Switching-Cell Current Source Inverter with Improved Reliability : 향상된 신뢰성을 가지는 스위칭 셀 전류원 인버터
전류원 인버터 (CSI)는 산업 분야에서 광범위하게 사용된다. 그러나 CSI는 개방회로 문제로 인해 신뢰성이 부족하다. 따라서 안전한 동작을 위해 게이트 신호에 오버랩 타임(overlap-time)이 필요하다. 오버랩 타임은 출력전류 파형을 왜곡시키고 출력전류의 총 고조파 왜곡(THD)을 증가시켜 인버터에서 전류원의 활용도를 감소시킨다.
CSI의 개방회로 문제는 스위칭 셀(SC) 구조로 완화될 수 있다. 다이오드가 있는 SC 커패시터는 스위치의 dv/dt를 줄이고 회로 개방 시 오버 슈트(overshoot) 전압을 클램프하는 데 도움이 된다. 본 논문에서는 단상 듀얼 출력(DO)과 3상 4-레그 CSI의 새로운 회로방식을 제안한다.
논문 1부에서는 단상 듀얼 출력 스위칭 셀 전류원 인버터(DO-SC-CSI)를 제안한다. 공통 및 상이한 주파수 연산의 두 가지 모드를 고려하고 변조 체계를 포함한 상세한 펄스도 제시한다. 제안된 인버터의 두 출력은 크기와 주파수 모두 독립적이다. 제안된 인버터는 2상 open-end 권선 유도 모터 구동, 스마트 마이크로그리드 어플리케이션, 태양광 그리드 연결 시스템 등과 같은 많은 어플리케이션에 적용될 수 있다.
논문 2부세어서는 H8-SC-CS로 약칭 되는 새로운 4레그 S C-CS I를 제안한다. SC 구조를 사용함으로써 전류원의 전류 통로가 항상 제공된다. 따라서 개방회로 문제가 완화되어 높은 신뢰성을 달성할 수 있다. 또한 스위치 오버랩 시간을 최소화하거나 제거할 수 있기 때문에 출력 전류의 THD가 감소한다.
본 논문에서는 스위칭 셀 전류 소스 인버터의 두 가지 새로운 회로방식에 대한 스위칭 전략, 분석, 설계를 제안하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 이를 검증한다.
Current source inverters (CSIs) are extensively used in many industrial applications. However, they have a reliability issue because CSIs suffer from the open-circuit problem. Thus, overlap-time should be inserted in the gate signals for safe commutation. The overlap-time distorts output current waveforms and increases the total harmonic distortion of output current. Moreover, it reduces the current source utilization of the inverter.
The open-circuit problem in the CSIs can be mitigated with switching-cell (SC) structure. SC capacitors with diodes help to reduce dv/dt of power switches and clamp the over-shoot voltage under open-circuit faults. The new topologies of the single-phase dual-output (DO) and three-phase four-leg CSIs are proposed in this thesis.
The single-phase dual-output switching-cell current source inverter (DO-SC-CSI) is presented in the first part of the thesis. Two modes of common and different frequency operations are considered and detailed pulse with modulation schemes are also presented. The two outputs of the proposed inverter are independent both amplitude and frequency. The proposed inverter can be used in many applications such as two-phase open-end winding induction motor drive, smart microgrid applications, photovoltaic grid-connected systems, etc.
In the second part of the dissertation, a novel four-leg SC-CSI, abbreviated as H8-SC-CSI, is presented. By using SC structure, current paths for the input current source are always provided. Therefore, the open-circuit problem is mitigated and can achieve high reliability. In addition, THD in the output current is reduced because the switch overlap-time is minimized or removed.
The switching strategies, analysis, design, simulation, and experimental verification of two novel topologies of the switching-cell current source inverter are presented in this dissertation.
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