2.1 기본적인 2-level 인버터 회로도

전동기를 활용하여 운전하는 전기 철도차량에서 인버터는 공급되는 DC 전원을 AC 출력으로 변환하는 역할을 한다. 기본적인 2-level 인버터의 회로도는 아래의 그림 1과 같다. 6개의 IGBT(1200V/100A급)를 제어하여 각 IGBT의 ON/OFF 상태에 따라 직류의 입력을 3상의 교류 전력으로 출력한다. 하지만 기본적인 인버터는 고장 방지 대책이 적용되지 않는다. 그렇기에 인버터 내의 전력용 반도체 고장 발생 시 해당 전력용 반도체를 포함하는 상을 제어하지 못하며, 이는 단락 및 화재 등의 사고로 이어질 수 있다. 그렇기에 철도차량에서 사고 방지 대책을 통한 안정성 증대를 위해 전력용 반도체 고장 발생 시 레그 절체를 통해 안정성을 증대할 필요가 있다^[6].

그림 1. 기본적인 2-level 인버터의 회로도

Fig. 1. Circuit diagram of a basic 2-level inverter

2.2 철도차량 적용을 위한 레그 절체형 인버터 회로도

아래의 그림 2는 전력용 반도체 고장 발생 시 레그를 절체하기 위한 레그 절체형 인버터의 회로도이다. 전력용 반도체 고장이 발생한 경우, 레그 절체는 첫째로 메인 회로로부터 고장이 발생한 상을 분리한 후 분리된 상을 중성점으로 연결하는 동작이 필요하다. 그림 2에서는 C상 내의 전력용 반도체 고장 발생 시 C상을 절체하기 위한 릴레이가 적용된 예시이다. 레그 절체 동작 중 메인 회로로부터 고장이 발생한 상을 분리하기 위하여 SS1과 SS2의 릴레이가 적용되었으며 분리된 상을 중성점으로 연결하기 위해 SS3 릴레이가 적용되었다. 고장이 발생하지 않은 경우, 릴레이 SS1과 SS2는 단락되어 있고 SS3는 개방되어 있다. 이는 그림 1과 같은 기존의 인버터와 동일하게 동작한다. 하지만 고장이 발생한 경우, SS1과 SS2를 개방하여 메인 회로로부터 C상을 분리하고 SS3를 단락하여 C상 중섬점으로 연결한다. 이를 통해 전력용 반도체 고장 발생 시에도 안정적인 3상의 전력을 출력할 수 있도록 한다^[7].

그림 2. C상의 레그 절체형 인버터 회로도

Fig. 2. Circuit diagram of inverter with C-leg transfer method applied

2.3 레그 절체형 인버터의 전압 제어량 변동

레그 절체형 인버터에서 레그 절체 이전의 제어 방식은 기존의 2-level 인버터의 제어와 동일하다. 아래의 그림 3과 같이 인버터의 출력 전류 $i_{a},\: i_{b},\: i_{c}$ 및 d축과 q축의 기준 값인 $i_{dref},\: i_{qref}$를 활용한 dq변환을 통해 3상의 전력을 출력한다. 하지만 레그가 절체된 경우에는 아래의 그림 4와 같이 PWM 파형 생성 전까지는 제어가 동일하지만 PWM 파형 생성을 위한 전압 제어량에 관한 수식이 변동된다. PI 제어 이후 값인 $v_{a},\: v_{b},\: v_{c}$에서 고장이 발생하지 않은 상에서 고장이 발생한 상의 값을 각각 뺀 값인 $v_{a}^{*},\: v_{b}^{*}$값을 이용하여 PWM 파형을 생성한다. 이를 통해 고장 발생 이후에도 안정적인 3상을 출력하도록 제어할 수 있다^[5].

그림 3. 레그 절체형 인버터의 레그 절체 이전의 제어 블록도

Fig. 3. Control block diagram of convensional 3-leg inverter

그림 4. 레그 절체형 인버터의 C상 절체 시의 제어 블록도

Fig. 4. Control block diagram of the inverter after applying C-leg is transferred

본 논문에서 사용된 레그 절체형 인버터에서 전압 제어량 변동과 릴레이 동작 간의 상관관계 분석을 위한 제어 블록도를 아래의 그림 5와 6에 표기하였다. 그림 5는 C상 절체 시, 릴레이 동작 이후 전압 제어량이 변동되는 경우의 제어 블록도의 변화를 나타낸다. 이 경우, 릴레이가 동작하여 레그를 절체하고 이후 설정된 지연 시간이 지난 이후 전압 제어량이 변동된다. 그림 6은 C상 절체 시, 전압 제어량 변동 이후 릴레이가 동작하는 경우의 제어 블록도 변화를 나타낸다. 이 경우 제어량은 즉시 변동하며 이후 설정된 지연 시간 이후에 릴레이가 동작하여 레그를 절체한다. 이 두 경우에 대하여 지연 시간에 따른 전류 오버슈트 및 과도상태 유지 시간을 통해 레그 절체형 인버터의 동작 상관관계에 따른 성능을 분석하였다.

그림 5. C상 레그 절체시 릴레이가 먼저 동작하는 경우의 제어 블록도의 변화

Fig. 5. Changes in control block diagram when the relay operates first when C-leg is transferred

그림 6. C상 레그 절체 시 전압 제어량 변동이 먼저 동작하는 경우 변동되는 제어 블록도

Fig. 6. Changes in control block diagram when the voltage control amount changes first when C-leg is transferred

3.1 실험을 위한 하드웨어 설계

레그 절체형 인버터의 정상 동작을 검증하기 위한 실험을 진행하였다. 실험의 전경은 아래의 그림 7과 같으며 실제 실험에 적용된 회로의 하드웨어는 아래의 그림 8과 같다. 또한 각 소자에 적용된 파라미터는 아래의 표 1에 표기하였다.

그림 7. 레그절체 방식의 실험 모습

Fig. 7. Experiment overview of leg transfer method

그림 8. 실험에 적용된 레그 절체형 인버터

Fig. 8. Leg transfer type inverter applied to the experiment

3.2 레그 절체 방식의 정상 동작 검증

레그 절체형 인버터에서의 레그 절체는 아래의 동작 순서를 가진다. 첫째로 임의로 고장 신호를 생성하면 릴레이 SS1, SS2에 연결된 MOSFET의 Gate 신호를 차단하고 릴레이 SS3에 연결된 MOSFET의 Gate 신호를 인가한다. 이를 통해 릴레이의 ON/OFF를 제어하여 레그를 절체한다. 본 논문에서는 C상의 전력용 반도체 고장 상황을 가정하였으며 실험에 사용한 릴레이는 최대 스위칭 전류가 40[A]인 AHES4291 모델을 사용하였다.

실험 결과인 아래의 그림 9에서 적용한 레그 절체 방식이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있다. 그림 9(a)에서 전압이 올라가는 A 지점은 릴레이 신호가 인가된 시점이며 전압이 내려가는 B 지점은 릴레이 동작 및 제어량 변동 시점이다. 릴레이가 자체 동작 지연을 가지기 때문에 자체 지연 시간 이후 릴레이가 동작하는 시점에 제어량을 변동했을 때 그림 9(b)의 3상 출력 파형 결과를 확인하였다. 즉, 그림 9에서 0[s]를 기준으로 고장 신호를 인가하였을 때 13.6[ms] 이후에 릴레이의 동작 및 제어량이 변동이 이루어졌으며 이에 따라 인버터는 고장 발생 시에도 안정적인 3상의 전력을 출력할 수 있음을 확인하였다. 이때의 전류의 최대 오버슈트 전류는 –1.28[A] 이다.

그림 9. 레그 절체 방식의 정상 동작 확인을 위한 실험 결과 (a) 릴레이 동작 및 제어량 변동 신호 (b) 인버터의 출력 전류 파형

Fig. 9. Experimental results to confirm normal operation of leg transfer method (a) Relay operation and control amount change signal (b) Inverter output current waveform

다만 그림 9(a)에 표시한 것처럼 릴레이는 동작 신호를 주어도 자체 지연 시간을 가지고 있다. Panasonic사에서 제공하는 AHES4291의 Datasheet에 따르면 접점이 닫히는데까지 걸리는 시간인 Operating Time은 최대 30[ms], 전원 차단 이후 접점이 완전히 개방되는데 까지 걸리는 시간인 Release Time은 최대 10[ms]인 것을 확인하였으며 본 실험에서는 0[s] 기준으로 신호를 인가했을 때, 약 13.6[ms]의 릴레이의 자체 지연 시간을 갖는 것을 확인하였다. 실험 결과에 따라 본 논문에서 진행한 모든 실험에서 릴레이는 13.6[ms] 정도의 자체 지연 시간 고려하여 지연 시간을 계산하였다.

4.1 동작 지연 적용에 따른 레그 절체 실증 실험 환경

본 논문에서는 인버터의 레그 절체 시 릴레이 동작 이후 제어량 변동 시, 제어량 변동 이후 릴레이 동작 시 각 경우의 지연 시간에 따른 전류 오버슈트 및 과도 상태 유지 시간 분석 실험을 진행하였다. 각 경우에 따라 5[ms], 10[ms], 15[ms], 20[ms], 25[ms]의 지연 시간이 주어진 경우에 대하여 실험하였다.

4.2 릴레이 동작 이후 동작 지연 적용 실험

릴레이를 먼저 동작시킨 후 동작 지연 이후, 제어량 변동을 적용했을 때 지연 시간이 각각 10[ms], 20[ms]일 때의 실험 결과는 각각 그림 10, 11과 같다. 그림 10(a), 11(a)에서 A 지점은 레그가 절체된 시점이며, B 지점은 제어량이 변동된 시점이다. 또한 그림 10(b), 11(b)는 동작 지연 적용에 따른 출력 3상 전류 파형이다. 실험 결과 파형에서 지연 시간이 증가함에 따른 오버슈트 전류의 증가 혹은 감소의 추세가 보이지 않음에 따라 릴레이 동작 이후 제어량 변동 시 최대 오버슈트 전류는 지연 시간과는 큰 상관관계가 없음을 확인하였다. 하지만 릴레이가 먼저 동작한 경우, 그림 10(b), 11(b)에서 릴레이 동작 이후 제어량이 변동되기 전까지 정상상태에 도달하지 못하고 정상적으로 제어가 되지 않아 A와 B구간 사이에 3상의 출력이 불평형을 이루는 것을 확인하였다. 출력의 불평형은 제어량이 변동됨에 따라 다시 평형을 이루었으며 이에 따라 릴레이 동작 이후 제어량이 변동되는 경우, 지연 시간을 최소화해야 한다는 것을 확인하였다.

그림 10. 릴레이 동작 이후 지연 시간이 10[ms]인 경우 결과 파형 (a) 릴레이 동작 및 제어량 변동 신호 (b) 인버터의 출력 전류 파형

Fig. 10. Waveforms when the delay after relay operation is 10[ms] (a) Relay operation and control amount change signal (b) Inverter output current waveform

그림 11. 릴레이 동작 이후 지연 시간이 20[ms]인 경우 결과 파형 (a) 릴레이 동작 및 제어량 변동 신호 (b) 인버터의 출력 전류 파형

Fig. 11. Waveforms when the delay after relay operation is 20[ms] (a) Relay operation and control amount change signal (b) Inverter output current waveform

4.3 제어량 변동 이후 동작 지연 적용 실험

제어량 변동을 먼저 적용한 후 동작 지연 이후 릴레이를 동작했을 때 지연 시간이 각각 10[ms], 20[ms] 일 때 실험 결과는 각각 그림 12, 13과 같다. 그림 12(a), 13(a)에서 A 지점은 제어량이 변동된 시점이며 B 지점은 레그 절체 신호가 인가된 시점, C 지점은 레그가 절체된 시점이다. 또한 그림 12(b), 13(b)는 동작 지연 적용에 따른 출력 3상 전류 파형이다. 릴레이가 약 13.5[ms]의 자체 지연 시간을 가지고 있으므로 본 실험에서 지연 시간이 13.5[ms]보다 작은 경우에는 릴레이 동작 신호 이후 릴레이 동작 전 제어량을 변동하도록 지연 시간을 설정하였고 13.5[ms]보다 큰 경우에는 이 지연 시간을 포함하여 설정된 지연 시간이 적용되도록 실험을 진행하였다.

그림 12. 제어량 변동 이후 지연 시간이 10[ms]인 경우 결과 파형 (a) 릴레이 동작 및 제어량 변동 신호 (b) 인버터의 출력 전류 파형

Fig. 12. Waveforms when the delay after the control amount change is 10[ms] (a) Relay operation and control amount change signal (b) Inverter output current waveform

그림 13. 제어량 변동 이후 지연 시간이 20[ms]인 경우 결과 파형 (a) 릴레이 동작 및 제어량 변동 신호 (b) 인버터의 출력 전류 파형

Fig. 13. Waveforms when the delay after the control amount change is 20[ms] (a) Relay operation and control amount change signal (b) Inverter output current waveform

실험 결과, 지연 시간이 5[ms]인 경우, 최대 오버슈트 전류가 1.45[A]로 가장 컸지만 이전 실험과 마찬가지로 지연 시간과 오버슈트 간의 직접적인 상관관계는 확인되지 않았다. 하지만 제어량이 먼저 변동된 경우, 레그 절체 전까지도 안정적인 3상의 전력을 출력하는 것을 그림 12(b)와 13(b)를 통해 확인하였다. 이를 통해 릴레이 동작 이전 제어량을 변동하는 것이 더욱 안정적인 제어 방식임을 확인하였다.

표 2는 릴레이 동작 이후 동작 지연을 적용한 실험 결과 표이며 표 3은 제어량 변동 이후 동작 지연을 적용했을 때의 실험 결과 표이며 결과 분석을 위해 동작 지연 시간에 따른 릴레이 및 제어량 변동 동작 시간, 최대 오버슈트 전류, 과도 상태 유지 시간을 표기하였다.

표 2를 보면 릴레이가 먼저 동작하고 제어량이 변동된 경우 지연 시간과 최대 오버슈트 전류와는 직접적인 상관관계는 없지만 설정한 지연 시간 만큼의 과도 상태 구간이 발생했고 이에 따라 지연 시간이 증가할수록 과도 상태 유지 시간이 길어진 것을 확인할 수 있다.

또한 제어량이 변동한 경우에도 표 3에서 최대 오버슈트 전류를 보면 지연 시간과 최대 오버슈트 전류와는 직접적인 상관관계를 가지지는 않았다. 하지만 그림 12, 그림 13에서와 같이 제어량 변동 후 동작 지연 구간에도 정상상태에서 제어되어 과도 상태 유지 시간이 평균 2.5[ms]로 더욱 안정적으로 제어된 것을 표 3의 결과를 통해 확인할 수 있다. 이를 통해 레그 절체 시 제어량 변동 적용 후 릴레이를 동작하는 경우 더욱 안정적인 제어가 가능함을 검증하였다.