다중 부하 제어를 위한 3 레그 2 상 인버터의 모델 예측 제어와 허용 제어
Model Predictive Control and Fault Tolerance Operation of a 3-Leg 2-Phase Inverter for Multiple Load Condition
- 주제(키워드) 3레그 2상 인버터 , 다중 부하 제어 , 모델 예측 제어 , 허용제어
- 주제(DDC) 621.381
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이교범
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034861
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 높은 신뢰성을 요구하는 차량 등의 모빌리티에서 활용할 수 있는 3레그 2상 다중 부하 제어용 인버터의 안정성을 확보하기 위한 방법으로 MPCC- DSVM (Model Predictive Current Control-Discrete Space Vector Modulation), 허용 제어 를 각각 제안한다. MPCC-DSVM은 공간 벡터 변조 영역 중 비선형 영역을 제거하고 정지된 기준 전압 벡터 축을 기반으로 가상 전압 벡터를 생성하는 DSVM 기법을 사용 한다. 부하 매개변수를 사용하여 추정된 전압 각도를 기반으로 특정 영역의 후보 전 압 벡터를 생성하여 계산 부담을 줄일 수 있으므로 속응성이 향상되고, 비용 함수의 최소 값이 감소되므로 계산 정확도가 향상된다. 또한 제안하는 MPC-DSVM 제어 방 법을 적용하여 가상 전압 벡터의 수를 늘리면 세부적인 기준 전압을 얻을 수 있기 때 문에 출력 전류의 총 고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion, THD)이 감소되므로 전력 품질이 향상된다. 기능 신뢰성 향상을 위한 개방 고장 진단 및 허용 제어는 기존의 복 잡한 좌표 변환과 수식을 적용하지 않고 실시간으로 2주기 이내에 감지된 전류 크기 를 활용하여 제어를 실시한다. 3레그 2상 인버터의 스위치가 고장난 경우 10ms 이내 에 진단 후 고장 모드를 정의하고 a상, b상, c상의 듀티비를 변경하여 고장이 발생된 MOSFET 전력 반도체의 작동을 중지하고 동일한 레그에 구성된 다른 MOSFET 전력 반도체는 듀비비 조정 및 위상 천이 제어를 적용하여 도통 시킨다. 기존의 MPCC (Conventional-MPCC, C-MPCC) 대비 제안하는 MPCC-DSVM는 세분 화된 가상 전압 벡터를 사용하여 비용 함수가 감소되므로 계산 정확도 향상, 속응성 향상, THD가 감소되므로 시스템 신뢰성이 향상된다. 허용 제어는 다중 부하 제어를 위한 3레그 2상 인버터에서 고장이 발생되기 전과 같은 크기의 전압과 전류를 출력하 여 전력 공급 시스템의 신뢰성을 확보한다. 본 논문에서 제안하는 방법들의 유효성은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증한다.
more초록/요약
This dissertation proposes MPCC-DSVM (Model Predictive Current Control-Discrete Space Vector Modulation) and fault-tolerant operation which can secure the stability of the 3-leg 2-phase multi-load control systems, suitable for high-reliability mobility applications such as vehicles. The proposed MPCC-DSVM method eliminates the nonlinear modulation region and generates a virtual voltage vectors based on stationary reference voltage vector axis. Computational burden is reduced, enhancing dynamic response and calculation accuracy through cost function optimization by creating a candidate voltage vector in a specific region based on the estimated voltage angle using load parameters. In addition, a subdivided reference voltage is obtained by increasing the number of virtual voltage vectors through the proposed MPC-DSVM control method, the total harmonic distortion (THD) of the output current is reduced, which improves the power quality. The fault tolerant-operation detects current levels within 2 cycles in real-time, eliminating the need for complex coordinate transformation and equations. In the event of an open-circuit failure (OCF) in the 3-leg 2-phase inverter, the failure mode is defined within 10ms, and the duty ratios of the a-phase, b-phase, and c-phase are adjusted accordingly. Simultaneously, MOSFET within the same leg are controlled through duty ratio modification and phase shift control to maintain system operation. Compared to Conventional-MPCC (C-MPCC), the proposed MPCC-DSVM method reduces the cost function, enhances calculation accuracy through virtual subdivided voltage vectors, and improves dynamic response and system stability by reducing THD. Fault- tolerant operation ensures the powernet reliability by maintaining the same voltage and current magnitude as pre-failure conditions in multiple load control. The proposed methods are verified through simulations and experimental results.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 3
제 2장 3레그 2상 인버터의 MPC 5
2.1 RL 부하를 가지는 3레그 2상 전압형 인버터 토폴로지 5
2.2 3레그 2상 전압형 인버터의 신뢰성 향상을 위한 MPC 9
2.3 비용 함수 설정 11
2.3.1 연속 전류 모델 11
2.3.2 이산 전류 모델 11
2.4 MPC-DSVM 14
2.4.1 가상 전압 벡터 생성 14
2.4.2. 데드비트(Deadbeat) 방법을 사용한 최적 영역 선정 16
2.4.3 다중부하 공간 벡터 변조 방법 17
2.5 시뮬레이션 결과 분석 20
2.6 실험 결과 분석 25
제 3 장 인버터 고장 분석과 진단 34
3.1 인버터의 고장 분석 34
3.1.1. 3레그 2상 전압형 인버터의 고장 모드 34
3.1.2 인버터 고장 유형 및 원인 분석 37
3.2 전력 반도체 고장 분석 39
3.2.1 전력 반도체 고장 모드 39
3.2.2 전력 반도체 개방 고장 사례 및 원리 분석 41
3.3 스위치 고장 진단 43
3.3.1 개방 고장 진단 사례 분석 43
3.3.2 개방 고장 진단 제안 44
3.4 개방 고장 시뮬레이션 48
3.5 인버터 고장 모드 및 개방 고장 진단 결과 분석 51
제 4 장 신뢰성 향상 위한 인버터 허용 제어 52
4.1 허용 제어를 위한 다중 부하 독립 제어 방법 52
4.2 허용 제어를 위한 부하 특성 분석 57
4.3 듀티비 및 위상천이 기법을 활용한 허용 제어 64
4.4 시뮬레이션 수행 및 결과 분석 66
4.5 실험 결과 분석 73
4.5.1 허용제어 실험 결과 73
4.5.2 과도 구간에서 기능 안전성 분석 76
제 5 장 결론 79
참고 문헌 81
Abstract 90
