[논문]2대의 임베디드 Z-소스 컨버터를 이용한 단상 DC-AC 인버터

김세진; 정영국; 임영철; 최준호

doi:10.5370/kiee.2011.60.6.1152

2대의 임베디드 Z-소스 컨버터를 이용한 단상 DC-AC 인버터
A Single-Phase DC-AC Inverter Using Two Embedded Z-Source Converters 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.6, 2011년, pp.1152 - 1162

김세진 (전남대학교 전기공학과) , 정영국 (대불대학교 융합기술학부) , 임영철 (전남대학교 전기공학과) , 최준호 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a single-phase DC-AC inverter using two embedded Z-source converters is proposed. The proposed inverter is composed of two embedded Z-source converters with common DC source and output AC load. The output AC voltage of the inverter is obtained by the difference of output capacitor voltages of each converter. The output voltage of each converter take shape of the asymmetrical AC waveform centering zero voltage. Therefore, the proposed inverter can generate the same output voltage despite low VA rating L-C elements, compared to the conventional inverter using high DC voltage with AC ripple. To verify the validity of the proposed system, the PSIM simulation was achieved under the condition of rapid increase of DC source (110[V]${\rightarrow}$150[V]) and R-load (50[${\Omega}$]${\rightarrow}$300[${\Omega}$]). For controlling the voltage of the inverter system, the one-cycle controller was adopted. As results, the proposed inverter output the constant AC voltage (220[V]rms/60[Hz]) for all conditions. Also, the R-L load and nonlinear diode load were adopted for the proposed inverter loads, and we could know that the its output voltage characteristics were as good as the pure R-load. Finally, the RMS and THD of output AC voltage were examined for the different loads, input DC voltages and reference voltage signals.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 2대의 양 극성 출력이 가능한 임베디드 Z-소스 컨버터[8]를 이용한 DC-AC 인버터 시스템을 제안하였다. 양 극성 출력이 가능한 임베디드 Z-소스 컨버터를 사용되기 때문에, 종전보다 낮은 컨버터의 출력전압으로도 높은 출력 교류전압을 발생할 수 있는 DC-AC 인버터를 구성 할 수 있다.
본 논문에서는 2대의 임베디드 Z-소스 컨버터를 이용하는 단상 DC-AC 인버터를 제안하였다. 단 극성의 전압만 출력 가능한 DC-DC 컨버터를 이용하는 종전의 방법은 인버터가 220[V]_rms의 교류전압을 출력하기 위해서는, 각 컨버터의 출력전압은 최대 500[V] 이상으로 높았다.

제안 방법

One cycle 제어법을 이용한 제안된 인버터의 타당성을 검증하기 위해, PSIM 시뮬레이션을 수행하였다.
으로 정의 할 수 있으며, 스위칭 주파수가 높을수록 출력전압의 리플이 줄어드는 것을 알 수 있다. 그러나 60[kHz] 이상이 되면 불안정해지며, 본 연구에서는 f_sw=45[kHz]와 K=0.0045을 이용하여 one-cycle제어를 하였다. 그림 22(a)는 2대의 boost 컨버터를 이용한 종전의 인버터의 시뮬레이션 결과이다.
그리고 직류 입력전압이 110[V] ~ 150[V]로 급변하는 상태에 대한 교류 출력 전압의 안정성을 테스트 해보고, 끝으로 R-L 부하 및 비선형 다이오드 부하에 대한 시뮬레이션도 함께 수행하였다.
먼저 직류 입력전압이 150[V]인 조건 하에서 출력 교류 전압 220[V]rms 발생을 위한 시뮬레이션을 한 후, 저항 부하가 50[Ω]~300[Ω]로 급변하는 과도상태에 대해 출력 교류전압을 일정하게 제어하는 시뮬레이션을 하였다.
본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 직류 입력전압이 급변하는 경우(110[V]~150[V])와 부하 저항이 급변 하는 경우 (50[Ω] ~ 300[Ω])에 대하여 PSIM 시뮬레이션을 하였다.
제안된 방법의 타당성 검증을 위하여, 제안된 DC-AC 인버터의 입력 직류전압이 110[V]에서 150[V]로 급변하는 경우와 부하 저항이 50[Ω]에서 300[Ω]으로 급변하는 상황에 대한 테스트를 하였다.
또한, R-L 부하, 비선형 다이오드 부하 등에 대해서도 시뮬레이션을 한 결과, 제안된 인버터는 모두 정현 파형의 출력전압을 잘 유지함을 알 수 있었다. 직류 입력전압, 부하, 교류 출력 전압의 변화에 따른 THD(총고조파 왜형률) 측정을 수행하였다. 그 결과 THD는 전체적으로 약 0.

이론/모형

임베디드 Z-소스 컨버터를 이용한 인버터의 출력 교류전압을 제어하기 위해, 그림 17의 one cycle 제어 법을 사용하였다[8-10]. 이 제어 기법의 기본적인 원리는 그림 18에 나타나 있다.
양 극성 출력이 가능한 임베디드 Z-소스 컨버터를 사용되기 때문에, 종전보다 낮은 컨버터의 출력전압으로도 높은 출력 교류전압을 발생할 수 있는 DC-AC 인버터를 구성 할 수 있다. 제안된 방법은 2대의 임베디드 Z-소스 컨버터와 1개의 직류 입력전원으로 구성되며 one-cycle 제어 방법[9-10]에 의하여 제어하였다. One-cycle 제어법은 출력 측의 스위치가 턴 오프 되는 동안 스위치 양단 전압을 적분하고, 적분된 값을 이용해 출력 측에 인가 될 전압을 알 수 있는 방법이다.

성능/효과

제안된 인버터를 구성하는 임베디드 Z-소스 컨버터는 비대칭 양극성 전압을 출력하며, 따라서 상대적으로 낮은 내압(200[V])의 출력 커패시터가 필요하다. 1대의 임베디드 Z-소스 컨버터의 양극성 출력전압은 직류 입력전압에 의해 제한되는 영역과 제한되지 않는 영역으로 나누어지나, 컨버터 두 대를 이용하는 제안된 인버터는 직류 입력전압의 제한을 받지 않는 교류전압이 출력 가능 하였다.
각 컨버터의 양의 반주기 출력전압은 입력전압 150[V]보다 낮지만, 음의 반주기 전압은 입력전압보다 높은 비대칭 전압이 출력됨을 알 수 있다.
직류 입력전압, 부하, 교류 출력 전압의 변화에 따른 THD(총고조파 왜형률) 측정을 수행하였다. 그 결과 THD는 전체적으로 약 0.5[%]로 나타났으며 인버터의 직류 입력전압이나 교류 출력전압이 변동되는 상황에서도 출력전압은 정현파 출력을 나타내었다.
제안된 방법의 타당성 검증을 위하여, 제안된 DC-AC 인버터의 입력 직류전압이 110[V]에서 150[V]로 급변하는 경우와 부하 저항이 50[Ω]에서 300[Ω]으로 급변하는 상황에 대한 테스트를 하였다. 그 결과, 모두의 경우에 대하여 제안된 인버터의 출력 교류전압은 기준 전압 220[V]_rms로 일정하게 제어되었으며, 정현 파형을 유지하였다. 또한 R-L부하 및 비선형 다이오드 부하에서의 테스트 역시 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 직류 입력전압이 급변하는 경우(110[V]~150[V])와 부하 저항이 급변 하는 경우 (50[Ω] ~ 300[Ω])에 대하여 PSIM 시뮬레이션을 하였다. 그 결과, 직류 입력전압 또는 출력 측에 부하 변동이 발생하여도 교류 출력전압을 일정하게 유지하였다. 또한, R-L 부하, 비선형 다이오드 부하 등에 대해서도 시뮬레이션을 한 결과, 제안된 인버터는 모두 정현 파형의 출력전압을 잘 유지함을 알 수 있었다.
또한 R-L부하 및 비선형 다이오드 부하에서의 테스트 역시 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 끝으로 부하저항 변동, 직류 입력전압 변동 그리고 기준전압의 최대치 제어에 따른 인버터의 출력 교류 전압의 특성을 살펴본 결과, 출력 교류전압은 220[V]_rms그 리고 THD는 0.5[%] 유지됨을 알 수 있었다.
그 결과, 직류 입력전압 또는 출력 측에 부하 변동이 발생하여도 교류 출력전압을 일정하게 유지하였다. 또한, R-L 부하, 비선형 다이오드 부하 등에 대해서도 시뮬레이션을 한 결과, 제안된 인버터는 모두 정현 파형의 출력전압을 잘 유지함을 알 수 있었다. 직류 입력전압, 부하, 교류 출력 전압의 변화에 따른 THD(총고조파 왜형률) 측정을 수행하였다.
그러나, 2대의 DC-DC 컨버터를 이용하는 방법은 다음의 문제점을 가지고 있다. 첫 번째로 단 극성(+ 또는 -) 전압만 출력이 가능하므로, 0점을 기준으로 하여 인버터의 교류전압의 음의 반주기 전압과 양의 반주기 전압을 동시에 출력하는 것이 불가능하다. 각 컨버터에서 직류 입력전압(VIN)보다 높은 직류전압을 기준으로 하여 교류전압을 출력하면 이 문제를 해결 할 수 있으나, DC-AC 인버터의 출력 교류전압(v_out)에 비해 각 컨 버터의 출력(v_conA, v_conB)은 매우 높아야한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풀 브리지 구성은 몇 개의 스위치를 이용하는가?	직류전압을 입력전원으로 하는 종전의 단상 인버터 시스템은 일반적으로 풀 브리지 또는 하프 브리지의 인버터이다. 풀 브리지 구성은 4개의 스위치를 이용하므로, 인버터 구성 시 비용이 상승하며 출력전압은 입력전압보다 낮은 전압으로 제한된다. 또한, 하프 브리지 인버터는 2개의 스위치로 구성되는 장점을 가지고 있으나, 출력 가능한 교류전압은 입력 직류전압의 50[%] 이하로 제한되는 단점이 있다[1-3].
	하프 브리지 인버터의 장점은 무엇인가?	풀 브리지 구성은 4개의 스위치를 이용하므로, 인버터 구성 시 비용이 상승하며 출력전압은 입력전압보다 낮은 전압으로 제한된다. 또한, 하프 브리지 인버터는 2개의 스위치로 구성되는 장점을 가지고 있으나, 출력 가능한 교류전압은 입력 직류전압의 50[%] 이하로 제한되는 단점이 있다[1-3]. 따라서, 직류 입력전압 보다 높은 교류전압을 출력하기 위해서 부스트, 벅-부스트 컨버터가 함께 사용되어 왔다.
	하프 브리지 인버터의 출력 가능한 교류전압은 입력 직류전압의 50[%] 이하로 제한되는 단점을 극복하기 위해 무엇을 사용해왔는가?	또한, 하프 브리지 인버터는 2개의 스위치로 구성되는 장점을 가지고 있으나, 출력 가능한 교류전압은 입력 직류전압의 50[%] 이하로 제한되는 단점이 있다[1-3]. 따라서, 직류 입력전압 보다 높은 교류전압을 출력하기 위해서 부스트, 벅-부스트 컨버터가 함께 사용되어 왔다. 직류 입력전압에 의해서 출력 교류전압이 제한되는 단점과 더 높은 출력전압을 위해서 부스트 장치를 추가로 구성해야 하는 PWM 인버터의 단점을 해소하기 위한 방안으로, 2대의 DC-DC 컨버터를 이용한 DC-AC 인버터가 제안되었다[2-7].

참고문헌 (10)

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Vazquez, N, Almazan, J, Alvarez, J, Aguilar, C, Arau, J, "Analysis and experimental study of the buck, boost and buck-boost inverters," in Conf. Rec IEEE PESC '99, 1999, pp.801-806.
Dylan Dah-Chuan Lu, "Synthesis of single phase DC/AC inverters", in Industrial Electronics and Applications(ICIEA'07), 2007, pp. 1922-1926
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K. M. Smedley and S. Cuk, "One-cycle control of switching converters," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.10, No. 6, pp. 625-633, November 1995.

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K. M. Smedley and S. Cuk, "Dynamics of one-cycle controlled cuk converter," IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 10, No. 6, pp: 634-639, November 1995.

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