공간벡터 펄스폭변조 (Space Vector Pulse Width Modulation)

한 줄 정의: 3상 인버터의 스위칭 상태를 공간상의 전압벡터로 표현하고 인접한 두 벡터와 영벡터의 인가시간을 조합해 원하는 출력 전압벡터를 합성하는 변조 기법입니다.

쉽게 풀면

공간벡터 펄스폭변조(SVPWM)는 3상 인버터가 만들어낼 수 있는 몇 가지 정해진 출력 상태를 화살표(벡터)로 표시해 놓고, 원하는 방향과 크기의 화살표를 그 인접한 두 화살표와 정지 상태를 섞어서 시간 비율로 흉내 내는 방법입니다. 물감을 직접 원하는 색으로 만들기보다, 미리 정해진 몇 가지 원색을 정해진 비율로 섞어 원하는 색을 만들어내는 것과 비슷합니다. 이렇게 시간 비율을 조절하면 평균적으로 정현파에 가까운 전압을 인버터에서 출력할 수 있습니다.

왜 중요한가

SVPWM은 기존의 정현파 비교 방식(SPWM)보다 직류단 전압을 더 효율적으로 활용할 수 있고 고조파 특성도 우수해 전동기 구동, 계통연계 인버터 등 다양한 3상 전력변환 시스템에서 표준적으로 사용되는 변조 기법입니다. 그만큼 관련 논문에서 기본 변조 방식으로 자주 인용됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"본 시스템은 SVPWM을 이용해 직류단 전압 이용률을 SPWM 대비 향상시켰다."

SVPWM이 직류단 전압을 더 효율적으로 활용할 수 있다는 특성을 언급하는 문장입니다.

"기준 전압벡터가 위치한 섹터를 판별한 후 인접한 두 유효벡터와 영벡터의 인가시간을 계산하였다."

SVPWM의 실제 구현 절차인 섹터 판별과 인가시간 계산 과정을 설명하는 예문입니다.

조금 더 깊게 보면

3상 2레벨 인버터는 8가지 스위칭 상태를 가지며 이 중 6개는 유효벡터, 2개는 영벡터로 구분됩니다. SVPWM은 기준 전압벡터가 속한 섹터를 판별하고, 그 섹터를 이루는 두 유효벡터와 영벡터의 인가시간을 계산해 한 스위칭 주기 내에서 조합하는 방식으로 구현됩니다. 클라크(Clarke) 변환과 파크(Park) 변환을 함께 사용하는 벡터제어 시스템과 자연스럽게 결합되는 경우가 많습니다.

주의할 점

SVPWM은 SPWM에 비해 계산이 복잡해 마이크로컨트롤러나 디지털 신호처리기에서의 실시간 연산 부담을 고려해야 하며, 멀티레벨 인버터로 확장할 경우 벡터와 섹터의 수가 크게 늘어나 구현 복잡도가 높아집니다.