KR20120111524A - 하프 브리지 인버터 모듈을 포함하는 멀티-레벨 인버터 - Google Patents

하프 브리지 인버터 모듈을 포함하는 멀티-레벨 인버터 Download PDF

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KR20120111524A
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Abstract

복수(n)의 하프 브리지 인버터 모듈들을 포함하는 멀티(n)-레벨 인버터가 개시된다. 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각, 입력 전압을 스위칭하기 위해 서로 직렬로 연결된 제 1, 제 2 , 제 3 및 제 4 전력용 반도체 스위치들로 구성된 하프 브리지부; 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 3 전력용 반도체 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드로 구성된 정류부; 및 상기 전력용 반도체 스위치들의 게이트 단자에 입력되는 게이트 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

하프 브리지 인버터 모듈을 포함하는 멀티-레벨 인버터{MULTI-LEVEL INVERTER WITH HALF BRIDGE INVERTER MODULES}
본 발명은 멀티-레벨 인버터에 관한 것으로서, 상세하게는 하프 브리지 인버터 모듈을 이용한 멀티-레벨 인버터에 관한 것이다.
멀티-레벨 방식의 인버터는 교류 전력 공급, 무효 전력 보상기, 드라이브 시스템 등과 같은 많은 산업체 응용에 적용되고 있다. 멀티-레벨 구조의 중요한 장점 중의 하나는 스위칭 주파수를 증가시키거나 또는 인버터 출력을 감소시키지 않아도 출력전압 파형의 고조파(harmonics)를 감소시킬 수 있다는 것이다. 멀티-레벨 인버터의 출력 전압 파형은 캐패시터 전압으로부터 얻어지는 다수의 전압 레벨로 조합이 된다.
멀티-레벨의 레벨의 수는 무한대로 확장가능하기 때문에 출력 파형의 고조파 왜곡(THD; total harmonic distortion)은 이론상 0이 될 수 있다. 형성 가능한 전압 레벨의 수는 전압 불평형 문제, 전압 클램핑 요구, 회로 배치와 패킹 제약(packing constraints)에 의해 제한될 수 있다.
멀티-레벨 인버터는 고전압에 응용이 가능하고 변압기를 사용하지 않고 고조파를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 종래의 멀티-레벨 인버터는 레벨의 수가 증가함에 따라 그 회로 내에 포함되는 소자가 많아져서 비용상의 문제가 발생했고, 플라잉 캐패시터의 전압 평형 문제와 회로가 더욱 복잡해지는 문제점이 있다. 따라서, 기존의 멀티-레벨 인버터를 대체할 수 있는 개선된 멀티-레벨 인버터의 개발이 필요하다.
멀티-레벨 인버터가 고전압, 고전력 응용에 많이 적용되고 있는 추세에 따라 기존 단상 풀브리지를 이용한 멀티브리지 방식을 개선한 단상 하프 브리지 인버터를 이용하는 멀티-레벨 인버터와 그에 대한 회로 구조를 개시하고자 한다.
복수(n)의 하프 브리지 인버터 모듈들을 포함하는 멀티(n)-레벨 인버터가 개시되고, 상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각, 입력 전압을 스위칭하기 위해 서로 직렬로 연결된 제 1, 제 2 , 제 3 및 제 4 전력용 반도체 스위치들로 구성된 하프 브리지부; 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 3 전력용 반도체 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드로 구성된 정류부; 및 상기 전력용 반도체 스위치들의 게이트 단자에 입력되는 게이트 신호를 생성하는 제어부를 포함하고, 상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각, 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 3 전력용 반도체 스위치 사이의 단자 및 상기 제 1 다이오드 및 상기 제 2 다이오드 사이의 단자 간의 출력(A)을 형성하며, 상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 상기 출력(A)을 직렬로 연결하여 전체 출력(B)을 형성할 수 있다.
본 발명은 기존의 멀티레벨 방식의 문제점인 클램핑-다이오드와 플라잉-캐패시터의 수를 제거할 수 있는 장점이 있다. 또한, 1) 기존의 인버터 방식과 비교했을 때 고전압, 고전력 응용에 더욱 적합하고, 2) 각 스위치들은 계통 전압의 한 사이클에 한 번씩 동작하고 레벨의 수를 증가시킴으로써 순수한 정현파 출력 전압에 근접한 계단파 형태의 전압을 발생시킬 수 있으며, 3) 많은 수의 단상 풀 브리지 인버터를 직렬로 연결한 구조로 컨버터가 구성되어 있기 때문에 전압 평형 회로가 필요하지 않고 스위칭 소자의 전압 매칭 문제가 발생하지 않고, 4) 인버터 구조가 간단하고 적은 수의 소자로 구성되기 때문에 시스템의 모듈화 및 설치가 기존의 방식보다 더 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브리지 인버터 모듈을 이용하는 3-레벨 인버터를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브리지 인버터 모듈 및 이의 출력단 전압 파형을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호를 생성하기 위한 기준 신호 및 캐리어 신호를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터 중 하나의 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호 및 그 모듈의 출력 신호를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터의 하프 브리지 인버터 모듈 각각의 출력 신호와 이들의 합을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터의 출력의 고조파를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-레벨 인버터의 출력의 고조파 왜곡을 도시한다.
아래에서 설명되는 발명의 실시예들은 단지 예시적인 것으로, 본 발명의 범위를 제한하거나 감축하기 위한 것은 아니다. 또한, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들이 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 변경, 변형, 수정될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 표현 "포함하다"는 배타적인 의미가 아닌, 다른 기술적 구성을 포괄할 수 있는 의미로 사용되었다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터의 회로(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, 상기 회로(100)는 3개의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(110, 120, 130)을 포함할 수 있다. 제 1의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(110)은 4개의 전력용 반도체 스위치(S11, S12, S13, S14)를 포함할 수 있다. 도 1에는 3개의 인버터 모듈을 도시했지만, 본 발명에 따른 멀티-레벨 인버터는 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈들을 추가로 직렬 연결하여 구현할 수 있다. 도 1과 같은 회로 구성으로 인해, 전력 계통과 연계시 주입 변압기가 없이 직접 선로에 연결하는 것이 가능할 수 있다.
도 1의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(110)은 4개의 전력용 반도체 스위치(S11, S12, S13, S14)를 포함할 수 있다. 상기 4개의 전력용 반도체 스위치는 서로 직렬로 연결될 수 있고, 스위치 S12 및 S13의 직렬 연결에, 직렬로 연결된 2개의 다이오드(D11, D12)가 병렬 연결될 수 있다. 다이오드(D11)의 캐소드 단자는 스위치(S11 및 S12) 사이에 연결될 수 있고, 다이오드(D12)의 애노드 단자는 스위치(S13 및 S14) 사이에 연결될 수 있다. 또한, 다이오드(D11)의 애노드 단자와 다이오드(D12)의 캐소드 단자는 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 1의 4개의 전력용 반도체 스위치와 2개의 다이오드의 연결로부터 일 출력(V1)을 형성할 수 있다. 도 1에는 총 3개의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈이 도시되어 있으므로, 제 2의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(120) 및 제 3의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(130)에서도 각각 출력(V2, V3)을 형성할 수 있다. 형성된 3개의 출력을 직렬로 연결하여, 최종 출력(VA)을 획득할 수 있다. VA = V1 + V2 + V3이다. 이러한 회로 구성으로 인해, 전력 계통과 연계시 주입 변압기가 없이 직접 선로에 연결하는 것이 가능할 수 있다.
제어부(미도시)는 전력용 반도체 스위치 각각의 게이트 단자에 게이트 신호를 입력하여, 상기 합성된 출력(VA)의 파형을 제어할 수 있다. 제어부는 각 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 출력(V1, V2, V3) 또는 상기 합성된 출력(VA)을 모니터링 할 수 있다. 제어부는 출력(V1, V2, V3) 또는 합성된 출력(VA)의 고조파 왜곡(THD)을 모니터링 할 수 있다. 제어부는 이 고조파 왜곡을 낮추는 방향으로 게이트 신호를 생성할 수 있다. 제어부는 복수의 캐리어 신호들 및 복수의 기준 신호를 비교하여 게이트 신호를 생성할 수 있다.
도 1에서는 단지 3개의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈을 구비하는 멀티-레벨 인버터를 도시했지만, 하프 브리지 인버터 모듈의 수는 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티(n)-레벨 인버터(100)는 복수(n)의 하프 브리지 인버터 모듈들을 포함할 수 있다. 여기서 n은 레벨의 수이며, 레벨의 수에 따라 하프 브리지 인버터 모듈의 수가 정해지며, n은 양의 정수이다. 상기 하프 브리지 인버터 모듈들 각각은, 입력 전압을 스위칭하기 위해 서로 직렬로 연결된 제 1, 제 2 , 제 3 및 제 4 전력용 반도체 스위치들로 구성된 하프 브리지부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 하프 브리지 인버터 모듈 각각은, 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 3 전력용 반도체 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드로 구성된 정류부를 포함할 수 있다. 상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각은, 상기 전력용 반도체 스위치들의 게이트 단자에 입력되는 게이트 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각, 제 2 전력용 반도체 스위치 및 제 3 전력용 반도체 스위치 사이의 단자 및 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드 사이의 단자 간의 출력(A)을 형성하며, 복수의 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각의 출력(A)을 직렬로 연결하여 전체 출력(B)을 형성할 수 있다. 이러한 전체 출력(B)의 고조파 왜곡(THD)은 직렬로 연결되는 하프 브리지 인버터 모듈이 부가될수록 낮아질 수 있다.
또한, 제 1 다이오드의 캐소드는 제 1 전력용 반도체 스위치 및 제 2 전력용 반도체 스위치 사이에 연결되고, 제 1 다이오드의 애노드와 제 2 다이오드의 캐소드가 연결되며, 제 2 다이오드의 애노드는 제 3 전력용 반도체 및 제 4 전력용 반도체에 연결될 수 있다. 제어부는 제어부는 출력(A) 또는 출력(B)을 모니터링할 수 있고, 자세하게는 출력(A) 또는 출력(B)의 고조파 왜곡(THD)을 모니터링할 수 있다. 제어부는 복수의 캐리어 신호들 및 복수의 기준 신호를 비교하여 상기 게이트 신호를 생성할 수 있다.
3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈이 n개 사용되는 경우, 제어부는 서로 360°/n의 위상 차를 갖는 2?n개의 캐리어 신호들을 생성하고, 캐리어 신호들과 2개의 기준 신호들을 비교하여 하프 브리지 인버터 모듈마다 4개의 게이트 신호를 생성할 수 있다. 생성된 게이트 신호들에 따라 하프 브리지 인버터 모듈은 출력 신호를 생성할 수 있고, 각 하프 브리지 인버터 모듈이 생성한 출력 신호들을 합산하여 멀티-레벨 인버터의 전체 출력 신호를 생성할 수 있다. 제어부는 이러한 게이트 신호를 제어하여 미리 결정된 기준에 적합한 레벨의 고조파 왜곡(THD)을 갖는 출력(B)을 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(200) 및 그것의 출력의 전압 파형(210)을 도시한다. 출력 전압 파형(210)에서 도시되는 것처럼, 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈(200)은 3-레벨(
Figure pat00001
, 0,
Figure pat00002
)의 전압을 출력할 수 있다. 상기 출력 전압 파형(210)은 예시적인 것으로, 4개의 전력용 반도체 스위치의 게이트 신호에 따라 제어가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호를 생성하기 위한 기준 신호 및 캐리어 신호를 도시한다. 도 3은 제 1의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호를 생성하기 위한, 2개의 기준 신호(Vref1, Vref2) 및 2개의 캐리어 신호(T1, T2)를 도시하고 있다. 예로써 도시된 캐리어 신호(T1 및 T2)의 주파수는 480 [Hz]이며, 서로 180°의 위상차를 가지고 생성될 수 있다. 또한, 제 2 및 제 3의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호를 생성하기 위한 캐리어 신호들(미도시)은 각각 120°의 위상차를 가지고 있다. 즉, 멀티-레벨 인버터의 레벨이 증가할 수록 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 수가 증가하기 때문에, 사용될 캐리어 신호들의 수가 증가한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터 중 하나의 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호 및 그 모듈의 출력 신호를 도시한다. 도 4에는 하나의 하프 브리지 인버터 모듈의 전력용 반도체 스위치들(S11, S12, S13, S14)의 게이트 단자에 입력되는 4개의 게이트 신호(GS11, GS12, GS13, GS14)와 이러한 4개의 게이트 신호에 따른 제 1의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 출력(V1)을 도시한다.
도 4의 4개의 게이트 신호(GS11, GS12, GS13, GS14)는 도 3에서 도시된 2개의 기준 신호와 2개의 캐리어 신호들을 비교하여 생성할 수 있다. 나머지 2개의 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호는 제 1의 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호 생성시에 사용된 캐리어 신호들과 각각 120°의 위상차를 갖는 캐리어 신호들을 이용하여 생성할 수 있다. 도 4에서 도시한 본 발명의 일 실시예에서는, 제 1의 하프 브리지 인버터 모듈의 게이트 신호를 생성하기 위한 캐리어 신호들이 서로 180˚의 위상차를 가지기 때문에, 게이트 신호(GS11 및 GS13)는 서로 반대 위상을 가지고 게이트 신호(GS12 및 GS14)는 서로 반대 위상을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터의 하프 브리지 인버터 모듈 각각의 출력 신호와 이들의 합을 도시한다. 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 출력 전압(V1, V2, V3) 및 이들을 합산한 전압(VA)를 도시한다. 앞서 설명한 것처럼 도 3에서 도시한 캐리어 신호는 출력전압(V1)을 생성하기 위한 게이트 신호를 생성하는데 사용된다. 또한, 서로 120°의 위상차를 가지는 두 쌍의 캐리어는 출력 전압(V2 및 V3)을 생성하기 위한 게이트 신호를 생성하는데 사용된다. 즉, 세 쌍의 캐리어 신호들은 서로 120°의 위상차를 가지고 있다.
각각의 캐리어 신호의 주파수가 480 [Hz]이고 총 6개의 캐리어 신호가 존재하므로 약 3 [kHz]의 스위칭 효과가 나타난다. 그러므로 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈이 N개 존재한다면 출력전압은 N*480 [Hz]의 스위칭 효과를 가질 수 있다. 또한, 한 개의 인버터 모듈의 출력 전압에는 많은 수의 고조파들이 포함되어 있지만 세 개의 컨버터가 직렬로 연결된 출력전압에는 고조파가 적게 포함되어 있다. 즉, 출력 전압의 고조파 왜곡(THD)은 직렬로 연결된 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 수가 증가할수록 감소될 수 있다.
또한, 총 6개의 하프 브리지 인버터 모듈(6-레벨인 경우)을 사용하는 경우에는 총 6*2개의 캐리어 신호를 생성하여야 하며, 이들은 서로 360˚/6 = 60˚의 위상차를 갖도록 해야하며, 이렇게 해야 2개의 기준 신호와 총 12개의 캐리어 신호를 비교하여 총 24개의 게이트 신호(각 모듈 당 4개의 게이트 신호가 요구됨)를 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-레벨 인버터의 출력의 고조파를 도시한다. 도 6에는 3개의 그래프가 존재하며, 이들은 각각 "×"로 표시한 그래프는 모듈 수가 3개인 경우, "○"로 표시한 그래프는 모듈 수가 6개인 경우, "△"로 표시한 그래프는 모듈 수가 12개인 경우를 도시한다. x축은 변조비(modulation index)를 나타내며, 동일한 수의 하프 브리지 인버터 모듈을 사용하는 경우 변조비가 커질수록 고조파 왜곡(THD)이 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한, 변조비(MI)가 0.4보다 작아질 경우 비교적 THD가 커짐을 확인할 수 있다. 따라서, 변조비는 약 0.5 내지 1.0 사이가 적절한 인버터의 동작을 위해 바람직할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-레벨 인버터의 출력의 고조파 왜곡을 도시한다. 출력(V1)은 도 5에서 도시한 제 1의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 고조파 성분을 도시하고, 출력(VA)은 도 5에서 도시한 3개의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈을 구비한 멀티-레벨 인버터(3-레벨)의 고조파 성분을 도시한다. 각각의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈의 출력은 고조파 성분이 상대적으로 많이 존재하지만, 3개의 3-레벨 하프 브리지 인버터 모듈을 합성한 경우 고조파 성분이 상대적으로 많이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으며, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들은 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 예시적인 것임을 인식할 수 있고, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 변형, 수정 등이 가능함을 인식할 것이다.

Claims (6)

  1. 복수(n)의 하프 브리지 인버터 모듈들을 포함하는 멀티(n)-레벨 인버터로서,
    상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각,
    입력 전압을 스위칭하기 위해 서로 직렬로 연결된 제 1, 제 2 , 제 3 및 제 4 전력용 반도체 스위치들로 구성된 하프 브리지부; 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 3 전력용 반도체 스위치의 직렬 연결에 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드로 구성된 정류부; 및 상기 전력용 반도체 스위치들의 게이트 단자에 입력되는 게이트 신호를 생성하는 제어부를 포함하고,
    상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 각각, 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 3 전력용 반도체 스위치 사이의 단자 및 상기 제 1 다이오드 및 상기 제 2 다이오드 사이의 단자 간의 출력(A)을 형성하며,
    상기 하프 브리지 인버터 모듈들은 상기 출력(A)을 직렬로 연결하여 전체 출력(B)을 형성하는, 멀티-레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 다이오드의 캐소드는 상기 제 1 전력용 반도체 스위치 및 상기 제 2 전력용 반도체 스위치 사이에 연결되고, 상기 제 1 다이오드의 애노드와 상기 제 2 다이오드의 캐소드가 연결되며, 상기 제 2 다이오드의 애노드는 상기 제 3 전력용 반도체 및 상기 제 4 전력용 반도체에 연결되는, 멀티-레벨 인버터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 출력(A) 또는 상기 출력(B)을 모니터링하는, 멀티-레벨 인버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 출력(A) 또는 상기 출력(B)의 고조파 왜곡(THD)을 모니터링하는, 멀티-레벨 인버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부 각각은,
    복수의 캐리어 신호들 및 복수의 기준 신호를 비교하여 상기 게이트 신호를 생성하는, 멀티-레벨 인버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부 각각은 서로 180°의 위상차를 갖는 2개의 캐리어 신호들을 생성하고, 상기 각각의 제어부가 생성할 캐리어 신호들은 서로 360°/n의 위상차를 갖도록 생성되는, 멀티-레벨 인버터.
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