KR101268585B1 - Ｓｖｐｗｍ 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법 - Google Patents

Ｓｖｐｗｍ 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법 Download PDF

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Abstract

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 방법에 관한 것으로, (a) 상기 SVPWM 방식에 의하여 희망하는 출력을 얻기 위해 각 윗단 및 하단 반도체 스위치에 대한 데드타임이 포함된 스위칭 신호를 발생하는 단계, (b) 상기 스위칭 신호에 의해 출력되는 각 상 전류에서 중간상 전류를 검출하는 단계, (c) 상기 중간상 전류의 극성을 판별하는 단계, (d) 상기 중간상 전류의 극성에 따라 유효전압의 인가시간을 보상하기 위해 스위칭 시간을 계산하여 스위칭 신호를 발생하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법을 이용하는 것에 의해, 부하전류의 극성을 고려하여 유효전압의 인가시간을 보상하는 스위칭을 통해 데드타임의 영향으로 출력전압의 왜형과 출력전압에서의 기본파 전압의 감소를 최소화할 수 있다.

Description

ＳＶＰＷＭ 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법{Compensation method of dwad-time for three-phase inverter of SVPWM}
본 발명은 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘에 관한 것으로서, 특히 반도체 스위치를 이용한 3상 SVPWM 인버터로 전동기를 제어함에 있어 윗단과 하단의 반도체 스위치 사이에 암단락(Arm-short)를 방지하기 위하여 인가한 데드타임(Dead-Time)을 보상하여 출력전압의 왜형과 상 전류의 극성 전환시 전류의 불연속을 최소화할 수 있는 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법에 관한 것이다.
최근, 전력용 반도체 스위치의 특성이 좋아지고 이들의 스위칭 기술이 날로 발전함에 따라 전력 변환기의 성능이 향상되었다. 그에 따라 산업 현장 동력의 70% 이상을 차지하는 전동기 부문에는 전압형 인버터의 사용이 급격하게 증가하고 있다.
특히, 전력용 반도체 스위치로 구성된 3상 인버터는 부하에 인가되는 전류를 제어하기 위한 실제적인 방식으로 PWM이 널리 적용되고 있으며, 이 중에서 SVPWM 방식이 영전압 스위칭 구간을 효율적으로 배치함으로써, 전류의 스위칭 노이즈를 억제할 수 있다.
상기 PWM 방식의 구현은 게이트 펄스의 인가시간을 직접 계산하는 디지털 구현에 의한 PWM 방식이 고조파 특성이 좋고 스위칭 주파수가 고정되어 있으며 구현이 용이하다는 점에서 널리 사용되고 있다.
이러한 기술의 일 예가 하기 특허문헌 1 및 2 등에 기재되어 있다.
즉, 하기 특허문헌 1에는 각 상에 인가되는 3상 모터의 각 상에 인가되는 전압 벡터 구간을 판단하는 단계, 전압 벡터의 구간이 유효범위 내에 포함되는지를 판단하는 단계, 전압 벡터가 유효범위 내에 포함되지 않는 경우, 전압 벡터의 종점으로부터 유효범위까지의 최소값을 구하는 단계, 최소값을 가감하여 전압 벡터를 변조하는 단계, 변조한 전압 벡터를 최소값만큼 보상하는 단계를 포함하는 3상 모터의 구동방법에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 공간전압벡터 방식에 의한 펄스폭변조 방법에 대해 개시되어 있다.
그러나, 전력용 반도체 스위치 사이의 암단락(Arm-short)를 방지하기 위하여 인가한 데드타임(Dead-Time)의 영향으로 제어기에서 지령한 유효전압 인가시간과 실제 부하에 인가되는 시간의 차이가 발생하게 된다. 또한, 부하전류의 방향을 고려하지 않은 경우, 실제 부하에 인가되는 출력전압에서 기본파 전압이 감소하는 문제가 발생한다. 특히 낮은 전압이 요구되는 시스템에서 그 영향이 커지게 되며, 제어성능의 악화를 초래하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제0725504호 (2007.05.30 등록) 대한민국 등록특허 제0168807호 (1998.10.07 등록)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 부하전류의 극성을 고려하여 데드타임의 영향으로 출력전압의 왜형과 출력전압에서의 기본파 전압의 감소를 최소화하는 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 방법은 윗단(upper-arm) 및 하단(lower-arm)이 전력용 반도체 스위치로 구성된 3상 인버터의 PWM 제어시 상기 전력용 반도체 스위치의 단락 방지를 위해 삽입된 데드타임으로 인한 출력전압의 왜곡을 보상하기 위한 스위칭 방법에 있어서, (a) 상기 SVPWM 방식에 의하여 희망하는 출력을 얻기 위해 각 윗단 및 하단 반도체 스위치에 대한 데드타임이 포함된 스위칭 신호를 발생하는 단계, (b) 상기 스위칭 신호에 의해 출력되는 각 상 전류에서 중간상 전류를 검출하는 단계, (c) 상기 중간상 전류의 극성을 판별하는 단계, (d) 상기 중간상 전류의 극성에 따라 유효전압의 인가시간을 보상하기 위해 스위칭 시간을 계산하여 스위칭 신호를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 실제 중간상 지령 전압의 크기가 전력용 반도체 스위치 또는 역방향 다이오드에서 발생하는 전압강하분 보다 낮아지는 시점에서 전류의 크기에 대한 대역을 설정하고, 상기 대역 이상의 경우에는 정상적인 전류의 방향을 검출하고, 상기 대역 이내에서의 전류의 크기에 대하여서는 선행되어지는 시점에서 중간상 전류의 방향이 역전되도록 하여 유효시간이 데드타임 이내로 중복되는 구간에서의 영향을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법에 있어서, 상기 중간상 전류의 경로에 따라서 각 상의 지령전압으로부터 최대상과 최소상의 값으로 유효전압 스위칭 시간을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 방법에 의하면, 부하전류의 극성을 고려하여 유효전압의 인가시간을 보상하는 스위칭을 통해 데드타임의 영향으로 출력전압의 왜형과 출력전압에서의 기본파 전압의 감소를 최소화할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 일반적인 3상 인버터의 구조를 나타낸 도면,
도 2는 3상 인버터의 이상적인 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)신호를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘을 설명하기 위한, 데드타임이 삽입된 SVPWM 신호를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘에서 회전 각에 따른 3상 전압의 최대, 최소상 선택 방법을 도시한 도면,
도 5a 내지 도 5g는 도 3에 따른 3상 인버터의 동작 모드 및 전류 경로의 일 예를 도시한 도면(imid > 0),
도 6a 내지 도 6g은 도 3에 따른 3상 인버터의 동작 모드 및 전류 경로의 일 예를 도시한 도면(imid < 0),
도 7a는 imid 전류의 교번 구간에서의 전류 방향의 일 예를 도시한 도면(Vmid * > 0),
도 7b는 imid 전류의 교번 구간에서의 전류 방향의 일 예를 도시한 도면(Vmid * < 0),
도 8a는 데드타임이 없는 이상적인 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 8b는 4[㎲]의 데드타임이 있는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 8c는 데드타임이 보상된 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 8d는 본 발명의 전류 방향을 고려한 SVPWM 방식의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 9a은 데드타임 보상이 없는 경우의 실험결과를 나타내는 도면,
도 9b는 데드타임 보상이 있는 경우의 실험결과를 나타내는 도면,
도 9c는 본 발명의 전류 방향을 고려한 SVPWM 방식의 실험결과를 나타내는 도면.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 일반적인 3상 인버터의 구조를 나타낸다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 3상 인버터에서 각 상(Phase)은 윗단(upper-arm)과 하단(lower-arm)의 전력용 반도체 스위치 트랜지스터(Q1 내지 Q6)로 구성되어 있으며, 2개가 직렬로 연결된 Q1과 Q4, Q2와 Q5, Q3와 Q6를 각각 A, B, C 상으로 나타낸다.
또, 상기 각각의 전력용 반도체 스위치 트랜지스터(Q1 내지 Q6)는 내부에 역방향 다이오드(D1,D2,D3,D4,D5,D6)가 결합되어 이루어진다.
또한, 상기 A, B, C 상은 예를 들어 저항 및 인덕터를 포함하는 고정자와 내부 회전자를 가지는 3상 모터(전동기)의 위상 단자와 연결되고, 전력용 반도체 스위치 트랜지스터 Q1과 Q4 사이에 외부 전원 단자 Vdc에 연결된다.
한편, 예를 들어 인버터로부터 3상 모터에 공급되는 여자상전류를 검출하기 위한 전류검출부(미도시)가 Vdc와 전력용 반도체 스위치 트랜지스터 Q4 사이에 마련되고, 인버터의 전력용 반도체 스위치 트랜지스터(Q1 내지 Q6)를 스위칭하는 한편, 전류검출부로부터 검출된 전류에 기초하여 전력용 반도체 스위치 트랜지스터(Q1 내지 Q6)를 선택적으로 스위칭하는 제어기(미도시)가 마련된다.
도 2는 3상 인버터의 이상적인 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)신호를 나타낸다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 제어기에서 발생한 스위칭 신호는 윗단 전력용 반도체 스위치(Q1,Q2,Q3)에 인가하여 스위칭 동작을 통해 전동기에 전력을 공급한다.
도 3은 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘을 설명하기 위한, 데드타임이 삽입된 SVPWM 신호를 나타낸다.
도 3에서 도시된 바와 같이, SVPWM 제어시 윗단과 하단의 전력용 반도체 스위치 사이에 암단락(Arm-short)를 방지하기 위해, 윗단과 하단의 전력용 반도체 스위치 턴-온 시간 사이에 데드타임(Dead-Time)을 삽입한 것으로서 스위칭 시간 간격 및 데드타임 시간 간격에 따라 t0~t6로 구분되며, T1은 한 상의 윗단 전력용 반도체 스위치가 턴-온 되고, 두 상의 하단 전력용 반도체 스위치가 턴-온 되는 구간, T2는 두 상의 윗단 전력용 반도체 스위치가 턴-온 되고, 한 상의 하단 전력용 반도체 스위치가 턴-온 되는 구간을 나타낸다.
이때, 세 상의 전력용 반도체 스위치 중에서 한 상은 최대 전압을 인가하기 위해 가장 긴 유효전압을 인가하는 시간으로 결정되고, 또 다른 한 상은 최소 전압을 인가하기 위해 영전압 스위칭이 인가되도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘에서 회전 각에 따른 3상 전압의 최대, 최소상 선택 방법을 나타낸다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 3상 전압의 인가에서 각 상은 교번적으로 최대상(Vmax), 중간상(Vmid), 최소상(Vmin)으로 시간에 따라 가변한다. 최대상(Vmax)이 A상인 경우에는 A상을 구동하는 윗단 전력용 반도체 스위치 트랜지스터(Q1)의 턴-온 시간은 유효전압이 인가되는 T1, T2 및 영전압이 인가되는 T0/2가 합한 시간 동안 결정된다.
최대상(Vmax), 중간상(Vmid), 최소상(Vmin)은 회전각에 따른 3상 전압의 최대, 중간 및 최소상에 대한 전압을 의미하며, imax, imid 및 imin 해당하는 상의 전류를 나타낸다.
보다 상세하게 설명하면 처음으로 Vas와 Vcs가 교차하는 포인트와 두 번째로 Vbs와 Vcs가 교차하는 포인트 간격에서 Vmax = Vas, Vmid = Vcs, Vmin = Vbs로 구분되며, 동일한 방법으로 상전류가 교차하는 두 번째와 세 번째 포인트 간격에서 Vmax = Vas, Vmid = Vbs, Vmin = Vcs 로 구분된다.
도 5a 내지 도 5g는 imid > 0인 조건에서 도 3에 따른 3상 인버터의 동작 모드 및 전류 경로를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6g는 imid < 0인 조건에서 도 3에 따른 3상 인버터의 동작 모드 및 전류 경로를 나타낸다.
도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 스위칭 시간 간격 및 데드타임 시간 간격에 따라 t0~t6로 구분하여 6가지 동작 모드로 구분되게 되는데, 동작 모드에 따른 상전압은 유효전압벡터와 영전압 벡터에 의해 결정된다.
또한, 데드타임(Dead-Time) 구간임을 나타내기 위해 전력용 반도체 스위치 트랜지스터(Q1~Q6)를 회색으로 도시하여 나타낸다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6으로부터, 각 상에 인가되는 전압은 전력용 반도체 스위치의 전압강하를 무시하면 전류의 방향과 극성에 따라 유효전압이 인가되는 시간 T1과 T2는 달라지게 되는데, imid로 선택된 중간상 전류는 시간축인 횡축을 기준으로 imid > 0, imid < 0인 2가지 극성 경우로 구분된다.
이를 통해 3상 인버터에서 전류의 경로에 따른 실제 유효 전압이 인가되는 시간과 그 시간 동안에 각 상에 인가되는 전압의 크기를 표 1에 나타내었다. 표 1은 전류 경로에 따른 각 구간에서의 실제 인가 전압을 나타낸다.
Figure 112011077597326-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, 실제 유효전압이 인가되는 T1과 T2의 구간에서 imid > 0인 경우에는 T2 구간에서 데드타임 동안의 시간 손실이 발생하고, imid < 0인 경우에는 T1 구간 동안에서 데드타임의 시간 손실이 발생하게 된다.
데드타임이 없는 이상적인 3상 인버터에서 각 상에서 실제 유효 전압이 인가되는 시간 T1과 T2 동안에 각 상의 인가되는 전압은 수학식 1과 같다.
Figure 112011077597326-pat00002
데드타임이 없는 경우에서의 각 유효시간의 계산은 먼저 지령 전압의 크기로부터 최대상의 지령전압(Vmax *) 및 최소상의 지령전압(Vmin *)을 추출하면, 각 유효시간은 수학식 2와 같다.
Figure 112011077597326-pat00003
즉, 데드타임이 없는 경우에서 유효전압의 인가시간은 데드타임에 대한 보상을 하지 않으므로, 데드타임이 있는 경우 중간상 전류(imid)의 극성에 따른 각 유효시간은 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
Figure 112011077597326-pat00004
Figure 112011077597326-pat00005
수학식 3 및 수학식 4로부터, 중간상 전류(imid)의 경로에 따라서 각 상의 지령전압으로부터 최대상과 최소상의 값으로 간단하게 유효전압 스위칭 시간이 보상 가능하며, 각 상의 실제 스위칭 시간은 수학식 5와 같다.
Figure 112011077597326-pat00006
도 7a는 Vmid * > 0인 경우 imid 전류의 교번 구간에서의 전류 방향을 나타내며, 도 7b는 Vmid * < 0인 경우 imid 전류의 교번 구간에서의 전류 방향을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 중간상 전류의 방향에 따라 데드타임의 보상에서 인가되는 전압에 오차가 발생할 수 있으므로, 실제 중간상 지령 전압(Vmid *)의 크기 VSL 및 VSH는 전력용 반도체 스위치의 전압강하를 고려하여 0.7[V] 시점에서 중간상 전류(imid)를 검출하고, 상기 검출된 전류가 미소전류(10[mA]) 이내 대역에 존재하는 두번째 중간상 전류(imid2)의 경우에는 실제 전류가 역전되지 않더라도 유효 전압시간의 중복을 고려하여 전류의 방향이 음으로 되는 것으로 가정하여 스위칭 시간을 계산하고, 미소 전류 이상의 대역에 존재하는 첫번째 중간상 전류(imid1)의 경우에는 정상적으로 전류의 방향에 따라 중간상의 전류의 방향을 고려하여 유효시간이 데드타임 이내로 중복되는 구간에서의 영향을 최소화하였다.
도 8은 본 발명의 전류 방향을 고려한 SVPWM 방식에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내며, 도 9는 본 발명의 전류 방향을 고려한 SVPWM 방식에 따른 실험결과를 나타낸다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 정현적인 부하 전류를 보이고 있으며, 부하 전류의 중간상의 전류 방향이 교번되는 구간에서 전류 대역을 이용한 전류 방향을 고려한 경우 효과적인 출력전압 보상 효과를 확인할 수 있었다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법은 전동기의 제어에 적용된다.

Claims (3)

  1. 윗단 및 하단이 전력용 반도체 스위치로 구성된 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법으로서,
    (a) 상기 SVPWM 방식에 의하여 희망하는 출력을 얻기 위해 각 윗단 및 하단 반도체 스위치에 대한 데드타임이 포함된 스위칭 신호를 발생하는 단계,
    (b) 상기 스위칭 신호에 의해 출력되는 최대상 전류(imax), 중간상 전류(imid) 및 최소상 전류(imin)에서 중간상 전류(imid)를 검출하는 단계,
    (c) 상기 중간상 전류(imid)의 극성을 판별하는 단계,
    (d) 상기 중간상 전류(imid)의 극성에 따라 유효전압의 인가시간을 보상하기 위해 스위칭 시간을 계산하여 스위칭 신호를 발생하는 단계를 포함하고,
    상기 중간상 전류의 경로에 따라서 각 상의 지령전압으로부터 최대상과 최소상의 값으로 유효전압 스위칭 시간을 보상하는 것을 특징으로 하는 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법.
  2. 제 1항에 있어서,상기 (c) 단계는 실제 중간상 지령 전압(Vmid *)의 크기가 전력용 반도체 스위치 또는 역방향 다이오드에서 발생하는 전압강하분 보다 낮아지는 시점에서 전류의 크기에 대한 대역을 설정하고, 상기 대역을 초과하는 중간상 전류의 경우에는 정상적인 전류의 방향을 검출하고, 상기 대역 이내에서의 전류의 크기에 대하여서는 선행되어지는 시점에서 중간상 전류의 방향이 역전되도록 하여 유효시간이 데드타임 이내로 중복되는 구간에서의 영향을 최소화하는 것을 특징으로 하는 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 데드타임 보상 방법.
  3. 삭제
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