[논문]Cascaded H-bridge PWM 멀티레벨인버터의 스위칭 손실 저감을 위한 효율적인 스위칭 패턴

정보창; 김선필; 김광수; 박성준; 강필순

doi:10.5370/kiee.2013.62.4.502

[국내논문] Cascaded H-bridge PWM 멀티레벨인버터의 스위칭 손실 저감을 위한 효율적인 스위칭 패턴
Efficient Switching Pattern to Decrease Switching Losses in Cascaded H-bridge PWM Multilevel Inverter 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.4, 2013년, pp.502 - 509

정보창 (한밭대 전자공학과) , 김선필 (전남대학교 전기공학과) , 김광수 (한밭대 전자공학과) , 박성준 (전남대학교 전기공학과) , 강필순 (한밭대 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

It presents an efficient switching pattern, which expects a reduction of switching losses in a cascaded H-bridge PWM multilevel inverter. By the proposed switching scheme, the lower H-bridge module operates at low frequency of 60[Hz] because it assigns to transfer most load power. The upper H-bridge module operates at high frequency of PWM switching to improve THD of output voltage. The proposed switching pattern applies to cascaded H-bridge multilevel inverter with PD, APOD, bipolar, and unipolar switching methods. By computer-aided simulations, we verify the validity of the proposed switching scheme. Finally, we prove that the proposed PD and APOD switching patterns are better than those of the conventional one in efficiency.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 정현 펄스폭 변조방식(SPWM)을 통해 제어되는 Cascaded H-bridge PWM 멀티레벨인버터의 스위칭 손실을 저감시켜 인버터 효율을 개선시킬 수 있는 스위칭 패턴을 제안한다. 두 대의 동일한 H-bridge 모듈의 다단 결합으로 5레벨의 출력전압을 생성할 수 있는 CHML 인버터를 대상으로 한다.
본 논문에서는 두 개의 H-Bridge 모듈을 가지는 Cascaded H-bridge PWM 멀티레벨 인버터의 스위칭 손실 저감을 위해 SPWM 기반의 효율적인 스위칭 패턴을 제안하였다. 제안하는 스위칭 패턴은 하단의 인버터 모듈의 스위치는 기본 출력 전압 레벨을 형성하도록 저주파의 스위칭을 하였으며 상단의 인버터 모듈의 스위치는 고주파 스위칭을 하여 하단의 저주파 기본 출력에 가감하여 출력 전압을 생성하도록 구성하였다.

제안 방법

따라서 기본 전압레벨을 형성하는 하단 H-bridge의 PWM 스위칭 손실이 상대적으로 작은 부하전력을 담당하는 상단 H-bridge 모듈에 비해 높은 스위칭 손실이 발생된다. 이러한 관점에서 제안하는 스위칭 패턴은 하단 H-bridge 모듈의 스위치는 기본 출력전압 레벨을 형성하도록 저주파 스위칭 상태로 동작시키며, 상단 H-bridge의 스위치를 고주파의 PWM 스위칭 동작을 수행하도록 하여 상단 H-bridge의 출력 값이 하단 H-bridge에 의해 생성되는 기본 전압레벨에 가감되어 PWM 출력전압을 생성하도록 동작시킨다.
제안하는 스위칭 방법은 정현 펄스폭 변조방식(SPWM)에 해당되며, 현재 산업용 멀티레벨 인버터에서 가장 많이 사용되는 기법으로 정현파 형태의 기준 신호와 삼각파 형태의 반송파와 비교하여 스위칭 하는 방식이다. SPWM 방식의 PD, APOD, Bipolar, Unipolar 스위칭 방식에 따라 변형된 스위칭 패턴을 제시하고 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증한다.
제안하는 스위칭 방법은 정현 펄스폭 변조방식(SPWM)에 해당되며, 현재 산업용 멀티레벨 인버터에서 가장 많이 사용되는 기법으로 정현파 형태의 기준 신호와 삼각파 형태의 반송파와 비교하여 스위칭 하는 방식이다. SPWM 방식의 PD, APOD, Bipolar, Unipolar 스위칭 방식에 따라 변형된 스위칭 패턴을 제시하고 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증한다. 마지막으로 PD, APOD 방식의 제안된 스위칭 패턴을 기존 스위칭 방법과 비교하여 각 스위칭 방법에서 제안하는 스위칭 패턴이 효율 개선에 보다 우수한 특성을 가짐을 실험을 통해 증명한다.
본 절에서는 2.1절에 설명된 5레벨 출력전압 생성이 가능한 CHML 인버터의 스위칭 방법 중 SPWM 스위칭 방법에 기반을 둔 기존의 PD 스위칭 방법에 대해 설명하고 제안하는 스위칭 방법을 PD, APOD, Unipolar, Bipolar 방법에 따라 제시한다 [12],[13].
제안하는 스위칭 패턴은 APOD, Bipolar, Unipolar 방식에 의해서도 구현이 가능하다. 그림 4와 그림 5는 제안하는 스위칭 패턴을 APOD, Bipolar, Unipolar 방식으로 구현한 파형을 보여준다.
기존의 스위칭 패턴과 제안하는 방식의 비교를 위해 기존 PD 스위칭 패턴과 제안하는 스위칭 패턴의 PD, APOD, Bipolar, Unipolar 방법에 대한 PSIM 시뮬레이션 결과를 제시한다. 독립된 입력전원을 갖는 두 대의 인버터 모듈을 사용하고 순수 저항만을 부하로 고려한다.
제안하는 스위칭 패턴의 실질적인 효율개선 효과를 검증하기 위해 시작품을 제작하고 실험을 수행한다. 실험에서 H-bridge 모듈의 독립 입력전압은 배터리 직렬연결을 이용하여 각각 DC 72[V]로 구성하며 AC 110[V], 60[Hz] 출력전압을 생성하도록 설계하였다.
제안하는 스위칭 패턴의 실질적인 효율개선 효과를 검증하기 위해 시작품을 제작하고 실험을 수행한다. 실험에서 H-bridge 모듈의 독립 입력전압은 배터리 직렬연결을 이용하여 각각 DC 72[V]로 구성하며 AC 110[V], 60[Hz] 출력전압을 생성하도록 설계하였다. 각 H-bridge 모듈의 스위칭 소자는 Power MOSFET IRF360PBA를 사용하며, ATMEL사의 AT90CAN128을 기반으로 한 제어기를 구성하여 20[kHz]의 PWM 스위칭 패턴을 생성한다.
시뮬레이션 결과로부터 Bipolar와 Unipolar 방식은 하나의 반송파를 이용하기 때문에 PWM 펄스폭이 선형적으로 증가하게 되어 레벨의 천이구간에 THD가 악화되는 문제가 발생됨을 확인하였다. 따라서 실험에서는 PD, APOD 방법에 대해서만 기존 스위칭 패턴과 제안하는 스위칭 패턴을 비교한다. 각각의 스위칭 방법에 따라 200[W]급에서 1[kW]급까지의 부하 조건에서 실험을 수행한다.
본 논문에서는 두 개의 H-Bridge 모듈을 가지는 Cascaded H-bridge PWM 멀티레벨 인버터의 스위칭 손실 저감을 위해 SPWM 기반의 효율적인 스위칭 패턴을 제안하였다. 제안하는 스위칭 패턴은 하단의 인버터 모듈의 스위치는 기본 출력 전압 레벨을 형성하도록 저주파의 스위칭을 하였으며 상단의 인버터 모듈의 스위치는 고주파 스위칭을 하여 하단의 저주파 기본 출력에 가감하여 출력 전압을 생성하도록 구성하였다. 이는 입력 전원에서 부하로 전달되는 전력이 전압 파형의 면적에 비례하므로 대부분의 부하전력이 하단 H-bridge 모듈을 통해서 부하로 전달되도록 스위칭 패턴을 변형함으로써 효율 개선의 효과를 얻을 수 있는 원리이다.

대상 데이터

본 논문에서는 정현 펄스폭 변조방식(SPWM)을 통해 제어되는 Cascaded H-bridge PWM 멀티레벨인버터의 스위칭 손실을 저감시켜 인버터 효율을 개선시킬 수 있는 스위칭 패턴을 제안한다. 두 대의 동일한 H-bridge 모듈의 다단 결합으로 5레벨의 출력전압을 생성할 수 있는 CHML 인버터를 대상으로 한다. 기존 PWM 방법의 경우, H-bridge의 상단과 하단의 모든 스위치들이 PWM 파형 생성을 위해 고주파 스위칭을 수행하게 된다.
본 논문에서 제안하는 스위칭 패턴은 CHML 인버터 중 그림 1과 같이 출력전압에 5레벨을 형성할 수 있는 두 개의 H-bridge 모듈을 가지는 회로 구조를 대상으로 한다.

성능/효과

SPWM 방식의 PD, APOD, Bipolar, Unipolar 스위칭 방식에 따라 변형된 스위칭 패턴을 제시하고 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증한다. 마지막으로 PD, APOD 방식의 제안된 스위칭 패턴을 기존 스위칭 방법과 비교하여 각 스위칭 방법에서 제안하는 스위칭 패턴이 효율 개선에 보다 우수한 특성을 가짐을 실험을 통해 증명한다.
각 H-bridge 모듈의 스위칭 소자는 Power MOSFET IRF360PBA를 사용하며, ATMEL사의 AT90CAN128을 기반으로 한 제어기를 구성하여 20[kHz]의 PWM 스위칭 패턴을 생성한다. 시뮬레이션 결과로부터 Bipolar와 Unipolar 방식은 하나의 반송파를 이용하기 때문에 PWM 펄스폭이 선형적으로 증가하게 되어 레벨의 천이구간에 THD가 악화되는 문제가 발생됨을 확인하였다. 따라서 실험에서는 PD, APOD 방법에 대해서만 기존 스위칭 패턴과 제안하는 스위칭 패턴을 비교한다.
그림 9는 기존의 PD, APOD 스위칭 패턴과 제안하는 PD, APOD 스위칭 패턴의 출력전압에 대한 FFT 결과를 보여준다. 결과적으로 4개의 조건에 대한 FFT 결과가 약 40[dBm]의 변동 범위 내의 거의 동일한 결과를 보여주는데 이는 스위칭 패턴 생성 방법과 크게 상관없이 최종 출력전압의 파형은 거의 동일하게 생성되기 때문이다.
그림 10은 부하 상태에 따른 각 스위칭 패턴의 효율을 비교한다. 그림 10(a)는 PD 스위칭 패턴에 대한 비교 결과로 전 부하영역에서 제안하는 스위칭 패턴이 효율 개선 효과가 있음을 보여준다. 400[W]에서 최대 3.
그림 10(a)는 PD 스위칭 패턴에 대한 비교 결과로 전 부하영역에서 제안하는 스위칭 패턴이 효율 개선 효과가 있음을 보여준다. 400[W]에서 최대 3.93[%]의 효율 개선 효과가 있으며, 900[W]에서 최소 0.14[%]의 효율 개선 효과가 계측되어 평균 1.84[%]의 효율 개선 효과를 확인하였다. 그림 10(b)는 APOD 스위칭 패턴에 대한 비교 결과로 PD 스위칭 패턴과 같이 전 부하영역에서 제안하는 스위칭 패턴이 효율 개선 효과가 있음을 보여준다.
그림 10(b)는 APOD 스위칭 패턴에 대한 비교 결과로 PD 스위칭 패턴과 같이 전 부하영역에서 제안하는 스위칭 패턴이 효율 개선 효과가 있음을 보여준다. 400[W]에서 최대 3.89[%], 1[kW]에서 최소 1.21[%]의 효율 개선 효과가 계측되어 평균 2.65[%]의 효율 개선 효과를 확인할 수 있다. 그림 10의 그래프에서 알 수 있듯이 부하량이 증가할수록 기존 방식과 제안하는 방식의 효율이 비슷해지는 결과를 보인다.
이는 입력 전원에서 부하로 전달되는 전력이 전압 파형의 면적에 비례하므로 대부분의 부하전력이 하단 H-bridge 모듈을 통해서 부하로 전달되도록 스위칭 패턴을 변형함으로써 효율 개선의 효과를 얻을 수 있는 원리이다. 제안하는 스위칭 방법의 타당성을 검증하기 위해 PD, APOD, Unipolar, Bipolar 스위칭 방법에 대한 기본적인 시뮬레이션을 수행하였고, 실험을 통해 제안하는 스위칭 방법이 기존의 PD 스위칭 방법에 비해 400[W] 부하 조건에서 최대 3.93[%], APOD 방식은 최대 3.89[%]의 효율 개선 효과가 있음을 확인하였다.

참고문헌 (13)

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H. Abu-Rub, J. Holtz, J. Rodriguez, and Ge Baoming, "Medium-Voltage Multilevel Converters State of the Art, Challenges, and Requirements in Industrial Applications," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 57, no. 8, pp. 2581-2596, Aug. 2010.

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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, Aug. 2002.

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원문보기 상세보기
Choi Won-Kyun, Kwon Cheol-Soon, Hong Un-Taek, Kang Feel-Soon, "Multilevel Inverter using Two 5-level Inverters Connected in Series", The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 15, no. 5, pp.376-380, 2010.

원문보기 상세보기
Sun Pil Kim, Bo Chang Jung, Feel-soon Kang, "iconManInfoEfficient switching pattern for cascaded H-bridge multilevel inverter", KIEE Annual Conference, pp. 1167-1168, July 2011
Y. Liu, H. Hong, and A. Q. Huang, "Real-time calculation of switching angles minimizing THD for multilevel inverters with step modulation," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 2, pp. 285-293, Feb. 2009.

상세보기
J. Sun, S. Beineke, and H. Grotstollen, "Optimal PWM based on realtime solution of harmonic elimination equations," IEEE Trans. Power Electron., vol. 11, no. 4, pp. 612-621, Jul. 1996.

상세보기
B. Velaerts, and P. Mathys, "Study of 2 and 3-level precalculated Modulations," in Proc. EPE'91 Conf., vol. 3, pp. 228-234.
N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics; Converters, Applications, and Design, 2nd Edition, JOHN WILEY & SONS, INC. pp. 202-218, 1995.

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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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