KR100387333B1 - 브리지형태로회로구성이이루어진전력변환기의스위칭장치및방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상암(upper arm)과 하암(lower arm)에 스위칭 소자를 사용하고 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기에서, 스위칭 소자의 스위칭을 보다 효율적으로 수행하여 출력전압의 저감을 방지하고 고조파 발생을 억제하며 스위칭 전력을 감소시킬 수 있도록 한 브리지 형태 전력 변환기의 스위칭 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전력 변환기의 동작원리에 의해 불필요한 스위칭 신호 인가를 방지하고 단락회로 방지를 위한 휴지기간을 전류의 극성이 바뀌는 경우에만 삽입하거나 전류의 크기가 미소한 짧은 시간 동안에만 휴지기간을 둠으로써, 휴지기간에 의한 발생 전압의 감소를 방지 또는 최소함으로써 별도의 휴지기간 보상 방법을 취하지 않아도 출력전압이 저감되지 않고, 고조파 함유율이 현저하게 낮은 전압 및 전류를 얻을 수 있으며 스위칭 전력이 반감되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 인버터 및 컨버터 등의 전력 변환기에 대하여 모두 적용이 가능하며, 모든 변조 방식에 대해 사용할 수 있는 장점을 가진다.

Description

브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 장치 및 방법 {apparatus and method for switching of bridge type power converters}
본 발명은 인버터나 컨버터 등의 전력 변환기의 스위칭 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상암(upper arm)과 하암(lower arm)에 스위칭 소자를 사용하고 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 인버터나 컨버터 등의 전력 변환기에서 스위칭 소자의 스위칭을 보다 효율적으로 수행하여 출력전압의 저감을 방지하고 고조파 발생을 억제하며 스위칭 전력을 감소시킬 수 있도록 한 브리지 형태 전력 변환기의 스위칭 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전력용 반도체 소자의 발달과 전력전자기술의 발전에 힘입어 고도의 정밀도를 요구하는 제어전원으로서 가변주파수 가변전압 출력이 가능한 인버터의 사용이 증가하고 있으며, 이를 사용한 교류전동기의 가변속제어가 활발히 이루어지고 있다. 또한 고성능의 직류전원으로는, 입력 역율이 낮고 고조파 발생이 큰 다이오드 컨버터 또는 다이리스터 컨버터 대신에 입력 역율이 거의 1이 되고 고조파 발생도 거의 없는 펄스폭 변조 (Pulse Width Modulation ; PWM) 컨버터를 많이 사용한다. 그리고 부하장치 또는 전력계통에 발생되는 무효전력과 고조파 제거를 위하여 전력 능동 필터의 사용도 점차적으로 증가하고 있다.
한편, 이러한 인버터, PWM 컨버터, 전력 능동 필터 등의 브리지 형태의 회로구성을 한 전력 변환기들은 스위칭소자의 턴-오프 시간으로 인한 상암(Upper Arm)과 하암(Lower Arm) 사이의 단락을 방지하기 위하여 휴지기간(Dead Time)을 삽입하고 있다. 그러나 휴지기간의 존재는 지령전압(Reference Voltage)에 비해 저감된 전압을 출력함과 동시에 고조파를 유기시키는 문제점이 있어 단점으로 지적되고 있다.
다음에, 상술한 전력 변환기들의 종래의 스위칭 방식 및 그 문제점을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
브리지 형태의 회로구성이 이루어진 전력변환기의 예로서 도 1에는 단상 하프 브리지(half bridge) 인버터를, 도 2에는 단상 풀 브리지(full bridge) 인버터를, 도 3에는 3상 풀 브리지 인버터를, 도 4에는 3상 풀 브리지 컨버터를 도 5에는 3상 풀 브리지 능동 전력 필터(active power filter)를 도시하였다.
이들 중 인버터들은 두 개의 직류 전원(DC LINK +, DC LINK -)이나 하나의직류 전원(DC LINK)을 원하는 단상 또는 3상의 교류 전압으로 변조하기 위하여 브리지의 상암과 하암의 스위칭 소자를 상호 교번적으로 스위칭하여 부하(load)에 인가하게 되며, 반대로 컨버터는 3상의 교류 전압을 원하는 직류 전압으로 변조하기 위하여 브리지의 상암과 하암의 스위칭 소자를 상호 교번적으로 스위칭하여 부하(load)에 인가하게 되며, 능동 전력 필터의 경우에는 교류측의 전류를 제어함으로써 전원에 발생하는 고조파 및 무효전력을 보상하게 된다.
이때, 사용되는 각 스위칭 소자로는 전력용 트랜지스터, IGBT(insulated gate bipolar transistor), GTO(gate turn off thyristor), FET, MOSFET 등의 자기소호형 스위칭 소자 또는 강제전류회로(forced commutation circuit)가 부가된 다이리스터 등으로 이들 스위칭 소자들은 동 도면들에 있어서 아래 방향으로만 전류를 흘릴 수 있는 단방향성 스위칭 소자들이며, 기타 어떠한 스위칭 소자이든 원하는 시점에 턴온 또는 턴오프가 가능하면 모두 적용이 가능하게 된다.
한편, 상술한 전력 변환기들에서 종래의 스위칭 소자의 스위칭 방식에 따르면 이들을 운전할 때 상암과 하암의 암단락 방지를 위하여 사용 스위칭 소자의 턴오프 시간 이상의 휴지기간을 두어 상암과 하암을 교대로 운전하여 변조를 행하고 있다.
도 6은 일반적인 전력 변환기의 스위칭 장치에 대한 블록도로서, 지령부(10), 변조 신호 발생부(20), 휴지기간 삽입부(30), 구동신호 발생부(40) 및 전력 변환기(50)를 포함한다.
동 도면에 있어서, 지령부(10)는 출력을 원하는 전압 또는 전류의 지령값을발생하여 출력한다.
다음에, 변조 신호 발생부(20)는 지령부(10)의 지령값이 전압일 경우에는 지령 전압에 의거하여 정현파 펄스폭 변조방식, 공간벡터 펄스폭 변조방식 등을, 지령값이 전류일 경우에는 지령 전류와 실제 전류의 히스테리시스 비교방식 등을 이용하여 각 스위칭 소자의 스위칭 신호를 출력한다.
일례를 들어 부연 설명하면, 공간벡터 펄스폭 변조방식에서는 지령 전압을 소정의 샘플링 주기로 펄스폭 변조한 변조 신호를 생성한 뒤, 생성된 변조 신호를 출력 교류 전원의 각 상에 대하여 상암과 하암을 스위칭하기 위한 스위칭 신호로 분리하여 출력한다. 예를 들면, 출력이 3상 교류 전원일 경우에는 총 6개의 스위칭 신호를 출력하게 된다.
그리고, 휴지기간 삽입부(30)는 상암의 스위치와 하암의 스위치가 서로 상보관계로 턴온, 턴오프되는 순간에 스위칭 소자의 턴-오프 시간으로 인한 상암과 하암 사이의 단락방지 즉, 브리지의 상암과 하암의 스위칭 소자가 동시에 턴온되어 단락되는 것을 방지하기 위하여 각 스위칭 신호의 스위칭 온 구간의 앞부분을 소정 시간(수 ㎲ 정도) 동안 소거시키는 방법으로써 스위칭 신호에 휴지기간을 삽입하여 출력한다.
또한, 구동신호 발생부(40)는 휴지기간 삽입부(30)로부터 인가되는 각 스위칭 신호를 증폭하여 스위칭 소자 구동신호를 전력 변환기(50)의 해당 스위칭 소자로 인가한다.
다음에, 상술한 구성을 갖는 종래의 전력 변환기의 스위칭 장치의 동작 과정을 3상 인버터의 경우를 일례로 살펴본다.
도 7은 3상 인버터에 가장 정확한 출력전압을 합성할 수 있다는 공간전압벡터 변조방식에 의해 변조신호 발생부(20)에서 만들어진 전형적인 스위칭 신호이다.
스위칭 신호 Spu, Snu, Spv, Snv, Spw, Snw가 1인 경우에는 도 3에 도시한 스위칭 소자 Su+, Su-, Sv+, Sv-, Sw+, Sw-를 각각 턴온 시키며, 반대로 스위칭 신호 Spu, Snu, Spv, Snv, Spw, Snw가 0인 경우에는 스위칭 소자 Su+, Su-, Sv+, Sv-, Sw+, Sw-를 각각 턴오프 시키게 된다.
그러나, 스위칭 소자의 턴오프 시간 동안에는 회로의 단락이 발생하여 스위칭 소자가 파손되므로 도 8에 나타낸 것과 같이 상암 스위치와 하암 스위치의 스위칭 신호 사이에 휴지기간(dead time)을 삽입하여 운전을 행하고 있다.
이의 일례를 회로 동작 모드 도면을 참조하여 부연 설명하면 다음과 같다.
도 9와 같이 스위칭 소자 Su+, Sv+, Sw-의 동작에 의하여 U상, V상에는 정(+)의 전류가, W상에는 부(-)의 전류가 흐르고 있는 중, 스위칭 신호 Spu가 0이 되고 스위칭 신호 Snu가 1이 되어 스위칭 소자 Su+를 턴오프, 스위칭 소자 Su-를 턴온시켜야 하는 경우에, 만약 휴지기간을 두지 않으면 도 10과 같이 스위칭 소자 Su+와 스위칭 소자 Su-가 직류전원을 단락시키게 된다.
따라서, 스위칭 소자 Su+만 먼저 턴오프시키면 휴지기간 동안에는 도 11과 같이 U상의 전류는 하암의 환류 다이오드 Du+를 통하여 환류되어 회로가 동작 되며, 스위칭 소자 Su+가 완전히 턴 오프되는 휴지기간 이후에 스위칭 소자 Su-를 턴온시키게 된다.
이러한 휴지기간의 삽입은 출력전압의 크기 감소, 고조파 증가의 문제점을 갖는다. 따라서 고정도 제어시에는 휴지기간에 의한 출력전압의 보상을 별도로 수행해야하는 번거로움이 필요하고 휴지기간에 의한 출력전압의 보상을 수행하여도 고조파 증가의 문제는 완전히 해결되지 않는다.
또한, 도 12에서와 같이 U상의 전류는 환류 다이오드 Du+를 통하여 환류되고 있기 때문에 사실상 스위칭 소자 Su-에 스위칭 소자 구동신호가 인가된다 하여도 스위칭 소자 Su-는 어떠한 역할도 할 수 없음을 알 수 있다.
이러한 불필요한 스위칭 소자 구동신호의 인가는 전력소모와 회로의 단락 위험성만을 증가시킬 뿐이다.
도 13은 컴퓨터 모의 실험의 결과로써, 샘플링주파수 20KHz로 운전되는 3상 인버터에 4usec의 휴지기간을 둔 경우 RL부하 한 상의 전류파형이다. 정현파가 되지 못하고 일그러져 있음을 알 수 있다.
도 14는 도 13과 동일한 조건에 있어서 전압파형의 고조파 분석결과로 출력전압지령 127.5V에 그 크기가 못 미치는 것을 알 수 있고 왜형율(THD : total harmonic distortion)이 2.0976%로 다소의 고조파가 함유되어 있음을 알 수 있다.
도 15는 도 13에 나타낸 전류파형에 대한 고조파 분석결과이다. RL 부하에 의한 필터 효과로 전압파형의 경우에 비하여는 고조파가 작지만 3, 5, 7, 9, 11차 고조파가 함유되어 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 인버터나 컨버터 등의 전력 변환기의 전류 극성을 판단하여 동일한 극성의 전류가 흐르는 동안에는 휴지기간을 두지 않고 상암과 하암의 스위칭 소자 중 하나의 스위칭 소자만 반복하여 턴온, 턴오프 시키고 전류의 극성이 변하는 경우 혹은 전류의 크기가 미소한 구간에만 휴지기간 둠으로써 별도의 휴지기간 보상 방법을 취하지 않고도 정확한 전압을 변조할 수 있고, 고조파 발생을 억제하며, 또한 스위칭 전력을 줄일 수 있도록 한 브리지 형태의 회로구성을 갖는 전력 변환기의 스위칭 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 단상 하프 브리지 인버터에 대한 도면.
도 2는 일반적인 단상 풀 브리지 인버터에 대한 도면.
도 3은 일반적인 3상 풀 브리지 인버터에 대한 도면.
도 4는 일반적인 3상 풀 브리지 컨버터에 대한 도면.
도 5는 일반적인 3상 풀 브리지 능동 필터에 대한 도면.
도 6은 일반적인 전력 변환기의 스위칭 장치에 대한 블록도.
도 7은 일반적인 3상 인버터용 스위칭 신호를 도시한 파형도.
도 8은 도 7의 스위칭 신호에 휴지기간을 삽입한 스위칭 신호의 파형도.
도 9, 도 10, 도 11, 도 12는 도 4의 각 동작 모드 설명을 위한 도면.
도 13은 도 6에 따른 휴지기간 4㎲ 운전시 전류 파형도.
도 14는 도 6에 따른 휴지기간 4㎲ 운전시 전압 파형의 고조파 분석 그래프.
도 15는 도 13의 전류 파형에 대한 고조파 분석 그래프.
도 16은 본 발명에 따른 전력 변환기의 스위칭 장치에 대한 블록도.
도 17은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 흐름도.
도 18은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 동작 설명도.
도 19는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 흐름도.
도 20은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 동작 설명도.
도 21은 본 발명에 따른 3상 인버터 전류 파형도.
도 22는 본 발명에 따른 3상 인버터 전압 파형의 고조파 분석 그래프.
도 23은 본 발명에 따른 3상 인버터 전류 파형의 고조파 분석 그래프.
도 24는 본 발명에 따른 3상 인버터에 의한 유도전동기 구동시의 각 파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 지령부 120 : 변조 신호 발생부
130 : 전류 극성 판별부 140 : 구동 소자 선택부
150 : 구동 신호 발생부 160 : 전력 변환기
본 발명에 따른 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 장치는, 환류 다이오드와 각각 역병렬로 연결된 각 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자가 브리지 형태로 결합된 전력 변환기에서 상기 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 스위칭하기 위한 장치로서, 지령값에 의거하여 희망하는 전압 또는 전류를 얻을 수 있도록 각 스위칭 소자의 스위칭 신호를 변조하여 출력하는 변조신호 발생부와, 상기 전력 변환기에 흐르는 전류의 극성을 판별하여 상암 또는 하암의 스위칭 소자 중 정의 전류를 흘릴 수 있는 스위칭 소자인 정군소자 선택신호 및 부의 전류를 흘릴 수 있는 스위칭 소자인 부군소자 선택신호를 출력하는 전류 극성 판별부와, 소자 선택신호의 논리에 따라 적절한 스위칭 신호를 선택하여 출력하는 구동 소자 선택부와, 상기 구동 소자 선택부로부터의 선택된 스위칭 신호들을 증폭하여 상기 전력 변환기의 각 스위칭 소자의 스위칭 구동 신호로 인가하는 구동 신호 발생부와, 상기 전력변환기를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 전류 극성 판별부는 상기 전력 변환기에 흐르는 전류의 크기를 판단하여 양(+)의 문턱값 보다 큰 전류가 흐르다가 전류의 크기가 양의 문턱값 보다 작거나 같아지면 정군소자 선택신호를 로우레벨로을 출력한 뒤 소정 시간 만큼의 휴지기간을 두고 부군소자 선택신호를 하이레벨로 출력하고, 음(-)의 문턱값 보다 작은 전류가 흐르다가 전류의 크기가 음의 문턱값 보다 크거나 같아지면 부군소자 선택신호를 로우레벨로 출력한 뒤 소정 시간 만큼의 휴지기간을 두고 정군소자 선택신호를 하이레벨로 출력하는 것을 특징으로 하거나, 전류의 크기를 판단하여 그 크기가 양의 문턱값 보다 크거나 같은 경우에는 정군소자 선택신호는 하이레벨로 부군소자 선택신호는 로우레벨로 출력하고, 전류의 크기가 음의 문턱값 보다 작거나 같은 경우에는 부군소자 선택신호는 하이레벨로 정군소자 선택신호는 로우레벨로 출력하고, 전류의 크기가 음의 문턱값 보다 크고 양의 문턱값 보다 작은 미소전류 구간에는 정군소자 선택신호와 부군소자 선택신호 모두를 하이레벨로 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 방법은, 환류 다이오드와 각각 역병렬로 연결된 각 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자가 브리지 형태로 결합된 전력 변환기에서 상기 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 스위칭하기 위한 스위칭 방법으로서, 지령값에 의거하여 희망하는 전압 또는 전류를 얻을 수 있도록 각 스위칭 소자의 스위칭 신호를 변조하는 단계와, 상기 전력 변환기에 흘러야할 전류의 극성을 판단하는 단계와, 상기 전력 변환기에 흘러야할 전류의 극성이 정극성일 경우이면 상기 변조 신호에 의거하여 상기 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자를 교번적으로 스위칭 온/오프하지 않고 상암 또는 하암 중 정의 전류를 흘릴 수 있는 스위칭 소자만을 스위칭 온/오프하는 단계와, 상기 전력 변환기에 흘러야할 전류의 극성이 부극성이면 상기 발생된 변조 신호에 의거하여 상기 하암 스위칭 소자와 상암 스위칭 소자를 교번적으로 스위칭 온/오프하지 않고 상암 또는 하암 중 부의 전류를 흘릴 수 있는 스위칭 소자만을 스위칭 온/오프하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류의 극성을 판단하는 단계에 있어 에러가 유발될 가능성이 있는 경우에 있어서는 전류의 극성이 반전되는 부근의 기설정된 미소 전류 영역에서는 상기 상암과 하암 스위칭 소자를 교번적으로 스위칭 온/오프 하되, 단락 방지를 위한 휴지기간을 두고 스위칭 온/오프하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 기본적인 기술적 사상을 상술한 도 3에 표시한 3상 풀 브리지 인버터의 경우로 기술하면 흘러야할 전류가 정극성인 경우에는 상술한 도 7에서의 스위칭 신호 Snu가 1이든 0이든 정의 전류를 흘릴 수 없는 하암 스위칭 소자 Su-는 스위칭하지 않고, 정의 전류를 흘릴 수 있는 상암 스위칭 소자 Su+만을 스위칭 신호 Spu에 따라 온/오프 스위칭하는 것으로 회로동작을 상술한 도 9와 도 11의 모드만을 교대로 운전하는 것이다. 반대로 전류가 부극성이면 스위칭 소자 Su+는 스위칭하지 않고 스위칭 소자 Su-만을 스위칭함으로써 전류의 극성이 변하지 않는 정상상태에서는 휴지기간을 두지 않고 스위칭할 수 있는 것이다.
즉, 전류가 정극성일 경우에는 상암의 온/오프만, 전류가 부극성일 경우에는 하암의 온/오프만 스위칭하여도 똑 같은 전압 또는 전류를 변조할 수 있기 때문에 휴지기간을 두면서 불필요한 스위칭을 하지 않으므로써 더욱 양호한 출력을 얻을 수 있으며, 또한 스위칭소자의 구동전력도 절감시킬 수 있는 것이다.
도 16은 본 발명에 따른 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 장치에 대한 제 1 실시예와 제 2 실시예를 적용한 블록도로서, 전력 변환기(160)의 스위칭 소자를 스위칭하기 위하여, 지령부(110), 변조 신호 발생부(120), 전류 극성 판별부(130), 구동 소자 선택부(140) 및 구동 신호 발생부(150)를 포함하여 구성한다.
동 도면에 있어서, 지령부(110)는 출력을 원하는 전압 또는 전류의 지령값을 발생하여 출력하며, 변조 신호 발생부(120)는 지령부(110)의 지령값이 전압일 경우에는 지령 전압에 의거하여 정현파 펄스폭 변조방식, 공간벡터 펄스폭 변조방식 등을, 지령값이 전류일 경우에는 지령 전류와 실제 전류의 히스테리시스 비교방식 등을 이용하여 각 스위칭 소자의 스위칭 신호를 출력한다. 일례로, 공간벡터 펄스폭 변조방식에서는 지령 전압을 소정의 샘플링 주기로 펄스폭 변조한 변조 신호를 생성한 뒤, 생성된 변조 신호를 출력 교류 전원의 각 상에 대하여 상암과 하암을 스위칭 하기 위한 스위칭 신호로 분리하여 출력한다. 예를 들면, 전력 변환기(160)가 3상 풀 브리지 인버터일 경우에는 상술한 도 7에 도시한 것과 같이 6개의 스위칭 신호를 출력하게 된다. 이는 제 1 실시예와 제 2 실시예에 있어 동일한 역할이다.
한편, 전류 극성 판별부(130)는 제 1 실시예에 있어서는, 전력 변환기(160)에 흐르는 전류의 크기를 판단하여 기 설정된 양(+)의 문턱값 보다 큰 전류가 흐르다가 전류의 크기가 양의 문턱값 보다 작거나 같아지면 정군소자 선택신호를 로우레벨로을 출력한 뒤 소정 시간 만큼의 휴지기간을 두고 부군소자 선택신호를 하이레벨로 출력하고, 기 설정된 음(-)의 문턱값 보다 작은 전류가 흐르다가 전류의 크기가 음의 문턱값 보다 크거나 같아지면 부군소자 선택신호를 로우레벨로 출력한 뒤 소정 시간 만큼의 휴지기간을 두고 정군소자 선택신호를 하이레벨로 출력한다.
또한 제 2 실시예에 있어서는 전력 변환기(160)에 흐르는 전류의 크기를 판단할 때 에러가 예견될 경우 보다 확실한 동작을 위한 것으로, 전류의 크기가 기 설정된 양의 문턱값 보다 크거나 같은 경우에는 정군소자 선택신호는 하이레벨로 부군소자 선택신호는 로우레벨로 출력하고, 전류의 크기가 기설정된 음의 문턱값 보다 작거나 같은 경우에는 부군소자 선택신호는 하이레벨로 정군소자 선택신호는 로우레벨로 출력하고, 전류의 크기가 음의 문턱값 보다 크고 양의 문턱값 보다 작은 미소전류 구간에는 정군소자 선택신호와 부군소자 선택신호 모두를 하이레벨로 출력한다.
또한, 구동 소자 선택부(140)는 제 1 실시예에 있어서는 변조 신호 발생부(120)로부터의 스위칭 신호와 전류 극성 판별부(130)로부터의 정,부군소자선택신호의 논리곱을 구하여 출력하고, 제 2실시예에 있어서는 전류 극성 판별부(130)로부터의 정군소자 선택신호 또는 부군소자 선택신호 중 하나만이 하이레벨일 경우에는 상술한 제 1 실시예와 같이 스위칭 신호와 정,부군소자 선택신호의 논리 곱을 구하여 출력하고, 정군소자 선택신호 및 부군소자 선택신호 모두가 하이레벨일 경우에는 변조 신호 발생부(120)로부터의 스위칭 신호에 휴지기간을 삽입한 스위칭 신호를 출력한다.
그리고, 구동 신호 발생부(150)는 구동 소자 선택부(140)로부터의 스위칭 신호들을 증폭하여 전력 변환기(160)의 각 스위칭 소자의 스위칭 구동 신호로 인가한다. 이는 제 1 실시예와 제 2 실시예에 있어 동일한 역할이다.
도 17은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 스위칭 신호 발생에 대한 흐름도로서, 상암 및 하암의 스위칭 소자중 정의 전류를 흘릴 수 있는 정군소자 스위칭 신호는 Sp로, 부의 전류를 흘릴 수 있는 부군소자 스위칭 신호는 Sn으로 구분하여 변조 신호를 발생하는 단계(S11)와, 정군소자 선택신호 Ep 와 부군소자 선택신호 En 중 어느 것이 하이레벨인가를 판단하는 단계(S12)와, 정군소자 선택신호 Ep가 하이레벨이면 전류의 크기가 기설정된 양의 문턱값보다 큰 상태에서 작거나 같은 상태로 변했는가를 판단하는 단계(S13)와, 부군소자 선택신호 En이 하이레벨이면 전류의 크기가 기설정된 음의 문턱값보다 작은 상태에서 크거나 같은 상태로 변했는가를 판단하는 단계(S14)와, 정군소자 선택신호 Ep가 하이레벨인 상태에서 전류의 크기가 기설정된 양의 문턱값보다 큰 상태에서 작거나 같은 상태로 변했을 경우 정군소자 선택신호 Ep는 로우레벨로 하고 부군소자 선택신호 En을 하이레벨로 하되 하이레벨의 앞부분에 동작군 교체 휴지기간을 삽입하는 단계(S15)와, 부군소자 선택신호 En이 하이레벨인 상태에서 전류의 크기가 기설정된 음의 문턱값보다 작은 상태에서 크거나 같은 상태로 변했을 경우 부군소자 선택신호 En은 로우레벨로 하고 정군소자 선택신호 Ep를 하이레벨로 하되 하이레벨의 앞부분에 동작군 교체 휴지기간을 삽입하는 단계(S16)와, 정군소자 스위칭 신호 Sp와 정군소자 선택신호 Ep의 논리곱 Gp와 부군소자 스위칭 신호 Sn과 부군소자 선택신호 En의 논리곱 Gn을 구하는 단계(S17)를 포함하여 이루어진다.
도 18은 도 17에 나타낸 본 발명에 따른 제 1 실시예에 대한 흐름도의 동작 설명도로서, 전류의 극성이 정극성이면 정군소자만을 스위칭시키고 전류의 극성이 부극성이면 부군소자만을 스위칭하여 본 발명을 구현할 수 있음을 도식적으로 보여주고 있다.
도 19는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 스위칭 신호 발생에 대한 흐름도로서, 상암 및 하암의 스위칭 소자중 정의 전류를 흘릴 수 있는 정군소자 스위칭 신호는 Sp로, 부의 전류를 흘릴 수 있는 부군소자 스위칭 신호는 Sn으로 구분하여 변조 신호를 발생하는 단계(S21)와, 전류의 크기를 판단하는 단계(S22)와, 전류의 크기가 기설정된 음의 문턱값보다 작거나 같으면 부군소자 선택신호 En은 하이레벨로 하고 정군소자 선택신호 Ep는 로우레벨로 하는 단계(S23)와, 전류의 크기가 기설정된 양의 문턱값보다 크거나 같으면 정군소자 선택신호 Ep는 하이레벨로 하고 부군소자 선택신호 En은 로우레벨로 하는 단계(S24)와, 전류의 크기가 기설정된 음의 문턱값 보다는 크고 기설정된 양의 문턱값 보다는 작을 때에는 정군소자 선택신호Ep 및 부군소자 선택신호 En 모두를 하이레벨로 하고 정군소자 스위칭 신호 Sp 및 부군소자 스위칭 신호 Sn의 하이레벨 앞 부분에 휴지기간을 삽입하는 단계(S25)와, 정군소자 스위칭 신호 Sp와 정군소자 선택신호 Ep의 논리곱 Gp와 부군소자 스위칭 신호 Sn과 부군소자 선택신호 En의 논리곱 Gn을 구하는 단계(S26)를 포함하여 이루어진다.
도 20은 도 19에 나타낸 본 발명에 따른 제 2 실시예에 대한 흐름도의 동작 설명도로서, 전류의 극성이 정극성이면 정군소자만을 스위칭시키고 전류의 극성이 부극성이면 부군소자만을 스위칭시키며 전류의 극성이 불확실한 기설정된 미소영역 내에서는 휴지기간을 삽입하여 정군소자와 부군소자를 교대로 스위칭함으로써 본 발명을 구현할 수 있음을 도식적으로 보여주고 있다.
도 21은 도 13과 동일한 조건에서 본 발명에 따른 제 1 실시예를 3상 풀 브리지 인버터에 적용시킨 컴퓨터 모의실험 결과로 전류파형이 완전한 정현파 임을 알 수 있다.
도 22는 전압파형의 고조파 분석결과이다. 출력전압 지령 127.5V에 대하여 그 기본파분이 127.5083V로 무시할만큼 작은 오차를 갖는 정확한 전압이 발생했음과 파형에 고조파가 거의 없음을 알 수 있다.
도 23은 도 21에 나타낸 전류파형의 고조파 분석결과로 그림상에는 고조파가 존재하지 않음과, 왜형율도 0.0003%로 이는 무시할만한 것으로 이 결과는 도 20은 완전한 정현파임을 뒷받침 해 준다.
도 24는 본 발명에 따른 제 1 실시예를 3상 풀 브리지 인버터에 적용하여 3상 유도전동기를 구동한 실제 실험의 결과로 각각 임의의 한 상에 흐르는 부하 전류(1)와 정군소자의 스위칭 신호(2) 및 부군소자의 스위칭 신호(3)을 나타내는 것이다.
이상 설명한 내용을 통해 해당 분야의 기술자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정 실시가 가능함을 알 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 인버터 및 컨버터등의 전력 변환기에서 불필요한 휴지기간의 삽입 및 스위칭을 피하고 정상상태에서는 휴지기간을 두지 않는 효율적인 스위칭을 행함으로써, 별도의 휴지기간 보상 방법을 취하지 않고서도 발생 전압의 저감을 방지하고, 고조파 발생이 억제되고, 스위칭 전력을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 스위칭 주파수를 높일 수 있기 때문에 더욱 정밀한 제어가 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 환류 다이오드와 각각 역병렬로 연결된 각 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자로써 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 운전시 상기 스위칭 소자를 효율적으로 스위칭하는 장치에 있어서,
    희망하는 전압 또는 전류를 발생하는 지령부와;
    지령값에 의거하여 희망하는 전압 또는 전류를 얻을 수 있도록 각 스위칭 소자의 스위칭 신호를 변조하는 변조 신호 발생부와;
    상기 전력변환기에 흐르는 전류의 극성을 판별하여 전류의 극성이 정극성 일 때는 상암 또는 하암의 스위칭 소자 중 정의 전류를 흘릴 수 있는 스위칭 소자를 동작시킬 정군소자 선택신호 및 전류의 극성이 부극성 일 때는 상암 또는 하암의 스위칭 소자 중 부의 전류를 흘릴 수 있는 스위칭 소자를 동작시킬 부군소자 선택신호를 발생함과 동시에 전류 극성이 반전되는 시점에서의 회로의 단락 방지를 위하여 정군소자 선택신호 및 부군소자 선택신호의 하이레벨 시작구간을 소정시간 만큼 제거시켜 정, 부군 동작 소자 선택 신호를 발생하여 전류 극성 판별부와;
    상기 스위칭 신호와 정, 부군소자 선택신호의 논리곱을 출력하는 구동 소자 선택부와;
    상기 구동 소자 선택부로부터 선택된 스위칭 신호들을 증폭하여 상기 전력변환기의 각 스위칭 소자의 스위칭 구동 신호로 인하하는 구동 신호 발생부를 포함하는 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력변환기의 스위칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류극성 판별부가 전류의 극성 판별이 어려운 미소전류 구간 동안 상기 정군소자 선택신호와 부군소자 선택신호 모두가 하이레벨을 출력하도록 구성이 된 경우 상기 구동소자 선택부에서 상기 스위칭 신호의 하이레벨 시작 구간을 소정 시간 만큼 제거시켜서 회로의 단락을 방지할 수 있는 것을 특징으로하는 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 장치.
  3. 환류 다이오드와 각각 역병렬로 연결된 각 상암 스위칭 소자와 하암 스위칭 소자로써 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 운전시 상기 스위칭 소자를 효율적으로 스위칭하는 방법에 있어서,
    희망하는 전압 또는 전류를 지령하는 단계와;
    지령값에 의거하여 희망하는 전압 또는 전류를 얻을 수 있도록 각 스위칭 소자의 스위칭 신호를 변조하는 단계와;
    현재 동작중인 스위칭 소자가 정극성의 전류를 흘리는 소자인가 혹은 부극성의 전류를 흘리는 소자인가를 판단하는 단계와;
    상기 전력 변환기에 흐르는 전류의 크기를 판단하는 단계와;
    상기 전력 변환기에 흘러야할 전류의 극성이 정극성이면 상암 또는 하암의 스위칭 소자 중 정극성의 전류를 흘릴 수 있는 정군 소자 선택 신호를 발생하고, 상기 전력 변환기에 흘러야할 전류의 극성이 부극성이면 상암 또는 하암의 스위칭 소자 중 부극성의 전류를 흘릴 수 있는 부군 소자 선택 신호를 발생함과 동시에 전류의 극성이 바뀌어야 하는 시점에 있어서는 기설정된 소정의 시간만큼 정, 부군 소자 선택 신호의 하이레벨을 소거시켜 회로 단락 방지를 위한 휴지기간을 두는 단계와;
    상기 단계에서 결정된 스위칭 신호 및, 정, 부군 소자 선택 신호의 논리 곱을 취하여 최종적인 스위칭 신호를 증폭하여 스위칭 소자를 온/오프하는 단계와;
    상기 전력 변환기가 3상인 경우에는 상기한 각 단계들을 3상에 대하여 동일한 과정을 거치도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 전류의 극성을 판단하는 단계에 에러가 예견되는 경우 오동작 방지를 위하여 전류의 극성이 반전되는 부근의 기설정된 미소 전류 영역에서는 상기 상암과 하암 스위칭 소자를 교번적으로 스위칭 온/오프 하되, 단락 방지를 위한 휴지기간을 두고 스위칭 온/오프하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브리지 형태로 회로구성이 이루어진 전력 변환기의 스위칭 방법.
KR10-1998-0029034A 1998-07-18 1998-07-18 브리지형태로회로구성이이루어진전력변환기의스위칭장치및방법 KR100387333B1 (ko)

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(고주파 공진형 전력변환 제어장치와 특성평가에 관한 연구, 1996년 Kobe대학 박사학위 논문) *

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