KR20180000943A - Single phase trans Z source AC-AC converter - Google Patents

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KR20180000943A
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신현학
정민재
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재단법인경북테크노파크
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/06—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using impedances

Abstract

The present invention relates to a single-phase trans-Z-source AC-AC converter which comprises: an input voltage source; a first inductor connecting one end of the input voltage source and a second switch; a second inductor connecting the second switch and a third inductor; the third inductor connecting the second inductor and a second capacitor; the second capacitor connecting the third inductor and the other end of the input voltage source; resistances connected in parallel with both ends of the second capacitor; the second switch connecting the first inductor and the second inductor; the first capacitor connecting one end of the second inductor toward the second switch and the other end of the input voltage source; and the first switch connecting the other end of the second inductor and the other end of the input voltage source, wherein the first inductor and the second inductor are coupled at a turns ratio of N:1 (N is a natural number). The present invention is able to obtain a stable output voltage.

Description

단상 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터{Single phase trans Z source AC-AC converter}Single phase trans Z source AC-AC converter Single phase trans Z source AC-AC converter

본 발명은 교류-교류 컨버터에 관한 것으로, 특히 결합 인덕터의 권선비를 달리함으로써 고승압을 구현할 수 있는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터에 관한 것이다. The present invention relates to an AC-AC converter, and more particularly, to a transformer-source AC-AC converter capable of realizing high boosting by varying the winding ratio of a coupling inductor.

AC-AC 컨버터는 간접식(indirect)과 직접식(direct)의 두 가지로 나눌 수 있다. 간접식의 경우 매트릭스 컨버터와 같이 출력전압의 크기와 주파수 모두 가변이 가능하다. 하지만 출력 전압의 크기만 가변하고 주파수 가변이 필요 없는 경우, 직접식의 PWM AC-AC 컨버터가 많이 사용되고 있다.AC-AC converters can be divided into two types, indirect and direct. In the case of the indirect type, both the magnitude and the frequency of the output voltage can be varied like the matrix converter. However, direct PWM AC-AC converters are widely used when the output voltage varies only in magnitude and frequency variation is not required.

최근 Z-소스 인버터를 응용한 AC-AC 컨버터가 많이 개발되고 있다. 도 1은 종래의 단상 Z-소스 AC-AC 컨버터를 나타낸다. 도 1에 도시된 회로는 출력 전압(vo)이 입력 전압(vin)보다 크거나 혹은 작아질 수 있으므로 승, 강압의 기능을 모두 가지고 있다. 또한 출력 전압의 위상이 입력 전압과 동상, 또는 역상으로도 가능하다. 도 1의 회로는 이러한 장점이 있는 반면, 입력 전압원과 스위치(S2)가 직렬로 연결되는 구조이기 때문에 입력 전류가 불연속이 되는 단점이 있다.Recently, many AC-AC converters using Z-source inverters have been developed. Figure 1 shows a conventional single phase Z-source AC-AC converter. The circuit shown in Fig. 1 has all the functions of a boost and a boost as the output voltage (v o ) can be larger or smaller than the input voltage (v in ). It is also possible that the phase of the output voltage is in phase with the input voltage or in reverse phase. The circuit of FIG. 1 has such an advantage, but has a disadvantage in that the input current becomes discontinuous because the input voltage source and the switch S 2 are connected in series.

이를 극복하기 위해 최근 qZ-소스 AC-AC 컨버터가 소개 되었다. 도 2는 종래의 qZ-소스 AC-AC 컨버터를 나타낸다. 이는 도 1의 Z-소스 AC-AC 컨버터와 동일한 전압이득을 가지지만, 입력전압과 Z-소스 인덕터 L1이 직렬로 연결되므로 입력 전류가 연속인 장점이 있다. 또한 입력과 출력이 공통 그라운드를 가진다.To overcome this, recently a qZ-source AC-AC converter has been introduced. Figure 2 shows a conventional qZ-source AC-AC converter. This has the same voltage gain as the Z-source AC-AC converter of FIG. 1, but has the advantage that the input current is continuous because the input voltage and the Z-source inductor L 1 are connected in series. The input and output have a common ground.

도 3은 도 1과 2에 도시된 회로의 PWM 제어신호 생성을 나타낸 그래프이다. 기존의 PWM DC-DC 컨버터에서와 같이 S1, S2가 교대로 온, 오프를 반복하면서 동작한다. 도 1과 2의 회로에서 (q)Z-소스 인덕터의 기생 저항 성분(Equivalent Series Resistance, r)을 고려한 컨버터의 입출력 전압비는 수학식 1과 같이 나타내어진다.3 is a graph showing PWM control signal generation of the circuit shown in Figs. 1 and 2. Fig. As in the conventional PWM DC-DC converter, S 1 and S 2 alternately operate on and off alternately. In the circuits of FIGS. 1 and 2, the input / output voltage ratio of the (q) converter considering the parasitic resistance component (Equivalent Series Resistance, r) of the Z-source inductor is expressed by Equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 D는 스위치 S1의 듀티비를 나타내고, R은 부하저항이다.Where D represents the duty ratio of the switch S 1 , and R is the load resistance.

도 4는 수학식 1을 D와 R의 변화에 따라 도시한 qZ-소스 AC-AC 컨버터의 전압이득을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the voltage gain of a qZ-source AC-AC converter shown in equation 1 according to the changes of D and R. Fig.

도 4의 전압이득 그래프에서 나타낸 바와 같이, D가 0∼0.5인 구간에서는 전압이득이 항상 1보다 큰 승압 영역이고, D가 0.5∼1 사이의 구간에서는 승, 강압이 가능한 동작 영역을 나타낸다. 또한 승, 강압 영역에서는 출력전압의 위상이 입력전압의 위상과 180° 반전됨을 알 수 있다.As shown in the voltage gain graph of FIG. 4, the voltage gain is always in the boosting range where D is in the range of 0 to 0.5, and the operating range in which the voltage gain is in the range of 0.5 to 1 in the range of 0.5 to 1. Also, it can be seen that the phase of the output voltage is inverted 180 ° from the phase of the input voltage in the boost and fall regions.

수학식 1과 도 4에서 보듯이, r=0일 경우 듀티비의 증가에 따라 무한대의 전압이득을 가질 수 있으나, 실제로는 (q)Z-소스 인덕터에 존재하는 기생 저항성분으로 인해 컨버터의 전압비는 D가 대략 0.45 이상일 경우 오히려 출력전압이 떨어지게 된다. 따라서 전압이득을 더 올리는 데는 한계가 있다. 이러한 기존의 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터의 제한된 전압이득을 극복할 수 있는 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터가 요구되어 왔다. As shown in Equations (1) and (4), when r = 0, the voltage gain can be infinitely increased according to the duty ratio, but actually, due to the parasitic resistance component present in the (q) The output voltage is lowered when D is about 0.45 or more. Therefore, there is a limit to further increase the voltage gain. There has been a need for a trans-Z-source AC-AC converter capable of overcoming the limited voltage gain of these conventional (q) Z-source AC-AC converters.

[1] F. Z. Peng, L. Chen, and F. Zhang, “Simple topologies of PWM AC-AC converters,” IEEE Power Electron. Lett., Vol. 1, No. 1, pp. 10-13, Mar. 2003.[1] F. Z. Peng, L. Chen, and F. Zhang, "Simple topologies of PWM AC-AC converters," IEEE Power Electron. Lett., Vol. 1, No. 1, pp. 10-13, Mar. 2003. [2] F. Z. Peng, "Z-Source Inverter," IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 39, Issue 2, pp. 504-510, Mar./Apr. 2003.[2] F. Z. Peng, "Z-Source Inverter," IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 39, Issue 2, pp. 504-510, Mar./Apr. 2003. [3] X. Fang, and F. Z. Peng, “Novel Three-Phase Current-Fed Z-Source AC-AC Converter,” in Proc. Conf. Rec. IEEE PESC7, 2007, pp. 2993-2996.[3] X. Fang, and F. Z. Peng, "Novel Three-Phase Current-Fed Z-Source AC-AC Converter," in Proc. Conf. Rec. IEEE PESC7, 2007, pp. 2993-2996. [4] X. P. Fang, Z. M. Qian, and F. Z. Peng, “Single-phase Z-source PWM AC-AC Converters,” IEEE Power Electron. Lett., Vol. 3, No. 4, pp. 121-124 Dec. 2005.[4] X. P. Fang, Z. M. Qian, and F. Z. Peng, "Single-phase Z-source PWM AC-AC Converters," IEEE Power Electron. Lett., Vol. 3, No. 4, pp. 121-124 Dec. 2005. [5] Y. Tang, C. Zhang, and S. Xie, “Z-Source AC-AC Converters Solving Commutation Problem,” IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 22, No. 6, pp. 2146-2154, Nov. 2007.[5] Y. Tang, C. Zhang, and S. Xie, "Z-Source AC-AC Converters Solving Commutation Problem," IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 22, No. 6, pp. 2146-2154, Nov. 2007. [6] J. Anderson, and F. Z. Peng, “Four quasi-Z-Source inverters,” in Proc. IEEE PESC 2008, pp. 2743-2749.[6] J. Anderson, and F. Z. Peng, "Four quasi-Z-Source inverters," in Proc. IEEE PESC 2008, pp. 2743-2749. [7] S. Yang, F. Z. Peng, Q. Lei, R. Inoshita, and Z. Qian, “Current-Fed Quasi-Z-Source Inverter With Voltage Buck-Boost and Regeneration Capability,” IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 47, No. 2, pp. 882-892, Mar./Apr. 2011.[7] S. Yang, FZ Peng, Q. Lei, R. Inoshita, and Z. Qian, "Current-Fed Quasi-Z-Source Inverter With Voltage Buck-Boost and Regeneration Capability, . 47, No. 2, pp. 882-892, Mar./Apr. 2011. [8] Y. Li, J. Anderson, F. Z. Peng, and D. Liu, “Quasi-Z-source inverter for photovoltaic systems,” in Proc. IEEE APEC, 2009, pp. 918-924.[8] Y. Li, J. Anderson, F. Z. Peng, and D. Liu, "Quasi-Z-source inverter for photovoltaic systems," in Proc. IEEE APEC, 2009, pp. 918-924. [9] D. Cao, and F. Z. Peng, “A Family of Z-source and Quasi-Z-source DC-DC Converter,” in Proc. IEEE APEC, 2009, pp. 1097-1101.[9] D. Cao, and F. Z. Peng, "A Family of Z-source and Quasi-Z-source DC-DC Converter," in Proc. IEEE APEC, 2009, pp. 1097-1101. [10] M. K. Nguyenn, Y. G. Jung, and Y. C. Lim, “Single-Phase AC-AC Converter Based on Quasi-Z-Source Topology,” IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 25, No. 8, pp. 2200-2210, Aug. 2010.[10] M. K. Nguyen, Y. G. Jung, and Y. C. Lim, "Single-Phase AC-AC Converter Based on Quasi-Z-Source Topology," IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 25, No. 8, pp. 2200-2210, Aug. 2010. [11] M. K. Nguyen, Y. C. Lim, and Y. J. Kim, “A Modified Single-Phase Quasi-Z-Source AC-AC Converter,” IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 27, No. 1, pp. 201-210, Jan. 2012.[11] M. K. Nguyen, Y. C. Lim, and Y. J. Kim, "A Modified Single-Phase Quasi-Z-Source AC-AC Converter," IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 27, No. 1, pp. 201-210, Jan. 2012. [12] W. Qian, F. Z. Peng, and H. Cha, “Trans-Z-Source Inverters,” IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 26, No. 12, pp. 3453-3463, Dec. 2011.[12] W. Qian, F. Z. Peng, and H. Cha, "Trans-Z-Source Inverters," IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 26, No. 12, pp. 3453-3463, Dec. 2011.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 결합 인덕터의 권선비를 달리함으로써 원하는 고승압을 구현할 수 있는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a trans-Z source AC-AC converter capable of realizing a desired boosting voltage by varying a winding ratio of a coupling inductor.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 제1측면은, 입력 전압원, 상기 입력 전압원의 일단과 제2 스위치 사이에 연결된 제1 인덕터, 상기 제2 스위치와 제3 인덕터 사이에 연결된 제2 인덕터, 상기 제2 인덕터와 제2 커패시터 사이에 연결된 제3 인덕터, 상기 제3 인덕터와 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제2 커패시터, 상기 제2 커패시터의 양단에 병렬 연결된 저항, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 연결된 제2 스위치, 상기 제2 인덕터의 상기 제2 스위치쪽 일단과 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제1 커패시터 및, 상기 제2 인덕터의 타단과 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제1 스위치를 포함하되, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 N:1의 권선비(N은 자연수임)로 결합된 단상 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터이다. A first inductor connected between one end of the input voltage source and the second switch, a second inductor connected between the second switch and the third inductor, a second inductor connected between the second switch and the third inductor, A third inductor connected between the inductor and the second capacitor, a second capacitor connected between the third inductor and the other end of the input voltage source, a resistor connected in parallel at both ends of the second capacitor, a resistor connected in parallel between the first inductor and the second inductor, A first switch connected between one end of the second switch of the second inductor and the other end of the input voltage source and a first switch connected between the other end of the second inductor and the other end of the input voltage source, Wherein the first inductor and the second inductor are single-phase transformer-source AC-AC converters coupled in a N: 1 turns ratio (N is a natural number).

이때, 모드 1에서, 제1 스위치가 턴온 되고 제2 스위치는 턴오프 되며, 모드 2에서, 제1 스위치가 턴오프 되고 제2 스위치가 턴온 되는 경우, 컨버터의 전압이득은At this time, in mode 1, the first switch is turned on and the second switch is turned off. In mode 2, when the first switch is turned off and the second switch is turned on, the voltage gain of the converter is

Figure pat00002
Figure pat00002

이고, D는 제1 스위치의 듀티비인 것이 바람직하다. And D is the duty ratio of the first switch.

아울러, 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 복수개의 다이오드 및 트랜지스터로 이루어지는 것이 바람직하다. In addition, the first switch and the second switch preferably comprise a plurality of diodes and transistors.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 제2측면은, 입력 전압원, 상기 입력 전압원의 일단과 제2 스위치 사이에 연결된 제1 인덕터, 상기 제2 스위치와 제3 인덕터 사이에 연결된 제2 인덕터, 상기 제2 인덕터와 제2 커패시터 사이에 연결된 제3 인덕터, 상기 제3 인덕터와 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제2 커패시터, 상기 제2 커패시터의 양단에 병렬 연결된 저항, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 연결된 제2 스위치, 상기 제2 인덕터의 제3 인덕터쪽 일단과 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제1 스위치 및, 상기 제1 인덕터의 상기 제2 스위치쪽 일단과 상기 제2 인덕터의 제3 인덕터쪽 일단 사이에 연결된 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 1:N의 권선비(N은 자연수임)로 결합된 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터이다. A second inductor connected between the second switch and the third inductor; a second inductor connected between the first switch and the second switch; and the second inductor connected between the second switch and the third inductor, A third inductor connected between the inductor and the second capacitor, a second capacitor connected between the third inductor and the other end of the input voltage source, a resistor connected in parallel at both ends of the second capacitor, a resistor connected in parallel between the first inductor and the second inductor, A first switch connected between one end of the third inductor of the second inductor and the other end of the input voltage source, and a second switch connected between the one end of the first inductor and the third inductor of the second inductor, And the first inductor and the second inductor are trans-Z source AC-AC converters coupled in a 1: N turns ratio (N is a natural number).

이때, 모드 1에서, 제1 스위치가 턴온 되고 제2 스위치는 턴오프 되며, 모드 2에서, 제1 스위치가 턴오프 되고 제2 스위치가 턴온 되는 경우, 컨버터의 전압이득은At this time, in mode 1, the first switch is turned on and the second switch is turned off. In mode 2, when the first switch is turned off and the second switch is turned on, the voltage gain of the converter is

Figure pat00003
Figure pat00003

이고, D는 제1 스위치의 듀티비인 것이 바람직하다. And D is the duty ratio of the first switch.

바람직하게 상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 복수개의 다이오드 및 트랜지스터로 이루어진다. Preferably, the first switch and the second switch are composed of a plurality of diodes and transistors.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 결합인덕터를 이용하여 기존의 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터보다 더 높은 전압 이득을 가지는 단상 Trans-Z-소스 PWM AC-AC 컨버터를 제공할 수 있다. 본 발명에서 제안한 컨버터는 기존의 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터와 달리 두 인덕터 L1과 L2를 결합하여 결합인덕터의 권선비를 증가시킴으로서, 기존의 방식보다 훨씬 더 높은 전압이득을 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서 입력전압의 변동이 심한 응용에서도 안정된 출력전압을 얻을 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a single-phase Trans-Z-source PWM AC-AC converter having a higher voltage gain than a conventional (q) Z-source AC-AC converter using a coupling inductor . Unlike the conventional (q) Z-source AC-AC converter, the converter proposed in the present invention increases the winding ratio of the coupling inductor by combining two inductors L1 and L2, . Therefore, stable output voltage can be obtained even in applications where input voltage fluctuation is severe.

도 1은 종래의 단상 Z-소스 AC-AC 컨버터를 나타낸다.
도 2는 종래의 qZ-소스 AC-AC 컨버터를 나타낸다.
도 3은 도 1과 2에 도시된 회로의 PWM 제어신호 생성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래 qZ-소스 AC-AC 컨버터의 전압이득을 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터를 나타낸다.
도 7은 도 5에 도시된 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터의 등가회로이다.
도 8 및 9는 도 7에 도시된 컨버터의 동작모드 1 및 2를 나타낸다.
도 10은 본 발명에 의한 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터의 결합 인덕터 권선비를 1:2로 한 경우, 듀티비에 따른 전압이득을 기존의 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터의 전압이득과 함께 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명을 검증하기 위한 실험에 사용된 회로도를 나타낸다.
도 12, 13 및 14는 도 11에 도시된 회로의 각 경우에 따른 입력전압, 출력전압, 입력전류 파형을 나타낸다.
도 15는 도 11에 의한 컨버터의 출력 전압과 전류파형을 나타낸다.
도 16은 D=0.2 일 때 스위치 S1에 걸리는 전압과 결합 인덕터의 1차측 전류 파형이다.
도 17은 결합 인덕터 2차측 전류와 컨버터 입력전류 파형을 나타낸다.
도 18은 본 실험에 사용된 시제품 사진이다. Figure 1 shows a conventional single phase Z-source AC-AC converter.
Figure 2 shows a conventional qZ-source AC-AC converter.
3 is a graph showing PWM control signal generation of the circuit shown in Figs. 1 and 2. Fig.
4 is a graph showing the voltage gain of a conventional qZ-source AC-AC converter.
5 and 6 illustrate a Trans-Z-source AC-AC converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an equivalent circuit of the Trans-Z-source AC-AC converter shown in FIG.
Figures 8 and 9 show operating modes 1 and 2 of the converter shown in Figure 7.
10 is a graph showing the relationship between the voltage gain according to the duty ratio and the voltage gain of the conventional (q) Z-source AC-AC converter when the coupling inductor winding ratio of the Trans-Z-source AC- Fig.
Figure 11 shows a circuit diagram used in an experiment to verify the present invention.
Figs. 12, 13 and 14 show input voltages, output voltages, and input current waveforms according to each case of the circuit shown in Fig.
Fig. 15 shows the output voltage and current waveform of the converter according to Fig.
16 shows the voltage applied to the switch S1 when D = 0.2 and the primary side current waveform of the coupling inductor.
17 shows the coupling inductor secondary current and the converter input current waveform.
18 is a photograph of a prototype used in this experiment.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.

도 1과 2에 도시된 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터에서 두 인덕터 L1과 L2에 걸리는 전압은 스위치가 온 및 오프 일 때 모두 동일한 전압이 두 인덕터 양단에 걸리게 된다. 이로 인해 두 인덕터를 결합시킬 경우 결합 인덕터의 권선비가 항상 1:1이 되어야만 하는 제약이 있다. 하지만 도 2에서 커패시터 C1 혹은 C2를 제거하고 L1과 L2를 서로 결합시키면, 더 이상 L1과 L2의 권선비가 1:1로 제한받을 필요가 없다. 즉, 결합 인덕터의 권선비를 달리함으로써 원하는 고승압을 구현할 수 있다.In the (q) Z-source AC-AC converter shown in FIGS. 1 and 2, the voltage across both inductors L 1 and L 2 is the same across both inductors when the switch is on and off. Therefore, there is a restriction that the coupling ratio of the coupling inductor should always be 1: 1 when coupling the two inductors. However, if we remove capacitor C 1 or C 2 and couple L 1 and L 2 together in FIG. 2, the winding ratio of L 1 and L 2 no longer needs to be limited to 1: 1. That is, the desired boosting voltage can be realized by changing the winding ratio of the coupling inductor.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 커패시터 C2를 제거한 후 L1과 L2를 결합시킨 것이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의해 커패시터 C1을 제거하고 L1과 L2를 결합시킨 경우이다. 두 경우 모두 거의 비슷하게 동작을 하며 컨버터 전압이득은 동일하게 계산된다.5 and 6 illustrate a Trans-Z-source AC-AC converter according to an embodiment of the present invention. 5 will combines the L 1 and L 2 to remove the capacitor C 2 by an embodiment of the invention, Figure 6 is removed the capacitor C 1 by a further embodiment of the invention, and the L 1 and L 2 . In both cases, they behave almost identically and the converter voltage gain is calculated the same.

먼저, 도 5를 참조하면, 제1 인덕터(L1)는 입력 전압원(Vin)의 일단과 제2 스위치 사이(S2)에 연결된다. 그리고 제2 인덕터(L2)는 제2 스위치(S2)와 제3 인덕터(Lf) 사이에 연결되며, 제3 인덕터(Lf)는 제2 인덕터(L2)와 제2 커패시터(Cf) 사이에 연결된다. 이러한 제3 인덕터(Lf)와 입력 전압원(Vin)의 타단 사이에는 제2 커패시터(Cf)가 연결되고, 제2 커패시터(Cf)의 양단에 저항이 병렬 연결된다. 제2 스위치(S2)는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이에 연결되고, 제1 커패시터(C1)가 제2 인덕터(L2)의 제2 스위치(S2)쪽 일단과 입력 전압원(Vin)의 타단 사이에 연결된다. 제1 스위치(S1)는 제2 인덕터(L2)의 타단과 입력 전압원(Vin)의 타단 사이에 연결된다. 이때, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 N:1의 권선비(N은 자연수임)로 결합된다. 여기서, 제1 스위치 및 제2 스위치는 도 5에 도시된 것처럼, 복수개의 다이오드 및 트랜지스터로 구성될 수 있다. First, referring to FIG. 5, a first inductor L 1 is connected between one end of an input voltage source V in and a second switch S 2 . And a second inductor (L 2) of the second is connected between the switch (S 2) and third inductor (L f), the third inductor (L f) of the second inductor (L 2) and a second capacitor (C f . A second capacitor C f is connected between the third inductor L f and the other end of the input voltage source V in and a resistor is connected in parallel at both ends of the second capacitor C f . A second switch (S 2) is a second switch (S 2 of the first inductor (L 1) and the second inductor is connected between the (L 2), a first capacitor (C 1) and a second inductor (L 2) ) Side and the other end of the input voltage source (V in ). The first switch S 1 is connected between the other end of the second inductor L 2 and the other end of the input voltage source V in . At this time, the first inductor L 1 and the second inductor L 2 are coupled at a winding ratio of N: 1 (N is a natural number). Here, the first switch and the second switch may be composed of a plurality of diodes and transistors, as shown in Fig.

다음으로, 도 6을 참조하면, 제1 인덕터(L1)는 입력 전압원(Vin)의 일단과 제2 스위치(S2) 사이에 연결되고, 제2 인덕터(L2)는 제2 스위치(S2)와 제3 인덕터(Lf) 사이에 연결되며, 제3 인덕터(Lf)는 제2 인덕터(L2)와 제2 커패시터(Cf) 사이에 연결된다. 아울러, 제2 커패시터(Cf)는 제3 인덕터(Lf)와 입력 전압원(Vin)의 타단 사이에 연결되고, 이러한 제2 커패시터(Cf)의 양단에 저항이 병렬 연결된다. 제2 스위치(S2)는 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이에 연결되고, 제1 스위치(S1)는 제2 인덕터(L2)의 제3 인덕터(Lf)쪽 일단과 입력 전압원(Vin)의 타단 사이에 연결되고, 제1 커패시터(C1)는 제1 인덕터(L1)의 제2 스위치(S2)쪽 일단과 제2 인덕터(L2)의 제3 인덕터(Lf)쪽 일단 사이에 연결된다. 이때, 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 1:N의 권선비(N은 자연수임)로 결합된다. 여기서, 제1 스위치 및 제2 스위치는 도 6에 도시된 것처럼, 복수개의 다이오드 및 트랜지스터로 구성될 수 있다. 6, the first inductor L 1 is connected between one end of the input voltage source V in and the second switch S 2 , and the second inductor L 2 is connected between the second switch S 2 connected between S 2) and third inductor (L f) is, and is coupled between the third inductor (L f) of the second inductor (L 2) and a second capacitor (C f). In addition, the second capacitor C f is connected between the third inductor L f and the other end of the input voltage source V in , and a resistor is connected in parallel at both ends of the second capacitor C f . The second switch S 2 is connected between the first inductor L 1 and the second inductor L 2 and the first switch S 1 is connected between the third inductor L f of the second inductor L 2 ) side end and is connected between the other terminal of the input voltage source (V in), a first capacitor (C 1) is a second switch (S 2) side end and the second inductor (L 2 of the first inductor (L 1)) And the third inductor L f . At this time, the first inductor L 1 and the second inductor L 2 are coupled at a winding ratio of 1: N (N is a natural number). Here, the first switch and the second switch may be composed of a plurality of diodes and transistors, as shown in Fig.

이하, 도 5에 도시된 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터의 동작모드와 이것의 전압이득에 대해 설명한다. 도 6에 도시된 컨버터의 경우도 이와 비슷하게 해석되어지며 최종 결과는 동일하다. Hereinafter, the operation mode of the Trans-Z-source AC-AC converter shown in FIG. 5 and the voltage gain thereof will be described. The converter shown in Fig. 6 is similarly interpreted and the final result is the same.

도 7에 도시한 것처럼, 결합 인덕터의 1차와 2차의 권선비는 1:N로 정의한다. 결합 인덕터는 자화 인덕턴스(Lm)와 누설 인덕턴스(Llk)의 등가회로로 표현되며, 해석의 편의상 결합 인덕터의 기생저항성분(r)과 누설 인덕턴스는 없다고 가정한다. 또한 양방향 스위치를 도 7에 도시한 것처럼 간략히 S1, S2로 나타내었다. As shown in FIG. 7, the first and second winding ratios of the coupling inductor are defined as 1: N. The coupling inductor is represented by an equivalent circuit of the magnetizing inductance (L m ) and the leakage inductance (L 1k ). For convenience of analysis, it is assumed that there is no parasitic resistance component (r) and leakage inductance of the coupling inductor. Also, the bidirectional switches are represented by S 1 and S 2 as shown in FIG. 7.

도 8 및 9는 도 7에 도시된 컨버터의 동작모드 1 및 2를 나타낸다.Figures 8 and 9 show operating modes 1 and 2 of the converter shown in Figure 7.

도 8에 도시된 모드 1에서는, 스위치 S1이 턴온 되고 S2는 턴오프 되어 있다. S2가 턴오프 되어 있으므로 결합 인덕터의 2차측으로는 전류가 흐르지 않는다. 따라서 Lm에 에너지가 저장된다. 모드 1에서의 관계식은 다음과 같다. In the mode 1 shown in Fig. 8, the switch S 1 is turned on and the switch S 2 is turned off. Since S 2 is turned off, no current flows to the secondary side of the coupling inductor. Therefore, energy is stored in L m . The relationship in mode 1 is as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 9에 도시된 모드 2에서는, 스위치 S1이 턴오프 되고 S2가 턴온 된다. Lm에 흐르는 전류는 연속이어야 하므로, 모드 2에서는 결합 인덕터 2차측으로 전류가 흐르게 된다. 모드 2에서의 관계식은 다음과 같다.In the mode 2 shown in Fig. 9, the switch S 1 is turned off and S 2 is turned on. Since the current flowing in L m must be continuous, in mode 2, current flows to the secondary side of the coupling inductor. The relationship in mode 2 is as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 수학식 2 및 3을 이용하여 Lm과 Lf의 volt-sec balance 조건을 이용하면, 다음과 같이 컨버터의 전압이득을 얻을 수 있다.Using the volt-sec balance condition of L m and L f using Equations (2) and (3) above, the voltage gain of the converter can be obtained as follows.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 D는 스위치 S1의 듀티비로 정의하였다.Where D is defined as the duty ratio of switch S1.

도 10은 본 발명에 의한 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터의 결합 인덕터 권선비를 1:2로 한 경우, 듀티비에 따른 전압이득을 기존의 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터의 전압이득과 함께 나타낸 그래프이다. 10 is a graph showing the relationship between the voltage gain according to the duty ratio and the voltage gain of the conventional (q) Z-source AC-AC converter when the coupling inductor winding ratio of the Trans-Z-source AC- Fig.

도 10에서 보듯이 동일한 듀티비로 컨버터를 동작시켰을 때 본 발명에서 제안된 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터가 기존의 (q)Z-소스 AC-AC 컨버터보다 더 큰 전압이득을 가지는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 10, when the converter is operated with the same duty ratio, it can be seen that the Trans-Z-source AC-AC converter proposed in the present invention has a larger voltage gain than the conventional (q) Z-source AC- have.

표 1은 기존의 qZ-소스 AC-AC 컨버터와 본 발명에 의한 Trans-Z-소스 AC-AC 컨버터의 전압이득 및 커패시터 전압을 비교한 표이다. Table 1 compares the voltage gain and the capacitor voltage of a conventional qZ-source AC-AC converter and a trans-Z-source AC-AC converter according to the present invention.

[표 1][Table 1]

Figure pat00007
Figure pat00007

본 발명에서 제안한 회로의 성능을 검증하기 위해 120W의 시제품을 제작하여 실험을 수행하였다. 표 2는 제안한 컨버터의 전기적인 사양이다. 출력 전압은 110 Vrms / 60 Hz로 고정하였고, 입력 전압을 가변하면서 저항부하에서 실험을 수행하였다. In order to verify the performance of the circuit proposed in the present invention, prototypes of 120 W were manufactured and tested. Table 2 shows the electrical specifications of the proposed converter. The output voltage was fixed at 110 Vrms / 60 Hz and the experiment was carried out at the resistive load while varying the input voltage.

[표 2][Table 2]

Figure pat00008
Figure pat00008

도 11은 본 발명을 검증하기 위한 실험에 사용된 회로도를 나타낸다. 도 11의 회로에서는 본 발명의 동작 모드 해석에는 없었던 입력 필터가 추가되었다. 이는 기존의 qZ-소스 AC-AC 컨버터의 L1, L2의 권선비를 달리하기 위해 제거한 C2로 인하여 입력 전류가 불연속이 되는데, 입력 전류를 연속으로 만들어 주기 위해 추가한 것이다. Figure 11 shows a circuit diagram used in an experiment to verify the present invention. In the circuit of Fig. 11, an input filter which was not included in the operation mode analysis of the present invention was added. This is because the input current is discontinuous due to C2 removed to differenten the winding ratio of L1 and L2 of the existing qZ-source AC-AC converter, which is added to make the input current continuous.

본 실험에 사용된 결합 인덕터의 권선비는 1:2 이므로 수학식 4를 이용하면 다음과 같이 전압 이득을 구할 수 있다.Since the winding ratio of the coupling inductor used in this experiment is 1: 2, the voltage gain can be obtained by using Equation (4) as follows.

Figure pat00009
Figure pat00009

도 12는 D=0.25이고 입력 전압이 47 Vrms 일 때의 입력전압, 출력전압, 입력전류 파형을 나타낸다. 도 13은 D=0.2이고 입력 전압이 62 Vrms 일 때의 실험파형을 나타낸 것이다. 도 14는 D=0.143이고 입력 전압이 78 Vrms 일 때의 실험파형을 나타낸 것이다. 12 shows the input voltage, the output voltage, and the input current waveform when D = 0.25 and the input voltage is 47 Vrms. 13 shows the experimental waveform when D = 0.2 and the input voltage is 62 Vrms. FIG. 14 shows an experimental waveform when D = 0.143 and the input voltage is 78 Vrms.

도 12, 13, 14의 입력 전압, 전류 파형을 보면 약간의 전압과 전류의 위상 차이를 볼 수 있다. 이 위상차는 출력 부하에 크게 의존하는 값이며, 출력이 클수록 전압, 전류가 동상에 가까워지게 된다.The input voltage and current waveforms of FIGS. 12, 13 and 14 show slight phase difference between voltage and current. The phase difference greatly depends on the output load. The larger the output, the closer the voltage and current become to the phase.

도 15는 도 11에 의한 컨버터의 출력 전압과 전류파형을 나타낸다. 도 16은 D=0.2 일 때 스위치 S1에 걸리는 전압과 결합 인덕터의 1차측 전류 파형이다. Fig. 15 shows the output voltage and current waveform of the converter according to Fig. 16 shows the voltage applied to the switch S1 when D = 0.2 and the primary side current waveform of the coupling inductor.

도 17은 결합 인덕터 2차측 전류와 컨버터 입력전류 파형을 나타낸다. 앞에서 설명한 것처럼, 입력전류가 불연속이 되므로 이를 해결하기 위해 입력 LC 필터를 추가하였다. 17 shows the coupling inductor secondary current and the converter input current waveform. As described above, the input current is discontinuous, and an input LC filter is added to solve this problem.

표 3은 입력 전압 변화에 대한 도 9의 컨버터의 효율을 측정한 표이다. 도 18은 본 실험에 사용된 시제품 사진이다. Table 3 is a table for measuring the efficiency of the converter of FIG. 9 with respect to input voltage variation. 18 is a photograph of a prototype used in this experiment.

[표 3][Table 3]

Figure pat00010
Figure pat00010

Claims (6)

입력 전압원;
상기 입력 전압원의 일단과 제2 스위치 사이에 연결된 제1 인덕터;
상기 제2 스위치와 제3 인덕터 사이에 연결된 제2 인덕터;
상기 제2 인덕터와 제2 커패시터 사이에 연결된 제3 인덕터;
상기 제3 인덕터와 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제2 커패시터;
상기 제2 커패시터의 양단에 병렬 연결된 저항;
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 연결된 제2 스위치;
상기 제2 인덕터의 상기 제2 스위치쪽 일단과 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제1 커패시터 및;
상기 제2 인덕터의 타단과 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제1 스위치를 포함하되,
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 N:1의 권선비(N은 자연수임)로 결합된 것을 특징으로 하는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터.An input voltage source;
A first inductor connected between one end of the input voltage source and a second switch;
A second inductor connected between the second switch and the third inductor;
A third inductor connected between the second inductor and the second capacitor;
A second capacitor connected between the third inductor and the other end of the input voltage source;
A resistor connected in parallel at both ends of the second capacitor;
A second switch connected between the first inductor and the second inductor;
A first capacitor connected between one end of the second switch side of the second inductor and the other end of the input voltage source;
And a first switch connected between the other end of the second inductor and the other end of the input voltage source,
Wherein the first inductor and the second inductor are coupled at a winding ratio of N: 1, where N is a natural number. 제1항에 있어서,
모드 1에서, 제1 스위치가 턴온 되고 제2 스위치는 턴오프 되며,
모드 2에서, 제1 스위치가 턴오프 되고 제2 스위치가 턴온 되는 경우,
컨버터의 전압이득은
Figure pat00011

이고, D는 제1 스위치의 듀티비인 것을 특징으로 하는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터.The method according to claim 1,
In Mode 1, the first switch is turned on and the second switch is turned off,
In mode 2, when the first switch is turned off and the second switch is turned on,
The voltage gain of the converter is
Figure pat00011

And D is the duty ratio of the first switch. 제1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 복수개의 다이오드 및 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터.The method according to claim 1,
Wherein the first switch and the second switch are comprised of a plurality of diodes and transistors. 입력 전압원;
상기 입력 전압원의 일단과 제2 스위치 사이에 연결된 제1 인덕터;
상기 제2 스위치와 제3 인덕터 사이에 연결된 제2 인덕터;
상기 제2 인덕터와 제2 커패시터 사이에 연결된 제3 인덕터;
상기 제3 인덕터와 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제2 커패시터;
상기 제2 커패시터의 양단에 병렬 연결된 저항;
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터 사이에 연결된 제2 스위치;
상기 제2 인덕터의 제3 인덕터쪽 일단과 상기 입력 전압원의 타단 사이에 연결된 제1 스위치 및;
상기 제1 인덕터의 상기 제2 스위치쪽 일단과 상기 제2 인덕터의 제3 인덕터쪽 일단 사이에 연결된 제1 커패시터를 포함하고,
상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 1:N의 권선비(N은 자연수임)로 결합된 것을 특징으로 하는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터.An input voltage source;
A first inductor connected between one end of the input voltage source and a second switch;
A second inductor connected between the second switch and the third inductor;
A third inductor connected between the second inductor and the second capacitor;
A second capacitor connected between the third inductor and the other end of the input voltage source;
A resistor connected in parallel at both ends of the second capacitor;
A second switch connected between the first inductor and the second inductor;
A first switch connected between one end of the third inductor side of the second inductor and the other end of the input voltage source;
And a first capacitor connected between the one end of the first inductor and the one end of the second inductor of the second inductor,
Wherein the first inductor and the second inductor are coupled at a winding ratio of 1: N, where N is a natural number. 제4항에 있어서,
모드 1에서, 제1 스위치가 턴온 되고 제2 스위치는 턴오프 되며,
모드 2에서, 제1 스위치가 턴오프 되고 제2 스위치가 턴온 되는 경우,
컨버터의 전압이득은
Figure pat00012

이고, D는 제1 스위치의 듀티비인 것을 특징으로 하는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터.5. The method of claim 4,
In Mode 1, the first switch is turned on and the second switch is turned off,
In mode 2, when the first switch is turned off and the second switch is turned on,
The voltage gain of the converter is
Figure pat00012

And D is the duty ratio of the first switch. 제4항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 제2 스위치는 복수개의 다이오드 및 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트랜스 Z 소스 AC-AC 컨버터.


5. The method of claim 4,
Wherein the first switch and the second switch are comprised of a plurality of diodes and transistors.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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