[논문]SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘

김홍민; 추영배; 이동희

doi:10.6113/tkpe.2011.16.6.610

SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘
Dead Time Compensation Algorithm for the 3-Phase Inverter using SVPWM 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.6, 2011년, pp.610 - 617

김홍민 (경성대 메카트로닉스공학과) , 추영배 (거제대학 전기공학과 선박전기과) , 이동희 (경성대 메카트로닉스공학과)

초록
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본 논문은 공간벡터펄스 변조법(SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation)을 사용하는 3상 인버터의 새로운 데드타임 직접 보상 방법을 제안한다. 제안된 데드타임 보상방식은 인버터에 인가되는 데드타임을 중간상 전류의 방향에 따라, 유효전압이 인가되는 유효전압벡터 인가시간에서 직접 보상하는 방식이다. 3상 인버터에서 각상에 인가되는 전압의 크기는 유효전압이 인가되는 시간에 의해 결정되고, 데드타임의 영향에 따라, 실제로 유효전압이 인가되는 스위칭 시간은 전류의 방향에 따라 손실이 발생하게 된다. 제안된 방식에서는 실제로 전류의 방향에 따라 손실이 발생하는 유효전압벡터의 인가시간에 직접적으로 손실 시간을 더하여 유효전압벡터의 인가시간을 계산하는 방식으로 별도의 전압오차를 보상하기 위한 제어기와 복잡한 d-q 변환을 필요로 하지 않는 장점이 있다. 제안된 방식은 3상 R-L 부하에 대하여 컴퓨터 모의해석과 실험을 통하여 제안된 방식의 데드타임 보상을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a novel and direct dead-time compensation method of the 3-phase inverter using space vector pulse width modulation(SVPWM) topology. The proposed dead-time compensation method directly compensates the dead-time to the turn-on time of the effective voltage vector according to the current direction of the medium voltage reference. Each phase voltages are determined by the switching times of the effective voltage vectors, and the practical switching times have loss according to the current direction by the dead-time effect in the 3-phase inverter. The proposed method adds the dead-time to the switching time of the effective voltage vector according to the current direction, so it does not require complex d-q transform and controller to compensate the voltage error. The proposed dead-time compensation scheme is verified by the computer simulation and experiments of 3-phase R-L load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 노이즈성의 전류 방향은 실제 데드타임의 보상을 어렵게 하는 원인이 된다. 따라서 본 논문에서는 실제 중간상 지령 전압의 크기가 스위칭 소자 또는 역방향 다이오드에서 발생하는 전압강하분 보다 낮아지는 시점에서 전류의 크기에 대한 대역을 설정하고, 이 대역 이상의 경우에서는 정상적인 전류의 방향을 검출하고, 대역 이내에서의 전류의 크기에 대하여서는 선행되는 시점에서 중간상 전류의 방향이 역전되도록 하여 유효시간이 데드타임 이내로 중복되는 구간에서의 영향을 최소화 하였다.
본 논문에서는 이러한 중간상 전류의 방향에 따라 제어기에서 지령한 유효전압 인가시간이 실제 부하에 인가되는 시간과의 차이가 발생하는 현상을 고려하여, 직접적으로 유효전압 인가시간을 보상하는 방식을 제안한다. 제안된 방식은 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만으로 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상하는 방식으로 그 구현이 매우 단순한 장점이 있다.
본 논문은 3상 인버터의 데드타임 영향을 보상하는 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘을 제안하였다. 제안된 SVPWM 방식은 중간상 전류의 방향에 따라 유효전압 인가시간을 보상 함으로써, 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만을 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상할 수 있는 장점을 가진다.
본 논문은 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation, 공간벡터 펄스폭 변조) 방식으로 구동되는 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘에 관한 연구로서 SVPWM에서 최대 전압지령상과 최소 전압지령상을 제외한 중간값의 전압 지령상의 전류의 방향에 따른 데드타임의 영향을 분석하여, 직접적으로 유효 전압의 스위칭 시간에서 보상하는 방식을 제안한다. 본 논문에서 제시하는 방식은 중간상 전류의 방향에 따라 제어기에서 지령한 유효전압 인가시간이 실제 부하에 인가되는 시간과의 차이가 발생하는 현상을 고려하여, 직접적으로 유효전압 인가시간에 데드타임의 시간을 보상하는 방식으로, 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만으로 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상하게 되므로 그 구현이 매우 단순하며, 연산이 빠른 장점이 있다.

가설 설정

그림 7에서 V_SH 및 V_SL은 스위칭 소자의 전압강하를 고려하여 0.7[V] 시점에서 중간상 전류 i_mid1를 검출하고, 이 전류가 미소전류(10[㎃]) 이내 대역에 존재하는 i_mid2의 경우에는 실제 전류가 역전되지 않더라도 유효 전압시간의 중복을 고려하여 전류의 방향이 음으로 되는 것으로 가정하여 스위칭 시간을 계산하였으며, 미소전류 이상의 대역에 존재하는 i_mid1의 경우에는 정상적으로 전류의 방향에 따라 중간상의 전류 방향을 고려하도록 하였다.

제안 방법

본 논문에서 제시하는 방식은 중간상 전류의 방향에 따라 제어기에서 지령한 유효전압 인가시간이 실제 부하에 인가되는 시간과의 차이가 발생하는 현상을 고려하여, 직접적으로 유효전압 인가시간에 데드타임의 시간을 보상하는 방식으로, 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만으로 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상하게 되므로 그 구현이 매우 단순하며, 연산이 빠른 장점이 있다. 보다 효과적인 중간상 전류의 방향을 고려하기 위하여, 본 논문에서는 실제 중간상 지령 전압의 크기가 스위칭 소자 또는 역방향 다이오드에서 발생하는 전압 강하분 보다 낮아지는 시점에서 전류의 크기에 대한 대역을 설정하고, 이 대역 이상의 경우에서는 정상적인 전류의 방향을 검출하고, 대역이내에서의 전류의 크기에 대하여서는 선행되는 시점에서 중간상 전류의 방향이 역전되도록 하여 유효시간이 데드타임 이내로 중복되는 구간에서의 영향을 최소화 하였다.
본 논문은 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation, 공간벡터 펄스폭 변조) 방식으로 구동되는 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘에 관한 연구로서 SVPWM에서 최대 전압지령상과 최소 전압지령상을 제외한 중간값의 전압 지령상의 전류의 방향에 따른 데드타임의 영향을 분석하여, 직접적으로 유효 전압의 스위칭 시간에서 보상하는 방식을 제안한다. 본 논문에서 제시하는 방식은 중간상 전류의 방향에 따라 제어기에서 지령한 유효전압 인가시간이 실제 부하에 인가되는 시간과의 차이가 발생하는 현상을 고려하여, 직접적으로 유효전압 인가시간에 데드타임의 시간을 보상하는 방식으로, 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만으로 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상하게 되므로 그 구현이 매우 단순하며, 연산이 빠른 장점이 있다. 보다 효과적인 중간상 전류의 방향을 고려하기 위하여, 본 논문에서는 실제 중간상 지령 전압의 크기가 스위칭 소자 또는 역방향 다이오드에서 발생하는 전압 강하분 보다 낮아지는 시점에서 전류의 크기에 대한 대역을 설정하고, 이 대역 이상의 경우에서는 정상적인 전류의 방향을 검출하고, 대역이내에서의 전류의 크기에 대하여서는 선행되는 시점에서 중간상 전류의 방향이 역전되도록 하여 유효시간이 데드타임 이내로 중복되는 구간에서의 영향을 최소화 하였다.
5[mH]의 부하를 사용하였다. 시뮬레이션 및 실험에서는 순수하게 데드타임의 영향과 제안된 보상 방식에 대한 검증을 위하여 전류 피이드백 제어기를 사용하지 않고, 오픈루프 지령 전압에 대한 부하 전류의 크기와 파형을 분석하였다.
제안된 데드타임 보상 방식을 검증하기 위하여 시뮬 레이션 및 실험을 수행하였다. 시뮬레이션은 Matlab의 Simulink에서 지원되는 SimPowerSystem 모듈을 적용 하여 전력용 스위칭의 임피던스와 스위칭에 대한 모델을 구성하였으며, 스위칭 패턴은 100[㎲]의 스위칭 시간에 대하여 4[㎲]의 데드타임을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다. 부하는 3상 R-L 부하를 적용하였으며, 50[Ω]-37.
이러한 데드타임의 영향을 보상하기 위한 다양한 보상방식이 연구되었다[1-12]. 실제 데드타임의 영향은 전류의 방향에 따라 다르게 나타나므로, 3상 인버터의 데드타임에 따른 출력전압을 d-q축 변환을 통하여 관측기를 설계하고, 관측기를 통해 추측된 d-q축 왜곡 전압을 이용하여 계산된 보상전압을 지령전압에 추가하여 데드타임의 영향을 보상하거나, 전류의 방향을 검출하기 위한 별도의 추가 회로를 각 상의 반도체 스위치에 병렬로 결합하여 전류의 방향이 바뀌는 순간 스위칭 패턴을 변화하여 데드타임으로 인한 출력전압의 왜곡을 최소화하는 방식의 연구가 이루어졌다^[1-6]. 하지만 전류의 방향을 관측하기 위한 왜곡 관측기는 전동기의 운전상태와 주파수의 대역폭에 의존적이며 복잡한 연산을 사용하고 있다.
그림 10은 실험 결과를 나타내고 있다. 실제 실험에서는 데드타임이 없는 경우에의 실험이 불가능하므로, 데드타임을 보상하지 않는 경우와 제안된 데드타임 보상방법과 전류 방향에 대한 고려를 한 경우의 실험 결과를 비교하였다.
제어기로는 TI사의 TMS320F28335를 적용하였으며, 25[A]600[V]의 미쯔비시사의 IPM(Intelligent Power Module)으로 3상 인버터를 구성하였다. 전류센서는 ACS-712의 칩형 전류센서를 사용하였으며, Analog device사의 14비트 ADC 소자를 이용하여 전류 데이터를 피이드백 하였다. 스위칭 주파수는 10[㎑]로, 4[㎲] 의 데드타임을 인가하여 실험을 수행하였다.
제안된 SVPWM 방식은 3상 인버터를 적용한 3상 R-L 부하에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
제안된 데드타임 보상 방식을 검증하기 위하여 시뮬 레이션 및 실험을 수행하였다. 시뮬레이션은 Matlab의 Simulink에서 지원되는 SimPowerSystem 모듈을 적용 하여 전력용 스위칭의 임피던스와 스위칭에 대한 모델을 구성하였으며, 스위칭 패턴은 100[㎲]의 스위칭 시간에 대하여 4[㎲]의 데드타임을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다.
제안된 방식은 3상 인버터를 적용한 3상 R-L 부하에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 이러한 중간상 전류의 방향에 따라 제어기에서 지령한 유효전압 인가시간이 실제 부하에 인가되는 시간과의 차이가 발생하는 현상을 고려하여, 직접적으로 유효전압 인가시간을 보상하는 방식을 제안한다. 제안된 방식은 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만으로 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상하는 방식으로 그 구현이 매우 단순한 장점이 있다.

대상 데이터

시뮬레이션은 Matlab의 Simulink에서 지원되는 SimPowerSystem 모듈을 적용 하여 전력용 스위칭의 임피던스와 스위칭에 대한 모델을 구성하였으며, 스위칭 패턴은 100[㎲]의 스위칭 시간에 대하여 4[㎲]의 데드타임을 인가하여 시뮬레이션을 수행하였다. 부하는 3상 R-L 부하를 적용하였으며, 50[Ω]-37.5[mH]의 부하를 사용하였다. 시뮬레이션 및 실험에서는 순수하게 데드타임의 영향과 제안된 보상 방식에 대한 검증을 위하여 전류 피이드백 제어기를 사용하지 않고, 오픈루프 지령 전압에 대한 부하 전류의 크기와 파형을 분석하였다.
R-L 부하로는 3상 SRM의고정자 권선을 부하로 사용하여 실험하였다. 제어기로는 TI사의 TMS320F28335를 적용하였으며, 25[A]600[V]의 미쯔비시사의 IPM(Intelligent Power Module)으로 3상 인버터를 구성하였다. 전류센서는 ACS-712의 칩형 전류센서를 사용하였으며, Analog device사의 14비트 ADC 소자를 이용하여 전류 데이터를 피이드백 하였다.

성능/효과

그림 8(d)는 전류 방향을 고려한 데드타임 보상을 적용한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과에서 매우 정현적인 부하 전류를 보이고 있으며, 데드타임의 영향을 보상할 수 있음을 보이고 있다.
본 논문은 3상 인버터의 데드타임 영향을 보상하는 SVPWM 방식의 3상 인버터에 대한 간단한 데드타임 보상 알고리즘을 제안하였다. 제안된 SVPWM 방식은 중간상 전류의 방향에 따라 유효전압 인가시간을 보상 함으로써, 별도의 제어기에서 피이드백된 오차 성분이나, 축변환 없이 중간상 전류의 방향만을 고려하여 직접적으로 데드타임의 영향을 보상할 수 있는 장점을 가진다. 또한 부하 전류의 중간상의 전류 방향이 교번되는 구간에서 전류 대역을 이용하여 전류의 방향을 고려한 경우 보다 효과적인 보상 효과를 가진다.
제안된 데드타임 보상 방식은 오차에 대한 별도의 복잡한 제어기의 구현 없이, SVPWM에서 전류의 방향에 따른 데드타임의 영향을 직접적으로 유효 전압의 스위칭 시간에서 보상하여 그 구현이 매우 간단하고, 실시간 보상이 가능하다.
제안된 데드타임 보상 방식을 적용한 경우에는 시뮬 레이션 결과와 유사하게 매우 정현적인 부하전류를 보이고 있으며, 부하 전류의 중간상 전류의 방향이 교번되는 구간에서 전류 대역을 이용하여 전류 방향을 고려한 경우가 보다 효과적인 보상 효과를 보이고 있다.
제안된 방식에서 중간상 전류의 방향은 데드타임의 보상에서 매우 중요한 요소이며, 중간상 전류의 방향에 따라 데드타임의 보상에서 인가되는 전압에 오차가 발생할 수 있다. 특히, 전류의 방향이 바뀌는 부분에서는 매우 낮은 전류의 스위칭 노이즈와 제어기의 검출 노이즈로 인하여 오차를 가질 수 있으며, 또한, 전류의 방향이 한번 바뀌지 않고 노이즈성으로 변동하는 특성을 가질 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PWM 방식의 장점은?	그중 SVPWM (Space Vector PWM) 방식이 영전압 스위칭 구간을 효율적으로 배치함으로써, PWM 방식에 비해 전류의 스위칭 노이즈를 억제할 수 있다. PWM 방식의 구현은 게이트 펄스의 인가시간을 직접 계산하는 디지털 구현 방식이 고조파 특성이 좋고 스위칭 주파수가 고정되며 구현이 용이하다는점에서 널리 사용되고 있다. 그러나, PWM 인버터의 실제 출력전압은 전력용 반도체 스위치의 단락 방지를 위해 삽입된 데드타임에 의해 지령 전압과는 오차를 가지게 된다.
	본 논문에서 제안한 공간벡터펄스 변조법을 사용하는 3상 인버터의 새로운 데드타임 직접 보상 방법이란 무엇인가?	본 논문은 공간벡터펄스 변조법(SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation)을 사용하는 3상 인버터의 새로운 데드타임 직접 보상 방법을 제안한다. 제안된 데드타임 보상방식은 인버터에 인가되는 데드타임을 중간상 전류의 방향에 따라, 유효전압이 인가되는 유효전압벡터 인가시간에서 직접 보상하는 방식이다. 3상 인버터에서 각상에 인가되는 전압의 크기는 유효전압이 인가되는 시간에 의해 결정되고, 데드타임의 영향에 따라, 실제로 유효전압이 인가되는 스위칭 시간은 전류의 방향에 따라 손실이 발생하게 된다.
	본 논문에서 제안한 공간벡터펄스 변조법을 사용하는 3상 인버터의 새로운 데드타임 직접 보상 방법의 장점은?	3상 인버터에서 각상에 인가되는 전압의 크기는 유효전압이 인가되는 시간에 의해 결정되고, 데드타임의 영향에 따라, 실제로 유효전압이 인가되는 스위칭 시간은 전류의 방향에 따라 손실이 발생하게 된다. 제안된 방식에서는 실제로 전류의 방향에 따라 손실이 발생하는 유효전압벡터의 인가시간에 직접적으로 손실 시간을 더하여 유효전압벡터의 인가시간을 계산하는 방식으로 별도의 전압오차를 보상하기 위한 제어기와 복잡한 d-q 변환을 필요로 하지 않는 장점이 있다. 제안된 방식은 3상 R-L 부하에 대하여 컴퓨터 모의해석과 실험을 통하여 제안된 방식의 데드타임 보상을 검증하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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