KR102366278B1 - 고속 스위칭 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치의 연산부에 복수의 범용 CPU를 채용하여 CPU를 병렬로 운용함으로써, 제어기의 운용시간을 최대한 확보할 수 있는 고속 스위칭 전력 변환 장치에 관한 것이다.

Description

고속 스위칭 전력 변환 장치{High-speed switching power conversion device}
본 발명은 고속 스위칭 전력 변환 장치에 관한 발명으로서, SiC 또는 GaN와 같이 고속으로 스위칭하는 전력 반도체 스위치 및 상기 고속 스위칭 전력 반도체 스위치를 제어하는 복수의 CPU를 포함하는 연산부를 포함한 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 도 1과 같이 전력 변환을 수행하는 전력 반도체인 복수의 스위치로 이루어지는 스위치부(10), 전력 변환 장치에 입력되는 물리량(전압, 전류) 및/또는 전력 변환 장치로부터 출력되는 물리량(전압, 전류)를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서부(20), 상기 센서부의 출력과 제어 지령치를 기초로 제어 알고리즘에 따라 제어 출력 신호와 PWM 지령 신호를 산출하는 연산부(30), 상기 연산부의 PWM 지령 신호에 기초하여 상기 스위치의 ON/OFF 제어신호인 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부(40)를 포함한다. 일반적으로 상기 연산부는 하나의 CPU를 구비하고, 상기 스위치의 스위칭 주기마다 상기 센서부의 출력값 및 제어 지령값을 입력 받고, 이를 기초로 PWM 지령 신호를 생성한다.
한편, 전력 변환 장치에서 전류 등을 측정하는 경우 스위치들이 스위칭하는 순간을 피해서 측정 노이즈가 가장 적고, 전류 변화율이 가장 작은 시점에서 측정하는 것이 바람직하므로, 스위칭 주기의 중간 지점(Zero vector 전압 인가 구간)에서 샘플링하는 것이 널리 사용되고 있다. 따라서, 도 2a에 도시한 바와 같이, 센서부는 스위칭 주기 중간 시점에 샘플링하여 센싱된 물리량(S1, S2)을 상기 연산부(CPU)에 전달하고, 연산부는 센싱된 물리량(S1, S2)에 기초하여 제어 알고리즘 등을 연산(연산(S1), 연산(S2))하여 제어 출력 신호를 생성(미도시)하고, 제어 출력 신호에 기초하여 PWM 지령 신호(P1, P2)를 산출하여, PWM 신호 생성부(40)에 PWM 지령 신호(P1, P2)를 전달한다. PWM 신호 생성부(40)는 PWM의 주기가 시작되기 전에 입력받은 PWM 지령 신호(P1, P2)에 기초하여 PWM 주기(T_PWM) 동안 실시간으로 스위치의 ON 또는 OFF 동작을 제어하는 PWM 신호를 발생시킨다. 도면 2a에서, CPU는 첫번째 연산에서는 측정된 물리량(S1)을 이용하여 연산하여 PWM 지령 신호 P1을 생성하고, PWM 신호 생성부(40)는 T_PWM으로 표시된 한 주기 동안 PWM 지령 신호 P1에 해당하는 DUTY의 스위치 제어 신호를 발생시킨다. P1에 따른 스위치 제어 중에 측정된 물리량(S2)을 이용하여 CPU는 다음 연산을 수행하고, PWM 신호 생성부(40)는 다음 PWM 지령 신호 P2를 생성한다. 여기서, 주목할 점은, 다음 스위칭 주기 이전에 PWM 지령 신호를 산출해야 하므로, 일반적으로 연산부(30)는 스위칭 주기의 반인 T_PWM/2 이내에 모든 연산을 완료할 수 있어야 한다.
한편, 종래에, 스위치로서 IGBT나 MOSFET 등 실리콘 기반 전력 반도체를 이용하는 경우, 최고 동작 허용 온도, 스위칭 손실 등을 고려할 때 스위칭 주파수가 약 수 kHz~수십kHz로 제한되고, 이는 시스템 사이즈를 줄이거나 효율을 향상시키는데 걸림돌이 되었다. 최근에는 Sic 또는 GaN 등의 WBG(Wide Band Gap) 전력 반도체를 스위치로 채용하여, 스위칭 주파수를 수백kHz~수MHz 등 현격히 높혀 시스템 사이즈를 대폭 줄이고, 효율을 향상시키며, 수명을 증대시키려는 노력이 활발히 이루어 지고 있다.
그런데, WBG 전력 반도체를 채용하는 경우, 스위칭 주파수 증대에 따라 스위칭 주기(T_PWM)가 감소함으로써, 상기 스위치를 제어하는 연산부에 허용되는 연산 시간도 줄어들게 된다. 이에 따라, WBG 전력 반도체를 이용한 전력 변환 장치에 있어서, CPU 처리속도에 의해 시스템 스위칭 속도가 오히려 제한될 수 있다. 또한, 스위칭 주파수 증대에 따라 제어 주파수 대역폭을 증대시킬 수 있음에도 불구하고 연산부의 처리속도 제한에 의해서 제어 주파수 대역폭을 증대시키는 것이 제한될 수도 있다. 예를 들면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 스위칭 주기(T_PWM)가 줄어들어, CPU가 측정된 물리량(S1, S2)에 기초하여 PWM 지령 신호(P1, P2)을 생성하는데 소요되는 시간이 PWM 주기보다 더 길어지게 되는 경우, 하나의 PWM 지령 신호(P1)에 의해서 복수의 PWM 스위치 주기(T_PWM) 동안 동일한 PWM 신호를 내보내야 하므로, 제어 (주파수) 대역폭(Control bandwidth)이 제한 받게 된다. 즉, 도 2b에서 한번 산출한 제어 출력 신호로 2번 스위칭을 하게 되어, 제어 시간 지연으로 인하여 시스템 안정성(stability)을 저하시킬 수 있는 문제가 있을 수 있다.
한국 공개특허공보 제2016-0103185호(2015.07.30)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연산부에 복수의 CPU를 채용하여, CPU를 병렬 및 순차적으로 운용함으로써, 스위치의 스위칭 주파수가 증가되는 경우에도 불구하고, 매 PWM 주기마다 연산부의 각 CPU가 산출한 각 PWM 제어 신호에 기초하여 상기 스위치를 제어함으로써, 제어 안정성이 향상된 고속 스위칭 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
복수의 CPU를 채용하는 경우, 센서들 간의 오차, 센싱 시점별 측정 노이즈 차이, 센싱 시점의 물리량의 차이 등에 따라 복수 CPU의 각 제어 출력 신호들이 크게 변동 또는 진동하여 전력 변환 장치의 제어 성능이 크게 저하될 수 있는 또 다른 문제가 있다. 예를 들어, 물리량 자체는 일정하지만 각 CPU로 입력되는 센싱된 물리량이 각 시점별 노이즈로 인하여 다르게 측정되면, 각 제어 출력 신호이 일정하지 않고 요동칠 수 있고, 이에 따라 제어 지령을 정확하게 추정하지 못하게 되어 전력 변환 장치의 성능 저하를 초래할 수 있다. 본 발명은, 이러한 문제를 해소하기 위하여, 복수의 CPU들 간 제어 출력 신호를 참조하여 어느 한 CPU의 제어 출력 신호만이 아닌 복수 CPU들의 제어 출력 신호를 기초로 안정적인 PWM 제어 신호를 생성하는 알고리즘을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
복수의 CPU가 제어 출력 신호를 참조하여 PWM 제어 신호를 생성하는 경우, 복수의 CPU들 중 어느 하나의 CPU 고장이 발생하는 경우 전력 변환 장치가 오작동 하거나, 동작을 중지해야 하는 문제가 있다. 본 발명은, 이러한 문제를 해소하기 위하여, Fail-safe CPU를 더 포함하여, Fail-safe CPU가 순차적으로 각 CPU의 고장 여부를 검출할 뿐 아니라, 어느 한 CPU가 완전히 고장이라고 판단되는 경우, Fail-safe CPU가 해당 고장 CPU의 역할을 대신함으로써, 고장에 의한 영향을 최소화 할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고속 스위칭 전력 변환 장치는, 고속 스위칭 전력 변환 장치에 있어서, 전력 반도체인 복수의 스위치를 포함하는 스위치부; 상기 전력 변환 장치에 입력되는 물리량 및 출력되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량을 측정하는 센서를 포함하는 센서부; 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량을 입력 받고, 상기 스위치 제어를 위한 PWM 지령 신호를 출력하는 연산부; 및 상기 연산부로부터 입력 받는 상기 PWM 지령 신호에 기초하여 상기 스위치의 ON/OFF 제어신호인 PWM 신호를 생성하여 상기 스위치부에 전달하는 PWM 신호 생성부;를 포함하고, 상기 연산부는, 각각 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량을 입력 받고 제어 출력 신호를 생성하며, 순차적으로 동작하는 n개의 CPU를 포함하고, 상기 제어 출력 신호에 기초하여 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 할 수 있다.
상기 각각의 CPU가 입력 받은 물리량을 측정한 시점부터, 입력 받은 상기 물리량에 기초하여 상기 제어 출력 신호를 생성하는데 소요되는 시간인 CPU의 최소연산시간인 DT_CPU는, 상기 스위치의 스위칭 주기인 T_PWM의 반보다 클 수 있다.
상기 복수의 스위치 중 적어도 하나는 Wide Band Gap(WBG) 전력 반도체일 수 있다.
상기 n개의 CPU가 교대로 상기 PWM 지령 신호를 산출할 수 있다.
상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU는, 나머지 CPU들 중 적어도 하나의 제어 출력 신호를 입력 받고, 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호와 상기 나머지 CPU 중 적어도 하나의 제어 출력 신호를 기초로 상기 PWM 지령 신호를 산출할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 하기 수식1에 기초하여, ti 시점에서 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호와 과거 ti-1 내지 ti-m 시점의 m개의 CPU의 제어 출력 신호에 각각 가중치 K(ti-1) 내지 K(ti-m)를 곱하여 ti 시점의 상기 PWM 지령 신호인 P(ti)를 산출할 수 있다.
[수식1] P(ti)=K(ti)W(ti)+K(ti-1)W(ti-1)+ … + K(ti-m)W(ti-m),
(여기서, 1≤m<n이고, m은 정수이며, K(ti)+ … +K(ti-m)=1)
상기 m은 전력 변환 장치의 상태에 따라서 가변 되되, 전력 변환 장치가 정상상태인 경우에 비해서 과도상태인 경우 m이 더 작을 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 상기 제어 지령치의 변화율이 소정의 임계값보다 크거나, 상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차가 소정의 임계값보다 크면, 과도상태인 것으로 판단할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 n개의 CPU와 연결되고, 공유 정보를 저장하는 메모리;를 더 포함하고, 상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU는, 상기 메모리에 저장된 상기 공유 정보에 기초하여 제어 출력 신호를 생성하고, 상기 제어 출력 신호에 기초하여 상기 PWM 지령 신호를 산출할 수 있다.
상기 공유 정보는, 상기 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량과의 차이인 제어 오차의 적분값을 포함할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차와 상기 공유 정보를 기초로 PI제어 또는 PID제어를 통해 상기 제어 출력 신호를 산출하고, 상기 제어 오차를 상기 제어 오차의 적분값에 부가하여 상기 공유 정보를 업데이트하여, 상기 공유 정보를 상기 메모리에 저장할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 상기 제어 오차의 적분값을 산출하고, 상기 산출된 제어 오차의 적분값과 상기 공유 정보와 비교하여, 상기 공유 정보의 유효성을 판단할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 n개 CPU의 상태를 모니터링 하는 적어도 하나의 Fail-safe CPU;를 더 포함하고, 상기 Fail-safe CPU는, 매 연산 주기마다 상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU에 입력되는 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호를 입력 받고, 상기 어느 한 CPU에 입력되는 신호에 기초하여 제어 출력 신호를 산출하며, 상기 산출된 제어 출력 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호를 비교하여 상기 어느 한 CPU의 상태를 판단할 수 있다.
상기 Fail-safe CPU는, 상기 산출된 제어 출력 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호간의 차이가 소정의 경계범위를 범어나면, 상기 어느 한 CPU의 상태가 비정상이라고 판단하고, 비정상으로 판단된 어느 한 CPU 이전에 정상으로 판단된 다른 CPU의 제어 출력 신호에 기초한 PWM 지령 신호를 생성하여 상기 PWM 신호 생성부로 전달할 수 있다.
상기 Fail-safe CPU는, 상기 어느 한 CPU의 상태가 비정상이라고 판단되는 것이 소정 횟수 이상 반복되면, 더 이상 상기 어느 한 CPU의 상태를 판단하지 않고, 상기 어느 한 CPU를 대신하여 상기 Fail-safe CPU가 제어 출력 신호를 산출할 수 있다.
본 발명은 연산부가 복수의 CPU를 구비하고, 각 CPU가 서로 상이한 연산을 수행하여 각각의 제어 출력 신호를 생성하도록 복수의 CPU를 순차적으로 병렬로 운용함에 따라, 전력 변환 장치에 이용되는 스위치의 종류, 스위칭 주파수에 따라 필요한 CPU의 개수만을 달리함으로써 다양한 시스템에 연산부의 최소한의 설계변경만으로 손쉽게 대응이 가능하고, 연산부 플랫폼 구축이 용이하며, 보다 효율적으로 다품종 전력 변환 장치를 양산할 수 있다.
나아가, 고속의 매 스위칭 주기마다 복수의 CPU를 통해 연산이 가능해지게 되어 제어기의 운용시간을 최대로 확보할 수 있고, 이를 통해 시스템의 PWM 제어에 있어서 제어신뢰성, 정밀도 및 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 전력 변환 장치 구성의 개념도이다.
도 2a는 IGBT 등 실리콘 전력 반도체를 사용하는 경우, 종래 PWM 신호, 센서 및 CPU의 동작을 나타낸다.
도 2b는 SiC, GaN 등 WBG 전력 반도체를 사용하는 경우, 종래 PWM 신호, 센서 및 CPU의 동작을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 전력 변환 장치의 전체적인 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 전력 변환 장치의 구성의 일 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 PWM 신호, 센서 및 CPU의 동작을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 전력 변환 장치의 구성의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 PWM 신호, 센서 및 CPU의 동작을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 전력 변환 장치의 전체적인 구성을 나타내고, 도 4는 본 발명의 일 예에 따른 전력 변환 장치의 구성을 개념도로 나타내며, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 PWM 신호, 센서 및 CPU의 동작을 나타낸다.
도 3은 모터(500)를 구동하는 인버터로서의 전력 변환 장치의 구성 예를 나타낸다. 전력 변환 장치는 스위치부(100), 센서부(200), 연산부(300), 및 PWM 신호 생성부(400)를 포함할 수 있다.
스위치부(100)는 전력 반도체인 스위치 복수개를 포함하여 구성되며, PWM 신호 생성부(400)가 상기 스위치의 ON/OFF 제어 신호인 PWM 신호를 생성한다.
센서부(200)는 전력 변환 장치에 입력되는 물리량 및 출력되는 물리량 중 적어도 하나를 측정하는 센서를 포함하여 구성되는 것으로, 예를 들어, 본 발명인 전력 변환 장치가 모터 제어용 인버터에 적용되는 경우, 센서부(200)는 모터에 인가하는 전류랑, DC단 전압량, 모터의 회전자 속도 또는 위치를 센서를 통해 측정할 수 있다. 한편, 본 발명인 전력 변환 장치가 3상 PWM 컨버터에 적용되는 경우, 센서부(200)는 교류 전원의 전압 및 전류량, DC단 전압, 및 DC단 부하 전류량을 센서를 통해 측정할 수 있다.
연산부(300)는 제어 지령치와 센서부(200)의 출력, 즉 센서부(200)가 측정한 물리량을 기초로 제어 알고리즘에 따라 제어 출력 신호를 생성하고, 제어 출력 신호에 기초하여 PWM 지령 신호를 산출한다. 예를 들어 본 발명인 전력 변환 장치가 인버터에 적용되는 경우, 연산부(300)는, 상위 제어기 또는 관리자로부터 수신한 속도 지령과 측정된 모터의 회전자 속도간 오차를 입력받아 전류 지령치를 생성하는 속도 제어기, 및 전류 지령치와 모터에 인가되는 전류랑을 비교하여 인버터 출력 전압 지령을 생성하는 전류 제어기를 포함할 수 있다. 이 경우, 연산부(300)의 제어 출력 신호는 전류 제어기의 출력인 인버터 출력 전압 지령일 수 있다. PWM 신호 생성부(400)에 입력되는 PWM 지령 신호는 제어 출력 신호와 동일할 수도 있고 제어 출력 신호에 기초하여 수정된 신호일 수 있다. 예를 들어서, PWM 지령 신호는 정지좌표계 인버터 출력 전압 지령(전압 벡터)이거나, PWM ON DUTY일 수 있다.
본 발명인 전력 변환 장치가 컨버터에 적용되는 경우, 연산부(300)는 상위 제어기 등으로부터 수신한 DC 전압 제어 지령과 측정된 DC 전압간의 오차를 입력받고 전류 지령치를 생성하는 전압 제어기, 및 전류 지령치와 교류 전원의 입력 전류량을 비교하여 컨버터의 출력 전압(POLE 전압) 지령을 생성하는 전류 제어기를 포함할 수 있다. 이때, PWM 신호 생성부(400)에 전달하는 PWM 지령 신호는 컨버터 출력 전압 지령이거나, PWM ON DUTY일 수 있다.
PWM 신호 생성부(400)는 연산부(300)로부터 PWM 지령 신호를 입력받고, 이에 기초하여 스위치부(100)의 스위치의 ON/OFF 제어신호인 PWM 신호를 실시간으로 생성한다. PWM 신호 생성부(400)는 FPGA 등으로 이루어진 회로일 수 있다.
도 4는 본 발명의 구성의 개념도를 나타낸다. 본 발명은, 고속 스위칭 전력 변환 장치에 있어서, 전력 반도체인 복수의 스위치를 포함하는 스위치부(100), 상기 전력 변환 장치에 입력되는 물리량 및 출력되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량을 측정하는 센서를 포함하는 센서부(200), 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량을 입력 받고, 상기 스위치 제어를 위한 PWM 지령 신호를 출력하는 연산부(300), 및, 상기 연산부로부터 입력 받는 상기 PWM 지령 신호에 기초하여 상기 스위치의 ON/OFF 제어신호인 PWM 신호를 생성하여 상기 스위치부에 전달하는 PWM 신호 생성부(400)를 포함하고, 상기 연산부(300)는, 각각 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량을 입력 받고 제어 출력 신호를 생성하며, 순차적으로 동작하는 n개의 CPU(301, 302, …, 30n)를 포함하고, 상기 제어 출력 신호에 기초하여 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여, 종래에 CPU 연산시간이 PWM 주기보다 길어서 PWM 주기마다 PWM 신호를 업데이트하지 못하는 문제를 해소할 수 있고, 이를 통해 제어 대역폭 증대, 제어 안정성 증대 효과를 나타낼 수 있다.
상기 복수의 스위치 중 적어도 하나는 Wide Band Gap(WBG) 전력 반도체인 것을 특징으로 할 수 있다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 CPU가 입력 받은 물리량을 측정한 시점부터, 입력 받은 상기 물리량에 기초하여 상기 제어 출력 신호를 생성하는데 소요되는 시간인 CPU의 최소연산시간인 DT_CPU는, 상기 스위치의 스위칭 주기인 T_PWM의 반보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 n개의 CPU가 교대로 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여, 복수의 CPU가 순차적으로 동작하고, 이를 통해 제어 안정성을 향상시킬 수 있다.
[실시예1]
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU는, 나머지 CPU들 중 적어도 하나의 제어 출력 신호를 입력 받고, 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호와 상기 나머지 CPU 중 적어도 하나의 제어 출력 신호를 기초로 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 제1 CPU (301)가 동작하는 경우, 제1 CPU(301)는 제2 내지 제n CPU의 종래 제어 출력 신호를 입력 받고, 자체적으로 산출한 제어 출력 신호와 제2 내지 n CPU의 제어 출력 신호에 기초하여 PWM 지령 신호를 생성하여 PWM 신호 생성부(400)에 전달할 수 있다. 다음 차례로, 제2 CPU가 동작하는 경우, 제2 CPU는 제1, 3 내지 n CPU의 종래 제어 출력 신호를 입력 받고, 자체적으로 산출한 제어 출력 신호와 제1, 제3 내지 제n CPU의 제어 출력 신호에 기초하여 PWM 지령 신호를 생성하여 PWM 신호 생성부(400)에 전달할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 복수의 CPU를 채용하는 경우, 센서들 간의 오차, 센싱 시점별 측정 노이즈 차이, 센싱 시점의 물리량의 차이 등에 따라 복수 CPU의 각 제어 출력 신호들이 크게 변동 또는 진동하여 전력 변환 장치의 제어 성능이 크게 저하될 수 있는 문제를 방지할 수 있다. 예를 들어, 물리량 자체는 일정하지만 각 CPU로 입력되는 센싱된 물리량이 각 시점별 노이즈로 인하여 다르게 측정되면, 각 제어 출력 신호이 일정하지 않고 요동칠 수 있고, 이에 따라 제어 지령을 정확하게 추정하지 못하게 되어 전력 변환 장치의 성능 저하를 초래할 수 있는데, 상기와 같은 특징으로 인하여, 복수의 CPU들간 제어 출력 신호를 참조하여 어느 한 CPU의 제어 출력 신호만이 아닌 복수 CPU들의 제어 출력 신호를 기초로 안정적인 PWM 제어 신호를 생성할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
[실시예1-1]
상기 어느 한 CPU는, 하기 수식1에 기초하여 ti 시점에서 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호와 과거 ti-1 내지 ti-m 시점의 m개의 CPU의 제어 출력 신호에 각각 가중치 K(ti-1) 내지 K(ti-m)를 곱하여 ti 시점의 상기 PWM 지령 신호인 P(ti)를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수식1] P(ti)=K(ti)W(ti)+K(ti-1)W(ti-1)+ … + K(ti-m)W(ti-m),
여기서, 1≤m<n이고, m은 정수이며, K(ti)+ … +K(ti-m)=1.
예를 들어, m=3, 제1 내지 3 CPU가 순차적으로 동작하고, t3 시점에서, 제3 CPU가 동작하는 경우, 제1 내지 3 CPU의 제어 출력 신호를 각각 W1, W2, 및 W3라 한다면, 제3 CPU는 P=K1W1+K2W2+K3W3와 같이 PWM 지령 신호를 산출하며, 여기서, W(ti) 및 K(ti)는 각각 ti 시점에 동작하는 CPU의 제어 출력과 가중치 계수이고, W(ti-1) 및 K(ti-1)는 ti-1 시점에 동작하는 CPU의 제어 출력과 가중치 계수로서, 이 사례에서는 W(ti)=W3, K(ti)=K3, W(ti-1)=W2, K(ti-1)=K2, W(ti-2)=W1, K(ti-2)=K1와 같다. 물론, 제3 CPU 다음에는 제1 CPU가 동작하게 된다.
[실시예1-1A]
K(ti-1)= … = K(ti-m)=1/n인 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 모든 제어 출력 신호의 평균값을 이용하여 PWM 지령을 생성함으로써, 측정 오차 등으로 인하여 CPU 별로 제어 출력이 변동하는 것을 최소화 하여 시스템을 안정적으로 가져갈 수 있을 뿐 아니라, 가중치 상수(K)가 일정하므로, 계산량을 대폭 줄일 수 있다. 예를 들어, m=10인 경우, 가중치가 각각 다르면 10번의 곱셈 계산을 수행하고, 9번의 덧셈 계산을 수행해야 하는데, 가중치가 동일하면, 9번의 덧셈 계산 후에 1번의 곱셈 계산만으로 PWM 지령 신호를 산출할 수 있다. 주목해야할 점은, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 CPU 연산시간을 줄이는 것이 매우 중요한 분야라는 점을 간과해서는 안될 것이다. 나아가, 곱셈 계산에 필요한 시간은 덧셈 계산에 필요한 시간에 비해 매우 크므로, 위와 같은 방법으로 연산시간을 대폭 줄일 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
[실시예1-1B]
가중치 K(ti-p)≥K(ti-q)이고, 여기서, p<q 인 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여, PWM 지령 신호를 산출하기 위해 이전의 m 개의 제어 출력 신호를 이용하되, 더욱 최근의 CPU가 출력한 제어 출력 신호의 비중을 높이는 것으로, 이에 의하면 최근의 제어 출력 신호를 기초로 PWM 지령 신호가 산출되게 되어, 제어의 안정성을 확보하면서도, 정밀도와 응답성을 더욱 높일 수 있는 효과를 나타낼 수 있다. 즉, 가중치를 서로 다르게 하면서도, m 개의 제어 출력 신호에 대해서만 계산하므로, 계산량을 최소화 또는 최적화할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
[실시예1-2]
상기 m은 전력 변환 장치의 상태에 따라서 가변 되되, 전력 변환 장치가 정상상태인 경우에 비해서 과도상태인 경우 m이 더 작은 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여, 과도상태로 시스템의 상태가 급변하였는데도 불구하고 과거 값을 모두 이용해서 PWM 지령 신호를 생성하면 그만큼 제어 응답이 늦어질 뿐 아니라 시스템 안정성도 낮추는 것을 방지할 수 있다. 즉, 시스템이 안정적인 정상상태에는 가급적 많은 데이터에 기초하여 안정적으로 PWM 지령 신호를 생성하고, 시스템이 급변하는 과도 상태인 경우에는 최근의 데이터만을 이용하여 빠른 제어 응답 속도를 갖도록 함으로써, 측정 노이즈 등에 강인한 (일정한) PWM 지령 신호를 생성하여 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라, 빠른 제어 응답 속도를 확보하여 제어 대역폭을 확장하여 시스템 안정성을 개선할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
이때, 상기 어느 한 CPU는, 상기 제어 지령치의 변화율이 소정의 임계값보다 크거나, 상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차가 소정의 임계값보다 크면, 과도상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 제어 지령치의 변화율이 소정의 제2 지령 임계값보다 크거나, 상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차가 소정의 제2 오차 임계값보다 크면, K(ti)=1 이고 K(ti-1)= … =K(ti-m)=0 인 것을 특징으로 할 수 있다.
[실시예2]
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 연산부는, 상기 n개의 CPU와 연결되고, 공유 정보를 저장하는 메모리(310)를 더 포함하고, 상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU는, 상기 메모리(310)에 저장된 상기 공유 정보에 기초하여 제어 출력 신호를 생성하고, 상기 제어 출력 신호에 기초하여 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 공유 정보는, 상기 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량과의 차이인 제어 오차의 적분값을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차와 상기 공유 정보를 기초로 PI제어 또는 PID제어를 통해 상기 제어 출력 신호를 산출하고, 상기 제어 오차를 상기 제어 오차의 적분값에 부가하여 상기 공유 정보를 업데이트하여, 상기 공유 정보를 상기 메모리에 저장하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 상기 제어 오차의 적분값을 산출하고, 상기 산출된 제어 오차의 적분값과 상기 공유 정보와 비교하여, 상기 공유 정보의 유효성을 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 나머지 CPU 중 적어도 하나에 상기 공유 정보의 유효성 판단 정보를 전송하고, 상기 공유 정보가 유효한 것으로 판단되면, 상기 공유 정보를 이용하여 제어 출력 신호를 산출하며, 상기 공유 정보가 유효하지 않은 것으로 판단되면, 상기 어느 한 CPU가 자체적으로 산출한 제어 오차의 적분값을 이용하여 상기 제어 출력 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어느 한 CPU는, 나머지 CPU 중 적어도 하나로부터 상기 공유 정보의 유효성 판단 정보를 입력 받고, 상기 공유 정보가 유효하지 않다는 정보를 입력 받은 경우, 상기 제어 오차의 적분값을 산출하고, 상기 산출된 제어 오차의 적분값에 기초하여 제어 출력 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[실시예3]
상기 연산부는, 상기 n개 CPU의 제어 출력 신호를 입력 받아, 상기 PWM 지령 신호를 생성하는 적어도 하나의 PWM 지령 생성 CPU를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[실시예4]
상기 n개 CPU는 r개의 그룹으로 구분되고, 각 그룹마다 적어도 하나의 CPU가 PWM 지령 생성 CPU가 되어, 그룹 내의 나머지 CPU가 순차적으로 출력하는 제어 출력 신호를 입력 받아, 그룹에 속하는 CPU 순서에 해당하는 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[실시예5]
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 연산부는, 상기 n개 CPU의 상태를 모니터링 하는 적어도 하나의 Fail-safe CPU(CPUx)를 더 포함하고, 상기 Fail-safe CPU는, 매 연산 주기마다 상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU에 입력되는 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호를 입력 받고, 상기 어느 한 CPU에 입력되는 신호에 기초하여 제어 출력 신호를 산출하며, 상기 산출된 제어 출력 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호를 비교하여 상기 어느 한 CPU의 상태를 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 Fail-safe CPU는, 상기 산출된 제어 출력 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호간의 차이가 소정의 경계범위를 범어나면, 상기 어느 한 CPU의 상태가 비정상이라고 판단하고, 비정상으로 판단된 어느 한 CPU 이전에 정상으로 판단된 다른 CPU의 제어 출력 신호에 기초한 PWM 지령 신호를 생성하여 상기 PWM 신호 생성부로 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 Fail-safe CPU는, 상기 어느 한 CPU의 상태가 비정상이라고 판단되는 것이 소정 횟수 이상 반복되면, 더 이상 상기 어느 한 CPU의 상태를 판단하지 않고, 상기 어느 한 CPU를 대신하여 상기 Fail-safe CPU가 제어 출력 신호를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 복수의 CPU가 제어 출력 신호를 참조하여 PWM 제어 신호를 생성하는 경우, 복수의 CPU들 중 어느 하나의 CPU 고장이 발생하는 경우 전력 변환 장치가 오작동 하거나, 동작을 중지해야 하는 문제를 방지할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다. 또한, Fail-safe CPU가 순차적으로 각 CPU의 고장 여부를 검출할 뿐 아니라, 어느 한 CPU가 완전히 고장이라고 판단되는 경우, Fail-safe CPU가 해당 고장 CPU의 역할을 대신함으로써, 고장에 의한 영향을 최소화할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 연산부가 복수의 CPU를 구비하고, 각 CPU가 서로 상이한 연산을 수행하여 각각의 제어 출력 신호를 생성하도록 복수의 CPU를 병렬로 운용함에 따라, 전력 변환 장치에 이용되는 스위치의 종류, 스위칭 주파수에 따라 필요한 CPU의 개수만을 달리함으로써, 다양한 시스템에 제어부의 최소한의 설계변경만으로 손쉽게 대응이 가능하여, 제어부 플랫폼 구축이 용이하고, 보다 효율적으로 대량 양산할 수 있다.
나아가, 고속의 매 스위칭 주기마다 CPU를 통한 연산이 가능해지게 되어 제어기의 운용시간을 최대로 확보할 수 있고, 이를 통해 시스템의 PWM 제어에 있어서 제어신뢰성, 정밀도 및 응답성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 메모리와 Fail-safe CPU를 더 포함함에 따라, 복수의 CPU가 각각 독립적으로 운용되는 경우, 센서들 간의 오차, 센싱 시점별 측정 노이즈 차이, 센싱 시점의 물리량의 차이 등에 따라 n개 CPU의 각 제어 출력 신호의 변화 폭이 원하지 않는 범위로 크게 변동 또는 진동하여 발생되는 다양한 문제들을 해결할 수 있다.
100 : 스위치부
200 : 센서부
300 : 연산부
301, 302, …, 30n : 각 CPU
310 : 메모리
320 : Fail-safe CPU
400 : PWM 신호 생성부
W1, W2, …, W3 : 각 CPU가 생성하는 각 제어 출력 신호
P1, P2, …, P3 : 각 CPU가 산출하는 각 PWM 지령 신호

Claims (15)

  1. 고속 스위칭 전력 변환 장치에 있어서,
    전력 반도체인 복수의 스위치를 포함하는 스위치부;
    상기 전력 변환 장치에 입력되는 물리량 및 출력되는 물리량 중 적어도 하나의 물리량을 측정하는 센서를 포함하는 센서부;
    제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량을 입력 받고, 상기 스위치 제어를 위한 PWM 지령 신호를 출력하는 연산부; 및,
    상기 연산부로부터 입력 받는 상기 PWM 지령 신호에 기초하여 상기 스위치의 ON/OFF 제어신호인 PWM 신호를 생성하여 상기 스위치부에 전달하는 PWM 신호 생성부;를 포함하고,
    상기 연산부는,
    각각 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량을 입력 받고 제어 출력 신호를 생성하며, 순차적으로 동작하는 n개의 CPU를 포함하고,
    상기 제어 출력 신호에 기초하여 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 CPU가 입력 받은 물리량을 측정한 시점부터, 입력 받은 상기 물리량에 기초하여 상기 제어 출력 신호를 생성하는데 소요되는 시간인 CPU의 최소연산시간인 DT_CPU는,
    상기 스위치의 스위칭 주기인 T_PWM의 반보다 큰 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위치 중 적어도 하나는 Wide Band Gap(WBG) 전력 반도체인 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 n개의 CPU가 교대로 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU는,
    나머지 CPU들 중 적어도 하나의 제어 출력 신호를 입력 받고,
    상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호와 상기 나머지 CPU 중 적어도 하나의 제어 출력 신호를 기초로 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 어느 한 CPU는, 하기 수식1에 기초하여,
    ti 시점에서 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호와 과거 ti-1 내지 ti-m 시점의 m개의 CPU의 제어 출력 신호에 각각 가중치 K(ti-1) 내지 K(ti-m)를 곱하여 ti 시점의 상기 PWM 지령 신호인 P(ti)를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
    [수식1] P(ti)=K(ti)W(ti)+K(ti-1)W(ti-1)+ … + K(ti-m)W(ti-m),
    (여기서, 1≤m<n이고, m은 정수이며, K(ti)+ … +K(ti-m)=1)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 m은 전력 변환 장치의 상태에 따라서 가변 되되,
    전력 변환 장치가 정상상태인 경우에 비해서 과도상태인 경우 m이 더 작은 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 어느 한 CPU는,
    상기 제어 지령치의 변화율이 소정의 임계값보다 크거나, 상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차가 소정의 임계값보다 크면, 과도상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 n개의 CPU와 연결되고, 공유 정보를 저장하는 메모리;를 더 포함하고,
    상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU는,
    상기 메모리에 저장된 상기 공유 정보에 기초하여 제어 출력 신호를 생성하고, 상기 제어 출력 신호에 기초하여 상기 PWM 지령 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공유 정보는,
    상기 제어 지령치와 상기 센서부가 측정한 물리량과의 차이인 제어 오차의 적분값을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 어느 한 CPU는,
    상기 제어 지령치와 해당하는 물리량의 오차인 제어 오차와 상기 공유 정보를 기초로 PI제어 또는 PID제어를 통해 상기 제어 출력 신호를 산출하고,
    상기 제어 오차를 상기 제어 오차의 적분값에 부가하여 상기 공유 정보를 업데이트하여, 상기 공유 정보를 상기 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 어느 한 CPU는,
    상기 제어 오차의 적분값을 산출하고,
    상기 산출된 제어 오차의 적분값과 상기 공유 정보와 비교하여, 상기 공유 정보의 유효성을 판단하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 n개 CPU의 상태를 모니터링 하는 적어도 하나의 Fail-safe CPU;를 더 포함하고,
    상기 Fail-safe CPU는,
    매 연산 주기마다 상기 n개의 CPU 중 어느 한 CPU에 입력되는 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호를 입력 받고,
    상기 어느 한 CPU에 입력되는 신호에 기초하여 제어 출력 신호를 산출하며,
    상기 산출된 제어 출력 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호를 비교하여 상기 어느 한 CPU의 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 Fail-safe CPU는,
    상기 산출된 제어 출력 신호와 상기 어느 한 CPU의 제어 출력 신호간의 차이가 소정의 경계범위를 범어나면, 상기 어느 한 CPU의 상태가 비정상이라고 판단하고,
    비정상으로 판단된 어느 한 CPU 이전에 정상으로 판단된 다른 CPU의 제어 출력 신호에 기초한 PWM 지령 신호를 생성하여 상기 PWM 신호 생성부로 전달하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 Fail-safe CPU는,
    상기 어느 한 CPU의 상태가 비정상이라고 판단되는 것이 소정 횟수 이상 반복되면, 더 이상 상기 어느 한 CPU의 상태를 판단하지 않고, 상기 어느 한 CPU를 대신하여 상기 Fail-safe CPU가 제어 출력 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고속 스위칭 전력 변환 장치.


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