KR20060117559A - 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법 - Google Patents

매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매트릭스 컨버터의 출력 전류의 방향을 판단하는 방법에 관한 것으로, 변류기(CT)나 홀(Hall) 센서를 이용하는 종래의 출력 전류 검출 방법은 출력 전류가 영전류 근처의 저전류인 경우에 센서의 지연이나 오차, 또는 노이즈로 인해 출력 전류 방향에 대해 잘못된 판단을 하게 되는 문제점이 있었다. 상기 잘못된 전류 방향에 따라 매트릭스 컨버터 내의 양방향 스위치의 전환을 하면, 전류가 순간적으로 차단되어 소자 양단에 스파크가 일어나고, 이에 의해 소자의 수명이 단축되거나, 심지어 소자가 파괴되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 감안한 본 발명은 출력 전류 레벨이 미리 결정된 전류 범위 이내인 경우, 즉, 출력 전류 레벨이 저전류인 경우, 상기 매트릭스 컨버터 내의 양방향 스위치의 양단 전압으로부터 상기 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향을 판단함으로써, 출력 전류의 방향을 정확히 판단할 수 있는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법을 개시한다.

Description

매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법{DEVICE FOR DETECTING THE OUTPUT CURRENT DIRECTION OF A MATRIX CONVERTER AND METHOD THEREFOR}
도 1은 종래의 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치의 구성도.
도 2는 양방향 스위치들의 예시도.
도 3은 매트릭스 컨버터의 4단계 전환(commutation) 동작 설명도.
도 4는 1상에 대한 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치의 구성도.
도 5는 미리 결정된 출력 전류 범위 설명도.
도 6은 양방향 스위치 내의 전압 관계 설명도.
도 7은 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 방법의 흐름도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10: 매트릭스 컨버터 11: 양방향 스위치
12: 게이트 구동부 13: 인버터 제어부
20: 전류 검출부 30: 전압 검출부
40: 전류 방향 판단부
본 발명은 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 매트릭스 컨버터의 출력 전류가 영전류 근처의 저전류인 경우에 출력 전류의 방향을 정확하게 검출함으로써, 스위칭 소자의 전환(commutation)이 안전하게 수행될 수 있도록 하는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 교류-교류 전력변환 분야에서는 VSI(Voltage Source Inverter) 인버터가 널리 사용되었다. VSI 인버터는 직접적으로 교류-교류 변환을 하지 않고 교류를 정류하여 중간에 직류형태의 전력으로 변환하고, 이를 중간 에너지 저장부(Capacitor)에 저장한 후에 교류형태의 전력으로 변환하는 과정을 거치게 된다. 이러한 VSI 인버터는 교류에서 직류로 정류하는 과정에서 높은 입력 전류 전체 고조파 왜형률(THD, Total Harmonics Distortion)을 가지게 되고, 직류부의 커패시터 수명이 제한되며, 출력부의 에너지를 입력단으로 회생시킬 수 없는 등의 전력 토폴로지(Power topology) 상의 단점을 가지고 있다.
따라서 이러한 단점을 보완할 수 있는 매트릭스 컨버터가 제안되었다. 매트릭스 컨버터는 9개의 양방향 스위치로 구성되어 있는데, 입력(a, b, c)과 출력 (A, B, C) 사이에 연결된 다수의 양방향 스위치(11)들의 순차적인 스위칭 동작을 통해, 임의의 순간에 어느 하나의 입력상(a, b 또는 c)은 어느 하나의 출력상(A, B 또는 C)에만 연결이 되도록 동작함으로써, 직접적으로 교류-교류 전력변환이 가능하다. 이러한 매트릭스 컨버터는 어느 순간에 하나의 입력상이 하나의 출력상에 연결이 되는 것이 특징이며, VSI 인버터와 달리 완전 4상한 운전과 입력 역률의 제어가 가능하고 중간의 직류부 커패시터와 같은 에너지 저장부가 필요 없는 장점이 있다.
그러나 매트릭스 컨버터는 일반적인 VSI 인버터에 비해 스위칭 소자가 많고 제어가 복잡하며, 양방향 스위칭 소자의 전환(Commutation)이나 프리 휠링(Free Wheeling)과 같은 문제가 있다.
양방향 스위칭 소자의 전환을 위해 2단계 전환 방법이나 4단계 전환 방법 등이 사용되고 있다. 이와 같은 다수 단계의 스위치 전환 방법을 매트릭스 컨버터에 적용하기 위해서는 필수적으로 출력 전류의 방향을 알아야 한다.
이하, 종래의 매트릭스 컨버터의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치의 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이, 3상 입력과 3상 출력의 매트릭스 컨버터(10)인 경우, 9개의 양방향 스위치(11)들이 필요하다. 매트릭스 컨버터(10)를 구성하는 양방향 스위치(11)는 양방향 전류의 도통뿐만 아니라 양방향 전류의 차단도 가능해야 한다. 현재 단일 반도체 소자로 이루어진 양방향 스위치(11)가 없기 때문에, 다수 개의 스위칭 소자의 조합하여 하나의 양방향 스위치(11)를 구성한다.
도 1에 따른 종래의 전류 방향 판단 장치는, 전류 검출부(20)에서 매트릭스 컨버터의 출력 전류를 검출하고, 전류 방향 판단부(40)는 상기 검출된 출력 전류 레벨로부터 출력 전류의 방향을 판단한다. 이러한 동작은 당업계에 공지된 것으로서, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 양방향 스위치들의 예시도로서, (a) 다이오드 내장(Diode Embedded) 양방향 스위치는 1개의 능동 스위치(Active Switch) 소자(S1)와 4개의 다이오드(D1~D4)로 구성되고, (b) 컬렉터 공통 양방향 스위치는 각각의 컬렉터가 공통 접속된 2개의 능동 스위치 소자(S1, S2)와 2개의 다이오드(D1, D2)로 구성되며, (c) 에미터 공통 양방향 스위치는 각각의 에미터가 공통 접속된 2개의 능동 스위치 소자(S1, S2)와 2개의 다이오드(D1, D2)로 구성되어 있다. 여기에서, 능동 스위치 소자들은 고속 스위칭 동작을 할 수 있는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 주로 사용된다.
도 3은 4단계의 스위치 전환 방법을 나타낸 것이다. 매트릭스 컨버터를 제어할 때 2가지의 원칙이 준수되어야 한다. 첫째는 입력이 단락이 되어서는 안된다는 것이며 둘째는 출력단의 전류가 연속적이어야 한다는 것이다. 이러한 원칙을 지키기 위해서 매트릭스 컨버터의 스위치는 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)시에 전환(commutation) 과정을 거치게 된다. 일반적으로 스위치의 전환을 위해 4단계 전환 방법이 널리 사용되고 있다.
도 3에서, INSW1은 전환전에 도통중인 양방향 스위치(이하, SW1)의 입력 신호 파형을 나타내고 INSW2는 전환후에 도통될 양방향 스위치(이하, SW2)의 입력 신호 파형을 나타낸다. 또한, SW1 내에서 부하 전류를 부담하고 있는 능동 스위치 소자(이하, SW1a)와 부하 전류를 부담하고 있지 않는 능동 스위치 소자(이하, SW1b)의 게이트 신호들은 각각 GSW1a와 GSW1b로 도시되어 있고, SW2 내에서 부하 전류를 부담 할 능동 스위치 소자(이하, SW2a)와 부하 전류를 부담하지 않을 능동 스위치 소자(이하, SW2b)의 게이트 신호들은 각각 GSW2a와 GSW2b로 도시되어 있다.
도 3의 ① 시점에서 전환 과정이 시작된다. SW1 내의 SW1a는 SW1의 역도통을 방지하기 위해, ① 시점에서 즉시 턴오프되는데, 이를 위한 게이트 신호가 GSW1a으로 도시되어 있다. 양방향 스위치들 사이의 단락 방지를 위해, ① 시점으로부터 소정의 지연 시간(td) 후인 ② 시점에서 SW2 내의 SW2a가 턴온되는데, 이를 위한 게이트 신호가 GSW2a로 도시되어 있다. ② 시점으로부터 소정 시간 후인 ③ 시점에서 SW1 내의 SW1b가 추가적으로 턴오프되고, 이로부터 소정의 지연 시간(td) 후인 ④ 시점에서 SW2 내의 SW2b가 턴온되고, 이를 위한 게이트 신호가 GSW1b와 GSW1b로 각각 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 스위치 전환 주기에서, 상기 SW1b와 SW2b는 순방향(전원측으로부터 부하측으로의 방향) 부하 전류를 부담하지 않기 때문에, 즉시 턴오프되거나 턴온될 필요가 없다.
상기 스위치 전환 과정은 출력 전류의 방향에 따라 결정되기 때문에, 전환을 제어하는 로직 회로 내에 출력 전류의 방향을 감지할 수 있는 하드웨어가 필요하다. 종래에는 이러한 출력 전류의 방향을 감지하기 위해서, 변류계(CT)나 홀(Hall) 센서를 이용한 방법이 사용되었다.
그러나, 변류기나 홀 센서를 이용한 전류 방향 판단 방법은 출력 전류가 영전류 근처의 저전류인 경우에 센서의 지연이나 오차, 또는 노이즈로 인하여 정확한 전류 방향을 판단할 수 없는 문제점이 있다.
만일 출력 전류가 영전류 근처의 저전류인 경우에 잘못된 전류의 방향의 정보를 이용하여 양방향 스위치의 전환이 일어나게 되면, 전류가 순간적으로 끊기게 되어 소자의 양단에 스파크가 나타나게 된다. 이는 소자에 엄청난 스트레스가 되어 소자의 수명이 단축되거나 소자가 파괴되는 현상이 생기게 된다. 이러한 문제 때문에 매트릭스 컨버터를 상용화하는데 어려움을 겪고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 출력 전류의 레벨이 영전류 근처의 저전류인 경우에도, 매트릭스 컨버터 내의 양방향 스위치 전환 제어 과정에 필요한 출력 전류 방향을 정확하게 검출할 수 있는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 양방향으로 전류를 도통시키거나 차단시킬 수 있는 다수의 양방향 스위치들로 이루어진 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치에 있어서, 상기 매트릭스 컨버터의 출력에서 출력 전류를 검출하는 전류 검출부와; 상기 양방향 스위치들의 양단 전압들을 각각 검출하는 전압 검출부와; 상기 양방향 스위치들의 개폐 동작을 각각 제어하고, 상기 양방향 스위치들의 도통 여부를 지시하는 정보 신호를 출력하는 인버터 제어부와; 상기 전류 검출부로부터의 출력 전류, 상기 전압 검출부로부터의 양단 전압 및 상기 인버터 제어부로부터의 양방향 스위치 도통 정보 신호에 따라 출력 전류의 방향을 판단하는 전류 방향 판단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 매트릭스 컨버터의 출력 전류를 검출하는 단계와; 매트릭스 컨버터 내의 양방향 스위치들의 양단 전압들을 검출하는 단계와; 상기 양방향 스위치들 중에서 도통중인 양방향 스위치를 판별하는 단계와; 상기 검출된 출력 전류, 상기 검출된 양단 전압 및 상기 판별된 양방향 스위치 정보로부터 출력 전류의 방향을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치를 1상의 출력(A)에 대해서만 도시한 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 전원측과 출력측 사이에 위치하고 매트릭스 컨버터(10)를 구성하는 양방향 스위치(11)들, 양방향 스위치(11) 내의 능동 스위칭 소자(예를 들어, IGBT)의 게이트를 구동하는 게이트 구동부(12)들, 게이트 구동부들에 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부(13), 매트릭스 컨버터(10)의 출력 전류를 검출하는 전류 검출부(20), 양방향 스위치(11)들의 양단 전압을 검출하는 전압 검출부(30), 및 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향을 판단하는 전류 방향 판단부(40)로 구성되어 있다.
도 5는 매트릭스 컨버터(10)의 출력 전류 레벨이 영전류 근처의 저전류인 경우를 판별하는 방법을 출력 전류의 상한(upper limit)과 하한(lower limit)으로써 도시하고 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판 단 장치의 동작을 설명하자면 다음과 같다.
본 발명의 특징을 더욱 명확하게 설명하기 위해서, 본 발명의 특징과 관련된 구성 요소들의 동작만을 상세히 설명하고, 공지된 구성 요소 및 이들의 동작은 생략한다.
상기 인버터 제어부(13)는 양방향 스위치(11)의 개폐 동작을 제어하는 동시에, 이로 인한 양방향 스위치(11)의 도통 여부에 대한 정보를 임시 기억하고, 이 정보를 상기 전류 방향 판단부(40)에 제공한다.
상기 전류 방향 판단부(40)는,상기 전류 검출부(20)에서 검출된 출력 전류, 상기 전압 검출부(30)에서 검출된 스위치 양단 전압 및 상기 인버터 제어부(13)로부터의 정보 신호를 조합하여, 인버터 출력 전류의 방향을 판단한다.
바람직하게는, 상기 전류 방향 판단부(40)는, 상기 전류 검출부(20)에서 검출된 출력 전류 레벨이 상기 미리 결정된 범위 이외인 경우, 상기 전류 검출부(20)에서 검출된 출력 전류로부터 직접 매트릭스 컨버터(10)의 출력 전류 방향을 판단하고, 상기 전류 검출부(20)에서 검출된 출력 전류 레벨이 도 5에 도시된 상한과 하한 사이의 미리 결정된 전류 범위 이내인 경우, 상기 인버터 제어부(13)로부터 도통중인 양방향 스위치(11)에 대한 정보를 입력받아, 상기 전압 검출부(30)에서 검출된 스위치 양단 전압들 중에서 도통중인 양방향 스위치(11)의 양단 전압으로부터 매트릭스 컨버터(10)의 출력 전류 방향을 판단한다.
도 4 및 도 6을 참조하여 상기 전류 방향 판단부(40)의 동작을 상세히 설명하자면, 다음과 같다. 도 6은 매트릭스 컨버터(10)의 양방향 스위치(11) 내의 전압 관계를 도시하고 있다.
만약 출력 전류의 방향이 전원측에서 출력측으로의 방향(a → A)이라면, 도통중인 양방향 스위치(11) 내의 다이오드(DaA1)와 능동 스위치(SaA1)가 도통될 것이고, 이때 양방향 스위치(11)의 양단 전압(VAa)은 다이오드(DaA1)의 전압강하 V1(약 0.7V)와 능동 스위치(SaA1)의 전압강하 V2(적용된 소자마다 다르나, 2 내지 3V)의 합(약 2.7 내지 3.7V)이 될 것이다.
이와 반대로, 전류의 방향이 출력단에서 전원단으로의 방향(A → a)이라면, 도통중인 양방향 스위치(11) 내의 다이오드(DaA2)와 능동 스위치(SaA2)가 도통될 것이고, 이때 양방향 스위치(11)의 양단 전압은 다이오드(DaA2)의 전압강하 -V1(약 -0.7V)와 능동 스위치(SaA2)의 전압강하 -V2(약 -2 내지 -3V)의 합(약 -2.7 내지 -3.7V)이 될 것이다.
이와 같이, 도통중인 양방향 스위치의 양단 전압을 측정하면, 상기 양단 전압의 극성으로부터 출력 전류의 방향을 판단할 수 있다. 상기 양방향 스위치(11)의 양단 전압은 출력 전류와 관계없이 거의 동일하기 때문에, 매트릭스 컨버터(10)의 출력 전류가 매우 작은 경우에도 출력 전류의 방향을 정확하게 검출할 수 있다.
양방향 스위치(11)가 도통중이지 않은 경우, 즉, 양방향 스위치(11) 내의 능동 스위치 SaA1와 능동 스위치 SaA2 모두가 오프된 경우에는, 양방향 스위치(11)의 양단 전압은 입력 전압(Va)과 출력 전압(VA)의 차로 나타날 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 방법의 흐름도로서, 이에 도시된 바와 같이, 매트릭스 컨버터의 출력 전류 및 상기 컨버터 내의 양방향 스위치들의 양단 전압들을 검출하고, 도통중인 양방향 스위치를 판별하며, 상기 검출된 출력 전류와 양단 전압들, 및 상기 판별된 양방향 스위치 도통 정보를 조합하여 매트릭스 컨버터의 출력 전류를 판단한다.
바람직하게는, 출력 전류의 레벨이 도 5에 따른 전류 범위 이내인 경우, 검출된 출력 전류로부터 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향을 판단하고, 출력 전류 레벨이 상기 전류 범위 이외인 경우, 도통 중인 것으로 판별된 양방향 스위치의 양단 전압의 극성으로부터 상기 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향을 판단한다. 이에 대해서는 도 4 및 도 6을 참조하여 설명된 전류 방향 판단부(40)의 동작에 대한 설명을 참조하라.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위는 상기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되고, 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해지는 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형들이 가능하다는 것은 당업자에 자명할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따라, 출력 전류가 영전류 근처인 저전류이더라도 출력 전류의 방향을 정확하게 검출할 수 있는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치 및 방법을 제공함으로써, 스위칭 소자의 전환이 안전하게 수행될 수 있도록 한다.

Claims (4)

  1. 양방향으로 전류를 도통시키거나 차단시킬 수 있는 다수의 양방향 스위치들로 이루어진 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치에 있어서,
    상기 매트릭스 컨버터의 출력 전류를 검출하는 전류 검출부와;
    상기 양방향 스위치들의 양단 전압들을 각각 검출하는 전압 검출부와;
    상기 양방향 스위치들의 개폐 동작을 각각 제어하고, 상기 양방향 스위치들의 도통 여부를 지시하는 정보 신호를 출력하는 인버터 제어부와;
    상기 전류 검출부에서 검출된 출력 전류, 상기 전압 검출부에서 검출된 양단 전압 및 상기 인버터 제어부에서 출력된 양방향 스위치 도통 정보 신호에 따라 출력 전류의 방향을 판단하는 전류 방향 판단부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전류 방향 판단부는,
    상기 검출된 출력 전류의 레벨이 미리 결정된 전류 범위를 벗어난 경우, 상기 출력 전류로부터 전류 방향을 판단하고,
    상기 검출된 출력 전류의 레벨이 미리 결정된 전류 범위 이내인 경우, 상기 인버터 제어부로부터의 양방향 스위치 도통 정보 신호에 따라 도통중인 양방향 스위치를 판별하고, 도통중인 것으로 판별된 양방향 스위치의 양단 전압으로부터 전류 방향을 판단하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 장치.
  3. 매트릭스 컨버터의 출력 전류를 검출하는 단계와;
    매트릭스 컨버터 내의 양방향 스위치들의 양단 전압들을 검출하는 단계와;
    상기 양방향 스위치들 중에서 도통중인 양방향 스위치를 판별하는 단계와;
    상기 검출된 출력 전류, 상기 검출된 양단 전압 및 상기 판별된 양방향 스위치 정보로부터 출력 전류의 방향을 판단하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 출력 전류 방향 판단 단계는,
    상기 출력 전류의 레벨이 미리 결정된 전류 범위 이외인 경우, 상기 출력 전류로부터 상기 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향을 판단하고,
    상기 출력 전류의 레벨이 미리 결정된 전류 범위 이내인 경우, 도통중인 것으로 판별된 양방향 스위치의 양단 전압으로부터 출력 전류 방향을 판단하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 전류 방향 판단 방법.
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