KR102366624B1 - 스위칭 손실이 개선된 dpwm 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기. - Google Patents

스위칭 손실이 개선된 dpwm 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기. Download PDF

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KR102366624B1 KR1020200072151A KR20200072151A KR102366624B1 KR 102366624 B1 KR102366624 B1 KR 102366624B1 KR 1020200072151 A KR1020200072151 A KR 1020200072151A KR 20200072151 A KR20200072151 A KR 20200072151A KR 102366624 B1 KR102366624 B1 KR 102366624B1
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Abstract

본 발명은 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기에 관한 것으로, 3상 전압 지령과 3상 순시 전류를 기반으로 3상 4레그 인버터 전체의 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 오프셋 전압을 도출하여 스위칭 함수를 생성함으로써, 인버터의 효율을 증가시킬 수 있는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기에 관한 것이다..

Description

스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기.{ Switching function generation method and switching function generator of the 3-phase 4-leg inverter using the DPWM method with improved switching loss}
본 발명은 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기에 관한 것으로, 3상 전압 지령과 3상 순시 전류를 기반으로 3상 4레그 인버터 전체의 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 오프셋 전압을 도출하여 스위칭 함수를 생성함으로써, 인버터의 효율을 증가시킬 수 있는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기에 관한 것이다.
태양광발전장치, 배터리연계시스템, 마이크로그리드 시스템과 같은 분산전원을 계통에 연결하기 위해 가장 널리 사용하고 있는 전력변환장치는 스위칭 소자를 사용하여 출력 주파수와 전압을 동시에 제어할 수 있고, 직류의 입력 전원으로부터 3상 교류 출력의 전압을 발생시키는 3상 PWM 인버터가 사용되고 있다.
그 중에서도 3상 3레그 인버터는 3상 배전 계통에 전류 불평형이 발생하게 되면 불평형 전류를 공급하는 것이 불가능하여 계통의 손실을 증대시켜, 안정성을 저하시킨다.
한편, 불평형 전류를 공급하기 위해서는 인버터의 출력에 변압기를 설치하여 변압기의 중성점과 삼상부하의 중성점을 연결하여야하나 이러한 방법은 변압기의 추가로 인한 비용 및 부피 상승이 발생하는 문제가 발생하며 이를 대체하기 위한 3상 4레그 인버터가 사용되고 있다.
도 1은 종래의 3상 4레그 인버터의 구성을 보여주는 도면으로, 3상 4레그 인버터는 3상 교류 출력 전압을 각가 독립적으로 발생시켜 부하에 공급하는 기능을 갖으며, 독립된 3개의 출력전압을 합성할 수 있다.
또한, 3상 4레그 전압원인버터는 3상 3레그 인버터와 비교하여 향상된 품질을 갖는 출력 전압과 전류 파형을 제공할 수 있으며 부하의 중성점에 연결되는 추가적인 4번째 레그는 스위칭 상태의 개수를 8개에서 16개로 증가시켜 전압과 전류의 정밀한 제어가 가능하다는 특징이 있다.
그러나, 3상 4레그 인버터는 증가된 스위치의 수로 인해 스위칭 손실이 높은 것이 단점이 있으며, 이를 해결하기 위해 스위칭 소자의 동작 시점을 제어하여 스위칭 손실을 최소화하기 위한 여러 변조방식이 제안되었다.
다양한 변조 방식 중 대표적으로 공간벡터변조방식, 60°DPWM 방식 등이 사용되고 있다.
공간벡터 변조 방식은 지령 전압을 직각 좌표계로 표현하고,각 레그의 스위칭 상태에 따른 전압을 공간상에 표시하며, 공간 내부에 존재하는 전압 지령값에 따라 적절한 스위칭 상태를 선택하는 방법으로, 전압 지령값을 좌표평면상에 투영하여 6개의 프리즘 중 하나를 선택하고, 인접한 유효전압벡터를 선택하여 각 프리즘마다 존재하는 4개의 사면체 중 하나의 사면체를 선택하며, 미리 계산된 24개의 매트릭스를 이용하여, 사면체에 따른 3개 유효전압의 듀티를 게산하고, 유효전압이 인가되는 구간에 영전압을 대칭적으로 정렬시키기 위하여 스위칭 시간을 계산한다.
60°DPWM 방식은 전압 지령치로부터 최대, 중간, 최소치로 구분한 뒤 이로부터 오프셋 전압을 생성하고 이를 전압 지령에 오프셋 전압을 더하여 폴전압 지령을 생성하며, 생성된 폴전압 지령을 반송파와 비교하여 스위칭 시간을 계산한다.
그러나, 공간벡터변조방식은 24개의 매트릭스 테이블을 필요로 하며 그 구현이 복잡하고 긴 연산시간이 필요하다는 단점이 있으며, 60°DPWM 방식은 출력 전류를 고려하지 않아 불특정한 상의 스위칭 상태가 고정되어 스위칭 손실 감소 효과가 미비한 문제가 있다.
KR10-0629824 B1 "3상 4레그 인버터의 반송파를 이용한 펄스폭 변조 방법 및 스위칭 신호 발생기" KR10-1125338 B1 "전류원 인버터의 스위칭 제어 장치 및 방법" KR10-1688649 B1 "중성점 전압의 불평형 제어에 의한 고효율 3 레벨 태양광 인버터"
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구현이 간단하고 연산량이 적으며, 전압과 전류가 불평형일 경우에도 스위칭 손실을 최소화하여 3상 4레그 인버터의 효율을 증가시킬 수 있는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 스위칭 함수 발생기에 관한 것이다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 3상 4래그 인버터의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 스위칭 함수 발생기에 있어서, 3상 지령 전압과 3상 순시 전류를 입력받아 시간별로 3상 간에 지령 전압과 순시 전류를 각각 비교하여 최대값, 중간값, 최소값을 분류하는 분류기; 각 시간별로 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상(Phase)을 제외한 나머지 상의 지령 전압을 오프셋 계산을 위한 기준 전압으로 설정하고, 상기 기준 전압을 기반으로 오프셋 전압을 계산하여 출력하는 오프셋 전압 생성부; 상기 3상 지령 전압의 각각에 상기 오프셋 전압을 합산하여 폴전압 지령들을 생성하는 폴전압 지령 생성부; 및 상기 폴전ㄴ압 지령들과 반송파 전압을 삼각파 비교 PWM 방식으로 비교하여 스위칭 신호를 발생하는 삼각파 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식의 스위칭 함수 발생기를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 오프셋 전압 생성부:는 분류된 3상 지령 전압과 3상 순시 전류에서 중간값을 갖는 상의 지령 전압과 순시 전류를 각각 검출하는 중간값 검출부; 및 상기 중간값 검출부로부터 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 서로 동일한 상(Phase)인지를 판단하고, 서로 동일한 상일 경우 아래의 수학식 3에 의해 오프셋 전압을 계산하고, 서로 동일하지 않는 상일 경우 아래의 수학식 4에 의해 오프셋 전압을 계산하는 오프셋 전압 계산부:를 포함한다..
[수학식 3]
Figure 112020061111972-pat00001
Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vmax는 최대값을 갖는 상의 지령 전압, Vmin은 최소값을 갖는 상의 지령 전압, Imax는 최대값을 갖는 상의 순시전류, Imin은 최소값을 갖는 상의 순시 전류이다.
[수학식 4]
Figure 112020061111972-pat00002
여기서, Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vs는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상을 제외한 어느 하나의 상의 지령 전압이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 오프셋 전압 계산부는 상기 분류기에서 검출된 최소값을 갖는 상의 지령 전압이 0보다 크거나, 최대값을 갖는 상의 지령 전압이 0보다 작을 경우 아래의 수학식 5에 의해 오프셋 전압을 생성한다.
[수학식 5]
Figure 112020061111972-pat00003
또한, 본 발명은3상 4래그 인버터의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 스위치 제어 방법으로, 3상 지령 전압과 3상 순시 전류를 입력받아 시간별로 3상 간에 지령 전압과 순시 전류를 각각 비교하여 최대값, 중간값, 최소값을 분류하는 단계; 각 시간별로 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상(Phase)을 제외한 나머지 상의 지령 전압을 오프셋 계산을 위한 기준 전압으로 설정하고, 상기 기준 전압을 기반으로 오프셋 전압을 계산하여 출력하는 오프셋 전압을 생성하는 단계; 상기 3상 지령 전압의 각각에 상기 오프셋 전압을 합산하여 폴전압 지령들을 생성하는 단계; 및 상기 폴전압 지령들과 반송파 전압을 삼각파 비교 PWM 방식으로 비교하여 스위칭 신호를 발생하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식의 스위칭 함수 발생 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서 상기 오프셋 전압을 생성하는 단계:는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들에서 중간값을 갖는 상의 지령 전압과 순시 전류를 각각 검출하는 단계; 및 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 서로 동일한 상인지를 판단하고, 서로 동일한 상일 경우 아래의 수학식 3에 의해 오프셋 전압을 계산하고, 서로 동일하지 않는 상일 경우 아래의 수학식 4에 의해 오프셋 전압을 계산하는 단계:를 포함한다.
[수학식 3]
Figure 112020061111972-pat00004
Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vmax는 최대값을 갖는 상의 지령 전압, Vmin은 최소값을 갖는 상의 지령 전압, Imax는 최대값을 갖는 상의 순시전류, Imin은 최소값을 갖는 상의 순시 전류 이다.
[수학식 4]
Figure 112020061111972-pat00005
Vfn은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vs는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상을 제외한 어느 하나의 상의 지령 전압이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 오프셋 전압을 생성하는 단계는 최대값, 중간값, 최소값을 분류하는 단계에서, 최소값을 갖는 상의 지령 전압이 "0"보다 크거나, 최대값을 갖는 상의 지령 전압이 "0"보다 작을 경우 아래의 수학식 5에 의해 오프셋 전압을 생성한다.
[수학식 5]
Figure 112020061111972-pat00006
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 본 발명의 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 함수 발생기에 따르면, 먼저, 3상 지령 전압을 이용하여 스위치 고정 선별 후 상대적으로 크기가 가장 큰 순시 전류를 갖는 상의 지령 전압을 기반으로 오프셋 전압을 계산함으로써, 전압과 전류 불평형 상태에서도 3상 4레그 인버터에서 발생할 수 있는 스위칭 손실을 최소화하여 인버터의 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식을 적용한 3상 4레그 인버터의 스위칭 함수 발생 방법 및 함수 발생기에 따르면, 각 상의 지령 전압 중 지령 전압과 순시 전류가 가장 큰 값을 갖는 상의 지령 전압을 검출하여 오프셋 전압을 계산하기 때문에 연산량이 적고, 구현이 간단하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 3상 4레그 인버터의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 함수 발생기를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 a상의 전압과 전류 위상차에 따른 오프셋 전압을 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압과 전류 불평형 상태에서의 각 상의 스위치 고정 구간을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압과 전류 평형/불평형 상태에서의 3 상의 폴전압 지령을 보여주는 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 고안의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 함수 발생기를 보여주는 도면으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 함수 발생기(100)는 3상 지령 전압으로부터 스위치 고정이 가능한 상을 선별하고, 선별된 상들 중에 순시 전류가 가장 큰 상의 지령 전압을 기반으로 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 오프셋 전압을 계산하여 3상 4레그 인버터의 스위칭 신호를 발생할 수 있는 회로로, 분류기(110), 오프셋 전압 생성부(120), 폴전압 지령 생성부(130), 및 삼각파 비교기(140)를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 3상 4레그 인버터에 한정되어 적용되는 것은 아니며 6개의 스위칭 소자를 갖는 3상 3레그 인버터에도 적용될 수 있다.
상기 분류기(110)는 상기 3상 지령 전압과 상기 3상 순시 전류를 입력받아 크기별로 분류하는 기능을 수행하며. 분류된 3상 지령 전압과 3상 순시 전류를 상기 오프셋 전압 생성부(120)로 인가한다.
상세하게는 상기 분류기(110)는 시간별로 3상 지령 전압과 3상 순시 전류를 각각 비교하여 최대값, 중간값, 최소값을 분류한다.
또한, 상기 3상 지령 전압(Vaf, Vbf, Vcf)과 3상 순시 전류(ia,ib,ic)의 각각의 최대값(Vmax,Imax), 중간값(Vmid,Imid), 최소값(Vmin, Imin)은 아래의 수학식 1과 수학식 2에 의해 각각 계산될 수 있다.
Figure 112020061111972-pat00007
Figure 112020061111972-pat00008
상기 오프셋 전압 생성부(120)는 상기 분류기(110)에서 각 시간대별로 분류된 3상 지령 전압과 3상 순시 전류의 최대값(Vmax, Imax), 중간값(Vmid, Imid), 최소값(Vmin, Imin)을 기반으로 오프셋 전압을 계산하여 상기 폴전압 지령 생성부(130)로 인가하게 되며, 중간값 검출부(121) 및 오프셋 전압 계산부(122)를 포함하여 이루어진다.
상기 중간값 검출부(121)는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들로부터 중간값을 갖는 상의 지령 전압(Vmid)과 순시 전류(Imid)를 각각 검출하여 상기 오프셋 전압 계산부(121)로 인가한다.
상기 오프셋 전압 계산부(122)는 상기 중간값 검출부(121)로부터 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 동일한 상(Phase)인지를 판단하고, 서로 동일할 경우와 서로 동일하지 않는 경우에 따라 오프셋 전압을 계산하기 위한 상의 지령 전압(이하, '기준 전압'이라함)을 선정하여 오프셋 전압을 계산한다.
아래의 표 1은 각 상의 지령 전압(Vaf, Vbf, Vcf)과 순시 전류(Ia, Ib, Ic)가 중간값(Vmid, Imid)을 갖을 때 기준 전압으로 선정될 수 있는 경우의 수를 정리한 표이다.
Case Phase Voltage Current Reference Voltage
1 Vaf=Vmid Ia=Imid Vbf,Vcf
2 Vaf=Vmid Ib=Imid Vcf
3 Vaf=Vmid Ic=Imid Vbf
4 Vbf=Vmid Ia=Imid Vcf
5 Vbf=Vmid Ib=Imid Vaf,Vcf
6 Vbf=Vmid Ic=Imid Vaf
7 Vcf=Vmid Ia=Imid Vbf
8 Vcf=Vmid Ib=Imid Vaf
9 Vcf=Vmid Ic=Imid Vaf,Vcf
한편, 스위칭 손실을 최소화하기 위해서는 상의 지령 전압과 순시 전류가 상대적으로 가장 큰 상의 지령 전압을 스위칭 하지 않도록 오프셋 전압을 생성하는 것이 최상의 방법으로, 이에 따라 상의 지령 전압과 순시 전류 중 하나라도 중간값을 갖는 상은 오프셋 전압을 생성하기 위한 지령 전압으로 사용하지 않으며, 따라서, 표 1과 같이 기준 전압(Reference Voltage)이 선정된다.
표 1을 살펴보면, 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 동일한 상일 경우에는 두 개의 상의 지령 전압이 기준 전압으로 선정되고, 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 동일한 상이 아닐 경우에는 하나의 상의 지령 전압이 선정된다.
이에, 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 동일한 상일 경우에는 아래의 수학식 3에 의해 오프셋 전압이 계산되며, 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 동일한 상이 아닐 경우 아래의 수학식 4에 의해 오프셋 전압이 계산된다.
Figure 112020061111972-pat00009
여기서, 상기 수학식 3의 Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vmax는 최대값을 갖는 상의 지령 전압, Vmin은 최소값을 갖는 상의 지령 전압, Imax는 최대값을 갖는 상의 순시전류, Imin은 최소값을 갖는 상의 순시 전류이다.
즉, 상기 수학식 3은 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 동일한 상일 경우에는 검출되지 않은 나머지 두 개의 상 중에 순시 전류의 절대값이 가장 큰 값을 갖는 상의 지령 전압을 이용하여 오프셋 전압을 계산하며 값이 서로 동일할 경우에는 최대값을 갖는 상의 지령 전압을 사용한다..
Figure 112020061111972-pat00010
여기서, 상기 수학식 4의 Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vs는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상을 제외한 어느 하나의 상의 지령 전압이다.
또한, 상기 오프셋 전압 생성부(120)는 상기 분류기(121)로부터 분류된 최소값을 갖는 상의 지령 전압이 "0"보다 크거나 최대값을 갖는 상의 지령 전압이 "0"보다 작을 경우에는 아래의 수학식 5에 의해 오프셋 전압을 생성한다.
Figure 112020061111972-pat00011
여기서, Vfn 은 오프셋 전압, Vmax는 최대값을 갖는 상의 지령 전압, Vmin은 최소값을 갖는 상의 지령 전압이다.
상기 폴전압 지령 생성부(130)는 상기 오프셋 전압과 상기 3상 지령 전압으로부터 각 상의 폴전압 지령을 계산하여 상기 삼각파 비교기로 인가하며 상기 폴전압 지령은 아래의 수학식 6에 의해 구할 수 있다.
Figure 112020061111972-pat00012
여기서, Van, Vbn, Vcn은 각 상의 폴전압 지령, Vaf, Vbf, Vcf은 각 상의 지령 전압, Vfn은 오프셋 전압이다.
또한, 상기 폴전압 지령의 크기는 최대 Vdc/2, 최소 -Vdc/2 범위 내로 제한되어 생성된다.
상기 삼각파 비교기(140)는 상기 폴전압 지령 생성부(130)로부터 인가받은 상기 폴전압 지령과 반송파 전압을 비교하여, 3상 4레그 인버터의 각 레그를 제어하기 위한 스위칭 함수를 발생하며 종래의 삼각파 비교 PWM 방식이 사용된다.
이때, 상기 삼각파 비교기(130)는 인버터의 스위칭 주기와 동일한 주기를 갖으며, 피크값이 각 Vdc/2, -Vdc/2를 갖는 삼각파를 발생하여 비교한다..
또한, 상기 삼각파 비교기(130)는 상기 폴전압 지령이 반송파보다 큰 구간일 경우 레그의 스위치가 "On" 될 수 있도록 전압을 출력하고, 반송파보다 작을 경우 레그의 스위치가 "off"될 수 있도록 전압을 출력한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로써, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 a상의 전압과 전류 위상차에 따른 오프셋 전압을 보여주기 위한 그래프, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지령 전압과 순시 전류 불평형 상태에서의 각 상의 스위칭 고정 구간을 보여주기 위한 그래프, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압과 전류 평형/불평형 상태에서의 3상의 폴전압 지령을 보여주기 위한 그래프이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 상의 지령 전압과 순시 전류가 평형 상태에서 위상차가 0°인 경우 순시 전류의 피크값을 중심으로 60°주변에서 스위칭이 이루어지지 않도록 폴전압 지령이 생성된 것을 알 수 있으며, 지령 전압과 순시 전류의 위상차가 발생하여도 순시 전류의 피크값을 중심으로 주변 구간에서 스위칭이 이루어지지 않도록 폴전압 지령을 생성하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4 내지 도 5를 참조하면, 상의 지령 전압과 순시 전류가 불평형인 상태에서도 동일 시간축 상에서 각 상의 지령 전압과 순시 전류가 중간값을 갖지 않는 상들 중 상대적으로 순시 전류의 크기가 큰 상의 스위칭이 이루어지 않도록 폴전압 지령을 생성하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명은 스위치를 고정할 수 있는 상을 선별하고, 선별된 상 중에 순시 전류가 가장 큰 상의 스위칭이 이루어지지 않도록 폴전압 지령을 생성하여, 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
따라서, 종래의 불연속 DPWM은 전압의 피크값을 기준으로 구간을 설정하여, 오프셋 전압을 생성하였으나 이는 전압과 전류의 평행 상태에서 전류의 피크값과 전압의 피크값이 동일한 구간에서 나타나기 때문에 손실 저감에 효과가 있었으나, 전압과 전류가 불평형일 경우에는 전압과 전류의 피크값이 일치하지 않아 전류의 피크값이 아닌 구간에서도 스위칭을 수행하여 손실 저감 효과가 낮다는 문제가 있다.
그러나, 본 발명에서는 시간별로 각 상의 지령 전압과 순시 전류가 중간값을 갖지 않는 상과 중간값을 갖지 않는 상들 중 상대적으로 순시 전류의 크기가 큰 상의 스위칭이 이루어지 않도록 오프셋 전압을 계산하여 폴전압 지령을 생성 및 스위칭 함수를 발생시킴으로써, 지령 전압과 순시 전류가 불평형일 상태에서도 스위칭 손실을 최소화할 수 있어, 3상 4레그 인버터의 효율을 향상시킬 수 있다.
더불어, 본 발명은 적은 연산량으로 수행되기 때문에 짧은 연산 시간과 구현이 간단하다는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
100: 함수 발생기 110:분류기
120:오프셋 전압 생성부 130:폴전압 지령 생성부
140:삼각파 비교기

Claims (6)

  1. 3상 4래그 인버터의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 스위칭 함수 발생기에 있어서,
    3상 지령 전압과 3상 순시 전류를 입력받아 시간별로 3상 간에 지령 전압과 순시 전류를 각각 비교하여 최대값, 중간값, 최소값을 분류하는 분류기;
    각 시간별로 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상(Phase)을 제외한 나머지 상(Phase)의 지령 전압을 오프셋 계산을 위한 기준 전압으로 설정하고, 상기 기준 전압을 기반으로 오프셋 전압을 계산하여 출력하는 오프셋 전압 생성부;
    상기 3상 지령 전압의 각각에 상기 오프셋 전압을 합산하여 폴전압 지령들을 생성하는 폴전압 지령 생성부; 및
    상기 폴전압 지령들과 반송파 전압을 삼각파 비교 PWM 방식으로 비교하여 스위칭 신호를 발생하는 삼각파 비교기;를 포함하며,
    상기 오프셋 전압 생성부:는
    분류된 3상 지령 전압과 3상 순시 전류에서 중간값을 갖는 상의 지령 전압과 순시 전류를 각각 검출하는 중간값 검출부; 및
    상기 중간값 검출부로부터 검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 서로 동일한 상(Phase)인지를 판단하고, 서로 동일한 상일 경우 아래의 수학식 3에 의해 오프셋 전압을 계산하고, 서로 동일하지 않는 상일 경우 아래의 수학식 4에 의해 오프셋 전압을 계산하는 오프셋 전압 계산부:를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식의 스위칭 함수 발생기.
    [수학식 3]
    Figure 112021119363639-pat00024

    Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vmax는 최대값을 갖는 상의 지령 전압, Vmin은 최소값을 갖는 상의 지령 전압, Imax는 최대값을 갖는 상의 순시전류, Imin은 최소값을 갖는 상의 순시 전류이다.
    [수학식 4]
    Figure 112021119363639-pat00025

    여기서, Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vs는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상을 제외한 어느 하나의 상의 지령 전압이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프셋 전압 계산부는 상기 분류기에서 검출된 최소값을 갖는 상의 지령 전압이 0보다 크거나, 최대값을 갖는 상의 지령 전압이 0보다 작을 경우 아래의 수학식 5에 의해 오프셋 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식의 스위칭 함수 발생기.
    [수학식 5]
    Figure 112021119363639-pat00026
  3. 3상 4래그 인버터의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 스위치 제어 방법으로,
    3상 지령 전압과 3상 순시 전류를 입력받아 시간별로 3상 간에 지령 전압과 순시 전류를 각각 비교하여 최대값, 중간값, 최소값을 분류하는 단계;
    시간별로 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상(Phase)을 제외한 나머지 상의 지령 전압을 오프셋 계산을 위한 기준 전압으로 설정하고, 상기 기준 전압을 기반으로 오프셋 전압을 계산하여 출력하는 오프셋 전압을 생성하는 단계;
    상기 3상 지령 전압의 각각에 상기 오프셋 전압을 합산하여 폴전압 지령들을 생성하는 단계; 및
    상기 폴전압 지령들과 반송파 전압을 삼각파 비교 PWM 방식으로 비교하여 스위칭 신호를 발생하는 단계;를 포함하며,
    상기 오프셋 전압을 생성하는 단계:는
    분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들에서 중간값을 갖는 상의 지령 전압과 순시 전류를 각각 검출하는 단계; 및
    검출된 상의 지령 전압과 순시 전류가 서로 동일한 상인지를 판단하고, 서로 동일한 상일 경우 아래의 수학식 3에 의해 오프셋 전압을 계산하고, 서로 동일하지 않는 상일 경우 아래의 수학식 4에 의해 오프셋 전압을 계산하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식의 스위칭 함수 발생 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112021119363639-pat00027

    Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vmax는 최대값을 갖는 상의 지령 전압, Vmin은 최소값을 갖는 상의 지령 전압, Imax는 최대값을 갖는 상의 순시전류, Imin은 최소값을 갖는 상의 순시 전류이다.
    [수학식 4]
    Figure 112021119363639-pat00028

    Vfn 은 오프셋 전압, Vdc는 출력 전압, Vs는 분류된 3상 지령 전압들과 3상 순시 전류들 중 중간값이 존재하는 상을 제외한 어느 하나의 상의 지령 전압이다.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 오프셋 전압을 생성하는 단계는 최대값, 중간값, 최소값을 분류하는 단계에서, 최소값을 갖는 상의 지령 전압이 "0"보다 크거나, 최대값을 갖는 상의 지령 전압이 "0"보다 작을 경우 아래의 수학식 5에 의해 오프셋 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 손실이 개선된 DPWM 방식의 스위칭 함수 발생 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112021119363639-pat00029

  5. 삭제
  6. 삭제
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