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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 변압기에 의해 발생되는 시스템 크기, 변압기 손실 문제를 해결하기 위해 양방향 스위치를 적용한 Cascaded H-bridge cell 방식을 제안한다. 가능한 최소의 소자만을 이용하여 가능한 최대 수의 출력전압 레벨을 형성하기 위해서 양방향 스위치를 이용한 기존의 5-레벨 인버터[7]의 출력을 직렬 결합한다.
제안 방법
- 따라서 본 논문에서는 변압기에 의해 발생되는 시스템 크기, 변압기 손실 문제를 해결하기 위해 양방향 스위치를 적용한 Cascaded H-bridge cell 방식을 제안한다. 가능한 최소의 소자만을 이용하여 가능한 최대 수의 출력전압 레벨을 형성하기 위해서 양방향 스위치를 이용한 기존의 5-레벨 인버터[7]의 출력을 직렬 결합한다. 입력전압원의 크기를 5의 배수로 구성함으로써 생성 가능한 출력전압 레벨 수를 분석하고 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증한다.
- 제안된 멀티레벨 인버터의 기본 회로 구성을 그림 1에 나타낸다. 기존의 Cascaded H-bridge cell 방식에서는 입력전압원이 모두 독립적이지만 제안된 방식에서는 각 H-bridge cell은 직렬결합 된 두 개의 dc 전압원으로 구성되며, H-bridge cell과 전압원 사이에 양방향 스위치가 삽입되어 각 인버터 모듈은 출력전압에 5레벨을 형성하게 된다. 상단의 5레벨 인버터의 출력을 하단의 5레벨 인버터 출력과 직렬 결합시킨 구조이며 총 4개의 입력전압원의 크기를 상단의 경우 Vdc, 하단의 경우 5Vdc를 가지도록 구성한다.
- 제안된 멀티레벨 인버터의 동작 특성을 분석하기 위해 시뮬레이션과 시작품을 기반으로 한 실험을 수행하였다. 등면적법을 통한 스위칭 각과 25레벨의 출력전압 형성을 위해 AVR MEGA 128 프로세서를 기반으로 한 디지털 제어기를 설계하였다. Vdc는 10 [V], 출력전압의 주파수는 60 [Hz]로 설정하였다.
- 본 논문에서는 양방향 스위치를 가지는 기존의 5-레벨 인버터 모듈을 다단 결합시킨 멀티레벨 구조와 제안된 회로의 입력 전원 크기를 5의 배수로 구성함으로써 다수의 레벨을 생성시킬 수 있는 새로운 멀티레벨 인버터 구조를 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 멀티레벨 방식은 25레벨 형성시 Cascaded H-bridge cell 방식과 비교하여 스위치 개수가 약 80[%] 저감됨을 확인하였다.
- 이를 개선하기 위해 변압기 사용 대수를 저감할 수 있는 멀티레벨 인버터가 소개되었다[6]. 이는 상대적으로 적은 수의 출력전압 레벨 수로 인해 출력전압의 THD가 상승하는 문제점을 해결하기 위해 레벨 형성시 PWM 방식을 추가하였다. 하지만 다소 높은 스위칭 주파수로 인한 스위칭 손실 발생은 불가피하다.
- 가능한 최소의 소자만을 이용하여 가능한 최대 수의 출력전압 레벨을 형성하기 위해서 양방향 스위치를 이용한 기존의 5-레벨 인버터[7]의 출력을 직렬 결합한다. 입력전압원의 크기를 5의 배수로 구성함으로써 생성 가능한 출력전압 레벨 수를 분석하고 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증한다.
- 제안된 멀티레벨 인버터의 동작 특성을 분석하기 위해 시뮬레이션과 시작품을 기반으로 한 실험을 수행하였다. 등면적법을 통한 스위칭 각과 25레벨의 출력전압 형성을 위해 AVR MEGA 128 프로세서를 기반으로 한 디지털 제어기를 설계하였다.
- 표 1에 주어진 인버터 스위치의 동작을 기본으로 사인파의 출력을 얻기 위해 본 논문에서는 등면적법을 이용한 스위칭 각 계산을 수행하였다. 그림 2와 같이 스위칭 각에 따라 겹치는 면적과 겹치지 않는 면적을 같게 함으로써 전체적인 출력 파형의 THD를 감소시킬 수 있다.
성능/효과
- 그림 5는 기존의 Cascaded H-bridge cell 방식과 제한하는 방식에 사용되는 스위치 소자수의 비교 결과를 보여준다. 25레벨 형성시에는 기존 방식보다 38개를 저감할 수 있으며, 만약 65레벨을 형성하고자 할 경우에는 113개의 스위치 저감 효과가 있음을 알 수 있다. 5레벨의 출력 레벨을 형성할 경우에는 약 37 [%]의 스위치 절감 효과가 있지만 25레벨 이상의 출력전압을 형성할 경우에는 약 80 [%]의 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다.
- 25레벨 형성시에는 기존 방식보다 38개를 저감할 수 있으며, 만약 65레벨을 형성하고자 할 경우에는 113개의 스위치 저감 효과가 있음을 알 수 있다. 5레벨의 출력 레벨을 형성할 경우에는 약 37 [%]의 스위치 절감 효과가 있지만 25레벨 이상의 출력전압을 형성할 경우에는 약 80 [%]의 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 제안하는 방식이 출력전압 레벨 수를 증가시키는데 있어 매우 효과적인 회로 구조임을 알 수 있다.
- 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 멀티레벨 방식은 25레벨 형성시 Cascaded H-bridge cell 방식과 비교하여 스위치 개수가 약 80[%] 저감됨을 확인하였다. 또한 다수의 출력전압 레벨을 가짐으로써 추가적인 필터의 삽입 없이 5 [%] 미만의 우수한 THD 특성을 보임을 확인할 수 있었다.
- 본 논문에서는 양방향 스위치를 가지는 기존의 5-레벨 인버터 모듈을 다단 결합시킨 멀티레벨 구조와 제안된 회로의 입력 전원 크기를 5의 배수로 구성함으로써 다수의 레벨을 생성시킬 수 있는 새로운 멀티레벨 인버터 구조를 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제안된 멀티레벨 방식은 25레벨 형성시 Cascaded H-bridge cell 방식과 비교하여 스위치 개수가 약 80[%] 저감됨을 확인하였다. 또한 다수의 출력전압 레벨을 가짐으로써 추가적인 필터의 삽입 없이 5 [%] 미만의 우수한 THD 특성을 보임을 확인할 수 있었다.
- 5레벨의 출력 레벨을 형성할 경우에는 약 37 [%]의 스위치 절감 효과가 있지만 25레벨 이상의 출력전압을 형성할 경우에는 약 80 [%]의 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 제안하는 방식이 출력전압 레벨 수를 증가시키는데 있어 매우 효과적인 회로 구조임을 알 수 있다. 그러나 제안된 토폴로지는 커패시터가 직렬로 결합된 입력 전압원을 사용하기 때문에 이들 전압간의 불균형은 출력전압의 THD를 증가 시키는 원인이 되므로 유의해야 한다[8].
- vx 전압파형에 나타나는 전압 레벨의 붕괴는 상단 dc 링크단 전압의 불안정에 의해 발생되나 출력전압 레벨 수가 25개로 레벨 간의 전압차가 크지 않기 때문에 출력전압(vout)에 미치는 영향은 크지 않다. 제안된 멀티레벨 인버터는 출력전압에 25개의 레벨과 등면적법을 적용한 스위칭 방식의 적용으로 출력단에 추가적인 필터 없이 5 [%] 미만의 우수한 THD 특성을 나타낸다.
- 상단 인버터의 출력 vx는 -2Vdc, -Vdc, 0, Vdc, 2Vdc의 5-레벨의 출력을 생성하며, 하단 인버터의 출력 vy는 -10Vdc, -5Vdc, 0, 5Vdc, 10Vdc의 5레벨 출력전압을 생성하게 된다. 제안된 멀티레벨 인버터의 출력전압 vout은 두 인버터 출력전압의 합으로 나타나므로 -12Vdc에서 12Vdc까지 영전압을 포함한 총 25레벨의 출력 전압을 형성할 수 있다. 상단 인버터와 하단 인버터의 출력이 직렬 결합됨으로 출력전압 vout은 식(1)과 같이 표현된다.
- 그림 4는 시작품을 이용하여 제안된 멀티레벨 인버터의 기본 동작을 검증하기 위한 실험 결과를 보여준다. 출력전압의 파형으로부터 25레벨이 형성됨을 확인할 수 있으며 사인파에 가까운 출력전압 생성이 가능함을 알 수 있다. 하단 인버터의 출력전압(vy)으로 기본 레벨을 구성하고 상단 인버터 출력전압(vx)이 가감되어 출력전압 레벨을 형성함을 알 수 있다.
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