KR101842705B1 - 삼각파 비교 pwm 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법 - Google Patents

삼각파 비교 pwm 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치는,
각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 전압을 발생시키는 상 지령 전압 발생부; 중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압 발생부; 상기 상 지령 전압 발생부에서 발생된 지령 전압과 상기 중성점 전압 발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자 전압을 발생시키는 단자 전압 연산부; 상기 단자전압연산부에서 출력된 단자전압을 바탕으로 정규화된 단자전압을 출력하는 정규화 수단부; 반송파를 발생시키는 반송파 발생부; 오프셋 전압을 발생시키는 오프셋 전압 발생부; 상기 오프셋 전압 발생부에서 발생된 오프셋 전압과 상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압을 합하여 출력하는 비교 단자전압 출력부; 상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압 또는 상기 비교단자전압 출력부에서 출력된 비교단자전압과 상기 반송파 발생부에서 발생된 반송파를 삼각파 PWM 방식을 적용하여 비교하는 삼각파 비교기; 및 상기 반송파 발생부에서의 결과값을 바탕으로 스위칭 펄스를 발생시키는 스위칭 펄스 발생부; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법을 통해 삼각파 비교 PWM 방식을 보완하여 비엔나 정류기의 제어기 구성을 보다 간단하게 구현할 수 있고, 입력 THD(Total Harmonic Distortion)특성이 개선될 수 있다.

Description

삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법 {Carrier Comparison PWM Method of Vienna Rectifier for Generating Switching Pulse}
본 발명은 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼각파 비교 PWM 방식 기반의 스위칭 펄스 발생장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 역률 규제 및 전력 사용 효율성을 위하여 가전 분야뿐만 아니라 산업용 전동기 구동 시스템에 있어서 PWM 정류기의 사용이 늘어나고 있다.
종래 교류 전압을 입력받아 직류로 변환하기 위해 사용되던 2레벨 3 상 PWM정류기는 3상 전원의 입력 전류 고조파 저감을 위한 회로로 산업용 통신 전원용 등 여러 응용분야에서 많이 사용되어 왔다. 이러한 종래 2레벨 3상 PWM 정류기의 스위칭 소자로 내압이 높은 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)가 일반적으로 사용되는데, 높은 내압의 IGBT는 고속 스위칭이 요구될 경우, 스위칭 손실이 높아 효율을 높이는 데 한계가 있다.
이런 단점을 극복하기 위하여 3 상 3 레벨 정류기의 적용이 검토되기 시작하였으며, 특히 대용량의 산업용 전원의 경우 3 상 3레벨 비엔나 형태의 정류기는 단방향의 전력 변환이 요구되는 AC/DC 컨버터의 입력 전류 고조파 저감을 위한 회로로 검토되고 있다.
3레벨 비엔나 정류기의 출력 단자 전압은
Figure 112017009552542-pat00001
,0,
Figure 112017009552542-pat00002
인 3개의 상태를 가지고 있기 때문에 기존의 2레벨 PWM 정류기에서 사용되는 전력용 반도체 소자와 비교하여 스위칭 소자의 내압을 절반 수준으로 낮출 수 있어, 전력용 반도체 소자로 IGBT 대신 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 사용할 수 있다. 이에 따라 전력용 반도체 소자의 스위칭 구현 방식은 2레벨에 비해 복잡하지만 스위칭 손실이 작아서 고효율에 유리하며 재료비를 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 1은 3레벨 비엔나 정류기의 회로를 도시한 것이다. 비엔나 정류기는 3개의 양방향 스위치와 각 상 별 양방향 스위치 주변에 위치하고 있는 정류 다이오드로 구성된다. 도 1에서
Figure 112017009552542-pat00003
,
Figure 112017009552542-pat00004
,
Figure 112017009552542-pat00005
는 각각 3 상 계통 전압이며,
Figure 112017009552542-pat00006
,
Figure 112017009552542-pat00007
,
Figure 112017009552542-pat00008
는 3 상의 입력 전류를 의미한다.
Figure 112017009552542-pat00009
,
Figure 112017009552542-pat00010
그리고
Figure 112017009552542-pat00011
는 MOSFET 소자와 4개의 다이오드(Diode)를 사용한 양방향 스위치를 의미한다. 여기서
Figure 112017009552542-pat00012
가 켜지면
Figure 112017009552542-pat00013
이고 꺼지면
Figure 112017009552542-pat00014
으로 스위칭 함수를 정의한다. 그리고
Figure 112017009552542-pat00015
,
Figure 112017009552542-pat00016
,
Figure 112017009552542-pat00017
는 편의를 위해
Figure 112017009552542-pat00018
로 정의한다. 또한
Figure 112017009552542-pat00019
,
Figure 112017009552542-pat00020
,
Figure 112017009552542-pat00021
는 편의를 위해
Figure 112017009552542-pat00022
로 정의한다. D1~D6의 동작 상태는 3개의 양방향 스위치의 상태와 3 상 입력전류의 방향에 따라 결정된다. 양방향 스위치의 온(On), 오프(Off)에 따른 비엔나 정류기의 출력 단자 전압은 다음과 같다.
Figure 112017009552542-pat00023
가 켜지면, 각 상의 단자 전압은 0V를 가지며,
Figure 112017009552542-pat00024
가 꺼지면 각 상의 단자 전압은 상 전류의 값이 양이면
Figure 112017009552542-pat00025
, 상 전류의 값이 음이면
Figure 112017009552542-pat00026
이다. 즉, 단자 전압의 상태는
Figure 112017009552542-pat00027
,0,
Figure 112017009552542-pat00028
전압을 갖게 됨으로써 3가지 상태가 존재하기 때문에 비엔나 정류기는 3레벨 비엔나 컨버터이다. 스위칭 함수와 전류에 따른 단자 전압을 표 1에 나타내었다.
Figure 112017009552542-pat00029
Figure 112017009552542-pat00030
 D 1,3,5 D 2,4,6 단자전압
1(on) Don't care off off 0V


0(off)
Figure 112017009552542-pat00031
on
off
Figure 112017009552542-pat00032
Figure 112017009552542-pat00033
off
off
Figure 112017009552542-pat00034
한편, 비엔나 정류기를 제어하기 위한 PWM 방법은 크게 공간 전압 벡터를 이용하여 전압 벡터의 인가 시간을 직접 계산하는 공간 전압 벡터 PWM 방법과 반송파 비교 PWM방법으로 나눌 수 있다. 공간 전압 벡터 PWM방법은 3 상 계통 전압의 상태에 따라 다이오드(Diode)의 통전 상태가 모두 달라, 공간 전압 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터의 선택이 복잡하고, 유효 전압 벡터 및 영 전압 벡터의 인가 시간 계산이 복잡하여, 실제 구현을 위하여 많은 계산을 필요로 하는 단점이 있다.
한편, 반송파를 사용하여 PWM 제어를 행하는 반송파 비교 PWM 방법은 두 가지 방법이 있다. 두 개의 삼각파를 반송파로 이용한 삼각파 비교 PWM 방법과 단일 반송파 비교 PWM 방법이다. 도 2는 두 개의 삼각파를 반송파로 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 스위칭 펄스 발생 장치의 개략적인 회로도이고, 도 3은 삼각파 발생기에서 발생된 반송파와 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압(da)을 그래프로 나타낸 것이다. 도 3에서 da는 정규화된 단자 전압을 의미하며, 상 지령 전압에 직류 링크 전압의 절반으로 나누어서 구한다. 두 개의 반송파 비교 PWM 방법은 da가 0보다 클 때는 상단의 반송파와 비교되며, da가 0보다 작으면 하단의 반송파와 비교된다. 비교된 결과는 각 상의 위치한 양방향 스위치를 켜고 끄기 위한 스위칭 함수
Figure 112017009552542-pat00035
를 발생한다. da가 0보다 클 때 스위칭 함수는 수학식 1에 의해서 결정되고,da가 0보다 작을 때는 수학식 2에 의해서 스위칭 함수가 결정된다.
Figure 112017009552542-pat00036
Figure 112017009552542-pat00037
두 개의 삼각파를 반송파로 이용한 삼각파 비교 PWM 방법은 유효 전압 벡터 및 인가 시간 계산이 간단한 장점이 있으나, 각 상 별 각 각 두개의 반송파를 요구하므로 많은 반송파 비교 PWM 모듈을 요구하며, 두 개의 반송파간 동기화 등이 필요하여 실제 제품에 적용이 용이하지 않다.
도 4와 도 5는 단일 반송파 비교 PWM 방식을 적용한 스위칭 펄스 발생 장치의 개략적인 회로도와 삼각파 발생기에서 발생된 반송파와 절대값 생성부에서 생성된 변조 단자전압(Xa)을 그래프로 나타낸 것이다. 단일 반송파를 사용할 수 있는 수학적 배경은 수학식 3과 같다.
Figure 112017009552542-pat00038
수학식 3은 수학식 2에 절대값을 취한 결과이다. 만약, 하단의 반송파가 상단의 반송파와 절대값이 같고, 부호가 반대인 반송파를 사용한다면 수학식 2를 수학식 3으로 쓸 수 있다. Xa를 da의 절대값으로 정의하면 비엔나 정류기의 스위칭 함수는 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112017009552542-pat00039
도 4를 보면 기존의 2레벨 컨버터의 전압변조 방식에서 삼각파 비교부만 비엔나 정류기에 맞게 바꾸면, 비엔나 정류기의 SVPWM방식을 이용하여 간단한 전압제어를 할 수 있다. 정규화된 단자전압 da를 절대값으로 정의하면 변조 단자 전압 Xa가 만들어지며, 만들어진 Xa와 단일 반송파를 이용하여 스위칭 펄스를 발생시킨다. 그러므로 단일 반송파를 이용하면 S/W 및 H/W 구현이 매우 간단하다. 그러나 스위칭 양단전압이 온전한 3 레벨의 형태로 나타나지 않으며, 입력 전류의 THD(Total Harmonic Distortion)특성이 나쁘다.
따라서 이러한 3레벨 비엔나 정류기를 제어하기 위하여 기존의 삼각파 비교 PWM 방식을 보완하여 보다 간단하고, 입력 THD(Total Harmonic Distortion)특성이 개선된 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법이 요구되었다.
KR 10-1250454 B1
본 발명은 기존의 비엔나 정류기의 삼각파 비교 PWM 방법을 보완하여 제어기의 구성을 보다 간단하게 구현할 수 있고, 입력전류 THD(Total harmonic Distortion)특성이 우수한 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치는,
각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 전압을 발생시키는 상 지령 전압 발생부; 중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압 발생부; 상기 상 지령 전압 발생부에서 발생된 지령 전압과 상기 중성점 전압 발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자 전압을 발생시키는 단자 전압 연산부; 상기 단자 전압 연산부에서 발생된 단자전압을 바탕으로 정규화된 단자전압을 출력하는 정규화 수단부; 반송파를 발생시키는 반송파 발생부; 오프셋 전압을 발생시키는 오프셋 전압 발생부; 상기 오프셋 전압 발생부에서 발생된 오프셋 전압과 상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압을 합하여 비교 단자 전압을 출력하는 비교 단자전압 출력부; 상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압 또는 비교 단자 전압 출력부에서 출력된 비교 단자 전압과 상기 반송파 발생부에서 발생된 반송파를 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 비교하는 삼각파 비교기; 및 상기 삼각파 비교기의 결과값을 바탕으로 스위칭 펄스를 발생시키는 스위칭 펄스 발생부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정규화 수단부는 상기 단자 전압 연산부에서 출력된 단자전압을 직류 링크 전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압(da)을 출력할 수 있다.
또한, 상기 반송파 발생부는 0 이상의 범위에 존재하는 하이 반송파 1개만을 발생시켜 삼각파 비교기에 인가할 수 있다.
또한, 상기 삼각파 비교기는 상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압(da)이 0보다 크면 정규화된 단자전압(da)과 반송파 발생부에서 발생된 삼각파를 비교하고, 단자전압(da)이 0보다 작으면 비교 단자 전압 출력부에서 출력된 비교단자전압(da+1)과 반송파 발생부에서 발생된 삼각파를 비교하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 방법은,
각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 전압을 발생시키는 상 지령 전압 발생단계; 중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압 발생 단계; 상기 상 지령 전압 발생단계에서 발생된 지령 전압과 상기 중성점 전압 발생단계에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자 전압을 발생시키는 단자 전압 출력단계; 상기 단자 전압 출력단계에서 발생된 단자전압을 바탕으로 정규화된 단자전압을 출력하는 정규화된 단자전압 출력단계; 반송파를 발생시키는 반송파 발생단계;
오프셋 전압을 발생시키는 오프셋 전압 발생단계; 상기 오프셋 전압 발생단계에서 발생된 오프셋 전압과 상기 정규화된 단자전압 출력단계에서 출력된 정규화된 단자전압을 합하여 비교 단자 전압을 출력하는 비교 단자전압 출력단계; 상기 정규화된 단자전압 출력단계에서 출력된 정규화된 단자전압 또는 비교 단자 전압출력부에서 출력된 비교단자전압과 상기 반송파 발생단계에서 발생된 반송파를 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 비교하는 삼각파 비교단계; 및
상기 삼각파 비교단계의 결과값을 바탕으로 스위칭 펄스를 발생시키는 스위칭 펄스 발생단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정규화된 단자전압 출력단계는 상기 단자 전압 출력단계에서 출력된
단자전압을 직류 링크전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 반송파 발생부는 0 이상의 범위에 존재하는 하이 반송파 1개만을 발생시켜 삼각파 비교단계에 인가할 수 있다.
또한, 상기 삼각파 비교단계는 정규화된 단자전압 출력단계에서 출력된 정규화된 단자전압(da)이 0보다 크면 단자전압(da)과 반송파 발생부에서 발생된 삼각파를 비교하고, 정규화된 단자전압(da)이 0보다 작으면 비교 단자 전압 출력단계에서 출력된 비교단자전압(da+1)과 반송파 발생부에서 발생된 삼각파를 비교하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법을 통해 비엔나 정류기의 제어기 구성을 보다 간단하게 구현할 수 있고, 입력 THD(Total Harmonic Distortion)특성이 개선될 수 있다.
또한, 한 개의 반송파 신호를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 보완 적용하여 스위칭 펄스를 보다 간단하게 발생시켜 비엔나 정류기의 전압을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제어대상이 되는 3레벨 비엔나 정류기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제 1비교예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제 1비교예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제 2비교예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제 2비교예에 따른 단일 반송파, 변조 단자 전압(Xa)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 삼각파 비교 PWM을 이용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생장치의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단일 반송파, 정규화된 단자전압(da), 비교 단자 전압 (da+1)을 나타낸 그래프이다.
도 8(a)은 본 발명의 제 1비교예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 입력전류, 스위치 양단전압, 스위칭 펄스 생성 파형을 나타낸 그래프이다.
도 8(b)는 본 발명의 제 2비교예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 입력전류, 스위치 양단전압, 스위칭 펄스 생성 파형을 나타낸 그래프이다.
도 8(c)는 본 발명의 실시예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 입력 전류, 스위치 양단전압, 스위칭 펄스 생성 파형을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은,'개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배게하는 것으로 이해되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 제어대상이 되는 3레벨 비엔나 정류기(10)의 회로도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3 레벨 비엔나 정류기(10)는 3 상의 교류전압을 인가하는 3 상 전압인가부(11). 3 상의 입력단 각각에 구비된 3개의 인덕터(12), 출력단에 구비된 2개의 직류연결 캐패시터(13) 및 인덕터(12)와 직류연결 캐패시터(13) 사이에 구비되어 3 상 펄스 폭 변조 전력제어를 하기 위한 전력용 반도체 스위치를 구비하여 3 상의 교류전압을 직류전압으로 변화하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어의 대상이 되는 비엔나 정류기의 출력단자 전압은
Figure 112017009552542-pat00040
,0,
Figure 112017009552542-pat00041
의 3개의 상태를 가지고 있기 때문에 기존의 2레벨 PWM 정류기에서 사용되는 전력용 반도체 소자와 비교하여, 스위칭 소자의 내압을 절반 수준으로 낮출 수 있어, 전력용 반도체 소자로 IGBT 대신 MOSFET을 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 비엔나 정류기에서
Figure 112017009552542-pat00042
,
Figure 112017009552542-pat00043
,
Figure 112017009552542-pat00044
(이하
Figure 112017009552542-pat00045
라함)는 스위치에 인가되는 전압, 전류에 대하여 4 상한 동작이 가능하도록 MOSFET과 다이오드로 구성된 전력용 반도체 모듈 내부의 MOSFET의 스위칭 상태를 나타내는 스위칭 함수이다. 또한, 도 1에 도시된 D1 내지 D6은 3 상의 일반적인 정류용 다이오드를 의미한다.
상기 기술한 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 단자전압이 양의 값이고 스위칭 함수(
Figure 112017009552542-pat00046
)가 0이면 출력단자 전압은
Figure 112017009552542-pat00047
가 되고, 단자전압이 음의 값이고 스위칭 함수(
Figure 112017009552542-pat00048
)가 0이면 출력단자 전압은
Figure 112017009552542-pat00049
가 된다. 스위칭 함수(
Figure 112017009552542-pat00050
)가 1이면 단자전압의 양과 음의 값 여부에 관계없이 출력단자전압은 0V가 된다.
도 2는 본 발명의 제 1비교예에 따른 두 개의 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치의 개략적인 회로도이고, 도 3은 본 발명의 제 1비교예에 따른 반송파 발생부에서 발생된 두 개의 반송파와 정규화 수단부에서 발생된 정규화된 단자전압(da)을 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 회로의 동작과정을 설명하자면, 상 지령 전압 발생부에서 각 상의 전압을 펄스 폭 변조하기 위하여 주어진 상 지령 전압을 발생시키고 중성점 전압 발생부에서 중성점 전압을 발생시킨다. 그리고, 단자 전압 연산부에서 상 전압 발생부에서 발생된 상 지령 전압과 중성점 전압발생부에서 발생된 중성점 전압 발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자전압을 발생시키게 된다. 정규화 수단부에서 단자 전압 연산부에서 출력된 단자전압을 직류 링크 전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압(da)을 발생시킨다.
반송파 발생부에서는 2개의 반송파 신호를 발생시켜 이를 삼각파 비교기로 인가한다. 그리고 삼각파 비교기는 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자전압(da)과 반송파 발생부에서 인가된 2개의 반송파를 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 스위칭 펄스를 발생시킨다.
도 8(a)는 입력전류와 스위치 양단 전압, 스위칭 펄스 생성 파형을 그래프로 나타낸 것이다. 도 8(a)에 도시된 것과 같이 입력전류의 THD(Total Harmonic Distortion)특성이 우수하며, 스위칭 양단 전압이 온전한 3 레벨 형태로 나타나는 것을 볼 수 있다. 스위칭 생성 파형을 보면 두 개의 반송파로 인해 캐리어 주파수가 2개이므로 제어기의 복잡성이 상승하는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 비교예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 전압 제어를 위한 스위칭 펄스 발생장치의 개략적인 회로도이고, 도 5는 본 발명의 제 2비교예에 따른 반송파 발생부에서 발생된 단일 반송파와 절대값 생성부에서 발생된 변조 단자전압(Xa)을 그래프로 나타낸 것이다. 제 2비교예에 따른 스위칭 펄스 발생 장치의 상 지령 전압 발생부와 중성점 전압 발생부, 단자 전압 연산부 및 정규화 수단부는 제 1비교예에 따른 스위칭 펄스 장치와 동일한 것으로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 제 2비교예에 따른 단일 반송파를 이용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치는 제 1비교예와 달리 정규화 수단부와 삼각파 비교기 사이에 구비되는 절대값 생성부를 더 포함하고 있다. 이러한 절대값 생성부는 정규화 수단부에서 출력되는 정규화된 단자전압(da)을 인가받아 정규화된 단자전압(da)의 절대값을 취하여 변조 단자전압(Xa)을 삼각파 비교기로 인가한다.
또한, 제 2비교예에 따라 스위칭 펄스 발생장치의 반송파 발생부는 0이상의 범위를 갖는 단일 반송파만을 발생시켜 삼각파 비교기로 인가한다.
따라서, 제 2비교예에 따른 스위칭 펄스 발생장치의 삼각파 비교기는 절대값 생성부에서 발생된 변조 단자전압(Xa)과 반송파 발생부에서 발생된 단일 반송파를 인가받아 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 스위칭 펄스를 발생시킨다. 제 2비교예의 삼각파 비교기의 구성은 제 1실시예에 비하여 단순하다는 특징을 가진다.
도 5에 도시된 것과 같이, 변조 단자전압(Xa)이 단일 반송파보다 작거나 같은 값을 가지게 되면 스위칭 함수는 1이 되고, 변조 단자전압(Xa)이 단일 반송파보다 큰 값을 가지게 되면 스위칭 함수는 0이 된다.
본 발명의 제 2비교예에 따른 단일파 반송파 PWM 방법은 정규화된 단자전압(da)을 절대값으로 정의하면 변조 단자전압(Xa)이 만들어지며, 만들어진 변조 단자전압(Xa)과 단일 반송파를 이용하여 스위칭 펄스를 만들 수 있다. 그러므로 단일 반송파를 이용하면 S/W 및 H/W구현이 매우 간단해진다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제안된 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치의 개략적인 회로도이다. 스위칭 펄스 발생장치는 상 지령 전압 발생부(110), 중성점 전압 발생부(120), 단자 전압 연산부(130), 정규화 수단부(140), 반송파 발생부(170), 오프셋 전압 설정부(150), 비교 단자 전압 출력부(160),삼각파 비교기(180), 스위칭 펄스 발생부(190)를 포함하고 있다. 상 지령 전압 발생부(110)는 각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 상 지령 전압을 발생시키게 된다. 그리고 중성점 전압 발생부(120)는 중성점 전압을 발생시키게 된다. 단자 전압 연산부(130)는 상 지령 전압 발생부(110)에서 발생된 상 지령 전압과 중성점 전압 발생부(120)에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자 전압을 발생시킨다. 정규화 수단부(140)는 단자 전압 연산부(130)에서 출력된 단자전압을 직류 링크 전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압(da)을 발생시켜 삼각파 비교기(180)로 인가하게 된다.
또한, 실시예에 따른 반송파 발생부(170)는 0 이상의 범위에 존재하는 단일 반송파 1개만을 발생시켜 삼각파 비교기(180)에 인가한다.
오프셋 전압 설정부(150)에서 오프셋 전압을 발생시킨다. 비교 단자전압 출력부(160)에서 오프셋 전압 설정부(150)에서 발생된 오프셋 전압과 정규화 수단에서 출력된 정규화된 단자 전압(da)을 합하여 비교 단자전압(da+1)을 출력한다.
삼각파 비교기(180)에서는 정규화 수단부(140)에서 출력된 정규화된 단자전압(da)이 0보다 크면 정규화된 단자전압(da)과 반송파 발생부(170)에서 발생된 삼각파를 비교하는 것이고, 정규화된 단자전압(da)이 0보다 작으면 비교 단자 전압 출력부(160)에서 출력된 비교단자전압(da+1)과 반송파 발생부(170)에서 발생된 삼각파를 비교한다.
스위칭 펄스 발생부(190)에서는 삼각파 비교기(180)에서의 결과값을 바탕으로 스위칭 펄스를 발생시킨다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 한 개의 반송파와 정규화된 단자 전압(da)과 비교 단자전압(da+1)을 나타낸 그래프이다. 정규화된 단자 전압(da)이 0보다 크면 정규화된 단자 전압(da)과 삼각파를 비교하고, 정규화된 단자 전압(da)이 0보다 작으면 비교 단자 전압(da+1)과 삼각파를 비교하여 스위칭 펄스를 생성할 수 있다. 도 8(c)는 입력 전류와 스위치양단 전압, 스위칭 펄스 생성 파형을 그래프로 표현한 것으로 기존의 방법들과 비교해서 입력전류 THD(Total Harmonmic Distortion)특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 그리고 스위치 양단 전압도 온전한 3레벨 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 PWM 방생 장치 및 방법은 기존 방식을 보완하여 제어기의 구성을 보다 간단하게 구현할 수 있고, 입력 THD(Total Harmonic Distortion)을 개선할 수 있다.
이상 본 발명의 비교예와 더불어 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수도 있다.
10 :비엔나 정류기
11: 3 상 전압 인가부
12: 인덕터
13: 캐패시터
100: 실시예에 따른 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치
110: 상 지령 전압 발생부
120: 중성점 전압 발생부
130: 단자 전압 연산부
140: 정규화 수단부
150: 오프셋 전압 설정부
160: 비교 단자 전압 출력부
170: 반송파 발생부
180: 삼각파 비교기
190: 스위칭 펄스 발생부

Claims (8)

  1. 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치로서,
    각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 전압을 발생시키는 상 지령 전압 발생부;
    중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압 발생부;
    상기 상 지령 전압 발생부에서 발생된 지령 전압과 상기 중성점 전압 발생부에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자 전압을 발생시키는 단자 전압 연산부;
    상기 단자 전압 연산부에서 발생된 단자전압을 바탕으로 정규화된 단자전압을 출력하는 정규화 수단부;
    반송파를 발생시키는 반송파 발생부;
    오프셋 전압을 발생시키는 오프셋 전압 발생부;
    상기 오프셋 전압 발생부에서 발생된 오프셋 전압과 상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압을 합하여 출력하는 비교 단자전압 출력부;
    상기 정규화 수단부에서 출력된 정규화된 단자전압 또는 상기 비교 단자전압 출력부에서 출력된 비교단자 전압과 상기 반송파 발생부에서 인가된 삼각파를 삼각파 PWM 방식을 적용하여 비교하는 삼각파 비교기; 및
    상기 삼각파 비교기의 결과값을 바탕으로 스위칭 펄스를 발생시키는 스위칭 펄스 발생부;
    를 포함하는 스위칭 펄스 발생장치
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정규화 수단부는 상기 단자 전압 연산부에서 출력된 단자전압을 직류 링크 전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압을 출력하는 스위칭 펄스 발생 장치
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반송파 발생부는 0이상의 범위에 존재하는 단일 반송파 1개만을 발생시켜 삼각파 비교기에 인가하는 스위칭 펄스 발생 장치
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 삼각파 비교기는 상기 정규화수단부에서 출력된 정규화된 단자전압(da)이 0보다 크면 정규화된 단자전압(da)과 상기 반송파 발생부에서 발생된 삼각파를 비교하고, 정규화된 단자전압(da)이 0보다 작으면 상기 비교 단자전압 출력부에서 출력된 비교 단자전압(da+1)과 상기 반송파 발생부에서 발생된 삼각파를 비교하는 스위칭 펄스 발생장치
  5. 삼각파 비교 PWM 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 방법으로서,
    각 상의 전압을 펄스폭 변조하기 위하여 주어진 전압을 발생시키는 상 지령 전압 발생단계;
    중성점 전압을 발생시키는 중성점 전압 발생 단계;
    상기 상 지령 전압 발생단계에서 발생된 지령 전압과 상기 중성점 전압 발생단계에서 발생된 중성점 전압을 합산하여 단자 전압을 발생시키는 단자 전압 출력단계;
    상기 단자 전압 출력단계에서 발생된 단자전압을 바탕으로 정규화된 단자전압을 출력하는 정규화된 단자전압 출력단계;
    반송파를 발생시키는 반송파 발생단계;
    오프셋 전압을 발생시키는 오프셋 전압 발생단계;
    상기 오프셋 전압 발생단계에서 발생된 오프셋 전압과 상기 정규화된 단자전압 출력단계에서 출력된 정규화된 단자전압을 합하여 출력하는 비교 단자전압 출력단계; 및
    상기 정규화된 단자전압 출력단계에서 출력된 정규화된 단자전압 또는 상기 비교 단자전압 출력단계에서 출력된 비교단자전압과 상기 반송파 발생단계에서 발생된 반송파를 삼각파 비교 PWM 방식을 적용하여 비교하는 삼각파 비교단계; 및
    삼각파 비교 결과값을 통해 스위칭 펄스를 발생시키는 PWM 발생단계; 를 포함하는 스위칭 펄스 발생방법
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 정규화된 단자전압 출력 단계는 단자전압 연산부에서 출력된 단자전압을 직류 링크 전압에 해당하는 전압으로 나누어 정규화된 단자전압을 출력하는 스위칭 펄스 발생 방법
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 반송파를 발생시키는 단계는 0이상의 범위에 존재하는 단일 반송파 1개 만을 발생시켜 삼각파 비교기에 인가하는 스위칭 펄스 발생 방법
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 삼각파 비교 단계는 상기 정규화된 단자전압 출력단계에서 출력된 정규화된 단자전압(da)이 0보다 크면 정규화된 단자전압(da)과 상기 반송파 발생단계에서 발생한 삼각파를 비교하고, 정규화된 단자전압(da)이 0보다 작으면 비교단자전압출력단계에서 출력된 비교단자전압(da+1)과 상기 반송파 발생단계에서 출력된 삼각파를 비교하는 스위칭 펄스 발생 방법
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