고체 변압기의 공통 모드 전자기 간섭 완화

IEEE Xplore

필드: 전기 표준

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이 기사는 공통적인 DC 링크 MLC들에 대한 포괄적인 검토를 통해 이들의 위상적 진화, 특징, 위상 비교, 변조 기법, 제어 전략, 산업적 응용 분야를 다룹니다. 또한 연구자와 엔지니어들이 이러한 변환기의 잠재적인 응용 및 장점을 더 잘 이해할 수 있도록 미래의 전망과 권장 사항을 논의합니다.

1. 서론

MLC의 주요 진화 단계를 고려할 때, 기존의 MLC 위상은 다음과 같은 그림에서 보여지는 것처럼 몇 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 범주는 CHB 기반 위상을 포함하며, 이러한 변환기는 출력 레벨에 최적의 전력 스위치 수와 높은 모듈성을 특징으로 합니다[31]. 그러나 여러 개의 분리된 DC 소스가 필요하므로, 부피 큰 절연 트랜스포머를 사용하거나 여러 개의 분리된 DC 소스를 가진 응용 분야에 제한됩니다. 또한, 캐스케이드된 전력 셀 간의 불균형한 전력 분배는 이 범주의 일반적인 문제 중 하나입니다. 두 번째 범주는 3L-NPC 및 3L-T2C 변환기를 포함하는 NPC 기반 위상입니다. 이러한 변환기는 견고한 전력 회로와 직관적인 보호를 특징으로 합니다. 그러나 이러한 위상의 제어 설계에서는 DC 링크 균형 조정이 필수적입니다. FC 기반 위상은 클램핑 구성 요소로 캐패시터를 사용하여 레벨 수를 늘리며, 높은 유연성, 높은 중복성 및 장애 허용 작동을 특징으로 하는 MLC 범주를 형성합니다. 하이브리드 MLC는 전통적인 위상의 기본 셀로 구성되므로, 고전적인 MLC의 여러 장점과 높은 레벨 수를 생성할 수 있는 능력을 결합합니다. MMC 위상은 높은 효율성과 높은 모듈성으로 인해 HV 응용 분야에서 혁신적인 MLC 범주를 대표합니다.

Classification of high-power voltage source inverters.png

2. 일반적인 DC 링크 위상

세 단계 활성 NPC(ANPC) 구조는 두 가지 다른 변조 기법인 변조 패턴 I와 II를 사용하여 전력 손실 분산 문제를 해결할 수 있었습니다. 여기서 두 클램핑 다이오드는 영 상태에서 전류 흐름 방향을 제어하기 위해 두 개의 활성 스위치로 교체됩니다. 변조 패턴 I는 각 레그의 외부 스위치에서 대부분의 스위칭 손실이 발생하도록 하고, 패턴 II는 내부 스위치로 스위칭 손실을 이동시킵니다. FC 범주는 클램핑 중립점이 없는 FC를 사용하는 위상을 포함하며, 따라서 DC 링크 균형 조정 문제가 없습니다. 이러한 위상에서는 FC가 DC 소스를 대체하면서 전압 레벨을 생성합니다. 일반적으로 모듈성 덕분에 이 범주는 NPC 범주보다 상대적으로 더 높은 레벨을 생성할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 또한, 유연성, 장애 허용 작동, 그리고 스위치 간의 개선된 손실 분산은 이러한 위상의 주요 특징입니다. 하이브리드 멀티레벨 변환기(HMLCs)는 여러 기본 위상을 결합하여 각각의 장점을 활용하고 일부 한계를 극복합니다. 주로 하이브리드 위상은 NPC 및 FC 위상과 비교하여 필요한 활성 및 비활성 구성 요소의 수를 줄이는 동시에 DC 링크와 FC 모두의 전압 균형 조정 능력과 스위치 간의 전력 손실 분산을 개선할 수 있습니다.

One phase-leg of the conventional three-level NPC inverter.png

3. 변조 및 제어

다단계 변환기에 대한 주요 제어 기법의 분류는 아래 그림에 표시되어 있습니다. 두 단계 변환기와 마찬가지로, 캐스케이드 제어 구조는 일반적으로 외부 및 내부 제어 단계뿐만 아니라 변조기 블록으로 구성됩니다. 내부 및 외부 루프는 두 단계 및 다단계 변환기에서 유사하지만, 주로 스칼라 및 필드 지향 제어(FOC) 기법에 필요한 변조기 단계는 레벨 수가 증가함에 따라 적응해야 합니다. 이 섹션에서는 먼저 가장 인기 있고 고급 변조기에 대한 검토를 제공합니다. 또한 별도의 변조기가 필요하지 않은 제어 기법은 더 자세히 조사됩니다.

Common Control Techniques of Multilevel Converters.png

4. 산업적 응용

역사적으로 CHB 인버터는 모듈성, 장애 허용성, 캐스케이드 셀을 통해 높은 수의 전압 레벨을 생성할 수 있는 능력을 특징으로 합니다. 그러나 여러 개의 분리된 DC 소스(산업 관점에서 보면 정류기+트랜스포머)가 필요하다는 요구 사항은 다양한 전력 등급에 대한 적용 가능성을 제한합니다. 실제로 CHB 인버터는 이러한 등급에 대한 구성 요소가 없는 수백 킬로와트에서 메가와트까지의 고전력 응용 분야에서 주로 사용됩니다. 반면에 일반적인 DC 링크 위상은 단일 DC 소스를 사용하여 3상 산업 시스템과 같은 다양한 응용 분야에서 좋은 대안이 됩니다. 실제로, 모터 드라이브, PV 인버터, 고속 DC 충전기 등에서 3-Leg 3-Wire, 3-Leg 4-Wire, 4-Leg 4-Wire 등의 다양한 구성으로 사용될 수 있습니다.

Common DC-Link MLCs in Industry.png