KR20100083042A - 다중 레벨 인버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압을 사용할 수 있도록 입력 직류 전원을 분할하여 3상 교류 전원으로 변환하는 다중 레벨 인버터에 관한 것으로, 입력 직류 전원의 전압 레벨을 사전에 설정된 비율에 따라 분할하는 분할부와, 상기 분할부로부터의 분할된 전원을 각각 스위칭하여 서로 다른 복수의 위상을 갖는 전원을 생성하는 복수의 스위치 그룹을 갖는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 복수의 스위치 그룹에 의해 각각 스위칭된 전원 중 동일한 위상의 전원끼리 결합하는 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터를 제공하는 것이다.
인버터(Inverter), 다중 레벨(Multi Level), 3상(Three Phase)

Description

다중 레벨 인버터{MULTI-LEVEL INVERTER}
본 발명은 인버터에 관한 것으로 보다 상세하게는 고전압을 사용할 수 있도록 입력 직류 전원을 분할하여 3상 교류 전원으로 변환하는 다중 레벨 인버터에 관한 것이다.
최근 들어, 에너지 활용 측면에 있어서 풍력 발전 장치, 태양광 발전 장치 등과 같이 친환경적인 발전 장치를 사용하여 전력을 발생시키는 추세이다.
예를 들어, 태양광 발전 장치는 태양 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양 전지를 이용한다.
이러한, 태양광 발전 장치는 태양전지(solar cell, solar battery)로 구성되는 모듈과 축전기 및 전력 변환 장치로 구성된다.
한편, 태양전지 모듈로부터의 전원은 축전기에 축전되어 전력 변환 장치에 직류 전원으로 전달된다. 따라서, 전력 변환 장치에는 축전기로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환할 수 있는 인버터가 필수적으로 채용된다.
상술한 인버터는 입력 직류 전원을 스위칭하여 교류 전원으로 변환하는데 이때, 축전기로부터의 입력 직류 전원의 전압 레벨이 수십KV 이상의 고압으로 인하여 인버터의 스위칭 소자의 내압 특성에 문제가 발생할 수 있고, 또한 고압을 스위칭하기 위해 고가의 스위칭 소자를 채용하여 비용이 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 고전압을 사용할 수 있도록 입력 직류 전원을 분할하여 3상 교류 전원으로 변환하는 다중 레벨 인버터를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 직류 전원의 전압 레벨을 사전에 설정된 비율에 따라 분할하는 분할부와, 상기 분할부로부터의 분할된 전원을 각각 스위칭하여 서로 다른 복수의 위상을 갖는 전원을 생성하는 복수의 스위치 그룹을 갖는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 복수의 스위치 그룹에 의해 각각 스위칭된 전원 중 동일한 위상의 전원끼리 결합하는 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 다중 레벨 인버터는 서로 다른 복수의 위상을 갖는 PWM(Pulse Width Modulation) 캐리어 신호와 상기 위상별로 설정된 기준 신호에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 분할부는 입력 직류 전원단 사이에 서로 직렬 연결되어 상기 입력 직류 전원을 분할하는 복수의 분할용 캐패시 터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위치 그룹 각각은 상기 분할부의 복수의 분할용 캐패시터에 일대일 대응되고, 상기 복수의 분할용 캐패시터에 의해 분할된 전원 각각을 상기 복수의 위상을 갖도록 스위칭하는 제1 내지 제3 하프 브릿지(Half Bridge) 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 상기 PWM 캐리어 신호의 신호 레벨이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 높으면 스위칭 온 제어하고, 상기 PWM 캐리어 신호의 신호 레벨이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 낮으면 스위칭 오프 제어할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 결합부는 상기 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치에 각각 일대일 대응되어 스위칭된 전원을 동일한 위상의 전원끼리 결합하는 제1 내지 제3 트랜스포머를 각각 갖는 복수의 트랜스포머 그룹을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 복수의 트랜스포머 그룹의 각 출력단은 동일한 위상끼리 Y결선 될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치는 상기 분할된 전원이 서로 120도 위상차를 갖도록 스위칭할 수 있다.
본 발명에 따르면, 입력 직류 전원을 분할하여 3상 교류 전원으로 변환하여 고압의 입력 직류 전원을 용이하게 사용할 수 있으며, 내압이 낮은 스위칭 소자를 채택할 수 있어 비용이 저감되는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 다중 레벨 인버터의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다중 레벨 인버터(100)는 분할부(110), 스위칭부(120) 및 결합부(130)를 포함한다.
분할부(110)는 입력 직류 전원(Vdc)단 사이에 서로 직렬 연결된 복수의 분할용 캐패시터(C1~Cn)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 입력 직류 전원(Vdc)는 복수의 분할용 캐패시터(C1~Cn)에 각각 분할된 전원(Vc1~Vcn)이 각각 충전된다. 분할된 전원(Vc1~Vcn) 각각은 스위칭부(120)에 전달된다.
스위칭부(120)는 복수의 스위치 그룹(121~12n)을 포함할 수 있으며, 복수의 스위치 그룹(121~12n) 각각은 제1 내지 제3 하프 브릿지(Half Bridge) 스위 치(121a~12nc)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)는 각각 분할부(110)로부터의 분할된 전원(Vc1~Vcn)을 전달받으며, 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc) 각각은 분할된 전원(Vc1~Vcn)단 사이에 서로 직렬 연결된 2개의 스위치로 구성될 수 있다.
스위칭부(120)의 복수의 스위치 그룹(121~12n)은 각각 분할부(110)의 복수의 분할용 캐패시터(C1~Cn)와 일대일 대응되며, 이에 따라 분할된 전원(Vc1~Vcn) 각각은 복수의 스위치 그룹(121~12n) 각각에 전달될 수 있다. 즉, 입력 직류 전원(Vdc)이 고압의 전압 레벨을 갖고 있어도, 분할부(110)에서는 복수의 분할용 캐패시터(C1~Cn)의 수에 의해 설정되는 비율에 따라 입력 직류 전원(Vdc)의 전압 레벨을 분할할 수 있다. 따라서, 스위칭부(120)의 스위치는 내압이 낮은 스위치를 채용할 수 있어 제조 비용을 저감할 수 있다.
상술한 스위칭부(120)에 의해 스위칭된 전원은 단상 또는 3상을 가질 수 있으며, 이는 각 스위치 그룹(121~12n)에 포함된 하프 브릿지 스위치의 수에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 단상 교류 전원이 필요한 경우 각 스위치 그룹(121~12n)은 하나의 하프 브릿지 스위치를 포함할 수 있고, 3상 교류 전원이 필요한 경우 각 스위치 그룹(121~12n)은 도 1에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)를 포함할 수 있다.
더하여, 본 발명의 다중 레벨 인버터(100)는 스위칭부(120)의 스위치 그룹(121~12n) 수에 따라 다중 레벨을 설정할 수 있다. 예를 들어 출력 전원을 3레벨 로 설정하는 경우 상기 스위치 그룹은 3개의 그룹으로 설정될 수 있다.
결합부(130)는 복수의 스위치 그룹(121~12n)에 일대일 대응되는 복수의 트랜스포머(transformer) 그룹(131~13n)을 포함하고, 복수의 트랜스포머 그룹(131~13n) 각각은 스위치 그룹(121~12n)의 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)에 각각 일대일 대응되는 제1 내지 3 트랜스포머(131a~13nc)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 각 스위치 그룹(131~13n)이 하나의 하프 브릿지 스위치를 구비하는 경우 복수의 트랜스포머 그룹(131~13n)은 각각 하나의 트랜스포머를 구비하는 것이 당연하다.
복수의 트랜스포머 그룹(131~13n)의 각 제1 내지 제3 트랜스포머(131a~13nc)는 사전에 설정된 권선비에 따라 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)으로부터 각각 스위칭된 전원의 전압 레벨을 변환할 수 있으며, 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)으로부터 각각 스위칭된 전원을 일대일 변환 비율에 따라 변환할 수도 있다. 즉, 분할된 입력 전원의 전압 레벨이 각 트랜스포머의 출력단에 그대로 전달될 수 있다.
이때, 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)로부터 각각 스위칭된 전원은 서로 다른 복수의 위상을 가지며, 하프 브릿지 스위치가 3개로 구성됨에 따라 스위칭된 전원은 3상을 가질 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 트랜스포머(131a~13nc)의 출력단은 동일한 위상을 갖는 출력단끼리 전기적으로 결선되며 또한 Y 결선될 수 있다.
한편, 복수의 분할용 캐패시터(C1~Cn)에 의해 각각 분할되는 전원(Vc1~Vcn)의 전압 레벨을 일정하게 유지하는 것이 바람직하며, 이에 따라 스위칭부(120)의 각 스위치는 제어부(140)의 제어에 따라 스위칭할 수 있다.
즉, 제어부(140)는 스위칭부(120)의 각 스위치 그룹(121~12n)의 하프 브릿지 스위치(121a~12nc)의 스위칭을 제어한다.
상술한 제어부(140)의 스위칭 제어는 하기와 같이 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 다중 레벨 인버터의 전원 변환 동작을 나타내는 도면이다.
도 1과 함께 도 2의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명의 다중 레벨 인버터(100)에 채용된 제어부(140)는 PWM 캐리어 신호(Carry1~Carry3)와 기준 신호(M)에 따라 스위칭을 제어한다.
예를 들어, 본 발명의 다중 레벨 인버터(100)가 3레벨을 갖는 것을 설정되는 경우 스위칭부(120)가 3개의 스위치 그룹을 포함하는 것으로 설정되어 입력 직류 전원(Vdc)는 3개의 전압으로 분할되고, 각 스위치 그룹에서 동일한 위상을 갖도록 스위칭하는 하프 브릿지 스위치의 총합은 3개가 된다.
제어부(140)는 동일한 위상을 갖는 하프 브릿지 스위치를 PWM 캐리어 신호(Carry1~Carry3)와 기준 신호(M)에 따라 스위칭 제어하는데 이때, 상기 분할용 캐패시터에 충전되는 전압을 일정하게 유지하기 위해서 PWM 캐리어 신 호(Carry1~Carry3)가 서로 120도 위상차를 갖게 설정하고, 설정된 PWM 캐리어 신호(Carry1~Carry3)의 신호 레벨이 위상별로 설정된 기준 신호(M)의 신호 레벨보다 크면 해당하는 하프 브릿지 스위치가 스위칭 온되도록 제어하고, 설정된 PWM 캐리어 신호(Carry1~Carry3)의 신호 레벨이 위상별로 설정된 기준 신호(M)의 신호 레벨보다 낮으면 해당하는 하프 브릿지 스위치가 스위칭 오프되도록 제어한다. 여기서, 상기 PWM 캐리어 신호는 다중 레벨의 설정에 따라 서로의 위상차가 설정될 수 있으며, 예를 들어 본 발명의 다중 레벨 인버터(100)가 4레벨을 갖는 것으로 설정되는 경우 상기 스위치 그룹은 4개가 채용되고 이에 따라 PWM 캐리어 신호의 위상차는 90도로 설정될 수 있다. 즉, PWM 캐리어 신호의 위상의 총합이 360도가 되도록 다중 레벨의 설정에 따라 PWM 캐리어 신호 간의 위상차가 설정될 수 있다.
상술한 바와 같이 스위칭 제어된 전원은 결합부(130)에 의해 동일 위상 끼리 결합되어 도 2의 (d)와 같이 하나의 위상 a에 관하여 출력 전압이 3레벨로 형성되어 정현파에 가까운 형태를 띠는 것을 볼 수 있다. 트랜스포머의 변환 비율이 일대일인 경우 출력 전원의 전압 레벨을 입력 직류 전원의 분할된 전원의 전압 레벨과 동일할 수 있다.
상술한 스위칭 제어 및 전원의 위상 결합은 위상 b 및 c에서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 3의 (a)는 본 발명의 다중 레벨 인버터의 출력 전류 파형이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 다중 레벨 인버터에 의해 분할된 입력 전압 파형이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 다중 레벨 인버터의 출력 전류 파형은 상술한 바와 같이 서로 위상차가 120도 나는 3상 교류 전원임을 볼 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 다중 레벨 인버터에 채용된 분할용 캐패시터에 충전되는 전압 레벨을 볼 수 있으며, 상술한 바와 같이, 서로 다른 위상차를 갖는 PWM 캐리어 신호와 기준 신호에 따라 전원 스위칭을 제어하여 분할용 캐패시터에 충전되는 전압 레벨이 일정하게 유지되는 것으로 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 입력 직류 전원의 전압 레벨을 분할하고, 분할된 전압 레벨이 일정하도록 사전에 설정된 위상차를 갖는 PWM 캐리어 신호와 위상별 기준 신호에 의해 전원 스위칭을 제어하여 스위칭 소자에 인가되는 스트레스를 저감시켜 내압이 낮은 스위칭 소자를 채용할 수 있어 비용이 저감될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 다중 레벨 인버터의 구성도.
도 2의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 다중 레벨 인버터의 전원 변환 동작을 나타내는 도면.
도 3의 (a)는 본 발명의 다중 레벨 인버터의 출력 전류 파형이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 다중 레벨 인버터에 의해 분할된 입력 전압 파형.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
100...다중 레벨 인버터
110...분할부
120...스위칭부
121~12n...제1 내지 제n 스위칭 그룹
121a, 122a, 12na...제1 하프 브릿지 스위치
121b, 122b, 12nb...제2 하프 브릿지 스위치
121c, 122c, 12nc...제3 하프 브릿지 스위치
130...결합부
131~13n...제1 내지 제n 트랜스포머 그룹
131a, 132a, 13na...제1 트랜스포머
131b, 132b, 13nb...제2 트랜스포머
131c, 132c, 13nc...제3 트랜스포머
140...제어부
C1~Cn...제1 내지 제n 분할용 캐패시터

Claims (8)

  1. 입력 직류 전원의 전압 레벨을 사전에 설정된 비율에 따라 분할하는 분할부;
    상기 분할부로부터의 분할된 전원을 각각 스위칭하여 서로 다른 복수의 위상을 갖는 전원을 생성하는 복수의 스위치 그룹을 갖는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부의 복수의 스위치 그룹에 의해 각각 스위칭된 전원 중 동일한 위상의 전원끼리 결합하는 결합부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    서로 다른 복수의 위상을 갖는 PWM(Pulse Width Modulation) 캐리어 신호와 상기 위상별로 설정된 기준 신호에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분할부는 입력 직류 전원단 사이에 서로 직렬 연결되어 상기 입력 직류 전원을 분할하는 복수의 분할용 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위치 그룹 각각은 상기 분할부의 복수의 분할용 캐패시터에 일대일 대응되고, 상기 복수의 분할용 캐패시터에 의해 분할된 전원 각각을 상기 복수의 위상을 갖도록 스위칭하는 제1 내지 제3 하프 브릿지(Half Bridge) 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 PWM 캐리어 신호의 신호 레벨이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 높으면 스위칭 온 제어하고, 상기 PWM 캐리어 신호의 신호 레벨이 상기 기준 신호의 신호 레벨보다 낮으면 스위칭 오프 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 결합부는 상기 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치에 각각 일대일 대응되어 스위칭된 전원을 동일한 위상의 전원끼리 결합하는 제1 내지 제3 트랜스포머를 각각 갖는 복수의 트랜스포머 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 트랜스포머 그룹의 각 출력단은 동일한 위상끼리 Y결선 되는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 하프 브릿지 스위치는 상기 분할된 전원이 서로 120도 위상차를 갖도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 인버터.
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