KR101250454B1 - 삼각파 비교 ｐｗｍ방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 스위칭 함수 발생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 스위칭 함수 발생방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 3상의 교류전압을 인가하는 3상 전압인가부, 3상의 입력단 각각에 구비된 인덕터, 출력단에 구비된 직류연결 캐패시터 및 상기 인덕터와 직류연결 캐패시터 사이에 구비되어 3상 펄스폭변조(PWM) 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3상의 교류전압을 직류로 변환하는 비엔나 정류기에서, 상기 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 함수 발생기에 있어서, 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키는 상 전압 명령발생부; 중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압발생부; 상기 상 전압 명령발생부에서 발생된 상기 상 전압명령과 상기 중성점 전압발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키는 단자전압명령 연산부; 상기 단자전압명령 연산부에서 출력된 상기 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키는 정규화 수단; 반송파를 발생시키는 반송파 인가부; 및 상기 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령과 반송파 인가부에서 인가된 반송파를 삼각파 비교 PWM방식을 적용하여 상기 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 삼각파비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기.

Description

삼각파 비교 ＰＷＭ방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 스위칭 함수 발생방법{Switching fuction generator and generating method for control voltage of vienna rectifier using carrier comparison PWM}

본 발명은 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 스위칭 함수 발생방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 3레벨 비엔나 정류기의 전압을 간단하게 제어하기 위해 두 개의 반송파를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식 또는 단일 반송파를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 스위칭 함수 발생방법에 관한 것이다.

종래 교류전압을 입력받아 직류로 변환하기 위해 사용되던 2레벨 3상 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; 이하 PWM) 정류기는 3상 전원의 입력 전류 고조파 저감을 위한 회로로 산업용 통신전원용 등 여러 응용분야에서 많이 사용되어 왔다.

이러한 종래 2레벨 3상 PWM 정류기의 스위칭 소자로 내압이 높은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor, 14) 가 일반적으로 사용되는데, 높은 내압의 IGBT(14)는 고속 스위칭이 요구될 경우, 스위칭 손실이 높아 효율을 높이는데 한계가 있다.

이런 단점을 극복하기 위하여 3 레벨 3상 정류기의 적용이 검토되기 시작하였으며, 이의 대표적인 회로가 비엔나 정류기(10)이다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제어대상이 되는 3레벨 비엔나 정류기(10)의 회로도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 비엔나 정류기(10)는 3상의 교류전압을 인가하는 3상 전압인가부(11), 3상의 입력단 각각에 구비된 3개의 인덕터(12), 출력단에 구비된 2개의 직류연결 캐패시터(13) 및 인덕터(12)와 직류연결 캐패시터(13) 사이에 구비되어 3상 펄스폭변조(PWM) 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3상의 교류전압을 직류로 변환하게 된다.

도 1에 도시된 3 레벨 비엔나 정류기(10)의 출력 단자 전압은 0.5Vdc, 0, -0.5Vdc 3개의 상태를 가지고 있기 때문에 기존의 2 레벨 PWM 정류기에서 사용되는 전력용 반도체 소자와 비교하여, 스위칭 소자의 내압을 절반 수준으로 낮출 수 있어, 전력용 반도체 소자를 IGBT(14) 대신 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 사용 가능하다. 이에 따라 전력용 반도체 소자의 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있으며, 재료비를 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 1에 도시된 3레벨 비엔나 정류기(10)에서 S_abc(S_a, S_b, S_c)는 스위치에 인가되는 전압, 전류에 대하여 4 상한 동작이 가능하도록 모스펫(MOSFET)와 다이오드로 구성된 전력용 반도체 모듈 내부의 모스펫의 스위칭 상태를 나타내는 스위칭 함수이다. 또한 도 1에 도시된 D₁ 내지 D₆ 3상의 일반적인 정류용 다이오드를 의미한다. 위에서 언급한 4 상한 전력용 스위칭 소자에 포함된 모스펫의 스위칭 상태를 나타내는 스위칭 함수는 이하의 수학식 1로서 정의될 수 있다.

[수학식 1]

즉, 스위칭 함수(S_abc)가 1일 때, 스위치는 켜진 상태(ON)로 제어되고, 스위칭함수(S_abc)가 0일 때는 스위치는 꺼진 상태(OFF)로 제어되게 된다. 비엔나 정류기(10)의 동작은 도 1에 도시된 바와 같이, 전력용 반도체인 모스펫 스위치가 켜진(ON) 상태일 경우 각 상 출력단자전압(V_{( abc )0})은 0V가 되고, 전력용 반도체 스위치가 꺼진(OFF) 상태일 경우는 전류의 방향에 따라 출력단자전압(V_{( abc )0})은 V_dc/2 또는 -V_dc/2의 값을 갖는다. 이하의 수학식 2는 스위칭 함수(Sabc)에 따른 비엔나 정류기(10)의 출력 단자 전압(V_{( abc )0})을 나타내었다.

[수학식 2]

수학식 2에서와 같이, 전력용 반도체인 모스펫 스위치가 켜진(ON) 상태(Sabc=1)일 경우 각 상 출력단자전압(V_{( abc )0})은 0V가 되고, 전력용 반도체 스위치가 꺼진(OFF) 상태(Sabc=0)일 때, 입력되는 전류가 양(+)의 값인 경우, 출력단자전압(V_(abc)0)은 -V_dc/2이 되고, 입력되는 전류가 음(-)의 값인 경우 출력단자전압(V_{( abc)0})은 V_dc/2 값을 갖게 됨을 알 수 있다.

한편 이러한 기존의 비엔나 정류기(10)의 전압 제어 방법으로 공간 전압 벡터(Space Voltage Vector)를 이용한 방법이 적용되고 있다. 도 2는 종래 3레벨 비엔나 정류기를 제어하기 위한 공간 전압 벡터도를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 공간 전압벡터도에서, 전압벡터 I, II, III, IV, V, VI는 각각 모스펫(MOSFET)이 꺼져있는 상태에서 3상 입력 전압에 의해 결정되는 3상 다이오드의 통전 상태에 따른 공간 전압 벡터를 나타낸다.

도 2에 도시된 전압 벡터도의 회색 영역은 a상의 전압이 양의 값을, b, c상의 전압이 음의 값을 각각 갖는 I번 영역에서 4 상한 스위치의 통전 상태에 따라 가질 수 있는 공간 전압 벡터를 나타낸다. 회색 영역 중 4 상한 스위치가 모두 꺼지면 출력단자전압은 V1을 가지며, 4상한 스위치가 모두 켜지면 출력단자전압은 V4를 갖는다.

또한, V2와 V6는 하나의 4상한 스위치가 켜진 경우 출력단자전압은 V2와 V6 값을 갖게 되며, 두 개의 4상한 스위치가 켜진 경우 출력단자전압은 V3와 V5 값을 갖게 된다. 또한, 회색 영역의 중간 벡터는 a상의 4 상한 스위치만 켜거나 b,c상의 4상한 스위치 두 개를 모두 켜서 만들어 낼 수 있다.

이런 전압 벡터의 조합으로 총 25개의 유효벡터를 사용하여 원하는 전압 벡터를 만들 수 있다. 3 레벨 정류기인 비엔나 정류기는 도 2에 도시된 바와 같이, 입력 전압 및 4 상한 스위치 조합에 의한 스위칭 벡터의 선택이 어렵고, 선택된 각각의 벡터의 인가 시간 계산이 복잡하기 때문에 3상 스위치의 스위칭 상태를 결정하기 매우 어렵다는 문제가 존재한다.

이하에서는 종래 2레벨 정류기의 구성과 종래 2레벨 정류기를 제어하기 위한 방법으로서 공간전압벡터를 이용하는 방법과 삼각파 비교 PWM 방식을 이용한 방법을 간략히 언급하기로 한다.

도 3은 종래 2레벨 PWM 정류기(1)의 회로도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 도 3에 도시된 2레벨 PWM 정류기(1)를 제어하기 위한 공간 전압 벡터도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2 레벨 PWM 정류기(1)의 전압 제어를 위한 공간 전압 벡터도는 도 2에 도시된 비엔나 정류기(10)를 제어하기 위한 공간전압벡터도와 비교하여 복잡하지 않음을 알 수 있다. 따라서 2 레벨 PWM 정류기(1)의 경우에는 이러한 공간전압벡터도를 이용하여 전압을 유용하게 제어할 수 있었다.

또한, 도 5는 종래 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 2레벨 PWM 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(20)의 구성도를 도시한 것이다. 삼각파 비교 PWM을 하면 도 4에서 도시된 공간 전압 벡터와 동일한 전압 제어 효과가 나타나므로 2레벨의 PWM 정류기(1)의 제어 방법으로 많이 사용된다. 이러한 삼각파 비교 PWM 방법과 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 스위칭 함수 발생기의 구성에 대해서는 이하의 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용]에서 상세히 설명하도록 한다.

앞서 언급한 바와 같이 종래 비엔나 정류기(10)를 제어하기 위하여 공간전압벡터 방법을 이용하게 되면, 공간 전압 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터의 선택이 복잡하고, 유효 전압 벡터 및 영 전압 벡터의 인가 시간 계산이 복잡하여, 실제 구현이 어려운 문제가 있게 된다.

따라서 이러한 3레벨 비엔나 정류기(10)를 제어하기 위하여 공간전압벡터 방식을 채용하지 않고, 기존의 삼각파 비교 PWM 방식을 수정 적용하여 보다 간단하고, 구현 가능성을 높인 비엔나 정류기의 전압제어방법 및 그 장치가 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에서는 비엔나 정류기를 간단하게 제어하기 위한 방안으로, 기존의 3레벨 정류기에 사용되는 두 개의 반송파를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 수정하여 비엔나 정류기에 적용가능한 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 스위칭 함수 발생방법을 제공하게 된다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 반송파 비교 PWM 방법을 제공하게 된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 반송파 비교 PWM 방법은 단일 반송파를 사용하기 때문에 구현이 용이한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기 및 발생방법을 제공하게 된다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 목적은, 3상의 교류전압을 인가하는 3상 전압인가부, 3상의 입력단 각각에 구비된 인덕터, 출력단에 구비된 직류연결 캐패시터 및 인덕터와 직류연결 캐패시터 사이에 구비되어 3상 펄스폭변조(PWM) 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3상의 교류전압을 직류로 변환하는 비엔나 정류기에서, 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 함수 발생기에 있어서, 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키는 상 전압 명령발생부; 중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압발생부; 상 전압 명령발생부에서 발생된 상 전압명령과 중성점 전압발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키는 단자전압명령 연산부; 단자전압명령 연산부에서 출력된 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키는 정규화 수단; 반송파를 발생시키는 반송파 인가부; 및 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령과 반송파 인가부에서 인가된 반송파를 삼각파 비교 PWM방식을 적용하여 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 삼각파비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기로서 달성될 수 있다.

전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 함수는 이하의 수학식 1로 정의되고, 스위칭 함수에 따른 비엔나정류기(10)의 출력단자전압은 이하의 수학식 2로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 3]

수학식 1에서 S_abc는 스위칭 함수이고, 수학식 3에서 V_{( abc )0}는 출력단자전압이고, i_abc는 입력전류이고, 입력전류가 양의 값이면 Sign(i_abc)는 +1이고, 입력전류가 음의 값이면 Sign(i_abc)는 -1이다.

반송파 인가부는 0 이상의 범위에 존재하는 하이 반송파와 0 미만의 범위에 존재하는 로우 반송파를 발생시켜 삼각파 비교기에 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

삼각파 비교기는, 정규화된 단자전압명령과 하이 반송파를 비교하거나 정규화된 단자전압명령과 로우 반송파를 비교하여 스위칭 함수를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

삼각파 비교기는, 정규화된 단자전압명령이 양의 값인 경우, 정규화된 단자전압명령과 하이 반송파를 비교하여 정규화된 단자전압명령이 하이 반송파보다 작은 경우 스위칭 함수를 1로 제어하고, 정규화된 단자전압명령이 하이 반송파보다 클 우 스위칭 함수를 0으로 제어하며, 정규화된 단자전압명령이 음의 값인 경우, 정규화된 단자전압명령과 로우 반송파를 비교하여 정규화된 단자전압명령이 로우 반송파보다 클 경우 스위칭 함수를 1로 제어하고, 정규화된 단자전압명령이 로우 반송파보다 작은 경우 스위칭 함수를 0으로 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

반송파 인가부는 0 이상의 범위에서만 존재하는 단일 반송파를 발생시켜 삼각파 비교기에 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

삼각파 비교기와 정규화 수단 사이에 구비되어, 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령을 인가받아 정규화된 단자전압명령의 절대값인 변조 단자전압명령을 삼각파 비교기에 출력시키는 절대값생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

삼각파 비교기는 반송파 인가부로부터 인가받은 단일반송파와 절대값생성부로부터 인가받은 변조 단자전압명령을 비교하여 스위칭 함수를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

삼각파 비교기는 변조 단자전압명령과 단일 반송파를 비교하여 변조 단자전압명령이 단일 반송파보다 작은 경우 스위칭 함수를 1로 제어하고, 변조 단자전압명령이 단일 반송파보다 클 경우 스위칭 함수를 0으로 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은, 3상의 교류전압을 인가하는 3상 전압인가부, 3상의 입력단 각각에 구비된 인덕터, 출력단에 구비된 직류연결 캐패시터 및 인덕터와 직류연결 캐패시터 사이에 구비되어 3상 펄스폭변조(PWM) 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3상의 교류전압을 직류로 변환하는 비엔나 정류기에서, 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 함수 발생 방법에 있어서, 상 전압 명령발생부에서 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키고, 중성점 전압발생부에서 중성점 전압을 발생시키는 단계; 단자전압명령 연산부에서 상 전압 명령발생부에서 발생된 상 전압명령과 중성점 전압발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키는 단계; 정규화 수단이 단자전압명령 연산부에서 출력된 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키는 단계; 및 삼각파비교기가 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령과 반송파 인가부에서 인가된 반송파를 삼각파 비교 PWM방식을 적용하여 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생방법으로 달성될 수 있다.

스위칭 신호를 발생시키는 단계는, 반송파 인가부가 0 이상의 범위에 존재하는 하이 반송파와 0 이하의 범위에 존재하는 로우 반송파를 발생시켜 삼각파비교기에 인가하는 단계; 및 삼각파 비교기가 정규화된 단자전압명령과 하이 반송파를 비교하거나 정규화된 단자전압명령과 로우 반송파를 비교하여 스위칭 함수를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

스위칭 신호를 발생시키는 단계는, 삼각파 비교기가 정규화된 단자전압명령이 양의 값인 경우, 정규화된 단자전압명령과 하이 반송파를 비교하여 정규화된 단자전압명령이 하이 반송파보다 작은 경우 스위칭 함수를 1로 제어하고, 정규화된 단자전압명령이 하이 반송파보다 클 경우 스위칭 함수를 0으로 제어하며, 정규화된 단자전압명령이 음의 값인 경우, 정규화된 단자전압명령과 로우 반송파를 비교하여 정규화된 단자전압명령이 로우 반송파보다 클 경우 스위칭 함수를 1로 제어하고, 정규화된 단자전압명령이 로우 반송파보다 작은 경우 스위칭 함수를 0으로 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

정규화된 단자전압명령을 발생시키는 단계 후에, 삼각파 비교기와 정규화 수단 사이에 구비된 절대값생성부가 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령을 인가받아 정규화된 단자전압명령의 절대값인 변조 단자전압명령을 삼각파 비교기에 출력시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

스위칭 신호를 발생시키는 단계는, 반송파 인가부가 0 이상의 범위에서만 존재하는 단일 반송파를 발생시켜 삼각파 비교기에 인가하는 단계; 및 삼각파 비교기가 반송파 인가부로부터 인가받은 단일반송파와 절대값생성부로부터 인가받은 변조 단자전압명령을 비교하여 스위칭 함수를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

스위칭 함수를 발생시키는 단계는, 삼각파 비교기가 변조 단자전압명령과 단일 반송파를 비교하여 변조 단자전압명령이 단일 반송파보다 작은 경우 스위칭 함수를 1로 제어하고, 변조 단자전압명령이 단일 반송파보다 클 경우 스위칭 함수를 0으로 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 보다 쉽고 간단하게 비엔나 정류기의 전압을 제어할 수 있는 효과를 갖는다. 기존의 공간전압 벡터를 이용한 PWM 방식은 공간 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터 인가 시간과 영 전압 벡터 인가 시간의 계산이 복잡하고, 구현이 어려운 문제를 가지고 있었으나 본 발명의 일실시예에 따르면 두 개의 반송파(carrier wave)신호를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 비엔나 정류기의 스위칭 함수를 보다 간단하게 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 두 개의 반송파 비교 PWM 방식은 다수개의 반송파를 요구해 실제 구현이 어려운 문제점이 있어, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 비엔나 정류기의 단일 반송파 비교 PWM 방법을 제안하여, 보다 간단히 삼각파 비교 PWM 방법을 구현할 수 있는 효과를 갖게 된다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제어대상이 되는 3레벨 비엔나 정류기의 회로도,
도 2는 종래 3레벨 비엔나 정류기를 제어하기 위한 공간 전압 벡터도,
도 3은 종래 2레벨 PWM 정류기의 회로도,
도 4는 종래 2레벨 PWM 정류기를 제어하기 위한 공간 전압 벡터도
도 5는 종래 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 2레벨 PWM 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기의 구성도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기의 구성도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파, 정규화된 상 전압명령 및 정규화된 단자전압명령을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생 방법의 흐름도,
도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파와 정규화된 단자전압명령을 나타낸 그래프,
도 9b는 도 9a의 확대 그래프,
도 9c는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위칭 함수를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기의 구성도,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파, 정규화된 상 전압명령 및 변조 단자전압명령을 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생 방법의 흐름도,
도 13a는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파와 변조 단자전압명령을 나타낸 그래프,
도 13b는 도 13a의 확대 그래프,
도 13c는 본 발명의 제2실시예에 따른 스위칭 함수를 나타낸 그래프,
도 14a는 본 발명의 실험예에 따른 비엔나 정류기의 정규화된 단자전압명령를 나타낸 그래프,
도 14b는 본 발명의 실험예에 따른 비엔나 정류기의 변조 단자전압명령을 나타낸 그래프,
도 14c는 본 발명의 실험예에 따른 입력 상전류를 나타낸 그래프,
도 14d는 본 발명의 실험예에 따른 출력단자전압을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(100)의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제어대상이 되는 3레벨 비엔나정류기(10)의 회로도를 도시한 것이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(100)의 구성도를 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파, 정규화된 상 전압명령 및 정규화된 단자전압명령을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어의 대상이 되는 3레벨 비엔나정류기(10)의 출력 단자 전압은 0.5Vdc, 0, -0.5Vdc 3개의 상태를 가지고 있기 때문에 기존의 2 레벨 PWM 정류기에서 사용되는 전력용 반도체 소자와 비교하여, 스위칭 소자의 내압을 절반 수준으로 낮출 수 있어, 전력용 반도체 소자를 IGBT(14) 대신 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)가 사용 가능함을 알 수 있다.

도 1에 도시된 3레벨 비엔나정류기(10)에서, S_abc(S_a, S_b, S_c)는 스위치에 인가되는 전압, 전류에 대하여 4상한 동작이 가능하도록 모스펫(MOSFET)와 다이오드로 구성된 전력용 반도체 모듈 내부의 모스펫의 스위칭 상태를 나타내는 스위칭 함수이다. 또한 도 1에 도시된 D₁ 내지 D₆ 3상의 일반적인 정류용 다이오드를 의미한다.

3레벨인 비엔나정류기(10)의 반도체 스위치를 온, 오프하기 위하여 스위칭 함수와 출력단자전압의 관계은 이하의 수학식 3으로 정의될 수 있다.

[수학식 3]

수학식 3에서 V_{( abc )0}은 출력단자전압, S_abc는 스위칭 함수이다. 수학식 3은 앞서 언급한 수학식 2를 간략화한 것이며, Sign(i)는 전류의 방향을 함수로 표시하였다. 즉, 전류가 양의 값이면 Sign(i)가 +1, 전류가 음의 값이면 Sign(i)는 -1이 된다.

수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 비엔나정류기(10)를 위한 4 상한 스위치의 스위칭 함수(S_abc)는 출력단자전압(V_{( abc )0})이 0V가 될 때 1이 되도록 비엔나정류기(10)의 스위칭 함수 발생기(100)를 만들어 주면 된다. 반면, 4 상한 스위치의 스위칭 함수(S_abc)가 0일 때는, 즉 4상한 스위치가 꺼져 있을 때는 상 전류의 방향에 따라, 양극 또는 음극에 연결된 두 개의 다이오드 중 하나가 켜지게 되며 양의 상 전류에서의 출력단자전압(V_{( abc )0})은 0.5Vdc, 음의 상전류에서는 출력단자전압(V_{( abc )0})이 -0.5Vdc의 값을 갖는다. 그러므로 출력단자전압이 원하는 평균 전압을 갖게 하기 위해서는 4 상한 스위치가 꺼져있을 때의 전압 벡터를 고려하여 4상한 스위치를 선택하여 켜주어야 하는 문제가 발생된다.

한편, 비엔나정류기(10)의 입력 역률 목표 값이 1이므로 항상 전류 명령과 전압 명령이 동상이 된다. 만약 비엔나정류기(10)의 상 전류의 방향이 전압 명령과 동상이라고 가정한다면, 수학식 3을 이하의 수하식 4로 표현할 수 있다.

[수학식 4]

수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이, 스위칭 함수(S_abc)가 0일 때 단자전압 명령이 양과 음의 여부에 따라 출력단자전압(V_{( abc )0})이 결정되므로, 쉽게 스위칭 함수 발생기(100)를 설계할 수 있다. 즉 단자전압명령이 양의 값이고 스위칭 함수(S_abc)가 0이면 출력단자 전압(V_{( abc )0})은 0.5V_dc가 되고, 단자전압명령이 음의 값이고 스위칭 함수(S_abc)가 0이면 출력단자 전압(V_{( abc )0})은 -0.5V_dc가 된다. 스위칭 함수(S_abc)가 1이면 단자전압명령(V_{( abc )0})의 양과 음의 값 여부에 관계없이 출력단자전압(V_{( abc)0})은 0V가 된다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 다른 스위칭 함수 발생기(100)는 상 전압명령 발생부(110), 중성점 전압발생부(120), 단자전압명령 연산부(130), 반송파 인가부(150) 및 삼각파 비교기(160) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다. 상 전압 명령 발생부(110)는 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령(V_{an _ ref}, V_{bn _ ref}, V_{cn _ ref})을 발생시키게 된다. 그리고, 중성점 전압발생부(120)는 중성점 전압(_{Vno _ ref})을 발생시키게 된다.

그리고, 단자전압명령 연산부(130)는 상 전압 명령발생부(110)에서 발생된 상 전압명령(V_{an _ ref}, V_{bn _ ref}, V_{cn _ ref})과 중성점 전압발생부(120)에서 발생된 중성점 전압(V_{no_ref})을 합산하여 단자전압명령(V_{ao _ ref}, V_{bo _ ref}, V_{co _ ref})을 발생시키게 된다.

그리고, 정규화 수단(140)은 단자전압명령 연산부(130)에서 출력된 단자전압명령(V_{ao _ ref}, V_{bo _ ref}, V_{co _ ref})을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)을 발생시켜 삼각파 비교기(160)로 인가하게 된다.

또한, 제1실시예에 따른 반송파 인가부(150)는 2개의 반송파 즉, 0 이상의 범위를 갖는 하이 반송파(carrier_positive)와 0 미만의 범위를 갖는 로우 반송파(carrier_negative) 각각을 발생시켜 2개의 반송파를 삼각파 비교기(160)로 인가하게 된다.

삼각파 비교기(160)에서는 정규화된 단자전압명령(d_abc)과 두 개의 반송파 신호를 비교하며, 정규화된 단자전압명령(d_abc)이 0보다 클 때 도 7에 도시된 그래프의 0 이상에 위치하는 하이 반송파 신호와 비교를 하게 되고, 정규화된 단자전압명령(d_abc)이 0보다 작을 때는 0 이하에 위치하는 로우 반송파 신호와 비교하도록 논리적 곱(AND) 연산이 필요하게 된다.

즉, 정규화된 단자전압명령(d_abc)이 0보다 크고, 하이 반송파 신호보다 크면 출력단자전압이 0.5V_dc가 되도록 스위칭 함수가 0이 되도록 하고, 하이 반송파 신호보다 작으면 출력단자전압이 0V가 되도록 스위칭 함수가 1이 되어야 한다. 정규화된 단자전압명령(d_abc)이 0보다 작고, 로우 반송파 신호보다 작으면 출력단자전압이 -0.5Vdc가 되도록 스위칭 함수는 0이 되도록 하고, 정규화된 단자전압명령(d_abc)이로우 반송파 신호보다 크면 출력단자전압이 0V가 되도록 스위칭 함수가 1이 되도록 한다.

최종적으로 삼각파 비교기(160)는 하이 반송파와 로우 반송파의 비교 결과를 논리적 합(OR) 연산 후, 1개의 상 스위치를 제어한다. 도 7에서 d_a는 정규화된 단자전압명령을 의미하며, 단자전압명령에 직류링크 전압의 절반으로 나누어서 구한다.

즉, 비교된 결과는 각 상에 위치한 양방향 스위치를 켜고 끄기 위한 스위칭 함수(S_a)를 발생시키게 된다. 정규화된 단자전압명령(d_a)이 0보다 클 때 스위칭 함수는 이하의 수학식 5에 의해서 결정되고, 단자전압명령(d_a)이 0보다 작을 때는 이하의 수학식 6에 의해서 스위칭 함수(S_a)가 결정된다.

[수학식 5]

S_a=1, d_a ≤ 하이 반송파(carrie_Positive)

S_a=0, d_a > 하이 반송파(carrie_Positive), d_a≥0

[수학식 6]

S_a=1, d_a ≥ 로우 반송파(carrie_Negative)

S_a=0, d_a < 로우 반송파(carrie_Negative), d_a<0

도 7에 도시된 바와 같이, 그래프는 비엔나정류기(10)의 삼각파 비교 PWM 방식을 위한 두 개의 반송파(하이 반송파(carrie_Positive), 로우 반송파(carrie_Negative)), 정규화된 상전압 명령(V_{abc _ ref}/V_dc ), 및 정규화된 단자 전압 명령(d_abc )을 나타냄을 알 수 있다. 하이 반송파 신호는 정규화된 단자 전압 명령(d_abc )이 0보다 클 때, 정규화된 단자 전압 명령(d_abc )과 비교를 위한 것이고, 로우 반송파 신호는 정규화된 단자 전압 명령(d_abc)이 0보다 작을 때 정규화된 단자 전압 명령(d_abc)과 비교를 위한 것이다. 3레벨 비엔나정류기(10)는 정규화된 단자전압명령(d_abc)이 0보다 크면 상단의 두 개의 직렬 스위치를 PWM하며, 정규화된 단자 전압 명령(d_abc)이 하이 반송파보다 크면 상단 두 개의 스위치를 모두 켜서 출력단자전압을 0.5V_dc로 만든다.

만약 정규화된 단자전압명령(d_abc)이 상단 반송파보다 작으면 상단의 두 개의 스위치 중 맨 위의 스위치를 꺼서 출력단자전압이 0V가 되게 한다. 이런 방식으로 정규화된 단자전압명령(d_abc)에 따라 단자전압의 스위칭 주기에 따른 평균값을 단자 전압명령과 같게 제어하는 방법이 삼각파 비교 PWM 방법이며, 두 개의 반송파를 사용한 방식은 전압 명령 생성 및 벡터의 인가시간을 계산하지 않고, 단자 전압 명령과 두 개의 반송파를 비교하는 스위칭 명령을 만들기 때문에 간단하게 제어할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생 방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파와 정규화된 단자전압명령을 나타낸 그래프를 도시한 것이고, 도 9b는 도 9a의 확대 그래프, 그리고 도 9c는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위칭 함수를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

먼저, 상 전압 명령발생부(110)에서 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키고, 중성점 전압발생부(120)에서 중성점 전압을 발생시키는게 된다(S10-1). 그리고, 단자전압명령 연산부(130)에서 상 전압 명령발생부(110)에서 발생된 상 전압명령과 중성점 전압발생부(120)에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키게 된다(S20-1)

다음으로, 정규화 수단(140)이 단자전압명령 연산부(130)에서 출력된 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키게 된다(S30-1). 그리고, 삼각파 비교기(160)로 정규화된 단자전압명령이 인가되게 되고, 반송파 인가부(150)에서는 2개의 반송파 신호를 발생시켜 이를 삼각파 비교기(160)로 인가시키게 된다(S40-1).

그리고, 삼각파비교기(160)는 정규화 수단(140)에서 출력된 정규화된 단자전압명령과 반송파 인가부(150)에서 인가된 2개의 반송파를 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키게 된다(S50-1).

도 9a는 본 발명의 제1실시예에 따른 두 개의 반송파와 정규화된 단자전압명령을 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 9b는 도 9a의 확대 그래프를 도시한 것이고, 도 9c는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위칭 함수를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 수학식 5과 수학식 6에 의해 정규화된 단자전압명령(da, db, dc)이 0보다 큰 경우, 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)는 하이 반송파와 비교되게 되고, 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)이 하이 반송파보다 작게 되면 도 9c에 도시된 바와 같이 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)는 1이 되고, 정규화된 단자전압명령(d_a)이 하이 반송파보다 크게 되면 도 9c에 도시된 바와 같이 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)는 0이 되게 된다.

또한, 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)이 0보다 작은 경우, 정규화된 단자전압명령(d_a)는 로우 반송파와 비교되게 되고, 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)이 로우 반송파보다 작게 되면 도 9c에 도시된 바와 같이 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)는 0이 되고, 정규화된 단자전압명령(d_a, db, d_c)이 로우 반송파보다 크게 되면 도 9c에 도시된 바와 같이 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)는 1이 되게 된다. 그리고, 이러한 방식에 의해 발생된 스위칭 함수에 의해 비엔나정류기(10)의 전력용 반도체 스위치가 제어되게 된다(S60-1).

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(200)의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(200)는 제1실시예와 달리 절대값 생성부(170)를 더 포함하고, 반송파 인가부(150)에서 두 개의 반송파가 아닌 단일 반송파를 사용하고, 삼각파 비교기(160)의 구성이 제1실시예에 비하여 단순하다는 특징을 갖는다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(200)의 구성도를 도시한 것이고, 도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파, 정규화된 상 전압명령 및 변조 단자전압명령을 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 제2실시예에 따른 스위칭 함수 발생기(200)의 상 전압명령 발생부(110)와 중성점 전압 발생부(120), 단자전압명령 연산부(130) 및 정규화 수단(140)은 제1실시예에 따른 스위칭 함수 발생기(100)와 동일한 것으로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기(200)는 정규화 수단(140)과 삼각파 비교기(160) 사이에 구비되는 절대값 생성부(170)를 더 포함하고 있다. 이러한 절대값 생성부(170)는 정규화 수단(140)에서 출력되는 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)을 인가받아 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)의 절대값을 취하여 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)을 삼각파 비교기(160)로 출력시키게 된다.

또한, 제2실시예에 따른 스위칭 함수 발생기(200)의 반송파 인가부(150)는 2개의 반송파를 발생시키는 것이 아니라 0 이상의 범위를 갖는 단일 반송파만을 발생시켜 삼각파 비교기(160)로 인가시키게 된다.

따라서, 제2실시예에 따른 스위칭 함수 발생기(200)의 삼각파 비교기(160)는 절대값 생성부(170)에서 발생된 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)과 반송파 인가부(150)에서 발생된 단일 반송파를 인가받아 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)과 단일반송파를 비교하여 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)를 발생시키게 된다.

제2실시예에 따른 삼각파 비교기(160)에 의해 발생되는 스위칭 함수(S_a)는 이하의 수학식 7에 의해 정의될 수 있다.

[수학식 7]

S_a = 1, │d_a│≤ 단일 반송파

S_a = 0, │d_a│> 단일 반송파

수학식 7은 수학식 6의 로우 반송파(carrie_negative)는 하이 반송파(carrie_positive)의 절대값과 같고, 부하가 반대인 반송파를 사용한다면 수학식 6을 수학식 7과 같이 정의할 수 있게 된다. 또한, 변조 단자전압명령(x_a)을 정규화된 단자전압명령(d_a)의 절대값으로 정의하면 비엔나정류기(10)의 스위칭 함수(S_a)는 아래의 수학식 8로도 나타낼 수 있다.

[수학식 8]

S_a = 1, x_a ≤ 단일 반송파

S_a = 0, x_a > 단일 반송파

즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 변조 단자전압명령(xa)이 단일반송파보다 작거나 같은 값을 가지게 되면 스위칭 함수(S_a)는 1이 되고, 변조 단자전압명령(x_a)이 단일반송파보다 큰 값을 가지게 되면 스위칭 함수(S_a)는 0이 되게 된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파 PWM 방법은 기존의 2 레벨 컨버터의 전압변조 방식에서 삼각파 비교기(160)비교기(160)나정류기(10)에 맞게 바꾸면, 비엔나정류기(10)의 PWM 방식을 이용하여 간단한 전압제어를 할 수 있게 된다.

정규화된 단자전압명령(d_a)을 절대값으로 정의하면 변조 단자전압명령(x_a)이 만들어지며, 만들어진 변조 단자전압명령(x_a)와 단일 반송파를 이용하여 스위칭 명령을 만들 수 있게 된다. 그러므로 단일 반송파를 이용하면 S/W 및 H/W 구현이 매우 간단할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생방법에 대하여 설명하도록 한다. 먼저, 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나정류기(10)의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생 방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고, 도 13a는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일의 반송파와 변조 단자전압명령을 나타낸 그래프를 도시한 것이고, 도 13b는 도 13a의 확대 그래프 그리고, 도 13c는 본 발명의 제2실시예에 따른 스위칭 함수를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

먼저, 상 전압 명령발생부(110)에서 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키고, 중성점 전압발생부(120)에서 중성점 전압을 발생시키는게 된다(S10-2). 그리고, 단자전압명령 연산부(130)에서 상 전압 명령발생부(110)에서 발생된 상 전압명령과 중성점 전압발생부(120)에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키게 된다(S20-2)

다음으로, 정규화 수단(140)이 단자전압명령 연산부(130)에서 출력된 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키게 된다(S30-2).

그리고, 절대값 생성부(170)가 정규화된 단자전압명령을 인가받아 정규화된 단자전압명령의 절대값인 변조 단자전압명령을 생성하게 된다(S40-2). 다음으로, 삼각파 비교기(160)로 변조 단자전압명령이 인가되게 되고, 반송파 인가부(150)에서는 1개의 단일 반송파 신호를 발생시켜 이를 삼각파 비교기(160)로 인가시키게 된다(S50-2).

그리고, 삼각파비교기(160)는 절대값 생성부(170)에서 출력된 변조 단자전압명령과 반송파 인가부(150)에서 인가된 1개의 단일 반송파를 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키게 된다(S60-2).

도 13a는 본 발명의 제2실시예에 따른 두 개의 반송파와 정규화된 단자전압명령을 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 13b는 도 13a의 확대 그래프를 도시한 것이고, 도 13c는 본 발명의 제1실시예에 따른 스위칭 함수를 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 수학식 7 또는 수학식 8에 의해 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)은 단일 반송파와 비교되게 되고, 정규화된 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)이 단일 반송파보다 작게 되면 도 13c에 도시된 바와 같이 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)는 1이 되고, 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)이 단일 반송파보다 크게 되면 도 13c에 도시된 바와 같이 스위칭 함수(S_a, S_b, S_c)는 0이 되게 된다.

두 개의 반송파를 이용한 PWM 방법을 비교하였을 때, PWM 방식은 다르지만 스위칭 명령이 같다는 것을 알 수 있다. 그리고, 이러한 방식에 의해 발생된 스위칭 함수에 의해 비엔나정류기(10)의 전력용 반도체 스위치가 제어되게 된다(S60-1).

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 실험결과에 대해 간략히 설명하도록 한다. 도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 실험예에 따른 비엔나정류기(10)의 실험 결과이다. 비엔나정류기(10)의 실험을 위한 조건은 다음과 같다. 입력전압 조건은 60[Hz]의 120[Vrms]이 입력된다. DC 출력을 위한 부하는 저항 부하를 사용하였으며, 출력 파워는 2.8[kW]이다. 입력 인덕턴스는 1[mH]이며 PWM 제어 주파수는 20[kHz]로 설정하였다.

도 14a는 본 발명의 실험예에 따른 비엔나정류기(10)의 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)를 나타낸 그래프를 도시한 것이고, 도 14b는 본 발명의 실험예에 따른 비엔나정류기(10)의 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)을 나타낸 그래프, 도 14c는 본 발명의 실험예에 따른 입력 상전류(I_as, I_bs, I_cs)를 나타낸 그래프, 그리고, 도 14d는 본 발명의 실험예에 따른 출력단자전압을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

그림 14a에 도시된 바와 같이, 그래프는 비엔나정류기(10) 제어를 위한 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)을 나타내고 있고, 도 14b에 도시된 그래프는 도 14a의 정규화된 단자전압명령(d_a, d_b, d_c)을 변조 단자전압명령(x_a, x_b, x_c)으로 바꾼 파형을 나타내고 있다. 도 14c의 그래프는 제안한 단일 반송파를 이용하여 동작하는 비엔나정류기(10)의 입력 상전류(I_as, I_bs, I_cs)이며, 도 14d의 그래프는 제안한 단일 반송파를 이용하여 동작하는 비엔나정류기(10)의 직류 링크 출력(V_dc) 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 실험 결과 제안된 단일 반송파를 이용하여 비엔나정류기(10)를 제어한 결과, 직류 링크 전압 및 입력 전류가 잘 제어됨을 알 수 있다.

1:2레벨 PWM 정류기
10:3레벨 비엔나 정류기
11:3상 전압인가부
12:인덕터
13:직류연결 캐패시터
14:IGBT
20:종래 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 2레벨 PWM 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기
21:종래 삼각파 비교기
100:제1실시예에 따른 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기
110:상 전압명령 발생부
120:중성점 전압 발생부
130:단자전압명령 연산부
140:정규화 수단
150:반송파 인가부
160:삼각파 비교기
170:절대값 생성부
200:제2실시예에 따른 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기

Claims (14)

1. 3상의 교류전압을 인가하는 3상 전압인가부, 3상의 입력단 각각에 구비된 인덕터, 출력단에 구비된 직류연결 캐패시터 및 상기 인덕터와 직류연결 캐패시터 사이에 구비되어 3상 펄스폭변조(PWM) 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3상의 교류전압을 직류로 변환하는 비엔나 정류기에서, 상기 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 함수 발생기에 있어서,
   각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키는 상 전압 명령발생부; 중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압발생부; 상기 상 전압 명령발생부에서 발생된 상기 상 전압명령과 상기 중성점 전압발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키는 단자전압명령 연산부; 상기 단자전압명령 연산부에서 출력된 상기 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키는 정규화 수단; 반송파를 발생시키는 반송파 인가부; 및 상기 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령과 반송파 인가부에서 인가된 반송파를 삼각파 비교 PWM방식을 적용하여 상기 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 삼각파비교기;를 포함하고,
   상기 반송파 인가부가 0 이상의 범위에 존재하는 하이 반송파와 0 미만의 범위에 존재하는 로우 반송파를 발생시켜 상기 삼각파 비교기에 인가하는 경우, 상기 삼각파 비교기는 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 하이 반송파를 비교하거나 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 로우 반송파를 비교하여 상기 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 삼각파 비교기는 상기 정규화된 단자전압명령이 양의 값인 경우, 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 하이 반송파를 비교하여 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 하이 반송파보다 작은 경우, 상기 전력용 반도체 스위치를 켜기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 하이 반송파보다 클 경우, 상기 전력용 반도체 스위치를 끄기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 정규화된 단자전압명령이 음의 값인 경우, 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 로우 반송파를 비교하여 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 로우 반송파보다 클 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 켜기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 로우 반송파보다 작은 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 끄기 위한 스위칭 함수를 발생시키며,
   상기 반송파 인가부가 0 이상의 범위에서만 존재하는 단일 반송파를 발생시켜 상기 삼각파 비교기에 인가하는 경우, 상기 삼각파 비교기와 상기 정규화 수단 사이에 구비되어, 상기 정규화 수단에서 출력된 상기 정규화된 단자전압명령을 인가받아 상기 정규화된 단자전압명령의 절대값인 변조 단자전압명령을 상기 삼각파 비교기에 출력시키는 절대값생성부를 더 포함하고, 상기 삼각파 비교기는 상기 반송파 인가부로부터 인가받은 단일반송파와 상기 절대값생성부로부터 인가받은 변조 단자전압명령을 비교하여 상기 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 삼각파 비교기는 변조 단자전압명령과 상기 단일 반송파를 비교하여 상기 변조 단자전압명령이 상기 단일 반송파보다 작은 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 켜기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 변조 단자전압명령이 상기 단일 반송파보다 클 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 끄기 위한 스위칭 함수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생기.
   
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9. 제 1항에 따른 함수발생기를 이용한 스위칭 함수 발생 방법에 있어서,
   3상의 교류전압을 인가하는 3상 전압인가부, 3상의 입력단 각각에 구비된 인덕터, 출력단에 구비된 직류연결 캐패시터 및 상기 인덕터와 직류연결 캐패시터 사이에 구비되어 3상 펄스폭변조(PWM) 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3상의 교류전압을 직류로 변환하는 비엔나 정류기에서, 상기 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 함수 발생 방법에 있어서,
   상 전압 명령발생부에서 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 전압명령을 발생시키고, 중성점 전압발생부에서 중성점 전압을 발생시키는 단계; 단자전압명령 연산부에서 상기 상 전압 명령발생부에서 발생된 상기 상 전압명령과 상기 중성점 전압발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압명령을 발생시키는 단계; 정규화 수단이 상기 단자전압명령 연산부에서 출력된 상기 단자전압명령을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압명령을 발생시키는 단계; 및 삼각파비교기가 상기 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압명령과 반송파 인가부에서 인가된 반송파를 삼각파 비교 PWM방식을 적용하여 상기 전력용 반도체 스위치를 제어하기 위한 스위칭 신호를 발생시키는 단계;를 포함하고,
   상기 스위칭 신호를 발생시키는 단계는,
   상기 반송파 인가부가 0 이상의 범위에 존재하는 하이 반송파와 0 이하의 범위에 존재하는 로우 반송파를 발생시켜 상기 삼각파비교기에 인가하는 단계; 및 상기 삼각파 비교기가 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 하이 반송파를 비교하거나 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 로우 반송파를 비교하여 상기 스위칭 함수를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 스위칭 신호를 발생시키는 단계는, 상기 삼각파 비교기가 상기 정규화된 단자전압명령이 양의 값인 경우, 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 하이 반송파를 비교하여 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 하이 반송파보다 작은 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 켜기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 하이 반송파보다 클 경우, 상기 전력용 반도체 스위치를 끄기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 정규화된 단자전압명령이 음의 값인 경우, 상기 정규화된 단자전압명령과 상기 로우 반송파를 비교하여 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 로우 반송파보다 클 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 켜기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 정규화된 단자전압명령이 상기 로우 반송파보다 작은 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 끄기 위한 스위칭 함수를 발생시키며,
   상기 정규화된 단자전압명령을 발생시키는 단계 후에,
   상기 삼각파 비교기와 상기 정규화 수단 사이에 구비된 절대값생성부가 상기 정규화 수단에서 출력된 상기 정규화된 단자전압명령을 인가받아 상기 정규화된 단자전압명령의 절대값인 변조 단자전압명령을 상기 삼각파 비교기에 출력시키는 단계를 더 포함하고, 상기 스위칭 신호를 발생시키는 단계는, 상기 반송파 인가부가 0 이상의 범위에서만 존재하는 단일 반송파를 발생시켜 상기 삼각파 비교기에 인가하는 단계; 및 상기 삼각파 비교기가 상기 반송파 인가부로부터 인가받은 단일반송파와 상기 절대값생성부로부터 인가받은 변조 단자전압명령을 비교하여 상기 스위칭 함수를 발생시키는 단계를 포함하며, 상기 스위칭 함수를 발생시키는 단계는, 상기 삼각파 비교기가 상기 변조 단자전압명령과 상기 단일 반송파를 비교하여 상기 변조 단자전압명령이 상기 단일 반송파보다 작은 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 켜기 위한 스위칭 함수를 발생시키고, 상기 변조 단자전압명령이 상기 단일 반송파보다 클 경우 상기 전력용 반도체 스위치를 끄기 위한 스위칭 함수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 삼각파 비교 PWM방식을 적용한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 스위칭 함수 발생 방법.
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