KR101521546B1 - 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 구동하는 변조 방법에 관한 것으로서,캐리어(Carrier)를 사용하지 않고, 밴드(Band)와 피에이치(Ph)를 사용해서 피에스 펄스 폭 변조(PS[Phase shifted] PWM) 및 피디 펄스 폭 변조(PD[Phase Disposition] PWM) 방법을 제공할 수 있는 것을 그 특징으로 한다.

Description

모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법 {A modulation method of Modular multi level converter}

본 발명은 모둘라 멀티 레벨 컨버터(Multi Level Converter)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 각 상에서의 기준전압을 출력하기 위한 변조 방법에 관한 것이다.

모둘라 멀티 레벨 컨버터는 멀티 레벨 컨버터의 한 종류로서 전압형 초고압직류송전(HVDC, High voltage direct current) 시스템에 적합한 회로 구조로 알려져 있다. 모둘라 멀티 레벨 컨버터는 스위칭 소자로서 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated gate bipolar transistor)를 사용하여 서브 모듈이라고 불리는 단위 구조를 캐스케이드로 연결하는 형태를 가지므로, 기존의 멀티 레벨 컨버터의 응용분야였던 중간 전압 구동(Medium Voltage Drive)용 전력 변환 장치보다 훨씬 많은 레벨을 가지게 된다.

일반적으로 멀티 레벨 컨버터에서의 펄스폭변조(PWM, Pulse width modulation)를 하기 위해서는 캐리어(Carrier)를 사용하게 되는데, 이는 캐리어를 사용하는 방식이 벡터를 사용하는 방식보다 보다 간단하게 구현이 가능하기 때문이다.

도면 1도는 전압형 컨버터의 한 종류인 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 사용한 초고압 직류송전 시스템에 대한 회로도를 보여주는 도면이다.

도면 1도에서 'A'부분은 인버터 스테이션(Inverter station)이라고 하며, 'B'부분을 렉티파이어 스테이션(Rectifier station), 즉 정류기 스테이션이라고 한다. 이 두 개의 스테이션은 동일한 회로로 구성되어 있으며, 제어 기능에 따라 인버터인지 정류기인지가 결정된다.

3상 모둘라 멀티 레벨 컨버터는 도면에서와 같이 R상, S상 및 T상으로 표현될 수 있다.

각 상에서 교류 그리드(AC grid)와 연결되는 점을 기준으로 위 회로를 상부 암(Upper arm)이라고 하며, 아래 회로를 하부 암(Lower arm)이라고 칭할 수 있다. 각 상과 각 암(Arm)에는 서브 모듈(100, Sub-module)로 명칭되는 회로가 직렬 형태로 연결될 수 있다. 그리고, 이러한 서브 모듈(100)이 N개 있을 경우, 이러한 컨버터를 (N+1)레벨 모둘라 멀티 레벨 컨버터라고 칭할 수 있다.

이러한 서브 모듈(100)을 구성하는 방식은 여러 가지 방법이 있을 수 있다.

도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터에서 채용된 서브 모듈(100)의 내부 회로도를 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 서브 모듈(100)은 2개의 스위치를 가지는 해프 브릿지(Half-Bridge) 형태로 제작될 수 있다.

모둘라 멀티 레벨 컨버터 구조를 갖는 전압형 직류 송전 시스템의 변조 방법은 각 상의 각 암을 기준으로 이루어질 수 있다. 이는 R상, S상, T상의 변조방법은 동일하며 변조를 위한 기준전압만 120도의 위상차를 가진다는 것을 나타낸다. 또한, 상부 암과 하부 암은 기준전압과 각 캐리어가 180도의 위상차이를 가질 수 있다.

그러므로, 한 상과 한 암에 대한 변조방법을 통하여 다른 상과 다른 암의 기준전압과 캐리어와의 관계를 구현할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법에서는 R상을 기준으로 설명하기로 한다.

도면 3도는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 R상 상부 암의 내부 회로도를 보여주는 도면이다.

각 서브 모듈(100)은 2개의 스위치(110)와 커패시터(120)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 각 암은 직류(DC) 순환전류를 감쇄시키기 위한 리액터인 인덕터 암(L-Arm, 130)을 구비할 수 있다.

상부 암에 흐르는 전류의 방향은 도면상 'i_RU'로 표시할 수 있다.

서브 모듈(100)의 위쪽에 있는 원으로 둘러싸인 스위치(110)는 주 스위치이며, 아래쪽에 있는 스위치는 주 스위치에 대하여 종속적으로 반대 신호를 내기 때문에 변조방법에서 기술의 생략이 가능하다.

다음의 표는 서브 모듈(100)의 각 스위치(110)의 온, 오프 상태 및 암 전류에 따른 서브 모듈(100)의 상태를 나타낸 표이다.

(표 1)

표 1에서 X는 각각의 상을 나타내는 변수로 R, S, T 값을 가지며, Y는 암을 나타내는 변수로 U, L의 값을 가진다. 여기서 U는 'Upper'의 약자로서 상부 암을 가르킬 수 있으며, L은 'Lower'의 약자로서 하부 암을 가르킬 수 있다. 또한, N은 서브 모듈(100)의 번호를 나타낼 수 있으며, 1부터 N의 숫자를 가질 수 있다.

표 1을 통하여, 각각의 서브 모듈(100)의 커패시터(120)의 전압은 주 스위치가 온(On)이고 암 전류가 양이면 충전되며 주 스위치가 온(On)이고 암 전류가 음이면 방전되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 주 스위치가 오프(Off)이면 암 전류의 방향과 상관없이 현재 전압이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도면 4도는 기존의 방법인 피에스 캐리어를 이용하여 펄스 폭 변조를 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 하나의 암에서 구현하는 방식을 보여주는 도면이다.

도면 4도에서 서브 모듈(100)의 수는 10개이며, 따라서 11 레벨의 피에스 캐리어를 발생시키는 것을 확인할 수 있다.

기존의 방법인 피에스 캐리어를 이용하여 펄스 폭 변조를 하는 방법은 다음과 같다.

첫째, 도면 4도와 같이 하드웨어 혹은 소프트웨어로 서브 모듈(100)의 수와 동일한 캐리어를 발생시켜야 한다.

둘째, 펄스폭 변조 발생부에서 캐리어에 대한 10개의 입력 변수를 할당하여야 한다.

셋째, 펄스 폭 변조를 하기 위한 기준 전압과 10개의 캐리어를 각각 비교하여 온, 오프 상태를 나타내는 새로운 변수에 기준 전압이 캐리어보다 크면 온에 해당하는 1의 값을 할당하며, 기준 전압이 캐리어보다 작으면 오프에 해당하는 0의 값을 할당한다.

넷째, 10개의 온, 오프 상태를 나타내는 변수를 모두 더해 초기 온 개수를 구한다.

다섯째, 현재 제어 주기에서 구한 초기 온 개수와 이전 제어 주기에서 구한 초기 온 개수의 차를 구한다.

여섯째, 초기 온 개수의 차가 0보다 크면 온 개수를 의미하고, 0이면 유지를 의미하며, 0보다 작으면 오프 개수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 온 개수의 차가 +1 이라면 10개의 주 스위치 중에 온 개수가 1개가 늘어남을 의미할 수 있다. 즉, 여섯째 과정은 서브 모듈(100)의 커패시터(120)의 전압에 대한 민 맥스 소팅(Min, Max Sorting) 알고르즘과 암 전류 방향을 고려하여 스위치(110)가 온 혹은 오프되면서 서브 모듈(100)의 커패시터(120)의 전압의 변동을 가장 적게 만드는 밸런싱 알고리즘(Balancing Algorithm)에 해당한다.

그 다음으로, 서브 모듈(100)의 커패시터(120) 전압에 대한 민 맥스 소팅(Min, Max Sorting) 알고리즘을 적용하여 암 전류가 양인 경우에는 현재 스위치 상태가 오프인 스위치(110) 중에서 서브 모듈(100)의 커패시터(120) 전압이 가장 작은 서브 모듈(100)에 있는 스위치(110)를 온을 시키고, 암 전류가 음인 경우는 현재 스위치 상태가 오프인 스위치(110) 중에서 서브 모듈(100)의 커패시터(120)의 전압이 가장 큰 서브 모듈(100)에 있는 스위치(110)를 온 시킬 수 있다.

위의 과정을 한 주기동안 반복하면 전류제어 주기 동안 각 스위치(110)는 온 혹은 오프를 유지하게 된다. 이는 펄스 폭 변조부에서 기준전압을 정확히 구현하는 것이 아니라, 근처의 다른 전압을 구현하게 되므로 제어기에 오차가 발생하게 된다.

따라서, 종래의 방법에서는 이러한 과정을 전류제어 주기동안 1번 수행하는 것이 아니라 전류제어주기를 세분화하여 더 빠른 주기로 수행하게 된다.

도면 5도는 도면 4도의 원 안을 확대하여 나타낸 도면으로서, 전류제어주기를 10으로 세분화하였을 때의 예를 보여주는 도면이다.

도면 5도에서 적색의 기준전압(S100)을 구현하기 위하여 0부터 9로 표시된 부분에서 위의 과정을 반복하면 6에서 스위치 변화가 생길 때 초기 온 개수가 변화하므로 한 개의 스위치(110)가 오프됨으로써 근사적인 펄스 폭 변조가 구현된다.

요약하면, 기존의 방법은 크게 캐리어로부터 초기 온 개수를 구하는 단계와 이 결과를 이용하여 밸런싱 알고리즘을 적용하는 단계로 이루어진다.

이러한 모둘라 멀티 레벨 컨버터에서 기존의 방식인 피에스 캐리어(PS[Phase shifted] Carrier)를 사용하여 펄스 폭 변조를 구현한 방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 펄스 폭 변조를 구현하기 위해 전류제어주기보다 더 빠른 주기로 밸런스 알고리즘(Balancing Algorithm)을 수행하여야 하는 문제점이 있었다.

둘째, 하드웨어로 피에스 캐리어를 만들어야 하는데, 수십 레벨의 경우만 하더라도 수십 개의 피에스 캐리어를 발생시켜야 하는 문제점이 있었다.

셋째, 수십 레벨에 해당하는 피에스 캐리어의 개수만큼 펄스 폭 변조 발생부에 수십 개의 입력 포트를 할당해야 하며, 펄스 폭 변조 발생부 내부에도 수십 개의 변수를 할당해야 하는 문제점이 있었다.

넷째, 위에 서술한 방법에서도 기준전압에 대한 오차는 세분화 정도에 따라 남아있게 되어, 전류제어주기보다 더 빠른 주기로 전체 프로그램을 실행시켜야 하므로 속도와 계산량 측면에서 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 캐리어(Carrier)를 사용하지 않고, 밴드(Band)와 피에이치(Ph)를 사용해서 피에스 펄스 폭 변조(PS[Phase shifted] PWM) 및 피디 펄스 폭 변조(PD[Phase Disposition] PWM) 방법을 제공하고자 한다.

또한, 레벨이 증가하여도 연산량이 증가하지 않는 간단한 펄스 폭 변조방법을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 피에스 펄스 폭 변조방식(PS PWM, Phase shifted pulse width modulation)으로 구동하는 변조 방법에 관한 것으로서, 상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 R 상을 담당하는 상부 암(Arm)에 구비되는 서브 모듈들의 개수(N_SM)를 입력받는 단계; 상기 R 상을 담당하는 상부 암과 하부 암에 걸리는 전체 직류전압의 값(Vdc_total)을 입력받는 단계; 상기 R 상을 담당하는 상부 암의 서브 모듈들을 구동하기 위한 기준전압(Vref_RU)의 값을 입력받는 단계; 상기 Vdc_total을 상기 N_SM으로 나누어 상기 R 상을 담당하는 상부 암의 각 서브 모듈에 인가되는 전압값(Vdc_SM)이 계산되는 단계; 상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계; 0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계; 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계; 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계; 상기 시퀀스가 온 시퀀스이면 시퀀스에 따라 온 스위치의 개수 변화를 나타내는 변수인 NT_del_seq가 '+1'로 정의되고, 상기 시퀀스가 오프 시퀀스이면 상기 NT_del_seq가 '-1'로 정의되는 단계; 상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계; 상기 NT_on_init에 상기 NT_del_seq를 더하여 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수인 NT_on_final이 계산되는 단계; 상기 NT_on_init에 이전 기설정된 전류제어주기의 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수의 차이인 NT_on_final_o를 뺌으로서 온 개수 차이(NT_del_init)가 계산되는 단계; 및 상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계는 Vref_RU를 Vdc_SM으로 나눈 값을 정수화함으로써 상기 R상 상부 암의 Band_RU가 결정되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계는 상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 펄스 폭 변조가 처음 시작되는 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 0의 값을 가지고, 그 다음의 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 1의 값을 가지며, 그 다음의 각각의 기설정된 전류제어주기 동안은 바로 이전의 기설정된 전류제어주기 동안에 저장된 Ph_RU의 값과는 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계는 상기 Band_RU가 홀수인 경우에는 Band_RU에 Ph_RU를 더하여 상기 NT_on_init를 계산하고, 상기 Band_RU가 짝수인 경우에는 Band_RU에 1을 더한 값에 Ph_RU를 가감하여 상기 NT_on_init를 계산하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계는 상기 Band_RU에 상기 Ph_RU를 더한 값이 홀수이면 상기 시퀀스를 온 시퀀스로 결정하고, 상기 Band_RU에 상기 Ph_RU를 더한 값이 짝수이면 상기 시퀀스를 오프 시퀀스로 결정하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계는

을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 T_pwm이 정수화되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계는 상기 기설정된 전류제어주기가 시작되면 NT_del_init의 값으로 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하고, 상기 시퀀스에 의한 스위칭 업데이트는 상기 T_pwm 혹은 상기 T_pwm에 해당하는 카운터 개수(N_Pwm) 개수 후에 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 피디 펄스 폭 변조방식(PD PWM, Phase dispositional pulse width modulation)으로 구동하는 변조 방법에 관한 것으로서, 상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 R 상을 담당하는 상부 암(Arm)에 구비되는 서브 모듈들의 개수(N_SM)를 입력받는 단계; 상기 R 상을 담당하는 상부 암과 하부 암에 걸리는 전체 직류전압의 값(Vdc_total)을 입력받는 단계; 상기 R 상을 담당하는 상부 암의 서브 모듈들을 구동하기 위한 기준전압(Vref_RU)의 값을 입력받는 단계;상기 Vdc_total을 상기 N_SM으로 나누어 상기 R 상을 담당하는 상부 암의 각 서브 모듈에 인가되는 전압값(Vdc_SM)이 계산되는 단계; 상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계; 0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계; 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계; 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계; 상기 시퀀스가 온 시퀀스이면 시퀀스에 따라 온 스위치의 개수 변화를 나타내는 변수인 NT_del_seq가 '+1'로 정의되고, 상기 시퀀스가 오프 시퀀스이면 상기 NT_del_seq가 '-1'로 정의되는 단계; 상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계; 상기 NT_on_init에 상기 NT_del_seq를 더하여 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수인 NT_on_final이 계산되는 단계; 상기 NT_on_init에 이전 기설정된 전류제어주기의 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수의 차이인 NT_on_final_o를 뺌으로서 온 개수 차이(NT_del_init)가 계산되는 단계; 상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계는 Vref_RU를 Vdc_SM으로 나눈 값을 정수화함으로써 상기 R상 상부 암의 Band_RU가 결정되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계는 상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 펄스 폭 변조가 처음 시작되는 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 0의 값을 가지고, 그 다음의 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 1의 값을 가지며, 그 다음의 각각의 기설정된 전류제어주기 동안은 바로 이전의 기설정된 전류제어주기 동안에 저장된 Ph_RU의 값과는 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계는 상기 Band_RU에 상기 Ph_RU를 더하여 상기 NT_on_init가 계산되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계는 상기 Ph_RU가 0일때 온 시퀀스로 결정되고, 상기 Ph_RU가 1일때 오프 시퀀스로 결정되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계는

를 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 T_pwm이 정수화되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

또한, 상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계는 상기 기설정된 전류제어주기가 시작되면 NT_del_init의 값으로 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하고, 상기 시퀀스에 의한 스위칭 업데이트는 상기 T_pwm 혹은 상기 T_pwm에 해당하는 카운터 개수(N_Pwm) 개수 후에 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 캐리어를 사용하지 않고도 펄스 폭 변조를 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 멀티 레벨 컨버터의 레벨 수가 증가하여도 변수 혹은 계산량이 증가하지 않는 효과가 있다.

셋째, 펄스 폭 변조를 전류제어주기와 동일한 주기에 수행할 수 있다는 효과가 있다.

넷째, 직접적으로 캐리어를 사용하지 않으므로 Band와 Ph를 이용하여 다양한 펄스 폭 변조 방식을 구현할 수 있다는 효과가 있다.

도면 1도는 전압형 컨버터의 한 종류인 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 사용한 초고압 직류송전 시스템에 대한 회로도를 보여주는 도면이다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터에서 채용된 서브 모듈의 내부 회로도를 보여주는 도면이다.
도면 3도는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 R상 상부 암의 내부 회로도를 보여주는 도면이다.
도면 4도는 기존의 방법인 피에스 캐리어를 이용하여 펄스 폭 변조를 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 하나의 암에서 구현하는 방식을 보여주는 도면이다.
도면 5도는 도면 4도의 원 안을 확대하여 나타낸 도면으로서, 전류제어주기를 10으로 세분화하였을 때의 예를 보여주는 도면이다.
도면 6도는 기존의 피에스 캐리어를 이용한 방법과 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Band 및 Ph를 이용하여 변조한 방법을 비교하여 설명하기 위하여 준비된 도면이다.
도면 7도는 온 시퀀스에서 펄스 폭 변조를 위한 게이트 변조 시간을 계산하는 방법을 보여주는 도면이다.
도면 8도는 오프 시퀀스에서의 펄스 폭 변조를 위한 게이트 변조 시간을 계산하는 방법을 보여주는 도면이다.
도면 9도는 기존의 피디 캐리어(PD carrier)와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Band 및 Ph의 관계를 설명하기 위하여 서브 모듈이 10개인 11레벨에 대해 같은 시간 축에 캐리어와 변수 값을 나타낸 도면이다.
도면 10도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조방법이 타당한지를 검증한 결과를 보여주는 시뮬레이션 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변조 방법을 설명하기 위해서는 두 가지 변수가 먼저 정의될 수 있다. 하나는 표 2에 나타난 밴드(Band)이다. 이러한 밴드는 기준전압에 의해서 결정될 수 있다.

(표 2)

밴드를 계산하는 방법은 다음과 같다.

(수식 1)

위의 식에서 Vdc_total은 전체 직류전압을 나타내는 상수 값이며, N_SM은 암(Arm) 당 서브 모듈(100)의 수로서 표에서는 10개의 예로 나타내었다. 나머지 기호표시는 앞에서 설명한 기호 표시와 동일한 의미를 가리킨다.

기준전압인 Vref_RU는 0과 Vdc_total 사이에 위치하는 값으로, 결국 밴드는 기준전압인 Vref_RU를 서브 모듈(100)이 가지는 기준전압으로 정수화한 값이 될 수 있다. Vdc_total이 20000이고, N_SM이 10으로 정해진다고 가정하면, Band_RU는 0 에서 9 까지를 갖는 정수 값이 된다. 즉, 표 2와 같이 되며, (수식 1)로 표현된 밴드는 레벨 수가 증가하여도 프로그램의 변수 및 계산량이 일정함을 보여준다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변조 방법을 설명하기 위하여 필요한 또 하나의 변수는 피에이치(Ph)로서 0과 1의 교번값을 가지도록 정의될 수 있다.

표 3은 이러한 Ph가 가질 수 있는 값을 나타낸 것으로서, 펄스 폭 변조가 시작되는 최초의 전류제어주기 동안은 0의 값을 가지며 그 다음 전류제어주기에서는 1의 값을 가질 수 있다. 즉, ph는 전류제어주기가 시작하면서 0과 1의 값을 교번하여 가질 수 있다. 이러한 ph는 레벨과는 무관한 변수이므로, 레벨 수가 증가하여도 계산량에는 변화가 없다.

(표 3)

도면 6도는 기존의 피에스 캐리어를 이용한 방법과 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Band 및 Ph를 이용하여 변조한 방법을 비교하여 설명하기 위하여 준비된 도면이다.

도면 6도에서 서브 모듈(100)이 10개인 11레벨에 대하여 같은 시간 축에 캐리어와 변수 값이 함께 표시된 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래의 방법에서는 실제로 캐리어를 발생시켜 펄스 폭 변조를 수행한 반면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변조 방법에서는 Y축에는 Band를, X축에는 Ph라는 변수를 할당하여 펄스 폭 변조를 구현하였다.

표 4는 도면 6으로부터 확인할 수 있는 기존의 피에스 캐리어에서 직접 얻은 초기 온 개수(NT_on_init)를 Band와 Ph를 사용하여 구하는 과정을 보여주는 도면이다.

(표 4)

예를 들어, 도면 6도에서 기준전압이 Band_RU = 0과 Ph_RU = 0에 위치할 경우 초기 온 개수는 1이고, Band_RU = 0과 Ph_RU = 1에 위치할 경우 초기 온 개수는 0이다.

같은 기준전압인 Band_RU = 0과 Ph_RU = 1에 위치할 경우 초기 온 개수를 표 4를 통해서 구하게 되면, "NT_on_init = Band_RU+1-Ph_RU"에서 Ph_RU=0이면 초기 온 개수는 1이 되며, Ph_RU = 1이면 0이 되어 캐리어를 사용한 종래의 방법과 동일한 초기 온 개수를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.

전류제어주기가 여러 스텝이 진행되어도 같은 Band에서는 캐리어의 기울기가 교번하는 특징이 있으므로, Band가 홀수 또는 짝수인지에 따라 같은 캐리어가 사용되므로, 초기 온 개수는 이들 관계들로부터 공통적인 특성을 추출하여 확인할 수 있다.

표 4를 통하여, 펄스 폭 변조의 기준 전압인 Vref_RU로부터 얻어지는 Band_RU가 홀수이면 초기 온 개수는 "Band_RU+Ph_RU"가 되며, 짝수이면 초기 온 개수는 "Band_RU+1-Ph_RU"가 됨을 알 수 있으며, 이를 정리하면 표 5와 같이 나타낼 수 있다.

(표 5)

정리하여 설명하면, Band_RU는 기준전압으로부터 수식 1을 통하여 정해질 수 있으며, Ph_RU는 전류제어주기가 진행되면서 0과 1이 교번되는 값이므로 초기 온 개수는 Band_RU가 홀수 혹은 짝수인지에 따라 표5에 나타낸 수식처럼 계산된다. 즉, 표 5에 나타낸 관계식은 레벨이 증가하여도 변수 및 계산량이 증가하지 않음을 나타낼 수 있다. 또한, 전류제어주기 동안 스위치(110)가 펄스 폭 변조되지 않고 온 혹은 오프를 유지하는 변조방법을 사용한다면 표 5의 초기 온 개수를 사용하여 구현할 수 있다.

그러나, 한 전류제어주기동안 스위치(110)가 온에서 오프(오프 시퀀스) 혹은 오프에서 온(온 시퀀스)으로 상태가 변하는 펄스 폭 변조방법을 사용한다면, 현재의 전류제어주기가 오프 시퀀스인지 혹은 온 시퀀스인지를 결정하여야 한다.

다음의 표 6은 피에스 캐리어의 온 시퀀스(On_seq)와 오프 시퀀스(Off_seq)를 분석하여 보여주는 표이다.

(표 6)

각각의 경우에서 Band와 Ph를 더한 값의 상태를 분석하였더니 홀수이면 온 시퀀스를, 짝수이면 오프 시퀀스를 보여주는 것을 확인할 수 있었다.

표 7은 표 6을 요약하여 보여주는 표이다.

(표 7)

표 7에서 Band_RU와 Ph_RU를 더한 값이 홀수이면 온 시퀀스임을, 짝수이면 오프 시퀀스임을 확인할 수 있다. 따라서, 온 시퀀스의 경우 NT_del_seq = (+ 1)로 정의하며, 오프 시퀀스인 경우 NT_del_seq = (-1)로 정의할 수 있다. 즉, NT_del_seq는 시퀀스에 따른 온 스위치(110)의 변수를 의미할 수 있다. 그리고, 이러한 표 7에 나타난 관계식은 레벨이 증가하여도 변수 및 계산량이 증가하지 않는 것을 보여준다.

현재의 전류제어주기가 온 시퀀스인지 혹은 오프 시퀀스인지가 결정되었으면 그 다음은 얼마의 시간 후에 온 혹은 오프로 바뀌는 지를 계산하여야 한다.

도면 7도는 온 시퀀스에서 펄스 폭 변조를 위한 게이트 변조 시간을 계산하는 방법을 보여주는 도면이다.

온 시퀀스의 경우 기준전압은 Vref_RU-Band_RU*Vdc_SM로 변경될 수 있다. 이는 실제로 필요한 시간인 T_pwm을 구하기 위해서 시간과 전압의 비례식을 이용하기 위함이다. 그리고, 여기에서 Vdc_SM은 Vdc_total / N_SM 으로 정의될 수 있다.

(수식 2)

(수식 3)

도면 7도에서 삼각비에 대한 식을 수식 2와 같이 나타낼 수 있으며, 수식 3과 같이 T_pwm을 계산할 수 있다.

도면 8도는 오프 시퀀스에서의 펄스 폭 변조를 위한 게이트 변조 시간을 계산하는 방법을 보여주는 도면이다.

(수식 4)

(수식 5)

온 혹은 오프 시퀀스에 따라 스위칭이 변하는 시간은 각각 수식 3과 수식 5로 계산될 수 있다. 또한, 수식 3과 수식 5는 시퀀스와 Band만 결정되면 스위칭이 변하는 시간을 계산할 수 있음을 보여준다.

T_pwm은 부동 소수점으로 연산되는 값이므로 실제 디지털 하드웨어 구현을 위해서는 정수화 과정이 필요할 수 있다. 전류제어주기 시간에 해당하는 카운터의 개수를 N_cnt라고 정의하면, T_pwm 시간에 해당하는 카운터 개수(N_pwm)은 다음의 수식 6의 비례식에 의하여 수식 7처럼 계산될 수 있다.

(수식 6)

(수식 7)

도면 5도와 같이 기존의 피에스 캐리어를 직접 사용한 방법은 N_cnt가 10인 경우에 올림을 사용하는 방식과 유사하다.

이와 같은 기존의 방법은 서브 모듈(100)의 수와 같은 캐리어를 필요로 할 뿐만 아니라 정밀도를 높이기 위해서 전류제어주기를 더욱 세분화하여야 하는데 이는 점점 더 짧은 시간에 같은 량의 연산을 해야되는 단점을 가진다.

이에 반하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법은 캐리어가 필요하지 않으며, 전류제어주기 동안에 한번만 연산한 후 그 카운터를 이용하여 스위치(110)의 상태를 변경할 수 있으며, 카운터의 비트 수에 의한 정밀도가 기존의 방법보다 훨씬 증가되는 장점을 가진다.

표 8은 도면 6도의 피에스 캐리어에서 기준전압 변화에 따른 시퀀스 및 초기 온 개수와 최종 온 개수를 구하여 정리한 것을 보여주는 표이다.

기존의 방법은 현재 전류제어주기의 초기 온 개수(NT_on_init)와 이전 전류제어주기의 초기 온 개수(NT_on_init_o)의 차이를 이용하여 초기 온 개수의 차이(NT_del_init)를 구하였다.

기존 방법의 경우 표 8의 11번째 전류제어주기에서 NT_del_init = NT_on_init - NT_on_init_o = 9 - 8 = 1 이 되지만, 실제로는 9 - 7 = 2가 된다.

따라서, 기존방법과 같이 초기 온 개수의 차이를 구하게 되면 특정 조건에서 잘못된 기준전압을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법에서는 초기 온 개수의 차이는 다음과 같이 계산하여 이를 해결하고자 한다.

(수식 8)

(수식 9)

현재의 전류제어주기에서 초기 온 개수(NT_on_init)는 표 4와 같이 구해질 수 있으며, 최종 온 개수(NT_on_final)은 수식 8에 의하여 계산될 수 있다. 초기 온 개수의 차이(NT_del_init)는 수식 9처럼 현재의 전류제어주기에서의 초기 온 개수(NT_on_init)와 이전의 전류제어주기에서의 최종 온 개수와의 차이(NT_on_final_o)로 계산될 수 있다. 표 8에서처럼 초기 온 개수의 차이가 0인 경우는 스위치(110)의 변화가 없게 된다.

결국 스위치(110)의 온 개수의 변화는 초기 온 개수의 차이로 인한 성분과 온 혹은 오프 시퀀스에 의한 성분으로 구별될 수 있다. 수식 9로 계산되는 초기 온 개수의 차이는 펄스 폭 변조 방법에 따라 다른 특성을 가지게 되며, 표 7로 계산되는 온 혹은 오프 시퀀스에 의한 온 개수 차이는 온 시퀀스일 경우 (+1)을, 오프 시퀀스일 경우 (-1)을 가지며 항상 전류제어주기동안 1번 발생하게 된다.

초기 온 개수의 차이에 의해 스위칭이 될 경우는 전류제어주기가 시작되면 먼저 스위칭이 되도록 스위칭을 업데이트 하며 시퀀스에 의한 스위칭은 T_pwm 시간 후에 혹은 N_pwm 개수 후에 스위칭을 업데이트 한다.

어떤 스위치(110)가 온 혹은 오프될 것인지는 앞서 설명한 기존의 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있다. 암 전류 방향과 현재 스위칭 및 변하는 스위칭 상태를 고려하여 서브 모듈(100)의 전압이 충전되는지 혹은 방전되는지를 결정하여 서브 모듈(100)의 전압 변화가 가장 적게 발생하고, 스위칭 횟수가 가장 적게 일어나도록 스위치 온, 오프를 결정하게 된다.

도면 9도는 기존의 피디 캐리어(PD carrier)와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Band 및 Ph의 관계를 설명하기 위하여 서브 모듈(100)이 10개인 11레벨에 대해 같은 시간 축에 캐리어와 변수 값을 나타낸 도면이다.

피디 캐리어(PD carrier)를 사용하여 펄스 폭 변조를 구현하는 방법도 앞서 설명한 피에스 캐리어(PS carrier)를 사용한 방법과 유사하다. 다만, 도면 9도와 같은 캐리어를 사용하므로 초기 온 개수와 시퀀스 등에서만 차이가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법에 의해서 고안된 Band 및 시퀀스(Sequence)의 개념을 피디 캐리어에 적용하여 캐리어 없이 펄스 폭 변조를 구현할 수 있다.

표 9는 도면 9도의 기존의 피디 캐리어에서 초기 온 개수(NT_on_init)를 Band와 Ph를 사용하여 구하는 과정을 나타낸 표이다. 예를 들어, 도면 9도에서 기준전압이 Band_RU=0과 Ph_RU=0에 위치할 경우 초기 온 개수는 0이고, Band_RU=0과 Ph_RU=1에 위치할 경우 초기 온 개수는 1이다.

같은 기준전압인 Band_RU=0에 대해 초기 온 개수를 표 9에서 구하게 되면 "NT_on_init = Band_RU+Ph_RU"와 같게 된다. 피디 캐리어의 경우에 초기 온 개수는 Band와 Ph가 변하더라도, 항상 "NT_on_init=Band_RU+Ph_RU"와 같은 관계식을 가지게 된다.

또한, 피디 캐리어의 온, 오프 시퀀스는 Ph가 0인 경우 온 시퀀스가 되며, Ph가 1일 경우는 오프 시퀀스가 될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방식을 요약하면 다음과 같이 정리할 수 있다.

먼저, 피에스 캐리어 방식의 펄스 폭 변조 방식에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터가 적용되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, Band와 Ph를 정의하는 과정을 거칠 수 있다. Vref_RU로부터 Band_RU는 표 2와 수식 1의 방식으로 구할 수 있으며, Ph_RU는 표 3에서 살펴본 방식으로 구하는 과정을 거칠 수 있다.

둘째, 초기 온 개수(NT_on_init)를 계산하는 단계를 거칠 수 있다. 초기 온 개수는 표 5의 방식을 통하여 구할 수 있다.

셋째, 온 시퀀스(On_seq)와 오프 시퀀스(Off_seq)를 결정하고 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)를 구하는 단계를 거칠 수 있다. 온 혹은 오프 시퀀스는 표 7에 나타낸 방식으로 결정할 수 있으며, 온 시퀀스이면 NT_del_seq = (+1), 오프 시퀀스이면 NT_del_seq = (-1)로 정의할 수 있다.

넷째, 온 혹은 오프 시퀀스에 따른 T_pwm이 계산되는 단계를 거칠 수 있다. 온 시퀀스의 경우에는 수식 3에 따라서, 오프 시퀀스의 경우에는 수식 5에 따라서 T_pwm이 계산될 수 있다. 그리고, 이러한 T_pwm은 수식 7에 의하여 정수화될 수 있다.

다섯째, 초기 온 개수 차이(NT_del_init)를 계산하는 단계를 거칠 수 있다.현재 전류제어주기에서 초기 온 개수(NT_on_init)와 이전 전류제어 주기에서 최종 온 개수(NT_on_final_o)의 차로 정의되는 초기 온 개수 차이(NT_del_init)가 계산될 수 있다.

여섯째, 초기 온 개수 차이(NT_del_init)만큼 스위칭 업데이트가 실시될 수 있다. 서브 모듈(100)의 전압에 대하여 민 맥스 소팅(Min, Max Sorting) 알고리즘의 적용 및 암 전류 방향에 따라 NT_del_init만큼 스위치(110)를 온 하거나 오프 시킬 수 있다.

일곱째, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트할 수 있다. 서브 모듈(100)의 전압에 대해 민 맥스 소팅(Min, Max Sorting) 알고리즘의 적용 및 암 전류 방향에 따라 T_pwm 시간 혹은 정수화된 N_pwm 개수 뒤에 NT_del_seq (+1 혹은 -1)만큼 스위치(110)를 온 하거나 오프하는 과정을 거칠 수 있다.

피디 캐리어 방식의 펄스 폭 변조 방식에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터가 적용되는 과정도 이와 유사하게 적용될 수 있다.

첫째, Band와 Ph를 정의하는 과정을 거칠 수 있다. Vref_RU로부터 Band_RU는 표 2와 수식 1의 방식으로 구할 수 있으며, Ph_RU는 표 3에서 살펴본 방식으로 구하는 과정을 거칠 수 있다.

둘째, 초기 온 개수(NT_on_init)를 계산하는 단계를 거칠 수 있다. 초기 온 개수는 표 9의 방식을 통하여 구할 수 있다.

셋째, 온 시퀀스(On_seq)와 오프 시퀀스(Off_seq)를 결정하고 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)를 구하는 단계를 거칠 수 있다. 온 혹은 오프 시퀀스는 표 9에 나타낸 방식으로 결정할 수 있으며, 온 시퀀스이면 NT_del_seq = (+1), 오프 시퀀스이면 NT_del_seq = (-1)로 정의할 수 있다.

넷째, 온 혹은 오프 시퀀스에 따른 T_pwm이 계산되는 단계를 거칠 수 있다. 온 시퀀스의 경우에는 수식 5에 따라서, 오프 시퀀스의 경우에는 수식 5에 따라서 T_pwm이 계산될 수 있다. 그리고, 이러한 T_pwm은 수식 7에 의하여 정수화될 수 있다.

다섯째, 초기 온 개수 차이(NT_del_init)를 계산하는 단계를 거칠 수 있다.현재 전류제어주기에서 초기 온 개수(NT_on_init)와 이전 전류제어 주기에서 최종 온 개수(NT_on_final_o)의 차로 정의되는 초기 온 개수 차이(NT_del_init)가 계산될 수 있다.

여섯째, 초기 온 개수 차이(NT_del_init)만큼 스위칭 업데이트가 실시될 수 있다. 서브 모듈(100)의 전압에 대하여 민 맥스 소팅(Min, Max Sorting) 알고리즘의 적용 및 암 전류 방향에 따라 NT_del_init만큼 스위치(110)를 온 하거나 오프 시킬 수 있다.

일곱째, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트할 수 있다. 서브 모듈(100)의 전압에 대해 민 맥스 소팅(Min, Max Sorting) 알고리즘의 적용 및 암 전류 방향에 따라 T_pwm 시간 혹은 정수화된 N_pwm 개수 뒤에 NT_del_seq (+1 혹은 -1)만큼 스위치(110)를 온 하거나 오프하는 과정을 거칠 수 있다.

도면 10도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조방법이 타당한지를 검증한 결과를 보여주는 시뮬레이션 그래프로서, 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 인버터로 동작시켰을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도면 10 (a)는 피에스 캐리어를 사용한 기존의 방법으로 시뮬레이션한 결과를 보여주며, 도면 10 (b)는 캐리어를 사용하지 않고 피에스 방법을 Band와 Sequence를 이용하여 구현한 결과를 보여준다. 그리고, 도면 10 (c)는 캐리어를 사용하지 않고 피디 방법을 Band와 Sequence를 이용하여 구현한 결과를 보여준다. 세 가지 방법에 대하여 동일한 제어기, 동일한 변수, 동일한 시나리오로 시뮬레이션을 실시하였다.

N_SM = 10인 경우로 11 레벨에 해당하며, 전체 직류전압(Vdc_total)은 20000V 이므로 각 SM의 커패시터 전압은 2000V가 된다.

시뮬레이션은 0.0 ~ 0.5 초간은 서브 모듈(100)의 커패시터(120)가 초기 충전 상태를 유지하고, 0.5 ~ 1.5 초간은 펄스 폭 변조를 시작하고, 유효전류는 0으로 제어하는 상태로, 1.5 ~ 2.5 초간은 유효전류를 100 %로 제어하는 방식으로 수행하였다. 그리고, 2.5 ~ 3.5 초간은 유효전류를 50 %로 제어하는 방식으로 수행하였다.

도면 10도에서 좌측의 도면은 R상 상위 암과 하위 암의 각 10개에 대한 서브 모듈(100)의 커패시터(120)의 전압을 나타낸 파형이다. 좌측 파형을 비교하였을 때, 기존의 방법과 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법 모두 비슷한 제어 결과를 얻고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 캐리어를 사용하지 안해도 기존방법과 거의 동일한 제어 결과를 얻고 있음을 확인할 수 있으므로 펄스 폭 변조가 제대로 구현되고 있음을 확인할 수 있다.

도면 10도의 우측의 도면은 각 방법에 대한 스위칭 횟수를 카운터한 결과를 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 서브 모듈
110 : 스위치
120 : 커패시터
130 : 인덕터

Claims (16)

1. 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 피에스 펄스 폭 변조방식(PS PWM, Phase shifted pulse width modulation)으로 구동하는 변조 방법에 관한 것으로서,
   상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 R 상을 담당하는 상부 암(Arm)에 구비되는 서브 모듈들의 개수(N_SM)를 입력받는 단계;
   상기 R 상을 담당하는 상부 암과 하부 암에 걸리는 전체 직류전압의 값(Vdc_total)을 입력받는 단계;
   상기 R 상을 담당하는 상부 암의 서브 모듈들을 구동하기 위한 기준전압(Vref_RU)의 값을 입력받는 단계;
   상기 Vdc_total을 상기 N_SM으로 나누어 상기 R 상을 담당하는 상부 암의 각 서브 모듈에 인가되는 전압값(Vdc_SM)이 계산되는 단계;
   상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계;
   0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계;
   상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계;
   상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계;
   상기 시퀀스가 온 시퀀스이면 시퀀스에 따라 온 스위치의 개수 변화를 나타내는 변수인 NT_del_seq가 '+1'로 정의되고, 상기 시퀀스가 오프 시퀀스이면 상기 NT_del_seq가 '-1'로 정의되는 단계;
   상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계;
   상기 NT_on_init에 상기 NT_del_seq를 더하여 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수인 NT_on_final이 계산되는 단계;
   상기 NT_on_init에 이전 기설정된 전류제어주기의 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수의 차이인 NT_on_final_o를 뺌으로서 온 개수 차이(NT_del_init)가 계산되는 단계; 및
   상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계는
   상기 Vref_RU를 상기 Vdc_SM으로 나눈 값을 정수화함으로써 상기 R상 상부 암의 Band_RU가 결정되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계는
   상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 펄스 폭 변조가 처음 시작되는 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 0의 값을 가지고,
   그 다음의 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 1의 값을 가지며,
   그 다음의 각각의 기설정된 전류제어주기 동안은 바로 이전의 기설정된 전류제어주기 동안에 저장된 Ph_RU의 값과는 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계는
   상기 Band_RU가 홀수인 경우에는 Band_RU에 Ph_RU를 더하여 상기 NT_on_init를 계산하고,
   상기 Band_RU가 짝수인 경우에는 Band_RU에 1을 더한 값에 Ph_RU를 가감하여 상기 NT_on_init를 계산하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계는
   상기 Band_RU에 상기 Ph_RU를 더한 값이 홀수이면 상기 시퀀스를 온 시퀀스로 결정하고,
   상기 Band_RU에 상기 Ph_RU를 더한 값이 짝수이면 상기 시퀀스를 오프 시퀀스로 결정하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계는
   

   

   
   을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 T_pwm이 정수화되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계는
   상기 기설정된 전류제어주기가 시작되면 NT_del_init의 값으로 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하고,
   상기 시퀀스에 의한 스위칭 업데이트는 상기 T_pwm 혹은 상기 T_pwm에 해당하는 카운터 개수(N_Pwm) 개수 후에 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
9. 모둘라 멀티 레벨 컨버터를 피디 펄스 폭 변조방식(PD PWM, Phase dispositional pulse width modulation)으로 구동하는 변조 방법에 관한 것으로서,
   상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 R 상을 담당하는 상부 암(Arm)에 구비되는 서브 모듈들의 개수(N_SM)를 입력받는 단계;
   상기 R 상을 담당하는 상부 암과 하부 암에 걸리는 전체 직류전압의 값(Vdc_total)을 입력받는 단계;
   상기 R 상을 담당하는 상부 암의 서브 모듈들을 구동하기 위한 기준전압(Vref_RU)의 값을 입력받는 단계;
   상기 Vdc_total을 상기 N_SM으로 나누어 상기 R 상을 담당하는 상부 암의 각 서브 모듈에 인가되는 전압값(Vdc_SM)이 계산되는 단계;
   상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계;
   0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계;
   상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계;
   상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계;
   상기 시퀀스가 온 시퀀스이면 시퀀스에 따라 온 스위치의 개수 변화를 나타내는 변수인 NT_del_seq가 '+1'로 정의되고, 상기 시퀀스가 오프 시퀀스이면 상기 NT_del_seq가 '-1'로 정의되는 단계;
   상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계;
   상기 NT_on_init에 상기 NT_del_seq를 더하여 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수인 NT_on_final이 계산되는 단계;
   상기 NT_on_init에 이전 기설정된 전류제어주기의 상기 서브 모듈들의 최종 온 개수의 차이인 NT_on_final_o를 뺌으로서 온 개수 차이(NT_del_init)가 계산되는 단계;
   상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 Vref_RU 및 상기 Vdc_SM를 이용하여 상기 R 상 상부 암의 밴드 값(Band_RU)이 계산되는 단계는
    Vref_RU를 Vdc_SM으로 나눈 값을 정수화함으로써 상기 R상 상부 암의 Band_RU가 결정되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 0과 1의 값을 기설정된 전류제어주기(Ts)동안 교번해서 가지는 피에이치(Ph_RU)가 입력되는 단계는
    상기 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 펄스 폭 변조가 처음 시작되는 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 0의 값을 가지고,
    그 다음의 기설정된 전류제어주기 동안은 상기 Ph_RU가 1의 값을 가지며,
    그 다음의 각각의 기설정된 전류제어주기 동안은 바로 이전의 기설정된 전류제어주기 동안에 저장된 Ph_RU의 값과는 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 초기 온 개수(NT_on_init)가 계산되는 단계는
    상기 Band_RU에 상기 Ph_RU를 더하여 상기 NT_on_init가 계산되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
13. 제9항에 있어서,
    상기 Band_RU와 상기 Ph_RU를 이용하여 상기 서브 모듈들의 시퀀스(Seq)가 온 시퀀스(On_Seq) 또는 오프 시퀀스(Off_Seq)인지 여부가 결정되는 단계는
    상기 Ph_RU가 0일때 온 시퀀스로 결정되고,
    상기 Ph_RU가 1일때 오프 시퀀스로 결정되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
14. 제9항에 있어서,
    상기 Vref_RU, 상기 Band_RU, 상기 Vdc_SM 및 상기 Ts를 입력받아서 상기 서브 모듈들이 온 또는 오프로 바뀌는 시간인 T_pwm이 계산되는 단계는
    

    

    
    를 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
15. 제10항에 있어서,
    상기 T_pwm이 정수화되는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
16. 제9항에 있어서,
    상기 초기 온 개수 차이(NT_del_init) 만큼 스위칭을 업데이트 한 후, 시퀀스에 의한 온 개수 차이(NT_del_seq)만큼 스위칭을 업데이트 하는 단계는
    상기 기설정된 전류제어주기가 시작되면 NT_del_init의 값으로 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하고,
    상기 시퀀스에 의한 스위칭 업데이트는 상기 T_pwm 혹은 상기 T_pwm에 해당하는 카운터 개수(N_Pwm) 개수 후에 상기 서브 모듈의 스위치를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 모둘라 멀티 레벨 컨버터의 변조 방법.
    
    
    

Images