Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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Three-phase 3-level and 2-level SVPWM Implementation with 100 kHz Switching Frequency using FPGA

FPGA를 이용한 100 kHz 스위칭 주파수의 3상 3-level과 2-level의 SVPWM의 구현

  • Moon, Kyeong-Rok (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University) ;
  • Lee, Dong-Myung (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University)
  • Received : 2020.02.04
  • Accepted : 2020.03.20
  • Published : 2020.03.31
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Abstract

This paper presents a 3-level, 2-level SVPWM technique with 100 kHz switching using Verilog HDL, one of the languages of FPGA. In the case of IGBT devices mainly used in inverters, they have a switching frequency around 20kHz. Recent research and development of next-generation power semiconductor devices such as GAN has enabled switching of more than 100kHz, which can miniaturize power converters, and apply various new algorithms due to the injection of harmonics. In the existing system using the IGBT, the control using the DSP is common, but the controller configuration for 100 kHz switching requires the use of FPGA. Therefore, this paper explains the theory and implementation of SVPWM applied to two-level and three-level inverters using FPGAs and verifies the performance through the output waveform. In addition, this paper implements 3-level SVPWM by using only one carrier instead of using two carriers in the conventional method.

본 논문은 FPGA의 언어 중 하나인 Verilog HDL을 사용한 100 kHz 스위칭의 3-레벨, 2-레벨 SVPWM 기법을 구현에 대한 것이다. 인버터에 주로 사용되는 IGBT소자의 경우 주로 20 kHz 근방에서 스위칭 주파수를 가진다. 최근 차세대 전력 반도체 소자의 연구 개발로 100 kHz 이상의 스위칭을 구현하여 전력변환기를 소형화하고, 고조파의 주입에 따른 여러 가지 새로운 알고리즘의 적용이 가능하게 되었다. IGBT를 이용하는 기존의 시스템에서는 DSP를 이용한 제어가 이루어지는 것이 통상적이나, 100 kHz 스위칭을 위한 제어기 구성으로는 FPGA를 이용한 제어기의 적용이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 FPGA를 사용하여 2-레벨 인버터와 3-레벨 인버터에 적용되는 SVPWM의 이론과 FPGA 구현에 대하여 설명하고 SVPWM의 출력 파형을 통해 구현 성능을 확인한다. 한편, 본 논문에서는 3-레벨 인버터에서 SVPWM 구현 시 기존의 방식에서 반송파 2개를 사용하는 방법을 대신하여 반송파 1개만을 사용하는 기법으로 3-레벨 SVPWM을 구현한다.

Keywords

References

  1. Z. Zhou, T. Li, T. Takahashi and E. Ho, "Design of a universal space vector PWM controller based on FPGA," Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, vol.3, pp.1698-1702, 2004. DOI: 10.1109/APEC.2004.1296094
  2. D. W. Chung, J. S. Kim and S. K. Sul, "Unified voltage modulation technique for real-time threephase power conversion," IEEE Trans. on Indu. Appli., vol.34, no.2, pp.374-380, 1998. DOI: 10.1109/28. 663482
  3. K. K. Vinoth, et al. "Simulation and comparison of SPWM and SVPWM control for three phase inverter," J. of Eng. and Appl. Sciences, Vol.5, No.7, pp.61-74, 2010.
  4. T. Y. Lim, D. H. Kim, J. M. Kim, J, G, Kim and M. H. Kim, "Implementation of SVPWM voltage source inverter using FPGA," Power Elect. Sum. Annual Meeting, pp.274-277. 1999.
  5. S. M. Ha,. D. J. Seok, T. M. Lee and S. T. Lee, "Implementation of the three-phase inverter using FPGA-based SVPWM control FPGA," Proceeding of Institute of Control, Robotics and Systems, pp.536-537, 2013.
  6. D. M. Lee, "Advanced static over-modulation scheme using offset voltages injection for simple implementation and less harmonics," J. of Elect. Eng. and Tech., Vol.10, No.1, pp.138-145, 2015. DOI: 10.5370/JEET.2015.10.1.138
  7. O. Alonso, L. Marroyo, P. Sanchis, E. Gubia and A. Guerrero, "Analysis of neutral-point voltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped inverters with SVPWM modulation," IEEE 2002 28th Annual Con. of the Indus. Electronics Society. vol.2, pp.920-925, 2002. DOI: 10.1109/IECON.2002.1185395
  8. S. J. Lee and K. B. Lee, "A new switching method for reducing switch loss of single-phase three-level NPC inveter," Trans of the Korean Inst. of Elec. Eng., Vol.64, No.2, pp.268-275, 2015. DOI: 10.5370/KIEE.2015.64.2.268