KR20200090726A - 고전압 인버터 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

고전압 인버터 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

고전압 인버터 시스템 및 그 제어방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 모터를 구동하는 데에 필요한 DC 전원을 인가하는 DC 전원(DC power source); 상기 DC 전원을 AC 전원(AC source)으로 변환하여 모터로 인가하고, 상기 DC전원에 대해 병렬 연결되는 복수의 레그(leg)로 구성되는 전력변환모듈(power conversion module); DC 캐패시터(capatitor)를 충전시키거나, 상기 모터를 저속·고토크(low speed·high torque)영역 또는 고속·저토크(high speed·low torque)영역에서 동작시키기 위해, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 이용하여 상기 전력변환모듈을 제어하는 제어모듈(control module); 및 상기 모터에 Y-Y 결선 형태로 결선되는 자기회로와 상기 전력변환모듈 사이에 연결되며, 상기 DC 캐패시터의 충전 시 상기 DC 전원의 전압보다 높은 전압으로 충전되도록 동작하는 다수의 인덕터(inductor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템을 제공한다.

Description

고전압 인버터 시스템 및 그 제어방법{High Voltage Inverter System and Control Method Therefor}
본 발명은 고전압 인버터 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 상세하게는 서로 다른 영역에서 동작이 가능하고, 입력받은 DC 전원보다 큰 전압으로 DC 캐패시터를 충전할 수 있는 고전압 인버터 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량(hybrid electric vehicle), 전기 차량 등의 동력 장치(이하, 차량이라고 함)는 구동원으로서 적어도 모터(motor)를 포함하며, 모터를 구동하기 위하여, 직류전원을 3상의 교류전원으로 변경하는 인버터(inverter)가 차량에 구비된다.
인버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 기초로 하여, DC 전원을 AC 전원으로 변환시키기 위한 다수의 IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)를 포함하여 구성되는 전력변환모듈, 전력변환모듈에 전원 및 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 인가하는 제어모듈을 포함한다.
DC 전원과 전력변환모듈 사이에는 DC 전원에 대한 평활 기능을 수행하는 캐패시터(capacitor, 이하, DC 캐패시터)가 병렬로 연결되어 있다.
통상, DC 캐패시터는 입력 DC 전원에 의해 충전이 되는데, DC 캐패시터의 전압이 작으면, 전력변환모듈로 인가되는 전압의 리플(ripple)이 크게 되고, 이에 따라 전력변환모듈에 대한 제어 안정도가 저하되는 문제점이 있다.
한편, DC 캐패시터의 용량이 크더라도, DC 캐패시터에 인가되는 전압이 DC 캐패시터의 용량에 미치지 못한다면, 대용량의 DC 캐패시터를 사용하는 의미가 없고, 불필요하게 인버터의 부피 증가, 제조 단가의 증가 등의 문제점이 발생한다.
또한, 인버터 시스템 설계 상의 한계가 있기 때문에, DC 캐패시터에 인가되는 전압을 높이기 위하여 DC 전원을 변경하는 데에는 한계가 있다.
따라서, 본 개시는 이상과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 개시의 주목적은, 별도의 승압 구성의 추가 없이, 인버터 자체 전력부품인 전력변환모듈을 이용하여, DC 캐패시터로 인가되는 전압을 DC 전원보다 높일 수 있도록 구현된 고전압 인버터 시스템을 제공함에 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 모터를 구동하는 데에 필요한 DC 전원을 인가하는 DC 전원(DC power source); 상기 DC 전원을 AC 전원(AC source)으로 변환하여 모터로 인가하고, 상기 DC전원에 대해 병렬 연결되는 복수의 레그(leg)로 구성되는 전력변환모듈(power conversion module); DC 캐패시터(capatitor)를 충전시키거나, 상기 모터를 저속·고토크(low speed·high torque)영역 또는 고속·저토크(high speed·low torque)영역에서 동작시키기 위해, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 이용하여 상기 전력변환모듈을 제어하는 제어모듈(control module); 및 상기 모터에 Y-Y 결선 형태로 결선되는 자기회로와 상기 전력변환모듈 사이에 연결되며, 상기 DC 캐패시터의 충전 시 상기 DC 전원의 전압보다 높은 전압으로 충전되도록 동작하는 다수의 인덕터(inductor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템을 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, DC 캐패시터(capatitor)를 충전시키거나, 모터가 저속·고토크(low speed·high torque)영역 또는 고속·저토크(high speed·low torque)영역에서 동작하도록 전력변환모듈(power conversion module)을 제어하기 위해, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 신호생성과정; 및 상기 PWM 신호에 따라서 상기 모터 또는 상기 DC 캐패시터에 인가할 전압을 생성하는 전압생성과정을 포함하되, 상기 신호생성과정은, 상기 DC 캐패시터의 충전 시 DC 전원의 전압보다 높은 전압으로 충전되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 제어 방법을 제공한다.
이와 같은 본 개시의 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템을 이용하면, 별도의 승압 구성의 추가 없이, 인버터 자체 전력부품인 전력변환모듈을 이용하여, DC 캐패시터로 인가되는 전압을 DC 전원보다 높일 수 있다.
따라서, DC 캐패시터의 충전 용량을 증가시켜, 전력변환모듈로 인가되는 전압의 리플을 줄일 수 있고, 이에 따라, 전력변환모듈에 대한 제어 안정도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템의 일례의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어 중 V상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 중 V상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 7은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 8은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 DC 캐패시터에 대한 충전 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 9는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 DC 캐패시터에 대한 충전 제어 중 V상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 10은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 DC 캐패시터에 대한 충전 제어 중 W상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에”와 “바로 ~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템 및 이의 동작 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템의 일례의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템(100)은 DC 전원(DC power source, 110), 전력변환모듈(power conversion module, 120), DC 캐패시터(DC capacitor, 130), 제어모듈(control module, 140), 모터(motor, 150), 자기회로(magnetic circuit, 160) 및 인덕터(inductor, 170)를 포함한다.
DC 전원(110)은 모터(150)를 구동하는 데에 필요한 DC 전원을 인가한다.
전력변환모듈(120)은 인가되는 DC 전원을 3상의 AC 전원으로 변환하고, AC 전원을 모터(150)에 인가하여 구동시킨다. 또한, 전력변환모듈(120)은 인가되는 DC 전원을 이용하여 DC 캐패시터(130)를 충전하도록 동작한다. 전력변환모듈(120)은 제어모듈(140)로부터의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 따라 동작한다.
전력변환모듈(120)은 3-레그(3-leg, 121, 122, 및 123)로 구성되고, 모터의 3상(three phases)에 대한 제어가 이루어지기 때문에, 전력변환모듈(120)은 9개의 스위칭 소자(SW1 ~ SW9)로 구성된다.
스위칭 소자(SW1 ~ SW9)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
전력변환모듈(120)에 있어서, 3개의 레그(121, 122, 123)는 각각 병렬로 배치되며, 제 1 레그(121, ‘u상 레그’)는 모터(150)에 대한 u상 제어에 이용되고, 제 2 레그(122, ‘v상 레그’)는 모터(150)에 대한 v상 제어에 이용되고, 제 3 레그(123, ‘w상 레그’)는 모터(150)에 대한 w상 제어에 이용된다. 이들 3개의 레그(121, 122, 123) 각각은 직렬로 연결되는 3개의 스위칭 소자(switching element)로 구성된다.
제 1 레그(121)는 DC 전원(110)의 양극에 대해서 순차적으로 직렬로 연결되는 제 1 스위칭 소자(SW1), 제 2 스위칭 소자(SW2) 및 제 3 스위칭 소자(SW3)로 구성된다.
제 2 레그(122)는 DC 전원(110)의 양극에 대해서 순차적으로 직렬로 연결되는 제 4 스위칭 소자(SW4), 제 5 스위칭 소자(SW5) 및 제 6 스위칭 소자(SW6)로 구성된다.
제 3 레그(123)는 DC 전원(110)의 양극에 대해서 순차적으로 직렬로 연결되는 제 7 스위칭 소자(SW7), 제 8 스위칭 소자(SW8) 및 제 9 스위칭 소자(SW9)로 구성된다.
이들 제 1 내지 제 9 스위칭 소자(SW1 ~ SW9)는 각각 제어모듈(140)로부터의 PWM 신호(PWM-U, PWM-V, PWM-W)에 따라 온(on) 되거나 오프(off) 된다.
DC 캐패시터(130)는 DC 전원(110)과 전력변환모듈(120) 사이에 DC 전원(110)과 병렬로 연결되어, DC 전원(110)으로부터 전력변환모듈(120)로 인가되는 전원에 대한 평활(smooting) 기능을 수행한다.
제어모듈(140)은 전력변환모듈(140)로 PWM 신호를 출력하여 전력변환모듈(140)을 제어하여, 모터(150)의 회전 속도 및 토크(torque)를 제어한다.
제어모듈(140)은 PWM 신호를 이용한 제어를 수행하여, 모터(150)가 저속·고토크(low speed·high torque) 영역에서 구동하도록 하거나, 모터(150)가 고속·저토크(high speed·low torque) 영역에서 구동하도록 하거나, DC 캐패시터(130)를 충전시킨다.
자기회로(160)는 모터(150)에 Y-Y 결선 형태로 결선되며, U1 코일, V1 코일 및 W1 코일로 구성된 제 1 Y 결선과, U2 코일, V2 코일 및 W2 코일로 구성된 제 2 Y 결선으로 이루어진다.
제 1 Y 결선 및 제 2 Y 결선을 구성하는 모든 코일들(U1, U2, V1, V2, W1, W2)의 일단은 한 점(O)에 접속되고, 코일들(U1, U2, V1, V2, W1, W2)의 타단은 전력변환모듈(120)의 서로 다른 노드(n1 ~ n6)에 연결된다.
구체적으로, U1 코일의 타단은 제 1 스위칭 소자(SW1)와 제 2 스위칭 소자(SW2) 사이의 접점인 제 1 노드(n1)에 연결되고, U2 코일의 타 단은 제 2 스위칭 소자(SW2)와 제 3 스위칭 소자(SW3) 사이의 접점인 제 2 노드(n2)에 연결된다.
V1 코일의 타 단은 제 4 스위칭 소자(SW4)와 제 5 스위칭 소자(SW5) 사이의 접점인 제 3 노드(n3)에 연결되고, V2 코일의 타 단은 제 5 스위칭 소자(SW5)와 제 6 스위칭 소자(SW6) 사이의 접점인 제 4 노드(n4)에 연결된다.
W1 코일의 타 단은 제 7 스위칭 소자(SW7)와 제 8 스위칭 소자(SW8) 사이의 접점인 제 5 노드(n5)에 연결되고, W2 코일의 타 단은 제 8 스위칭 소자(SW8)와 제 9 스위칭 소자(SW9) 사이의 접점인 제 6 노드(n6)에 연결된다.
인덕터(170)는 전력변환모듈(120)과 자기회로(160) 사이에 연결되는데 3개의 상(phase) 각각에 적용될 수 있도록 3개가 구비된다. 이들 중 하나의 인덕터(제 1 인덕터, 170a)는 U2 코일과 제 2 노드(n2) 사이에 연결되고, 이들 중 다른 하나의 인덕터(제 2 인덕터, 170b)는 V2 코일과 제 4 노드(n4) 사이에 연결되고, 이들 중 또 다른 하나의 인덕터(제 3 인덕터, 170c)는 W2 코일과 제 6 노드(n6) 사이에 연결된다.
인덕터(170)는 모터(150)가 저속 및 고토크 영역에서뿐만 아니라 고속·저토크 영역에서도 동작 가능하도록 하는 역할을 한다. 즉, 인덕터(170)는 모터(150)를 구동할 때 전체 인덕턴스(inductance)를 증가시키는 역할을 한다.
예를 들어, 모터(150)가 고속·저토크 영역에서 동작하도록 제어가 이루어지는 경우에 있어서, 모터(150)에 대한 U상 제어가 이루어지는 경우, 전류는 경로 제 1 스위칭 소자(SW1) - 제 2 스위칭 소자(SW2) - 제 1 인덕터(170a) - U2 코일 - V2 코일 - 제 2 인덕터(170b) - 제 6 스위칭 소자(SW6)와 같은 경로를 따라 흐른다. 따라서, 언급된 경로 상의 인덕턴스는 제 1 및 제 2 인덕터(170a, 170b)에 의해 증가한다.
모터(150)가 고속·저토크 영역에서 동작하도록 제어가 이루어지는 경우에 있어서, 모터(150)에 대한 V상 제어 및 W상 제어에서도 동일하게 전류 경로 상의 인덕턴스는 증가한다.
또한, 인덕터(170)는 DC 전원(110)에 의해 DC 캐패시터(130)가 충전되는 경우, DC 전원(110)의 전압보다 높은 전압으로 DC 캐패시터(130)가 충전되도록 하는 역할을 한다. 예를 들어, 모터(150)가 고속·저토크 영역에서 동작하도록 제어가 이루어진 경우, U상 제어의 경우에는 제 1 인덕터(170a)에 의해 유도 기전력이 발생하고, V상 제어의 경우에는 제 2 인덕터(170b)에 의해 유도 기전력이 발생하고, W상 제어의 경우에는 제 3 인덕터(170c)에 의해 유도 기전력이 발생한다.
이와 같이, 모터(150)에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 시에, 제 1 내지 제 3 인덕터(170a ~ 170c)에 의해 유도 기전력이 발생한다.
유도 기전력이 발생된 상태에서, DC 캐패시터(130)에 대한 충전 제어가 이루어지면, DC 캐패시터(130)에는 DC 전원(110)에 의한 전압뿐만 아니라 유도 기전력에 의한 전압이 함께 인가된다. 따라서, DC 캐패시터(130)는 DC 전원(110)에 의한 전압에 유도 기전력에 의한 전압만큼 상승된 전압으로 충전이 된다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템의 구성 및 구성별 기능 혹은 동작에 대해서 설명하였다.
이하에서는 제어모듈(140)의 제어에 따른 고전압 인버터 시스템의 동작에 대해서 구체적으로 설명한다. 상세하게, 모터(150)에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어, 모터(150)에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 및 DC 캐패시터(130)에 대한 충전 제어에 대해서 설명한다.
우선, 제어모듈(140)이 모터(150)가 저속·고토크 영역에서 구동하도록 제어하는 과정에 대해서 도 2 내지 4를 참조하여 살펴본다.
도 2는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이고, 도 3은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어 중 V상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이며, 도 4는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 저속·고토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 2 내지 4에서는 설명에 불필요한 일부 도면 부호가 생략되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 모터(150)에 대한 U상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여 제 1, 5, 및 6 스위칭 소자(SW1, SW5, SW6)를 온(on) 시키고, 제 2, 3, 4, 7, 8, 및 9 스위칭 소자(SW2, SW3, SW4, SW7, SW8, SW9)를 오프(off) 시킨다.
따라서, 전류는 경로 ‘제 1 스위칭 소자(SW1) - U1 코일 - V1 코일 - 제 5 스위칭 소자(SW5) - 제 6 스위칭 소자(SW6)’를 따라 흐른다.
도 3에 도시된 바와 같이, 모터(150)에 대한 V상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여 제 4, 8, 및 9 스위칭 소자(SW4, SW8, SW9)를 온(on) 시키고, 제 1, 2, 3, 5, 6, 및 7 스위칭 소자(SW1, SW2, SW3, SW5, SW6, SW7)를 오프(off) 시킨다.
따라서, 전류는 경로 ‘제 4 스위칭 소자(SW4) - V1 코일 - W1 코일 - 제 8 스위칭 소자(SW8) - 제 9 스위칭 소자(SW9)’를 따라 흐른다.
도 4에 도시된 바와 같이, 모터(150)에 대한 W상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여 제 2, 3, 및 7 스위칭 소자(SW2, SW3, SW7)를 온(on) 시키고, 제 1, 4, 5, 6, 8, 및 9 스위칭 소자(SW1, SW4 ~ SW6, SW8, SW9)를 오프(off) 시킨다.
따라서, 전류는 경로 ‘제 7 스위칭 소자(SW7) - W1 코일 - U1 코일 - 제 2 스위칭 소자(SW2) - 제 3 스위칭 소자(SW3)’를 따라 흐른다.
다음으로, 제어모듈(140)이 모터(150)가 고속·저토크 영역에서 구동하도록 제어하는 과정에 대해서 도 5 내지 7을 참조하여 살펴본다.
도 5는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이고, 도 6은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 중 V상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이며, 도 7은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 모터에 대한 고속·저토크 영역 구동 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 5 내지 7에서는 설명에 불필요한 일부 도면 부호가 생략되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모터(150)에 대한 U상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여, 제 1, 2, 및 6 스위칭 소자(SW1, SW2, SW6)를 온(on) 시키고, 제 4, 5, 7, 8, 및 9 스위칭 소자(SW4, SW5, SW7 ~ SW9)를 오프(off) 시킨다.
이에 따라, 전류는 경로 ‘제 1 스위칭 소자(SW1) - 제 2 스위칭 소자(SW2) - 제 1 인덕터(170a) - U2 코일 - V2 코일 - 제 2 인덕터(170b) - 제 6 스위칭 소자(SW6)’를 따라 흐른다.
도 6에 도시된 바와 같이, 모터(150)에 대한 V상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여, 제 4, 5, 및 9 스위칭 소자(SW4, SW5, SW9)를 온(on) 시키고, 제 1~3 및 6~8 스위칭 소자(SW1 ~ SW3, SW6 ~ SW8)를 오프(off) 시킨다.
이에 따라, 전류는 경로 ‘제 4 스위칭 소자(SW4) - 제 5 스위칭 소자(SW5) - 제 2 인덕터(170b) - V2 코일 - W2 코일 - 제 3 인덕터(170c) - 제 9 스위칭 소자(SW9)’를 따라 흐른다.
도 7에 도시된 바와 같이, 모터(150)에 대한 W상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여, 제 3, 7, 및 8 스위칭 소자(SW3, SW7, SW8)를 온(on) 시키고, 제 1, 2, 4 ~ 6, 및 9 스위칭 소자(SW1, SW2, SW4 ~ SW6, SW9)를 오프(off) 시킨다.
이에 따라, 전류는 경로 ‘제 7 스위칭 소자(SW7) - 제 8 스위칭 소자(SW) - 제 3 인덕터(170c) - W2 코일 - U2 코일 - 제 1 인덕터(170a) - 제 3 스위칭 소자(SW3)’를 따라 흐른다.
마지막으로, 제어모듈(140)이 DC 캐패시터(130)가 충전되도록 제어하는 과정에 대해서 도 8 내지 10을 참조하여 살펴본다.
도 8은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 DC 캐패시터에 대한 충전 제어 중 U상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이고, 도 9는 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 DC 캐패시터에 대한 충전 제어 중 V상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이며, 도 10은 본 개시의 바람직한 실시예에 따른 고전압 인버터 시스템에 있어서의 DC 캐패시터에 대한 충전 제어 중 W상 제어 시의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 8 내지 10에서는 설명에 불필요한 일부 도면 부호가 생략되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, DC 캐패시터(130) 충전에 대한 U상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여, 제 2 ~ 5 스위칭 소자(SW2 ~ SW5)를 온(on) 시키고, 제 1 및 6 ~ 9 스위칭 소자(SW1, SW6 ~ SW9)를 오프(off) 시킨다.
이에 따라, 전류는 경로 ‘제 3 스위칭 소자(SW3) - 제 2 스위칭 소자(SW2) - U1 코일 - V2 코일 - 제 2 인덕터(170b) - 제 5 스위칭 소자(SW5) - 제 4 스위칭 소자(SW4)’를 따라 흐른다.
도 9에 도시된 바와 같이, DC 캐패시터(130) 충전에 대한 V상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여, 제 5 ~ 8 스위칭 소자(SW5 ~ SW8)를 온(on) 시키고, 제 1 ~ 4 및 9 스위칭 소자(SW1 ~ SW4, SW9)를 오프(off) 시킨다.
이에 따라, 전류는 경로 ‘제 6 스위칭 소자(SW6) - 제 5 스위칭 소자(SW5) - V1 코일 - W2 코일 - 제 3 인덕터(170c) - 제 8 스위칭 소자(SW8) - 제 7 스위칭 소자(SW7)’를 따라 흐른다.
도 10에 도시된 바와 같이, DC 캐패시터(130) 충전에 대한 W상 제어를 하는 경우, 제어모듈(140)은 PWM 신호를 출력하여, 제 1, 2, 8, 및 9 스위칭 소자(SW1, SW2, SW8, SW9)를 온(on) 시키고, 제 3 ~ 7 스위칭 소자(SW3 ~ SW7)를 오프(off) 시킨다.
이에 따라, 전류는 경로 ‘제 9 스위칭 소자(SW9) - 제 8 스위칭 소자(SW8) - W1 코일 - U2 코일 - 제 1 인덕터(170a) - 제 2 스위칭 소자(SW2) - 제 1 스위칭 소자(SW1)’를 따라 흐른다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 기능 혹은 모든 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 고전압 인버터 시스템 및 이의 동작 방법을 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 고전압 인버터 시스템
110 : DC 전원
120 : 전력변환모듈
130 : DC 캐패시터
140 : 제어모듈
150 : 모터
160 : 자기회로
170 : 인덕터
n1, n2, n3, n4, n5, n6 : 노드
SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7, SW8, SW9 : 스위칭 소자

Claims (8)

  1. 모터를 구동하는 데에 필요한 DC 전원을 인가하는 DC 전원(DC power source);
    상기 DC 전원을 AC 전원(AC source)으로 변환하여 모터로 인가하고, 상기 DC 전원에 대해 병렬 연결되는 복수의 레그(leg)로 구성되는 전력변환모듈(power conversion module);
    DC 캐패시터(capatitor)를 충전시키거나, 상기 모터를 저속·고토크(low speed·high torque)영역 또는 고속·저토크(high speed·low torque)영역에서 동작시키기 위해, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 이용하여 상기 전력변환모듈을 제어하는 제어모듈(control module); 및
    상기 모터에 Y-Y 결선 형태로 결선되는 자기회로와 상기 전력변환모듈 사이에 연결되며, 상기 DC 캐패시터의 충전 시 상기 DC 전원의 전압보다 높은 전압으로 충전되도록 동작하는 다수의 인덕터(inductor)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 모터가 고속·저토크영역에서 동작하도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 경우, 상기 자기회로에 흐르는 전류가 상기 다수의 인덕터 중 적어도 하나를 포함하는 경로를 따라 흐르도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 DC 캐패시터를 충전하도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 경우, 상기 DC전원의 전압에 상기 인덕터에 발생한 유도기전력에 의한 전압만큼 상승된 전압으로 상기 DC 캐패시터를 충전하도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환모듈은,
    상기 DC 전원의 양극 사이에 직렬로 연결되는 3개의 스위칭 소자가 하나의 레그를 구성하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기회로는, U1 코일, V1 코일 및 W1 코일로 구성된 제 1 Y 결선과 U2 코일, V2 코일 및 W2 코일로 구성된 제 2 Y 결선으로 이루어지고,
    상기 제 1 및 제 2 Y 결선을 구성하는 모든 코일들의 일단은 한 점에서 접속되고, 상기 모든 코일들의 타단은 상기 전력변환모듈의 서로 다른 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 시스템.
  6. DC 캐패시터(capatitor)를 충전시키거나, 모터가 저속·고토크(low speed·high torque)영역 또는 고속·저토크(high speed·low torque)영역에서 동작하도록 전력변환모듈(power conversion module)을 제어하기 위해, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 신호생성과정; 및
    상기 PWM 신호에 따라서 상기 모터 또는 상기 DC 캐패시터에 인가할 전압을 생성하는 전압생성과정을 포함하되,
    상기 신호생성과정은, 상기 DC 캐패시터의 충전 시 DC 전원의 전압보다 높은 전압으로 충전되도록 상기 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호생성과정은,
    상기 모터가 고속·저토크영역에서 동작하도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 경우, 모터에 Y-Y 결선 형태로 결선되는 자기회로에 흐르는 전류가 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 경로를 따라 흐르도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 신호생성과정은,
    상기 DC 캐패시터를 충전하도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 경우, 상기 DC 전원의 전압에 인덕터에 발생한 유도기전력에 의한 전압만큼 상승된 전압으로 상기 DC 캐패시터를 충전하도록 상기 전력변환모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 고전압 인버터 제어 방법.
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