KR101623239B1 - 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템 - Google Patents

단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고효율은 물론 낮은 지전류를 가질 수 있는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기존 하이브리드 토폴로지에서 Negative에서 하단 스위치 SW3 대신에 상단 스위치 SW2를 스위칭하는 방식을 적용함으로써, 전류가 내부에 돌 때 그라운드 쪽으로 흐르지 않도록 하여 EMI 성능을 개선할 수 있다..

Description

단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템{Hybrid topology system for single-phase photovoltaic inverter}
본 발명은 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고효율은 물론 낮은 지전류를 가질 수 있는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 관한 것이다.
단상 태양광 발전 시스템은 변압기 타입 및 무변압기 타입으로 나눌 수 있다. 무변압기 타입의 경우 부피와 무게를 줄일 수 있고, 생산비용은 낮은 장점이 있으나, 전기적으로 절연이 되어 있지 않기 때문에 안정성과 신뢰성이 변압기형 타입에 비해서 낮다. 따라서 현재 안정성과 신뢰성을 높이는 연구가 많이 진행되고 있으며, 그 일환으로 하이브리드 토폴로지가 제안되고 있다. 하이브리드 토폴로지는 도 1과 같이 풀브릿지 회로를 사용한다. 스위칭은 Positive에서는 제4스위치(SW4)를 On/Off 하고 Negative에서는 제3스위치 (SW3)을 On/Off 한다. 이와 같이 1개의 스위치만을 On/Off 하므로 스위치 손실을 줄일 수 있어 효율이 높은 토폴로지이다.
이러한 하이브리드 토폴로지의 시뮬레이션을 구성하면 도 2와 같으며, EMI(Electro Magnetic Interference) 성능을 확인하기 위해, 그라운드와 전력라인의 전위차를 측정한다. (스위칭은 [표 1]과 같이 하이브리드 토폴로지에 맞게 동작하고 있음을 알 수 있다.)
Figure 112013503524030-pat00009
이를 위해 도 2와 같이 시뮬레이션한 후 그 결과를 측면하면, 도 3과 같이 그라운드와 전력라인의 전위에 고조파 노이즈가 발생하고 있음을 통해 종래의 하이브리드 토폴로지는 EMI 성능이 좋지 않음을 확인할 수 있다.
본 발명은 고효율은 물론 낮은 지전류를 가질 수 있는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
이를 위하여, 본 발명은 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 있어서, 제1, 3스위치로 구성되는 상단 스위칭부와 제2, 4스위치로 구성되는 하단 스위칭부를 포함하는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지; 상기 토폴로지의 전류 프리휠링(freewheeling) 시, 상기 토폴로지의 상단(Positive)부분으로 전류가 프리휠링(freewheeling)되도록, 상단(Positive)구간의 시간동안은 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on)이고 제2스위치(SW2)이 스위칭-오프(switching-off)일 때 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하며, 하단(Negative)구간의 시간동안은 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on)이고 제4스위치(SW4)가 스위칭-오프(switching-off)일 때 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하도록 하는 스위칭 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여, 본 발명은 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 있어서, 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)로 구성되는 상단 스위칭부와 제2스위치(SW2), 제4스위치(SW4)로 구성되는 하단 스위칭부를 포함하는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지; 상기 토폴로지의 전류 프리휠링(freewheeling) 시, 상기 토폴로지의 상단 스위칭부로 전류가 프리휠링(freewheeling)되도록, 상단(Positive) 스위칭 시간동안은 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on)이고 제2스위치(SW2)이 스위칭-오프(switching-off)일 때 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하며, 하단(Negative) 스위칭 시간동안은 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on)이고 제4스위치(SW4)가 스위칭-오프(switching-off)일 때 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하도록 하는 스위칭 제어부;를 포함하며, 상기 스위칭 제어부에 의해 전류 프리휠링이 상단(Positive) 스위칭 시간동안 및 하단(Negative) 스위칭 시간동안 모두 제1 및 제3 스위치를 통하여 전류 프리휠링이 이루어지도록 작동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 고효율의 하이브리드 토폴로지를 변형하여, 고효율의 장점은 유지하고 EMI 문제점을 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 토폴로지 시스템의 흐름도.
도 2는 종래의 하이브리드 토폴로지 시뮬레이션 회로도.
도 3은 종래의 하이브리드 토폴로지 시뮬레이션 결과 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 토폴로지 시스템의 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 토폴로지 시뮬레이션 결과 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 토폴로지 시스템을 포함한 전체 구성 개요도.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 토폴로지 흐름도를 나타낸다. 기존 하이브리드 토폴로지에서 Negative에서 제3스위치(SW3) 대신에 제2스위치(SW2)를 스위칭하는 방식으로서, 이를 통해 전류가 내부에 돌 때 그라운드 쪽으로 흐르지 않도록 하여 EMI 성능을 개선시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)로 구성되는 상단 스위칭부와 제3스위치(SW3), 제4스위치(SW4)로 구성되는 하단 스위칭부를 포함하는 하이브리드 토폴로지를 구성요소로 하는데, 이러한 구조는 직류전원으로부터 단상교류전압을 생성하는 가장 간단한 인버터 회로이며 부하에 인가되는 전압은 기본회로의 출력 전압인 극전압과 같으며 원하는 단상교류전압은 한 주기 에서 반주기씩 온/오프 함으로써 얻으며 가장 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 방법이다. 상반 스위칭부의 SW1과 SW2 또는 하단 스위칭 부의 SW3와 SW4 두 개의 스위치가 동시에 켜지는 경우는 직류 전원 측과 스위치가 단락되므로 큰 전류가 흘러 스위칭부가 파괴될 수 있어서 사용해서는 안 된다. 이러한 단락사고를 방지하기 위해 두 스위치는 번갈아 도통하는 상보(complementary) 스위칭을 하게 되며 이러한 상보(complementary) 스위칭에서 다양한 조합에 따라서 유니폴라(Unipolar), 바이폴라(Bipolar), 하이브리드(Hybrid) 방식 등과 같은 다양한 방식이 존재한다.
이를 위해, 본 발명은 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)로 구성되는 상단 스위칭부와 제2스위치(SW2), 제4스위치(SW4)로 구성되는 하단 스위칭부를 포함하는 하이브리드 토폴로지를 구성요소로 하는데, 이러한 구조는 직류전원으로부터 단상 교류전압을 생성하는 가장 간단한 인버터 회로이며 부하에 인가되는 전압은 기본회로의 출력 전압인 극전압과 같으며 원하는 단상교류전압은 한 주기 에서 반주기씩 온/오프 함으로써 얻으며 가장 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 방법이다. 상반 스위칭부의 SW1과 SW2 또는 하단 스위칭 부의 SW3와 SW4 두 개의 스위치가 동시에 켜지는 경우는 직류 전원 측과 스위치가 단락되므로 큰 전류가 흘러 스위칭부가 파괴될 수 있어서 사용해서는 안 된다. 이러한 단락사고를 방지하기 위해 두 스위치는 번갈아 도통하는 상보(complementary) 스위칭을 하게 되며 이러한 상보(complementary) 스위칭에서 다양한 조합에 따라서 유니폴라(Unipolar), 바이폴라(Bipolar), 하이브리드(Hybrid) 방식 등과 같은 다양한 방식이 존재한다.
스위칭 제어부는 상기 토폴로지의 전류 프리휠링 시, 상기 토폴로지의 상단부분으로 전류가 프리휠링되도록 상기 하단 스위칭부를 스위칭-오프(switching-off)하고 상기 상단 스위칭부를 스위칭-온(switching-on)한다. 상기 스위칭 제어부는 상기 토폴로지의 전류 프리휠링(freewheeling) 시, 상기 토폴로지의 상단부분으로 전류가 프리휠링(freewheeling)되도록 제1스위치(SW1)와 제3스위치(SW3)가 스위칭-온(switching-on) 되고 제2스위치(SW2)와 제4스위치(SW4)가 스위칭-오프(switching-off) 되도록 한다.
제1스위치(SW1)와 제3스위치(SW3) 스위칭-오프(switching-off) 되고 제2스위치(SW2)와 제4스위치(SW4)가 스위칭-온(switching-on) 될 때, 전류가 프리휠링(freewheeling) 할 경우 스위칭 제2스위치(SW2)와 제4스위치(SW4)의 바닥(Bottom)이 그라운드와 연결되어 있어 전도성 노이즈가 흐를 수 있어 EMI 측정에 안 좋으며, 제1스위치(SW1)와 제3스위치(SW3)가 스위칭-온(switching-on) 되고 제2스위치(SW2)와 제4스위치(SW4)가 스위칭-오프(switching-off) 할 경우에는 그라운드와 분리되어 상단부에서만 전류가 프리휠링(freewheeling) 하도록 하여 그라운드 쪽으로 흐르지 않아 EMI 성능이 개선될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어부는 제1스위치 → 제4스위치 → 제2스위치 → 제3스위치의 순서이거나 또는 제3스위치 → 제2스위치 → 제1스위치 → 제4스위치 순서로 스위칭을 수행할 수 있다. 상기 스위칭 제어부는 Positive구간의 1/120Hz의 시간동안 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on), 제2스위치(SW2)이 스위칭-오프(switching-off)되었을 때 제3스위치(SW3), 제4스위치(SW4)가 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하며, Negative구간의 1/120Hz의 시간동안 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on), 제4스위치(SW4)이 스위칭-오프(switching-off)되었을 때 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)가 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복한다. Positive와 Negative의 한 구간의 합은 1/60Hz의 시간, 즉 60Hz의 주파수를 가진다. 이때 도4에서 Positive에서 Negative로, ②에서 ③으로 바뀔 때는 스위칭이 연결될 수 있도록 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on) 상태로 유지하며, Negative에서 Positive로, ④에서 ①로 바뀔 때는 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on) 상태이며, Positive와 Negative가 반복되는 구간에서 최소한으로 스위칭이 되도록 한다.
상기 스위칭 제어부는 상단(Positive)구간의 1/120Hz의 시간동안 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on), 제2스위치(SW2)이 스위칭-오프(switching-off)되었을 때 제3스위치(SW3), 제4스위치(SW4)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하며, 하단(Negative)구간의 1/120Hz의 시간동안 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on), 제4스위치(SW4)이 스위칭-오프(switching-off)되었을 때 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복한다. 상단(Positive)와 하단(Negative)의 한 구간의 합은 1/60Hz의 시간, 즉 60Hz의 주파수를 가진다. 이때 도4에서 상단(Positive)에서 하단(Negative)으로, ②에서 ③으로 바뀔 때는 스위칭이 연결될 수 있도록 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on) 상태로 유지하며, Negative에서 Positive로, ④에서 ①로 바뀔 때는 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on) 상태이며, Positive와 Negative가 반복되는 구간에서 최소한으로 스위칭이 되도록 한다.
[표 2]는 본 발명에 따른 토폴로지의 스위칭을 정리한 것이다.
Figure 112013503524030-pat00010
이를 시뮬레이션에 적용하면 도 5와 같은 결과를 얻는다. 이를 통해, 그라운드와 전력라인의 전위에 고조파 노이즈가 거의 모두 사라졌으며 계통의 전류는 동일하게 나오는 것을 확인할 수 있다.

Claims (3)

  1. 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템에 있어서, 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)로 구성되는 상단 스위칭부와 제2스위치(SW2), 제4스위치(SW4)로 구성되는 하단 스위칭부를 포함하는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지; 상기 토폴로지의 전류 프리휠링(freewheeling) 시, 상기 토폴로지의 상단 스위칭부로 전류가 프리휠링(freewheeling)되도록, 상단(Positive) 스위칭 시간동안은 제1스위치(SW1)이 스위칭-온(switching-on)이고 제2스위치(SW2)이 스위칭-오프(switching-off)일 때 제3스위치(SW3)와 제4스위치(SW4)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하며, 하단(Negative) 스위칭 시간동안은 제3스위치(SW3)이 스위칭-온(switching-on)이고 제4스위치(SW4)가 스위칭-오프(switching-off)일 때 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)가 각각 엇갈려 스위칭-온(switching-on)과 스위칭-오프(switching-off)를 반복하도록 하는 스위칭 제어부;를 포함하며, 상기 스위칭 제어부에 의해 전류 프리휠링이 상단(Positive) 스위칭 시간동안 및 하단(Negative) 스위칭 시간동안 모두 제1 및 제3 스위치를 통하여 전류 프리휠링이 이루어지도록 작동하는 것을 특징으로 하는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 토폴로지는 단상 인버터 회로인 것을 특징으로 하는 단상 태양광 인버터용 하이브리드 토폴로지 시스템.
  3. 삭제
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IEEE Transactions on Power Electronics, Vo.27, Issue 2, pp.752-762.(2012년2월)*

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