KR20220061570A - Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss - Google Patents

Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss Download PDF

Info

Publication number
KR20220061570A
KR20220061570A KR1020200147689A KR20200147689A KR20220061570A KR 20220061570 A KR20220061570 A KR 20220061570A KR 1020200147689 A KR1020200147689 A KR 1020200147689A KR 20200147689 A KR20200147689 A KR 20200147689A KR 20220061570 A KR20220061570 A KR 20220061570A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
switching
frequency
pwm inverter
switching frequency
phase pwm
Prior art date
Application number
KR1020200147689A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
정지훈
허경욱
Original Assignee
울산과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산과학기술원 filed Critical 울산과학기술원
Priority to KR1020200147689A priority Critical patent/KR20220061570A/en
Publication of KR20220061570A publication Critical patent/KR20220061570A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The present invention relates to a switching control apparatus of a three-phase pulse width modulation (PWM) inverter. According to the present invention, the switching control apparatus of the three-phase PWM inverter for reducing a switching loss includes: a reference frequency setting unit for setting a fixed switching frequency applied to a continuous conduction mode (CCM) switching scheme as a reference switching frequency; and an inductance determination unit for determining an inductance value of an inductor inside the three-phase PWM inverter, which allows a maximum switching frequency value within a variable switching frequency range applied to a discontinuous conduction mode (DCM) switching scheme to be the reference switching frequency, wherein the three-phase PWM inverter is controlled by the DCM switching scheme, in which an inductance value greater than or equal to the determined value is applied to the inductor. According to the present invention, when the three-phase PWM inverter is driven by the DCM switching scheme, an inductance value that ensures a lower switching loss than a switching loss of the CCM switching scheme is selected and applied, so that a switching loss is reduced as compared with the CCM switching scheme under the same condition.

Description

스위칭 손실 저감을 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치{Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss}Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss

본 발명은 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위칭 손실 저감을 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a switching control device for a three-phase PWM inverter, and more particularly, to a switching control device for a three-phase PWM inverter for reducing switching loss.

최근 SiC, GaN 등과 같은 와이드 밴드갭 소자의 개발에 따라 DC/AC 인버터에 적용되는 스위칭 주파수는 100 kHz 이상에 이르게 되었고, 이에 따라 전력변환 장치에서 요구되는 수동 소자의 부피를 줄일 수 있어 전력 밀도가 상승되는 이점이 있었다. 그러나, 스위칭 주파수가 증가함에 따라 스위칭 손실도 증가하고 이는 전력변환 장치의 효율을 저해하는 요인이 된다. With the recent development of wide bandgap devices such as SiC and GaN, the switching frequency applied to the DC/AC inverter has reached 100 kHz or more, and thus the volume of passive elements required in the power conversion device can be reduced, thereby increasing the power density. There was an increasing advantage. However, as the switching frequency increases, the switching loss also increases, which is a factor impairing the efficiency of the power conversion device.

도 1은 3상 PWM 인버터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이러한 3상 PWM 인버터1(10)는 3상 모터(Moter)(20) 혹은 계통 연계형(Grid)에 적용 가능하며, 모터 제어 또는 계통의 전력 공급을 위해 사용된다. 이하에서는 주로 3상 모터를 예시한다.1 is a diagram schematically showing the structure of a three-phase PWM inverter. This three-phase PWM inverter 1 (10) is applicable to a three-phase motor (Moter) 20 or a grid-connected type (Grid), and is used for controlling the motor or supplying power to the grid. Hereinafter, a three-phase motor is mainly exemplified.

3상 PWM 인버터(10)는 입력된 직류 전압(VIN)을 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 통해 3상의 교류 전압으로 변환하여 3상 모터로 인가(공급)한다. 이러한 PWM 인버터는 3상의 각 상(R,S,T)에 대응하여 총 6개의 스위치 즉, 3개의 스위치 쌍(S1과 S2, S3와 S4, S5와 S6)을 포함하여 구성된다.The 3-phase PWM inverter 10 converts the input DC voltage (V IN ) into a 3-phase AC voltage through PWM (Pulse Width Modulation) switching and applies (supply) it to the 3-phase motor. This PWM inverter is configured to include a total of six switches, that is, three switch pairs (S1 and S2, S3 and S4, S5 and S6) corresponding to each of the three phases (R, S, T).

3개의 스위치 쌍의 각 접점은 모터의 각 위상단에 연결된다. 즉, 각 상(R,S,W)의 교류 출력이 LC 필터 단을 거친 후 3상 모터의 각 상으로 인가된다.Each contact of the three switch pairs is connected to each phase end of the motor. That is, the AC output of each phase (R, S, W) is applied to each phase of the 3-phase motor after passing through the LC filter stage.

기존의 3상 PWM 인버터는 LC 필터의 인덕터에 전류가 연속으로 흐르는 CCM(Continuous Conduction Mode)으로 동작하면서 각 상의 정현파 전류를 모터나 계통으로 공급한다.The existing three-phase PWM inverter operates in CCM (Continuous Conduction Mode), in which current continuously flows through the inductor of the LC filter, and supplies a sine wave current of each phase to the motor or system.

도 2는 도 1의 3상 PWM 인버터가 CCM 기법으로 구동하여 스위칭 주파수가 일정할 때 인덕터에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다. 여기서 가로축은 시간, 세로축은 전류 값을 나타낸다.FIG. 2 is a diagram illustrating a current waveform flowing through an inductor when the three-phase PWM inverter of FIG. 1 is driven by the CCM technique and the switching frequency is constant. Here, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents current values.

이러한 도 2는 CCM 방식으로 동작 시 3상 중 하나인 R상에 흐르는 전류 파형을 나타낸다. 도시하지 않았으나, S상의 파형은 R상을 기준으로 120도, T상의 파형은 R상을 기준으로 240도의 위상차를 가진다.2 shows the waveform of the current flowing in the R phase, which is one of the three phases, when operating in the CCM method. Although not shown, the S-phase waveform has a phase difference of 120 degrees with respect to the R phase, and the T-phase waveform has a phase difference of 240 degrees with respect to the R phase.

그러나, 인버터가 CCM으로 동작하는 경우 인덕터에 흐르는 평균 전류의 크기에 관계 없이 항상 동일한 스위칭 주파수로 스위치가 동작하므로 스위칭 주파수에 비례하는 스위칭 손실이 꾸준히 발생하게 된다. 또한 와이드 밴드갭 소자의 개발에 따라 전력 밀도 감소를 위하여 인버터의 스위칭 주파수를 100kHz 이상으로 증가시키게 됨에 따라, CCM 기법의 경우 이렇게 증가된 스위칭 주파수에 비례하여 스위칭 손실의 비율도 증가하는 문제가 있다.However, when the inverter operates as a CCM, the switch always operates at the same switching frequency regardless of the magnitude of the average current flowing through the inductor, so that a switching loss proportional to the switching frequency is continuously generated. In addition, as the switching frequency of the inverter is increased to 100 kHz or more in order to reduce the power density according to the development of a wide bandgap device, in the case of the CCM technique, there is a problem in that the ratio of the switching loss increases in proportion to the increased switching frequency.

이러한 문제를 해결하기 위하여 인덕터에 흐르는 전류가 불연속으로 흐르는 DCM(Discontinuous Conduction Mode) 스위칭 기법이 있다. DCM 기법은 3상 인버터의 출력 인덕터에 흐르는 각 상의 전류를 불연속적으로 제어한다.In order to solve this problem, there is a DCM (Discontinuous Conduction Mode) switching technique in which the current flowing through the inductor flows discontinuously. The DCM technique discontinuously controls the current of each phase flowing through the output inductor of a three-phase inverter.

도 3은 도 1의 인버터가 DCM 스위칭 기법으로 구동하여 스위칭 주파수가 가변할 때 인덕터에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a current waveform flowing through an inductor when the inverter of FIG. 1 is driven by the DCM switching technique to change the switching frequency.

도 2에 도시된 CCM 기법의 경우 인덕터에 흐르는 전류가 연속적으로 제어기 내의 정현파의 기준 전류를 따라 제어되지만, 도 3에 나타낸 DCM 동작은 인덕터 전류가 불연속적으로 흐르기 위한 상위 밴드와 하위 밴드를 제어기 내에 제한하여 제어하는 히스테리시스 기법으로 동작한다. In the case of the CCM technique shown in FIG. 2, the current flowing through the inductor is continuously controlled according to the reference current of a sine wave in the controller, but the DCM operation shown in FIG. It operates in a hysteresis technique that limits and controls.

이를 통해 인덕터의 평균 전류가 낮은 구간에서는 스위칭 주파수를 증가시키고, 인덕터의 평균 전류가 높은 구간에서는 스위칭 주파수를 감소시켜 전체 스위칭 손실을 저감시킬 수 있는 장점을 가진다. Through this, the switching frequency is increased in the section where the average current of the inductor is low and the switching frequency is decreased in the section where the average current of the inductor is high, thereby reducing the overall switching loss.

하지만, 인덕터의 인덕턴스 값을 어떻게 선정하느냐에 따라 DCM의 가변 주파수 변동 범위가 달라질 수 있으며, 주파수 변동 범위가 너무 커지게 되면 오히려 CCM보다 손실이 증가하게 되는 문제점이 있다.However, the variable frequency variation range of DCM may vary depending on how the inductance value of the inductor is selected, and if the frequency variation range becomes too large, loss rather than CCM increases.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-1766433호(2017.08.08 공고)에 개시되어 있다.The technology that is the background of the present invention is disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-1766433 (published on August 8, 2017).

본 발명은 3상 PWM 인버터를 DCM 스위칭 기법으로 구동함에 있어 CCM 스위칭 기법보다 낮은 스위칭 손실을 갖기 위한 인덕턴스 값을 선정하여 적용함으로써 CCM 스위칭 기법보다 낮은 손실을 갖기 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.The present invention provides a switching control device of a three-phase PWM inverter to have a lower loss than the CCM switching method by selecting and applying an inductance value to have a lower switching loss than the CCM switching method in driving the three-phase PWM inverter by the DCM switching method. It is intended to provide

본 발명은, 스위칭 손실 저감을 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치에 있어서, CCM 스위칭 기법에 적용되는 고정된 스위칭 주파수를 기준 스위칭 주파수로 설정하는 기준 주파수 설정부, 및 DCM 스위칭 기법에 적용되는 가변 스위칭 주파수 범위 상의 최대 스위칭 주파수 값이 상기 기준 스위칭 주파수가 되기 위한 3상 PWM 인버터 내 인덕터의 인덕턴스 값을 결정하는 인덕턴스 결정부를 포함하며, 상기 3상 PWM 인버터는, 상기 DCM 스위칭 기법으로 제어되되 상기 결정된 값보다 크거나 같은 인덕턴스 값이 상기 인덕터에 적용되는 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치를 제공한다.The present invention, in a switching control device of a three-phase PWM inverter for reducing switching loss, a reference frequency setting unit for setting a fixed switching frequency applied to the CCM switching technique as a reference switching frequency, and a variable applied to the DCM switching technique and an inductance determining unit that determines an inductance value of an inductor in a three-phase PWM inverter for a maximum switching frequency value in a switching frequency range to become the reference switching frequency, wherein the three-phase PWM inverter is controlled by the DCM switching technique, but the determined To provide a switching control device for a three-phase PWM inverter in which an inductance value greater than or equal to the value is applied to the inductor.

또한, 상기 인덕턴스 결정부는, 3상 PWM 인버터의 입력 전압, 모터에 인가되는 실효치 교류 전압, 상기 인덕터에 흐르는 피크 전류, 상기 기준 스위칭 주파수를 설정 함수에 대입하여 상기 인덕턴스 값을 결정할 수 있다.Also, the inductance determining unit may determine the inductance value by substituting the input voltage of the three-phase PWM inverter, the rms AC voltage applied to the motor, the peak current flowing through the inductor, and the reference switching frequency into a setting function.

또한, 상기 설정 함수는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.In addition, the setting function may be expressed by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, LR은 결정된 인덕턴스 값, Fsw는 상기 기준 스위칭 주파수, VIN은 상기 입력 전압, VR(AC)은 상기 실효치 교류 전압, Iref는 상기 피크 전류를 나타낸다.Here, L R is the determined inductance value, F sw is the reference switching frequency, V IN is the input voltage, V R(AC) is the rms AC voltage, and I ref is the peak current.

또한, 상기 스위칭 주파수에 대해 데드 타임을 설정하는 데드타임 설정부를 더 포함하며, 상기 3상 PWM 인버터는, 상기 DCM 스위칭 제어 시에 상기 데드 타임이 반영될 수 있다.In addition, it further includes a dead time setting unit for setting a dead time for the switching frequency, the three-phase PWM inverter, the dead time may be reflected in the DCM switching control.

또한, 상기 CCM 스위칭 기법에 적용된 스위칭 주파수인 상기 기준 스위칭 주파수에 따라서 상기 인덕턴스 값이 달리 결정되되, 상기 기준 스위칭 주파수가 높을수록 상기 인덕턴스 값이 낮은 값으로 결정될 수 있다.In addition, the inductance value is determined differently according to the reference switching frequency, which is a switching frequency applied to the CCM switching technique, and the higher the reference switching frequency, the lower the inductance value may be determined.

본 발명은 3상 PWM 인버터를 구동함에 있어 스위칭 주파수의 가변을 적용한 DCM 스위칭 기법을 적용하여 스위칭 손실을 저감할 수 있다.The present invention can reduce switching loss by applying a DCM switching technique to which a change in a switching frequency is applied in driving a three-phase PWM inverter.

특히, 본 발명은 3상 PWM 인버터를 DCM 스위칭 기법으로 구동함에 있어 CCM 스위칭 기법보다 낮은 스위칭 손실을 갖기 위한 인덕턴스 값을 선정하고 이를 인덕터에 반영함으로써 동일 조건의 회로에서 CCM 스위칭 기법보다 스위칭 손실을 저감할 수 있는 이점이 있다.In particular, the present invention reduces the switching loss compared to the CCM switching technique in a circuit under the same condition by selecting an inductance value to have a lower switching loss than the CCM switching technique in driving a three-phase PWM inverter using the DCM switching technique and reflecting it in the inductor. There are advantages to being able to

도 1은 3상 PWM 인버터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 인버터가 CCM 기법으로 구동하여 스위칭 주파수가 일정할 때 인덕터에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 3은 도 1의 인버터가 DCM 스위칭 기법으로 구동하여 스위칭 주파수가 가변할 때 인덕터에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 손실 저감을 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4를 이용한 가변 주파수 제어 기법을 설명한 도면이다.
도 6은 도 1의 3상 인버터에서 R상에 전류를 공급하는 스위칭 개략도이다.
도 7은 도 6에서 R상의 전류 제어를 위한 스위칭 개략도이다.
도 8은 반 주기에서 LR 값에 따른 스위칭 주파수 변동을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 가변 스위칭 기법을 구현하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 10은 스위칭 손실을 설명하는 도면이다.
도 11은 LR = 500 uH일 때 DCM과 CCM을 이용할 경우 반 주기 동안의 모드에 따른 순시 및 평균 스위칭 손실을 비교한 도면이다.
도 12는 LR = 100 uH일 때 DCM과 CCM을 이용할 경우 반 주기 동안의 모드에 따른 순시 및 평균 스위칭 손실을 비교한 도면이다.
1 is a diagram schematically showing the structure of a three-phase PWM inverter.
FIG. 2 is a diagram illustrating a current waveform flowing through an inductor when the inverter of FIG. 1 is driven by the CCM technique and the switching frequency is constant.
FIG. 3 is a diagram illustrating a current waveform flowing through an inductor when the inverter of FIG. 1 is driven by the DCM switching technique to change the switching frequency.
4 is a diagram showing the configuration of a switching control device of a three-phase PWM inverter for reducing switching loss according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a variable frequency control technique using FIG. 4 .
FIG. 6 is a schematic diagram of switching for supplying current to R phase in the three-phase inverter of FIG. 1 .
7 is a switching schematic diagram for current control in R phase in FIG. 6 .
8 is a diagram illustrating a switching frequency variation according to a L R value in a half cycle.
9 is a diagram illustrating a method for implementing a variable switching scheme in an embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining a switching loss.
11 is a diagram comparing instantaneous and average switching losses according to modes for a half cycle when DCM and CCM are used when L R = 500 uH.
12 is a diagram comparing instantaneous and average switching losses according to modes for a half cycle when DCM and CCM are used when L R = 100 uH.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Then, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. . Also, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명은 3상 인버터의 출력 평균 전류 크기에 따라 스위칭 주파수를 가변하여 3상 인버터 고주파 구동 시에 스위칭 손실을 저감하는 기법을 제안한다. 특히 본 발명은 3상 PWM 인버터를 DCM으로 구동함에 있어 최적의 인덕터 값 및 데드타임을 선정하여 동일 조건에서 CCM 기법보다 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다. The present invention proposes a technique for reducing switching loss during high-frequency driving of a three-phase inverter by varying the switching frequency according to the average output current of the three-phase inverter. In particular, the present invention can reduce switching losses compared to the CCM technique under the same conditions by selecting the optimal inductor value and dead time in driving a three-phase PWM inverter with DCM.

본 발명은 모터 및 계통 연계 응용분야에 적용될 수 있으나, 저주파 AC 분야라면 응용 분야가 제한되지 않으며, 본 발명은 모터 분야를 주요 예시로 한다. 3상 PWM 인버터의 기본 구조 및 원리는 발명의 배경 기술과 도 1을 참조한다.The present invention can be applied to motor and grid-connected applications, but if it is a low-frequency AC field, the application field is not limited, and the present invention takes the motor field as a main example. For the basic structure and principle of a three-phase PWM inverter, refer to the background of the invention and FIG. 1 .

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 손실 저감을 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4를 이용한 가변 주파수 제어 기법을 설명한 도면이다.4 is a diagram illustrating the configuration of a switching control device of a three-phase PWM inverter for reducing switching loss according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating a variable frequency control technique using FIG. 4 .

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치(100)는 기준 주파수 설정부(110), 인덕턴스 결정부(120), 데드타임 설정부(130)를 포함한다.4 and 5 , the switching control device 100 of a three-phase PWM inverter according to an embodiment of the present invention includes a reference frequency setting unit 110 , an inductance determining unit 120 , and a dead time setting unit 130 . includes

우선, 기준 주파수 설정부(110)는 최적 인덕터 설계를 위하여 CCM 스위칭 기법에 적용되는 고정된 스위칭 주파수(예: 100 kHz)를 기준 스위칭 주파수로 설정한다(S510). First, the reference frequency setting unit 110 sets a fixed switching frequency (eg, 100 kHz) applied to the CCM switching technique as the reference switching frequency for optimal inductor design ( S510 ).

CCM 스위칭 기법의 경우 배경 기술에서 설명한 바와 같이 항상 동일한 스위칭 주파수로 동작하므로, 해당 스위칭 주파수에 비례하는 만큼의 스위칭 손실이 꾸준히 발생한다. In the case of the CCM switching technique, since it always operates at the same switching frequency as described in the background art, a switching loss proportional to the corresponding switching frequency is continuously generated.

이러한 CCM과는 달리 DCM 스위칭 기법은 3상 PWM 인버터의 출력 인덕터에 흐르는 각 상 전류를 불연속적으로 제어하며 고정된 스위칭 주파수가 아닌 시간에 따라 가변하는 스위칭 주파수를 사용한다.Unlike the CCM, the DCM switching technique discontinuously controls each phase current flowing through the output inductor of the 3-phase PWM inverter, and uses a time-varying switching frequency instead of a fixed switching frequency.

따라서 DCM을 이용하면 최소 스위칭 주파수(fmin)와 최대 스위칭 주파수(fmax) 사이에서 스위칭 주파수가 변동하게 된다. 이때, DCM의 가변 스위칭 주파수 범위의 맥시멈 값 즉, 최대 스위칭 주파수 값(fmax)을 CCM에 적용된 스위칭 주파수와 동일하게 할 경우 CCM 기법 보다 낮은 스위칭 손실을 갖게 된다.Therefore, when DCM is used, the switching frequency varies between the minimum switching frequency (fmin) and the maximum switching frequency (fmax). At this time, when the maximum value of the variable switching frequency range of the DCM, that is, the maximum switching frequency value fmax, is equal to the switching frequency applied to the CCM, the switching loss is lower than that of the CCM technique.

그런데, 3상 PWM 인버터의 출력단에 있는 LC 필터의 인덕터 값에 따라서 DCM 동작의 스위칭 주파수 변동 폭(스위칭 주파수 범위)이 달라지는 특성이 있다. 즉, 인버터의 각 상의 출력 인덕터 값은 DCM의 스위칭 주파수 변동 폭에 영향을 미친다. 이에 대해서는 추후 도 8을 통해 설명할 것이다.However, the switching frequency range (switching frequency range) of DCM operation varies according to the inductor value of the LC filter at the output stage of the 3-phase PWM inverter. That is, the output inductor value of each phase of the inverter affects the switching frequency fluctuation range of the DCM. This will be described later with reference to FIG. 8 .

따라서 DCM 동작의 최대 스위칭 주파수를 CCM의 스위칭 주파수(기준 스위칭 주파수)로 만들어 주기 위한 최적의 인덕터 값을 결정하고 이를 인버터의 출력 이덕터 값으로 적용하면, 동일 조건에서 CCM 보다 낮은 스위칭 손실로 동작할 수 있게 된다.Therefore, if the optimal inductor value is determined to make the maximum switching frequency of DCM operation the switching frequency of CCM (reference switching frequency) and this is applied as the output eductor value of the inverter, it can operate with lower switching loss than CCM under the same conditions. be able to

이를 위해, 인덕턴스 결정부(120)는 DCM 스위칭 기법에 적용되는 가변 스위칭 주파수 범위(fmin~fmax) 내의 최대 스위칭 주파수 값(fmax)이 기준 스위칭 주파수 값이 되기 위한 인덕터의 인덕턴스 값(LR)을 결정한다(S520).To this end, the inductance determiner 120 determines the inductance value (L R ) of the inductor so that the maximum switching frequency value (fmax) within the variable switching frequency range (fmin to fmax) applied to the DCM switching technique becomes the reference switching frequency value. It is decided (S520).

구체적으로, 인덕턴스 결정부(120)는 3상 PWM 인버터의 입력 전압, 모터에 인가되는 실효치 교류 전압, 인덕터에 흐르는 피크 전류, 기준 스위칭 주파수(Fsw)를 설정 함수에 대입하여 인덕턴스 값(LR)을 결정한다. Specifically, the inductance determiner 120 substitutes the input voltage of the three-phase PWM inverter, the rms AC voltage applied to the motor, the peak current flowing through the inductor, and the reference switching frequency (F sw ) into the setting function to substitute the inductance value L R ) to determine

이때, 설정 함수는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.In this case, the setting function may be expressed as in Equation 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, LR은 인덕턴스 값, Fsw는 기준 스위칭 주파수, VIN은 인버터의 입력 전압, VR(AC)은 모터에 인가되는 실효치 교류 전압, Iref는 인덕터에 흐르는 피크 전류를 나타낸다. 또한, sin(ωt)에서 t는 시간, ω는 각속도를 나타낸다.Here, L R is the inductance value, F sw is the reference switching frequency, V IN is the input voltage of the inverter, V R(AC) is the rms AC voltage applied to the motor, and I ref is the peak current flowing through the inductor. Also, in sin(ωt), t denotes time and ω denotes angular velocity.

예를 들어, CCM의 스위칭 주파수인 기준 스위칭 주파수가 100 kHz라면, DCM이 이보다 낮은 스위칭 손실을 가지기 위하여 가변될 수 있는 최대 주파수를 100 kHz로 설정한다. 그리고 이러한 기준 스위칭 주파수 Fsw 및 인버터 설계 스펙 VIN, VR(AC),Iref 등을 수학식 1에 적용함으로써 인덕터의 인덕턴스 값 LR을 계산한다.For example, if the reference switching frequency, which is the switching frequency of the CCM, is 100 kHz, the maximum frequency that can be varied in order for the DCM to have a switching loss lower than this is set to 100 kHz. And by applying the reference switching frequency F sw and inverter design specifications V IN , V R(AC) , I ref to Equation 1, the inductance value L R of the inductor is calculated.

수학식 1을 이용하여 인덕턴스 값을 결정하는 이유에 대해서는 추후 상세히 설명할 것이다.The reason for determining the inductance value using Equation 1 will be described later in detail.

다음, 데드타임 설정부(130)는 CCM 스위칭 기법보다 낮은 스위칭 손실을 갖기 위한 데드 타임(Dead Time)을 설정한다(S530). Next, the dead time setting unit 130 sets a dead time (Dead Time) to have a lower switching loss than the CCM switching technique (S530).

이에 따라, 추후 3상 PWM 인버터의 출력측 인덕터는 앞서 결정된 인덕턴스 값 또는 그 보다 큰 값이 적용될 수 있고 인버터의 각 스위치에 데드 타임이 반영된 상태로 DCM 스위칭 방식으로 제어될 수 있다. Accordingly, the output-side inductor of the 3-phase PWM inverter may be applied with the previously determined inductance value or a larger value, and may be controlled by the DCM switching method with the dead time reflected in each switch of the inverter.

여기서 데드 타임은 인버터 출력 전류의 부호가 양에서 음 또는 음에서 양으로 반전되는 시점의 전후마다 적용될 수 있다. 예를 들어 도 3에서 전류가 0인 시점의 앞뒤 구간에는 스위칭을 하지 않도록 데드 타임을 설정한다. 만일, 데드 타임 = 570us로 설정된 경우라면 전류가 0인 시점(t1라 가정)의 앞뒤로 570 us 구간(t1-570 us ~ t1+570 us) 동안에는 스위칭을 하지 않는다.Here, the dead time may be applied before and after the time when the sign of the inverter output current is inverted from positive to negative or from negative to positive. For example, in FIG. 3 , the dead time is set so that switching is not performed in the section before and after the point in time when the current is 0. If the dead time = 570 us, switching is not performed during the 570 us period (t1-570 us ~ t1+570 us) before and after the time when the current is 0 (assuming t1).

이러한 데드 타임은 전류가 0이 되면 DCM 기법의 이론상 스위칭 주파수가 무한대에 가까워지고 스위칭 주파수가 높을수록 스위칭 손실이 커지기 때문에, 이를 방지하기 위한 목적을 가진다.This dead time has the purpose of preventing this because, when the current becomes 0, the theoretical switching frequency of the DCM technique approaches infinity and the switching loss increases as the switching frequency increases.

이후, 3상 PWM 인버터는 앞서 결정된 인덕턴스 값보다 크거나 같은 값이 출력 인덕터에 적용되며, 이러한 인덕턴스 값과 데드 타임이 적용되어 DCM 기법으로 제어된다(S540). Thereafter, in the three-phase PWM inverter, a value greater than or equal to the previously determined inductance value is applied to the output inductor, and the inductance value and the dead time are applied to control using the DCM technique (S540).

예를 들어, 인덕턴스 값이 500 uH로 결정된 경우, 이 500 uH를 출력 인덕터에 적용한 3상 PWM 인버터는 스위칭 주파수를 가변하는 DCM 기법을 적용 시에 최대 100 kHz의 스위칭 주파수를 가지며, 이는 동일 스펙의 회로에서 1O0 kHz의 일정한 스위칭 주파수로 구동하는 CCM 기법을 이용하는 경우보다 낮은 스위칭 손실을 가지게 된다. For example, if the inductance value is determined to be 500 uH, the three-phase PWM inverter with this 500 uH applied to the output inductor has a switching frequency of up to 100 kHz when the DCM technique of varying the switching frequency is applied, which is The circuit has a lower switching loss than the case of using the CCM technique driven at a constant switching frequency of 100 kHz.

결과적으로 3상 PWM 인버터는 DCM 스위칭 기법으로 제어되되, 수학식 1에서 결정된 값보다 크거나 같은 인덕턴스 값이 인덕터에 적용되고 DCM 스위칭 제어 시에 해당 데드 타임이 반영됨으로써, CCM 기법보다 스위칭 손실을 저감할 수 있다. 결정된 값보다 더 작은 인덕턴스 값을 사용할 경우 주파수 변동 폭이 커지고 최대 주파수가 100 kHz를 초과하게 되며 스위칭 손실도 높아진다.As a result, the 3-phase PWM inverter is controlled by the DCM switching technique, but an inductance value greater than or equal to the value determined in Equation 1 is applied to the inductor and the corresponding dead time is reflected in DCM switching control, thereby reducing switching loss than the CCM technique can do. If an inductance value smaller than the determined value is used, the frequency fluctuation width increases, the maximum frequency exceeds 100 kHz, and the switching loss also increases.

다음으로는 수학식 1을 통해 인덕턴스 값을 결정하는 이유에 대해 설명한다. Next, the reason for determining the inductance value through Equation 1 will be described.

우선, 본 발명의 실시예에는 3상 인버터 출력 인덕터에 흐르는 각 상의 전류를 불연속적으로 제어하는 DCM을 통해 스위칭 주파수를 가변하면서 스위칭 손실을 저감시킨다. DCM의 원리를 설명하면 다음과 같다.First, in the embodiment of the present invention, the switching loss is reduced while the switching frequency is varied through DCM for discontinuously controlling the current of each phase flowing through the three-phase inverter output inductor. The principle of DCM is explained as follows.

도 6은 도 1의 3상 인버터에서 R상에 전류를 공급하는 스위칭 개략도이다.FIG. 6 is a schematic diagram of switching for supplying current to R phase in the three-phase inverter of FIG. 1 .

이러한 도 6은 설명의 편의상 전체 3상(R,S,T) 중에서 스위치 S1과 S2와 관계된 R상에 대한 회로만 도시한 것이다. 나머지 상들도 같은 회로를 포함한다. FIG. 6 shows only the circuit for the R phase related to the switches S1 and S2 among all three phases (R, S, T) for convenience of explanation. The remaining phases contain the same circuit.

여기서 S1과 S2의 양단에 직류 전압(VIN)이 인가되며, S1과 S2 간의 접점을 통해서는 인덕터와 커패시터로 이루어진 LC 필터가 연결된다. 이때 커패시터의 양단을 통해 교류 전압(VR(AC))이 출력되어 모터의 R 상에 인가된다.Here, a DC voltage (V IN ) is applied to both ends of S1 and S2, and an LC filter composed of an inductor and a capacitor is connected through a contact point between S1 and S2. At this time, an alternating voltage (V R(AC) ) is output through both ends of the capacitor and applied to the R phase of the motor.

도 6의 경우 모터에 흐르는 전류가 양수일 때를 가정하였다. 도 6의 (a)는 인덕터(LR)에 에너지가 충전되는 구간을 나타내고 도 6의 (b)는 에너지가 방전되는 구간을 나타낸다.In the case of FIG. 6 , it is assumed that the current flowing through the motor is positive. FIG. 6A shows a section in which energy is charged in the inductor L R and FIG. 6B shows a section in which energy is discharged.

도 7은 도 6에서 R상의 전류 제어를 위한 스위칭 개략도이다.7 is a switching schematic diagram for current control in R phase in FIG. 6 .

도 7과 같이 DCM 기법의 경우 히스테리시스 동작을 위한 상/하위 밴드를 수학식 2와 3으로 선정하여 최종적으로 인덕터(LR)에 삼각형 형태의 불연속 전류가 흐르도록 제어한다.As shown in FIG. 7 , in the case of the DCM technique, upper/lower bands for the hysteresis operation are selected by Equations 2 and 3, and a triangular-shaped discontinuous current is finally controlled to flow through the inductor L R .

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

수학식 2는 상위 밴드의 시간(t)에 따른 전류 값이고, 수학식 3은 하위 밴드의 시간에 다른 전류 값을 나타낸다. Equation 2 is a current value according to time t of the upper band, and Equation 3 represents a different current value with time of the lower band.

수학식 2와 3에서 sin(ωt)의 ω는 각속도이며, Iref는 인덕터(LR)에 흐르는 피크 전류를 나타낸다.In Equations 2 and 3, ω of sin(ωt) is the angular velocity, and I ref is the peak current flowing through the inductor (L R ).

이를 바탕으로 인덕터에 흐르는 전류를 계산하였을 때, 도 6의 (a)의 상황(charge)은 수학식 4로 나타낼 수 있고 (b)의 상황(discharge)은 수학식 5로 나타낼 수 있다.When the current flowing through the inductor is calculated based on this, the condition (charge) of FIG. 6 (a) can be expressed by Equation 4, and the condition (discharge) of (b) can be expressed as Equation 5.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서,VIN은 입력 전압, VR(AC)는 인버터(10)의 R상에서 출력되어 모터에 인가되는 교류 전압, LR은 R상의 인덕터에 대한 인덕턴스 값을 의미한다. Here, V IN is an input voltage, V R(AC) is an AC voltage output from the R phase of the inverter 10 and applied to the motor, and L R is an inductance value for the R phase inductor.

각 스위치(S1,S2)의 ON/OFF 시간은 수학식 6과 수학식 7로 표현되며, 최종적으로 수학식 8과 같이 주파수에 관한 수식으로 표현된다.The ON/OFF times of each of the switches S1 and S2 are expressed by Equations 6 and 7, and finally expressed as a frequency-related expression as in Equation 8.

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

수학식 8에서 FSW는 DCM 스위칭 기법에서 시간 t일 때의 스위칭 주파수를 나타낸다. DCM의 스위칭 주파수는 인버터의 입력전압(VIN), 출력전압(VR(AC)), 인덕터의 인덕턴스(LR), 인덕터에 흐르는 피크 전류(Iref)에 영향을 받는다.In Equation 8, F SW represents a switching frequency at time t in the DCM switching technique. The switching frequency of DCM is affected by the input voltage (V IN ) of the inverter, the output voltage (V R(AC) ), the inductance of the inductor (L R ), and the peak current (I ref ) flowing through the inductor.

수학식 8을 LR에 대한 수식으로 변경하면 수학식 1의 형태가 도출된다. 본 발명의 실시예는 이를 통해 동일 조건에서 DCM이 CCM보다 낮은 손실을 갖도록 하는 인덕턴스(LR)를 선정한다. When Equation 8 is changed to a formula for L R , the form of Equation 1 is derived. The embodiment of the present invention selects the inductance ( LR ) through which the DCM has a lower loss than the CCM under the same conditions.

수학식 8에서 Fsw는 시간에 따라 변하는 값을 의미하지만, 수학식 1에서 LR을 구할 때 대입되는 Fsw는 CCM의 스위칭 주파수이자 DCM을 위한 최대 스위칭 주파수(예: 100 kHz)가 된다. 이는 DCM의 변동 가능한 최대 주파수 값을 CCM의 스위칭 주파수와 동일하게 하기 위한 인덕턴스 값을 결정하기 위한 것이다. 이를 이용하면 DCM에서 CCM보다 낮은 손실을 갖게 된다.In Equation 8, F sw means a value that changes with time, but F sw substituted when calculating L R in Equation 1 becomes the switching frequency of CCM and the maximum switching frequency for DCM (eg, 100 kHz). This is to determine the inductance value for making the variable maximum frequency value of the DCM equal to the switching frequency of the CCM. Using this, DCM has lower loss than CCM.

도 8은 반 주기에서 LR 값에 따른 스위칭 주파수 변동을 예시한 도면이다. 이때 세로축은 스위칭 주파수이며 단위가 105 Hz이므로 1의 값은 100 kHz, 5의 값은 500 kHz를 의미한다.8 is a diagram illustrating a switching frequency variation according to a L R value in a half cycle. At this time, the vertical axis is the switching frequency and the unit is 10 5 Hz, so a value of 1 means 100 kHz and a value of 5 means 500 kHz.

예를 들어, 파워 400W, VIN=450V, VR(AC)_RMS=110V (60Hz), Deadband=570 us, 단위 역률을 가지는 조건에서, LR=100 uH인 경우 도 8과 같이 최대 스위칭 주파수(인덕터에 흐르는 평균전류가 최소인 시점) = 500 kHz, 최소 스위칭 주파수(인덕터에 흐르는 평균전류가 최대인 시점) = 60 kHz 이고, LR=500 uH인 경우 최대 스위칭 주파수 = 100 kHz, 최소 스위칭 주파수 = 10 kHz로 변동된다. 이때, 수학식 8에서 시간 t=0인 지점에서는 스위칭 주파수가 무한대가 되기 때문에 Deadband를 적용하여 500 uH 조건에서 최대 스위칭 주파수를 100 kHz로 제한한다. For example, power 400W, V IN =450V, V R(AC)_RMS =110V (60Hz), Deadband = 570 us, under the condition of unit power factor, when L R =100 uH, the maximum switching frequency (when the average current flowing through the inductor is minimum) = 500 kHz, the minimum switching frequency (when the average current flowing through the inductor is maximum) = 60 kHz, and when L R =500 uH, the maximum switching frequency = 100 kHz and the minimum switching frequency = 10 kHz. At this time, since the switching frequency becomes infinite at the point of time t=0 in Equation 8, the maximum switching frequency is limited to 100 kHz under the condition of 500 uH by applying the deadband.

도 8과 같이 인덕턴스 값에 따라 DCM의 스위칭 주파수 변동 폭(스위칭 주파수 범위)이 달라지며, 스위칭 주파수가 무한대가 되지 않도록 데드 타임의 선정이 필요한 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 8 , it can be seen that the switching frequency range (switching frequency range) of the DCM varies according to the inductance value, and it is necessary to select the dead time so that the switching frequency does not become infinite.

스위칭 손실이 스위칭 시점에서의 전압과 전류의 곱에 스위칭 주파수가 곱해져 계산됨을 고려했을 때, CCM의 스위칭 주파수가 100 kHz로 동작한다면, DCM이 CCM보다 낮은 스위칭 손실을 가지기 위하여 가변될 수 있는 최대 주파수를 100 kHz로 결정(fsw = 100 kHz)하여 수학식 1로부터 LR=500 uH를 계산할 수 있다. Considering that the switching loss is calculated by multiplying the product of voltage and current at the time of switching by the switching frequency, if the switching frequency of CCM operates at 100 kHz, the maximum that can be varied for DCM to have lower switching loss than CCM By determining the frequency to be 100 kHz (f sw = 100 kHz), L R =500 uH can be calculated from Equation (1).

본 실시예에서는 CCM의 스위칭 주파수를 100 kHz로 가정하였을 때, DCM의 최대 스위칭 주파수를 100kHz로 선정하여 낮은 스위칭 손실을 얻도록 한다. 따라서 CCM의 스위칭 주파수에 따라 DCM의 최대 스위칭 주파수가 달라질 수 있으므로, 본 발명에서 최대 스위칭 주파수는 특정 주파수로 한정되지 않는다. In this embodiment, assuming that the switching frequency of the CCM is 100 kHz, the maximum switching frequency of the DCM is selected as 100 kHz to obtain a low switching loss. Therefore, since the maximum switching frequency of the DCM may vary according to the switching frequency of the CCM, the maximum switching frequency in the present invention is not limited to a specific frequency.

도 9는 본 발명의 실시예에서 가변 스위칭 기법을 구현하는 방법을 보여주는 도면이다. 9 is a diagram illustrating a method for implementing a variable switching scheme in an embodiment of the present invention.

제어기는 각 상의 인덕터에 흐르는 전류를 측정하고 측정 값을 정해진 상/하위 밴드와 비교하여, 상위 밴드에 도달하기 전까지 각 상의 상단 스위치를 켜고, 하단 스위치를 끔으로써 인덕터를 충전시키나, 상위 밴드에 도달 시 상단 스위치를 끄고 하단 스위치를 켜 인덕터를 방전시키는 동작을 반복한다. 최종적으로 불연속적인 전류는 출력단 LC 필터에 필터링 되어 모터의 각 상에 전류를 공급하게 된다. S상과 T상 모두 R상의 원리와 같지만, 상위 밴드의 위상이 R상 기준으로 S상은 120도, T상은 240도의 위상 차를 가지도록 제어되어 모터가 구동된다. The controller measures the current flowing through the inductor of each phase and compares the measured value with the determined upper/lower band. Until the upper band is reached, the controller turns on the upper switch of each phase and turns off the lower switch to charge the inductor, but reaches the upper band. Repeat the operation to discharge the inductor by turning off the upper switch and turning on the lower switch. Finally, the discontinuous current is filtered by the output stage LC filter to supply the current to each phase of the motor. Both S-phase and T-phase are the same as the principle of R-phase, but the phase of the upper band is controlled to have a phase difference of 120 degrees for S-phase and 240 degrees for T-phase based on R-phase, and the motor is driven.

이하에서는 본 발명이 CCM에 비하여 낮은 스위칭 손실을 갖는 검증 결과를 상세히 설명한다.Hereinafter, the verification result in which the present invention has a lower switching loss than the CCM will be described in detail.

앞서의 예시와 같이, 인덕터가 500 uH, 출력 400 W, VIN=450 V, VR(AC)_RMS=110 V (60 Hz), Deadband=570 us, 단위 역률을 가지는 조건에서, CCM의 경우 100 kHz의 고정 주파수로 스위칭 동작하며, 본 발명은 10 kHz와 100 kHz 사이의 가변 주파수 스위칭하며, 이를 기준으로 스위칭 손실이 계산된다.As in the previous example, the inductor is 500 uH, output 400 W, V IN =450 V, V R(AC)_RMS = 110 V (60 Hz), Deadband = 570 us, under the condition of having a unit power factor, in the case of CCM, the switching operation is performed at a fixed frequency of 100 kHz, and the present invention is variable between 10 kHz and 100 kHz The frequency is switched, and the switching loss is calculated based on this.

위의 조건으로부터 본 발명에서 이용하는 DCM의 경우, 수학식 9로부터 인덕터에 흐르는 rms 전류는 3.636 [Arms], 피크 전류 5.143 [A]가 계산되며 이로부터 수학식 2와 3은 각각 수학식 10과 11로 표현되며, 스위칭 주파수는 도 8의 500 uH인 경우와 같이 수학식 12로 나타난다.In the case of DCM used in the present invention from the above conditions, from Equation 9, the rms current flowing through the inductor is 3.636 [Arms] and the peak current 5.143 [A] is calculated, and Equations 2 and 3 are respectively Equations 10 and 11 , and the switching frequency is expressed by Equation 12 as in the case of 500 uH of FIG. 8 .

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

그러나, CCM의 경우 도 2와 같이 기준 전류를 따라 인덕터에 흐르는 전류의 리플(10%)로 인하여, 수학식 13과 14와 같이 표현된다.However, in the case of CCM, due to the ripple (10%) of the current flowing in the inductor along the reference current as shown in FIG. 2, it is expressed as Equations 13 and 14.

Figure pat00014
Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

도 10은 스위칭 손실을 설명하는 도면이다. 스위칭 손실은 도 10과 같이 스위치가 켜지거나 꺼질 때 순간의 스위치에 인가된 전압과 전류의 곱에 의해 표현되어삼각형의 면적으로 계산된다. 10 is a diagram for explaining a switching loss. The switching loss is expressed by the product of the voltage and current applied to the switch at the moment when the switch is turned on or off, as shown in FIG. 10, and is calculated as the area of the triangle.

도 1의 1번 스위치(S1)에서 발생하는 스위칭 손실 계산을 통하여 본 발명과 CCM의 스위칭 손실을 비교하였으며, 동일 스위치를 사용하여 본 발명(DCM)과 CCM에 대한 스위치 ON, OFF 시간이 40 ns로 같다고 가정하였다. The switching loss of the present invention and the CCM was compared through the calculation of the switching loss occurring in the No. 1 switch S1 of FIG. 1, and the switch ON and OFF times for the present invention (DCM) and the CCM were 40 ns using the same switch. was assumed to be the same.

본 발명에서 1번 스위치(S1)는 도 6과 도 7로부터 인덕터에 흐르는 전류가 상위 밴드에 도달 시 꺼지며 하위 밴드에 도달 시에는 켜지는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 수학식 15와 16과 같이 순시 스위칭 손실이 계산된다. In the present invention, it can be seen from FIGS. 6 and 7 that the No. 1 switch S1 is turned off when the current flowing through the inductor reaches the upper band and is turned on when the lower band is reached. From this, instantaneous switching loss is calculated as in Equations 15 and 16.

Figure pat00016
Figure pat00016

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서 toff와 toff은 스위치의 오프 시점 및 온 시점을 나타낸다. 참고로 이는 스위칭 주파수(10~100 kHz)가 출력단 전압, 전류 주파수(60Hz)에 비해 매우 빠르기 때문에 근사화된 식이다. Here, t off and t off represent an off time and an on time of the switch. For reference, this is an approximate expression because the switching frequency (10~100 kHz) is very fast compared to the output voltage and current frequency (60Hz).

그러나, CCM의 경우 주파수가 100kHz로 일정하기 때문에, 스위칭 손실은 아래의 수학식 17 및 18과 같이 표현된다.However, in the case of CCM, since the frequency is constant at 100 kHz, the switching loss is expressed as Equations 17 and 18 below.

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

수학식 15와 16의 결과를 합산하면 본 발명에 따른 DCM의 순시 스위칭 손실이 계산되고, 마찬가지로 수학식 17와 18의 결과를 합산하면 CCM 기법에서의 순시 스위칭 손실이 계산될 수 있다.By summing the results of Equations 15 and 16, the instantaneous switching loss of the DCM according to the present invention is calculated. Similarly, by summing the results of Equations 17 and 18, the instantaneous switching loss in the CCM technique can be calculated.

도 11은 LR = 500 uH일 때 DCM과 CCM을 이용할 경우 반 주기 동안의 모드에 따른 순시 및 평균 스위칭 손실을 비교한 도면이다.11 is a diagram comparing instantaneous and average switching losses according to modes for a half cycle when DCM and CCM are used when L R = 500 uH.

이러한 도 11은 인덕터가 500uH일 때의 반 주기 동안의 모드에 따른 순시 및 평균 스위칭 손실을 나타내며, 파란색 선은 본 발명의 순시 스위칭 손실, 빨간색 선은 CCM의 순시 스위칭 손실, 하늘색 선은 본 발명의 평균 스위칭 손실, 분홍색 선은 CCM의 평균 스위칭 손실을 보여준다. 11 shows the instantaneous and average switching loss according to the mode for a half cycle when the inductor is 500uH, the blue line is the instantaneous switching loss of the present invention, the red line is the instantaneous switching loss of the CCM, and the light blue line is the instantaneous switching loss of the present invention Average switching loss, the pink line shows the average switching loss of CCM.

여기서, DCM의 순시 스위칭 손실은 수학식 15와 16의 합이고, CCM의 순시 스위칭 손실은 수학식 17와 18의 합이다. 각 경우에 대한 평균 스위칭 손실은 시간에 따른 순시 스위칭 손실 값을 평균한 값이다.Here, the instantaneous switching loss of DCM is the sum of Equations 15 and 16, and the instantaneous switching loss of CCM is the sum of Equations 17 and 18. The average switching loss for each case is the average value of the instantaneous switching loss over time.

인덕터에 흐르는 전류가 가장 큰 구간에서 본 발명(DCM)의 경우 스위칭 주파수가 최대 100 KHz에서 최소 10 kHz 사이로 가변하며, 항상 100 kHz로 스위칭하는 CCM에 비하여 낮은 순시 스위칭 손실을 가지게 된다. 최종적으로 본 발명의 반 주기 평균 스위칭 손실은 6.67 [W], CCM은 1.47 [W]로 본 발명의 가변 주파수 스위칭 기법을 통해 스위칭 손실이 저감 된 것을 확인할 수 있다. In the case of the present invention (DCM) in the section where the current flowing through the inductor is the largest, the switching frequency varies from a maximum of 100 KHz to a minimum of 10 kHz, and has a lower instantaneous switching loss compared to a CCM that always switches at 100 kHz. Finally, the half-cycle average switching loss of the present invention is 6.67 [W], and the CCM is 1.47 [W], confirming that the switching loss is reduced through the variable frequency switching technique of the present invention.

도 12는 LR = 100 uH일 때 DCM과 CCM을 이용할 경우 반 주기 동안의 모드에 따른 순시 및 평균 스위칭 손실을 비교한 도면이다. 이러한 도 12는 인덕터가 100 uH일 때의 반 주기 동안의 모드에 따른 순시 및 평균 스위칭 손실을 나타낸다. 12 is a diagram comparing instantaneous and average switching losses according to modes for a half cycle when DCM and CCM are used when L R = 100 uH. 12 shows the instantaneous and average switching losses according to the mode for a half period when the inductor is 100 uH.

도 11과 달리, 도 12와 같이 인덕터가 100 uH의 값을 가지는 경우 스위칭 주파수가 최대 약 500 kHz, 최소 60 kHz 사이에서 가변된다. 이로부터 스위칭 손실을 계산한 결과, 본 발명의 평균 스위칭 손실은 7.34 [W], CCM의 경우 6.67 [W]로 오히려 스위칭 손실이 CCM보다 증가한 것을 알 수 있다. Unlike FIG. 11 , when the inductor has a value of 100 uH as shown in FIG. 12 , the switching frequency varies between a maximum of about 500 kHz and a minimum of 60 kHz. As a result of calculating the switching loss from this, the average switching loss of the present invention is 7.34 [W] and 6.67 [W] in the case of CCM, indicating that the switching loss is rather increased than that of CCM.

즉, 스위칭 손실 및 주파수 변동 범위는 인덕터 크기에 의해 영향을 받으며 도 12와 같이 인덕터가 100 uH일 때는 500 uH일때와는 달리 DCM이 손실이 CCM보다 큰 것을 알 수 있다. That is, the switching loss and frequency variation range are affected by the size of the inductor, and it can be seen that the DCM loss is larger than the CCM when the inductor is 100 uH, unlike the 500 uH, as shown in FIG. 12 .

따라서, 기존 CCM보다 본 발명이 낮은 스위칭 손실을 가지기 위해 수학식 1로부터 CCM의 스위칭 주파수가 본 발명에서의 최대 가변 주파수(본 실시예의 경우 100 kHz)가 되기 위한 인덕터 및 Deadband가 선정되어야 함을 알 수 있다.Therefore, in order for the present invention to have lower switching loss than the conventional CCM, it can be seen from Equation 1 that the inductor and deadband for the switching frequency of the CCM to be the maximum variable frequency (100 kHz in this embodiment) in the present invention must be selected. can

여기서, 도 2, 3 및 수학식 10, 13을 비교했을 때, 본 발명의 경우 DCM 동작으로 인해 피크 전류가 CCM에 비해 크다. 따라서, 부하의 증가에 따라 피크 전류가 증가하고 이로 인해 인덕터에 흐르는 RMS 전류가 증가하여 스위치의 도통 손실을 증가시킬 수 있다. 즉, 고전류 응용분야에 적용될 경우 본 발명에 의한 스위칭 손실 감소분보다 도통 손실 증가분이 더 커 전체 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 발명은 주로 저전류 응용분야에 적용될 수 있다. Here, when comparing FIGS. 2 and 3 and Equations 10 and 13, in the case of the present invention, the peak current is greater than that of the CCM due to the DCM operation. Accordingly, as the load increases, the peak current increases, which increases the RMS current flowing through the inductor, thereby increasing the conduction loss of the switch. That is, when applied to high current applications, the increase in conduction loss is larger than the decrease in switching loss according to the present invention, thereby reducing overall efficiency. Therefore, the present invention can be mainly applied to low current applications.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 스위칭 주파수가 변동하는 DCM 스위칭 기법을 적용하여 스위칭 손실을 저감할 수 있고, 특히 최적 인덕터 및 데드타임 설계를 통하여 동일 조건에서 CCM 스위칭 기법보다 스위칭 손실을 저감할 수 있다. According to the present invention as described above, it is possible to reduce the switching loss by applying the DCM switching technique in which the switching frequency varies, and in particular, it is possible to reduce the switching loss than the CCM switching technique under the same condition through the optimal inductor and dead time design. .

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치
110: 기준 주파수 설정부 120: 인덕턴스 결정부
130: 데드타임 설정부
100: 3-phase PWM inverter switching control device
110: reference frequency setting unit 120: inductance determining unit
130: dead time setting unit

Claims (5)

스위칭 손실 저감을 위한 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치에 있어서,
CCM 스위칭 기법에 적용되는 고정된 스위칭 주파수를 기준 스위칭 주파수로 설정하는 기준 주파수 설정부; 및
DCM 스위칭 기법에 적용되는 가변 스위칭 주파수 범위 상의 최대 스위칭 주파수 값이 상기 기준 스위칭 주파수가 되기 위한 3상 PWM 인버터 내 인덕터의 인덕턴스 값을 결정하는 인덕턴스 결정부를 포함하며,
상기 3상 PWM 인버터는,
상기 DCM 스위칭 기법으로 제어되되 상기 결정된 값보다 크거나 같은 인덕턴스 값이 상기 인덕터에 적용되는 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치.
In the switching control device of a 3-phase PWM inverter for reducing switching loss,
a reference frequency setting unit for setting a fixed switching frequency applied to the CCM switching technique as a reference switching frequency; and
Including an inductance determining unit that determines the inductance value of the inductor in the three-phase PWM inverter for the maximum switching frequency value in the variable switching frequency range applied to the DCM switching technique to become the reference switching frequency,
The three-phase PWM inverter,
A switching control device of a three-phase PWM inverter controlled by the DCM switching technique and wherein an inductance value greater than or equal to the determined value is applied to the inductor.
청구항 1에 있어서,
상기 인덕턴스 결정부는,
3상 PWM 인버터의 입력 전압, 모터에 인가되는 실효치 교류 전압, 상기 인덕터에 흐르는 피크 전류, 상기 기준 스위칭 주파수를 설정 함수에 대입하여 상기 인덕턴스 값을 결정하는 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치.
The method according to claim 1,
The inductance determining unit,
A switching control device for a 3-phase PWM inverter that determines the inductance value by substituting the input voltage of the 3-phase PWM inverter, the rms AC voltage applied to the motor, the peak current flowing through the inductor, and the reference switching frequency into a setting function.
청구항 2에 있어서,
상기 설정 함수는 아래의 수학식으로 표현되는 3상 PWM 인버터의 가변 주파수 스위칭 장치:
Figure pat00020

여기서, LR은 결정된 인덕턴스 값, Fsw는 상기 기준 스위칭 주파수, VIN은 상기 입력 전압, VR(AC)은 상기 실효치 교류 전압, Iref는 상기 피크 전류를 나타낸다.
3. The method according to claim 2,
The setting function is a variable frequency switching device of a three-phase PWM inverter expressed by the following equation:
Figure pat00020

Here, L R is the determined inductance value, F sw is the reference switching frequency, V IN is the input voltage, V R(AC) is the rms AC voltage, and I ref is the peak current.
청구항 1에 있어서,
상기 스위칭 주파수에 대해 데드 타임을 설정하는 데드타임 설정부를 더 포함하며,
상기 3상 PWM 인버터는,
상기 DCM 스위칭 제어 시에 상기 데드 타임이 반영되는 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a dead time setting unit for setting a dead time for the switching frequency,
The three-phase PWM inverter,
A switching control device of a three-phase PWM inverter in which the dead time is reflected in the DCM switching control.
청구항 1에 있어서,
상기 CCM 스위칭 기법에 적용된 스위칭 주파수인 상기 기준 스위칭 주파수에 따라서 상기 인덕턴스 값이 달리 결정되되,
상기 기준 스위칭 주파수가 높을수록 상기 인덕턴스 값이 낮은 값으로 결정되는 3상 PWM 인버터의 스위칭 제어 장치.
The method according to claim 1,
The inductance value is determined differently according to the reference switching frequency, which is a switching frequency applied to the CCM switching technique,
A switching control device for a three-phase PWM inverter in which the inductance value is determined to be a lower value as the reference switching frequency is higher.
KR1020200147689A 2020-11-06 2020-11-06 Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss KR20220061570A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200147689A KR20220061570A (en) 2020-11-06 2020-11-06 Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200147689A KR20220061570A (en) 2020-11-06 2020-11-06 Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220061570A true KR20220061570A (en) 2022-05-13

Family

ID=81583284

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200147689A KR20220061570A (en) 2020-11-06 2020-11-06 Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220061570A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3422218B2 (en) converter
JP4534007B2 (en) Soft switching power converter
US8817505B2 (en) Three-phase rectifier with bidirectional switches
JP2019502355A (en) Low voltage, low frequency, multi-level power converter
US11677316B2 (en) Method to control a variable frequency switching converter, and corresponding variable frequency converter apparatus
AU2004256649B2 (en) Three-phase power converter and power converter
EP2608381A2 (en) AC-DC converter
JP6183190B2 (en) Power converter
KR101312372B1 (en) Single phase inverter
WO2015052743A1 (en) Electrical power converter
JP4490309B2 (en) Power converter
JP3934982B2 (en) Power supply
Sayed et al. Modeling and control of bidirectional isolated battery charging and discharging converter based high-frequency link transformer
KR20220061570A (en) Switching control apparatus of three-phase PWM inverter for reducing switching loss
RU2341002C1 (en) Method of inverter control
KR101228451B1 (en) Apparatus and method for supplying air condionner with dc power source
JP4365171B2 (en) Power converter and power conditioner using the same
KR20110077801A (en) Apparatus and method for supplying dc power source
KR101804773B1 (en) Ac-dc converter circuit with ripple eliminating function
JP3509495B2 (en) Rectifier circuit
KR101403868B1 (en) Development of PV Power Conditioners for sinusoidal modulation PWM boost chopper
CN114123840A (en) High-output-power wide-voltage direct-current power supply
RU175505U1 (en) CONTROLLABLE DEVICE FOR CURTAINABLE CURRENT INVERTER FOR INDUCTION HEATING WITH VARIABLE CHANGE OF LOAD
JPH07108092B2 (en) AC power supply
Komeda et al. Load voltage regulation method for an isolated AC-DC converter with power decoupling operation