고압 멀티레벨 인버터의 전력 손실 균일화를 위한 스위칭 기법

국문 초록 (Abstract)

최근 산업 현장에서는 수 MW 급의 대용량 고압 인버터가 필수 요구됨에 따라 대용량 고압 인버터의 토폴로지 및 제어 연구가 활발히 진행 중이다. 대용량 고압 인버터는 Medium Voltage 모터를 제어를 목표로 한다. 이는 오작동을 줄이고 안정성을 높이기 위하여 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) 제어를 수행한다. 앞으로의 에너지 효율 개선과 자동화 운전 시장을 고려할 때 향후 고압 인버터 시장은 확대될 것으로 예상한다.
고압 인버터는 전력용 반도체 소자를 직병렬 연결하여 구성하기 때문에 고효율 운전이 요구되는 고압 인버터를 구성하는 전력용 반도체 소자의 동시다발적 제어가 필요하다. 또한 대용량 고압 인버터는 대부분 멀티레벨 인버터의 토폴로지를 사용한다.
본 논문에서는 NPC Cascaded H-bridge 셀을 직렬로 구성한 13-Level Cascaded NPC H-bridge 인버터의 토폴로지를 기준으로 설명한다. 그리고 멀티레벨 인버터에 적용되는 기존의 Level-Shift 방식과 Phase-Shift 방식을 설명하고 인버터 각 셀에서 상이하게 발생하는 손실 및 THD (Total Hormonic Distortion)를 비교 분석한다. 이에 따라서 전체 시스템의 손실은 감소하면서 각 셀에서 발생하는 손실이 균일하도록 스위칭하는 새로운 방식을 제안하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 논문구성 6
• 제2장 멀티레벨 인버터 시스템 7
• 2.1 대용량 구동 방식의 분류 7
• 2.2 2-Level 인버터 및 멀티레벨 인버터 10
• 2.2.1 2-Level 인버터 10
• 2.2.2 3-Level 인버터 및 멀티레벨 인버터 13
• 2.3 멀티레벨 인버터 16
• 제3장 멀티레벨 인버터 스위칭 방식 21
• 3.1 PWM 스위칭 21
• 3.2 Level-Shift 방식 및 Phase-Shift 방식 30
• 3.2.1 Level-Shift 방식 33
• 3.2.2 Phase-Shift 방식 37
• 제4장 멀티레벨 인버터 손실분석 43
• 4.1 스위치 손실 43
• 4.1.1 스위칭 손실 44
• 4.1.2 도통손실 48
• 4.2 제안하는 온도에 따른 손실을 고려한 스위칭 방식 50
• 제5장 시뮬레이션 59
• 5.1 시뮬레이션 배경 59
• 5.2 시뮬레이션 결과 61
• 5.2.1 Level-Shift 방식의 시뮬레이션 결과 61
• 5.2.2 Phase-Shift 방식의 시뮬레이션 결과 69
• 5.2.3 제안하는 방식의 시뮬레이션 결과 77
• 제6장 하드웨어 구성 및 실험 86
• 6.1 제어보드 87
• 6.1.1 ePWM(Enhanced Pulse Width Modulation) 88
• 6.1.2 GPIO(General Purpose Input/Output) 90
• 6.1.3 eCAN(Enhanced Controller Area Network) 91
• 6.2 전력 손실 균일화를 위한 스위칭 방식의 실험 결과 93
• 6.2.1 Phase-Shift 방식의 실험 결과 93
• 6.2.2 Level-Shift 방식의 실험 결과 96
• 6.2.3 제안하는 PWM 방식의 실험결과 100
• 제7장 결론 105
• 참고문헌 106
• Abstract 109