KR20140092565A - 멀티 레벨 인버터 - Google Patents

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KR20140092565A
KR20140092565A KR1020130004729A KR20130004729A KR20140092565A KR 20140092565 A KR20140092565 A KR 20140092565A KR 1020130004729 A KR1020130004729 A KR 1020130004729A KR 20130004729 A KR20130004729 A KR 20130004729A KR 20140092565 A KR20140092565 A KR 20140092565A
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Abstract

본 발명은 분압 회로의 캐패시터에 의해 분압되는 전압 간의 오프셋 전압에 기초하여 분압 스위칭을 제어함으로써 전압 밸런싱을 용이하게 수행할 수 있는 멀티 레벨 인버터에 관한 것으로, 입력 직류 전원을 분압하는 복수의 캐패시터를 갖는 분압부; 분압된 직류 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 교류 전원을 출력하는 인버터부; 및 상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋에 따라 상기 인버터부의 스위칭을 제어하는 상기 제어 신호를 제공하는 제어부를 포함하는 멀티 레벨 인버터를 제안한다.

Description

멀티 레벨 인버터{MULTI LEVEL INVERTER}
본 발명은 입력 전원의 분압 밸런싱을 용이하게 하는 멀티 레벨 인버터에 관한 것이다.
인버터는 직류 전원을 입력받아 교류 신호를 출력하는 회로로서, 출력하는 교류 신호의 크기, 주파수, 고조파 성분 등을 제어할 수 있다. 일반적으로 인버터는 출력하는 교류 신호가 갖는 레벨(크기)에 따라서, 2-레벨, 3-레벨 등으로 구분할 수 있으며, 입력 직류 전원을 필요한 레벨 수로 분압하는 회로와, 필요한 레벨 수로 분압된 입력 직류 전원으로부터 교류 출력 신호를 생성하는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
일반적으로 널리 쓰이는 2-레벨 또는 3-레벨 인버터의 경우, 입력 직류 전원을 3개의 레벨로 분압하는 회로는 서로 같은 용량을 같는 커패시터로 구현될 수 있으며, 스위칭 회로는 트랜지스터와 다이오드가 서로 연결되는 스위칭 소자를 복수개 포함한다. 특히, 종래의 인버터 회로는 분압 회로의 중간탭에 양방향 스위칭이 가능한 스위칭 소자가 연결되어 각 동작 모드에 따라 출력 신호에 필요한 경로를 제공한다.
그러나 선행기술문헌에 나타난 바와 같이, 종래의 인버터 회로는 분압부의 캐패시터에 인가되는 전압의 밸런싱에 오프셋 전압이 발생하고, 오프셋 전압을 억제하면서 전압의 밸런싱을 유지하기 위해 저항과 다이오드 또는 스위치를 채용하였으나 이에 의한 전류 소모가 증가하고 정밀도가 떨어지는 문제가 있었다.
국내특허공개공보 특1998-020600
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 분압 회로의 캐패시터에 의해 분압되는 전압 간의 오프셋 전압에 기초하여 분압 스위칭을 제어함으로써 전압 밸런싱을 용이하게 수행할 수 있는 멀티 레벨 인버터를 제안한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 입력 직류 전원을 분압하는 복수의 캐패시터를 갖는 분압부; 분압된 직류 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 교류 전원을 출력하는 인버터부; 및 상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋에 따라 상기 인버터부의 스위칭을 제어하는 상기 제어 신호를 제공하는 제어부를 포함하는 멀티 레벨 인버터를 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋 전압을 검출하는 오프셋 검출부; 사전에 설정된 변조 신호를 상기 오프셋 검출부에 의해 검출된 오프셋 전압에 따라 가변하는 변조부; 및 상기 변조부로부터의 변조 신호와 사전에 설정된 캐리어(carrier) 신호에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 오프셋 검출부는 상기 분압된 전압 각각의 전압 레벨을 서로 비교하는 비교기; 상기 비교기로부터의 비교 결과 신호를 안정화시키는 안정화부; 및 상기 안정화부로부터의 신호의 레벨을 제한하는 리미터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는 분압된 전압 간의 오프셋이 제거될 때까지 오프셋 검출-변조-신호 생성의 루프를 반복할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 분압부는 상기 입력 직류 전원이 인가되는 입력 직류 전원 단 사이에 직렬 연결된 적어도 2개의 캐패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 인버터부는 상기 적어도 2개의 캐패시터에 병렬 연결되고, 서로 스택(stack)된 제1 전원 스위치와 제2 전원 스위치를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면은 입력 직류 전원을 분압하는 복수의 캐패시터를 갖는 분압부; 분압된 직류 전원을 각각 스위칭하여 3상 교류 전원을 출력하는 3개의 인버터 암을 갖는 인버터부; 및 상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋에 따라 상기 인버터부의 3개의 인버터 암의 스위칭을 제어하는 제어 신호를 제공하는 제어부를 포함하는 멀티 레벨 인버터를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 3개의 인버터 암 각각은 상기 적어도 2개의 캐패시터에 병렬 연결되고, 서로 스택(stack)된 제1 전원 스위치와 제2 전원 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 분압 회로의 캐패시터에 의해 분압되는 전압 간의 오프셋 전압에 기초하여 분압 스위칭을 제어함으로써 분압 회로의 캐패시터에 의해 분압되는 전압 밸런싱을 정밀하고 용이하게 수행할 수 있으며, 전압 밸런싱을 위해 분압 캐패시터에 별도의 회로를 첨부하지 않아 전력 소모를 저감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 일 실시형태를 개략적인 회로도.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 멀티 레벨 인버터에 채용된 제어부의 개략적인 회로도.
도 3a는 종래의 멀티 레벨 인버터의 분압 전압 그래프, 도 3b는 본 발명의 멀티 레벨 인버터에 채용된 제어부의 주요 부분의 전압 그래프, 도 3c는 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 분압 전압 그래프.
도 4는 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 다른 일 실시형태를 개략적인 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 일 실시형태를 개략적인 회로도이고, 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 멀티 레벨 인버터에 채용된 제어부의 개략적인 회로도이며, 도 3a는 종래의 멀티 레벨 인버터의 분압 전압 그래프, 도 3b는 본 발명의 멀티 레벨 인버터에 채용된 제어부의 주요 부분의 전압 그래프, 도 3c는 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 분압 전압 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 멀티 레벨 인버터(100)는 분압부(110), 인버터부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
분압부(110)는 입력 직류 전원(Vin)을 인가받아 특정 개수의 레벨을 갖는 직류 전원으로 분압할 수 있다.
이를 위해, 상기 복수의 캐패시터는 입력 직류 전원(Vin)이 인가되는 입력 직류 전원단 사이에 직렬 연결되는 두개의 캐패시터(C1,C2)를 포함할 수 있으며, 도시되지 않았지만 3 레벨 멀티 인버터의 경우 입력 직류 전원단 사이에 3개의 캐패시터가 직렬 연결되어 입력 직류 전원(Vin)을 3개의 직류 전원으로 분압할 수 있다.
인버터부(120)는 분압부(110)에 의해 분압된 직류 전원을 스위칭하여 교류 출력 신호(IA,VA)를 생성할 수 있다.
이를 위해, 인버터(120)는 복수의 전원 스위치(QU,QL)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 전원 스위치(QU,QL)은 분압부(110)에 병렬 연결되고, 입력 직류 전원단 사이에 스택(stack)되어 위치할 수 있다. 제1 전원 스위치(QU)와 제2 전원 스위치(QL)은 스위칭 제어 신호에 따라 분압된 직류 전원(DC_UP,DC_DOWN)을 각각 스위칭하여 교류 전원을 생성할 수 있는데, 도 3a에 도시된 바와 같이, 분압된 직류 전원(DC_UP1,DC_DOWN1)은 600V를 분압하는 경우 300V씩 분압되지 않고 오프셋 전압이 발생되어 330V, 270V 정도로 분압될 수 있다.
이에 따라, 제어부(130)는 분압된 직류 전원(DC_UP,DC_DOWN)의 오프셋 전압에 따라 제1 전원 스위치(QU)와 제2 전원 스위치(QL)의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어 신호를 생성할 수 있다.
제어부(130)는 오프셋 검출부(131), 변조부(132) 및 신호 생성부(133)를 포함할 수 있다.
오프셋 검출부(131)는 분압된 직류 전원(DC_UP1,DC_DOWN1)간의 오프셋 전압을 검출할 수 있고, 변조부(132)는 검출된 오프셋 전압에 따라 변조 신호를 생성할 수 있으며, 신호 생성부(133)는 변조부(132)로부터의 변조 신호와 사전에 설정된 캐리어 신호를 이용하여 제1 전원 스위치(QU)와 제2 전원 스위치(QL)의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어 신호를 생성할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 오프셋 검출부(131)는 비교기(131a), 안정화부(131b) 및 리미터(131c)를 포함할 수 있다.
비교기(131a)는 분압된 직류 전원(DC_UP1,DC_DOWN1) 간의 차를 검출할 수 있으며, 안정화부(131b)는 검출된 결과를 안정화시킬 수 있으며, 리미터(131c)는 안정화된 신호의 레벨을 신호 처리가 가능한 신호 레벨로 제한시킬 수 있다.
도 3b를 참조하면, 분압된 직류 전원(DC_UP,DC_DOWN)간의 오프셋 전압(Offset)과 비교기(131a)에 의한 분압된 직류 전원(DC_UP1,DC_DOWN1) 간의 차(Delta_DC)를 볼 수 있으며, 이는 제어부(130)의 오프셋 보정 동작이 반복되면서 분압된 직류 전원(DC_UP,DC_DOWN)간의 오프셋 전압(Offset)과 비교기(131a)에 의한 분압된 직류 전원(DC_UP1,DC_DOWN1) 간의 차(Delta_DC)이 점점 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 오프셋 보정 동작의 반복에 의해 분압된 직류 전원(DC_UP2,DC_DOWN2)의 전압 레벨에 오프셋 전압이 제거되고 전압 레벨이 균일하게 분압되는 것을 볼 수 있다.
도 2b를 참조하면, 변조부(132)는 사전에 설정된 변조 신호(M)에 오프셋 전압(Offset)을 더하여 수정된 변조 신호(MOD_M)을 생성하고, 도 2c를 참조하면, 신호 생성부(133)는 수정된 변조 신호(MOD_M)과 캐리어 신호를 비교하여 스위칭 제어 신호를 제공할 수 있다.
이때의 각 주요 부분의 신호 파형은 상술한 도 3b에 도시된 바와 같고, 상기 스위칭 제어 신호에 따라 제1 전원 스위치(QU)와 제2 전원 스위치(QL)는 캐패시터(C1,C2)에 분압된 전압(DC_UP,DC_DOWN) 레벨 간의 밸런싱을 도 3c와 같이 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 다른 일 실시형태를 개략적인 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 다른 일 실시형태(200)는 3상 교류 전원을 공급할 수 있으며, 이를 위해, 인버터부(220)는 3상 교류 전원(IA,VA, IB,VB, IC,VC)를 출력하기 위한 제1 내지 제3 인버터 암(221,222,223)을 구비할 수 있다.
제1 인버터 암(221)는 제1 및 제2 전원 스위치(QAU,QAL)는 분압부(210)에 병렬 연결되고, 입력 직류 전원단 사이에 스택(stack)되어 위치할 수 있으며, 제어부(230)의 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭하여 분압된 직류 전원을 스위칭할 수 있다.
마찬가지로, 제2 및 제3 인버터 암(222,223)는 각각 제3 및 제4 전원 스위치(QBU,QBL)와 제5 및 제6 전원 스위치(QCU,QCL)을 포함할 수 있으며, 제3 및 제4 전원 스위치(QBU,QBL)와 제5 및 제6 전원 스위치(QCU,QCL)는 도시된 바와 같이 분압부(210)에 병렬 연결되고, 입력 직류 전원단 사이에 스택(stack)되어 위치할 수 있으며, 제어부(230)의 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭하여 분압된 직류 전원을 스위칭할 수 있다.
이외의 분압부(210) 및 오프셋 검출부(231), 변조부(232) 및 신호 생성부(233)를 갖는 제어부(230)는 도 1에 도시된 본 발명의 멀티 레벨 인버터의 일 실시형태(100)에 포함된 인버터부(110) 및 제어부(130)와 그 동작 및 기능이 동일 또는 유사하므로, 상세한 설명은 생략하도록 한다. 다만, 제어부(230)의 신호 생성부(233)는 인버터부(220)의 제1 내지 제3 인버터 암(221,222,223)의 각 전원 스위치를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 분압 회로의 캐패시터에 의해 분압되는 전압 간의 오프셋 전압에 기초하여 분압 스위칭을 제어함으로써 분압 회로의 캐패시터에 의해 분압되는 전압 밸런싱을 정밀하고 용이하게 수행할 수 있으며, 전압 밸런싱을 위해 분압 캐패시터에 별도의 회로를 첨부하지 않아 전력 소모를 저감할 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.
100, 200: 멀티 레벨 인버터
110, 210: 분압부
120, 220: 인버터부
130, 230: 제어부
131, 231: 오프셋 검출부
132, 232,: 변조부
133, 233: 신호 생성부

Claims (12)

  1. 입력 직류 전원을 분압하는 복수의 캐패시터를 갖는 분압부;
    분압된 직류 전원을 스위칭하여 사전에 설정된 교류 전원을 출력하는 인버터부; 및
    상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋에 따라 상기 인버터부의 스위칭을 제어하는 제어 신호를 제공하는 제어부
    를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋 전압을 검출하는 오프셋 검출부;
    사전에 설정된 변조 신호를 상기 오프셋 검출부에 의해 검출된 오프셋 전압에 따라 가변하는 변조부; 및
    상기 변조부로부터의 변조 신호와 사전에 설정된 캐리어(carrier) 신호에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 신호 생성부
    를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오프셋 검출부는
    상기 분압된 전압 각각의 전압 레벨을 서로 비교하는 비교기;
    상기 비교기로부터의 비교 결과 신호를 안정화시키는 안정화부; 및
    상기 안정화부로부터의 신호의 레벨을 제한하는 리미터
    를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 분압된 전압 간의 오프셋이 제거될 때까지 오프셋 검출-변조-신호 생성의 루프를 반복하는 멀티 레벨 인버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분압부는 상기 입력 직류 전원이 인가되는 입력 직류 전원 단 사이에 직렬 연결된 적어도 2개의 캐패시터를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 인버터부는 상기 적어도 2개의 캐패시터에 병렬 연결되고, 서로 스택(stack)된 제1 전원 스위치와 제2 전원 스위치를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  7. 입력 직류 전원을 분압하는 복수의 캐패시터를 갖는 분압부;
    분압된 직류 전원을 각각 스위칭하여 3상 교류 전원을 출력하는 3개의 인버터 암을 갖는 인버터부; 및
    상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋에 따라 상기 인버터부의 3개의 인버터 암의 스위칭을 제어하는 제어 신호를 제공하는 제어부
    를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수의 캐패시터에 의해 분압된 전압 간의 오프셋 전압을 검출하는 오프셋 검출부;
    사전에 설정된 변조 신호를 상기 오프셋 검출부에 의해 검출된 오프셋 전압에 따라 가변하는 변조부; 및
    상기 변조부로부터의 변조 신호와 사전에 설정된 캐리어(carrier) 신호에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 신호 생성부
    를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오프셋 검출부는
    상기 분압된 전압 각각의 전압 레벨을 서로 비교하는 비교기;
    상기 비교기로부터의 비교 결과 신호를 안정화시키는 안정화부; 및
    상기 안정화부로부터의 신호의 레벨을 제한하는 리미터
    를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 분압된 전압 간의 오프셋이 제거될 때까지 오프셋 검출-변조-신호 생성의 루프를 반복하는 멀티 레벨 인버터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 분압부는 상기 입력 직류 전원이 인가되는 입력 직류 전원단 사이에 직렬 연결된 적어도 2개의 캐패시터를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 3개의 인버터 암 각각은 상기 적어도 2개의 캐패시터에 병렬 연결되고, 서로 스택(stack)된 제1 전원 스위치와 제2 전원 스위치를 포함하는 멀티 레벨 인버터.
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