직병렬 구조를 갖는 스위치드 커패시터 멀티레벨 인버터에 관한 연구

Abstract

최근에 스위칭 소자를 많이 사용하는 전력전자분야에서 전력용 스위칭 소자의 전압 스트레스 감소, 전압변동률의 저감, EMI의 감소로 멀티 레벨 인버터에 관한 연구는 기업체나 연구자의 주요 연구 테마 중 하나이다. 멀티 레벨 인버터 분야에 관한 대표적인 토폴로지는 NPC(Neural Point Clamped), FC(Flying Capacitor), 캐스케이드 H-브리지(Cascaded H-Bridge) 방식의 인버터가 있으며 지속적인 연구개발을 통하여 다양한 토폴로지가 제안되고 있다. 하지만 기존의 멀티 레벨 인버터 구성은 많은 스위칭 소자, 다이오드, 커패시터, 인덕터 등을 사용하기 때문에 인버터 비용의 상승과 제어가 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 직병렬 구조를 갖는 스위치드 커패시터 멀티 레벨 인버터 (Switched Capacitor Multilevel Inverter, SCMI)의 새로운 토폴로지를 제안하였다. 기존의 멀티 레벨 인버터와 마찬가지로 제안 된 SCMI의 기능은 동일하지만 적은 스위칭 소자와 부품을 사용함으로써 시스템의 사이즈를 줄여 가격 경쟁력의 향상, 인버터의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 제안 된 토폴로지에서는 커패시터를 사용함으로써 출력 전압은 변압기를 사용하지 않고 승압이 가능하고 보조 회로를 사용하지 않고 전압 밸런싱 문제를 해결 할 수 있도록 구성하였다. 이러한 제안된 직병렬 구조를 갖는 스위치드 커패시터 멀티레벨 인버터 방식에 관한 이론적 고찰을 통한 분석과 PSIM을 이용한 시뮬레이션 수행과 실험을 통해 입증하고 그 타당성을 검증하고자 하였다.