계조(階調) 제어형 인버터와 그 응용

계조(階調) 제어형 인버터와 그 응용 개요 파워일렉트로닉스 기기를 대표하는 인버터 장치에서는 보다 고정밀도 파형을 출력하고, 보다 고속으로 부하를 제어하기 위해 스위칭 고주파화를 진행해 왔다. MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)와 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 전압 제어형 파워디바이스의 출현으로 스위칭 주파수가 비약적으로 증가하면서 소용량의 스위칭 전원에서는 MHz을 초과하는 것이 당연시 됐다. 그러나 스위칭 주파수가 증가하면 파워디바이스의 손실도 늘어나 소자 부담이 커진다. 게다가 전자 노이즈와 출력 배선과의 간섭으로 마이크로 서지가 증가한다는 문제가 발생한다. 이들 문제를 해결하기 위해 미츠비시전기에서는 ‘계조제어형 인버터(Gradationally Controlled Voltage Inverter)’라 명명한 새로운 방식의 인버터 개발을 추진하고 있다. 이 인버터는 직류입력 전압 비가 2진수 또는 3진수가 되는 2대 이상의 인버터를 직렬접속하고 각각의 출력전압 합이 의사정현파가 되도록 각 인버터 출력을 편성하는 것이다. 이로 인해 파워디바이스의 스위칭 주파수를 대폭 줄일 수 있어 전자 노이즈의 저감과 인버터 효율 향상이 가능해 진다. 게다가 고주파 스위칭을 채용한 종래의 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터에 필요한 출력 평활용 LC필터를 생략할 수 있어 인버터의 소형화·비용 절감화를 추구할 수 있다. 본고에서는 계조제어형 인버터의 기본구성과 동작에 관해 설명하면서, 동시에 파워 일렉트로닉스 기기로 실용화하기 위한 과제와 대책에 대해 설명한다. 또한 전력 품질개선을 위한 순저보호장치와 무정전전원장치(Uninterruptible Power Supply : UPS)의 응용 예에 관해서도 설명한다. UPS 등 배전계통에 접속되는 파워 일렉트로닉스 기기에서는 정현파전압을 부하로 출력할 필요가 있다. 그러기 위해서는 PWM 인버터를 이용할 경우, 인버터의 다음 단계에서 평활용 LC필터를 설치해 직사각형파 모양의 전압을 정현파로 만드는 것이 일반적이다. 그러나 필터를 구성하는 리액터는 중량부품이기 때문에 장치 경량화에 방해가 될 뿐 아니라, 무효전력을 발생해 인버터의 피상전력을 증가시킨다는 문제가 있다. 파워디바이스의 스위칭 주파수를 증가시키면 LC필터를 소형화할 수 있지만, 반대로 스위칭 손실과 전자 노이즈가 증가한다는 문제를 낳는다. 이들 문제를 해결하기 위해 미츠비시전기는 계조제어형 인버터라 명명한 새로운 방식의 인버터 개발을 추진해 왔다. 본고에서는 계조제어형 인버터의 기본구성과 동작에 관해 설명하면서, 동시에 순저보호장치와 UPS의 적용 예에 대해서도 설명한다. 계조제어형 인버터 기본구성과 동작 <그림2>과 같이 계조제어형 인버터는 직류전압이 서로 다른 2대 이상의 전압형 인버터를 직렬 접속한 것이다. 각 인버터의 직류전압 비는 2진수 또는 3진수의 관계를 갖고 있기 때문에 이들 전압의 편성으로 총 출력전압을 제어한다. 각 인버터를 ‘비트 인버터’라 이름하고 직류전압이 낮은 쪽부터 순차적으로 1비트(B1), 2비트(B2), ...라 칭한다. 2진 3비트 구성인 경우는 편극 7계조의 전압을 출력할 수 있기 때문에 제로를 더해 양극에서는 15계조가 된다. 3진 3비트 구성인 경우 마이너스 출력을 이용함으로써 편극 13계조, 양극 27계조의 전압을 출력할 수 있다. 비트 수를 증가시키면 계조 수를 용이하게 증가시킬 수 있기 때문에 3진 4비트 구성인 경우에는 양극 81계조 전압을 출력할 수 있다. 이와 같은 계조제어형 인버터의 최대 특징은 스위칭 주파수를 대폭 저감할 수 있다는 것이다. 예를 들면 2진 3비트 구성의 예에서는 B3은 기본파 1주기에 대해 1회밖에 스위칭하지 않는다. B2, B1도 각각 3회와 7회로 매우 적다. 따라서 종래 PWM 인버터에 비해 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있다. 게다가 각 비트 인버터의 직류전압이 서로 다르다는 점에서 비트 인버터마다 손실이 최소가 되는 파워 디바이스를 사용할 수 있다. <그림3>은 2진 3비트 구성의 계조제어형 인버터와 종래 PWM 인버터의 출력전압 고조파의 FFT(Fast Fourier Transform) 해석결과다. 계조제어형 인버터는 출력 고조파성분이 매우 작아 노이즈 필터를 생략할 수도 있다. 실용화를 위한 과제와 대책 계조제어형 인버터를 실용화하기 위한 과제는 ① 주변부속회로 삭감, ② 출력제어성 향상이다. 1. 주변 부속회로 삭감 예를 들면 2진 3비트의 계조제어형 인버터에서는 B1, B2, B3의 비트 인버터 전력비는 그 전압비에 대체로 비례한다. 때문에 B1, B2에도 직류 측에 대용량의 컨버터가 필요해지면서 회로를 복잡하게 또는 비용을 높이게 된다. 이 문제를 해결하는 것이 비트 간 에너지를 유용하게 하는 제어기술이다. 파형출력의 패턴을 제어함으로써 각 비트 사이에서 에너지를 주고받으며 B1, B2의 직류 전원전력의 평균치를 제로로 만드는 것이다. <표1>에 나타내듯이 동일 출력계조에 비해 비트 인버터의 출력전압 조합은 복수조로 존재한다. 부하전류의 극성을 정(正)으로 가정한다. 각 조합을 통해 정 전압을 출력하는 비트 인버터는 직류 콘덴서에서 에너지를 방전하도록 동작한다. 반대로 부(負) 전압을 출력하는 비트 인버터는 직류 콘덴서에 에너지를 충전하도록 동작한다. 이와 같은 충전과 방전의 2가지 동작모드를 선택 제어함으로써 비트 인버터의 평균 출력전력을 제로로 만드는 일이 가능하다. 그 결과 직류 콘덴서의 충전용 전원을 생략할 수 있다. 예를 들면 출력계조가 1인 경우, 패턴1- ①을 선택하면 B1의 직류 콘덴서는 방전되고, 패턴1- ②를 선택하면 B1의 직류 콘덴서를 충전할 수 있다. B2에 대해서도 패턴3- ① 등의 정 출력 패턴을 선택하면 직류 콘덴서를 방전할 수 있으며, 반대로 패턴3- ③ 등의 부 출력 패턴을 선택하면 충전이 가능하다. 2. 전압제어성 향상 계조제어형 인버터의 출력 정밀도를 더욱 높이기 위해 각 계조전압 사이를 한층 미세하게 만드는 기술을 개발했다. <그림4>은 3진 4비트 구성인 경우의 예이다. B1~B4의 직류 전압비는 1:1:3:9이며, B2~B4는 3진 동작을 통해 13계조를 출력한다. 한편, B1은 B2~B4에 따라 출력된 계단 모양의 전압과 정현파전압 지령과의 차전압(差電壓)을 출력하도록 PWM제어된다. 이로써 B2~B4의 스위칭 횟수를 증가시키지 않고 작은 필터를 설치하는 것만으로 섬세한 정현파 전압을 얻을 수 있다. 계조제어형 인버터의 응용 예 1. 계조제어형 순저 보호장치 <그림5>에 2진 4비트의 계조제어형 순저보호 장치의 구성을 나타낸다. 계조제어형 인버터는 계통에 직렬로 삽입돼 있으며 전압이 부족한 분량만을 보충하는 부족전압 직렬 보상방식을 채용하고 있다. 계통이 정상일 때는 릴레이를 도통시켜 인버터를 바이패스 해 손실을 저감한다. 순저가 발생하면 릴레이를 개방해 계조제어형 인버터가 부족전압을 보상한다. 각 비트 인버터의 직류 콘덴서 사이에서는 비트 간 에너지유용제어를 실시해 보상 출력전압이 작은 경우라도 거의 전 비트의 콘덴서 에너지를 유효하게 이용할 수 있다. 그 결과 반도체 제조장치의 규격 SEMI-F47을 만족하는 장시간의 보상능력을 실현했다. <그림6>은 100% 순저를 보호한 경우의 부하전압파형이다. 보호 장치는 4ms 이하에서 보호를 시작함으로써, 이후 안전한 보호동작을 나타내고 있다는 것을 알 수 있다. 개발한 단상 5kVA의 순저보호 장치는 계조제어형 인버터와 부족전압 직렬 보상방식 채용으로 동일 용량의 UPS에 비해 체적 1/10(미츠비시전기사 대비)까지 소형화할 수 있었다. 2. 계조제어형 UPS <그림7>은 3진 4비트 구성의 계조제어형 인버터를 적용한 UPS의 회로구성을 나타내고 있다. 계통에 병렬 접속한 3비트 인버터와 계통에 직렬로 접속한 비트 인버터로 계조제어형 인버터를 구성한다. 정전 시 백업 보상, 과부족 전압 보상, 액티브 필터 보상의 각 기능을 겸비한 계조제어형 트랜스 로스 라인 인터랙티브(trance loess line Interactive) 방식이다. <그림8>은 시작한 UPS에서 정전 보상 시 출력전압 파형이다. 그림에서 직병렬 비트 인버터가 4비트의 계조제어형 인버터로 작용해 고정밀도 파형을 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 계조제어형 UPS에서는 종래 트랜스 식 라인 인터랙티브 UPS에서 발생하던 트랜스 여자손이 없어지기 때문에 고효율화가 가능하다. 시작한 1.5kVA의 UPS에서는 입력 100V 시 98%의 최대효율, 그 밖의 입력 전압 범위에서 95% 이상의 효율을 얻을 수 있었다. 20세기의 파워 일렉트로닉스를 대표하는 PWM 인버터는 현재 EMI(Electro Magnetic Interference) 노이즈나 마이크로 서지 등 고주파화로 인한 과제를 안고 있다. 21세기 파워 일렉트로닉스 기술을 더욱 크게 진화시키기 위해서는 이들 과제를 해결할 새로운 기술이 필요하다. 본고에서는 그 유력한 후보 중 하나로 계조제어형 인버터를 제안했다. 계조제어형 인버터를 이용함으로써 평균적인 스위칭 주파수를 2자리 정도 저하시킬 수 있어 고주파화로 수반되는 문제가 대폭적으로 완화 가능하다. 향후, 계조제어형 인버터와 SiC 등 신 디바이스와 편성시킴으로써 21세기의 PWM 인버터를 비약적으로 진화시켜갈 예정이다.