력 셀(20a1, 20a2, 20b1, 20b2, 20c1, 20c2)이 3상 전동기(210)를 위한 3상 전압을 출력한다. 즉 직렬 연결된 2개의 단위 전력 셀(20a1, 20a2)이 a상 전압을 출력하고, 직렬 연결된 2개의 단위 전력 셀(20b1, 20b2)이 b상 전압을 출력하며, 직렬 연결된 2개의 단위 전력 셀(20c1, 20c2)이 c상 전압을 출력한다. 도 2에는 각 상별로 2개의 단위 전력 셀이 연결되는 예가 도시되어 있으나, 인버터 시스템(204)의 출력 전압에 따라서 각 상별로 연결되는 단위 전력 셀의 개수는 달라질 수 있다.
도 2에 도시된 인버터 시스템(204)의 단위 전력 셀(20a1, 20a2, 20b1, 20b2, 20c1, 20c2)에 의해서 출력되는 각각의 상 전압의 크기는 동일하며, 위상은 120도 차이이다. 또한, 인버터 시스템(204)를 구성하는 단위 전력 셀의 개수의 증가와, 다양한 스위칭 방식에 의해 출력 전압의 THD와 전압 변화율(dv/dt)이 개선될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 새로운 토폴로지를 갖는 인버터로 구성되는 단위 전력 셀의 구성 및 동작에 관하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템을 구성하는 단위 전력 셀의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템을 구성하는 단위 전력 셀은 정류부(302), 평활부(304), 출력 전압을 합성하는 인버터부(306)를 포함한다.
정류부(302)는 입력 전원으로부터 출력되는 두 개의 3상 전원 전압을 수신한다. 정류부(302)는 다수의 다이오드로 구성되며, 정류된 직류단 전압의 크기는, 정류부(302)의 입력 전력과 단위 전력 셀의 출력 전력의 차의 관계로부터 결정된다.
정류부(302)의 출력은 직렬 연결된 2개의 직류단 커패시터(C1, C2)로 구성되는 평활부(304)로 전달된다. 직류단 커패시터(C1, C2)는 입출력단의 순시적인 전력 불균형을 해소하는 기능을 한다.
이하의 실시예에서 커패시터(C1, C2)가 나타내는 전압의 크기는 각각 E로 가정한다. 참고로 각각의 커패시터(C1, C2)가 나타내는 전압의 크기는 실시예에 따라서 달라질 수 있다.
인버터부(306)는 정류부(302) 및 직류단 커패시터(C1, C2)를 거쳐서 제공되는 적류 전압을 이용하여 출력 전압을 합성한다. 도 3에 도시된 바와 같이 인버터부(306)는 서로 병렬로 연결되는 제1 레그(308) 및 제2 레그(310)를 포함한다.
제1 레그(308)는 서로 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4)를 포함한다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이 제1 레그(308)는 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4)와 각각 역병렬로 연결되는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 제3 다이오드(D3), 제4 다이오드(D4)를 포함한다.
또한 제1 레그(308)는 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)의 연결점(N1)과 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)의 연결점(N2) 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제7 다이오드(D7) 및 제8 다이오드(D8)를 포함한다. 제7 다이오드(D7) 및 제8 다이오드(D8)의 연결점(N4)은 직류단 커패시터(C1, C2)의 연결점(N3)과 서로 연결된다.
제1 레그(308)에 포함된 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 제3 다이오드(D3), 제4 다이오드(D4)는 서로 동일한 방향으로 연결된다. 또한 제1 레그(308)에 포함된 제7 다이오드(D7) 및 제8 다이오드(D8)는 서로 동일한 방향으로 연결된다.
다시 도 3을 참조하면, 제2 레그(310)는 서로 직렬로 연결되는 제5 스위칭 소자(S5) 및 제6 스위칭 소자(S6)와, 제5 스위칭 소자(S5) 및 제6 스위칭 소자(S6)와 각각 역병렬로 연결되는 제5 다이오드(D5) 및 제6 다이오드(D6)를 포함한다. 제2 레그(310)에 포함된 제5 다이오드(D5) 및 제6 다이오드(D6)는 서로 동일한 방향으로 연결된다.
이와 같은 구성을 갖는 인버터부(106)는 후술하는 바와 같은 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 스위칭 동작을 통해서 4가지 레벨, 즉 제1 전압 레벨, 제2 전압 레벨, 제3 전압 레벨, 제4 전압 레벨의 극 전압을 출력할 수 있다.
도 1에 도시된 종래의 인버터부(106)는 8개의 스위칭 소자 및 12개의 다이오드로 구성되는 반면에, 도 3에 도시된 본 발명의 단위 전력 셀의 인버터부(306)는 6개의 스위칭 소자 및 8개의 다이오드로 구성된다. 이와 같이 본 발명에 따른 단위 전력 셀은 종래에 비해 더 적은 개수의 스위칭 소자로 구성되기 때문에 고장 가능성이 상대적으로 낮아지게 되며 스위칭 소자의 배치로 인한 단위 전력 셀의 크기 및 부피 또한 종래에 비해 감소하는 장점이 있다. 이에 따라서 도 3과 같은 단위 전력 셀로 구성되는 인버터 시스템(204)의 고장 가능성, 크기 및 부피 또한 종래에 비해 감소하게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 단위 전력 셀의 인버터부의 스위칭 소자의 턴 온/턴 오프 상태에 따른 출력 극 전압의 파형을 나타낸다.
도 4에서 Vg1 내지 Vg6은 각각 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 게이트 단자에 인가되는 게이트 신호를 의미한다. 즉 Vg1 내지 Vg6이 검은색 음영으로 표시된 경우 대응되는 스위칭 소자(S1 내지 S6)는 턴 온되며, 그렇지 않은 경우 스위칭 소자(S1 내지 S6)는 턴 오프된다.
또한 도 4의 상단에 표시된 +E, O, -E는 각각 상 전압의 크기를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단위 전력 셀의 각 상(U, V)은 각 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따른 턴 온/턴 오프 상태에 따라서 3레벨의 상 전압(+E, 0, -E)을 출력할 수 있다. 그리고 각 상(U, V)의 상 전압(VUN1, VVN1)의 조합에 따라서 단위 전력 셀은 4가지 레벨(+2E, +E, -E, -2E)의 극 전압(VUV)을 나타낼 수 있다.
이하에서는 도 4, 도 5 내지 도 8을 참조하여 각 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따른 상 전압(VUN1, VVN1) 및 상 전압(VUN1, VVN1)의 조합에 따른 단위 전력 셀의 극 전압(VUV) 출력에 대하여 상세히 설명한다.
도 5 내지 도 8은 도 3에 도시된 단위 전력 셀의 인버터부의 스위칭 소자 턴 온 및 턴 오프 상태에 따른 전류의 흐름을 나타낸다.
먼저 도 5는 단위 전력 셀이 제1 전압 레벨, 즉 +2E의 극 전압을 출력할 때의 전류의 흐름(502)을 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 인버터부(106)에 포함되는 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 온됨에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)은 +E를 나타낸다. 또한 제6 스위칭 소자(S6)가 턴 온됨에 따라서 V상의 상 전압(VVN1)은 -E를 나타낸다. 이에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)과 V상의 상 전압(VVN1)의 차이(VUN1-VVN1)인 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 +E - (-E) = +2E가 된다.
결국 인버터부(106)에 포함되는 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제6 스위칭 소자(S6)가 턴 온되고 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4), 제5 스위칭 소자(S5)가 턴 오프되면, 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 제1 전압 레벨, 즉 +2E로 나타난다. 이 경우 도 5에 도시된 바와 같이 전류는 직류단 커패시터(C1, C2), 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제6 스위칭 소자(S6)를 거쳐서 흐르게 된다(502).
다음으로 도 6은 단위 전력 셀이 제2 전압 레벨, 즉 +E의 극 전압을 출력할 때의 전류의 흐름(602)을 나타낸다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 인버터부(106)에 포함되는 제2 스위칭 소자(S2) 및 제3 스위칭 소자(S3)가 턴 온됨에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)은 0을 나타낸다. 또한 제6 스위칭 소자(S6)가 턴 온됨에 따라서 V상의 상 전압(VVN1)은 -E를 나타낸다. 이에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)과 V상의 상 전압(VVN1)의 차이(VUN1-VVN1)인 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 0 - (-E) = +E가 된다.
결국 인버터부(106)에 포함되는 제2 스위칭 소자(S2), 제3 스위칭 소자(S3), 제6 스위칭 소자(S6)가 턴 온되고 제1 스위칭 소자(S1), 제4 스위칭 소자(S4), 제5 스위칭 소자(S5)가 턴 오프되면, 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 제2 전압 레벨, 즉 +E로 나타난다. 이 경우 도 6에 도시된 바와 같이 전류는 직류단 커패시터(C2), 제7 다이오드(D7), 제2 스위칭 소자(S2), 제6 스위칭 소자(S6)를 거쳐서 흐르게 된다(602).
다음으로 도 7은 단위 전력 셀이 제3 전압 레벨, 즉 -E의 극 전압을 출력할 때의 전류의 흐름(702)을 나타낸다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 인버터부(106)에 포함되는 제2 스위칭 소자(S2) 및 제3 스위칭 소자(S3)가 턴 온됨에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)은 0을 나타낸다. 또한 제5 스위칭 소자(S5)가 턴 온됨에 따라서 V상의 상 전압(VVN1)은 +E를 나타낸다. 이에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)과 V상의 상 전압(VVN1)의 차이(VUN1-VVN1)인 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 0 - (+E) = -E가 된다.
결국 인버터부(106)에 포함되는 제2 스위칭 소자(S2), 제3 스위칭 소자(S3), 제5 스위칭 소자(S5)가 턴 온되고 제1 스위칭 소자(S1), 제4 스위칭 소자(S4), 제6 스위칭 소자(S6)가 턴 오프되면, 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 제3 전압 레벨, 즉 -E로 나타난다. 이 경우 도 7에 도시된 바와 같이 전류는 직류단 커패시터(C1), 제7 다이오드(D7), 제2 스위칭 소자(S2), 제5 스위칭 소자(S5)를 거쳐서 흐르게 된다(702).
다음으로 도 8은 단위 전력 셀이 제4 전압 레벨, 즉 -2E의 극 전압을 출력할 때의 전류의 흐름(702)을 나타낸다.
도 4 및 도 8을 참조하면, 인버터부(106)에 포함되는 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)가 턴 온됨에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)은 -E을 나타낸다. 또한 제5 스위칭 소자(S5)가 턴 온됨에 따라서 V상의 상 전압(VVN1)은 +E를 나타낸다. 이에 따라서 U상의 상 전압(VUN1)과 V상의 상 전압(VVN1)의 차이(VUN1-VVN1)인 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 -E - (+E) = -2E가 된다.
결국 인버터부(106)에 포함되는 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4), 제5 스위칭 소자(S5)가 턴 온되고 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제6 스위칭 소자(S6)가 턴 오프되면, 단위 전력 셀의 극 전압(VUV)은 제4 전압 레벨, 즉 -2E로 나타난다. 이 경우 도 8에 도시된 바와 같이 전류는 직류단 커패시터(C1, C2), 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4), 제5 스위칭 소자(S5)를 거쳐서 흐르게 된다(802).
전술한 바와 같은 본 발명의 새로운 토폴로지에 따른 인버터로 구성되는 단위 전력 셀은 종래 기술에 비해 보다 적은 개수의 소자를 사용하여 3레벨의 극 전압을 출력할 수 있다. 이와 같이 소자의 개수를 줄임으로써 단위 전력 셀 및 인버터 시스템의 고장 가능성을 낮춰 신뢰성을 높일 수 있으며, 단위 전력 셀 및 인버터 시스템의 크기 및 부피, 제조 비용을 줄일 수 있다.
특히 인버터에 사용되는 스위칭 소자의 개수가 감소함으로써 스위칭 소자에 의한 발열량도 종래에 비해 감소하게 된다. 이와 같은 발열량 감소는 인버터 시스템 전체의 고장 가능성을 낮추는 효과를 유발한다. 또한 인버터 시스템의 발열을 해소하기 위한 부가적인 부품, 예컨대 히트 싱크의 크기를 줄일 수 있어 인버터 시스템의 크기 및 부피를 줄이는데 도움이 된다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (7)

  1. 전원부로부터 입력되는 전원 전압의 위상과 크기를 변환하여 출력하는 위상 치환 변압기;
    상기 위상 치환 변압기로부터 출력되는 전압을 이용하여 상 전압을 출력하는 다수의 단위 전력 셀을 포함하고,
    상기 단위 전력 셀은
    서로 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자, 제4 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자와 각각 역병렬로 연결되는 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드, 제4 다이오드와, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 연결점과 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결점 사이에서 서로 직렬로 연결되는 제7 다이오드 및 제8 다이오드를 포함하는 제1 레그; 및
    서로 직렬로 연결되는 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자와, 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자와 각각 역병렬로 연결되는 제5 다이오드 및 제6 다이오드를 포함하고 상기 제1 레그와 병렬로 연결되는 제2 레그를 포함하고,
    상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제1 전압 레벨을 나타내는
    인버터 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제2 전압 레벨을 나타내는
    인버터 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제3 전압 레벨을 나타내는
    인버터 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 스위칭 소자, 상기 제4 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 제1 스위칭 소자, 상기 제2 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자가 턴 오프되면, 상기 단위 전력 셀의 출력 극 전압은 제4 전압 레벨을 나타내는
    인버터 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이오드, 상기 제2 다이오드, 상기 제3 다이오드, 상기 제4 다이오드, 상기 제5 다이오드, 상기 제6 다이오드는 서로 동일한 방향으로 연결되는
    인버터 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제7 다이오드 및 상기 제8 다이오드는 서로 동일한 방향으로 연결되는
    인버터 시스템.
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