KR20110011370A - 3-레벨 전압 발생용 인버터 - Google Patents

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김종선
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김종배
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 직류전원을 3개의 레벨의 교류 전압으로 변환하는 3-레벨 전압 발생용 인버터에 관한 것으로, 입력직류전원을 세개의 전압레벨로 분할하는 분압부, 상기 세개의 전압레벨을 가지는 상기 분압부의 각 노드 사이에 연결되는 적어도 하나의 스위칭 소자, 및 상기 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드와 상기 교류전압 출력단 사이에 연결되는 적어도 하나의 양방향 스위칭 소자를 포함한다.
인버터, 3상, 양방향 스위치, 다중레벨 인버터

Description

3-레벨 전압 발생용 인버터{Inverter for Developing Three Level Voltage}
본 발명은 입력된 직류 전원을 다수의 레벨 전압 형태의 교류 전압으로 변환하는 멀티레벨 인버터에 관한 것으로, 특히 입력된 직류 전원을 이용하여 3개의 전압 레벨로 변환하는 3-레벨 전압 발생용 인버터에 관한 것이다.
인버터는 직류 전원(V)을 입력받고 0 또는 ±V 값을 갖는 출력을 발생하고, 이러한 출력전압의 폭을 조절하여 교류전압의 크기, 주파수, 고조파 성분 등을 제어하는 전력변환기를 의미한다.
상기와 같이 0 또는 ±V 값만을 출력하는 인버터를 2-레벨 인버터(Two-level inverter)라 하고, 이러한 인버터는 상업적으로 많은 분야에서 사용되고 있으며, 특히, AC 모터 구동, 무정전 공급장치(UPS) 등에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 3상 전력변환기의 회로도를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 3상 전력변환기는 3개의 암(arm)으로 구성되며 인버터와 전원 사이에는 인덕터가 연결된다. 따라서 각 암에서 발생하는 전압(ua, ub, uc)은 각 암의 상하에 연결된 스위치의 온/오프에 따라 "Vdc" 또는 "0"의 2-레벨의 전압을 출력할 수 있다.
도 2는 일반적인 3상 전압변환기 회로를 사용한 경우의 변조파(Vtri) 및 반송파(Vref)에 대한 암 전압의 파형을 도시한 도면이다.
일반적인 3상 전압변압기 회로의 변조비를 0.8로 가정할 때, 각 암의 전압(Vao, Vbo, Vco 또는 ua, ub, uc)은 아래 식에 의하여 계산된다.
Figure 112009046303256-PAT00001
Figure 112009046303256-PAT00002
Figure 112009046303256-PAT00003
상기 계산된 각 암의 전압식으로부터 알 수 있듯이, 일반적인 3상 전력변환기의 2-레벨 인버터의 전압은 고조파 성분을 포함하고 있으며, 이로 인하여 전력 품질 저하나 EMI 노이즈 등이 발생하는 문제가 있다.
2-레벨 인버터에서 인버터 자체에 발생하는 고조파 성분을 제거하기 위하여 스위칭 주파수를 높이는 방법 또는 큰 용량의 필터회로를 구성하는 방법을 사용하고 있다.
그러나 스위칭 주파수를 높이는 방법은 소 용량에서 주로 사용되는 방법으로 대용량에서는 스위칭 손실로 인하여 사용하는데 한계가 있다. 따라서, 최근에는 다 중 레벨 인버터를 구현하여 낮은 스위칭 주파수로 고품질의 출력 전압을 얻는 방법을 사용하고 있다.
그러나 지금까지의 다중 레벨 인버터는 다수의 스위치를 사용해야 하고, 스위치 수의 증가로 인하여 스위치 구동회로가 증가되고 회로 구성이 복잡해지며 이로 인하여 비용 상승 등의 문제가 있다.
도 3a 내지 도 3c는 종래의 다중 레벨 인버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도 3a는 일반적인 다이오드-클램프 다중 레벨 인버터(DCMLI: Diode clamped multi-level inverter) 회로이고, 도 3b는 일반적인 플라잉-커패시터 다중 레벨 인버터(FCMLI: Flying capacity multi-level inverter) 회로이고, 도 3c는 하이브리드 브리지 다중 레벨 인버터(HBMLI: H-bridge multi-level inverter) 회로이다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 종래의 다중 레벨 인버터는 다수개의 스위칭 소자, 다이오드, 커패시터 등이 필요하므로, 앞서 언급한 바와 같이 소자 수가 증가하여 회로 구성이 복잡해지는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적어도 하나의 스위칭 소자와 양방향 스위칭 소자 및 하나의 직류 전원을 이용하여 3개 레벨의 교류 전압으로 변환하는 3-레벨 전압 발생용 인버터를 제공한다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 입력직류전원을 세개의 전압레벨로 분할하는 분압부, 상기 세개의 전압레벨을 가지는 상기 분압부의 각 노드 사이에 연결되는 적어도 하나의 스위칭 소자,및 상기 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드와 상기 교류전압 출력단 사이에 연결되는 적어도 하나의 양방향 스위칭 소자를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 분압부는 두 개의 동일한 커패시터로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 상기 분압부의 각 노드 사이에 연결되고 상기 양방향 스위칭 소자를 중심으로 대칭인 위치에 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 PWM 제어에 따라 구동되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 제1 전압레벨 노드와 제2 전압레벨 노드 사이에 각각 연결되는 3개의 스위칭 소자로 구성되고, 제2 전압레벨 노드와 제3 전압레벨 노드 사이에 각각 연결되는 3개의 스위칭 소자로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 양방향 스위칭 소자는 상기 제2 전압레벨 노드와 상기 교류전압 출력단 사이에 연결되는 3개의 양방향 스위칭 소자인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 각각 역병렬 접속된 다이오드가 연결된 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 상기 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드는 상기 교류전압 출력단과 각각 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에서는 3-레벨 인버터를 구현함에 있어서 양방향 스위치 소자를 사용함으로써, 사용되는 스위칭 소자 및 다이오드 등의 개수를 줄일 수 있으므로 회로 구현을 단순화 시킬 수 있으며, 반도체 도통 손실 또한 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 하나의 전원에서 공급되는 직류전압을 캐패시터를 이용하여 분할하여 사용할 수 있으므로, 필요한 전원의 개수를 줄일 수 있으며 또한 안정적인 전압레벨을 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 인버터(three-level inverter)에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 3-레벨 전압 발생용 인버터의 회로는 분압부(10), 적어도 하나의 스위칭 소자(20) 및 적어도 하나의 양방향 스위칭 소자(30)를 포함한다.
분압부(10)는 두 개의 동일한 커패시터가 직렬 연결된 구조이며 입력직류전원을 세개의 전압레벨로 분할한다. 즉, 하나의 직류전원(Vdc)이 입력되면 직렬 연결된 두 개의 커패시터로 각각 입력된 직류전원의 1/2의 전압(Vdc/2)이 분배된다.
일반적으로 멀티레벨 전압을 발생시키기 위해서는 복수개의 전원이 필요하며, 커패시터를 직렬 연결한 분압부를 이용하여 4개 이상의 전압레벨로 분할하는 경우 각각의 커패시터에 걸리는 전압이 달라지게 되어 안정적인 멀티레벨 전압을 발생시킬 수 없다.
그러나, 한 개의 직류전원이 직렬 연결된 두 개의 커패시터에 전압 분배되는 경우 두 개의 커패시터에서 발생/소비하는 전력이 대칭인 형태를 띄게 되므로 안정적으로 3개의 전압레벨을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터 회로에서는 한 개의 직류전원만을 사용하여 3개의 전압레벨을 형성할 수 있으므로 부품 실장 면적을 줄일 수 있는 장점이 있다.
적어도 하나의 스위칭 소자(20)는 세개의 전압레벨(0, Vdc/2, Vdc)을 가지는 분압부(10)의 각 노드 사이에 연결되며, 양방향 스위칭 소자(30)를 중심으로 대칭인 위치에 연결될 수 있고, 각각 역병렬 접속된 다이오드가 연결될 수 있다.
즉, 적어도 하나의 스위칭 소자(20)는 제1 전압레벨 노드와 제2 전압레벨 노드 사이에 각각 연결되는 3개의 스위칭 소자(Qm1, Qm3, Qm5)로 구성되고, 제2 전압레벨 노드와 제3 전압레벨 노드 사이에 각각 연결되는 3개의 스위칭 소자(Qm2, Qm4, Qm6)로 구성될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 스위칭 소자(20)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 따라 구동되며, PWM 제어 모드 동안 스위칭 소자(20)의 일 측에 연결된 분압부 전압노드의 전압 레벨이 스위칭 소자(20)의 타 측에 연결된 분압부 전압노드의 전압 레벨보다 낮은 측으로 전류가 흐르도록 제어된다.
적어도 하나의 양방향 스위칭 소자(30)는 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드(O)와 교류전압 출력단(40) 사이에 연결될 수 있고, 양방향 스위칭 소자(30)는 중간 전압레벨 노드(O)와 각각의 교류전압 출력단(40) 사이에 연결되는 3개의 양방향 스위칭 소자로 구성될 수 있다.
또한, 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드(O)는 교류전압 출력단(40)과 각각 연결될 수 있다.
도 5a는 종래의 2-레벨 전압 발생용 인버터 회로의 3상 중 한 상의 출력파형이고, 도 5b는 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터 회로의 3상 중 한 상의 출력파형을 도시한 도면이다.
종래의 2-레벨 전압 발생용 인버터 회로는 도 2에 도시된 바와 같으며, Qm1과 Qm2의 "ON/OFF"에 따라 2-레벨의 암전압 출력파형과 3-레벨의 선간전압 출력파형을 얻을 수 있다.
반면, 본 발명의 3-레벨 전압 발생용 인버터 회로는 도 4에 도시된 바와 같으며, 스위칭 소자(Qm1, Qm2) 및 양방향 스위칭 소자(Qza)의 "ON/OFF"에 따라 3-레벨의 암전압 출력파형과 5-레벨의 선간전압 출력파형을 얻을 수 있다.
일반적으로 2-레벨의 암전압에 대해서는 3-레벨의 선간전압을 얻을 수 있고, 3-레벨의 암전압에 대해서는 5-레벨의 선간전압을 얻을 수 있으므로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 각각의 암전압 레벨 수에 따른 선간전압 출력파형을 설명할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터 회로의 각 레벨의 전류루프를 도시한 도면이다.
도 6a는 0-레벨 전압일 경우 전류루프를 도시한 것이고, 도 6b는 1-레벨 전압일 경우 전류루프를 도시한 것이고, 도 6c는 2-레벨 전압일 경우 전류루프를 두시한 것이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 전압레벨 노드와 제3 전압레벨 노드 사이에 연결된 스위칭 소자(Qm2)가 "ON"되거나 상기 스위칭 소자(Qm2)에 역병렬 연결된 다이오드로 전류가 흐르는 경우 "0V"의 전압이 출력되어 0-레벨 전압이 출력되고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 양방향 스위칭 소자(Qza)가 "ON"된 경우 "Vdc/2"의 전압이 출력되어 1-레벨 전압이 출력되며, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 전압레벨 노드와 제2 전압레벨 노드 사이에 연결된 스위칭 소자(Qm1)가 "ON"되거나 상기 스위칭 소자(Qm1)에 역병렬 연결된 다이오드로 전류가 흐르는 경우 "Vdc"의 전압이 출력되어 2-레벨 전압이 출력된다.
상기와 같은 전류루프에 따라 3상의 암전압은 각각 3-레벨의 전압을 발생할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위 에 속하는 것이다.
도 1은 일반적인 3상 전력변환기의 회로도를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 3상 전압변환기 회로를 사용한 경우의 변조파 및 반송파에 대한 암 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 종래의 다중 레벨 인버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터의 회로도를 도시한 도면이다.
도 5a는 종래의 2-레벨 전압 발생용 인버터 회로의 3상 중 한 상의 출력파형이고, 도 5b는 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터 회로의 3상 중 한 상의 출력파형을 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 3-레벨 전압 발생용 인버터 회로의 각 레벨의 전류루프를 도시한 도면이다.
<도면의 간단한 설명>
10: 분압부 20: 스위칭 소자
30: 양방향 스위칭 소자 40: 교류전원 출력단

Claims (8)

  1. 입력직류전원을 세개의 전압레벨로 분할하는 분압부;
    상기 세개의 전압레벨을 가지는 상기 분압부의 각 노드 사이에 연결되는 적어도 하나의 스위칭 소자; 및
    상기 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드와 상기 교류전압 출력단 사이에 연결되는 적어도 하나의 양방향 스위칭 소자;를 포함하는 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분압부는 두 개의 동일한 커패시터로 구성되는 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 상기 분압부의 각 노드 사이에 연결되고 상기 양방향 스위칭 소자를 중심으로 대칭인 위치에 연결되는 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 PWM 제어에 따라 구동되는 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 제1 전압레벨 노드와 제2 전압레벨 노드 사이에 각각 연결되는 3개의 스위칭 소자로 구성되고, 제2 전압레벨 노드와 제3 전압레벨 노드 사이에 각각 연결되는 3개의 스위칭 소자로 구성되는 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양방향 스위칭 소자는 상기 제2 전압레벨 노드와 상기 교류전압 출력단 사이에 연결되는 3개의 양방향 스위칭 소자인 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 각각 역병렬 접속된 다이오드가 연결된 3-레벨 전압 발생용 인버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세개의 전압레벨 중 중간 전압레벨의 노드는 상기 교류전압 출력단과 각각 연결되는 3-레벨 전압 발생용 인버터.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101505556B1 (ko) * 2013-10-18 2015-03-25 삼성중공업 주식회사 고전압용 t타입 인버터
US9042137B2 (en) 2011-01-14 2015-05-26 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Even-level inverter

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