3상 3-레벨 컨버터의 누설 전류 저감과 직류전압 밸런싱을 위한 NP전류 제어

Abstract

본 논문은 3상 3-레벨 컨버터에서 누설 전류 저감하면서 직류 입력 전압의 밸런싱을 할 수 있도록 NP(Neutral Point) 전류의 방향 제어가 가능한 PWM 제어 방법을 제안한다. 3상 3-레벨 컨버터 시스템에서 누설전류는 컨버터의 스위칭 작용에 의하여 3상 공통모드 전압이 변동함으로써 발생한다. 먼저 본 논문에서는 컨버터의 공통모드 전압과 누설전류의 관계를 유도하고 공통모드 전압의 주파수를 낮추면 누설전류가 저감될 수 있음을 보인다. 본 논문에서는 공통모드 전압이 모두 같은 6개의 Medium Vector와 1개의 Zero Vector 만을 사용하여 구현하는 PWM 방법을 사용하면 컨버터의 스위칭 작용에도 불구하고 공통모드 전압이 변하지 않음을 보이고, 이러한 아이디어를 구현하기 위한 새로운 캐리어 기반 PWM 방법인 DCMVPWM(double carrier medium vector pulse width modulation)을 제안한다. 본 논문에서 새롭게 제안된 DCMVPWM은 과변조 동작이 가능하며 선형영역에서 과변조 영역으로의 연속적인 천이가 가능하다. 또 DCMVPWM의 전압이득을 SVPWM(space vector pulse width modulation)과 비교하면 선형동작시 SVPWM 했을 때의 86.6 %이며 과변조 동작시 95.5 %가 된다. 제안된 DCMVPWM의 스위칭 주파수는 SVPWM보다 33 % 높은 스위칭 주파수를 갖지만 기존의 SCMVPWM(single carrier medium vector pulse width modulation) 보다는 33 % 낮은 스위칭 주파수를 갖는다. 제안된 캐리어 기반 DCMVPWM의 실제 동작 특성은 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다. 3상 3-레벨 컨버터에서 DCMVPWM은 누설 전류를 완전히 제거 할 수 있지만 NP 전류를 제어할 수 없는 단점이 있다. 여기서 NP 전류를 제어 할 수 없다는 것은 NP를 기준으로 하는 직류 입력 전압의 상단 전압과 하단 전압의 밸런싱을 할 수 없다는 것을 의미한다. 본 논문에서는 NP 전류의 제어가 가능하고 누설 전류를 최소화 할 수 있는 새로운 캐리어 기반 PWM 방법인 LFCPWM(low frequency common mode voltage pulse width modulation) 방법을 제안한다. LFCPWM의 공통 모드 전압은 크기가 최소이면서 교류 전압의 기본파에 3배의 주파수를 갖는 특성을 보이므로 누설 전류를 최소화 할 수 있다. 만약 출력 상전압의 크기가 2Vdc/3 보다 작은 경우라면 공통 모드 전압은 일정하게 유지되어 누설 전류는 발생하지 않는다. 이 동작 원리를 수학적 방법을 통해 서술하였으며, 공간 벡터 기반으로 구성할 때, 계산의 복잡성을 개선하기 위하여 무게중심좌표계를 이용하여 구현할 수 있는 간단한 방법을 제안한다. 마지막으로 제안된 LFCPWM의 유용성을 확인하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 통해 역률과 변조지수에 따른 NP 전류 제어의 타당성을 검증하였고, 누설 전류가 역률에 관계없이 최소화 된다는 점을 밝혔다.