지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL ) Intelligent Power Conversion Laboratory

6-1. 서 론

6-2. 인버터의 특성과 성능지수

6-3. 단상 하프브리지 인버터

6-4. 단상 풀브리지 인버터

서 론 서 론

§ 인버터의 기능: DC ⇒ AC 전력변환기

Diode 정류기 Battery

Fuel cells Solar cells 신재생에너지원

50/60 Hz 400Hz

CVCF

(Constant Voltage Constant Frequency)

(Variable Voltage Variable Frequency)

Applications -AC motor drive

-Induction heating apparatus

-UPS : Uninterruptable Power Supply -Power factor correction apparatus -Var compensator

-Active power filter

-PWM (Pulse Width Modulation) inverter

-신재생에너지 계통연계형 인버터

전압원 인버터와 전류원 인버터 전압원 인버터와 전류원 인버터

§ ^{전압원 인버터:}

^{→ (VSI) →}

^(AC) § 전류원 인버터:

→ (CSI) →

(AC)

§ 직류(DC) 입력전원의 성질에 따른 인버터 분류

• 전압원 인버터( Voltage Source Inverter: VSI )

• 전류원 인버터( Current Source Inverter: CSI )

단상 인버터 출력전압 단상 인버터 출력전압

•출력 상전압 :

= 부하 상전압

= 출력 선간전압

§ 교류(AC)출력의 상수에 따른 인버터 분류

1) 단상 인버터( Single-phase Inverter ) 2) 다상 인버터( Multiple-phase Inverter )

§ 단상 인버터의 출력전압 파형

3상 인버터 출력전압 3상 인버터 출력전압

§ 3상 인버터의 출력전압 파형

•출력 상전압: (

)

•부하 상전압: (

)

•출력 선간전압: (

)

인버터 (전력) 용량 S _I 인버터 (전력) 용량 S _I

§ 인버터의 용량은 인버터가 부하에 공급하는 출력전압, 전류 기본파의 피상전력으로 정의한다.

1 1

I o o

S = V × I

1 1

1 1

1 1

3 3 3

3

I an a

ab a

ab a

S V I

V I

V I

= ×

= × ×

= ×

6-2 단상 하프브리지 인버터 6-2 단상 하프브리지 인버터

• 6-2-1. 동작원리

• 6-2-2. 입출력 특성

• 6-2-3. 회로구성 및 동작

• 6-2-4. 출력전압의 제어

• 6-2-5. 출력전류의 제어

단상 하프브리지 인버터: 동작원리 단상 하프브리지 인버터: 동작원리

0

( )

2

( b )

2

DC

a

DC

a

V S a

v V

S ì

ï ï

= í ï - ï î

가 접점에 위치 가 접점에 위치

§ 기능 :

§ 동작원리 :

이상적인 양방향 스위치

pole or leg or arm

§ 단상 half bridge 인버터 = single pole

§ v

: pole voltage : è v

DC

DC V

V or

-

출력전압 파형 출력전압 파형

§ 2레벨 출력파형 :

ü

접점과

접점 사이를 훨씬 빈번하게 스위칭 함으로써 고조파가 적게 포함되어 정현파에 더욱 가까운 출력전압 파형을 생성할 수 있다.

구형파 출력 PWM 출력 à 고조파가 적다

출력전압 파형 출력전압 파형

§ PWM 출력파형 :

입출력 특성: 출력전압 입출력 특성: 출력전압

§ 출력전압 (Real implementation)

0 1 2

2 2

DC DC

HB DC

V V

v S æ ö S æ ö S V

= ç ÷ + ç - ÷ =

è ø è ø

§ 단상하프브리지 인버터의 스위칭 함수 S

S

과 S

는 complementary switching 한다. 즉,

S

, S

가

-

= ₁

2 S

S

입출력 특성: 입력전류 입출력 특성: 입력전류

§ 입력전류 :

1 1 0

i

= S i

2 2

(

)

i

= S - i

0

1 0

s HB

2 i = S i + i

0

2 0

s HB

2 i = S i - i

§ 인버터의 전류파형 예 ( L 부하)

v

= 기본파 + 고조파 i

= 기본파 + 고조파

Inductor L : low pass filter for i

단일 폴의 회로구성 단일 폴의 회로구성

•

ON시 스위치

,

에 흐르는 전류의 방향은 부하특성에 따라 정해진다.

⇒ 양방향 전류특성

• OFF시 스위치

,

에 걸리는 전압의 방향은 부하와 무관하며, ON되어 있는

스위치 특성의 조합 스위치 특성의 조합

S

, S

: V

가 항상 positive이므로 v

> 0

전류 i

, i

는 positive, negative 값을 가진다.

à 순방향 전압 저지, 양방향 전류 특성

à BJT + antiparallel diode, IGBT + antiparallel diode

단상 하프브리지 인버터의 회로구성 단상 하프브리지 인버터의 회로구성

i_Q1 +_

V_DC 2

O V_DC

2

부하 i_o i_s1

i_s2 +_

i_Q2

i_D1

i_D2 i_B1

i_B2

Q₁

Q₂

D₁

D₂ v_o +

_

Q₁ Q₂

제어가능성

ON ON

-

ON OFF 가능

/ 2

Arm short, Shoot through

Q

, Q

:

complementary

switching

정적특성 : 4가지 동작모드 정적특성 : 4가지 동작모드

ü 동작모드는

,

,

,

가운데 어느 소자로 부하전류가 흐르는가에 따라 정해진다.

• 전력공급모드:모드 1, 3

• 회생모드: 모드 2, 4

à Q

off

à Q

off V

à Q

à I

à V

v

>0, i

>0 Powering mode from V

V

à D

à I

à V

v

<0, i

>0

Regeneration(회생) mode from V

V

à I

à Q

à V

v

<0, i

<0 Powering mode from V

V

à I

à D

à V

v

>0, i

<0

Regeneration(회생) mode from V

Q₂의 on/off에 무관함

Q₁의 on/off에 무관함

동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation) 동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)

Dead time (blanking time) 발생

Short circuit 방지 Short circuit

발생가능성

i_Q1 +_

V_DC 2

O V_DC

2

부하 i_o i_s1

i_s2 +_

i_Q2

i_D1

i_D2 i_B1

i_B2

Q₁

Q₂

D₁

D₂ v_o +

_

H : on

L : off

동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation) 동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)

Dead Time(Blanking Time) : 출력전류의 전환 과정에서 한 폴의 모든 스위치가 OFF 상태에 머무는 시간.

전류 극성에 따라 다이오드로 잔류가 흐른다.

[1]

i

>0, V

à V

로 switching

Q

on, Q

off

Q

off, Q

on

V_L V_L

V_H

출력전압 변화없음

[2]

I

<0, V

à V

로 switching

Q

on, Q

off

Q

off, Q

on

V_L V_H

V_H

+V_DC, t_d 만큼 전압더해짐

동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation) 동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)

[3]

I

<0, V

à V

로 switching

Q

off, Q

on

Q

on, Q

off

V_H

출력전압 변화없음

V_L V_H

[4]

i

>0, V

à V

로

switching

출력전압의 제어: 구형파 제어 출력전압의 제어: 구형파 제어

§ 제어특성: 기본파의 크기-제어불가 기본파의 주파수-제어가능 고조파 성분-제어불가 50% duty로 on/off

§ 기본 파형 :

1

1,3,5,

1 2 sin

( ) 2

S t n t

n w p

¥

= ×××

= + å

1

1,3,5,

1 2 sin

HB

2

n

S S n t

n w p

¥

= ×××

= - = å

0

1,3,5,

2 sin

( )

n

V n t

v t S V

n w p

¥

= ×××

= = å

구형파 제어 (2) 구형파 제어 (2)

2 1

( ) sin sin(3 ) sin(5 ) 5

DC o

v t V w t w t w t

p

é ù

= ê + + ××× ú

ë û

( )+ 1

§ 고조파 분석 : 3

• 주파수별 전압의 크기:

0 0.8 0.6 0.4 0.2 1

1 3 5 7 9 11 13

n

%V^_n

1 3 1

1 7 1

5

� 2

n

V V

n p

=

�

1

2 V

V ⁼ p

� �

�

1

%

1 V V

V n

= =

2

DC o

V = V

(

차 고조파)

• 정규화된 고조파의 크기:

§ 실효값 :

( 기본파)

( 출력전압 전체)

VDC

2

출력전압 제어: 정현파(Sinusoidal) PWM 제어 출력전압 제어: 정현파(Sinusoidal) PWM 제어

§ 동작원리

m =a 기준파의 진폭 반송파의 진폭

f

c

m f

f

=

=

반송파의 주파수 기준파의 주파수

ü 반송파의 한주기 동안 스위칭이 두 번 발생하므로 인버터의 스위칭 주파수는 반송파 주파수와 같다.

-순시적으로 출력전압의 기본파 성분 크기와 주파수 제어 -스위칭 주파수를 높여서 저자 고조파 제거

v

: reference wave (기준파) -1 < v

< 1, 주파수 f

v

: triangular carrier wave (반송파) -1 < v

< 1, 주파수 f

Amplitude modulation

Frequency modulation

v

>v

à Q

on, Q

off v

=V

/2

v

<v

à Q

off, Q

on v

=-V

/2

출력전압의 제어: 정현파 PWM 제어 출력전압의 제어: 정현파 PWM 제어

§ 제어 특성 : 기본파의 크기 – 제어가능 기본파의 주파수 – 제어가능

고조파의 크기 – 반송파 주파수를 증가시키면 효과 억제됨

§ ^{고조파 성분 예}

� �

�1

% n ⁿ 1 V V

V n

= =

2V

0.8 x 0.785

=0.628

785 . 4 0 2

2 = p =

DCp

DC

V V

정현파 PWM 제어: 기본파 성분 정현파 PWM 제어: 기본파 성분

§ 스위칭 주기

동안 출력전압의 구간평균값 (기준파

= const.)

2 2

2 2

( )

AV o TS

DC DC

H L

S

DC

H L

S

v v

V V

t t

T

V t t

T

= á ñ

æ ö æ ö

´ ç ÷ + ´ - ç ÷

è ø è ø

=

= -

1 1

r r

H L

v v

t t

+ -

=

2

s

H L

t + t = T

( , 1 1 )

2

DC

AV r r

v = V × v 단 - £ v £

2

) (

) 1 ( ) 1 (

s r

L H r L H

r r r H

v T

t t v t t

v t v t

=

+

= -

+

= -

정현파 PWM 제어: 기본파 성분 (2) 정현파 PWM 제어: 기본파 성분 (2)

sin ( , 0 1 )

r a a

v = m w t 단 £ m £

§ 기준파

v

이 정현파일 때 출력전압의 기본파 성분

•

정현파 PWM 제어에서 기본파 성분은 (

> 21)

• 출력전압 기본파의 크기는

에 비례하고, 주파수는 기준파의 주파수와 같다.

• 선형변조시 출력전압 기본파의 최대치는

=1일 때

/2 이다.

• 정현파 PWM 제어로 얻을 수 있는 출력전압 기본파의 최대 크기는 구형파 제어되는

f a

DC AV

o V m t v

v

v = = sinw =

1 2

,

•

T

스위칭 구간 동안 평균 v

r DC

AV V v

v = 2

•

선형변조 (Linear modulation) : 0 < m

< 1)

max 1

, = ^DC _a =

o V at m

v

정현파 PWM 제어 고조파 성분 정현파 PWM 제어 고조파 성분

h c

f = Mf ± Nf

( )

( )

h f

f

f M m f Nf Mm N f

= ±

= ±

h = Mm

± N

§ ^{고조파 주파수 :}

f_c

: 반송파 (carrier wave) 주파수

: 기준파 주파수

단,

,

=정수

§ ^{예 :}

=15일 때 출력전압에 존재하는 고조파 성분의 주파수

h

: harmonic order

m_f

=9

9 9 9+/- 2 7,11 9+/- 4 5,12

18 +/- 1 17, 19 18 +/- 3 15, 21

27 27

27 +/- 2 25, 29

27 +/- 4 23, 31

과변조(overmodulation) 과변조(overmodulation)

§ 과변조 (

m

> 1) :

과변조(overmodulation) (2) 과변조(overmodulation) (2)

§ m

에 따른 기본파 성분의 크기

785 . 4 0 2

2 = p =

DCp

DC

V V

과변조(overmodulation) (3) 과변조(overmodulation) (3)

§ 과변조 : m

> 1

§ m < 1