최적의 PWM 기법 선택: SVPWM vs. DPWM vs. Hysteresis 제어

1. PWM 기법 개요: 인버터 제어의 핵심 기술

전력 변환 장치에서 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 기법은 인버터(Inverter)와 같은 전력 전자 시스템에서 필수적인 요소이다.

PWM을 활용하면 출력 전압 및 주파수를 정밀하게 조절할 수 있어 모터 제어, 전력 변환, 전력 품질 개선 등에 널리 사용된다.

PWM 방식은 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 그중 대표적인 기법으로는 공간 벡터 PWM(Space Vector PWM, SVPWM), 불연속 PWM(Discontinuous PWM, DPWM), 히스테리시스(Hysteresis) 제어가 있다.

이 세 가지 PWM 기법은 각각의 장점과 단점이 있으며, 시스템의 요구 사항(효율, 응답 속도, 전류 리플, 스위칭 손실 등)에 따라 선택이 달라질 수 있다.

이번 글에서는 SVPWM, DPWM, Hysteresis 제어 기법을 비교하고, 각각의 특징과 적용 사례를 분석하여 최적의 PWM 기법을 선택하는 기준을 제시 하고자 한다.

 

 

2. SVPWM: 높은 전압 활용도와 저전류 리플 특성

공간 벡터 PWM(SVPWM)은 삼상 인버터에서 사용되는 고급 PWM 기법으로, 출력 전압의 활용도를 최대화하면서 전류 리플(Current Ripple)을 줄이는 방식으로 동작한다.

 

(1) SVPWM의 동작 원리

• 공간 벡터 개념을 이용하여 6개의 기본 전압 벡터와 2개의 무효(Zero) 벡터를 조합하여 인버터의 스위칭을 결정한다.
• 삼각파 비교 방식(Sinusoidal PWM)보다 DC 링크 전압 활용도가 높아 출력 전압을 15% 증가시킬 수 있다.
• 인버터의 3상 출력을 벡터 공간에서 최적으로 배치하여 전류 리플을 최소화한다.

(2) SVPWM의 장점

• DC 링크 전압 활용도 증가(약 15%) → 더 높은 전압 출력 가능
• 전류 리플이 감소하여 모터 효율 향상 및 발열 감소
• THD(Total Harmonic Distortion) 감소로 인해 전력 품질 개선
• 고속 운전 및 정밀한 토크 제어에 적합

(3) SVPWM의 단점 및 한계

• 구현이 복잡하여 높은 연산 성능을 요구
• 특정 동작 구간에서 스위칭 손실이 발생할 가능성 있음
• 저속 영역에서 제어 성능이 저하될 수 있음

SVPWM은 고속 및 고정밀 모터 제어 시스템(예: 전기차, 산업용 서보 모터, 풍력 발전기)에서 널리 사용된다.

 

 

3. DPWM: 스위칭 손실을 줄이기 위한 최적화 기법

불연속 PWM(Discontinuous PWM, DPWM)은 스위칭 손실을 줄이기 위해 일부 스위칭 상태를 유지하는 방식으로, 고출력, 고효율 시스템에서 유리한 기법이다.

 

(1) DPWM의 동작 원리

• 전압 벡터의 특정 구간에서 하나의 스위칭 소자를 끄거나 유지하여 스위칭 이벤트를 줄인다.
• DPWM은 다양한 변형(DPWM0, DPWM1, DPWM2 등)이 있으며, 각 방식마다 스위칭 패턴이 다르게 설계됨.
• SVPWM 대비 스위칭 빈도를 낮추어 인버터의 열 발생과 손실을 줄일 수 있음.

(2) DPWM의 장점

• 스위칭 손실 감소(최대 25~30%) → 전력 변환 효율 향상
• 모터 및 인버터의 발열 저감
• 고속 운전 시 유리하여 고출력 모터 제어에 적합

(3) DPWM의 단점 및 한계

• 특정 조건에서 전류 리플이 증가할 가능성 있음
• 낮은 속도에서는 효과가 제한적
• 특정 적용 분야에서만 사용 가능(모든 모터 제어에 적합하지 않음)

DPWM은 고속 전기차 모터, 풍력 발전기, 항공기 전기 추진 시스템 등에서 활용된다.

 

 

4. Hysteresis 제어: 빠른 응답 속도를 갖춘 간단한 기법

히스테리시스(Hysteresis) PWM 제어는 가장 직관적이고 단순한 방식으로, 전류 오차를 기반으로 스위칭을 제어하는 방식이다.

 

(1) Hysteresis 제어의 동작 원리

• 목표 전류(reference current)와 실제 전류(actual current) 간의 차이를 기반으로 스위칭을 ON/OFF하는 방식
• 오차가 특정 히스테리시스 대역을 벗어나면 스위칭을 전환하여 전류가 설정 범위 내에 머물도록 제어
• 비교적 단순한 구조로 구현이 용이

(2) Hysteresis 제어의 장점

• 빠른 응답 속도 → 갑작스러운 부하 변화에도 신속한 대응 가능
• 설계가 간단하고 추가적인 연산이 거의 필요 없음
• 고속에서 높은 토크 응답 성능 제공

(3) Hysteresis 제어의 단점 및 한계

• 스위칭 주파수가 일정하지 않음 → 인버터의 EMI(Electromagnetic Interference) 문제 발생 가능
• 전류 리플이 커질 가능성이 있음 → 고정밀 제어가 어려울 수 있음
• 스위칭 손실 증가 가능성

히스테리시스 제어는 전력 변환 시스템에서 빠른 응답이 필요한 응용(예: 전기차 회생제동 시스템, 고속 서보 모터 등)에 적합하다.

 

 

결론: 시스템 요구 사항에 따른 최적의 PWM 기법 선택

세 가지 PWM 기법은 각각의 장점과 한계를 가지며, 시스템의 특성에 따라 적절한 방식을 선택해야 한다.

PWM 기법	장점	단점	적용 분야
SVPWM	높은 전압 활용도, 낮은 전류 리플, THD 감소	구현 복잡, 연산 요구량 많음	전기차, 고정밀 모터, 풍력 발전기
DPWM	스위칭 손실 감소, 높은 효율	전류 리플 증가 가능, 낮은 속도에서는 효과 제한	고출력 전기차 모터, 항공기 전기 추진
Hysteresis	빠른 응답 속도, 간단한 구현	스위칭 주파수 불규칙, EMI 문제 발생 가능	회생제동, 서보 모터

 

만약 고정밀 제어와 전압 활용도를 극대화하려면 SVPWM이 유리하며, 스위칭 손실을 줄이고 효율을 높이고 싶다면 DPWM이 더 나은 선택이 될 수 있다. 반면, 빠른 응답성과 간단한 구현이 중요한 경우에는 Hysteresis 제어가 효과적이다.

결국, 시스템의 요구 사항(효율, 손실, 응답 속도, 정밀 제어)을 분석하여 최적의 PWM 기법을 선택하는 것이 중요하다.