인버터 회로 - 직류를 교류로 변환

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0. 이 문서에서 설명하는 내용

DC 링크에서 단상 및 3상 AC를 생성하는 하프 브리지 및 풀 브리지 토폴로지
정현파 PWM과 공간 벡터 PWM이 평균 전압을 생성하는 방법
모터, 태양광 발전 시스템(PV PCS) 및 전기 자동차(EV)의 제어, 손실, 데드 타임, EMI 및 보호

1. 인버터란 무엇인가?

인버터는 DC 전원을 빠르게 스위칭하고 필터링 또는 모터 인덕턴스를 사용하여 AC를 합성하는 전력 변환기입니다. 이상적인 스위치는 전압을 연결하거나 차단하는 역할만 하며, 정현파를 직접 생성하지는 않습니다. 펄스 폭, 스위칭 주파수 및 위상을 제어하여 부하가 원하는 기본 주파수 성분을 받도록 합니다.

2. 입력, 출력 및 토폴로지

입력에는 배터리, 정류기 또는 태양광 DC 링크가 포함됩니다. 단상 풀 브리지는 4개의 스위치를 사용하고, 3상 2레벨 브리지는 6개의 스위치를 사용합니다. 상위 및 하위 소자를 동시에 켜면 DC 링크가 단락되어 데드 타임이 발생합니다. NPC, T형, 다단계 및 모듈형 다단계 구성은 고전압 및 고전력에서 소자 간에 전압을 공유합니다.

3. PWM 계산: 먼저 전압 단자를 정의합니다.

이상적인 하프 브리지의 중간 지점은 음의 DC 레일에서 측정했을 때 $0$ 과 $V_{dc}$ 사이에서 스위칭됩니다. 상위 스위치가 주기 $T_s$ 의 일부인 $D$ 동안 켜져 있으면 평균값은 $\bar v_{a-}=D V_{dc}$ 가 됩니다. 이 레일 기준 전압은 AC 부하 양단의 전압과 다릅니다.

양극성 PWM을 사용하는 단상 풀 브리지는 부하 전압을 $+V_{dc}$ 과 $-V_{dc}$ 사이에서 스위칭합니다. 양의 상태가 $D$ 의 비율을 차지하는 경우,

\bar v_{ab}=D V_{dc}+(1-D)(-V_{dc})=(2D-1)V_{dc}

평균값은 $D=0.5$ 에서 0이고, $D>0.5$ 에서는 양수이며, $D<0.5$ 에서는 음수입니다. $D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2$ 을 선택하면 선형 범위 $0\le m\le1$ 에서 평균값이 $mV_{dc}\sin(\omega t)$ 가 됩니다. 여기서 $m$ 은 변조 지수이고 $\omega$ 은 기본 각주파수입니다.

48V DC 링크의 경우, $D=0.75$ 은 24V 주기 평균값을 제공하고, $D=0.25$ 은 -24V를 제공합니다. 순간 스위칭 출력은 ±48V로 유지됩니다. 이는 기본 주파수보다 훨씬 높은 스위칭 주파수를 사용한 예시 계산입니다.

3상 시스템에서는 상전압과 선간전압을 구분해야 합니다. 인덕턴스는 급격한 단자전압 변화나 공통모드 전류를 제거하지 않고 고주파 전류 리플을 억제합니다. Imperix의 단상 인버터 참고 자료의 회로도 및 변조도를 참조하십시오.

4. 기본 아키텍처

바이폴라 풀 브리지에서 +48V일 때 75%의 사이클 동안의 평균값은 얼마입니까?

이상적인 평균값은 0.75×48−0.25×48 = 24V입니다. 평균값을 계산하기 전에 단자 쌍과 스위칭 상태를 정의하십시오.

5. 제어 루프 및 모터

모터 드라이브에서 외부 속도 또는 위치 루프는 $q$ 축 전류를 제어하고, 내부 전류 루프는 PWM 듀티 사이클을 업데이트합니다. $i_d=0$ 및 자기 저항 토크를 무시하는 표면 영구 자석 PMSM의 경우, $p$ 는 극쌍 수, $\psi_f$ 는 영구 자석 자속 연쇄, $i_q$ 는 $q$ 축 전류입니다.

T_e\simeq\frac{3}{2}p\psi_f i_q

따라서 토크는 $i_q$ 를 따릅니다. 이 관계식은 포화, 저항 강하, 자기저항 토크 및 전류 제한을 고려하지 않으므로, 측정된 기계 토크를 그 자체로 보장할 수는 없습니다. 고속에서는 자계 약화로 인해 역기전력이 감소합니다. 유도 전동기는 자속 및 슬립 주파수 추정이 필요합니다. 센서 해상도, 전류 샘플링 시점 및 데드타임 보상은 저속 토크 리플을 결정합니다.

6. 손실, 열 및 EMI

선형 중첩 전환 가정을 사용하면 스위칭 및 전도 손실은 다음과 같이 근사화됩니다.

P_{sw}\simeq\frac{1}{2}VI(t_{on}+t_{off})f_s,\qquad P_{cond}\simeq I_{rms}^2R_{on}

이 추정치는 소자 스위칭 파형, 다이오드 역회복, 온도 및 기생 성분을 고려하여 보정해야 합니다. $f_s$ 값이 높을수록 필터 및 모터 리플은 감소하지만 손실, 게이트 구동 전력 및 EMI는 증가합니다. SiC 및 GaN은 속도를 향상시키지만 기생 인덕턴스 오버슈트, 거짓 턴온 등의 문제를 야기할 수 있습니다. 연면거리/절연거리는 엄격한 레이아웃 요구 사항이 됩니다. $T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc}$ 는 1차 추정치이며, 과도 열 임피던스, 냉각수 온도 및 단락 과부하는 검증이 필요합니다.

7. 토폴로지 비교

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8. 까다로운 조건 및 보호

단락은 수 마이크로초 만에 스위치를 파손시킬 수 있으므로 DESAT 게이트 드라이버 감지, 전류 센서, 퓨즈 및 하드웨어 차단이 계층화됩니다. 과도한 데드 타임은 전압 오차와 저속 토크 왜곡을 유발합니다. 긴 모터 케이블은 반사 서지와 베어링 전류를 발생시킵니다. 계통 연결 시에는 계통 분리 방지, 위상 동기화, 전류 고조파, 계통 손실 시 차단 기능 등이 추가적으로 요구됩니다. 완벽한 설계에는 프리차지, 절연 모니터링, 그리고 정지 후 DC 링크 커패시터에 남아 있는 고장 에너지도 포함됩니다.

9. 실제적인 선택 사항

EV 및 서보: 연속 및 피크 전류, 회생 전압, 냉각, 작동 주기 동안의 위치 감지 기능을 평가합니다.
PV PCS: MPPT 범위, 계통 전압, 역률/무효 전력, 고조파, 계통 분리 방지 기능을 확인합니다.
UPS: 전환 시간, 바이패스, 돌입 전류, 이중화 기능을 우선적으로 고려합니다.
고주파 소형 전원 공급 장치: GaN 기술의 속도를 활용하기 전에 레이아웃, EMI, 절연 테스트를 먼저 수행합니다.

10. 3줄 요약

인버터는 PWM을 사용하여 스위치 상태의 평균값을 계산하여 DC에서 AC를 합성합니다.

모터 드라이브 전류, 속도 및 위치 루프를 닫습니다. 계통 연계형 인버터는 위상, 전류 및 계통 분리 방지 루프를 닫습니다. 효율은 데드 타임, 발열, EMI, 단락 차단 및 절연과 함께 검증해야 합니다.

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