KR20180060027A - 양방향ac-dc멀티레벨컨버터 - Google Patents

양방향ac-dc멀티레벨컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향멀티레벨컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컨버팅레벨을 13레벨로 개선한 양방향멀티레벨컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 양방향AC-DC멀티레벨컨버터에 있어서,
양방향DC-DC컨버터부(100)와, 상기 DC-DC컨버터부(100)에 연결된 AC-DC컨버터부(200)를 가지며, 상기 AC-DC컨버터부(200)는 전압의 멀티레벨링(multi-leveling)을 위한 멀티인버터부(210)를 포함하고, 상기 멀티인버터부(210)는 전류의 위상을 결정하기 위한 4개의 위상변환스위치(S1, S2, S3, S4)와; 전압의 크기를 결정하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 3개의 전압누적스위치(S5, S6, S7)들을 가지며, 전원(V1, V2, V3)들이 상기 각 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 병렬로 연결되고, 상기 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 직렬로 연결되며 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원의 충전을 제어하는 충전제어스위치(S8, S9, S10)를 가지는 것을 특징으로 하는 양방향AC-DC멀티레벨컨버터를 제공한다.

Description

양방향AC-DC멀티레벨컨버터{BIDIRECTIONAL AC-DC MULTI-LEVEL CONVERTER}
본 발명은 양방향AC/DC멀티레벨컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컨버팅레벨을 13레벨로 개선한 양방향멀티레벨컨버터에 관한 것이다.
전기 제품은 나날이 우리 생활에 많은 영향력을 행사하고 있다. 예전에는 엔진으로 다니던 자동차들이 전부였지만 현재에는 전기로 다니는 자동차들의 수요가 점점 늘어나고 있다. 가스레인지도 인체의 유해성으로 인해 전기스토브를 찾는 사람들이 늘고 있다. 전기자동차나 전기스토브와 같이 전기 제품의 수요가 더욱 늘어나 일상화되는 시대에는 전기의 효율적인 사용이 더욱 중요해진다.
이러한 이유로 전력 계통의 효율을 높이기 위해 근래 연구되고 있는 분야중 하나인 스마트그리드(Smart grid), PHEV의 특징은 에너지의 양방향성이다. 에너지가 남는 시간에는 에너지를 저장하고 에너지가 부족한 시간에는 저장된 에너지를 사용하여 에너지 효율을 높이는 것이다.
또다른 분야인 재생에너지의 관점에서도 재생에너지원의 대부분이 에너지 생산이 일정하지 못한 생산 가변성에 의해 실제 계통과 연계되기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하려면 충분한 에너지 저장 장치를 이용하여 재생에너지를 통해 생산되는 가변 적인 에너지를 일정한 형태로 출력할 필요가 있는 것이다. 이때에도 에너지는 양방향으로 상호작용해야 구현이 가능하다.
이러한 양방향성을 가능하게 하는 것이 양방향 컨버터이다. 이러한 양방향 컨버터를 모듈화 하게 된다면 사방에 흩어져 있는 에너지 원에 설치해서 이 에너지를 모아 에너지 저장장치에 집중 시킬 수 있다. 에너지원과 에너지 저장장치 그리고 부하를 양방향 컨버터 모듈을 통해 계통에 서로 연결시킨다면 에너지가 남는 곳에서는 에너지를 보내거나 저장하고 에너지가 필요한 곳에서는 에너지를 사용하게 함으로써 항상 에너지가 효율적으로 사용될 수 있게 된다.
이전 까지 사용된 양방향 AC-DC 컨버터는 대부분 변압기를 사용하여 크고 무거우며 구현시 많은 단점이 있었다. 이를 극복하기 위해 비절연형(변압기가 사용되지 않은) 양방향 AC-DC 컨버터가 개발된 바 있다.
이하 양방향컨버터의 종래기술을 살펴본다. 종래기술의 식별부호는 본 발명과는 무관하다.
대한민국 등록특허 제10-1632243호 '양방향 직류/직류 컨버터'는 에너지 저장 시스템(ESS)에서 양방향의 직류/직류 컨버터를 구현하는 기술에 관한 것이다. 이러한 제10-1632243호는 2 위상 인터리빙 기법과 제로 전압 스위칭 셀을 이용하여 고효율의 양방향 직류/직류 컨버터를 구현하고, 여러 단계의 변압과정을 통해 고효율의 에너지 변환이 가능하도록 하고 리플을 줄여 안정적인 에너지 교환이 가능하도록 하며, 인터리빙 기법을 이용하여 입력 전류 리플과 출력전압의 리플을 줄이고, 비교적 높은 부하에서 전도손(Conduction loss)을 저감할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
구성을 살펴보면, 디씨 링크단의 부극성 단자와 정극성 단자의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치를 구비하는 제1 레그; 상기 디씨 링크단의 부극성 단자와 정극성 단자의 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 스위치를 구비하는 제2 레그; 상기 제1 레그에서 상기 한 쌍의 스위치가 서로 연결되는 제1노드와 상기 제2 레그에서 상기 한 쌍의 스위치가 서로 연결되는 제2노드의 사이에 직렬 연결된 인덕터 및 커패시터를 구비하여 양방향으로 변환되는 직류 전압에대해 LC 직렬공진 기능을 수행하는 LC 공진부; 및 배터리셀 전원단의 정극성 단자와 상기 제1노드의 사이에 연결된 제1 인덕터 및 상기 배터리셀 전원단의 정극성 단자와 상기 제2노드의 사이에 연결된 제2 인덕터를 구비하여 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그에 전기 에너지를 각기 전달하는 전기에너지 전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0115545호 'ＡＣ/ＤＣ 컨버터 회로'는 N(N≥2)개의 AC 공급 전압들(U1, U2, U3)을 DC 전압으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터 회로(100) 및 방법에 관한 것이다. 이는 풀 브리지 컨버터들(11, 12, 13)의 제1 단자들(a1, a2, a3)에 AC 공급 전압들을 피딩함으로써 달성될 수 있으며, 이들 정류기들의 제2 단자들(b1, b2, b3)은 서로 연결된다. 정류기들의 출력들(d1, d1', d2, d2', d3, d3')은 중간 컨버터들(21, 22, 23)의 DC 단자들에 피딩된다. 중간 컨버터들의 AC 단자들(e1, e1', e2, e2', e3, e3')은 변압기들(31, 32, 33)의 1차 측에 접속되며, 이들 변압기들의 2차 측은 추가적인 정류기들(41, 42, 43)에 더 제공된다. 회로 설계는 380V 3상 AC 전류를 프로세싱하기 위한 제한 전압 용량의 MosFET들을 사용하게 해주며, 따라서 고효율을 달성할 수 있다.
그러나 상기의 기술들은 멀티레벨컨버팅(multi-level converting)을 제공하지 아니하여 효율에 한계가 있었다.
상용의 선행예로서, 도1의 양방향MIMO컨버터가 소개된 바 있다. 도1의 양방향MIMO컨버터는 다중입력-다중출력(Multi input Multi output)이 가능하고 입력과 출력의 별도 제어가 가능한 장점이 있으나, 스위칭로스가 크고 크기와 무게 및 비용이 과도한 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1632243호 '양방향 직류/직류 컨버터' (공고일자 2016년06월21일) 대한민국 공개특허 제10-2012-0115545호 'ＡＣ/ＤＣ 컨버터 회로' 공개일자 2012년10월18일
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는
적은 스위치 개수로 높은 레벨의 인버팅이 가능하고 펄스 폭 변조(SPWM)의 출력이 가능한 양방향멀티레벨컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는
양방향DC-DC컨버터부(100)와, 상기 DC-DC컨버터부(100)에 연결된 AC-DC컨버터부(200)를 가지며, 상기 AC-DC컨버터부(200)는 전압의 멀티레벨링(multi-leveling)을 위한 멀티인버터부(210)를 포함하고,
상기 멀티인버터부(210)는 전류의 극을 결정하기 위한 4개의 위상변환스위치(S1, S2, S3, S4)와;
전압의 크기를 결정하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 3개의 전압누적스위치(S5, S6, S7)들을 가지며,
전원(V1, V2, V3)들이 상기 각 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 병렬로 연결되고,
상기 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 직렬로 연결되며 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원의 충전을 제어하는 충전제어스위치(S8, S9, S10)를 가지는 것을 특징으로 하는 양방향AC-DC멀티레벨컨버터를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면,
1.적은 스위치 개수로 높은 레벨의 인버팅이 가능하다. 즉, 총 22개 스위치로 13레벨 출력이 가능한 양방향AC-DC멀티레벨컨버터를 제공한다. 이는 종래의 멀티레벨 인버팅 구조에서 스위치 11개를 줄이고 8레벨 증가한 것이다.
2.DC-DC컨버터와 AC-DC컨버터의 양방향 연결에 있어서 전원(V1, V2, V3)의 충전을 제어하는 충전제어스위치(S8, S9, S10)를 제공함으로써 쇼트없는 원활한 양방향 연결을 구현하였다.
3.적은 DC-DC 컨버터 측 출력 전압으로 AC-DC 측의 높은 교류 전압을 출력 할 수 있다.
4.펄스 폭 변조(SPWM)를 통하여 안정적이고 고른 출력이 가능하다.
5.DC 링크(link)에 캐퍼시터(Capacitor)가 필요하지 않아 캐퍼시터전압 불균형이 발생하지 않고, THD가 상대적으로 낮다.
6.입출력 제어가 독립적으로 되어 유연한 제어가 가능하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 종래의 상용의 양방향MIMO컨버터의 회로도이다.
도2는 도2는 본 발명의 양방향AC-DC멀티레벨컨버터의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도3은 멀티레벨인버팅을 설명하기 위한 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도4 및 도5는 ±Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도6 및 도7은 ±2Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도8 및 도9는 ±3Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도10 및 도11은 ±4Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도12 및 도13은 ±5Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도14 및 도15는 ±6Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도이다.
도16은 0~3V에서의 멀티캐리어(multi-carrier)에 의한 SPWM을 도시한 그래프이다.
도17는 3~6V에서의 멀티캐리어(multi-carrier)에 의한 SPWM을 도시한 그래프이다.
도18은 시뮬레이션 결과 출력되는 파형의 그래프이다.
도19는 본 발명을 시험한 회로의 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 양방향AC-DC멀티레벨컨버터의 일 실시예를 도시한 회로도이다. 본 발명은 양방향AC-DC멀티레벨컨버터에 있어서,
양방향DC-DC컨버터부(100)와, 상기 DC-DC컨버터부(100)에 연결된 AC-DC컨버터부(200)를 가지며, 상기 AC-DC컨버터부(200)는 전압의 멀티레벨링(multi-leveling)을 위한 멀티인버터부(210)를 포함하고,
상기 멀티인버터부(210)는 전류의 위상을 결정하기 위한 4개의 위상변환스위치(S1, S2, S3, S4)와;
전압의 크기를 결정하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 3개의 전압누적스위치(S5, S6, S7)들을 가지며,
전원(V1, V2, V3)들이 상기 각 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 병렬로 연결되고,
상기 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 직렬로 연결되며 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원의 충전을 제어하는 충전제어스위치(S8, S9, S10)를 가지는 것을 특징으로 하는 양방향AC-DC멀티레벨컨버터를 제공한다.
본 발명의 양방향AC-DC멀티레벨컨버터는 양방향으로 작동하며, 이에 따라 입력신호는 양방향DC-DC컨버터부(100)로부터 받거나 또는 AC-DC컨버터부(200)로부터 받을 수 있다.
양방향DC-DC컨버터부(100)와 AC-DC컨버터부(200)를 연결할 경우, 초기에 정상적으로 충전 전압을 출력하나 시간이 지나면 dc-dc 컨버터의 출력 전압이 떨어져 결국 0의 값이 되어 버리는 문제가 발생한다.
이에, 본 발명에서는 멀티레벨 인버팅시 양방향으로 전력이 흐를 수 있도록 하기 위하여, 상기 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원의 충전을 제어하는 충전제어스위치(S8, S9, S10)가 설치된다. 상기 충전제어스위치는 3개의 전원을 연결하는 형태로 구성되며, 세 게의 전원 중 두 개는 배터리(211, 212)를 적용하고 나머지 하나는 양방향DC-DC컨버터부(100)와 연결하여 넓은 범위에서 응용이 가능하도록 구성된다.
본 발명의 양방향멀티레벨AC-DC컨버터가 양방향으로 운용이 되는 경우 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원이 동시에 충전되지 아니한다. 이에 따라, 상기 전원들 중 하나만 충전하고 나머지를 쇼트시키면서 순차적으로 충전함으로써 양방향으로 운용할 수 있게 된다.
일 실시예로서, 충전제어스위치(S8)만을 ON하여 전원(V5)를 50% 충전한 후에, 순차적으로 나머지 전원을 50% 충전하고, 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원의 전원이 모두 50% 충전된 뒤, 다시 위의 과정을 반복하여 모두 100% 충전상태를 얻을 수 있다.
상기 전압누적스위치(S5, S6, S7)들은 모스펫(MOSFET)스위치로 구성된다. 본 발명의 바람직한 실시예로서, 전압누적스위치(S5)에 연결된 전원(V1)의 전압은 3V, 전압누적스위치(S6)에 연결된 전원(V2)의 전압은 6V, 전압누적스위치(S6)에 연결된 전원(V3)의 전압은 9V이다. 그러나, 각 전원(V1, V2, V3)의 전압은 차등의 전압일 것은 요하나 본 발명에서는 그 전압의 크기에 제한을 두지 아니한다.
이하, 본 발명의 양방향멀티레벨컨버터의 13레벨의 멀티레벨 인버팅을 도면을 참조하여 설명한다.
도3은 멀티레벨인버팅을 설명하기 위한 멀티인버터부(210)의 요부발췌회로도도이다. 도3은 멀티레벨 인버팅시 양방향으로 전력이 흐를 수 있도록 하기 위한 충전제어스위치(S8, S9, S10)를 생략하였다.
멀티레벨 인버터(210)에서의 각 스위치는 각 스위치 마다 전원이 연결되어 있어서 모스펫을 on 시키면 해당 전원이 부하에 걸리고 off 하면 해당 전원은 걸리지 않는 구성을 갖는다. 상기와 같은 구성에 따라 도3에 도시된 바와 같이 세 개의 전원(V1, V2, V3)의 전압이 각각 1Vdc, 2Vdc, 3Vdc 라고 하면 스위치 전압누적스위치(S5, S6, S7)7을 모두 on 시킨 경우 부하에 총 6Vdc가 걸리게 되고 S5만 끄면 5Vdc 전원 레벨이 부하에 걸리게 된다. 도면의 그리드(Grid)는 멀티레벨 인버터(210)를 제외한 AC-DC컨버터부(200)이다.
도4 및 도5는 ±Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 요부발췌회로도이다.
도4는 +Vdc의 부하가 걸리는 경우이며, 도5는 Vdc의 부하가 걸리는 경우를 도시한다. 도면에서 점선으로 도시된 부분은 전류가 흐르지 아니하는 부분이며 실선으로 도시된 부분이 전류가 흐르는 부분이다.
본 실시예에서는, Vdc의 전압을 위하여;
전압누적스위치(S5) : on
전압누적스위치(S6) : off
전압누적스위치(S7) : off
의 상태를 갖는다.
또한, 도4의 +Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : on
위상변환스위치(S2) : on
위상변환스위치(S3) : off
위상변환스위치(S4) : off
도5의 -Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : off
위상변환스위치(S2) : off
위상변환스위치(S3) : on
위상변환스위치(S4) : on
의 상태를 갖는다.
도6 및 도7은 ±2Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 요부발췌회로도이다.
도6은 +2Vdc의 부하가 걸리는 경우이며, 도7은 2Vdc의 부하가 걸리는 경우를 도시한다.
본 실시예에서는, 2Vdc의 전압을 위하여;
전압누적스위치(S5) : off
전압누적스위치(S6) : on
전압누적스위치(S7) : off
의 상태를 갖는다.
또한, 도6의 +2Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : on
위상변환스위치(S2) : on
위상변환스위치(S3) : off
위상변환스위치(S4) : off
도7의 -2Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : off
위상변환스위치(S2) : off
위상변환스위치(S3) : on
위상변환스위치(S4) : on
의 상태를 갖는다.
도8 및 도9는 ±3Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 요부발췌회로도이다.
도8은는 +3Vdc의 부하가 걸리는 경우이며, 도9는는 3Vdc의 부하가 걸리는 경우를 도시한다.
본 실시예에서는, 3Vdc의 전압을 위하여;
전압누적스위치(S5) : off
전압누적스위치(S6) : on
전압누적스위치(S7) : off
의 상태를 갖는다.
또한, 도8의 +3Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : on
위상변환스위치(S2) : on
위상변환스위치(S3) : off
위상변환스위치(S4) : off
도9의 -3Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : off
위상변환스위치(S2) : off
위상변환스위치(S3) : on
위상변환스위치(S4) : on
의 상태를 갖는다.
도10 및 도11은 ±4Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 요부발췌회로도이다.
도10은 +4Vdc의 부하가 걸리는 경우이며, 도11은 4Vdc의 부하가 걸리는 경우를 도시한다.
본 실시예에서는, 4Vdc의 전압을 위하여;
전압누적스위치(S5) : on
전압누적스위치(S6) : off
전압누적스위치(S7) : on
의 상태를 갖는다.
또한, 도10의 +4Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : on
위상변환스위치(S2) : on
위상변환스위치(S3) : off
위상변환스위치(S4) : off
도11의 -4Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : off
위상변환스위치(S2) : off
위상변환스위치(S3) : on
위상변환스위치(S4) : on
의 상태를 갖는다.
도12 및 도13은 ±5Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 요부발췌회로도이다.
도12는 +5Vdc의 부하가 걸리는 경우이며, 도13은 5Vdc의 부하가 걸리는 경우를 도시한다.
도12의 실시예에서는, 5Vdc의 전압을 위하여;
전압누적스위치(S5) : off
전압누적스위치(S6) : on
전압누적스위치(S7) : on
의 상태를 갖는다.
또한, (a)의 +5Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : on
위상변환스위치(S2) : on
위상변환스위치(S3) : off
위상변환스위치(S4) : off
도13의 -5Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : off
위상변환스위치(S2) : off
위상변환스위치(S3) : on
위상변환스위치(S4) : on
의 상태를 갖는다.
도14 및 도15는 ±6Vdc의 부하가 걸리는 상태를 설명하는 요부발췌회로도이다.
도14는 +6Vdc의 부하가 걸리는 경우이며, 도15는 6Vdc의 부하가 걸리는 경우를 도시한다.
본 실시예에서는, 6Vdc의 전압을 위하여;
전압누적스위치(S5) : on
전압누적스위치(S6) : on
전압누적스위치(S7) : on
의 상태를 갖는다.
또한, 도14의 +6Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : on
위상변환스위치(S2) : on
위상변환스위치(S3) : off
위상변환스위치(S4) : off
도15의 -6Vdc의 위상을 위하여 ,
위상변환스위치(S1) : off
위상변환스위치(S2) : off
위상변환스위치(S3) : on
위상변환스위치(S4) : on
의 상태를 갖는다.
0Vdc의 값을 얻기 위해서는 모든 전압누적스위치를 off한다. 이에따라, 0, ±V, ±2V, ±3V, ±4V, ±5V, ±6V의 총 13레벨을 구현할 수 있게 된다.
본 발명은 상기의 멀티레벨의 구현에서 더 나아가, 상기 전압의 크기를 결정하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 3개의 전압누적스위치(S5, S6, S7)들 중 선택되는 하나의 스위치가 on-off를 반복하여 펄스 폭 변조(SPWM) 신호를 출력하는 기술을 제공한다.
즉, 게이트 신호는 멀티캐리어를 이용한 SPWM으로 신호를 만들었다. 이 신호를 통해 세개의 스위치가 동작하여 7개의 레벨을 만들어 결과 파형을 만들 수 있도록 DSP에서 위의 그래프와 같은 신호를 PWM 회로를 통해 만들었다. 이때 참조 신호의 게인 값과 오프셋값을 변형하여 캐리어 값과 비교한 후 신호를 만드는 방식을 적용하면 과변조의 문제는 발생할 수 없게 된다.
도16은 0~3V에서의 멀티캐리어(multi-carrier)에 의한 SPWM을 도시한 그래프이다. 게이트 신호를 좀 더 살펴보면 처음에 0~3V 사이를 SPWM 하는 신호를 만들기 위해서 S6,7은 off되고 S5에 그래프에 네모 박스 안의 신호가 들어가야 한다. 그러기 위해 캐리어 값은 정상적으로 PWM 회로에서 발생을 하고 그 값과 비교해야 하는 참조값에 해당하는 사인(sine) 값의 게인값을 5.5배하고 오프셋(offset)은 0으로 하여 도16과 같은 캐리어보다 크기가 5.5배이면서 0부터 신호가 시작되는 사인 값을 만들었다. 그리고 캐리어 신호가 0이 될 때마다 인터럽트를 발생하여 참조 값을 업데이트하고 다시 비교하여 SPWM신호를 발생하게 하였다. 이후, 다음 3~6V 구간으로 넘어가기 위해 다음 인터럽트가 발생한다. 이 인터럽트 마다 각 스위치에 on, off를 할지 또는 어떤 참조값과 비교할지를 결정하여 입력해 두면 그 인터럽트시 마다 필요한 신호를 만들게 된다.
도17는 3~6V에서의 멀티캐리어(multi-carrier)에 의한 SPWM을 도시한 그래프이다. 3-6V 신호에는 S5는 계속 켜져 있고 S7은 꺼져있어야 한다. 여기서 S6만 켜졌다 꺼졌다를 반복하여 SPWM을 만들게 된다. 이를 위해 참조 값의 게인은 똑같이 5.5가 되어야 하고 오프셋은 -1이 되어야 한다. 그러므로 이번 인터럽트에서는 S5는 on, S7은 off, S6는 캐리어가 게인은 5.5 offset은 -1인 참조값과 비교하여 신호를 보내는 형태가 되게 된다. 이러한 방식으로 참조값 오프셋을 계속 변경하면서 마지막 15~18V 제어 신호까지 만들 수 있게 된다. 도18에서 시뮬레이션 결과 출력되는 파형의 그래프를 확인할 수 있었다. 도19는 본 발명을 시험한 회로의 사진이다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다. 또한, 청구항 부호는 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 형상과 구조를 첨부된 도면에 한정한다는 뜻이 아니다.
100. 양방향DC-DC컨버터부
200. AC-DC컨버터부
210. 멀티인버터부
S1, S2, S3, S4. 위상변환스위치
S5, S6, S7. 전압누적스위치
S8, S9, S10. 충전제어스위치
V1, V2, V3, V4, V5. 전원

Claims (2)

  1. 양방향AC-DC멀티레벨컨버터에 있어서,
    양방향DC-DC컨버터부(100)와, 상기 DC-DC컨버터부(100)에 연결된 AC-DC컨버터부(200)를 가지며, 상기 AC-DC컨버터부(200)는 전압의 멀티레벨링(multi-leveling)을 위한 멀티인버터부(210)를 포함하고,
    상기 멀티인버터부(210)는 전류의 위상을 결정하기 위한 4개의 위상변환스위치(S1, S2, S3, S4)와;
    전압의 크기를 결정하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 3개의 전압누적스위치(S5, S6, S7)들을 가지며,
    전원(V1, V2, V3)들이 상기 각 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 병렬로 연결되고,
    상기 전압누적스위치(S5, S6, S7)들과 직렬로 연결되며 전원(V5, V6) 및 양방향DC-DC컨버터부(100)의 전원의 충전을 제어하는 충전제어스위치(S8, S9, S10)를 가지는 것을 특징으로 하는 양방향AC-DC멀티레벨컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압의 크기를 결정하기 위하여 서로 직렬로 연결되는 3개의 전압누적스위치(S5, S6, S7)들 중 선택되는 하나의 스위치가 on-off를 반복하여 펄스 폭 변조(SPWM) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 양방향AC-DC멀티레벨컨버터.
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KR20110068690A (ko) * 2009-12-16 2011-06-22 삼성에스디아이 주식회사 전원 변환 장치
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