KR100662748B1 - 전압형 ｐｗｍ 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압편차 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법에 관한 것으로, 종래에는 출력 전압 정보를 피드백시켜 인버터 제어를 위해 사용하는 경우, 출력 전압을 저역 통과 필터를 통해 고조파 성분을 제거하여 제어용 출력 전압으로 사용하거나, 지령 전압을 그대로 출력 전압으로 간주하여 제어용 출력 전압으로 사용하였으나, 앞의 방법은 저역 통과 필터의 특성인 지연 성분으로 인해 실제 출력 전압과 필터를 통과한 출력 전압을 비교하여 보면 위상지연이 있고, 뒤의 방법은 데드 타임의 영향과 스위칭 소자의 전압 강하로 인해 실제 인버터 출력 전압이 지령 전압과 왜곡이 있기 때문에, 전술한 2가지 방법 모두에 따른 출력 전압 정보는 인버터 제어 목적으로 사용하기 어렵다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 미리 결정된 샘플링 주기로 출력 전류를 검출하는 단계와, 매 샘플링 주기마다 임의의 2개의 출력 전류 값들로부터 상기 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 반송파 주기 내의 위치를 판단하는 단계와, 상기 판단된 출력 전류의 0 전류 레벨 통과 위치에 따라 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 추정하는 단계로 구성되어 출력 전압에 출력 전압 편차가 부가되었는지, 또는 공제되었는지를 정확히 판별하여, 판별된 정보를 이용하여 출력 전압을 가감함으로써, 인버터 제어에 정확한 출력 전압 정보를 이용할 수 있는 효과가 있다.

Description

전압형 ＰＷＭ 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING THE OUTPUT VOLTAGE ERROR CAUSED BY DEAD TIME IN A VOLTAGE-TYPE PWM INVERTER}

도 1은 반송파 1주기에서 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도.

도 2는 출력 전류가 도 1의 제 1 스위치 턴온 구간(T_ON1)에서 0 전류 레벨을 통과할 때 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도.

도 3은 출력 전류가 도 1의 제 2 스위치 턴온 구간(T_ON2)에서 0 전류 레벨을 통과할 때 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도.

도 4는 출력 전류가 도 1의 스위치 턴오프 구간(T_OFF)에서 0 전류 레벨을 통과할 때 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도.

본 발명은 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법에 관한 것으로, 인버터 출력 전류의 방향에 따라 출력 전압에 부가되거나 공제 된 출력 전압 편차를 추정하는 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법에 관한 것이다.

펄스폭 변조(PWM, pulse width modulation) 인버터를 이용하여 전기 기계를 구동하고자 할 때 스위칭 소자의 유한한 스위칭 시간과 게이팅 신호 발생부의 신호 발생 지연에 의한 각 상의 직류단 단락을 방지하기 위해, 게이팅 신호에 데드 타임(Dead Time) 또는 블랭킹 타임(Blanking Time)을 삽입한다. 구체적으로 말하자면, 전압형 PWM 인버터의 출력 전압은 어느 하나의 상 스위치 내의 윗상(upper)과 아랫상(lower)의 상보적인 스위칭에 의해 정해지는데, 실제 게이팅 신호 전달에서의 시간 지연의 차이와 반도체 스위치의 온-오프 시간의 차이로 인하여 상기 2개의 스위치가 동시에 도통되어 단락사고를 일으킬 위험이 있다. 이를 방지하기 위해, 하나의 상에서 어느 하나의 스위치의 턴오프가 보장되는 일정시간 경과 후에 다른 스위치가 턴온되도록 데드 타임을 삽입한다.

유도 전동기에 전달되는 인버터 출력 전압은 데드 타임 시간 동안 전동기에 흐르는 전류의 방향에 따라 데드 타임이 포함되지 않는 경우의 평균 전압과 차이가 생긴다. 이러한 왜곡된 전압 정보를 제어나 파라미터 산출 등에 사용하는 것은 올바른 결과를 내기 힘들다.

따라서, 출력 전압을 피드백시켜 인버터의 제어를 위해 사용하고자 할 때, 출력 전압에 상기 데드 타임에 의한 출력 전압 편차가 포함되었는지 여부를 고려하고, 출력 전압에서 상기 출력 전압 편차를 배제하여 정확한 출력 전압 정보를 추정할 필요가 있다.

종래의 기술은 출력 전압을 절연하여 출력 전압의 고조파 성분을 저역 통과 필터를 통해 분리하여 제어용 출력 전압을 얻거나, 지령 전압을 그대로 출력 전압으로 간주함으로써 인버터의 출력 전압을 추정하였다.

즉, 인버터 출력 전압을 절연하고 저역 통과 필터를 통해 PWM 신호를 생성해 주기 위해 사용되는 반송파 주파수와 같은 고조파 성분들을 제거하여, 이러한 전압 정보를 그대로 출력 전압으로 추정하였다. 또 다른 방법은 지령 전압이 실제 출력 전압으로 나온다는 가정 하에 지령 전압을 그대로 출력 전압으로 추정하였다.

그러나 상기와 같은 종래 기술에 있어서, 저역 통과 필터를 사용하여 출력 전압에서 고조파 성분을 제거하는 경우는, 저역 통과 필터의 특성인 지연 성분으로 인해 실제 출력 전압은 필터를 통과한 출력 전압과 비교하여 위상 지연이 있기 때문에 인버터 제어의 목적으로 사용하기 어렵고, 또한 지령 전압을 그대로 출력 전압으로 사용하는 경우는, 실제 인버터 출력 전압이 데드 타임의 영향과 스위칭 소자의 전압 강하로 인해 지령 전압과 비교하여 왜곡이 있기 때문에 인버터 제어 목적으로 사용하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 인버터 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 반송파 1 주기 내의 위치를 판별하고, 이로부터 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차가 출력 전압에 포함되는 시점을 정확히 판별하여, 출력 전압에 부가되거나 공제된 출력 전압 편차를 정확히 추정할 수 있도록 한 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법을 제공 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 임의 주기의 반송파에 따라 입력 신호를 변조시키는 전압형 PWM 인버터에서 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 추정하는 방법으로서, 미리 결정된 샘플링 주기로 출력 전류를 검출하는 단계와; 매 샘플링 주기마다 상기 반송파 주기 내에서 상기 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 위치를 판단하는 단계와; 상기 반송파 주기 내에서 상기 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 위치에 따라 데드 타임으로 인해 출력 전압에 부가된 출력 전압 편차를 추정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

구체적으로 본 발명은, 샘플링 주기마다 출력 전류를 검사하고, 현재의 출력 전류 정보와 1주기 전의 출력 전류 정보를 1차 함수로 보간하여 출력 전류가 0 전류 레벨을 샘플링 주기 내의 어느 위치에서 통과했는지를 판단함으로써, 그 결과에 따라 출력 전압에 출력 전압 편차가 부가되었는지, 또는 공제되었는지를 판단하고, 이에 따라 매 샘플링 주기마다 실제 전달된 평균 전압을 추정할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도인데, 이에 도시된 바와 같이, 반송파 1 주기(Ts)는 반송파 레벨과 기준 전압(V_REF)을 비교함으로써 스위치가 도통중인 스위치 턴온 구간(T_ON1), 스위치가 턴오프되어 차단중인 스위 치 턴오프 구간(T_OFF) 및 다시 스위치가 턴온되어 도통중인 스위치 턴온 구간(T_ON2)으로 구분될 수 있고, 이에 따라 인버터 스위치의 스위칭이 이루어진다.

Ideal switch는 스위칭 신호에 데드 타임이 포함되지 않은 경우의 이상적인 출력 전압(이상적인 평균 전압)을 나타내고, + switch는 인버터 스위치 내의 윗상(upper) 스위치의 데드 타임이 포함된 게이트 신호를 나타내며, - switch는 인버터 스위치 내의 아랫상(lower) 스위치의 데드 타임이 포함된 게이트 신호를 나타낸다.

Va는 데드 타임에서 출력 전류가 0 이상인 경우(I>0) 출력 전압 편차가 포함된 출력 전압을 나타내고, Vb는 데드 타임에서 출력 전류가 0 이하인 경우(I<0) 출력 전압 편차가 공제된 출력 전압을 나타낸다. 이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 데드 타임에서의 출력 전류의 부호에 따라 출력 전압에 포함된 출력 전압 편차의 부호가 상이하다.

샘플링한 출력 전류의 과거값(예를 들어 1 샘플링 주기 이전의 전류값)과 현재값이 같은 부호일때, 즉 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하지 않는 경우에는, 도면 1에서의 I>0인 경우의 전류 파형과, I<0인 경우의 전류 파형이 그대로 전동기에 전달된다. 이때는 Ideal switch 파형과 비교하여 그 차이만큼의 출력 전압 편차를 부가하거나 공제해서 실제 전달되는 평균 전압을 추정하면 된다.

샘플링한 출력 전류의 부호가 변하는 경우, 즉 출력 전류가 반송파 1 주기 내에서 0 전류 레벨을 통과하는 경우의 수를 살펴보자. 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 경우는 음에서 양, 및 양에서 음으로 통과하는 2가지 경우가 있고, 출력 전류가 반송파 1 주기의 스위칭 구간은 T_ON1 , T_OFF , T_ON2(도 1 참조)의 3가지 구간이 있다. 그러므로 출력 전류가 반송파 1 주기 내의 3개의 구간에서 0 전류 레벨을 통과하는 경우는 총 6가지의 경우가 존재한다.

하지만, T_ON1 구간에서 양에서 음으로 바뀌는 경우와 T_ON2 구간에서 음에서 양으로 바뀌는 경우는 동일한 경우이고, 반대로 T_ON2 구간에서 양에서 음으로 바뀌는 경우와 T_ON1 범위에서 음에서 양으로 바뀌는 경우는 동일한 경우이다. 또한, T_OFF 구간에서 양에서 음으로 바뀌는 경우와, 음에서 양으로 바뀌는 경우는 스위칭 파형만 다를 뿐 전달되는 평균 전압은 동일하다.

따라서, 출력 전류가 양에서 음으로 바뀌면서 상기 3개의 구간에서 0 전류 레벨을 통과하는 경우의 3가지에 대해서만 설명한다.

도 2는 출력 전류가 도 1의 T_ON1 구간에서 0 전류 레벨을 통과할 때 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도인데, 이에 도시된 바와 같이, 출력 전류가 T_ON1 구간에서 0 전류 레벨을 통과하는 경우, 데드 타임 구간에서의 전류는 0 이상(I>0)이기 때문에, 실제 전동기에는 데드 타임 구간만큼의 전압(즉, 출력 전압 편차)이 더 많이 전달된다. 즉, 이 경우의 출력 전압은 데드 타임이 부가되지 않은 이상적인 경우의 평균 전압에 출력 전압 편차가 부가된 값이라고 추정할 수 있다.

도 3은 출력 전류가 도 1의 T_ON2 구간에서 0 전류 레벨을 통과할 때 데드 타 임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도인데, 이에 도시된 바와 같이, 출력 전류가 T_ON2 구간에서 0 전류 레벨을 통과하는 경우, 데드 타임 구간에서의 전류는 0 이하(I<0)이기 때문에, 실제 전동기에는 데드 타임 구간만큼의 전압이 더 적게 전달된다. 따라서, 이 경우의 출력 전압은 데드 타임이 부가되지 않은 이상적인 경우의 평균 전압에 출력 전압 편차가 공제된 값이라고 추정할 수 있다.

도 4는 출력 전류가 도 1의 T_OFF 구간에서 0 전류 레벨을 통과할 때 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 도시하는 설명도인데, 이에 도시된 바와 같이, 출력 전류가 T_OFF 구간에서 0 전류 레벨을 통과하는 경우, 첫번째 데드 타임 구간에서의 출력 전류는 0 이하(I<0)이고, 두번째 데드 타임 구간에서의 출력 전류는 0 이상(I>0)이기 때문에, 전술한 두가지 경우를 다 포함하게 된다. 따라서, 출력 전압은 이상적인 경우의 평균 전압과 동일함을 알 수 있다. 이 경우에는 전압 추정을 위해, 평균 전압에서 출력 전압 편차를 추가하거나 공제하지 않고 이상적인 스위칭 파형으로 전달되는 출력 전압 정보를 그대로 이용한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위는 상기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되고, 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해지는 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형들이 가능하다는 것은 당업자에 자명할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해, 매 반송파 주기마다 출 력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 시점을 판별하여, 출력 전압에 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차가 부가되었는지, 또는 공제되었는지를 정확히 판별할 수 있도록 하여, 정확한 출력 전압 정보를 얻을 수 있는 효과가 있다. 이러한 출력 전압 정보를 사용하여, 더욱 정확하게 인버터의 제어를 할 수 있다.

Claims (3)

1. 임의 주기의 반송파에 따라 입력 신호를 변조시키는 전압형 PWM 인버터에서 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차를 추정하는 방법으로서,

   미리 결정된 샘플링 주기로 인버터 출력 전류를 검출하는 단계와;

   매 샘플링 주기마다 상기 반송파 주기 내에서 상기 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 위치를 판단하는 단계와;

   상기 반송파 주기 내에서 상기 출력 전류가 0 전류 레벨을 통과하는 위치에 따라 데드 타임으로 인해 인버터 출력 전압에 부가된 출력 전압 편차를 추정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 위치 판단 단계는, 임의 주기에서의 출력 전류의 부호와 이전 주기에서의 출력 전류의 부호가 상기 반송파 주기 내의 제 1 스위치 턴온 구간, 스위치 턴오프 구간 및 제 2 스위치 턴온 구간 중 어느 구간에서 상이하게 되는지를 판단함으로써, 출력 전류가 반송파 주기내에서 0 전류 레벨을 통과하는 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 출력 전압 편차 추정 단계는, 상기 출력 전류의 부호 가 상이하게 되는 위치가, 상기 제 1 스위치 턴온 구간이면 출력 전압에 양의 출력 전압 편차가 부가되었다고 추정하고, 상기 스위치 턴오프 구간이면 출력 전압에 출력 전압 편차가 부가되지 않았다고 추정하며, 상기 제 2 스위치 턴온 구간이면 출력 전압에 음의 출력 전압 편차가 부가되었다고 추정함으로써, 데드 타임으로 인해 출력 전류에 포함된 출력 전압 편차를 추정하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 인버터의 데드 타임으로 인한 출력 전압 편차 추정 방법.

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