KR20130035793A - Ｐｗｍ 컨버터의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PWM 컨버터의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서,
상기 PWM 컨버터의 전원 전류를 입력받아 기준 전압 신호를 생성하는 기준 전압 생성부; 상기 기준 전압 생성부로부터 생성된 기준 전압 신호를 이용하여 반전 전원 전류를 생성하는 반전 전원 전류 생성부; 및 상기 PWM 컨버터의 출력 신호인 직류 전압 신호, 상기 기준 전압 신호 및 반전 전원 전류를 이용하여 PWM 제어 신호를 출력하는 출력부를 포함하여, 입력 신호의 개수를 줄여 간단하고 저렴한 제어 장치를 제공할 수 있다.

Description

ＰＷＭ 컨버터의 제어 장치{CONTROL DEVICE OF PULSE WIDTH MODULATION CONVERTER}
본 발명의 단상 PWM 컨버터 및 단상 PWM 컨버터의 제어 방법에 관한 것으로서, 특히, 배전 계통의 스위칭 모드 전원 사용시에 포함된 고조파 성분을 제거할 수 있도록, 컨버터의 입력 구성요소를 감소하여 하드웨어 제조비용을 줄이고 PI 제어기의 스트레스를 경감시킬 수 있는 단상 PWM 컨버터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
배전 계통에서 비선형 전원을 생성하여 사용할 경우에는 고조파 전류가 발생하게 되어 전류와 전압의 위상 차이가 발생된다. 즉, 역률이 나빠지게 되어 배전 선로를 사용하는 각 수용가 측의 전류에 영향이 미치게 되므로 고조파 전류와 역률에 따른 기기의 오동작을 일으키거나 전기 요금의 증가를 가져오게 된다.
도 1a는 일반적인 단상 PWM 컨버터의 회로도를 나타낸다. 도 1a를 참조하면, 단상 PWM 컨버터는 2개의 다이오드(D1, D2) 및 스위칭 소자(S1, S2)로 구성되어, 전원 전압(Vs), 전원 전류(is) 및 직류 전압(Vdc) 값을 입력받아 스위칭 소자(S1, S2)를 제어하는 스위칭 제어 신호(S1, S2)를 출력하도록 한다. 구체적으로, 전원 전압(Vs) 및 직류 전압(Vdc)의 크기값을 이용하여 전원 전류(is)의 위상과 반대인 전류(Is*)를 생성하고, 전류(Is*)와 전원 전류(is)를 PI 제어기를 통과시켜 PWM 컨버터의 기준 전압 신호가 펄스폭 변조된Vpwm 신호를 생성한다. 이후, Vpwm 신호와 캐리어 전압(Vcar)값을 비교하여 Vpwm 신호값이 캐리어 전압(Vcar)값보다 큰 경우 스위칭 펄스(S1, S2)를 생성하도록 제어한다.
도 1b는 도 1a의 회로의 전압 및 전류의 파형을 나타낸다. 도 1b에서 나타내는 바와 같이, 전원전압(Vs)과 전원 전류(is)의 위상차이가 최소화되어 역률이 개선된 파형이 나옴을 알 수 있다. 그러나, 도 1a에서 구현된 회로도에 의해서도 전원 전압(Vs), 전원 전류(is) 및 직류 전압(Vdc)의 값 모두를 입력받아야 하기 때문에, 측정 소자로 인한 기기의 단가 상승이 초래된다.
본 발명은 측정 소자의 개수를 감소시켜 기기 단가를 감소시킬 수 있는 PWM 컨버터 및 이의 제어 방법을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 컨버터의 제어 장치는, 상기 PWM 컨버터의 전원 전류를 입력받아 상기 PWM 컨버터의 전원 전압과 동일한 단위로 구성된 기준 전압 신호를 생성하는 기준 전압 생성부; 상기 기준 전압 생성부로부터 생성된 기준 전압 신호를 이용하여 반전 전원 전류를 생성하는 반전 전원 전류 생성부; 및 상기 PWM 컨버터의 출력 신호인 직류 전압 신호, 상기 기준 전압 신호 및 반전 전원 전류를 이용하여 PWM 제어 신호를 출력하는 출력부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 컨버터의 제어 방법은, 상기 PWM 컨버터의 전원 전류를 입력받아 기준 전압 신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 기준 전압 신호를 이용하여 반전 전원 전류를 생성하는 단계; 상기 PWM 컨버터의 출력 신호인 직류 전압 신호를 검출하는 단계; 및 PWM 제어 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 입력 신호의 개수를 줄여 간단하고 저렴한 제어 장치를 제공할 수 있다.
도 1a는 일반적인 단상 PWM 컨버터 및 제어 회로의 회로도를 나타낸다.
도 1b는 도 1a의 회로의 전압 및 전류의 파형을 나타낸다.
도 2a, 2b, 2c 및 2d는 도 1a의 컨버터의 동작 모드에 따른 등가 회로를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 PWM 컨버터 및 제어 회로의 회로도를 나타낸다.
이하, 도 1a의 컨버터의 동작 모드에 대해 설명한다.
도 2a, 2b, 2c 및 2d는 도 1a의 컨버터의 동작 모드에 따른 등가 회로를 나타낸다.
도 2a는 스위칭 소자(S2)에 스위칭 신호(S2)를 인가하는 경우의 동작 모드를 나타낸다. 도 2a를 참조하면, 스위칭 소자(S2)에 스위칭 신호(S1)를 인가하는 경우, 전원 전압(Vs)에 의해 스위칭 소자(S2) 및 다이오드(D2)에 전원 전류(is)가 흐르는 폐회로가 형성되고, 로드(Load) 및 직류 커패시터(Vdc)로 구성된 폐회로가 형성됨으로써 2개의 폐회로가 독립적으로 동작한다. 전원 전압(Vs) 및 전원 전류(is)에 대한 관계는 식1과 같다.
Figure pat00001
----식1
도 2b는 스위칭 신호(S1, S2)를 인가하지 않는 경우의 동작 모드를 나타낸다. 도 2b를 참조하면 스위칭 신호(S1, S2)를 인가하지 않더라도, 다이오드(Ds1) 및 다이오드(D2)에 전원 전류(i2)가 흐르고 로드 및 직류 커패시터(Cdc)에 전압이 걸리게 되어 1개의 폐회로가 형성된다. 전원 전압(Vs) 및 전원 전류(is)에 대한 관계는 식2와 같다.
Figure pat00002
------------ 식2
도 2c는 스위칭 소자(S1)에 스위칭 신호(S1)를 인가하는 경우의 동작 모드를 나타낸다. 도 2c를 참조하면, 전원 전압(Vs)가 부(negative) 방향으로 인가되고, 스위칭 신호(S1)의 인가에 의해 전원 전류(is)가 스위칭 소자(S1) 및 다이오드(D1)에 흘러서 1개의 폐회로가 형성되고, 로드(Load) 및 직류 커패시터(Vdc)로 구성된 폐회로가 형성됨으로써 2개의 폐회로가 독립적으로 동작한다. 전원 전압(Vs) 및 전원 전류(is)에 대한 관계는 식3과 같다.
Figure pat00003
------------ 식3
도 2d는 스위칭 신호(S1, S2)를 인가하지 않는 경우의 동작 모드를 나타낸다. 도 2d를 참조하면, 전원 전압(Vs)가 부(negative) 방향으로 인가되고, 다이오드(Ds2) 및 다이오드(D1)에 전원 전류(i2)가 흐르고 로드 및 직류 커패시터(Cdc)에 전압이 걸리게 되어 1개의 폐회로가 형성된다. 전원 전압(Vs) 및 전원 전류(is)에 대한 관계는 식4와 같다.
Figure pat00004
------------ 식4
이상 식1 내지 식4를 종합하면 아래의 도 1a의 회로도는 식5 및 식6으로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
------------ 식5
Figure pat00006
------------ 식6
이상 살펴본 바와 같이, 도 1a의 회로도를 구현하기 위해서도 3개의 입력값을 측정하여야 한다. 또한, 전원단의 인덕턴스(Ls)에서 발생되는 전압 강하분 만을 고려하여 PI 제어기를 구성하기 때문에 제어의 정밀성이 떨어지고 PI 제어기에 대한 스트레스가 많아지게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상 PWM 컨버터의 회로도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, PWM 컨버터의 제어 회로(10)는 전원 전류(is)를 입력받아 기준 전압 신호(Vref)를 생성하는 기준 전압 신호 생성부(110), 컨버터 회로의 출력단의 직류 전압(Vdc)를 입력받아 반전 전원 전류 신호(is*)를 생성하는 반전 전원 전류 생성부(120), PWM 컨버터의 출력 신호인 직류 전압 신호(Vdc), 기준 전압 신호(Vref) 및 반전 전원 전류(is*)를 이용하여 PWM 제어 신호를 출력하는 출력부(130), 극성 보상기(140) 및 데드타임(dead-time) 보상기(150)를 포함할 수 있다.
기준 전압 신호 생성부(110)는, PWM 컨버터의 전원 전류(is)를 입력받아 기준 전압 신호(Vref)를 생성할 수 있다. 기준 전압 신호 생성부(110)는 미분기(sL) 및 대역 통과 필터(BPF)를 포함할 수 있다. 미분기(sL)는 전원 전류(is)를 미분하여 전원 전압과 동일한 단위(unit)이 되도록 할 수 있다. 대역 통과 필터(BPF)는 미분기로부터 출력된 전압 신호를 소정 대역을 통과시켜 기준 전압 신호(Vref)를 생성할 수 있다. 즉, 기준 전압 신호 생성부(110)를 구비함으로써, 전원 전압(Vs)를 입력받는 측정 센서를 구비하지 않고 전원 전류(is)만으로 전원 전압(Vs)에 가까운 신호를 생성할 수 있다.
반전 전원 전류 생성부(120)는, 직류 전압(Vdc)을 입력받아 반전 전원 전류 신호(is*)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 저역 통과 필터(LPF)를 통과한 직류 전압 신호(Vdc)와 직류 전압 신호와 위상이 반전된 반전 직류 전압 신호(Vdc*)를 가산하고, PI 제어기(PI2)를 통과시킨 후, 기준 전압 신호 생성부(110)에서 생성된 기준 전압 신호(Vref)를 이용하여 이들을 서로 곱연산하여 반전 전원 전류(is*)를 생성할 수 있다. 즉, 도 1에서 반전 전원 전류를 생성하는 회로와 비교하여 PI 제어기(PI2)를 추가함으로써 직류 전압 신호(Vdc)으로부터 AC 성분을 추출해낼 수 있다.
다음에, 기준 전압 신호(Vref) 와 반전 전원 전류(is*)를 가산한 신호를 출력부(130)에 입력시킬 수 있다.
출력부(130)는 기준 전압 신호(Vref) 와 전원 전류(is)를 가산한 신호를 PI 제어기에 통과시킨 후 펄스폭 변조된 전원 전압 신호로서 Vpwm 신호를 생성, 전원 전압 신호(Vpwm 신호)와 캐리어 신호(Vcar)의 크기를 비교하여 PWM 제어 신호, 즉, 스위칭 신호(S1, S2)를 생성할 수 있다.
극성 보상기(140)는 직류 전압 신호(Vdc)의 극성 에러를 보상할 수 있다.
데드타임(dead-time) 보상기(150)는 전원 전류(is)의 데드 타임을 보상할 수 있다.
출력부(130)는 극성 보상기(140)에 의해 보상된 직류 전압 신호 및 데드타임 보상기(150)에 의해 보상된 전원 전류 신호 및 생성된 기준 전압 신호(Vref)를 합산, Vpwm 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 도 3의 회로도 도 2에서와 같은 4가지 동작 모드에 따라 동작하고, 4개의 동작 모드의 관계식은 식 7 및 식8로 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
------------- 식7
Figure pat00008
-------------식8
여기서 시비율(duty cycle)을
Figure pat00009
라 하면, 식7 및 식8은 식9 및 식10과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00010
---------------식9
Figure pat00011
--------------식10
식9 및 식10을 종합하면, 식11과 같다.
Figure pat00012
----------------식11
식11을 스위칭 한 주기 Ts에 대하여 변환시키면, 식 12 내지 식15로 귀결된다.
Figure pat00013
-----------식12
Figure pat00014
------------식13
Figure pat00015
----------------식14
Figure pat00016
---------------식15
식 15에서 알 수 있듯이, 전원 전류(is) 및 직류 전압(Vdc)값만을 가지고 컨버터를 제어할 수 있는 시비율도 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 2개의 입력만으로도 PWM 컨버터를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 시비율(duty cycle)까지도 고려하여 제어할 수도 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 컨버터 제어 장치 및 PWM 컨버터의 제어 방법에 설명하였다. 본 발명에 따른 PWM 컨버터 제어 장치는 배전급 단상 PWM 컨버터 뿐만 아니라, 대용량 다이오드 및 스위칭 소자를 사용한 대용량 스위칭 전원이 필요한 송전급 전원 전류의 고조파 제거 및 역률 개선에 대해 폭넓게 적용 가능하다.
본 발명에 따른 PWM 컨버터의 제어 방법은, 컴퓨터 및 디스플레이 장치에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록 매체에 명령어 코드로서 구현, 저장되어 실행될 수 있다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (5)

  1. PWM 컨버터의 제어 장치에 있어서,
    상기 PWM 컨버터의 전원 전류를 입력받아 상기 PWM 컨버터의 전원 전압과 동일한 단위로 구성된 기준 전압 신호를 생성하는 기준 전압 생성부;
    상기 기준 전압 생성부로부터 생성된 기준 전압 신호를 이용하여 반전 전원 전류를 생성하는 반전 전원 전류 생성부; 및
    상기 PWM 컨버터의 출력 신호인 직류 전압 신호, 상기 기준 전압 신호 및 반전 전원 전류를 이용하여 PWM 제어 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 PWM 컨버터의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부는 상기 입력받은 전원 전류를 미분기 및 대역 통과 필터에 통과시킴으로써 상기 기준 전압 신호를 생성하는 PWM 컨버터의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반전 전원 전류 생성부는, 상기 직류 전압 신호 및 상기 직류 전압 신호의 반전 신호를 합한 신호를 입력받는PI 제어기를 포함하고, 상기 PI 제어기로부터 출력된 신호 및 상기 기준 전압 신호를 곱연산하여 반전 전원 전류를 생성하는 PWM 컨버터의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는 펄스폭 변조된 상기 전원 전압 신호 및 소정 캐리어 신호를 비교하여 결과를 출력하는 비교기를 포함하는 PWM 컨버터의 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원 전류의 극성 에러를 보상하는 극성 보상기 및 상기 전원 전류의 데드 타임을 보상하는 데드타임 보상기를 더 포함하는 PWM 컨버터의 제어 장치.
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KR20170112389A (ko) 2016-03-31 2017-10-12 삼성전기주식회사 무선 전력 송신 장치 및 그의 제어 방법

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