Multi-Level Inverter Circuit Analysis and Weight Reduction Analysis to Stratospheric Drones

성층권 드론에 적용할 멀티레벨 인버터 회로 분석 및 경량화 분석

Abstract

The stratospheric drones are developed to perform missions such as weather observation, communication relay, surveillance, and reconnaissance at 18km to 20km, where climate change is minimal and there is no worry about a collision with aircraft. It uses solar panels for daytime flights and energy stored in batteries for night flights, providing many advantages over existing satellites. The electrical and power systems essential for stratospheric drone flight must ensure reliability, efficiency, and lightness by selecting the optimal circuit topology. Therefore, it is necessary to analyze the circuit topology of various types of multi-level inverters with high redundancy that can ensure the reliability and efficiency of the motor driving power required for stable long-term flight of stratospheric drones. By quantifying the switch element voltage drop and the number and weight of inverter components for each topology, we evaluate efficiency and lightness and propose the most suitable circuit topology for stratospheric drones.

1. 서론

성층권 드론은 기후변화가 적고 항공기와의 충돌 걱정이 없이 자유로운 비행이 가능한 고도 18km∼20km 상공에서 기상관측이나 통신 중계 역할, 감시 정찰 등과 같은 임무를 수행하기 위해 개발되고 있으며 추가적인 연료공급 없이 장기간 체공을 위한 비행 동력을 얻기 위해 주간에는 동체에 설치된 태양광 패널로 생산된 에너지를 비행에 활용하고 남는 에너지는 배터리로 충전하고 야간에는 배터리에 충전된 에너지를 사용하여 고도를 유지하는 방식으로 적용되고 있다. 이러한 성층권 드론은 아주 높은 고도에서 운영되는 인공위성에 비해 폭우·폭설 등과 같은 국지적·돌발성 기상관측과 국가 재난 상황에 더 효율적으로 원활한 대처가 가능해 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서도 꾸준한 연구가 이루어지고 있으며 국내에서도 한국항공대학교에서 연구 개발한 KAU-SPUAV 태양광 무인기가 32시간 19분 동안 비행 실험을 지속하여 의미 있는 결과를 나타내었다[1,2].

이처럼 성층권에서 비행하며 장기간 목표 고도를 유지해야 하는 드론을 개발하기 위해서는 고효율, 고성능 동력장치들은 물론 고도 차이에 의한 극한의 온도변화에도 원활한 임무 수행을 위한 강건함과 내구성이 필요하므로 주요 분야의 핵심 기술 확보가 필수적이다. 특히 성층권 드론 비행에 필수적인 전기 및 동력시스템은 최적의 회로 토폴로지를 통해 신뢰성과 효율성 확보는 물론 경량성까지 확보하여야 한다. 지상에서부터 성층권까지 다양한 고도에서 비행 임무를 수행해야 하는 성층권 드론은 고도 변화에 따른 다른 환경 조건으로 인해 드론에 장착된 부품들의 고장률이 상온의 환경에 비해 상대적으로 높아 Redundancy 설계 방식의 회로 구조가 더 높은 신뢰성을 제공할 수 있다[2,3].

모터 구동, 전력변환 등에 많이 활용되는 기술인 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식은 펄스 폭과 제어 주기를 조정하는 방식으로 출력전압의 크기 및 주파수를 동시 제어가 가능하여 비교적 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 하지만 구현을 위한 빠른 스위칭 동작으로 인해 인버터의 출력 파형이 기본파 성분 외에도 다양한 고조파 성분들을 포함하고 있어 전자유도에 의한 다른 주변 장치들에 각종 장애를 유발하고 전동기 소음 및 토크 맥동, 커먼 모드 전압에 의한 전류 누설 등 전기적 및 기계적인 문제의 발생 원인 전체 시스템의 신뢰성과 효율성에 좋지 않은 영향을 준다. 따라서 인버터 자체에서 발생하는 고조파 성분의 최소화를 위한 일반적인 방식으로 인버터 출력단에 인덕터와 콘덴서의 조합으로 구성한 필터를 연결하는 방식을 고려할 수 있으나 인버터 출력전압의 제어 응답 특성이 나빠지고 인버터의 전체적인 크기 및 비용이 증가하는 등 다른 문제들이 발생하기 때문에 인버터 출력단에 필터를 설치하지 않고 고조파 성분을 억제할 수 있는 멀티레벨 인버터 방식이 효과적일 수 있다[4,5].

따라서 성층권에서 원활한 업무수행과 드론의 안정적인 장기간 비행에 필요한 모터 구동력에 대한 신뢰성과 효율성을 보장할 수 있는 최적의 회로 토폴로지 찾기 위해서는 다양한 형태의 멀티레벨 인버터의 회로 토폴로지 분석이 필요하며 각 토폴로지의 스위치 소자 전압 강하 비교를 통해 효율성을 확인하고 총 부품 수와 무게를 정량화해 비교함으로써 회로 토폴로지의 경량성도 평가하여 성층권 드론에 활용할 수 있는 가장 적합한 회로 토폴로지를 제안하고자 한다.

2. 멀티레벨 인버터 회로 분석

멀티레벨 인버터는 2레벨(level) 인버터와 비교해 직렬 연결된 소자의 스위칭 할 때 발생하는 차단전압 불균형 문제가 발생하지 않으며 정현파에 가까운 출력전압 파형을 얻을 수 있다. 그리고 2레벨 인버터보다 많은 전력반도체 스위치 소자가 필요하나 스위치 모듈별로 동기를 맞출 필요가 없고 출력전압이 다른 인버터와의 연결에 필요한 변압기 같은 소자도 필요하지 않다. 이러한 멀티레벨 인버터의 구성은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 직류(DC) 입력 소스에 따라 구분되며 크게 독립된 직류 입력 소스와 H-bridge 형태로 모듈화를 통해 여러 모듈을 결합하여 원하는 출력전압을 얻는 Cascade H-bridge Circuit(CHC), 하나의 직류 입력소스로 플로팅 상태의 분리된 커패시터(capacitor)를 이용하여 출력전압을 발생시킨 Flying Capacitor Circuit(FCC), 다이오드 클램프 방식으로 출력전압을 발생시킨 Diode Clamped Circuit(DCC)으로 크게 3가지 형태로 구분할 수 있다[6-8].

Fig. 1 Multilevel 인버터 scheme

2.1 Diode Clamped Circuit

DCC 인버터는 1981년 Nabae가 처음 제안하였고 다이오드에 직렬로 연결된 커패시터 뱅크의 서로 다른 위상을 통해 m레벨의 상전압을 만들어 내는 방식으로 다이오드에 의해 제한된 양의 전압을 전달하기 때문에 다른 전기 장치에 대한 스트레스를 줄일 수 있고 전원입력 초기에는 전체 직류 링크 전압을 단일 전원으로 충전시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 DCC 회로의 특징을 나타내기 위해 3레벨 DCC 회로에서 하나의 레그(leg)만을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 DCC Inverter Circuit

m레벨의 상전압을 얻기 위해서는 직류단 커패시터가 (m-1)개가 필요하고 한 상을 구성하는 주 메인 스위치 소자의 수는 (m-1) × 2개가 필요하며 클램핑 다이오드의 수는 (m-1) × (m-2)개가 필요하다. 모든 스위치 소자의 제어가 기본 주파수에 의해 제어되기 때문에 비교적 간단하며 효율이 높고 m레벨이 많은 경우 필터가 없어도 될 만큼 고조파 성분이 적어 파형 구성을 위한 리액터의 수가 적어 제작에 드는 비용이 낮고 설비 규모를 작게 구성할 수 있다. 하지만 각 상전압을 제한하기 위한 다이오드 수가 많고 커패시터마다 다른 전압 레벨의 균형을 유지하기 위해 PWM 전압 정류기들이나 전지들을 커패시터로 대체하는 등의 방법들이 필요하고 레벨의 수가 많아질수록 역방향으로 다이오드의 직렬연결 개수가 증가하여 각 커패시터의 전압을 균일하게 유지하기 어렵다. 그리고 스위칭 소자들의 도통 시간으로 인해 서로 다른 전류 용량이 요구되거나 각 bridge의 모듈화가 어려워 운용 및 정비가 쉽지 않은 부분은 단점으로 알려져 있다[9-11].

2.2 Flying Capacitor Circuit

FCC 인버터는 1990년대 초 Meynard와 Foch의 멀티레벨 관련 연구에서 비롯되었고 DCC와 구조가 유사하나 스위치 소자 노드의 클램핑 다이오드 대신 커패시터를 사용하여 더욱 모듈화된 다중 모듈의 개념으로 구성된 것이다. FCC는 DCC와 구조가 비슷하지만, 커패시터를 이용함으로써 같은 전압 레벨에 대해 여러 방식의 스위치 제어가 가능해 레벨에 대한 균등한 전압 분배가 가능해 전체 부하에 대해 모든 스위치 소자가 균등하게 분담하도록 할 수 있다. 그리고 스위치 소자의 제어 전략에 대한 유연성이 높아 안정적인 전원 공급이 가능하고 유효전력과 무효전력 모두의 흐름을 제어할 수 있으며 위상 천이 제어 방식 같은 전압 변조 방식을 비교적 쉽게 적용할 수 있다. DCC와 같이 많은 수의 레벨을 사용하는 경우에는 고조파 제거를 위한 별도의 필터 사용이 필요하지 않거나 가장 적은 필터를 사용하여 제거할 수 있으나 이론적으로 무제한의 전압 레벨의 제공이 가능하나 레벨 수가 많아질수록 훨씬 더 많은 커패시터와 스위치 소자 등이 필요하고 늘어난 스위치 소자의 제어가 복잡해지며 스위치 소자 자체의 손실도 크게 나타나는 등 실제 응용을 위한 설계에 적용할 수 있는 레벨의 수는 제한적이다. Fig. 3은 FCC 회로의 특징을 나타내기 위해 3레벨 FCC 회로에서 하나의 레그를 나타낸 것이다.

Fig. 3 FCC Inverter Circuit

2.3 Cascade H-bridge Circuit

CHC 인버터는 한 상마다 저전압의 독립된 단상 H-bridge 인버터 모듈들을 직렬로 연결하여 최대 전압을 출력할 수 있도록 구성한 것으로 다른 멀티레벨 인버터와 비교해 개념적으로 이해하기 쉽고 모듈 단위의 회로 구성으로 유지보수가 수월하다. 모듈별로 감당해야 하는 전압이 낮아 저전압 전력용 소자를 이용하여 고전압을 얻을 수 있어 경량화가 가능하고 DCC와 FCC의 모듈화 구성이 어려워 생긴 단점들을 극복할 수 있어 전압 레벨 수를 늘리더라도 상대적으로 쉬운 회로 구성이 가능하며 구성에 필요한 소자의 수가 적다. 그리고 불특정 모듈의 고장 상황에서 고장 모듈을 사용하지 않고 준비된 다른 모듈을 사용할 수 있게 제어하는 방식으로 지속적인 정상운전이 가능해 항시 운용이 필요한 상업용 또는 산업용 전력 응용이나 모터 작동을 지속해야만 하는 응용 등에 많이 활용되고 있다[15-19]. 그리고 인버터의 출력전압을 전압 레벨 및 용량에 따라 모듈의 수를 조정하는 것만으로 맞출 수 있어 매우 유연한 대응이 가능하며 출력전압 및 전류의 파형은 정현파에 가까워 각 모듈의 스위칭 동작 시 낮은 dv/dt, di/dt 동작 특성을 나타낸다. 비교적 용량이 낮은 중·소용량의 경우에는 대용량과 비교해 상대적으로 필요한 모듈의 수는 적지만 스위칭 주파수를 작게 할 수 있어 효율적인 운전이 가능하다. 그러나 모듈형 멀티레벨 인버터를 시스템에 적용하기 위해서는 적절한 전체 시스템의 구조 및 제어 알고리즘에 대한 개발이 필요하다.

각 모듈의 내부 회로 구조는 2레벨 컨버터의 레그를 이용하는 방식이며 Fig. 4는 CHC 인버터의 하위 모듈(submodule)의 형태를 나타낸 것이다.

Fig. 4 Modular multilevel converter submodules

Fig. 4-(a)는 독립된 직류단 에너지원인 하위 모듈의 커패시터의 전압을 회로 구조와 스위치 소자의 제어 방식에 따른 단극(unipolar) 출력전압을 얻을 수 있는 하프 브릿지(Half-bridge) 형식이며 Fig. 4-(b) 경우는 양극(bipolar) 출력전압을 얻을 수 있는 풀 브릿지(Full-bridge) 형식이다.

CHC 인버터의 출력전압을 얻기 위한 스위칭 소자의 제어 방식을 계단 변조(Staircase Modulation)기법으로 적용하면 하위 모듈을 구성하는 스위치 소자의 평균 스위칭 주파수를 낮게 동작시킬 수 있어 펄스 폭 변조 기법과 비교해 운전 손실을 줄일 수 있고 출력단 필터 없이도 출력전압이 정현에 가까운 파형으로 출력할 수 있어 전력 변환소(Station)의 전체 설치에 필요한 면적을 많이 줄일 수 있다[20-22].

2.4 Active Neutral Point Clamped

중성점 클램핑 방식(Neutral Point Clamped) 인버터로 알려진 NPC는 DCC의 다른 명칭이며 ANPC 인버터는 NPC의 스위치 소자의 손실이 불균등하여 높은 전력 밀도를 가지지 못하는 단점을 극복하기 위해 중성점 다이오드를 스위치 소자로 변경하여 스위치 소자의 손실을 균등하게 제어할 수 있도록 개선한 NPC의 변형된 토폴로지이다.

Fig. 5은 ANPC 회로를 나타낸 것으로 하나의 상을 구성하기 위해 전력반도체 소자 6개가 사용되었으며 T2, T3 스위치 소자는 내압이 직류단 전압의 절반 정도인 RB-IGBT(Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성하였고 T1, T4 스위치 소자 및 D1, D4 다이오드는 내압이 직류단 전압과 같은 것으로 구성한 것이며 항상 1개의 스위치 소자만 도통 되어 스위치 소자의 온 상태 손실을 낮출 수 있다[23,24].

Fig. 5 ANPC Inverter Circuit

RB-IGBT 스위치를 사용한 경우 기존 IGBT와 순방향 다이오드 조합의 스위치를 사용한 경우에 비해 스위치 소자의 온 상태 전압과 턴 오프 손실이 훨씬 작은 값을 가지기 때문에 인버터의 효율이 상승하는 효과를 가져올 수 있다. Fig. 6는 RB-IGBT 스위치와 기존 IGBT 스위치와 순방향 다이오드로 조합된 스위치 소자의 온 상태 전압과 턴 오프 손실을 비교한 그래프이다[25].

Fig. 6 Comparison of on-state voltage and turn-off loss of RB-IGBT

2.5 T-type Neutral Point Clamped

TNPC 인버터는 NPC의 토폴로지를 변형한 것으로 하나의 레그당 4개의 스위치 소자로 구성되어 있으며 NPC의 회로 구성에 필요한 부품 중에서 다이오드 2개 대신 스위치 소자를 사용한 것 이다.

Fig. 7는 TNPC 회로를 나타내며 전력반도체 소자 수가 6개로 중성점으로 연결된 스위치 소자 2개가 직렬로 연결된 RB-IGBT를 사용하여 구성되었고 기존의 2레벨 방식의 인버터는 스위칭 동작에서 직류단 전압이 스위치 소자에 인가되지만 TNPC는 직류단 전압의 절반이 스위치 소자에 인가되므로 2레벨 방식 인버터와 비교해 스위치 소자의 손실을 줄일 수 있다. NPC 방식은 항상 2개의 스위치 소자가 온 상태일 때 도통 되지만 TNPC는 1개의 스위치 소자만 도통 되므로 NPC 방식과의 비교에서 도통 손실을 줄일 수 있어 효율을 높일 수 있고 스위치 소자의 수도 줄일 수 있다. TNPC의 직류단에 연결되는 스위치 소자(T1, T4)의 내압은 스위치 동작에 따라 스위칭 되는 전압은 직류단 전압의 절반이지만 실제 인가되는 전압은 직류단 전압이므로 같은 내압을 가지는 스위치 소자를 사용하고 중성점에 연결되는 스위치(T2, T3)의 내압은 직류단 전압의 절반과 같은 것을 사용한다[26,27].

Fig. 7 TNPC Inverter Circuit

토폴로지별 전력 손실과 효율을 살펴보았을 때 TNPC 인버터에 RB-IGBT 적용 시에 가장 높은 효율과 가장 작은 전력 손실이 나타나며, 기존 IGBT와 FWD 조합의 스위치에 비해 RB-IGBT 훨씬 작은 온 상태 전압과 턴 오프 손실이 있어 인버터에 RB-IGBT를 적용하는 경우에 인버터의 효율 상승효과를 가져올 수 있다.

3. 분석 방법 및 결과

멀티레벨 인버터는 2레벨 인버터보다 상대적으로 더 많은 전력반도체 소자들을 사용하여 더 많은 전압 레벨로 정현파에 가까운 출력전압을 얻을 수 있는 장점이 있으나 늘어나는 전력반도체의 수는 인버터의 전체 무게에도 많은 영향을 준다. 따라서 전력반도체 소자의 스위칭 동작시 발생하는 전압 강하를 분석하여 토폴로지 효율을 정량화하고 토폴로지에 사용된 전력반도체 소자의 수량과 크기를 계산하여 전체 무게를 정량화하여 비교한다.

3.1 멀티레벨 인버터 토폴로지 별 전압 강하 비교

멀티레벨 인버터의 경량성과 전력변환장치(Power Conversion System)의 크기를 줄이기 위해서 3레벨 멀티레벨 인버터를 적용하고 동일 조건에서 2레벨 인버터와 3레벨 멀티레벨 인버터 DCC, ANPC, TNPC 토폴로지의 효율과 인버터의 효율을 분석한다. 성층권 드론용 인버터의 경우 고전압, 대전력 전력 변환장치가 아니므로 전압 레벨 수가 많을수록 커지는 이점들이 줄어들고, 2레벨 Cascaded H-bridge 인버터와 비교하여 같은 스위칭 주파수에서 전고조파 왜곡이 개선되는 장점이 있지만 멀티레벨을 늘리면 효율이 줄어든다. Table 1은 비교에 사용한 성층권 드론의 전기적 사양을 정리한 것이다.

Table 1. Electrical specification

성층권 드론의 추진 모터 기준 정격 전류 35[A]에서 스위칭 소자의 VDS 전압 강하는 Fig. 8에 나타낸 스위칭 소자 제조사에서 제공한 Saturation 특성 그래프에서 확인하면 정격 전류 시 VDS 전압 강하는 약 0.7[V] (@VGS = 10V)이다. Table 2은 멀티레벨 인버터의 정격 동작 시 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 비교 분석을 나타내고 있다. 최대출력 상전압은 공간벡터 전압 변조 방식 적용, 최대출력 상전압 크기는 DC Link 전압의 57.7%, DC Link 전압(배터리 전압 직접 연결)은 36[V], 이상적인 최대출력 상전압에서 스위칭 전압 강하를 무시하면 36[V] x 0.577 = 20.77[V], 최대 출력 상전압은 이상적인 최대 출력 상전압에서 스위칭 온 전압 강하 값을 제외한 값이다. 출력전압 감소율은 이상적인 최대 출력 상전압 대비 출력전압의 감소율이다. Table 2에서 각 토폴로지 별로 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 분석한 자료의 결과에서 알 수 있듯이 멀티레벨 수가 증가할수록 스위칭 직렬 온 개수는 늘어나고 이에 따라 출력전압 감소, 손실 증가 등이 커짐을 알 수 있다. 5레벨 다른 멀티레벨 토폴로지와 비교하여 최대출력 전압 감소가 적고 손실이 적은 3레벨 DCC, FCC 그리고 TNPC 타입이 성층권 드론용 인버터에 적합하다.

Fig. 8 UltraFET HUFA76639P3[28]

Table 2. Comparison of voltage drops by switching elements

3.2 멀티레벨 인버터 토폴로지 경량성 분석

Table 3는 스위칭 소자 및 캐패시터 내압이 50[V] 미만, 동작 전류가 50[A] 미만인 경우 적용가능한 스위칭 소자 및 캐패시터의 Type(외형)은 토폴로지와 상관없이 동일한 경우 5레벨 DCC, FCC, CHC와 3레벨 TNPC 스위칭 소자 및 캐패시터 수의 비교를 나타낸 것이다. 대략적인 멀티레벨 인버터 무게를 예상하기 위해 Power Board를 제외한 제어 보드, 게이트 드라이버 보드는 크기가 같은 것으로 가정한다. 방열판(Heat Sink)은 잘 설계된 인버터 Power Board의 크기와 무게를 기준값으로 Power Board의 크기에 비례해 설계하고 인버터의 스위치(SiFET) 소자(Diode, Capacitor) 및 방열판만 계산하였으며 방열판의 무게는 잘 설계된 인버터 Power board의 면적을 무게로 환산하여 기준 무게를 245g/10,000mm²로 적용한다. 스위치 소자 무게(SiFET)는 6g, 다이오드 무게(SiFET)는 6g(SiFET와 무게는 비슷), 콘덴서 무게는 3.6g(Tantalum Polymer Capacitors: 60V, 100uF)으로 적용하고 소자의 부품 배치는 Solidworks 프로그램을 사용하여 구현하였으며 FET 간격은 가로 5mm, 세로 10mm로 규격화하였다.

Table 3. Comparison of the number of multilevel inverter switching elements

Fig. 9와 Fig. 10은 Table 2에 있는 멀티레벨 인버터 소자를 배치하여 모델링한 것을 나타낸 것이고 Table 4는 멀티레벨 인버터들의 예상되는 무게를 비교하여 나타낸 것이다.

Fig. 9. 3-Level inverter power boards

Fig. 10. 5-Level inverter power boards

Table 4. Comparison of Multilevel inverter weight

3레벨 TNPC 인버터가 다른 멀티레벨 인버터와 비교하여 가장 가벼운 것으로 나타나므로 경량화에 적합한 멀티레벨 인버터임을 확인할 수 있다.

3.3 성층권 드론에 적합한 멀티레벨 인버터

Table 2의 각 토폴로지 별로 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 분석한 자료의 결과에서 확인된 것과 같이 멀티레벨 인버터의 정격 동작 시 스위칭 소자에 의한 전압 강하를 비교 분석함으로써 CHC보다 DCC, FCC, TNPC가 효율이 높음을 알 수 있다. 그리고 멀티레벨 수가 증가할수록 직렬 연결되는 스위치 소자의 수는 늘어나고 이에 따라 출력전압 감소로 손실이 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 3레벨 인버터 토풀로지가 5레벨 인버터 토폴로지보다 성층권 드론에 적용하기에는 더욱 적합하다. Table 3과 Table 4로부터 멀티레벨 인버터의 토폴로지에 따라 필요한 스위칭 소자 및 커패시터 수로부터 인버터 무게를 예측하여 경제성과 경량성 분석 결과 경제성 및 경량성의 측면에서 3레벨 TNPC 타입이 성층권 드론용 인버터로 가장 적합하다.

Fig. 11은 Table 4에서 분석한 토폴로지 별 3레벨, 5레벨에 대해 사이즈와 무게를 그래프로 표현한 것이다. TNPC 토폴로지가 다른 토폴로지에 비해 장점을 가지는 것을 알 수 있다.

Fig. 11 Weight and Size Comparison by Topology

Fig. 12는 TNPC 토폴로지에 대해서 배터리 전압을 36[V] ~ 72[V]로 변화시킬 때 정격에서 순실 도통 손실과 출력전압 감소율을 나타낸 것이다. 동일 스위칭 소자를 적용하였을 때 사용 범위 내에서 배터리 전압을 높일수록 손실과 출력전압 면에서 장점을 가짐을 알 수 있다.

Fig. 12 Loss and output voltage reduction rate due to battery voltage in TNPC

3.4 TNPC를 적용한 전력변환장치 구성

멀티레벨 인버터 토폴로지의 전압 강화 비교 및 경량성 분석을 통해 TNPC 인버터를 적용하여 배터리를 2개 그룹으로 나누어 Top DC Link, Bottom DC Link에 적용하며 DC Link 전압 balancing 제어 알고리즘에 의해 배터리 cell balancing이 되어 안정적인 출력이 가능하다. 따라서 배터리 전압에서 인버터 DC Link 전압을 만들기 위한 컨버터 및 인버터 DC Link capacitor가 불필요함으로 전체 시스템 구성을 간결하게 할 수 있고 경량성과 전력 변환장치(PCS)의 크기를 줄일 수 있다. Fig. 13은 TNPC를 적용한 성층권 드론용 PCS 구성에 대한 예상을 그림으로 나타낸 것이다.

Fig. 13 PCS configuration for stratospheric drone using TNPC

3.5 TNPC 시뮬레이션

TNPC 토폴로지에 대한 동작 분석을 위해 PSIM을 사용하여 1-Leg에 대해서 시뮬레이션 하고 EAV 전기사양과 유사하게 출력 상전압 18[V], 출력 전류 35[A]가 되도록 부하를 설정하고 PI 제어로 안정화 하였다. 그리고 스위치 주파수는 30[kHz], DC Link 전압은 36[V], filter L과 C는 각각 2[mH]와 10[uF]을 적용하였고 PSIM에서 시뮬레이션을 위해 사용한 블록 다이어그램은 Fig. 14에 나타내었다.

Fig. 14 Simulation block diagram

Fig. 15은 PSIM에서 시뮬레이션 결과 그래프들을 나타낸 것으로 Fig. 15-(a)에서 보는 바와 같이 앞서 분석한 스위칭 패턴을 적용하여 3-TNPC 인버터 출력제어가 정상적으로 동작 되는 것을 확인 할 수 있었고 Fig. 15-(b)는 filter 앞단에서 확인한 leg 극 전압 그래프이며 3레벨의 전압 레벨이 정상적으로 나오는 것을 확인할 수 있다. Fig. 15-(c)는 삼각 carry 주파수와 4개의 기준신호를 비교하여 0 또는 1로 스위칭 PWM 신호를 만든 것으로 3레벨 스위칭을 위한 Q1∼Q4에 대한 기준신호 파형을 나타낸 그래프이다.

Fig. 15 Result of simulation

Fig. 15-(d)는 Top과 Bottom의 DC Link 전압에 대한 파형으로 약 17.7[V] ∼ 18.3[V] 사이로 변동되면서 평균 전압이 같은 것을 확인할 수 있다. 따라서 3레벨 TNPC 인버터에서 배터리를 2개 그룹으로 나누어 Top, Bottom에 적용할 경우 DC Link 불평형 전압 제어 알고리즘을 적용하여 그룹별 배터리 balancing이 가능함을 확인할 수 있다.

4. 결론

본 논문에서는 성층권에서 장기체공이 가능한 드론을 개발을 위해 극한 환경 조건에서 전기 동력 시스템의 효율성, 신뢰성 확보를 위한 최적의 회로 토폴로지 설계를 위한 멀티레벨 인버터의 회로 분석을 통한 경량성을 평가하였다.

DCC 인버터, FCC 인버터, CHC 인버터 ANPC 인버터, TNPC 인버터의 회로를 분석하였으며, 멀티Level 인버터의 토폴로지 전압강화를 통하여 성층권 드론에 적합한 멀티레벨 인버터를 확인할 수 있었다. 경제성과 경량성 측면에서 3레벨 TNPC 타입이 가장 효율적인 멀티레벨 인버터가 성층권 드론으로 적합하였다. 성층권 드론의 경우 고전압, 대전력의 전력을 사용하는 것이 아니므로 멀티레벨 인버터의 레벨 수가 높을수록 효율은 줄어들지만 출력 전고조파 왜곡은 개선되는 효과가 있었다. 이를 바탕으로 PSIM를 활용하여 TNPC에 대한 동작 분석 시뮬레이션을 진행하여 DC Link 불평형 전압 제어 알고리즘을 적용하여 배터리 balancing이 가능함도 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한구연구재단, 성층권드론기술개발사업단의 지원을 받아 상시 재난감시용 성층권드론기술개발사업을 통해 수행되었음.(No. 2022M3C1C7082631)