[논문]전압 레벨 증가를 위한 Cascaded H-bridge 멀티레벨 인버터 개발

심현우; 이준석; 이교범; 이대봉

[국내논문] 전압 레벨 증가를 위한 Cascaded H-bridge 멀티레벨 인버터 개발
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심현우 (아주대학교) , 이준석 (아주대학교) , 이교범 (아주대학교) , 이대봉 (우진산전)

본 논문은 Cascaded H-bridge 멀티레벨 인버터의 출력 전압 레벨 수의 증가를 위한 모델과 스위칭 기법을 제안한다. 제안하는 모델은 기존의 Cascaded H-bridge 멀티레벨 인버터 구조에서 각 H-bridge 모듈의 출력단에 변압기를 연결하고, 변압기 2차측을 직렬로 연결한 모델이다. 이 구조에서 다수의 변압기의 턴비는 동일하고, 1개의 변압기 턴비만이 다른 턴비를 갖게된다. 따라서 1개의 변압기 턴비를 조절하여 출력전압의 전압 레벨수를 증가시킬 수 있다. 스위칭 방법은 기존에 멀티레벨 인버터에서 주로 사용되는 Level-shifted PWM 방식을 이용하여 간단하게 구현할 수 있다. 제안하는 모델의 검증을 위하여 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 모델의 타당성을 확인한다.

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문제 정의

본 논문에서는 Cascaded H bridge 멀티레벨 인버터의 출력 전압 레벨의 증가를 위한 모델과 스위칭 방법을 제안하였다. 제안한 모델은 기존의 Cascaded H bridge 멀티레벨 인버터의 출력단에 변압기를 연결된 형태로, 기존의 LS PWM방식을 사용하여 높은 출력 전압 레벨을 얻을 수 있다.

제안 방법

제안한 모델에서 원하는 전압레벨을 얻기 위한 스위칭 방식은 기존의 멀티 캐리어 PWM방식 중 Level shifted PWM방식을 기반으로 하여 간단하게 구현할 수 있다^[3]. 제안하는 모델과 스위칭 방식은 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증한다.
제안한 모델과 스위칭 기법의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 입력전원 450V, 스위칭 주파수 10kHz, Main bridge의 턴비는 8:1로 진행하였다.
본 논문에서는 Cascaded H bridge 멀티레벨 인버터의 출력 전압 레벨의 증가를 위한 모델과 스위칭 방법을 제안하였다. 제안한 모델은 기존의 Cascaded H bridge 멀티레벨 인버터의 출력단에 변압기를 연결된 형태로, 기존의 LS PWM방식을 사용하여 높은 출력 전압 레벨을 얻을 수 있다. 제안된 모델의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

데이터처리

제안한 모델과 스위칭 기법의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 입력전원 450V, 스위칭 주파수 10kHz, Main bridge의 턴비는 8:1로 진행하였다.
제안한 모델은 기존의 Cascaded H bridge 멀티레벨 인버터의 출력단에 변압기를 연결된 형태로, 기존의 LS PWM방식을 사용하여 높은 출력 전압 레벨을 얻을 수 있다. 제안된 모델의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

이론/모형

다수의 반송파를 이용한 정현 펄스폭 변조 방식인 Level shifted PWM(LS PWM)방식을 사용하여 제안하는 모델을 구현할 수 있다. 먼저 (N=3, k=2)인 경우 각 전압레벨에 따른 스위칭 상태를 표2와 같이 나타낼 수 있다.
위와같은 경우 Main bridge의 출력전압은 Sub bridge의 2배이기 때문에 스위칭상태를 ‘2’로 나타내었다. 각 전압 레벨과 스위칭 상태에 따라 다수의 반송파를 사용하는 기존의 LS PWM방식을 적용하게 된다. 따라서 Main bridge는 기존의 스위칭 방식과 동일하게 동작한다.

성능/효과

따라서 본 논문에서 제안하는 Cascaded H bridge 멀티레벨인버터 모델은 각 H bridge셀의 출력단에 변압기를 연결한 형태로서, 독립적인 입력전원이 필요하지 않고 한 개의 모듈의 변압기 턴비를 조절해 다수의 전압 레벨을 얻을 수 있다. 제안한 모델에서 원하는 전압레벨을 얻기 위한 스위칭 방식은 기존의 멀티 캐리어 PWM방식 중 Level shifted PWM방식을 기반으로 하여 간단하게 구현할 수 있다^[3].
따라서 본 논문에서 제안하는 Cascaded H bridge 멀티레벨인버터 모델은 각 H bridge셀의 출력단에 변압기를 연결한 형태로서, 독립적인 입력전원이 필요하지 않고 한 개의 모듈의 변압기 턴비를 조절해 다수의 전압 레벨을 얻을 수 있다. 제안한 모델에서 원하는 전압레벨을 얻기 위한 스위칭 방식은 기존의 멀티 캐리어 PWM방식 중 Level shifted PWM방식을 기반으로 하여 간단하게 구현할 수 있다^[3]. 제안하는 모델과 스위칭 방식은 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증한다.
H bridge 모듈 3개를 직렬 연결하고 보조 H bridge의 변압기 턴비가 1/2인 경우로, 기존의 회로는 7레벨의 전압을 얻을 수 있지만, 제안한 방식에서는 11레벨의 전압을 출력하는 것을 볼 수 있다. 또한, 메인 H bridge 의 출력전압은 기존의 Level shifted PWM방식의 출력과 동일한 것을 볼 수 있고, 보조 H bridge의 스위칭을 통해 더 높은 전압레벨을 얻을 수 있다.

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