1. 서 론

최근 모터 구동을 위한 시스템에서 효율 및 운전 영역 확대를 위해 인버터를 사용하는 어플리케이션 분야가 점차 다양해지고 있다. 특히 소용량 모터 구동 시스템 뿐 아니라 대용량 모터 구동 시스템에도 인버터를 적용하여 전체 시스템의 고효율화와 안정적인 운전 및 운전 영역 확대에 대한 장점을 적용해 나아가고 있다. 모터 구동 인버터 시스템의 적용에 있어 여러 주요한 포인트 중 시스템 효율 향상이 가장 큰 이유이며, 이러한 점 때문에 이를 개선할 수 있는 여러 토폴로지 및 제어 알고리즘에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 현재 모터 구동 인버터 시스템에 가장 많이 적용되고 있는 토폴로지는 2-Level 인버터 구조로 3상 모터를 구동하기 위하여 가장 널리 사용되고 있는 구조이다. 2-Level 인버터를 포함한 기존의 모터 구동용 인버터 시스템의 효율 개선을 위해서는 가장 쉽게 인버터 스위칭 주파수를 낮추는 방법이 있다. 그러면 인버터 시스템의 스위칭 손실이 적어 인버터 시스템 자체의 효율은 개선되지만, 인버터 출력전류 즉 모터 입력전류의 고조파가 많이 함유된 전력품질이 낮은 전류로 인해 모터 구동 시 모터 효율이 저하된다. 이러한 방식은 전체 시스템의 효율 개선 효과가 미비하게 된다. 또한 모터 구동용 인버터 시스템의 용량이 증대되면 인버터 출력전류 또한 증가하여 효율 개선을 위하여 토폴로지 개선과 그에 따른 제어 알고리즘 기술 개발 검토가 필요하다^{[1, 2]}.

Fig. 1의 토폴로지별 비교 검토 자료에서 나타내는 바와 같이 대용량 모터 구동용 인버터의 효율 개선을 위해 RB-IGBT가 적용된 3-Level 인버터 토폴로지를 적용하여 인버터 시스템 효율 개선과 함께 출력 전류 고조파를 개선하여 모터 효율을 향상시켜, 전체 시스템의 고효율 방안을 제시하고자 한다. 또한 3-Level 인버터 시스템은 기존 2-Level 인버터 대비 전력용반도체 스위치 개수 증가에 따른 모듈 가격 상승과 복잡한 제어 알고리즘에 때문에 고성능의 컨트롤러를 사용해야 하는 전체 시스템 비용 상승 문제를 개선하고자 저가의 컨트롤러를 사용하여 제어가 되도록 스위치 제어 알고리즘을 제안한다^[3].

Fig. 1. Comparison by inverter topology

본 논문은 아래와 같이 4장으로 구성 되어 있다. 2장에서는 제안하는 17kW급 모터 구동용 3-Level인버터 시스템 및 이를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 소개하고, 3장에서는 본 논문의 실험 구성 내용을 설명한다. 그리고 마지막 4장에서는 결론을 제시하였다.

2. 제안하는 시스템

2.1 17kW급 모터 구동 3-Level 인버터

Fig. 2와 Table 1은 논문에서 제안하는 시스템의 회로와 주요 부품에 대한 구성도 및 파라미터를 나타낸다. 제안하는 대용량 모터 구동용 3-Level 시스템은 약 17kW 용량으로 1200V/50A급의 RB-IGBT 파워 모듈을 적용하였으며, DC 커패시터는 400V/1000uF 6개를 직.병렬로 조합하여 총 2000uF 용량으로 설계 하였다.

Fig. 2. Proposed 3-Level Inverter HW PCB

Gate Drive 및 컨틀롤러 IC 등의 전원을 공급하기 위한 5V, 15V 출력이 가능한 전원공급 장치인 SMPS와 초기 충전 및 시스템 이상 동작에 계통 분리를 위한 AC 입력단에 Relay 구조를 적용하였다.

Table 1. Hardware device parameter and value

Item	Value
IGBT Module	1200V/50A
Gate Drive	2EDR9259X
Capacitor	2000uF (400V/1000uFX6)
Micom	R5F562TADDFP
AC CT	ACS758-100B

시스템 동작은 입력 AC 380V을 입력받아 Bridge Diode를 통해 DC-link에 전력을 전달한 후 3-Level 인버터의 제어를 통해 모터를 구동하게 된다. 모터의 경우 상업용 에어컨디셔너에 적용하는 동기기 형태의 4극 모터로 최대 기계각 기준 최대 150Hz를 회전 하게 된다.

Fig. 3. 3-Level power module features and detailed comparison

Fig. 3은 3-Level 인버터에 적용하는 파워모듈에 대한 특징 및 상세 비교를 한 내용이다. 자료에서와 같이 기존 T-Type 구조의 경우 중성점에 전력 흐름 발생 시 Reverse Diode를 통해 전류의 흐름이 발생됨에 따라 손실이 발생하게 된다. RB-IGBT (Reverse Blocking)의 경우 파워 모듈 내 Reverse Diode가 존재하지 않고 직접 스위치를 통해서만 전류의 흐름이 발생함에 따라 기존 대비 Reverse Diode 특성 영향성이 적어 T-Type 3-Level 인버터 시스템 구성 시 파워 모듈의 Cost와 인버터 시스템 효율이 향상되는 두 가지 큰 장점이 있다.

2.2 제안하는 3-Level 인버터 제어

본 논문에서 제안하는 3-Level 인버터는 3상 모터를 구동하게 됨에 따라 3 Phase 형태의 토폴로지를 적용해야 한다. Fig. 4는 3-Level 인버터의 제어 알고리즘을 나타낸 것으로, 한 개의 Phase에서 각 4개의 전력용 반도체 스위치가 적용됨에 따라 각각의 스위치 상보 동작을 고려하여 12개의 스위치 상태를 제어하는 복잡한 알고리즘 적용이 필요하게 된다^{[4, 5]}.

Fig. 4. T-Type 3-Level inverter control algorithm

Fig. 5. Proposed 3-level PWM control algorithm

기존 2-Level의 제어를 위해 1 Phase 기준 1개의 캐리어 주파수와 레퍼런스 제어 전압의 비교와 각각의 Phase 별로 120도 위상차를 통해 3상 인버터를 제어 하였고 기존의 3-Level 인버터의 경우 12개의 스위치를 제어 하기 때문에 각 Phase 당 2개의 캐리어 주파수를 비교하는 방식이 주로 적용되어 총 6개의 캐리어 신호와 비교가 필요하게 되었다^{[6, 7]}. 기존 제어 방식은 많은 연산양으로 인해 고성능 컨트롤러 IC를 적용해야 하기 때문에 본 논문에서는 Fig. 5와 같이 각 Phase 당 1개의 캐리어 주파수+옵셋 방식을 적용하여 3-Level (T-Type) 인버터 내 12개 스위치 제어가 가능한 제어 알고리즘을 제안하였다.

3-Level 인버터의 경우 DC-link 커패시터를 2개로 나누어 적용하다보니, 커패시턴스의 오차, 스위치 소자간의 특성 불일치, 스위칭 시간의 차이 등을 이유로 인해 두 개의 커패시터 간의 전압 차이가 발생하게 된다. Fig. 6의 (a)에서와 같이 이러한 결과는 출력전류의 왜곡을 야기하기 때문에 개선하기 위한 DC-link 중성점 전압 불평형 제어가 필요하게 된다.

Fig. 6. (a) DC-link unbalance problem of 3-level inverter (b) simulation using offset voltage method (c) PI control applying offset voltage

Fig. 6은 3-Level 인버터의 경우 DC-link 커패시터에서 발생하는 중성점 불평형 문제를 개선하기 위한 제어 알고리즘을 나타낸 것으로 (c)는 논문에 적용한 PI제어기를 바탕으로하는 불평형 제어 알고리즘의 나타낸 것이다. DC-link 중성점 기준으로 상단 DC전압과 하단 DC전압의 차이를 기준으로 양의 옵셋 전압과 음의 옵셋 전압으로 불평형을 개선할 수 있도록 출력을 조절하게 된다. (b)에서와 같이 왼쪽은 양의 옵셋 전압이 형성될 경우이며, 오른쪽은 음의 옵셋 전압이 형성되어 제어가 이루어지게 된다.

Fig. 7은 모터 구동 제어 알고리즘을 나타낸 것으로 1 shunt 저항을 적용한 전류 센서 방식의 센서리스 제어알고리즘으로 구성되어 있다. 특히 모터 속도 제어는 지령치의 전류 레퍼런스로 나타나고 이에 따라 PI제어기와 앞서 설명한 DC Link 불평형 해소를 위한 보상 제어 로직을 통해 최종 모터 구동을 위한 전압레퍼런스를 출력하게 된다. 출력된 전압레퍼런스는 캐리어 주파수+옵셋 방식의 SVPWM 출력을 통해 모터를 구동하게 된다.

Fig. 7. Motor driving control algorithm

3. 실험 결과

Fig. 8은 실험 세트 구성을 나타내고 있으며, 입력 AC 전원 역할을 위한 파워 서플라이와 RB-IGBT 1200V/50급 파워 모듈을 적용한 T-Type의 3-Level 인버터, 그리고 최대 17kW급 모터 부하 역할을 수행하는 에어컴프레서로 구성되어 있다.

Fig. 8. Motor driving control algorithm

Table 2는 실험을 진행한 주요 파라미터 값을 나타낸 것으로, 입력 전압은 3상 380V/60Hz를 기준으로 시험을 진행하였으며, 최대 입력전력 기준 17kW 대용량 부하 시험을 진행하였다. 이때 모터는 최대 기계각 기준 150Hz로 회전하게 되며 모터 구동을 위한 3-Level 인버터의 제어 스위칭 주파수는 4kHz로 설계하여 진행하였다.

Fig. 9는 최대 17kW 모터 구동 시 2-Level 인버터와 3-Level 인버터를 각각 최대 부하와 부분 부하의 대표성을 나타내기 위해 50%와 100% 모터 부하 구동 시 동작 파형을 나타낸 것이다. 파형은 인버터 출력전압을 보다 상세히 비교하기 위해 오실로스코프의 Zoom 기능을 이용하여 2-Level 출력파형과 3-Level 출력파형을 출력기준으로 U상 출력전압과 U상 및 V상 출력전류를 비교검증하였다. (a)와(b)는 모터 부하 50% 약 8.4kW 입력에서 각각 2-Level 인버터 3-Level 인버터의 파형을 비교 분석한 내용이며, (c)와(d)는 모터 부하 100% 입력에서 각각 2-Level 인버터 3-Level 인버터의 파형을 비교 분석한 내용이다.

Fig. 9. (a) 2-Level inverter motor driving(50% Load) (b) 3-Level inverter motor driving(50% Load) (c) 2-Level inverter motor driving(100% Load) (d) 3-Level inverter motor driving(100% Load)

그림에서와 같이 본 논문에서 제안하는 3-Level 인버터 출력 전압파형이 생성됨을 검증하였으며, 최대 17kW(150Hz@ 1200rpm) 구동이 정상적으로 됨을 확인하였다. 파형에서와도 같이 3-Level 인버터의 출력전압 파형은 2-Level 인버터의 출력전압 파형보다 사인파에 가깝기 때문에 동일한 인버터 스위칭에도 고조파 개선에 따른 모터효율 상승과 인버터 효율상으로 전체 시스템 효율 개선 효과를 나타내게 된다.

Fig. 10. 3-Level vs. 2-Level inverter efficiency

Fig. 10은 3-Level 인버터와 2-Level 인버터의 효율을 비교한 결과 값을 나타내고 있다. 8.4kW (50% Load) 측정 결과 2-Level 인버터 95.2% 3-Level 인버터의 96.6% 효율 향상이 되었으며, 17kW(100% Load) 측정 결과 2-Level 인버터 97.5% 3-Level 인버터의 98.4% 효율 향상이 되어 전 영역 구간에서 효율이 개선을 검증하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 17kW급 모터 구동을 위한 3-Level 인버터 기술에 대해 HW 및 SW 주요 제어 알고리즘에 대해 제안하였고 이를 시스템 제작과 17kW급 모터를 구동하여 2-Level과 3-Level의 비교를 통하여 효율 개선을 검증하였다. HW 부분에서는 T-Type 3-Level 인버터 토폴로지를 적용하였으며, 기존의 Reverse Diode에 의해 중성점 기준 전력 흐름 발생 시 도통 손실이 발생하는 구조에서 Reverse Diode 없는 RB-IGBT가 적용된 파워모듈을 적용하여 중성점 기준 전력 흐름 발생 시 도통 손실 저감을 통해 인버터 시스템 효율 개선을 진행하였다. SW 제어 알고리즘은 3-Level 인버터 구조를 적용함에 따라 상단과 하단의 DC-Link 전압에서 발생 되는 불평형을 개선하는 알고리즘을 적용하여 수행하였으며, 기존 3-Level 인버터 대비 각 Phase 당 1개의 캐리어 주파수+옵셋 방식을 적용하여 연산량 저감을 통해 저감의 컨트롤러를 사용할 수 있는 제어 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 17kW급 3-Level 인버터 시스템의 실험 검증은 모터 부하 약 50%와 100%에서 수행하여 2-Level 인버터와3-Level 인버터의 입.출력파형 및 효율을 비교 검증하여 전부하에서 효율이 향상됨을 확인하였다. 제안하는 시스템은 대용량 모터 구동을 필요로 하는 시스템에 적용하여 3-Level 적용에 따른 인버터 시스템 효율 개선과 출력 파형의 고조파 개선을 통한 모터 효율 향상으로 전부하 영역에서 효율 개선을 할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.