KR101111205B1 - Switching Control Method to reduce the Switching Consumption of the Chopper for Hybrid Levitation system - Google Patents

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KR101111205B1 KR1020090129262A KR20090129262A KR101111205B1 KR 101111205 B1 KR101111205 B1 KR 101111205B1 KR 1020090129262 A KR1020090129262 A KR 1020090129262A KR 20090129262 A KR20090129262 A KR 20090129262A KR 101111205 B1 KR101111205 B1 KR 101111205B1
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Abstract

본 발명은 공극센서 및 가속도 센서로부터의 출력되는 신호값 및 하이브리드 마그네트 코일로부터 출력되는 전류값을 입력받아 상기 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향을 조정하기 위한 전력변환소자의 게이트를 온/오프 하기 위한 게이트 구동부를 포함하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법에 있어서, 상기 전력변환소자는 제1 전력변환소자와 직렬연결된 제2 전력변환소자로 구성된 한쌍의 전력변환소자가 상기 커패시터와 병렬연결되고, 또한 제3 전력변환소자와 직렬연결된 제4 전력변환소자로 구성된 또 다른 한쌍의 전력변환소자가 상기 커패시터와 병렬연결되어 있으며, 상기 제1 전력변환소자의 출력단은 하이브리드 마그네트 코일의 입력단에 연결되고, 상기 하이브리드 마그네트 코일의 출력단은 제4 전력변화 소자의 입력단에 연결되어 있는 4상한 쵸퍼로 구성되며, 상기 게이트 구동부는 제1, 제2, 제3 및 제4 전력변환소자를 독립적으로 스위칭할 수 있는 펄스폭 변조 신호(PWM)를 출력하여, 상기 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향에 따른 흡입력 발생구간, 반발력 발생구간 및 상기 흡입력 발생구간에서 상기 반발력 발생구간으로 전류방향 천이시 또는 그 역인 경우에 발생하는 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터에 회생전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 환류 구간으로 동작하도록 상기 전력변환소자의 게이트를 온/오프 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법을 제공한다.The present invention receives the signal value output from the air gap sensor and the acceleration sensor and the current value output from the hybrid magnet coil to turn on / off the gate of the power conversion element for adjusting the direction of the current flowing in the hybrid magnet coil A switching control method for a hybrid magnetic levitation system power conversion device including a gate driver, wherein the power conversion device includes a pair of power conversion devices including a second power conversion device connected in series with a first power conversion device in parallel with the capacitor. In addition, another pair of power conversion device consisting of a fourth power conversion device connected in series with a third power conversion device is connected in parallel with the capacitor, the output terminal of the first power conversion device is connected to the input terminal of the hybrid magnet coil The output end of the hybrid magnet coil is It consists of a four-quadrant chopper connected to the input terminal of the power change element, wherein the gate driver is configured to independently switch the pulse width modulated signal PWM to switch the first, second, third and fourth power conversion elements. Outputs and is connected in parallel with the DC link stage generated when the current direction transitions from the suction force generation section, the repulsive force generation section and the suction force generation section according to the direction of the current flowing in the hybrid magnet coil to the repulsive force generation section, or vice versa. Provided is a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power conversion device, characterized in that the gate of the power conversion device on / off to operate in a reflux period to prevent the regeneration current is introduced into the capacitor.

하이브리드 자기부상시스템, 환류, 프리-휠링, 쵸퍼 Hybrid magnetic levitation system, reflux, free-wheeling, chopper

Description

하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법{Switching Control Method to reduce the Switching Consumption of the Chopper for Hybrid Levitation system}Switching Control Method to reduce the Switching Consumption of the Chopper for Hybrid Levitation system}

본 발명은 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부상력을 발생시키는 영구자석과 전자석으로 구성되는 하이브리드 부상 마그네트의 코일에 흐르는 전류의 방향을 결정하기 위하여 전력변환장치를 독립적으로 제어함으로써 에너지 손실 및 스위칭 소음이 적은 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter, and more particularly, power conversion to determine the direction of the current flowing in the coil of the hybrid floating magnet composed of a permanent magnet and an electromagnet generating a floating force The present invention relates to a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter having low energy loss and switching noise by controlling the device independently.

자기부상열차는 자기력을 이용하여 차량을 선로 위에 부상시켜 움직이도록 함으로써, 열차와 선로와의 접촉이 없어 소음과 진동이 매우적고 고속도를 유지할 수 있으므로 미래의 대중교통수단으로 개발되고 있다. The magnetic levitation train is developed as a public transportation of the future because it uses magnetic force to induce the vehicle to move on the track so that there is no contact between the train and the track, the noise and vibration are very low and the high speed can be maintained.

도 1은 하이브리드 마그네트부와 4상한 쵸퍼회로를 포함한 하이브리드 자기 부상시스템 구성도이다.1 is a configuration diagram of a hybrid magnetic levitation system including a hybrid magnet part and a quadrant chopper circuit.

도 1에서 보는 바와 같이, 하이브리드 자기부상시스템의 전력변환소자(100)의 스위칭 방식은 하이브리드 부상 마그네트(50)의 흡인력을 조절하기 위하여 코일에 흐르는 전류의 방향을 조절할 수 있는 4상한 쵸퍼(4-quadrant chopper)를 이용한다.As shown in FIG. 1, the switching method of the power conversion element 100 of the hybrid magnetic levitation system is a four-quadrant chopper which can adjust the direction of the current flowing through the coil in order to adjust the suction force of the hybrid floating magnet 50. quadrant chopper).

하이브리드 부상시스템은 부상시스템과 레일(10) 사이의 간격을 일정하게 유지시키기 위해 공극센서(20)와 가속도 센서(30)를 통해 입력된 신호를 처리하여 하이브리드 부상 마그네트(50)의 흡인력을 조절하기 위하여 코일에 흐르는 전류의 방향을 조절하기 위한 전력변환소자(100)를 제어하기 위하여 게이트 구동부(40)를 포함한다. The hybrid flotation system adjusts the suction force of the hybrid flotation magnet 50 by processing signals input through the air gap sensor 20 and the acceleration sensor 30 to maintain a constant gap between the flotation system and the rail 10. In order to control the power conversion element 100 for adjusting the direction of the current flowing through the coil to include a gate driver (40).

도 2는 종래 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 펄스폭 변조 신호의 타이밍도이며, 도 3은 종래 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 게이트 회로구동 및 전류 흐름도이다.2 is a timing diagram of a pulse width modulation signal according to a switching control method of a conventional hybrid magnetic levitation system power converter, and FIG. 3 is a gate circuit driving and current flow diagram according to a switching control method of a conventional hybrid magnetic levitation system power converter. .

도 2에서 보는 바와 같이, 상기 게이트 구동부(40)는 기준값(Ref)에 따라 부상시스템의 흡인력을 발생시키기 위해서는 제1 전력변환소자 및 제4 전력변환소자의 게이트를 턴온시키며, 흡인력을 감소시키기 위해서는 제2 전력변환소자 및 제3 전력변환소자의 게이트를 턴온시켜 제어한다. 즉 상기 게이트 구동부(40)는 제1, 제4 전력변환소자의 게이트를 동시에 제어하며, 또한 제2, 제3 전력변환소자의 게이트를 동시에 제어한다.As shown in FIG. 2, the gate driver 40 turns on the gates of the first power conversion element and the fourth power conversion element to generate the suction force of the floating system according to the reference value Ref, and to reduce the suction force. The gates of the second power conversion device and the third power conversion device are turned on and controlled. That is, the gate driver 40 simultaneously controls the gates of the first and fourth power conversion elements, and simultaneously controls the gates of the second and third power conversion elements.

도 3은 종래 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 게이트 회로구동 및 전류 흐름도이다.3 is a gate circuit driving and a current flow diagram according to a switching control method of a conventional hybrid magnetic levitation system power converter.

도 3에서 보는 바와 같이, 흡인력 발생구간에서는 마그네트 전류 상승 모드(도 3a)와 전류 감소(회생)모드(도 3b)가 존재하며 제1 전력변환소자(110) 및 제4 전력변환소자(140)의 게이트를 턴온시켜 전류를 상승시킨다. 상승된 전류를 일정한 값으로 유지하기 위해서는 게이트 구동부의 펄스폭 변조 신호의 펄스폭을 조절하며 제1 전력변환소자(110) 및 제4 전력변환소자(140)의 게이트를 턴오프 시킨 경우(도 3b)에는 쵸퍼의 커패시터 쪽으로 전류를 회생하게 된다.As shown in FIG. 3, a magnet current rising mode (FIG. 3A) and a current reduction (regenerative) mode (FIG. 3B) exist in the suction force generation period, and the first power conversion element 110 and the fourth power conversion element 140 are present. Turn on the gate to increase the current. In order to maintain the increased current at a constant value, the pulse width of the pulse width modulation signal of the gate driver is adjusted and the gates of the first power conversion element 110 and the fourth power conversion element 140 are turned off (FIG. 3B). ) Regenerates current toward the chopper's capacitor.

다음으로 척력발생(흡인력 감소)구간에서는 마그네트 전류의 방향을 반대로 흐르게 하는 것으로 이를 위해 제2 전력변환소자(120) 및 제3 전력변환소자(130)의 게이트를 턴온시킨다. 이때의 전류 흐름도는 도 3c에서 보는 바와 같다. 마찬가지로 척력을 일정한 값으로 유지시키기 위해서는 게이트 구동부의 펄스폭 변조 신호의 펄스폭을 조절하며 제2 전력변환소자(120) 및 제3 전력변환소자(130)의 게이트를 턴 오프 시킨 경우(도 3d)에는 마그네트 전류가 흘러 쵸퍼의 커패시터 쪽으로 전류를 회생하게 된다.Next, in the repulsive force generation (reduction of suction force) to reverse the direction of the magnet current for this purpose, the gate of the second power conversion element 120 and the third power conversion element 130 is turned on. The current flow at this time is as shown in Figure 3c. Similarly, in order to maintain the repulsive force at a constant value, the pulse width of the pulse width modulation signal of the gate driver is adjusted and the gates of the second power conversion element 120 and the third power conversion element 130 are turned off (FIG. 3D). A magnet current flows through and regenerates the current toward the chopper's capacitor.

그러나 이러한 스위칭 방식은 전류를 제어함에 있어서 마그네트 전류 제어용 펄스 발생의 용이함은 있으나 부상 마그네트에 흐르는 전류가 잦은 공급 및 회생으로 인하여 전류에 리플이 증가하게 된다. 따라서 이러한 전류리플의 증가는 전력변환용 스위칭 소자에 발열 현상을 발생시키고, 스위칭 소음을 증가시키는 원인이 된다. 또한 고조파 성분이 많이 함유된 전류가 부상용 전자석에 흐르게 되면 부상용 전자석 코어의 히스테리시스손이 증가하게 되며 부상용 전자석이 열화하게 되는 문제점이 있다.However, this switching method is easy to generate a pulse for controlling the magnet current in controlling the current, but the ripple increases in the current due to the frequent supply and regeneration of the current flowing in the floating magnet. Therefore, the increase in the current ripple causes a heat generation phenomenon in the power conversion switching element, and causes a increase in the switching noise. In addition, when a current containing a large amount of harmonics flows to the floating electromagnet, the hysteresis loss of the floating electromagnet core increases and the floating electromagnet deteriorates.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터에 하이브리드 부상 마그네트에서 발생하는 회생전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 환류 구간으로 동작하도록 상기 전력변환소자의 게이트를 독립적으로 온/오프하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, the gate of the power conversion element to operate in a reflux period to prevent the regenerative current generated from the hybrid floating magnet to the capacitor connected in parallel with the DC link stage It is an object of the present invention to provide a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter to turn on / off independently.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법은 공극센서 및 가속도 센서로부터의 출력되는 신호값 및 하이브리드 마그네트 코일로부터 출력되는 전류값을 입력받아 상기 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향을 조정하기 위한 전력변환소자의 게이트를 온/오프 하기 위한 게이트 구동부를 포함하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법에 있어서, 상기 전력변환소자는 제1 전력변환소자와 직렬연결된 제2 전력변환소자로 구성된 한쌍의 전력변환소자가 상기 커패시터와 병렬연결되고, 또한 제3 전력변환소자와 직렬연결된 제4 전력변환소자로 구성된 또 다른 한쌍의 전력변환소자가 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터와 병렬연결되어 있으며, 상기 제1 전력변환소자의 출력단은 하이브리드 마그네트 코일의 입력단에 연결되고, 상기 하이브리드 마그네트 코일의 출력단은 제4 전력변화 소자의 입력단에 연결되어 있는 4상한 쵸퍼로 구성되며, 상기 게이트 구동부는 제1, 제2, 제3 및 제4 전력변환소자를 독립적으로 스위칭할 수 있는 펄스폭 변조 신호(PWM)를 출력하여, 상기 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향에 따른 흡입력 발생구간, 반발력 발생구간 및 상기 흡입력 발생구간에서 상기 반발력 발생구간으로 전류방향 천이시 또는 그 역인 경우에 발생하는 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터에 회생전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 환류 구간으로 동작하도록 상기 전력변환소자의 게이트를 온/오프 하는 것을 특징으로 한다. In the switching control method of the hybrid magnetic levitation system power conversion element of the present invention for realizing the above object, the hybrid magnet receives the signal value output from the air gap sensor and the acceleration sensor and the current value output from the hybrid magnet coil. In the switching control method of a hybrid magnetic levitation system power conversion device comprising a gate driver for turning on / off the gate of the power conversion device for adjusting the direction of the current flowing in the coil, the power conversion device is a first power conversion device And a pair of power conversion elements composed of a second power conversion element connected in series with the capacitor, and another pair of power conversion elements composed of a fourth power conversion element connected in series with the third power conversion element is connected to the DC link stage. In parallel with the capacitor connected in parallel The output terminal of the first power conversion element is connected to an input terminal of the hybrid magnet coil, and the output end of the hybrid magnet coil is configured of a quadrant chopper connected to the input end of the fourth power change element, and the gate driving unit is provided. A pulse width modulation signal (PWM) capable of independently switching the first, second, third and fourth power conversion elements to generate a suction force generation section, a repulsive force generation section and a direction corresponding to a current flowing through the hybrid magnet coil; The gate of the power conversion element to operate as a reflux period for preventing the regeneration current flows into the capacitor connected in parallel with the DC link stage generated when the current direction transitions from the suction force generation period to the reaction force generation period or vice versa. It characterized in that the on / off.

또한 상기 흡입력 발생구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제1 전력변환소자 및 제4 전력변환소자의 게이트를 온시킴으로써, 커패시터에서 출력되는 전류는 상기 제1 전력변환소자, 하이브리드 마그네트 코일, 상기 제4 전력변환소자를 거쳐 다시 상기 커패시터로 흐르는 것을 특징으로 한다.In addition, the suction force generation period is independently turned on the gate of the first power conversion element and the fourth power conversion element by a gate driver, the current output from the capacitor is the first power conversion element, hybrid magnet coil, the fourth power It is characterized by flowing through the conversion element to the capacitor again.

또한 상기 환류 구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제1 전력변환소자의 게이트를 오프시킴으로써, 하이브리드 마그네트 코일에서 발생하는 회생전류는 제4 전력변환소자, 제2 전력변환소자와 병렬연결된 다이오드를 거쳐 다시 하이브리드 마그네트 코일로 흐르는 것을 특징으로 한다. In addition, the reflux period by the gate driver to independently turn off the gate of the first power conversion element, the regenerative current generated in the hybrid magnet coil is hybrid again through a diode connected in parallel with the fourth power conversion element, the second power conversion element It is characterized by flowing in the magnet coil.

또한 상기 반발력 발생구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제3 전력변환소자 및 제2 전력변환소자의 게이트를 온시킴으로써, 커패시터에서 출력되는 전류는 상기 제3 전력변환소자, 하이브리드 마그네트 코일, 상기 제2 전력변환소자를 거쳐 다시 상기 커패시터로 흐르는 것을 특징으로 한다. In addition, the repulsive force generation period is independently turned on the gate of the third power conversion element and the second power conversion element by a gate driver, the current output from the capacitor is the third power conversion element, hybrid magnet coil, the second power It is characterized by flowing through the conversion element to the capacitor again.

또한 상기 환류 구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제3 전력변환소자의 게이트를 오프시킴으로써, 하이브리드 마그네트 코일에서 발생하는 회생전류는 제2 전력변환소자, 제4 전력변환소자와 병렬연결된 다이오드를 거쳐 다시 하이브리드 마그네트 코일로 흐르는 것을 특징으로 한다. In addition, the reflux period by the gate driver to independently turn off the gate of the third power conversion element, the regenerative current generated in the hybrid magnet coil is hybrid again through a diode connected in parallel with the second power conversion element, the fourth power conversion element It is characterized by flowing in the magnet coil.

본 발명에 따른 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 의하면, 흡입력 발생구간에서 반발력 발생구간으로 전류방향 천이시 또는 그 역인 경우에 발생하는 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터에 회생전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 환류 구간으로 동작하도록 상기 전력변환소자의 게이트를 온/오프함으로써, 전력변환소자의 스위칭손실 및 하이브리드 부상 마그네트의 잡음을 저감할 수 있는 장점이 있다. According to the switching control method of the hybrid magnetic levitation system power converter according to the present invention, the regenerative current flows into the capacitor connected in parallel with the DC link stage generated when the current direction transitions from the suction force generation section to the reaction force generation section or vice versa. By turning on / off the gate of the power conversion element so as to operate in a reflux period to prevent it, the switching loss of the power conversion element and the noise of the hybrid floating magnet can be reduced.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, the same reference numerals will be used for the same components as the prior art.

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 펄스폭 변조 신호의 타이밍도이다.4 is a timing diagram of a pulse width modulation signal according to a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter according to the present invention.

도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 게이트 구동부는 4상한 쵸퍼의 제1,제2, 제3 및 제4 전력변환소자의 게이트를 제어하기 위한 펄스폭 변조 신호(PWM)를 각각 독립적으로 출력한다. 즉 게이트 구동부에서 출력되는 4상한 쵸퍼를 구동시키기 위한 펄스폭 변조신호는 기준값에 따라 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향에 따른 흡입력 발생구간(A1), 반발력 발생구간(R1), 흡입력 발생구간에서 반발력 발생구간으로 전류방향 천이시 또는 그 역인 경우 발생하는 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터에 회생전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 환류구간(A2,R2)으로 동작하도록 상기 전력변환소자의 게이트를 온/오프시킨다.As shown in FIG. 4, the gate driver of the present invention independently outputs a pulse width modulation signal PWM for controlling the gates of the first, second, third and fourth power conversion elements of the four quadrant chopper. . That is, the pulse width modulated signal for driving the four-quadrant chopper output from the gate driver has a repulsive force in the suction force generation section A1, the repulsive force generation section R1, and the suction force generation section in accordance with the direction of the current flowing through the hybrid magnet coil according to the reference value. The gate of the power conversion element is turned on / off to operate as a reflux section A2 and R2 for preventing regenerative current from flowing into a capacitor connected in parallel with a DC link stage generated when the current direction transitions to the generation section or vice versa. Turn it off.

여기서 상기 게이트 구동부는 펄스폭 변조신호(PWM) 발생을 위한 최소한의 타이머는 2개를 구비하며, 고속 스위칭시 암(ARM) 단락을 방지하기 위하여 각각의 신호에는 데드 타임(Dead-Time)을 고려하여 최종 게이트 제어신호를 발생시킴이 바람직하다. Here, the gate driver includes two minimum timers for generating a pulse width modulated signal (PWM), and considers dead-time in each signal to prevent an arm short circuit during high-speed switching. To generate the final gate control signal.

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 게이트 회로구동 및 전류 흐름도이다. 5 is a flowchart illustrating a gate circuit driving and a current flow according to a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter according to the present invention.

본 발명의 일실시예로 4상한 쵸퍼의 각 전력변환소자는 제1 전력변환소자(110)와 직렬연결된 제2 전력변환소자(120)로 구성된 한쌍의 전력변환소자가 직 류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터(150)와 병렬연결되어 있다. 또한 제3 전력변환소자(130)와 직렬연결된 제4 전력변환소자(140)로 구성된 또 다른 한쌍의 전력변환소자가 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터(150)와 병렬연결되어 있다. 여기서 하이브리드 부상 마그네트 코일(300)의 입력단은 직렬로 연결된 상기 제1, 제2 전력변환소자의 중단 노드에 연결되며, 하이브리드 부상 마그네트 코일(300)의 출력단은 직렬로 연결된 상기 제3, 제4 전력변환소자의 중단 노드에 연결되어 있다. In one embodiment of the present invention, each power conversion element of the quadrant chopper has a pair of power conversion elements composed of a second power conversion element 120 connected in series with the first power conversion element 110 is connected in parallel with the DC link stage. It is connected in parallel with the capacitor 150. In addition, another pair of power conversion elements including a fourth power conversion element 140 connected in series with the third power conversion element 130 are connected in parallel with the capacitor 150 connected in parallel with the DC link terminal. Here, the input terminal of the hybrid floating magnet coil 300 is connected to the interrupt node of the first and second power conversion elements connected in series, and the output terminal of the hybrid floating magnetic coil 300 is connected to the third and fourth power in series. It is connected to the interrupt node of the conversion element.

또한 각각의 상기 전력변환소자에 역 병렬로 다이오드를 구성한다. 상기 다이오드에 흐르는 전류의 변화는 흡입력 발생구간에서 반발력 발생구간으로 또는 반발력 발생구간에서 흡입력 발생구간으로 전류 방향이 천이되는 경우 원활한 동작이 이루어질 수 있도록 역회복 전류시간이 빠른 소자를 적용한다. Also, a diode is formed in reverse parallel to each of the power conversion elements. The change of the current flowing through the diode is applied to the fast reverse recovery current time so that a smooth operation can be performed when the current direction is shifted from the suction force generating period to the repulsive force generating section or the repulsive force generating section to the suction force generating section.

먼저 흡입력 발생구간(A1)은 도 5a에서 보는 바와 같이, 게이트 구동부(200)에 의하여 독립적으로 제1 전력변환소자(110) 및 제4 전력변환소자(140)의 게이트를 온시킴으로써, 이에 따른 커패시터(150)에서 출력되는 전류의 흐름은 상기 제1 전력변환소자(110), 하이브리드 부상 마그네트 코일(300) 및 상기 제4 전력변환소자(140)를 거쳐 다시 상기 커패시터(150)로 흐른다.First, as shown in FIG. 5A, the suction force generation period A1 turns on the gates of the first power conversion element 110 and the fourth power conversion element 140 independently by the gate driver 200, thereby resulting in a capacitor. The current flow output from the 150 flows back to the capacitor 150 through the first power conversion element 110, the hybrid floating magnet coil 300, and the fourth power conversion element 140.

다음으로 흡입력 환류구간(A2)는 도 5b에서 보는 바와 같이, 게이트 구동 부(200)에 의하여 독립적으로 제1 전력변환소자(110)의 게이트를 오프시킴으로써, 이에 따른 하이브리드 부상 마그네트 코일(300)에서 발생하는 회생전류는 제4 전력변환소자(140), 제2 전력변환소자(120)와 병렬연결된 다이오드를 거쳐 다시 하이브리드 부상 마그네트 코일(300)로 흐른다.Next, as shown in FIG. 5B, the suction force reflux section A2 turns off the gate of the first power conversion element 110 independently by the gate driving unit 200, thereby allowing the hybrid floating magnet coil 300 to be separated. The generated regenerative current flows back to the hybrid floating magnet coil 300 via a diode connected in parallel with the fourth power conversion element 140 and the second power conversion element 120.

즉 회생전류가 커패시터(150)에 거의 흐르지 않으므로, 전류 회생에 의한 4상한 쵸퍼의 직류링크에 병렬연결되어 있는 커패시터(150)는 충방전 전류의 크기가 대폭적으로 감소하여 그만큼 수명을 연장시킬 수 있고, 직류링크 전압을 안정화시킬 수 있다. 또한 부상 마그네트 코일(300)에 흐르는 전류의 리플이 감소하게 되여 코어에서 발생되는 히스테리시스손이 1.6승에 비례하여 줄어들게 되고, 또한 코어에서 열화가 대폭적으로 감소하게 된다.That is, since the regenerative current hardly flows in the capacitor 150, the capacitor 150 connected in parallel to the DC link of the quadrant chopper by the current regeneratively greatly reduces the magnitude of the charge / discharge current, thereby extending its lifespan. The DC link voltage can be stabilized. In addition, the ripple of the current flowing in the floating magnet coil 300 is reduced, the hysteresis loss generated in the core is reduced in proportion to 1.6 power, and also the degradation in the core is greatly reduced.

또한 부상 마그네트 코일(300)의 저항값과 코일 내부의 온도와의 상관관계는 비례적이므로 하이브리드 부상시스템에 소비되는 유효전력도 감소하게 되고, 그 만큼 차상의 에너지 공급장치의 부담율도 작아져 하이브리드 부상시스템에 에너지를 공급하는 전력변환장치도 용량 및 크기를 감소시킬 수 있다. 즉 환류 구간을 가지도록 4상한 쵸퍼의 각 전력변환소자의 스위칭을 제어함으로써, 부상 마그네트 코일의 전류 변동 크기를 감소시킴에 따라 부상 마그네트에서 소음발생을 약화시키고, 부상 마그네트의 흡인력 변화를 최소화하여 부상시스템의 진동을 최소화할 수 있다.In addition, since the correlation between the resistance value of the floating magnet coil 300 and the temperature inside the coil is proportional, the effective power consumed in the hybrid floating system is also reduced, and the burden rate of the onboard energy supply device is also reduced, so that the hybrid floating system is reduced. Power converters that supply energy can also reduce capacity and size. That is, by controlling the switching of each power conversion element of the quadrant chopper to have a reflux period, by reducing the current fluctuation magnitude of the floating magnet coil, it reduces the noise generated in the floating magnet, and minimizes the change in suction force of the floating magnet. The vibration of the system can be minimized.

다음으로 반발력 발생구간(R1)은 도 5c에서 보는 바와 같이, 게이트 구동부(200)에 의하여 독립적으로 제2 전력변환소자(120) 및 제3 전력변환소자(130)의 게이트를 온시킴으로써, 이에 따른 커패시터(150)에서 출력되는 전류의 흐름은 상기 제3 전력변환소자(130), 하이브리드 부상 마그네트 코일(300) 및 상기 제2 전력변환소자(120)를 거쳐 다시 상기 커패시터(150)로 흐른다.Next, as shown in FIG. 5C, the repulsive force generation period R1 is independently turned on by the gate driver 200 to turn on the gates of the second power conversion element 120 and the third power conversion element 130. The current flowing from the capacitor 150 flows back to the capacitor 150 through the third power conversion element 130, the hybrid floating magnet coil 300, and the second power conversion element 120.

마지막으로 반발력 환류구간(R2)는 도 5d에서 보는 바와 같이, 게이트 구동부(200)에 의하여 독립적으로 제3 전력변환소자(130)의 게이트를 오프시킴으로써, 이에 따른 하이브리드 부상 마그네트 코일(300)에서 발생하는 회생전류는 제2 전력변환소자(120), 제4 전력변환소자(140)와 병렬연결된 다이오드를 거쳐 다시 하이브리드 부상 마그네트 코일(300)로 흐른다.Lastly, as shown in FIG. 5D, the repulsive force reflux section R2 is generated by the hybrid floating magnet coil 300 by turning off the gate of the third power conversion element 130 independently by the gate driver 200. The regenerative current is flowed back to the hybrid floating magnet coil 300 via a diode connected in parallel with the second power conversion device 120, the fourth power conversion device 140.

즉 종래의 커패시터에 회생전류가 유입되는 스위칭 제어방법에 따른 부상 마그네트의 전류상승은 i(t)=V*(1-e(R/L)t)/R 이며, 회생구간동안 전류는 i(t)=I(0)-V*(1-e(R/L)t)/R이다. 따라서 전류 변동은 입력전압의 2배에 해당하는 전위차에 의한 전류 변동률이 발생하게 된다. 그러나 본 발명에 따른 스위칭 제어방법에 따른 흡입(반발)력 발생구간의 전류는 i(t)=V*(1-e(R/L)t)/R 이며, 입력전압 V에 해당하는 전 류 기울기를 가지고 상승하며 프리휠링 구간에 전류 변화는 i(t)=i(0)*e-(R/L)t와 같다. That is, the current rise of the floating magnet according to the switching control method in which the regenerative current flows into the conventional capacitor is i (t) = V * (1-e (R / L) t ) / R, and the current during the regenerative period is i ( t) = I (0) -V * (1-e (R / L) t ) / R. Therefore, the current variation is caused by the current variation rate due to the potential difference corresponding to twice the input voltage. However, the current of the suction (repulsion) force generation section according to the switching control method according to the present invention is i (t) = V * (1-e (R / L) t ) / R, the current corresponding to the input voltage V The slope rises and the current change in the freewheeling section is equal to i (t) = i (0) * e- (R / L) t .

여기서 V는 4상한 쵸퍼의 직류단 링크전압, I는 하이브리드 마그네트 전류, I(0)는 하이브리드 마그네트 초기값 전류, R은 하이브리드 마그네트 전자석 내부고유저항[ohm], L은 하이브리드 마그네트의 전자석 인덕턴스(L) 및 t는 시간을 나타낸다. Where V is the DC-link voltage of the quadrant chopper, I is the hybrid magnet current, I (0) is the initial value of the hybrid magnet, R is the intrinsic resistance of the hybrid magnet, and L is the electromagnetic inductance of the hybrid magnet. And t represent time.

따라서 본 발명에 따른 스위칭 제어방법에 의하면, 대부분의 구간에서 환류구간이 발생하므로 전력변환소자의 스위칭에 의한 손실이 대략 50% 이상 줄일 수 있으며, 회생구간은 극히 일부에서만 존재하기 때문에 하이브리드 부상 마그네트에 흐르는 전류 리플은 현저하게 줄어들게 된다. Therefore, according to the switching control method according to the present invention, since the reflux section occurs in most of the section, the loss due to switching of the power conversion element can be reduced by about 50% or more, and because the regenerative section exists only in a very small part, the hybrid floating magnet The flowing current ripple will be significantly reduced.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정?변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be practiced in various ways without departing from the technical scope of the present invention. will be.

도 1은 하이브리드 마그네트부와 4상한 쵸퍼회로를 포함한 하이브리드 자기부상시스템 구성도,1 is a configuration diagram of a hybrid magnetic levitation system including a hybrid magnet part and a quadrant chopper circuit;

도 2는 종래 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 펄스폭 변조 신호의 타이밍도,2 is a timing diagram of a pulse width modulated signal according to a switching control method of a conventional hybrid magnetic levitation system power converter;

도 3은 종래 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 게이트 회로구동 및 전류 흐름도,3 is a gate circuit driving and a current flow chart according to a switching control method of a conventional hybrid magnetic levitation system power converter;

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 펄스폭 변조 신호의 타이밍도,4 is a timing diagram of a pulse width modulated signal according to a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 자기부상시스템 전력변환장치의 스위칭 제어방법에 따른 게이트 회로구동 및 전류 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a gate circuit driving and a current flow according to a switching control method of a hybrid magnetic levitation system power converter according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10:레일 20:공극센서10: rail 20: air gap sensor

30:가속도센서 40,200:게이트 구동부30: acceleration sensor 40,200: gate drive unit

50:하이브리드 부상 마그네트 100:4상한 쵸퍼50: Hybrid injury magnet 100: 4 upper limit chopper

110:제1 전력변환소자 120:제2 전력변환소자110: first power conversion element 120: second power conversion element

130:제3 전력변환소자 140:제4 전력변환소자130: third power conversion device 140: fourth power conversion device

150:커패시터 300:하이브리드 부상 마그네트 코일150: Capacitor 300: Hybrid floating magnet coil

Claims (5)

공극센서 및 가속도 센서로부터의 출력되는 신호값 및 하이브리드 마그네트 코일로부터 출력되는 전류값을 입력받아 상기 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향을 조정하기 위한 전력변환소자의 게이트를 온/오프 하기 위한 게이트 구동부를 포함하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법에 있어서,A gate driver for turning on / off the gate of the power conversion element for adjusting the direction of the current flowing through the hybrid magnet coil by receiving the signal value output from the air gap sensor and the acceleration sensor and the current value output from the hybrid magnet coil. In the switching control method of a hybrid magnetic levitation system power conversion device comprising: 상기 전력변환소자는 제1 전력변환소자와 직렬연결된 제2 전력변환소자로 구성된 한쌍의 전력변환소자가 커패시터와 병렬연결되고, 또한 제3 전력변환소자와 직렬연결된 제4 전력변환소자로 구성된 또 다른 한쌍의 전력변환소자가 상기 커패시터와 병렬연결되어 있으며, 상기 제1 전력변환소자의 출력단은 하이브리드 마그네트 코일의 입력단에 연결되고, 상기 하이브리드 마그네트 코일의 출력단은 제4 전력변화 소자의 입력단에 연결되어 있는 4상한 쵸퍼로 구성되며,The power conversion device is a pair of power conversion device consisting of a second power conversion device connected in series with the first power conversion device is connected to the capacitor in parallel, and further configured as a fourth power conversion device connected in series with the third power conversion device A pair of power conversion elements are connected in parallel with the capacitor, the output end of the first power conversion element is connected to the input end of the hybrid magnet coil, the output end of the hybrid magnet coil is connected to the input end of the fourth power change element It consists of 4 quadrant choppers, 상기 게이트 구동부는 펄스폭 변조신호(PWM) 발생을 위한 최소한의 2개의 타이머를 구비하며, 제1, 제2, 제3 및 제4 전력변환소자를 독립적으로 스위칭할 수 있는 펄스폭 변조 신호(PWM)를 출력하여, 상기 하이브리드 마그네트 코일에 흐르는 전류의 방향에 따른 흡입력 발생구간, 반발력 발생구간 및 상기 흡입력 발생구간에서 상기 반발력 발생구간으로 전류방향 천이시 또는 그 역인 경우에 발생하는 직류링크단과 병렬연결되어 있는 커패시터에 회생전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 환류 구간으로 동작하도록 상기 전력변환소자의 게이트를 온/오프 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법.The gate driver includes at least two timers for generating a pulse width modulation signal PWM, and a pulse width modulation signal PWM for independently switching the first, second, third and fourth power conversion elements. ) And parallel connection with the DC link stage generated when the current direction transitions from the suction force generation section, the repulsive force generation section and the suction force generation section to the repulsive force generation section according to the direction of the current flowing in the hybrid magnet coil, or vice versa. And switching the gate of the power conversion device on / off to operate in a reflux period for preventing regenerative current from flowing into the capacitor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 흡입력 발생구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제1 전력변환소자 및 제4 전력변환소자의 게이트를 온시킴으로써, 커패시터에서 출력되는 전류는 상기 제1 전력변환소자, 하이브리드 부상 마그네트 코일, 상기 제4 전력변환소자를 거쳐 다시 상기 커패시터로 흐르는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법.The suction force generation period is independently turned on by the gate driver to the gate of the first power conversion element and the fourth power conversion element, the current output from the capacitor is the first power conversion element, hybrid floating magnet coil, the fourth power The switching control method of the hybrid magnetic levitation system power conversion device, characterized in that flowing through the conversion element to the capacitor. 제 2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 환류 구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제1 전력변환소자의 게이트를 오프시킴으로써, 하이브리드 마그네트 코일에서 발생하는 회생전류는 제4 전력변환소자, 제2 전력변환소자와 병렬연결된 다이오드를 거쳐 다시 하이브리드 마그네트 코일로 흐르는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법.In the reflux period, the gate of the first power conversion device is independently turned off by the gate driver, so that the regenerative current generated in the hybrid magnet coil passes through the diode connected in parallel with the fourth power conversion device and the second power conversion device. Switching control method of a hybrid magnetic levitation system power conversion element, characterized in that flowing in the coil. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반발력 발생구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제3 전력변환소자 및 제2 전력변환소자의 게이트를 온시킴으로써, 커패시터에서 출력되는 전류는 상기 제3 전력변환소자, 하이브리드 부상 마그네트 코일, 상기 제2 전력변환소자를 거쳐 다시 상기 커패시터로 흐르는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법.The repulsive force generation period is independently turned on by the gate driver to turn on the gate of the third power conversion element and the second power conversion element, the current output from the capacitor is the third power conversion element, hybrid floating magnet coil, the second power The switching control method of the hybrid magnetic levitation system power conversion device, characterized in that flowing through the conversion element to the capacitor. 제 2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 환류 구간은 게이트 구동부에 의하여 독립적으로 제3 전력변환소자의 게이트를 오프시킴으로써, 하이브리드 마그네트 코일에서 발생하는 회생전류는 제2 전력변환소자, 제4 전력변환소자와 병렬연결된 다이오드를 거쳐 다시 하이브리드 마그네트 코일로 흐르는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기부상시스템 전력변환소자의 스위칭 제어방법.In the reflux period, the gate of the third power conversion element is independently turned off by the gate driver, so that the regenerative current generated from the hybrid magnet coil passes through the diode connected in parallel with the second power conversion element and the fourth power conversion element. Switching control method of a hybrid magnetic levitation system power conversion element, characterized in that flowing in the coil.
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