자기 결합 인덕터 스위칭 기법을 이용한 3상 Split-Output Inverter의 전력 변환 효율 개선에 관한 연구
저자
발행사항
전주: 전북대학교 일반대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(박사)-- 전북대학교 일반대학원 : 전자·정보공학부(전자공학 전공) 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
전북특별자치도
기타서명
(A) Study about Power Conversion Efficiency Improvement of Three-Phase Split-Output Inverter using Magnetically Coupled Inductor Switching Technique
삼상 Split-Output Inverter의 전력 변환 효율 개선에 관한 연구
형태사항
xiv, 204 p.: 삽화, 표; 26 cm.
일반주기명
전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수: 최우영
참고문헌 : p. 182-197
UCI식별코드
I804:45011-000000050582
소장기관
Renewable energy that is environmentally friendly can be derived from the wind and the sun. Wind is the fastest-growing energy resource with enormous potential. The three-phase voltage source inverters are required in wind power systems to interface dc changed at variable-frequency ac to the line-frequency ac voltages of the utility grid.
In photovoltaic systems, solar cells produce dc that requires the three-phase voltage source inverters interface to transfer power to the utility system.
The standard three-phase voltage source inverter has two active power switches in one phase-leg that present shoot-through problem. A dead-time is essentially required for two active power switches in one switching leg to prevent the shoot-through switching state. Because of the dead-time, the output waveforms are not only distorted, but the equivalent transferred energy of pulse-width modulation is also reduced. Even with the dead-time compensation, a shoot-through switching state is still the problem of voltage source inverter, which reduces the system’s reliability.
The conventional three-phase split-output inverter has been used for grid-connected applications because it does not need dead-time and has no shoot-through concerns. The conventional inverter recently uses the silicon carbide schottky diodes for the freewheeling diodes because of its no reverse-recovery characteristic. However, in a practical design, the silicon carbide schottky diodes suffer from current overshoots and voltage oscillations when they are turned off. These overshoots and oscillations result in switching-power losses, reducing the power efficiency of the inverter.
To alleviate this drawback, we present a three-phase split-output inverter using magnetically coupled inductor switching technique. The magnetically coupled inductor switching technique uses one auxiliary diode and coupled inductor for each switching leg in the three-phase split-output inverter.
By the operation of the coupled inductor, the main diode current is shifted to the auxiliary diode without the reverse-recovery process. The proposed inverter reduces switching-power losses by alleviating current overshoots and voltage oscillations of silicon carbide schottky diodes. It achieves higher power efficiency than the conventional inverter. Experimental results for a 1.0 kW prototype inverter are discussed to verify the performance of the proposed inverter.
The proposed three-phase split-output inverter can be used as a three-phase grid-connected voltage source inverter of renewable energy applications about wind power system and photovoltaic power system by increasing power efficiency.
전 세계적으로 에너지 소비의 지속적인 증가로 인한 자원의 고갈 및 환경 문제가 주요 문제점으로 부상되고 있으며, 이에 따른 에너지 절감 및 에너지 사용의 효율성을 향상시키기 위한 방안으로 3상 전압원 인버터의 수요는 계속 높아지고 있다.
신재생에너지란 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스 등 화석연료가 아닌 태양에너지, 풍력, 수력, 연료전지, 가스에너지 등의 연료를 의미한다. 여러 신재생에너지 중에서 빠르게 성장하고 환경 친화적인 신재생에너지는 바람과 태양으로부터 얻을 수 있다. 풍력 시스템에서 바람은 엄청난 잠재력을 가진 가장 빠르게 성장하는 에너지 자원이다. 3상 전압원 인버터는 가변 주파수를 갖는 교류에서 변화된 직류 전압을 유틸리티 그리드의 계통 주파수의 교류 전압과 인터페이스하기 위해 풍력 시스템에서 필요하다. 태양광 시스템에서 태양 전지에서 생산된 직류를 유틸리티 시스템으로 전송하기 3상 전압원 인버터와 인터페이스가 위해 필요하다.
기본 3상 전압원 인버터는 회로 구조와 동작 원리가 간단하기 때문에 다양한 응용 분야에 널리 사용되어왔다. 3상 전압원 인버터는 서로 독립적으로 동작할 수 있는 3개의 레그 (leg)로 구성된다. 동일한 위상 레그에는 2개의 전력 스위치가 직렬로 존재하여 슛-스루 (shoot-through) 문제가 존재한다. 슛-스루 스위칭 상태를 방지하기 위해, 동일한 위상 레그 내의 2개의 전력 스위치 사이에는 필수적으로 데드-타임 (dead-time)이 필요하다. 하지만, 데드-타임 영향 때문에 출력 파형이 왜곡될 뿐만 아니라 동등하게 전달되는 펄스 폭 변조 (pulse-width modulation)의 전송 에너지도 감소한다. 데드-타임 보상이 추가되더라도, 3상 전압원 인버터는 여전히 슛-스루 문제가 존재하여 인버터 시스템의 안정성을 저하시킨다.
기존의 3상 split-output 인버터는 데드-타임을 필요로 하지 않고, 슛-스루 문제가 없기 때문에 계통 연계 형 응용에 널리 활용되어왔다. 기존의 3상 split-output 인버터는 프리휠링 (freewheeling) 다이오드에 역-회복 (reverse-recovery) 특성이 없는 실리콘 카바이드 (silicon carbide) 쇼트키 (schottky) 다이오드를 사용한다. 그러나 실질적인 설계에서, 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드는 턴-오프 될 때, 전류 오버슈트 (overshoot)와 전압 진동 (oscillation)이 발생한다. 이러한 전류 오버슈트와 전압 진동은 스위칭 전력 손실 (switching-power loss)을 초래하여 인버터 시스템의 전력 효율을 감소시킨다.
이러한 단점을 완화하기 위해, 자기 결합 인덕터 (coupled inductor) 스위칭 기법을 사용하는 3상 split-output 인버터를 제안한다. 자기적으로 결합된 인덕터 스위칭 기술은 3상 split-output 인버터의 각 스위칭 레그에 대해 하나의 보조 (auxiliary) 다이오드와 결합 인덕터를 사용한다.
결합 인덕터의 동작에 의해, 메인 (main) 다이오드 전류는 역-회복 프로세스 없이 보조 다이오드로 이동된다. 제안하는 인버터는 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드의 전류 오버 슈트와 전압 진동을 경감시킴으로써 스위칭 전력 손실을 감소시킬 뿐만 아니라 기존의 인버터에 비해 전력 효율을 향상시킨다. 제안하는 인버터의 성능을 검증하기 위해, 1.0 kW 프로토타입 (prototype) 인버터에 대한 실험 결과를 논의한다.
제안하는 3상 split-output 인버터는 전력 효율을 높여 풍력 시스템 및 태양광 발전 시스템 등의 재생에너지 분야의 3상 계통 연계형 전압원 인버터로 응용될 수 있다.
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