KR102080467B1 - 인버터를 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공간 벡터 펄스폭 변조를 이용해서 인버터(10)를 제어하기 위한, 특히 전기 기계(14)를 제어하기 위한 방법(60)에 관한 것이며, 인버터(10)는 다수의 제어 가능한 스위치(S)를 포함하고, 전압 공간 벡터(V*) 형태의 다상 전압(U, V, W)을 제공하도록 형성되고, 상기 제어 가능한 스위치들(S)은, 전압 공간 벡터(V*)를 제공하기 위해 스위치들(S)의 상이한 스위치 온 지속시간들이 설정되도록 그리고 스위치들(S)의 다수의 연속하는 상이한 스위칭 상태들(V0-V7)이 설정되도록 제어되고, 펄스폭 변조 주기(T) 동안 하나의 스위치(S)의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 임계값(44)에 미달되는 경우에, 펄스폭 변조 주기(T) 동안 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들이 연장된다.

Description

인버터를 제어하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR ACTUATING AN INVERTER}
본 발명은 공간 벡터 펄스폭 변조를 이용해서 인버터를 제어하기 위한, 특히 전기 기계를 제어하기 위한 방법에 관한 것이며, 인버터는 다수의 제어 가능한 스위치를 포함하고, 전압 공간 벡터 형태의 다상 전압을 제공하도록 형성되고, 상기 제어 가능한 스위치들은, 전압 공간 벡터를 제공하기 위해 스위치들의 상이한 스위치 온 지속시간들이 설정되도록 그리고 스위치들의 다수의 연속하는 상이한 스위칭 상태들이 설정되도록 제어된다.
또한 본 발명은 공간 벡터 펄스폭 변조를 이용해서 인버터를 제어하기 위한, 특히 전기 기계를 제어하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 인버터는 전압 공간 벡터 형태의 다상 전압을 공급하도록 형성된, 다수의 제어 가능한 스위치를 포함하고, 상기 장치는 전압 공간 벡터를 제공하기 위해 스위치들의 상이한 스위치 온 지속시간이 설정되도록 그리고 인버터가 스위치들의 다수의 연속하는 상이한 스위칭 상태를 취하도록, 제어 가능한 스위치를 제어하는 방식으로 형성된 제어 유닛을 포함한다.
또한 본 발명은 구동 출력을 제공하기 위한 적어도 하나의 전기 기계, 전기 기계를 제어하기 위한 인버터 및 전술한 방식의 인버터를 제어하기 위한 장치를 포함하는 차량 구동 트레인에 관한 것이다.
일반적으로 3상 부하(three-phase load) 및 특히 3상 전기 기계의 기술 분야에서 다양한 제어 방법들이 개시되어 있다. 현재 일반적으로 공간 벡터 변조의 방법이 3상 부하의 제어를 위해 바람직하다. 이러한 제어 방법에서 공간 벡터는 8개의 기본 전압 공간 벡터의 연속하는 설정에 의해 형성된다. 상전압을 제공하기 위해, 기본 전압 공간 벡터는 펄스폭 변조 방식으로 스위칭되므로, 적절한 제어 전압이 발생된다.
인버터의 제어 가능한 스위치의 제한된 스위칭 시간으로 인해 인버터의 설정 가능한 작동 범위 또는 최대 제어 레벨이 제한되고, 즉 스위치들의 개별 스위칭 펄스의 지속시간은 최소 지속시간으로 제한된다. 인버터의 설정 가능한 작동 범위를 늘리고 또는 제어 가능한 스위치들의 제한된 스위칭 시간에도 불구하고 개별 작동 범위를 설정할 수 있도록 하기 위해, DE 10 2008 040 144 A1호에서는 펄스폭 변조 주기 내에 제어 가능한 스위치의 스위칭 시간들을 각각 가장 짧게 스위치 온 되는 스위치의 스위치 온 지속시간만큼 단축하는 것이 제안된다. 이로 인해 제어 가능한 스위치들 중 하나의 스위치는 전체 펄스폭 변조 주기에 걸쳐 스위치 온 되지 않고, 나머지 스위치들은 각각 가장 짧게 스위치 온 된 스위치의 스위치 온 지속시간만큼 단축된다. 이로써 무전압으로 스위칭 되는 2개의 스위칭 상태 중 하나의 스위칭 상태는 무전압으로 스위칭 되는 다른 스위칭 상태로 대체된다.
이 방법의 단점은, 가장 짧게 스위치 온 되는 제어 가능한 2개의 스위치의 스위치 온 지속시간들이 유사한 지속시간을 갖는, 제어 가능한 스위치들의 특정 스위칭 시퀀스에서 스위치의 최소 허용 펄스 지속시간이 미달될 수 있다는 것이다.
또한 상기 방법은 파워 반도체 스위치의 특히 비대칭 열부하 및 평균 중성점 전압의 변동을 야기할 수 있다.
본 발명의 과제는 대칭적인 부하를 받을 수 있도록 인버터를 제어하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 방법 및 청구항 제 14 항에 따른 장치에 의해 해결된다.
본 발명에 따라, 전술한 방식의 공간 벡터 펄스폭 변조를 이용해서 인버터를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 상기 펄스폭 변조 주기 동안 하나의 스위치의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 임계값에 미달되는 경우에, 펄스폭 변조 주기 동안 스위치들의 스위치 온 지속시간들이 연장된다.
또한 본 발명에 따라 전술한 방식의 인버터를 제어하기 위한 장치가 제공되고, 제어 유닛은, 펄스폭 변조 주기 동안 스위치들 중 하나의 스위치의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 임계값에 미달되는 경우에, 펄스폭 변조 주기 동안 스위치의 스위치 온 지속시간들을 연장하도록 형성된다.
또한 본 발명에 따라, 구동 출력을 제공하기 위한 적어도 하나의 전기 기계, 전기 기계를 제어하기 위한 인버터 및 전술한 방식의 인버터를 제어하기 위한 장치를 포함하는 차량 구동 트레인이 제공된다.
전반적으로 스위치의 더 짧은 스위치 온 지속시간들이 설정되는 경우, 스위치의 스위치 온 지속시간이 연장됨으로써, 스위치의 허용되지 않을 정도의 짧은 펄스 지속시간이 방지될 수 있으므로, 설정 가능한 작동 범위가 확대될 수 있다. 또한 이로 인해 인버터의 비대칭적인, 특히 열 부하가 방지될 수 있다.
바람직하게는 스위치의 평균 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치의 스위치 온 지속시간이 사용된다.
다시 말해서 두 번째로 긴 또는 두 번째로 짧은 스위치 온 지속시간을 갖거나 또는 스위치의 가장 길거나 가장 짧은 스위치 온 지속시간을 갖지 않는 스위치의 스위치 온 지속시간이 사용된다.
이로 인해, 허용되지 않을 정도로 짧은 스위치 온 또는 오프 시간이 나타날 수 있는, 스위치들의 특히 임계적인 스위칭 시퀀스들이 간단한 수단으로 검출될 수 있다.
바람직하게 스위치들의 스위치 온 지속시간들은 각각 동일한 지속시간만큼 연장된다.
이로 인해 제공된 전압 공간 벡터는 변경되지 않고, 따라서 제어된 부하의 제어가 영향을 받지 않는다.
또한, 펄스폭 변조 주기 내에 가장 긴 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치의 스위치 온 지속시간들은, 스위치가 전체 펄스폭 변조 주기에 걸쳐 스위치 온 되도록 연장되는 것이 바람직하다.
이로 인해 전체 펄스폭 변조 주기 동안 제로 벡터들 중 하나의 제로 벡터가 생략될 수 있으므로, 인버터 내에서 목표한 부하 분배가 달성될 수 있고, 부하의 제어는 영향을 받지 않는다.
또한, 스위치의 스위치 온 지속시간들을 연장시키는 만큼의 지속시간은 펄스폭 변조 주기 지속시간과 가장 긴 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치의 스위치 온 지속시간 사이의 차이에 상응하는 것이 바람직하다.
이로 인해 스위치 온 지속시간이 변경될 수 있고, 이 경우 설정될 전압 공간 벡터는 변경되지 않고, 따라서 제어된 부하의 제어가 영향을 받지 않는다.
또한, 스위치의 스위치 온 지속시간은 스위치의 펄스 듀티 레이트이고, 미리 규정된 임계값은 50%의 펄스 듀티 레이트인 것이 바람직하다.
이로 인해 스위치의 스위치 온 지속시간들이 최소 제어 레벨에 가까운 임계적 제어 시퀀스들은 제어 기술적으로 간단한 방법에 의해 결정될 수 있고, 스위치의 제어는 상응하게 조정될 수 있다.
스위치의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 제 2 임계값을 초과하면, 스위치의 스위치 온 지속시간들이 단축되는 것이 바람직하다.
이로 인해 스위치의 스위치 온 지속시간들은 최대 제어 레벨에 근사해지고 스위치의 제어가 상응하게 조정되는 상황이 검출될 수 있다.
또한, 스위치들의 스위치 온 지속시간들은, 전체 펄스폭 변조 주기에 걸쳐 가장 짧은 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치가 개방되도록 각각 동일한 지속시간 만큼 단축되는 것이 바람직하다.
이로 인해 제로 벡터들 중 하나의 제로 벡터만이 생략됨으로써, 제공된 전압 공간 벡터 및 제어된 부하의 제어가 영향을 받지 않는다.
또한, 스위치의 스위치 온 지속시간이 제 1 및 제 2 임계값 사이의 미리 규정된 값 범위에 상응하면, 펄스폭 변조 주기 내에서 스위치의 관련 스위치 온 펄스들이 시프트 되는 것이 바람직하다.
이로 인해 하나의 제어 상황으로부터 다른 제어 상황으로 이행시 2개의 스위칭 과정 사이의 최소 간격이 보장될 수 있고, 따라서 스위치 온 지속시간 또는 스위치 오프 지속시간들은 제어 레벨의 한계를 초과하지 않는다.
또한 제 1 및 제 2 임계값이 동일한 것이 바람직하다.
이로 인해 스위치 온 지속시간의 단축과 스위치 온 지속시간의 연장 사이의 이행은 간단한 수단에 의해 형성될 수 있다.
스위치 온 지속시간이 제 1 임계값보다 큰 값으로부터 제 1 임계값보다 작은 값으로 변경되면, 스위치의 스위치 온 펄스들이 펄스폭 변조 주기의 종료로 시프트되는 것이 바람직하다.
이로 인해 스위치들 중 하나의 스위치의 지속적인 스위치 온으로 이행이 간단한 수단에 의해 형성될 수 있다.
또한, 스위치의 스위치 온 지속시간들이 제 2 임계값보다 작은 값으로부터 제 2 임계값보다 큰 값으로 변경되면, 스위치의 스위치 온 펄스는 펄스폭 변조 주기의 시작으로 시프트되는 것이 바람직하다.
이로 인해 스위치들 중 하나의 스위치가 지속적으로 스위치 온 되는 펄스폭 변조 주기로부터 스위치들 중 하나의 스위치가 지속적으로 스위치 오프 되는 펄스폭 변조 주기로 이행이 설정될 수 있으므로, 스위치의 온 스위치 온 지속시간과 스위치 오프 지속시간이 허용되지 않는 값을 초과하지 않는다.
스위치 온 펄스를 선행하는 해당 펄스폭 변조 주기와 후속 펄스폭 변조 주기 에 맞게 조정하기 위해, 정확히 하나의 펄스폭 변조 주기 내에서 스위치의 스위치 온 펄스가 시프트되는 것이 특히 바람직하다.
또한, 관련 스위치의 스위치 온 펄스가 세분되고, 세분된 스위치 온 펄스들이 각각 펄스폭 변조 주기의 시작 및 종료로 시프트되는 것이 바람직하다.
이로 인해 펄스폭 변조 주기들은 각각 제로 전압 벡터로 시작하고 종료될 수 있다.
결과적으로 본 발명에 의해 설정 가능한 작동 범위가 확대될 수 있는데, 그 이유는 허용되지 않은 스위치 온 또는 스위치 오프 지속시간을 갖는 스위칭 상태들이 동일한 전압 공간 벡터를 설정하는 스위칭 시퀀스로 대체될 수 있기 때문이다. 또한 스위치 온 지속시간들의 변동에 의해 그리고 특히 무전압으로 스위칭되는 스위칭 상태들 또는 제로 벡터들의 변경에 의해 인버터는 전반적으로 더 대칭적으로 부하를 받을 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특징, 특성 및 장점들은 본 발명에 따른 장치에 상응하게 해당하거나 적용될 수 있다.
도 1은 전기 기계를 제어하기 위한 인버터를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 인버터를 제어하기 위한 공간 벡터 변조 방법을 설명하기 위한 복소 벡터다이어그램.
도 3은 상이한 전압 공간 벡터를 설정하기 위한 3개의 상전압의 특성곡선을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 제어 가능한 스위치들 중 하나의 스위치가 지속적으로 스위치 오프 되는 펄스폭 변조 주기의 3개의 상전압의 특성곡선을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 최소 제어 레벨이 달성될 수 있는 3개의 상전압의 특성곡선을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 제어 가능한 스위치들 중 하나의 스위치가 지속적으로 스위치 온 되는 펄스폭 변조 주기 내의 3개의 상전압의 특성곡선을 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 공간 벡터 변조의 상이한 제어 범위를 설명하기 위한 복소 벡터다이어그램을 개략적으로 도시한 도면.
도 8a 및 도 8b는 50%보다 큰 평균 펄스 듀티 레이트를 갖는 펄스폭 변조 주기 내의 3개의 상전압을 개략적으로 도시한 도면.
도 9a 및 도 9b는 50%보다 작은 평균 펄스 듀티 레이트를 갖는 펄스폭 변조 주기 내의 3개의 상전압을 개략적으로 도시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 펄스폭 변조 주기의 시작 및 종료로 전압 펄스들이 시프드되는 펄스폭 변조 주기 내의 3개의 상전압을 개략적으로 도시한 도면.
도 11a 및 도 11b는 인버터의 제어의 이행 범위에서 펄스폭 변조 주기 내의 3개의 상전압을 개략적으로 도시한 도면.
도 12a 및 도 12b는 인버터의 2개의 제어 방식 사이의 이행 범위에서 펄스폭 변조 주기 내의 3개의 상전압의 특성곡선을 개략적으로 도시한 도면.
도 1에서 스위치들(S)은 스위치가 제공하는 위상(U, V, W)에 따라 그리고 직류 전압원(12)의 높은 전위에 할당 또는 직류 전압원(12)의 낮은 전위에 할당에 따라 SHA, SLA, SHB, SLB, SHC, SLC로 표시된다. 상응하게, 프리휠링 다이오드도 DHA, DLA, DHB, DLB, DHC, DLC로 표시된다.
스위치들(S)이 교대로 개방 및 폐쇄됨으로써 위상 도체들(U, V, W) 사이에 각각 제어 전압이 인가되므로, 상응하게 전기 기계(14)를 구동하는 각각 하나의 상전류(IU, IV, IW)가 설정된다. 인버터(10)는 바람직하게 반도체 스위치에 의해 형성된다. 특정한 특성곡선을 갖는 상전압을 제공하고, 전압 공간 벡터를 제공하고, 전기 기계(14)에 적절하게 전류 공간 벡터 형태의 상전류들(IU, IV, IW)을 공급하기 위해, 인버터의 스위치들은 개략적으로 도시된 제어유닛(18)에 의해 교대로 개방 및 폐쇄된다. 이 경우 전압 벡터는 인버터(10)에 의해 제공되고, 따라서 전류 공간 벡터는 제어되는 부하에 따라 적절하게 설정된다.
도 2에는 3상 전기 부하(14) 또는 전기 기계(14)를 제어하기 위한 공간 벡터 변조를 설명하는 복소 벡터다이어그램이 도시되고, 도면부호 20으로 표시된다.
벡터다이어그램(20)에 전기 기계(14)의 제어각(α)을 갖는 전압 벡터(V*)가 도시된다. 벡터다이어그램(20)에 또한 6개의 기본 전압 벡터(V1, V2, V3, V4, V5, V6)가 도시되고, 상기 전압 벡터들은 인버터(10)의 하나 또는 2개의 스위치(S)가 폐쇄되고 전기 기계가 상응하게 제어되는 경우에 제공된다. 이 실시예에서 기본 전압 벡터들(V1, V2) 사이에 제어각(α)을 갖고 최대 길이를 갖는 전압 벡터(V*)를 설정하기 위해, 상기 전압 벡터는 기본 전압 벡터(V1, V2)에 따라 인버터(10)가 교대로 제어됨으로써 구현된다. 2개의 기본 전압 벡터(V1, V2)는 미리 규정된 스위칭 주파수에 의해 교대로 설정되므로, 기본 전압 벡터(V1, V2)의 스위치 온 지속시간이 동일한 경우에 30°의 위상각을 갖는 전압 벡터(V*)가 주어된다. 더 큰 제어각(α)을 갖는 전압 벡터(V*)가 설정되어야 하는 경우에, 상응하게 기본 전압 벡터(V2)의 스위치 온 지속시간이 연장되고, 기본 전압 벡터(V1)의 스위치 온 지속시간은 단축된다. 이로 인해 인버터(10)의 스위치들(S)의 클록 방식의 제어에 의해 임의의 제어각(α)을 갖는 전압 공간 벡터(V*)가 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 경우처럼 기본 전압 공간 벡터(V1, V2)보다 더 작은 크기(더 작은 길이)를 갖는 전압 벡터(V*)가 설정되어야 하는 경우에, 상응하게 인버터(10)의 상부면에 있는 스위치들(SHA, SHB, SHC) 또는 하부면에 있는 스위치들(SLA, SLB, SLC)이 개방되는 제로 전압 벡터들(V0, V7) 중 하나의 벡터가 설정된다. 각각의 다른 스위치들(S)은 따라서 폐쇄된다. 상응하게 전압 벡터(V*)는 기본 전압 공간 벡터(V1, V2)와 제로 전압 벡터들(V0, V7) 중 하나의 제로 전압 백터의 조합에 의해 구현될 수 있다.
전기 부하(14) 또는 전기 기계(14)에 전류 공급을 위해 전압 공간 벡터(V*)가 제공되고, 이로써 상이한 기본 전압 공간 벡터들(V1-V16)과 제로 전압 벡터들(V0, V7)은 신속한 순서로 차례로 설정된다. 이로 인해 인버터(10)의 상이한 스위치들(S) 및 상이한 프리휠링 다이오드들(D)은 전압 공간 벡터(V*)가 빠르게 회전하는 경우에 균일하게 부하를 받고, 특히 위상에 따라 더욱 균일하게 부하를 받는다. 전압 공간 벡터(V*)의 회전 주파수가 매우 낮거나 또는 0인 경우에, 예를 들어 전기 기계(10)의 속도가 낮을 때, 위상(U, V, W)의 인버터(10)의 해당 스위치(S) 및 프리휠링 다이오드(D)는 오랜 시간 범위에 걸쳐 부하를 받으므로, 해당 스위치들(S) 및 프리휠링 다이오드들(D)의 과부하가 발생할 수 있고, 인버터(10)의 스위치들(S) 및 프리휠링 다이오드들(D)은 전반적으로 불균일하게, 특히 위상에 따라 불균일하게 부하를 받는다. 개별 스위치(S) 및 프리휠링 다이오드(D)의 과부하를 방지하기 위해, 상이한 스위치들(S) 및 프리휠링 다이오드들(D)에 부하를 분배하기 위한 조치가 취해져야 한다.
도 3에 기본 전압 공간 벡터들(V0, V1, V2, V7)을 차례로 설정하기 위한 펄스폭 변조 주기(T) 내의 3개의 위상들(U, V, W)의 상전압의 특성곡선들이 도시된다. 펄스폭 변조 주기(T) 내에 개별 기본 전압 공간 벡터들(V0, V1, V2, V7)의 스위치 온 지속시간(t0, t1, t2, t7)이 변경될 수 있으므로, 전압 공간 벡터(V*)가 정확하게 설정될 수 있다.
제어 가능한 스위치들의 관성에 따라 하나의 스위치의 2개의 스위칭 시점들 사이의 최소 시간 간격이 유지되어야 한다. 이러한 최소 간격은 스위치 온 시간들 사이 및 스위치 오프 시간들 사이에 필요하다. 소자들의 이러한 관성으로 인해 조절 가능한 작동 범위 및 최대 제어 레벨이 감소하고, 이것은 하기 식에 의해 계산된다:
A_Max =(T - 2* t_Min)/T
상기 식에서, T는 펄스폭 변조 주기 지속시간이고, t_Min은 2개의 스위칭 시점 사이의 최소 간격이다. 2*t_Min보다 작은 지속시간을 갖는 스위칭 시퀀스가 요구되는 경우에, 상기 지속시간은 인버터(10)에 의해 설정될 수 없다. 상응하는 전압 공간 벡터(V*)를 설정할 수 있도록 하기 위해, 전압 특성곡선 또는 스위칭 시퀀스가 변경되어야 하고, 따라서 스위칭 상태들 사이의 시간 간격은 2*t_Min보다 크다.
작동 범위를 넓히기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속 시간들(t0-t7)을 단축하고, 제어 가능한 스위치들 중 하나의 스위치를 전체 펄스폭 변조 주기(T)에 걸쳐 스위치 온 또는 스위치 오프 하지 않는 것이 개시되어 있다.
도 4에는 펄스폭 변조 주기(T) 내의 위상들(U, V, W)의 3개의 전압 특성곡선들이 도시되고, 상기 위상들은 스위칭 상태들(V0-V7)의 스위칭 시퀀스를 형성하고, 도 3의 스위칭 시퀀스에 의해 형성된 전압 공간 벡터(V*)에 상응하는 전압 공간 벡터(V*)를 설정한다. 도 4의 스위칭 시퀀스를 달성하기 위해, 제어 가능한 스위치(SHA, SHB)의 스위치 온 시간들, 즉 위상(U, V)의 상전압들은 스위치 온 시간(t7)만큼 감소하고, 위상(W)의 상전압은 전체 펄스폭 변조 주기(T)에 걸쳐 0으로 설정된다. 다시 말해서 제어 가능한 스위치들(S)의 모든 스위치 온 지속시간은 가장 짧게 스위치 온 되는 스위치(SHC)의 스위치 온 시간(t7)만큼 단축된다. 이로 인해 제로 전압 벡터(V7)의 스위치 온 시간만이 0으로 단축되고, 제로 전압 벡터(V0)는 해당 스위치 온 시간(t7)만큼 연장된다. 이러한 경우에 제로 전압 시간들(V0, V7)만이 변경되기 때문에, 도 4의 스위칭 시퀀스에 의해 도 3의 스위칭 시퀀스에 의해 설정된 것과 동일한 전압 공간 벡터(V*)가 설정된다. 도 3의 제로 전압 벡터(V7)의 스위치 온 시간(t7)이 최소 허용값에 도달하면, 이로써 상응하는 전압 공간 벡터(V*)가 설정될 수 있고, 이 경우 허용되지 않을 정도로 단축된 펄스는 설정되지 않는다.
도 5에 위상 도체들(U, V, W)의 3개의 상전압들이 개략적으로 도시되고, 상기 위상들은 2개의 스위칭 상태들 사이의 최소 가능한 2개의 간격들을 갖는 스위칭 시퀀스를 나타낸다. 도 5의 스위칭 시퀀스에서 스위치 온 시간(t4)의 지속시간은 t_Min/2이고, 스위치 온 시간(t7)의 지속시간은 t_Min이다. 이러한 스위칭 시퀀스에 대해 제어 가능한 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들이 가장 짧은 스위치 온 시간(t7)만큼 단축되는 경우에, 스위치의 2개의 스위칭 과정 사이의 최소 가능한 간격에 도달하는 위상(V)의 전압 펄스가 설정된다. 스위치 온 시간(t4)이 더 감소하면, 최소 스위치 온 시간(t_Min)에 미달되므로, 도 4에서 설명된 스위치 온 시간의 단축에 의한 범위의 확장을 위한 방법은 이 경우에 적용될 수 없다.
도 6에 위상(U, V, W)의 3개의 상전압이 개략적으로 도시되고, 위상들은 도 5의 스위칭 시퀀스와 동일한 전압 공간 벡터(V*)를 제공한다. 전압 펄스의 허용되지 않은 단축을 방지하기 위해, 도 5의 전압 특성곡선들로부터 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 시간이 동일한 지속시간만큼 연장되었으므로, 위상(W)의, 제어 가능한 스위치(SHC)의 스위치 온 지속시간은 전체 펄스폭 변조 주기로 연장된다. 다시 말해서 스위칭 상태(V0)의 지속시간(t0)은 0으로 감소하고, 제어 가능한 스위치(SHA, SHB)의 스위치 온 지속시간들은 2*t0만큼 연장된다. 다시 말해서 제로 전압 벡터(V7)의 스위치 온 시간은 제로 전압 벡터(V0)의 희생으로 연장된다. 이로써 전체 펄스폭 변조 주기(T) 동안 제로 전압 벡터들(V0, V7) 중 하나의 제로 전압 벡터만이 사용된다. 제로 전압 벡터들(V0, V7)은 제공된 전압 공간 벡터(V*)에 영향을 미치지 않기 때문에, 전압 공간 벡터(V*)는 영향을 받지 않는다. 스위치 온 시간들이 이렇게 연장됨으로써 인버터(10)의 작동 범위가 확장될 수 있고, 허용되지 않을 정도로 짧은 전압 펄스가 설정되는 것이 방지될 수 있다.
펄스폭 변조 주기(T) 내에서 스위치(S)의 평균 스위치 온 지속시간을 갖는 제어 가능한 스위치(S)의 펄스 듀티 레이트가 50%보다 작은 경우에, 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간의 이러한 연장 방법이 바람직하게 사용된다. 다시 말해서 2개의 스위치들(S)이 50%보다 작은 펄스 듀티 레이트를 갖는 경우에 바람직하게 상기 방법이 사용된다. 펄스폭 변조 주기(T) 내에 스위치(S)의 평균 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치(S)의 펄스 듀티 레이트가 50%보다 큰 경우에, 즉, 2개의 스위치(S)가 50%보다 큰 펄스 듀티 레이트를 갖는 경우에, 바람직하게 도 4에 도시된 바와 같이 제어 가능한 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들이 단축된다. 이로써 스위칭 시퀀스에 따라 스위치 온 지속시간들이 상응하게 변경될 수 있으므로, 인버터(10)의 작동 범위가 확장될 수 있고, 이 경우 허용되지 않을 정도로 짧은 전압 펄스는 설정되지 않는다.
도 7에 전기 부하의 제어를 위한 3개의 상전압(U, V, W)을 포함하는 복소 벡터다이어그램이 개략적으로 도시되고, 도면부호 30으로 표시된다.
3개의 상전압(U, V, W)은 양 및 음의 전압 벡터에 의해 6각형을 형성하고, 이 경우 양의 상전압(U, V, W)은 기본 전압 벡터(V1, V3, V5)에 해당하고, 상전압(U, V, W)의 음의 측은 도 2의 기본 전압 벡터(V2, V4, V6)에 해당한다.
복소 벡터다이어그램(30)은 6개의 상이한 제어 범위(32, 34, 36, 38, 40, 42)로 분할되고, 상기 범위들은 각각 하나의 기본 전압 벡터(V1-V6) 주위에 형성된다. 양의 상전압(U, V, W) 또는 기본 전압 공간 벡터(V1, V3, V5) 주위에 형성된 제어 범위(32, 36, 40)에서, 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 시간 또는 제어 가능한 스위치(S)의 펄스 듀티 레이트는 매우 짧은 반면, 2개의 다른 스위치 온 시간 또는 펄스 듀티 레이트는 비교적 길다. 음의 상전압(U, V, W) 또는 기본 전압 공간 벡터(V2, V4, V6) 주위에 형성된 제어 범위(34, 38, 42)에서, 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 시간 또는 제어 가능한 스위치(S)의 펄스 듀티 레이트는 비교적 긴 반면, 다른 2개의 스위치 온 시간 또는 펄스 듀티 레이트는 비교적 짧다.
전술한 바와 같이, 2개의 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들이 비교적 짧은 경우에, 제어 가능한 스위치들(S)의 스위치 온 지속 시간들을 단축하는 것은 바람직하지 않다. 또한 2개의 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들이 비교적 긴 경우에, 스위치(S)의 스위치 온 지속시간을 연장하는 것은 바람직하지 않다. 이러한 경우에 상황에 따라서 허용된 펄스폭보다 작은 전압 펄스가 설정된다. 다시 말해서, 2개의 제어 가능한 스위치(S)가 비교적 짧은 스위치 온 지속시간 또는 작은 펄스 듀티 레이트를 가지면, 제어 가능한 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들이 연장되는 것이 바람직하고, 또는 2개의 제어 가능한 스위치(S)가 스위치 온 지속 시간 또는 큰 펄스 듀티 레이트를 가지면, 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간이 단축되는 것이 바람직하다.
따라서 전압 공간 벡터(V*)에 대한 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들은 제어 범위(32, 36, 40)에서 연장되고, 제어 범위(34, 38, 42)에서 단축된다.
관련 제어 범위들(32-42)은 각각의 임계값(44)에 의해 서로 구분된다. 임계값(44)은 펄스폭 변조 주기(T)의 내에서 스위치(S)의 평균 스위치 온 지속시간을 갖는 제어 가능한 스위치의 펄스 듀티 레이트가 50%인 한계를 형성한다. 이로써 펄스 듀티 레이트의 평균이 50%보다 작거나 큰 경우에, 제어 방법들 사이에서, 즉 스위치 온 지속시간의 단축 또는 연장 사이에서 스위치가 전환된다.
펄스 듀티 레이트의 평균이 정확히 50%인 경우에, 바람직하게 임의적으로 2개의 제어 방법 중 하나가 선택된다.
도 8a 및 도 8b에 펄스 듀티 레이트의 평균이 50%보다 크고, 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들 또는 제어 가능한 스위치(S)의 펄스 듀티 레이트가 상응하게 단축되는 제어 시퀀스가 개략적으로 도시된다. 도 8a에 도시된 상기 제어 시퀀스는 제어 범위(34, 38, 42)에 해당하므로, 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들 또는 펄스 듀티 레이트는 가장 짧은 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치(SHB)의 스위치 온 지속시간만큼 단축된다. 이로 인해 도 8b에 도시된 제어 시퀀스가 발생하고, 이 경우 위상(U, W)의 상전압들은 상응하게 감소하고, 위상(V)의 상전압은 0으로 감소한다.
도 9a에 펄스 듀티 레이트의 평균이 50%보다 작은 제어 시퀀스가 도시된다. 상기 제어 시퀀스는 이로써 제어 범위들(32, 36, 40)중 하나의 제어 범위에 해당한다. 허용되지 않을 정도로 단축된 전압 펄스를 방지하기 위해, 이러한 제어 시퀀스에서 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들은 연장되고, 즉 가장 긴 스위치 온 지속시간 또는 최대 펄스 듀티 레이트를 갖는 스위치, 이 경우 위상(U)의 제어 가능한 스위치(SHA)는, 전체 펄스폭 변조 주기(T)에 걸쳐 스위치 온 되도록 연장된다. 다른 2개의 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들은 상응하게 동일한 지속시간만큼 연장된다. 스위치 온 지속시간의 이러한 연장에 의해 도 9b에 도시된 제어 시퀀스가 나타난다.
도 8a, 도 8b 및 도 9a에서, 각각의 펄스폭 변조 주기(T)의 시작 및 종료시 인버터(10)가 제로 전압 벡터(V0, V7)로 제어되도록, 상전압 또는 상전압의 전압 펄스가 형성된다. 도 9b에서 펄스폭 변조 주기(T)의 전체 길이로 상전압의 연장에 의해, 펄스폭 변조 주기가 기본 전압 공간 벡터(V1)로 시작되고, 기본 전압 공간 벡터(V1)로 종료된다. 각각의 펄스폭 변조 주기(T)가 제로 전압 벡터(V0, V7)로 시작하고 종료할 수 있게 하기 위해, 상전압(V, W) 또는 상전압(V, W)의 전압 펄스는 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이 변경되어야 한다.
도 10a에 도 9a의 제어 시퀀스에 상응하는 제어 시퀀스가 도시된다. 도 9a의 실시예에서처럼, 이러한 제어 상황에서 3개의 상전압(U, V, W)의 전압 펄스들이 연장되므로, 가장 긴 스위치 온 지속시간 또는 최대 펄스 듀티 레이트를 갖는 스위치, 이 경우에 위상(U)의 제어 가능한 스위치(SHA)는, 전체 펄스폭 변조 주기(T)에 걸쳐 스위치 온 되도록 연장된다. 다른 2개의 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 지속시간들은 상응하게 동일한 지속시간만큼 연장된다.
도 10b에 상전압(V, W)의 전압 펄스의 변동이 도시된다. 전압 펄스는, 펄스폭 변조 주기(T)가 각각 제로 전압 벡터(V0, V7)에 의해 시작하고 종료하도록 배치된다. 상전압(U, W)의 결과되는 연장된 전압 펄스들은 세분되고, 이렇게 형성된 부분 전압 펄스들은 펄스폭 변조 주기(T)의 시작 및 종료로 시프트된다.
이로 인해 펄스폭 변조 주기의 시작시 제로 전압 벡터(V7)가 스위칭 되고, 펄스폭 변조 주기(T)의 종료시에도 제로 전압 벡터(V7)가 스위칭 된다. 기본적으로 제로 전압 벡터들(V0, V7)은 펄스폭 변조 주기(T)의 중앙에서 가장자리로 이동되므로, 전기 부하(14) 또는 전압 공간 벡터(V*)의 제어는 영향을 받지 않는다.
도 11a에 위상(U, V, W)의 상전압이 도시되고, 이 경우 펄스 듀티 레이트의 평균은 50%이다. 상기 시퀀스는 제어 범위들(34, 38, 42) 중 하나의 범위로부터 제어 범위들(32, 36, 40)중 하나의 범위로 이행을 형성한다. 따라서, 이러한 제어 시퀀스는 스위치들(S)중 하나의 스위치가 전체 펄스폭 변조 주기에 걸쳐 폐쇄되는 범위와 제어 가능한 스위치들(S) 중 하나의 스위치가 전체 펄스폭 변조 주기에 걸쳐 개방되는 범위 사이의 이행을 형성한다. 이러한 이행 범위에서 허용되지 않은 전압 펄스 단축을 방지하기 위해, 3개의 상전압(U, V, W)의 또는 제어 가능한 스위치(S)의 스위치 온 펄스들은 펄스폭 변조 주기(T) 내에서 시간적으로 뒤로 시프트되므로, 허용되지 않을 정도로 단축된 전압 펄스가 방지된다. 전압 펄스의 이러한 시프트는 도 11b에 도시된다.
이와 달리, 제어 범위들(32, 36, 40)중 하나의 제어 범위로부터 제어 범위들(34, 38, 42)중 하나의 제어 범위로 이행시, 즉 도 9a에 도시된 스위치 온 시간의 연장으로부터 도 8a에 도시된 스위치 온 시간의 단축으로 이행 시 전압 펄스들은 펄스폭 변조 주기(T) 내에서 시간적으로 앞으로 시프트되거나, 또는 펄스폭 변조 주기(T)의 시작으로 시프트된다. 이러한 이행 시퀀스는 도 12a에 도시되고, 펄스폭 변조 주기(T)의 시작으로 해당 전압 펄스가 시프트되는 제어 시퀀스는 도 12b에 도시된다.
이로써 인버터(10)의 설정 가능한 작동 범위가 확장될 수 있고, 허용되지 않을 정도로 단축된 전압 펄스가 방지될 수 있다.
도 11b 및 도 12b의 시퀀스에서 펄스폭 변조 주기(T)는 각각 제로 전압 벡터들(V0, V7) 중 하나의 제로 전압 벡터로 시작하고, 제로 전압 벡터들(V0, V7) 중 다른 하나의 제로 전압 벡터로 종료한다.
10 인버터
14 전기 기계
S 스위치
T 펄스폭 변조 주기
V* 전압 공간 벡터

Claims (15)

  1. 공간 벡터 펄스폭 변조를 이용해서 인버터(10)를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 인버터(10)는 다수의 제어 가능한 스위치들(S)을 포함하며, 전압 공간 벡터(V*) 형태의 다상 전압(U, V, W)을 제공하도록 형성되고, 상기 제어 가능한 스위치들(S)은, 상기 전압 공간 벡터(V*)를 제공하기 위해, 상기 스위치들(S)의 상이한 스위치 온 지속시간들이 설정되도록 그리고 상기 스위치들(S)의 다수의 연속하는 상이한 스위칭 상태들(V0-V7)이 설정되도록 제어되는, 상기 인버터를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    펄스폭 변조 주기(T) 동안 상기 스위치들(S) 중 하나의 스위치의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 임계값(44)에 미달되는 경우에, 상기 펄스폭 변조 주기(T) 동안 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들이 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치들(S) 중 상기 하나의 스위치의 스위치 온 지속시간은 상기 다수의 제어 가능한 스위치들(S)의 평균 스위치 온 지속시간을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 스위치 온 된 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들은 각각 동일한 지속시간만큼 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 펄스폭 변조 주기(T) 내에 가장 긴 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치(S)의 스위치 온 지속시간은, 상기 스위치(S)가 전체 펄스폭 변조 주기(T)에 걸쳐 스위치 온 되도록 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들을 연장시키는 만큼의 지속시간은 펄스폭 변조 주기 지속시간(T)과 가장 긴 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치(S)의 스위치 온 지속시간 사이의 차이에 상응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치(S)의 스위치 온 지속시간은 상기 스위치(S)의 펄스 듀티 레이트이고, 상기 미리 규정된 임계값(44)은 50%의 펄스 듀티 레이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치(S)의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 제 2 임계값(44)을 초과하는 경우에, 상기 스위치(S)의 스위치 온 지속시간이 단축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들은, 전체 펄스폭 변조 주기(T)에 걸쳐 가장 짧은 스위치 온 지속시간을 갖는 스위치(S)가 개방되도록 각각의 경우에 동일한 지속시간만큼 단축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위치(S)의 스위치 온 지속시간이 제 1 및 제 2 임계값(44) 사이의 미리 규정된 값 범위(44)에 상응하는 경우에, 펄스폭 변조 주기(T) 내에서 상기 스위치들(S)의 각각의 스위치 온 펄스들이 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 임계값(44)은 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치 온 지속시간이 상기 제 1 임계값(44)보다 큰 값으로부터 상기 제 2 임계값(44)보다 작은 값으로 변경되는 경우에, 상기 스위치들(S)의 스위치 온 펄스들은 상기 펄스폭 변조 주기(T)의 종료로 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 스위치(S)의 스위치 온 지속시간이 상기 제 2 임계값(44)보다 작은 값으로부터 상기 제 2 임계값(44)보다 큰 값으로 변경되는 경우에, 상기 스위치들(S)의 스위치 온 펄스들은 상기 펄스폭 변조 주기(T)의 시작으로 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 스위치들(S)의 스위치 온 펄스들은 세분되고, 상기 세분된 스위치 온 펄스들은 각각의 경우에 상기 펄스폭 변조 주기(T)의 시작 및 종료로 시프트되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 공간 벡터 펄스폭 변조를 이용해서 인버터(10)를 제어하기 위한 장치로서, 상기 인버터(10)는 다수의 제어 가능한 스위치들(S)을 포함하고 전압 공간 벡터(V*) 형태의 다상 전압(U, V, W)을 제공하도록 형성되며, 상기 장치는 상기 전압 공간 벡터(V*)를 제공하기 위해 상기 스위치들(S)의 상이한 스위치 온 지속시간들이 설정되도록 그리고 상기 인버터(10)가 상기 스위치들(S)의 다수의 연속하는 상이한 스위칭 상태들(V0, V7)을 취하도록, 상기 제어 가능한 스위치들(S)을 제어하는 방식으로 형성된 제어 유닛을 포함하는, 상기 인버터를 제어하기 위한 장치에 있어서,
    상기 제어 유닛(18)은, 펄스폭 변조 주기(T) 동안 상기 스위치들(S) 중 하나의 스위치의 스위치 온 지속시간이 미리 규정된 임계값(44)에 미달되는 경우에, 상기 펄스폭 변조 주기(T) 동안 상기 스위치들(S)의 스위치 온 지속시간들을 연장하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 구동 출력을 제공하기 위한 적어도 하나의 전기 기계(14), 상기 전기 기계(14)를 제어하기 위한 인버터(10) 및 제 14 항에 따른 상기 인버터(10)를 제어하기 위한 장치(18)를 포함하는 차량 구동 트레인.
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