KR20200036930A - Carrier modulated pulse width modulation for adjusting the distortion spectrum of clock-type power electronics - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력 전자 장치 시스템(200)의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 전력 전자 장치 시스템(200)은 적어도 2개의 전력 반도체 스위치(243, 244)를 포함하고, 제1 제어 유닛(230)에 의해 펄스폭 변조에 따라 제어되며, 상기 펄스폭 변조는 동적으로 변하는 클록 신호(236)에 따라 실행되고, 하나의 시점에 각각의 클록 신호가 제2 제어 유닛(210)에 의해 소정의 타겟 스펙트럼을 사용하여 계산된다. 또한, 본 발명은 상응하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a control method of a power electronic device system 200, wherein the power electronic device system 200 includes at least two power semiconductor switches 243 and 244, and is provided by the first control unit 230. Controlled according to pulse width modulation, the pulse width modulation is performed according to a dynamically changing clock signal 236, and each clock signal uses a predetermined target spectrum by the second control unit 210 at one time point. Is calculated. Furthermore, the present invention relates to a corresponding system.
Description
본 발명은, 전기 모터의 작동 시 클록 방식 전력 전자 장치의 왜곡 스펙트럼을 조정하기 위한 반송파 변조형 펄스폭 변조를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for carrier modulated pulse width modulation for adjusting a distortion spectrum of a clock-type power electronic device when an electric motor is operated.
부분 전기 구동 타입 또는 순수 전기 구동 타입 차량에서 DC/DC 컨버터는, 서로 다른 전압 레벨들 사이에서, 예를 들어 약 12V의 배터리 전압과, 예컨대 마일드 하이브리드 차량의 경우 약 48V일 수 있고, 대형 구동부의 경우 250V와 900V 사이일 수 있는 구동 전압 사이에서, 에너지를 전달하기 위해 필수적인 역할을 한다. In a partially electric driven type or purely electric driven type vehicle, the DC / DC converter may be between different voltage levels, for example, a battery voltage of about 12V and, for example, about 48V for a mild hybrid vehicle, with a large driving unit. In the case between driving voltages, which can be between 250V and 900V, they play an essential role in transferring energy.
공보 US 2013/0147404 A1호에는 전기차에 내장된 DC/DC 컨버터의 일례가 개시되어 있다. 여기서, DC/DC 컨버터는, DC 전원으로서 기능하는 배터리와, 모터 또는 제너레이터로서 동작하는 제1 모터 및 제2 모터 사이에 배치된다. 컨버터는, 제1 및 제2 모터에 에너지를 공급하거나 제1 및 제2 모터로부터 에너지를 수용하도록 구성된 제1 및 제2 인버터를 포함한다. DC 컨버터는 배터리의 DC 전압을 증폭시키고, 증폭된 배터리 전압을 제1 및 제2 인버터에 공급하며, 제1 및 제2 인버터의 DC 전압을 증폭시키고, 그 증폭된 전압을 배터리에 공급한다. 제어 유닛은, 토크 명령 및 전류 명령 할당 테이블에 기초하여 전압 명령을 생성한 후, 제1 및 제2 인버터에 인가된 출력 전압을 DC/DC 컨버터의 스위칭을 통해 제어하도록 구성될 수 있다.Publication US 2013/0147404 A1 discloses an example of a DC / DC converter embedded in an electric vehicle. Here, the DC / DC converter is disposed between a battery functioning as a DC power supply and a first motor and a second motor operating as a motor or generator. The converter includes first and second inverters configured to supply energy to the first and second motors or to receive energy from the first and second motors. The DC converter amplifies the DC voltage of the battery, supplies the amplified battery voltage to the first and second inverters, amplifies the DC voltages of the first and second inverters, and supplies the amplified voltage to the battery. The control unit may be configured to control the output voltage applied to the first and second inverters through switching of the DC / DC converter after generating the voltage command based on the torque command and the current command assignment table.
DC/DC 컨버터들은 이들 고유의 스위칭 원리에 의해, 예컨대 제어 버스들 또는 자동차 라디오와 같은 민감한 전자 기기에 대한 전자기 간섭의 심각한 원인이 된다. 또한, 질화 갈륨(GaN) 및 탄화 규소(SiC)와 같이, 밴드 갭이 큰 반도체 물질을 함유한 전자 장치는, FET로 약칭되는 전계 효과 트랜지스터에서 종래의 실리콘에 비해 스위칭이 열배 내지 천배 더 빠르지만, EMI로 약칭되는 전자기 간섭으로 인해 민감한 영역을 손상시킬 수 있다. 이는 예를 들어 D. Han, S. Li, Y. Wu, W. Choi 및 B. Sarlioglu 공저, "Comparative Analysis on Conducted CM EMI Emission of Motor Drives: WBG versus Si Devices," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 64권 10호 8353-8363쪽, DOI: 10.1109/TIE.2017.2681968(2017)에 언급되어 있다.DC / DC converters are a serious source of electromagnetic interference to sensitive electronic devices, such as control buses or car radios, by these unique switching principles. In addition, electronic devices containing semiconductor materials with a large band gap, such as gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC), are 10 to 1000 times faster switching than conventional silicon in field effect transistors abbreviated as FETs. , Electromagnetic interference, abbreviated as EMI, can damage sensitive areas. This is, for example, by D. Han, S. Li, Y. Wu, W. Choi and B. Sarlioglu, "Comparative Analysis on Conducted CM EMI Emission of Motor Drives: WBG versus Si Devices," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 64 Vol. 10, pages 8353-8363, DOI: 10.1109 / TIE. 2017.2681968 (2017).
회로의 높은 스위칭 속도(switching rate)에 대한 연구에서는 일반적으로, PWM으로 약칭되는 종래의 펄스폭 변조 방법이 사용되는데, 여기서는 발생하는 스위칭 속도로 인한 높은 EMI뿐만 아니라, 제1 고조파의 높은 출력 밀도가 다양한 통신 및 포지셔닝 애플리케이션을 위해 예약된 장파 및 중파 영역을 손상시킨다는 문제가 여전히 주목을 받지 않고 있다. 이와 관련하여, 예를 들어 차량 및 항공기에서 찾아볼 수 있는 민감한 환경에서, 많은 통신 버스들이 상기 주파수 영역에서 정보를 교환하고, 이로써 많은 회로에서 높은 스위칭 속도의 사용이 제한된다. In the study of the circuit's high switching rate, a conventional pulse width modulation method, commonly abbreviated as PWM, is used, where the high output density of the first harmonic, as well as the high EMI due to the switching speed that occurs, The issue of damaging long and medium wave regions reserved for various communication and positioning applications remains unnoticed. In this regard, in sensitive environments found in, for example, vehicles and aircraft, many communication buses exchange information in the frequency domain, thereby limiting the use of high switching speeds in many circuits.
EMI 필터들과 컨버터의 위상 수의 상호 작용에서, 각각의 변조 방법이 EMI 문제에 주요 영향을 미친다. 이 때문에, 컨버터 전류에서 스펙트럼 성분의 출력 밀도를 줄이기 위해, 종종 스펙트럼 성형법 또는 확장법이라고 지칭되는 몇 가지 방법이 개발되었다. 공지된 스펙트럼 성형법들은, 주파수 변조 PWM, 랜덤 PWM, 카오스 PWM 및 시그마-델타 변조이다. 이 방법들은, 스위칭 주파수와 그의 고조파에서 스펙트럼 피크를 확장하기 위해 스위칭 속도를 변동시키고 잡음 출력을 분산시킴으로써, 왜곡 스펙트럼의 최대 출력 밀도를 감소시킨다.In the interaction of the number of phases of the EMI filters and the converter, each modulation method has a major influence on the EMI problem. To this end, in order to reduce the power density of the spectral component in the converter current, several methods, often referred to as spectral shaping or extension, have been developed. Known spectral shaping methods are frequency modulated PWM, random PWM, chaos PWM and sigma-delta modulation. These methods reduce the maximum power density of the distortion spectrum by varying the switching speed and dispersing the noise output to expand the spectral peak at the switching frequency and its harmonics.
예를 들어 K. K. Tse, H. S.-H. Chung, S.Y. Ron Hui 및 H.C. 공저, "A comparative study of carrier-frequency modulation techniques for conducted EMI suppression in PWM Converters"(IEEE Transactions on Industrial Electronics, 49권, 618-627쪽, 2002년)에 기술되어 있는 이전의 방법들은 사실상 출력의 출력 밀도를 낮추긴 하나, 통상 주 제어 사이클 또는 변조에서의 클록 속도가 변하기 때문에 제어를 복잡하게 만든다. 결과적으로, 전용 제어 다이내믹을 갖춘 고성능 컨버터의 구현은 매우 까다롭고, 나아가 작동 진행 중에 달성 가능한 제어 대역폭을 변동시킨다. 또한, 스펙트럼 확장은 오직 애드혹(Ad-hoc) 방식이며 소정의 기준 스펙트럼에 따라서는 정렬될 수 없다.For example, K. K. Tse, H. S.-H. Chung, S.Y. Ron Hui and H.C. The previous methods described in the co-author, "A comparative study of carrier-frequency modulation techniques for conducted EMI suppression in PWM Converters" (IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, p. 618-627, 2002) are actually output of output. While lowering the density, it usually complicates control because the clock rate in the main control cycle or modulation changes. As a result, the implementation of a high-performance converter with dedicated control dynamics is very demanding, furthermore, fluctuating the control bandwidth achievable during operation. Also, the spectrum extension is only ad-hoc and cannot be aligned according to a predetermined reference spectrum.
이러한 배경하에, 본 발명의 과제는, DC/DC 컨버터 및/또는 인버터와 같은 전력 전자 장치를 제어하는 방법을 제공함으로써, 전력 반도체 스위치의 스위칭에 의해 야기된 왜곡 스펙트럼을 제어하고, 이로써 전자기 호환성(EMC)을 개선하는 것이다. 공지된 스펙트럼 확장 방법과는 대조적으로, 왜곡 스펙트럼의 스펙트럼 거동에서 언제라도 갭 또는 특정 형상이 야기될 수 있다. 어떤 경우든, 최대 스펙트럼 출력 밀도는, 각각의 스펙트럼 영역들에 걸친 분포를 통해 기존의 PWM 방법에서보다 더 낮아야 한다. 또한, 본 발명의 과제는 이러한 방법을 수행하기 위한 상응하는 시스템을 제공하는 것이다.Against this background, the object of the present invention is to provide a method for controlling power electronic devices such as DC / DC converters and / or inverters, thereby controlling the distortion spectrum caused by the switching of power semiconductor switches, thereby electromagnetic compatibility ( EMC). In contrast to known spectral extension methods, gaps or specific shapes can occur at any time in the spectral behavior of the distortion spectrum. In any case, the maximum spectral power density should be lower than in the conventional PWM method through distribution over the respective spectral regions. It is also an object of the present invention to provide a corresponding system for carrying out this method.
상기 과제를 해결하기 위해, 전력 전자 장치를 제어하기 위한 한 방법이 청구되며, 이 방법에서 전력 전자 장치는 적어도 2개의 전력 반도체 스위치를 포함하고, 제1 제어 유닛에 의해 펄스폭 변조에 따라 제어되며, 상기 펄스폭 변조는 동적으로 변하는 클록 신호에 따라 실행되고, 하나의 시점에서의 각각의 클록 신호가 소정의 타겟 스펙트럼을 사용하여 제2 제어 유닛에 의해 계산된다. 제1 제어 유닛 및 제2 제어 유닛은, 이들 각각의 기능성의 관점에서, 단일 제어 유닛으로 결합될 수도 있다. 하지만, 바람직하게는 적어도 2개의 제어 유닛이 제공된다.In order to solve the above problems, a method for controlling a power electronic device is claimed, in which the power electronic device includes at least two power semiconductor switches, and is controlled by pulse width modulation by a first control unit. , The pulse width modulation is performed according to a dynamically changing clock signal, and each clock signal at one time point is calculated by the second control unit using a predetermined target spectrum. The first control unit and the second control unit may be combined into a single control unit in view of their respective functionality. However, preferably at least two control units are provided.
이때, 제1 제어부는 전력 반도체 스위치들을 제어하기 위해, 입력 신호로서 존재하는 기준 전압의 모든 요구되는 연속 기준 거동을 출력 전압을 공급하는 전력 반도체 스위치의 정량화된 스위치 상태에 맞춰 조정하기 위한 펄스폭 변조를 실행한다. 상기 펄스폭 변조는 제1 제어 유닛에 추가 입력 신호로서 제공되는 각각의 클록 신호에 기초한다. 본 발명에 따라, 기준 전압과 전력 전자 장치의 출력 전압 사이의 편차들로 구성된 왜곡 스펙트럼이 소정의 타겟 스펙트럼에 상응하도록, 각각의 클록이 제2 제어 유닛에 의해 계산된다.At this time, the first control unit controls the power semiconductor switches, and pulse width modulation for adjusting all required continuous reference behavior of the reference voltage existing as the input signal to the quantified switch state of the power semiconductor switch supplying the output voltage. Run The pulse width modulation is based on each clock signal provided as an additional input signal to the first control unit. According to the present invention, each clock is calculated by the second control unit so that the distortion spectrum composed of deviations between the reference voltage and the output voltage of the power electronic device corresponds to a predetermined target spectrum.
이를 위해, 예를 들어 마이크로컨트롤러에 의해 구현된 제2 제어 유닛은, 예를 들어 소정의 통계 분포 함수(f(x))에 따라, 더 구체적으로는, 여기에 기술된 경우에는 간격[0,1]으로 균일하게 난수(x)를 생성하며, 이때 다른 가능한 간격 선택이 제한되지 않는다. 다양한 설정에 따라 정렬된 타겟 스펙트럼 Z(ω)는 스위칭 주파수(ω)의 함수이며, 이 함수의 역함수는 펄스폭 변조를 위한 클록 신호를 나타낸다. 제2 제어 유닛은 이제 하기 방정식 (1)에 의해 각각의 난수(x)에 명백히 스위칭 주파수(ω)를 할당하고, 이 스위칭 주파수를 펄스폭 변조를 위해 제1 제어 유닛에 제공한다.To this end, for example, the second control unit implemented by the microcontroller, for example according to a certain statistical distribution function f (x), more specifically, the interval [0, 1] to generate a random number (x) uniformly, at this time, other possible interval selection is not limited. The target spectrum Z (ω) aligned according to various settings is a function of the switching frequency ω, and the inverse function of this function represents a clock signal for pulse width modulation. The second control unit now explicitly assigns a switching frequency ω to each random number x by the following equation (1), and provides this switching frequency to the first control unit for pulse width modulation.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 제1 제어 유닛을 위한 가변 클록 신호를 발생시키기 위해 VCO로 약칭된 전압 제어 발진기가 선택된다. 여기에서, 입력 전압(V)과 출력 클록 신호 사이의 전달 함수 TVCO(V)가 잘 알려져 있다.In one embodiment of the method according to the invention, a voltage controlled oscillator, abbreviated VCO, is selected to generate a variable clock signal for the first control unit. Here, the transfer function T VCO (V) between the input voltage V and the output clock signal is well known.
제2 제어 유닛은, 방정식(2)의 역으로부터, 각 클록 신호의 생성에 필요한 전압(V)을 계산하는데, 이 전압(V)을 이용하여 VCO가 제2 제어 유닛에 의해 제어된다:The second control unit, from the inverse of equation (2), calculates the voltage V required for the generation of each clock signal, using this voltage V to control the VCO by the second control unit:
측파대(sideband), 저조파 및 나아가 종래의 스펙트럼 확장 방법에서 알려진 샘플링 아티팩트의 생성을 억제하기 위해, 제2 제어 유닛에서, 예컨대 로그 정규 분포(τ ~ ln N)로부터 추출된 가변 시간 간격(τ)에 따라 VCO 전압의 업데이트가 실시되고, 상기 간격의 경과 후, 각각의 분포로부터 새로운 난수쌍(x, τ)이 도출된다. 따라서, 매 시점마다 왜곡 스펙트럼의 스펙트럼 특성의 시간에 따른 업데이트가 정해진다. 제1 제어 유닛은, 예를 들어 통상의 기술자에 의해 PI로 약칭되는 비례 적분 제어에 따라, 가변 클록 신호로부터 DC 전압 컨버터의 전류 및/또는 전압 제어를 수행할 수 있으며, 이 제어는 동시적인 전류 및 전압 제어 시 캐스케이드 방식으로 실행될 수 있다. 가변 클록의 각각의 클록 에지로써 하나의 제어 루프가 상응하게 적어도 1회 통과되고, 새로운 "듀티 사이클"이 결정되며, 그 결과, 전력 반도체 스위치가 활성화되거나 비활성화되는 동안의 클록의 비례적 지속 시간이 결정된다.Sidebands (sideband), subharmonic, and further a on the second control unit in order to suppress the generation of the known sampling artifacts from the conventional spectral expansion method, such as extraction from the log normal distribution (τ ~ ln N) variable time interval (τ ), The VCO voltage is updated, and after the interval, a new random number pair (x, τ ) is derived from each distribution. Therefore, the time-dependent update of the spectrum characteristics of the distortion spectrum is determined at each time point. The first control unit can perform current and / or voltage control of the DC voltage converter from the variable clock signal, for example according to proportional integral control abbreviated to PI by a person skilled in the art, the control being simultaneous current And a cascade method when controlling voltage. With each clock edge of the variable clock, one control loop is correspondingly passed at least once, a new “duty cycle” is determined, and as a result, the proportional duration of the clock while the power semiconductor switch is activated or deactivated. Is decided.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 각각 2개의 전력 반도체 스위치들은 전기 모터의 위상을 구동하기 위한 각각 하나의 하프 브리지로서 선택된다. 본 발명에 따른 방법은, 복수의 하프 브리지 또는 복수의 위상을 제어하도록 임의로 확장될 수 있다. 이 경우, 더 높은 수의 출력 위상들에도 불구하고, 출력 신호의 스펙트럼이 계산되고 최적화될 수 있다.In one embodiment of the method according to the invention, each of the two power semiconductor switches is selected as one half bridge each for driving the phase of the electric motor. The method according to the invention can be arbitrarily extended to control multiple half bridges or multiple phases. In this case, despite the higher number of output phases, the spectrum of the output signal can be calculated and optimized.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 제2 제어 유닛이 동작되거나 실행될 때 사용되는 클록은 제1 제어 유닛의 클록 신호와 무관하게 선택된다. In one embodiment of the method according to the invention, the clock used when the second control unit is operated or executed is selected independently of the clock signal of the first control unit.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 펄스폭 변조의 클록 신호를 발생시키기 위해 사용되는 VCO의 제어는 아날로그 전압에 대한 방정식 (3)에 따라 제2 제어 유닛에 의해 수행된다.In one embodiment of the method according to the invention, the control of the VCO used to generate the pulse width modulated clock signal is performed by the second control unit according to equation (3) for the analog voltage.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에서, 펄스폭 변조의 클록 신호를 발생시키기 위해 사용되는 VCO의 제어는 디지털 신호와 다운 스트림 저역 통과 필터를 사용하여 수행된다.In another embodiment of the method according to the invention, the control of the VCO used to generate a pulse width modulated clock signal is performed using a digital signal and a downstream low pass filter.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 본원 방정식(1)에 따른 스위칭 주파수의 계산을 통해 펄스폭 변조의 각각의 클록 신호의 변동이 수행되는데, 여기서, 간격 [0,1]에서의 수는 의사 랜덤 알고리즘에 의해 또는 소정의 수열에 기초하여 결정된다. 물론, 아티팩트를 억제하려면, 상기 소정의 수열은 시간적 상관관계(temporal correlation)를 배제하는 최소 길이를 가져야 한다.In another embodiment of the method according to the invention, the variation of each clock signal of the pulse width modulation is performed through the calculation of the switching frequency according to equation (1) herein, where the interval [0,1] The number is determined by a pseudo-random algorithm or based on a predetermined sequence. Of course, to suppress artifacts, the predetermined sequence must have a minimum length that excludes temporal correlation.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 소정의 타겟 스펙트럼은, 예를 들어 CISPR 표준, 산업 또는 개발 표준에 명시되어 있는, 전자기 호환성을 위한 표준에서의 한계값을 고려한다.In one embodiment of the method according to the invention, a given target spectrum takes into account the limits in the standard for electromagnetic compatibility, as specified, for example, in the CISPR standard, industry or development standard.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 소정의 타겟 스펙트럼에서의 적어도 하나의 갭에 의해, 하나의 영향 범위 내에 존재하는 또 다른 전자 장치의 고장없는 동작을 보장한다. 각각의 갭은, 예를 들어, 현재의 무선 수신 주파수, 이동 무선 주파수, 또는 그 외 내장된 통신 버스들의 민감 주파수 범위 등에 의해, 또는 각각 관련된 고조파의 배수에 의해 뒷받침될 수 있다. 방정식(1)에 따른 클록 신호의 동적 변동의 결과로서, 타겟 스펙트럼은 필요에 따라, 예를 들어 라디오의 송신국 검색 시 종동하는 갭에 의해, 적응형으로도(adaptive) 변경될 수 있다.In another embodiment of the method according to the invention, at least one gap in a given target spectrum ensures trouble-free operation of another electronic device within one range of influence. Each gap can be supported, for example, by the current radio reception frequency, mobile radio frequency, or sensitive frequency range of other embedded communication buses, etc., or by multiples of the associated harmonics, respectively. As a result of the dynamic fluctuation of the clock signal according to equation (1), the target spectrum can be adaptively changed as needed, for example, by a gap following when searching for a radio's transmitting station.
방정식(1)에 따른 펄스폭 변조의 스위칭 주파수는 타겟 스펙트럼으로부터 결정되지만, 가장 간단한 경우에는 각각의 스위칭 주파수의 시간 분율도 궁극적으로는 각각의 주파수에서의 신호 에너지의 정보에만 상응하는 타겟 스펙트럼으로부터 직접 추출된다. 하지만, 이러한 과정에서, 펄스폭 변조는 전력 반도체 스위치의 스위치 온/오프 상태로 인한 구형(rectangular) 제어를 야기하고, 그리하여 상기 구형파 거동으로부터 펄스폭 변조의 각각의 스위칭 주파수에 대한 고조파가 발생한다는 점을 고려해야 한다. 각각의 PWM 스위칭 주파수를 왜곡 스펙트럼으로 단색 변환한다고 가정하면, 각각의 PWM 스위칭 주파수의 배수들에서 초기 타겟 스펙트럼에 비해 높아진 에너지 밀도가 나타날 것이다. 이를 피하기 위해, 각 주파수의 배수들에서의 출력은 타겟 스펙트럼에 비하여, 더 정확히는 고조파 차수의 값을 갖는 분배기에 의해 구형 함수(rectangular function)의 주파수 변환값에 따라, 감소되어야 한다. 따라서, 사전 설정에 의해 결정된 타겟 스펙트럼[Z(ω)]을 사용하는 대신에, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서는, 타겟 스펙트럼이 각각의 클록 신호에 대응하는 주파수의 배수 중 선택된 각각의 배수(j)에서 감소되고, 하기 방정식 (4)에 따라 수정된 타겟 스펙트럼[Z'(ω)]이 얻어진다.The switching frequency of pulse width modulation according to equation (1) is determined from the target spectrum, but in the simplest case, the time fraction of each switching frequency is also ultimately directly from the target spectrum corresponding only to the information of the signal energy at each frequency. Is extracted. However, in this process, the pulse width modulation causes rectangular control due to the switch on / off state of the power semiconductor switch, so that harmonics for each switching frequency of pulse width modulation are generated from the square wave behavior. Should be considered. Assuming that each PWM switching frequency is monochromaticly transformed into a distortion spectrum, higher energy densities will appear at multiples of each PWM switching frequency compared to the initial target spectrum. To avoid this, the output at multiples of each frequency should be reduced relative to the target spectrum, more precisely according to the frequency transform value of the rectangular function by a divider with a value of harmonic order. Thus, instead of using a target spectrum determined by a preset [Z (ω)], in one embodiment of the method according to the present invention, each multiple selected from multiples of frequencies in which the target spectrum corresponds to each clock signal The target spectrum [Z '(ω)] reduced in (j) and corrected according to the following equation (4) is obtained.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에서, 타겟 스펙트럼은 전력 반도체 스위치의 스위칭 함수의 주파수 변환값을 이용한 역 컨볼루션을 거친다. 스위칭 함수는 추가로, 전력 반도체 스위치의 스위치 온/오프 상태에 상응하는 구형 함수로부터의 실제 편차를 고려하며, 상기 구형 함수는 두 스위칭 상태들 및/또는 스위칭 과전압들 사이에서의 불완전한 구형 전이들(rectangular transitions)로 구성된다.In another embodiment of the method according to the invention, the target spectrum is subjected to inverse convolution using the frequency conversion value of the switching function of the power semiconductor switch. The switching function further takes into account the actual deviation from the spherical function corresponding to the switch on / off state of the power semiconductor switch, which spherical function has incomplete spherical transitions between two switching states and / or switching overvoltages ( rectangular transitions).
또한, 특히 DC 컨버터에서, 예컨대 출력 전압 또는 출력 전류와 같은 출력 파라미터들에서 PWM 스위칭 주파수가 검출되는 것을 방지하는 주파수 응답(frequency response)이 있을 수 있다. 일반적인 DC/DC 컨버터에서는 보통 자기 메모리의 충전이 제어된다. 한편, 출력의 주파수 응답은 종종 제1 근사에서, PWM 스위칭 신호의 선형 필터링에 의해, 예를 들어 저역 통과 필터링에 의해 또는 일반적으로 유한 임펄스 응답을 갖는 필터인 FIR 필터 또는 무한 임펄스 응답을 갖는 필터인 IIR 필터에 의해, 추정될 수 있다. 따라서, 신호 경로의 이러한 필터 응답도, 신호 경로에 의해 수정된 신호의 역수가 타겟 스펙트럼에 근사 방식으로(by approximation) 적용됨으로써 보상될 수 있다. 예를 들어, 대응하는 필터의 역수가 보상을 위해 타겟 스펙트럼에 적용될 수 있으며, 이로써 신호 경로의 끝에서 출력의 주파수 응답, 예를 들어 출력 전압 또는 출력 전류가 근사 방식으로 타겟 스펙트럼을 추종하게 된다.Also, there may be a frequency response that prevents the PWM switching frequency from being detected, especially in DC converters, for example in output parameters such as output voltage or output current. In a typical DC / DC converter, charging of the magnetic memory is usually controlled. On the other hand, the frequency response of the output is often in the first approximation, either by linear filtering of the PWM switching signal, for example by low-pass filtering or generally by a FIR filter which is a filter with a finite impulse response or a filter with infinite impulse response. By IIR filter, it can be estimated. Thus, this filter response of the signal path can also be compensated for by applying the inverse of the signal modified by the signal path to the target spectrum by approximation. For example, the reciprocal of the corresponding filter can be applied to the target spectrum for compensation, whereby the frequency response of the output at the end of the signal path, for example the output voltage or output current, will approximate the target spectrum.
마지막으로, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 전력 반도체 스위치의 작동을 위해 큰 밴드 갭을 갖는 반도체 재료가 선택된다. 이 재료는 예를 들어 GaN 또는 SiC로 형성될 수 있다. 이처럼 큰 밴드 갭을 갖는 재료들은 유리하게 전력 반도체 스위치의 작동 시 높은 스위칭 주파수를 가능하게 하고, 그에 기인하는 왜곡 스펙트럼의 단점은 여기에 제시된 본 발명에 따른 방법의 실시예를 이용하여 보상될 수 있다.Finally, in one embodiment of the method according to the invention, a semiconductor material with a large band gap is selected for the operation of the power semiconductor switch. This material can be formed of GaN or SiC, for example. Materials with such a large band gap advantageously enable a high switching frequency during operation of the power semiconductor switch, and the disadvantages of the resulting distortion spectrum can be compensated for using the embodiments of the method according to the invention presented herein. .
또한, 전력 전자 장치를 제어하기 위한 시스템이 청구되는데, 상기 시스템은 적어도 2개의 전력 반도체 스위치, 상기 적어도 2개의 전력 반도체 스위치를 펄스폭 변조를 통해 제어하기 위한 제1 제어 유닛, 클록 발생기, 및 상기 펄스폭 변조를 실행할 클록을 계산하기 위한 제2 제어 유닛을 포함하며, 전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.In addition, a system for controlling a power electronic device is claimed, wherein the system includes at least two power semiconductor switches, a first control unit for controlling the at least two power semiconductor switches through pulse width modulation, a clock generator, and the And a second control unit for calculating a clock to perform pulse width modulation, and is configured to execute the method according to any one of the preceding claims.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 클록 발생기는 VCO로 약칭되는 전압 제어 발진기이다. VCO는 입력 전압을 클록 신호로 변환하는데, 상기 변환환의 전달 함수는 공지되어 있다.In another embodiment of the system according to the invention, the clock generator is a voltage controlled oscillator, abbreviated VCO. VCO converts the input voltage to a clock signal, the transfer function of which is known.
본 발명에 따른 시스템의 또 하나의 실시예에서, 제어 유닛은 마이크로컨트롤러이다. 특히, 상기 마이크로컨트롤러는 펄스폭 변조를 제어하는 데 사용되며, 예를 들어 방정식 (3)의 계산을 통해 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행함으로써, 저역 통과 필터를 통해 VCO의 입력 전압 및 그에 따라 펄스폭 변조를 위한 스위칭 주파수를 나타내는 디지털 신호를, GPIO 포트로 약칭되는 "General Purpose Input/Output 포트"를 통해 발생시킨다. 또한, 마이크로컨트롤러는, 예를 들어 마이크로컨트롤러에 의해 디지털 신호로서 GPIO 출력에 제공되어 저역 통과 필터를 통과한 기준 신호에 의해, 펄스폭 변조에 기준 전압을 공급할 수 있다. 또한, 마이크로컨트롤러는, 예를 들어, 차량측 저전압 마스터 신호와의 통신; CAN 버스를 통한 차량 라디오와의 통신; 다양한 기준 신호의 제공; 또는 스타트업 제어, 모니터링, 온도 모니터링, 손실 전력 등에 대한 데이터의 제공;과 같은 추가 작업을 담당할 수 있다. In another embodiment of the system according to the invention, the control unit is a microcontroller. In particular, the microcontroller is used to control the pulse width modulation, for example, by implementing an embodiment of the method according to the invention through the calculation of equation (3), the input voltage of the VCO through the low-pass filter and thereby Accordingly, a digital signal representing a switching frequency for pulse width modulation is generated through a "General Purpose Input / Output port" abbreviated as a GPIO port. Further, the microcontroller can supply a reference voltage to pulse width modulation by, for example, a reference signal that is provided to the GPIO output as a digital signal by the microcontroller and passes through the low-pass filter. Further, the microcontroller may include, for example, communication with a vehicle-side low voltage master signal; Communication with vehicle radios via CAN bus; Provision of various reference signals; Or it can take on additional tasks such as start-up control, monitoring, temperature monitoring, provision of data for lost power, etc.
본 발명에 따른 방법을 기술함에 있어 거의 전적으로 전압에 대해서만 언급하였지만, 전류의 개회로 제어 또는 폐회로 제어 시스템에서도 동일한 방식으로 수행될 수 있다. In describing the method according to the present invention, the voltage is almost entirely mentioned, but it can be performed in the same way in the open-loop control or closed-loop control system of the current.
본 발명의 또 다른 장점들 및 실시예들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조한다.Further advantages and embodiments of the invention refer to the detailed description and accompanying drawings.
앞에서 언급된 특징들 및 뒤에 더 설명될 특징들은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 각각 언급된 조합뿐만 아니라 다른 조합의 형태로도 또는 단독으로도 사용될 수 있다.The above-mentioned features and the features to be further described later may be used alone or in the form of other combinations as well as the combinations mentioned respectively, without departing from the scope of the present invention.
도면들은 상호 연관되어 포괄적으로 기술되며, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호가 부여된다.The drawings are interrelated and described comprehensively, and the same reference numerals are assigned to the same components.
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 스위치의 제어의 가능한 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 하프 브리지의 예시적인 회로의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 2개의 하프 브리지의 예시적인 회로의 개략도이다.
도 4는, 왜곡 스펙트럼의 예시들로서, 이 중 2개는 종래 기술과 관련된 것이고, 다른 2개는 본 발명에 따른 방법의 실행을 통해 발생한 것이다.1 is a schematic diagram of a possible embodiment of the control of a power semiconductor switch according to the invention.
2 is a schematic diagram of an exemplary circuit of a half bridge controlled by the method according to the invention.
3 is a schematic diagram of an exemplary circuit of two half bridges controlled by a method according to the invention.
4 is an illustration of the distortion spectrum, two of which are related to the prior art and the other two are caused by the implementation of the method according to the invention.
도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 스위치(120)의 제어부(100)의 한 가능한 실시예의 개략도를 보여준다. 타겟 스펙트럼(102)은 선택적으로, 예를 들어 궁극적으로 펄스파 변조의 구형파 제어 신호의 다양한 소스들에서 유래할 수 있는 고조파와 관련한 보상(104)의 대상이 된다. 그 결과로서의 스펙트럼의 분포 밀도에 따라, 예를 들어 방정식(1)의 계산(106)에 의해, 예를 들어 랜덤 수열 또는 결정론적 수열로부터 생성되는 수(114)는 스위칭 주파수로 변환되어 클록 발생(110)에 사용되고, 이 경우 유리하게는 상기 수열의 통계 분포가 공지되어 있다. 클록 발생(110)은, 예를 들어 VCO로 약칭된 전압 제어 발진기에 의해 수행될 수 있다. 변동하는 유지 기간 또는 음성 속도의 발생(108)을 이용하여, 각각의 클록이 얼마나 오래 유지되는지가 결정된다. 상기 발생(108)은 선택적으로 랜덤 수열 또는 결정론적 수열에 기초할 수 있다. 각각의 클록은, 전력 반도체 스위치(120)를 제어하기 위한 스위칭 주파수로서, PWM으로 약칭되는 펄스폭 변조(112)에 이용된다. 또한, "듀티 사이클"또는 변조 레벨(118)이 PWM에 입력된다. 대안적으로, 정적 유지 기간을 생략하고 ω의 완전한 동적 조정을 수행하는 것도 가능하다.1 shows a schematic diagram of one possible embodiment of the
도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 하프 브리지(243, 244)의 예시적인 회로의 개략도를 보여준다. 도시된 회로는 단상 DC/DC 컨버터(200)용이다. 하나의 마이크로컨트롤러(210)가 2개의 출력부(212 및 214)를 이용하여 PWM 발생기(230)를 제어한다. 상기 두 출력부(212 및 214)는 모두 GPIO로 약칭되는 디지털 범용 입/출력 포트일 수 있다. 출력부(212)는 저역 통과 필터를 통해 PWM 발생기(230)의 입력부(231)에 기준 전압(208)을 공급한다. 출력부(214)도 마찬가지로 저역 통과 필터를 통해, PWM 발생기(230)의 입력부(236)로 클록 신호를 전달하는 VCO(220)를 제어한다. 이때, VCO 자체가 예를 들어 1MHz로 매우 높게 클록킹된다. PWM 발생기(230)는 출력부(233)를 통해 하프 브리지(243, 244)의 하이 사이드 전력 반도체 스위치(243)를 제어하고, 출력부(234)를 통해 로우 사이드 전력 반도체 스위치(244)를 제어한다. DC/DC 컨버터(200)는 예를 들어 48V의 고전압 입력부(201)와, 예를 들어 12V의 저전압 입력부(202)를 갖는다. PWM 발생기(230)에서는 동시에 입력부(232)를 사용하여 전압 측정(204)이 수행되고, 입력부(235)를 사용하여 전류 측정(206)이 수행된다. 2 shows a schematic diagram of an exemplary circuit of
도 3은 본 발명에 따른 방법에 의해 제어되는 2개의 하프 브리지(243, 244 및 343, 344)의 예시적인 회로를 개략적으로 도시한다. 2상 DC/DC 컨버터(300)를 위한 회로가 도시되어 있다. PWM 발생기(230)는 이제 추가로 출력부(333)를 통해 하프 브리지(343, 344)의 하이 사이드 전력 반도체 스위치(343)를 제어하고, 출력부(334)를 사용하여 로우 사이드 전력 반도체 스위치(344)를 제어한다. DC/DC 컨버터(300)의 제2 위상은, 예를 들어 저전력에서 위상을 차단함으로써, 더 나은 부분 부하 응답 및 더 나은 부분 부하 효율을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 상기 두 위상은, 전류 리플을 줄이기 위해서, 시간적으로 서로 오프셋되어 스위칭될 수 있다. 대안적으로, 총 방출 스펙트럼을 목표 스펙트럼에 더 잘 맞추기 위해서, 각각의 위상이 고유의 PWM을 가질 수도 있고, 상기 고유의 PWM도 고유의 스위칭 주파수를 가질 수 있다.3 schematically shows an exemplary circuit of two
도 4에는, 왜곡 스펙트럼의 예시들(410, 420, 430, 440)이 도시되어 있는데, 이 중 왜곡 스펙트럼 "410" 및 "420"은 종래 기술에서 유래한 것이고, 왜곡 스펙트럼 "430" 및 "440"은 본 발명에 따른 방법의 실행에 의해 발생한 것이다. 각각 상향으로는 진폭(404)이 임의의, 그러나 4개의 왜곡 스펙트럼 모두에 대해 동일한 단위로 도시되어 있고, 우측으로는 주파수(402)가 kHz 단위로 각각 도시되어 있다. 왜곡 스펙트럼(410)은 종래의 펄스폭 변조에서 발생하는 3개의 고조파(412)를 보여준다. 임의의 단위로 도시된 이들 고조파의 진폭(404)은 거의 200의 수치까지 뻗어 있다. 왜곡 스펙트럼(420)에서는, 왜곡 스펙트럼(410)에 도시된 고조파에 대한 종래의 스펙트럼 가우시안 확장이 에뮬레이트되었다. 유의할 점은, 여기에서 그리고 또 다른 왜곡 스펙트럼(430 및 440)에서, 모든 표준(예를 들어 CISPR)에 대해 그리고 민감한 시스템들에 대해서도 최대 출력 밀도의 중앙값이, 왜곡 스펙트럼(410)에 도시된 고정 클록을 이용한 종래의 PWM에 비해, 15 미만의 수치로써 훨씬 더 낮게 나타나는데, 이는 근사법에 의해 대역폭이 클수록 출력 밀도의 피크가 작아지는 데에서도 기인한다. 왜곡 스펙트럼(430)에서는, 타겟 스펙트럼(432)으로서, 서로 상이한 폭을 가진 2개의 상호 연동 가우시안 곡선이 복합 거동의 예로서제시되었다. 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 결과로 도출되는 스펙트럼(434)에 상기 제시된 타겟 스펙트럼이 매우 잘 반영되어 있다. 400kHz부터 볼 수 있는, 타겟 스펙트럼을 벗어나서 발생하는 고주파 성분은 5 미만에 불과한 진폭 값을 가진다. 왜곡 스펙트럼(440)에 제시된 타겟 스펙트럼(442)도, 본 발명에 따른 방법의 한 실시예에 의해 야기된 스펙트럼(444)에 의해 매우 잘 반영된다.In Figure 4, examples of distortion spectra are shown 410, 420, 430, 440, of which distortion spectra "410" and "420" are derived from the prior art, distortion spectra "430" and "440 "Is caused by the execution of the method according to the invention. The
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| Title |
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| Stefan Goetz et al., Spectral synthesis of switching distortion in automotive drive inverters, 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'16 ECCE Europe) (2016.9.9.) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102017124575A1 (en) | 2019-04-25 |
| WO2019076481A1 (en) | 2019-04-25 |
| CN111226386B (en) | 2023-08-08 |
| CN111226386A (en) | 2020-06-02 |
| KR102374596B1 (en) | 2022-03-15 |
| JP6970301B2 (en) | 2021-11-24 |
| JP2020533944A (en) | 2020-11-19 |
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