KR20120079754A - 멀티레벨 인버터 - Google Patents

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KR20120079754A
KR20120079754A KR1020110001128A KR20110001128A KR20120079754A KR 20120079754 A KR20120079754 A KR 20120079754A KR 1020110001128 A KR1020110001128 A KR 1020110001128A KR 20110001128 A KR20110001128 A KR 20110001128A KR 20120079754 A KR20120079754 A KR 20120079754A
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경북대학교 산학협력단
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters

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Abstract

멀티레벨 인버터가 개시된다. 멀티레벨 인버터는 서로 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터부, 복수의 스위치 및 복수의 다이오드를 이용하여 멀티레벨의 출력 전압을 출력하는 스위치부 및 사인(sine) 함수 형태의 기준파와 삼각파에 기초하여 상기 멀티레벨 인버터의 동작 모드를 설정하고, 각 동작 모드에서 서로 다른 출력 전압이 생성되도록 상기 복수의 스위치에 대한 제어를 수행하여, 상기 멀티레벨의 출력 전압을 출력하는 PWM 제어부를 포함한다.

Description

멀티레벨 인버터{Multilevel inverter}
본 발명은 멀티-레벨 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 H-브릿지 인버터로 5개 레벨을 갖는 출력 전압을 생성하는 멀티-레벨 인버터에 관한 것이다.
최근 산업설비의 대용량화 추세와 고압화에 따라 고압 대용량 인버터 시스템에 대한 수요가 증가하고 있으며, 전력용 반도체 소자의 제한된 정격을 극복할 수 있는 멀티레벨 인버터에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔다.
멀티레벨 인버터(multilevel inverter)는 기존의 2-레벨 인버터에 비해 직렬 연결된 소자를 사용할 때 발생하는 스위치 소자의 차단 전압 불균형 문제가 발생하지 않으며, 동일한 스위칭 주파수에서 출력 전압 파향을 정형파에 가깝게 만들어 고조파 성분을 상당히 감소시킬 수 있고, 전압 변화율을 감소시켜 전자파 간섭현상을 줄일 수 있는 장점이 있다.
멀티레벨 인버터는 크게 플로팅 상태의 분리된 커패시터를 이용하여 출력 레벨을 형성하는 플라잉 커패시터(Flying Capacitor)형, 다이오드 클램프 방식을 적용하여 출력 레벨을 형성하는 다이오드 클램프(Diode Clamped)형, 절연된 풀-브리지 형태를 모듈화하여 결합시킨 H-브리지(H-bridge)형의 세가지로 구분할 수 있다.
한편, 다이오드 클램프형 멀티레벨인버터는, 고전압의 단일 직류링크에 직렬연결된 다수의 커패시터로부터 얻어지는 여러 단의 탭에 순차적으로 스위칭하는 방식으로 Back-to-Back 연결이 가능하며 현재 고압대용량 인버터 시스템 구성에 일부 실용화되어 적용되고 있다. 그러나, 직류 링크전압 불균형 문제를 해결하기 위한 제어기법이 필요하고, 레벨의 수가 증가함에 따라 시스템 구현이 현실적으로 어렵고, 클램핑 다이오드에는 불균형적인 전압이 인가되고, 주 스위치 소자들의 전류가 불평형이 된다는 등의 문제가 있다.
플라잉 커패시터 방식의 멀티레벨인버터는 다이오드의 전압불균형 문제가 발생하지는 않으나, 레벨이 증가할수록 많은 수의 커패시터 뱅크가 필요하고 하나의 입력 정류기를 필요로 하는 시스템에서 내측 커패시터의 초기전압을 확보하기 위한 부가적인 회로가 필요할 뿐 아니라, 커패시터들의 전압유지를 위한 스위칭 제어가 복잡해지고 이로 인한 스위칭 주파수 증가로 스위칭 손실도 증가하는 문제가 있어서 실용화에는 어려움이 있다.
H-브리지 방식의 멀티레벨 인버터는 기존의 H-브리지 구성의 인버터 출력을 다수 상호 직렬 연결함으로써 멀티레벨 출력전압을 얻는 방식으로, 각각의 H-브리지 인버터가 이미 확립된 기술이며 모듈 방식의 구성이 가능하고 제어가 간단하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 2-레벨 인버터에 비해 스위칭소자의 개수가 다수 소요되며, 이에 따라, 시스템의 부품 수가 증가하면 할수록 시스템의 신뢰도와 효율이 저하되며 아울러 비용 상승이 유발된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스위치 소자의 개수를 최소화할 수 있는 멀티레벨 인버터를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 멀티레벨 인버터는 서로 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터부, 복수의 스위치 및 복수의 다이오드를 이용하여 멀티레벨의 출력 전압을 출력하는 스위치부 및 사인(sine) 함수 형태의 기준파와 삼각파에 기초하여 상기 멀티레벨 인버터의 동작 모드를 설정하고, 각 동작 모드에서 서로 다른 출력 전압이 생성되도록 상기 복수의 스위치에 대한 제어를 수행하여, 상기 멀티레벨의 출력 전압을 출력하는 PWM 제어부를 포함한다.
상기 스위치부는, 제1 및 제2 다이오드 및, 제1 내지 제6 스위치를 포함하고, 상기 제1 다이오드의 일단 및 상기 제2 다이오드의 일단은, 상기 제1 커패시터의 일단과 상기 제2 커패시터의 일단이 연결된 연결 노드에 공통적으로 연결되고, 상기 제1 스위치는 상기 제1 커패시터의 타단과 상기 제1 다이오드의 타단 사이에 배치되어 스위칭을 수행하고, 상기 제2 스위치는 상기 제2 커패시터의 타단과 상기 제2 다이오드의 타단 사이에 배치되어 스위칭을 수행하고, 상기 제3 스위치의 일단 및 상기 제4 스위치의 일단은 서로 연결되며, 상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단은 상기 제1 다이오드의 타단 및 상기 제2 다이오드의 타단에 각각 연결되고, 상기 제5 스위치의 일단 및 상기 제6 스위치의 일단은 서로 연결되며, 상기 제5 스위치의 타단 및 상기 제6 스위치의 타단은 상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단에 각각 연결될 수 있다.
한편, 상기 PWM 제어부는 아래의 수학식과 같이, 사인 함수 형태인 기준파 전압의 순시 값과 삼각파의 최대 전압값을 이용하여 상기 동작 모드를 설정하기 위한 기준값을 생성할 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 기준파 전압의 순시값이며,
Figure pat00003
는 삼각파의 최대 전압값이다.
이 경우, 상기 PWM 제어부는, 상기 기준파가 0 내지 180°의 위상을 가질 때, 상기 기준파가 상기 삼각파의 최대 전압값보다 크면 상기 동작 모드를 제1 동작 모드로 설정하며, 상기 기준파가 0에서 상기 삼각파의 최대 전압값 사이에 있으면 상기 동작 모드를 제2 동작 모드로 설정하며, 상기 기준파가 180°내지 360°의 위상을 가질 때, 반전된 기준파가 상기 삼각파의 최대 전압값보다 작으면 상기 동작 모드를 제3 동작 모드로 설정하며, 반전된 기준파가 상기 삼각파의 최대 전압값보다 크면 상기 동작 모드를 제4 동작 모드로 각각 설정할 수 있다.
이 경우, 상기 PWM 제어부는, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 기준파에서 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 동시에 턴온시키며 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키며, 상기 제2 동작 모드에서, 상기 기준파가 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴온시키며 상기 기준파가 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키며, 상기 제3 동작 모드에서, 상기 반전된 기준파가 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴온시키며 상기 반전된 기준파가 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키며, 상기 제4 동작 모드에서, 상기 반전된 기준파에서 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 동시에 턴온시키며 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시킬 수 있다.
한편, 상기 PWM 제어부는, 상기 기준파가 0 내지 180°의 위상을 가질 때, 상기 H-브릿지 인버터에 포함된 제3 및 제6 스위치를 턴온시키며, 상기 기준파가 180°내지 360°의 위상을 가질 때, 상기 H-브릿지 인버터에 포함된 제4 및 제5 스위치를 턴온시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따르면, 기존의 멀티레벨 인버터에 비해 스위치 소자의 개수를 감소시킴으로써 신뢰성을 향상시키고 제작비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 하나의 삼각파를 이용하여 스위치를 제어하는 PWM 제어신호를 생성할 수 있어, 제어회로의 구성도 용이해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 전원부(110) 및 스위치부(120)의 구성을 구체적으로 나타내는 회로 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 멀티레벌 인버터를 구동하기 위한 PWM 제어부(130)의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터가 출력전압을 생성하는 예를 설명하기 위한 도면,
도 8a 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면 그리고,
도 11 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터를 서로 다른 방식으로 연결한 상태를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1을 참고하면, 본 멀티레벨 인터터는 전원부(110), 스위치부(120), PWM 제어부(130) 및 출력부(140)를 포함한다.
전원부(110)는 스위치부(120)에 대한 직류 전원을 공급한다. 구현 시에 전원부(110)는 3상 교류 전원을 입력받아 입력된 교류 전원에 대해서 변압, 정류 및 평활을 수행하여 스위치부(120)에 직류 전원을 공급하는 형태로 구현될 수 있으며, 하나의 직류 전원을 이용하여 스위치부(120)에 직류 전원을 공급하는 형태로도 구현될 수 있다.
스위치부(120)는 복수의 스위치 소자를 포함하며, 복수의 스위치 소자의 스위칭 동작에 따라 5개 레벨을 갖는 출력전압을 생성한다. 이를 위해, 복수의 스우치 소자, 다이오드 및 H-브릿지(H-Bridge) 인버터를 포함할 수 있다.
PWM 제어부(130)는 스위치부(120)를 구성하는 복수의 스위치 소자에 대한 스위칭 동작을 제어하여, 5개 레벨을 갖는 출력 전압을 생성할 수 있다. 구체적으로, 사인 형태를 갖는 기준파와 삼각파를 비교하여 멀티레벨 인버터의 동작 모드를 설정하고, 동작 모드에 따라 서로 다른 2개의 출력 전압이 생성되도록 복수의 스위치에 대한 PWM 제어를 수행할 수 있다.
출력부(140)는 스위치부의 스위칭 동작에 의해 생성된 5개 레벨을 갖는 전압을 외부 부하로 전달한다.
이하에서, 첨부된 도 2 내지 도 7을 참고하여, 본 멀티레벨 인버터의 구성 및 구현동작에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 전원부(110) 및 스위치부(120)의 구성을 구체적으로 나타내는 회로 블록도이다.
도 2를 참고하면, 전원부(110)는 하나의 직류 전원(205)(VDC) 및 이에 병렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터(210, 215)를 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 커패시터(210, 215)는 DC 링크단으로서 서로 직렬로 연결되어 직류 전원(VDC)을 전압 분배한다. 따라서, 직류 전원의 직류 전원 전압이 VDC인 경우, 제1 커패시터(210)와 제2 커패시터(215)는 직류 전원을 각각 전압 VDC/2로 분배한다.
스위치부(120)는 전원부(110)로부터 직류 전원을 공급받으며, 제1 및 제2 다이오드(225, 235), 제1 내지 제6 스위치(220, 230, 240, 245, 250, 255)를 포함한다. 여기서, 제3 내지 제6 스위치(240, 245, 250, 255)는 H-브릿지 인버터를 구현하는 스위치들이다.
구체적인 스위치부(120)의 회로 연결 구성을 살펴보면 다음과 같다.
제1 다이오드(225)의 일단 및 제2 다이오드(235)의 일단은 제1 커패시터(210)의 일단과 제2 커패시터(215)의 일단이 연결된 연결 노드에 공통적으로 연결된다. 또한, 제1 스위치(220)는 제1 커패시터(210)의 타단과 제1 다이오드(225)의 타단 사이에 배치되어 스위칭 동작을 수행하며, 제2 스위치(230)는 제2 커패시터(215)의 타단과 제2 다이오드(235)의 타단 사이에 배치되어 스위칭 동작을 수행한다.
또한, 제3 스위치(240)의 일단 및 제4 스위치(250)의 일단은 서로 연결되며, 제3 스위치(240)의 타단 및 제4 스위치(250)의 타단은 제1 다이오드(225)의 타단 및 제2 다이오드(235)의 타단에 각각 연결된다. 그리고, 제5 스위치(245)의 일단 및 제6 스위치(255)의 일단은 서로 연결되며, 제5 스위치(245)의 타간 및 제6 스위치(255)의 타단은 제3 스위치(240)의 타단 및 제4 스위치(250)의 타단에 각각 연결된다.
여기서, 제1 및 제2 스위치(220, 230)는 제1 및 제2 커패시터(210, 215)로부터 VDC/2를 최대전압으로 인가받으며, H-브릿지 인버터는 VDC를 최대 전압으로 인가받는다.
한편, 제1 및 제2 커패시터(210, 215)의 중성점은 직렬로 연결된 환류 다이오드(225, 235)의 중간점에 연결된다.
이하에서는, 상술한 스위치부(120)를 제어하는 PWM 제어부(130)의 동작을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 멀티레벌 인버터를 구동하기 위한 PWM 제어부(130)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 멀티레벨 인버터에서 각 전압 레벨에 따른 동작 모드의 범위를 정하기 위하여 기준파(vref)의 순시 크기와 삼각파 진폭을 이용하여 순시 전압 변조 지수(ma)를 아래의 수학식 1과 같이 정의한다.
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
는 기준파 전압의 순시값이며,
Figure pat00006
는 삼각파의 최대 전압값이다.
Figure pat00007
를 이용하여 본 멀티레벨 인버터의 동작은 4가지의 전압레벨 동작 모드로 나눌 수 있으며, 각 모드는 서로 다른 2가지의 전압레벨을 출력한다. 아래의 표는 각 동작 모드의 범위와 출력 전압(VOUT)을 나타낸다.
동작 모드 출력 전압(VOUT)
동작 모드 1 (0.5≤ma＜1) VDC 또는 VDC/2
동작 모드 2 (0≤ma＜0.5) VDC/2 또는 0
동작 모드 3 (-0.5≤ma＜0) 0 또는 -VDC/2
동작 모드 4 (-1≤ma＜-0.5) -VDC/2 또는 -VDC
PWM 제어부(130)는 앞서 정의한 동작 모드에 따라 스위치부(120)를 구성하는 복수의 스위치들에 대한 스위칭 동작을 제어하는 제어 신호를 생성한다. 이를 위해, PWM 제어부(130)는 인 함수 형태를 가지는 기준파(Vref)와 삼각파(Vcarrier)를 이용할 수 있다.
구체적으로, 동작 모드 2(0≤ma＜0.5)인 경우, 즉 기준파가 0과 삼각파의 최대값인 Vc 사이에 존재하는 경우 기준파와 삼각파를 비교하여, Vref ＞ Vcarrier 일 때에는 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 교번적으로 턴온시키고, Vref ＜ Vcarrier 일 때에는 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 교번적으로 턴오프시킨다.
동작 모드 1(0.5≤ma＜1)인 경우, 즉 기준파가 삼각파의 최대값(Vc)보다 큰 경우 기준파에서 삼각파의 최대값만큼을 빼주고, 이를 삼각파와 비교하여, 스위치 제어신호를 생성한다. 즉, Vref - VC ＞ Vcarrier 이면, 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 동시에 턴온시키고, Vref - VC ＜ Vcarrier 이면, 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 교번적으로 턴오프시킨다.
한편, 동작 모드 3(-0.5≤ma＜0) 및 동작 모드 4(-1≤ma＜-0.5)에서는 기준파가 음의 값을 가지는 경우이므로, PWM 제어부(130)는 기준파를 180°반전시켜(-Vref) 삼각파와 비교한다.
구체적으로, 동작 모드 3(-0.5≤ma＜0)인 경우, 즉 반전된 기준파(-Vref)가 0과 삼각파의 최대값인 Vc 사이에 존재하는 경우 반전된 기준파와 삼각파를 비교하여, -Vref ＞ Vcarrier 일 때에는 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 교번적으로 턴온시키고, -Vref ＜ Vcarrier 일 때에는 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 교번적으로 턴오프시킨다.
또한, 동작 모드 4(-1≤ma＜-0.5)인 경우, 즉 반전된 기준파가 삼각파의 최대값(Vc)보다 큰 경우 기준파에서 삼각파의 최대값만큼을 빼주고, 이를 삼각파와 비교하여, 스위치 제어신호를 생성한다. 즉, -Vref - VC ＞ Vcarrier 이면, 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 동시에 턴온시키고, -Vref - VC ＜ Vcarrier 이면, 제1 스위치(220)(T1)과 제2 스위치(230)(T2)를 교번적으로 턴오프시킨다.
한편, PWM 제어부(130)는 H-브릿지 인버터에 포함된 제3 내지 제6 스위치(240, 245, 250, 255)에 대한 제어 신호도 생성한다. 구체적으로, PWM 제어부(130)는 기준파가 양의 값을 가질 때, 즉 기준파가 0 내지 180°의 위상을 가질 때, 제3 및 제6 스위치(240, 255)를 턴온시키며, 제4 및 제5 스위치(245, 250)를 턴오프시킨다. 그리고, PWM 제어부(130)는 기준파가 음의 값을 가질 때, 즉 기준파가 180 내지 360°의 위상을 가질 때, 제4 및 제5 스위치(245, 250)를 턴온시키며, 제3 및 제6 스위치(240, 255)를 턴오프시킨다.
여기서, 제1 및 제2 스위치(220, 230)의 스위칭 주파수는 삼각파 신호의 주파수와 동일하며, 제3 내지 제6 스위치(240, 245, 250, 255)는 기준파 신호의 한 사이클 동안 한번 스위칭 동작을 수행한다.
상술한 PWM 제어부(130)에서 생성된 PWM 제어 신호는 복수의 스위치(220, 230, 240, 245, 250, 260)의 스위칭 동작을 제어하며, 그에 따라, 본 멀티레벨 인버터는 표 2와 같은 서로 다른 5개의 출력레벨을 생성할 수 있다.
출력 전압
(VOUT)		 스위치 상태
제1 스위치 제2 스위치 제3 스위치 제4 스위치 제5 스위치 제6 스위치
VDC ON ON ON OFF OFF ON
VDC/2
 OFF ON ON OFF OFF ON
ON OFF ON OFF OFF ON
0
 OFF OFF ON OFF OFF ON
OFF OFF OFF ON ON OFF
-VDC/2
 OFF ON OFF ON ON OFF
ON OFF OFF ON ON OFF
-VDC ON ON OFF ON ON OFF
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터가 출력전압을 생성하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 4는 제2 스위치(230), 제3 스위치(240) 및 제6 스위치(260)를 턴온시키는 PWM 제어신호에 따라, VDC/2의 출력전압을 생성하는 예를 나타내며, 도 5는 제1 스위치(220), 제3 스위치(240) 및 제6 스위치(260)를 턴온시키는 PWM 제어신호에 따라, VDC/2의 출력전압을 생성하는 예를 나타낸다. 또한, 도 6은 제1 스위치(220), 제2 스위치(230), 제3 스위치(240) 및 제6 스위치(260)를 턴온시키는 PWM 제어신호에 따라, VDC의 출력전압을 생성하는 예를 나타내며, 도 7은 제3 스위치(240) 및 제6 스위치(260)를 턴온시키는 PWM 제어신호에 따라, 0의 출력전압을 생성하는 예를 나타낸다.
도 4 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른, 멀티레벨 인버터는 DC 링크단 커패시터의 전압 균형을 유지하기 위해 스위치의 턴온 동작을 제어하는 것을 알 수 있다. 즉, 동작 모드 1에는 도 4 내지 도 6과 같은 3가지 스위칭 상태를 가지고, 동작 모드 2에는 도 4 내지 도 5 및 도 7과 같은 3가지의 스위칭 상태를 가질 수 있다. 도 4 및 도 5에서는 DC 링크단 스위치(제1 및 제2 스위치)만 턴온일 때, 출력전압은 모두 VDC/2가 되지만 사용하는 커패시터가 다르다. 따라서 본 발명에서 PWM 제어부(130)는 DC링크 커패시터의 전압 균형을 위해 도 4, 도 5의 상태를 번갈아가며 사용하도록 PWM 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 동작 모드 2에서는 DC링크 스위치(제1 및 제2 스위치)를 교대로 턴 온 하고, 동작 모드 1에서는 교대로 턴 오프 한다.
이하의 표 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터와 기존의 단상 다이오드 클램핑 방식의 멀티레벨 인버터에 필요한 스위칭 소자의 수와 도통 소자의 수, 그리고 매 스위칭 주기마다 스위칭 되는 소자의 수를 비교한 것이다.
능동 소자 수동 소자 각 모드별 도통 소자 모드 변환시 스위칭 소자
다이오드 클램핑 방식 8 4 4 2
본 멀티레벨 인버터 6 2 4 1
이에 따르면, 도통 손실은 동일 하지만 본 멀티레벨 인버터가 단상 다이오드 클램핑 방식의 5레벨 인버터에 비하여 스위칭 소자가 적게 사용되어 스위칭 손실이 작음을 확인할 수 있다.
도 8a 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 8a는 PWM 제어부(130)에서 사용하는 기준파의 한 주기 파형을 나타낸 도면이고, 도 8b는 본 멀티레벨 인버터의 출력전압의 한 주기 파형을 나타낸 도면이다. 도 9는 동작 모드 1 및 동작 모드 2에서 본 멀티레벨 인버터의 출력전압을 나타낸 것이다. 한편, 도 10은 동작 모드 1 및 동작 모드 2에서 삼각파, 기준파 및 인버터 출력전압을 확대한 그래프이다. 이들을 참조하면, 하나의 삼각파만을 사용하여, 서로 다른 출력전압을 생성함을 확인할 수 있다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 인버터를 서로 다른 방식으로 연결한 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 멀티레벨 인버터를 서로 캐스케이드(cascade) 연결한 회로도이며, 이를 통해, 멀티레벨의 레벨수를 확장시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 멀티레벨 인버터를 3상으로 연결한 회로도이다. 이들을 참조하면, 멀티레벨 인버터를 Y결선 또는 △결선으로 설치하여, 3상 5레벨 멀티레벨 인버터로서 동작할 수 있도록 구현할 수 있다.
도 14 및 도 15는 캐스케이드 접속된 멀티레벨 인터버를 3상으로 연결한 회로도이다. 이를 통해, 도 12 및 도 13에 도시된 3상 5레벨 멀티레벨 인버터보다 레벨수를 확장하여, Y결선 또는 △결선의 3상에 출력전압을 인가할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고, 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
110 : 전원부 120 : 스위치부
130 : PWM 제어부 140 : 출력부

Claims (6)

  1. 멀티레벨 인버터에 있어서,
    서로 직렬로 연결된 제1 및 제2 커패시터부;
    복수의 스위치 및 복수의 다이오드를 이용하여 멀티레벨의 출력 전압을 출력하는 스위치부; 및
    사인(sine) 함수 형태의 기준파와 삼각파에 기초하여 상기 멀티레벨 인버터의 동작 모드를 설정하고, 각 동작 모드에서 서로 다른 출력 전압이 생성되도록 상기 복수의 스위치에 대한 제어를 수행하여, 상기 멀티레벨의 출력 전압을 출력하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    제1 및 제2 다이오드;
    제1 내지 제6 스위치;를 포함하고,
    상기 제1 다이오드의 일단 및 상기 제2 다이오드의 일단은, 상기 제1 커패시터의 일단과 상기 제2 커패시터의 일단이 연결된 연결 노드에 공통적으로 연결되고,
    상기 제1 스위치는 상기 제1 커패시터의 타단과 상기 제1 다이오드의 타단 사이에 배치되어 스위칭을 수행하고,
    상기 제2 스위치는 상기 제2 커패시터의 타단과 상기 제2 다이오드의 타단 사이에 배치되어 스위칭을 수행하고,
    상기 제3 스위치의 일단 및 상기 제4 스위치의 일단은 서로 연결되며, 상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단은 상기 제1 다이오드의 타단 및 상기 제2 다이오드의 타단에 각각 연결되고,
    상기 제5 스위치의 일단 및 상기 제6 스위치의 일단은 서로 연결되며, 상기 제5 스위치의 타단 및 상기 제6 스위치의 타단은 상기 제3 스위치의 타단 및 상기 제4 스위치의 타단에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    아래의 수학식과 같이, 사인 함수 형태인 기준파 전압의 순시 값과 삼각파의 최대 전압값을 이용하여 동작 모드를 설정하기 위한 기준값을 생성하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터:
    Figure pat00008

    여기서,
    Figure pat00009
    는 기준파 전압의 순시값이며,
    Figure pat00010
    는 삼각파의 최대 전압값이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 기준파가 양의 값을 가질 때, 상기 기준파가 상기 삼각파의 최대 전압값보다 크면 상기 동작 모드를 제1 동작 모드로 설정하며, 상기 기준파가 0에서 상기 삼각파의 최대 전압값 사이에 존재하면 상기 동작 모드를 제2 동작 모드로 설정하며,
    상기 기준파가 음의 값을 가질 때, 반전된 기준파가 상기 삼각파의 최대 전압값보다 작으면 상기 동작 모드를 제3 동작 모드로 설정하며, 반전된 기준파가 상기 삼각파의 최대 전압값보다 크면 상기 동작 모드를 제4 동작 모드로 각각 설정하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 기준파에서 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 동시에 턴온시키며 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키며,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 기준파가 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴온시키며 상기 기준파가 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키며,
    상기 제3 동작 모드에서, 상기 반전된 기준파가 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴온시키며 상기 반전된 기준파가 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키며,
    상기 제4 동작 모드에서, 상기 반전된 기준파에서 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 크면 상기 제1 및 제2 스위치를 동시에 턴온시키며 상기 삼각파의 최대 전압값을 뺀 값이 상기 삼각파보다 작으면 상기 제1 및 제2 스위치를 교번적으로 턴오프시키는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 기준파가 양의 값을 가질 때, 상기 제3 및 제6 스위치를 턴온시키며,
    상기 기준파가 음의 값을 가질 때, 상기 제4 및 제5 스위치를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
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