[논문]풀-브리지 인버터와 5-레벨 인버터의 직렬결합을 이용한 혼합형 멀티레벨 인버터

홍운택; 최원균; 권철순; 강필순

doi:10.6113/tkpe.2011.16.1.30

풀-브리지 인버터와 5-레벨 인버터의 직렬결합을 이용한 혼합형 멀티레벨 인버터
Hybrid Multilevel Inverter Connecting a Full-bridge Inverter to a 5-level Inverter in Series 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.1, 2011년, pp.30 - 37

홍운택 (한밭대 제어계측공학과) , 최원균 (한밭대 제어계측공학과) , 권철순 (한밭대 제어계측공학과) , 강필순 (한밭대 제어계측공학과)

초록
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본 논문에서는 풀-브리지 인버터와 양방향 스위치를 가지는 5-레벨 인버터를 직렬 결합시켜 출력전압에 다수의 레벨을 형성할 수 있는 멀티레벨 인버터 구조를 제안한다. 제안된 회로의 입력전압원 크기가 서로 동일한 경우와 3의 배수 형태를 가지는 경우에 대한 특성을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 효율적인 혼합형 회로 구성을 제시한다. 또한 기존의 변압기를 이용한 방식과 비교하여 장단점을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a circuit configuration of multilevel inverter to synthesize a large number of output voltage levels by connecting a full-bridge inverter to a 5-level inverter in series. We analyze the characteristics by computer-aided simulations and experiments when it has input voltage sources which have the same and the power of three in the amplitude. In addition, it is compared with the conventional transformer based multilevel inverter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 다단 변압기의 적용으로 발생 되는 시스템 부피 및 변압기 손실 증가 문제를 해결하기 위해 풀-브리지 인버터와 양방향 스위치를 가지는 기존의 5-레벨 인버터^[7]를 직렬 결합시킨 혼합형 멀티 레벨 인버터를 제안한다. 제안된 방식에서 입력전압원의 크기를 동일하게 할 경우, 3의 배수로 구성할 경우에 따라 생성 시킬 수 있는 출력전압 레벨 수가 가변된다.
제안된 방식에서 입력전압원의 크기를 동일하게 할 경우, 3의 배수로 구성할 경우에 따라 생성 시킬 수 있는 출력전압 레벨 수가 가변된다. 따라서 입력전압원의 크기 변화에 따라 생성 가능한 출력전압 레벨 수를 분석하고 시뮬레이션과 실험을 통해 가장 효과적인 회로 구성을 찾고자 한다.
본 논문에서는 풀-브리지 인버터와 양방향 스위치를 가지는 5-레벨 인버터를 직렬 결합시켜 출력전압에 다수의 레벨을 형성할 수 있는 멀티레벨 인버터 구조를 제안하였다. 제안된 회로의 입력전압원 크기가 서로 동일한 경우와 3의 배수 형태를 가지는 경우에 대한 특성을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 15-레벨을 형성할 수 있는 Case E의 입력전압원 조건이 가장 효율적임을 알 수 있었다.

제안 방법

제안된 혼합형 멀티레벨 인버터의 동작 특성을 분석 하기 위해 시뮬레이션과 시작품을 기반으로 한 실험을 수행하였다. 등면적법을 통한 스위칭 각 계산과 출력 전압 레벨 형성을 위해 AVR MEGA 128 프로세서를 기반으로 한 디지털 제어기를 설계하였다. 표 1의 Case A, D, E에 해당하는 7-레벨, 11-레벨, 15-레벨에 대한 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
제안된 혼합형 멀티레벨 인버터의 동작 특성을 분석 하기 위해 시뮬레이션과 시작품을 기반으로 한 실험을 수행하였다. 등면적법을 통한 스위칭 각 계산과 출력 전압 레벨 형성을 위해 AVR MEGA 128 프로세서를 기반으로 한 디지털 제어기를 설계하였다.
출력전압 레벨 형성을 위한 각 인버터의 스위치 동작을 기본으로 사인파의 출력을 얻기 위해 본 논문에서는 등면적법을 이용한 스위칭 각 계산을 수행하였다. 등면적법을 적용하여 스위칭 각을 계산하면 스위칭 각에 따라 겹치는 면적과 겹치지 않는 면적을 동일하게 할 수 있어 전체적인 출력 파형의 THD를 감소시킬 수 있다^[9]-[11].
그림 4는 레벨 수에 따른 총고조파왜곡율(THD)을 보여준다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 50 차수까지 THD를 계산한 결과를 비교하였다. 7-레벨에서는 12[%], 11-레벨에서는 약간 감소한 7.

성능/효과

가장 많은 레벨수는 풀-브리지가 V_dc, 5-레벨 인버터가 각각 3V_dc의 입력 전압원을 가질 때 15-레벨을 형성하는 조건이다. 결과적으로 하나의 풀-브리지 인버터와 5-레벨 인버터를 직렬 결합하는 경우 Case E가 가장 많은 수의 출력전압을 형성하게 됨을 알 수 있다.
다단 변압기를 채용하는 방식의 경우 부하전류가 증가하면 변압기의 누설 인덕턴스 성분의 필터링 효과로 인해 출력전압 THD 가 부하가 증가할수록 개선되는 효과가 있지만 제안된 방식에서는 변압기를 적용하지 않기 때문에 부하 변동과는 무관하게 거의 일정한 THD 특성을 나타내게 된다. 그러나 일반적인 인버터의 전압 THD는 5 [%] 미만을 요구하므로 제안하는 멀티레벨 인버터 역시 출력 전압 필터가 추가되어야 하지만 필터 사이즈는 크게 줄일 수 있다.
4 [%]의 값을 나타낸다. 다단 변압기를 채용하는 방식의 경우 부하전류가 증가하면 변압기의 누설 인덕턴스 성분의 필터링 효과로 인해 출력전압 THD 가 부하가 증가할수록 개선되는 효과가 있지만 제안된 방식에서는 변압기를 적용하지 않기 때문에 부하 변동과는 무관하게 거의 일정한 THD 특성을 나타내게 된다. 그러나 일반적인 인버터의 전압 THD는 5 [%] 미만을 요구하므로 제안하는 멀티레벨 인버터 역시 출력 전압 필터가 추가되어야 하지만 필터 사이즈는 크게 줄일 수 있다.
제안된 회로의 입력전압원 크기가 서로 동일한 경우와 3의 배수 형태를 가지는 경우에 대한 특성을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 15-레벨을 형성할 수 있는 Case E의 입력전압원 조건이 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 기존의 다단 변압기를 적용하는 인버터와 비교하여 변압기 채용으로 인한 문제점을 극복할 수 있는 회로 토폴로지임을 확인하였다.
이 방식은 특히 공통암을 이용함으로써 스위치 소자수를 저감시키면서도 다수의 출력전압 레벨을 형성 시킬 수 있는 효율적인 방법이다. 또한 변압기 이차 측을 직렬로 연결함으로써 누설 인덕턴스가 생성되어 부하전류가 증가할수록 출력전압의 레벨이 필터링 효과로 인해 보다 정현파에 근접하는 장점과 전기적 절연이 가능하다는 장점을 가진다. 표 3은 기존의 공통암 방식을 적용한 다단 변압기 기반의 멀티레벨 인버터와 제안하는 방식의 비교 결과를 보여준다.
이에 비해 제안하는 혼합형 멀티레벨 인버터는 변압기를 채용하지 않음으로 인해 변압기와 관련된 문제점들을 극복할 수 있다. 또한 제안된 혼합형 멀티레벨 인버터가 표 1의 Case E 조건으로 동작할 경우 출력 전압에 15개의 레벨이 생성되어 사인파에 근접한 출력 전압을 얻을 수 있고, 등면적법을 적용한 스위칭 방식의 적용으로 출력단에 추가적인 필터 없이 약 5 [%]정도의 양호한 THD 특성을 나타낸다.
본 논문에서는 풀-브리지 인버터와 양방향 스위치를 가지는 5-레벨 인버터를 직렬 결합시켜 출력전압에 다수의 레벨을 형성할 수 있는 멀티레벨 인버터 구조를 제안하였다. 제안된 회로의 입력전압원 크기가 서로 동일한 경우와 3의 배수 형태를 가지는 경우에 대한 특성을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 15-레벨을 형성할 수 있는 Case E의 입력전압원 조건이 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 기존의 다단 변압기를 적용하는 인버터와 비교하여 변압기 채용으로 인한 문제점을 극복할 수 있는 회로 토폴로지임을 확인하였다.

후속연구

또한 1:2:4의 권수비를 갖는 3대의 변압기를 채용함으로써 변압기 제작비용이 증가하며 무엇보다도 변압기에 의한 손실이 커지고 시스템의 부피가 증가하는 문제점을 가지게 된다. 또한 저주파 변압기를 채용함으로서 주파수 제어가 필요한 전동기 구동용 인버터로 사용하기에는 곤란하므로 그 응용에 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서는 풀-브리지 인버터와 양방향 스위치를 가지는 5-레벨 인버터를 직렬 결합시켜 출력전압에 다수의 레벨을 형성할 수 있는 멀티레벨 인버터 구조를 제안하였다, 제안된 회로의 장점은?	본 논문에서는 풀-브리지 인버터와 양방향 스위치를 가지는 5-레벨 인버터를 직렬 결합시켜 출력전압에 다수의 레벨을 형성할 수 있는 멀티레벨 인버터 구조를 제안하였다. 제안된 회로의 입력전압원 크기가 서로 동일한 경우와 3의 배수 형태를 가지는 경우에 대한 특성을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 15-레벨을 형성할 수 있는 Case E의 입력전압원 조건이 가장 효율적임을 알 수 있었다. 또한 기존의 다단 변압기를 적용하는 인버터와 비교하여 변압기 채용으로 인한 문제점을 극복할 수 있는 회로 토폴로지임을 확인하였다.
	기존 Cascaded H-bridge 방식의 장점은?	최근 3n승비의 권선비를 갖는 다단변압기를 이용한 멀티레벨 인버터는 출력전압 레벨 수를 증가시키기 위한 매우 유용한 방식이다[5]. 기존 Cascaded H-bridge 방식은 독립된 입력전원을 필요로 하나 이 방식은 단일 입력전압원만으로 출력전압 레벨 수를 증가 시킬 수 있는 장점을 가진다. 또한 다단으로 결합된 변압기들의 누설 인덕턴스에 따른 필터링 효과까지 있어 양질의 출력전압 형성이 가능하다[5]. 다단 변압기 적용 방식 중 공통암을 이용하여 스위칭 소자수를 보다 저감 시킬 수 있는 방식이 연구되었다[8].
	저주파 변압기를 채용하는 방식의 한계점은?	상기에 언급된 멀티레벨 인버터들은 적은 소자수로 다수의 출력전압 레벨 수를 증가시킬 수 있는 효과적인 방법이지만 공통적으로 변압기를 채용하게 되어 변압기 자체의 전력변환 손실, 저주파 변압기로 인한 전체 시스템 부피의 증가 문제를 발생시킨다. 무엇보다도 저주파 변압기를 채용하는 방식은 주파수 제어가 필요한 전동기 구동용 인버터로 사용하기에는 곤란하므로 그 응용에 한계가 있다.

참고문헌 (12)

L. G. Franquelo, J. Rodriguez, S. Kouro, R. Portillo, and M. A. M. Prats, "The age of multilevel converter arrives", IEEE Ind. Electron. Magazine, pp. 28-39, 2008.
J. Rodriguez, J. S. Lai, and F. Z. Peng, "Multilevel Inverters: A survey of topologies, controls, and applications", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 49, No. 4, pp. 724-738, 2002, Aug.

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J. S. Lai, and F. Z. Peng, "Multilevel Converters-A New Breed of Power Converters", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 32, No. 3, pp. 509-517, 1996, May/June.

상세보기
L. M. Tolbert, F. Z. Peng, and T. G. Habetler, "Multilevel converters for large electric drives", IEEE Trans. Ind. Electron, Vol. 35, pp. 36-44, 1999.
F. S. Kang, S. J. Park, M. H. Lee, and C. U. Kim, "An Efficient Multilevel Synthesis Approach and its Application to a 27-Level Inverter", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 52, No. 6, pp. 1600-1606, 2005, Dec.

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F. S. Kang, S. J. Park, S. E. Cho, C. U. Kim, and T. Ise, "Multilevel PWM Inverters Suitable for the Use of Stand-alone Photovoltaic Power Systems", IEEE Trans. Energy Convers., Vol. 20, No. 4, pp. 906-915, 2005, Dec.

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S. J. Park, F. S. Kang, M. H. Lee, and C. U. Kim, "A New Single-Phase Five-Level PWM Inverter Employing a Deadbeat Control Scheme", IEEE Trans. Power Electron., Vol. 18, No. 3, pp. 831-843, 2003, May.

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송성근, 박성준, 김동옥, 임영철, 김광현, "공통암을 이용한 3상 변압기 절연 멀티레벨 인버터", 전력전자학회 논문지, 제12권, 제2호, pp. 149-156, 2007. 4.

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홍운택, 최원균, 권철순, 현석환, 강필순, "혼합형 멀티레벨 인버터의 입력전압원 크기에 따른 출력전압 특성 분석", 2010 전력전자학술대회 논문집, pp. 502-503, 2010. 7. 6-9.
최원균, 홍운택, 권철순, 현석환, 강필순, "두 대의 5-레벨 인버터의 직렬 결합을 이용한 멀티레벨 인버터", 2010 전력전자학술대회 논문집, pp. 504-505, 2010. 7. 6-9.
권철순, 최원균, 홍운택, 현석환, 강필순, "다단출력전압 형성을 위한 절연방식과 비절연방식 멀티레벨 인버터의 특성 비교", 2010 전력전자학술대회 논문집, pp. 500-501, 2010. 7. 6-9.
G. P. Adam, S. J. Finney, A. M. Massoud, and B. W. Williams, "Capacitor Balance Issues of the Diode-Clamped Multilevel Inverter Operated in a Quasi Two-State Mode", IEEE Trans. Ind. Electron, Vol. 55, No. 8, pp. 3088-3099, 2008, Aug.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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