KR20130110287A - 다중레벨 인버터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

다중레벨 인버터 제어장치가 개시된다. 복수의 단상인버터로 각각 위상이 지연된 복수의 기준파를 전송하면, 셀제어부에서는 복수의 기준파 중 어느 하나를 수신하여 삼각파와 비교하여 펄스폭제어(PWM) 제어신호를 생성한다. 본 발명에 의하면, 저성능의 셀제어부를 사용할 수 있으므로, 인버터를 구성하는 비용을 절감할 수 있다.

Description

다중레벨 인버터 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING MULTILEVEL INVERTER}
본 발명은 인버터 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중레벨 인버터를 제어하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 고압/대용량의 인버터를 쓰기 위해서는 소자의 한계로 인해 3상 인버터로는 한계가 있다. 이를 해결 하기 위하여 다중레벨형태의 인버터 토폴로지들이 많이 개발되어 있다.
직렬연결 H브릿지 인버터(Cascaded H-Bridge Inverter)는 복수의 단상인버터('셀(cell)'이라고 한다)를 직렬로 연결하여 삼상전압을 출력하는 것으로서, 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있고, 정현파에 가까운 출력전압 파형을 얻을 수 있는 다중레벨 인버터 토폴로지이다.
도 1은 종래의 직렬연결 H브릿지 인버터의 구성도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 복수의 셀(U1~U6, V1~V6 또는 W1~W6)이 직렬로 연결되어 단상의 전압을 출력하며, 삼상전압을 출력하도록 직렬로 연결된 셀이 세개의 그룹(U, V, W)으로 존재한다.
또한, 직렬연결 H브릿지 인버터는 주제어부(10)를 구비하여, 통신을 이용하여 각 셀의 셀제어부에 기준파를 전송한다.
도면에서는, 편의상 W 그룹의 셀에 주제어부(10)가 연결되어 있는 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, U 그룹 및 V 그룹의 각 셀과도 주제어부(10)가 연결되는 것임은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 사항이다.
도 2는 도 1의 셀의 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 직렬연결 H브릿지 인버터의 셀은, 인가되는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(11), 직류링크부(12) 및 셀제어부(14)의 제어에 의해 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부(13) 및 주제어부(10)에 의해 인가되는 기준파를 참조로, 인버터부(13)의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; 'PWM'이라 함) 제어를 수행하는 셀제어부(14)로 구성된다.
위와 같이, 일반적인 직렬연결 H브릿지 인버터는, 복수의 셀은 각각 셀제어부(14)를 구비하고, 직렬연결 H브릿지 인버터는 각 셀에 기준파를 전송하는 주제어부(10)를 구비한다.
셀제어부(14)는 각 셀의 출력전압을 결정하고, 각 셀을 보호한다. 또한, 주 제어부(10)와 통신하며 PWM 제어신호를 동기화한다. 또한, 셀제어부(14)는 삼각파 파형을 생성하는데, 다중레벨의 출력전압을 생성하기 위해, 셀제어부(14)는 각 셀의 삼각파를 위상지연한다. 이와 같이 셀제어부(14)는 다양한 기능을 수행하여야 하므로, 종래의 셀제어부(14)는 고사양의 고성능 칩으로 구성되는 것이 일반적이다.
도 3은 주제어부와 셀제어부의 PWM 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 주제어부(10)에서 생성된 기준파(A)가 통신을 통해 각 셀로 전송되면, 셀제어부(14)는 셀제어부(14)가 각각 생성한 삼각파(B1~B6)를 기준파(A)와 비교하여 인버터부(13)로 출력하여 PWM 제어를 수행한다. 즉, 도 1의 셀 W1의 셀제어부(14)는 B1 삼각파를 기준파(A)와 비교하여 PWM 제어를 수행하고, 셀 W2의 셀제어부(14)는 B2 삼각파를 기준파(A)와 비교하여 PWM 제어를 수행한다.
각 셀의 인버터부(13)는 각 셀제어부(14)의 제어에 의해, 결과적으로 다중레벨의 전압파형을 출력한다.
직렬형 H브릿지 인버터에서, 각 셀의 동기화와 셀제어부(14)가 출력하는 삼각파의 위상지연은 필수적이다(도면의 B1 내지 B6는 위상이 각각 지연되어 있음을 알 수 있다).
즉, 각 셀의 셀제어부(14)는 주제어부(10)에서 수신하는 기준파(A)를 삼각파(B1~B6)와 비교하여 PWM 제어신호를 출력하게 된다. 이때, 각 삼각파의 동기화 및 위상지연이 정확히 제어되어야 한다.
도 4는 주제어부의 기준파와 셀제어부의 삼각파의 관계를 나타내는 그래프이다. 각 셀제어부(14)는 기준파(A)에 대하여, 각각의 삼각파를 동기화하고 위상을 지연하여(B1~B5) 출력하여야 한다.
또한, 이와 같은 동기화와 위상지연 외에, 셀제어부(14)는 각 셀의 보호동작 등을 수행한다.
즉, 이상과 같이 셀제어부(14)가 처리할 정보량이 많아 고성능의 고가의 칩으로 구현할 수밖에 없으므로, 하나의 시스템을 구성하는데 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 주제어부에서 기준파를 위상지연하여 복수의 셀의 셀제어부로 각각 전송함으로써, 각 셀제어부의 제어량을 경감하는 다중레벨 인버터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 복수의 단상인버터를 포함하는 다중레벨 인버터를 제어하는 본 발명의 장치는, 상기 복수의 단상인버터로 각각 위상이 지연된 복수의 기준파를 전송하는 주제어부; 및 상기 복수의 단상인버터에 각각 제공되며, 상기 복수의 기준파 중 어느 하나를 수신하여 삼각파와 비교하여 펄스폭제어(PWM) 제어신호를 생성하는 복수의 셀제어부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 복수의 셀제어부는, 삼각파를 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 복수의 셀제어부는, 삼각파를 동기화하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 복수의 단상인버터를 포함하는 다중레벨 인버터에서 상기 단상인버터를 제어하는 본 발명의 장치는, 상기 다중레벨 인버터의 주제어부로부터 수신되는 기준파를 수신하여, 삼각파와 비교하여 PWM 제어신호를 생성하는 셀제어부; 및 상기 PWM 제어신호에 따라 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터부를 포함하며, 상기 복수의 단상인버터가 수신하는 기준파는 각각의 위상이 서로 다른 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 셀제어부는, 삼각파를 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 셀제어부는, 상기 복수의 단상인버터의 다른 셀제어부가 생성하는 삼각파와 자신이 생성하는 삼각파를 동기화하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, 각 셀의 셀제어부에서 삼각파의 동기화만을 수행하고 위상지연은 주제어부에서 수행하여, 저성능의 셀제어부를 사용할 수 있으므로, 전체적인 비용을 줄이도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 직렬연결 H브릿지 인버터의 구성도이다.
도 2는 도 1의 셀의 상세 구성도이다.
도 3은 주제어부와 셀제어부의 PWM 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 주제어부의 기준파와 셀제어부의 삼각파의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다중레벨 인버터 제어장치에서 주제어부와 셀제어부의 PWM제어를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 주제어부가 생성하는 기준파와 셀제어부가 생성하는 삼각파의 관계를 나타내는 일실시예 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 제어되는 인버터의 전압파형을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 다중레벨 인버터 제어장치에서 주제어부와 셀제어부의 PWM제어를 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명의 구성은, 도 1 및 도 2와 다르지 않으며, 주제어부(10)는 도 1과 같이 전체 인버터 시스템을 제어하는 것으로서, 다중레벨 인버터 시스템(예를 들어, 직렬연결 H브릿지 인버터)의 복수의 셀에 각각 위상지연된 기준파를 전송한다.
즉, 본 발명의 주제어부(10)는 동일한 기준파를 각 셀에 동일하게 전송하던 종래기술과 달리, 각 셀별로 서로 다르게 위상지연된 기준파를 각 셀제어부(14)에 전송하는 것이다.
본 발명의 셀제어부(14)는 도 2와 같이 각 단상인버터(셀)의 내부에 구비되는 것으로서, 주제어부(10)로부터 각각 위상지연된 기준파를 수신한다. 셀제어부(14)는 삼각파를 동기화하여 출력한다.
즉, 본 발명에서 복수의 셀제어부(14)가 출력하는 삼각파는, 위상지연이 요구되지 않으며, 동기화만을 요구한다. 이에 의해, 종래에 동기화 및 위상지연을 요구하던 것에 비해 상당히 제어량이 줄어들게 된다.
도 5를 참조로 하면, 주제어기(10)는 각 셀제어부(14)로 각 셀별로 위상지연된 기준파(A1~A6)를 전송하고, 셀제어부(14)는 삼각파(B)와 비교하여 인버터부(13)로 PWM 제어신호를 송출하게 된다. 도 5에서는, 각 기준파(A1~A6)가 소정 위상만큼 각각 지연되어 있음을 알 수 있다.
PWM 제어신호의 생성에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이므로, 상세한 설명은 생략한다. 또한, PWM 제어신호를 수신한 복수의 인버터부(13)는 인가되는 직류전압을 PWM 제어신호에 의해 교류전압으로 변환하여 출력한다.
도 5에서는 인버터부(13)만을 도시하고, 셀제어부(14)와 주제어부(10)를 생략하였으나, 이는 편의상 설명을 위한 것으로서, 이에 한정되는 것이 아니며, 셀제어부(14)와 주제어부(10)는 통신을 통하여 각각 연결되는 것임을 부각하여 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 주제어부가 생성하는 기준파와 셀제어부가 생성하는 삼각파의 관계를 나타내는 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주제어부(10)는 각 셀별로 위상지연된 기준파(A1~A6)를 통신을 이용하여 전송하고, 각 셀제어부(14)는 각각 삼각파(B)를 생성하여, 수신한 기준파와 삼각파(B)를 비교하여 PWM 제어신호를 생성하게 된다.
도 5 및 도 6에서는 편의상 6개의 단상인버터(셀)이 직렬연결된 경우(즉, 주제어부(10)가 6개의 위상이 서로 다른 기준파를 생성함)를 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 출력전압의 레벨에 따라 더 많거나 또는 더 적은 수의 단상인버터(셀)이 직렬연결될 수 있을 것임은 자명하다.
도 7은 본 발명에 따라 제어되는 인버터의 전압파형을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주제어부(10)가 생성한 위상이 서로 다른 기준파(A1~A6)를 수신하여, 셀제어부(14)는 동기화된 삼각파(B)를 각각 비교하여 PWM 제어를 수행함으로써, 다중레벨의 전압파형을 출력할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제어장치에 의해, 종래에는 직렬연결 H브릿지 인버터에 고성능의 셀제어부가 복수개 사용되어 시스템의 비용이 높아지는 문제점이 있었으나, 본 발명에 의하면, 셀제어부에서 삼각파의 동기화만을 수행하고 위상지연은 주제어부에서 수행하여, 저성능의 셀제어부를 사용할 수 있어 전체적인 비용을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 주제어부 11: 정류부
12: 직류링크부 13: 인버터부
14: 셀제어부

Claims (6)

  1. 복수의 단상인버터를 포함하는 다중레벨 인버터를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 복수의 단상인버터로 각각 위상이 지연된 복수의 기준파를 전송하는 주제어부; 및
    상기 복수의 단상인버터에 각각 제공되며, 상기 복수의 기준파 중 어느 하나를 수신하여 삼각파와 비교하여 펄스폭제어(PWM) 제어신호를 생성하는 복수의 셀제어부를 포함하는 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 셀제어부는,
    삼각파를 생성하는 제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 셀제어부는,
    삼각파를 동기화하는 제어장치.
  4. 복수의 단상인버터를 포함하는 다중레벨 인버터에서 상기 단상인버터를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 다중레벨 인버터의 주제어부로부터 수신되는 기준파를 수신하여, 삼각파와 비교하여 PWM 제어신호를 생성하는 셀제어부; 및
    상기 PWM 제어신호에 따라 직류전압을 교류전압으로 변환하여 출력하는 인버터부를 포함하며,
    상기 복수의 단상인버터가 수신하는 기준파는 각각의 위상이 서로 다른 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 셀제어부는,
    삼각파를 생성하는 제어장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 셀제어부는,
    상기 복수의 단상인버터의 다른 셀제어부가 생성하는 삼각파와 자신이 생성하는 삼각파를 동기화하는 제어장치.

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