다이오드 클램프형 IGBT 멀티레벨 인버터의 스너버 회로

Abstract

본 논문은 다이오드 클램프형 IGBT 멀티레벨 인버터를 위한 스너버 회로에 관한 것이다. 기존에 제안된 GTO와 IGBT 멀티레벨 인버터를 위한 스너버 회로는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 먼저 GTO를 이용한 멀티레벨 인버터는 스위치의 턴 온 시에 전류의 급격한 상승을 막기 위해 턴 온 인덕터를 사용하는데, 이것은 턴 오프 시에 큰 과전압을 발생시켜 더 큰 용량의 스너버 커패시터를 요구하게 되고, 스위치의 턴 오프 동작시 스너버 저항에서 발생하는 손실을 증가시키는 요인이 된다. 그리고 IGBT를 이용한 기존의 스너버회로는 각각의 스너버 커패시터가 스위치의 턴 오프시 선로 인덕턴스에 의한 에너지만을 충·방전하는 것이 아니라, 각 스위치의 스위칭 동작시에 스너버 커패시터간의 전압 레벨이 서로 바뀌게 된다. 따라서 스너버 커패시터간의 큰 에너지 교환이 있기 때문에 스위치에 발생하는 과전압을 효과적으로 감소시키지 못하는 문제점이 있다. 이러한 문제 때문에 대부분의 IGBT를 이용한 멀티레벨 인버터는 게이트 펄스 신호 전류를 제어하여 스너버 없이 과전압을 방지하는 기법을 사용하고 있는데, 이것은 입력 DC 링크 전원과 IGBT 스위치사이의 선로 인덕턴스를 줄이는 기법이 추가로 요구된다. 또한 선로 인덕턴스와 부하 전류가 큰 경우, 제한적으로 밖에 사용하지 못하여 근본적인 과전압 방지 대책이 되지 못한다. 특히 스위칭의 턴 오프 시간을 지연시켜 IGBT의 빠른 스위칭 특성을 제한하는 방법에 의존하므로, 스위칭 손실이 증가된다는 문제점이 있다. 제안한 스너버 회로는 다이오드 클램프형 IGBT 3-레벨 인버터의 바깥 스위치와 안쪽 스위치에 과전압 방지 스너버를 적용함으로서 기존 방식의 스너버 회로와 비교하여 다음의 장점을 가진다. 1) 일반적인 RCD 과전압 방지 스너버를 적용하여, 작은 용량의 스너버 커패시터를 이용하여 스너버 회로를 구성할 수 있고, 스너버 회로의 저항에서 발생하는 손실이 기존 방식의 0.5 [%]이하로 크게 감소한다. 5) 시스템의 선로 인덕턴스의 값을 실험적으로 구하면, 간단하게 스너버 커패시터의 용량을 설계 할 수 있다. 특히, 선로 인덕턴스와 부하전류가 큰 경우에도, 스너버 커패시터의 용량을 증가시켜 원하는 과전압 방지 동작 특성을 쉽게 얻을 수 있다. 2) 턴 오프 시 스위치에 인가되는 과전압이 기존 방식(GTO)의 60 [%], 기존 방식(IGBT)의 22 [%]이기 때문에 과전압에 의한 스위치의 전압 스트레스가 기존 방식에 비해 감소한다. 3) 안쪽 스위치에도 과전압 방지 스너버를 적용하여 기존의 방식에 비해 안쪽 스위치의 전압 변동이 크지 않다. 4) 스너버 커패시터의 전압이 V_(c1)=(V_(c2)) [V]를 유지하고 있기 때문에 기존 스너버 회로에 비해 직렬연결 된 스위칭 소자의 전압 불평형 문제가 개선된다. 6) SPWM을 이용한 기존의 다이오드 클램프형 멀티레벨 인버터 스위칭 제어 방법에 간단하게 적용 할 수 있다.

본 논문에서는 제안한 스너버 회로를 다이오드 클램프형 IGBT 3-레벨 인버터에 적용하였으며, 기존의 GTO 및 IGBT를 이용한 3-레벨 인버터의 스너버 특성과 비교하기위한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행 하였다. 또한 실제 입력 전압 V (d)(=2V_(C1))=300 [V], 부하 R=7 [Ω], 17.5 [mH]의 인버터 시스템을 구성하고, 이 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션 파형과 실제 출력 파형을 비교하여 제안한 스너버 회로의 효용성을 입증하였다. 제안한 방식의 스너버는 다이오드 클램프형 고압 대용량 IGBT 멀티레벨 컨버터의 성능향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

This paper proposes a snubber circuit for a diode-clamped multi-level inverter. Diode-clamped multi-level inverter has good features of reduced device voltage rating, low dv/dt stress of switching device and reduced total harmonic distortion compared with a two-level inverter. Therefore, the multi-level inverter has been used widely in the high voltage and high power applications. This paper analyzes the features of the proposed snubber, especially during the turn off switching of the switching device with inductive load. The voltage spike of the IGBT at the turn off switching is reduced and the power loss of a snubber resistor becomes very small. The usefulness of the proposed snubber circuit is verified through simulation and experimental results.