종전의 DC/AC 인버터의 경우 단상 풀 브리지 인버터(Single phase full bridge inverter) 또는 3상 브리지 인버터(Three phase bridge inverter)가 대표적이며 각각 4개 또는 6개의 스위치 소자로 구성되는 브리지 방식이 사용되어 왔다. 브리지 형 인버터의 경우 입력전압 이상의 전압 출력이 불가능하여 승압기능을 수행하기 위해 부스트 컨버터와 연결하여 사용해야하며, 출력 측에 교류전압을 출력하기 위해 저역통과 필터가 필수적으로 요구되고 있다. 또한, 최근까지 제안되어왔던 Z-소스 인버터의 경우 부스트 컨버터가 없이 Z-소스 임피던스망을 이용하여 제어의 용이성을 높이고, 출력필터사이즈를 줄일 수 있는 토폴로지가 제안되어 왔지만 수동소자의 증가로 인해 사이즈가 증가하고 가격이 상승하는 단점을 가지고 있다.
최근 전력변환기의 소형화 및 저가화를 위해 출력필터가 필요치 않은 컨버터를 이용한 인버터가 제안되고 있다. 최근 제안된 방법은 Z-소스 컨버터를 이용하여 입력전압과 동일한 최대전압을 갖는 DC-AC인버터가 제안되었다. 하지만 이 방법은 교류전압의 최대전압이 입력전압 이상 부스트가 불가능한 단점을 가지고 있고, 3상 교류전압 출력이 불가능한 단점을 가지고 있었다.
본 연구에서는 임베디드 Z-소스 컨버터를 이용한 강압-승압 기능을 가지는 단상 임베디드 Z-소스 인버터와 3상 임베디드 Z-소스 인버터를 제안하였다. 제안된 임베디드 Z-소스 인버터는 종전에 제안되었던 단상 임베디드 Z-소스 인버터와 다르게 입력전압에 제한되지 않는 교류전압을 출력하는 것이 가능하다. 제안된 방법은 일반형 임베디드 Z-소스 컨버터(Typical Embedded Z-Source Converter)와 Quasi 임베디드 Z-소스 컨버터(Quasi Embedded Z-Source Converter) 두 종류의 컨버터를 조합하여 단상 및 3상 인버터를 구현하였다.
두 대의 컨버터를 이용한 강압-승압 기능을 가지는 단상 인버터 시스템은 두 컨버터에서 의 위상 차이를 가지는 교류전압을 출력하고 두 컨버터에서 출력되는 전압 차에 의해 교류전압을 출력하는 방법이다. 단상 인버터에서 출력되는 교류전압은 두 컨버터에서 출력되는 교류전압의 2배의 크기를 가진다. 출력 측에 저역통과필터를 구성할 필요가 없으며 두 대의 컨버터에서 출력되는 교류전압이 왜곡되거나 리플이 다소 포함되어 있어도 하나의 출력부하에 합성되면서 상쇄되어 교류전압에서는 나타나지 않는다.
제안된 강압-승압 기능을 가지는 3상 임베디드 Z-소스 인버터의 경우 기본적인 구성은 임베디드 Z-소스 컨버터 3대를 이용하여 구성된다. 각 컨버터에서 의 위상 차이를 가지는 교류전압을 출력하게 되고 각 선간전압은 컨버터의 출력 차에 의해 나타나게 된다.
본 연구에서는 단상 임베디드 Z-소스 인버터 및 3상 임베디드 Z-소스 인버터 이외에 스위칭 방식을 함께 제안하였다. 기본적으로 컨버터를 이용해 교류전압을 출력하기 위해서는 일정한 시간마다 단락 비를 변화시켜 교류전압을 출력한다. 따라서 각 컨버터가 교류전압을 출력하기 위한 변형된 기준신호(Modified reference signal)를 얻는 방법과 변형된 기준신호와 삼각파 신호를 비교하여 스위칭 신호를 방생시키는 변형된 정현파 변조방식(Modified SPWM)을 제안하였다. 제안된 변형된 정현파 변조방식은 On-cycle 제어, PI, SVM등의 방식이 아닌 종전의 단상 브리지 인버터에 사용하는 SPWM과 마찬가지로 하나의 변형된 교류기준 신호와 삼각파신호를 이용한다. 변형된 교류신호는 0.0과 1.0사이의 단락 비의 값이 연속으로 나타나는 왜곡된 형태의 교류신호이며 최대값 1.0 최소값 0.0으로 고정된 삼각파 신호와 비교하여 출력된 신호를 임베디드 Z-소스 컨버터 스위치의 턴 온, 턴 오프 신호로 사용한다.
본 연구에서 제안된 변형된 정현파 변조방식과 강압-승압이 가능한 단상 임베디드 Z-소스 인버터, 3상 임베디드 Z-소스 인버터의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용한 시뮬레이션과 DSP(TMS320F28335)로 동작하는 하드웨어를 구성하여 실험을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험 조건은 단상의 경우 입력전압 50V, 강압/승압 비는 0.5배, 1배, 2배 하였으며, 3상의 경우 입력전압 50V, 강압/승압비를 0.5배, 1배, 1.5배, 2배로 수행을 하였다. 시뮬레이션 결과 강압/승압비에 따라 출력필터 없이 단상 및 3상 교류전압이 원활히 출력됨을 확인할 수 있었다. 또한, 단상 및 3상 임베디드 Z-소스 인버터의 THD측정결과 양호한 성능을 보였다.
본 논문에서 제안된 방법은 기존 풀 브리지 인버터 및 Z-소스 인버터에 비해 수동소자의 용량 및 개수를 줄일 수 있는 토폴로지로서 신재생에너지 등 다양한 분야에서 사용되는 전력변환시스템의 소형화 및 저가 화에 기여할 것으로 사료된다.

Incase of the conventional inverter, Single phase full bridge inverter and three phase bridge inverter is the general topology. Each inverter is composed of 4 or 6 switches. In case of bridge inverter, the higher output voltage than DC input voltage is difficult. So, the boost converter is necessary and a low pass filter should be used to output AC voltage.
Recently, A single phase buck inverter without LC Filter has been proposed to miniaturization and low cost. This method is driven by Z-source converter and the maximum voltage of the output voltage(AC voltage) is same as input voltage(DC voltage). But, this method has disadvantages that it is difficult to generate the higher voltage than the input voltage and generate three phase AC voltage.
In this paper, Buck-Boost single phase and three phase embedded Z-source inverter is proposed by using Z-source converter. Unlike the conventional method, The proposed embedded Z-source inverter is possible to generate the higher voltage than the input voltage. The proposed single phase embedded Z-source inverter and three phase Z-source inverter is composed of two converters or three converters that is “Typical Embedded Z-Source Converter” or “Quasi Embedded Z-Source Converter”. In a single phase Z-source embedded inverter by using two embedded converters, Phase difference of each converter is 180° and the AC output voltage is obtained by the difference of the output capacitor voltages of each converter. Output voltage of the proposed single phase embedded Z-source inverter is two times than output voltage of each converter.
In the proposed method, Low pass filter is not needed for output side and although the output voltage of each converter has distortion wave or ripple, it is disappeared by the difference of the output capacitor voltages of each converter.
The proposed three phase Z-source inverter is composed of three converters that is “Typical Embedded Z-Source Converter” or “Quasi Embedded Z-Source Converter”. In the proposed three phase Z-source embedded inverter by using three embedded converters, Phase difference of output voltage for each converter is 120° and line-to-line voltage is obtained by the difference of the output capacitor voltages of each converter. Although the output voltage of each converter has off-set voltage and asymmetry, phase voltages of the proposed three phase embedded Z-source inverter is symmetry base on the zero voltage and the same as peak-to-peak voltage of each converter.
In this study, Switching method is proposed to drive a single phase embedded Z-source inverter and three phase Z-source inverter. The proposed switching method is achieved by comparing the modified reference curve with the fixed chopping wave.
The modified reference curve in this switching method is to generate AC voltage by using converters and the modified reference curve is that duty ratio curve is changed from voltage gain curve at an interval of each switching cycle. The modified reference curve is continuous between 0.0 and 1.0 and the distorted ac curve. The switching signal is generated after comparing the modified reference curve with the fixed chopping wave, and it is used to turn on and turn off the switch.
To confirm the validity of the proposed systems that is single phase embedded Z-source inverter and three phase Z-source inverter , PSIM simulation and a DSP(TMS320F28335) based experiment were performed. The conditions of simulation and experimental for a single phase embedded Z-source inverter is the input DC voltage 50[V], load 100[Ω], inductance 0.6[mH], capacitor 10[uF], and switching frequency 20[kHz]. and the buck and boost ratio is 0.5, 1, 2. The conditions of simulation and experimental for three phase Z-source inverter is the input DC voltage 50[V], load 50[Ω], inductance 0.6[mH], capacitor 10[uF], and switching frequency 20[kHz]. and the buck and boost ratio is 0.5, 1, 1.5, 2.
The results of the simulation and experimental is verified that the proposed inverter could produce the AC output voltage with sinusoidal waveform. And the measured results of THD are acquired generally good results.
The proposed method in this paper can reduce the number of passive elements in comparison with the conventional full bridge inverter and moreover it has ability to apply in many different fields and contribute to miniaturization and low price.