지능형전력변환실험실( IPCL ) Intelligent Power Conversion...

지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL )IntelligentPowerConversionLaboratory

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6-1. 서 론6-2. 인버터의 특성과 성능지수6-3. 단상 하프브리지 인버터6-4. 단상 풀브리지 인버터


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서 론서 론

§ 인버터의 기능: DC ⇒ AC 전력변환기

Diode 정류기BatteryFuel cellsSolar cells신재생에너지원

50/60 Hz400HzCVCF (Constant Voltage Constant Frequency)VVVF (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


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전압원 인버터와 전류원 인버터전압원 인버터와 전류원 인버터

§ 전압원 인버터: VDC → (VSI) → vo (AC)→ (Z) → io → (VSI) → iDC

§ Industry standard inverter

§ 전류원 인버터: IDC → (CSI) → io (AC)→ (Z) → vo → (CSI) → vDC

§ 대용량 motor driver (Thyristor 사용)§ 전압원 인버터로 대체되고 있음

§ 직류(DC) 입력전원의 성질에 따른 인버터 분류

• 전압원 인버터( Voltage Source Inverter: VSI )• 전류원 인버터( Current Source Inverter: CSI )

Zvi o

o =Ziv oo =


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단상 인버터 출력전압단상 인버터 출력전압

•출력 상전압 : vo

= 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


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3상 인버터 출력전압3상 인버터 출력전압

§ 인버터를 제어한다는 것은 교류 출력전압에서 다음 중 하나 이상을 제어한다는 것을 말한다.

• 기본파의 크기• 기본파의 주파수, 위상• 고조파 성분

모터 부하의 경우 V/f = f = const. 로 제어한다.

§ 3상 인버터의 출력전압 파형

•출력 상전압: (vao , vbo , vco )

•부하 상전압: (van , vbn , vcn )

•출력 선간전압: (vab , vbc , vca )

n 점: Y 결선된 3상부하의 중성점


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인버터 (전력) 용량 SI인버터 (전력) 용량 SI

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

1 1I o oS V I= ×

1 1

11

1 1

3

33

3

I an a

aba

ab a

S V IV I

V I

= ×

= × ×

= ×


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6-2 단상 하프브리지 인버터6-2 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


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단상 하프브리지 인버터: 동작원리단상 하프브리지 인버터: 동작원리

0

( )2

( b )2

DCa

DCa

V S av

V S

ìïï= íï -ïî

가 접점에위치

가 접점에위치

§ 기능 :

§ 동작원리 :

이상적인 양방향 스위치

pole or leg or arm

§ 단상 half bridge 인버터 = single pole

§ vco : pole voltage : è vo22DCDC VorV

-


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출력전압 파형출력전압 파형

§ 2레벨 출력파형 :

ü a접점과 b접점 사이를 훨씬 빈번하게 스위칭 함으로써 고조파가 적게포함되어 정현파에 더욱 가까운 출력전압 파형을 생성할 수 있다.

구형파 출력 PWM 출력 à 고조파가 적다


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출력전압 파형출력전압 파형

§ PWM 출력파형 :


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입출력 특성: 출력전압입출력 특성: 출력전압

§ 출력전압 (Real implementation)

0 1 22 2DC DC

HB DCV Vv S S S Væ ö æ ö= + - =ç ÷ ç ÷

è ø è ø

( )1 2 1 21 1 12 2 2HBS S S S S= - = - = - 1 1,

2 2HBSì üÎ -í ýî þ

§ 단상하프브리지 인버터의 스위칭 함수 SHB

ü 스위칭 함수 SHB는 단상 하프브리지 인버터의 동작을 완전히 기술한다.

S1과 S2는 complementary switching 한다. 즉,

S1, S2가 동시에 turn-on 하면 ?

-

= 12 SS


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입출력 특성: 입력전류입출력 특성: 입력전류

§ 입력전류 :

1 1 0si S i=

2 2 0( )si S i= -

01 0 2s HB

ii S i= +

02 0 2s HB

ii S i= -

§ 인버터의 전류파형 예 (L부하)

vo = 기본파 + 고조파io = 기본파 + 고조파Inductor L : low pass filter for io


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단일 폴의 회로구성단일 폴의 회로구성

• ON시 스위치 S1 , S2 에 흐르는 전류의 방향은 부하특성에 따라 정해진다.

⇒ 양방향 전류특성• OFF시 스위치 S1 , S2 에 걸리는 전압의 방향은 부하와 무관하며, ON되어 있는다른 쪽의 스위치로 인하여 VDC의 전압이 인가된다. ⇒ 단방향 전압저지특성


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스위치 특성의 조합스위치 특성의 조합

S1, S2 : VDC 가 항상 positive이므로 vs > 0전류 is1, is2는 positive, negative 값을 가진다.

à 순방향 전압 저지, 양방향 전류 특성à BJT + antiparallel diode, IGBT + antiparallel diode


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단상 하프브리지 인버터의 회로구성단상 하프브리지 인버터의 회로구성

iQ1

+_VDC2

O

VDC2

부하 io

is1

is2

+_

iQ2

iD1

iD2

iB1

iB2

Q1

Q2

D1

D2

vo +_

Q1 Q2 제어가능성 vo

ON ON 불가(KVL위배) -

ON OFF 가능 VDC / 2

OFF ON 가능 -VDC / 2

OFF OFF 가능 VDC / 2 (단, io <0) -VDC / 2 (단, io >0)

0 (단, io =0)

Arm short,Shoot through

Q1, Q2 : complementary switching


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정적특성 : 4가지 동작모드정적특성 : 4가지 동작모드

ü 동작모드는 Q1, Q2, D1, D2 가운데 어느 소자로 부하전류가 흐르는가에 따라 정해진다.

• 전력공급모드:모드 1, 3• 회생모드: 모드 2, 4

On 되어 있는BJT

àQ1 off

àQ2 off

VH à Q1 à Ioà VHvo>0, io>0Powering mode from VH

VL à D2 à Io à VLvo<0, io>0Regeneration(회생) mode from VL

VL à Io à Q2à VLvo<0, io<0Powering mode from VL

VH à Io à D1 à VHvo>0, io<0Regeneration(회생) mode from VH

Q2의 on/off에 무관함

Q1의 on/off에 무관함


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

Switch를 td 만큼 turn-on delay 하여 short circuit을 방지한다.

Dead time (blanking time) 발생

td : dead time,blanking time

Short circuit 방지

Short circuit발생가능성

iQ1

+_VDC2

O

VDC2

부하 io

is1

is2

+_

iQ2

iD1

iD2

iB1

iB2

Q1

Q2

D1

D2

vo +_

H : onL : off


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Dead Time(Blanking Time) : 출력전류의 전환 과정에서 한 폴의 모든 스위치가 OFF 상태에 머무는 시간.전류 극성에 따라 다이오드로 잔류가 흐른다.

[1]io>0, VH à VL로switching

Q1 on, Q2 off Q1 off, Q2 off Q1 off, Q2 on

Deadtime interval

VL VLVH

출력전압변화없음

[2]Io<0, VH à VL로switching

Q1 on, Q2 off Q1 off, Q2 off Q1 off, Q2 on

VLVHVH

+VDC, td 만큼전압더해짐


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[1] [3] : Active switch로 전류 흐르던 중 commutation à 출력전압 변화 없음[2] [4] : Diode로 전류 흐르던 중 commutation à 출력전압 왜곡 발생 à 전류 왜곡, THD 증가, 토그 맥동

[3]Io<0, VL à VH로switching

Q1 off, Q2 on Q1 off, Q2 off Q1 on, Q2 off

Deadtime interval

VH

출력전압변화없음

VLVH

[4]io>0, VL à VH로switching

Q1 off, Q2 on Q1 off, Q2 off Q1 on, Q2 off

VH

-VDC, td 만큼전압부족

VLVH


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출력전압의 제어: 구형파 제어출력전압의 제어: 구형파 제어

§ 제어특성: 기본파의 크기-제어불가기본파의 주파수-제어가능

고조파 성분-제어불가

50% duty로 on/off

§ 기본 파형 :

11,3,5,

1 2 sin( )2 n

n tS tnw

p

¥

= ×××

= + å

11,3,5,

1 2 sin2HB

n

n tS Sn

wp

¥

= ×××

= - = å

01,3,5,

2 sin( ) DCHB DC

n

V n tv t S Vnw

p

¥

= ×××

= = å


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구형파 제어 (2)구형파 제어 (2)

2 1( ) sin sin(3 ) sin(5 )5

DCo

Vv t t t tw w wp

é ù= + + ×××ê úë û1

( )+3§ 고조파 분석 :

• 홀수 차수의 고조파만 존재

• 주파수별 전압의 크기:

0

0.8

0.6

0.4

0.2

1

1 3 5 7 9 11 13

n

%Vn^

13

1

17

15

� 2 DCn

VVnp

=

�1

2 DCVVp

=

��

�1

1% nnVV

nV= =

2DC

oVV =

121

2DCVV

p= ×

( n차 고조파)

• 정규화된 고조파의 크기:

§ 실효값 :

( 기본파)

( 기본파)

( 출력전압 전체)

pDCV2

-기본파 성분의 크기는 직류전압 VDC에 의해서만 결정되므로 인버터에 의한 제어성이 없다.-출력전압 주파수 w만 제어가능함


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

§ 동작원리

am =

기준파의진폭

반송파의진폭

f

c

m

ff

=

=

반송파의주파수

기준파의주파수

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

vr : reference wave (기준파)-1 < vr < 1, 주파수 f

vc : triangular carrier wave (반송파)-1 < vc < 1, 주파수 fc

Amplitude modulation

Frequency modulation

vr>vc à Q1 on, Q2 off vo=VDC/2vr<vc à Q1 off, Q2 on vo=-VDC/2


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출력전압의 제어: 정현파 PWM 제어출력전압의 제어: 정현파 PWM 제어

§ 제어 특성 : 기본파의 크기 – 제어가능기본파의 주파수 – 제어가능고조파의 크기 – 반송파 주파수를 증가시키면 효과 억제됨

§ 고조파 성분 예

��

�1

1% nnVV

nV= =

�1

2 DCVVp

=

0.8 x 0.785=0.628

785.042

2 ==p

pDC

DC

V

V


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정현파 PWM 제어: 기본파 성분정현파 PWM 제어: 기본파 성분

§ 스위칭 주기 Ts 동안 출력전압의 구간평균값 (기준파 vr = const.)

2 22 2

( )

SAV o T

DC DCH L

S

DCH L

S

v v

V Vt t

TV t tT

= á ñ

æ ö æ ö´ + ´ -ç ÷ ç ÷è ø è ø=

= -

1 1r r

H L

v vt t+ -

=

2s

H LTt t+ =

( , 1 1 )2DC

AV r rVv v v= × - £ £단

2

)()1()1(

sr

LHrLH

rrrH

Tv

ttvttvtvt

=

+=-+=-


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

sin ( , 0 1 )r a av m t mw= £ £단

§ 기준파 vr 이 정현파일 때 출력전압의 기본파 성분

• 정현파 PWM 제어에서 기본파 성분은 (mf > 21)

• 출력전압 기본파의 크기는 ma에 비례하고, 주파수는 기준파의 주파수와 같다.• 선형변조시 출력전압 기본파의 최대치는 ma=1일 때 VDC/2 이다.• 정현파 PWM 제어로 얻을 수 있는 출력전압 기본파의 최대 크기는 구형파 제어되는경우( = 2VDC /p)의 78.5% 에 불과하다.

faDC

AVo vtmVvv === wsin21,

• Ts 스위칭 구간 동안 평균 vAV

rDC

AV vVv2

=

• 선형변조 (Linear modulation) : 0 < ma < 1)

12max1, == aDC

o matVv

785.042

2 ==p

pDC

DC

V

V


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정현파 PWM 제어 고조파 성분정현파 PWM 제어 고조파 성분

h cf Mf Nf= ±

( )( )

h f

f

f M m f NfMm N f

= ±

= ±

fh Mm N= ±

§ 고조파 주파수 :fc : 반송파 (carrier wave) 주파수f : 기준파 주파수

단, M+N=홀수, M, N=정수

§ 예 : mf=15일 때 출력전압에 존재하는고조파 성분의 주파수

h : harmonic order

mf =9

9 99+/- 2 7,119+/- 4 5,12

18 +/- 1 17, 1918 +/- 3 15, 21

27 2727 +/- 2 25, 2927 +/- 4 23, 31


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과변조(overmodulation)과변조(overmodulation)

§ 과변조 (ma > 1) :


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

§ ma 에 따른 기본파 성분의 크기

785.042

2 ==p

pDC

DC

V

V


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

§ 과변조 : ma > 1

§ ma < 1

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