KR102592228B1 - Device and method for controlling non-isolated buck-boost inverter - Google Patents

Device and method for controlling non-isolated buck-boost inverter Download PDF

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박정욱
우스만 알리 칸
송민석
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 출력 전압의 부호를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 비절연 벅-부스트 인버터 내에 포함된 복수의 스위치의 온/오프(on/off)를 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 듀티 비에 기초하여 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 비절연 벅-부스트 인버터는, 서로 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치; 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치; 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 마디 및 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 마디에 연결된 제1 양방향 스위치 및 제2 양방향 스위치를 포함하고, 상기 제1 양방향 스위치 및 상기 제2 양방향 스위치는 상기 제1 내지 제4 스위치보다 높은 주파수로 동작할 수 있다.The non-isolated buck-boost inverter control device of the present invention determines the sign of the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter, and turns on/off a plurality of switches included in the non-isolated buck-boost inverter according to the determination result. and a control unit that controls (on/off) based on a duty ratio related to the duty cycle of the control signal, wherein the non-isolated buck-boost inverter includes: a first switch and a second switch connected in series with each other; a third switch and a fourth switch connected in parallel with the first switch and the second switch and connected in series with each other; A first two-way switch and a second two-way switch connected to a node between the first switch and the second switch and a node between the third switch and the fourth switch, and the first two-way switch and the second two-way switch. The switch may operate at a higher frequency than the first to fourth switches.

Description

비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치 및 제어 방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING NON-ISOLATED BUCK-BOOST INVERTER}Non-isolated buck-boost inverter control device and control method {DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING NON-ISOLATED BUCK-BOOST INVERTER}

본 발명은 비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 비절연 인버터의 문제인 누설 전류를 해결하고, 동시에 인버터의 출력 전압을 승압 및 강압할 수 있는 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-isolated buck-boost inverter control device and control method, and more specifically, to a control device and method that can solve leakage current, which is a problem of non-isolated inverters, and simultaneously boost and step down the output voltage of the inverter. It's about.

인버터는 DC 입력을 AC 출력으로 변환하는 데 사용되며, 전압 전원 인버터 또는 전류 전원 인버터로 분류될 수 있다. 전압 전원 인버터는 다양한 산업 응용 분야, 특히 재생 가능 에너지 시스템(예를 들어, 태양광 발전 시스템)에 널리 사용된다. 그러나, 태양광 발전 패널의 출력 전압이 음영 및 온도 변화에 영향을 받는 것처럼, 재생 가능 에너지원의 출력 전압은 주위 환경에 따라 크게 변동할 수 있다. 따라서, 변동하는 출력 전압을 조절하려면 인버터 시스템에 벅-부스트 전력 변환 기능이 있어야 한다.Inverters are used to convert DC input to AC output and can be classified as voltage power inverters or current power inverters. Voltage power inverters are widely used in various industrial applications, especially renewable energy systems (e.g. solar power systems). However, just as the output voltage of a solar power panel is affected by shading and temperature changes, the output voltage of a renewable energy source can fluctuate significantly depending on the surrounding environment. Therefore, to regulate the fluctuating output voltage, the inverter system must have a buck-boost power conversion function.

부스트 DC-DC 컨버터와 H-브릿지 인버터가 있는 두 단계 벅-부스트 인버터는 출력 전압을 승압 및 강압하여 조절할 수 있다. 그러나, 두 단계 벅-부스트 인버터는 복잡한 제어, 두 단계의 전력 처리 및 낮은 효율성과 같은 문제점이 존재한다. 따라서, 위 문제를 해결할 수 있는 단일 단계의 비절연 벅-부스트 인버터가 필요하다.A two-stage buck-boost inverter with a boost DC-DC converter and an H-bridge inverter can regulate the output voltage by stepping up and down. However, two-stage buck-boost inverters have problems such as complex control, two-stage power processing, and low efficiency. Therefore, a single-stage non-isolated buck-boost inverter that can solve the above problems is needed.

본 발명의 일 과제는 고주파에서 동작하는 스위치의 개수를 줄여 누설 전류를 해결하는 인버터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.One object of the present invention relates to an inverter control device and method for solving leakage current by reducing the number of switches operating at high frequencies.

본 발명의 일 과제는 출력 전압을 승압 및 강압하여 조절할 수 있는 인버터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.One object of the present invention relates to an inverter control device and method that can adjust the output voltage by boosting and lowering it.

일 실시예에 따른 비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치는 비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치에 있어서, 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 출력 전압의 부호를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 비절연 벅-부스트 인버터 내에 포함된 복수의 스위치의 온/오프(on/off)를 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 듀티 비에 기초하여 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 비절연 벅-부스트 인버터는, 서로 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치; 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치; 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 마디 및 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 마디에 연결된 제1 양방향 스위치 및 제2 양방향 스위치를 포함하고, 상기 제1 양방향 스위치 및 상기 제2 양방향 스위치는 상기 제1 내지 제4 스위치보다 높은 주파수로 동작할 수 있다.A non-isolated buck-boost inverter control device according to an embodiment is a non-isolated buck-boost inverter control device that determines the sign of the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter and controls the non-isolated buck boost inverter according to the determination result. - A control unit that controls on/off of a plurality of switches included in the boost inverter based on a duty ratio related to the duty cycle of the control signal, the non-isolated buck-boost inverter comprising: a first switch and a second switch connected in series with each other; a third switch and a fourth switch connected in parallel with the first switch and the second switch and connected in series with each other; A first two-way switch and a second two-way switch connected to a node between the first switch and the second switch and a node between the third switch and the fourth switch, and the first two-way switch and the second two-way switch. The switch may operate at a higher frequency than the first to fourth switches.

여기서, 상기 제1 양방향 스위치는 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자를 포함하고, 상기 제2 양방향 스위치는 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자를 포함할 수 있다.Here, the first two-way switch may include a first switch element and a second switch element, and the second two-way switch may include a third switch element and a fourth switch element.

여기서, 상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우, 상기 제1 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 소자 및 상기 제4 스위치 소자를 온 상태로 동작하게 하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 오프 상태로 동작하게 하고, 상기 제1 스위치 소자는 제1 제어 신호에 기초하여 제어하고, 상기 제2 스위치 소자는 제2 제어 신호에 기초하여 제어할 수 있다.Here, when the sign of the output voltage is positive, the control unit operates the first switch, the fourth switch, the second switch element, and the fourth switch element in an on state, and the second switch and the fourth switch element are turned on. 3 The switch may be operated in an off state, the first switch element may be controlled based on a first control signal, and the second switch element may be controlled based on a second control signal.

여기서, 상기 제어부는 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 각각 제1 듀티 비 및 제2 듀티 비에 기초하여 생성하고, 상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 입력 전압 및 출력 전압의 비인 변조 지수 및 라인 주파수에 의해서 정해지고, 상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비의 합은 1일 수 있다.Here, the control unit generates the first control signal and the second control signal based on a first duty ratio and a second duty ratio, respectively, and the first duty ratio and the second duty ratio are the non-isolated buck- It is determined by the modulation index and line frequency, which are the ratio of the input voltage and output voltage of the boost inverter, and the sum of the first duty ratio and the second duty ratio may be 1.

여기서, 상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우, 상기 제1 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제1 모드로 설정하고, 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제2 모드로 설정하고, 상기 제1 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 온 상태인 경우를 제3 모드로 설정하고, 상기 제1 모드, 상기 제2 모드, 상기 제3 모드 및 다시 상기 제2 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.Here, when the sign of the output voltage is positive, the control unit sets the first mode to the first mode when the first switch element is in an on state and the third switch element is in an off state, and the first switch element and the third switch element are set to the first mode. The case in which the switch element is in the off state is set to the second mode, and the case in which the first switch element is in the off state and the third switch element is in the on state is set to the third mode, and the first mode and the second mode are set to the third mode. The first control signal and the second control signal may be generated so that the mode, the third mode, and the second mode are sequentially repeated.

여기서, 상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 음인 경우, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자를 온 상태로 동작하게 하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 오프 상태로 동작하게 하고, 상기 제2 스위치 소자는 제3 제어 신호에 기초하여 제어하고, 상기 제4 스위치 소자는 제4 제어 신호에 기초하여 제어할 수 있다.Here, when the sign of the output voltage is negative, the control unit operates the second switch, the third switch, the first switch element, and the third switch element in an on state, and the first switch and the third switch element are turned on. 4 The switch may be operated in an off state, the second switch element may be controlled based on a third control signal, and the fourth switch element may be controlled based on a fourth control signal.

여기서, 상기 제어부는 상기 제3 제어 신호 및 상기 제4 제어 신호를 각각 제3 듀티 비 및 제4 듀티 비에 기초하여 생성하고, 상기 제3 듀티 비 및 상기 제4 듀티 비는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 입력 전압 및 출력 전압의 비인 변조 지수 및 라인 주파수에 의해서 정해지고, 상기 제3 듀티 비 및 상기 제4 듀티 비의 합은 1일 수 있다.Here, the control unit generates the third control signal and the fourth control signal based on the third duty ratio and the fourth duty ratio, respectively, and the third duty ratio and the fourth duty ratio are the non-isolated buck- It is determined by the modulation index and line frequency, which are the ratio of the input voltage and output voltage of the boost inverter, and the sum of the third duty ratio and the fourth duty ratio may be 1.

여기서, 상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 음인 경우, 상기 제2 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제4 모드로 설정하고, 상기 제2 스위치 소자 및 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제5 모드로 설정하고, 상기 제2 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 온 상태인 경우를 제6 모드로 설정하고, 상기 제4 모드, 상기 제5 모드, 상기 제6 모드 및 다시 상기 제5 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제3 제어 신호 및 상기 제4 제어 신호를 생성할 수 있다.Here, when the sign of the output voltage is negative, the control unit sets the fourth mode when the second switch element is in an on state and the fourth switch element is in an off state, and the second switch element and the fourth switch element are set to the fourth mode. The case in which the switch element is in the off state is set to the fifth mode, and the case in which the second switch element is in the off state and the fourth switch element is in the on state is set to the sixth mode, and the fourth mode and the fifth mode are set to the sixth mode. The third control signal and the fourth control signal may be generated so that the mode, the sixth mode, and the fifth mode are sequentially repeated.

일 실시예에 따른 비절연 벅-부스트 인버터의 제어 방법은 제1 내지 제4 스위치 및 제1 내지 제2 양방향 스위치를 포함하는 비절연 벅-부스트 인버터의 제어 방법에 있어서, 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 출력 전압의 부호를 판단하는 단계; 상기 출력 전압의 부호에 따라 상기 제1 내지 제4 스위치의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계; 상기 출력 전압의 부호에 따라 상기 제1 내지 제2 양방향 스위치가 상기 제1 내지 제4 스위치보다 높은 주파수로 동작하도록 각각을 제어하는 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.A method of controlling a non-isolated buck-boost inverter according to an embodiment is a method of controlling a non-isolated buck-boost inverter including first to fourth switches and first to second bidirectional switches, wherein the non-isolated buck-boost determining the sign of the output voltage of the inverter; controlling on/off of the first to fourth switches according to the sign of the output voltage; It may include generating first and second control signals that control the first to second bidirectional switches to operate at a higher frequency than the first to fourth switches depending on the sign of the output voltage.

여기서, 상기 제1 내지 제4 스위치의 온/오프를 제어하는 단계는, 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제1 스위치와 병렬 연결된 상기 제4 스위치를 온 상태로 동작하게 하고, 상기 제1 스위치와 직렬 연결된 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치와 직렬 연결된 상기 제3 스위치를 오프 상태로 동작하게 하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the step of controlling the on/off of the first to fourth switches includes operating the first switch and the fourth switch connected in parallel with the first switch in the on state when the sign of the output voltage is positive. and operating the second switch in series with the first switch and the third switch in series with the fourth switch in an off state.

여기서, 상기 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계는, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 각각 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 제1 듀티 비 및 제2 듀티 비에 기초하여 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 입력 전압 및 출력 전압의 비인 변조 지수 및 라인 주파수에 의해서 정해지고, 상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비의 합은 1일 수 있다.Here, the step of generating the first and second control signals bases the first control signal and the second control signal on a first duty ratio and a second duty ratio, respectively, related to the duty cycle of the control signal. and generating, wherein the first duty ratio and the second duty ratio are determined by a modulation index and a line frequency that are the ratio of the input voltage and the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter, and the first duty ratio And the sum of the second duty ratios may be 1.

여기서, 상기 제1 양방향 스위치에 포함된 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자와 상기 제2 양방향 스위치에 포함된 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 온/오프 동작에 따라 모드를 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계는, 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우, 상기 제1 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 제1 모드, 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 제2 모드, 상기 제1 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 온 상태인 제3 모드 및 다시 상기 제2 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 생성하는 단계일 수 있다.Here, setting the mode according to the on/off operation of the first and second switch elements included in the first two-way switch and the third and fourth switch elements included in the second two-way switch. Further comprising: generating the first and second control signals, when the sign of the output voltage is positive, a first mode in which the first switch element is in an on state and the third switch element is in an off state, A second mode in which the first switch element and the third switch element are in an off state, a third mode in which the first switch element is in an off state and the third switch element is in an on state, and the second mode are sequentially repeated. This may be a step of generating the first control signal and the second control signal.

여기서, 상기 제1 양방향 스위치에 포함된 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자와 상기 제2 양방향 스위치에 포함된 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 온/오프 동작에 따라 모드를 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계는, 상기 출력 전압의 부호가 음인 경우, 상기 제2 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 제4 모드, 상기 제2 스위치 소자 및 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 제5 모드, 상기 제2 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 온 상태인 제6 모드 및 다시 상기 제5 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 생성하는 단계일 수 있다.Here, setting the mode according to the on/off operation of the first and second switch elements included in the first two-way switch and the third and fourth switch elements included in the second two-way switch. Further comprising: generating the first and second control signals, when the sign of the output voltage is negative, a fourth mode in which the second switch element is in an on state and the fourth switch element is in an off state, A fifth mode in which the second switch element and the fourth switch element are in an off state, a sixth mode in which the second switch element is in an off state and the fourth switch element is in an on state, and the fifth mode are sequentially repeated. This may be a step of generating the first control signal and the second control signal.

여기서, 상기 비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.Here, a computer program stored in a computer-readable recording medium may be provided to execute the non-isolated buck-boost inverter control method.

본 발명의 일 실시예에 따르면 고주파에서 동작하는 스위치의 개수를 감소시켜 누설 전류를 해결하는 인버터 제어 장치 및 방법이 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an inverter control device and method that solves leakage current by reducing the number of switches operating at high frequencies can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면 출력 전압을 승압 및 강압하여 조절할 수 있는 인버터 제어 장치 및 방법이 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an inverter control device and method that can adjust the output voltage by boosting and lowering it can be provided.

도 1은 변압기가 없는 단일 단계 그리드가 연결된 태양광 발전 인버터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어 장치의 인버터 스위칭 방법을 나타낸 타이밍도이다.
도 4는 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 단순화된 회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본원 발명의 인버터의 제어 신호 입력을 위한 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 6은 출력 전압의 부호가 양인 경우 인버터의 모드에 따른 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 출력 전압의 부호가 음인 경우 인버터의 모드에 따른 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 인버터의 부스트 동작에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 인버터의 벅 동작에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram showing a transformerless single-stage grid-connected solar power inverter.
Figure 2 is a diagram showing an inverter circuit according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a timing diagram showing an inverter switching method of an inverter control device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing a simplified circuit of an inverter according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a block diagram for inputting control signals to the inverter of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing a circuit according to the mode of the inverter when the sign of the output voltage is positive.
Figure 7 is a diagram showing a circuit according to the mode of the inverter when the sign of the output voltage is negative.
Figure 8 is a graph showing simulation results in the boost operation of the inverter.
Figure 9 is a graph showing simulation results in the buck operation of the inverter.

본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The embodiments described in this specification are intended to clearly explain the idea of the present invention to those skilled in the art to which the present invention pertains, and the present invention is not limited to the embodiments described in this specification, and the present invention is not limited to the embodiments described in this specification. The scope should be construed to include modifications or variations that do not depart from the spirit of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 판례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.The terms used in this specification are general terms that are currently widely used as much as possible in consideration of their function in the present invention, but this may vary depending on the intention of those skilled in the art, precedents, or the emergence of new technology in the technical field to which the present invention belongs. You can. However, if a specific term is defined and used with an arbitrary meaning, the meaning of the term will be described separately. Therefore, the terms used in this specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and the overall content of this specification, not just the name of the term.

본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.The drawings attached to this specification are intended to easily explain the present invention, and the shapes shown in the drawings may be exaggerated as necessary to aid understanding of the present invention, so the present invention is not limited by the drawings.

본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 도는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.In this specification, if it is determined that a detailed description of a known configuration or function related to the present invention may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted as necessary.

도 1은 변압기가 없는 단일 단계 그리드가 연결된 태양광 발전 인버터를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a transformerless single-stage grid-connected solar power inverter.

도 1을 참조하면, DC 입력을 AC 출력으로 변환하는 계통 연계형 인버터는 태양광 패널 및 그리드와 연결될 수 있다. 계통 연계형 인버터는 일반적으로 직접적인 송전, 배전 및 소비에 적용될 수 있다.Referring to Figure 1, a grid-connected inverter that converts DC input to AC output can be connected to solar panels and the grid. Grid-connected inverters can generally be applied to direct transmission, distribution and consumption.

인버터는 절연형 인버터 및 비절연형 인버터로 분류될 수 있다. 절연형 인버터는 누설 전류 감소 측면에서 유리하지만, 저주파 또는 고주파 변압기가 필요하다는 문제가 존재한다.Inverters can be classified into isolated inverters and non-isolated inverters. Isolated inverters are advantageous in terms of reducing leakage current, but they have the problem of requiring a low-frequency or high-frequency transformer.

저주파 변압기는 부피가 매우 커서 인버터의 전력 밀도가 낮아지며, 고주파 변압기는 비교적 부피가 작고 비용이 적게 들지만, 다양한 컨버터 단계로 인해 효율이 낮다. 따라서, 태양광 발전 시설에는 변압기가 필요 없는 비절연형 인버터가 유리할 수 있다.Low-frequency transformers are very bulky, which reduces the power density of the inverter, while high-frequency transformers are relatively compact and low-cost, but have lower efficiency due to the various converter stages. Therefore, a non-isolated inverter that does not require a transformer may be advantageous for solar power generation facilities.

그러나, 변압기가 없는 비절연형 인버터는 누설 전류와 관련된 문제가 존재한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 누설 전류(I_leakage)는 기생 커패시터(Cp)를 통해 태양광 어레이와 그리드 사이를 순환한다. 상기 누설 전류로 인해 시스템 신뢰성 및 효율성이 저하될 수 있으며, 전파 방해(EMI: Electromagnetic Interference) 및 전기 안전과 관련된 문제가 발생할 수 있다.However, non-isolated inverters without a transformer have problems related to leakage current. As shown in Figure 1, leakage current (I_leakage) circulates between the solar array and the grid through the parasitic capacitor (Cp). Due to the leakage current, system reliability and efficiency may be reduced, and problems related to electromagnetic interference (EMI) and electrical safety may occur.

위 문제와 관련해, 종래는 누설 전류를 다루기 위해 다양한 토폴로지가 제안되었다. 그러나, 해당 토폴로지들은 인버터의 출력 전압에 대해 강압 동작만을 수행하고, 승압 및 강압 동작을 모두 수행하기는 어렵다.Regarding the above problem, various topologies have been conventionally proposed to deal with leakage current. However, the corresponding topologies only perform a step-down operation on the output voltage of the inverter, and it is difficult to perform both step-up and step-down operations.

따라서, 본원 발명은 비절연형 인버터의 누설 전류 문제를 해결할 수 있고, 태양광 발전 패털의 환경에 따라 유동적으로 인버터의 출력 전압을 승압 및 강압하는 벅-부스트 전력 변환 기능을 가진 비절연형 벅-부스트 인버터(이하, 인버터)를 제안한다.Therefore, the present invention is a non-isolated buck-boost inverter that can solve the leakage current problem of a non-insulated inverter and has a buck-boost power conversion function that flexibly boosts and lowers the output voltage of the inverter depending on the environment of the solar power generation panel. (hereinafter referred to as inverter) is proposed.

도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터 회로를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing an inverter circuit according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터 회로는 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 인버터 회로는 라인 주파수에서 동작하는 4개의 스위치(S1, S2, S3 및 S4)와 고주파에서 동작하는 2개의 양방향 스위치(Sa 및 Sb)를 포함할 수 있다. 이때, 라인 주파수는 인버터와 연계된 계통의 주파수일 수 있다.Referring to FIG. 2, an inverter circuit according to an embodiment of the present invention may include a plurality of switches. The inverter circuit may include four switches (S1, S2, S3, and S4) operating at line frequency and two bidirectional switches (Sa and Sb) operating at high frequency. At this time, the line frequency may be the frequency of the system linked to the inverter.

본원 발명의 인버터는 고주파에서 동작하는 스위치의 개수가 2개로 비교적 적기 때문에, 종래의 인버터 토폴로지보다 전력 손실을 크게 줄일 수 있다. 즉, 모든 스위치가 고주파에서 동작하는 종래의 토폴로지보다 고주파에서 동작하는 스위치의 개수가 적기 때문에, 스위치 간 상호 작용에 의한 전파 방해(EMI)가 감소하여, 전력 손실을 줄일 수 있다.Since the inverter of the present invention has a relatively small number of switches operating at high frequencies (two), power loss can be greatly reduced compared to the conventional inverter topology. That is, since the number of switches operating at high frequencies is smaller than in the conventional topology in which all switches operate at high frequencies, electromagnetic interference (EMI) due to interaction between switches is reduced, thereby reducing power loss.

인버터 회로에서, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 서로 직렬로 연결되어 있다. 또한, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 서로 직렬로 연결되어 있다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는 서로 병렬로 연결되어 있다.In the inverter circuit, the first switch (S1) and the second switch (S2) are connected in series with each other. Additionally, the third switch (S3) and the fourth switch (S4) are connected to each other in series. The first switch (S1), the second switch (S2), the third switch (S3), and the fourth switch (S4) are connected to each other in parallel.

인버터 회로에서, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 마디 및 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 마디에는 제1 양방향 스위치(Sa) 및 제2 양방향 스위치(Sb)를 포함하는 회로단이 연결될 수 있다. 따라서, 본원 발명의 토폴로지는 풀브릿지 토폴로지 또는 H-브릿지 토폴로지의 일종일 수 있다.In the inverter circuit, a first two-way switch Sa and a second two-way switch are provided at the node between the first switch S1 and the second switch S2 and the node between the third switch S3 and the fourth switch S4. A circuit stage including (Sb) may be connected. Accordingly, the topology of the present invention may be a type of full bridge topology or H-bridge topology.

제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)는 각각 스위치 소자 1개와 스위치 소자와 역병렬 연결된 다이오드 1개를 포함할 수 있다.The first to fourth switches S1 to S4 may each include one switch element and one diode connected in anti-parallel with the switch element.

도 1에는 양방향 스위치(Sa, Sb)가 간단하게 도시되어 있으나, 제1 양방향 스위치(Sa) 및 제2 양방향 스위치(Sb)는 각각 스위치 소자 2개와 다이오드 2개를 포함할 수 있다. 양방향 스위치(Sa, Sb)에 포함된 다이오드는 각각 스위치 소자와 역병렬 연결되어 있을 수 있다.Although the two-way switches Sa and Sb are simply shown in FIG. 1, the first two-way switch Sa and the second two-way switch Sb may include two switch elements and two diodes, respectively. The diodes included in the two-way switches (Sa, Sb) may each be connected in anti-parallel with the switch element.

이때, 제1 양방향 스위치(Sa)에 포함된 제1 스위치 소자에 연결된 제1 다이오드의 방향은 제1 양방향 스위치(Sa)에 포함된 제2 스위치 소자에 연결된 제2 다이오드의 방향과 반대일 수 있다. 제2 양방향 스위치에 포함된 다이오드의 방향도 마찬가지이다.At this time, the direction of the first diode connected to the first switch element included in the first two-way switch (Sa) may be opposite to the direction of the second diode connected to the second switch element included in the first two-way switch (Sa). . The direction of the diode included in the second two-way switch is also the same.

양방향 스위치(Sa, Sb)에 대한 자세한 회로는 이하의 도 4, 도 6 및 도 7을 보면 알 수 있다.Detailed circuits for the two-way switches Sa and Sb can be seen in FIGS. 4, 6, and 7 below.

인버터 회로는 두개의 인덕터(L0, L1), 디커플링 커패시터(C1) 및 출력 필터 커패시터(C0)를 포함할 수 있다. 이때, 두개의 인덕터(L0, L1)는 양단에 동일한 전압을 가지므로, 자기적으로 결합될 수 있다.The inverter circuit may include two inductors (L0, L1), a decoupling capacitor (C1), and an output filter capacitor (C0). At this time, the two inductors L0 and L1 have the same voltage at both ends, so they can be magnetically coupled.

또한, 본원 발명의 인버터는 출력 인덕터(L0)를 포함하고 있어, 출력 필터 커패시터(C0)가 없더라도 출력 전압과 전류를 연속적으로 유지할 수 있다. 출력 필터 커패시터(C0)의 전압(V0)은 인버터의 출력 전압으로, 인버터의 AC 출력 전압은 그리드 또는 AC 부하의 전압일 수 있다.In addition, the inverter of the present invention includes an output inductor (L0), and can continuously maintain the output voltage and current even without the output filter capacitor (C0). The voltage (V0) of the output filter capacitor (C0) is the output voltage of the inverter, and the AC output voltage of the inverter may be the voltage of the grid or AC load.

따라서, 본원 발명의 인덕터는 전류를 연속적으로 출력할 수 있고, 회로의 전류가 양방향으로 흐를 수 있다. 또한, 기존의 인버터는 무효 전력을 소멸시켰으나, 본원 발명의 인버터는 해당 구조로 인해 무효 전력도 흐를 수 있다.Therefore, the inductor of the present invention can continuously output current, and current in the circuit can flow in both directions. In addition, the existing inverter dissipates reactive power, but the inverter of the present invention can also flow reactive power due to its structure.

도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어 장치의 인버터 스위칭 방법을 나타낸 타이밍도이다. 인버터 제어 장치의 처리는 내부의 제어부(프로세서)에 의해 수행될 수 있다. 이때, 제어부는 인버터의 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)일 수 있다. 구체적으로, 제어부는 인버터에 제어 신호를 인가하는 로직 회로 등일 수 있다.Figure 3 is a timing diagram showing an inverter switching method of an inverter control device according to an embodiment of the present invention. Processing of the inverter control device may be performed by an internal control unit (processor). At this time, the control unit may be the micro control unit (MCU) of the inverter. Specifically, the control unit may be a logic circuit that applies a control signal to the inverter.

도 3을 참조하면, 본원 발명의 인버터 제어 장치는 출력 전압의 부호에 따라 인버터 회로의 복수의 스위치들을 제어할 수 있다.Referring to FIG. 3, the inverter control device of the present invention can control a plurality of switches of the inverter circuit according to the sign of the output voltage.

인버터 제어 장치에 포함된 제어부의 인버터 제어 방법은 다음과 같다. 인버터 제어 방법은 출력 전압의 부호를 판단하는 단계, 출력 전압의 부호에 따라 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)의 온/오프를 제어하는 단계 및 출력 전압의 부호에 따라 제1 양방향 스위치(Sa) 및 제2 양방향 스위치(Sb)를 제어하는 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The inverter control method of the control unit included in the inverter control device is as follows. The inverter control method includes determining the sign of the output voltage, controlling on/off of the first switch (S1) to the fourth switch (S4) according to the sign of the output voltage, and controlling the on/off of the first switch (S1) to the fourth switch (S4) according to the sign of the output voltage. It may include generating a control signal to control the switch (Sa) and the second two-way switch (Sb).

먼저, 제어부는 출력 전압의 부호를 판단할 수 있다. 제어부는 타이밍에 대해 출력 전압의 부호가 양인 경우(양의 반주기)와 출력 전압의 부호가 음인 경우(음의 반주기)로 나눌 수 있다.First, the control unit can determine the sign of the output voltage. Regarding timing, the control unit can be divided into cases where the sign of the output voltage is positive (positive half-cycle) and cases where the sign of the output voltage is negative (negative half-cycle).

출력 전압의 부호가 양인 양의 반주기에는, 제어부는 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 온 상태로 동작하도록 제어할 수 있다. 또한 이때, 제어부는 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 오프 상태로 동작하도록 제어할 수 있다.In a positive half-cycle where the sign of the output voltage is positive, the controller may control the first switch S1 and the fourth switch S4 to be operated in the on state. Also, at this time, the controller may control the second switch S2 and the third switch S3 to operate in an off state.

또한 양의 반주기에서, 제어부는 제1 양방향 스위치(Sa)에 포함된 제1 스위치 소자(S5a) 및 제2 스위치 소자(S5b)와 제2 양방향 스위치(Sb)에 포함된 제3 스위치 소자(S6a) 및 제4 스위치 소자(S6b)를 제어할 수 있다.Also, in the positive half cycle, the control unit operates the first switch element (S5a) and the second switch element (S5b) included in the first two-way switch (Sa) and the third switch element (S6a) included in the second two-way switch (Sb). ) and the fourth switch element (S6b) can be controlled.

구체적으로, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a)는 제1 제어 신호에 의해 동작하도록 제어하고, 제2 스위치 소자(S5b)는 온 상태로 동작하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제3 스위치 소자(S6a)는 제2 제어 신호에 의해 동작하도록 제어하고, 제4 스위치 소자(S6b)는 온 상태로 동작하도록 제어할 수 있다.Specifically, the control unit may control the first switch element S5a to operate by a first control signal and control the second switch element S5b to operate in an on state. Additionally, the controller may control the third switch element S6a to operate in accordance with the second control signal and control the fourth switch element S6b to operate in the on state.

즉, 양의 반주기에서 제어부는 제1 스위치(S1), 제4 스위치(S4), 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)를 온 상태로 동작하도록 제어하고, 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 오프 상태로 동작하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)는 각각의 제어 신호에 의해 동작하도록 제어할 수 있다.That is, in the positive half cycle, the control unit controls the first switch (S1), the fourth switch (S4), the second switch element (S5b), and the fourth switch element (S6b) to operate in the on state, and the second switch ( S2) and the third switch (S3) can be controlled to operate in an off state. Additionally, the controller may control the first switch element S5a and the third switch element S6a to operate by their respective control signals.

이때, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)의 온/오프 상태에 따라 모드를 구분할 수 있다.At this time, the control unit may distinguish modes according to the on/off states of the first switch element (S5a) and the third switch element (S6a).

예를 들어, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a)가 온 상태이고, 제3 스위치 소자(S6a)가 오프 상태인 경우를 제1 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제1 스위치 소자(S5a)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간부터 제1 스위치 소자(S5a)가 다시 오프 상태로 전환되는 순간 까지를 제1 모드로 설정할 수 있다.For example, the controller may set the first mode to the first mode when the first switch element (S5a) is in an on state and the third switch element (S6a) is in an off state. Specifically, the control unit switches to the first mode within a certain period from the moment the first switch element S5a is switched from the off state to the on state until the moment the first switch element S5a is switched back to the off state. You can set it.

또한, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)가 모두 오프 상태인 경우를 제2 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제1 스위치 소자(S5a)가 온 상태였다가 오프 상태로 전환되는 순간부터 제3 스위치 소자(S6a)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간까지를 제2 모드로 설정할 수 있다.Additionally, the controller may set the second mode when both the first switch element S5a and the third switch element S6a are in an off state. Specifically, the control unit controls the control unit from the moment when the first switch element (S5a) is switched from the on state to the off state to the moment when the third switch element (S6a) is switched from the off state to the on state within a certain period. Can be set to 2 modes.

또한, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a)가 오프 상태이고, 제3 스위치 소자(S6a)가 온 상태인 경우를 제3 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제3 스위치 소자(S6a)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간부터 제3 스위치 소자(S6a)가 다시 오프 상태로 전환되는 순간 까지를 제3 모드로 설정할 수 있다.Additionally, the control unit may set the third mode to the case where the first switch element (S5a) is in an off state and the third switch element (S6a) is in an on state. Specifically, the control unit switches to the third mode within a certain period from the moment the third switch element S6a is switched from the off state to the on state until the moment the third switch element S6a is switched back to the off state. You can set it.

또한, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)가 모두 오프 상태인 경우를 제4 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제3 스위치 소자(S6a)가 온 상태였다가 오프 상태로 전환되는 순간부터 제1 스위치 소자(S5a)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간까지를 제4 모드로 설정할 수 있다. 이때, 제4 모드는 실질적으로 제2 모드와 동일한 모드일 수 있다.Additionally, the control unit may set the fourth mode when both the first switch element S5a and the third switch element S6a are in an off state. Specifically, the control unit controls the control unit from the moment the third switch element (S6a) is switched from the on state to the off state to the moment the first switch element (S5a) is switched from the off state to the on state within a certain period. Can be set to 4 modes. At this time, the fourth mode may be substantially the same as the second mode.

제어부는 제1 모드 - 제2 모드 - 제3 모드 - 제4 모드(제2 모드)의 패턴이 반복되도록 인버터를 제어할 수 있다. 즉, 제어부는 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 그리고 제2 모드의 패턴이 반복되도록 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)에 대한 제어 신호를 생성할 수 있다.The control unit may control the inverter so that the pattern of the first mode - the second mode - the third mode - the fourth mode (second mode) is repeated. That is, the controller may generate control signals for the first switch element S5a and the third switch element S6a so that the patterns of the first mode, second mode, third mode, and second mode are repeated.

구체적인 예를 들어, 위 패턴이 반복되기 위해서는 제1 스위치 소자(S5a)가 오프되는 구간의 길이가 제3 스위치 소자(S6a)가 온 되는 구간의 길이보다 길어야할 수 있다.For a specific example, in order for the above pattern to be repeated, the length of the section in which the first switch element (S5a) is turned off may be longer than the length of the section in which the third switch element (S6a) is turned on.

또한 예를 들어, 위 패턴이 반복되기 위해서는 제1 스위치 소자(S5a)가 온 되는 구간의 길이가 제3 스위치 소자(S6a)가 오프 되는 구간의 길이보다 짧아야 할 수 있다.Also, for example, in order for the above pattern to be repeated, the length of the section in which the first switch element (S5a) is turned on may have to be shorter than the length of the section in which the third switch element (S6a) is turned off.

즉, 제어부는 어느 하나의 스위치 소자가 온 되는 구간의 길이가 다른 하나의 스위치 소자가 오프 되는 구간의 길이보다 짧도록 제1 스위치 소자(S5a)에 대한 제1 제어 신호 및 제2 스위치 소자(S6a)에 대한 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.That is, the control unit controls the first control signal for the first switch element (S5a) and the second switch element (S6a) so that the length of the section in which one switch element is turned on is shorter than the length of the section in which the other switch element is turned off. ) can generate a second control signal for.

제어부에 의해 양의 반주기에서 상기 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 및 제4 모드가 출력 전압이 0일때까지 반복될 수 있다.The first mode, second mode, third mode, and fourth mode may be repeated in the positive half cycle by the control unit until the output voltage is 0.

양의 반주기에서, 제어부는 다음과 같은 식을 따라 제어 신호를 생성할 수 있다. 아래 식 1 및 식 2는 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 듀티 비(ratio)를 나타낸 식이다.In the positive half cycle, the control unit can generate a control signal according to the following equation. Equations 1 and 2 below represent the duty ratio related to the duty cycle of the control signal.

[식 1][Equation 1]

Figure 112021099101197-pat00001
Figure 112021099101197-pat00001

[식 2][Equation 2]

Figure 112021099101197-pat00002
Figure 112021099101197-pat00002

(

Figure 112021099101197-pat00003
, f : 라인주파수, 변조 지수
Figure 112021099101197-pat00004
)(
Figure 112021099101197-pat00003
, f: line frequency, modulation index
Figure 112021099101197-pat00004
)

구체적으로, 제어부는 식 1에 기초하여 제1 스위치 소자(S5a)를 제어하는 제1 제어 신호를 생성할 수 있고, 식 2에 기초하여 제3 스위치 소자(S6a)를 제어하는 제2 제어 신호를 생성할 수 있다. 이때, 원하는 V0에 따라 변조 지수를 다르게 설정할 수 있다.Specifically, the control unit may generate a first control signal to control the first switch element (S5a) based on Equation 1, and generate a second control signal to control the third switch element (S6a) based on Equation 2. can be created. At this time, the modulation index can be set differently depending on the desired V0.

제어부의 제어 신호 생성에 대해서는 도 5에 자세하게 도시되어 있다.The control signal generation of the control unit is shown in detail in FIG. 5.

출력 전압의 부호가 음인 음의 반주기에는, 제어부는 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 온 상태로 동작하도록 제어할 수 있다. 또한 이때, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 오프 상태로 동작하도록 제어할 수 있다.In the negative half-cycle where the sign of the output voltage is negative, the control unit may control the second switch S2 and the third switch S3 to be operated in the on state. Also, at this time, the first switch (S1) and the fourth switch (S4) can be controlled to operate in an off state.

또한 음의 반주기에서, 제어부는 제1 양방향 스위치(Sa)에 포함된 제1 스위치 소자(S5a) 및 제2 스위치 소자(S5b)와 제2 양방향 스위치(Sb)에 포함된 제3 스위치 소자(S6a) 및 제4 스위치 소자(S6b)를 제어할 수 있다.In addition, in the negative half cycle, the control unit operates the first switch element (S5a) and the second switch element (S5b) included in the first two-way switch (Sa) and the third switch element (S6a) included in the second two-way switch (Sb). ) and the fourth switch element (S6b) can be controlled.

구체적으로, 제어부는 제1 스위치 소자(S5a)는 온 상태로 동작하도록 제어하고, 제2 스위치 소자(S5b)는 제3 제어 신호에 의해 동작하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제3 스위치 소자(S6a)는 온 상태로 동작하도록 제어하고, 제4 스위치 소자(S6b)는 제4 제어 신호에 의해 동작하도록 제어할 수 있다.Specifically, the control unit may control the first switch element S5a to operate in the on state and control the second switch element S5b to operate by a third control signal. Additionally, the control unit may control the third switch element S6a to operate in the on state and control the fourth switch element S6b to operate by the fourth control signal.

즉, 음의 반주기에서 제어부는 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)를 온 상태로 동작하도록 제어하고, 제1 스위치(S1) 및 제4 스위치(S4)를 오프 상태로 동작하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부는 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)는 각각의 제어 신호에 의해 동작하도록 제어할 수 있다.That is, in the negative half cycle, the control unit controls the second switch (S2), the third switch (S3), the first switch element (S5a), and the third switch element (S6a) to operate in the on state, and the first switch ( S1) and the fourth switch S4 can be controlled to operate in an off state. Additionally, the controller may control the second switch element S5b and the fourth switch element S6b to operate by their respective control signals.

이때, 제어부는 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)의 온/오프 상태에 따라 모드를 구분할 수 있다.At this time, the control unit may distinguish modes according to the on/off states of the second switch element (S5b) and the fourth switch element (S6b).

예를 들어, 제어부는 제2 스위치 소자(S5b)가 온 상태이고, 제4 스위치 소자(S6b)가 오프 상태인 경우를 제5 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제2 스위치 소자(S5b)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간부터 제2 스위치 소자(S5b)가 다시 오프 상태로 전환되는 순간 까지를 제5 모드로 설정할 수 있다.For example, the controller may set the fifth mode when the second switch element (S5b) is in an on state and the fourth switch element (S6b) is in an off state. Specifically, the control unit switches to the fifth mode within a certain period from the moment the second switch element S5b is switched from the off state to the on state until the moment the second switch element S5b is switched back to the off state. You can set it.

또한, 제어부는 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)가 모두 오프 상태인 경우를 제6 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제2 스위치 소자(S5b)가 온 상태였다가 오프 상태로 전환되는 순간부터 제4 스위치 소자(S6b)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간까지를 제6 모드로 설정할 수 있다.Additionally, the controller may set the sixth mode when both the second switch element S5b and the fourth switch element S6b are in an off state. Specifically, the control unit controls the control unit from the moment the second switch element (S5b) is switched from the on state to the off state to the moment the fourth switch element (S6b) is switched from the off state to the on state within a certain period. Can be set to 6 modes.

또한, 제어부는 제2 스위치 소자(S5b)가 오프 상태이고, 제4 스위치 소자(S6b)가 온 상태인 경우를 제7 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제4 스위치 소자(S6b)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간부터 제4 스위치 소자(S6b)가 다시 오프 상태로 전환되는 순간 까지를 제7 모드로 설정할 수 있다.Additionally, the controller may set the seventh mode when the second switch element S5b is in an off state and the fourth switch element S6b is in an on state. Specifically, the control unit switches to the seventh mode within a certain period from the moment the fourth switch element S6b is switched from the off state to the on state until the moment the fourth switch element S6b is switched back to the off state. You can set it.

또한, 제어부는 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)가 모두 오프 상태인 경우를 제8 모드로 설정할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 일정 주기 내에서, 제4 스위치 소자(S6b)가 온 상태였다가 오프 상태로 전환되는 순간부터 제2 스위치 소자(S5b)가 오프 상태였다가 온 상태로 전환되는 순간까지를 제8 모드로 설정할 수 있다. 이때, 제8 모드는 실질적으로 제6 모드와 동일한 모드일 수 있다.Additionally, the control unit may set the case where both the second switch element S5b and the fourth switch element S6b are in the off state to the eighth mode. Specifically, the control unit controls the control unit from the moment the fourth switch element (S6b) is switched from the on state to the off state to the moment the second switch element (S5b) is switched from the off state to the on state within a certain period. Can be set to 8 modes. At this time, the eighth mode may be substantially the same mode as the sixth mode.

제어부는 제5 모드 - 제6 모드 - 제7 모드 - 제8 모드(제6 모드)의 패턴이 반복되도록 인버터를 제어할 수 있다. 즉, 제어부는 제5 모드, 제6 모드, 제7 모드 그리고 제6 모드의 패턴이 반복되도록 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)에 대한 제어 신호를 생성할 수 있다.The control unit may control the inverter so that the pattern of the 5th mode - 6th mode - 7th mode - 8th mode (6th mode) is repeated. That is, the control unit may generate control signals for the second switch element S5b and the fourth switch element S6b so that the patterns of the fifth mode, sixth mode, seventh mode, and sixth mode are repeated.

구체적인 예를 들어, 위 패턴이 반복되기 위해서는 제2 스위치 소자(S5b)가 오프되는 구간의 길이가 제4 스위치 소자(S6b)가 온 되는 구간의 길이보다 길어야할 수 있다.For a specific example, in order for the above pattern to be repeated, the length of the section in which the second switch element (S5b) is turned off may be longer than the length of the section in which the fourth switch element (S6b) is turned on.

또한 예를 들어, 위 패턴이 반복되기 위해서는 제2 스위치 소자(S5b)가 온 되는 구간의 길이가 제4 스위치 소자(S6b)가 오프 되는 구간의 길이보다 짧아야 할 수 있다.Also, for example, in order for the above pattern to be repeated, the length of the section in which the second switch element (S5b) is turned on may have to be shorter than the length of the section in which the fourth switch element (S6b) is turned off.

즉, 제어부는 어느 하나의 스위치 소자가 온 되는 구간의 길이가 다른 하나의 스위치 소자가 오프 되는 구간의 길이보다 짧도록 제2 스위치 소자(S5b)에 대한 제3 제어 신호 및 제4 스위치 소자(S6b)에 대한 제4 제어 신호를 생성할 수 있다.That is, the control unit controls the third control signal for the second switch element (S5b) and the fourth switch element (S6b) so that the length of the section in which one switch element is turned on is shorter than the length of the section in which the other switch element is turned off. ) can generate a fourth control signal for.

제어부에 의해 음의 반주기에서 상기 제5 모드, 제6 모드, 제7 모드 및 제8 모드가 출력 전압이 0일때까지 반복될 수 있다.The fifth mode, sixth mode, seventh mode, and eighth mode may be repeated in the negative half cycle by the control unit until the output voltage is 0.

음의 반주기에서, 제어부는 다음과 같은 식을 따라 제어 신호를 생성할 수 있다. 아래 식 3 및 식 4는 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 듀티 비(ratio)를 나타낸 식이다.In the negative half-cycle, the control unit can generate a control signal according to the following equation. Equations 3 and 4 below represent the duty ratio related to the duty cycle of the control signal.

[식 3][Equation 3]

Figure 112021099101197-pat00005
Figure 112021099101197-pat00005

[식 4][Equation 4]

Figure 112021099101197-pat00006
Figure 112021099101197-pat00006

(

Figure 112021099101197-pat00007
, f : 라인주파수, 변조 지수
Figure 112021099101197-pat00008
)(
Figure 112021099101197-pat00007
, f: line frequency, modulation index
Figure 112021099101197-pat00008
)

구체적으로, 제어부는 식 3에 기초하여 제2 스위치 소자(S5b)를 제어하는 제3 제어 신호를 생성할 수 있고, 식 4에 기초하여 제4 스위치 소자(S6b)를 제어하는 제4 제어 신호를 생성할 수 있다. 이때, 원하는 V0에 따라 변조 지수를 다르게 설정할 수 있다.Specifically, the control unit may generate a third control signal for controlling the second switch element (S5b) based on Equation 3, and a fourth control signal for controlling the fourth switch element (S6b) based on Equation 4. can be created. At this time, the modulation index can be set differently depending on the desired V0.

제어부의 제어 신호 생성에 대해서는 도 5에 자세하게 도시되어 있다.The control signal generation of the control unit is shown in detail in FIG. 5.

도 4는 본원 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 단순화된 회로를 나타낸 도면이다.Figure 4 is a diagram showing a simplified circuit of an inverter according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)는 출력 전압의 부호가 양인 양의 반주기에서의 회로를 나타낸 것이고, 도 4(b)는 출력 전압의 부호가 음인 음의 반주기에서의 회로를 나타낸 것이다.Figure 4(a) shows the circuit in the positive half-cycle where the sign of the output voltage is positive, and Figure 4(b) shows the circuit in the negative half-cycle where the sign of the output voltage is negative.

도 4(a)를 참조하면, 양의 반주기에서 항상 온 또는 오프 상태인 스위치를 고려한다면, 회로도를 간략화할 수 있다. 구체적으로, 양의 반주기에서 항상 같은 상태를 유지하는 스위치는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4), 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)이다. 따라서, 위 스위치들을 단순화시키면, 양의 반주기에서의 회로를 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a) 중심으로 도 4(a)와 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4(a), the circuit diagram can be simplified if one considers a switch that is always in an on or off state in the positive half cycle. Specifically, the switches that always maintain the same state in the positive half cycle are the first switch (S1) to the fourth switch (S4), the second switch element (S5b), and the fourth switch element (S6b). Therefore, if the above switches are simplified, the circuit in the positive half cycle can be shown as shown in FIG. 4(a) centering on the first switch element (S5a) and the third switch element (S6a).

마찬가지로 도 4(b)를 참조하면, 음의 반주기에서 항상 온 또는 오프 상태인 스위치를 고려한다면, 회로도를 간략화할 수 있다. 구체적으로, 음의 반주기에서 항상 같은 상태를 유지하는 스위치는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4), 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)이다. 따라서, 위 스위치들을 단순화시키면, 음의 반주기에서의 회로를 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b) 중심으로 4(b)와 같이 나타낼 수 있다.Likewise, referring to FIG. 4(b), the circuit diagram can be simplified if one considers a switch that is always in an on or off state in the negative half cycle. Specifically, the switches that always maintain the same state in the negative half cycle are the first switch (S1) to the fourth switch (S4), the first switch element (S5a), and the third switch element (S6a). Therefore, if the above switches are simplified, the circuit in the negative half cycle can be represented as shown in 4(b) centered on the second switch element (S5b) and the fourth switch element (S6b).

도 5는 본원 발명의 인버터의 제어 신호 입력을 위한 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.Figure 5 is a block diagram for inputting control signals to the inverter of the present invention.

도 5를 참조하면, 제어부의 제어 신호 생성 단계를 블록 다이어그램을 통해 파악할 수 있다. 제어 신호는 위의 식 1 내지 식 4에 의해 획득한 듀티 비를 사용하여 생성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the control signal generation step of the control unit can be understood through a block diagram. The control signal can be generated using the duty ratio obtained by Equations 1 to 4 above.

예를 들어, 제3 스위치 소자(S6a)의 제어 신호를 생성하는 경우, 기준 신호 Msin(wt)에 듀티 비 0.5, 진폭 1 및 라인 주파수 f의 라인 주파수 구형파(V_rec)를 곱한다. 그리고 생성된 반파 정현파 신호는 상수 1과 더해진다. 이후 반전된 DC 바이어스 반파 정현파 신호와 반전된 V_rec가 OR 게이트를 거쳐 제어 신호가 생성된다.For example, when generating the control signal of the third switch element S6a, the reference signal Msin(wt) is multiplied by a line frequency square wave (V_rec) with a duty ratio of 0.5, an amplitude of 1, and a line frequency f. And the generated half-wave sinusoidal signal is added to the constant 1. Afterwards, the inverted DC bias half-wave sinusoidal signal and the inverted V_rec pass through an OR gate to generate a control signal.

마찬가지로, 제4 스위치 소자(S6b)의 제어 신호를 생성하는 경우, 반전된 기준 신호에 V_rec가 반전된 구형파 신호를 곱한다. 그 결과로 생성된 반파 정현파 신호는 상수 1과 더해진다. 그리고 반전된 DC 바이어스 반파 정현파 신호와 반송파 신호가 비교기를 거쳐 제어 신호가 생성된다.Likewise, when generating the control signal of the fourth switch element S6b, the inverted reference signal is multiplied by the square wave signal with inverted V_rec. The resulting half-sine wave signal is added to the constant 1. Then, the inverted DC bias half-sine wave signal and the carrier signal pass through a comparator to generate a control signal.

이때, 제2 스위치 소자(S5b)의 제어 신호는 반전된 제4 스위치 소자(S6b)의 제어 신호와 V_rec가 OR 게이트를 거쳐 생성될 수 있다. 또한, 제1 스위치 소자(S5a)의 제어 신호는 반전된 제3 스위치 소자(S6a)의 제어 신호와 반전된 V_rec가 OR 게이트를 거쳐 생성될 수 있다.At this time, the control signal of the second switch element (S5b) may be generated by passing the inverted control signal of the fourth switch element (S6b) and V_rec through an OR gate. Additionally, the control signal of the first switch element S5a may be generated by passing the inverted control signal of the third switch element S6a and the inverted V_rec through an OR gate.

도 6은 출력 전압의 부호가 양인 경우 인버터의 모드에 따른 회로를 나타낸 도면이다. 즉, 도 6은 양의 반주기에서의 회로를 나타낸 도면이다.Figure 6 is a diagram showing a circuit according to the mode of the inverter when the sign of the output voltage is positive. That is, Figure 6 is a diagram showing the circuit in the positive half cycle.

도 6(a)는 제1 모드에서의 전류 흐름을 나타낸 회로도이고, 도 6(b)는 제2 모드 또는 제4 모드에서의 전류 흐름을 나타낸 회로도이고, 도 6(c)는 제3 모드에서의 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.Figure 6(a) is a circuit diagram showing current flow in the first mode, Figure 6(b) is a circuit diagram showing current flow in the second mode or fourth mode, and Figure 6(c) is a circuit diagram showing current flow in the third mode. This is a circuit diagram showing the current flow.

도 6(a)를 참조하면, 제1 모드에서 도 3의 타이밍도에 의해 전류는 V_in에서 제1 스위치(S1) 및 제1 양방향 스위치(Sa)를 지난다. 이때, 제1 양방향 스위치에 포함된 제1 스위치 소자(S5a) 및 제2 스위치 소자(S5b) 모두 온 상태로 동작하기 때문에, 전류는 제1 양방향 스위치(Sa)를 지날 수 있다.Referring to FIG. 6(a), in the first mode, according to the timing diagram of FIG. 3, the current passes through the first switch S1 and the first bidirectional switch Sa at V_in. At this time, since both the first switch element (S5a) and the second switch element (S5b) included in the first two-way switch operate in the on state, current may pass through the first two-way switch (Sa).

이어서, 전류는 인덕터(L1)을 지나 제4 스위치(S4)를 지날 수 있다. 또한, 전류는 커패시터(C1) 및 인덕터(L0)를 지나 커패시터(C0) 및 저항을 지날 수 있다.Subsequently, the current may pass through the inductor (L1) and the fourth switch (S4). Additionally, the current may pass through the capacitor C1 and the inductor L0 and then through the capacitor C0 and the resistor.

이때, 인덕터 전류 i_L1는 V_in/L1의 기울기로 선형적으로 증가하고, 인덕터 전류 i_L0는 V_in/L0의 기울기로 선형적으로 증가한다. 커패시터 C1은 방전된다.At this time, the inductor current i_L1 increases linearly with the slope of V_in/L1, and the inductor current i_L0 increases linearly with the slope of V_in/L0. Capacitor C1 is discharged.

도 6(b)를 참조하면, 제2 모드 또는 제4 모드에서 도 3의 타이밍도에 의해 전류는 도 6(b)에 도시된 폐회로에서만 흐를 수 있다. 제2 모드 또는 제4 모드에서는 제1 스위치 소자(S5a) 및 제3 스위치 소자(S6a)가 모두 오프 상태이기 때문에, 전류가 폐회로에서만 흐르게 된다.Referring to FIG. 6(b), in the second or fourth mode, according to the timing diagram of FIG. 3, current can only flow in the closed circuit shown in FIG. 6(b). In the second or fourth mode, both the first switch element (S5a) and the third switch element (S6a) are in an off state, so current flows only in the closed circuit.

이때, 제2 양방향 스위치(Sb)의 제3 스위치 소자(S6a)는 오프 상태이고, 제4 스위치 소자(S6b)는 온 상태이기 때문에, 전류는 제4 스위치 소자(S6b)를 지나 이어서 제3 스위치 소자(S6a)를 지나지 못하고 제3 스위치 소자(S6a)와 연결된 다이오드로 흐르게 된다.At this time, since the third switch element (S6a) of the second two-way switch (Sb) is in the off state and the fourth switch element (S6b) is in the on state, the current passes through the fourth switch element (S6b) and then to the third switch. It does not pass through the element S6a and flows to the diode connected to the third switch element S6a.

이때, 인덕터 전류 i_L1는 -V0/L1의 기울기로 선형적으로 감소하고, 인덕터 전류 i_L0는 -V0/L0의 기울기로 선형적으로 감소한다. 커패시터 C1은 충전된다.At this time, the inductor current i_L1 decreases linearly with a slope of -V0/L1, and the inductor current i_L0 decreases linearly with a slope of -V0/L0. Capacitor C1 is charged.

도 6(c)를 참조하면, 제3 모드에서 도 3의 타이밍도에 의해 전류는 도 6(c)에 도시된 폐회로에서만 흐를 수 있다. 도 6(b)와 달리, 제3 모드에서는 제3 스위치 소자(S6a)가 온 상태이기 때문에, 전류는 제4 스위치 소자(S6b)를 지나 이어서 제3 스위치 소자(S6a)를 지날 수 있다.Referring to FIG. 6(c), in the third mode, according to the timing diagram of FIG. 3, current can only flow in the closed circuit shown in FIG. 6(c). Unlike FIG. 6(b), in the third mode, since the third switch element (S6a) is on, the current may pass through the fourth switch element (S6b) and then through the third switch element (S6a).

이때, 인덕터 전류 i_L1는 -V0/L1의 기울기로 선형적으로 감소하고, 인덕터 전류 i_L0는 -V0/L0의 기울기로 선형적으로 감소한다. 커패시터 C1은 충전된다.At this time, the inductor current i_L1 decreases linearly with a slope of -V0/L1, and the inductor current i_L0 decreases linearly with a slope of -V0/L0. Capacitor C1 is charged.

도 7은 출력 전압의 부호가 음인 경우 인버터의 모드에 따른 회로를 나타낸 도면이다. 즉, 도 7은 음의 반주기에서의 회로를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing a circuit according to the mode of the inverter when the sign of the output voltage is negative. That is, Figure 7 is a diagram showing the circuit in the negative half cycle.

도 7(a)는 제5 모드에서의 전류 흐름을 나타낸 회로도이고, 도 7(b)는 제6 모드 및 제8 모드에서의 전류 흐름을 나타낸 회로도이고, 도 7(c)는 제7 모드에서의 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.Figure 7(a) is a circuit diagram showing current flow in the fifth mode, Figure 7(b) is a circuit diagram showing current flow in the sixth mode and eighth mode, and Figure 7(c) is a circuit diagram showing current flow in the seventh mode. This is a circuit diagram showing the current flow.

도 7(a)를 참조하면, 제5 모드에서 도 3의 타이밍도에 의해 전류는 V_in에서 제3 스위치(S3)를 지난다. 이어서, 전류는 커패시터(C0) 및 저항을 지나 커패시터(C1) 및 인덕터(L0)를 지날 수 있다. 또한, 전류는 인덕터(L1)를 지날 수 있다. Referring to FIG. 7(a), in the fifth mode, the current passes through the third switch S3 at V_in according to the timing diagram of FIG. 3. The current may then pass through capacitor C0 and resistor to capacitor C1 and inductor L0. Additionally, current may pass through inductor (L1).

이어서, 전류는 제1 양방향 스위치(Sa)를 지나 제2 스위치(S2)를 지날 수 있다. 이때, 제1 양방향 스위치(Sa),에 포함된 제1 스위치 소자(S5a) 및 제2 스위치 소자(S5b) 모두 온 상태로 동작하기 때문에, 전류는 제1 양방향 스위치(Sa)를 지날 수 있다.Subsequently, the current may pass through the first two-way switch (Sa) and through the second switch (S2). At this time, since both the first switch element (S5a) and the second switch element (S5b) included in the first two-way switch (Sa) operate in the on state, current can pass through the first two-way switch (Sa).

그러나, 제2 양방향 스위치(Sb)에 포함된 제3 스위치 소자(S6a)가 오프 상태이고, 제4 스위치 소자(S6b)의 다이오드 방향이 역방향이므로, 전류는 제2 양방향 스위치(Sb)를 지나지 못한다.However, since the third switch element (S6a) included in the second two-way switch (Sb) is in the off state and the diode direction of the fourth switch element (S6b) is reverse, the current does not pass through the second two-way switch (Sb). .

이때, 인덕터 전류 i_L1는 -V_in/L1의 기울기로 선형적으로 증가하고, 인덕터 전류 i_L0는 -V_in/L0의 기울기로 선형적으로 증가한다. 커패시터 C1은 방전된다.At this time, the inductor current i_L1 increases linearly with a slope of -V_in/L1, and the inductor current i_L0 increases linearly with a slope of -V_in/L0. Capacitor C1 is discharged.

도 7(b)를 참조하면, 제6 모드 또는 제8 모드에서 도 3의 타이밍도에 의해 전류는 도 7(b)에 도시된 폐회로에서만 흐를 수 있다. 제6 모드 또는 제8 모드에서는 제2 스위치 소자(S5b) 및 제4 스위치 소자(S6b)가 모두 오프 상태이기 때문에, 전류가 폐회로에서만 흐르게 된다.Referring to FIG. 7(b), in the sixth mode or the eighth mode, according to the timing diagram of FIG. 3, current can only flow in the closed circuit shown in FIG. 7(b). In the sixth or eighth mode, both the second switch element (S5b) and the fourth switch element (S6b) are in an off state, so current flows only in the closed circuit.

이때, 제2 양방향 스위치(Sb)의 제3 스위치 소자(S6a)는 온 상태이고, 제4 스위치 소자(S6b)는 오프 상태이기 때문에, 전류는 제3 스위치 소자(S6a)를 지나 이어서 제4 스위치 소자(S6b)를 지나지 못하고 제4 스위치 소자(S6b)와 연결된 다이오드로 흐르게 된다.At this time, since the third switch element (S6a) of the second two-way switch (Sb) is in the on state and the fourth switch element (S6b) is in the off state, the current passes through the third switch element (S6a) and then to the fourth switch. It does not pass through the element S6b and flows to the diode connected to the fourth switch element S6b.

이때, 인덕터 전류 i_L1는 V0/L1의 기울기로 선형적으로 감소하고, 인덕터 전류 i_L0는 V0/L0의 기울기로 선형적으로 감소한다. 커패시터 C1은 충전된다.At this time, the inductor current i_L1 decreases linearly with the slope of V0/L1, and the inductor current i_L0 decreases linearly with the slope of V0/L0. Capacitor C1 is charged.

도 7(c)를 참조하면, 제7 모드에서 도 3의 타이밍도에 의해 전류는 도 7(c)에 도시된 폐회로에서만 흐를 수 있다. 도 7(b)와 달리, 제7 모드에서는 제4 스위치 소자(S6b)가 온 상태이기 때문에, 전류는 제3 스위치 소자(S6a)를 지나 이어서 제4 스위치 소자(S6b)를 지날 수 있다.Referring to FIG. 7(c), in the seventh mode, according to the timing diagram of FIG. 3, current can only flow in the closed circuit shown in FIG. 7(c). Unlike FIG. 7(b), in the seventh mode, since the fourth switch element (S6b) is in the on state, the current can pass through the third switch element (S6a) and then through the fourth switch element (S6b).

도 8은 인버터의 부스트 동작에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 전압을 승압하는 인버터의 부스트 동작 결과를 알 수 있다.Figure 8 is a graph showing simulation results in the boost operation of the inverter. Referring to FIG. 8, the results of the boost operation of the inverter that boosts the voltage can be seen.

도 8(a)는 인버터의 입력 전압, 출력 전압 및 출력 전류의 그래프이고, 도 8(b)는 인버터의 입력 전압, 출력 전압 및 인덕터의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 8(c)는 드레인-소스 전압의 그래프이다. 도 8을 참조하면, 본원 발명의 제안 회로에 의해 출력 전압이 승압되어, 출력 전압(V0)이 입력 전압(Vin)보다 높아진 것을 확인할 수 있다.Figure 8(a) is a graph showing the input voltage, output voltage, and output current of the inverter, Figure 8(b) is a graph showing the input voltage, output voltage, and inductor current of the inverter, and Figure 8(c) is a graph showing the drain- This is a graph of source voltage. Referring to FIG. 8, it can be seen that the output voltage is boosted by the proposed circuit of the present invention, and the output voltage (V0) becomes higher than the input voltage (Vin).

도 9는 인버터의 벅 동작에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, 전압을 강압하는 인버터의 벅 동작 결과를 알 수 있다.Figure 9 is a graph showing simulation results in the buck operation of the inverter. Referring to FIG. 9, the results of the buck operation of the inverter that steps down the voltage can be seen.

도 9(a)는 인버터의 입력 전압, 출력 전압 및 출력 전류의 그래프이고, 도 9(b)는 인버터의 입력 전압, 출력 전압 및 인덕터의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 9(c)는 드레인-소스 전압의 그래프이다. 도 9를 참조하면, 본원 발명의 제안 회로에 의해 출력 전압이 강압되어, 출력 전압(V0)이 입력 전압(Vin)보다 낮아진 것을 확인할 수 있다.Figure 9(a) is a graph showing the input voltage, output voltage, and output current of the inverter, Figure 9(b) is a graph showing the input voltage, output voltage, and inductor current of the inverter, and Figure 9(c) is a graph showing the drain- This is a graph of source voltage. Referring to FIG. 9, it can be seen that the output voltage is stepped down by the proposed circuit of the present invention, and the output voltage (V0) becomes lower than the input voltage (Vin).

본원 발명의 비절연형 벅-부스트 인버터는 누설 전류의 문제를 해결할 수 있고, 비교적 간단한 회로 토폴로지를 가지고 있어 저비용, 고효율 및 고전력의 인버터를 구현할 수 있다. 따라서, 본원 발명의 비절연형 벅-부스트 인버터는 종래의 인버터보다 태양광 발전 어플리케이션에 적합할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 누설 전류의 문제의 해결이 필요하고, 출력 전압을 승압 및 강압해야하는 다른 어플리케이션에도 적용될 수 있다.The non-isolated buck-boost inverter of the present invention can solve the problem of leakage current and has a relatively simple circuit topology, making it possible to implement a low-cost, high-efficiency and high-power inverter. Therefore, the non-isolated buck-boost inverter of the present invention may be more suitable for solar power generation applications than conventional inverters. However, it is not limited to this and can be applied to other applications that require solving the problem of leakage current and need to step up and step down the output voltage.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

Claims (14)

비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치에 있어서,
비절연 벅-부스트 인버터의 출력 전압의 부호를 판단하고, 상기 출력 전압에 따라 상기 비절연 벅-부스트 인버터 내에 포함된 복수의 스위치의 온/오프(on/off)를 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 듀티 비에 기초하여 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 비절연 벅-부스트 인버터는,
서로 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 마디에 연결된 제1 양방향 스위치와, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 마디에 연결된 제2 양방향 스위치를 포함하고,
상기 제1 양방향 스위치는 제1 스위치 소자 및 상기 제1 스위치 소자와 직렬 연결된 제2 스위치 소자를 포함하고,
상기 제2 양방향 스위치는 제3 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자와 직렬 연결된 제4 스위치 소자를 포함하고,
상기 제1 양방향 스위치 및 상기 제2 양방향 스위치는 상기 제1 내지 제4 스위치보다 높은 주파수로 동작하고,
상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우,
상기 제1 스위치, 상기 제4 스위치, 상기 제2 스위치 소자 및 상기 제4 스위치 소자를 온 상태로 동작하게 하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 오프 상태로 동작하게 하고,
상기 비절연 벅-부스트 인버터의 입력 전압과 출력 전압에 따라 생성되는 제1 제어 신호에 기초하여 상기 제1 스위치 소자를 제어하고, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압에 따라 생성되는 제2 제어 신호에 기초하여 상기 제3 스위치 소자를 제어하는
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치.
In the non-isolated buck-boost inverter control device,
Determining the sign of the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter, and controlling the on/off of a plurality of switches included in the non-isolated buck-boost inverter according to the output voltage as the duty of the signal It includes a control unit that controls based on a duty ratio related to the cycle,
The non-isolated buck-boost inverter,
a first switch and a second switch connected in series with each other;
a third switch and a fourth switch connected in parallel with the first switch and the second switch and connected in series with each other;
It includes a first two-way switch connected to a node between the first switch and the second switch, and a second two-way switch connected to a node between the third switch and the fourth switch,
The first two-way switch includes a first switch element and a second switch element connected in series with the first switch element,
The second two-way switch includes a third switch element and a fourth switch element connected in series with the third switch element,
The first two-way switch and the second two-way switch operate at a higher frequency than the first to fourth switches,
When the sign of the output voltage is positive, the controller
Operate the first switch, the fourth switch, the second switch element, and the fourth switch element in an on state, and operate the second switch and the third switch in an off state,
Controlling the first switch element based on a first control signal generated according to the input voltage and output voltage of the non-isolated buck-boost inverter, and based on a second control signal generated according to the input voltage and the output voltage to control the third switch element
Non-isolated buck-boost inverter control unit.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 각각 제1 듀티 비 및 제2 듀티 비에 기초하여 생성하고,
상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 상기 입력 전압 및 상기 출력 전압의 비인 변조 지수 및 라인 주파수에 의해서 정해지고,
상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비의 합은 1인
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치.
According to paragraph 1,
The control unit generates the first control signal and the second control signal based on a first duty ratio and a second duty ratio, respectively,
The first duty ratio and the second duty ratio are determined by a modulation index and a line frequency, which is the ratio of the input voltage and the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter,
The sum of the first duty ratio and the second duty ratio is 1.
Non-isolated buck-boost inverter control unit.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우,
상기 제1 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제1 모드로 설정하고,
상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제2 모드로 설정하고,
상기 제1 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 온 상태인 경우를 제3 모드로 설정하고,
상기 제1 모드, 상기 제2 모드, 상기 제3 모드 및 다시 상기 제2 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 생성하는
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치.
According to paragraph 1,
When the sign of the output voltage is positive, the controller
Setting the case where the first switch element is in an on state and the third switch element is in an off state as the first mode,
Setting the case where the first switch element and the third switch element are in an off state to a second mode,
Setting the case where the first switch element is in an off state and the third switch element is in an on state as the third mode,
Generating the first control signal and the second control signal so that the first mode, the second mode, the third mode, and the second mode are sequentially repeated.
Non-isolated buck-boost inverter control unit.
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치에 있어서,
비절연 벅-부스트 인버터의 출력 전압의 부호를 판단하고, 상기 출력 전압에 따라 상기 비절연 벅-부스트 인버터 내에 포함된 복수의 스위치의 온/오프(on/off)를 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 듀티 비에 기초하여 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 비절연 벅-부스트 인버터는,
서로 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 병렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 마디에 연결된 제1 양방향 스위치와, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치 사이의 마디에 연결된 제2 양방향 스위치를 포함하고,
상기 제1 양방향 스위치는 제1 스위치 소자 및 상기 제1 스위치 소자와 직렬 연결된 제2 스위치 소자를 포함하고,
상기 제2 양방향 스위치는 제3 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자와 직렬 연결된 제4 스위치 소자를 포함하고,
상기 제1 양방향 스위치 및 상기 제2 양방향 스위치는 상기 제1 내지 제4 스위치보다 높은 주파수로 동작하고,
상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 음인 경우,
상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자를 온 상태로 동작하게 하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 오프 상태로 동작하게 하고,
상기 비절연 벅-부스트 인버터의 입력 전압과 출력 전압에 따라 생성되는 제3 제어 신호에 기초하여 상기 제2 스위치 소자를 제어하고, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압에 따라 생성되는 제4 제어 신호에 기초하여 상기 제4 스위치 소자를 제어하는
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치.
In the non-isolated buck-boost inverter control device,
Determining the sign of the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter, and controlling the on/off of a plurality of switches included in the non-isolated buck-boost inverter according to the output voltage as the duty of the signal It includes a control unit that controls based on a duty ratio related to the cycle,
The non-isolated buck-boost inverter,
a first switch and a second switch connected in series with each other;
a third switch and a fourth switch connected in parallel with the first switch and the second switch and connected in series with each other;
It includes a first two-way switch connected to a node between the first switch and the second switch, and a second two-way switch connected to a node between the third switch and the fourth switch,
The first two-way switch includes a first switch element and a second switch element connected in series with the first switch element,
The second two-way switch includes a third switch element and a fourth switch element connected in series with the third switch element,
The first two-way switch and the second two-way switch operate at a higher frequency than the first to fourth switches,
When the sign of the output voltage is negative, the controller
Operate the second switch, the third switch, the first switch element, and the third switch element in an on state, and operate the first switch and the fourth switch in an off state,
Controlling the second switch element based on a third control signal generated according to the input voltage and output voltage of the non-isolated buck-boost inverter, and based on a fourth control signal generated according to the input voltage and the output voltage to control the fourth switch element
Non-isolated buck-boost inverter control unit.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제3 제어 신호 및 상기 제4 제어 신호를 각각 제3 듀티 비 및 제4 듀티 비에 기초하여 생성하고,
상기 제3 듀티 비 및 상기 제4 듀티 비는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 상기 입력 전압 및 상기 출력 전압의 비인 변조 지수 및 라인 주파수에 의해서 정해지고,
상기 제3 듀티 비 및 상기 제4 듀티 비의 합은 1인
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치.
According to clause 6,
The control unit generates the third control signal and the fourth control signal based on a third duty ratio and a fourth duty ratio, respectively,
The third duty ratio and the fourth duty ratio are determined by a modulation index and line frequency, which is the ratio of the input voltage and the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter,
The sum of the third duty ratio and the fourth duty ratio is 1.
Non-isolated buck-boost inverter control unit.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 출력 전압의 부호가 음인 경우,
상기 제2 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제4 모드로 설정하고,
상기 제2 스위치 소자 및 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 경우를 제5 모드로 설정하고,
상기 제2 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 온 상태인 경우를 제6 모드로 설정하고,
상기 제4 모드, 상기 제5 모드, 상기 제6 모드 및 다시 상기 제5 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제3 제어 신호 및 상기 제4 제어 신호를 생성하는
비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치.
According to clause 6,
When the sign of the output voltage is negative, the controller
Setting the case where the second switch element is in an on state and the fourth switch element is in an off state as the fourth mode,
Setting the case where the second switch element and the fourth switch element are in an off state to a fifth mode,
Setting the case where the second switch element is in the off state and the fourth switch element is in the on state as the sixth mode,
Generating the third control signal and the fourth control signal so that the fourth mode, the fifth mode, the sixth mode, and the fifth mode are sequentially repeated.
Non-isolated buck-boost inverter control unit.
제1항의 비절연 벅-부스트 인버터 제어 장치에 의해 상기 비절연 벅-부스트 인버터를 제어하는 비절연 벅-부스트 인버터의 제어 방법에 있어서,
상기 비절연 벅-부스트 인버터의 출력 전압의 부호를 판단하는 단계;
상기 출력 전압의 부호에 따라 상기 제1 내지 제4 스위치의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계;
상기 출력 전압의 부호에 따라 상기 제1 및 제2 양방향 스위치가 상기 제1 내지 제4 스위치보다 높은 주파수로 동작하도록 상기 제1 및 제2 스위치 소자를 제어하기 위한 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는
비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법.
In the control method of a non-isolated buck-boost inverter for controlling the non-isolated buck-boost inverter by the non-isolated buck-boost inverter control device of claim 1,
determining the sign of the output voltage of the non-isolated buck-boost inverter;
controlling on/off of the first to fourth switches according to the sign of the output voltage;
Generating first and second control signals for controlling the first and second switch elements so that the first and second bidirectional switches operate at a higher frequency than the first to fourth switches according to the sign of the output voltage. containing the steps of
Non-isolated buck-boost inverter control method.
제9항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 스위치의 온/오프를 제어하는 단계는,
상기 출력 전압의 부호가 양인 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제1 스위치와 병렬 연결된 상기 제4 스위치를 온 상태로 동작하게 하고, 상기 제1 스위치와 직렬 연결된 상기 제2 스위치 및 상기 제4 스위치와 직렬 연결된 상기 제3 스위치를 오프 상태로 동작하게 하는 단계를 포함하는
비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법.
According to clause 9,
The step of controlling on/off of the first to fourth switches,
When the sign of the output voltage is positive, the first switch and the fourth switch connected in parallel with the first switch are operated in the on state, and the second switch and the fourth switch connected in series with the first switch are operated in an on state. Comprising the step of operating the third switch connected in series in an off state.
Non-isolated buck-boost inverter control method.
제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계는,
상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 각각 제어 신호의 듀티(duty) 사이클과 관련된 제1 듀티 비 및 제2 듀티 비에 기초하여 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비는 상기 비절연 벅-부스트 인버터의 입력 전압 및 출력 전압의 비인 변조 지수 및 라인 주파수에 의해서 정해지고,
상기 제1 듀티 비 및 상기 제2 듀티 비의 합은 1인
비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법.
According to clause 9,
Generating the first and second control signals includes:
generating the first control signal and the second control signal based on a first duty ratio and a second duty ratio, respectively, associated with a duty cycle of the control signal;
The first duty ratio and the second duty ratio are determined by a modulation index and line frequency, which is the ratio of the input voltage and output voltage of the non-isolated buck-boost inverter,
The sum of the first duty ratio and the second duty ratio is 1.
Non-isolated buck-boost inverter control method.
제9항에 있어서,
상기 제1 양방향 스위치에 포함된 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자와 상기 제2 양방향 스위치에 포함된 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 온/오프 동작에 따라 모드를 설정하는 단계를 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계는, 상기 출력 전압의 부호가 양인 경우,
상기 제1 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 제1 모드, 상기 제1 스위치 소자 및 상기 제3 스위치 소자가 오프 상태인 제2 모드, 상기 제1 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제3 스위치 소자가 온 상태인 제3 모드 및 다시 상기 제2 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 생성하는 단계인
비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법.
According to clause 9,
It further includes setting a mode according to the on/off operation of the first and second switch elements included in the first two-way switch and the third and fourth switch elements included in the second two-way switch. do,
Generating the first and second control signals includes, when the sign of the output voltage is positive,
A first mode in which the first switch element is in an on state and the third switch element is in an off state, a second mode in which the first switch element and the third switch element are in an off state, and the first switch element is in an off state, A step of generating the first control signal and the second control signal so that the third mode in which the third switch element is in the on state and the second mode are sequentially repeated.
Non-isolated buck-boost inverter control method.
제9항에 있어서,
상기 제1 양방향 스위치에 포함된 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자와 상기 제2 양방향 스위치에 포함된 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 온/오프 동작에 따라 모드를 설정하는 단계를 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 제어 신호를 생성하는 단계는, 상기 출력 전압의 부호가 음인 경우,
상기 제2 스위치 소자가 온 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 제4 모드, 상기 제2 스위치 소자 및 상기 제4 스위치 소자가 오프 상태인 제5 모드, 상기 제2 스위치 소자가 오프 상태이고 상기 제4 스위치 소자가 온 상태인 제6 모드 및 다시 상기 제5 모드가 순차적으로 반복되도록 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 생성하는 단계인
비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법.
According to clause 9,
It further includes setting a mode according to the on/off operation of the first and second switch elements included in the first two-way switch and the third and fourth switch elements included in the second two-way switch. do,
Generating the first and second control signals includes, when the sign of the output voltage is negative,
a fourth mode in which the second switch element is in an on state and the fourth switch element is in an off state, a fifth mode in which the second switch element and the fourth switch element are in an off state, and the second switch element is in an off state, A step of generating the first control signal and the second control signal so that the sixth mode in which the fourth switch element is in the on state and the fifth mode are sequentially repeated.
Non-isolated buck-boost inverter control method.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 비절연 벅-부스트 인버터 제어 방법을 실행시키도록 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.A computer program stored in a computer-readable recording medium to execute the non-isolated buck-boost inverter control method according to any one of claims 9 to 13.
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