KR20190109313A - 멀티레벨 인버터와 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티레벨 인버터와 그 구동방법에 관한 것이다. 종래의 멀티레벨 인버터는 많은 수의 전력소자가 소요되고, 전도손실이 커지며 제어의 복잡도가 증가하는 문제가 있다. 이에 본 발명은 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치를 사용함으로써 소요되는 전력반도체소자의 개수를 줄이고, 스위칭 제어논리를 단순화하여 제어부에 요구되는 자원을 줄여 경제성을 높이는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위해 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자에 적어도 하나의 양방향 스위치를 포함한 복수의 스위치의 일단이 각각 접속되고 그 타단은 하나의 교류단자에 공통으로 접속되는 하나의 스위칭부를 구성하며, 상기 스위칭부는 상기 교류 단자를 상기 복수의 직류단자에 선택적으로 연결함으로써 교류전압을 출력한다. 또한 상기 스위칭부 두 개를 구성한 다음 한쪽 스위칭부는 하나의 교류단자에 기준전위선을 설정하고 다른 쪽 스위칭부는 다른 교류단자를 상기 복수의 직류단자에 선택적으로 연결하여 상기 두 개의 교류단자에 교류전압을 출력하는 멀티레벨 인버터가 제시된다. 마지막으로 스위칭부를 구성하는 복수의 스위치의 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터를 제시함으로써 단순한 스위칭 제어논리를 선택할 수 있는 멀티레벨 인버터의 구동방법이 제시된다.

Description

멀티레벨 인버터와 그 구동방법{Multilevel Inverters and Driving Methods Thereof}
본 발명은 전력변환을 위한 멀티레벨 인버터에 관한 것이며, 더 상세하게는 전류제어소자 단독의 다이오드 스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치를 사용하여 적은 수의 전력소자로 구성되는 고효율 멀티레벨 인버터와 그 구동방법에 관한 것이다.
종래의 2~3레벨 PWM 인버터에는 회생전류의 경로를 제공하는 다이오드가 포함된 단방향 스위치가 사용된다. 그러나 전류제어소자가 상기 다이오드를 대신하여 회생전류의 경로를 제공할 수 있다면 종래의 단방향 스위치를 이루는 다이오드는 전류제어소자로 대체될 수 있다.
도1은 종래의 T-타입 3레벨 인버터이다. 두 개의 직류전원(Vdc1, Vdc2)이 직렬로 접속되어 세 개의 직류단자(dc1~dc3)가 형성된다. 그들 중 중위(中位)의 직류단자 dc2가 기준단자이다. ac 단자를 교류전압의 양(+)극으로 설정하며 유도성 부하와 정상상태를 전제한다.
기준단자에 접속된 양방향 스위치는 역전압저지(Reverse Blocking) 전류제어소자인 RB-IGBT 두 개의 역병렬 접속으로 이루어졌다. 컬렉터 측에 그려진 작은 삼각형 기호는 안정적 역전압 저지가 가능함을 나타내는 기호이며, 그 구동방법 중 하나를 표1의 스위칭 상태표로 나타낼 수 있다.
Vac
[레벨 V] 		S1(Q1r) S2 S3(Q3l)
Q2r/Q2l
1 off off/on on
0 off on/on off
-1 on on/off off
표1에 따라 스위칭할 때 전류가 연속되면서 전압 레벨이 변경되는 원리는 다음과 같다. 전류제어소자가 온으로 구동되는 시점과 턴온되는 시점 및 오프로 구동되는 시점과 턴오프되는 시점의 구별을 위해 도1a를 참조한다.
0 레벨에서 Q2r을 통해 양전압의 초기환류전류가 흐를 때 D3은 Vdc2와 Q2r에 의해 형성되는 역전압의 폐경로(closed path)로 인해 턴온되지 않으며, 온(on)으로 구동되는 Q2l은 부하에 저장된 에너지(부하 에너지)에 의해 역전압이 인가되므로 역시 턴온되지 않는다.
전압 레벨(Vac)을 1 레벨로 높이는 스위칭으로서 Q2r이 오프 된 시점에서 스위칭 공백시간(데드타임)이 경과한 후 Q3l이 온 된다. Q2r이 오프 된 시점에서 턴오프 지연시간(td-off)이 경과한 즈음, D3은 역전압의 폐경로가 해제되고 부하 에너지에 의해 교류(ac)단자의 전압이 상승하여 Vdc2의 전압과 D3의 턴온전압의 합의 크기가 되는 순간 다이오드-턴온된다.
이에 따라 Q2r을 통해 흐르던 초기환류전류는 그 경로를 D3으로 전환하여 회생전류로 흐르며, KVL에 의해 교류단자에는 1 레벨이 출력된다. 이때 양방향 스위치 S2를 이루는 Q2l은 온으로 구동되고 있지만 역전압으로 인해 턴오프 상태에 있게 되는데 이 상태를 전류제어소자의 '다이오드상태'라고 정의한다. 다이오드상태에 있는 레벨-트리거(level-triggered) 전류제어소자는 순전압이 인가되면 턴온된다.
회생모드에서 1 레벨을 0 레벨로 낮추는 스위칭으로서 Q3l이 오프된 시점에서 데드타임이 경과한 후 Q2r이 온 된다. Q2r이 온 된 시점에서 턴온 시간(ton)이 경과하여 턴온되면 교류단자의 전압은 Q2r의 온드랍 전압(on-state voltage drop)의 크기로 낮아진다. Q2r이 턴온됨으로 인해 D3은 역전압의 폐경로가 형성되며 다이오드-턴오프된다.
한편, 전력공급모드에서 1 레벨이 출력되고 있다면 공급전류는 Q3l을 통해 흐른다. 이때 온 되어 있는 Q2l은 Vdc2와 Q3l에 의해 형성된 역전압의 폐경로로 인해 다이오드상태에 있다.
1 레벨을 0 레벨로 낮추는 스위칭으로서 Q3l이 오프 된 시점에서 데드타임이 경과한 후 Q2r이 온 된다. Q3l이 오프 된 시점에서 턴오프 지연시간이 경과한 즈음 다이오드상태인 Q2l은 역전압의 폐경로가 해제되고 부하 에너지에 의해 dc2(neutral) 단자의 전압이 상승하여 Q2l의 턴온전압(cut-in voltage of VCE)보다 커지는 순간 다이오드-턴온된다. 전류는 그 경로를 Q3l에서 Q2l로 전환하여 후기환류전류로 흐르며, 교류단자에 0 레벨이 출력된다.
이때 다음으로 다이오드-턴온될 수도 있는 상기 Q2l은 “다이오드-턴온을 대기하다”라고 기재하고, 턴온 상태에서 턴오프됨으로써 Q2l의 다이오드-턴온을 일으킬 수도 있는 상기 Q3l은 “다이오드-턴온을 유발하다”라고 기재한다. 1 레벨을 0 레벨로 낮추는 상기 스위칭은 전력공급모드에서는 Q2l을 다이오드-턴온시키지만 회생모드에서는 아무런 효과가 없다.
다시 전압 레벨을 1 레벨로 높이는 스위칭으로서 Q2r이 오프 된 시점에서 데드타임이 경과한 후 Q3l이 온 된다. Q3l이 온 된 시점에서 턴온 시간(ton)이 경과하여 턴온되면 Q2l은 Vdc2와 Q3l에 의해 형성되는 역전압 폐경로로 인해 다이오드-턴오프되어 다이오드상태로 된다.
이때 다이오드-턴오프될 수도 있는 상기 Q2l은 “다이오드-턴오프를 대기하다”라고 기재하고, 턴오프 상태에서 턴온됨으로써 Q2l의 다이오드-턴오프를 일으킬 수도 있는 상기 Q3l은 “다이오드-턴오프를 유발하다”라고 기재한다. 전압 레벨을 1 레벨로 높이는 상기 스위칭은 후기환류모드에서는 Q2l을 다이오드-턴오프시키지만 초기환류모드에서는 아무런 효과가 없다.
당업자는 0 레벨과 -1 레벨 간 전압 레벨이 변경되는 원리를 지금까지의 설명을 통해 알 수 있으므로 기재를 생략한다.
여기에서, 양방향 스위치 S2를 이루는 전류제어소자 Q2r과 Q2l은 각각 다이오드와 전류제어소자 두 가지 전력소자의 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 즉 온 되어 있는 상태에서는 순전압에 턴온되고 역전압에 턴오프되는 다이오드의 특성을 가지며, 또한 턴온상태에서 오프로 구동되면 턴오프되는 전류제어소자 본래의 전류 제어 특성을 갖는다.
따라서 도1의 인버터에서 단방향 스위치 S1과 S3을 각각 이루는 두 개의 다이오드가 전류제어소자로 대체되더라도 그들을 다이오드처럼 동작시킬 수 있다. 또한 직류단자 및 양방향 스위치를 증설하더라도 전류제어소자의 전류제어 특성을 이용하여 다이오드-스위칭을 유발할 수 있으므로 양·음전압 레벨을 각각 단위(1) 레벨 이상 임의의 레벨로 높일 수 있으며, 다시 0 레벨로 낮출 수 있게 된다.
한편, 하기 「특허문헌」에 인용된 문헌1·2·3·4는 멀티레벨 인버터와 그 구동방법의 발명 사례이다. 그러나 문헌1에서 도6a와 도6b, 문헌2에서 도3 내지 도9는 각각 특정 전압 레벨이 출력될 때의 스위칭 상태와 전류 경로를 제시한다. 그러나 전압 레벨이 변경될 때 전류 경로가 전환(commutation)되는 과정이나 원리를 제시하지 않으므로 이상적(ideal) 스위치의 사용을 전제한다.
또한 문헌3에서 제시된 도7a 내지 도8d는 전류가 연속되도록 스위칭하는 정확하고 완전한 방법이 아니며, 다만 직류전원의 단락을 방지하는 스위칭 순서를 설명하고 있다. 회생모드와 전력공급모드에서의 스위칭 방법이 분리되어 설명되지 않았고, 1 레벨과 -1 레벨에서 0 레벨로 변경될 때와 특히 단위(1, -1) 레벨 이상의 레벨로 변경될 때의 스위칭 방법이 제시되지 않았다.
종래로 널리 보급되고 있는 2~3레벨 인버터는 PWM 스위칭에 의해 기본주파수 성분을 생성하지만 또한 불가피한 고조파 성분을 함께 생성하여 에너지를 낭비한다. 더욱이 그 고조파 성분을 소거(filtering)하기 위해 크고 무거운 인덕터와 커패시터가 부가되어 인버터 전체 시스템의 부피, 무게, 발열, 비용은 증가하고 효율은 낮아지는 단점이 있다.
상기 단점 해결의 일환으로 PWM 스위칭 주파수를 높이는 방법이 사용되지만 스위칭 손실 증가와 높은 수준의 EMI 발생의 역효과가 있다.
스위칭 손실이 적은 SiC, GaN 을 포함한 와이드 밴드갭(wide band gap) 반도체로 전력반도체소자(이후 ‘전력소자’로 기재)가 제조되지만 수율이 낮아 고가이며, 저렴해진다 해도 높은 수준의 EMI 발생이란 문제는 남는다.
상기 단점 해결의 다른 일환으로서 발명된 4레벨 이상의 멀티레벨 인버터는 소요되는 전력소자의 개수가 많아 비경제적이고 전도 손실이 크거나, 또는 이상적(ideal) 스위치의 사용을 전제하는 구동방법을 제시하며, 단일 DC-뱅크를 구성하는 복수의 직류전원의 전기가 불균등하게 소모되어 종래의 배터리관리시스템(BMS)으로 충·방전 관리가 불가능한 발명과 3상(3 phase)으로 구동될 때 상간 출력전압 불균형이 발생하는 발명을 제시하고 있다.
[문헌 1] US 9009956 B2, 2015.04.21, 도면5a 내지 도면6b [문헌 2] KR 제10-1727010, 2017.04.10, 도면1, 도면3 내지 도면9 [문헌 3] KR 제10-1270907, 2013.05.28, 도면5, 도면7a 내지 도면8d [문헌 4] EP 2251969 B1, 2010.08.03, 도면1 내지 도면4
종래의 단방향 스위치를 이루는 다이오드를 전류제어소자로 대체하고 그 전류제어소자가 회생·환류전류의 경로가 되도록 구동하는 방법을 제시한다.
전도 손실, 스위칭 손실 및 고조파 손실 등이 모두 작은 고효율 멀티레벨 인버터와 그 구동방법을 제시하고자 한다.
고가 대형중량인 AC 필터의 소형경량화 또는 제거가 가능하도록 임의의 고(high) 레벨 인버터를 실시할 수 있는 토폴로지를 제시한다.
종래의 BMS를 사용할 수 있으며 상간 출력전압의 불균형이 발생하지 않는 직류전원 구성 방안과 DC-뱅크를 구성하는 복수의 직류전원의 전기 소모가 균등한 멀티레벨 인버터 및 구동방법을 제시한다.
서로 다른 전위를 갖는 세 개 이상의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 각 타단은 교류단자에 공통으로 접속되는 세 개 이상의 스위치 및/또는 스위치회로 중 적어도 한 개의 양방향 스위치 및/또는 양방향 스위치회로를 포함하는 멀티레벨 인버터의 구동방법에 있어서, 제어논리가 단순하여 제어부에 많은 자원이 요구되지 않는 실제적(realistic) 구동방법을 제시한다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 멀티레벨 인버터는 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 m(3≤m)개의 직류단자에 일단(一端)이 각각 접속되고 타단(他端)은 하나의 교류(ac)단자에 공통으로 접속되는 m개의 스위치 및/또는 스위치회로(S11~S1m)로 구성되며, 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 상기 교류(ac)단자를 상기 m개의 직류단자에 선택적으로 연결함으로써 상기 교류(ac)단자에 교류전압을 출력하는 제1스위칭부(10);를 포함하되, 상기 m개의 직류단자 중 어느 하나와 상기 교류(ac)단자 사이에 놓이는 양방향 스위치회로의 개수는 많아도 하나이며, 상기 m개의 스위치 및/또는 스위치회로를 구성하는 복수의 스위치 중 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치를 적어도 두 개를 포함하는 것이 특징이다.
본 발명에 의한 다른 하나의 멀티레벨 인버터는 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 m(2≤m≤n)개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 두 개의 교류단자 중 하나인 A단자에 공통으로 접속되는 m개의 스위치 및/또는 스위치회로(S11~S1m)로 구성되며, 상기 A단자에 기준전위선을 설정하거나 또는 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 상기 A단자를 상기 m개의 직류단자에 선택적으로 연결하는 두 가지 동작을 수행하는 제1스위칭부(10); 및 상기 복수의 직류단자 중 n(3≤n)개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 상기 두 개의 교류단자 중 다른 하나인 B단자에 공통으로 접속되는 n개의 스위치 및/또는 스위치회로(S21~S2n)로 구성되며, 상기 B단자에 기준전위선을 설정하거나 또는 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 상기 B단자를 상기 n개의 직류단자에 선택적으로 연결하는 두 가지 동작을 수행하는 제2스위칭부(20);를 포함하되, 상기 두 개의 교류단자에 교류전압을 출력하기 위해 제1스위칭부(10)와 제2스위칭부(20)는 각각의 상기 두 가지 동작 중 서로 상보적인 동작을 수행하고, 적어도 하나의 등전위선이 형성되는 것이 특징이다.
상기 발명과 상기 문헌1·2·3·4에 제시된 멀티레벨 인버터의 공통적 특징인 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 세 개 이상의 직류단자에 일단(一端)이 각각 접속되고 타단(他端)은 교류단자에 공통으로 접속되는 세 개 이상의 스위치 및/또는 스위치회로로 구성되는 스위칭부를 적어도 하나 포함하되, 상기 세 개 이상의 스위치 및/또는 스위치회로 중 적어도 하나가 양방향 스위치 및/또는 양방향 스위치회로인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법에 있어서, 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터인 다이오드상태인 전류제어소자의 개수, 다이오드시간 및 온 구동 한정범위 중 적어도 어느 한 개의 파라미터 값을 설정하는 설정단계; 및 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 교류 전압 레벨을 출력하는 출력단계;를 포함하는 구동방법을 제시한다.
본 발명 사상에 따른 멀티레벨 인버터는 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치를 포함하여 구성되므로 소요되는 전력소자의 개수가 적어 경제적이다.
인버터의 용도나 직류 전원의 구비조건에 맞춰 출력 전압 레벨 수를 임의로 선정할 수 있으며, 기본주파수 스위칭 변조 또는 저주파 PWM으로 구동되는 고 레벨 인버터는 전도 손실, 스위칭 손실 및 고조파 손실 등이 작으므로 발열이 적고, AC 필터의 소형경량화 또는 제거가 가능하다.
전류제어소자가 갖는 두 가지 전력소자 특성을 활용하는 본 발명사상에 따른 멀티레벨 인버터의 실제적 구동방법은 전력변환효율 향상과 AC 필터 소형경량화의 일환인 고주파 스위칭 방법의 대안(代案)이 되는 방법 발명이다.
단일 DC-뱅크를 구성하는 복수의 직류전원의 전기소모가 균등한 멀티레벨 인버터와 구동방법을 선택하거나 또는 복수의 DC-뱅크를 구비함으로써 종래의 배터리관리시스템(BMS)이 사용될 수 있다.
종래의 H-브리지 3레벨 인버터의 적층(cascading)으로 구현된 단상 11레벨 인버터에서 전압 레벨이 변경될 때 동시에 온(on)으로 구동되는 전류제어소자는 10개이다. 그러나 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터의 구동방법은 고 레벨일지라도 적게는 한 개의 전류제어소자만이 온으로 구동되며, 스위치 제어 순서가 순차적이고 제어논리가 단순하므로 적은 자원으로 제어회로를 구현할 수 있다.
토폴로지가 단순하고 반복적이며, 적은 개수의 전력소자가 소요되므로 전력모듈로 제조 시 저가에 인버터 시스템의 실시, 확장 및 유지보수가 가능해 고효율 멀티레벨 인버터의 저변화에 기여한다.
도1은 종래의 T-타입 3레벨 인버터
도1a는 IGBT의 스위칭 관련 시간 파라미터를 보여주는 스위칭 특성도
도2는 멀티레벨 인버터의 일 개념도
도3은 4레벨 인버터의 일 실시예
도4는 양방향 스위치회로가 사용된 5레벨 인버터의 일 실시예
도5는 멀티레벨 인버터의 다른 일 개념도
도6은 7레벨 인버터의 일 실시예
도6a는 양방향 스위치회로가 사용된 변형적 회로의 일 실시예
도6b는 다른 양방향 스위치회로가 사용된 변형적 회로의 일 실시예
도7은 전류제어 스위치를 포함하는 9레벨 인버터의 일 실시예
도8은 경제성 향상을 위한 7레벨 인버터의 일 실시예
도9는 외연 확장형 7레벨 인버터의 일 실시예
도10은 두 개의 DC-뱅크가 사용된 5레벨 인버터의 일 실시예
도10a는 5레벨 인버터를 기본주파 스위칭 변조한 결과의 전압 파형
도11a는 단극성 PWM 컨버팅 시 교류전류 IS가 증가되는 스위칭 상태
도11b는 양극성 PWM 컨버팅 시 교류전류 IS가 증가되는 스위칭 상태
도11c는 단·양극성 PWM 컨버팅 시 교류전류가 감소되는 스위칭 상태
도11d는 단극성 PWM 컨버팅 시 교류 한 주기 동안 전압·전류의 파형
도12는 3상 5레벨 인버터의 일 실시예
도13는 다이오드상태인 개수는 최대 세 개, 다이오드시간이 전류제어소자마다 서로 다른 구동방법(타임차트)의 일 실시예
도14은 다이오드상태인 개수는 최대 두 개, 다이오드시간이 전류제어소자마다 서로 다른 구동방법의 일 실시예
도15는 다이오드상태인 개수는 최대 한 개, 다이오드시간이 영(0) 초인 구동방법의 일 실시예
도16는 다이오드상태인 개수는 한 개, 다이오드시간은 영(0) 초, 온 구동 한정범위가 주기단위 한 주기인 구동방법의 일 실시예
도17는 단극성 PWM 스위칭할 때의 타임 차트(양전압 반 주기)
본 발명을 설명하기 위해 의미를 명확화하거나 한정하는 용어와 새롭게 명명하거나 정의하는 용어의 일부는 다음과 같다.
‘포함하다’의 용어는 제시되는 것이 있으면서 종래의 것 또는 새로 개발될 것이 하나 이상 더 포함될 수 있음을 의미한다. ‘연결하다’의 용어는 ‘전기를 전도시키다’를 의미한다. 따라서 “A를 B에(와) 연결하다”는 “A와 B 사이에 전류가 흐르게 하다”라는 의미이다. 또한 수량에 있어서 ‘많아도 하나’는 ‘없거나 또는 하나’를 의미한다.
‘전류제어소자’는 온·오프(on·off) 구동신호에 의해 단방향 전류제어 특성 및 그 종류와 제조 방법에 따라 단방향 전압저지 또는 양방향 전압저지 특성을 갖는 전력소자이며, IGCT, 트랜지스터, MOSFET, IGBT 등이 포함된다.
전류제어소자가 ‘온 되다’ 또는 ‘온으로 구동되다’라는 용어는 구동신호 입력단자에 온(on) 신호가 입력되는 것을 의미하고, ‘턴온되다’라는 용어는 온 구동신호와 순방향 전압(순전압)에 의해 ‘전류가 흐르는 상태(턴온 상태)’로 변화되는 것을 의미한다. 따라서 그 의미는 완전히 서로 다르며, 도1a의 IGBT 스위칭 특성도에서 볼 수 있듯이 그 시점도 다르다는 점에 유의한다. ‘오프 되다’와 ‘턴오프되다’의 의미가 다른 것도 마찬가지이다.
전류제어소자는 온으로 구동되더라도 역방향 전압(역전압)이 인가되면 ‘전류가 흐르지 않는 상태(턴오프 상태)’에 머물러 있는 반면 오프 되면 필히 턴오프되는 특성을 갖는다.
양방향으로 전류가 흐를 수 있되 단방향 전압저지 및 단방향 전류제어 특성을 갖는 스위치를 ‘단방향 스위치(an unidirectional switch)’라고, 양방향 전압저지 및 양방향 전류 개별 제어 특성을 갖는 스위치를 ‘양방향 스위치(a bidirectional switch)’라고, 단방향으로만 전류가 흐를 수 있고 양방향 전압저지 및 단방향 전류제어 특성을 갖는 스위치를 ‘전류제어 스위치(a current control switch)’라고 각각 정의한다. 명시적 또는 문맥상 기능이나 특성이 한정되지 않은 ‘스위치’는 상기 세 가지 스위치를 통칭한다.
상기 세 가지 스위치는 각각 다이오드, 트랜지스터, GTO, IGCT, MOSFET, IGBT 등을 포함한 전력소자 한 개 이상으로 이루어져 구현되며, 스위치의 양쪽 종단(양단) 사이에 노드가 형성되더라도 그 노드에서 분기되는 전력소자나 스위치가 없는 것이 특징이다. 하나의 다이오드와 하나의 전류제어소자가 역병렬(anti-parallel) 접속된 단방향 스위치, 역전압저지 전류제어소자 두 개가 역병렬 접속된 양방향 스위치 또는 단방향 스위치 두 개가 직렬 접속된 양방향 스위치, 하나의 역전압저지 전류제어소자인 전류제어 스위치 등이 상기 세 가지 각 스위치의 일예이다.
하나의 스위치와 대비하여, 하나의 ‘스위치회로(a switch circuit)’는 서로 다른 전위를 갖는 세 개 이상의 직류단자 중 어느 하나의 직류단자와 하나의 교류단자 사이에 놓이는 회로이되, 상기 하나의 직류단자에 일단이 접속되는 적어도 하나의 다이오드 또는 하나의 스위치를 포함한 복수의 전력소자로 구성되며, 다른 교류단자와 상기 세 개 이상의 직류단자 중의 다른 직류단자를 지나지 않고, 스위치의 특성을 가지며, 상기 하나의 직류단자와 상기 하나의 교류단자 사이에서 형성된 노드로부터 분기되어 상기 세 개 이상의 직류단자 중의 다른 직류단자에 접속되는 전력소자나 스위치를 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로로 정의한다. 단, 전류제어 스위치회로 두 개가 역병렬로 접속된 경우 하나의 양방향 스위치회로로 간주한다.
스위치회로가 단방향 스위치의 특성을 가지면 ‘단방향 스위치회로’, 양방향 스위치의 특성을 가지면 ‘양방향 스위치회로’, 전류제어 스위치의 특성을 가지면 ‘전류제어 스위치회로’라고 각각 명명한다.
‘전압 레벨’ 또는 ‘레벨’의 용어와 ‘주기’의 용어는, 별도로 명시되지 않은 한, 각각 멀티레벨 인버터 제어로 출력되는 교류전압 파형의 레벨과 주기를 의미한다. 또한 상기 교류전압 파형의 한 주기, 반 주기 또는 1/4 주기 동안 어떤 수량을 산정할 때 ‘주기단위’의 용어를 사용하는데, “주기단위 한 주기에”의 문구는 상기 “교류전압 파형의 한 주기 동안에”라는 의미이다.
서로 반대방향인 양쪽 방향의 환류전류를 다음과 같이 구분한다. 유도성 부하가 접속된 인버터에서 공급전류로부터 전환된 환류전류를 ‘후기환류전류(late freewheeling current)’, 회생전류로 전환될 환류전류를 ‘초기환류전류(early freewheeling current)’라 각각 명명한다. 일예로 양전압의 후기환류전류는 전압 극성이 교번(alternation)되면서 음전압의 초기환류전류가 된다.
하나의 직류전원은 커패시터, 배터리, 태양전지, 연료전지, 정류기, DC-DC 컨버터 등을 포함한다. 각 직류전원의 양극과 음극 양단을 ‘직류단자’라 명명한다. 하나의 직류전원의 양(+)극과 다른 직류전원의 음(-)극이 직렬 접속된 노드는 하나의 직류단자이다.
멀티레벨 인버터에 두 개 이상의 직류단자를 제공하는 하나 또는 직렬 접속된 복수의 직류전원을 ‘DC-뱅크’라 명명한다. 하나의 DC-뱅크에는 전위가 가장 낮은 최하위 음극부터 전위가 가장 높은 최상위 양극까지 오름차순의 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자가 형성된다.
하나의 DC-뱅크에 형성된 복수의 직류단자 중 적어도 최하위 및 최상위 직류단자 두 개가 도선(wire) 또는 수동소자를 통해 다른 DC-뱅크에 형성된 두 개의 직류단자에 각각 접속된다면 상기 하나의 DC-뱅크는 상기 다른 DC-뱅크에 병합되어 한 개의 DC-뱅크가 된다. 그러나 하나의 DC-뱅크에 형성된 복수의 직류단자 중 적어도 어느 한 개가 다른 DC-뱅크의 직류단자에 도선 또는 수동소자를 통해 접속되되 상기 하나의 DC-뱅크의 최하위 및 최상위 직류단자 중 적어도 어느 하나가 도선(wire) 또는 수동소자를 통해 상기 다른 DC-뱅크의 직류단자에 접속되지 않는다면 상기 하나의 DC-뱅크와 상기 다른 DC-뱅크는 서로 구분되는 두 개의 DC-뱅크이다. 두 개 이상의 DC-뱅크에도 동일하게 적용된다.
교류 출력전압 레벨을 양전압과 음전압(양·음전압)으로 구분하는 기준이 되는 직류단자 및 교류단자 양단 간 전위차의 기준이 되는 직류단자를 각각 ‘기준단자’라 명명한다. 출력 전압 레벨 수가 짝수이거나 영(0) 레벨을 출력하지 않는 경우에는 양의 정점(peak) 레벨과 음의 정점 레벨 간 전위차의 절반인 ‘중간 전압(half voltage)’이 양·음전압을 구분하는 기준이 된다.
기준단자는 단상 멀티레벨 인버터에서 전력소자에 흐르는 전류를 공급·회생·환류전류로 구분할 때는 잘 맞는 기준이지만 복수의 상(phase) 인버터에서는 항상 맞는 기준은 아니다. 그러나 발명에 대한 설명을 목적으로 상기 단상일 때 구분하는 전류에 따라 전류제어소자를 구분하여 지칭한다.
하나의 스위치(또는 스위치회로)를 이루며 턴온 상태인 전력소자가 다른 스위치(또는 스위치회로)를 이루는 전류제어소자의 턴온으로 인해 역전압이 인가되어 턴오프 상태로 변화되는 동작을 전력소자의 ‘다이오드-턴오프’라고 정의하고, 하나의 스위치(또는 스위치회로)를 이루며 턴오프 상태인 전력소자가 다른 스위치(또는 스위치회로)를 이루는 전류제어소자의 턴오프로 인해 순전압이 인가되어 턴온 상태로 변화되는 동작을 전력소자의 ‘다이오드-턴온’이라 정의한다. 상기 두 가지 동작은 동시에 일어날 수 없으며 전류 방향에 따라 어느 하나의 동작만 일어날 수 있다. 다이오드-턴온 동작과 다이오드-턴오프 동작을 ‘다이오드-스위칭 동작’이라 통칭한다. 다이오드-스위칭 동작은 다이오드와 온으로 구동되고 있는 전류제어소자에서 일어날 수 있다.
레벨-트리거(level-triggered or -sensitive) 전류제어소자는 수월하게 다이오드-턴온 동작이 일어날 수 있다. 반면 펄스-트리거(pulse-triggered) 전류제어소자는 트리거 타이밍 정합 장치나 스너버(snubber)회로 등을 포함한 부가적 장치를 필요로 한다. 그러나 다이오드-턴오프 동작은 어떤 종류의 전류제어소자에서나 수월하게 일어난다.
단방향 스위치 두 개가 직렬 접속된 양방향 스위치가 턴온상태가 될 때는 다이오드와 전류제어소자 두 개의 전력소자에서 동시에 다이오드-스위칭 동작이 일어난다. 그러나 적어도 하나의 역전압저지 전류제어소자를 포함하는 양방향 스위치에서는 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나며, 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치는 단방향 스위치 두 개가 직렬 접속된 양방향 스위치에 비해 전력소자 개수와 전도 손실이 절반 수준이다.
각 실시예에서 제시되는 전압 레벨 수는 최다(最多) 전압 레벨 수이며 구동방법에 따라 그 보다 적은 전압 레벨 수가 출력될 수 있다. 한 주기 동안의 스위칭 상태변화를 나타낸 스위칭 상태표는 멀티레벨 인버터의 구동방법이다. 스위칭 상태표를 작성하고 설명하기 위해 사용되는 용어, 부호 및 조건은 다음과 같다.
스위칭 상태표에 있어서, 스위치를 이루는 전류제어소자에 전류가 흐르도록 구동되는 스위칭 상태를 'on'으로, 전류가 차단되도록 구동되는 스위칭 상태를 'off'로 나타낸다. NC형 전류제어소자와 NO형 전류제어소자는 전기적 구동신호가 서로 다를 수 있다. 스위칭 상태 'dc'는 don’t care의 약어로서 'on' 과 'off' 중 어느 하나의 구동 상태일 수 있다.
스위치를 이루는 전류제어소자가 온(on)으로 구동되고 그 스위치를 이루는 전력소자를 통해 어느 한쪽 방향으로 전류가 흐르는 상태를 스위치의 ‘전도상태’라 명명하며, 굵은 글자체로 그 상태를 표기한다. 따라서 단방향 스위치 및 전류제어스위치는 'on'으로, 양방향 스위치는 'on/on'으로 표기한다. 전류제어소자가 온으로 구동되지만 턴온되지 않은 상태(즉 다이오드상태)를 보통 글자체의 'on'으로 표기한다.
기본주파수 스위칭 변조로 구동되며, 모든 전력소자의 온드랍 전압은 무시할 정도로 작고, 유도성 부하이며, 각 직류전원의 정격전압은 ‘단위 레벨’ 볼트라고 가정한다. 따라서 단위(1) 레벨 전압이 100볼트라면 각 직류전원의 정격전압이 100볼트이므로 인버터에서 출력되는 1 레벨은 100볼트, -2 레벨은 -200볼트이다.
한편 스위칭 시 직류전원의 단락을 방지하기 위한 데드타임(td)은 스위칭 상태표로 나타낼 수 없다. 따라서 상기 T-타입 3레벨 인버터의 스위칭 상태표를 설명하면서 기재한 데드타임을 참고하여 이하 스위칭 상태표를 해석해야 한다.
전류제어소자가 갖는 두 가지 전력소자의 특성을 활용하는 본 발명사상에 따른 멀티레벨 인버터는 복수의 스위치 기호로 구성되는 개념도로 도시된다. 상기 ‘스위치 기호’를 ‘스위치^’로 기재하며, 각 스위치^의 위치에 실제로는 하나의 스위치 또는 하나의 스위치회로가 놓일 수 있으므로 스위치^은 본 명세서에서 다음의 의미를 갖는다.
각 스위치^의 위치에 놓이는 대상 하나를 그 형상에 따라 구별할 때는 ‘스위치 또는 스위치회로’를 의미하고, 스위치^의 개수를 산정할 때는 ‘스위치 및/또는 스위치회로’를 의미한다. 본 명세서에서 스위치^의 개수는 스위치와 스위치회로를 모두 함께 산정하는 숫자이다.
개념도에 따른 일 실시예로서, 각 스위치^의 위치에 스위치가 놓이면 가장 단순한 멀티레벨 인버터 회로(topology)가 된다. 그러나 상기 위치 중 한 개 이상에 스위치회로가 놓일 수 있다. 스위치회로를 구성하는 적어도 하나의 스위치 또는 다이오드는 다른 스위치^(즉 스위치 또는 스위치회로)와 공유되어 전압 레벨이 출력되는데, 그 공유되는 스위치를 ‘공유스위치’, 그 공유되는 다이오드를 ‘공유다이오드’라고 각각 명명한다.
공유스위치는 오로지 도선(wire)처럼 기능하여 다른 스위치^에 전류 경로만을 제공하므로 도선으로 대체될 수 있는 것과, 도선처럼 기능하기도 하고 또한 다이오드-스위칭을 유발하므로 도선으로 대체될 수 없는 것으로 구분된다. 공유스위치는 적어도 하나의 스위치를 스위치회로로 변환시키며, 공유스위치를 경유하여 특정 직류단자를 교류단자와 연결하는 스위치^에서 다이오드-스위칭 동작이 일어날 때 전류 경로를 제공하도록 구동되어야 한다.
본 발명에 따른 멀티레벨 인버터에서 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자와 교류단자 사이에 놓이는 각개의 스위치^는 모두 양방향 스위치^일 수 있다. 그러나 상기 복수의 직류단자 중 가장 낮은 전위와 가장 높은 전위를 갖는 두 개의 직류단자와 교류단자(ac terminal(s)) 사이에 놓이는 각개의 스위치^ 모두가 또는 그 중 일부는 단방향 스위치^일 수 있다. 양·음전압 레벨을 높이기 위해 더 이상 다이오드-턴온을 유발할 필요가 없기 때문이다.
또는 공급전류만이 흐르는 교류전압 위상 구간의 전압 레벨을 출력하는 각 스위치^는 공급전류 방향의 전류제어 스위치^이고 회생전류 아니면 공급전류가 흐르는 위상 구간의 전압 레벨을 출력하는 각 스위치^는 양방향 스위치^일 수 있다.
스위치^와 직류단자를 회로도에 배치하고 숫자 부호를 부여함에 있어서 전위가 낮은 직류단자와 그 직류단자에 접속된 스위치^를 아래쪽에 배치하고 작은 숫자와 낮은 순번을 부여한다.
도2는 첫 번째 발명사상을 나타내는 멀티레벨 인버터의 개념도이다. 오름차순의 서로 다른 전위를 갖는 t(3≤t)개의 직류단자(dc1~dct)와 하나의 교류(ac)단자가 구비된 여건에서, 제1스위칭부(10)는 상기 t개의 직류단자 중 m(3≤m≤t)개의 직류단자와 교류(ac)단자에 각각 접속되며, 내부적으로 m개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 교류(ac)단자에 공통으로 접속되는 m개의 스위치 및/또는 스위치회로(S11~S1m)로 구성된다.
제1스위칭부(10)는 “교류(ac)단자를 m개의 직류단자 중 선택적인 하나에 연결하되 선택적인 하나를 변경하여 연결한다.” 본 명세서에서 위 인용부호 안의 문구를 “교류(ac)단자를 m개의 직류단자에 선택적으로 연결한다.”로 기재한다. 제1스위칭부(10)는 교류(ac)단자를 상기 m개의 스위치 및/또는 스위치회로 각개를 이루는 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 기준단자, 기준단자(또는 중간 전압)보다 높은 전위를 갖는 직류단자 및 기준단자(또는 중간 전압)보다 낮은 전위를 갖는 직류단자에 선택적으로 연결함으로써 상기 교류(ac)단자와 상기 기준단자 간에 교류전압 파형이 출력되도록 구동된다.
문헌4의 도1 내지 도4의 5레벨 인버터에서 각각 기준단자와 교류단자 사이에 두 개의 양방향 스위치회로가 병렬로 접속되어 있다. 그러나 본 발명에 의한 멀티레벨 인버터는 상기 m개의 직류단자 중 어느 하나와 교류단자 사이에 놓이는 양방향 스위치회로의 개수가 많아도 하나이며, 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치를 적어도 두 개를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티레벨 인버터에는 부하전류를 감지하는 적어도 하나의 전류센서(CS1), 각 직류단자의 전압을 감지하는 적어도 하나의 전압센서 및 적어도 하나의 스너버(snubber) 회로 중 한 가지 이상이 함께 구비될 수 있다.
상기 m개의 직류단자에 세 개의 제1스위칭부(10)가 병렬로 접속되고 각 제1스위칭부에 교류(ac)단자가 구비되면 각 교류 전압 위상이 2π/3 차이 나는 3상 m레벨 인버터로 구동되거나, 또는 전력 용량을 늘리기 위해 교류 전압 위상이 동기화된 세 개의 단상 m레벨 인버터로 구동될 수 있다.
도3은 종래의 2~3레벨 인버터용 BMS로 각각 충·방전될 수 있는 두 개의 DC-뱅크에 의해 형성된 7개의 직류단자 중 4개의 직류단자(dc1~dc4)에 일단이 각각 접속되고 타단은 교류(ac)단자에 공통으로 접속된 네 개의 스위치로 구성된 제1스위칭부(10)를 포함하는 4레벨 인버터이다.
스위칭 상태표는 아래 표2와 같다. 출력 전압(Vac) 레벨은 1, 2, 1, -1, -2, -1, 1 의 순서로 변경되며, 별도로 명시되지 않은 한, 다른 스위칭 상태표에서도 같거나 유사한 순서로 변경된다.
Vac
[레벨 V] 		S11 S12 S13 S14
Q12r/Q12l Q13r/Q13l
2 off off/dc off/on on
1 off off/on on/on off
-1 off on/on on/off off
-2 on on/off dc/off off
스위치^의 개수가 짝수인 단상 멀티레벨 인버터는 중간 전압을 기준으로 양·음전압 레벨이 구분되며, 동작모드로서 환류모드를 갖지 않는다.
한쪽 방향만의 역전압저지 전류제어소자(Q12r)를 포함하는 양방향 스위치 S12에서 음전압의 전력공급모드인 -2 레벨에서 -1 레벨로 낮출 때 전류제어소자(Q12r) 단독의 다이오드-턴온 동작이 일어나므로 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치는 두 개(S12, S13)이다.
도4는 두 개의 DC-뱅크에 의해 제공되는 7개의 직류단자 중 5개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 교류단자에 공통으로 접속되는 다섯 개의 스위치회로로 구성되는 5레벨 인버터의 실시예이다. 공유스위치(S13l, S13r)로 인해 직류단자 dc2, dc3 및 dc4와 교류단자 사이에는 양방향 스위치회로가 놓였고, dc1 및 dc5와 교류단자 사이에는 전류제어 스위치회로가 놓였다.
부하 리액턴스가 작아서 교류 전압과 전류의 위상차가 크지 않은 용도의 멀티레벨 인버터는 도4에서와 같이 공급전류만이 흐르는 교류전압 위상 구간을 출력하는 스위치가 전류제어 스위치로 구성될 수 있다. 도4는 교류 전압과 전류의 위상차가 ±π/4 정도인 용도로 실시될 수 있다. 위상차가 ±π/4를 조금 초과한다면 스위치 S12 또는 S14를 PWM 스위칭하여 회생전류의 경로를 제공함으로써 회생이 완료되도록 구동될 수 있다.
다섯 개의 스위치회로를 구성하는 여섯 개의 스위치 중에 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치는 두 개(S12, S14)이다. 스위칭 상태표는 아래 표3와 같다.
Vac
[레벨 V] 		S11 S12 S13 S14 S15
Q12r/Q12l S13r/S13l Q14r/Q14l
2 off off/dc off/on off/on on
1 off off/dc off/on on/on off
0 off off/on on/on on/off off
-1 off on/on on/off dc/off off
-2 on on/off on/off dc/off off
도5는 두 번째 발명사상을 나타내는 멀티레벨 인버터의 개념도이다. 도2의 개념도에 따른 멀티레벨 인버터와 비교하여 같은 개수의 직류단자에서 약 두 배의 전압 레벨 수가 출력된다. 낭비되는 자원이 있는 것이 변형적 실시예이고 유용성이 있어 고안된 것이 파생적 실시예인데, 도5에서 각 스위칭부를 구성하는 스위치^의 개수는 변형적·파생적 실시예가 포함되도록 일반화되었다.
오름차순의 서로 다른 전위를 갖는 t(3≤t)개의 직류단자와 두 개의 교류단자(A단자와 B단자)가 구비된 여건에서, 상기 t개의 직류단자 중 m(2≤m≤n)개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 A단자에 공통으로 접속되는 m개의 스위치^(S11~S1m)로 구성되는 제1스위칭부(10)와 상기 t개의 직류단자 중 n(3≤n≤t)개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 B단자에 공통으로 접속되는 n개의 스위치^(S21~S2n)로 구성되는 제2스위칭부(20)를 포함하는 멀티레벨 인버터이다.
상기 멀티레벨 인버터에는 부하전류를 감지하는 적어도 하나의 전류센서(CS1, CS2)와 각 직류단자의 전압을 감지하는 적어도 하나의 전압센서 및 적어도 하나의 스너버(snubber) 회로 중 한 가지 이상이 함께 구비될 수 있다.
양쪽 스위칭부(10, 20) 각각의 스위치^ 개수가 같다면 임의의 한쪽 스위칭부를, 같지 않다면 스위치^ 개수가 더 많은 스위칭부를 각각 제2스위칭부로 지정한다. 그러나 무엇보다도 한 주기 출력의 기준전위선이 모두 한쪽 스위칭부에서 설정되는 경우는 그 기준전위선의 맞은쪽을 제2스위칭부로 지정한다.
바람직한 일 실시예에서 직류단자의 개수(t), 제1스위칭부의 스위치^ 개수(m) 및 제2스위칭부의 스위치^ 개수(n)는 모두 같다. 그러나 양쪽 스위칭부는 각각 도6a와 도6b의 변형적 실시예처럼 t개의 직류단자 중 일부에만 접속될 수 있다. 이러한 경우, 각 스위칭부는 자기(itself)에게 접속된 교류단자를 t개의 직류단자 모두에 선택적으로 연결할 수 있는 것은 아니다.
제1스위칭부(10)에 의해 A단자가 어느 하나의 직류단자에 연결되고 제2스위칭부(20)에 의해 B단자도 어느 하나의 직류단자에 연결되면 A단자와 B단자 간에 전위차(전압 레벨)가 출력된다. 다음으로 A단자는 동일한 직류단자에 고정되어 연결되고, 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 B단자가 다른 직류단자로 변경되어 연결되면 전위차가 변경된다. 이때 A단자가 고정되어 연결되는 상기 동일한 직류단자가 ‘기준단자’이고, A단자를 상기 기준단자에 고정하여 연결하는 스위치^를 ‘기준전위선’이라 명명한다. 또한 “상기 스위치^가 A단자에 기준전위선으로 설정되다.”라고 기재하거나 또는 “제1스위칭부는 상기 스위치^로 A단자에 기준전위선을 설정하다.”라고 기재한다.
한 주기 동안 기준단자는 적어도 하나가 설정되며, 멀티레벨 인버터 회로 또는 구동방법에 따라 두 개 이상, 많게는 모든 직류단자가 기준단자로 설정될 수도 있다. 한 주기 동안 두 개 이상의 기준단자가 설정된다면 기준전위선이 교번 또는 교체(cyclic change)되어 설정되면서 기준단자가 교번 또는 교체된다. 즉 기준전위선의 설정은 기준단자의 설정을 의미한다.
결과적으로, 각 스위칭부는 교류단자에 기준전위선을 설정하거나 또는 교류단자를 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자에 선택적으로 연결하되, 두 개의 스위칭부가 서로 상보적으로 동작하여 교류전압을 출력한다.
도5의 개념도에 따른 멀티레벨 인버터와 그 구동방법의 실시예를 설명하기 위한 용어를 아래와 같이 명확화, 명명 또는 정의한다.
“제2스위칭부가 B단자를 연결할 수 있는 복수의 직류단자에 선택적으로 연결한다.”라는 문구를 “제2스위칭부가 B단자를 가용(可用)한 직류단자에 선택적으로 연결한다.”로 기재하며, 제1스위칭부도 마찬가지이다.
직류단자 하나에서 A단자와 B단자 양쪽으로 각각 제1스위칭부의 스위치^와 제2스위칭부의 스위치^가 접속되어 이루어지는, A단자에서 상기 직류단자를 경유하여 B단자에 이르는 회로를 등전위선(identical potential line)이라 정의한다. 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터에는 적어도 한 개의 등전위선이 형성된다.
영(0) 레벨이 포함된 교류 전압을 출력하려면 등전위선이 기준전위선으로 설정되어야 한다. 등전위선 중에서 영(0) 레벨이 출력되는 등전위선을 ‘영전위선’이라 명명한다. 영전위선은 멀티레벨 인버터에 따라 고유하게 결정되거나 또는 복수의 등전위선 중에 선택될 수 있다.
최상위 및/또는 최하위 등전위선에서 기준전위선이 설정되면 맞은쪽 스위칭부에서 교류단자가 복수의 직류단자에 연결되는 순서가 순차적이며, 각 직류전원의 충·방전 관리가 원활하게 이루어질 수 있다.
영전위선이 하나 운용된다면 그 영전위선을 이루는 양쪽 두 개의 스위치^ 중 어느 하나가 양전압 반 주기, 다른 하나가 음전압 반 주기 출력의 기준전위선으로 설정되며, 각 스위칭부는 교류 전압 반 주기씩을 출력한다.
영전위선이 두 개 운용된다면, 그 두 개의 영전위선을 이루는 네 개의 스위치^ 중 한쪽 스위칭부에서 두 개의 스위치^가 양·음전압 각 반 주기 출력의 기준전위선으로 설정되거나 또는 네 개의 스위치^가 각각 1/4 주기 출력의 기준전위선으로 설정될 수 있다. 그러나 주기단위 한 주기에 네 개 초과의 기준전위선이 설정된다면 영전위선이 아닌 등전위선에서 기준전위선이 설정된다.
한쪽 스위칭부에서 기준전위선이 설정되면 맞은쪽 스위칭부를 구성하는 복수의 스위치^를 이루는 각 전류제어소자는 회생·공급·환류전류 중 한 가지를 제어하므로 각각 회생·공급·환류전류제어소자로 구별하여 지칭할 수 있다.
멀티레벨 인버터에 따라 또는 구동방법에 따라 영전위선 또는 기준전위선이 교번되는 순간 글리치(glitch) 전압 노이즈가 발생할 수 있다. 상기 노이즈가 발생하는 경우를 영전위선 또는 기준전위선의 ‘하드 교번’, 발생하지 않는 경우를 ‘소프트 교번(또는 교체)’이라고 각각 정의한다.
양전압과 음전압 반 주기 출력을 각각 시작하고 완료할 때 영전위선에서 출력되는 영 레벨을 ‘+0’과 ‘-0’으로 표기하는데, 이는 출력되는 전압은 동일하지만 스위칭 상태가 서로 달라 구분한다. 그러나 한 주기 동안 한 개의 영전위선이 운용된다면 영 레벨의 스위칭 상태가 한가지로 통일될 수도 있다.
본 발명에 따른 인버터를 구동하는 서로 다른 구동방법을 ‘구동방법’의 단어 뒤에 숫자를 붙여서 구분한다. 편의상, A단자를 교류전압의 양(+)극 단자로 설정한다.
도6은 네 개(m=4)의 양방향 스위치로 구성된 제1스위칭부와 네 개(n=4)의 양방향 스위치로 구성된 제2스위칭부가 각각 네 개의 직류단자에 접속된 7레벨 인버터이다.
여덟 개의 스위치 모두를 한 번씩 연결하여 7레벨의 한 주기를 출력하는 구동방법은 다양하지만, 한 개 또는 두 개의 영전위선을 운용하여 스위치 제어순서가 순차적인 세 가지 구동방법을 대표적 실시예로 제시한다.
첫 번째 구동방법은 주기단위 한 주기에 최하위 등전위선을 이루는 좌·우 두 개의 스위치^를 양·음전압 각 반 주기 출력의 기준전위선으로 설정하고 반 주기마다 소프트 교번하며, 각 기준전위선의 맞은쪽 스위칭부가 가용한 직류단자에 선택적으로 연결하여 각 반 주기를 출력하는 방법이다. 이를 ‘구동방법1’이라 명명하며, 스위칭 상태표는 아래 표4와 같다.
Vac
[레벨 V] 		S 11 S12 S13 S14 S 21 S22 S23 S24
Q 11l /Q 11r Q12l/Q12r Q13l/Q13r Q14l/Q14r Q 21l /Q 21r Q22l/Q22r Q23l/Q23r Q24l/Q24r
3 dc/off dc/off on/off on/on on/on off/off off/off off/off
2 dc/off on/off on/on off/on on/on off/off off/off off/off
1 on/off on/on off/on off/dc on/on off/off off/off off/off
+0 on/on off/on off/dc off/dc on/on off/off off/off off/off
-0 on/on off/off off/off off/off on/on on/off dc/off dc/off
-1 on/on off/off off/off off/off off/on on/on on/off dc/off
-2 on/on off/off off/off off/off off/dc off/on on/on on/off
-3 on/on off/off off/off off/off off/dc off/dc off/on on/on
여덟 개의 스위칭 상태가 나타나지만 출력 전압이 동일한 두 개의 레벨(+0, -0)이 있어 전체 전압 레벨 수는 7레벨이다. 그러나 +0 레벨이 되는 시점에 Q22l이 온으로, 또한 -0 레벨이 되는 시점에 Q12r이 온으로 구동된다면 영 레벨의 스위칭 상태가 하나로 통합되는 일예가 된다.
두 번째 구동방법은 주기단위 한 주기에 최상위 등전위선을 이루는 좌·우 두 개의 스위치^를 양·음전압 각 반 주기 출력의 기준전위선으로 설정하고 반 주기마다 소프트 교번하며, 각 기준전위선의 맞은쪽 스위칭부가 가용한 직류단자에 선택적으로 연결하여 각 반 주기를 출력하는 방법이다. 이를 ‘구동방법2’라 명명하며, 스위칭 상태표는 아래 표5과 같다.
Vac
[레벨 V] 		S11 S12 S13 S 14 S21 S22 S23 S 24
Q11l/Q11r Q12l/Q12r Q13l/Q13r Q 14l /Q 14r Q21l/Q21r Q22l/Q22r Q23l/Q23r Q 24l /Q 24r
3 dc/off dc/off dc/off on/on on/on on/off dc/off dc/off
2 dc/off dc/off dc/off on/on off/on on/on on/off dc/off
1 dc/off dc/off dc/off on/on off/dc off/on on/on on/off
+0 dc/off dc/off dc/off on/on off/dc off/dc off/on on/on
-0 dc/off dc/off on/off on/on off/dc off/dc off/dc on/on
-1 dc/off on/off on/on off/on off/dc off/dc off/dc on/on
-2 on/off on/on off/on off/dc off/dc off/dc off/dc on/on
-3 on/on off/on off/dc off/dc off/dc off/dc off/dc on/on
세 번째 구동방법은 주기단위 한 주기에 최하위·최상위 두 개의 등전위선을 이루는 네 개의 스위치^를 1/4 주기 출력의 각 기준전위선으로 설정하고 1/4 주기마다 소프트 교체하며, 각 기준전위선의 맞은쪽 스위칭부가 가용한 직류단자에 선택적으로 연결하여 1/4 주기씩을 출력하는 방법이다. 이를 ‘구동방법3’이라 명명한다. 한 주기 동안의 스위칭 상태변화의 순서는 아래 표6의 아래 방향이다.
Vac
[레벨 V] 		S 11 S12 S13 S 14 S 21 S22 S23 S 24
Q 11l /Q 11r Q12l/Q12r Q13l/Q13r Q 14l /Q 14r Q 21l /Q 21r Q22l/Q22r Q23l/Q23r Q 24l /Q 24r
-0 on/on off/off off/off off/off on/on on/off dc/off dc/off
-1 on/on off/off off/off off/off off/on on/on on/off dc/off
-2 on/on off/off off/off off/off off/dc off/on on/on on/off
-3+ on/on off/off off/off off/off off/dc off/dc off/on on/on
-3- on/on off/on off/dc off/dc off/off off/off off/off on/on
-2 on/off on/on off/on off/dc off/off off/off off/off on/on
-1 dc/off on/off on/on off/on off/off off/off off/off on/on
-0 dc/off dc/off on/off on/on off/off off/off off/off on/on
+0 off/off off/off off/off on/on off/dc off/dc off/on on/on
1 off/off off/off off/off on/on off/dc off/on on/on on/off
2 off/off off/off off/off on/on off/on on/on on/off dc/off
3+ off/off off/off off/off on/on on/on on/off dc/off dc/off
3- dc/off dc/off on/off on/on on/on off/off off/off off/off
2 dc/off on/off on/on off/on on/on off/off off/off off/off
1 on/off on/on off/on off/dc on/on off/off off/off off/off
+0 on/on off/on off/dc off/dc on/on off/off off/off off/off
-0 on/on off/dc off/dc off/dc on/on on/off dc/off dc/off
구동방법3을 응용한 다른 여러 구동방법이 있다. 모든 등전위선이 영전위선이 될 수 있으므로 두 번째 및/또는 세 번째 등전위선을 영전위선으로 운용함으로써 기준전위선의 소프트 교번을 도모할 수 있다. 일 실시예로서, 두 번째 등전위선 하나를 영전위선으로 운용하여 한 주기가 출력된다면 영전위선에서 기준전위선이 설정되어 일부 전압 레벨이 출력되지만 또한 영전위선이 아닌 최하위·최상위 등전위선에서 기준전위선이 설정되어 일부 전압 레벨이 출력되므로 스위치 제어순서가 양쪽 스위칭부를 지그재그로 왕복하며, 주기단위 한 주기에 기준전위선이 네 개를 초과하여 설정된다.
다른 실시예로서, 레벨 수를 극대화하기 위해 정격전압이 각각 1, 3, 2 레벨 볼트인 세 개의 직류전원을 연결하고 환류전환스위치(Sfw)로 영전위선을 교체하며 전압 레벨을 출력하면 교류초퍼(AC chopper)와 유사한 13레벨의 파형이 출력될 수도 있다.
한편, 여덟 개의 스위치 중 일부를 사용하지 않고 7레벨의 한 주기를 출력하는 방법도 있다. 제1스위칭부에서 최하위·최상위 스위치(S11, S14) 두 개만이 사용되고 나머지 스위치(S12, S13)은 계속 오프(off/off)로 구동된다.
주기단위 한 주기에 최하위·최상위 두 개의 등전위선을 영전위선으로 운용하며, 반 주기마다 영전위선과 기준전위선이 하드 교번된다. 최하위·최상위 스위치(S11, S14)를 양·음전압 각 반 주기 출력의 기준전위선으로 설정하고 제2스위칭부가 가용한 직류단자에 선택적으로 연결하여 한 주기를 출력하는 방법이다. 이를 ‘구동방법4’라 명명하며, 스위칭 상태표는 아래 표7과 같다.
Vac
[레벨 V] 		S 11 S12 S13 S 14 S21 S22 S23 S24
Q 11l /Q 11r Q12l/Q12r Q13l/Q13r Q 14l /Q 14r Q21l/Q21r Q22l/Q22r Q23l/Q23r Q24l/Q24r
3 off/off off/off off/off on/on on/on on/off dc/off dc/off
2 off/off off/off off/off on/on off/on on/on on/off dc/off
1 off/off off/off off/off on/on off/dc off/on on/on on/off
+0 off/off off/off off/off on/on off/dc off/dc off/on on/on
-0 on/on off/off off/off off/off on/on on/off dc/off dc/off
-1 on/on off/off off/off off/off off/on on/on on/off dc/off
-2 on/on off/off off/off off/off off/dc off/on on/on on/off
-3 on/on off/off off/off off/off off/dc off/dc off/on on/on
구동방법3이나 구동방법4로 구동하면 하나의 DC-뱅크를 구성하는 복수의 각 직류전원의 전기가 균등하게 소모된다. 반면 구동방법1이나 구동방법2로는 높은 전압 레벨을 제공하는 직류전원보다 낮은 전압 레벨을 제공하는 직류전원의 전기가 더 소모된다. 균등한 전기소모의 방안으로서, 구동방법1과 구동방법2를 일정 시간 간격으로 교번하되 기준전위선을 소프트 교번할 때만 구동방법3으로 구동될 수도 있다. 즉 한 가지 이상의 구동방법이 사용될 수 있다.
당 멀티레벨 인버터에 직류전원과 등전위선이 한 개씩 추가되면 출력 전압 레벨 수가 2레벨 증가된다.
다음으로, 당 실시예의 변형적 회로·구동방법과 양방향 스위치회로 유형을 제시하며, 제시된 유형 이외의 다른 양방향 스위치회로가 있을 수 있다.
도6a는 직류단자 중 일부에만 스위치^가 접속되는 변형적 실시예이다. 직류단자 dc2와 dc3에 각각 한쪽 스위칭부의 스위치^가 접속되지 않았다. 또한 직류단자 dc2와 B단자 사이에 양방향 스위치회로 S22가 놓였다. S22의 양단 사이에서 형성된 노드에서 분기되는 스위치 S21이 직류단자 dc1에 접속된다. 스위치 S21은 스위치회로 S22를 이루는 공유스위치 S221을 공유하여 전압 레벨을 출력하는 양방향 스위치회로로 변환된다.
또한 직류단자 dc1에 일단이 접속된 스위치 S11의 타단에 직렬로 접속된 스위치 S11+는 상기 직렬로 접속된 노드에서 분기되는 스위치가 없으므로 S11과 묶여서 하나의 스위치로 산정된다. S11+는 배선(wire)으로 대체되어도 전력변환이 가능한 것이 특징이다.
따라서 직류단자의 개수(t)는 네 개이지만, 제1스위칭부는 세 개(m)의 스위치로 구성되고, 제2스위칭부는 세 개(n)의 스위치 및 스위치회로로 구성된다. 구동방법1 또는 구동방법2로 5레벨의 파형이 출력될 수 있다.
만약 B단자가 S21 쪽에 접속되고 구동방법1로 구동된다면 상위 등전위선에서 S22l을 통해 양전압의 초기환류전류가 흐를 때 S22r을 이루는 다이오드를 통해 직류단자 dc2로 단락전류가 흐르고, 또한 음전압의 회생모드에서 S22r은 Q23l의 다이오드-턴온을 유발할 수 없어 완전한(전력변환이 가능한) 멀티레벨 인버터가 될 수 없으므로 B단자는 S23 쪽에 접속되어야 한다.
도6a와 같이 직류단자의 개수가 적으면서 양쪽 스위칭부의 스위치^의 위치가 복수의 직류단자를 수직축으로 좌우 비대칭이면 교류전압 품질이 실용적이지 않을 수 있다. 그러나 직류단자의 개수가 많을수록 좌우 비대칭이거나 스위치^ 개수가 두세 개 차이 나더라도 실용적일 수 있다.
도6b는 직류단자의 일부에 스위치^가 접속되는 다른 변형적 실시예이다. 또한 직류단자 dc3과 B단자 사이에 양방향 스위치회로 S23이 놓였다. S23의 양단 사이에서 형성된 두 개의 노드로부터 각각 스위치가 분기되었다. 스위치 S21과 S22는 공유스위치 S23l로 인해 각각 단방향과 양방향 스위치회로로 변환되고, S24는 공유스위치 S23r로 인해 단방향 스위치회로로 변환된다.
따라서 제1스위칭부(10)는 세 개(m)의 스위치로 구성되고, 제2스위칭부(20)는 네 개(n)의 스위치회로로 구성된다. 구동방법4로 7레벨의 파형이 출력될 수 있으며, 이때 사용되지 않는 스위치 S12를 점선으로 도시했다.
다음으로, 도6의 7레벨 인버터의 변형적 구동방법으로서, 스위치 S12, S13, S22 또는 S23 중 하나가 기준전위선으로 설정되고 3레벨 파형이 출력되거나, 두 개의 스위치 S11과 S13, S12와 S14, S21과 S23, 또는 S22과 S24가 기준전위선으로 설정되고 구동방법4로 5레벨 파형이 출력될 수 있다.
도7은 교류 전압과 전류의 위상차가 ±π/4 정도인 용도로 사용될 수 있는 9레벨 인버터이다. 스위칭 상태표는 구동방법1에서 쉽게 도출될 수 있으므로 생략한다.
충전이 요구되지 않는 태양전지 및 연료전지용 인버터로 적합하며, AC 필터 없이 전고조파(THD) 규격 요건을 만족하는 고 레벨 인버터로 실시된다면 영전위선을 이루는 두 개의 스위치 이외의 모든 스위치가 전류제어 스위치로 구성될 수 있고 계통전력 주파수 조정용 인버터로 실시될 수 있다.
도8은 제1스위칭부가 두 개(m=2)의 스위치로, 제2스위칭부가 네 개(n=4)의 스위치로 구성된 7레벨 인버터이다. 스위치 사용률과 실시의 경제성을 높이기 위해 제1스위칭부는 양·음전압 각 반 주기 출력의 기준전위선으로 설정되는 두 개의 스위치(S12, S11)만으로 구성되었다.
동작 이해를 돕기 위해 직류단자를 제공하는 하나의 DC-뱅크가 점선으로 도시되었다. 구동방법4로 구동되므로 환류전환스위치가 없다면 반 주기마다 기준전위선이 하드 교번되어 글리치 전압 노이즈가 발생한다. 따라서 환류전류의 경로가 상·하위 등전위선 사이에서 전환되는 동안 환류전류를 우회(bypass)시키기 위해 환류전환스위치(Sfw)가 구비되었다.
환류전환스위치 구동방법의 일예는 다음과 같다. 상위 영전위선에 환류전류가 흐를 때 환류전환스위치를 온(on/on)한 다음 상위 영전위선을 이루는 두 개 스위치(S12, S24)를 오프 한다. 다음으로 하위 영전위선을 이루는 두 개의 스위치(S11, S21)을 온 한 다음 환류전환스위치를 오프(off/off)하면 환류전류의 경로가 매끄럽게 전환되면서 영전위선과 기준선위선이 교번된다.
구동방법4로 구동될 때 스위칭 상태표는 아래 표8와 같다.
Vac
[레벨 V] 		S 11 S 12 S21 S22 S23 S24
Q22l/Q22r Q23l/Q23r Q24l/Q24r
3 off on on on/off dc/off dc/off
2 off on off on/on on/off dc/off
1 off on off off/on on/on on/off
+0 off on off off/dc off/on on/on
-0 on off on on/off dc/off dc/off
-1 on off off on/on on/off dc/off
-2 on off off off/on on/on on/off
-3 on off off off/dc off/on on/on
두 개의 영전위선 사이에 직류전원, B단자 양방향 스위치가 각각 하나씩 추가되면 출력 전압 레벨 수가 2레벨 증가된다.
본 명세서에 제시된 모든 스위칭 상태표를 대표하여 표9를 상세히 설명한다. 표9를 보면, 각 레벨이 출력될 때 두 개의 스위치만이 전도상태이며, 전도 손실이 발생하는 전력소자는 항상 두 개임을 알 수 있다.
또한 B단자를 네 개의 직류단자에 선택적으로 연결하는 제2스위칭부에서 스위치 제어 순서가 순차적이며, 양·음전압 각 반 주기 출력의 기준전위선인 스위치 S12와 S11은 각각 기준전위선으로 설정되는 동안 A단자를 기준단자에 고정하여 연결하고 있다.
표9에서 양방향 스위치 S23이 -2 레벨을 출력하며 전도상태인 셀(cell)을 중심으로 상, 하, 좌, 우에 이웃하고 있는 각 셀의 스위칭 상태를 살펴보면 S23의 스위칭 상태와 오직 하나의 상태만이 다른 것을 볼 수 있다.
S23이 전도상태인 셀의 좌·우 셀은 각각 -1 레벨을 출력하는 스위치 S22와 -3 레벨을 출력하는 스위치 S24의 스위칭 상태이다. 음전압 레벨을 -1 레벨로 낮추는 스위칭을 할 때 공급전류가 흐른다면 S22의 공급전류제어소자 Q22r이 다이오드-턴온될 수 있도록, -3 레벨로 높이는 스위칭을 할 때 회생전류가 흐른다면 S24의 회생전류제어소자 Q24l이 다이오드-턴온될 수 있도록 각각 다이오드상태로 구동된다.
S23이 전도상태인 셀의 상·하 셀은 각각 전압 레벨이 -1 레벨과 -3 레벨로 변경될 때 S23(Q23l, Q23r) 자신의 스위칭 상태 변화를 나타낸다. -1 레벨로 낮추는 스위칭을 한다면 Q22r의 다이오드-턴온을 유발하기 위해 공급전류제어소자(Q23r)만이 오프 되고, -3 레벨로 높이는 스위칭을 한다면 Q24l의 다이오드-턴온을 유발하기 위해 회생전류제어소자(Q23l)만이 오프 된다.
위 두 문단에 기재한 스위칭 방법은 전력공급모드에서 전압 레벨을 낮출 때와 회생모드에서 전압 레벨을 높일 때 전류가 연속되도록 전류 흐름을 건네주고 받는 두 개의 양방향 스위치를 각각 이루는 두 개의 전류제어소자가 다이오드-턴온을 대기하고 유발하기 위한 스위칭 방법이다.
그러나 전력공급모드에서 전압 레벨을 높일 때와 회생모드에서 전압 레벨을 낮출 때는 전력소자의 다이오드-턴오프 동작에 의해 전압 레벨이 변경되므로 다이오드-턴온 동작을 위한 스위칭은 아무런 효과가 없다. 하지만 부하전류의 방향을 모르는 체로(또는 고려하지 않고) 스위칭 한다면 부하전류의 연속성을 보장하기 위해 제시된 스위칭 상태표에 따라 스위칭 해야만 한다.
스위치 S23이 -2 레벨을 출력하는 상태에서 전압 레벨을 높이는 스위칭을 할 수도 또는 낮추는 스위칭을 할 수도 있다. -3 레벨로 높이는 스위칭을 한다면 S24를 이루는 Q24l의 다이오드상태를 ‘선행 다이오드상태’라고, S22를 이루는 Q22r의 다이오드상태를 ‘후행 다이오드상태’라고 각각 정의한다.
그러나 선행·후행 다이오드상태는 고정되는 것이 아니며, 다음으로 전압 레벨을 높이는 스위칭을 하는지 또는 낮추는 스위칭을 하는지의 ‘스위칭 방향’에 따라 그 입장이 바뀐다. 따라서 -2 레벨에서 -1 레벨로 낮추는 스위칭을 한다면 Q22r이 선행 다이오드상태이고 Q24l이 후행 다이오드상태이다.
구동방법의 일 실시예로서, 표9에서 스위칭 상태 ‘dc’를 모두 ‘on’으로 설정하는 조건에서 음전압 반 주기 동안 다이오드-스위칭 동작에 의해 전압 레벨이 변경되는 원리를 설명한다. 세 개의 직류전원은 회생전류가 인입될 수 있고 회생전류는 -2 레벨이 출력될 때까지 흐르며, 현재 음전압의 초기환류전류가 흐르고 있다고 가정한다.
표9에 의하면, 하위 영전위선에서 -0 레벨이 출력될 때 제2스위칭부의 모든 회생전류제어소자(Q22l~Q24l)는 다이오드상태에 있게 되는데, 그 이유는 세 개의 각 직류전원과 스위치 S21의 IGBT(Q21l)에 의해 형성되는 각각의 폐경로를 통해 역전압이 인가되기 때문이다. 상기 모든 회생전류제어소자는 음전압 레벨을 높여갈 때 어차피 한번 씩 다이오드상태로 구동되어야 하므로 한꺼번에 다이오드상태로 구동되었다.
-1 레벨로 높이는 스위칭으로 Q21l이 오프 되어 턴오프되면 다이오드상태인 Q22l은 역전압 폐경로가 해제되고 부하 에너지에 의해 순전압이 인가되어 다이오드-턴온된다. 환류전류는 경로를 Q22l로 매끄럽게 전환하여 회생전류로 흐르며 교류단자 양단에는 KVL에 의해 첫 번째(dc1)와 두 번째 직류단자(dc2) 간 전위차와 Q22l의 온드랍 전압의 합의 크기인 -1 레벨이 출력된다.
그러나 나머지 두 개의 회생전류제어소자(Q23l, Q24l)는 두 번째 및 세 번째 직류전원과 Q22l에 의해 형성되는 각각의 폐경로를 통해 계속 역전압이 인가되므로 다이오드상태에 머물러 있다. 선행 다이오드상태인 전류제어소자가 한 개 이상이더라도 다이오드-턴온되는 것은 상대적으로 가장 낮은 전위의 직류단자에 접속된 전류제어소자 하나뿐임을 알 수 있다.
제어부(30)는 직류전원의 단락을 방지하기 위해 음전압의 초기환류전류제어소자(Q21l)를 오프 한 시점에서 데드타임(td)이 경과한 후 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치(S22)의 공급전류제어소자(Q22r)를 온 한다. Q22r을 온 하더라도 직류단자(dc2)의 전압이 부하를 가압하지 못하고 오히려 부하 에너지에 의해 가압되므로 아무런 효과가 없다. 다만 Q22l이 턴온되어 있는 동안 회생이 완료된다면 곧바로 공급전류가 흐르도록 준비해 둔다. 그러나 만약 후기환류전류가 흐른다면 Q22r이 온 되어 턴온되는 시점에 D21이 다이오드-턴오프되는 점에 유의한다.
-2 레벨로 높이는 스위칭으로 Q22l이 턴오프되면 Q23l이 다이오드-턴온 되고 회생전류는 Q23l을 통해 흐르며, 교류단자 양단에 -2 레벨이 출력된다. 이때 후행 다이오드상태인 Q22r은 부하 에너지에 의해 역전압이 인가되므로 턴온되지 않는다. 제어부(30)는 Q22l을 오프 한 시점에서 데드타임이 경과한 후 Q23r을 온함으로써 Q23l이 턴온되어 있는 동안 회생이 완료된다면 곧바로 공급전류가 흐르도록 준비해 둔다.
-2 레벨이 출력된 후 회생이 완료됨에 따라 다이오드상태에 있던 Q23r이 턴온되어 공급전류가 흐르기 시작한다. Q23r이 턴온되더라도 Q22r이 후행 다이오드상태에 있는 것은 두 번째 직류전원과 Q23r에 의해 역전압이 인가되기 때문이며, 선행 다이오드상태인 Q24l 역시 세 번째 직류전원과 Q23r에 의해 역전압이 인가되기 때문이다.
-3 레벨로 높이는 스위칭으로 Q23l이 오프 되어 턴오프되더라도 아무런 변화가 일어나지 않는다. 즉 전력공급모드에서 회생전류제어소자의 다이오드-턴온을 유발하는 스위칭은 아무런 효과가 없다. 오히려 Q23l이 오프 된 후 데드타임이 경과하여 Q24r이 턴온되는 순간 Q23r은 세 번째 직류전원과 Q24r에 의해 형성되는 역전압의 폐경로로 인해 다이오드-턴오프되어 다이오드상태가 되고 공급전류는 그 경로를 Q24r로 전환하여 흐르며 -3 레벨이 출력된다.
스위칭 방향이 바뀌는 시점(전압 위상 3π/2인 시점)에 두 개의 공급전류제어소자(Q22r, Q23r)는 후행 다이오드상태에서 선행 다이오드상태로 입장이 바뀐다. Q22r과 Q23r은 전압 레벨을 낮춰갈 때 어차피 한번 씩 다이오드상태로 구동되어야 하므로 전압 레벨을 높이는 동안 후행 다이오드상태로 남겨 두었다. Q22r과 Q23r이 다이오드상태인 이유는 두 번째 및 세 번째 직류전원과 Q24r에 의해 형성되는 각각의 역전압 폐경로 때문이다.
-2 레벨로 낮추는 스위칭으로 Q24r이 오프 되어 턴오프되면 Q23r이 다이오드-턴온되고 공급전류는 그 경로를 Q23r로 매끄럽게 전환하여 흐르며 -2 레벨이 출력된다. Q24l은 세 번째 직류전원과 Q23r에 의해 역전압이 인가되므로 후행 다이오드상태에 있게 된다.
제어부(30)는 공급전류제어소자 Q24r을 오프한 시점에서 데드타임이 경과한 후 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치(S23)의 회생전류제어소자 Q23l을 온 한다.(이로서 용량성 부하인 경우 회생모드에서 Q24l이 다이오드-턴오프된다) -0 레벨이 될 때까지 동일한 원리가 적용된다.
전압 레벨은 임의의 레벨로 변경될 수 있다. 일예로서 -0 레벨에서 곧바로 -3 레벨로 변경될 수도 있다. -0 레벨일 때 스위치 S24를 이루는 Q24l을 제외한 모든 좌향전류제어소자(Q21l~Q23l)가 동시에 오프 되어 턴오프되면 초기환류전류는 곧바로 Q24l을 통해 회생전류로 흐르며 -3 레벨이 출력된다.
당업자는 위의 설명을 통해 양전압 반 주기 동안의 스위칭 과정과 전압 레벨이 변경되는 원리를 이해할 수 있으므로 기재를 생략한다.
이상으로 유도성 부하일 때 전류 경로가 전환되면서 전압 레벨이 변경되는 과정과 그 원리를 설명하였다. 그러나 또한 부하 에너지가 전압원(voltage source)으로 기능하는 용량성 부하인 조건에서도 표9에 따라 스위칭하면 진상전류가 흐르는 7레벨 인버터로 구동된다.
도9는 도8에서 최하위 등전위선 바깥(아래)쪽과 최상위 등전위선 바깥(위)쪽에 각각 직류전원과 제2스위칭부의 스위치(S21, S25)가 하나씩 외연으로 확장된 유형으로서 m=2, n=5인 7레벨 인버터이다.
구동방법4로 구동될 수 있으나, 두 개의 등전위선 사이에 양방향 스위치(S23)가 하나만 놓이는 당 실시예의 유형에서는 반 주기마다 기준전위선이 소프트 교번되는 아래의 고유한 구동방법이 있다.
S11을 기준전위선으로 설정하고 -1 레벨을 출력하는 상태에서 S23을 기준 삼아 S12로 기준전위선을 교체하면서 1 레벨을 출력한 후 제2스위칭부가 가용한 직류단자에 선택적으로 연결하여 양전압 반 주기를 출력하고, S12를 기준전위선으로 설정하고 1 레벨을 출력하는 상태에서 S23을 기준 삼아 S11로 기준전위선을 교체하면서 -1 레벨을 출력한 후 제2스위칭부가 가용한 직류단자에 선택적으로 연결하여 음전압 반 주기를 출력하는 방법이다. 이를 ‘구동방법5’라고 명명하며, 스위칭 상태표는 아래 표9과 같다.
Vac
[레벨 V] 		S 11 S 12 S21 S22 S23 S24 S25
Q 11l /Q 11r Q 12l /Q 12r Q22l/Q22r Q23l/Q23r Q24l/Q24r
3 off/off on/on on on/off dc/off dc/off off
2 off/off on/on off on/on on/off dc/off off
1 on/off on/on off off/on on/on dc/off off
-1 on/on off/on off off/dc on/on on/off off
-2 on/on off/off off off/dc off/on on/on off
-3 on/on off/off off off/dc off/dc off/on on
스위치 S23이 기준전위선으로 설정되므로 한 주기 동안 모두 세 개의 기준전위선이 교체되어 설정된다.
구동방법5에서는 환류모드를 거치지 않고 교류전압의 극성이 교번되므로 6레벨의 교류전압이 출력될 수 있다. 그러나 두 개의 등전위선이 존재하므로 PWM 스위칭을 위해 0 레벨을 출력할 수도 있다.
도10은 도8과 같은 유형으로서 복수의 DC-링크에 의해 형성된 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 세 개에 m=2, n=3 개의 스위치의 일단이 각각 접속된 5레벨 인버터이며, 구동방법4 또는 구동방법5로 구동될 수 있다.
도10a는 단위 레벨 전압을 200 볼트로 설정하고 구동방법4로 컴퓨터 시뮬레이션하여 출력된 5레벨 전압 파형이다.
도2와 도5의 개념도에 따른 멀티레벨 인버터의 교류단자 양단에 교류전원(40)이 연결되면 전력소자의 다이오드-스위칭 동작을 이용하여 교류전력을 직류전력으로 변환하는 위상제어정류기 또는 PWM 컨버터로 구동될 수 있다. 대표적으로 도10의 5레벨 인버터가 PWM 컨버터로 구동될 때의 스위칭 상태와 그에 따른 전류 경로 및 입·출력 파형을 설명한다.
도11a와 도11b는 직류전압 VO을 출력하기 위해 단극성 PWM과 양극성 PWM으로 교류 입력전류(IS)가 증가되는 스위칭 상태와 전류 경로를, 도11c는 교류 입력전류가 감소되는 스위칭 상태와 전류의 경로를 각각 실선으로 표시한다. 점선으로 그려진 선과 전력소자는 각각 전류가 흐르지 않음과 오프 됨을 나타낸다.
단극성 PWM 컨버터로 구동된다면 도11a와 도11c에 도시된 스위칭 상태를 교번하는데, 이때 교류 입력전압(VS)의 한 주기 동안 교류 입력전류(IS) 및 컨버터 입·출력전압(Vi, VO)의 각 파형이 도11d에 도시되었다.
양극성 PWM 컨버터로 구동된다면 도11b와 도11c에 도시된 스위칭 상태를 교번한다. 도11b에서 Q21r은 Q23r의 턴오프로 인해 다이오드-턴온되어 도11c의 상태로 변화된다.
도5의 개념도에 따른 단상 멀티레벨 인버터를 복수 개 연결하면 복수의 상(multi phase) 멀티레벨 인버터, PWM 컨버터 및 AC-DC 양방향컨버터 중 어느 하나로 구동될 수 있는데, 각 상마다 서로 독립적인 DC-뱅크가 구비되어야 한다. 도12는 3상 5레벨 인버터의 일 실시예이다. G점을 기준으로 출력상전압은 5레벨, 출력선간전압은 9레벨의 파형이 출력될 수 있다.
이제 상기 문헌1·2·3·4에 제시된 멀티레벨 인버터와 본 발명에 따른 멀티레벨 인버터의 공통적 특징을 갖는 멀티레벨 인버터의 실제적(realistic) 구동방법에 관한 사상을 설명한다.
멀티레벨 인버터에 포함된 모든 스위치의 한 주기 동안 온·오프 구동 타이밍을 ‘스위칭 제어논리’라 정의하며, 한 주기 동안의 스위칭 제어논리는 멀티레벨 인버터의 구동방법이다.
먼저, 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터에 대한 설명 및 타임 차트 작성에 사용되는 기호, 전제조건, 시간 파라미터에 대한 정의 등은 다음과 같다.
점(dot) 채움 사각형은 전류제어소자가 온 되는 시점부터 오프 되는 시점까지의 기간을, 점 채움 사각형 위에 적색 굵은 수평실선은 턴온된 기간을, 적색 수직 실선은 전류 경로가 전환되는 것을, 적색 굵은 수평실선 위의 화살표는 전류 방향을 각각 나타낸다. 수직 점선은 제어부에 의해 결정된 스위칭 시점이면서 또한 스위칭 시점 동기화를, 수직파선은 시간 측정의 기준 시점 또는 스위칭 시점 동기화를, 문자가 없는 수평실선 양쪽 화살표와 수평파선 양쪽 화살표는 각각 선행 다이오드시간(twf)과 후행 다이오드시간(twb)을 나타낸다. 2 레벨과 -2 레벨에서 각각 회생이 완료된다고 가정한다.
시간 파라미터 td, twf 및 twb 등 수 마이크로초(μsec) 이내일 수 있는 짧은 시간은 그 기간을 과장하여 나타낸다. 상기 각 시간 파라미터는 각 전류제어소자의 구동신호 입력단자에서 측정한다.
시간 파라미터 td는 특정 전압 레벨로부터 레벨을 높이는 스위칭을 할 때는 상기 특정 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 회생(또는 초기환류)전류제어소자가 오프 된 시점부터 그 높은 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 공급전류제어소자가 온 되는 시점까지 시간이다. 또한 레벨을 낮추는 스위칭을 할 때는 상기 특정 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 공급전류제어소자가 오프 된 시점부터 그 낮은 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 회생(또는 초기환류)전류제어소자가 온 되는 시점까지 시간이다. 직류전원의 단락을 방지하기 위한 상기 각 시간은 ‘스위칭 공백시간(데드타임)’이다.
데드타임은 반도체의 물성과 전력소자 제조 방법에 따라 달라지는 전류제어소자의 턴오프 지연시간과 턴온 지연시간 등을 감안하여 산출된다. 데드타임은 스위칭 시점오차(td’)의 원인이 될 수 있으므로 단락이 발생하지 않을 정도로 충분하되 가능한 짧게 설정되어야 고조파 왜곡이 더 작아진다.
시간 파라미터 twf는 특정 전압 레벨로부터 레벨을 높이는 스위칭을 할 때는 그 높은 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 회생전류제어소자가 다이오드-턴온을 대기하기 위해 온 된 시점부터 상기 특정 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 회생(또는 초기환류)전류제어소자가 다이오드-턴온을 유발하기 위해 오프 된 시점까지 시간이다. 또한 레벨을 낮추는 스위칭을 할 때는 그 낮은 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 공급(또는 후기환류)전류제어소자가 온 된 시점부터 상기 특정 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 공급전류제어소자가 다이오드-턴온을 유발하기 위해 오프 된 시점까지 시간이다. 상기 각 시간을 ‘선행 다이오드시간’이라 정의한다.
선행 다이오드시간의 기산 시점은 상기 다이오드-턴온을 유발하는 전류제어소자가 온 된 시점 이후이거나 또는 교류 출력 전압 위상이 π/2 또는 3π/2인 시점이다.
선행 다이오드시간은 회생모드에서 전압 레벨을 높일 때와 전력공급모드에서 전압 레벨을 낮출 때 다이오드-턴온 동작을 보장하기 위한 시간이다. 따라서 선행 다이오드시간이 다이오드-턴온이 일어날 수 있는 최소 시간 이상인 전류제어소자는 선행 다이오드상태이다. 상기 최소 시간은 전류제어소자의 종류, 반도체 물성, 제조 방법, 동작 온도 등을 포함한 조건에 따라 달라지므로 특정할 수는 없으며, 다만 일반적으로 턴오프 지연시간이 턴온 지연시간보다 길다는 점을 고려하면 수 마이크로초의 음의 값일 수도 있다.
시간 파라미터 twb는 특정 전압 레벨로부터 레벨을 높이는 스위칭을 할 때는 그 높은 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 공급전류제어소자가 다이오드-턴오프를 유발하기 위해 온 된 시점부터 상기 특정 전압 레벨을 출력한 스위치^의 공급(또는 후기환류)전류제어소자가 오프 된 시점까지 시간이다. 또한 레벨을 낮추는 스위칭을 할 때는 그 낮은 다음 전압 레벨을 출력하는 스위치^의 회생(또는 초기환류)전류제어소자가 다이오드-턴오프를 유발하기 위해 온 된 시점부터 상기 특정 전압 레벨을 출력한 스위치^의 회생전류제어소자가 오프 된 시점까지 시간이다. 상기 각 시간을 ‘후행 다이오드시간’이라 정의한다.
후행 다이오드시간은 전력공급모드에서 전압 레벨을 높일 때와 회생모드에서 전압 레벨을 낮출 때 다이오드-턴오프 동작을 보장하기 위한 시간이다. 따라서 후행 다이오드시간이 다이오드-턴오프가 일어날 수 있는 최소 시간 이상인 전류제어소자는 후행 다이오드상태이다. 상기 최소 시간은 상기 선행 다이오드시간과 같은 이유로 수 마이크로초의 음의 값일 수도 있다.
스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터를 설명하고 각 파라미터별 설정값을 예시한다. 상기 각 파라미터의 설정값은 전압 레벨이 변경될 때마다 산정되므로 주기단위 한 주기에 평균값 또는 최댓값 등으로 표현될 수 있다. 환류전환스위치(Sfw)에 의해 영전위선이 교번 또는 교체될 때는 전압 레벨이 변경되는 것이 아님에 유의한다.
첫째, 다이오드상태인 전류제어소자가 한 개 이상이더라도 다이오드-스위칭되는 전류제어소자는 하나뿐임을 실시예5에서 설명하였다. 다만, 제어논리 설계 상 한 개 이상의 전류제어소자가 동시에 다이오드상태로 구동될 수 있다.
따라서 첫 번째 파라미터로서 ‘다이오드상태인 전류제어소자의 개수’가 설정될 수 있다. 그 개수를 산정하는 시점은 다이오드-턴온을 유발하는 전류제어소자가 오프로 구동되는 각 시점과 다이오드-턴오프를 유발하는 전류제어소자가 온으로 구동되는 각 시점으로 정의하되, 다이오드-스위칭 동작으로 전압 레벨을 변경하는 스위치^를 이루는 전류제어소자만을 산정한다.
그러므로 전도상태인 스위치^, 기준전위선으로 설정된 스위치^ 및 환류전환스위치를 이루는 전류제어소자는 다이오드상태에 있더라도 상기 개수로 산정하지 않는다. 또한 하나의 스위치^를 이루는 두 개 이상의 같은 방향 전류제어소자가 다이오드상태인 경우 하나로 산정한다. 상기 파라미터의 설정값이 주기단위 한 주기에 전압 레벨이 변경될 때마다 동일하다면 평균값으로, 변동된다면 최댓값으로 표현될 수 있다.
또한 상기 파라미터의 값이 논리적 값인 특정 주기로 설정되어도 규칙성 있는 스위칭 제어논리가 만들어진다. 그 주기는 한 주기, 반 주기 또는 1/4 주기를 포함하며, 해당 주기의 전압 레벨을 변경하는 모든 양방향 스위치^의 한쪽 방향 전류제어소자가 다이오드상태로 구동되는 것이 특징이다.
그러나 멀티레벨 인버터 회로에 따라 상기 설정값으로서의 주기 선택에 제한이 있을 수 있다. 일예로서, 도8의 회로에서 각 스위치는 교류 양전압뿐 아니라 음전압도 출력하기 때문에 상기 주기가 한 주기로 설정될 수는 없으며, 반 주기로 설정된다면 최대 세 개가 다이오드상태로 구동된다. 반면 도6의 회로에서는 한 주기, 반 주기 또는 1/4 주기로 설정될 수 있다. 스위칭 상태 ‘dc’를 ‘on’으로 설정한다면, 표4는 반 주기, 표5은 한 주기, 표6은 1/4 주기인 구동방법의 실시예이다.
둘째, 다이오드-턴온을 대기한 전류제어소자(실리콘 IGBT의 경우)가 턴온되기 시작하는 시점(포화전류 크기의 10%가 되는 시점)은 다이오드상태로 구동된 기간의 장단(長短)과 상관없이 다이오드-턴온을 유발하는 전류제어소자가 오프 된 시점에서 턴오프 지연시간이 경과한 시점 즈음이다.
도1a에서 볼 수 있듯이 턴오프 지연시간이 턴온 지연시간보다 길고 턴오프 지연시간 동안 컬렉터 전류(IC)는 계속 흐른다는 점을 감안하면 다이오드-턴온을 유발하는 전류제어소자가 오프 되는 시점과 동시에 다이오드-턴온을 대기하는 전류제어소자가 온 되더라도 다이오드-턴온 동작이 일어날 수 있다. 즉 다이오드-턴온 대기시간(선행 다이오드시간)이 0 초, 심지어 마이너스 수 마이크로초일지라도 다이오드-턴온 동작이 일어날 수 있다.
또한 다이오드-턴오프를 대기한 전류제어소자가 턴오프되기 시작하는 시점(포화전류 크기의 90%가 되는 시점)은 다이오드-턴오프를 유발하는 전류제어소자가 온 된 시점에서 턴온 지연시간이 경과한 시점 즈음이다. 따라서 다이오드-턴오프를 유발하는 전류제어소자가 온 되는 시점과 동시에 다이오드-턴오프를 대기하는 전류제어소자가 오프 되더라도 다이오드-턴오프 동작은 일어날 수 있다. 즉 다이오드-턴오프 대기시간(후행 다이오드시간)이 0 초, 심지어 마이너스 수 마이크로초일지라도 다이오드-턴오프 동작이 일어날 수 있다.
따라서 두 번째 파라미터로서 ‘다이오드시간’이 설정될 수 있다. 다이오드시간은 선행 다이오드시간과 후행 다이오드시간으로 나뉘며, 그 설정값은 주기단위 한 주기에 선행 또는 후행 다이오드상태로 구동되는 각 전류제어소자에서 동일하거나 또는 다르게 설정될 수 있다. 또한 선행 다이오드시간은 동일하지만 후행 다이오드시간은 다르게 또는 그 반대로도 설정될 수 있다.
하나의 스위치^를 이루는 두 개 이상의 같은 방향 전류제어소자의 각 다이오드시간이 서로 다르다면 그 중 가장 짧은 다이오드시간을 선정한다.
셋째, 회생모드에서 공급전류제어소자가 다이오드-스위칭을 대기하거나 유발하는 스위칭과 전력공급모드에서 회생전류제어소자가 다이오드-스위칭을 대기하거나 유발하는 스위칭은 아무런 효과가 없다.
따라서 전압 레벨이 변경될 때 전류의 방향을 감안하여 모든 스위치^에서 또는 일부 스위치^에서 스위칭 효과가 있는 전류제어소자만이 온으로 구동되고 효과가 없는 전류제어소자는 계속 오프로 구동될 수 있다. 즉 세 번째 파라미터로서 ‘온 구동 한정범위’가 설정될 수 있다. 온 구동 한정범위의 값은 특정 동작모드, 특정 주기단위, 특정 동작모드나 특정 주기단위에 한정된 횟수 등을 포함한다. 특정 주기단위에 하나의 스위치^에서 한번 온 구동이 한정되었다면 그 특정 주기단위에 한정된 횟수가 일(1) 회이다.
단방향 스위치 및 전류 방향의 반전이 일어난 양방향 스위치는 전도상태가 되는 시점에 데드타임(td)이 적용되지 않았다면 온 구동이 한정된 것으로 정의하며, 하나의 스위치^를 구성하는 복수의 스위치 중 적어도 하나가 온 구동이 한정된다면 그 스위치^는 온 구동이 한정된 것으로 정의한다.
온 구동 한정범위를 산정하는 대상은 다이오드-스위칭 동작으로 전압 레벨을 변경하는 단방향 스위치^ 및 양방향 스위치^로 제한한다. 따라서 환류전환스위치와 기준전위선으로 설정된 스위치^는 온 구동이 한정되더라도 온 구동 한정범위에 포함하여 산정하지 않는다.
온 구동 한정범위를 적용하기 위해서는 부하전류를 실시간으로 감지(sensing)하는 수단이 구비되거나 또는 부하 종류에 따른 교류 전압과 전류의 위상차 특성이 이용될 수 있다. 일예로서, 유도성 부하라면 전력공급모드로 동작하는 양·음전압의 정점 레벨에서 영 레벨로 낮춰가는 각 1/4 주기 동안 공급전류제어소자로 온 구동이 한정될 수 있다.
온 구동을 한정하는 방법은 다른 발명사상에 따른 멀티레벨 인버터의 구동방법에도 적용될 수 있다.
부하전류를 실시간 감지하는 수단은 CT·션트·홀센서를 포함한 전류 센서와 전류가 아닌 다른 물리량을 감지하여 부하전류의 크기, 방향 및 위상 중 한 가지 이상을 알아내는 간접적 수단을 포함한다.
상기 세 개의 파라미터 값은 멀티레벨 인버터가 실시될 때 설정되어 고정되거나 또는 운전 중에 변경될 수 있다. 세 개의 파라미터 중 적어도 어느 하나의 파라미터 설정값이 변경되면 다른 스위칭 제어논리가 되며, 세 개의 파라미터 값에 따라 달라지는 스위칭 제어논리에 대한 이해를 돕기 위해 도8의 7레벨 인버터의 서로 다른 구동방법의 실시예를 ‘전류제어소자 구동 타임 차트’로 제시한다.
표6과 표7을 제외한 본 명세서의 모든 스위칭 상태표에서 스위칭 상태 ‘dc’를 'on'으로 설정하면 ‘다이오드상태인 전류제어소자의 개수’가 논리적 설정값 반 주기인 구동방법의 실시예이다. 도13은 도8의 7레벨 인버터의 구동 타임 차트이다. 다이오드-턴온·턴오프를 유발하는 스위칭을 할 때마다 반 주기의 전압 레벨을 출력하는 모든 양방향 스위치의 한쪽 방향 전류제어소자가 선행 또는 후행 다이오드상태로 구동된다.
즉, Q24r이 오프 되는 시점에 Q23r과 Q22r이 선행 다이오드상태이고, Q23r이 오프 되는 시점에는 Q22r이 선행이고 Q24l은 후행 다이오드상태이다. 정점 레벨을 출력하는 단방향 스위치 S21의 Q21l이 오프 되는 시점엔 스위칭 방향이 바뀌어 Q22l, Q23l 및 Q24l 세 개가 선행 다이오드상태이다. Q23l처럼 후행 다이오드상태에서 선행 다이오드상태로 이어지는 경우에는 교류 출력 전압 위상이 π/2 또는 3π/2 인 시점을 기준으로 나누어 구분한다.
이 구동방법은 다이오드시간이 길어 다른 구동방법에 비해 구동전력이 더 소모되며 직류전원의 단락이 일어날 가능성이 높다는 단점이 있다.
도13에서 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터의 설정값은 다음과 같다. 주기단위 한 주기에 다이오드상태인 전류제어소자의 개수는 논리적 설정값인 반 주기(개수로는 최대 세 개)이고, 다이오드시간은 전류제어소자마다 그 위치에 따라 서로 다르며, 온 구동 한정범위는 설정되지 않았다.
본 명세서의 모든 스위칭 상태표에서 스위칭 상태 ‘dc’를 'off'로 설정하면 ‘다이오드상태인 전류제어소자의 개수’가 최대 두 개인 실시예이다. 도14는 주기단위 반 주기에 상기 개수가 최대 두 개인 구동방법을 보여주는 타임 차트이다. Q24r이 오프 되는 시점에 Q23r과 Q22r이 선행 다이오드상태이고, Q23r이 오프 되는 시점엔 Q22r은 선행 Q24l은 후행 다이오드상태이며, Q22l이 온 되는 시점에는 Q23l과 Q24l이 후행 다이오드상태이다.
다이오드상태인 전류제어소자를 두 개로 유지하기 위해 특정 전류제어소자의 스위칭 시점에 다른 전류제어소자가 동기화되어 온 되거나 오프 되는 시점이 수직 파선으로 표시되었다. 일례로서 Q24r이 오프 되는 시점에 Q22r이 온 되고, Q22l이 온 되는 시점에 Q24l이 오프 된다. 대표적으로 양전압 반 주기 동안 스위치 S23의 선행·후행 다이오드시간과 데드타임이 표시되었다.
도14에서 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터의 설정값은 다음과 같다. 주기단위 한 주기에 다이오드상태인 전류제어소자의 개수는 최대 두 개이고, 다이오드시간은 각 전류제어소자마다 그 위치에 따라 다르며, 온 구동 한정범위는 설정되지 않았다..
선행 및 후행 다이오드시간을 각각 수 마이크로초 이내로 설정하면 다이오드상태인 전류제어소자의 개수가 한 개로 제한될 수 있다.
도15는 선행 및 후행 다이오드시간이 0 초로 구동될 때의 타임 차트이다. 결과적으로 한 개의 양방향 스위치를 이루며 서로 반대 방향인 두 개의 전류제어소자는 데드타임 만큼의 시간차이로 함께 온 되고 함께 오프 된다. 데드타임과 스위칭 시점오차(td’)가 하나씩 표시되었다.
도15에서 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터의 설정값은 다음과 같다. 주기단위 한 주기에 다이오드상태인 전류제어소자의 개수는 최대 한 개이고, 선행 및 후행 다이오드시간은 각각 0 초이며, 온 구동대상 한정 범위는 설정되지 않았다.
부하전류의 방향을 감안하여 스위칭 효과가 있는 전류제어소자로 온 구동 대상을 한정하되 온 구동 한정범위의 유효한 최소값은 주기단위 한 주기에 일(1) 회이다.
도16은 온 구동 한정범위가 한 주기인 구동방법의 실시예를 보여주는 타임 차트이다. 전류 방향의 반전이 일어난 2 레벨과 -2 레벨을 출력한 양방향 스위치와 양의 정점 레벨을 출력한 단방향 스위치(S21)을 이루는 Q21l은 데드타임이 적용되지 않았으며, 다른 양방향 스위치는 전압 레벨이 변경될 때마다 한쪽 방향 전류제어소자만이 온으로 구동된다. 스위칭 시점오차(td’)가 발생하지 않으며, 스위칭 제어논리가 가장 단순하므로 저비용에 제어부의 설계 및 실시가 가능하다. 회생이 완료될 즈음에 전류의 크기가 설정된 임계값(Cth)으로 작아지면 곧 공급전류가 흐를 것이므로 공급전류제어소자가 온 된다.
도16에서 스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터의 설정값은 다음과 같다. 주기단위 한 주기에 다이오드상태인 전류제어소자의 개수는 한 개이고, 선행 다이오드시간 또는 후행 다이오드시간이 0 초이며, 온 구동 한정범위는 한 주기이다.
멀티레벨 인버터 구동방법의 일 실시예로서, 출력 전압의 계단식 레벨 변경으로 발생하는 고조파 성분을 더 줄이기 위해 고주파 펄스폭 변조(PWM)에 의해 양극성 PWM 스위칭하거나 또는 단극성 PWM 스위칭할 수 있다.
도17은 도8의 7레벨 인버터를 단극성 PWM 스위칭할 때 양전압 반 주기 동안의 기준전압(Vref), 출력전압 파형 및 구동 타임 차트이다. 다이오드상태인 전류제어소자의 개수는 반 주기(논리적 설정값)이고 다이오드시간이 전류제어소자의 위치와 펄스폭에 따라 달라지며 온 구동 한정범위는 0 이다.
고주파 PWM 스위칭에 따른 스위칭 손실을 더 줄이기 위해 SiC, GaN을 포함한 와이드 밴드갭(wide band gap) 반도체로 제조된 전력소자가 사용될 수 있으며, 전압 레벨이 변경되는 순간(과도상태)에 출력파형의 오버·언더슈트를 완화하기 위해 스너버회로가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 멀티레벨 인버터의 제어부는 요구되는 기본파 전압의 크기와 주파수를 출력하기 위해 스위칭 시점과 스위칭 대상을 결정하고, 본 명세서의 스위칭 상태표 및 타임 차트에 제시된 절차와 방법을 포함한 본 발명사상에 따른 구동방법으로 스위칭하기 위해 제어신호를 생성하여 구동부로 보낸다. 구동부는 제어부가 보낸 제어신호에 따라 각 전류제어소자를 구동함으로써 교류단자(또는 교류단자 양단)에 교류전압이 출력되도록 한다.
제어부는 스위칭 시점을 결정하기 위해 SVC(Space Vector Control), SHE(Selective Harmonic Elimination) 등을 포함한 기본주파 스위칭 변조 또는 SPWM, SVPWM 등을 포함한 고주파 펄스폭 변조 방법을 사용할 수 있다.
또한 제어부는 교류단자 양단에 입력되는 교류전압을 PWM 스위칭함으로써 PWM 컨버터로 구동하거나 위상제어(또는 다이오드) 정류기로 구동함으로써 특정 두 개의 직류단자에 직류전압이 출력되도록 할 수 있다. 이를 위해 가변 인덕터가 구비될 수 있다.
복수의 직류전원의 양단 간 전압 또는 하나의 직류단자를 기준으로 다른 직류단자의 상대적 전압을 감지하는 복수의 전압센서가 구비되고 감지된 전압 값이 각 직류단자에 접속된 스위치^의 스위칭 시점을 결정하기 위한 파라미터로서 제어부에 전달될 수 있다.
또한 제어논리가 단순하여 제어부 구현에 요구되는 자원이 적으므로 직류전원의 충·방전을 관리하는 배터리관리시스템(BMS) 기능을 제어부에 통합할 수 있다. 제어부와 구동부의 전원장치로서 안정적 전원 공급을 위해 무정전전원장치가 구비될 수 있다.
지금까지 제시된 실시예는 단지 본 발명에 대한 당업자의 이해를 돕기 위함이므로 본 발명사상의 범위가 제시된 실시예로 국한되지 않는다.
10: 제1스위칭부
20: 제2스위칭부
30: 교류전원부
S13r: 제1스위칭부의 세 번째 스위치회로의 우향전류 스위치
S11~S1m: 제1스위칭부의 첫 번째 스위치^~m 번째 스위치^
S21~S2n: 제2스위칭부의 첫 번째 스위치^~n 번째 스위치^
Q11r, Q11l: 제1스위칭부 첫 번째 스위치의 우향(r), 좌향(l)전류제어소자
Q2nr, Q2nl: 제2스위칭부 n 번째 스위치의 우향(r), 좌향(l)전류제어소자
dc1~dct: 첫 번째(최하위) 직류단자~t 번째(최상위) 직류단자
CS1, CS2: 전류 센서
Sfw: 환류전환스위치
D21: 제2스위칭부의 첫 번째 스위치의 다이오드

Claims (13)

  1. 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 m(3≤m)개의 직류단자에 일단(一端)이 각각 접속되고 타단(他端)은 하나의 교류(ac)단자에 공통으로 접속되는 m개의 스위치 및/또는 스위치회로(S11~S1m)로 구성되며, 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 상기 교류(ac)단자를 상기 m개의 직류단자에 선택적으로 연결함으로써 상기 교류(ac)단자에 교류전압을 출력하는 제1스위칭부(10);를 포함하되,
    상기 m개의 직류단자 중 어느 하나와 상기 교류단자(ac) 사이에 놓이는 양방향 스위치회로의 개수는 많아도 하나이며,
    상기 m개의 스위치 및/또는 스위치회로(S11~S1m)를 구성하는 복수의 스위치 중 전류제어소자 단독의 다이오드-스위칭 동작이 일어나는 양방향 스위치를 적어도 두 개를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    서로 반대방향인 두 개의 단방향 스위치의 각 일단은 상기 교류(ac)단자에 공통으로 접속되고 각 타단은 상기 두 개의 각 단방향 스위치를 이루는 전류제어소자와 같은 전류 방향인 각 다이오드의 일단에 직렬 접속되며 상기 각 다이오드의 타단은 하나의 직류단자에 공통으로 접속되되, 상기 각 단방향 스위치와 상기 각 다이오드가 직렬 접속되는 각 노드에는 상기 하나의 직류단자와 다른 전위를 갖는 한 개 이상의 직류단자에 일단이 각각 접속된 한 개 이상의 스위치의 각 타단이 공통으로 접속되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  3. 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 m(2≤m≤n)개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 두 개의 교류단자 중 하나인 A단자에 공통으로 접속되는 m개의 스위치 및/또는 스위치회로(S11~S1m)로 구성되며, A단자에 기준전위선을 설정하는 동작 또는 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 A단자를 상기 m개의 직류단자에 선택적으로 연결하는 동작의 두 가지 동작을 수행하는 제1스위칭부(10); 및
    상기 복수의 직류단자 중 n(3≤n)개의 직류단자에 일단이 각각 접속되고 타단은 상기 두 개의 교류단자 중 다른 하나인 B단자에 공통으로 접속되는 n개의 스위치 및/또는 스위치회로(S21~S2n)로 구성되며, B단자에 기준전위선을 설정하는 동작 또는 전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 B단자를 상기 n개의 직류단자에 선택적으로 연결하는 동작의 두 가지 동작을 수행하는 제2스위칭부(20);를 포함하되,
    상기 두 개의 교류단자에 교류전압을 출력하기 위해 제1스위칭부(10)와 제2스위칭부(20)는 각각의 상기 두 가지 동작 중 서로 상보적인 동작을 수행하고, 적어도 하나의 등전위선이 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 m과 상기 n이 서로 다르되(m≠n), 최하위 등전위선 아래쪽으로 또는 최상위 등전위선 위쪽으로 제2스위칭부(20)를 구성하는 스위치 및/또는 스위치회로가 적어도 한 개 확장된 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    전류제어 스위치 또는 전류제어 스위치회로를 적어도 한 개를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
  6. 서로 다른 전위를 갖는 복수의 직류단자 중 세 개 이상의 직류단자에 일단(一端)이 각각 접속되고 타단(他端)은 교류단자에 공통으로 접속되는 세 개 이상의 스위치 및/또는 스위치회로로 구성되는 스위칭부를 적어도 하나 포함하되, 상기 세 개 이상의 스위치 및/또는 스위치회로 중 적어도 하나가 양방향 스위치 및/또는 양방향 스위치회로인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법에 있어서,
    스위칭 제어논리를 결정짓는 세 개의 파라미터인 다이오드상태인 전류제어소자의 개수, 다이오드시간 및 온 구동 한정범위 중 적어도 어느 하나의 파라미터의 값을 설정하는 설정단계; 및
    전력소자의 다이오드-스위칭 동작으로 교류 전압 레벨을 출력하는 출력단계;를 포함하는 멀티레벨 인버터의 구동방법.
  7. 제6항에 있어서,
    설정단계의 상기 다이오드상태인 전류제어소자의 개수가 논리적 설정값인 한 주기, 반 주기 또는 1/4 주기 중 어느 하나이거나, 또는 주기단위 한 주기에 한 개 또는 최대 한 개인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법.
  8. 제6항에 있어서,
    설정단계의 상기 다이오드시간의 설정값에 있어서, 주기단위 한 주기에 적어도 하나의 전류제어소자의 선행 다이오드시간이 다이오드-턴온 동작이 일어날 수 있는 최소 시간 내지 20 마이크로초이거나 또는 주기단위 한 주기에 적어도 하나의 전류제어소자의 후행 다이오드시간이 다이오드-턴오프 동작이 일어날 수 있는 최소 시간 내지 20 마이크로초인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법.
  9. 제6항에 있어서,
    설정단계의 상기 온 구동 한정범위의 설정값이 주기단위 한주기에 일(1) 회 이상인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법.
  10. 제6항에 있어서,
    주기단위 한 주기에 최상위 등전위선 및/또는 최하위 등전위선이 기준전위선으로 설정되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법.
  11. 전력변환장치에 있어서,
    환류전류가 흐르는 경로를 변경하기 위한 환류전환스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  12. 전력변환장치에 있어서,
    복수의 DC-뱅크에 의해 형성된 복수의 직류단자 중 적어도 어느 하나에 접속되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  13. 멀티레벨 인버터의 구동방법에 있어서,
    온 구동 한정범위가 주기단위 한 주기에 적어도 일(1) 회인 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터의 구동방법.
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KR101270907B1 (ko) 2011-10-05 2013-06-03 서울대학교산학협력단 션트 센서를 가지는 직접 스위칭 멀티레벨 인버터 및 멀티레벨 인버터의 상전류 복원 방법
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