랜덤 펄스 폭 변조

Random pulse width modulation

Random Pulse Width Modulation(RPWM; 랜덤 펄스 폭 변조)은 노이즈 신호의 에너지를 보다 넓은 대역폭으로 분산시킴으로써 전력 변환기의 Electronagnetic Interference(EMI; 전자파 간섭)를 완화하기 위해 도입된 변조 기술입니다.이 때문에 노이즈의 피크가 현저하지 않습니다.이는 펄스 폭 [1]변조 신호의 주요 파라미터를 임의로 변경하여 달성할 수 있습니다.

PWM 신호의 주요 파라미터

묘사

전자파 간섭(EMI) 필터는 전력 변환기에서 발생하는 전도성 배출물을 걸러내기 위해 널리 사용되어 왔습니다.그러나 항공기나 자동차처럼 크기가 매우 중요한 경우 전도된 방출을 억제하기 위한 실용적인 해결책 중 하나는 랜덤 펄스 폭 변조(RPWM)를 사용하는 것이다.기존 펄스 폭 변조(PWM) 방식에서 고조파 전력은 결정론적 주파수 또는 알려진 주파수에 집중되어 있다.그러나 기존의 PWM 방식에 무작위성을 적용하면 유의한 규모의 고조파가 존재하지 않도록 고조파 전력이 분산되고 이산 주파수에서의 피크 고조파가 현저하게 [2]감소합니다.

RPWM에서는 PWM 신호의 에너지를 확산시키기 위해 스위칭 주파수, 펄스 위치, 듀티 사이클 등의 PWM 신호의 스위칭 파라미터 중 하나를 랜덤하게 변화시킨다.따라서 RPWM은 랜덤하게 되는 파라미터에 따라 Random Frequency Modulation(RFM;랜덤 주파수 변조), Random Pulse Position Modulation(RPPM;랜덤 펄스 위치 변조) 및 Random Duty-Cycle Modulation(RDCM;랜덤 듀티 사이클 변조)로 분류할 수 있습니다.

RPWM의 특성은 Power Spectrum Density(PSD; 전력 스펙트럼 밀도)를 통해 더 자세히 조사할 수 있습니다.기존 PWM의 경우 PSD는 PWM 신호의 푸리에 직렬 팽창에서 직접 결정할 수 있습니다.단, RPWM 신호의 PSD는 WSS(Wide-Sense Stationary) 랜덤 [4]프로세스 등의 확률적 프로세스 이론을 사용하여 확률적 레벨로만 기술할 수 있습니다.

PWM 신호와 RPWM 신호의 PSD 비교

RFM

다양한 RPWM 기술 중 RPM(Random Frequency Modulation)은 3가지 주요 유형 중 가장 일반적인 방법으로, 많은 전력 변환기 토폴로지에서 전자 적합성(EMC) 테스트를 통과하기 위해 사용됩니다.이 변조 타입에서는 PWM 신호가 인가되는 전력변환기의 방출 노이즈를 확산시키기 위해 PWM 신호의 전환 주파수를 랜덤하게 변화시킨다.RFM은 구현이 매우 용이하며 기존 PWM에 비해 노이즈 피크를 크게 줄일 수 있습니다.다만, 통상의 동작에 고정 스위칭 주파수를 필요로 하지 않는 전력 변환기에 한정됩니다.스위칭 주파수의 변동 정도가 크면 전력 변환기 회로 내의 디바이스와 컴포넌트의 적절한 기능에 영향을 줄 수 있습니다.[5]

서로 다른 변조가 사용되는 DC-DC 컨버터의 출력 전압 고조파 비교

RPPM

RPPM은 EMC 컴플라이언스 테스트를 통과하기 위해 전력 변환기에 일반적으로 배치됩니다.또한 이 변조 기술은 전도된 방출을 크게 줄이고 결과적으로 전력 변환기의 복사 방출을 감소시킵니다.단, RFM에 비해 RPPM은 EMI 저감에 대한 효과가 낮습니다.이는 RPPM의 PSD가 밀도 성분과 조화 성분을 모두 포함하고 있어 스펙트럼이 밀도 성분만을 갖는 RFM과 달리 스펙트럼이 완전히 확산될 수 없기 때문이다.단, 이 변조 방식에서는 인덕터나 캐패시터 등의 컨버터 컴포넌트가 정상적으로 [1][3]기능할 수 있도록 스위칭 주파수와 펄스 폭 모두 고정된다.

RDCM

RDCM에서는 노이즈 스펙트럼을 확산시키기 위해 PWM 신호의 펄스 폭 또는 듀티 사이클을 랜덤하게 변화시킨다.이런 종류의 변조는 이전의 것에 비해 덜 흔하다.이는 RDCM이 노이즈 확산에 덜 효과적이기 때문입니다.또한 듀티 사이클을 랜덤하게 변경하면 출력 전압 변동 및 리플이 발생할 수 있습니다.또한 일부 전력변환기 토폴로지에서는 듀티 사이클 변화가 폐쇄 루프 제어 [3]시스템을 사용하여 입출력 전압 및 전류를 제어하는 주요 수단이다.예를 들어 브러시드 DC 모터용 드라이브를 들 수 있습니다.모터의 전원은 전압과 전류를 변화시키기 위해 이미 특정 주파수로 "초프"되어 있기 때문에 프로세스에 랜덤화를 도입하면 시스템 성능이 저하될 수 있습니다.

가변 주파수 인버터 시스템

이러한 유형의 변조는 모든 크기 및 애플리케이션의 가변 주파수 드라이브에서 더욱 보편화되고 있습니다.기능으로 포함된 소비자 크기 VFD에서는 사용자가 선택할 수 있는 매개 변수로 제공되며, 종종 여러 가지 작동 수준이 있습니다.드라이브에 따라서는, 동시에 복수의 방법을 사용할 수도 있습니다.단, "RPWM"이라는 용어는 일반적으로 기술적인 의미에서 이러한 유형의 변조에 라벨을 붙이는 데 사용되지만, 이 기술에는 아직 VFD 파라미터 이름의 세계에 라벨이 없습니다.예를 들어, 후지 전기는 소음 저감 파라미터를 「모터 톤」으로 표기하고 있는 반면, 미쓰비시 전기와 테코 웨스팅 하우스 모두 「소프트 PWM」으로 표기하고 있습니다.「소프트 PWM」이라고 하는 용어를 사용하면, 제로 크로스 컨트롤은 「소프트 스위칭」이라고 표기하는 경우가 있기 때문에, 이 기술에 익숙하지 않은 사람에게 혼란을 줄 가능성이 있습니다.

표준 라벨로 사용할 수 있는 용어는 "scramble" 또는 "carrier scrambling"이 될 수 있습니다. "scramble"이라는 단어는 사용되는 RPWM 방법에 고유하지 않지만 출력 파형의 모양과 특성에 영향을 미치는 특수 프로세스가 실제로 발생하고 있음을 사용자에게 알려주기 때문입니다.게다가 이 워드는 통신 필드에 홈이 있습니다.여기서 스크램블러는 신호를 부호화하기 위해 사용되는 디바이스(일반적으로 아날로그)로 적절히 조정된 디스크램블러 없이 수신처에 도달하기 전에 대행 수신하면 이해하기 어렵습니다.즉, 보다 일반적인 의미에서 RPWM에 라벨을 붙이기 위해서 사용하는 경우는, 「스크램블」이 부적절하지 않습니다.

라벨에 관계없이 라벨이 포함된 소비자 크기 vfds에서 매뉴얼을 관찰한 결과 파라미터 설명의 초점은 EMI 감소 및 모터 상태보다는 음향 소음 감소에 맞춰져 있는 것으로 보인다.

현대식 레일 트랙션 컨버터에서 이 방법은 모터를 사용하는 인버터에 의해 구동될 때 발생하는 소리의 변화를 나타냅니다.일반적인 SPWM 컨버터의 캐리어 베이스의 윙윙거리는 소리와는 달리, 소리는 백색 노이즈에 가까운 쉬쉬에 가깝습니다.레일 트랙션 컨버터는 이러한 높은 전력 레벨에서 작동하기 때문에 이러한 시스템에서는 EMI가 보다 쉽게 생성됩니다.이러한 애플리케이션에서 RPWM은 모터의 상태와 방출된 EMI 수준에 매우 유용합니다.

공존 문제

RPWM 기술은 전력 변환기의 EMI를 줄이는데 매우 효과적입니다.단, 이러한 특수한 유형의 변조를 가진 전력변환기가 통신시스템과 공존할 경우 전력시스템과 통신시스템 사이에 심각한 전자파 간섭이 발생할 수 있다.이러한 악영향은 전력 변환기와 통신 시스템이 공존하고 있는 전력선 통신(PLC) 시스템에서 관찰될 수 있습니다.실제로 최근 연구에 따르면 전도된 방출을 최소화하기 위해 전력 변환기에 적용되는 RPWM은 PLC [6][7]시스템에 유해한 간섭을 일으킬 수 있습니다.

G3-PLC의 프레임 오류율은 PWM 및 RPWM으로 변조된 DC-DC 컨버터와 공존합니다.

PLC 시스템의 스위칭 주파수 및 대역폭이 전원 시스템의 주파수와 겹치면 간섭이 더 심해질 수 있습니다.대부분의 전력 변환기는 저주파 전자파 적합성 범위에 있는 150kHz 미만의 스위칭 주파수를 사용합니다.이는 주로 협대역 PLC 시스템(Prime PLC 및 G3-PLC와 같이 150kHz 미만의 주파수에서 스마트 그리드 애플리케이션에 사용되는 특수 PLC 프로토콜)에서 공존 문제를 야기할 수 있다.기존 PWM에서는 전력 변환기의 노이즈가 전환 주파수의 이산 배수로만 PLC 주파수 대역과 겹칩니다.따라서 PLC 시스템에 대한 간섭이 줄어듭니다.단, RPWM에서는 노이즈가 확산되어 PLC와 전력 변환기로부터의 노이즈가 모두 넓은 대역폭을 공유합니다.이로 인해 PLC 시스템에 더 많은 장애가 발생합니다.따라서 공존하고 있는 PLC [6]시스템과 겹치지 않는 랜덤 변조 전력 변환기의 스위칭 주파수를 선택하기 위해서는 공존하고 있는 시스템의 특성을 주의 깊게 관찰하는 것이 좋습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Trzynadlowski, A.M.; Blaabjerg, F.; Pedersen, J.K.; Kirlin, R.L.; Legowski, S. (September 1994). "Random pulse width modulation techniques for converter-fed drive systems-a review". IEEE Transactions on Industry Applications. 30 (5): 1166–1175. doi:10.1109/28.315226.
  2. ^ Hamid, Abduselam; Wan, Lu; Loschi, Hermes; Nascimento, Douglas do; Grassi, Flavia; Smolenski, Robert; Spadacini, Giordano; Pignari, Sergio A. (20 October 2020). "PSpice-Simulink Co-Simulation of the Conducted Emissions of a DC-DC Converter with Random Modulation". 2020 6th Global Electromagnetic Compatibility Conference (GEMCCON): 1–4. doi:10.1109/GEMCCON50979.2020.9456753. hdl:11311/1199958.
  3. ^ a b c Stankovic, A.M.; Verghese, G.E.; Perreault, D.J. (November 1995). "Analysis and synthesis of randomized modulation schemes for power converters". IEEE Transactions on Power Electronics. 10 (6): 680–693. doi:10.1109/63.471288. hdl:1721.1/86944.
  4. ^ Bech, M.M.; Pedersen, J.K.; Blaabjerg, F.; Trzynadlowski, A.M. (May 1999). "A methodology for true comparison of analytical and measured frequency domain spectra in random PWM converters". IEEE Transactions on Power Electronics. 14 (3): 578–586. doi:10.1109/63.761702.
  5. ^ Loschi, Hermes; Lezynski, Piotr; Smolenski, Robert; Nascimento, Douglas; Sleszynski, Wojciech (January 2020). "FPGA-Based System for Electromagnetic Interference Evaluation in Random Modulated DC/DC Converters". Energies. 13 (9): 2389. doi:10.3390/en13092389.
  6. ^ a b Beshir, Abduselam Hamid; El Sayed, Waseem; Wan, Lu; Grassi, Flavia; Crovetti, Paolo Stefano; Liu, Xiaokang; Wu, Xinglong; Madi, Amr; Smolenski, Robert; Pignari, Sergio Amedeo (January 2022). "Influence of Random Modulated Power Converter on G3 Power Line Communication". Applied Sciences. 12 (11): 5550. doi:10.3390/app12115550.
  7. ^ Sayed, Waseem El; Lezynski, Piotr; Smolenski, Robert; Madi, Amr; Pazera, Marcin; Kempski, Adam (January 2021). "Deterministic vs. Random Modulated Interference on G3 Power Line Communication". Energies. 14 (11): 3257. doi:10.3390/en14113257.

외부 링크