KR102857856B1 - A High-efficiency Single-phase Photovoltaic Inverter for High-voltage Photovoltaic Panels - Google Patents
A High-efficiency Single-phase Photovoltaic Inverter for High-voltage Photovoltaic PanelsInfo
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Abstract
본 발명은 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류단 전압보다 높은 태양광 패널 전압까지 허용하기 위해 벅부스트 컨버터에 풀브리지 인버터를 종속적으로 결합한 토폴로지를 새로운 방식으로 변형한 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 관한 것으로, 단상 태양광 인버터에 있어서, 벅부스트 컨버터에 회로 절연을 위해 하나의 IGBT와 다이오드를 추가하여 연결한 회로 절연 구조를 포함하며, 태양광 패널로부터 가변 직류 전압을 입력받아 전압을 승압 또는 감압하여 전달하는 벅부스트 컨버터부; 벅부스트 컨버터부와 종속적으로 연결되어, 벅부스트 컨버터부로부터 일정한 직류 전압을 입력받아 단극성 PWM으로 스위칭하여 단상 계통으로 교류 전류를 출력하는 풀브리지 인버터부;를 포함하며, 이상에서 설명한 바와 같은 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 따르면 다음과 같은 효과가 있다. 첫째, 벅부스트 컨버터에 IGBT와 다이오드를 추가하여 회로를 절연시켰고, 따라서 누설 전류가 흐르지 못한다. 둘째, 회로 절연 덕분에 풀브리지 인버터에서 기존의 양극성 PWM을 단극성 PWM으로 대체할 수 있고, 따라서 스위칭 손실과 인덕턴스를 절반으로 줄일 수 있다. 셋째, 스위칭 손실이 절반으로 감소하므로 추가한 IGBT와 다이오드로 인한 도통 손실의 증가를 감안하더라도 전체 손실을 줄일 수 있다. 넷째, 동일한 최대 리플 전류 조건에서 인덕턴스가 절반으로 감소하므로 추가한 IGBT와 다이오드에 따른 비용 증가를 감안하더라도 전체 비용을 줄일 수 있다.The present invention relates to a high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels, and more particularly, to a high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels, which has a novel modification of a topology in which a full-bridge inverter is cascadedly connected to a buck-boost converter to allow for a solar panel voltage higher than a DC link voltage, and comprises: a circuit insulation structure in which an IGBT and a diode are added to the buck-boost converter for circuit insulation; the inverter comprises: a buck-boost converter section that receives a variable DC voltage from a solar panel and boosts or reduces the voltage to transmit it; and a full-bridge inverter section that is cascaded to the buck-boost converter section and receives a constant DC voltage from the buck-boost converter section, switches it with unipolar PWM, and outputs an AC current to a single-phase system. According to the high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels described above, the following effects are obtained. First, the circuit is insulated by adding an IGBT and a diode to the buck-boost converter, and thus leakage current cannot flow. Second, circuit isolation allows the full-bridge inverter to replace the conventional bipolar PWM with a unipolar PWM, thereby halving switching losses and inductance. Third, because switching losses are halved, overall losses can be reduced even after accounting for the increased conduction losses due to the additional IGBTs and diodes. Fourth, because inductance is halved under the same maximum ripple current conditions, overall costs can be reduced even after accounting for the increased cost of the additional IGBTs and diodes.
Description
본 발명은 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류단 전압보다 높은 태양광 패널 전압까지 허용하기 위해 벅부스트 컨버터에 풀브리지 인버터를 종속적으로 결합한 토폴로지를 새로운 방식으로 변형한 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel, and more particularly, to a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel that has a new modified topology in which a full-bridge inverter is cascadedly combined with a buck-boost converter to allow a solar panel voltage higher than a DC link voltage.
단상 태양광 인버터는 가변 직류 전원인 태양광 패널에서 발전된 전력을 단상 계통에 공급하기 위해 직류를 교류로 변환하는 장치이며, 태양광 패널 전압의 허용 범위에 따라 부스트 컨버터 또는 벅부스트 컨버터에 풀브리지 인버터를 종속적으로 연결하는 두 단계의 전력 변환 방식이 주로 사용된다. 변압기를 사용하지 않는 방식이 비용 및 효율 측면에서 유리하기 때문에 현재는 단상 태양광 인버터 시장의 대부분을 점유하고 있다.A single-phase solar inverter is a device that converts direct current (DC) generated by solar panels, a variable DC source, into alternating current (AC) to supply power to a single-phase grid. Depending on the acceptable voltage range of the solar panel, a two-stage power conversion method is commonly used, which involves connecting a full-bridge inverter in series with a boost converter or buck-boost converter. Due to its cost and efficiency advantages, this transformer-less approach currently dominates the single-phase solar inverter market.
하지만 변압기를 사용해서 절연하지 않으면 태양광 패널의 출력 단자와 프레임, 즉 접지 간에 존재하는 큰 기생 커패시턴스로 인해 과도한 누설 전류가 흐를 수 있어 EMI 노이즈 및 누전 차단과 관련해서 심각한 문제를 초래할 수 있다. 예를 들어, 국제 표준 IEC 62109-2에서는 누설 전류가 일정 전류값(300mArms)을 초과하면 차단하도록 규정하고 있다.However, without insulation using a transformer, the large parasitic capacitance between the solar panel's output terminals and the frame (i.e., ground) can lead to excessive leakage current, which can cause serious problems with EMI noise and leakage current protection. For example, the international standard IEC 62109-2 stipulates that a shutdown be initiated when the leakage current exceeds a certain value (300 mArms).
이러한 이유로 풀브리지 인버터는 공통 모드 전압이 일정한 양극성 PWM으로만 스위칭할 수 있으며, 단극성 PWM은 구형파의 공통 모드 전압을 발생시키므로 심각한 누설 전류 문제를 초래한다. For this reason, full-bridge inverters can only switch with bipolar PWM, which has a constant common mode voltage, while unipolar PWM generates a square wave common mode voltage, which causes serious leakage current problems.
하지만 양극성 PWM은 단극성 PWM에 비해 스위칭 손실이 두 배 크고, 인덕턴스도 동일한 최대 리플 전류 조건에서 두 배 크다는 문제점이 존재한다. 따라서 누설 전류 문제를 야기하지 않으면서 단극성 PWM이 가능하도록 IGBT와 다이오드를 두 개씩 추가한 Sunway사의 HERIC을 비롯해서 풀브리지 인버터의 토폴로지를 다양하게 변형한 일명 고효율 단상 태양광 인버터들이 제안되었다.However, bipolar PWM has the drawback that switching losses are twice as high as unipolar PWM, and inductance is also twice as high under the same maximum ripple current conditions. Therefore, various high-efficiency single-phase solar inverters have been proposed that utilize modified full-bridge inverter topologies, including Sunway's HERIC, which adds two IGBTs and two diodes to enable unipolar PWM without causing leakage current issues.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명은 직류단 전압보다 높은 태양광 패널 전압까지 허용하기 위해 벅부스트 컨버터에 풀브리지 인버터를 종속적으로 결합한 토폴로지를 새로운 방식으로 변형한 것으로, 일정한 공통 모드 전압을 얻기 위해 풀브리지 인버터에 스위칭 소자를 추가하는 기존의 토폴로지들과 달리, 벅부스트 컨버터에 IGBT와 다이오드를 하나씩만 추가하여 회로를 절연시킴으로써 단극성 PWM을 가능케 하는 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터을 제공하는 것이다.The present invention has been made in consideration of such problems, and the present invention provides a new topology that cascades a full-bridge inverter to a buck-boost converter to allow for a solar panel voltage higher than the DC link voltage, and unlike existing topologies that add switching elements to a full-bridge inverter to obtain a constant common mode voltage, the present invention provides a high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels that enables unipolar PWM by adding only one IGBT and one diode to the buck-boost converter to insulate the circuit.
본 발명의 실시예들에 따른 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터는 단상 태양광 인버터에 있어서, 벅부스트 컨버터에 회로 절연을 위해 하나의 IGBT와 다이오드를 추가하여 연결한 회로 절연 구조를 포함하며, 태양광 패널로부터 가변 직류 전압을 입력받아 전압을 승압 또는 감압하여 전달하는 벅부스트 컨버터부; 상기 벅부스트 컨버터부와 종속적으로 연결되어, 상기 벅부스트 컨버터부로부터 일정한 직류 전압을 입력받아 단극성 PWM으로 스위칭하여 단상 계통으로 교류 전류를 출력하는 풀브리지 인버터부;를 포함한다.A high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel according to embodiments of the present invention comprises a circuit insulation structure in which one IGBT and a diode are additionally connected to a buck-boost converter for circuit insulation in a single-phase solar inverter, and comprises a buck-boost converter section that receives a variable DC voltage from a solar panel and transmits the voltage by boosting or reducing it; and a full-bridge inverter section that is connected in a dependent manner to the buck-boost converter section and receives a constant DC voltage from the buck-boost converter section, switches it with unipolar PWM, and outputs an AC current to a single-phase system.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 회로 절연 구조는 2개의 IGBT와 2개의 다이오드를 포함하고, 상기 2개의 IGBT를 입력 두 단자와 인덕터 사이에 나란히 연결하며, 상기 2개의 다이오드는 상기 인덕터와 출력 두 단자 사이에 나란히 연결함으로써 회로를 절연시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.In embodiments of the present invention, the circuit insulation structure is characterized in that it can insulate the circuit by including two IGBTs and two diodes, and connecting the two IGBTs in parallel between two input terminals and an inductor, and connecting the two diodes in parallel between the inductor and two output terminals.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 회로 절연 구조에 포함된 상기 2개의 IGBT가 동시에 스위칭하며, 상기 회로 절연 구조로 인하여 누설 전류가 흐르지 않는 것을 특징으로 한다.In embodiments of the present invention, the two IGBTs included in the circuit insulation structure are switched simultaneously, and leakage current does not flow due to the circuit insulation structure.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 벅부스트 컨버터부는, 태양광 패널의 음극 마디를 상기 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결한 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.In embodiments of the present invention, the buck-boost converter unit is characterized by including a structure in which the negative node of the solar panel is connected to a node in the full-bridge inverter unit to which the inductor is not connected.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 벅부스트 컨버터부는, 상기 태양광 패널의 음극 마디를 상기 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결하여, 상기 회로 절연 구조에 따른 2개의 IGBT와 2개의 다이오드의 오프 전압 불확정성을 제거하는 것을 특징으로 한다.In embodiments of the present invention, the buck-boost converter unit is characterized in that it removes the uncertainty of the off-voltage of two IGBTs and two diodes according to the circuit insulation structure by connecting the cathode node of the solar panel to a node of the full-bridge inverter unit to which the inductor is not connected.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 벅부스트 컨버터부는, 상기 태양광 패널의 음극 마디를 상기 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결하여, 상기 2개의 IGBT의 스위칭 특성 차이로 인한 전류가 흐르는 경로를 제공하는 것을 특징으로 한다.In embodiments of the present invention, the buck-boost converter unit is characterized in that it provides a path for current to flow due to a difference in switching characteristics of the two IGBTs by connecting the cathode node of the solar panel to a node of the full-bridge inverter unit to which the inductor is not connected.
이상에서 설명한 바와 같은 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to the high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels described above, the following effects are achieved:
첫째, 벅부스트 컨버터에 IGBT와 다이오드를 추가하여 회로를 절연시켰고, 따라서 누설 전류가 흐르지 못한다.First, we added an IGBT and a diode to the buck-boost converter to insulate the circuit, thus preventing leakage current from flowing.
둘째, 회로 절연 덕분에 풀브리지 인버터에서 기존의 양극성 PWM을 단극성 PWM으로 대체할 수 있고, 따라서 스위칭 손실과 인덕턴스를 절반으로 줄일 수 있다.Second, circuit isolation allows the full-bridge inverter to replace the conventional bipolar PWM with a unipolar PWM, thus reducing switching losses and inductance by half.
셋째, 스위칭 손실이 절반으로 감소하므로 추가한 IGBT와 다이오드로 인한 도통 손실의 증가를 감안하더라도 전체 손실을 줄일 수 있다.Third, switching losses are reduced by half, reducing overall losses even when considering the increased conduction losses due to the added IGBTs and diodes.
넷째, 동일한 최대 리플 전류 조건에서 인덕턴스가 절반으로 감소하므로 추가한 IGBT와 다이오드에 따른 비용 증가를 감안하더라도 전체 비용을 줄일 수 있다.Fourth, the inductance is reduced by half under the same maximum ripple current conditions, which reduces the overall cost even considering the increased cost of the added IGBT and diode.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터를 비교 설명하기 위해 기존의 고전압 태양광 패널용 단상 태양광 인버터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 절연 구조를 포함한 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터(10)를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 절연 구조를 설명하기 위해 벅부스트 컨버터부(100)의 동작 모드에 따른 전류 경로를 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 절연 구조에 추가적으로 필요한 벅부스트 컨버터부(100)와 풀브리지 인버터부(200) 간의 연결(100b)을 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터(10)의 회로 동작을 나타낸 파형도이다.FIG. 1 is a circuit diagram showing a conventional single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel to compare and explain a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a high-efficiency single-phase solar inverter (10) for a high-voltage solar panel including a circuit insulation structure according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a current path according to the operation mode of a buck-boost converter unit (100) to explain a circuit insulation structure according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a connection (100b) between a buck-boost converter section (100) and a full-bridge inverter section (200) additionally required for a circuit insulation structure according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a waveform diagram showing the circuit operation of a high-efficiency single-phase solar inverter (10) for a high-voltage solar panel according to one embodiment of the present invention.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.Hereinafter, a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The present invention may be modified in various ways and may take various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, but it should be understood that the invention includes all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals are used to indicate similar components. In the attached drawings, the dimensions of structures are illustrated in an enlarged form for clarity of the present invention or in a reduced form for understanding the schematic configuration.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Furthermore, while terms such as "first" and "second" may be used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the "second component," and similarly, the second component may also be referred to as the "first component." Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with their meaning in the context of the relevant technology, and shall not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless explicitly defined herein.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터를 비교 설명하기 위해 기존의 고전압 태양광 패널용 단상 태양광 인버터를 나타낸 회로도이다. FIG. 1 is a circuit diagram showing a conventional single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel to compare and explain a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel according to the present invention.
도 1을 참고하면, 직류단 전압(Vdc)보다 높은 태양광 패널 전압(Vpv)을 허용하기 위해 벅부스트 컨버터가 사용된다. 태양광 패널(PV)의 음극 마디(n)에서 접지된 Cp는 태양광 패널(PV)의 기생 커패시턴스를 의미하며, 태양광 모듈의 출력 단자와 프레임, 즉 접지 간에 존재하는 기생 커패시턴스들의 총합이다. 풀브리지 인버터는 누설 전류(Ig)가 과도하게 흐르지 않도록 양극성 PWM으로 스위칭하며, 동일한 인덕턴스를 갖는 두 개의 인덕터(Lac1, Lac2)를 사용하여 단상 계통(Grid)과 연결한다.Referring to Fig. 1, a buck-boost converter is used to allow a solar panel voltage (Vpv) higher than the DC link voltage (Vdc). Cp, which is grounded at the negative node (n) of the solar panel (PV), represents the parasitic capacitance of the solar panel (PV), and is the sum of the parasitic capacitances existing between the output terminal of the solar module and the frame, i.e., the ground. The full-bridge inverter switches with bipolar PWM to prevent excessive leakage current (Ig) from flowing, and connects to the single-phase grid using two inductors (Lac1, Lac2) with the same inductance.
본 발명은 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류단 전압보다 높은 태양광 패널 전압까지 허용하기 위해 벅부스트 컨버터에 풀브리지 인버터를 종속적으로 결합한 토폴로지를 새로운 방식으로 변형한 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel, and more particularly, to a high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel that has a new modified topology in which a full-bridge inverter is cascadedly combined with a buck-boost converter to allow a solar panel voltage higher than a DC link voltage.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 절연 구조를 포함한 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터(10)를 나타낸 회로도이다.FIG. 2 is a circuit diagram showing a high-efficiency single-phase solar inverter (10) for a high-voltage solar panel including a circuit insulation structure according to one embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터(10)는 벅부스트 컨버터부(100)와 풀브리지 인버터부(200)를 포함한다. 벅부스트 컨버터부(100)는 벅부스트 컨버터에 회로 절연을 위해 하나의 IGBT(S6)와 다이오드(D6)를 추가하여 연결한 회로 절연 구조를 포함하며, 태양광 패널(PV)로부터 가변 직류 전압(Vpv)을 입력받아 전압을 승압 또는 감압하여 전달하고, 풀브리지 인버터부(200)는 벅부스트 컨버터부(100)와 종속적으로 연결되어, 벅부스트 컨버터부(100)로부터 일정한 직류 전압(Vdc)을 입력받아 단극성 PWM으로 스위칭하여 단상 계통(Grid)으로 교류 전류(Iac)를 출력한다. Referring to Fig. 2, a high-efficiency single-phase solar inverter (10) for a high-voltage solar panel includes a buck-boost converter section (100) and a full-bridge inverter section (200). The buck-boost converter section (100) includes a circuit insulation structure in which one IGBT (S6) and a diode (D6) are additionally connected to the buck-boost converter for circuit insulation, and receives a variable direct current voltage (Vpv) from a solar panel (PV) and transmits the voltage by stepping up or stepping down, and the full-bridge inverter section (200) is connected in a dependent manner to the buck-boost converter section (100), receives a constant direct current voltage (Vdc) from the buck-boost converter section (100), switches it with unipolar PWM, and outputs an alternating current (Iac) to a single-phase grid.
도 3은 본 발명에 따른 회로 절연 구조를 설명하기 위해 벅부스트 컨버터부(100)의 동작 모드에 따른 전류 경로를 나타낸 회로도이다.FIG. 3 is a circuit diagram showing a current path according to the operation mode of the buck-boost converter unit (100) to explain the circuit insulation structure according to the present invention.
도 3을 참고하면, 벅부스트 컨버터에서는 입력에서 출력으로 전류가 흐르지 않는다는 사실에 착안하여 누설 전류가 흐를 수 없도록 IGBT(S6)와 다이오드(D6)를 추가해서 회로를 절연하였다.Referring to Fig. 3, considering that no current flows from input to output in a buck-boost converter, an IGBT (S6) and a diode (D6) were added to insulate the circuit so that leakage current cannot flow.
즉, 좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 회로 절연 구조는 2개의 IGBT(S1, S6)와 2개의 다이오드(D1, D6)를 포함하고, 상기 2개의 IGBT(S1, S6)를 입력 두 단자와 인덕터 사이에 나란히 연결하며, 상기 2개의 다이오드(D1, D6)는 상기 인덕터와 출력 두 단자 사이에 나란히 연결함으로써 회로를 절연시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 2개의 IGBT(S1, S6)는 동시에 스위칭하며, 동작 모드에 따른 전류 경로는 기존의 벅부스트 컨버터와 동일하다. 따라서, 상기 회로 절연 구조에 포함된 상기 2개의 IGBT(S1, S6)가 동시에 스위칭하여, 상기 회로 절연 구조로 인하여 누설 전류가 흐르지 않도록 한다.That is, to explain in more detail, the circuit insulation structure includes two IGBTs (S1, S6) and two diodes (D1, D6), and the two IGBTs (S1, S6) are connected in parallel between two input terminals and an inductor, and the two diodes (D1, D6) are connected in parallel between the inductor and two output terminals, thereby insulating the circuit. Here, the two IGBTs (S1, S6) switch simultaneously, and the current path according to the operation mode is the same as that of a conventional buck-boost converter. Therefore, the two IGBTs (S1, S6) included in the circuit insulation structure switch simultaneously, so that leakage current does not flow due to the circuit insulation structure.
즉, 좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 2개의 IGBT(S1, S6)를 켜면, 인덕터(Ldc)는 입력으로부터 에너지를 공급받아 저장하며, 오프 상태인 2개의 다이오드(D1, D6)에 의해 출력과 절연된다. 반대로 2개의 IGBT(S1, S6)를 끄면 인덕터(Ldc)는 입력과 절연되고, 저장했던 에너지를 2개의 다이오드(D1, D6)를 통해 출력으로 전달한다. 상기 회로 절연 구조 덕분에 누설 전류가 흐를 수 없고, 따라서 풀브리지 인버터부(200)는 단극성 PWM으로 스위칭할 수 있다. That is, to explain in more detail, when the two IGBTs (S1, S6) are turned on, the inductor (Ldc) receives energy from the input and stores it, and is insulated from the output by the two diodes (D1, D6) that are in the off state. Conversely, when the two IGBTs (S1, S6) are turned off, the inductor (Ldc) is insulated from the input, and the stored energy is transferred to the output through the two diodes (D1, D6). Thanks to the circuit insulation structure, leakage current cannot flow, and therefore, the full-bridge inverter unit (200) can switch with unipolar PWM.
여기서, 상기 단극성 PWM은 양극성 PWM에 비해 다음의 장점을 갖는다. 첫째, 스위칭 손실이 절반으로 감소하므로 추가한 IGBT(S6)와 다이오드(D6)로 인한 도통 손실의 증가를 감안하더라도 전체 손실을 줄일 수 있다. 둘째, 동일한 최대 리플 전류 조건에서 인덕턴스가 절반으로 감소하므로 인덕터를 하나만 사용할 수 있고, 따라서 상기 추가한 IGBT(S6)와 다이오드(D6)에 따른 비용 증가를 감안하더라도 전체 비용을 줄일 수 있다.Here, the unipolar PWM has the following advantages over the bipolar PWM. First, since the switching loss is reduced by half, the overall loss can be reduced even considering the increase in conduction loss due to the added IGBT (S6) and diode (D6). Second, since the inductance is reduced by half under the same maximum ripple current condition, only one inductor can be used, and thus the overall cost can be reduced even considering the increased cost due to the added IGBT (S6) and diode (D6).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 절연 구조에 추가적으로 필요한 벅부스트 컨버터부(100)와 풀브리지 인버터부(200) 간의 연결(100b)을 나타낸 회로도이다.FIG. 4 is a circuit diagram showing a connection (100b) between a buck-boost converter section (100) and a full-bridge inverter section (200) additionally required for a circuit insulation structure according to one embodiment of the present invention.
도 4를 참고하면, 벅부스트 컨버터부(100)는 태양광 패널의 음극 마디(100a)를 풀브리지 인버터부(200)에서 인덕터를 연결하지 않은 마디(100c)에 연결한 구조를 포함한다. 따라서, 벅부스트 컨버터부(100)는 상기 태양광 패널의 음극 마디를 풀브리지 인버터부(200)에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결하여, 회로 절연에 따른 상기 2개의 IGBT(S1, S6)와 상기 2개의 다이오드(D1, D6)의 오프 전압 불확정성을 제거할 수 있다. 또한, 상기 2개의 IGBT(S1, S6)의 스위칭 특성 차이로 인한 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하기 위해, 벅부스트 컨버터부(100)에서 태양광 패널(PV)의 음극 마디(n)(100a)를 풀브리지 인버터부(200)에서 인덕터를 연결하지 않은 마디(B)(100c)와 연결한다. Referring to FIG. 4, the buck-boost converter unit (100) includes a structure in which the negative node (100a) of the solar panel is connected to the node (100c) of the full-bridge inverter unit (200) to which the inductor is not connected. Therefore, the buck-boost converter unit (100) connects the negative node of the solar panel to the node of the full-bridge inverter unit (200) to which the inductor is not connected, thereby eliminating the uncertainty of the off-voltage of the two IGBTs (S1, S6) and the two diodes (D1, D6) due to circuit insulation. In addition, in order to provide a path through which current can flow due to the difference in switching characteristics of the two IGBTs (S1, S6), the buck-boost converter unit (100) connects the negative node (n) (100a) of the solar panel (PV) to the node (B) (100c) of the full-bridge inverter unit (200) to which the inductor is not connected.
도 5는 본 발명에 따른 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터(10)의 회로 동작을 나타낸 파형도이다.Figure 5 is a waveform diagram showing the circuit operation of a high-efficiency single-phase solar inverter (10) for a high-voltage solar panel according to the present invention.
도 5를 참고하면, 벅부스트 컨버터부(100)에서의 회로 절연 덕분에 누설 전류(Ig)가 전혀 흐르지 않는다는 사실을 확인할 수 있다. 여기서, 제어 방식은 최대 전력 점 추종 제어에서 단위 역률 제어까지 전부 통상적인 기존의 방식과 동일하다. Referring to Fig. 5, it can be confirmed that no leakage current (Ig) flows at all thanks to the circuit insulation in the buck-boost converter section (100). Here, the control method is identical to the conventional method, from maximum power point tracking control to unit power factor control.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the detailed description of the present invention described above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, it will be understood by those skilled in the art or having ordinary knowledge in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and technical scope of the present invention as set forth in the claims to be described later.
10: 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터
100: 벅부스트 컨버터부
100a: 태양광 패널의 음극 마디(n)
100b: 회로 절연에 따른 추가적인 연결
100c: 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디(B)
200: 풀브리지 인버터부10: High-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels
100: Buck-boost converter
100a: Negative node (n) of solar panel
100b: Additional connections for circuit insulation
100c: Node (B) without inductor connection in full-bridge inverter section
200: Full-bridge inverter section
Claims (6)
벅부스트 컨버터에 회로 절연을 위해 하나의 IGBT와 다이오드를 추가하여 연결한 회로 절연 구조를 포함하며, 태양광 패널로부터 가변 직류 전압을 입력받아 전압을 승압 또는 감압하여 전달하는 벅부스트 컨버터부;
상기 벅부스트 컨버터부와 종속적으로 연결되어,
상기 벅부스트 컨버터부로부터 일정한 직류 전압을 입력받아 단극성 PWM으로 스위칭하여 단상 계통으로 교류 전류를 출력하는 풀브리지 인버터부; 를 포함하되,
상기 벅부스트 컨버터부는,
태양광 패널의 음극 마디를 상기 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터.In single-phase solar inverters,
A buck-boost converter section comprising a circuit insulation structure in which one IGBT and a diode are added and connected for circuit insulation in a buck-boost converter, and which receives a variable DC voltage from a solar panel and transmits the voltage by stepping up or stepping down the voltage;
Connected dependently to the above buck-boost converter section,
A full-bridge inverter section that receives a constant DC voltage from the above buck-boost converter section, switches it with unipolar PWM, and outputs AC current to a single-phase system; including:
The above buck-boost converter section is,
A high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel, characterized in that it includes a structure in which the negative node of the solar panel is connected to a node in the full-bridge inverter section to which the inductor is not connected.
상기 회로 절연 구조는,
2개의 IGBT와 2개의 다이오드를 포함하고,
상기 2개의 IGBT를 입력 두 단자와 인덕터 사이에 나란히 연결하며,
상기 2개의 다이오드는 상기 인덕터와 출력 두 단자 사이에 나란히 연결함으로써 회로를 절연시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터.In the first paragraph,
The above circuit insulation structure is,
Contains two IGBTs and two diodes,
The above two IGBTs are connected in parallel between the two input terminals and the inductor,
A high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels, characterized in that the above two diodes can insulate the circuit by being connected in parallel between the above inductor and the two output terminals.
상기 회로 절연 구조에 포함된 상기 2개의 IGBT가 동시에 스위칭하며,
상기 회로 절연 구조로 인하여 누설 전류가 흐르지 않는 것을 특징으로 하는 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터.In the second paragraph,
The two IGBTs included in the above circuit insulation structure switch simultaneously,
A high-efficiency single-phase solar inverter for high-voltage solar panels, characterized in that no leakage current flows due to the above circuit insulation structure.
상기 벅부스트 컨버터부는,
상기 태양광 패널의 음극 마디를 상기 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결하여,
상기 회로 절연 구조에 따른 2개의 IGBT와 2개의 다이오드의 오프 전압 불확정성을 제거하는 것을 특징으로 하는 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터.In the first paragraph,
The above buck-boost converter section is,
By connecting the negative node of the above solar panel to the node in the full bridge inverter section where the inductor is not connected,
A high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel, characterized in that it eliminates the uncertainty of the off-voltage of two IGBTs and two diodes according to the above circuit insulation structure.
상기 벅부스트 컨버터부는,
상기 태양광 패널의 음극 마디를 상기 풀브리지 인버터부에서 인덕터를 연결하지 않은 마디에 연결하여,
상기 2개의 IGBT의 스위칭 특성 차이로 인한 전류가 흐르는 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 고전압 태양광 패널용 고효율 단상 태양광 인버터.In paragraph 5,
The above buck-boost converter section is,
By connecting the negative node of the above solar panel to the node in the full bridge inverter section where the inductor is not connected,
A high-efficiency single-phase solar inverter for a high-voltage solar panel, characterized in that it provides a path for current to flow due to the difference in switching characteristics of the above two IGBTs.
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