전력 전자의 기술 동향 - 멀티레벨 컨버터 (Multilevel Converter) -

 

최근 전력전자 시장에서 사용하는 자주 컨버터의 기술 중 하나인 멀티레벨 컨버터(Multilevel Converter)에 대해서 포스팅해 보겠습니다.

 

모듈형 멀티레벨 컨버터의 기본 회로도

 

 - 멀티레벨 컨버터  소개 -

 

멀티레벨 컨버터의 정의

 

 

멀티레벨 컨버터는 트랜지스터 또는 사이리스터와 같은 여러 전력 반도체 스위치를 사용하여 계단식 전압 파형을 합성하는 전력 변환기입니다. 멀티레벨 컨버터의 출력 전압은 일반적으로 커패시터 또는 기타 에너지 저장 장치를 전원 스위치와 직렬로 연결하여 여러 전압 레벨을 결합하여 생성됩니다. 멀티레벨 컨버터는 계단식 파형을 합성함으로써 기존의 컨버터보다 더 높은 전압 출력 레벨을 달성할 수 있으며, 더 나은 출력 파형 품질, 낮은 고조파 왜곡, 향상된 효율을 제공할 수 있습니다.

멀티레벨 컨버터는 또한 다이오드 클램핑 또는 플라잉 커패시터(커패시터 클램핑이라고도 함)의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다. 다이오드 클램프형 멀티레벨 컨버터에서는 일련의 커패시터를 전원 스위치와 병렬로 연결하여 출력 전압을 합성하고, 플라잉 커패시터 멀티레벨 컨버터에서는 전원 스위치 사이에 일련의 커패시터를 연결하여 출력 전압을 합성합니다. 이러한 멀티레벨 컨버터를 기존 컨버터에 비해서 다른 점을  정리하면 아래와 같습니다.

멀티레벨 컨버터와 기존 컨버터의 차이점 

1. 전압 레벨

멀티레벨 컨버터와 기존 컨버터의 가장 큰 차이점은 전압 레벨 수입니다. 기존 컨버터는 두 가지 전압 레벨(양극과 음극)로만 작동하는 반면, 멀티레벨 컨버터는 여러 레벨의 전압으로 작동합니다. 멀티레벨 컨버터의 여러 전압 레벨은 개별 구성 요소에 대한 전압 스트레스를 낮추고 고조파 왜곡을 줄입니다.

2. 스위칭 주파수

멀티레벨 컨버터는 기존 컨버터보다 낮은 스위칭 주파수에서 작동합니다. 스위칭 주파수가 낮으면 전압 레벨 수가 증가하여 스위칭 손실이 감소하고 효율이 향상되며 전자기 간섭이 감소합니다.

3. 부품 수

멀티레벨 컨버터는 기존 컨버터보다 더 많은 수의 부품이 필요합니다. 커패시터 및 다이오드와 같은 추가 구성 요소는 컨버터의 크기와 비용을 증가시키고 구성 요소 고장률을 높일 수 있습니다.

4. 제어 복잡성

멀티레벨 컨버터의 제어는 기존 컨버터보다 더 복잡합니다. 멀티레벨 컨버터를 제어하려면 여러 전압 레벨을 관리하고 고조파 왜곡을 줄이며 안정적인 작동을 유지하기 위한 정교한 알고리즘이 필요합니다.

5. 애플리케이션 특이성:

멀티레벨 컨버터는 고전압 직류(HVDC) 전송 시스템, 재생 에너지 시스템, 전기 자동차 등 특정 애플리케이션을 위해 설계되는 경우가 많습니다. 기존 컨버터는 저전력 전자 제품부터 고전력 산업용 애플리케이션에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 사용됩니다.

전반적으로 멀티레벨 컨버터는 고전력 애플리케이션에서 기존 컨버터에 비해 효율성이 향상되고 고조파 왜곡이 감소하여 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 멀티레벨 컨버터의 복잡성과 비용 증가로 인해 일부 저전력 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있습니다.

 

멀티레벨 컨버터의 실제 사용 예시

 

 

멀티레벨 컨버터는 주로 고전력 애플리케이션을 위해 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 아래는 멀티레벨 컨버터의 실제 사례 예시입니다.

1. HVDC 전송 시스템

고전압 직류(HVDC) 전송 시스템은 멀티레벨 컨버터를 사용하여 교류 전력을 장거리 전송을 위한 직류 전력으로 변환합니다. 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)와 캐스케이드 H 브리지(CHB) 컨버터는 고전압 고품질 DC 전력을 생성할 수 있기 때문에 HVDC 시스템에서 일반적으로 사용됩니다.

2. 재생 에너지 시스템

멀티레벨 컨버터는 일반적으로 풍력 터빈 및 태양광 인버터와 같은 재생 에너지 시스템에서 재생 에너지 소스의 DC 전력을 그리드 통합을 위해 AC 전력으로 변환하는 데 사용됩니다. 중성점 클램프(NPC) 컨버터와 다이오드 클램프(DC) 컨버터는 고품질 AC 전력 출력을 제공할 수 있기 때문에 재생 에너지 시스템에서 자주 사용됩니다.

3. 전기 자동차(EV) 충전

멀티레벨 컨버터는 고전력 충전을 제공하기 위해 전기 자동차의 고속 충전 시스템에 사용됩니다. 플라잉 커패시터(FC) 컨버터는 고주파 AC 전력 출력을 제공할 수 있기 때문에 EV 충전 시스템에서 일반적으로 사용됩니다.

4. 모터 드라이브

멀티레벨 컨버터는 모터의 속도와 토크를 제어하기 위해 고전력 산업용 애플리케이션의 모터 드라이브에 사용됩니다. ANPC(액티브 중성점 클램프) 컨버터와 CHB(캐스케이드 H 브리지) 컨버터는 고품질 출력 전압 및 전류를 제공할 수 있기 때문에 모터 드라이브에 일반적으로 사용됩니다.

5. 무정전 전원 공급 장치(UPS) 시스템

멀티레벨 컨버터는 정전 시 백업 전원을 공급하기 위해 UPS 시스템에 사용됩니다. 플라잉 커패시터(FC) 컨버터와 다이오드 클램프(DC) 컨버터는 고품질 AC 전원 출력을 제공할 수 있기 때문에 UPS 시스템에서 일반적으로 사용됩니다.

 

 

 - 멀티레벨 컨버터의 현재와 미래 기술 동향  -

 

멀티레벨 컨버터의 현재 기술 동향

 

전력 전자 제품의 미래를 형성하고 있는 멀티레벨 컨버터에는 현재 많은 발전을 이뤘습니다. 아래는 멀티레벨 컨버터의 현재 기술 동향을 정리해 보았습니다.

1. SiC 및 GaN 전력 디바이스

멀티레벨 컨버터에서 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN) 전력 디바이스의 사용은 점점 더 증가하는 추세입니다. 이러한 디바이스는 기존 실리콘 기반 전력 디바이스에 비해 더 높은 효율, 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 작동 온도를 제공하므로 더 작고 효율적인 멀티레벨 컨버터를 구현할 수 있습니다.

2. 통합 게이트 드라이버

통합 게이트 드라이버는 외부 부품 수를 줄이고 컨버터 설계를 간소화하기 때문에 멀티레벨 컨버터에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 또한 통합 게이트 드라이버는 스위칭 성능을 개선하고 컨버터에서 발생하는 전자기 간섭(EMI)을 줄여줍니다.

3. 고급 제어 전략: 멀티레벨 컨버터의 성능과 효율성을 개선하기 위해 모델 예측 제어(MPC)와 같은 고급 제어 전략이 사용되고 있습니다. MPC를 사용하면 컨버터 작동을 실시간으로 최적화하여 동적 응답을 개선하고 전력 손실을 줄일 수 있습니다.

4. 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC): 모듈형 멀티레벨 컨버터(MMC)는 HVDC 전송 시스템과 같은 고전력 애플리케이션에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다. MMC는 기존 멀티레벨 컨버터에 비해 더 높은 전압 및 전력 용량, 향상된 내결함성, 더 쉬운 유지보수를 제공합니다.

5. 하이브리드 멀티레벨 컨버터: 다양한 멀티레벨 컨버터 토폴로지를 결합한 하이브리드 멀티레벨 컨버터는 더 높은 효율과 성능을 달성하기 위해 개발되고 있습니다. 예를 들어, 하이브리드 컨버터는 NPC 컨버터와 CHB 컨버터의 장점을 결합하여 더 높은 전압 출력과 더 나은 고조파 성능을 제공할 수 있습니다.

이러한 기술 트렌드는 멀티레벨 컨버터 설계의 혁신을 주도하고 있으며 보다 효율적이고 안정적이며 비용 효율적인 컨버터를 만드는 데 도움이 되고 있습니다.

 

멀티레벨 컨버터의 미래 기술 동향

 

멀티레벨 컨버터는 고전력 애플리케이션 개발에서 계속해서 중요한 역할을 하고 있기 때문에 멀티레벨 컨버터의 미래는 유망해 보입니다. 아래는 멀티레벨 컨버터의 미래에 대한 몇 가지 잠재적인 연구 방향들을 정리해 보았습니다.

1. 효율성 향상

멀티레벨 컨버터는 계속해서 효율성이 향상되어 전력 손실을 줄이고 전력 전자 시스템의 전반적인 성능을 개선할 것입니다. 전력 디바이스, 제어 알고리즘, 컨버터 토폴로지의 발전이 효율성 향상에 기여할 것입니다.

2. 더 높은 전력 밀도

더 작고 가벼운 전력 전자 장치에 대한 수요로 인해 전력 밀도가 더 높은 멀티레벨 컨버터가 개발될 것입니다. 3D 패키징 및 수동 부품 통합과 같은 고급 패키징 기술을 사용하면 더 높은 전력 밀도를 달성하는 데 도움이 될 것입니다.

3. 에너지 저장 시스템과의 통합

멀티레벨 컨버터는 효율적이고 안정적인 전력 관리를 제공하기 위해 배터리 및 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 시스템과 점점 더 통합될 것입니다. 이러한 통합을 위해서는 시스템 성능을 최적화하기 위한 새로운 제어 전략과 컨버터 토폴로지의 개발이 필요합니다.

4. 향상된 내결함성

멀티레벨 컨버터는 내결함성이 지속적으로 개선되어 고전력 애플리케이션에서 다운타임과 유지보수 비용이 감소할 것입니다. 모듈형 멀티레벨 컨버터와 같은 새로운 컨버터 토폴로지의 개발은 내결함성을 개선하는 데 도움이 될 것입니다.

5. 애플리케이션별 설계

애플리케이션마다 전압, 전력 및 효율에 대한 요구 사항이 다르기 때문에 애플리케이션별 설계 개발이 멀티레벨 컨버터에서 더욱 보편화될 것입니다. 고급 최적화 알고리즘과 머신 러닝 기술을 사용하면 특정 애플리케이션을 위한 맞춤형 멀티레벨 컨버터를 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

전반적으로 멀티레벨 컨버터의 미래는 밝으며 재생 에너지, 전기 자동차, 그리드 통합과 같은 분야에서 고전력 애플리케이션 개발에 중요한 역할을 계속할 것입니다.

 - 멀티레벨 컨버터 기술의 한계점들  -

 

멀티레벨 컨버터는 기존 컨버터들에 비해 여러 가지 장점이 있지만, 몇 가지 문제점과 한계도 있습니다. 아래는 멀티레벨 컨버터의 몇 가지 문제점들을 정리해 보았습니다.

1. 복잡성

멀티레벨 컨버터는 기존의 2단계 컨버터보다 더 복잡하며, 설계 및 제어가 어려울 수 있습니다. 멀티레벨 컨버터의 복잡성은 레벨 수에 따라 증가하므로 일부 애플리케이션에서는 구현하기 어려울 수 있습니다.

2. 많은 부품 수

멀티레벨 컨버터에는 커패시터, 다이오드, 스위치와 같은 많은 수의 부품이 필요하므로 비용과 크기가 증가합니다. 또한 부품 수가 많으면 부품 고장 가능성도 높아져 신뢰성이 떨어집니다.

3. 전압 불균형

부품 허용 오차의 변화, 노후화 또는 온도 변화로 인해 멀티레벨 컨버터의 레벨 간 전압 분포가 불균형해질 수 있습니다. 전압 불균형은 손실 증가, 효율성 저하, 부품 고장으로 이어질 수 있습니다.

4. 고조파 왜곡

멀티레벨 컨버터는 고조파 왜곡을 줄이도록 설계되었지만 스위칭 손실, 이상적이지 않은 구성 요소 동작 및 제어 불완전성으로 인해 원치 않는 고조파가 발생할 수 있습니다. 고조파 왜곡은 전력 품질 및 전자기 간섭 문제를 일으킬 수 있습니다.

5. 제어 복잡성

멀티레벨 컨버터의 제어는 기존의 컨버터보다 더 복잡하며 정교한 알고리즘과 하드웨어가 필요합니다. 제어의 복잡성은 레벨 수에 따라 증가하며 설계 및 테스트 시간이 길어질 수 있습니다.

전반적으로 멀티레벨 컨버터는 고전력 애플리케이션에서 상당한 이점을 제공하지만 몇 가지 과제와 한계도 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 멀티레벨 컨버터의 성능, 신뢰성 및 비용 효율성을 개선할 수 있는 새로운 제어 전략, 최적화 알고리즘 및 컨버터 토폴로지를 개발하기 위한 지속적인 연구가 진행되고 있습니다.

이상, 멀티레벨 컨버터(Multilevel Converter)에 대해서 포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 항상 감사드립니다.