좁은 펄스 탈락과 불연속 전압 변조 방식을 고려한 3레벨 인버터의 출력 전압 합성 및 직류단 전압 균형제어 기법에 관한 연구

Abstract

최근 다양한 산업 분야에서 고효율 인버터 제어에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 인버터의 효율을 높이고자 하는 연구가 증가하고 있다. 3레벨 인버터는 2레벨 인버터와 비교하여 dv/dt가 절반으로 감소하기 때문에 출력 전압 고조파 저감이 가능하며, 높은 효율을 얻을 수 있기에 3레벨 인버터에 대한 요구 및 연구가 증가하고 있다. 2레벨 인버터와 달리 3레벨 인버터는 영 전압 부근 전압 명령에서도 출력 전압의 왜곡이 발생하며 전압 크기가 작은 영 전압 부근에 전압 명령에 대한 출력 전압 왜곡은 상대적으로 크게 나타난다. 또한, 3레벨 인버터에는 중성점 전류가 존재하며 중성점 전류로 인하여 상/하단 직류단 전압 불균형이 발생할 수 있다. 직류단 불균형이 발생하는 경우 출력 전압 고조파가 증가할 수 있고, 불균형이 크게 발생하는 경우 스위칭 소자에 손상이 발생할 수 있다. 3레벨 인버터의 PWM(Pulse Width Modulation)를 위해서는 인버터 비선형성에 대한 고려와 제어 및 중성점 전류에 대한 고려가 필수적이다. 특히, 3레벨 인버터의 효율 극대화를 위해 불연속 전압 변조 방식을 적용하는 경우, 고정된 스위칭으로 인하여 직류단 전압 오차가 증가할 수 있으므로 기존과는 다른 전압 균형제어 기법이 필요하다. 본 논문에서는 3레벨 인버터의 데드 타임에 의한 출력 전압 비선형성에 대해 기술하고, 영 전압 부근 인버터 비선형성을 회피하여 출력 전압을 합성하는 방법에 대해 제안한다. 또한, 3레벨 인버터에 불연속 전압 변조 방식을 적용하는 경우 상/하단 직류단 전압 균형제어기 설계를 위해 중성점 전류와 직류단 전압 오차의 관계를 수식적으로 유도한다. 유도한 결과를 기반으로 불연속 전압 변조 제어각을 일정하게 유지하지 않고 실시간으로 변동시키는 간단한 비례 제어기 구조의 직류단 전압 균형제어기를 제안한다. 제안한 방법을 통해 불연속 전압 변조를 수행하면서 동시에 전압 균형제어가 가능하다. 제안한 방법 유무에 따른 결과를 3.7 kW 유도전동기와 3레벨 TNPC 인버터에 대한 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증했다.