KR20030063379A - 펄스폭 변조 구동시스템에서 무효시간의 영향을 제거하는시스템 및 방법 - Google Patents

펄스폭 변조 구동시스템에서 무효시간의 영향을 제거하는시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PWM 구동시스템에서 무효시간 지연의 영향을 없애기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다. 이 시스템은 스위칭 제어회로(26)를 이용해, 표준 하프브리지 구성에서 한쌍의 상하 스위칭소자(Q1,Q2)를 작동시키는바, PWM 펄스열 입력(22)과 전류방향 명령어(24) 둘다를 이용해 스위칭소자를 동작시킨다. 전류명령어 방향에 따라, PWM 펄스열 입력이 직접 스위칭소자들중 첫번째 소자에 인가되고, 두번째 스위칭소자는 적어도 첫번째 스위칭소자가 폐쇄되어 잇는 동안 개방되어 있다. 따라서, 무효시간 지연과 무관하게 정확한 평균 PWM 출력전압을 얻을 수 있으므로, 긴 무효시간을 이용할 수 있다.

Description

펄스폭 변조 구동시스템에서 무효시간의 영향을 제거하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD TO ELIMINATE THE DEAD TIME INFLUENCE PWM-DRIVEN SYSTME}
모터와 같은 유도부하에 대한 전력출력은 공통적으로 PWM(Pulse Width Modulation: 펄스폭 변조) 기술을 이용해 인가된다. 이 기술은 전기컴퓨터 공학의 McGraw Hill 시리즈인 Joseph Vithayathil의 "Power Electronics" 챕터 5에 잘 설명되어 있다.
PWM 기술을 이용한 시스템에서, 트랜지스터, 더 정확히는 브리지 배열의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 두개의 스위칭소자에 의해 부하의 하나 또는 여러 지점들에 전압이 인가된다. 한쪽 스위칭소자는 전원의 양극에서 부하로 연결되고, 나머지 스위칭소자는 동일 전원의 음극에서 동일 부하로 연결된다.
PWM 기술에 관련된 원천적인 문제는, 소위 무효시간 지연(Dead Time delay)의 생성이다. 이 지연은 한쪽 스위치를 열고 다른쪽 스위치를 닫는 사이에 생긴다.이런 지연은 통상 두개의 스위치들이 동시에 동작할 가능성을 배제하기 위해 도입된다. 양쪽 스위치가 동시에 동작되면, 전원이 단락되고 높은 전류로 인해 스위치나 전원이 파괴된다. 또, 스위칭소자들의 스위칭 시간이 유한 값을 갖고, 이 값은 온도, 부하전류 등 다른 조건하에서 변할 수 있다. 따라서, 무효시간 지연은 최대 스위칭시간 지연보다 큰 값을 가져야만 한다.
무효시간 지연동안, 양쪽스위치들은 모두 비도전상태에 있다. 그 결과, 부하 연결부에 설정된 전압은 부하상태에 따라, 특히 부하의 전류방향에 따라 좌우된다. 전류가 양방향(부하를 향한 방향)이면, 하부다리 브리지 다이오드를 통해 전류가 흐르고, 전압은 전원 음극의 전압과 거의 같게 된다. 전류가 음방향(부하에서 스위치 방향)이면, 전류가 상부다리 브리지 다이오드를 통해 흐르고, 전압은 전원 양극의 전압과 거의 같게 된다. 이 상태에서는 PWM 듀티사이클과 인가 전압 사이에 비결정적 관계가 생기고, 전압출력에 있어서 큰 부정확이 관찰된다.
무효시간 지연에 관련된 다른 문제점은, 펄스폭이 무효시간보다 작은 전압은 출력할 수 없다는데 있다. 따라서, ON/OFF 시간펄스폭이 모두 작은 음이나 양의 전원 라인전압에 가까운 전압값을 출력할 수 없으므로, 음이나 양의 전원전압 출력에 가까운 전압에서 불연속성이 생긴다.
PWM 시스템을 설계할 때, 엔지니어는 추정하기 어려운 무효시간의 영향을 추정해야만 한다. 무효시간 지연이 너무 짧으면 시스템의 신뢰성이 낮아지므로, 어떤 조건에서는 단락이 생길 것이고, 무효시간이 너무 길면 시스템 성능이 저하될 것이다.
전압의 부정확도를 보정하는 종래의 패턴으로 스위칭 체계를 설명했지만, 이런 시스템이라고 해서 전술한 출력전압이 제로나 DC 전원전압일 때의 평균 전압출력의 불연속성을 해결할 수 있는 것은 아니다. Watanabe 일행의 미국특허 5,930,132에는, 무효시간 지연을 최소화하기 위한 전자시스템이 기재되어 있다. 이 특허에서는 무효시간 지연을 없애지는 못하고 최소화할 뿐이다. Takada 일행의 미국특허 5,859,770에서는 무효시간을 거의 제로까지 감소시키기 위해 P 채널 트랜지스터를 포함하는 전자배열을 이용한다. P채널 트랜지스터는 정격전력에 제한이 있다는 단점이 있으므로, 최근의 대부분의 시스템에서는 높은 전력에서는 N채널 IGBT만을 사용한다. 따라서, 다케다 일행의 특허는 고전력 시스템에서는 장점이 없다.
그러므로, 무효시간 지연이 시스템 정밀도에 영향을 주지 않으면서도 오늘날 일반적으로 사용되는 전력스위칭 트랜지스터들에 적용할 수 있는 시스템을 제공한다면 바람직할 것이다.
본 발명은 PWM 모터제어시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 모터제어시스템, 더 구체적으로는 유도 부하전압 제어기에 관한 것이다.
도 1은 한쪽 부하 연결부에 PWM 전압을 인가하는 종래의 PWM 제어시스템;
도 2는 종래의 시스템의 타이밍 차트;
도 3은 본 발명의 PWM 제어시스템의 일반적인 블록도;
도 4는 양방향 전류명령어인 경우의 본 발명의 시스템의 타이밍차트;
도 5는 음방향 전류명령어인 경우의 본 발명의 시스템의 타이밍차트;
도 6은 본 발명의 PWM 패턴을 생성하기 위한 하드웨어 구성도;
도 7은 마이크로프로세서를 이용한 다른 예;
도 8은 도 7의 실시예에 사용된 본 발명의 PWM 패턴을 생성하기 위한 소프트웨어 순서도.
따라서, 본 발명의 주목적은 무효시간 지연과 관련된 문제점들을 극복하는데 있다.
본 발명은 무효시간 지연의 문제를 해결하는 시스템과 방법을 제공한다. 무효시간의 영향이 없어지고, 즉 전압출력의 정밀도가 무효시간의 값에 따라 변하지 않으며; 또, DC 전원의 모든 범위의 전압 출력값도 연속적으로 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 한쌍의 전자스위치들을 스위칭할 때 무효시간의 영향을 없애기 위해 이들 스위치의 스위칭을 조정해 부하에 전류를 공급하기 위한 출력전압을 생성하고, 상기 전자스위치 쌍은 전원 단자들을 가로지르는 하프브리지에서 연결될 수 있으며, 첫번째 스위치는 양극 전원단자에 연결되고, 양극 전류방향은 전류가 부하에 흐를 때 이 부하에 대해 정의되는 시스템에 있어서:
입력 신호파형의 ON/OFF 시간에 각각 반응해 상기 첫번째 전자스위치를 폐쇄 및 개방할 수 있는 제1 수단; 및
상기 입력 신호파형의 ON/OFF 시간에 대해 각각 사이클내에 응답하여 두번째 전자스위치를 개폐할 수 있는 제2 수단;을 포함하고,
양의 전류를 설정하도록 양의 전류명령어가 제공될 경우, 상기 제1 수단은 입력 신호파형의 ON 시간중에는 첫번째 스위치를 폐쇄하고 OFF 시간중에는 개방하지만, 상기 제2 수단은 적어도 첫번째 스위치의 폐쇄시간동안 두번째 스위치를 개방하도록 동작하며;
음의 전류를 설정하도록 음의 전류명령어가 제공될 경우, 상기 제2 수단은 입력 신호파형의 ON 시간중에는 상기 두번째 스위치를 개방하고 OFF 시간중에는 폐쇄하지만, 상기 제1 수단은 적어도 두번째 스위치의 폐쇄시간동안 첫번째 스위치를 개방하도록 동작하고;
상기 제1 및 제2 전자스위치들은 상기 입력 신호파형의 평균 폭에 따라 평균 출력전압이 정확하게 되도록 동작하는 시스템이 제공된다.
이 시스템은 표준 하프브리지 배열로 상하 스위칭소자 한쌍을 동작시키도록 스위칭 제어시스템을 이용해 구현되고, 여기서 원하는 전류방향(전류 명령어 방향)과 PWM 펄스열 둘다를 이용해 스위칭소자들을 작동한다. 전류명령어 방향이 양방향일 경우, PWM 펄스열 입력은 직접 상부 스위칭소자를 조정하는데 인가되지만, 상부 스위칭소자가 닫혀있는 동안 하부 스위칭소자는 개방되어 있다. 전류명령어 방향이 음방향일 경우, PWM 펄스열 입력이 먼저 반전된 다음, 하부 스위칭소자에 인가되고, 상부 스위칭소자는 하부 스위칭소자의 폐쇄시간 동안 개방되어 있다.
본 발명에 따르면, 무효시간 지연에 무관하게 정확한 평균 PWM 출력전압을 얻을 수 있으므로, 긴 무효시간을 이용해 DC 전원의 전체 범위에 걸쳐 정확한 전압출력을 제공할 수 있으면서도 높은 신뢰도를 유지할 수 있다.
본 발명의 방법은 디지탈 시스템에 더 잘 병합되도록 스위칭소자의 제어를 위해 마이크로프로세서형 제어시스템을 이용해 구현될 수 있다.
본 발명의 기타 특징들과 장점들을 첨부 도면들을 참조해 설명하면 다음과 같다.
종래의 일반적인 시스템이 도 1에 도시되었다. 두개의 스위칭소자로서 두개의 트랜지스터 Q1(상부), Q2(하부)가 도시되어 있다. 트랜지스터(Q1)는 한쪽 단자가 DC 전원의 양극에 연결되고, 다른 쪽 단자는 부하에 연결된다. 트랜지스터(Q2)는 한쪽 단자가 DC 전원의 음극에 연결되고 다른쪽 단자는 부하(9)에 연결되며, 이곳에 트랜지스터(Q1)도 연결된다. 각각의 트랜지스터는 상부단자에서 하부단자로 흐르는 전류의 스위치로 기능한다. 트랜지스터는 폐쇄스위치를 나타내는 도전상태(ON)에서 동작할 수 있거나, 또는 개방스위치를 나타내는 비도전상태(OFF)에서 동작될 수 있다. 각각의 트랜지스터에 병렬로 연결된 것은 반대 방향으로 전류를 흐르게 하는 다이오드(D1,D2)이다. 이런 배열을 여기서는 하프-브리지 배열이라고 한다.
시스템에 전압명령어가 인가되어, 두개의 논리상태인 ON, OFF를 갖는 입력신호파형 형태로 구현될 수 있다. 도 1에서, 이런 전압명령어는 PWM 펄스열 형태로 인가된다. 이런 펄스열은 Tpwm 온타임과 Tcycle 주기를 갖는 펄스로서(도 2 참조), 그 관계는 다음과 같다.
전압명령어 값 = Vc = E*Tpwm/Tcycle
이런 펄스열은 지연회로(12)를 통해 파워스위치의 게이트로 전송된다. 펄스열이 ON되면, 하부 트랜지스터(Q2)가 게이트 드라이버(14)에 의해 즉각 스위치 OFF되고, 상부 트랜지스터(Q1)는 무효시간 지연(Td) 이후 게이트 드라이버(16)에 의해 스위치 ON된다.
펄스열이 ON에서 OFF되면, 상부 트랜지스터(Q1)는 즉각 스위치 OFF되고, 하부 트랜지스터(Q2)는 무효시간 지연 이후 스위치 ON된다.
트랜지스터(Q1-Q2)에 대한 게이트신호 Chigh(18), Clow(20)용 타이밍차트가 도 2에 도시되어 있다.
무효시간 지연(Td)이 무한히 작으면 부하에서 얻은 평균전압(V)은 다음과 같은 것이 이상적이다.
V = E*Tpwm/Tcycle (E는 DC 전원전압)
평균 전압출력은 전압명령어 값에 비례하는 것이 이상적이다.
그러나, 실제의 경우에서 처럼 무효시간 지연이 제로값이 아니면, 평균전압은 다른 값을 갖는다. 상부 트랜지스터(Q1)는 Tpwm∼Td의 기간동안 도전된다. 하부 트랜지스터(Q2)는 Tpwm+Td의 기간동안 도전되지 않는다. 따라서, 상부 트랜지스터(Q1)의 도전시간 전후에, 어떤 트랜지스터도 도전되지 않는 지연기간(무효시간 지연)이 있게 된다.
전류의 시연속성(time continuity)이란, 전류가 음방향(부하에서 트랜지스터로)일 경우 무효시간 지연동안 전압이 전원의 양극의 전압(+E)과 같다는 것을 의미한다. 이는 상부 다이오드(D1)를 통해 전류가 양극으로 흐르기 때문이다. 대칭적으로, 전류가 양방향이면, 전압은 전원의 음극의 전압(0V)과 같은데, 이는 전류가 다이오드(D2)를 통해 흐르기 때문이다.
이런 무효시간 지연을 고려하면, 1 사이클동안 부하에 인가된 평균전압은 다음과 같은바:
전류가 양방향이면,
V=E*[Tpwm-Td]/Tcycle
전류가 음방향이면,
V=E*[Tpwm+Td]/Tcycle
종래 기술로 몇가지 보상법이 제시되었다(예, "Pulse Based Dead Time Compensator for PWM Voltage Inventer" David Legate, IEEE Transactions on IE, Vol. 44, No. 2, 1997). 이들 보상법은 Tpwm 값 명령어에서 무효시간 지연을 더하거나 빼는 것으로서, 전류가 양방향이면 더하고, 음방향이면 뺀다. 이들 방법은 PWM 전압 출력의 부정확을 보상할 수는 있지만, PWM 전압 명령어가 전원전극들중 하나의 전압에 근사하여 0 V나 E V일 경우에는 사용할 수 없다.
예컨대, 음방향 전류로 작은 전압값 V=(E*Td/Tcycle)/2를 보상 없이 출력하려면 출력값은 Tpwm=Td/2일 것이다. 전술한 바와 같이 이로 인해 전압은 V=E*[Td/2+Td]/Tcycle이고, 이 값은 원하는 값의 3배이다.
종래의 보상법을 이용하면, Tpwm 명령어에서 Td 값을 빼고, Tpwm용으로 음의 값(-Td/2)을 얻는데, 이는 스위치가 이 사이클에서 작동되지 않아, 얻어진 PWM 평균값이 이 사이클에서는 V=0임을 의미한다.
따라서, 보상 시스템과 무보상 시스템 모두에서 PWM 전압출력이 부정확해진다.
도 3은 본 발명의 PWM 시스템의 블록도이다.
대부분의 현대적인 제어시스템에서는, 부하의 전류를 제어하고 PWM 전압은 이 전류를 제어하는데 사용되는 수단이다. 그 결과, 전류 명령어 값이 정해진다. 통상, 제어시스템은 현재의 필요성에 따라 전류값을 변동시키기 위해 PWM 전압을 설정한다. 예컨대, 모터용 서보제어시스템에서는 전압을 조정하고, 이 시스템에서는 모터의 실제속도를 측정하는데 속도센서를 이용한다. 그 속도가 현재 필요한 속도(명령속도)와 다르면, 서보시스템은 전류 명령어를 새로운 값으로 변화시켜, 모터에 작용하는 토크를 변화시켜 속도를 수정한다.
서보 증폭기의 다른 내부제어루프(전류 제어루프)가 모터에 흐르는 실제 전류와 전류 명령어 사이의 차이를 체크한다. 그 차이가 발견되면, 전류 제어루프가 PWM 명령어를 변화시켜, 모터에 인가된 평균전압을 변동시키고, 그 결과 명령값에 가까운 값을 갖는 새로운 전류가 생긴다.
그 결과, 대부분의 최근 제어시스템에서는 PWM 전압명령어와 전류명령어 둘다 정의된다. 특히, 전류명령어 방향이 알려진다.
이를 기초로, 본 발명의 방법은 전압명령어(Vc)와 전류명령어(Cc) 방향 둘다를 입력신호(22,24)로 사용한다(도 3 참조).
전압명령어 Vc와 전류명령어 방향 Cc는 TCG(Transistor Command Generator; 26)에 입력된다. TCG(26)는 스위칭소자(Q1,Q2)의 스위칭 제어기로 기능하여, 스위칭 간격을 정밀 제어함으로써, 무효시간 지연의 영향을 받지 않고 부하에 정확한PWM 전압(V)을 인가한다.
TCG(26)에서는 상하부 트랜지스터(Q1,Q2)용의 게이트 드라이버(16,14) 각각에 공급되는 두개의 다른 게이트신호(18,20; Chigh, Clow)를 생성한다.
첫번째 단계에서, 전압명령어(Vc) 신호(22)는 폭과 주기가 각각 Tpwm과 Tcycle인 PWM 펄스열로 번역된다. 펄스폭(Tpwm)은 DC 전원(E)용으로 그리고 무효시간 지연이 없는 이상적인 시스템용으로 펄스폭(Tpwm)이 아래 방정식에 따라 전압명령어(Vc)의 폭과 일치하는 평균 출력전압값이 되도록 계산된다.
Tpwm=Tcycle*Vc/E
이 PWM 펄스열은 하드웨어나 소프트웨어에서 구현되는 TCG(26)의 내부 변수인 신호이므로, 실제로는 출력될 필요가 없다.
다음, TCG는 도 4, 5에 도시된 바와 같이, 아래의 차트에 따라 두개의 트랜지스터 명령어 신호(18,20; Chigh, Clow)를 생성한다.
a) 전류명령어 방향이 양방향인 경우(도 4);
- 상부 트랜지스터 명령어 신호(Chigh)는 PWM 펄스열과 동일한바, 즉 트랜지스터(Q1)은 각각의 PWM 사이클에서 Tpwm 시간 동안 도전(ON)되고, 다른 시간에서는 도전되지 않는다.
- 하부 트랜지스터 명령어 신호(Clow)는 Q1이 ON되기 전의 Td 무효시간동안 도전되지 않으며(OFF), Q1이 ON되고 있는 동안과 Q1이 ON된 뒤의 Td 무효시간동안에는 ON된다. Q2의 상태는 사이클의 다른 부분에서는 중요하지 않으며 바람직하게OFF되어 있다.
b) 전류명령어 방향이 음방향인 경우(도 5):
- 하부 트랜지스터(Q2)는 각각의 PWM 사이클동안 Tpwm 시간중에 도전되지 않으며(OFF) 다른 시간에는 도전된다(ON).
- 상부 트랜지스터 명령어 신호(Chigh)는 Q2가 ON되기 전의 Td 무효시간동안, Q2가 ON되는 동안, 및 Q2가 OFF된 뒤의 Td 무효시간동안 Q1을 도전되지 않는 상태로 유지한다. Q1의 상태는 사이클의 다른 부분에서는 중요하지 않으며 OFF되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명 시스템의 목적은 전압명령어와 같은 평균 전압값을 부하에 인가하는데 있다. 다른 목적은 명령전류와 같은 유효전류를 유지하는데 있다. 본 발명 시스템의 다른 이점은, 유효전류가 명령전류와 반대 방향인 경우, 본 발명의 PWM 패턴이 명령 방향에 맞게 시스템의 가능한 최대 속도에서 유효전류를 역방향으로 흐르게 하는데 있으며, 이 속도는 DC 버스 전압과 부하에 의해 정의된다.
전류 명령어 방향이 양방향이고 유효전류 방향도 양방향이며 이때 Q1이 ON되는 첫번째 경우, 부하(9)는 전원의 양극에 직접 연결되고, 부하(9)에 인가된 전압은 전원전압의 양의 전압값(E)과 같다.
Q1이 OFF되어 있는 동안, 유효전류는 양방향이고, 필요한 전류 연속성으로 인해 전류는 부하(9)쪽으로 흐른다. Q1을 통한 경로를 이용할 수 없으므로, 전류는 다이오드(D2)를 통해 흐르며, 부하(9)에 인가된 전압은 전원의 음극의 전압이다.이런 상태는 Q2의 상태와는 무관하다. 그 결과, 상부 트랜지스터가 OFF 상태인 동안 부하에 인가된 전압은 항상 제로이다(즉, 전원의 음극의 전위에 있다).
따라서, 유효전류와 전류명령어가 둘다 정방향일 경우, 부하는 Tpwm 시간동안 전압(E)으로 되고 Tcycle-Tpwm 시간동안에는 제로전압으로 될 것이다. 그 결과, 평균 출력전압은 아래와 같다.
V = E*Tpwm/Tcycle = Vc
전류명령어 방향이 정방향이고 유효전류 방향이 음방향이며, 이때 Q1이 ON되는 두번째 경우, 부하(9)는 전원의 양극에 직접 연결되고, 부하(9)에 인가된 전압은 전원의 정전압(E)과 같다.
Q1이 OFF인 동안, 다이오드(D1)를 통해 전류가 계속 흐른다. 이 경우, 전압은 전원전압과 같을 것이다. 그 결과, 유효전류가 음방향인 한, 시스템은 전원을 직접 부하에 인가하여, 유효전류의 절대값을 급격히 감소되게 하여 결국 제로나 음의 값에 달하게 한다. 이 경우, 평균전압은 전원전압과 같고, 이것은 전류명령어 방향으로 유효전류방향을 복귀시키는데 바람직하다.
전류명령어 방향이 음방향이고 유효전류 방향도 음방향이며, 이 때 하부 트랜지스터(Q2)가 ON된 세번째 경우, Q2에 의해 부하가 직접 전원의 음극에 연결되기 때문에 부하에는 제로전압이 인가된다. 하부 트랜지스터(Q2)가 OFF되고, 부하(9)로부터 시스템에 유효전류가 흐르면, 전류 연속성때문에 전류가 다이오드(D1)를 통해 흘러, 부하(9)에 인가된 전압은 전원전압(E)이 된다. 부하(9)에 인가된 전압은 상부 트랜지스터(Q1)의 상태에 의존하지 않음을 알아야 한다.
따라서, 유효전류와 전류명령어 둘다 음방향인 경우, 부하는 Tpwm 시간동안 전압(E)으로 되고 Tcycle-Tpwm 시간동안에는 제로전압으로 된다. 그 결과, 평균 출력전압은 아래와 같다.
V = E*Tpwm/Tcycle = Vc
전류 명령어 방향은 음방향이지만 유효전류 방향은 양방향이고 이 때 하부 트랜지스터(Q2)가 ON되는 네번째 경우, Q2에 의해 부하(9)가 직접 전원의 음극에 연결되기 때문에 부하에 제로전압이 인가된다. 하부 트랜지스터(Q2)가 OFF되면, 전류의 연속성때문에 다이오드(D2)를 통해 전류가 흘러, 부하(9)에 인가된 전압이 제로가 된다.
그 결과, 유효전류가 양방향인 한, 시스템은 부하에 직접 제로전압을 인가할 것이므로, 유효전류의 절대값이 급격히 감소되어 결국 제로나 음의 값을 갖게 된다. 이 경우, 평균전압이 제로값으로 될 것이고, 이는 유효전류 방향을 전류 명령어 방향으로 복귀시키는데 바람직하다.
모든 경우에서, 전류 명령어와 유효전류의 방향이 같으면, 평균 출력전압은 정확히 전압 명령어와 같다.
전류명령어와 유효전류가 방향이 서로 반대이면, 시스템은 적당한 방향으로 가능한한 최대 전압을 설정하고, 이로 인해 유효전류는 명령 방향으로 복귀할 것이다.
따라서, 시스템은 부하전압을 제어할 수 있고, 이는 전류제어의 추가적인 이점이다. 대부분의 최신 시스템은 우선적으로 부하전류를 제어하고 다음으로 전압을제어하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따라 설계된 시스템에서는 전압과 전류 출력 둘다의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 6에는 TCG(26)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. TCG(26)는 비교기(28), 한쌍의 OFF 지연회로(30,32) 및 논리게이트(34,36,38,40,42,44)를 포함한다.
톱니신호 발생기(48)로부터의 톱니(St; saw tooth) 신호(47)와 전압명령어 신호(22; Vc)는 비교기(28)로 입력된다. 전압명령어 신호(22)가 톱니신호(47)보다 크면, 비교기의 출력신호(54)는 논리레벨 1로 된다. 그렇지 않으면 비교기의 출력신호(54)가 논리레벨 제로로 된다. 이 기술은 PWM 신호를 생성하는 표준기술이다(배경기술의 Vithayathil 참조). 비교기(28)의 출력신호는 이제 펄스이다. 이 펄스의 ON 타임은 전압명령어 신호(22; Vc)와 선형관계에 있다. 펄스의 ON 타임은 Tpwm이고, Tcycle은 톱니신호의 주기이다.
전압명령어 신호(22), 톱니신호(47) 및 비교기(28)는 아날로그나 디지탈 신호 또는 소자이다. 디지탈이면, 전압명령어 신호(22)와 톱니신호(47)가 레지스터(예; 프로그래머블 논리소자)에 유지될 것이고, 비교기(28)는 디지탈 비교기일 것이다. 아날로그 소자의 경우, 전압명령어와 톱니신호들은 각각의 입력라인의 전기레벨에 있을 것이다. 어떤 경우에도, 비교기(28)는 디지탈 신호출력, 즉 두개의 값만을 가질 것이다.
전류 명령어 방향신호(24)도 논리신호 형태로 TCG(26)에 입력된다. 바람직한 실시예에서 전류가 양방향이면 논리값은 1로 설정된다.
OFF 지연회로(30,32) 각각에서는 입력 논리값이 1일 때는 논리값이 1인 출력신호(50,52)가 생성되지만, 입력 논리값이 0으로 되돌아가면 이들 출력신호(50,52)는 시간지연(Td) 이후에만 논리값 0으로 복귀한다. 이들 지연된 출력신호(50,52)는 각각의 AND 게이트(36,38)의 반전입력단으로 입력된다. 이런 동작에 의해, AND 게이트(36,38)과 함께 OFF 지연회로(30,32)는 트랜지스터(Q1-Q2)의 동기적인 도전에 대한 보호부 역할을 한다.
비교기(28)의 출력신호(54)와 전류명령어 방향신호(24) 둘다 AND 게이트(34)로 입력된다. 그 결과, 전류명령어 방향신호(24)가 양방향이고 OFF 지연회로(30)의 출력의 논리값이 0에서 1로 반전될 경우에만 비교기(28)의 출력신호(54)가 AND 게이트(34,36)를 통과한다. 이것은, Q2의 이전 ON 동작부터 충분한 시간이 경과했을 때만 발생한다.
이런 경우에는, 활성화 게이트신호(Chigh)가 게이트 드라이버(16)로 보내져 트랜지스터(Q1)를 ON시킨다. 그러나, 하부 트랜지스터(Q2)의 최종 OFF 스위칭 동작부터의 경과시간이 안전 무효시간 지연(Td)보다 짧으면, AND 게이트(36)가 비교기(28)의 출력신호(54)의 전송을 차단하여, 게이트 드라이버(16)는 트랜지스터(Q1)를 ON하지 않는다.
일반적으로, 전류명령어 방향신호(24)가 양방향이고 트랜지스터(Q2)가 스위칭 OFF된 뒤 충분한 시간이 경과하면, 트랜지스터(1)는 Tpwm 시간동안 스위치 ON되고, 나머지 사이클동안 스위치 OFF된다.
전류 명령어 방향신호(24)가 음방향일 경우에는, AND 게이트(34)의 출력이 논리값 0이고, 트랜지스터(Q1)는 결코 스위치 ON되지 않는다.
대칭적으로, 트랜지스터(Q2)의 스위칭동작은 AND 논리게이트(38,40)에 의해 제어된다. 그러나, AND 게이트(40)는 인버터(42)를 통해서는 비교기의 반전출력인 출력신호(54)를 수신하고, 인버터(44)를 통해서는 반전 전류명령어 방향신호(24)를 수신한다.
평상시, 전류명령어 방향신호(24)가 음방향이면, 트랜지스터(Q2)는 Tpwm 시간동안 스위칭 OFF되고, 트랜지스터(Q1)의 스위칭 OFF 이래로 충분한 시간이 경과되면 나머지 사이클동안에는 스위칭 ON된다.
전류명령어 방향신호(24)가 양방향일 경우, AND 게이트(40)의 논리출력값은 0이고 트랜지스터(Q2)는 스위치 ON되지 않는다.
도 7에서는 마이크로프로세서(60)를 이용해 TCG(26)를 구현한 예가 도시되어 있다. 마이크로프로세서(60)는 스위칭소자(Q1,Q2)의 ON/OFF 타임을 조정하는데 사용되는 스위칭신호를 제어할 수 있다. 이 구성에서, 본 발명의 방법에 따른 PWM 스위칭 패턴을 생성할 수 있다.
도 8은 마이크로프로세서 프로그램용 순서도로서, 본 발명에 따른 PWM 패턴을 생성한다.
블록 70에서, 시스템은 새로운 PWM 사이클을 시작하고, 블록 72에서는 전압명령어(Vc)를 수신한다. PWM 펄스폭(Tpwm)은 블록 74에서 계산되고, 블록 76에서는 전류명령어 방향신호가 수신된다. 판단블록 78에서, 전류명령어 방향이 양방향이면, 블록 80으로 동작이 진행되고, 이곳에서 트랜지스터(Q2)의 상태를 체크한다. Q2가 OFF이면, 블록 82에서는 최종 스위치 OFF 타임부터의 지연시간을 기록해서 "Tloff"로 표시한다. 트랜지스터(Q2)가 ON 상태에 있으면, 블록 84에서는 현재의 사이클의 나머지 시간동안 트랜지스터(Q2)를 스위치 OFF하라는 명령어를 생성하고, 트랜지스터(Q2)의 스위치 OFF 시간이 블록 86에 기록되어 "Tloff"로 표시된다. 블록 88에서는, 블록들(82,86)중 하나에 뒤이어, 트랜지스터(Q1)의 스위칭 ON/OFF 시간을 계산하여 "Thon", "Thoff"로 표시한다.
블록 90에서는 트랜지스터(Q2)의 OFF 시간을 체크하여, 트랜지스터(Q1)의 스위칭 ON까지의 나머지 시간이 무효시간 지연(Td)보다 큰지의 여부를 체크한다. 크지 않으면, 블록 92에서 트랜지스터(Q1)의 스위칭 ON 시간을 재계산하여 무효시간 지연(Td)을 보충한다. 블록(90,92)에 이어서, 블록 94에서는 트랜지스터(Q1)의 계산된 스위칭 ON 시간을 검사하여, 이 시간이 블록 88에서 계산된 트랜지스터(Q1)의 스위칭 OFF 시간보다 앞에 있는지의 여부를 체크한다.
이 상태를 확인하면, 블록 96에서, 시간 "Thon"에서는 트랜지스터(Q1)를 스위치 ON하고 시간 "Thoff"에서는 OFF하라는 명령어를 생성한다. 이 상태를 확인하지 못하면, 블록 98에서, 사이클의 나머지 시간동안 트랜지스터(Q1)를 계속 OFF하라는 명령어를 생성한다.
블록 100에서 소프트웨어 루틴이 완료되고, 다음 PWM 사이클의 시작이 재개된다.
다시 판단블록(78)으로 돌아가, 전류명령어 방향이 음방향일 경우, 시스템의대칭 동작이 블록 102에서 시작하고, 트랜지스터 Q2를 Q1으로 대체하여 나머지 모든 단계들이 실행되며, 전술한 단계를 실행할 때 Q2에 대해 ON/OFF 상태를 교환한다.
이상 특정 실시예에 대해 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 당업자라면 다른 변형을 예상할 수 있을 것이므로, 이런 모든 변형은 첨부된 특허청구범위내에 포함된다고 보아야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 한쌍의 전자스위치들을 스위칭할 때 무효시간의 영향을 없애기 위해 이들 스위치의 스위칭을 조정해 부하에 전류를 공급하기 위한 출력전압을 생성하고, 상기 전자스위치 쌍은 전원 단자들을 가로지르는 하프브리지에서 연결될 수 있으며, 첫번째 스위치는 양극 전원단자에 연결되고, 양방향 전류방향은 전류가 부하에 흐를 때 이 부하에 대해 정의되는 시스템에 있어서:
    입력 신호파형의 ON/OFF 시간에 각각 반응해 상기 첫번째 전자스위치를 폐쇄 및 개방할 수 있는 제1 수단; 및
    상기 입력 신호파형의 ON/OFF 시간에 대해 각각 사이클내에 응답하여 두번째 전자스위치를 개폐할 수 있는 제2 수단;을 포함하고,
    양방향 전류를 설정하도록 양방향 전류명령어가 제공될 경우, 상기 제1 수단은 입력 신호파형의 ON 시간중에는 첫번째 스위치를 폐쇄하고 OFF 시간중에는 개방하지만, 상기 제2 수단은 적어도 첫번째 스위치의 폐쇄시간동안 두번째 스위치를 개방하도록 동작하며;
    음방향 전류를 설정하도록 음방향 전류명령어가 제공될 경우, 상기 제2 수단은 입력 신호파형의 ON 시간중에는 상기 두번째 스위치를 개방하고 OFF 시간중에는 폐쇄하지만, 상기 제1 수단은 적어도 두번째 스위치의 폐쇄시간동안 첫번째 스위치를 개방하도록 동작하고;
    상기 제1 및 제2 전자스위치들은 상기 입력 신호파형의 평균 폭에 따라 평균출력전압이 정확하게 되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수단들이 제어기를 포함하고;
    상기 제어기는 두번째 스위치가 개방되어 있는 동안 소정 기간이 지나면 상기 입력신호 파형의 ON 시간 동안 첫번째 스위치를 폐쇄하고 입력 신호파형의 OFF 시간동안 첫번째 스위치를 개방하며, 첫번째 스위치가 개방되어 있는 동안 소정 기간이 지나면 입력 신호파형의 OFF 시간동안 두번째 스위치를 폐쇄하고 입력 신호파형의 ON 시간동안 두번째 스위치를 개방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 기준전압파와 톱니전압파 패턴을 비교하는 비교기에 의해 상기 입력 신호파형이 생성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어기가 전자 논리게이트로 구현되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입력 신호파형이 소프트웨어 제어프로그램을 실행하는 마이크로프로세서에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제어기가 소프트웨어 제어프로그램을 실행하는 마이크로프로세서로 구현되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 수단은 양방향 전류명령어가 제공될 때마다 두번째 스위치를 개방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 수단은 음방향 전류명령어가 제공될 때마다 첫번째 스위치를 개방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 한쌍의 전자스위치들을 스위칭할 때 무효시간의 영향을 없애기 위해 이들 스위치의 스위칭을 조정해 부하에 전류를 공급하기 위한 출력전압을 생성하고, 상기 전자스위치 쌍은 전원 단자들을 가로지르는 하프브리지에서 연결될 수 있으며, 첫번째 스위치는 양극 전원단자에 연결되고, 양방향 전류방향은 전류가 부하에 흐를 때 이 부하에 대해 정의되는 방법에 있어서:
    입력 신호파형의 ON/OFF 시간에 각각 반응해 상기 첫번째 전자스위치를 폐쇄 및 개방하는 단계; 및
    상기 입력 신호파형의 ON/OFF 시간에 응답하여 두번째 전자스위치를 개폐하는 단계;를 포함하고,
    양방향 전류를 설정하도록 양방향 전류명령어가 제공될 경우, 상기 첫번째 스위치는 입력 신호파형의 ON 시간중에는 폐쇄되고 OFF 시간중에는 개방되지만, 상기 두번째 스위치는 첫번째 스위치의 폐쇄 시간중에는 개방되고;
    음방향 전류를 설정하도록 음방향 전류명령어가 제공될 경우, 상기 두번째 스위치는 입력 신호파형의 ON 시간중에는 개방되고 OFF 시간중에는 폐쇄되지만, 상기 첫번째 스위치는 두번째 스위치의 폐쇄 시간동안에 개방되며;
    상기 제1 및 제2 전자스위치들은 상기 입력 신호파형의 평균 폭에 따라 평균 출력전압이 정확하게 되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 첫번째 및 두번째 스위치들은,
    두번째 스위치가 개방되어 있는 동안 소정 기간이 지나면 상기 입력신호 파형의 ON 시간 동안 첫번째 스위치를 폐쇄하고 입력 신호파형의 OFF 시간동안 첫번째 스위치를 개방하도록;
    그리고, 첫번째 스위치가 개방되어 있는 동안 소정 기간이 지나면 입력 신호파형의 OFF 시간동안 두번째 스위치를 폐쇄하고 입력 신호파형의 ON 시간동안 두번째 스위치를 개방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 개폐동작이 소프트웨어 제어프로그램을 실행하는 마이크로프로세서에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 개페동작이 논리게이트에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 입력신호파형이 소프트웨어 제어프로그램을 실행하는 마이크로프로세서에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 수단은 양방향 전류명령어가 제공될 때마다 두번째 스위치를 개방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 수단은 음방향 전류명령어가 제공될 때마다 첫번째 스위치를 개방하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
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