KR20180024952A - 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치 - Google Patents

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KR20180024952A
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Abstract

실시예들은, 입력 전력을 수신하여, 부하에 출력 전력을 인가하는 컨버터부 및 상기 컨버터부의 출력 전력을 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 출력 전력은 적어도 두 종류의 펄스가 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치에 관련된다.

Description

변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치{POWER CONVERSION DEVICE USING MODULATED GATE PULSE}
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 부하의 전 영역에서 효율이 최적화되도록 전력변환기를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 전력 변환기의 개념을 설명하기 위한 도이다. 일반적으로 전력 변환기(power converter)는 제어를 통해 입력 전원으로부터 받은 전력을 부하가 요구하는 전력 형태로 가공하는 역할을 한다.
이때 전력 변환기의 효율 n = Pload(부하전력)/Pin(입력전력)으로 정의된다. 전기 에너지 변환 시스템에 있어 최대 효율 운전을 하는 경우 부하의 크기에 따라 효율이 최대가 되도록 운전 조건을 정하게 된다.
예를 들어 전력 변환기의 출력이 전류에 비례하는 함수인 시스템에 있어서 출력의 크기는 Po=Plaod=KI로 나타낼 수 있다. 여기서 K는 비례 상수이고 I는 출력에 관계된 변수로서 전동기 구동 시스템의 경우 전동기 전류나 토크 (torque)를 의미하고 DC-DC 변환기의 경우에는 출력 전류이다.
도 1을 참조하면, 전력 변환기의 출력(즉, I)은 시비율 (duty ratio)이나 스위칭 주파수 (switching frequency)와 같은 제어 변수에 의해 조절될 수 있다. 이때 단순히 손실 (Ploss) 부하의 제곱에 비례하는 시스템의 효율은 아래 수학식 1과 같이 쓸 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, Ploss=Re I2이다.
도 2 내지 도 4는 부하에 따른 전력변환기의 효율을 나타내는 그래프이다. 수학식 1에서 Re는 등가 저항을 나타낸다. 따라서 K와 Re가 일정할 때 효율은 도 2와 같다. 도 2를 참조하면 부하의 크기에 따라 효율이 단조 감소하는 형태를 띤다. 따라서 여러 조건(전동기 구동 시스템의 경우 속도나 직류단 전압, DC-DC 변환기의 경우 입력 전압이나 출력 전압)에 따라서 I를 최소가 되도록 선택하여 제어하는 것이 손실을 최소화하고 효율을 최대로 할 수 있다.
그러나 일반적인 시스템의 효율은 부하의 크기에 따라서 단조 감소하지 않고 도 3a에서와 같이 특정 부하에서 효율이 최대가 된다. 경부하에서도 고정적인 손실이 존재하기 때문에 최대 효율점의 부하일 때를 기준으로 부하의 크기가 작을수록 효율이 떨어지고, 최대 효율점의 부하보다 커지는 경우에는 부하의 제곱에 비례하는 손실이 발생되어 효율이 저하된다. 도 3b에서와 같이 손실 P_loss는 부하 또는 출력에 관계된 변수인 I에 대해 비선형성을 나타내거나 단순히 비례하지 않는다. 따라서 이전의 경우와는 달리 I가 최소가 되도록 제어하는 것과 같이 간단한 방법으로써 넓은 부하 조건에서 최적 효율을 얻을 수 없는 문제가 있다.
특허공개공보 제10-2015-0091419호
위와 같은 문제를 해결하기 위해서, 다양한 부하 조건에서 최적을 효율을 얻기 위한 전력변환지 제어방식이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치는 입력 전력을 수신하여, 부하에 출력 전력을 인가하는 컨버터부 및 상기 컨버터부의 출력 전력을 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 출력 전력은 적어도 두 종류의 펄스가 결합된 형태일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어기는, 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량을 산출하는 출력 전력량 산출부, 산출된 출력 전력량 및 입력 전력을 기초로 제1 펄스 전력Po1을 생성하는 제1 펄스전력 생성기, 산출된 출력 전력량을 기초로 상기 제1 펄스전력과 다른 주기를 갖는 제2 펄스전력을 생성하는 제2 펄스전력 생성기 및 상기 제1 펄스전력 및 제2 펄스전력을 기초로 상기 출력 전력을 생성하는 출력 전력 생성부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 펄스 전력은, 출력 전력Po이 부하 전력보다 큰 제1 전력값을 갖는 제1 구간 및 출력 전력이 상기 부하 전력보다 작은 제2 전력값을 갖는 제2 구간을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 펄스 전력의 주파수는, 상기 제2 펄스 전력의 주파수는, 최소 주파수와 최대 주파수 사이이거나 모든 부하 전력에 대하여 동일한 출력 전압 맥동을 갖도록 조절되며, 상기 최소 주파수는, 20kHz 이상 또는 제2 펄스전력 생성기내에 포함되는 제어기의 대역폭의 5배수 이상이고, 상기 최대 주파수는, 상기 제1 펄스 전력의 주파수의 10배수 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 펄스 전력의 주파수는, 상기 제1 펄스 전력의 주파수, 부하 전력 및 상기 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량을 기초로 결정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 펄스 전력의 주파수는, 아래 식에 의해 결정될 수 있다.
f2=(Pload/PM)(f1/N) 여기서, Pload는 부하 전력, PM은 상기 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량, f1은 상기 제1 펄스전력의 주파수, N은 비례 정수, f2는 제2 펄스전력의 주파수
일 실시예에 있어서, 상기 제2 펄스전력의 제1 구간은, 상기 제1 펄스전력의 주기의 N배일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 펄스전력의 주파수는 2.4kHz 내지 150kHz일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 소정의 부하 효율은 최대 부하 효율이고, 상기 소정의 부하 효율에서의 출력 전력은 상기 제1 전력값과 동일할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 전력값은 0일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 펄스전력의 제1 구간에서 상기 출력 전력이 과도 상태 구간을 포함하도록, 상기 제1 펄스전력의 주파수는, 상기 제1 구간에 대응되는 구간에서 가변적일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 부하가 DC부하인 경우, 상기 제1 펄스전력 생성기는, 입력 전력, 현재 부하로 출력되는 출력 전력, 출력 전류 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 듀티비 지령을 생성하고, 생성된 듀티비 지령을 기초로 상기 제1 펄스전력을 생성하고, 상기 제2 펄스전력 생성기는, 상기 입력 전력, 현재 출력되는 출력 전력, 출력 전류, 출력 전압 지령 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 상기 제2 펄스를 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 부하가 전동기인 경우, 상기 제1 펄스전력 생성기는, 입력 전력, 현재 전동기에서 출력되는 토크, 속도 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 전력 지령을 생성하고, 생성된 전력 지령을 기초로 상기 제1 펄스를 생성하고, 상기 제2 펄스전력 생성기는 상기 입력 전력, 현재 전동기에서 출력되는 출력되는 토크, 속도 및 출력 속도 지령 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 상기 제2 펄스를 생성할 수 있다.
본 발명은 효율이 특정 부하에서 최대인 시스템에서 최대 효율점보다 작은 부하 범위에서는 일정 시간 동안 최대 효율점에 해당하는 전력을 출력하고 다음 일정 시간 동안은 손실이 거의 없는 출력을 내도록 전력 변환기를 제어할 수 있다.
이와 같이 전력 변환기를 제어함에 있어서 최대 효율점에서의 출력과 손실이 거의 없는 출력을 내는 시간의 비율을 변조하고, 각 구간에서 정해진 출력 전력을 낼 수 있도록 전력 변환기의 게이트 펄스를 변조할 수 있다. 이에 따라서 최대 효율점보다 작은 부하 범위에서도 최대 효율 수준으로 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 부하-시스템 효율 관계 그래프이다. 도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환기 제어에 따라서 경부하(A지점에서 B지점 사이)에서의 효율이 향상됨을 알 수 있다.
도 1은 일반적인 전력 변환기의 개념을 설명하기 위한 도이다
도 2 내지 도 4는 부하에 따른 전력변환기의 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치(1000)의 블록도이고, 도 6은 일 실시예에 따른 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치(1000)의 제어기(100)의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 펄스전력(Po1)의 파형이다.
도 8은 일 실시예에 따른 제2 펄스전력(Po2)의 한 주기 파형을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전력(Po)의 예시를 나타낸다.
도 10은 도 9의 출력전력을 구체화하여 표시된 도이다.
도 11은 제1 구간 및 제2 구간의 범위를 정하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 순서도이다.
도 12a 및 도 12b는 부하에 따른 제2 펄스전력 생성기(140)의 출력 전력(Po2)의 주파수(f2) 변화를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라서 과도구간을 갖는 출력전력을 생성하기 위한 전력파형을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부하가 DC 부하인 경우, 제어기(100)의 블록도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부하가 전동기인 경우, 제어기(100)의 블록도를 나타낸다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 명세서를 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 의도된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 원칙적으로 첨부한 청구항들에 정해지고, 청구항들에 기재된 것 및 그와 균등한 범위의 가능한 실시 예들을 포괄한다. 유사한 참조부호가 도면들에서 사용되는 경우, 유사한 참조부호는 여러 실시 예들에 대해서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치(1000)의 블록도이고, 도 6은 일 실시예에 따른 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치(1000)의 제어기(100)의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치(1000)는 입력 전력(Pin)을 수신하여, 부하(2000)에 출력 전력(Po)을 인가하는 컨버터부(200) 및 컨버터부(100)의 출력 전력(Po)을 제어하는 제어기(100)를 포함한다. 제어기(100)는 컨버터부(100)의 게이트 펄스를 변조하여 출력 전력(Po)를 제어할 수 있다. 제어기(100)의 제어에 의해 컨버터부(100)에서 출력되는 적어도 두 종류의 펄스가 결합된 형태일 수 있다. 즉 변조된 게이트 펄스의 형태는 적어도 두 종류의 펄스가 결합된 형태일 수 있다.
일 예에서 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치(1000)는 컨버터 또는 인버터에 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제어기(100)는 출력 전력량 산출부(110), 제1 펄스전력 생성기(120), 제2 펄스전력 생성기(130) 및 출력 전력 생성기(140)를 포함할 수 있다.
출력 전력량 산출부(110)는 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량(PM)을 산출할 수 있다. 일 실시예에서 출력 전력량 산출부(110)는 전력변환장치(1000)의 효율이 최대가 되는 출력 조건을 계산할 수 있다.
예컨대 부하가 전동기인 경우, 출력 전력량 산출부(110)는 전동기의 속도 (wrm), 입력 직류단 전압(Vin), 전동기 제정수(parameter)등의 조건을 결정할 수 있다. 부하가 DC 부하인 경우, 출력 전력량 산출부(110)는 입력 전압 (Vin) 및 출력 전압(Vo)의 조건을 결정할 수 있다.
따라서 부하가 전동기인 경우, 산출되는 출력 전력량(PM)은 전동기의 속도와 입력 직류단 전압값으로 구성될 수 있고, 부하가 DC 부하인 경우, 입력 전압과 출력 전압으로 구성될 수 있다.
제1 펄스전력 생성기(120)는 산출된 출력 전력량(PM) 및 입력 전력(Pin)을 기초로 제1 펄스 전력(Po1)을 생성할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 펄스전력(Po1)의 파형이다. 도 7을 참조하면, 제1 펄스전력(Po1)의 진폭은 단위 진폭(크기가 1)일 수 있으며, 주파수(즉, 주기)가 가변적으로 변할 수 있다.
제1 펄스전력 생성기(120)는 제1 펄스전력(Po1)의 진폭 및 주기는 아래의 방식으로 결정할 수 있다.
예컨대 제1 펄스전력 생성기(120)는 제1펄스전력(Po1)의 진폭은 출력 전력이 T21 시간동안 PM의 진폭을 출력하도록 제2펄스전력(Po2)의 진폭에 따라 결정될 수 있다.
제1 펄스전력의 주기(T1)는 전력 변환 장치의 스위칭 주파수로서, 스위칭 소자 (IGBT, MOSFET 등)의 성능, 스위칭 손실, 가청 소음 등을 고려하여 정해질 수 있다. 일 예에서 전동기 구동 시스템의 경우 흔히 IGBT를 사용하므로, 손실과 가청 소음을 고려해 주기(T1)은 20 kHz 일 수 있다. DC-DC 변환기의 경우는 전력 밀도와 스위칭 손실이 주요하게 결정하는데 스위칭 주파수가 높을수록 전력밀도가 높아지지만, 반대급부로 스위칭 손실이 증가할 수 있다. 따라서 이러한 점을 고려하여 제1 펄스전력의 주기(T1)가 결정될 수 있다.
제2 펄스전력 생성기(130)는 산출된 출력 전력량(PM)을 기초로 상기 제1 펄스전력과 다른 주기를 갖는 제2 펄스전력(Po2)을 생성할 수 있다. 도 8은 일 실시예에 따른 제2 펄스전력(Po2)의 한 주기 파형을 나타낸다. 일 실시예에서, 제2 펄스전력(Po2)은 적어도 두 구간으로 구분될 수 있다.
제1 펄스전력 및 제2 펄스전력은 스텝파일 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면 제2 펄스전력(Po2)의 한 주기(T2)는 출력 전력(Po)이 부하전력(Pload)보다 큰 제1 전력값(PB)을 갖는 제1 구간(T21) 및 출력 전력(Po)이 부하 전력(Pload)보다 작은 제2 전력값(PA)을 갖는 제2 구간(T22)을 가질 수 있다. 출력 전력(Po)의 평균값은 부하 전력(Pload)과 동일해야 하므로, T21은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
일 실시예에서 제1 구간의 전력값(PB)은 산출된 출력 전력량(PM)일 수 있으며, 제2 구간의 전력값(PA)는 0일 수 있다.
또한 제2 펄스전력(Po2)의 주파수는 최소 주파수(fmin)와 최대 주파수(fmax)의 범위 내일 수 있다.
최소 주파수(fmin)는 응용 분야에 따라 (가청 소음이 민감한 응용 분야-예를 들어 휴대용 전자기기들-의 경우) 가청 소음 (20 Hz -20 kHz)을 고려하여 20 kHz 이상으로 설정될 수 있다.
또는, 최소 주파수(fmin)는 제 2펄스전력 생성기(130) 내의 제어기 (속도 제어기 또는 DC 부하의 전압 제어기)의 대역폭(bandwidth) (보통은 수십 Hz)에 따라서 대역폭 주파수의 5~6배 이상으로 설정될 수 있다.
최대 주파수(fmax)는 제1 펄스전력의 주파수 f1보다는 작으며, 예컨대 f1의 1/10배 이하일 수 있다.
또한 일 예에서 최소-최대 주파수 범위(fmin~fmax)는 기계적인 진동, 소음을 피하기 위해 전력시스템의 공진 주파수의 5~6배 이상으로 설정될 수도 있다.
또 다른 일 실시예에서, 제2 펄스전력(Po2)의 주파수는 모든 부하 전력(Pload) 범위에 대해서 출력 전압 맥동의 크기가 같도록 조정될 수 있다. 특히, 부하가 DC 부하인 경우 제2 펄스전력의 주기(T2)가 아래 수학식 3에 따라 변화하면 부하 전력에 대해 같은 출력 전압 맥동을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
출력 전력 생성기(140)는 제1 펄스전력(Po1) 및 제2 펄스전력(Po2)을 기초로 출력 전력(Po)을 생성할 수 있다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전력(Po)의 예시를 나타낸다. 일 예에서 출력 전력은 제1 펄스전력과 제2 펄스전력의 곱으로 표현될 수 있다.
도 9를 참조하면, 출력전력의 한 주기는 제2 펄스전력의 제1구간과 제2구간으로 구분될 수 있으며, 제1 구간에서는 제1펄스 전력의 주파수를 갖는 펄스가 포함될 수 있다.
도 10은 도 9의 출력전력을 구체화하여 표시된 도이다. 도 10을 참조하면, 출력전력은 주기 T2를 가지며, 펄스가 소정값을 갖는 제1 구간(T21)과 펄스가 다른 소정값(예컨대 0)을 갖는 제2 구간(T22)으로 구성된다. 제1 구간(T21)에 포함되는 펄스의 주기는 제1 펄스전력의 주기(T1)일 수 있다.
이하에서는 제2 펄스전력 생성기(130)가 생성하는 제2 펄스전력(Po2)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
일 실시예에서 제2 펄스전력 생성기(130)는 제1 펄스 전력(Po1)의 주파수, 부하 전력(Pload) 및 상기 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량(PM)을 기초로 제2 펄스 전력(Po2)의 주파수를 결정할 수 있다. 예컨대, 제2 펄스전력 생성기(130)는 아래의 수학식4를 이용하여 제2 펄스전력의 주파수(즉, 주기 T2)를 결정할 수 있다.
[수학식 4]
f2=(Pload/PM)(f1/N)
여기서, f1은 제1 펄스전력의 주파수, f2는 제2 펄스전력의 주파수, Pload는 부하 전력, PM은 상기 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력, N은 비례정수이다.
또한 일 예에서, 제2 펄스전력의 제1 구간(T21)은 제1 펄스전력의 주기(T1)의 N 배일 수 있다.
또한 일 실시예에서 제2 펄스전력 생성기(130)는 제2 펄스전력의 주파수를 2.4kHz 내지 150kHz 범위로 설정할 수도 있다. 2.4kHz 내지 150kHz 범위는 상대적으로 EMI 규정이 완화된 구간이기 때문에 EMI 노이즈를 감쇄시키는 EMI 필터를 설계하는 데 장점이 있다.
제2 펄스전력 생성기(130)는 다음과 같이 제1 구간(T21) 및 제2 구간(T22)의 범위를 결정할 수 있다.
도 11은 제1 구간 및 제2 구간의 범위를 정하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 순서도이다. 도 11을 참조하면, 제1 구간 및 제2 구간의 범위를 결정하기 위해서, 제2 펄스전력 생성기(130)는 제2 구간 T21 = N*T1으로 정하고, 주파수f2는 위 수학식 3과 같이 결정(S11)할 수 있다. 여기서 N은 임의 정수일 수 있다.
그 후, 제2 펄스전력(Po2)의 주파수(f2)가 최대 주파수(fmax)보다 작은지 여부를 판단한다(S12). 제2 펄스전력(Po2)의 주파수(f2)가 최대 주파수(fmax)보다 작지 않으면, N값을 1 증가시킨다(S13). N값을 1 증가시킨 후 단계(S11)로 돌아간다.
제2 펄스전력(Po2)의 주파수(f2)가 최대 주파수(fmax)보다 작은 경우, 제2 펄스전력(Po2)의 주파수(f2)가 최소 주파수(fmin)보다 큰지 여부를 판단한다(S14). 제2 펄스전력(Po2)의 주파수(f2)가 최소 주파수(fmin)보다 크지 않으면 N 값을 1 감소시킨다(S15). 제2 펄스전력(Po2)의 주파수(f2)가 최소 주파수(fmin)보다 크면 현재 결정된 N값을 기초로 제1 구간 및 제2 구간을 결정한다.
구체적으로 도 11에 도시된 바와 같이, T2=1/f2이고, T1=1/f1이고, T21=N*T1이고, T22=T2-T21으로 결정 될 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 부하에 따른 제2 펄스전력 생성기(140)의 출력 전력(Po2)의 주파수(f2) 변화를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, x축은 부하 전력의 크기(최대 효율 부하 전력 PM으로 정규화함)이고, y축은 제2펄스전력의 주파수 f2를 나타낸다. T21과 T2는 상술한 수학식 2의 관계를 갖고, T21은 N*T1이기 때문에 이로부터 수학식 4가 유도될 수 있다. 수학식 4를 보면 f2와 Pload/PM은 선형적인 관계이고 f1/N의 기울기를 가진다.
도12a의 점선은 N이 1부터 7까지 변할 때 Pload/PM에 대한 f2를 나타낸다. 수학식 4를 참조하면 직선의 기울기가 f1/N이므로 N이 증가하면서 기울기가 점점 감소함을 알 수 있다. 또한, 파란색 실선이 꺾이는 것은 도 11의 알고리즘에 의해서 N값이 변하는 지점을 의미한다. 예컨대 모든 Pload/PM 범위 (0에서 1까지 즉, 0<Pload<PM에서 N이 2인 값을 선택한다면 N=2에 해당하는 직선을 따라 f2가 변하고, 특정 부하 범위에서만 fmin<f2<fmax를 만족한다. 이 예시의 경우 대략 0.15 < Pload/PM < 0.3 정도만 만족하고 있다.
따라서 제2 펄스전력 생성기(130)는 모든 부하전력 범위에서 fmin<f2<fmax을 만족하도록 N값을 도11의 알고리즘에 따라 변화시킬 수 있다. f2가 fmax에 도달하면 N값을 증가시켜 f2가 감소한다. 이때가 도 12a 및 12b에서 파란색 실선이 꺾이는 부분이다. 빗금친 영역은 N이 1보다 작아질 수 없기 때문에 N값을 변화시켜서 fmin<f2<fmax를 맞출 수 없는 극심한 경부하 구간 (0<Pload<Pcrit)을 나타낸 것이다. 참고적으로, T21은 최소 1개 이상의 제1펄스전력을 출력하는 시간이어야 하므로 T21이 T1보다 작아질 수 없다.
일 실시예에서, 도 12a 및 도 12b의 빗금친 부분을 참조하면, 극심한 경부하(extreme light load)에서는 N을 줄이더라도 f2이 fmin보다 높아질 수 없다. 그 경계가 되는 부하전력을 Pcrit라고 하면Pcrit는 아래 수학식 5로 결정될 수 있다.
[수학식 5]
Pcrit = (fmax/f1)PM
즉, fmin<f2<fmax 를 만족하는 부하전력 범위는 Pcrit <Pload <PM이다. 따라서 주어진 부하전력 범위에서 fmin<f2<fmax를 만족하려면 f1(=1/T1)의 값이 적절히 선택되어야 한다. 또는 Pload<Pcrit에서는 의도적으로 f1을 증가시키거나 도 12a에서처럼 단순히 f2를 fmin 보다 적은 값으로 선형적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 도 12a에서는 도12a는 도11의 알고리즘에 따라서 결과적으로 f2의 최댓값이 fmax가 되도록 N값이 변하는 것을 나타내고, 도 12b는 fmin<f2<fmax을 만족하는 범위 안에서 부하전력에 따라 N 값을 자유롭게 변화시키는 것을 나타낸다.
일 실시예에서 제1 펄스전력 생성기(120) 및 제2 펄스전력 생성기(130)는 부하 전력(Pload)이 산출된 출력전력량(PM) 보다 작을 때, 실행될 수 있다. 부하 전력(Pload)이 산출된 출력전력량(PM) 보다 큰 경우, 통상적인 방법으로 전력변환장치를 실행시켜도 효율저하가 발생되지 않기 때문이다. 따라서 부하 전력(Pload)이 산출된 출력 전력량(PM)보다 작을 때, 전력변환기(1000)의 출력은 아래 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure pat00004
위 사항을 참고하면 전력변환기(1000)의 효율은 아래 수학식 7에의해 계산될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00005
따라서 사용하면 Pload≥PM 부하 범위에서는 전력 변환 효율이 기존과 동일하고 Pload<PM 부하 범위에서는 최대 효율 즉, PM에서의 효율 ηM이 유지될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 펄스전력 생성기(120)는 상기 제2 펄스전력의 제1 구간에서 상기 출력 전력(Po)이 과도 상태 구간을 포함하도록, 상기 제1 구간에 대응되는 구간에서 제1 펄스전력의 주파수를 가변시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라서 과도구간을 갖는 출력전력을 생성하기 위한 전력파형를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 제1 펄스전력 생성기(120)는 제2 펄스전력(Po2)의 제1 구간(T21)에 대응되는 구간 내 소정의 과도구간(Tp)의 펄스 주파수를 변화시켜 출력 전력(Po)이 과도 상태를 갖게 할 수 있다. 도 13을 참조하면 제1 펄스전력(Po1)의 주파수가 과도구간(Tp)에 있어서 증가됨을 알 수 있다. 이러한 제1 펄스전력의 주파수변화는 예시적인 것으로, 상기 과도구간(Tp)는 제2 펄스전력의 제1 구간(T21)과 제2 구간(T22) 모두에 중첩되는 범위에 발생될 수 도 있다. 또한 과도구간에서 제1 펄스전력의 주파수는 감소될 수도 있으며, 각 구간마다 제1 펄스전력의 주파수가 변화되는 양이 상이할 수도 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부하가 DC 부하인 경우, 제어기(100)의 블록도를 나타낸다. 도 14를 참조하면 제1 펄스전력 생성기(120)는, 부하 제어기(121) 및 펄스 변조기(122)를 포함할 수 있다. 부하 제어기(121)는 입력 전력(Pin), 현재 부하로 출력되는 출력 전력(Po), 출력 전류(Io) 및 상기 산출된 출력 전력량(PM)을 기초로 듀티비 지령(d*)을 생성할 수 있다. 펄스 변조기(122)는 생성된 듀티비 지령(d*)을 기초로 상기 제1 펄스전력을 생성할 수 있다. 여기서 상기 산출된 출력 전력량(PM)은 출력 전압값을 포함할 수 있다. 이 경우 제2 펄스전력 생성기(130)(부하가 DC부하인 경우 제2 펄스 전력 생성기는 출력 전압 제어기일 수 있다)는, 입력 전력(Pin), 현재 출력되는 출력 전력(Po), 출력 전류(Io), 출력 전압 지령(Vo *) 및 상기 산출된 출력 전력량(PM)을 기초로 상기 제2 펄스를 생성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 부하가 전동기인 경우, 제어기(100)의 블록도를 나타낸다. 도 15를 참조하면 제1 펄스전력 생성기(130)는, 전류 명령 생성기(121), 전류 제어기(122) 및 펄스 변조기(123)를 포함할 수 있다.
전류 명령 생성기(121)는 입력 전력(Pin), 현재 전동기에서 출력되는 토크(t), 속도(wrm) 및 산출된 출력 전력량(PM)을 기초로 전류 지령(I abcs *)를 생성하고, 전류 제어기(122)는 전류 지령(I abcs *)을 기초로 전압 지령(vabcs *)을 생성하고, 펄스 변조기(123)는 생성된 전압 지령(vabcs *)을 기초로 상기 제1 펄스전력을 생성할 수 있다. 여기서 상기 산출된 출력 전력량(PM)은 출력 토크값 또는 전동기 속도를 포함할 수 있다. 제2 펄스전력 생성기(130)(부하가 전동기인 경우 제2 펄스전력 생성기는 속도 제어기일 수 있다)는 상기 입력 전력, 현재 전동기에서 출력되는 출력되는 토크(t), 속도(wrm) 및 속도 지령(wrm *) 및 상기 산출된 출력 전력량(PM)을 기초로 상기 제2 펄스전력을 생성할 수 있다.
본 명세서의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 명세서의 범위에서 벗어나지 않는 한 각 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.
또한, 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 명세서의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 명세서의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 입력 전력을 수신하여, 부하에 출력 전력을 인가하는 컨버터부; 및
    상기 컨버터부의 출력 전력을 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 출력 전력은 적어도 두 종류의 펄스가 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량을 산출하는 출력 전력량 산출부;
    산출된 출력 전력량 및 입력 전력을 기초로 제1 펄스 전력을 생성하는 제1 펄스전력 생성기;
    산출된 출력 전력량을 기초로 상기 제1 펄스전력과 다른 주기를 갖는 제2 펄스전력을 생성하는 제2 펄스전력 생성기; 및
    상기 제1 펄스전력 및 제2 펄스전력을 기초로 상기 출력 전력을 생성하는 출력 전력 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 펄스 전력은,
    출력 전력Po이 부하 전력보다 큰 제1 전력값을 갖는 제1 구간; 및
    출력 전력이 상기 부하 전력보다 작은 제2 전력값을 갖는 제2 구간을 갖는 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 펄스 전력의 주파수는,
    상기 제2 펄스 전력의 주파수는, 최소 주파수와 최대 주파수 사이이거나
    모든 부하 전력에 대하여 동일한 출력 전압 맥동을 갖도록 조절되며,
    상기 최소 주파수는, 20kHz 이상 또는 제2 펄스전력 생성기 내에 포함되는 제어기의 대역폭의 5배수 이상이고,
    상기 최대 주파수는, 상기 제1 펄스 전력의 주파수의 10배수 이하인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 펄스 전력의 주파수는,
    상기 제1 펄스 전력의 주파수, 부하 전력 및 상기 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 펄스 전력의 주파수는,
    아래 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.

    f2=(Pload/PM)(f1/N)

    여기서, Pload는 부하 전력, PM은 상기 소정의 부하 효율을 갖는 출력 전력량,
    f1은 상기 제1 펄스전력의 주파수, N은 비례 정수, f2는 제2 펄스전력의 주파수
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 펄스전력의 제1 구간은,
    상기 제1 펄스전력의 주기의 N배인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제2 펄스전력의 주파수는 2.4kHz 내지 150kHz인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 소정의 부하 효율은 최대 부하 효율이고,
    상기 소정의 부하 효율에서의 출력 전력은 상기 제1 전력값과 동일한 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 전력값은 0인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제2 펄스전력의 제1 구간에서 상기 출력 전력이 과도 상태 구간을 포함하도록,
    상기 제1 펄스전력의 주파수는, 상기 제1 구간에 대응되는 구간에서 가변적인 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 부하가 DC부하인 경우,
    상기 제1 펄스전력 생성기는, 입력 전력, 현재 부하로 출력되는 출력 전력, 출력 전류 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 듀티비 지령을 생성하고, 생성된 듀티비 지령을 기초로 상기 제1 펄스전력을 생성하고,
    상기 제2 펄스전력 생성기는, 상기 입력 전력, 현재 출력되는 출력 전력, 출력 전류, 출력 전압 지령 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 상기 제2 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 부하가 전동기인 경우,
    상기 제1 펄스전력 생성기는, 입력 전력, 현재 전동기에서 출력되는 토크, 속도 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 전력 지령을 생성하고, 생성된 전력 지령을 기초로 상기 제1 펄스를 생성하고,
    상기 제2 펄스전력 생성기는 상기 입력 전력, 현재 전동기에서 출력되는 출력되는 토크, 속도 및 출력 속도 지령 및 상기 산출된 출력 전력량을 기초로 상기 제2 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 변조된 게이트 펄스를 이용한 전력변환장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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