KR0170341B1 - 인버터 회로 및 구동방법 - Google Patents

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KR0170341B1 KR1019960006980A KR19960006980A KR0170341B1 KR 0170341 B1 KR0170341 B1 KR 0170341B1 KR 1019960006980 A KR1019960006980 A KR 1019960006980A KR 19960006980 A KR19960006980 A KR 19960006980A KR 0170341 B1 KR0170341 B1 KR 0170341B1
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Abstract

본 발명은 PWM 변조회로의 제어출력으로부터 고주파의 구형파 펄스로된 출력전압을 얻는 인버터회로의 데드타임에 의한 출력전류왜곡을 저감하기 위한 데드타임 보상수단 및 구동방법을 포함하는 인버터 회로 및 방법에 관한 것이다.
데드타임기간 동안 출력전류값에 따라 출력오차전압이 변동되므로 출력전류값에 대응되는 보정전압을 연산하여 PWM변조수단의 입력신호에 가산하므로서, 출력전압오차를 보정하도록 구비된 데드타임 보상수단 및 구동방법이다.

Description

인버터 회로 및 구동방법
제1도는 종래기술 인버터 회로의 블록도이다.
제2도는 일반적인 스위칭 수단의 구성도이다.
제3도는 설명을 위한 출력단의 한측 파형도이다.
제4도는 제3도의 부분 상세 파형도이다.
제5도는 본 발명의 일 실시예에 따른 인번터 회로의 블록도이다.
제6도는 본 발명의 일 실시예에 따른 연산부(CPU)에서의 연산처리 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 교류 기준전압원 2 : PWM 변조수단
3 : 스위칭 수단 4 : 직류 전압원
5 : 전동기 7 : 보정전압 연산수단
7-a : 변환부 7-b : 연산부(CPU)
7-c : D/A 변환부 8 : 보정전압 기억부
10 : 극성 판정수단
본 발명의 펄스폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation) 수단을 이용한 인버터 회로 및 구동방법에 있어서, 특히 데드타임에 의한 출력전류 왜곡을 보상하기 위한 데드타임 보상수단 및 구동방법이 포함된 인버터 회로 및 구동방법에 관한 것이다.
제1도를 참조하여 일반적인 PWM변조 인버터 회로 동작을 설명한다.
PWM변조수단(2)은 그 내부에 삼각파 발생기(2-b)를 구비하여 삼각파 발생기(2-b)로부터 출력된 삼각파와 PWM변조수단(2)의 입력단자를 통해 입력된 신호를 비교기(2-a)에서 비교하여 출력신호를 내보낸다.
PWM변조수단(2)의 출력신호가 스위칭수단(3)에 입력되면 스위칭수단은 또다른 입력단으로부터 입력된 직류 전압원(4)의 직류전압(Vdc)을 스위칭하여 스위칭수단 출력단에 구형파 펄스전압으로 변환시킨다. 스위칭수단 출력단에 발생된 구형파 펄스전압은 고주파(수10k내지 수100KHz)구형 펄스로 전동기(5) 등을 구동하기 위하여 결정된 전압과 주파수(수10십 내지 수100Hz)에 대응된다. 즉 구형파 펄스전압의 적분값이 결정된 출력전압이 된다. 따라서 스위칭수단 출력단에 전동기 등을 구동하기 위해 결정된 전압과 주파수에 대응되는 구형파 펄스전압을 얻기 위해서는 PWM변조수단(2)의 입력 신호원이 되도록 설정된 교류 기준전압원(1)이 구비된다. 상기 교류 기준전압원(1)에서 발생된 정현파교류 기준전압(V1)은 직류전압(Vdc) 및 삼각파 전압에 관련된 비례율에 따라 구형파 펄스전압으로 출력전압이 결정된다.
일반적인 스위칭수단(3)의 구성을 나타낸 제2도에서, 4는 작류전압원, 5는 전동기, 21 내지 24는 스위칭하는 능동소자, 25 내지 28은 귀환 다이오드를 표시한다. 상기 능동소자는 트랜지스터 집단(TR, MOSFET, 등)으로부터 선택된 소자이다.
스위칭수단(3)의 동작을 설명하기 위해 스위칭수단(3)의 일출력단(A)의 전압 파형도를 제3도에 도시하였다.
제2도 및 제3도를 참조하여 스위칭동작을 살펴보자.
제3도에서 기간 30은 능동소자 22와 23이 온 상태이고, 기간 30에서 기간32로의 전이 과정은 능동소자 22와 23이 온 상태에서 오프상태로 전환됨과 동시에 능동소자 21과 24가 오프상태에서 온 상태로 지연시간 없이 천이되는 것을 실선으로 표시하였다.
능동소자 22와 23이 온에서 오프로 됨과 동시에 능동소자 21과 24가 온되는 과정에서, 능동소자 22와 23이 온에서 오프될 때 능동소자 22와 23의 특성에 의해 지연시간이 있을 경우, 능동소자가 모두 온 상태가 되는 기간이 발생하여 단락상태에 이르게 되어 능동소자가 파괴되고, 이런 현상을 방지하기 위해 능동소자간의 오프에서 온되는 천이시간 사이에 지연시간을 주는 데드타임(DEAD TIME, td)을 부여하게 된다.
데드타임에 의해 A점에 인가되는 전압(파선)은 제3도에서 나타낸 것처럼 데드타임이 없을 때 설정된 A점의 전압(실선)과 차이가 있다.
즉 기간 32에서의 동작을 상세히 살펴보면, 기간 32-1에서 능동소자 22와 23이 오프상태가 되고, 이때 귀환 다이오드(27)--전동기(5)--귀환 다이오드(26)의 방향으로 전류가 흐르면서 이 기간동안의 A점의 전압은 변동이 없다. 즉 천이되지 않는다. 데드타임 기간 이후에는 능동소자 21과 24가 온되며 A점의 전압은 직류전압(Vdc)값으로 천이하고, 기간 33에서는 능동소자 21과 24가 온에서 오프로 되면서 귀환 다이오드(27) --- 전동기(5) --- 귀환 다이오드(26)를 통해 출력전류가 흐르면서 A점의 전위는 실선과 같이 천이한다.
따라서 데드타임 기간이 없을 때 설정된 구형 펄스전압(실선)과 데드타임으로 인해 야기된 실측시 전압과의 전압오차(이후 출력 전압오차로 명기함)가 발생하게 되고, 출력 전압오차로 인해 출력전류의 왜곡이 발생한다.
종래기술을 도시한 제1도를 참조하여 상기 데드타임에 의한 출력전압오차를 보정하기 위하나 데드타임 보상수단을 설명한다.
출력전류의 정현파 반주기동안 발생되는 출력 전압오차를 시간 평균한 평균 출력 오차전압과 대응되는 보상전압이 보정전압 기억부(8)에 내장되고, 상기 보정전압을 교류 기준전압(V1)과 가산하여 PWM변조수단(2)에 의해 입력시키므로서 출력 전압오차를 보정하였다. 상기의 보정전압은 출력전류의 극성이 양(+)일 때는 출력 전압오차가 음(-)이므로 보정전압은 양(+)의 값으로 되어야하고 출력전류의 극성이 음(-)일 때는 그 반대가 되어야 한다. 따라서 출력 전류극성을 판정하여 보정전압을 상기의 방법으로 가감하기 위해 제1도에 도시된 것처럼 스위칭 수단 출력단에 흐르는 전류를 감지하는 전류센서(6), 상기 전류센서로부터 출력 전류극성을 판정하는 극성판전수단(10), 극성판정수단에서 출력된 극성신호에 따라 기억된 보정전압에 부호를 인가하여 교류 기준전압에 가산하는 보정전압 기억부(8)가 구비되었다.
종래기술에 있어서는 상기의 방법으로 출력 전압오차를 보정하였기 때문에 제3도의 기간 33에서처럼 귀환 다이오드 특성에 의해 출력전류값에 따라 변동되는 출력 전압오차를 보정할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 종래기술의 데드타임 보상수단은 데드타임 기간동안 도통되는 귀환 다이오드의 천이특성과 출력전류값에 대응되서 변하는 출력 전압오차를 보상할 수 없는 문제점이 있다. 특히 출력전류가 작을때는 전압오차가 더욱 심하여 전동기에 심한 진동과 소음을 야기시킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로 출력전류값이 대응되는 출력 잔압오차로 야기되는 출력전류 왜곡을 저감하기 위한 데드타임 보상수단 및 방법을 포함하는 인버터회로 및 구동방범을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 인버터 회로는 직류 전압원, 정현파 교류 기준전압을 발생하는 교류 기준전압원, 상기 교류 기준전압을 그 내부에 설정된 진폭과 주기를 갖는 삼각파와 비교하여 구형파 펄스신호를 출력하는 PWM변조수단, 능동소자에 귀환 다이오드가 병렬 접속되며 상기 구형파 펄스신호에 따라 스위칭됨으로서 출력단에 상기 직류 전압원의 직류전압을 고주파 구형펄스 전압으로 구성된 출력전압으로 변환시키는 스위칭 수단 및 데드타임에 의한 출력 전압오차를 보상하는 데드타임 보상수단을 구비한 인버터 회로에 있어서,
상기 테드타임 보상수단은,
상기 데드타임 동안 출력단에 연결된 리액턴스성분을 포함하는 부하에 흐르는 출력전류를 감지하는 전류감지수단; 상기 데드타임동안 상기 출력전류에 따라 변하는 출력 전압오차를 보정하기 위하여, 상기 출력전류로부터 계산된 보정전압을 상기 PWM변조수단에 인가하는 보정전압 연산수단을 구비하는 인버터 회로이다.
인버터 구동방법은 직류 전압원, 교류 기준전압원, 상기 교류 기준전압원의 교류 기준전압을 그 내부에 설정된 진폭과 주기를 갖는 삼각파와 비교하여 구형파 펄스신호를 출력하는 PWM변조수단, 귀환 다이오드를 구비하고 출력단에 상기 직류전압을 고주파 구형 펄스전압으로 구성된 출력전압으로 변환시켜 출력시키는 스위칭 수단 및 데드타임에 의한 출력전압 오차를 보상하는 데드타임 보상수단을 구비하는 인버터의 구동방법에 있어서,
상기 데드타임 보상수단의 데드타임 보상방법은
상기 데드타임동안 상기 출력단에 연결된 리액턴스성분을 포함하는 부하에 흐르는 출력전류를 감지하는 전류 감자단계; 및 상기 데드타임동안 상기 출력전류에 따라 변하는 출력 전압오차를 보정하기 위하여, 상기 출력전류로부터 계산된 보정전압을 상기 PWM변조수단에 인가하는 보정전압 연산단계; 를 포함하는 인버터 구동방법이다.
본 발명에 따른 인버터 회로 및 구동방법을 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제4도는 제3도의 일부구간(32 내지 34)에서의 실측파형을 설정된 파형과 비교하여 나타낸 것으로, 제4도의 (a)는 설정전압 파형도, (b)는 귀환 다이오드의 천이기간 동안의 출력전류에 따른 출력 전압오차가 배제된 전압 파형도, (c)와 (d)는 출력전류(i)의 값에 따른 실측전압 파형도이다.
따라서 데드타임이 없을때의 출력전압에 해당하는 설정전압(제4도의 (a))과 데드타임에 의한 실측전압(제4도의 (c) 또는 제4도의 (d))과의 차이가 발생하고 이 전압차이는 출력전류에 따라 변동된다.
이렇게 출력전류에 따라 변동되는 출력 전압오차를 계산하고, 출력오차전압을 교류 기준전압에 관련되서 대응되는 보정전압으로 전환하여, PWM 변조수단에 인가하므로서, 데드타임에 의한 출력전압 왜곡을 보상할 수 있다.
먼저 상기와 같은 방법으로 출력 오차전압을 계산하는 연산방법을 설명한다.
먼저 PWM 변조수단에 내장된 삼각파 발생기로부터 출력된 삼각파의 한 펄스에 해당하는 기간을 T(31 내지 34기간), 데드타임을 td, T기간동안에 시간 평균된 평균 설정전압을 V*,T기간동안에 시간 평균된 평균 실측전압을 V0, T기간동안에서의 평균 설정전압과 평균 실측전압과의 차를 평균 오차전압을 Vα라고 정의한다.
VαdV*- V0에서,
이고 (단 t*:설정전압 시간, 제3도 참조)
V0는 출력전류(i)의 조건이일 경우(제4도 (c) 참조)
이므로,
따라서 구하고자하는 평균오차전압은
이다.
마찬가지로,
출력전류(i)의 조건이일 경우(제4도 (d)참조)
이고,
와 같이 구할 수 있다.
단, i는 데드타임기간의 천이되는 귀환 다이오드 도통기간(상기 제4도에서는 기간33)의 출력전류 값이고,│i│e는 i의 절대값이다.
같은 방법으로 출력전류(i)가 음(-)일 때는
이고,
이다.
상기에 설명된 것처럼 출력전류에 따라 변하는 출력오차전압은, 상기에 열거된 평균 오차전압 계산식(식 (4) 내지 식(7)으로부터 계산된다. 상기의 평균 오차전압이 전류가 양(+)일 때는 음(-)값 이므로 보정전압은 상기 부족분(Vα의 절대치)에 대응되는 보정신호를 교류 기준전압에 가산하여 보정해주면 된다.
마찬가지로 출력전류(i)가 음(-)일 경우에는 평균 오차전압(Va)의 절대치에 대응되는 보상신호를 교류기준전압에 감산하여 보정한다. 즉 교류 기준전압(V1)에 대한 출력전압 비례율(N)에 따른 보정전압을 PWM 변조수단에 인가한다.
상기에서 설명된 출력오차전압을 보정하기 위한 데드타임 보상수단이 블록접속도로 도시된 제5도를 참조하여 설명한다.
참고적으로 종래기술과 동일부분은 동일부호를 사용한다.
스위칭수단(3)의 출력단에 흐르는 전류를 측정하기 위하여 전류트랜스 등을 이용한 전류 감지수단이 스위칭 수단의 출력단 한측에 구비된다. 상기 전류 감지수단에서 출력된 신호는 A/D 변환부에서 디지탈신호로 변환되어, 데드타임에 의한 출력 오차전압 및 그에 대응되는 보정전압을 얻기 위한 연산부(CPU)에 인가된다.
상기 연산부는, 그 내부에 메모리 소자(도시하지 않음)를 구비하여 상기 데드타임, 삼각파 펄스 주기, 직류전압, 귀환 다이오드 접합 정전용량을 기억시키고, 상기 출력전압값과 상기 메모리에 기억되어 있는 값들로부터 보정전압을 연산한다.
D/A 변환부에서 상기 보정전압을 아날로그 신호로 변환시켜 PWM 변조수단의 입력단자에 가산하므로 데드타임에 의한 출력 전압오차를 보상한다.
또한 출력오차전압을 보상하기위한 데드타임 보상방법은,
전류감지단계에서 스위칭수단(3)의 출력단에 흐르는 출력전류를 감지하고, 상기 출력전류를A/D 변환단계에서 디지탈 신호로 변환시키고, 연산단계에서 상기 디지탈신호로부터의 보정전압을 연산하고, D/A변환단계에서 상기 보정전압을 아날로그 신호로 변환시켜 PWM 변조수단에 인가한다.
제6도를 참조하여 연산단계를 구체적으로 설명한다.
데드타임 기간 동안 출력전류(i)가 0보다 큰지를 판단하는 제1판단계와 데드타임 기간 동안의 귀환 다이오드에 의한 천이전압과 직류전압(Vdc)을 비교하는 즉 출력전류(i)의 절대크기가인지를 판단하는 제2판단계로부터 판단된 조건에 따라 상기 평균 오차전압 계산식(식(4) 내지 식(7)중의 결정된 하나의 식에 의해 출력 오차전압을 제1계산단계에서 계산하고, 제1계산단계에서 계산된 출력 오차전압으로부터 제2계산단계에서 교류 기준전압과 출력전압의 비례율(N)에 따른 보정전압을 계산한다.
상기 연산단계에서 출력된 신호는 D/A변환단계에서 아날로그 신호로 변환되어 PWM변조수단의 입력단자에 입력된다.
결과적으로 교류 기준전압과 상기 보정전압이 가산된 신호가 PWM 변조수단에 입력되어 출력전압의 오차전압이 보정된다.
특히, 상기 실시예에서는, 스위칭수단을 단상으로 적용하였지만, 다상의 스위칭수단에서도 상기의 인버터 회로 및 구동방법이 적용될 수 있고 출력단에 리엑턴스가 구비된 부하로서 전동기 등이 설치될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 데드타임 기간동안의 출력전류에 따라 변하는 출력 전압오차를 정밀하게 계산하여 출력 오차전압을 보정하는 데드타임 보상수단 및 구동방법이 포함된 인버터 회로 및 구동방법을 제공하므로서 출력전류 왜곡을 저감하는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 일 실시예를 참조하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 직류 전압원, 정현파 교류 기준전압을 발생하는 교류 기준전압원, 상기 교류 기준전압을 그 내부에 설정된 진폭과 주기를 갖는 삼각파와 비교하여 구형파 펄스신호를 출력하는 PWM 변조수단, 능동소자에 귀환 다이오드가 병렬 접속되며 상기 구형파 펄스신호에 따라 스위칭 됨으로서 출려단에 상기 직류 전압원의 직류전압을 고주파 구형펄스 전압으로 출력전압으로 변환시키는 스위칭수단 및 데드타임에 의한 출력 전압오차를 보상하는 데드타임 보상수단;을 구비한 인버터 회로에 있어서, 상기 데드타임 보상수단은, 상기 데드타임 동안 출력단에 연결된 리액턴스성분을 포함하는 부하에 흐르는 출력전류를 감지하는 전류감지수단; 상기 데드타임동안 상기 출력전류에 따라 변하는 출력 전압오차를 보정하기 위하여, 상기 출력전류로부터 계산된 보정전압을 상기 PWM변조수단에 인가하는 보정전압 연산수단;을 구비한 것을 특징으로 하는 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보정전압 연산수단은, 상기 저류감지수단으로부터 출력된 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환시키는 A/D변환부 ; 상기 디지탈 신호와, 자체에 기억되어 있는 상기 삼각파 펄스주기, 상기 직류전압, 상기 데드타임, 상기 귀환 다이오드의 접합정전용량으로부터 상기 정현파 교류 기준전압과 대응되는 보정전압을 출력하는 연산부 ; 및 상기 보정전압을 아날로그 신호로 변환 시키는 D/A변환부 ; 를 구비한 것을 특징으로하는 인버터 회로.
  3. 직류 전압원, 교류 기준전압원, 상기 교류 기준전압원의 교류기준전압을 그 내부에 설정된 진폭과 주기를 갖는 삼각파와 비교하여 구형파 펄스신호를 출력하는 PWM변조수단, 귀환 다이오드를 구비하고 출력단에 상기 직류전압을 고주파 구형 펄스전압으로 구성된 출력전압으로 변환시켜 출력시키는 스위칭 수단 및 데드타임에 의한 출력전압 오차를 보상하는 데드타임 보상수단을 구비하는 인버터의 구동방법에 있어서, 상기 데드타임 보상수단의 데드타임 보상방법은 상기 데드타임동안 상기 출력단에 연결된 리액턴스성분을 포함하는 부하에 흐르는 출력전류를 감지하는 전류 감지단계 ; 및 상기 데드타임동안 상기 출력전류에 따라 변하는 출력 전압오차를 보정하기 위하여, 상기 출력전류로부터 계산된 보정전압을 상기 PWM변조수단에 인가하는 보정전압 연산단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로하는 인버터 구동방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보정전압 연산단계는 상기 출력전류를 디지탈 신호로 변환시키는 A/D변환단계 ; 상기 보정전압을 연산하는 연산단계 ; 상기 보정전압을 아날로그 신호로 변환하여 상기 PWM변조수단에 인가하는 D/A변환단계를 포함하는 것을 특징으로하는 인버터 구동방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연산단계는 상기 데드타임 기간 동안의 상기 디지탈 신호의 크기를 판단하는 제1판단단계 ; 상기 디지탈 신호로부터 상기 데드타임 기간 동안의 상기 귀환 다이오드에 의한 천이전압과 상기 직류 전압을 비교 판단하는 제2판단단계 ; 상기 제1판단단계 및 제2판단단계로부터 판단된 조건에 따라 상기 삼각파의 펄스주기, 상기 직류전압원의 직류전압, 상기 데드타임, 상기 귀환 다이오드의 접합 정전용량 및 상기 디지탈 신호로부터 상기 삼각파 펄스 주기동안 출력 오차전압이 시간 평균된 평균 오차전압을 계산하는 제1계산단계 ; 상기 제1계산단계에서 계산된 상기 평균 오차전압으로부터 상기 교류 기준전압과 상기 출력전압의 비례율에 따른 보정전압을 계산하는 제2계산단계 ; 를 포함하는 것을 그 특징으로하는 인버터 구동방법.
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