KR102644489B1

KR102644489B1 - Pwm-capture 통신 방식이 적용된 인터리브드 전자부하기

Info

Publication number: KR102644489B1
Application number: KR1020220012799A
Authority: KR
Inventors: 박성준; 박병우; 김범훈
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2024-03-06
Also published as: KR20230116182A

Abstract

본 발명은 PWM-CAPTURE 통신 방식이 적용된 인터리브드 전자부하기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 AC 전원과 DC 전원을 모두 사용할 수 있으며, 인터리브드 방식으로 전압과 전류에 대한 리플 저감효과가 뛰어날 뿐만 아니라 PWM(Pulse Width Modulation)과 PWM 신호를 카운트할 수 있는 CAPTURE 기능을 활용하여 병렬 운전에 최적화된 통신 방식을 갖는 전자부하기에 관한 것이다.

Description

PWM-CAPTURE 통신 방식이 적용된 인터리브드 전자부하기{Interleaved electronic load with PWM-CAPTURE communication method}

최근 부하의 전력 수요 증가에 따라 마이크로그리드 및 분산전원 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 마이크로그리드와 분산전원 시스템은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전기, 디젤 발전기, 배터리를 이용한 에너지 저장장치 등으로 구서오디어 있으며, 부하 및 계통으로 전력 공급을 위한 배전망으로 구성되어 있다,

마이크로 그리드는 공급 전압에 따라 교류(AC)형 마이크로 그리드와 직류(DC)형 마이크로 그리드로 구분되며, 여기에 사용되는 전력변환장치 및 전원공급장치는 부하의 요구에 따라 다양한 용량의 AC와 DC를 부하 및 배전 선로에 안정적으로 공급해주는 것을 목적으로 연구 개발되고 있어 이에 따른 안정적인 출력 특성 및 신뢰성에 대한 검증이 요구되고 있다.

이러한 장치들은 생산과정 중 제품의 불량 최소화 및 전력 품질의 안전성 확보에 필수적이기 때문에 출력 특성 및 신뢰성 검증 테스트 공정은 전력변환장치 및 전원공급장치 제조와 양산을 위한 최종 필수 공정으로 인식되고 있으나 신뢰성을 테스트하기 위한 전문 장비 개발은 아직까지 미진한 상태이다.

한편, 전력변환장치 및 전원공급기의 용량별 가변 출력 특성 검증을 위한 테스트 장비로는 대표적으로 부하를 가변할 수 있는 저항부하기를 많이 사용하고 있으며, 기계적인 스위치 동작을 통해 부하의 용량을 가변 할 수 있는 기계식 부하기가 있다.

그러나, 기존의 기계식 스위치를 사용한 저항 부하기는 저항 값이 한번 정해지면 부하를 연속적으로 가변하기 어렵고 고정된 저항값을 갖기 때문에 사용 가능한 전압의 범위가 좁은 단점이 있다. 또한 출력 특성 분석을 위한 가변 부하 테스트시 저항부하는 선형부하로 피 시험장치의 전압에 비례하는 부하전류만 흘릴 수 있고, 비선형부하나 유도성부하 등으로는 사용할 수 없다.

또한, 수요 전력의 대용량화 및 부하의 대용량화에 따라 신재생 에너지원을 포함하는 새로운 전력망의 구축이 요구되고 있는 시점으로, 이러한 마이크로그리드 시스템을 운용하기 위해서는 전력변환기의 대용량화가 필수적이나 단일 전력변환 스택으로는 한계가 있다.

대용량화를 위해서는 다수의 전력변환기에 의한 병렬 운전이 필수적이며, 이러한 전력변환기의 병렬 운전은 통신에 의해서 이루어져 그 성능이 통신 속도에 의해 크게 결정된다.

한편, 병렬 운전을 위한 통신 방식 중 RS485를 이용한 모드버스(MODBUS) 통신이 주로 사용되고 있으나, 이 방식은 송신과 수신을 동시에 할 수 없는 반이중(Half-duplex) 통신 방식이라는 한계를 가지고 있으며, 통신대상이 증가함에 따라 통신 주기가 증가하여 제어 속도가 저하되는 한계가 존재한다.

KR

10-2017-0102722

A '전력계통 시뮬레이터'

KR 10-2015-0061067 A '직류 및 교류 겸용 다기능 시험을 위한 시뮬레이터'

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단상과 다상의 전력변환장치 및 전원공급장치에 사용할 수 있으며 용량 증설이 용이하고, 송수신되는 데이터의 정확성과 신뢰성이 우수한 병렬 운전에 최적화된 통신 방식을 갖져, 전력변환장치 및 전원장치 시험용으로써 적합한 전자부하기를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 AC 전압 또는 DC 전압의 입력 전원을 인가받아 필요로하는 출력 전원으로 변환하여 제공하는 전력변환부; 및 상기 전력변환부의 동작을 제어하기 위한 파라미터을 생성하고, PWM과 CAPTURE 기능을 기반으로 통신이 가능한 제어통신부;를 포함하고, 상기 전력변환부:는 상기 AC 전압 또는 DC 전압의 입력 전원을 인가받는 전원 입력부; 상기 입력 전원의 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부; 상기 필터부로부터 출력되는 전원을 정류하기 위한 정류부; 및 상기 필터부를 통과한 입력 전원을 입력받아 전압 레벨을 변환하는 인터브리드 방식의 스위칭 회로를 갖는 부하부;를 포함하고, 상기 스위칭 회로는 2-레벨 3 인터리브드 방식의 회로로, 제1 부하 저항과 상기 제1 부하 저항과 직렬로 연결된 제1 스위칭 소자로 이루어진 상위암와 상기 상위암과 병렬 연결된 제2 부하 저항과 상기 제1 스위칭 소자와 직렬 연결된 제2 스위칭 소자로 이루어진 하위암을 포함하는 스위칭부 3개가 병렬 접속하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자부하기를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어통신부:는 상기 부하부의 동작을 제어하기 위한 파라미터과 상기 파라미터을 기반으로 데이터 프레임(이하,'제1 데이터 프레임',이라함)을 생성하는 제어부; 상기 전력변환부 내의 전압과 전류를 측정하는 센싱부; 상기 제1 데이터 프레임에 대한 PWM 신호를 생성하여 송신하는 PWM 신호 생성부; 및 상기 PWM 신호를 수신받아 PWM 주기를 캡처하여 카운트하는 CAPTURE부;를 포함하며, 상기 CAPTURE부는 상기 PWM 신호의 카운트 값을 데이터 프레임(이하, '제2 데이터 프레임',이라함)으로 생성하고, 상기 제어부는 상기 제2 데이터 프레임과 대응되는 파라미터를 생성한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 데이터 프레임의 최상위 데이터 필드에는 PWM 신호의 시작 지점을 알려주기 위한 카운트 값을 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 데이터 프레임의 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 데이터 필드들의 카운트 값에 더 포함하여 생성하며, 상기 CAPTURE부는 수신되는 PWM 신호에서 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 데이터 필드들의 카운트 값에서 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 제외하여 상기 제2 데이터 프레임을 생성한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 데이터 프레임을 생성 시 유효 데이터 비트와 하위 비트로 더미 데이터 비트를 포함하도록 각 데이터 필드를 생성하되, 생성된 더미 데이터 비트 수 많큼 오른쪽으로 쉬프트 연산을 수행하고, 상기 CAPTURE부는 상기 제2 데이터 프레임 생성 시 상기 제1 데이터 프레임에서 쉬프트된 수 많큼 각 데이터 필드에 왼쪽으로 쉬프트 연산을 수행한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전력변환부는 상기 부하부 3개가 병렬로 연결된다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

본 발명의 전자부하기에 따르면, 인터리브드 스위칭 방식을 이용하여 입력 전원의 전압 레벨 변환을 수행하기 때문에 전압과 전류에 대한 리플 저감을 수행할 수 있어 내부 소자들의 스트레스 감소 및 출력 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 전자부하기에 따르면, 정류부를 통해 DC 전압뿐만 아니라 AC 전압을 갖는 전력변환장치 및 전원공급장치에 활용가능하며 독립적인 단상 전압부하기로 사용될 수 있어, 3개의 전압부하기를 병렬로 연결하여 3상 AC전원에도 적용할 수 있고 다상 제어 및 용량 증설이 용이하다.

또한, 본 발명의 전자부하기에 따르면, 병렬 운전을 위해 종래의 통신 방식을 대체하여 PWM과 CAPTURE 기능을 활용한 PWM-CAPTURE 통신 방식을 활용함으로써, 통신 속도를 최소화할 수 있고, 노이즈로 인한 송수신 데이터의 오차를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자부하기의 전체 구성을 보여주는 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환부의 구성을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 선로 임피던스에 의한 PWM 신호의 노이즈를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 노이즈 켄슬링을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 노이즈 캔슬링을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방식에 따른 데이터 프레임 구조를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식과 모드버스(Modbus) 방식의 데이터 전송 속도를 비교 및 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식의 송/수신 데이터를 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식의 송/수신 데이터 프레임 구조를 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식의 데이터 송수신 결과를 보여주는 도면이다.

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 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자부하기의 전체 구성을 보여주는 블록도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환부의 구성을 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전자부하기는 AC 전원장치 및 DC 전원장치에도 적용이 가능하고 독립적으로 사용하거나 병렬로 연결하여 병렬 운전이 가능하여 단상 AC 전원장치 뿐만 아니라 3상 AC 전원 장치에도 적용 가능한 전자부하기(100)로 전력변환부(110)와 제어통신부(120)를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자부하기(100)는 단상 전자부하기로, 상기 전자부하기 3대를 R,S,T 각 상에 연결하여 3상 전자부하기로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자부하기(100)는 상기 전력변환부(110) 3개를 병렬 연결하여 하나의 3상 전자부하기로 활용될 수 있다.

상기 전력변환부(110)는 AC 또는 DC 전원장치(10)로부터 입력 전원을 입가받아 필요로하는 출력 전원으로 변환하는 기능을 수행하며, 입력부(111), 필터부(112), 정류부(113) 및 부하부(114)를 포함하여 이루어진다.

상기 입력부(111)는 전원장치로부터 상기 입력 전원을 입력받아 상기 필터부(112)로 제공하며, 상기 입력 전원은 AC 전압과 DC 전압을 포함한다.

상기 필터부(112)는 상기 입력부(111)와 전기적으로 연결되고 상기 입력 전원을 인가받아 노이즈를 제거하기 위한 필터링을 수행하며, 이를 위해 LC 필터 회로가 사용될 수 있다.

상기 정류부(113)는 상기 필터부(112)와 전기적으로 연결되고, 필터링된 입력 전원을 인가받아 정류하며, 이를 위해 브릿지 다이오드 회로가 사용될 수 있다.

한편, 상기 정류부(113)는 입력 전원으로 AC 전원이 입력될 경우 DC 전원으로 변환하여 출력하여, 입력 전원으로 DC 전원이 입력될 경우 안정화된 DC 전원을 출력한다.

상기 부하부(114)는 상기 정류부(113)와 전기적으로 연결되고, 상기 정류부로(113)부터 출력되는 입력 전원의 전원 레벨을 변환하여 출력 전원을 생성하며 인터리브드 방식의 스위칭 회로를 갖는다.

상세하게는 상기 부하부(114)는 제1 부하 저항(R1,R3,R5)과 상기 제1 부하 저항(R1,R3,R5)과 직렬로 연결된 제1 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)를 포함하는 상위암(H1,H2,H3)과 상기 상위암(H1,H2,H3)과 병렬로 연결된 제2 부하 저항(R2,R4,R6)과 상기 제1 스위칭 소자(Q1,Q3,Q5)와 직렬로 연결된 제2 스위칭 소자(Q2,Q4,Q6)를 포함하는 하위암(L1,L2,L3)으로 이루어진 스위칭부(SW1,SW2,SW3) 3개가 병렬로 연결된 2-레벨 3 인터리브드 방식의 스위칭 회로로 이루어진다.

표 1은 상기 부하부의 각 스위치부 동작에 의한 리플 감소 실험을 수행하기 위한 시뮬레이션 파라미터, 표 2는 시뮬레이션 파라미터를 기반으로 상기 부하부의 리플 감소율 실험 결과를 보여주는 결과이다.

표 2를 참조하면, 상기 부하부의 스위칭부가 하나일 경우(Interleaved_1), 스위칭부 2개가 병렬로 연결로 연결되었을 경우(Interleaved_2), 스위칭부 3개가 병렬로 연결되었을 경우(Interleaved_3)의 리플 감소 성능을 비교한 결과, 상기 부하부(114)는 동작되는 스위치부(SW1,SW2,SW3)의 개수가 늘어날수록 전압 리플과 전류 리플이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Input Voltage	220[Vac]
Input RL	0.08[Ω] / 20[uH]
Input RC	0.001[Ω] / 10[uF]
R1~R6	27.5[Ω]
Switching Frequency	20kHz

	Interleaved_1	Inteleaved_2	Inteleaved_3
Vc_max	311.61[V]	310.39[V]	308.86[V]
Vc_min	304.63[V]	307.28[V]	306.94[V]
Vc_ripple	6.98[V]	3.11[V]	1.92[V]
△Vc[%]	2.26%	1.0%	0.62%
Iin_max	33.90[A]	32.79[A]	32.38[A]
Iin_min	31.13[A]	31.44[A]	32.15[A]
Iin-ripple	2.77[A]	1.35[A]	0.23[A]
△Iin	8.5%	4.2%	1.5%

즉, 본 발명의 전자부하기(100)는 최종 출력 전류의 피크 전류 감소로 리플 감소 뿐만 아니라 스위치의 정격 전류가 작아지는 장점이 있어, 내부 소자들의 스트레스 감소 및 수명이 증가하는 효과가 있다.

상기 제어통신부(120)는 전력변환부(110)를 제어하기 위한 파라미터를 생성하며 상세하게는 송신측과 수신측의 전력변환부(110)를 제어하기 위한 파라미터를 생성하여 송수신할 수 있으며, 제어부(121), 센싱부(122), PWM 신호 생성부(123) 및 CAPTURE부(124)를 포함하여 이루어진다.

상기 제어부(121)는 상기 부하부(120)의 각 스위칭부(SW1,SW2,SW3)의 온(ON), 오프(OFF) 동작을 제어하여, 요구하는 직류 전원 레벨을 변경하기 위한 파라미터를 생성한다.

상세하게는 상기 제어부(121)는 상기 부하부(114)의 각 스위칭부(114a,114b,114c)를 정전류(CC) 제어 모드, 정저항(CR) 제어 모드, 정전압(CV) 제어 모드, 정전력(CP) 제어 모드 등으로 동작시키기 위한 파라미터를 생성하며, 각 제어 모드를 수행하기 위한 상기 파라미터의 생성은 각 모드별 저항, 전류, 전압, 전력에 대한 지령치와 PI 제어 기반의 공지된 다양한 방법을 통해 생성될 수 있다.

또한, 상기 제어부(121)는 연결된 수신측의 부하부(100)를 제어하기 위한 데이터 프레임(이하, '제1 데이터 프레임',이라함)을 생성할 수 있다.

상기 데이터 프레임에는 아래에서 설명할 PWM 신호의 시작 지점과 종료 지점, 수신측 주소/아이디, 제어 지령치 등이 비트 단위로 각각의 데이터 필드가 형성된다.

또한, 상기 데이터 프레임의 각 데이터 필드에는 상기 PWM 신호의 펄스폭 크기에 대한 카운트 값을 포함한다.

상기 센싱부(122)는 상기 전력변환부의 전압과 전류를 측정하며, 상세하게는 상기 부하부의 제1,제2 부하 저항들(R1,R2,R3,R4,R5,R6)과 스위칭 소자들(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SW6)의 측정된 전압과 전류를 측정하여 상기 제어부(121)로 송신한다.

상기 PWM 신호 생성부(123)는 상기 제1 데이터 프레임을 기반으로 PWM 신호를 생성하며, 생성된 PWM 신호를 수신측으로 송신한다.

상기 CAPTURE부(124)는 상기 PWM 신호 생성부(123)를 통해 생성된 PWM 신호를 수신받아 PWM 주기를 캡처하여 카운트하며, 상기 CAPTURE부(124)는 수신되는 PWM 신호가 ON이 되는 구간(Rising Edge)과 OFF가 되는 구간(Falling Edge)에서 각각 카운트 값이 0으로 리셋되도록 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 CAPTURE부(124)는 수신되는 PWM 신호의 펄스폭의 크기에 대한 카운팅을 수행하고, 카운팅 값에 대한 데이터 프레임(이하, '제2 데이터 프레임' 이라함)을 생성한다.

또한, 상기 CAPTURE부(124)는 생성된 제2 데이터 프레임을 상기 제어부(121)로 송신하며 상기 제어부(121)는 상기 제2 데이터 프레임에 대응되는 파라미터를 생성하여, 상기 전력변환부(110)로 송신하여 동작을 제어한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 선로 임피던스에 의한 PWM 신호의 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.

한편, 도 3을 참조하면, 이러한 데이터의 송수신은 동일한 통신 선로를 통해 통신이 이루어지며, 이는 동일한 통신 선로 임피던스에 영향을 받게되는데 통신 선로가 길어질 경우 선로 임피던스로 인해 지연 신호가 발생하게 되며, 이로 인해 생성된 PWM 신호가 송신될 때 PWM 펄스폭 값에 대한 OFFSET값이 발생하여 데이터에 노이즈가 발생하게된다.

이에, 본 발명의 전자부하기(100)는 송신되는 PWM 신호에서 발생할 수 있는 노이즈를 최소화 및 제거할 수 있는 노이즈 캔슬링 기능을 수행한다.

이를 위해, 상기 제어부(121)는 상기 제1 데이터 프레임 생성 시 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 나머지 필드의 값에 포함시켜 생성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 노이즈 켄슬링을 설명하기 위한 도면으로, 도 4를 참조하면 상세하게는 상기 제어부(121)는 PWM 신호의 시작 지점의 카운트 값을 갖는 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 데이터 필드에 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 더하여 제1 데이터 프레임을 생성하며, 상기 PWM 신호 생성부(123)는 이를 수신하여 PWM 신호를 생성한다.

이러한 방법으로 생성된 PWM 신호는 수신측의 CAPTURE부(124)에 송신되며, 상기 CAPTURE부(124)는 상기 PWM 신호에 대한 카운팅을 수행하여, 제2 데이터 프레임을 생성하되, 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 데이터 필드의 카운트 값에서 제외하여 생성한다.

예를 들면, 상기 제어부(121)는 최상위 데이터 필드의 카운트 값이 200이고, 이어지는 나머지 데이터 필드의 카운트 값이 300과 500일 경우, 상기 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 비트에 최상위 데이터 필드의 카운트 값인 200을 포함하여, 각 데이터 필드 카운트 값이 순차적으로 200,500,700을 갖도로 상기 제1 데이터 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 데이터 프레임에 데이터와 대응되는 PWM 신호를 PWM 신호 생성부(123)가 생성하여 수신측 CAPTURE부(124)로 송신하며, 수신측 CAPTURE부(124)는 카운팅하여 제2 데이터 프레임 생성 시 최상위 데이터 필드의 카운트 값인 200을 나머지 데이터 필드에서 제거한다.

따라서, 상기 CAPTURE부가(124)가 생성한 상기 제2 데이터 프레임의 각 데이터 필드에 대한 카운트 값은 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 포함하기 전의 실제 유효 데이터를 갖는 제1 데이터 프레임과 대응되는 카운트 값을 가지며, 이에, 통신 선로의 선로 임피던스에 의해 상기 PWM 신호에 OFFSET이 발생하여도, 상기 CAPTURE부에서 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 나머지 데이터 필드의 카운트 값에서 제거함으로써, 지연에 대한 OFFSET 값이 포함된 노이즈를 제거하게되고, 선로 임피던스에 대한 OFFSET 값이 보상된 유호한 데이터 값을 가지게 된다.

이외에도, 본 발명의 전자부하기(100)는 상기 제1 데이터 프레임에 더미 비트를 포함하여, 데이터의 신뢰성 확보를 위한 노이즈 캔슬링이 수행될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 노이즈 캔슬링을 설명하기 위한 도면으로, 도 5를 참조하면 상세하게는 상기 제어부(121)는 상기 제1 데이터 프레임의 각 데이터 필드에 유효 데이터 비트(Real_Data)와 하위 비트로 더미 데이터 비트(Dmummy_Data)를 포함하여 생성한다.

이때, 상기 더미 데이터 비트는 목표로 하는 데이터 전송 속도에 따라 하나 또는 복수 개의 비트가 형성될 수 있으며, 개수가 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 제어부(121)는 더미 데이터 비트를 포함하는 상기 제1 데이터 프레임의 각 데이터 필드에 쉬프트 연산을 수행하며, 상기 쉬프트 연산은 각 데이터 필드에 생성된 더미 데이터 비트 수와 대응되는 수로 오른쪽 쉬프트 연산을 수행한다.

예를 들면, 상기 제1 데이터 프레임의 각 데이터 필드에 더미 데이터 비트가 2개 포함될 경우 오른쪽 쉬프트 연산을 두번 수행하며, 결과적으로 더미 데이터 비트에 의해 쉬프트 연산을 수행하여도 각 유효 데이터 필드에 카운팅 값의 변화는 일어나지 않는다.

이렇게, 생성된 제1 데이터 프레임은 상기 PWM 신호 생성부(123)를 통해 PWM 신호가 생성되며, 생성된 PWM 신호는 상기 CAPTURE부(124)를 통해 제2 데이터 프레임으로 생성되어 상기 제어부(121)로 송신된다.

상기 CAPTURE부(124)는 수신된 상기 PWM 신호를 카운팅을 수행하여 상기 제2 데이터 프레임을 생성 후, 생성된 더미 데이터 비트에 개수만큼 각 데이터 필드에 왼쪽 쉬프트 연산을 수행하게되며, OFFSET 오차와 더불어 외란 영향을 최소화할 수 있다.

이를 통해 본 발명의 전자부하기는 각 상별로 연계 가능하기 때문에 3상 제어 뿐만 아니라 각 상별 제어 지령치를 다르게 하여 불평형 제어도 가능하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 전자부하기(100)는 상기 PWM 신호 생성부(123)와 상기 CAPTURE부(124)를 하나의 채널로 정의할 수 있으며, 상기 전자부하기(100)에 상기 채널이 하나를 포함하여 전자부하기(100) 간에 반이중 통신이 가능하도록 구성할 수 있으며, 전자부하기(100)에 상기 채널을 2개 포함할 경우 전자부하기(100)간에 송신과 수신을 동시에 수행할 수 있는 전이중(양방향) 통신이 가능하도록 구성할 수 있다.

한편, 반이중 통신 수행 시에는 송신측(마스터) 전자부하기(100)와 수신측(슬레이브) 전자부하기(100)의 데이터 전송 또는 데이터 수신 동작을 구분하기 위한 신호(이하, '인에이블 신호' 이라함)를 상기 PWM 신호 생성부(123)가 생성하여 CAPTURE부(124)로 송신하며, 이는 반이중 통신을 수행할 경우에는 송신과 수신이 동시에 수행되지 않기 때문이다.

또한, 본 발명은 하나의 전자부하기(100)에 상기 전력변환부(110)가 병렬로 3개가 연결되어 있을 경우 상기 제어통신부(120)에는 상기 채널이 각 전력변환부(110) 간에 반이중 통신 또는 전이중 통신이 가능하도록 포함되도록 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방식에 따른 데이터 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면 본 발명의 전자부하기는 브로드캐스트 방식과 멀티캐스트 방식에 효율적인 데이터 프레임을 생성하여 병렬 운전을 수행할 수 있다.

상세하게는 상기 제어부(121)는 상기 제1 데이터 프레임 생성 시, 각 데이터 필드의 데이터를 16진수로 표현하여 생성할 수 있으며, 이에 각 데이터 필드의 데이터는 0xFF로 표현될 수 있고, 여기서 0x는 16진수를 의미하며, 첫번째 자리의 F와 두번째 자리의 F는 각각 4bit의 데이터의 크기를 나타낸다.

더욱 상세하게는 본 발명은 브로드캐스트 방식의 데이터 전송을 수행할 경우 상기 제1 데이터 프레임의 필드는 신호의 시작 지점에 대한 정보를 포함하는 스타트(Start) 필드, 슬레이브 동작유무, 동작 모드 정보를 포함하는 상태(Status) 필드 및 동작 모드를 수행하기 위한 제어 지령치 정보를 포함하는 데이터(Data) 필드를 포함한다.

이때, 상기 상태(Status) 필드의 데이터 값 중 첫번째 자리의 F에는 슬레이브 동작 유무를 나타내는 값이 포함되며, 두번째 자리의 F에는 동작 모드 정보를 포함하는 값을 포함한다.

한편, 멀티캐스트 방식의 데이터 전송을 수행할 경우 상기 제1 데이터 프레임의 필드는 신호의 시작 지점에 대한 정보를 포함하는 스타트(Start) 필드, 데이터를 수신하는 슬레이브 주소와 동작 모드 정보를 포함하는 상태(Status) 필드 및데이터를 수신하는 각 슬레이브가 동작 모드를 수행하기 위해 제어 지령치 정보를 포함하는 데이터(Data) 필드를 포함한다.

이때, 상기 상태(Status) 필드의 데이터 값 중 첫번째 자리의 F에는 슬레이브 주소를 나타내는 값이 포함되며, 두번째 자리의 F에는 동작 모드 정보를 포함하는 값을 포함한다.

이렇게 생성된 제1 데이터 프레임은 상기 PWM 신호 생성부(123)에 의해 PWM 신호로 생성되어 상기 CAPTURE부(124)로 송신되며, 상기 CAPTURE부(124)는 상기 PWM 신호에 대응되는 제2 데이터 프레임을 생성한다.

이때, 상기 제2 데이터 프레임의 각 필드의 값들도 16진수로 표현되며, 상기 제어부(121)는 상기 제2 데이터 프레임을 수신받아 상기 전력변환부(110)의 동작을 수행하기 위한 제어 신호를 생성한다.

이를 통해 상기 제1 데이터 프레임의 데이터 필드의 개수는 데이터 비트가 다른 진수로 표현되는 방법보다 최소화될 수 있어, 전송되는 데이터의 수가 최소화되고 종래의 모드버스(MODBUS) 전송 방식보다 2.5 배 이상의 데이터를 전송할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 PWM-CAPTURE 통신 방식의 성능에 대한 실험 결과에 대해 설명한다.

<실험예 1> PWM-CAPTURE 통신 방식의 데이터 전송 속도 성능 비교 실험

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식과 모드버스(Modbus) 방식의 데이터 전송 속도를 비교 및 설명하기 위한 그림이다.

도 7을 참조하면, 각 통신 방식의 데이터 속도 비교를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식과 종래에 전력변환장치에 주로 사용되는 시스템 클럭 속도 150MHz, 최대 데이터 전송속도 1Mbps까지 사용이 가능한 TI사의 MCU인 TMS320f28335와의 데이터 전송 속도 차이를 비교하였다.

또한, 데이터 프레임 규격은 도 7과 같이 각각 표현하였으며, 모드버스 프로토콜과 동일한 형태의 데이터 프레임을 적용하여 통신하였을 경우 8개의 데이터 프레임을 전송하기 위해 소요되는 시간은 약 64us를 필요로 하며, 이를 150MHz의 시스템 클럭을 기준으로 8bit 데이터를 갖는 256 카운터값으로 표현되는 PWM 펄스 신호 형태로 전송하면 약 13.6us로 대략 4.68배의 데이터 전송 속도 차이를 보이는 것으로 알 수 있다.

이를 통해 모드버스 프로토콜의 최대 1Mbps에 준하는 데이터 전송속도를 기준으로 PWM 데이터 분해능을 적용할 경우 8bit의 4배인 10bit까지 적용이 가능하므로 1024의 데이터 분해능을 갖는 데이터 신호까지 적용할 수 있는 장점이 있다.

<실험예 2> PWM-CAPTURE 통신 방식의 데이터 송수신 성능 실험

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식의 송/수신 데이터를 설명하기 위한 도면, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식의 송/수신 데이터 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다

도 8 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 PWM-CAPTURE 통신 방식의 데이터 송수신 성능을 실험하기 위해 마스터와 슬레이브 전자부하기를 각각 정의하고, 데이터 프레임을 송수신하였으며, 제어 응답성 및 마스터와 슬레이브 간의 안정적인 데이터 송/수신을 보장하기 위해 타임 아웃에 의한 데이터 재전송 주기를 1ms로 설정 하였다.

또한, 마스터의 송신 데이터와 슬레이브의 수신 데이터 및 각 마스터와 슬레이브의 데이터 인에이블 신호(Data Enable)를 가지며, 상기 인에이블 신호는 마스터와 슬레이브 간 데이터의 송신 및 수신의 구분을 위한 것으로, High, Low 값에 따라 인에이블이 결정되며, High 상태응 데이터 송신 영역, Low 상태는 데이터 수신 영역을 의미한다.

한편, 마스터와 슬레이브에서 송수신되는 데이터 프레임 구조를 살펴보면 ①은 데이터 프레임의 스타트 신호, ②는 Function Code, ③은 지령치의 구분 및 상태 정보를 포함하는 Status ④는 제어 레퍼런스 ⑤는 제어 레퍼런스 2를 가지며,ㅇ기서, Status는 지령치의 구분 및 상태를 나타내는 것으로 8bit의 데이터 신호에서 상위의 4bit는 동작상태를 나타내며 하위 4bit는 동작 지령치의 종류를 구분하기 위한 데이터 값을 갖는다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM-CAPTURE 통신 방식의 데이터 송수신 결과를 보여주는 도면으로, 도 9를 참조하면 마스터에서 보낸 레퍼런스 데이터에 대해 슬레이브에서 보내는 응답 데이터를 마스터에서 그대로 수신함으로써, 제어 레퍼런스에 대한 마스터와 슬레이브의 통신 데이터 송/수신이 완전히 이루어진 것을 확인할 수 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 가능할 것이다.

100:인터리브드 부하기 110:전력변환부
111:전원 입력부 112:필터부
113:정류부 114:부하부
120:제어통신부 121:제어부
122:센싱부 123:PWM 신호 생성부
124:CAPTURE부

Claims

AC 전압 또는 DC 전압의 입력 전원을 인가받아 필요로하는 출력 전원으로 변환하여 제공하는 전력변환부; 및
상기 전력변환부의 동작을 제어하기 위한 파라미터을 생성하고, PWM 신호와 상기 PWM 신호의 주기와 펄스폭을 카운트하는 CAPTURE 기능을 기반으로 통신이 가능한 제어통신부;를 포함하고,
상기 전력변환부:는
상기 AC 전압 또는 DC 전압의 입력 전원을 인가받는 전원 입력부;
상기 입력 전원의 노이즈를 제거하여 출력하는 필터부;
상기 필터부로부터 출력되는 전원을 정류하기 위한 정류부; 및
상기 필터부를 통과한 입력 전원을 입력받아 전압 레벨을 변환하는 인터브리드 방식의 스위칭 회로를 갖는 부하부;를 포함하고,
상기 스위칭 회로는 2-레벨 3 인터리브드 방식의 회로로,
제1 부하 저항과 상기 제1 부하 저항과 직렬로 연결된 제1 스위칭 소자로 이루어진 상위암와 상기 상위암과 병렬 연결된 제2 부하 저항과 상기 제1 스위칭 소자와 직렬 연결된 제2 스위칭 소자로 이루어진 하위암을 포함하는 스위칭부 3개가 병렬 접속하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자부하기
제 1 항에 있어서,
상기 제어통신부:는
상기 부하부의 동작을 제어하기 위한 파라미터과 상기 파라미터을 기반으로 데이터 프레임(이하,'제1 데이터 프레임',이라함)을 생성하는 제어부;
상기 전력변환부 내의 전압과 전류를 측정하는 센싱부;
상기 제1 데이터 프레임에 대한 PWM 신호를 생성하여 송신하는 PWM 신호 생성부; 및
상기 PWM 신호를 수신받아 PWM 주기와 펄스폭 크기를 캡처하여 카운트하는 CAPTURE부;를 포함하며,
상기 CAPTURE부는 상기 PWM 신호의 카운트 값을 기반으로 데이터 프레임(이하, '제2 데이터 프레임',이라함)을 생성하고, 상기 제어부는 상기 제2 데이터 프레임과 대응되는 파라미터를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자부하기
제 2 항에 있어서,
상기 제1 데이터 프레임의 최상위 데이터 필드에는 PWM 신호의 시작 지점을 알려주기 위한 카운트 값을 포함하고,
상기 제어부는 상기 제1 데이터 프레임의 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 데이터 필드들의 카운트 값에 더 포함하여 생성하며,
상기 CAPTURE부는 수신되는 PWM 신호에서 최상위 데이터 필드를 제외한 나머지 데이터 필드들의 카운트 값에서 최상위 데이터 필드의 카운트 값을 제외하여 상기 제2 데이터 프레임을 생성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전자부하기
제 3 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 데이터 프레임을 생성 시 각 데이터 필드에 유효 데이터 비트와 하위 비트로 더미 데이터 비트를 포함하여 생성하되, 생성된 더미 데이터 비트 수 많큼 오른쪽으로 쉬프트 연산을 수행하고,
상기 CAPTURE부는 상기 제2 데이터 프레임 생성 시 상기 제1 데이터 프레임에서 쉬프트된 수 많큼 각 데이터 필드에서 왼쪽으로 쉬프트 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 전자부하기
제 3 항에 있어서,
상기 전력변환부는 상기 부하부 3개가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전자부하기