KR20070101066A

KR20070101066A - 멀티레벨 인버터 제어회로

Info

Publication number: KR20070101066A
Application number: KR1020060032532A
Authority: KR
Inventors: 오진석
Original assignee: 오진석
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-10-16

Abstract

본 발명은 멀티-레벨 인버터 시스템에 있어서 Cascade H-Bridge 방식을 이용한 주회로 인버터부에서 게이트 드라이브의 새로운 제어회로에 관한 것으로 단일 마이크로 프로세서의 PORT 레지스터를 이용한 상제어 방식을 적용하여 제어기에서 계산한 NTV의 듀티사이클에 따라 상의 전압값을 설정하기가 용이하고 12비트로 구성된 정수형 변수가 상의 출력전압과 대응하도록 구성되었다. 또한 3개의 단상 풀브리지 인버터로 구성된 7레벨 인버터에서 사용하는 12개의 게이트 드라이브 회로를 마이크로프로세서와 동일한 단일의 기판으로 설치하여 게이트 드라이브 구동에 있어서의 노이즈의 유입을 최소화 하였으며, 게이트 드라이브 소자의 구동용 전원을 기준전위가 같은 회로끼리 통합함으로써 게이트드라이브 구동용 전원을 공급하기 위한 트랜스포머, 정류다이오드 및 평활콘덴서의 수량을 감소하도록 구성하였다.

멀티레벨 인버터, Cascade H-Bridge 방식, 단일마이크로 프로세서의 PORT 레지스터, 정수형 변수, 게이트 드라이브

Description

멀티레벨 인버터 제어회로{Control Circuit for Multi-level Inverter}

제 1도는 Cascade H-bridge 형태의 인버터에서 스위칭을 통한 출력파형

제 2도는 스위칭소자에 대한 게이트 드라이브 회로

제 3도는 단일프로세서를 이용한 집중 상제어방식의 다이어그램

제 4도는 게이트 드라이브의 구동용 전원 구성

본 발명은 DC전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터 장치에 있어서 스위칭 동작특성을 효과적으로 개선할 수 있는 Cascade H-브리지 방식을 이용한 멀티레벨 인버터의 제어회로에 관한 것이다. 멀티레벨 인버터에 있어서 핵심기술은 높은 출력의 스텝펄스형 출력을 정현파에 가깝도록 변조기법을 적용함과 동시에 이를 실현할 수 있는 스위칭 소자의 구동을 하드웨어 및 소프트웨어적으로 안정되게 구성하여 양질의 출력을 파형을 얻는데 있다.

종래의 H-브리지형 멀티레벨 인버터는 4개의 스위치 소자로 구성된 단상 풀브리지 인버터 1개에 대하여 하나씩의 마이크로 프로세서또는 디지털 시그널 프로세서를 할당하여 각 셀의 동작을 제어하도록 하고 있다. 그리고 제어회로가 각 셀마다 분리되어 있어 상위 제어기에서 각 셀을 제어하기 위한 통신선로가 각 셀마다 설치하여야 하므로 회로구성이 복잡해지고 노이즈의 유입으로 인해 일부 셀의 오작동을 유발할 수 있는 원인이 되고 있다. 또한 스위치 소자의 수가 많은 멀티레벨 인버터에서는 게이트 드라이브 회로 구성 또한 복잡해지고 게이트 드라이브를 구성하기 위한 소자의 수가 급격히 많아지는 문제가 있으므로 필요한 소자의 수량을 감소시키기 위한 설계가 필요하다.

따라서 본 발명은 멀티레벨 인버터의 구성에 있어서 핵심이 되는 주회로 인버터부의 스위칭 동작을 간편하고 신속하게 하며, 여려 개의 셀 인버터로 구성된 H-브리지형 멀티레벨 인버터의 게이트 드라이브 회로를 최대한 단순화하고 필요한 소자의 수량을 감소시키는데 있다.

도1, 도2, 도3은 Cascade H-bridge 형태의 멀티레벨 인버터의 제어회로를 나타낸다. 도1에서 12개의 스위칭 소자의 작동을 통해 7-level을 구현한다.

도2, 도3과 같이 스위칭소자를 구동하기 위한 드라이브 소자와 이러한 드라이브 소자를 제어하기위한 마이크로프로세서 그리고 게이트 드라이브 소자의 구동을 위한 전원으로 구성되어있으며 이들은 각기 독립되어야 한다. 이러한 게이트 드라이브 전원은 소형 변압기의 탭을 이용해서 구한다. 도1에서 만일 스위치 소자 S1과 스위치 소자 S2를 구동하기위해 게이트 드라이브에 동일 전원을 이용한다고 가정하고, 스위치 소자 S1을 턴 온 시키기 위해서 마이크로 프로세서의 신호를 스위치 S1 게이트드라이브에 가했을 경우 스위치 S1은 턴온되고 이때 Vdc가 스위치 S2의 그라운드 선을 통해 Vdc의 그라운드로 흐르게 되고 결국 쇼트 상태가 된다. 따라서 이들은 각기 독립되어야 하나 기준전위가 동일한 소자별로 통합하여 동일한 전원을 사용하도록 하면 게이트 드라이브를 구동하기 위해 필요한 독립된 전원의 수와 이를 생성하기 위해 필요한 트랜스포머의 탭, 다이오드 정류기, 평활용 콘덴서 등의 수량을 감소시킬 수 있다.

7레벨 H-브리지 인버터를 구성하는 세 개의 셀 인버터를 제어하기 위한 12의 게이트 드라이브 회로를 단일 기판으로 집중하는 방식으로 구성하고 그 제어를 마이크로프로세서의 포트레지스터를 이용하여 구동함으로써 제어동작을 신속하게 할 수 있고, 상위 제어기와의 통신선을 단일 회선으로 할 수 있으므로 통신에러로 인한 인버터의 오작동을 감소시킬 수 있다. 도2는 스위칭 소자에 대한 게이트 드라이브 회로의 모습이며 도3은 포트 레지스터로 구동되는 스위칭 벡터와 극전압(pole voltage)를 나타낸다.

도2에서 TLP250은 IGBT의 게이트를 구동하고 스위칭 단에서 생기는 전기적 노이즈와 고전압을 opto-coupler 형태로 차단하며 인버터의 각 스위치마다 하나씩의 TLP250과 주변회로를 필요로 한다. 도4는 단일 마이크로프로세서의 I/O포트를 이용하여 구동하는 12개의 게이트드라이브 회로로 구성된 단일 기판의 구성도를 나타낸다. 도2에서 스위칭 전원은 트랜스를 통하여 정류회로를 거쳐 20V로 공급되는데 여기서 확실한 스위칭 동작을 위하여 스위칭 소자로 이용된 IGBT의 Gate-Source간의 전위를 -3.7V ~ 16V로 만들어 준다. 제너 다이오드(zd)와 다이오드(d)를 이용한 전압강하를 통하여 Gate-Source간의 전위를 -3.7V ~ 16V 생성하고 이를 안정화 하기 위해 콘덴서(c)를 설치한다. 위와 같은 Gate-Source간의 전압범위를 통해 스위칭 소자에 보다 명확한 신호를 전달하고 오동작을 방지할 수 있다. 그리고 구성에서 언급하였듯이 상 제어를 위해 사용된 12개의 스위칭 소자는 기준전위가 동일한 소자들끼리 동일한 전원을 이용할 수 있고 기준전위가 동일한 소자의 게이팅에는 표 1과 같은 공통된 전원을 사용하여 회로를 단순화하고 부품의 수를 감소할 수 있다. 따라서 12개의 스위치를 구동하는 스위칭 소스전원은 모두 7개가 사용된다.

또한 게이트 드라이브를 통한 상제어를 위해서 마이크로 프로세서가 이용하여 도4와 같이 단일 마이크로 프로세서의 포트 레지스터의 출력값을 통하여 12비트로 구성된 정수형 변수가 상의 출력전압과 대응하도록 구성되어 스위칭 동작의 제어가 용이하고 게이트 회로의 쇼트를 방지하기 위한 데드타임의 설정 또한 AND연산을 통하여 신속하게 처리할 수 있다.

Claims

opto-coupler 형태의 게이트 드라이브를 이용하는 스위칭 회로를 포함하는 멀티레벨 인버터의 제어회로
멀티레벨 인버터의 하나의 상을 구동하기 위한 다수의 게이트 드라이브 회로를 단일 기판으로 집중하고 게이트 드라이브의 수와 동일한 비트수를 갖는 마이크로프로세서의 포트레지스터를 이용하여 레지스터의 정수형 변수가 상의 출력전압과 대응하도록 구성된 멀티레벨 인버터 제어회로
상 제어를 위해 사용된 스위칭 소자를 기준전위가 동일한 소자들끼리 공통된 전원을 사용하여 회로를 단순화하고 부품의 수를 감소한 멀티레벨 인버터 제어회로