KR20130094438A - 짝수-레벨 인버터 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 트랜지스터의 스위칭 손실이 저감된 짝수-레벨 인버터 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 입력 직류 전원을 짝수 개의 전압으로 분압하는 분압부; 상기 분압부에 의해 분압된 전압을 스위칭하는 복수의 스위칭 소자를 갖는 스위칭부; 상기 복수의 스위칭 소자 간에 분압된 전압이 전달되는 경로를 제공하는 양방향 스위칭 소자를 갖는 경로 제공부; 및 입력받은 3상 사인(sine) 신호를 2상 PWM(pulse width modulation) 신호로 변조하여 상기 스위칭부의 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 제어부를 포함하는 짝수-레벨 인버터 및 이의 구동 방법을 제안한다.

Description

짝수-레벨 인버터 및 이의 구동 방법{EVEN- LEVEL INVERTER AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 입력 직류 전원을 짝수 개의 전압 레벨로 분압하고 복수의 스위칭 소자를 이용하여 짝수 개의 전압 레벨을 갖는 교류 출력 신호를 생성하는 짝수-레벨 인버터 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
인버터는 직류 전원을 입력받아 교류 신호를 출력하는 회로로서, 출력하는 교류 신호의 크기, 주파수, 고조파 성분 등을 제어할 수 있다. 일반적으로 인버터는 출력하는 교류 신호가 갖는 레벨(크기)에 따라서, 3-레벨, 5-레벨 등으로 구분할 수 있으며, 입력 직류 전원을 필요한 레벨 수로 분압하는 회로와, 필요한 레벨 수로 분압된 입력 직류 전원으로부터 교류 출력 신호를 생성하는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
이러한 3-레벨, 5-레벨과 같은 멀티 레벨 인버터는 인버터의 레벨 수가 작을수록 인버터에 사용되어 지는 트랜지스터의 수가 줄어들어 인버터의 크기를 줄일 수 있으나, 종래에는 홀수-레벨 인버터가 주로 사용되어 인버터의 최적 레벨이 짝수로 설정되어도 레벨이 하나 더 높은 홀수 레벨을 사용할 수밖에 없어서 인버터의 크기가 커지고 비용이 증가되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 선행기술문헌과 같이 짝수-레벨 인버터가 개발되어 사용되어 졌으나, 종래의 짝수-레벨 인버터는 2-레벨, 4-레벨과 같은 레벨을 갖는 교류 신호를 생성하기 위해 3상의 사인(sine) 신호를 입력받아 트랜지스터를 온/오프시키는데, 트랜지스터가 턴 온 및 턴 오프를 반복하게되어 스위칭 손실이 발생하는 문제점이 있다.
국내특허공개공보 특 2002-0005883
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 트랜지스터의 스위칭 손실이 저감된 짝수-레벨 인버터 및 이의 구동 방법을 제안한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은
입력 직류 전원을 짝수 개의 전압으로 분압하는 분압부;
상기 분압부에 의해 분압된 전압을 스위칭하는 복수의 스위칭 소자를 갖는 스위칭부;
상기 복수의 스위칭 소자 간에 분압된 전압이 전달되는 경로를 제공하는 양방향 스위칭 소자를 갖는 경로 제공부; 및
입력받은 3상 사인(sine) 신호를 2상 PWM(pulse width modulation) 신호로 변조하여 상기 스위칭부의 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 제어부
를 포함하는 짝수-레벨 인버터를 제안하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 제어부는
사전에 설정된 변조비로, 입력된 신호의 스케일을 조정하는 스케일 조정부;
스케일 조정된 3상 사인 신호의 최대 전압값과 최소 전압값을 검출하는 최대/최소 검출부;
검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산하는 연산부;
상기 연산부에 의해 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 비교하여 기준 전압값을 설정하고, 설정된 기준 전압값과 3상 사인 신호를 연산하여 2상 변조신호를 생성하는 제1 비교 설정부;
2상 변조 신호의 레벨이 영레벨 이상인지 비교하여, 그 비교 결과에 따라 기준 신호를 설정하는 제2 비교 설정부; 및
상기 설정된 기준 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 상기 2상 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭부의 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 분압부의 분압된 전원을 출력하는 노드에 각각 연결될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 경로 제공부의 상기 양방향 스위치는 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나를 통해 상기 분압부의 각 노드에 연결될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 분압부는 상기 입력 직류 전원이 입력되는 입력 전원단 사이에 직렬 연결되는 복수의 캐패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 분압부는 상기 입력 직류 전원을 4개의 전압 레벨로 분압할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스위칭부는 복수개 구비되고, 상기 경로 제공부는 복수의 스위칭부에 대응되어 복수개 구비될 수 있다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면은
사전에 설정된 변조비로 입력된 신호의 스케일을 조정하는 스케일 조정 단계;
스케일 조정된 3상 사인 신호의 최대 전압값과 최소 전압값을 검출하는 최대/최소 검출 단계;
검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산하는 연산 단계;
상기 연산부에 의해 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 비교하여 기준 전압값을 설정하고, 설정된 기준 전압값과 3상 사인 신호를 연산하여 2상 변조신호를 생성하는 제1 비교 설정 단계;
2상 변조 신호의 레벨이 영레벨 이상인지 비교하여, 그 비교 결과에 따라 기준 신호를 설정하는 제2 비교 설정 단계; 및
상기 설정된 기준 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 상기 2상 PWM 신호를 생성하여 짝수 레벨 인버터를 구동하는 PWM 신호 생성 단계를 포함하는 짝수 레벨 인버터의 구동 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 스케일 조정 단계는 입력된 3상 사인 신호를 사전에 설정된 변조비로 스케일 조정하고, 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 사전에 설정된 다른 변조비로 스케일 조정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 짝수-레벨 인버터의 트랜지스터 구동시 3상의 사인(sine) 신호에 기초하여 2상 변조를 수행하여 짝수-레벨 인버터를 구동함으로써 짝수-레벨 인버터의 트랜지스터의 스위칭 손실이 저감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 짝수-레벨 인버터에 채용된 제어부의 상세 구성도.
도 3은 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 구동 방법을 나타내는 플로우 챠트.
도 4는 도 3의 플로우 챠트에 따른 신호의 파형 그래프.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 인버팅 동작을 나타내는 세부 동작을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 짝수 레벨 인버터로부터 출력된 짝수 레벨 교류 신호.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 짝수-레벨 인버터는 분압부(110), 스위칭부(120), 경로 제공부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
분압부(110)는 입력 직류 전원(Vdc)을 짝수개의 전압으로 분압할 수 있다. 이를 위해, 분압부(110)는 입력 직류 전원(Vdc)이 입력되는 입력 전원단 사이에 직렬 연결된 복수개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 3개의 캐패시터가 상기 입력 전원단 사이에 직렬 연결되어, 입력 직류 전원(Vdc)을 '0' 레벨의 전압 부터 'Vdc' 레벨의 전압 레벨까지 4개의 전압으로 분압할 수 있다.
스위칭부(120)는 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)를 포함할 수 있으며, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)는 제어 신호에 따라 스위칭하여 교류 전원을 출력할 수 있다. 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)는 분압부(110)의 복수의 캐패시터의 노드들과 전기적으로 연결될 수 있다.
더하여, 스위칭부(120)는 복수개 구비될 수 있으며, 삼상의 교류 전원일 경우 3개의 스위칭부(120)가 구비되어 3개의 스위칭부(120)가 각각 하나의 위상을 갖는 교류 전원(IA,IB,IC)을 출력할 수 있다.
스위칭 소자 Q1~Q4는 각각 트랜지스터(N-MOS 전계효과 트랜지스터)와 다이오드가 병렬로 연결된 구조를 가지며, 전달되는 전압에 따라 다이오드 또는 트랜지스터를 통한 전류 경로가 형성되어 4개의 레벨을 갖는 각각의 전압 및 동작 모드에 따라 서로 다른 전류 경로를 통해 출력 교류 신호(IA,IB,IC)가 출력 단자로 전달된다.
이때, 스위칭 소자 Q1과 Q4를 통해 가장 높은 레벨을 갖는 직류 전압에 의한 전류 경로가 형성되며, 스위칭 소자 Q2와 Q3를 통해 중간 레벨을 갖는 직류 전압에 의한 전류 경로가 형성된다.
4개의 레벨을 갖는 전압에 대해 형성되는 복수의 전류 경로 중 적어도 일부는, 양방향 스위칭 소자를 통하는 경로로 형성된다.
경로 제공부(130)는 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)를 구비할 수 있으며, 상기 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)는 4개의 레벨을 갖는 전압에 대해 형성되는 복수의 전류 경로 중 적어도 일부가 통하는 경로를 형성할 수 있다.
본 발명에서는, 경로 제공부(130)에 포함되어 전류 경로를 형성하는 양방향 스위칭 소자에서 역병렬 다이오드를 제거하고, 2개의 트랜지스터만을 서로 병렬로 연결함으로써 기존의 역병렬 다이오드로 인한 도통 손실을 절감할 수 있다.
도 1을 참조하면, 입력 직류 전원(Vdc)이 3개의 커패시터에 의해 각각 Vdc/3으로 분압되어 전압 출력 노드 DC LEV1~4를 통해 스위칭 소자로 전달된다. 여기서, 분압부(110)가 입력 직류 전원(Vdc) 하나와 3개의 커패시터(C1~C3)로 도시되었으나, 이에 한정되지는 않는다.
홀수 개의 레벨로 입력 직류 전원(Vdc)을 분압하는 경우에는 필수적으로 중간 레벨의 전압을 출력하는 중간 전압 출력 노드(중성점)이 필요하며, 일반적인 인버터의 경우 중성점이 스위칭 소자 중 어느 하나와 연결된다. 그러나 본원에서는 짝수 개의 레벨로 입력 직류 전원(Vdc)을 분압하여 중간 레벨의 전압을 출력하는 중간 전압 출력 노드(중성점)이 생략될 수 있으며, 이에 따라 무효 전력을 제어할 수 있다.
제어부(140)는 3상 사인(sine)신호를 입력받아 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭 온/오프를 PWM 제어하는 PWM 제어 신호(S1~S4)와, 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)의 전류 전달 경로를 스위칭하는 제어 신호(Sa,Sb)를 제공할 수 있다. 여기서, 제어부(140)는 3상 사인(sine)신호를 입력받아 2상 PWM(pulse width modulation) 신호로 변조하여 스위칭부(120)의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 짝수-레벨 인버터에 채용된 제어부의 상세 구성도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(140)는 스케일 조정부(141), 최대/최소 검출부(142), 연산부(143), 제1 비교 설정부(144), 제2 비교 설정부(145) 및 PWM 신호 생성부(146)를 포함할 수 있다.
스케일 조정부(141)는 입력된 신호의 신호 레벨 스케일을 조정할 수 있다. 이때, 스케일 조정부(141)는 사전에 설정된 변조비로 입력된 신호의 신호 레벨 스케일을 조정할 수 있으며, 입력된 신호는 3상 사인 신호(Vabc_ref)일 수 있다.
최대/최소 검출부(142)는 스케일 조정된 3상 사인 신호의 최대 전압값과 최소 전압값을 검출할 수 있다.
연산부(143)는 검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산할 수 있으며, 연산부(143)는 '1'에서 검출된 최대 전압값을 빼거나, 최소 전압값을 더하여 검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산할 수 있다. 연산된 최대 전압값과 최소 전압값은 스케일 조정부(141)에 의해 다시 사전에 설정된 변조비로 신호 레벨이 스케일 조정될 수 있다.
제1 비교 설정부(144)는 연산부(143)에 의해 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 비교하여 기준 전압값을 설정하고, 설정된 기준 전압값과 3상 사인 신호를 연산하여 2상 변조신호를 생성할 수 있다.
제2 비교 설정부(145)는 제1 비교 설정부(144)로부터의 2상 변조 신호의 레벨이 영레벨 이상인지 비교하여, 그 비교 결과에 따라 기준 신호를 설정할 수 있다.
PWM 신호 생성부(146)는 제2 비교 설정부(145)에 의해 설정된 기준 신호에 따라 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭을 제어하는 2상 PWM 신호(S1~S4)를 생성할 수 있다.
이에 따라, 제어부(140)는 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭을 제어하는 2상 PWM 신호(S1~S4)를 스위칭부(120)에 제공할 수 있으며, 더하여 2상 PWM 신호(S1~S4)에 의한 전류 전달 경로를 형성하기 위해 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)를 스위칭 온/오프 시킬 수 있는 제어 신호(Sa, Sb)를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 구동 방법을 나타내는 플로우 챠트이고, 도 4는 도 3의 플로우 챠트에 따른 신호의 파형 그래프이다.
도 2, 도 3과 함께 도 4를 참조하면, 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 스케일 조정부(141)에는 3상 사인 신호(Vabc_ref)가 입력될 수 있으며, 3상이므로 Vabc_ref[0,1,2]로 도 4의 (a)와 같이 도시될 수 있고, 대략 300V 이상의 교류 전원의 신호 레벨을 가질 수 있다(S1). 이에 따라, 스케일 조정부(141)는 변조비를 1로 설정하여 3상 사인 신호(Vabc_ref[0,1,2])의 신호 레벨 스케일을 도 4의 (b)와 같이 조정할 수 있다(Vabc_ref_m[0,1,2])(S2).
이후, 최대/최소 검출부(142)는 스케일 조정된 3상 사인 신호의 최대 전압값과 최소 전압값을 검출할 수 있다(도 3의 S3, 도 4의 (c)).
다음으로, 연산부(143)는 검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산할 수 있으며, 연산부(143)는 '1'에서 검출된 최대 전압값을 빼거나, 최소 전압값을 더하여 검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산할 수 있다. 연산된 최대 전압값과 최소 전압값은 스케일 조정부(141)에 의해 다시 0.5의 변조비로 신호 레벨이 스케일 조정될 수 있다(도 3의 S4, 도 4의 (d)).
이후, 제1 비교 설정부(144)는 연산부(143)에 의해 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 비교하여 기준 전압값을 설정하고(도 3의 S5,S6,S7 및 도 4의 (e)), 설정된 기준 전압값과 3상 사인 신호를 연산하여 2상 변조신호를 생성할 수 있다(도 3의 S8, 도 4의 (f)).
다음으로, 제2 비교 설정부(145)는 제1 비교 설정부(144)로부터의 2상 변조 신호의 레벨이 영레벨 이상인지 비교하여(도 3의 S9), 그 비교 결과에 따라 기준 신호를 설정할 수 있다(도 3의 S10, S11 및 도 4의 (g)).
마지막으로, PWM 신호 생성부(146)는 제2 비교 설정부(145)에 의해 설정된 기준 신호에 따라 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭을 제어하는 2상 PWM 신호(S1~S4)를 생성할 수 있다(도 3의 S12, S13, S14 및 도 4의 (h)).
도 5 내지 도 7은 본 발명의 짝수-레벨 인버터의 인버팅 동작을 나타내는 세부 동작을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 짝수-레벨 인버터의 각 레벨의 전류 경로를 도시한 도이다. 이하, 도 5 내지 도 7 전반에 걸쳐서, 실선으로 표시된 경로는 출력 단자(ARMA)를 통해 출력되는 전압이 전달되는 경로이며, 파선으로 표시된 전류 경로는 출력 단자(ARMA)를 통해 출력되는 전압을 생성하기 위한 전류의 경로이다. 실제로 출력 단자(ARMA)에서 측정되는 출력 전압의 레벨은, 파선으로 표시된 전류 경로가 분압부(110)로 도시된 직렬 연결 커패시터 C1~C3 가운데 몇 개를 통과하는지에 따라 결정될 수 있다.
우선, 모드 1 구간에서 생성되는 전압 레벨을 전류 경로로부터 설명하기 위한 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 인버터 회로의 동작을 설명하면 아래와 같다. 모드 1 구간에서 분압부(110)가 출력하는 전압 -VB/2에 의해 스위칭 소자(Q4)가 턴-온 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 0-level 전압이 출력된다. 도 5에 도시된 경로를 살펴보면, 전류 IA가 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)를 거치지 않고 스위칭 소자(Q4)만을 거치는 경로를 따라가므로, 전류가 각각 Vdc/3 레벨의 전압을 가지며, 서로 직렬로 연결된 3개의 커패시터 C1~C3 중 어느 커패시터도 통과하지 못하기 때문에, 0-level의 전압이 출력 단자(ARMA)를 통해 출력된다.
한편, 모드 1 구간에서 분압부(110)가 출력하는 전압에 의해 스위칭 소자(Q2)가 턴-온 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 1-level 전압이 출력된다. 즉, 모드 1에서 0-level의 전압이 출력되는 경우와 달리 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)를 통과하는 전류 경로가 형성되고, 전류 IA가 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)를 통과함으로써 분압부(110)의 DC LEV1 노드와 DC LEV0 노드 사이의 커패시터 C3이 전류 IA의 경로에 포함되게 된다. 따라서, Vdc/3의 레벨에 해당하는 전압이 출력 단자(ARMA)를 통해 출력된다.
도 6은 모드 2 구간에서 생성되는 전류 경로 및 그에 따른 출력 전압을 설명하기 위한 도이다. 도 6을 참조하면, 모드 2 구간에서 분압부(110)가 출력하는 전압에 의해 스위칭 소자(Q2)가 턴-온 되는 경우에는, 도 5에 도시된 1-level 전압이 출력되는 경우와 동일한 전류 경로가 형성된다. 따라서, 도 5의 경우와 마찬가지로, 전류 IA가 DC LEV1 노드와 DC LEV0 노드 사이에 연결된 커패시터 C3를 통과하는 전류 경로를 거치게 되므로, Vdc/3의 레벨에 해당하는 전압이 출력 단자(ARMA)를 통해 출력된다.
한편, 도 6를 참조하면, 모드 2 구간에서 분압부(110)가 출력하는 전압에 의해 스위칭 소자(Q1)가 턴-온 되는 경우에는, 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb) 및 턴-온 된 스위칭 소자(Q1)를 거치는 전류 경로가 생성된다. 도 6에 도시된 전류 경로를 살펴보면, 파선으로 도시된 경로를 따라 입력되는 전류 IA가 분압부(110)에 도달한 후, DC LEV2 -> DC LEV1 -> DC LEV0 노드를 순서대로 거쳐서 커패시터 C2와 C3를 통과한다. 따라서, 도 6에 도시된 경우에는, 2Vdc/3의 레벨을 갖는 전압이 출력 단자(ARMA)로 출력된다.
도 7을 참조하면, 모드 3 구간에서 분압부(110)가 출력하는 전압에 의해 스위칭 소자(Q1)가 턴-온 되는 경우는 도 6의 경우와 유사하다. 즉, 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)와 턴-온 된 스위칭 소자(Q1)를 거쳐 분압부(110)에 도달한 전류 IA가 순서대로 DC LEV2 -> DC LEV1 -> DC LEV0 노드를 거쳐 커패시터 C2와 C3를 통과한다. 따라서, 2Vdc/3의 레벨을 갖는 전압이 출력 단자(ARMA)로 전달된다.
마지막으로, 도 7을 참조하면, 모드 3 구간에서 전압 VB/2 에 의해 스위칭 소자(Q3)가 턴-온 되는 경우에는 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)를 거치지 않고 턴-온 된 스위칭 소자(Q3)만을 거쳐서 분압부(110)의 노드 DC LEV3으로 전류 IA가 직접 전달된다. 노드 DC LEV3으로 전달된 전류 IA는 직류 전원 Vdc에 해당하는 커패시터 C1~C3을 모두 통과하는 전류 경로를 형성하게 되므로, 출력 단자(ARMA)를 통해 Vdc의 레벨을 갖는 전압이 출력된다.
도 8은 본 발명의 짝수 레벨 인버터로부터 출력된 짝수 레벨 교류 신호이다.
도 8을 참조하면, 모드 1~3 각각에서 서로 다른 레벨을 갖는 전압이 출력되어 전체적으로 4개의 서로 다른 레벨을 갖는 전압이 교류 파형의 형태로 출력되는 것을 확인할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 복수의 스위칭 소자(Q1~Q4)와 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)가 선택적으로 턴-온 또는 턴-오프 됨에 따라 도 1의 짝수-레벨 인버터는 서로 다른 전류 경로를 형성하게 된다. 서로 다른 전류 경로로부터 출력 단자(ARMA)를 통해 4개의 레벨(도 5~7의 경우 0~3 LEVEL)을 갖는 교류 신호 형태의 출력 전압이 생성된다. 한편, 본 발명에서는 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)가 다이오드 없이, 바람직하게는 트랜지스터만으로 구현되고, 분압부(110)에서 중간 레벨의 전압을 출력하는 중성점이 복수의 스위칭 소자(Q1~Q4)는 물론 양방향 스위칭 소자(Qa,Qb)에도 연결되지 않음으로써, 도통 손실을 절감하고 무효 전력을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 짝수-레벨 인버터의 트랜지스터 구동시 3상의 사인(sine) 신호에 기초하여 2상 변조를 수행하여 짝수-레벨 인버터의 트랜지스터의 스위칭 손실이 저감되는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
110...분압부
120...스위칭부
130...경로 제공부
140...제어부
141...스케일 조정부
142...최대/최소 검출부
143...연산부
144...제1 비교 설정부
145...제2 비교 설정부
146...PWM 신호 생성부

Claims (9)

  1. 입력 직류 전원을 짝수 개의 전압으로 분압하는 분압부;
    상기 분압부에 의해 분압된 전압을 스위칭하는 복수의 스위칭 소자를 갖는 스위칭부;
    상기 복수의 스위칭 소자 간에 분압된 전압이 전달되는 경로를 제공하는 양방향 스위칭 소자를 갖는 경로 제공부; 및
    입력받은 3상 사인(sine) 신호를 2상 PWM(pulse width modulation) 신호로 변조하여 상기 스위칭부의 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 제어부
    를 포함하는 짝수-레벨 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    사전에 설정된 변조비로, 입력된 신호의 스케일을 조정하는 스케일 조정부;
    스케일 조정된 3상 사인 신호의 최대 전압값과 최소 전압값을 검출하는 최대/최소 검출부;
    검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산하는 연산부;
    상기 연산부에 의해 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 비교하여 기준 전압값을 설정하고, 설정된 기준 전압값과 3상 사인 신호를 연산하여 2상 변조신호를 생성하는 제1 비교 설정부;
    2상 변조 신호의 레벨이 영레벨 이상인지 비교하여, 그 비교 결과에 따라 기준 신호를 설정하는 제2 비교 설정부; 및
    상기 설정된 기준 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 상기 2상 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부
    를 포함하는 짝수-레벨 인버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부의 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 분압부의 분압된 전원을 출력하는 노드에 각각 연결되는 짝수-레벨 인버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경로 제공부의 상기 양방향 스위칭 소자는 상기 복수의 스위칭 소자 중 적어도 하나를 통해 상기 분압부의 각 노드에 연결되는 짝수-레벨 인버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분압부는 상기 입력 직류 전원이 입력되는 입력 전원단 사이에 직렬 연결되는 복수의 캐패시터를 포함하는 짝수-레벨 인버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분압부는 상기 입력 직류 전원을 4개의 전압 레벨로 분압하는 짝수-레벨 인버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 복수개 구비되고,
    상기 경로 제공부는 복수의 스위칭부에 대응되어 복수개 구비되는 짝수-레벨 인버터.
  8. 사전에 설정된 변조비로 입력된 신호의 스케일을 조정하는 스케일 조정 단계;
    스케일 조정된 3상 사인 신호의 최대 전압값과 최소 전압값을 검출하는 최대/최소 검출 단계;
    검출된 최대 전압값 및 최소 전압값을 각각 연산하는 연산 단계;
    상기 연산부에 의해 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 비교하여 기준 전압값을 설정하고, 설정된 기준 전압값과 3상 사인 신호를 연산하여 2상 변조신호를 생성하는 제1 비교 설정 단계;
    2상 변조 신호의 레벨이 영레벨 이상인지 비교하여, 그 비교 결과에 따라 기준 신호를 설정하는 제2 비교 설정 단계; 및
    상기 설정된 기준 신호에 따라 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 상기 2상 PWM 신호를 생성하여 짝수 레벨 인버터를 구동하는 PWM 신호 생성 단계
    를 포함하는 짝수 레벨 인버터의 구동 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스케일 조정 단계는 입력된 3상 사인 신호를 사전에 설정된 변조비로 스케일 조정하고, 연산된 최대 전압값과 최소 전압값을 사전에 설정된 다른 변조비로 스케일 조정하는 짝류 레벨 인버터의 구동 방법.
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