[논문]ST Quasi Z-소스 인버터의 스트레스 저감과 출력전압 특성

김세진; 정영국; 임영철

doi:10.6113/tkpe.2013.18.1.1

ST Quasi Z-소스 인버터의 스트레스 저감과 출력전압 특성
Characteristics of the Stress Reduction and Output Voltage of ST(Switched Trans) Quasi Z-Source Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.1, 2013년, pp.1 - 9

김세진 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l University) , 정영국 (Dept. of Electrical Engineering, Daebul University) , 임영철 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a ST(Switched Trans) quasi Z-source inverter using a Switched Trans Cell combing the characteristics of a Switched Inductor Cell and Trans. A DC link inductor of the conventional quasi Z-source inverter is alternated with Switched Trans Cell of the proposed ST quasi Z-source inverter. Trans Cell of the proposed method consists of one Trans and two diodes, and the proposed method has higher and more various boost function than the conventional quasi Z-source inverter by simply changing the turns ratio of primary and secondary of the Trans. The validity of the proposed ST Z-source inverter was confirmed by PSIM simulation and a DSP based experiment under the input voltage 48V and output phase voltage 30V. As a result, when compared with the traditional quasi Z-source inverter, the proposed method has the advantage of the low voltage stress under the same output voltage condition of the voltage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 인덕터 셀과 변압기의 특징을 결합한 스위치드 변압기 셀(Switched Trans Cell)을 Quasi Z소스 인버터에 적용한 ST(Switched Trans) Quasi Z-소스 인버터를 제안한다. 본 연구에서 제시된 변압기 셀 방법은 종전의 인덕터 셀 방식 보다 다이오드와 인덕터 수를 저감시킬 수 있다.
본 논문에서는 종전의 quasi Z-소스 인버터가 높은 부스트 성능을 가질 때 나타나는 전압 스트레스를 감소시키기 위한 Switched Trans quasi Z-소스 인버터를 제안하였다. 제안된 인버터는 Z-임피던스 망에 고주파 변압기를 이용한 Switched Trans Cell을 구성하고 있으며, 동일한 단락 비에서 종전의 방식에 비해 높은 부스트 성능을 가진다.
본 연구에서는 종전의 SPWM과 유사한 simple boost control method를 이용해 제안된 방식의 부스트 성능에 중점을 두고 분석하였다.

가설 설정

3상 DC-AC 인버터에서 출력되는 교류 전압의 양의 반주기 최대 전압과 음의 반주기 최소 전압은 입력 전압의 1/√3 이하로 출력된다.
반면에 단락모드에서는 변압기 1차 권선에 흐르는 전류는 0A이고, 2차 권선 전류 I_T-2nd-shoot와 Z-임피던스 망에서 출력되는 전류 I_Z-shoot는 I_L1보다 높은 값을 갖는다. 그림 8의 두 커패시터 전압은 리플이 없는 직류 전압으로 가정하였으며, 인버터 암의 전압 V_arm은 단락모드 동안 0V이고, 비 단락모드 동안 V_C1+V_C2와 같다. 변압기의 1차 측 전압 V_T-1st과 2차 측 전압 V_T-2nd은 비 단락모드 동안, -V_C2와 각 권선의 비(n_T-1st, n_T-2nd)에 따라 다르게 나타나며, 단락모드 역시 변압기의 각 권선과 V_C1에 Z-소스 인버터를 스위칭 하기 위한 여러 가지 방법은 크게 simple boost control method와 maximum boost control method, maximum constant boost control이 있다.

제안 방법

본 연구에서 제안하고 있는 ST quasi Z-소스 인버터는 그림 2와 같이 하나의 변압기와 두 개의 다이오드D₂, D₃를 이용한 Switched Trans Cell이 종전의 Z-소스 인버터의 인덕터 L₂를 대체하고 있다. 제안된 방법은 인덕터 대신 변압기를 이용하므로 부스트 성능이 크게 개선 되고, 종전의 Z-소스 인버터의 장점^[1]은 그대로 가지는 특징이 있다.
본 연구의 타당성을 검증하기 위해서 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 입력 전압 48V, Y-부하 100Ω, L-C 출력 필터는 각각 1.
제안된 ST quasi Z-소스 인버터의 타당성을 검증하기 위해서, 48V 입력 전압 조건에서 30V의 출력 상 전압을 발생하는 실험과 시뮬레이션을 수행 하였다. 실험 결과, 단락모드가 시작되는 시점에서 변압기 권선 전류와 전압에 ringing 현상이 나타났으나, 시뮬레이션과 동일한 부스트 성능을 확인 할 수 있었다.
표 2에는 종전의 quasi Z-소스 인버터(qZSI)와 제안된 ST quasi Z-소스 인버터(STqZSI)이 동일한 상 전압 30V를 출력하는 조건에 대한 실험 결과를 비교하였다. 종전의 qZSI의 암의 전압 스트레스는 81V이나, 제안된 STqZSI에서는 68V로 약 17% 감소된 것을 알 수 있다.

대상 데이터

Z-임피던스 망의 구성 요소는 L1=1mH / 0.2Ω, C1 = C2 = 1000uF이 사용되었고, Switched Trans Cell의 변압기의 권선비는 nT-1st=8, nT-2nd=4이며, 1mH/0.35Ω, 누설 인덕턴스=6uF의 고주파 변압기가 사용하였으며 스위칭 주파수는 20kHz로 설정하였다.
35Ω, 누설 인덕턴스=6uF의 고주파 변압기가 사용하였으며 스위칭 주파수는 20kHz로 설정하였다. 실험과 시뮬레이션은 모두 동일한 파라미터를 이용하였으며, 특히 실험은 DSP(TMS320 F28335)로 제어 하였으며 그림 12에 실제 실험에 사용된 하드웨어를 나타내었다.

성능/효과

단락모드 동안 v_T-1st, v_T-2nd는 높게 나타나며, V_arm은 0V인 것을 알 수 있다. V_DC와 V_arm은 시뮬레이션 및 실험 결과 모두 동일하나, 변압기의 각 권선 전압 v_T-1st, v_T-2nd는 시뮬레이션 결과에서 나타나지 않은 ringing현상이 실험 결과에서 나타나는 것을 알 수 있다. 그림 17은 A 상 전류 i_A와 전압 v_A, B상 전압 v_B, 그리고 선간 전압 v_AB의 실험 파형을 나타낸 것이다.
그러나 인덕터를 이용한 SL Cell방식은 부스트 성능을 높이기 위해서는 인덕터와 다이오드 개수를 증가시켜야 하므로, 부피, 가격, 손실 면에서 불리하다. 그러나 제안된 방법은 변압기의 1차 측과 2차 측의 권선 비에 따라 다양한 부스트 성능이 구현되면서 전압 스트레스가 낮다는 장점을 가진다.
실험 결과, 단락모드가 시작되는 시점에서 변압기 권선 전류와 전압에 ringing 현상이 나타났으나, 시뮬레이션과 동일한 부스트 성능을 확인 할 수 있었다. 끝으로 동일한상 전압 30V가 출력되는 조건에서, 제안된 방법의 전압 스트레스는 종전의 방법에 비하여 약 17% 감소됨을 알 수 있었다.
를 곡선으로 나타내었다. 동일한 전압을 출력하는 경우, 제안된 방식의 인버터 암의 전압 스트레스 V_arm은 종전의 방식에 비해 상당히 감소되는 것을 알 수 있다.
Z-소스 인버터에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, SPWM과 유사한 simple boost control method^[1]와 simple boost control method에 비해 출력 전압을 약 13%이상 증가 시킬 수 있는 maximum boost control method^[5]와 maximum boost constant control method^[6]가 제안되었다. 따라서 동일한 전압을 출력하기 위한 단락 율이 낮아지면서 전류와 전압 스트레스를 감소시키는 것이 가능하였다. 이후에 보다 낮은 단락 율에서도 더 높은 전압을 출력시키기 위한 방법들이 연구되었다.
본 연구에서 제시된 변압기 셀 방법은 종전의 인덕터 셀 방식 보다 다이오드와 인덕터 수를 저감시킬 수 있다. 또한 승압 율을 증가시키기 위해 인덕터와 다이오드 수의 증가가 필수적인 인덕터 셀 방식과는 달리, 제안된 방법은 소자의 증가 등 구조상의 변화 없이 변압기의 1차 측 권선 비와 2차 측 권선 비를 조절하여 종전의 방법과 동일한 성능을 얻을 수 있었다.
종전의 qZSI의 암의 전압 스트레스는 81V이나, 제안된 STqZSI에서는 68V로 약 17% 감소된 것을 알 수 있다. 또한 커패시터 전압 V_c1, V_c2의 관점에서도 제안된 STqZSI는 각각 10V, 7V정도 종전의 qZSI보다 감소됨을 알 수 있다.
본 논문에서는 인덕터 셀과 변압기의 특징을 결합한 스위치드 변압기 셀(Switched Trans Cell)을 Quasi Z소스 인버터에 적용한 ST(Switched Trans) Quasi Z-소스 인버터를 제안한다. 본 연구에서 제시된 변압기 셀 방법은 종전의 인덕터 셀 방식 보다 다이오드와 인덕터 수를 저감시킬 수 있다. 또한 승압 율을 증가시키기 위해 인덕터와 다이오드 수의 증가가 필수적인 인덕터 셀 방식과는 달리, 제안된 방법은 소자의 증가 등 구조상의 변화 없이 변압기의 1차 측 권선 비와 2차 측 권선 비를 조절하여 종전의 방법과 동일한 성능을 얻을 수 있었다.
제안된 ST quasi Z-소스 인버터의 타당성을 검증하기 위해서, 48V 입력 전압 조건에서 30V의 출력 상 전압을 발생하는 실험과 시뮬레이션을 수행 하였다. 실험 결과, 단락모드가 시작되는 시점에서 변압기 권선 전류와 전압에 ringing 현상이 나타났으나, 시뮬레이션과 동일한 부스트 성능을 확인 할 수 있었다. 끝으로 동일한상 전압 30V가 출력되는 조건에서, 제안된 방법의 전압 스트레스는 종전의 방법에 비하여 약 17% 감소됨을 알 수 있었다.
실험 결과의 Varm파형에 포함된 약간의 불연속적인 노이즈 성분이 포함된 것을 제외하고는 VC1, VC2 및 vA모두 11V, 56V, 30V로 동일하게 나타났다.
를 대체하고 있다. 제안된 방법은 인덕터 대신 변압기를 이용하므로 부스트 성능이 크게 개선 되고, 종전의 Z-소스 인버터의 장점^[1]은 그대로 가지는 특징이 있다. 제안된 ST quasi Z-소스 인버터는 단락모드와 비 단락모드의 두 가지 모드^[1]로 동작되며, 동일암의 두 스위치가 단락되는 그림 3의 단락모드에서는, D₁이 역 전압에 의해 차단 상태가 되며, 커패시터 C₁, C₂는 방전하고 입력 측의 인덕터 L₁에 흐르는 전류 기울기는 증가한다.
본 논문에서는 종전의 quasi Z-소스 인버터가 높은 부스트 성능을 가질 때 나타나는 전압 스트레스를 감소시키기 위한 Switched Trans quasi Z-소스 인버터를 제안하였다. 제안된 인버터는 Z-임피던스 망에 고주파 변압기를 이용한 Switched Trans Cell을 구성하고 있으며, 동일한 단락 비에서 종전의 방식에 비해 높은 부스트 성능을 가진다. Z-임피던스 망을 확장하는 대표적인 모델인 SL Z-소스 인버터의 경우, 부스트 성능에 비례하여 인덕터 및 다이오드 수가 증가되나, 제안된 방식은 변압기의 권선 비를 조절하면 되고, 다른 추가적인 소자의 증가는 발생하지 않았다.
표 2에는 종전의 quasi Z-소스 인버터(qZSI)와 제안된 ST quasi Z-소스 인버터(STqZSI)이 동일한 상 전압 30V를 출력하는 조건에 대한 실험 결과를 비교하였다. 종전의 qZSI의 암의 전압 스트레스는 81V이나, 제안된 STqZSI에서는 68V로 약 17% 감소된 것을 알 수 있다. 또한 커패시터 전압 V_c1, V_c2의 관점에서도 제안된 STqZSI는 각각 10V, 7V정도 종전의 qZSI보다 감소됨을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SPWM방식이란?	3상 DC-AC에서 출력되는 교류 전압은 정현파 변조 방식(SPWM)과 3차 고조파를 합성한 정현파 변조방식 (Third harmonics injection SPWM)에 따라 다르게 나타난다. SPWM은 한 개의 삼각파와 삼각파의 크기를 넘지 않는 3개의 정현파를 비교하는 방식으로, 3상 DC-AC 인버터에서 출력되는 교류 전압의 양의 반주기 최대 전압과 음의 반주기 최소 전압은 입력 전압의 1/2이하로 출력된다. 3차 고조파를 합성한 정현파 변조방식은 기본 정현파의 1/6 크기의 3차 고조파가 합성된 왜형된 교류 전압 3개를 하나의 삼각파와 비교하는 방식이다.
	Z-임피던스 망을 이용한 승압 방식의 인버터의 단점은?	Z-임피던스 망을 이용한 승압 방식의 인버터는 1단 구성만으로 전압 승압이 가능하고 스위치 단락을 막기 위한 데드 타임을 설정할 필요가 없어서 손실, 수명, 효율 측면에서 장점[1]이 있다. 그러나 부스트 컨버터, Z-소스 인버터의 승압 기능은 단락 율이 높아질수록 입력 측이 전류 스트레스나 인버터 암의 전압 스트레스가 크게 증가하는 단점[5-10]이 있다. Z-소스 인버터에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, SPWM과 유사한 simple boost control method[1]와 simple boost control method에 비해 출력 전압을 약 13%이상 증가 시킬 수 있는 maximum boost control method[5]와 maximum boost constant control method[6]가 제안되었다.
	Z-임피던스 망을 이용한 승압 방식의 인버터의 장점은?	즉 Z-소스 인버터는 전압형 DC-AC 인버터의 스위치 동작 중 일정 시간마다 부스트 컨버터와 같은 승압 기능을 수행하기 위해 동일 암의 두 스위치를 단락[1]시킨다. Z-임피던스 망을 이용한 승압 방식의 인버터는 1단 구성만으로 전압 승압이 가능하고 스위치 단락을 막기 위한 데드 타임을 설정할 필요가 없어서 손실, 수명, 효율 측면에서 장점[1]이 있다. 그러나 부스트 컨버터, Z-소스 인버터의 승압 기능은 단락 율이 높아질수록 입력 측이 전류 스트레스나 인버터 암의 전압 스트레스가 크게 증가하는 단점[5-10]이 있다.

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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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