KR101045176B1 - 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기 - Google Patents

기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기에 관한 것으로, 이를 위하여 단상의 전류제어에 있어서 부하시스템에 인가되는 전압을 양의 전압(+Vdc)과 음의 전압(-Vdc) 뿐만 아니라 스위치의 상단 또는 하단 스위치를 오프시키는 0전압 모드를 추가하고, 기준전류의 기울기를 비교하여 기준전류가 증가시에는 전류가 상위밴드에 이르렀을 때 음의 전압(-Vdc)를 인가하지 않고 0전압 모드를 만들어 서서히 감소하게 하고, 반대로 기준전류가 감소시에는 전류가 하위밴드에 이르렀을 때 양의 전압(+Vdc)이 아니라 0전압 모드를 만들어 전류가 급격히 증가하는 것을 방지하도록 구성된다.
전류제어기, 히스테리시스, 기준전류, 기울기, 인버터

Description

기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기{HYSTERESIS CURRENT REGULATOR USING A SLOPE OF REFERENCE CURRENT}
본 발명은 전류제어기의 히스테리시스 전류 제어에서 인버터의 스위칭 손실을 대폭 저감시킬 수 있는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기에 관한 것이다.
전류원이 별도로 준비되어 있지 않고 직류 전압원을 사용하는 많은 경우에 있어 전류제어를 하여야 하는 경우가 있다. 이 경우, 히스테리시스 전류 제어방식은 원리와 구조가 간단하여 적용하기 간편한 방식이고, 과거에 널리 사용되었다.
그러나 스위칭 주파수가 일정하지 않고 DC 링크 전압이 너무 높거나 밴드폭이 너무 작을 때 등에는 스위칭 주파수가 급격히 증가할 수가 있다. 또한 3상의 경우에서는 비선형 제어 특성을 갖게 되며 0상태를 유용하게 이용하기 어렵고, 상(phase) 간에 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 단점들을 개선하고자, 3레벨 히스테리시스 전류제어 등과 같이 밴드폭을 2중 또는 3중으로 하여 전류 상태에 따라 스위칭 주파수를 낮추고자 하는 연구들이 수행되었다.
이러한 연구들은 스위칭 주파수를 감소시켜 스위치에서 발생하는 스위칭 손실을 감소시킬 수 있었지만 하드웨어와 제어 알고리즘이 복잡해져서 적용하기 어렵거나 경제성을 떨어뜨리기도 했다. 제어되는 전류의 오차를 미분하여, 미분의 음, 양에 따라 0전압을 인가하여 스위칭 주파수를 낮추려는 경우는 에러가 급격히 변할 경우 등에는 제어에 어려움을 야기할 수 있고, 단상 멀티레벨 인버터에서 전류제어를 하고자 이중밴드 히스테리시스 전류제어를 하는 경우도 있지만 이 역시 제어알고리즘 뿐 아니라 하드웨어도 복잡하게 되는 경향이 있다.
히스테리시스 전류 제어는 기준전류 레퍼런스를 실제 전류가 추종하도록 하는 방법 중의 하나이다. 대부분 전류를 공급하는 전원은 전압원으로 구성되어 있기 때문에 전압원의 전압을 이용하여 전류를 제어하게 된다. 즉, 전류가 바로 전류 레퍼런스를 추종하는 것이 아니라, 전압을 부하에 인가하는 방법에 따라 전류가 증가 또는 감소하게 함으로써, 어느 정도의 오차 범위를 허용하면서 전류를 제어하게 된다.
여기서 히스테리시스 전류 제어란, 도 1과 같이 히스테리시스 오퍼레이터(Hysteresis operator)에서, 전류가 허용 범위 오차 안에서 변화함을 허용하면서 전류가 추종하게 하는 것이다. 도 1에서 x＝0은 기준전류가 되고, 이를 벗어나면 그 만큼이 전류의 오차가 된다.
도 2와 같이 단상 인버터(T1∼T4)에 부하가 연결된 경우, 기준전류와 피드백(feedback)된 실제 전류를 비교하여 그 오차가 양인 경우는 기준전류보다 실제 전류가 더 큰 것이므로 계속해서 양의 전압을 인가하여 전류를 증가시키고, 오차가 음이 되면, 실제 전류는 기준전류보다 작게 되는 것이므로 음의 전압을 인가하여 전류를 낮추게 된다.
그러나, 단순히 오차의 음/양만을 기준으로 하면 시스템의 제어 속도에 비례하는 스위칭 주파수를 갖게 되고 이론적으로 무한대의 스위칭이 발생할 수도 있다. 따라서, 일정한 밴드폭을 갖고 오차를 허용하게 되면 이러한 과도한 스위칭을 방지할 수 있다. 도 1의 +Δbw와 -Δbw는 이러한 오차 허용 범위를 나타내고, 이에 따라 부하에 +V 또는 -V 전압을 인가하게 된다. 이를 간단히 블록화하여 나타내면 도 3과 같이 된다.
도 3과 같은 히스테리시스 전류제어기의 블록도는 매우 간단한 개념이여서 비교기 등으로 쉽게 구현할 수 있기 때문에 이전에 많이 사용되어 왔다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3과 같은 기존의 방법에 대한 시뮬레이션의 예이다. 설계 조건은 인가전압은 110V이고, 기준전류의 최대치는 3A이고 주파수는 60Hz이며, 부하는 1Ω의 저항과 50mH의 인덕터로 구성하였다.
도 4a에서 볼 수 있듯이, 부하와 인가전압이 적절히 균형을 이루고 있을 경우는 좋은 성능을 보일 수 있지만, DC 링크 전압이 너무 크거나 부하 인덕턴스가 작아지거나 밴드폭을 좁히고자 하는 등의 경우에는 스위칭 주파수는 급격히 증가할 수 있고, 이는 스위치의 열(heat)로 나타나게 되어 인버터의 성능을 저하하거나 열에 의한 스위치의 파손에 이르게 하는 원인이 된다.
도 4b는 도 4a에 비해 DC 링크단 전압을 2배 증가시킨 경우이다. 시간축을 절반으로 감소시켜 보았을 때 파형이므로, 주파수가 더 증가한 것을 알 수 있다.
도 4c는 도 4a에 비해 밴드폭을 2배 감소시킨 경우이다. 기준전류에 대한 에러의 폭이 절반으로 감소한 대신, 도 4c에서 알 수 있듯이, 조건이 가혹해 짐에 따라 스위칭 주파수는 상당히 증가하게 되며, 도 4a에 비하면 스위칭 주파수가 급격히 증가되었음을 알 수 있다. 실제로 전류오차는 도면보다는 더욱 작게 만들며, 파형을 매끈하게 만들고자 하면, 스위칭 주파수는 수십 kHz 이상에 이를 수 있다.
히스테리시스 전류 제어의 간단한 구성에 비해, 스위칭 주파수가 급격히 상승하는 문제점 등을 극복하고자 밴드폭을 조절하거나, 2중 밴드, 3레벨 전류제어를 사용하거나 전류 오차의 변화를 감지하여 스위칭 주파수를 낮추려고 하는 등의 방법이 제안되기도 했었지만, 구현이 복잡해지기 때문에 간단한 구조를 갖아야 하는 히스테리시스 전류제어기의 장점이 소멸되어, 널리 이용되기에 어려움이 있었다.
본 발명의 목적은 히스테리시스 전류 제어에서 전류가 증가하여야 할 때 음의 전압이 인가되어 전류가 급격히 떨어지는 것을 막고, 감소하여야 할 때 급격히 상승하는 것을 방지하여 필요없는 스위칭을 방지함으로써, 히스테리시스 전류제어에서 스위칭 손실을 대폭 저감시킬 수 있는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 입력된 기준전류와 부하시스템의 출력단에서 피드백된 실제전류와의 차이를 비교하고, 비교 결과에 따른 오차신호를 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 양의 전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하는 제1 히스테리시스부; 상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 음의 전압을 출력하는 제2 히스테리시스부; 상기 기준전류생성부에서 출력된 기준전류를 검출하여 전류파형이 증가 상태인지 또는 감소 상태인지를 판단한 후 그에 상응하는 데이터를 출력하는 기울기검출부; 상기 기울기검출부로부터 입력된 값에 따라 스위칭되어 제1 히스테리시스부 또는 제2 히스테리시스부로부터 입력된 값을 선택 출력하는 스위치부; 및 상기 스위치부를 통해 입력된 DC 전원에 따라 선택적으로 스위칭되어 교류전원을 발생하는 부하시스템;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 히스테리시스부는 기준전류 증가시의 히스테리시스 오퍼레이터이고, 상기 제2 히스테리시스부는 기준전류 감소시의 히스테리시스 오퍼레이터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기울기검출부는 기준전류가 증가 상태이면 제1 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하고, 기준전류가 감소 상태이면 제2 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 수단은, 설정된 주파수를 갖는 기준전류를 생성하는 기준전류생성부; 상기 기준전류생성부로부터 입력된 기준전류와 부하시스템의 출력단으로부터 피드백된 실제전류와의 차이를 비교하고, 비교 결과에 따른 오차신호를 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 양의 전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하는 제1 히스테리시스부; 상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 음의 전압을 출력하는 제2 히스테리시스부; 상기 기준전류생성부로부터 입력된 기준전류를 일정시간 지연시키는 전달지연부; 상기 전달지연부에서 출력된 기준전류를 검출하여 전류파형이 증가 상태인지 또는 감소 상태인지를 판단한 후 그에 상응하는 데이터를 출력하는 기울기검출부; 상기 기울기검출부로부터 입력된 값에 따라 스위칭되어 제1 히스테리시스부 또는 제2 히스테리시스부로부터 입력된 값을 선택 출력하는 스위치부; 및 상기 스위치부를 통해 입력된 DC 전원에 따라 선택적으로 스위칭되어 교류전원을 발생하는 부하시스템;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 히스테리시스부는 기준전류 증가시의 히스테리시스 오퍼레이터이고, 상기 제2 히스테리시스부는 기준전류 감소시의 히스테리시스 오퍼레이터인 것을 특징으로 하며, 상기 기울기검출부는 기준전류가 증가 상태이면 제1 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하고, 기준전류가 감소 상태이면 제2 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 단상의 전류제어에 있어서, 부하시스템에 인가되는 전압을 양의 전압(+Vdc)과 음의 전압(-Vdc) 뿐만 아니라 스위치의 상단 또는 하단 스위치를 오프시키는 0전압 모드를 추가하고, 기준전류의 기울기를 비교하여 기준전류가 증가시에는 전류가 상위밴드에 이르렀을 때 음의 전압(-Vdc)를 인가하지 않고 0전압 모드를 만들어 서서히 감소하게 하고, 반대로 기준전류가 감소 시에는 전류가 하위밴드에 이르렀을 때 양의 전압(+Vdc)가 아니라 0전압 모드를 만들어 전류가 급격히 증가하는 것을 막는다.
이에 따라 전류가 증가하여야 할 때 급격히 떨어지는 것을 막고, 감소하여야 할 때 급격히 상승하는 것을 방지하여 필요없는 스위칭을 방지함으로써, 히스테리시스 전류제어에서 스위칭 손실을 대폭 감소시킬 수 있고, 정밀 제어시에 밴드폭을 대폭 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 히스테리시스 전류제어기를 나타낸 블록도로서, 전류제어기(100)는 기준전류생성부(110), 비교기(120), 제1 히스테리시스부(130), 제2 히스테리시스부(140), 기울기검출부(150), 스위치부(160), 및 부하시 스템(170)을 포함하여 이루어져 있다.
상기 기준전류생성부(110)는 미리 설정된 임의의 주파수를 갖는 기준전류를 생성하여 전류제어기로 입력하도록 구성되어 있는 데, 이와 같은 기준전류는 사용자의 설정에 따라 생성된 전류파형이다.
비교기(120)는 기준전류생성부(110)로부터 입력된 기준전류와 부하시스템(170)의 출력단에서 피드백된 실제전류와의 차이를 비교하고, 비교 결과에 따른 오차신호를 출력하도록 구성되어 있다.
제1 히스테리시스부(130)는 비교기(120)로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드(-
Figure 112008083684753-pat00001
)를 만나면 양의 전압(+
Figure 112008083684753-pat00002
)을 출력하고, 상위밴드(+
Figure 112008083684753-pat00003
)를 만나면 '0'전압을 출력하는 것으로, 기준전류의 증가시의 히스테리시스 오퍼레이터이다.
제2 히스테리시스부(140)는 비교기(120)로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드(-
Figure 112008083684753-pat00004
)를 만나면 '0'전압을 출력하고, 상위밴드(+
Figure 112008083684753-pat00005
)를 만나면 음의 전압(-
Figure 112008083684753-pat00006
)을 출력하는 것으로, 기준전류의 감소시의 히스테리시스 오퍼레이터이다.
기울기검출부(150)는 기준전류생성부(110)에서 출력된 기준전류를 검출하여 전류파형이 증가 상태인지 또는 감소 상태인지를 판단한 후 그에 상응하는 데이터를 출력하도록 구성되어 있다. 여기서, 기울기검출부(150)는 전류파형이 증가 상태이면 '하이'신호를, 감소 상태이면 '로우'신호를 출력하도록 구성되어 있다.
스위치부(160)는 상기 기울기검출부(150)로부터 입력된 값에 따라 스위칭되 어 제1 히스테리시스부(130) 또는 제2 히스테리시스부(140)로부터 입력된 값을 선택 출력하도록 구성되어 있다. 즉, 기울기검출부(150)로부터 입력된 값이 '하이'신호이면 제1 히스테리시스부(130)로부터 입력된 신호가 부하시스템(170)으로 출력되도록 스위치를 작동하고, 기울기검출부(150)로부터 입력된 값이 '로우'신호이면 제2 히스테리시스부(140)로부터 입력된 신호가 부하시스템(170)으로 출력되도록 스위치를 작동하게 된다.
부하시스템(170)은 상기 스위치부(160)를 통해 입력된 DC 전원에 따라 선택적으로 스위칭되어 교류전원을 발생하는 인버터와 각종 부하를 포함하여 이루어져 있다. 상기 부하시스템(170)은 복수의 트랜지스터(T1∼T4)로 이루어진 인버터와, 모터 등과 같은 각종 부하로 이루어질 수 있다. 상기 복수의 트랜지스터(T1∼T4)는 상호 교번적으로 스위칭되며, 상기 부하시스템(170)에서 출력된 실제전류는 비교기(120)로 피드백된다.
이에 따라 전류제어기(100)는 기준전류의 증가시는 양의 전압(+
Figure 112008083684753-pat00007
) 또는 '0'전압을 부하시스템(170)으로 인가하고, 기준전류의 감소시에는 음의 전압(-
Figure 112008083684753-pat00008
) 또는 '0'전압을 부하시스템(170)으로 인가함에 따라 부하시스템(170)의 불필요한 스위칭을 최대한 감소시킬 수가 있다.
이와 같이 구성된 히스테리시스 전류제어기(100)는 기준전류의 증감을 판단하여 기준전류의 증가시와 감소시에 다른 히스테리시스 오퍼레이터를 이용한다는 측면에서 기존의 히스테리시스 전류제어와는 다르다.
도 6a 및 도 6b는 이러한 기준전류 증가시와 감소시의 히스테리시스 오퍼레 이터를 보여준다.
기준전류의 상승시는 도 6a의 오퍼레이터에 의해서, 전류 오차가
Figure 112008083684753-pat00009
이상으로 커지면 전류를 증가시켜야 하므로 +DC 링크 전압(+
Figure 112008083684753-pat00010
)이 부하시스템(170)으로 인가되지만, 오차가 -
Figure 112008083684753-pat00011
이하로 작아지면 -DC 링크 전압(-
Figure 112008083684753-pat00012
)이 부하시스템(170)으로 인가되는 것이 아니라 전원을 차단하게 된다. 이 경우 인버터의 트랜지스터에 병렬로 연결된 환류 다이오드를 통해 전류가 서서히 감소하게 된다.
도 6b와 같이 기준전류가 감소하는 경우에는 위와 반대로 전류 오차가
Figure 112008083684753-pat00013
이상으로 커지면 0전압을 부하시스템(170)으로 인가하여 전원을 차단하게 되고, 오차가 -
Figure 112008083684753-pat00014
이하로 작아지면 -DC 링크 전압(-
Figure 112008083684753-pat00015
)이 부하시스템(170)으로 인가되어 스위칭 주파수가 증가하는 것을 억제하게 된다.
도 7a 내지 도 7c는 도 5와 같은 방법에 의한 히스테리시스 전류 제어 파형이다. 스위칭 주파수를 저감하고자 부하시스템(170)에 인가되는 전압이 양 또는 음 이외의 영전압 상태를 추가하는 것을 보이고 있다. 도 7a 내지 도 7c는 도 4와 동일한 설계 조건으로서, 인가전압은 110V이고, 기준전류의 최대치는 3A이고 주파수는 60Hz이며, 부하로는 일예로 1Ω의 저항과 50mH의 인덕터로 구성한 경우이다.
도 7a 내지 도 7c에서 알 수 있듯이, 기준전류가 증가할 때 부하시스템(170)에 흐르는 전류가 하한밴드폭 이하가 되면 전류를 증가하도록 양의 전압을 인가하고, 전류가 증가하여
Figure 112008083684753-pat00016
이상이 되면 다시 전류를 감소시켜야 하는 경우는 음의 전압을 인가하지 않고 도 5에서 제1 트랜지스터(T1)를 오프시킴으로써 환류 다이오드(D1)를 통해 전류를 서서히 감소시킨다.
이 경우, 도 7a에서처럼 기준전류 증가시는 전류가 전원전압이 양의 값으로 인가되어 증가하지만, 상위밴드와 전류가 만났을 때는 환류다이오드를 통해 전류가 서서히 감소하기 때문에 하위밴드와 실제 전류가 만나는 것은 기존 방법의 경우보다 매우 지연되며, 스위칭 횟수를 크게 감소시킬 수 있다.
반대로 기준전류가 감소할 때는, 전류가 음의 전압이 인가되어 감소하다가, 하위밴드와 만나면 제2 트랜지스터(T2)를 오프하여 환류 다이오드(D2)를 통해 환류 전류가 흐르게 된다. 이때는 전류가 급격히 증가하지 않고 서서히 감소하기 때문에 상위밴드와 만나는 시간은 크게 지연된다. 그러나, 모든 경우에 있어 밴드폭 안에 전류가 존재하기 때문에 전류의 오차는 기존 방법처럼 밴드폭 안으로 유지된다.
도 7b는 전압을 2배 증가시킨 경우이며, 도 7a에 비해 주파수는 약간 증가한다.
도 7c는 이보다 밴드폭도 2배 감소시킨 경우이다. 도 7b와 도 7c를 비교하면 물론 스위칭 주파수는 증가하지만, 도 4c와 비교해 볼 때 대단히 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 기준전류의 증감을 판단하여, 증가시는 양의 전압이나 0전압, 기준전류가 감소시는 음의 전압이나 0전압을 인가하게 된다. 이 방법은 기준전류의 증감만 판단하면 되며, 부하 전류나 전류 오차를 검출하는 방법처럼 부하 전류를 검출하는 것이 아니기 때문에 기준 값을 명확히 알고 있으므로 부하 전류 검출시의 노이즈 문제나 시간 지연 등의 문제를 발생시키지 않는다. 또한 기준전류의 증감만을 판단하므로 제안된 알고리즘을 구현하기 위해 하드웨어로 구 성하거나 소프트웨어를 이용하여 구현할 경우도 매우 간단히 구현이 가능하다.
도 8은 밴드폭을 도 7a의 밴드폭보다 8분의 1(0.05A)로 줄인 경우이다. 도면에서 알 수 있듯이 비교적 매끈하면서도 스위칭에 의한 굴곡의 수는 매우 적다. 기존의 방법은 스위칭 주파수가 급격히 증가하게 되지만, 본 발명에 의하면 상당량의 스위칭 수를 줄일 수 있다.
도 9는 도 8과 같은 밴드폭을 갖는 경우, 본 발명에 의한 방법과 기존의 방법에 대한 시뮬레이션 파형을 보여준다. 삼각파가 매우 조밀하게 나타난 파형은 기존 방법에 의한 전류의 파형이며, 이 중간에 굵게 나타난 파형은 제안된 방법에 의한 전류의 파형을 나타내고 있다. 스위칭 주파수의 차이는 조건에 따라 더욱 큰 차이를 보일 수 있다.
도 10은 도 9에서 기준전류에 대한 오차의 파형을 보여준다. 밴드폭이 ㅁ 0.05A로 되어 있기 때문에 기존 방법에 의한 파형이나, 제안된 방법에 의한 파형 모두 전류 오차는 밴드폭 안에서 제어된다. 그러나, 파형에서 알 수 있듯이 이 조건에 있어서 제안된 방법에 의한 스위칭 주파수는 위치에 따라 5∼10배 이하로 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히스테리시스 전류제어기를 나타낸 블록도로서, 전류제어기는 기준전류생성부(110), 비교기(120), 제1 히스테리시스부(130), 제2 히스테리시스부(140), 전달지연부(151), 기울기검출부(155), 스위치부(160), 및 부하시스템(170)을 포함하여 이루어져 있다.
상기 기준전류생성부(110)는 소정의 주파수를 갖는 기준전류를 생성하여 전 류제어기로 입력하도록 구성되어 있는 데, 이와 같은 기준전류는 사용자의 설정에 따라 생성된 전류파형이다.
비교기(120)는 기준전류생성부(110)로부터 입력된 기준전류와 부하시스템(170)의 출력단에서 피드백된 실제전류와의 차이를 비교하고, 비교 결과에 따른 오차신호를 출력하도록 구성되어 있다.
제1 히스테리시스부(130)는 비교기(120)로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드(-
Figure 112008083684753-pat00017
)를 만나면 양의 전압(+
Figure 112008083684753-pat00018
)을 출력하고, 상위밴드(+
Figure 112008083684753-pat00019
)를 만나면 '0'전압을 출력하는 것으로, 기준전류의 증가시의 히스테리시스 오퍼레이터이다.
제2 히스테리시스부(140)는 비교기(120)로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드(-
Figure 112008083684753-pat00020
)를 만나면 '0'전압을 출력하고, 상위밴드(+
Figure 112008083684753-pat00021
)를 만나면 음의 전압(-
Figure 112008083684753-pat00022
)을 출력하는 것으로, 기준전류의 감소시의 히스테리시스 오퍼레이터이다.
전달지연부(151)는 기준전류생성부(110)에서 출력된 기준전류를 일정시간 지연시키도록 구성되어 있다. 여기서, 도 11은 도 5에 비해 전달지연부(151)의 구성이 추가된 것에 특징이 있는 데, 부하시스템(170)의 부하 즉, 저항이 너무 커서 시정수를 너무 작게 하거나 인덕터가 너무 커서 시정수를 너무 크게 만드는 경우에는 전류제어기가 불안정하게 될 수 있으므로, 시정수가 큰 경우는 지연을 작게 하고 시정수가 작은 경우는 지연을 크게 하는 것으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.
기울기검출부(155)는 전달지연부(151)에서 출력된 기준전류를 검출하여 전류 파형이 증가 상태인지 또는 감소 상태인지를 판단한 후 그에 상응하는 데이터를 출력하도록 구성되어 있다. 여기서, 기울기검출부(155)는 전류파형이 증가 상태이면 '하이'신호를, 감소 상태이면 '로우'신호를 출력하도록 구성되어 있다.
스위치부(160)는 상기 기울기검출부(155)로부터 입력된 값에 따라 스위칭되어 제1 히스테리시스부(130) 또는 제2 히스테리시스부(140)로부터 입력된 값을 선택 출력하도록 구성되어 있다. 즉, 기울기검출부(155)로부터 입력된 값이 '하이'신호이면 제1 히스테리시스부(130)로부터 입력된 신호가 출력되도록 스위치를 작동하고, 기울기검출부(155)로부터 입력된 값이 '로우'신호이면 제2 히스테리시스부(140)로부터 입력된 신호가 출력되도록 스위치를 작동하게 된다.
부하시스템(170)은 상기 스위치부(160)를 통해 입력된 DC 전원에 따라 선택적으로 스위칭되어 교류전원을 발생하는 인버터와 부하시스템(170)을 포함하여 이루어져 있다. 상기 부하시스템(170)은 복수의 트랜지스터로 이루어진 인버터와, 모터와 같은 각종 부하로 이루어질 수 있다. 상기 복수의 트랜지스터는 상호 교번적으로 스위칭되며, 상기 부하시스템(170)에서 출력된 실제전류는 비교기(120)로 피드백된다.
이에 따라 전류제어기는 기준전류의 증가시는 +
Figure 112008083684753-pat00023
또는 '0' 전압을 부하시스템(170)으로 인가하고, 기준전류의 감소시에는 -
Figure 112008083684753-pat00024
또는 '0' 전압을 부하시스템(170)으로 인가함에 따라 부하시스템(170)의 불필요한 스위칭을 최대한 감소시킬 수가 있다.
이와 같이 구성된 히스테리시스 전류제어기는 도 5와 동작이 동일하게 이루 어지므로 그 세부 설명은 생략하도록 한다.
본 발명에 의한 전류제어기는 레벨이 +band, 0(기준), -band가 존재하므로, 기준을 제외한 2레벨 히스테리시스 전류제어기라고 하는 데, 도 5와 같이 기준전류 자체의 기울기 또는 도 11과 같이 기준전류를 지연한 파형의 기울기를 기준으로 인버터의 스위칭 전압을 발생하는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 단상 전류제어에서 영 모드를 추가하고, 기준전류의 기울기를 비교하여 히스테리시스 전류 제어를 수행함으로써 대폭적인 스위칭 주파수 감소와 안정적인 전류제어를 가능하게 하였다.
상기의 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이다. 그러므로, 이러한 수정, 변경 및 부가는 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 히스테리시스 오퍼레이터를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 단상 인버터와 부하를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술에 의한 히스테리시스 전류제어기를 나타낸 블록도이다.
도 4a 내지 도 4c는 종래기술에 의한 히스테리시스 전류 제어 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 히스테리시스 전류제어기를 나타낸 블록도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 히스테리시스 오퍼레이터를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 히스테리시스 전류 제어 파형을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7a의 파형보다 밴드폭을 줄인 경우를 나타낸 파형도이다.
도 9는 본 발명과 종래기술에 의한 전류 파형을 각각 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 기준전류에 대한 오차 파형을 각각 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 의한 히스테리시스 전류제어기를 나타낸 블록도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 전류제어기 110: 기준전류생성부
120: 비교기 130: 제1 히스테리시스부
140: 제2 히스테리시스부 150: 기울기검출부
160: 스위치부 170: 부하시스템(인버터 및 부하)

Claims (6)

  1. 입력된 기준전류와 부하시스템의 출력단에서 피드백된 실제전류와의 차이를 비교하고, 비교 결과에 따른 오차신호를 출력하는 비교기;
    상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 양의 전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하는 제1 히스테리시스부;
    상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 음의 전압을 출력하는 제2 히스테리시스부;
    사용자의 설정에 따라 기준전류를 생성 및 출력하는 기준전류생성부에서 출력된 기준전류를 검출하여 전류파형이 증가 상태인지 또는 감소 상태인지를 판단한 후 그에 상응하는 데이터를 출력하는 기울기검출부;
    상기 기울기검출부로부터 입력된 값에 따라 스위칭되어 제1 히스테리시스부 또는 제2 히스테리시스부로부터 입력된 값을 선택 출력하는 스위치부; 및
    상기 스위치부를 통해 입력된 DC 전원에 따라 선택적으로 스위칭되어 교류전원을 발생하는 부하시스템;을 포함하는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 히스테리시스부는 기준전류 증가시의 히스테리시스 오퍼레이터이고, 상기 제2 히스테리시스부는 기준전류 감소시의 히스테리시스 오퍼레이터인 것을 특징으로 하는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기울기검출부는 기준전류가 증가 상태이면 제1 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하고, 기준전류가 감소 상태이면 제2 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하는 것을 특징으로 하는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기.
  4. 설정된 주파수를 갖는 기준전류를 생성하는 기준전류생성부;
    상기 기준전류생성부로부터 입력된 기준전류와 부하시스템의 출력단으로부터 피드백된 실제전류와의 차이를 비교하고, 비교 결과에 따른 오차신호를 출력하는 비교기;
    상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 양의 전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하는 제1 히스테리시스부;
    상기 비교기로부터 입력된 오차신호가 히스테리시스의 하위밴드를 만나면 '0'전압을 출력하고, 상위밴드를 만나면 음의 전압을 출력하는 제2 히스테리시스부;
    상기 기준전류생성부로부터 입력된 기준전류를 일정시간 지연시키는 전달지연부;
    상기 전달지연부에서 출력된 기준전류를 검출하여 전류파형이 증가 상태인지 또는 감소 상태인지를 판단한 후 그에 상응하는 데이터를 출력하는 기울기검출부;
    상기 기울기검출부로부터 입력된 값에 따라 스위칭되어 제1 히스테리시스부 또는 제2 히스테리시스부로부터 입력된 값을 선택 출력하는 스위치부; 및
    상기 스위치부를 통해 입력된 DC 전원에 따라 선택적으로 스위칭되어 교류전원을 발생하는 부하시스템;을 포함하는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 히스테리시스부는 기준전류 증가시의 히스테리시스 오퍼레이터이고, 상기 제2 히스테리시스부는 기준전류 감소시의 히스테리시스 오퍼레이터인 것을 특징으로 하는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기울기검출부는 기준전류가 증가 상태이면 제1 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하고, 기준전류가 감소 상태이면 제2 히스테리시스부에서 출력된 신호가 부하시스템으로 인가되도록 스위치부를 제어하는 것을 특징으로 하는 기준전류 기울기를 이용한 히스테리시스 전류제어기.
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