저전압 멀티레벨 인버터 성능향상 기법

국문 초록 (Abstract)

NPC 인버터, 플라잉 커패시터 인버터, 캐스케이드 H-브리지 인버터와 같은 일반적인 멀티레벨 인버터는 출력 전압을 항상 두 개의 반도체 스위치를 통하여 결정하기 때문에 스위칭 손실은 절반으로 줄어들지만 도통 손실은 두 배로 늘어나 저전압 응용분야에 적용하는 것은 적합하지 않다. 이러한 3레벨 인버터가 가지는 특징을 극복하고 저전압 응용분야에도 3레벨 인버터를 적용하기 위해서 제안된 것이 3LTI이다.
하지만 3LTI는 스위칭 주파수와 ma에 따라 2레벨 인버터에 비하여 효율이 높은 영역과 낮은 영역이 함께 존재한다. 또한 3LTI는 하드웨어 구조적으로 DC Link 전압 밸런싱 문제가 발생할 수 있기 때문에 신뢰도가 저하된다. 따라서 에어컨, 냉장고, 세탁기와 같은 저전압, 경부하 가전제품에 2레벨 인버터를 대신하여 3LTI를 적용하기 위해서는 부하의 전체 사용영역에서 효율 향상 방법과 DC Link 전압 밸런싱을 안정적으로 유지하기 위한 방법이 필수적이다.
따라서 본 논문에서는 3LTI의 효율 및 신뢰도 향상을 위해서 3LTI의 최적 효율 동작 방법과 DC Link 전압 밸런싱 방법에 대하여 연구하였다. 이를 위해 3LTI의 가장 큰 특징인 스위칭 주파수와 ma에 따른 스위칭 사용율 변화를 수식적으로 예측 하였으며, 3LTI의 효율 예측 방법을 설명하고 예측 결과를 2레벨 인버터의 효율 예측 결과와 비교하였다. 또한 3LTI의 DC Link 전압 밸런싱 문제가 발생하는 원인을 회로 구조를 통하여 분석하였다. 이러한 분석 결과를 통하여 3LTI의 최대 효율 운전 방법과 DC Link 전압 밸런싱 향상 방법을 제안하였으며, 1kW급 Prototype 을 제작하고 실험을 통해 제안한 방법의 타당성을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 멀티레벨 인버터의 일반적인 특성 5
• 1.2.1 멀티레벨 인버터의 입출력 특성 5
• 1.2.2 멀티레벨 인버터의 전압변조 기법 12
• 1.3 연구 동향 17
• 1.4 연구 목적 및 방법 21
• 1.5 논문의 구성 22
• 제2장 3레벨 NPC 인버터 23
• 2.1 NPC 인버터 특성 23
• 2.2 NPC 인버터 손실 29
• 제3장 3레벨 T-type 인버터 41
• 3.1 3레벨 T-type 인버터의 특성 41
• 3.2 3레벨 T-type 인버터의 동작 구분 45
• 3.3 3레벨 T-type 인버터의 전류 Commutation 50
• 3.4 3레벨 T-type 인버터의 스위치 사용률 62
• 3.5 3레벨 T-type 인버터의 손실 예측 방법 74
• 제4장 3레벨 T-type 인버터의 DC Link 전압 밸런싱 82
• 4.1 DC Link 전압 밸런싱 문제 발생 원인 82
• 4.2 한 레그에서의 DC Link 전압 밸런싱 87
• 4.3 두 레그에서 발생하는 DC Link 전압 밸런싱 93
• 제5장 3레벨 T-type 인버터의 성능 향상 방법 97
• 5.1 3레벨 T-type 인버터의 최적 효율 동작방법 97
• 5.2 3레벨 T-type 인버터의 DC Link 전압 밸런싱 118
• 제6장 3레벨 T-type 인버터 성능 평가 120
• 6.1 3레벨 T-type 인버터 구성 및 테스트 조건 120
• 6.2 3레벨 T-type 인버터 성능 향상 방법 검증 124
• 6.2.1 3레벨 T-type 인버터 최적 효율 동작 방법 검증 124
• 6.2.2 3레벨 T-type 인버터 DC Link 전압 밸런싱 향상 방법 검증 128
• 제7장 결 론 137
• 참 고 문 헌 140

참고문헌 (Reference)

1. 전력전자공학, Hart, Daniel W, 한국맥그로힐, 문운당, , 2011

2. “현대 전력전자공학,”, Trzynadlowski, Andrzej, 한빛미디어, 한빛미디어, , 2011

3. “PWM 멀티레벨 인버터 시스템의 출력필터 설계 및 전도성 EMI 저감에 관한 연구,”, 김수홍, 박사학위논문, 중앙대학교, , 2008

4. “대용량 추진전동기 구동시스템을 위한 H-브리지 멀티레벨 인버터 설계 및 해석,”, 진선호, 박사학위논문, 한국해양대학교, , 2006

5. “멀티레그 멀티레벨 전압형 인버터를 위한 전압변조기법의 일반화에 대한 연구,”, 김장환, 박사학위논문, 서울대학교, , 2006