KR101971701B1 - Fpga를 사용한 고속 스위칭 구동장치 - Google Patents

Fpga를 사용한 고속 스위칭 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 IGBT의 스위칭 회로와 스위칭 명령을 인가할 수 있는 FPGA 장치를 함께 구성함으로써 고속으로 작동하고 대전력을 사용하는 장치에 적합하도록 한 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치에 관한 것으로, 사용자에 의해 발생시간, 유지시간 등이 정해진 특정 스위칭 모드를 선택할 수 있도록 한 사용자 입력부와, 상기 사용자 입력부와 연결되어 상기 특정 스위칭 모드에 따라서 제어명령을 생성하고 상기 제어명령에 해당되는 스위칭이 이루어질 수 있도록 드라이버부에 신호를 전달하는 제어부와, 상기 제어부와 연결되고 상기 제어부에서 생성된 신호를 전달받아 고속의 신호를 생성하여 스위칭부로 전달하고 FPGA 소자로 이루어지는 드라이버부와, 상기 드라이버부와 연결되어 상기 FPGA에서 생성된 신호를 전송받아 스위칭을 수행하고 IGBT 소자로 이루어지는 스위칭부와, 상기 스위칭부와 연결되어 생성되는 신호의 상태를 검출하여 상기 드라이버부로 전송하는 피드백부 및 상기 스위칭부와 상기 피드백부를 거쳐서 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치가 제공된다.

Description

FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치{SWITCHING DRIVING DEVICE USING FPGA }
본 발명은 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IGBT의 스위칭 회로와 스위칭 명령을 인가할 수 있는 FPGA 장치를 함께 구성함으로써 고속으로 작동하고 대전력을 사용하는 장치에 적합하도록 한 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력 네트워크의 발전기들과 같이 대전력을 사용하는 장치는 고정된 전압과 주파수에서 작동된다. 따라서 이들 대전력을 사용하는 장치는 특정 전압과 주파수를 가지는 특정 타입의 장비들과 연결되는데, 이때 대개 전력 컨버터들에 의해 연결된다. 특히, 최근에 들어 산업발전에 따라 설비가 대용량화와 고압화되는 추세에 따라 고압 대용량의 컨버터 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다.
이와 같이 대전력을 사용하는 장치를 특정 타입의 장비와 연결시키는 전력 컨버터에는 전력 변환 또는 전력 제어용으로서 사용되는 전력 제어용 반도체 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(MetalOxide Semi-conductor Field Effect Transistor) 등이 사용된다.
컨버터에 반도체 스위칭 소자가 사용되는 것은 동작 대기 시에 소비전력을 최소화할 수 있기 때문인데, 점차적으로 보다 낮은 소비전력이 소모되는 스위칭 전원장치에 대한 요구가 강하게 대두되고 있다.
예를 들면, 대상 기기의 통상 동작상태에서의 정격부하시 전원을 공급하기 위한 주전원용 스위칭 전원장치와, 기기의 대기 동작상태일 때는 전원을 공급하기 위한 대기모드 전용 스위칭 전원장치를 설치하여 스위칭 전원장치를 이중으로 하기도 한다. 그렇게 되면 기기의 대기 동작상태일 때는 대기모드 전용 스위칭 전원장치로부터 전원을 공급하고 통상 동작상태에서의 정격부하시에는 주전원용 스위칭 전원장치로부터 전원을 공급하도록 함으로써 기기의 동작 모드에 따라 2개의 스위칭 전원장치를 적절하게 구분하여 동작 대시 시에 소비전력을 최소화할 수 있게 된다.
도 1에는 일반적으로 사용되는 종래의 전력 제어용 반도체 스위칭 소자의 구동 회로를 도시하였는데, 이러한 전력 제어용 반도체 스위칭 구동장치는 보통 제어회로(10)와 드라이버 회로(20) 및 스위칭소자(30)를 포함하여 구성된다.
스위칭소자(30)는 상술한 바와 같이 IGBT 또는 MOSFET로 구성될 수 있으며, 에미터, 게이트 및 컬렉터로 구성되어서 에미터와 게이트 간 전압 차에 따라서 온 또는 오프된다. 예를 들면 에미터와 게이트 간 전압 차가 12-20 볼트일 때 스위칭 소자(30)는 온되고, 에미터와 게이트 간 전압 차가 0-11 볼트일 때 스위칭 소자(30)는 오프된다.
여기서 스위칭 소자(30)가 온 상태일 때 에미터와 컬렉터 간 전압 차는 오프 상태의 십 내지 수 십 볼트의 전압에서 2-3 볼트로 낮아지므로, 컬렉터 전압을 검출함에 의해서 스위칭 소자(30)가 온 상태인지 결정할 수 있다. 다만 에미터와 컬렉터 간 흐르는 전류 량에 따라 에미터와 컬렉터 간 전압 차의 변동이 있을 수 있다.
드라이버 회로(20)는 스위칭 소자(30)의 게이트 및 컬렉터에 접속되고, 상기 게이트에 구동 신호를 출력하여 스위칭 소자(30)를 온 상태로 구동하거나 해당 구동 신호의 출력을 중단하여 스위칭 소자(30)를 오프 상태로 만드는 회로이다. 여기서 상기 구동 신호는 예컨대 수 암페어(A) 정도의 전류 신호 또는 예컨대 십 내지 수십 볼트(V)의 전압 신호일 수 있다.
드라이버 회로(20)는 스위칭 소자(30)의 컬렉터로부터 수신한 전압 검출 신호에 따른 전압값과 드라이버 회로(20)의 상태를 나타내는 감시 신호를 제어회로(10)에 제공하게 된다.
제어회로(10)는 드라이버 회로(20)와 연결되어서 드라이버 회로(20)에 연결된 스위칭 소자(30)에 온 또는 오프의 제어 명령을 내릴 수 있는데, 상술한 바와 같이 제어회로(10)는 드라이버 회로(20)가 제공하는 감시 신호를 근거로 스위칭 소자(30)의 온오프 상태를 결정하게 된다.
그런데, 위와 같이 종래의 전력 제어용 반도체 스위칭 소자의 구동 회로는 하나의 드라이버 회로만으로 스위칭 소자의 개폐 및 감시를 수행하는 구성이므로 하나의 드라이버 회로가 손상되면 스위칭 소자의 구동이 모두 마비되는 문제점이 있다.
특히, 대전력을 사용하고 고속으로 작동되는 장치는 전원을 일시적으로 고속 스위칭할 수 있는 구동장치가 요구되는데, 이러한 장치에서는 위와 같은 드라이버 회로의 손상이 빈번하게 발생할 수 있다. 따라서, 대용량에 적합하고 고속에서도 안정적으로 작동할 수 있는 고속 스위칭 구동장치의 개발이 필요하다.
1. 등록특허 제10-1352221호(2014.01.09. 등록) : 전력 네트워크 스위칭 디바이스의 무선 제어
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스위칭 구동장치를 대용량에 적합한 IGBT의 스위칭 소자와 필요한 스위칭 명령을 인가할 수 있는 FPGA 소자가 구비된 스위칭 회로로 구성하여 드라이버 회로가 전원을 일시적으로 고속 스위칭하더라도 드라이버 회로의 손상이 발생하지 않게 함으로써 대전력을 사용하는 장치에 적합한 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치는 사용자에 의해 발생시간, 유지시간 등이 정해진 특정 스위칭 모드를 선택할 수 있도록 한 사용자 입력부와, 상기 사용자 입력부와 연결되어 상기 특정 스위칭 모드에 따라서 제어명령을 생성하고 상기 제어명령에 해당되는 스위칭이 이루어질 수 있도록 드라이버부에 신호를 전달하는 제어부와, 상기 제어부와 연결되고 상기 제어부에서 생성된 신호를 전달받아 고속의 신호를 생성하여 스위칭부로 전달하고 FPGA 소자로 이루어지는 드라이버부와, 상기 드라이버부와 연결되어 상기 FPGA에서 생성된 신호를 전송받아 스위칭을 수행하고 IGBT 소자로 이루어지는 스위칭부와, 상기 스위칭부와 연결되어 생성되는 신호의 상태를 검출하여 상기 드라이버부로 전송하는 피드백부 및 상기 스위칭부와 상기 피드백부를 거쳐서 신호를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 피드백부는, 상기 스위칭부와 연결되어서 상기 IGBT 소자에서 생성되는 신호에 따라 제어부에 스위칭 요구 신호를 전달하는 스위칭 요구장치와, 상기 스위칭 요구장치와 상기 제어부 사이에 연결되어서 상기 스위칭 요구장치에서 제어부로 전달되는 신호를 모니터링 하는 상태 모니터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 사용자 입력부는, 사용자의 입력에 의해 드라이버부에서 생성되는 파형의 주파수, 진폭, 오프셋 및 작동시간을 설정할 수 있는 파형생성 제어프로그램을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 파형생성 제어프로그램은 드라이버부에서 생성될 특정 사인파와 램덤파의 주파수, 전압에 대한 설정 화면 및 파형 그래프에 대한 화면을 각각 표시할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 사용자 입력부는 상기 파형생성 제어프로그램을 통해 생성될 파형의 설정 정보를 상기 제어부의 MCU에 전송하고 상기 MCU는 상기 파형의 설정 정보에 해당하는 제어명령을 상기 FPGA 소자에 전송하여 사인파 또는 랜덤파 신호를 고속으로 발생시킴으로서 요구된 다중 주파수를 구현한 사이클로 신호를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 드라이버부의 FPGA 소자는, 상기 제어부의 MCU와 연결되는 MCU 연결핀과, 외부 핀과 내부의 로직의 변경을 분리하여 변경과 상관없이 로직 설계를 할 수 있도록 추가된 탑랩퍼모듈과, 외부로부터 들어오는 클럭신호를 기설정된 클럭으로 변환하는 클럭모듈과, 상기 제어부의 MCU의 제어명령에 따라 실제 파형을 생성하는 탑FTS모듈과, 기설정된 주기로 인터럽트 신호를 발생시키는 WDT모듈과, 상기 FPGA 소자의 속도에 맞춰 상기 탑FTS모듈에서 생성된 파형을 출력하는 SYN_GEN_DAC모듈과, 상기 제어부의 MCU의 제어명령에 따라 랜덤파의 파형 출력을 결정하는 랜덤파형출력모듈 및 상기 제어부의 MCU와 FPGA 소자 간의 통신을 담당하는 통신모듈을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 WDT모듈은 인터럽터를 받은 MCU가 기 설정된 시간 안에 응답 신호를 보내지 않으면 파형 출력을 종료하는 신호를 High로 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 SYN_GEN_DAC모듈은 생성되는 파형의 주기를 상기 랜덤파형출력모듈에서 받는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 랜덤파형출력모듈은 출력되는 랜덤파의 주파수 값과 전압 값은 임의적으로 변경되어 상기 상기 SYN_GEN_DAC모듈로 입력되어 매 사이클마다 서로 다른 주파수 또는 전압이 되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치는, 스위칭 구동장치를 매우 짧은 시간에 작동할 수 있는 IGBT의 스위칭 소자와 필요한 스위칭 명령을 인가할 수 있고 고속으로 신호 설정이 가능한 FPGA 소자를 이용하여 스위칭 회로를 구성하고 사용자는 제어프로그램을 통해 기설정된 주파수, 진폭, 오프셋, 작동시간의 신호를 발생시킬 수 있도록 하기 때문에, 드라이버 회로가 전원을 일시적으로 고속 스위칭하더라도 드라이버 회로의 손상이 발생하지 않게 하는 효과와 고속 스위칭이 요구되는 대전력을 사용하는 장치가 고속에서도 안정적으로 작동할 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전력 제어용 반도체 스위칭 소자의 구동 회로를 나타낸 블록도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 사용자 입력부가 표시하는 설정화면을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 사용자 입력부의 설정정보가 전달되는 흐름과 출력되는 파형 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 드라이버부의 FPGA 소자의 상세한 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6은 도 2에 도시된 스위칭부와 스위칭 요구장치의 연결관계를 나타낸 회로도이다.
도 7은 도 2에 도시된 회로도에서 생성된 신호의 일예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치는 고속 스위칭하는 구동장치의 경우 스위칭에서의 신호를 펄스의 형태로 나타내면 스위치의 작동은 수 나노초(ns) 내지 수십 나노초(ns)의 펄스폭을 갖게 되고, 이러한 나노초 단위로 작동되기 때문에 대용량에 적합한 스위칭 회로에 사용될 수 있게 된다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치를 나타낸 블록도로서, FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치는 사용자 입력부(100), 제어부(200), 드라이버부(300), 스위칭부(400), 피드백부(500) 및 출력부(600)를 포함할 수 있다.
사용자 입력부(100)는 사용자에 의해 발생시간, 유지시간 등이 정해진 특정 스위칭 모드를 선택할 수 있도록 한 구성으로서, 본 발명의 일실시예에서는 제어부(200)와 연결되고 특정 프로그램이 탑재된 PC와 모니터인 것을 가정하였다. 물론 사용자 입력부(100)가 PC와 모니터로 구성되는 것은 하나의 예에 지나지 않으며 유사한 기능의 입력 및 출력 장치로 얼마든지 대체될 수 있음은 당연하다 할 것이다.
사용자 입력부(100)는 사용자의 입력에 의해 드라이버부(300)에서 생성되는 파형의 주파수, 진폭, 오프셋 및 작동시간을 설정할 수 있는 파형생성 제어프로그램을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 사용자 입력부가 표시하는 설정화면을 나타낸 도면으로서, 상기 파형생성 제어프로그램은 드라이버부(300)에서 생성될 특정 사인파와 램덤파의 주파수, 전압에 대한 설정 화면 및 파형 그래프에 대한 화면을 각각 표시할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 파형생성 제어프로그램의해 상기 설정 화면이 모니터에 GUI로서 나타나는 것을 예로 들었다. 따라서, 사용자는 모니터를 보면서 다양한 입력장치를 통해 해당 설정 정보를 입력할 수 있게 된다.
도 3의 (a)에는 상기 파형생성 제어프로그램이 드라이버부(300)에서 생성될 특정 사인파의 주파수, 전압에 대한 설정 화면 및 파형 그래프에 대한 화면을 나타내었다.
구체적으로, 도 3의 (a) ①은 주파수(Frequency)을 입력할 수 있는 입력부로서, 최대값 이상 입력되면 기설정된 최대값에 맞춰지면 입력되게 된다. 그 아래의 ②는 전압(Voltage)을 입력할 수 있는 입력부로 소수점 아래 3자리 숫자가 입력되고 음수는 입력이 불가하며 설정 시 최대값 이상 입력 하게되면 최대값에 맞춰지면 입력되게 된다. ③은 제어부(200)로 입력한 데이터를 전송하는 스타트 버튼으로서, 값을 변경하는 것이 잠금으로 바뀌며 워킹타임(Working Time)이 초기화됨과 동시에 워킹타임(Working Time) 타이머가 동작하기 시작하고 스타트버튼 이미지가 동작이미지로 변경되며 그래프가 출력되기 시작된다. 그리고 사용자의 오프셋(offset) 설정과 Agilent의 최대 및 최소 값을 계산하여 해당 범위 이탈 시 최대 및 최소값으로 대입된다. ④는 스탑버튼으로서 제어부(200)로의 입력 데이터 전송이 종료되고, 값 변경 잠금이 해제됨과 동시에 그래프가 초기화 된다. ⑤는 정현파 그래프(Sinewave graph) 창으로서 스타트 버튼을 눌러 동작 시에 화면에 정현파(sinewave) 출력을 보여준다.
도 3의 (b) ① 은 주파수 최소값(Min frequency)을 소수점 아래 1자리로 입력할 수 있는 입력창과 주파수 최대값(Max Frequency)보다 크면 주파수 최대값(Max Frequency)으로 입력되는 입력창이 위치한다. ②는 주파수 최대값(Max Frequency)을 소수점 아래 1자리로 입력할 수 있는 입력창이 위치한다. ③은 모드 체크박스로서, 주파수를 고정(Fix)으로 체크하면 전압은 랜덤(Random)으로 체크하고 주파수 최소값은 감추며 전압을 고정(Fix)으로 체크하면 주파수는 랜덤(Random)으로 체크하고 전압 최소값은 감추게 된다. ④는 전압 최소값(Min Voltage)을 소수점 아래 3자리로 입력할 수 있는 입력창이다. ⑤는 전압 최대값(Max Voltage을 소수점 아래 3자리로 입력할 수 있는 입력창이다. ⑥은 제어부(200)로 입력한 데이터를 전송하는 스타트 버튼으로서, 값을 변경하는 것이 잠금으로 바뀌며 워킹타임(Working Time)이 초기화됨과 동시에 워킹타임(Working Time) 타이머가 동작하기 시작하고 스타트버튼 이미지가 동작이미지로 변경되며 그래프가 출력되기 시작된다. 그리고 사용자의 오프셋(offset) 설정과 Agilent의 최대 및 최소 값을 계산하여 해당 범위 이탈 시 최대 및 최소값으로 대입된다. ⑦은 스탑버튼으로서 제어부(200)로의 입력 데이터 전송이 종료되고, 값 변경 잠금이 해제됨과 동시에 그래프가 초기화 된다. ⑧은 랜덤파(Randomwave graph) 창으로서 스타트 버튼을 눌러 동작 시에 화면에 랜덤파(Randomwave graph) 출력을 보여준다.
도 3의 (c)의 ①은 공진주파수의 범위를 입력할 수 있는 입력창이고, ②는 주파수 최대값을 입력할 수 있는 입력창이고, ③은 전압 최대값을 입력할 수 있는 입력창이고, ④는 옵셋(Offset) 값을 입력할 수 있는 입력창이고, ⑤는 입력한 설정값이 적용되도록 하는 체크 창이고, ⑥은 모델을 표시하는 창이고, ⑦은 시리얼 넘버를 표시하는 창이고, ⑧은 Function Device Model을 표시하는 창이고, ⑨는 설정된 Serialport Name을 표시하는 창이다.
도 4는 도 2에 도시된 사용자 입력부의 설정정보가 전달되는 흐름과 출력되는 파형 예를 나타낸 도면으로서, 도 4의 (a)를 참조하면 사용자 입력부(100)는 상기 파형생성 제어프로그램을 통해 생성될 파형의 설정 정보를 상기 제어부(200)의 MCU에 유무선 통신을 통해 전송하고 상기 MCU(210)는 상기 파형의 설정 정보에 해당하는 제어명령을 드라이버부(300)의 FPGA 소자(310)에 전송하여 사인파 또는 랜덤파 신호를 고속으로 발생시키게 된다. 결국 사용자의 입력에 따라 도 4의 (b)에 예시된 것처럼 요구된 다중 주파수를 구현한 사이클로 신호를 발생시킬 수 있게 된다.
제어부(200)는 MCU가 내장되고 사용자 입력부(100)와 연결되어 상기 특정 스위칭 모드에 따라서 제어명령을 생성하고 상기 제어명령에 해당되는 스위칭이 이루어질 수 있도록 드라이버부(300)에 신호를 전달하는 기능을 수해하게 된다.
드라이버부(300)는 제어부(200)와 연결되고 상기 제어부(200)에서 생성된 신호를 전달받아 고속의 신호를 생성하여 스위칭부(400)로 전달하고 FPGA 소자(310)로 이루어진다.
도 5는 도 2에 도시된 드라이버부의 FPGA 소자의 상세한 구성을 나타낸 블록도로서, 드라이버부(300)의 FPGA 소자(310)는 MCU 연결핀(311), 탑랩퍼모듈(312), 클럭모듈(313), 탑FTS모듈(314), WDT모듈(315), SYN_GEN_DAC모듈(316), 랜덤파형출력모듈(317) 및 통신모듈(318)을 포함할 수 있다.
MCU 연결핀(311)은 상기 제어부(200)의 MCU와 연결되는 핀을 일컫는다.
이하에서 FPGA 소자(310)는 전체 구성품을 포함하는 탑랩퍼(Top_wrapper)와 클럭과 내부 코어(core)를 분류하는 부분, 그리고 실제 내부 코드 구현 부분으로 되어 크게 3가지 부분으로 나뉘어 있다.
탑랩퍼모듈(312)은 외부 핀과 내부의 로직의 변경을 분리하여 변경과 상관없이 로직 설계를 할 수 있도록 추가된 모듈이다.
클럭모듈(313)은 외부로부터 들어오는 클럭신호를 기설정된 클럭으로 변환하는 모듈이다. 본 발명의 일실시예에서는 외부로부터 들어오는 클럭 신호 64MHz를 Xilinx coregen으로 만든 PLL를 사용하여 100MHz로 만드는 것을 예시하였다.
탑FTS모듈(314)은 제어부(200)의 MCU(210)의 제어명령에 따라 실제 파형을 생성하는 모듈이다.
WDT모듈(315)은 기설정된 주기로 인터럽트 신호를 발생시키는 모듈로서, WDT모듈(315)은 인터럽터를 받은 MCU(210)가 기 설정된 시간 안에 응답 신호를 보내지 않으면 파형 출력을 종료하는 신호를 High로 출력하게 된다.
SYN_GEN_DAC모듈(316)은 상기 FPGA 소자의 속도에 맞춰 상기 탑FTS모듈에서 생성된 파형을 출력하는 모듈로서, SYN_GEN_DAC모듈(316)은 생성되는 파형의 주기를 상기 랜덤파형출력모듈(317)에서 받게 된다.
랜덤파형출력모듈(317)은 상기 제어부의 MCU의 제어명령에 따라 랜덤파의 파형 출력을 결정하는 모듈로서, 랜덤파형출력모듈(317)은 출력되는 랜덤파의 주파수 값과 전압 값은 임의적으로 변경되어 상기 상기 SYN_GEN_DAC모듈(316)로 입력되어 매 사이클마다 서로 다른 주파수 또는 전압이 되도록 한다.
통신모듈(318)은 제어부(200)의 MCU(210)와 FPGA 소자(310) 간의 통신을 담당하는 모듈로서, 본 발명의 일실시예에서는 FPGA 소자(310)에 대한 모든 제어는 RegWriteMux를 통해서 제어되도록 하였다.
이상과 같이 구성되는 FPGA 소자(310)가 사용자 입력부(100)에서 설정 정보를 입력 받아 동작되는 순서를 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 사용자는 사용자 입력부(100)의 파형생성 제어프로그램에 의해 모니터로 보이는 GUI 입력창을 통해 주파수, 전압, 딜레이를 설정한다. 다음으로 스타트 버튼을 눌러 설정값이 입력되도록 한다. 이때, 외부 펄스(pulse) 신호는 대기 상태가 되었다가, 외부 펄스(pulse) 신호가 입력되면 사용자가 설정한 딜레이 시간만큼 대기한 후 외부 트리거 신호를 출력하게 된다. 이러한 과정이 끝나면 사용자는 모니터로 보이는 GUI 입력창을 통해 스탑 명령을 내리게 된다.
스위칭부(400)는 드라이버부(300)와 연결되어 상기 FPGA 소자(310)에서 생성된 신호를 전송받아 스위칭을 수행하고 IGBT 소자(410)로 이루어진다.
피드백부(500)는 스위칭부(300)와 연결되어 생성되는 신호의 상태를 검출하여 상기 드라이버부(200)로 전송하는 기능을 수행하는데, 스위칭 요구장치(510)와 상태 모니터(520)를 포함한다.
스위칭 요구장치(510)는 스위칭부(400)와 연결되어서 상기 IGBT 소자(410)에서 생성되는 신호에 따라 제어부(200)에 스위칭 요구 신호를 전달하는 기능을 수행한다.
상태 모니터(520)는 스위칭 요구장치(510)와 상기 제어부(200) 사이에 연결되어서 상기 스위칭 요구장치(510)에서 제어부(200)로 전달되는 신호를 모니터링 하는 기능을 수행한다.
출력부(600)는 스위칭부(400)와 피드백부(500)를 거쳐서 신호를 출력하는 구성이다.
도 6은 도 2에 도시된 스위칭부와 스위칭 요구장치의 연결관계를 나타낸 회로도이고, 도 7은 도 2에 도시된 회로도에서 생성된 신호의 일예를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치의 실제 동작예를 예시한 것으로 그 동작과정을 예를 들어 설명하면 아래와 같다.
먼저, 사용자는 사용자 입력부(100)를 통해 발생시간, 유지시간 등이 정해진 특정 스위칭 모드를 선택한다. 다음으로, 제어부(200)는 MCU(210)가 사용자가 선택하여 입력한 후 전송된 특정 스위칭 모드에 따라서 제어명령을 생성하고 상기 제어명령에 해당되는 스위칭이 이루어질 수 있도록 드라이버부(300)에 신호를 전달한다. 다음으로, 드라이버부(300)는 제어부(200)의 MCU(210)에서 생성된 신호를 전달받아 고속의 신호를 생성하여 스위칭부(400)부로 전달한다.
여기서, 드라이버부(300)가 FPGA 소자(310)에 의해 신호를 고속으로 발생한다고 하여도 연결된 작동 스위치가 이에 맞춰 고속이며 대용량에 적합하여야 하므로 후단의 스위칭부(400)에는 고속 스위칭에 적합한 IGBT 소자(410)를 사용하여 함께 구성토록 한다.
스위칭부(400)는 드라이버부(300)에서 생성된 신호를 전달받아 스위칭을 수행한다.
여기서, 스위칭부(400)에는 상술한 바와 같이 피브백부(500)의 스위칭 요구 장치(510)가 연결되어서 스위칭부(400)의 IGT 소자(410)에서 생성되는 신호에 따라 제어부(200)에 스위칭 요구 신호를 전달하게 된다. 그리고 스위칭 요구 장치(510)는 다시 제어부(200)와 연결된다. 그리고, 스위칭 요구장치와 제어부 사이에 연결된 상태 모니터링부(520)는 스위칭 요구 장치(510)에서 제어부(200)로 전달되는 신호를 모니터링 하게 된다.
도 6과 7에는 이러한 예시에 의한 구성 및 출력된 파형을 예시하였다. 즉, IGT 소자(410)로 구성된 스위치 1과 2에 대전압이 걸리고 스위칭 요구 장치(510)에 의해 피드백으로 조정을 거치는 구성의 예시와, 스위치 1과 2에 출력되는 파형과 최종적으로 장치에 출력되는 파형을 도시하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치는, 고속 스위칭 구동장치에 대용량에 적합한 IGBT의 스위칭 회로와 필요한 스위칭 명령을 인가할 수 있는 FPGA 장치를 함께 구하고 있기 때문에, 대용량에 적합하고 고속에서도 안정적으로 작동할 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 사용자 입력부 200: 제어부
210: MCU 300: 드라이버부
310: FPGA 소자 400: 스위칭부
410: IGBT 소자 500: 피드백부
510: 스위칭 요구장치 520: 상태 모니터
600: 출력부

Claims (9)

  1. 사용자에 의해 발생시간, 유지시간 등이 정해진 특정 스위칭 모드를 선택할 수 있도록 한 사용자 입력부;
    상기 사용자 입력부와 연결되어 상기 특정 스위칭 모드에 따라서 제어명령을 생성하고 상기 제어명령에 해당되는 스위칭이 이루어질 수 있도록 드라이버부에 신호를 전달하는 제어부;
    상기 제어부와 연결되고 상기 제어부에서 생성된 신호를 전달받아 고속의 신호를 생성하여 스위칭부로 전달하고 FPGA 소자로 이루어지는 드라이버부;
    상기 드라이버부와 연결되어 상기 FPGA에서 생성된 신호를 전송받아 스위칭을 수행하고 IGBT 소자로 이루어지는 스위칭부;
    상기 스위칭부와 연결되어 생성되는 신호의 상태를 검출하여 상기 드라이버부로 전송하는 피드백부; 및 상기 스위칭부와 상기 피드백부를 거쳐서 신호를 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 피드백부는, 상기 스위칭부와 연결되어서 상기 IGBT 소자에서 생성되는 신호에 따라 제어부에 스위칭 요구 신호를 전달하는 스위칭 요구장치와, 상기 스위칭 요구장치와 상기 제어부 사이에 연결되어서 상기 스위칭 요구장치에서 제어부로 전달되는 신호를 모니터링 하는 상태 모니터를 포함하는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 사용자 입력부는, 사용자의 입력에 의해 드라이버부에서 생성되는 파형의 주파수, 진폭, 오프셋 및 작동시간을 설정할 수 있는 파형생성 제어프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 파형생성 제어프로그램은 드라이버부에서 생성될 특정 사인파와 램덤파의 주파수, 전압에 대한 설정 화면 및 파형 그래프에 대한 화면을 각각 표시할 수 있는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    사용자 입력부는 상기 파형생성 제어프로그램을 통해 생성될 파형의 설정 정보를 상기 제어부의 MCU에 전송하고 상기 MCU는 상기 파형의 설정 정보에 해당하는 제어명령을 상기 FPGA 소자에 전송하여 사인파 또는 랜덤파 신호를 고속으로 발생시킴으로서 요구된 다중 주파수를 구현한 사이클로 신호를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 드라이버부의 FPGA 소자는,
    상기 제어부의 MCU와 연결되는 MCU 연결핀;
    외부 핀과 내부의 로직의 변경을 분리하여 변경과 상관없이 로직 설계를 할 수 있도록 추가된 탑랩퍼모듈;
    외부로부터 들어오는 클럭신호를 기설정된 클럭으로 변환하는 클럭모듈;
    상기 제어부의 MCU의 제어명령에 따라 실제 파형을 생성하는 탑FTS모듈;
    기설정된 주기로 인터럽트 신호를 발생시키는 WDT모듈;
    상기 FPGA 소자의 속도에 맞춰 상기 탑FTS모듈에서 생성된 파형을 출력하는 SYN_GEN_DAC모듈;
    상기 제어부의 MCU의 제어명령에 따라 랜덤파의 파형 출력을 결정하는 랜덤파형출력모듈; 및
    상기 제어부의 MCU와 FPGA 소자 간의 통신을 담당하는 통신모듈;을 포함하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 WDT모듈은 인터럽터를 받은 MCU가 기 설정된 시간 안에 응답 신호를 보내지 않으면 파형 출력을 종료하는 신호를 High로 출력하는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 SYN_GEN_DAC모듈은 생성되는 파형의 주기를 상기 랜덤파형출력모듈에서 받는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    랜덤파형출력모듈은 출력되는 랜덤파의 주파수 값과 전압 값은 임의적으로 변경되어 상기 SYN_GEN_DAC모듈로 입력되어 매 사이클마다 서로 다른 주파수 또는 전압이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 FPGA를 사용한 고속 스위칭 구동장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050018367A (ko) * 2003-08-12 2005-02-23 주식회사 로템 Ｉｇｃｔ 스위치 제어장치
CN102577075B (zh) 2009-10-14 2016-06-01 Abb研究有限公司 电力网开关器件的无线控制
KR20160114797A (ko) * 2015-03-24 2016-10-06 대성전기공업 주식회사 전자 스위칭 장치
KR102021864B1 (ko) * 2015-07-16 2019-09-17 엘에스산전 주식회사 전력 제어용 스위칭 소자의 구동회로

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101548349B1 (ko) 2013-07-05 2015-08-28 삼성전기주식회사 다채널 스위치 구동 장치

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