KR20160027408A - Cascaded multilevel ac-ac converter - Google Patents

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KR20160027408A
KR20160027408A KR1020140114034A KR20140114034A KR20160027408A KR 20160027408 A KR20160027408 A KR 20160027408A KR 1020140114034 A KR1020140114034 A KR 1020140114034A KR 20140114034 A KR20140114034 A KR 20140114034A KR 20160027408 A KR20160027408 A KR 20160027408A
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Abstract

A cascade multilevel AC-AC converter is disclosed. The cascade multilevel AC-AC converter comprises: multiple single-phase AC-AC converters, each of which includes two switch pairs and a coupling inductor; and a control unit which controls each switch in the single-phase AC-AC converters to perform an alternating current signal converting operation, wherein each of the single-phase AC-AC converters forms a current path from a power supply to a ground through the coupling inductor in a switching state where the two switch pairs are turned on or off.

Description

다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터{CASCADED MULTILEVEL AC-AC CONVERTER}Multi-level multi-level AC-AC converter {CASCADED MULTILEVEL AC-AC CONVERTER}

본 발명은 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 커뮤테이션 문제를 해결 가능한 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-stage multi-level AC-AC converter, and more particularly to a multi-stage multi-level AC-AC converter capable of solving commutation problems.

교류 전원의 크기 또는 주파수를 변환하기 위한 AC-AC 컨버터에 있어서, 종래의 교류 전원을 변환하기 위한 컨버터의 토폴로지는, AC 전원에 다이오드 또는 PWM 정류기를 거쳐 DC 링크를 가진 PWM 전압형 인버터를 이용하여 AC 전원을 출력하는 비직접형 AC-DC-AC 컨버터가 있었다. 이러한 비직접형 AC-DC-AC 컨버터는 교류 전원의 직류 변환을 위한 정류회로 및 제어를 요하고, 일반적인 어플리케이션에서 레귤레이터를 요할 때, 컨버터 회로의 복잡성의 증가와 용적이 차지하는 크기와 비용이 증가하는 단점이 있었다.In an AC-AC converter for converting the size or frequency of an AC power source, a conventional topology of a converter for converting an AC power is a PWM voltage inverter having a DC link via a diode or a PWM rectifier to an AC power source There was a non-direct type AC-DC-AC converter that outputs AC power. Such non-direct type AC-DC-AC converters require rectification circuitry and control for DC conversion of the AC power source, and when the regulator is required in general applications, the complexity of the converter circuit increases and the size and cost There were disadvantages.

도 1은 종래의 단상 직접형 AC-AC 컨버터의 회로를 도시하고 있다. 그리고, 도 2는 도 1의 단상 직접형 AC-AC 컨버터의 스위치들을 제어하기 위한 제어신호 파형의 예를 도시하고 있다.FIG. 1 shows a circuit of a conventional single-phase direct-type AC-AC converter. 2 shows an example of a control signal waveform for controlling the switches of the single-phase direct AC-AC converter of FIG.

도 1을 참조하면, PWM AC-AC 컨버터 또는 AC-AC 초퍼(chopper)라 불리우는 AC-AC 컨버터의 기본 토폴로지(topology) 중에서 강압형 벅 타입(100), 승압형 부스트 타입(100') 그리고 벅-부스트 타입(100'') 세 가지 회로를 도시하고 있다. Referring to FIG. 1, in a basic topology of an AC-AC converter called a PWM AC-AC converter or an AC-AC chopper, a buck type 100, a boost type 100 ' - Boost type (100 ").

그리고, 도 2를 참조하면, 삼각파 v_tri가 기준 전압 v_ref보다 큰 구간에서 컨버터의 스위치 S1, S4에 대한 제어 신호는 0이 되고, 스위치 S2, S3에 대한 제어 신호는 1이 된다. 반대로, 삼각파 v_tri가 기준 전압 v_ref보다 작은 구간에서 컨버터의 스위치 S1, S4에 대한 제어 신호는 1이 되고, 스위치 S2, S3에 대한 제어 신호는 0이 된다.2, when the triangular wave v_tri is larger than the reference voltage v_ref, the control signal for the switches S1 and S4 of the converter becomes 0, and the control signal for the switches S2 and S3 becomes 1. On the contrary, the control signal for the switches S1 and S4 of the converter becomes 1 and the control signal for the switches S2 and S3 becomes 0 in a section where the triangular wave v_tri is smaller than the reference voltage v_ref.

이와 같이 위 세 가지 컨버터의(100, 100', 100'') 교류 컨버팅을 위한 제어 신호는, 교류 변환을 위하여 각 회로에 포함된 네 개의 스위치 S1 내지 S4의 스위칭 동작을 스위치 S1 및 S4 한 쌍과 스위치 S2 및 S3 한 쌍이 동시에 턴 온, 턴 오프 되도록, 상보적(complementary)으로 수행하여야 한다. 다시 말하면, 스위치 S1 및 S4가 턴 온하는 타이밍에 S2 및 S3는 턴 오프되어야 하고, 반대로 스위치 S1 및 S4가 턴 오프하는 타이밍에 S2 및 S3는 턴 온 되어야 한다.The control signals for the (100, 100 ', 100 ") AC conversion of the above three converters are used for switching the switching operations of the four switches S1 to S4 included in each circuit for the AC conversion to one pair And a pair of switches S2 and S3 must be complementarily turned on and off at the same time. In other words, S2 and S3 must be turned off at the timing when the switches S1 and S4 turn on, and conversely, S2 and S3 must be turned on at the timing when the switches S1 and S4 are turned off.

이러한 도 2와 같은 스위칭 제어에 의한 컨버터의 구동은 이상적인 설계이며, 실제 구현에 있어서, 스위치의 온, 오프가 동시에 이루어지는 것은 어렵다. 실제 AC-AC 초퍼의 네 개의 스위치는 모두 턴 온 상태이거나, 턴 오프 상태인 시구간이 존재할 수 있다. The driving of the converter by the switching control as shown in Fig. 2 is an ideal design, and in actual implementation, it is difficult to simultaneously turn on and off the switch. Actually, all four switches of the AC-AC chopper may be in a turn-on state or there may be a time period in a turn-off state.

네 개의 스위치가 모두 턴 온 상태인 오버랩 타임(overlap-time)에서는, 전원에 직렬 연결된 네 개의 반도체 스위치 소자가 쇼트(short)상태에 놓이기 때문에, 과전류로 인한 고장의 우려가 있다. 그리고, 네 개의 스위치가 모두 턴 오프 상태인 데드 타임(dead-time)에서는 입/출력 인덕터에 저장된 에너지가 방출되기 위한 경로가 없엊져서 스위치에 과전압이 인가되어, 이 역시 스위치에 상당한 데미지로 작용한다.In an overlap-time in which all four switches are turned on, four semiconductor switch elements connected in series to the power supply are placed in a short state, which may cause failure due to overcurrent. At dead-time when all four switches are turned off, there is no path for the energy stored in the input / output inductor to be released, and an overvoltage is applied to the switch, which also causes significant damage to the switch .

위와 같이 직렬형 컨버터의 스위치의 데미지를 최소화하고 소자를 보호하기 위하여, RC 스너버 회로를 이용할 수 있지만, 스너버 회로는 부피가 크고 컨버터의 성능을 저하시키는 문제가 있었다.Although the RC snubber circuit can be used in order to minimize the damage of the switch of the series converter and to protect the device as described above, the snubber circuit is bulky and deteriorates the performance of the converter.

몇몇 소프트 커뮤테이션 방법이 제시되었으나, 대부분 컨버터의 입력전압 또는 전류의 극성(polarity)를 센싱하는 방식을 채용하였다. 이 경우에서도, 컨버터의 입력전압 또는 전류가 특히 영점 부근에서 심하게 왜곡되는 경우, 컨버터의 안정성과 신뢰성을 확보할 수 없는 단점이 존재하였다.Several soft commutation methods have been proposed, but most of them employ a method of sensing the polarity of the input voltage or current of the converter. Even in this case, there is a disadvantage in that stability and reliability of the converter can not be ensured if the input voltage or current of the converter is severely distorted especially near the zero point.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 커뮤테이션 문제를 해결 가능한 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터를 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a multi-stage multi-level AC-AC converter capable of solving commutation problems.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터는, 두 개의 스위치 페어(pair) 및 결합 인덕터를 각각 포함하는 복수의 단상 AC-AC 컨버터 및 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 내의 각 스위치들을 제어하여 교류 신호 컨버팅(converting) 동작을 수행하는 제어부를 포함하며, 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 각각은, 상기 두 개의 스위치 페어가 모두 온 또는 오프되는 스위칭 상태에서, 전원으로부터 상기 결합 인덕터를 경유하여 접지로 연결되는 전류 경로를 형성한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-stage multi-level AC-AC converter including a plurality of single-phase AC-AC converters each including two switch pairs and coupling inductors, Phase AC-AC converter, wherein each of the plurality of single-phase AC-AC converters has a switching state in which the two switch pairs are turned on or off, Forms a current path from the power source to the ground via the coupling inductor.

이 경우, 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터의 출력단은 서로 직렬 연결될 수 있다.In this case, the output terminals of the plurality of single-phase AC-AC converters may be connected in series with each other.

한편, 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 각각은, 직렬 연결된 스위치 및 다이오드를 복수개 포함하는 제1 및 제2 스위칭 셀, 상기 제1 스위칭 셀 내에서 상기 스위치와 다이오드를 연결하는 두 중간 노드에 연결된 제1 결합 인덕터, 상기 제2 스위칭 셀 내에서 상기 스위치와 다이오드를 연결하는 두 중간 노드에 연결된 제2 결합 인덕터, 상기 제1 스위칭 셀과 병렬 연결된 제1 커패시터 및 상기 제2 스위칭 셀과 병렬 연결된 제2 커패시터를 포함할 수 있다.Each of the plurality of single-phase AC-AC converters includes first and second switching cells including a plurality of series-connected switches and diodes, a first switching cell connected to two intermediate nodes connecting the switch and the diode in the first switching cell, A second coupling inductor coupled to two intermediate nodes connecting the switch and the diode in the second switching cell, a first capacitor connected in parallel with the first switching cell, and a second capacitor coupled in parallel with the second switching cell, Capacitors.

이 경우, 상기 제1 스위칭 셀은, 제1 스위치 및 제2 다이오드가 배치된 제1 스위칭 암 및 제1 다이오드 및 제2 스위치가 배치된 제2 스위칭 암을 포함하고, 상기 제1 결합 인덕터의 제1 단은, 상기 제1 스위칭 암 내에서 제1 스위치 및 제2 다이오드 사이를 연결하는 A 노드에 연결되고, 상기 제1 결합 인덕터의 제2 단은, 상기 제2 스위칭 암 내에서 제1 다이오드 및 제2 스위치 사이를 연결하는 B 노드에 연결되며, 상기 제2 스위칭 셀은, 제3 스위치 및 제4 다이오드가 배치된 제3 스위칭 암 및 제3 다이오드 및 제4 스위치가 배치된 제4 스위칭 암을 포함하고, 상기 제2 결합 인덕터의 제1 단은, 상기 제3 스위칭 암 내에서 제3 스위치 및 제4 다이오드 사이를 연결하는 C 노드에 연결되고, 상기 제2 결합 인덕터의 제2 단은, 상기 제4 스위칭 암 내에서 제3 다이오드 및 제4 스위치 사이를 연결하는 D 노드에 연결되며, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 하나의 제1 스위치 페어를 형성하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 하나의 제2 스위치 페어를 형성할 수 있다.In this case, the first switching cell may include a first switching arm in which a first switch and a second diode are disposed, and a second switching arm in which a first diode and a second switch are disposed, and the first switching arm of the first coupling inductor The first stage is connected to the A node connecting the first switch and the second diode in the first switching arm and the second stage of the first coupling inductor is connected to the first diode and the second diode in the second switching arm. And the second switching cell is connected to the third switching arm in which the third switch and the fourth diode are arranged and the fourth switching arm in which the third diode and the fourth switch are arranged, Wherein the first end of the second coupling inductor is connected to a node C connecting between the third switch and the fourth diode in the third switching arm and the second end of the second coupling inductor In the fourth switching arm, the third diode and the fourth diode And the first switch and the fourth switch form one first switch pair, and the second switch and the third switch form one second switch pair .

이 경우, 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 내의 상기 제1 및 제2 스위칭 셀로 교류 신호를 인가하는 교류 전원을 더 포함할 수 있다.In this case, an AC power source for applying an AC signal to the first and second switching cells in the plurality of single-phase AC-AC converters may be further included.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터는, 상기 제1 결합 인덕터에 연결된 인덕터, 상기 인덕터 및 상기 제2 결합 인덕터 사이에서 교류 신호를 인가하는 교류 전원 및 상기 직렬 연결된 제1 및 제2 커패시터와 병렬 연결되는 출력부를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the multi-stage multi-level AC-AC converter according to the embodiment of the present invention includes an inductor connected to the first coupling inductor, an AC power source for applying an AC signal between the inductor and the second coupling inductor, And an output unit connected in parallel with the second capacitor.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터는, 상기 제1 및 제2 결합 인덕터 사이를 연결하는 인덕터, 상기 제1 스위칭 셀 및 상기 제2 스위칭 셀 사이에 병렬 연결되어 상기 제1 및 제2 스위칭 셀로 교류 신호를 인가하는 교류 전원을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, a multi-stage multi-level AC-AC converter according to an embodiment of the present invention includes an inductor connecting between the first and second coupling inductors, a parallel switching unit connected in parallel between the first switching cell and the second switching cell, 1 and the second switching cell, as shown in FIG.

한편, 상기 제어부는, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치의 온-오프 동작을 같이하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온-오프 동작을 같이하도록 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터를 제어하는 복수의 제어신호를 생성하며, 상기 복수의 제어신호는, 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터의 개수에 따라 상호간에 기설정된 위상차를 가질 수 있다. On the other hand, the control unit controls the plurality of single-phase AC-AC converters so that the on-off operation of the first switch and the fourth switch coincides with the on-off operation of the second switch and the third switch, And the plurality of control signals may have mutually predetermined phase differences according to the number of the plurality of single-phase AC-AC converters.

도 1은 종래의 단상 직접형 AC-AC 컨버터의 회로를 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 단상 직접형 AC-AC 컨버터의 스위치들을 제어하기 위한 제어신호 파형의 예를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 구성을 나타내는 블럭도,
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 단상 AC-AC 컨버터로 사용 가능한 세부 구성을 설명하기 위한 회로도,
도 5는 도 4a 내지 도 4c의 단상 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 신호 파형도,
도 6a 내지 도 6d는 도 4b의 단상 AC-AC 컨버터의 도 5의 제어 신호에 의한 전류 흐름을 도시한 도면,
도 7은 도 4a 내지 도 4c의 두 스위칭 암의 스위칭 상태에 따라 결합 인덕터의 출력 전압을 설명하기 위한 등가 회로도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 2단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 세부 구성을 설명하기 위한 회로도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 세부 구성을 설명하기 위한 회로도,
도 10은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제1 신호 파형도,
도 11은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제2 신호 파형도,
도 12은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제3 신호 파형도,
도 13은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제4 신호 파형도, 그리고,
도 14 내지 도 15는 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터를 실험을 통해 측정한 파형도이다.1 shows a circuit of a conventional single-phase direct-type AC-AC converter,
2 is a diagram showing an example of a control signal waveform for controlling switches of the single-phase direct AC-AC converter of Fig. 1,
3 is a block diagram showing a configuration of a multi-stage multi-level AC-AC converter according to an embodiment of the present invention,
Figures 4A-4C are circuit diagrams illustrating a detailed configuration that can be used with the single-phase AC-AC converter of Figure 3,
5 is a signal waveform diagram for controlling a switch of the single-phase AC-AC converter of Figs. 4A to 4C, Fig.
Figures 6a-6d illustrate current flow by the control signal of Figure 5 of the single-phase AC-AC converter of Figure 4b,
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram for explaining the output voltage of the coupling inductor according to the switching states of the two switching arms of FIGS. 4A to 4C;
8 is a circuit diagram for illustrating a detailed configuration of a two-stage multi-level AC-AC converter according to an embodiment of the present invention;
9 is a circuit diagram for illustrating a detailed configuration of a multi-stage multi-level AC-AC converter according to another embodiment of the present invention,
10 is a first signal waveform diagram for controlling a switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG. 8,
11 is a second signal waveform diagram for controlling the switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG. 8,
FIG. 12 is a third signal waveform diagram for controlling the switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG. 8;
FIG. 13 is a fourth signal waveform diagram for controlling a switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG. 8,
FIGS. 14 to 15 are waveform diagrams obtained by experimenting the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 구성을 나타내는 블럭도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a multi-stage multi-level AC-AC converter according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(300)는 복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M), 출력부(320) 및 제어부(330)를 포함한다. 그리고, 복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M) 각각은 두 개의 스위칭 셀(311, 313)과 두 개의 결합 인덕터(312, 314)를 포함한다.3, the multi-stage multi-level AC-AC converter 300 includes a plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2, ..., 310- 330). Each of the plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2, ..., 310-M includes two switching cells 311, 313 and two coupling inductors 312, 314 .

복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M)는 두 개의 스위치 페어(pair) 및 결합 인덕터를 각각 포함한다. 구체적으로, 복수의 단상 AC-AC 컨버터 각각은 제어부(330)의 제어에 의해 스위치의 스위칭 온/오프 동작을 같이하는 두 스위치를 포함하는 스위칭 페어를 두 개 포함하고 있으며, 인덕터 코일에 권선이 감긴 결합 인덕터(coupled inductor)를 포함할 수 있다. The plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2, ..., 310-M includes two switch pairs and coupling inductors, respectively. Specifically, each of the plurality of single-phase AC-AC converters includes two switching pairs including two switches that switch on / off operation of the switches under the control of the control unit 330. The inductor coils are wound And may include a coupled inductor.

여기서, 복수의 단상 AC-AC 컨버터 각각은 직렬 연결된 스위치 및 다이오드를 포함하는 복수의 스위칭 셀 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 결합 인덕터는, 스위칭 셀 내의 스위치와 다이오드를 연결하는 중간 노드와 연결된다. Here, each of the plurality of single-phase AC-AC converters may have a plurality of switching cell structures including a series-connected switch and a diode. In this case, the coupling inductor is connected to an intermediate node connecting the switch and the diode in the switching cell.

보다 구체적으로, 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)는 복수의 스위치 및 복수의 다이오드를 포함하는 제1 스위칭 셀(311)과 제2 스위칭 셀(313)이 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)로 입력되는 교류 전원의 양단과 연결되고, 제1 스위칭 셀(311)과 제2 스위칭 셀(313)과 각각 연결된 제1 결합 인덕터(312) 및 제2 결합 인덕터(314)로부터 제1 단상 AC-AC 컨버터가 컨버팅(converting)한 교류 신호를 출력할 수 있다.More specifically, the first single-phase AC-AC converter 310-1 includes a first switching cell 311 and a second switching cell 313 including a plurality of switches and a plurality of diodes, And a first coupling inductor 312 and a second coupling inductor 314 connected to both ends of the AC power input to the first switching cell 311 and the second switching cell 313, The first single-phase AC-AC converter can output an AC signal converted.

또는, 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)는 제1 스위칭 셀(311)과 제2 스위칭 셀(313)과 각각 연결된 제1 결합 인덕터(312) 및 제2 결합 인덕터(314)에 교류 전원이 입력되고, 복수의 스위치 및 복수의 다이오드를 포함하는 제1 스위칭 셀(311)과 제2 스위칭 셀(313)로 제1 단상 AC-AC 컨버터가 컨버팅(converting)한 교류 신호가 출력될 수 있다.Alternatively, the first single-phase AC-AC converter 310-1 is connected to the first coupling inductor 312 and the second coupling inductor 314, which are respectively connected to the first switching cell 311 and the second switching cell 313, An AC signal converted by the first single-phase AC-AC converter is output to the first switching cell 311 and the second switching cell 313 including a plurality of switches and a plurality of diodes, have.

또는, 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)는 제1 스위칭 셀(311)과 제2 스위칭 셀(313) 각각의 일단에 교류 전원이 입력되고, 타단으로 교류 전원을 출력할 수 있다. 여기서 제1 스위칭 셀(311)및 제2 스위칭 셀(313)과 각각 결합된 제1 및 제2 결합 인덕터(312, 314)는 인덕터로 연결될 수 있다.Alternatively, the first single-phase AC-AC converter 310-1 may receive AC power at one end of each of the first switching cell 311 and the second switching cell 313 and output AC power at the other end thereof. Here, the first and second coupling inductors 312 and 314 coupled to the first switching cell 311 and the second switching cell 313, respectively, may be connected to the inductor.

그리고, 복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M) 각각은, 두 개의 스위치 페어가 모두 온 또는 오프되는 스위칭 상태에서, 전원으로부터 결합 인덕터를 경유하여 접지로 연결되는 전류 경로를 형성할 수 있다.Then, each of the plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2, ..., 310-M is switched from the power source through the coupling inductor in the switching state in which both of the two switch pairs are turned on or off It is possible to form a current path connected to the ground.

그리고 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)에 포함된 제1 스위칭 셀(311)은, 제1 스위치 및 제2 다이오드가 배치된 제1 스위칭 암 및 제1 다이오드 및 제2 스위치가 배치된 제2 스위칭 암을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 결합 인덕터(312)의 제1 단은 제1 스위칭 암 내에서 제1 스위치 및 제2 다이오드 사이를 연결하는 A 노드에 연결되고, 제1 결합 인덕터(312)의 제2 단은, 제2 스위칭 암 내에서 제1 다이오드 및 제2 스위치 사이를 연결하는 B 노드에 연결될 수 있다.The first switching cell 311 included in the first single-phase AC-AC converter 310-1 includes a first switching arm in which a first switch and a second diode are disposed, and a second switching arm in which a first diode and a second switch are disposed And may include a second switching arm. The first end of the first coupling inductor 312 is connected to the A node connecting the first switch and the second diode in the first switching arm and the second end of the first coupling inductor 312 is connected to the A- And to the B node connecting the first diode and the second switch within the second switching arm.

그리고 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)에 포함된 제2 스위칭 셀(313)은, 제3 스위치 및 제4 다이오드가 배치된 제3 스위칭 암 및 제3 다이오드 및 제4 스위치가 배치된 제4 스위칭 암을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 결합 인덕터(314)의 제1 단은 제3 스위칭 암 내에서 제3 스위치 및 제4 다이오드 사이를 연결하는 C 노드에 연결되고, 제2 결합 인덕터(314)의 제2 단은, 제4 스위칭 암 내에서 제3 다이오드 및 제4 스위치 사이를 연결하는 D 노드에 연결될 수 있다.The second switching cell 313 included in the first single-phase AC-AC converter 310-1 includes a third switching arm in which the third switch and the fourth diode are disposed, and a third switching arm in which the third diode and the fourth switch are disposed And may include a fourth switching arm. The first end of the second coupling inductor 314 is connected to the C node connecting between the third switch and the fourth diode in the third switching arm and the second end of the second coupling inductor 314 is connected to the third node, And a D node connecting between the third diode and the fourth switch in the fourth switching arm.

여기서, 제1 스위치 및 제4 스위치는 하나의 제1 스위치 페어를 형성할 수 있으며, 제2 스위치 및 제3 스위치는 하나의 제2 스위치 페어를 형성할 수 있다.Here, the first switch and the fourth switch may form one first switch pair, and the second switch and the third switch may form one second switch pair.

본 발명의 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(300)의 각 단상 AC-AC 컨버터의 구체적인 구성 및 동작은 도 4 내지 도 7을 참조하여 후술한다.The specific configuration and operation of each single-phase AC-AC converter of the multi-stage multi-level AC-AC converter 300 according to the embodiment of the present invention will be described later with reference to FIGS.

출력부(320)는 복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M) 각각의 출력을 수신하여 부하에 전달한다. 구체적으로, 출력부(320)는 복수의 단상 AC-AC 컨버터의 출력단이 직렬 연결된 모든 단을 포함한다. 출력부(320)의 구체적인 구성 및 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.The output unit 320 receives the outputs of the plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2,. Specifically, the output section 320 includes all the stages in which the output stages of the plurality of single-phase AC-AC converters are connected in series. The specific configuration and description of the output unit 320 will be described later with reference to FIG.

제어부(330)는 복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M) 내의 각 스위치들을 제어하여 교류 신호 컨버팅(converting) 동작을 수행하도록 한다. 구체적으로, 제어부(330)는 두 스위치 페어가 온 오프 동작을 동시에 수행하도록 하는 제어 신호를 생성하여 복수의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-2, ... , 310-M)에 전달할 수 있다. The controller 330 controls the switches in the plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2, ..., and 310-M to perform an AC signal converting operation. More specifically, the control unit 330 generates a control signal for causing the two switch pairs to simultaneously perform the on-off operation and outputs the control signals to the plurality of single-phase AC-AC converters 310-1, 310-2, ..., 310-M .

여기서 제어부(330)가 생성하는 제어 신호는 PWM 방식이다. 그리고, 제어부(330)가 생성하는 제어신호의 위상은 복수의 단상 AC-AC 컨버터의 개수에 따라 지연된다. Here, the control signal generated by the control unit 330 is PWM. The phase of the control signal generated by the control unit 330 is delayed according to the number of the plurality of single-phase AC-AC converters.

보다 구체적으로, 제어부(330)는 제1 단상 AC-AC 컨버터(310-1)에 포함된 일 스위칭 페어인 제1 스위치 및 제4 스위치의 온-오프 동작을 같이하고, 다른 스위칭 페어인 제2 스위치 및 제3 스위치의 온-오프 동작을 같이하도록 제어하는 제어신호를 생성할 수 있다. 구체적인 제어부(330)가 생성하는 제어신호의 신호파형은 도 5, 도 10 내지 도 13을 참조하여 후술한다.
More specifically, the control unit 330 combines the on-off operation of the first switch and the fourth switch, which are one of the switching pairs included in the first single-phase AC-AC converter 310-1, A control signal for controlling the on-off operation of the switch and the third switch together can be generated. The signal waveform of the control signal generated by the concrete control unit 330 will be described later with reference to FIG. 5, FIG. 10 to FIG.

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 단상 AC-AC 컨버터로 사용 가능한 세부 구성을 설명하기 위한 회로도이다.4A to 4C are circuit diagrams illustrating a detailed configuration that can be used with the single-phase AC-AC converter of FIG.

도 4a에서는 도 3의 단상 AC-AC 컨버터의 일 실시예에 따른 회로도를 도시한다. 도 4a를 참조하면, 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(300)의 기본 단위가 되는 유닛 셀(Unit Cell, 400)은 단상 AC-AC 컨버터(310-1), 교류 전원(410) 및 출력부(480)를 포함한다. 그리고, 단상 AC-AC 컨버터(310-1)는 제1 스위칭 셀(311), 제2 스위칭 셀(313), 제1 결합 인덕터(312), 제2 결합 인덕터(314), 제1 커패시터(460) 및 제2 커패시터(470)을 포함한다.4A shows a circuit diagram according to one embodiment of the single-phase AC-AC converter of FIG. 4A, a unit cell 400 serving as a basic unit of the multi-stage multi-level AC-AC converter 300 includes a single-phase AC-AC converter 310-1, an AC power source 410, 480). The single-phase AC-AC converter 310-1 includes a first switching cell 311, a second switching cell 313, a first coupling inductor 312, a second coupling inductor 314, a first capacitor 460 And a second capacitor 470.

교류 전원(410)은 단상 AC-AC 컨버터(310-1)에 교류 전원을 공급한다. 구체적으로, 교류 전원(410)은 제1 스위칭 셀(311) 및 제2 스위칭 셀(313)에 각각 병렬 연결된 제1 커패시터(460) 및 제2 커패시터(470) 둘과 병렬 연결되어 제1 및 제2 스위칭 셀(311, 313)에 교류 신호를 전달할 수 있다. The AC power supply 410 supplies AC power to the single-phase AC-AC converter 310-1. Specifically, the AC power source 410 is connected in parallel to both the first capacitor 460 and the second capacitor 470, which are connected in parallel to the first switching cell 311 and the second switching cell 313, 2 switching cells 311 and 313, respectively.

제1 스위칭 셀(311)은 제1 및 제2 스위칭 암(420, 430)을 포함하고 있으며, 각 제1 및 제2 스위칭 암(420, 430)에는 직렬 연결된 다이오드와 스위치가 순서를 달리하여 연결될 수 있다. 그리고, 두 스위칭 암(420, 430)의 스위치 및 다이오드를 직렬 연결하는 중간 노드에는 제1 결합 인덕터(312)의 양 단이 연결될 수 있다. 여기서 제1 및 제2 스위칭 암(420, 430)에 각각 포함된 제2 다이오드 D2 및 제1 다이오드 D1의 방향은 제1 다이오드 D1는 캐소드가 교류 전원(410)의 플러스 단과 연결되고, 애노드가 제1 결합 인덕터(312) 및 제2 스위치와 연결되며, 제2 다이오드 D2는 캐소드가 제1 스위치 및 제1 결합인덕터(312)와 연결되고 애노드가 접지와 연결된다.The first switching cell 311 includes first and second switching arms 420 and 430. The first and second switching arms 420 and 430 are connected in series with diodes and switches connected in series. . Both ends of the first coupling inductor 312 may be connected to the intermediate node connecting the switches and the diodes of the two switching arms 420 and 430 in series. Here, the direction of the second diode D2 and the first diode D1 included in the first and second switching arms 420 and 430 is such that the first diode D1 is connected to the positive terminal of the AC power source 410, 1 coupling inductor 312 and the second switch, and the cathode of the second diode D2 is connected to the first switch and the first coupling inductor 312 and the anode is connected to the ground.

제2 스위칭 셀(313)은 제3 및 제4 스위칭 암(440, 450)을 포함하고 있으며, 각 제3 및 제4 스위칭 암(440, 450)에는 직렬 연결된 다이오드와 스위치가 순서를 달리하여 연결될 수 있다. 그리고, 두 스위칭 암(440, 450)의 스위치 및 다이오드를 직렬 연결하는 중간 노드에는 제2 결합 인덕터(314)의 양 단이 연결될 수 있다. 여기서 제3 및 제4 스위칭 암(440, 450)에 각각 포함된 제4 다이오드 D4 및 제3 다이오드 D3의 방향은 제4 다이오드 D4는 캐소드가 교류 전원(410)의 마이너스 단과 연결되고, 애노드가 제2 결합 인덕터(314) 및 제3 스위치와 연결되며, 제3 다이오드 D3는 캐소드가 제4 스위치 및 2 결합인덕터(314)와 연결되고 애노드가 접지와 연결된다.The second switching cell 313 includes third and fourth switching arms 440 and 450. The third and fourth switching arms 440 and 450 are connected in series with diodes and switches connected in series, . Both ends of the second coupling inductor 314 can be connected to the intermediate node connecting the switches and the diodes of the two switching arms 440 and 450 in series. Here, the directions of the fourth diode D4 and the third diode D3 included in the third and fourth switching arms 440 and 450, respectively, are such that the cathode of the fourth diode D4 is connected to the negative terminal of the AC power source 410, 2 coupling inductor 314 and the third switch, the cathode of the third diode D3 is connected to the fourth switch and the two coupling inductors 314, and the anode is connected to the ground.

즉, 일 실시예에 따른 단상 AC-AC 컨버터(310-1)는 접지를 중심으로 두 스위칭 셀이 대칭적인 구조이다.That is, the single-phase AC-AC converter 310-1 according to one embodiment has a structure in which two switching cells are symmetric about the ground.

출력부(480)는 입력되는 교류 전원(410)의 전력을 단상 AC-AC 컨버터(310-1)에 두 스위칭 셀(311, 313)의 스위칭 동작에 의해 컨버팅된 교류 신호를 수신하여 부하에 전달할 수 있다. 구체적으로, 출력부(480)는 제1 스위칭 셀(311)에 연결된 제1 결합 인덕터(312)와 제2 스위칭 셀(313)에 연결된 제2 결합 인덕터(314)의 출력단과 연결될 수 있으며, 출력부(480)의 내부에는 출력 필터 인덕터와 출력 필터 커패시터를 포함하고, 출력 필터 커패시터와 병렬 연결되는 출력단을 구성할 수 있다.  The output unit 480 receives the alternating current signal converted by the switching operation of the two switching cells 311 and 313 to the single phase AC-AC converter 310-1 and transmits the AC signal to the load . The output unit 480 may be connected to the output ends of the first coupling inductor 312 connected to the first switching cell 311 and the second coupling inductor 314 connected to the second switching cell 313, Inside the unit 480, an output filter inductor and an output filter capacitor are included, and an output terminal connected in parallel with the output filter capacitor can be configured.

도 4b에서는 도 3의 단상 AC-AC 컨버터의 다른 실시예에 따른 회로도를 도시한다. 도 4b를 참조하면, 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(300)의 기본 단위가 되는 유닛 셀(400')은 단상 AC-AC 컨버터(310-1'), 교류 전원(410') 및 출력부(480')을 포함한다. 그리고, 단상 AC-AC 컨버터(310-1`)는 제1 스위칭 셀(311`), 제2 스위칭 셀(313`), 제1 결합 인덕터(312`), 제2 결합 인덕터(314`), 제1 커패시터(460`) 및 제2 커패시터(470`)을 포함한다.Fig. 4B shows a circuit diagram according to another embodiment of the single-phase AC-AC converter of Fig. Referring to FIG. 4B, a unit cell 400 'serving as a basic unit of the multi-stage multi-level AC-AC converter 300 includes a single-phase AC-AC converter 310-1', an AC power source 410 ' 480 '. The single-phase AC-AC converter 310-1` includes a first switching cell 311`, a second switching cell 313`, a first coupling inductor 312`, a second coupling inductor 314`, A first capacitor 460 'and a second capacitor 470'.

교류 전원(410`)은 단상 AC-AC 컨버터(310-1`)에 교류 전원을 공급한다. 구체적으로, 교류 전원(410`)은 제1 스위칭 셀(311')에 연결된 제1 결합 인덕터(312')와 제2 스위칭 셀(313')에 연결된 제2 결합 인덕터(314')를 입력단으로 하는 단상 AC-AC 컨버터(310-1')에 교류 신호를 전달할 수 있다.The AC power source 410 'supplies AC power to the single-phase AC-AC converter 310-1'. Specifically, the AC power source 410 'includes a first coupling inductor 312' connected to the first switching cell 311 'and a second coupling inductor 314' connected to the second switching cell 313 ' AC-to-AC converter 310-1 ', which is a single-phase AC-to-AC converter.

제1 스위칭 셀(311'), 제2 스위칭 셀(313')의 스위칭 암(420', 430', 440', 450')과 각 스위칭 암에 포함된 스위치 및 다이오드의 구성 및 방향은 도 4a의 단상 AC-AC 컨버터(310-1)의 구조와 동일하므로 설명을 생략한다.The configuration and direction of the switching arms 420 ', 430', 440 ', and 450' of the first switching cell 311 'and the second switching cell 313' and the switches and diodes included in the respective switching arms are shown in FIG. Phase AC-AC converter 310-1 of FIG.

출력부(480')은 입력되는 교류 전원(410')의 전력을 단상 AC-AC 컨버터(310-1')에 두 스위칭 셀(311', 313')의 스위칭 동작에 의해 컨버팅된 교류 신호를 수신하여 부하에 전달할 수 있다. 구체적으로, 출력부(480')는 제1 및 제2 스위칭 셀(311', 313')에 각각 병렬 연결되어 있고, 서로 직렬 연결된 제1 커패시터(460') 및 제2 커패시터(470')와 병렬 연결되어 교류 신호를 출력할 수 있다. The output unit 480 'converts the power of the input AC power source 410' into an AC signal converted by the switching operation of the two switching cells 311 'and 313' to the single-phase AC-AC converter 310-1 ' Receive and deliver it to the load. Specifically, the output unit 480 'is connected in parallel to the first and second switching cells 311' and 313 ', respectively. The first and second capacitors 460' and 470 ' The AC signal can be output in parallel.

도 4c에서는 도 3의 단상 AC-AC 컨버터의 또 다른 실시예에 따른 회로도를 도시한다. 도 4c를 참조하면, 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(300)의 기본 단위가 되는 유닛 셀(400'')은 단상 AC-AC 컨버터(310-1''), 교류 전원(410'') 및 출력부(480'')을 포함한다. 그리고, 단상 AC-AC 컨버터(310-1'')는 제1 스위칭 셀(311''), 제2 스위칭 셀(313''), 제1 결합 인덕터(312''), 제2 결합 인덕터(314''), 제1 커패시터(460'') 및 제2 커패시터(470'')를 포함한다.Figure 4c shows a circuit diagram according to another embodiment of the single-phase AC-AC converter of Figure 3. Referring to FIG. 4C, a unit cell 400 '' serving as a basic unit of the multi-stage multi-level AC-AC converter 300 includes a single phase AC-AC converter 310-1 '', an AC power source 410 ' Output portion 480 ". The single-phase AC-AC converter 310-1 " includes a first switching cell 311 ", a second switching cell 313 ", a first coupling inductor 312 ", a second coupling inductor 314 ", a first capacitor 460 " and a second capacitor 470 ".

교류 전원(410'')은 단상 AC-AC 컨버터(310-1'')에 교류 전원을 공급한다. 구체적으로, 교류 전원(410'')은 제1 스위칭 셀(311') 및 제2 스위칭 셀(313'')의 두 일단을 입력단으로 하는 단상 AC-AC 컨버터(310-1'')에 교류 신호를 전달할 수 있다. 여기서 교류 전원(410'')은 병렬 연결된 커패시터를 더 포함할 수 있다.The AC power supply 410 '' supplies AC power to the single-phase AC-AC converter 310-1 ''. More specifically, the AC power source 410 '' is connected to a single-phase AC-AC converter 310-1 '' having two ends of the first switching cell 311 'and the second switching cell 313' Signal. Here, the AC power supply 410 '' may further include a capacitor connected in parallel.

제1 스위칭 셀(311''), 제2 스위칭 셀(313')의 스위칭 암(420'', 430'', 440'', 450'')과 각 스위칭 암에 포함된 스위치 및 다이오드의 구성 및 방향, 그리고, 제1 및 제2 커패시터(460', 470')의 연결관계는 도 4a 및 도 4b의 단상 AC-AC 컨버터(310-1, 310-1')의 구조와 동일하므로 설명을 생략한다.The switching arms 420 '', 430 ", 440 '' and 450 '' of the first switching cell 311 '' and the second switching cell 313 'and the configurations of the switches and diodes included in the respective switching arms Direction and the connection relationship between the first and second capacitors 460 'and 470' are the same as those of the single-phase AC-AC converters 310-1 and 310-1 'in FIGS. 4A and 4B, It is omitted.

여기서, 제1 및 제2 결합 인덕터(312'', 314'')의 연결 노드는 인덕터(490)에 의해 서로 연결된다.Here, the connection nodes of the first and second coupling inductors 312 ", 314 " are connected to each other by an inductor 490. [

출력부(480'')은 입력되는 교류 전원(410'')의 전력을 단상 AC-AC 컨버터(310-1'')에 두 스위칭 셀(311'', 313'')의 스위칭 동작에 의해 컨버팅된 교류 신호를 수신하여 부하에 전달할 수 있다. 구체적으로, 출력부(480'')는 제1 및 제2 스위칭 셀(311', 313')의 타단에 각각 연결되어 교류 신호를 출력할 수 있다. The output unit 480 '' outputs the power of the input AC power source 410 '' to the single-phase AC-AC converter 310-1 '' by switching operations of the two switching cells 311 '' and 313 ' The converted AC signal can be received and delivered to the load. Specifically, the output unit 480 '' is connected to the other end of the first and second switching cells 311 'and 313', respectively, and can output an AC signal.

참고로, 위 도 4a 내지 도 4c에 도시된 실시예에서 두 스위칭 셀에 교류 신호를 입력하고 두 스위칭로부터 교류 신호가 출력되는 각 입출력 단에 병렬 연결된 커패시터들은 저주파수 대역의 원하는 교류 신호를 전달하기 위한 필터로서 역할을 수행할 수 있으며, 회로의 부유 인덕턴스(stray inductance)로 인한 스위치 전압의 급격한 상승을 일으키는 오버슛(overshoot)을 억제하는 스너버 커패시터로서의 역할도 수행할 수 있다. 통상의 기술자라면 이와 같은 기능을 수행하는 다른 회로 및 소자가 이용될 수 있음은 자명하다.4A to 4C, the capacitors connected in parallel to the input and output stages, to which the AC signals are input to the two switching cells and the AC signals are output from the two switching cells, are used for transmitting the desired AC signals in the low frequency band And can also serve as a snubber capacitor that suppresses overshoot that causes a sudden rise in the switch voltage due to the stray inductance of the circuit. It will be apparent to those of ordinary skill in the art that other circuits and devices that perform such functions may be used.

위 본 발명의 실시예에 따른 도 4a 내지 도 4c에 도시된 구조의 유닛 셀(400, 400', 400'')은 모두 스위칭 셀 구조를 채용하고, 결합 인덕터를 이용하여 모든 스위치가 온/오프되는 상태에서 발생하는 커뮤테이션 문제를 해결하였으며, 이로 인하여 스위치를 비롯한 내부 소자들의 교류 신호 컨버팅 동작시에 매우 높은 강인성(robustness)을 갖는 효과가 있다.
The unit cells 400, 400 ', and 400''having the structures shown in FIGS. 4A to 4C according to an embodiment of the present invention all employ a switching cell structure, and all the switches are turned on / And thus has a very high robustness in an AC signal conversion operation of internal elements including a switch.

도 5는 도 4a 내지 도 4c의 단상 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 신호 파형도이다.5 is a signal waveform diagram for controlling the switches of the single-phase AC-AC converter of Figs. 4A to 4C.

도 5를 참조하면, 180도 위상차를 갖는 두 삼각파 Vtri.1 Vtri.2 및 기준 전압 Vref가 하나의 타임 라인에 함께 도시되어 있다. 그리고, 제1 스위치 페어인 스위치 S1 및 S4를 제어하기 위한 신호 파형과, 제2 스위치 페어인 스위치 S2 및 S3를 제어하기 위한 신호 파형이 각각 도시되어 있다.Referring to FIG. 5, two triangular waves Vtri.1 Vtri.2 and a reference voltage Vref having a 180 degree phase difference are shown together in one time line. The signal waveform for controlling the switches S1 and S4 as the first switch pair and the signal waveform for controlling the switches S2 and S3 as the second switch pair are respectively shown.

제1 스위치 페어를 제어하기 위한 제어신호는 삼각파 Vtri.1 가 기준 전압 Vref보다 작은 시구간에서 1의 값을 가지고, 제2 스위치 페어를 제어하기 위한 제어신호는 삼각파 Vtri.2가 Vref보다 큰 시구간에서 1의 값을 가진다.
The control signal for controlling the first switch pair has a value of 1 in a time interval in which the triangular wave Vtri.1 is smaller than the reference voltage Vref and the control signal for controlling the second switch pair is a signal in which the triangular wave Vtri.2 is larger than Vref And has a value of 1 in the liver.

도 6a 내지 도 6b는 도 4b의 단상 AC-AC 컨버터의 도 5의 제어 신호에 의한 전류 흐름을 도시한 도면이다.Figs. 6A and 6B are diagrams showing current flow by the control signal of Fig. 5 of the single-phase AC-AC converter of Fig. 4B.

도 6a 내지 도 6b에서는, 도 5의 제어신호에 의하여 도 4b의 단상 AC-AC 컨버터에 흐르는 한주기 동안의 전류 흐름을 나타내고 있다. 구체적으로, 스위치 S2 및 S3가 온 상태가 되는 시간이 전체 한 주기의 시간 Ts에서 차지하는 비율 D를 0.5보다 작게 하였을 때, 제어신호의 한주기 동안에 발생하는 도 4b의 승압형 부스트 AC-AC 컨버터의 동작은 4가지 모드로 나눌 수 있다.6A to 6B show the current flow for one period flowing to the single-phase AC-AC converter of FIG. 4B by the control signal of FIG. More specifically, when the ratio of the time for the switches S2 and S3 to the ON state to the time Ts of one cycle is made smaller than 0.5, the boosted boost AC-AC converter of Fig. 4B, which occurs during one cycle of the control signal The operation can be divided into four modes.

도 6a를 참조하면, 모드 1은, 모든 스위치 S1 내지 S4가 온으로 유지되는 단상 AC-AC 컨버터의 동작이다.Referring to Fig. 6A, mode 1 is the operation of a single phase AC-AC converter in which all switches S1 to S4 are kept on.

도 6b를 참조하면, 모드 2는, 모든 스위치 S1 내지 S4가 온 상태에서 제2 스위치 페어인 스위치 S2, S3가 턴 오프 상태로 전환되고 제1 스위치 페어인 스위치 S1, S4가 온 상태로 유지되는 단상 AC-AC 컨버터의 동작이다.Referring to FIG. 6B, in mode 2, when all the switches S1 to S4 are turned on, the switches S2 and S3, which are the second switch pair, are turned off and the switches S1 and S4, which are the first switch pair, Phase AC-to-AC converter.

도 6c를 참조하면, 모드 3은, 제1 스위치 페어인 스위치 S1 및 S4도 턴 오프 상태로 전환하고, 모든 스위치가 오프 상태로 유지되는 단상 AC-AC 컨버터의 동작이다.Referring to FIG. 6C, mode 3 is the operation of the single-phase AC-AC converter in which switches S1 and S4, which are the first switch pair, are also turned off and all switches are kept off.

도 6d를 참조하면, 모드 4는, 오프 상태였던 제1 스위치 페어인 스위치 S1 및 S4가 턴 온 되고, 스위치 S2 및 S3는 오프 상태가 유지되는 단상 AC-AC 컨버터의 동작으로서, 두 번째 모드와 동일한 동작을 수행한다.6D, mode 4 is the operation of a single-phase AC-AC converter in which switches S1 and S4, which are the first switch pair that were in an off state, are turned on and switches S2 and S3 are kept off, The same operation is performed.

모든 스위치가 온 상태인 모드 1에서 교류 전원으로부터 입력되는 에너지는 입력 인덕터 Lin에 저장된다.In mode 1, in which all the switches are on, the energy input from the AC power source is stored in the input inductor Lin.

스위치 S2 및 S3가 턴 오프된 모드 2에서, 모드 1에서 저장되었던 Lin의 에너지가 제2 다이오드 D2와 제4 스위치 S4를 통하여 출력단에 전달된다.In mode 2 in which switches S2 and S3 are turned off, the energy of Lin that was stored in mode 1 is transferred to the output terminal through the second diode D2 and the fourth switch S4.

모든 스위치가 오프 상태인 모드 3에서는 모드 1과 유사하게 입력 인덕터 Lin에 에너지가 저장되고, 다만 스위치 S1 내지 S4 대신 모든 다이오드 D1 내지 D4를 거쳐 전류 패스를 형성한다.In mode 3, in which all switches are off, energy is stored in the input inductor Lin similar to mode 1, but instead of switches S1 through S4 all of the diodes D1 through D4 form a current path.

이와 같이 단상 AC-AC 컨버터의 모든 스위치가 온 또는 오프가 되는 상태에서 출력부에서 접지로 스위칭 셀과 연결된 결합 인덕터를 경유하여 형성된 전류 경로를 통해 커뮤테이션 문제를 해결할 수 있다.
Thus, in the state where all the switches of the single-phase AC-AC converter are turned on or off, the commutation problem can be solved through the current path formed via the coupling inductor connected to the switching cell from the output part to the ground.

도 7은 도 4a 내지 도 4c의 두 스위칭 암의 스위칭 상태에 따라 결합 인덕터의 출력 전압을 설명하기 위한 등가 회로도이다.FIG. 7 is an equivalent circuit diagram for explaining the output voltage of the coupling inductor according to the switching states of the two switching arms of FIGS. 4A to 4C. FIG.

도 7을 참조하면, 스위칭 셀의 두 스위칭 암에 각각 포함된 스위치의 스위칭 상태에 따라 극 노드 P에서 중립 노드 N까지의 네 가지 (a), (b), (c), (d) 등가 회로가 가능하다.Referring to FIG. 7, four (a), (b), (c), and (d) equivalent circuits from the pole node P to the neutral node N are generated according to the switching states of the switches included in the two switching arms of the switching cell, Is possible.

도 7의 (a)는 하나의 스위칭 셀에 두 스위치가 모두 온 상태에서 등가회로를 나타낸다. 도 7 (a)에 도시된 바와 같이 온 상태인 두 스위치에 의해 전원이 인가된 P에서 접지인 N까지 결합 인덕터를 경유하는 패스가 형성된다. 결합 인덕터의 연결 노드 A를 중심으로 구분되는 양쪽 두 코일 사이의 커플링 율(coupling ratio)은 1이기 때문에, 결합 인덕터의 연결 노드 A에 걸린 전압은 스위칭 셀에 인가된 전압의 절반의 값을 가진다.7 (a) shows an equivalent circuit in a state where both switches are turned on in one switching cell. As shown in Fig. 7 (a), a path is formed through the coupling inductor from the P to which the power is applied by the two switches in the ON state to the ground N. Since the coupling ratio between the two coils divided by the coupling node A of the coupling inductor is 1, the voltage across the coupling node A of the coupling inductor has a value of half the voltage applied to the switching cell .

도 7의 (b)는 하나의 스위칭 셀에 두 스위치가 모두 오프 상태에서의 등가회로를 나타낸다. 도 7 (b)에 도시된 바와 같이 두 스위치가 오프되고 다이오드에 의하여 전원이 인가된 P에서 접지인 N까지 결합 인덕터를 경유하는 패스가 형성된다. 이 경우에도, 결합 인덕터의 연결 노드 A에 걸린 전압은 스위칭 셀에 인가된 전압의 절반의 값을 가진다.Fig. 7 (b) shows an equivalent circuit in which both switches are turned off in one switching cell. As shown in FIG. 7 (b), the two switches are turned off and a path is formed through the coupling inductor from P to ground N, to which power is applied by the diode. In this case also, the voltage across the connection node A of the coupling inductor has a value of half the voltage applied to the switching cell.

도 7의 (c)는 스위칭 셀의 제1 스위치가 오프 상태이고 제2 스위치가 온 상태인 경우의 등가회로를 나타낸다. 이 경우 결합 인덕터의 연결 노드 A에 걸린 전압은 0이 된다.7C shows an equivalent circuit when the first switch of the switching cell is in the OFF state and the second switch is in the ON state. In this case, the voltage across the coupling node A of the coupling inductor is zero.

도 7의 (d)는 스위칭 셀의 제1 스위치가 온 상태이고 제2 스위치가 오프 상태인 경우의 등가회로를 나타낸다. 이 경우 결합 인덕터의 연결 노드 A에 걸린 전압은 P에 인가된 전압과 같다.7 (d) shows an equivalent circuit when the first switch of the switching cell is in the on-state and the second switch is in the off-state. In this case, the voltage across coupling node A of the coupling inductor is equal to the voltage applied to P.

이상과 같은 본 발명에 따른 스위칭 셀의 구조에 따르면, 스위칭 셀에 포함된 두 스위치가 모두 온/오프 상태인 경우에, 다단 AC-AC 컨버터에 입력되는 교류 전원 또는 출력단의 교류 출력 전원에 의한 고전압이 극 노드 P에서 중립 노드 N으로 인가되더라도 신뢰성 높은 스위칭 동작이 가능하게 된다.
According to the above structure of the switching cell according to the present invention, when both the switches included in the switching cell are on / off, the AC power input to the multi-stage AC-AC converter or the high voltage Even when applied from the pole node P to the neutral node N, reliable switching operation becomes possible.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 세부 구성을 설명하기 위한 회로도이다.8 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of a multi-stage multi-level AC-AC converter according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(800)는 제1 교류 전원 Vin1(810), 제2 교류 전원 Vin2(820), 제1 유닛 셀(830), 제2 유닛 셀(840) 및 출력부(890)을 포함한다.8, the multi-stage multi-level AC-AC converter 800 includes a first AC power source Vin1 810, a second AC power source Vin2 820, a first unit cell 830, a second unit cell 840, And an output unit 890.

제1 교류 전원 Vin1(810)은 제1 유닛 셀(830)로 교류 신호를 입력한다.The first AC power supply Vin1 810 inputs an AC signal to the first unit cell 830. [

제2 교류 전원 Vin2(820)은 제2 유닛 셀(840)로 교류 신호를 입력한다.The second AC power source Vin2 (820) inputs the AC signal to the second unit cell 840. [

제1 유닛 셀(830) 및 제2 유닛 셀(840)은 도 4a의 강압형 벅 단상 AC-AC 컨버터(400)의 구조를 적용하였다.The first unit cell 830 and the second unit cell 840 have applied the structure of the step-down buck single-phase AC-AC converter 400 of FIG. 4A.

제1 유닛 셀(830)의 출력단인 제1 결합 인덕터(850) 및 제2 결합 인덕터(860)의 연결 노드는 각각 출력부(890)의 일단과 제2 유닛 셀(840)의 제3 결합 인덕터(870)의 연결 노드와 연결된다.The connection nodes of the first coupling inductor 850 and the second coupling inductor 860 at the output ends of the first unit cell 830 are connected to one end of the output unit 890 and the third coupling inductor 840 of the second unit cell 840, Lt; RTI ID = 0.0 > 870 < / RTI >

또한, 제2 유닛 셀(840)은 출력단인 제3 결합 인덕터(870) 및 제4 결합 인덕터(880)의 연결 노드는 각각 제1 단상 AC-AC 컨버터(830)의 제2 결합 인덕터(860)의 연결 노드와 출력부(890)의 타단과 연결될 수 있다.Also, the connection nodes of the third coupling inductor 870 and the fourth coupling inductor 880, which are the outputs of the second unit cell 840, are connected to the second coupling inductor 860 of the first single-phase AC-AC converter 830, And the other end of the output unit 890 can be connected.

출력부(890)는 출력 인덕터 Lo와 출력 커패시터 Co로 구성된 LC 필터 회로 및 출력 커패시터와 병렬 연결된 로드 저항 RL을 포함할 수 있다. 그리고, 출력단이 직렬 연결된 제1 및 제2 단상 AC-AC 컨버터(830, 840)로부터 출력되는 컨버팅된 교류 신호를 입력받아 로드 저항 RL에 전달할 수 있다. Output 890 may include an LC filter circuit composed of an output inductor Lo and an output capacitor Co and a load resistor RL connected in parallel with the output capacitor. The converted AC signals output from the first and second single-phase AC-AC converters 830 and 840 having the output terminals connected in series can be received and transferred to the load resistor RL.

구체적으로, 출력부(890)의 출력 인덕터 Lo의 일단은 제1 단상 AC-AC 컨버터(830)의 제1 결합 인덕터(850)의 연결 노드 또는 제2 단상 AC-AC 컨버터(840)의 제4 결합 인덕터(880)의 연결 노드와 연결되고, 출력 인덕터 Lo의 타단은 출력 커패시터 Co 및 로드 저항 RL과 연결될 수 있다.More specifically, one end of the output inductor Lo of the output section 890 is connected to the connection node of the first coupling inductor 850 of the first single-phase AC-AC converter 830 or the fourth node of the fourth single-phase AC- And the other end of the output inductor Lo may be connected to the output capacitor Co and the load resistor RL.

이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터는, 복수의 단상 AC-AC 컨버터 내의 스위칭 셀 구조에 의하여 모든 스위치가 온 또는 오프 가 되는 상태에서도 커뮤테이션 문제 없이 교류 신호를 컨버팅할 수 있다.The multi-stage multi-level AC-AC converter according to the embodiment of the present invention converts an AC signal without commutation problems even when all the switches are turned on or off by a switching cell structure in a plurality of single- can do.

그리고, 대전력을 요구하는 부하에 대하여, 복수의 단상 AC-AC 컨버터를 직렬 연결함으로써 부하에 요구되는 전력 요구 조건을 충족하기 위한 설계가 단순하고, 각각의 단상 AC-AC 컨버터에는 작은 값의 교류 전원을 이용하므로, 컨버터 스위치 소자의 전압 스트레스를 경감하고, 전류 리플도 작아지므로 출력 필터에 요구되는 소자의 크기를 줄일 수 있다. It is simple to design a single-phase AC-AC converter to meet the power requirements required by the load by serially connecting a plurality of single-phase AC-AC converters to a load requiring large power, and each single-phase AC- Since the power supply is used, the voltage stress of the converter switch element is reduced, and the current ripple is reduced, so that the size of the element required for the output filter can be reduced.

또한, 인터리브드(interleaved) PWM 제어(또는 Phase-Shifted PWM: PS-PWM)를 이용하면, 출력단의 유효 주파수가 배수로 높아져 출력 LC 필터의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 결론적으로, 전체적인 컨버터의 강인성 및 수명이 길어지는 효과가 있다.
In addition, when the interleaved PWM control (or phase-shifted PWM: PS-PWM) is used, the effective frequency of the output stage increases to a multiple, and the size of the output LC filter can be remarkably reduced. As a result, the overall converter has the effect of lengthening the toughness and lifetime.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 세부 구성을 설명하기 위한 회로도이다.9 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of a multi-stage multi-level AC-AC converter according to another embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 복수의 교류 전원 Vin1, Vin2 ... VinM(910-1, 910-2, ... 910-M), 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M) 및 출력부(930)를 포함한다.9, a plurality of AC power sources Vin1, Vin2, ..., VinM (910-1, 910-2, ... 910-M), a plurality of unit cells 920-1, 920-2, 920-M and an output unit 930. [

복수의 교류 전원 Vin1, Vin2 ... VinM(910-1, 910-2, ... 910-M)은 각각 연결된 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)로 교류 신호를 입력한다. 구체적으로, 복수의 교류 전원 Vin1, Vin2 ... VinM(910-1, 910-2, ... 910-M)은 각각 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)의 입력단에 연결될 수 있으며, 토폴로지에 따라 병렬 연결된 커패시터 또는 인덕터와 커패시터로 구성된 입력 LC 필터를 더 포함할 수 있다.The plurality of AC power sources Vin1, Vin2, ..., and VinM (910-1, 910-2, ... 910-M) are connected to a plurality of unit cells 920-1, 920-2, To input an AC signal. More specifically, the plurality of AC power sources Vin1, Vin2, ..., and VinM (910-1, 910-2, ... 910-M) each include a plurality of unit cells 920-1, 920-2, M, and may further include an input LC filter composed of capacitors or inductors and capacitors connected in parallel according to the topology.

복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)은 각각의 출력단이 직렬 연결된다. 구체적으로, 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)에 포함된 두 개의 결합 인덕터의 연결 노드가 직렬 연결되어 출력단(930)에 컨버팅된 교류 신호를 전달할 수 있다. The output terminals of the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ... 920-M are connected in series. Concretely, the connection nodes of the two coupling inductors included in the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ... 920-M are connected in series to transmit the converted AC signal to the output terminal 930 .

도 9에 도시된 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)의 구성은 도 4a의 단상 AC-AC 컨버터(400)를 채용하였으나, 도 4b 의 승압형 부스트 단상 AC-AC 컨버터(400') 또는 도 4c 의 벅-부스트 단상 AC-AC 컨버터(400')를 채용할 수 있다. The single-phase AC-AC converter 400 of FIG. 4A is employed as the configuration of the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ... 920-M shown in FIG. 9, AC-AC converter 400 'of FIG. 4C or the buck-boost single-phase AC-AC converter 400' of FIG. 4C.

복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)이 부스트 단상 AC-AC 컨버터(400')인 경우, 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)의 출력단인 직렬 연결된 두 커패시터(460', 470')의 양 끝단들이 직렬 연결되어 출력단(930)에 컨버팅된 교류 신호를 전달할 수 있다. When the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ... 920-M are the boost single-phase AC-AC converter 400 ', the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ..., Both ends of two series-connected capacitors 460 'and 470', which are the output terminals of the inverters 920-M and 920-M, are connected in series to transmit the converted AC signal to the output terminal 930.

복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)이 벅-부스트 단상 AC-AC 컨버터(400'')인 경우, 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)의 출력단인 두 스위칭 셀(313'', 311'')의 양 타단들이 직렬 연결되어 출력단(930)에 컨버팅된 교류 신호를 전달할 수 있다. When the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ... 920-M are the buck-boost single phase AC-AC converter 400 ", the plurality of unit cells 920-1, 920-2, The other ends of the two switching cells 313 '' and 311 '', which are the output terminals of the output terminals 920-M and 920-M, are connected in series to transmit the converted AC signals to the output terminal 930.

출력부(930)는 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)의 출력단과 직렬 연결되어 컨버팅된 교류 신호를 입력받아 부하에 전달한다. 구체적으로, 출력부(930)는 출력단이 직렬 연결된 복수의 유닛 셀(920-1, 920-2, ... 920-M)의 양 끝단과 연결되어 컨버팅된 교류 신호를 입력받을 수 있다. 여기서, 출력부(930)는 인덕터와 커패시터로 이루어진 출력 LC 필터를 포함하고, 커패시터 Co와 병렬 연결되는 출력단을 구성할 수 있다.The output unit 930 is connected in series with the output terminals of the plurality of unit cells 920-1, 920-2, ..., 920-M, and receives the converted AC signal to transfer the AC signal to the load. Specifically, the output unit 930 is connected to both ends of a plurality of unit cells 920-1, 920-2,... 920-M, to which an output terminal is connected in series, to receive the converted AC signals. Here, the output unit 930 includes an output LC filter including an inductor and a capacitor, and can configure an output terminal connected in parallel with the capacitor Co.

이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터는, 복수의 단상 AC-AC 컨버터 내의 스위칭 셀 구조에 의하여 모든 스위치가 온 또는 오프가 되는 상태에서도 커뮤테이션 문제 없이 교류 신호를 컨버팅할 수 있다.The multi-stage multi-level AC-AC converter according to the embodiment of the present invention converts an AC signal without commutation problems even when all the switches are turned on or off by a switching cell structure in a plurality of single- can do.

그리고, 대전력을 요구하는 부하에 대하여, 복수의 단상 AC-AC 컨버터를 직렬 연결함으로써 부하에 요구되는 전력 요구 조건을 충족하기 위한 설계가 단순하고, 각각의 단상 AC-AC 컨버터에는 작은 값의 교류 전원을 이용하므로, 컨버터 스위치 소자의 전압 스트레스를 경감하고, 전류 리플도 작아지므로 출력 필터에 요구되는 소자의 용량을 줄일 수 있다. It is simple to design a single-phase AC-AC converter to meet the power requirements required by the load by serially connecting a plurality of single-phase AC-AC converters to a load requiring large power, and each single-phase AC- Since the power supply is used, the voltage stress of the converter switch element is reduced, and the current ripple is also reduced, so that the capacity of the element required for the output filter can be reduced.

또한, 인터리브드(interleaved) PWM 제어(또는 Phase-Shifted PWM: PS-PWM)를 이용하면, 출력단의 유효 주파수가 배수로 높아져 출력 LC 필터의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 결론적으로, 전체적인 컨버터의 강인성 및 수명이 길어지는 효과가 있다.
In addition, when the interleaved PWM control (or phase-shifted PWM: PS-PWM) is used, the effective frequency of the output stage increases to a multiple, and the size of the output LC filter can be remarkably reduced. As a result, the overall converter has the effect of lengthening the toughness and lifetime.

이하에서는 도 10 내지 도 13을 참조하여, 도 8의 두 유닛 셀로 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제어 신호의 파형과, 두 유닛 셀 각각의 출력 전압 및 직렬 연결된 출력단의 출력 전압의 특성을 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 10 to 13, a waveform of a control signal for controlling a switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter according to an embodiment of the present invention composed of two unit cells of FIG. 8, The output voltage and the characteristics of the output voltage of the series-connected output stage are described.

도 10은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제1 신호 파형도이다.10 is a first signal waveform diagram for controlling a switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG.

도 10을 참조하면, 각각 90도 위상 차가 나는 서로 다른 위상을 갖는 삼각파 네 개 Vtri.1, Vtri.2, Vtri.3, Vtri.4 및 기준 전압 Vref가 하나의 타임라인에 함께 도시되고 있다. Referring to Fig. 10, four triangular waves Vtri.1, Vtri.2, Vtri.3, Vtri.4 and a reference voltage Vref, each having a phase difference of 90 degrees, are shown together in one timeline.

제1 스위칭 페어인 스위치 S1, S4를 제어하기 위하여, 삼각파 Vtri.1을 사용하여, 기준 전압 Vref와 비교를 통해, Vtri.1이 Vref보다 작은 시구간에서 S1, S4를 턴 온하는 제어 신호를 생성할 수 있다.In order to control the switches S1 and S4 which are the first switching pair, a triangular wave Vtri.1 is used to compare with the reference voltage Vref, and a control signal for turning on S1 and S4 at a time interval when Vtri.1 is smaller than Vref Can be generated.

제2 스위칭 페어인 스위치 S2, S3를 제어하기 위하여, 삼각파 Vtri.3을 사용하여, 기준 전압 Vref와 비교를 통해, Vtri.3이 Vref보다 큰 시구간에서 S2, S3를 턴 온하는 제어 신호를 생성할 수 있다.In order to control the switches S2 and S3 which are the second switching pair, a control signal for turning on S2 and S3 in a time period in which Vtri.3 is greater than Vref is used by comparing with the reference voltage Vref by using the triangular wave Vtri.3 Can be generated.

제3 스위칭 페어인 스위치 S5, S8를 제어하기 위하여, 삼각파 Vtri.2을 사용하여, 기준 전압 Vref와 비교를 통해, Vtri.2이 Vref보다 작은 시구간에서 S5, S8를 턴 온하는 제어 신호를 생성할 수 있다.In order to control the switches S5 and S8 as the third switching pair, a control signal for turning on S5 and S8 in a time period in which Vtri.2 is smaller than Vref is used for comparison with the reference voltage Vref by using the triangular wave Vtri.2 Can be generated.

제4 스위칭 페어인 스위치 S6, S7를 제어하기 위하여, 삼각파 Vtri.4을 사용하여, 기준 전압 Vref와 비교를 통해, Vtri.4이 Vref보다 큰 시구간에서 S6, S7를 턴 온하는 제어 신호를 생성할 수 있다.In order to control the switches S6 and S7 as the fourth switching pair, a control signal for turning on the switches S6 and S7 in a time period in which Vtri.4 is greater than Vref is used as a reference signal by comparison with the reference voltage Vref by using the triangular wave Vtri.4 Can be generated.

이 경우, 제1 스위칭 페어와 제3 스위칭 페어를 온 상태로 유지하는 시간과 스위칭 주기 Ts와의 비율을 나타내는 D를 Vref의 값에 따라 조절할 수 있다. 여기서 Vref는 D가 0<D<0.25인 경우를 대표하여, D 를 0.125로 도시하였다.In this case, D representing the ratio between the time for keeping the first switching pair and the third switching pair in the ON state and the switching period Ts can be adjusted according to the value of Vref. Here, Vref is represented by D = 0.125 on the assumption that D is 0 < D < 0.25.

같은 크기를 갖고 동상인 독립적인 교류 전원 Vin1(810), Vin2(820)를 입력받은 두 유닛 셀(830, 840)에서, 제1 유닛 셀(830)의 출력단의 노드 A, B 사이에 걸린 전압 V_AB의 신호 파형을 참조하면, V_AB에는 입력 전압 Vin1(810)의 절반 크기와 O 전압이 나타난다. 그리고, 제2 유닛 셀(840)의 출력단의 노드 B, C 사이에 걸린 전압 V_BC의 신호 파형을 참조하면, V_BC는 입력 전압 Vin2(820)의 절반 크기와 0전압이 나타난다.The voltage across the nodes A and B at the output terminal of the first unit cell 830 in the two unit cells 830 and 840 receiving the same AC power source Vin1 810 and Vin2 820 of the same size, Referring to the signal waveform of V_AB, half of the input voltage Vin1 (810) and O voltage appear in V_AB. Referring to the signal waveform of the voltage V_BC between the nodes B and C of the output terminal of the second unit cell 840, V_BC shows a half magnitude and 0 voltage of the input voltage Vin2 (820).

두 유닛 셀(830, 840)의 출력단이 직렬 연결된 노드 A, C 사이의 출력 전압의 파형을 참조하면, V_AC 에는 각 교류 전원 Vin1(810), Vin2(820)의 입력 전압의 절반 크기와 0 전압이 출력되고 유효 출력 주파수는 스위칭 주파수의 네 배로 증가한다.
Referring to the waveforms of the output voltages between the nodes A and C to which the output terminals of the two unit cells 830 and 840 are serially connected, the magnitude of half of the input voltage of each of the AC power supplies Vin1 810 and Vin2 820, And the effective output frequency increases to four times the switching frequency.

도 11은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제2 신호 파형도이다.11 is a second signal waveform diagram for controlling the switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG.

도 11을 참조하면, 제1 스위칭 페어 및 제3 스위칭 페어의 온 타임 비율 D가 0.25<D<0.5인 경우를 대표하여, D를 0.375가 되도록 Vref를 조절하였으며 네 개의 삼각파 Vtri.1, Vtri.2, Vtri.3 및 Vtri.4는 동일하다.Referring to FIG. 11, V ref is adjusted so that D is 0.375 in the case where the on-time ratio D of the first and third switching pairs is 0.25 <D <0.5, and four triangular waves Vtri.1 and Vtri. 2, Vtri.3 and Vtri.4 are the same.

같은 크기를 갖는 독립적인 교류 전원 Vin1(810), Vin2(820)를 입력받은 두 유닛 셀(830, 840)에서, 제1 유닛 셀(830)의 출력단의 노드 A, B 사이에 걸린 전압 V_AB 및 제2 유닛 셀(840)의 출력단의 노드 B, C 사이에 걸린 전압 V_BC의 신호 파형을 참조하면, V_AB 및 V_BC에는 입력되는 교류 전원의 전압 크기의 절반과 0전압이 나타나는 것은 0<D<0.25인 경우와 동일하지만, Vin1/2 및 Vin2/2의 값을 갖는 시구간이 증가한다. The voltage V_AB applied between the nodes A and B at the output terminal of the first unit cell 830 in the two unit cells 830 and 840 receiving the independent AC power sources Vin1 810 and Vin2 820 having the same size, Referring to the signal waveform of the voltage V_BC between the nodes B and C of the output terminal of the second unit cell 840, it is 0 < D < 0.25 that the half of the voltage magnitude of the input AC power source and 0 voltage appear in V_AB and V_BC , But the time period having the values of Vin1 / 2 and Vin2 / 2 is increased.

결국, 두 유닛 셀(830, 840)의 출력단이 직렬 연결된 노드 A, C 사이의 출력 전압의 파형을 참조하면, V_AC 에는 0.5Vin 와 Vin 전압이 나타나고 유효 출력 주파수가 스위칭 주파수의 네 배로 증가한다.As a result, when the output terminals of the two unit cells 830 and 840 refer to the waveforms of the output voltages between the nodes A and C connected in series, 0.5 Vin and Vin voltages appear in V_AC and the effective output frequency increases to four times the switching frequency.

도 12은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제3 신호 파형도이다.12 is a third signal waveform diagram for controlling the switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG.

도 12을 참조하면, 제1 스위칭 페어 및 제3 스위칭 페어의 온 타임 비율 D가 0.5<D<0.75인 경우를 대표하여, D를 0.625가 되도록 Vref를 조절하였으며 네 개의 삼각파 Vtri.1, Vtri.2, Vtri.3 및 Vtri.4는 동일하다.Referring to FIG. 12, V ref is adjusted so that D is 0.625, and four triangular waves Vtri. 1 and Vtri. 1 are represented by representing the case where the on-time ratio D of the first switching pair and the third switching pair is 0.5 < 2, Vtri.3 and Vtri.4 are the same.

같은 크기를 갖는 독립적인 교류 전원 Vin1(810), Vin2(820)를 입력받은 두 유닛 셀(830, 840)에서, 제1 유닛 셀(830)의 출력단의 노드 A, B 사이에 걸린 전압 V_AB 및 제2 유닛 셀(840)의 출력단의 노드 B, C 사이에 걸린 전압 V_BC의 신호 파형을 참조하면, V_AB 및 V_BC 에는 각각 입력전압 Vin1, Vin2과 입력전압의 절반 Vin1/2, Vin2/2크기의 전압이 나타난다.The voltage V_AB applied between the nodes A and B at the output terminal of the first unit cell 830 in the two unit cells 830 and 840 receiving the independent AC power sources Vin1 810 and Vin2 820 having the same size, Referring to the signal waveform of the voltage V_BC between the nodes B and C of the output terminal of the second unit cell 840, the input voltages Vin1 and Vin2 and the half of the input voltages Vin1 / 2 and Vin2 / 2 Voltage appears.

결국, 두 유닛 셀(830, 840)의 출력단이 직렬 연결된 노드 A, C 사이의 출력 전압의 파형을 참조하면, V_AC에는 Vin 전압과 1.5Vin 전압이 나타나고 유효 출력 주파수가 스위칭 주파수의 네 배로 증가한다.
As a result, when the output terminals of the two unit cells 830 and 840 refer to the waveform of the output voltage between the nodes A and C connected in series, the Vin voltage and the 1.5Vin voltage appear in V_AC and the effective output frequency increases to four times the switching frequency .

도 13은 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터의 스위치를 제어하기 위한 제4 신호 파형도이다.FIG. 13 is a fourth signal waveform diagram for controlling the switch of the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG.

도 13을 참조하면, 제1 스위칭 페어 및 제3 스위칭 페어의 온 타임 비율 D가 0.75<D<1인 경우를 대표하여, D를 0.875가 되도록 Vref를 조절하였으며 네 개의 삼각파 Vtri.1, Vtri.2, Vtri.3 및 Vtri.4는 동일하다.Referring to FIG. 13, V ref is adjusted so that D is 0.875 on the basis of the on-time ratio D of the first switching pair and the third switching pair of 0.75 <D <1, and four triangular waves Vtri.1 and Vtri. 2, Vtri.3 and Vtri.4 are the same.

같은 크기를 갖는 독립적인 교류 전원 Vin1(810), Vin2(820)를 입력받은 두 유닛 셀(830, 840)에서, 제1 유닛 셀(830)의 출력단의 노드 A, B 사이에 걸린 전압 V_AB 및 제2 유닛 셀(840)의 출력단의 노드 B, C 사이에 걸린 전압 V_BC의 신호 파형을 참조하면, V_AB 및 V_BC 에는 각각 입력전압 Vin1, Vin2과 입력전압의 절반 Vin1/2와 Vin2/2크기의 전압이 나타난다. 그리고, 도 12의 파형보다 Vin1 및 Vin2의 전압 크기를 갖는 구간이 더 길어진다.The voltage V_AB applied between the nodes A and B at the output terminal of the first unit cell 830 in the two unit cells 830 and 840 receiving the independent AC power sources Vin1 810 and Vin2 820 having the same size, Referring to the signal waveform of the voltage V_BC between the nodes B and C of the output terminal of the second unit cell 840, the input voltages Vin1 and Vin2 and the half of the input voltages Vin1 / 2 and Vin2 / 2 Voltage appears. Then, the section having the voltage magnitudes of Vin1 and Vin2 becomes longer than the waveform of Fig.

그리고, 두 유닛 셀(830, 840)의 출력단이 직렬 연결된 노드 A, C 사이의 출력 전압의 파형을 참조하면, V_AC 에는 1.5Vin 전압과 2Vin 전압이 나타나고 유효 출력 주파수가 스위칭 주파수의 네 배로 증가한다.When the output terminals of the two unit cells 830 and 840 refer to the waveforms of the output voltages between the nodes A and C connected in series, a 1.5Vin voltage and a 2Vin voltage appear in V_AC and the effective output frequency increases to four times the switching frequency .

결론적으로, 제어부(330)가 각 스위치를 제어하기 위한 PWM 제어 신호의 주파수가 스위칭 셀의 두 스위치를 PS-PWM 제어하게 됨으로써, 각 유닛 셀 출력 주파수는 스위칭 주파수의 2배가 되고, 직렬 연결된 2개의 유닛 셀을 90도 위상차로 제어함으로써, 최종 출력 전압의 주파수는 스위칭 주파수의 4배가 될 수 있다. 이에 따라 출력 필터 인덕터 Lo의 크기를 상당히 감소시킬 수 있다.As a result, the frequency of the PWM control signal for controlling each switch is PS-PWM-controlled by the control unit 330, so that the output frequency of each unit cell becomes twice the switching frequency, By controlling the unit cell to be 90 degrees out of phase, the frequency of the final output voltage can be four times the switching frequency. Thereby significantly reducing the size of the output filter inductor Lo.

출력 인덕터 Lo에서 Volt-sec(또는 flux) 밸런스 조건을 적용하면, 2단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(800)의 전압 이득 vo/vi = 2D가 된다. Applying the Volt-sec (or flux) balance condition at the output inductor Lo results in a voltage gain vo / vi = 2D of the two-stage multilevel AC-AC converter 800.

여기서 유닛 셀을 M단으로 확장시킨 멀티레벨 AC-AC 컨버터(900)에서는 각 유닛 셀마다 스위칭 페어를 제어하기 위한 각 셀간의 제어신호의 위상차는 180도/M이 되고, 전압 이득은 vo/vi = MD가 되며, 최종 출력단의 전압 주파수는 스위칭 주파수의 2M배로 증가할 수 있다.
Here, in the multilevel AC-AC converter 900 in which unit cells are extended to the M stages, the phase difference between the control signals for controlling the switching pairs for each unit cell is 180 degrees / M, and the voltage gains are vo / vi = MD, and the voltage frequency of the final output stage can be increased to 2M times the switching frequency.

도 14 내지 도 15는 도 8의 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터를 실험을 통해 측정한 파형도이다.FIGS. 14 to 15 are waveform diagrams obtained by experimenting the multi-stage multi-level AC-AC converter of FIG.

이 실험에서 사용된 토폴로지는 도 8의 2단 멀티레벨 AC-AC 컨버터(800)이며, 각 유닛 셀(830, 840)에 입력되는 두 교류 전원(810, 820)은 vin = 138Vrms로 동일하며, 제어부(330)가 각 스위치를 스위칭하기 위한 제어 신호의 스위칭 주파수 fsw = 20kHz인 조건에서, 제1 스위칭 페어인 스위치 S1 및 S4와 제3 스위칭 페어인 스위치 S5 및 S8의 온 타임 구간의 비율 D=0.8로 설정하여 400W의 출력 파워를 낼 수 있도록 교류 전원을 컨버팅하는 실험을 수행하였다.The topology used in this experiment is the two-stage multi-level AC-AC converter 800 of FIG. 8. The two AC power sources 810 and 820 input to the unit cells 830 and 840 are equal to vin = 138 Vrms, The controller 330 sets the ratio of the on-time intervals of the switches S1 and S4 as the first switching pair and the switches S5 and S8 as the third switching pair to D = 0.8 was set to convert the AC power so that the output power of 400W could be obtained.

도 14 (a)에서는 입력 전압 vi과 출력 전압 및 전류 vo, io를 도시하고 있다. 그리고, 도 14 (b)에는 입력단의 두 커패시터 C1, C2의 전압 v_c1, v_c2의 파형과 스위치 S2 및 S3의 컬렉터(collector) C 와 이미터(emitter) E 사이의 전압 파형을 도시하고 있다. 도 15 (c)는 결합인덕터와 출력 인덕터 Lo에 흐르는 전류의 파형을 도시하고 있으며, 도 15 (d)는 (c)의 특정 부분을 확대한 그림을 도시하고 있다. 도 14 및 도 15의 파형을 통하여 출력 필터 인덕터 전류 iLo에 스위칭 주파수의 4배의 주파수가 인가됨을 실험적으로 확인할 수 있다.14 (a) shows the input voltage vi, the output voltage, and the currents vo and io. 14 (b) shows the waveform of the voltage between the voltages v_c1 and v_c2 of the two capacitors C1 and C2 at the input stage and the voltage waveform between the collector C and the emitter E of the switches S2 and S3. FIG. 15 (c) shows the waveform of the current flowing through the coupling inductor and the output inductor Lo, and FIG. 15 (d) shows an enlarged view of a specific portion of (c). It can be experimentally confirmed that a frequency four times the switching frequency is applied to the output filter inductor current iLo through the waveforms of FIG. 14 and FIG.

이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터를 통하여 커뮤테이션 문제를 해결하기 위한 전압 또는 전류의 극성을 센싱할 필요가 없고, 데드 타임과 오버랩 타임에서의 컨버팅 동작을 안정적으로 수행할 수 있다. 다단을 형성하는 유닛 셀의 개수가 증가할수록 작은 내압을 갖는 스위칭 소자를 이용하여 높은 AC 출력 전압을 얻을 수 있다. 그리고, 위상 천이(Phase shift) PWM 기법을 사용하여 유효 출력 주파수(effective output frequecy)가 인터리브드(interleaved) 효과에 의해 증가한다.
It is not necessary to sense the polarity of the voltage or the current for solving the commutation problem through the multistage multi-level AC-AC converter according to the embodiment of the present invention, and the conversion operation at the dead time and the overlap time is stable . &Lt; / RTI &gt; As the number of unit cells forming the multi-stages increases, a high AC output voltage can be obtained by using a switching device having a small breakdown voltage. And, using the phase shift PWM technique, the effective output frequency is increased by the interleaved effect.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되면 안 될 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.

300: 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터 310-1: 제1 단상 AC-AC 컨버터
310-2: 제2 단상 AC-AC 컨버터 310-M: 제M 단상 AC-AC 컨버터
311: 제1 스위칭 셀 312: 제1 결합 인덕터
313: 제2 스위칭 셀 314: 제2 결합 인덕터
320: 출력부 330: 제어부300: Multi-level multi-level AC-AC converter 310-1: First-stage AC-AC converter
310-2: Second Single-Phase AC-AC Converter 310-M: M-Phase Single-Phase AC-AC Converter
311: first switching cell 312: first coupling inductor
313: second switching cell 314: second coupling inductor
320: output unit 330: control unit

Claims (8)

두 개의 스위치 페어(pair) 및 결합 인덕터를 각각 포함하는 복수의 단상 AC-AC 컨버터; 및
상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 내의 각 스위치들을 제어하여 교류 신호 컨버팅(converting) 동작을 수행하는 제어부;를 포함하며,
상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 각각은, 상기 두 개의 스위치 페어가 모두 온 또는 오프되는 스위칭 상태에서, 전원으로부터 상기 결합 인덕터를 경유하여 접지로 연결되는 전류 경로를 형성하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.A plurality of single-phase AC-AC converters each including two switch pairs and coupling inductors; And
And a control unit controlling each of the switches in the plurality of single-phase AC-AC converters to perform an AC signal converting operation,
Wherein each of the plurality of single-phase AC-AC converters comprises a multi-stage multi-level AC-AC converter that forms a current path from the power source to the ground via the coupling inductor in a switching state in which the two switch pairs are both on or off, . 제1항에 있어서,
상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터의 출력단은 서로 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.The method according to claim 1,
Stage AC-to-AC converter, wherein the output stages of the plurality of single-phase AC-AC converters are connected in series with each other. 제1항에 있어서,
상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 각각은,
직렬 연결된 스위치 및 다이오드를 복수개 포함하는 제1 및 제2 스위칭 셀;
상기 제1 스위칭 셀 내에서 상기 스위치와 다이오드를 연결하는 두 중간 노드에 연결된 제1 결합 인덕터;
상기 제2 스위칭 셀 내에서 상기 스위치와 다이오드를 연결하는 두 중간 노드에 연결된 제2 결합 인덕터;
상기 제1 스위칭 셀과 병렬 연결된 제1 커패시터; 및
상기 제2 스위칭 셀과 병렬 연결된 제2 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein each of the plurality of single-phase AC-AC converters comprises:
First and second switching cells including a plurality of series-connected switches and diodes;
A first coupling inductor coupled to two intermediate nodes connecting the switch and the diode in the first switching cell;
A second coupling inductor coupled to two intermediate nodes connecting the switch and the diode within the second switching cell;
A first capacitor connected in parallel with the first switching cell; And
And a second capacitor connected in parallel with the second switching cell. 제3항에 있어서,
상기 제1 스위칭 셀은,
제1 스위치 및 제2 다이오드가 배치된 제1 스위칭 암; 및
제1 다이오드 및 제2 스위치가 배치된 제2 스위칭 암;을 포함하고,
상기 제1 결합 인덕터의 제1 단은, 상기 제1 스위칭 암 내에서 제1 스위치 및 제2 다이오드 사이를 연결하는 중간 노드에 연결되고,
상기 제1 결합 인덕터의 제2 단은, 상기 제2 스위칭 암 내에서 제1 다이오드 및 제2 스위치 사이를 연결하는 중간 노드에 연결되며,
상기 제2 스위칭 셀은,
제3 스위치 및 제4 다이오드가 배치된 제3 스위칭 암; 및
제3 다이오드 및 제4 스위치가 배치된 제4 스위칭 암;을 포함하고,
상기 제2 결합 인덕터의 제1 단은, 상기 제3 스위칭 암 내에서 제3 스위치 및 제4 다이오드 사이를 연결하는 중간 노드에 연결되고,
상기 제2 결합 인덕터의 제2 단은, 상기 제4 스위칭 암 내에서 제3 다이오드 및 제4 스위치 사이를 연결하는 중간 노드에 연결되며,
상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 하나의 제1 스위치 페어를 형성하고,
상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 하나의 제2 스위치 페어를 형성하는 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.The method of claim 3,
Wherein the first switching cell comprises:
A first switching arm in which a first switch and a second diode are arranged; And
And a second switching arm in which a first diode and a second switch are arranged,
Wherein the first end of the first coupling inductor is connected to an intermediate node connecting between the first switch and the second diode in the first switching arm,
Wherein the second end of the first coupling inductor is connected to an intermediate node connecting between the first diode and the second switch in the second switching arm,
Wherein the second switching cell comprises:
A third switching arm in which a third switch and a fourth diode are arranged; And
And a fourth switching arm in which a third diode and a fourth switch are disposed,
Wherein the first end of the second coupling inductor is connected to an intermediate node connecting between the third switch and the fourth diode in the third switching arm,
A second end of the second coupling inductor is connected to an intermediate node connecting between the third diode and the fourth switch in the fourth switching arm,
Wherein the first switch and the fourth switch form one first switch pair,
And wherein the second switch and the third switch form one second switch pair. 제4항에 있어서,
상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터 내의 상기 제1 및 제2 스위칭 셀로 교류 신호를 인가하는 교류 전원;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.5. The method of claim 4,
Further comprising: an AC power source for applying an AC signal to the first and second switching cells in the plurality of single-phase AC-AC converters. 제4항에 있어서,
상기 제1 결합 인덕터에 연결된 인덕터;
상기 인덕터 및 상기 제2 결합 인덕터 사이에서 교류 신호를 인가하는 교류 전원; 및
상기 직렬 연결된 제1 및 제2 커패시터와 병렬 연결되는 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.5. The method of claim 4,
An inductor coupled to the first coupling inductor;
An AC power source for applying an AC signal between the inductor and the second coupling inductor; And
And an output connected in parallel with the first and second capacitors connected in series. 제4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 결합 인덕터 사이를 연결하는 인덕터;
상기 제1 스위칭 셀 및 상기 제2 스위칭 셀 사이에 병렬 연결되어 상기 제1 및 제2 스위칭 셀로 교류 신호를 인가하는 교류 전원;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.5. The method of claim 4,
An inductor connecting between the first and second coupling inductors;
Further comprising an AC power source connected in parallel between the first switching cell and the second switching cell to apply an AC signal to the first and second switching cells. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치의 온-오프 동작을 같이하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 온-오프 동작을 같이하도록 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터를 제어하는 복수의 제어신호를 생성하며,
상기 복수의 제어신호는, 상기 복수의 단상 AC-AC 컨버터의 개수에 따라 상호간에 기설정된 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 다단 멀티레벨 AC-AC 컨버터.
8. The method according to any one of claims 4 to 7,
Wherein,
The plurality of single-phase AC-AC converters controlling the plurality of single-phase AC-AC converters to cooperate with the on-off operation of the first switch and the fourth switch and the on-off operation of the second switch and the third switch, / RTI &gt;
Wherein the plurality of control signals have mutually predetermined phase differences according to the number of the plurality of single-phase AC-AC converters.
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