KR100353195B1 - 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치 및 과도전류고속 검지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하에 과도전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 전류값 변화에 따른 선택적 전류제한 장치 및 상기 과도전류의 발생 사실을 신속히 검지하여 대처할 수 있는 과도전류 고속검지 장치이다.

특히 본 발명에 의한 전류제한 장치는 정전압 소스에 부하가 연결된 회로장치에 있어서 상기 정전압 소스와 부하 사이에 위치하며, 리액터와, 상기 직류 전원장치로 부터의 전류가 역으로 흐르는 것을 방지하고 부하에 인가된 과도전류를 리액터로 흐르게 하기 위한 제1 다이오드와, 제2 다이오드인 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드와, 상기 리액터에 일정전압을 공급함으로서 전기 에너지를 축적하기 위한 직류 전원장치를 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명에 의한 과도전류 고속 검지장치는 리액터의 입력전압과 부하전압을 센싱하는 전압 센싱 회로부와, 상기 전압 센싱 회로부로부터 센싱된 전압신호를 입력받아 상기 입력신호가 전원측과의 커플링(coupling)에 의해 지연되는 것을 막기 위한 하이 임피던스 오피 엠프(high impedance op amp), 상기 하이 임피던스 오피 엠프를 통해 출력된 전압 신호중 리액터 입력전압에 대해서는 (+)측으로 입력되고 부하전압에 대해서는 (-)측으로 입력되는 비교기, 상기 비교기의 출력신호를 전원측과 전기적 절연을 이룸과 동시에 신호가 지연되는 것을 최소화 하기 위한 펄스 트랜스포머, 상기 펄스 트랜스포머의 출력값을 받아 과도전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 출력을 차단하도록 제어하는 중앙연산장치(CPU)를 추가로 포함하여구성된다.

Description

전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치 및 과도전류 고속 검지장치{A selectively current limiting apparatus with changing of currents and a high speed excess current sensing apparatus}

본 발명은 부하에 과도전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 전류값 변화에 따른 선택적 전류제한 장치 및 상기 과도전류의 발생 사실을 신속히 검지하여 대처할 수 있는 과도전류 고속검지 장치이다.

일반적으로 전원장치의 출력이 쇼트(short)와 같은 단락 현상이 생긴 경우,부하전류는 매우 급격하게 증가하게 된다. 이러한 전류는 부하장치를 파손시킬 뿐 만 아니라, 전원장치에도 큰 영향을 미치게 된다.

예를들어 플라즈마용 전원장치에서는 부하에서 특성상 쇼트와 같은 상태인 아크(Arc)현상을 빈번히 발생시킨다. 이때 전원장치는 아크를 빨리 감지하여 출력을 차단시킬 필요가 있다. 그 이유는 과도한 아크 전류로 인한 아크 에너지는 응용부하의 특성과 품질을 저하시키기 때문이다.

본 발명에 의한 전류값 변화에 따른 선택적 전류제한 장치는 부하에서 아크가 발생되었을 경우 전류를 제한함으로써 응용부하의 품질을 향상시킬 수 있다.

종래에는 최대한 아크를 빨리 검지하여 출력을 차단하기 위해 아크 검지를 빨리하기 위한 방법을 사용하고 있다. 그러나 이 방법은 아크 검지와 출력 차단까지의 시간동안 전류의 상승이 급격하여 아크 에너지의 크기를 절대적으로 감소 시킬 수 없다는 단점이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 종래기술의 또 다른 방법으로는 출력단에 리액터를 삽입하는데 출력측에 리액터를 삽입함으로써 아크시 전류의 상승기울기를 억제하는 방법이다. 그러나 이 방법도 부하측의 아크 현상과는 관계없이 리액터 자체도 부하의 일부로 동작하게 됨으로 최종 출력전압에는 부하의 변화에 의해 출력 전압에는 리플이 발생하게 된다.

또한 부하전류의 변화가 필요한 경우, 즉 펄스파형과 같은 출력전압 및 전류가 필요한 경우에는 동작이 불가능하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하여 부하에 과도전류가 발생한 경우 전류값 변화에 따른 선택적 전류제한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서는 상기 선택적 전류제한 장치에 부가하여 부하에 발생한 과도전류를 고속으로 검지할 수 있는 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명에 의한 전류제한 장치가 정전압 소스 및 부하에 연결된 상태를 나타낸 회로 배치도이다.

도 2 는 상기 도 1중 본 발명에 의한 전류제한 장치를 확대하여 전류의 흐름도를 나타낸 도면이다.

도 3 은 본 발명에 의한 과도전류 고속 검지장치의 구성 블럭도이다.

본 발명에 의한 선택적 전류제한 장치는 아크 전류와 같은 과도전류를 제한하기 위해 에너지가 축적된 리액터를 이용한다. 이로써 정상 부하동작시에는 전원장치의 출력전압이 그대로 부하에 전달되게 되지만 부하에서 아크가 생긴 경우, 일반적인 리액터로 작용하여 출력전류의 상승을 억제하게 된다.

이와 같은 본 발명에 의한 선택적 전류제한 장치는 다음과 같은 기본원리를 이용한다. 즉, 리액터 양단의 전압은 시간에 따른 전류의 변화가 없는 경우 0의 값을 갖는다. 따라서 리액터의 전류가일정히 유지된다면 리액터 양단의 전압이 0 이므로 등전위로 연결하고자 하는 두 회로를 리액터를 사용하여 연결할 수 있는 것이다.

또한 본 발명에 의한 과도전류 고속 검지장치는 Arc전류의 미분 요소를 검지에 이용함에 따라 아크의 전류 크기가 일정 크기 이상으로 되지 않아도 차단을수행할 수 있다는데 그 기본원리가 있다.

즉, 아크가 발생 한 경우 최종 부하전압은 거의 0이 되고 전원장치의 출력전압은 대부분이 전선과 전원장치의 버스-바(bus-bar)등 스트레이 인덕터(stray inductor)와 저항에 인가된다. 따라서 전류의 기울기는 급격히 상승하게 된다. 이 경우 전류 기울기의 억제를 위해 전원장치의 내부 또는 전원장치의 외부와 부하단 사이에는 리액터를 삽입하게 된다. 이렇게 구성된 시스템에서 일반적으로 아크를 검지하는 방법은 대부분 부하전류를 검지하여 일정 크기 이상되면 부하 차단을 수행토록하고 있다. 그러나 이 경우 전압검지 기법을 적용하면 아크 발생을 조기에 검지할 수 있다. 이것은 아크가 발생하여 리액터의 전류가 상승한 다는 것은 일정 크기 (입력전압 크기)의 전압이 리액터에 인가된 경우이다. 따라서 기존의 전류 크기를 비교기를 통해 검지하던 기법에 비해 전류의 상승동기를 이용하여 아크를 검지 함에 따라 아크의 검지속도를 매우 빠르게 달성함으로서 전류를 차단할 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치는, 정전압 소스에 부하가 연결된 회로장치에 있어서 상기 정전압 소스와 부하 사이에 위치하며, 상기 정전압 소스로 부터의 정전압에 의한 제한 전류이상의 과도 전류가 상기 부하에 인가된 경우, 상기 과도 전류를 제한하기 위해 리액터와 적어도 2개의 다이오드와 직류 전원장치로 구성된다.

상기 전류 제한 장치는 리액터와, 상기 직류 전원장치로 부터의 전류가 역으로 흐르는 것을 방지하고 부하에 인가된 과도전류를 리액터로 흐르게 하기 위한제1 다이오드와, 제2 다이오드인 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드와, 상기 리액터에 일정전압을 공급함으로서 전기 에너지를 축적하기 위한 직류 전원장치를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

좀 더 바람직하게는 상기 리액터가 상기 정전압 소스와 부하에 전기적 직렬 연결되며, 상기 제1 및 제2 다이오드는 서로 전기적 직렬 연결되며, 직렬 연결된 상기 제1 및 제2 다이오드는 상기 리액터와 전기적 병렬 연결되며, 상기 직류 전원장치는 상기 제2 다이오드의 양단에 인가되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 선택적 전류제한 장치는

상기 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치는 리액터의 입력전압과 부하전압을 센싱하는 전압 센싱 회로부와;

상기 전압 센싱 회로부로부터 센싱된 전압신호를 입력받아 상기 입력신호가 전원측과의 커플링(coupling)에 의해 지연되는 것을 막기 위한 하이 임피던스 오피 엠프(high impedance op amp);

상기 하이 임피던스 오피 엠프를 통해 출력된 전압 신호중 리액터 입력전압에 대해서는 (+)측으로 입력되고 부하전압에 대해서는 (-)측으로 입력되는 비교기;

상기 비교기의 출력신호를 전원측과 전기적 절연을 이룸과 동시에 신호가 지연되는 것을 최소화 하기 위한 펄스 트랜스포머;

상기 펄스 트랜스포머의 출력값을 받아 과도전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 출력을 차단하도록 제어하는 중앙연산장치(CPU)를 추가로 포함하여 구성함으로서 과도전류를 고속으로 검지할 수 있는 기능을 갖게 된다.

도 1 은 본 발명에 의한 전류제한 장치가 정전압 소스 및 부하에 연결된 상태를 나타낸 회로 배치도이다.

또한 도 2 는 상기 도 1중 본 발명에 의한 전류제한 장치를 확대하여 전류의 흐름도를 나타낸 도면이다.

또한 도 3 은 본 발명에 의한 과도전류 고속 검지장치의 구성 블럭도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 의한 전류제한 장치 및 과도전류 고속 검지장치의 동작원리에 대해 설명한다.

먼저 본 발명에 의한 전류제한장치의 동작원리는 다음과 같은 5단계의 모드로 나뉘어진다.

1단계: 리액터에 최소 에너지를 축적하는 모드

부하를 연결하여 동작을 시작하기전 DC-DC 변환기의 출력전압을 상승시킨다.

이 전압은 수V의 저 전압이다. 이때 도 2 의 제2 다이오드(D2)를 통하여 리액터에는 전류가 흐르게 된다(Ibi). 이때 리액터 전류ILin의 크기는 식 (1)과 같이 리액터의 내부 저항인 RL에 의해 제한되며, 상승 기울기는 식(2)와 같이LB에 의해 결정된다.

전류의 통로는 Power supply +단자 → D1 →LB→ Power supply -단자로 흐르게 되며, 이 경우Ibal과ILin은 같게 된다.

2단계: 부하전류 이상의 전류 축적 모드

부하로 출력전압을 공급함으로서 부하전류가 흐르게 된다. 이때 부하전류의 증가에 따라 ILin 전류는 증가하여 Iload+Ibi의 크기로 리액터의 전류가 셋팅된다. 이것은 직류 모드에서는 부하에 초기에 전압을 인가할 때이며, 펄스 모드에서는 초기 수 펄스 정도의 시간에 이루어진다. 물론 전류 제어에 의해 Iload 전류보다 ILin 전류를 Ibi 만큼 크게 실시간 제어를 수행해도 된다.

이러한 동작은 초기에 Ibi보다 큰 부하가 인가된 경우, 부하가 요구하는 전류는 다이오드로 흐르지 못하고 리액터로 흐르게 됨으로써 자연스럽게 리액터의 전류가 식(1)과 같이 부하전류 크기까지 상승하게 된다. 이는 노드 방정식(node-equation)으로부터 한 점의 전류의 합은 0이어야 한다는 이론으로도 설명이 된다.

부하에 초기 전류가 공급된 경우 리액터 양단은 거의 0이다. 따라서 부하전류는 Vin에 대한 부하전류가 흐르려고 하게 된다. 그러나 리액터의 양단 전압은 순간적으로 변화할 수 없기 때문에, 즉 리액터의 전류는 급격히 증가할 수 없기 때문에 부하전류는 임피던스가 낮은 제1 다이오드(D1)와 직류전원장치를 통해 흐르게 된다. 그러나 Ibal이 역으로는 흐를 수 없기 때문에 결국 부하전류는 리액터를 통해 천천히 상승하게 된다. 즉, 이때는 L-R 부하가 연결된 것처럼 동작한다. 이 상태에서 시간이 경과함에 따라 직류 전원장치에서 공급하는 전압에 의해 전류 축적모드와 같은 동작에 의해 리액터의 전류는 D1을 통해 흐르는 전류인 Ibi 만큼 더욱 상승하여 흐르게 된다. 따라서 최종적으로 부하전류가 Iload인 경우, 리액터의 전류는 부하전류 Iload보다 Ibi 만큼 큰 전류가 흐르게 되며, 직류 전원장치에서는 Ibi가 흐르게 된다. 이때 리액터 양단 전압은 다시 0이 된다. 좀 더 정확하게는 직류 전원장치의 공급전압에서 다이오드 전압강하분을 뺀 값으로 약 1∼ 2V 이다.

3단계; 리액터 양단전압 0 모드 (정상적인 출력동작 모드)

다음 단계로서, 부하의 양단 전압은 고안장치의 입력전압인 1000V가 그대로 전달되고 우수한 출력전압 특성을 가질 수 있다. 이때 리액터의 양단 전압이 0을 보장할 수 있는 부하전류의 크기는 ILin 까지 이며, 부하 전류 리플분의 크기는 Ibi이다. 이 것은 부하 전류에는 항상 조금의 리플이 존재할 수 있는데 이러한 성분은 임피던스가 큰 리액터보다는 임피던스가 낮은 직류 전원장치와 제1 다이오드를 통해 흐르기 때문이다. 이것은 리플이 Ibi보다 작은 경우에는 Ibal이 여전히 양이므로 제1 다이오드가 순방향 바이어스(forward bias) 되기 때문이다. 이때는 마치 리액터가 없는 것과 같이 동작이 이루어 진다.

상기와 같은 이유로 펄스 모드인 경우에도, 전류가 흐르는 구간에서는 Ibal이 Ibi와 같으며 마찬가지로 리액터 양단 전압이 0이고, 전류가 흐르지 않는 구간에서는 Ibal이 ILin이 된다. 이때도 마찬가지로 리액터 양단 전압은 0이다. 다시 부하 전류가 흐르게 되면, Ibal은 Ibi로 줄게된다. 마찬가지로 이 경우에도 제1 다이오드(D1)가 순방향 바이어스이므로 리액터 양단전압은 0이다. 결국 펄스모드 에서도 기존의 리액터만 삽입한 경우와는 달리 고안한 장치의 입력 펄스 파형이 전혀 지연없이 그대로 전달된다. 이것은 본 발명에 의한 전류제한 장치가 정상상태에서는 리액터가 없는 것처럼 동작하며, 전류 경로가 제1 다이오드(D1)와 직류 전원장치를 통하기 때문이다.

그러나 펄스 모드의 경우 만약 펄스 주파수가 낮으면서 전압 off 시간이 길다면 리액터의 전류가 Ibal과 같은 경우에 전류의 미소한 감소로 인해 요구되는 부하전류보다 작아지게 되면 pulse 전압이 다시 인가된 경우 순간적으로 상기 2단계와 같이 리액터를 통한 전류 상승모드가 존재하게 되어 출력 전압에는 순간적인 전압의 강하(dip) 현상이 생기게 된다. 따라서 이 경우에는 리액터의 전류를 부하전류보다 작아지지 않게 제어를 수행해야 한다. 이것은 직류 전원장치의 전압을 제어함으로써 수행된다.

4단계: 아크 전류 제한 모드

부하에서 아크가 발생한 경우 부하의 저항은 거의 0이므로 전류는 급격히 상승하게 된다. 그러나 2단계와 같은 동작으로 인해 아크 전류는 리액터로 인해 제한되어 흐르게 된다.

아크가 발생한 경우 부하전류는 급격히 상승하게 된다. 이때 부하전류의 경로는 입력측 → 제1 다이오드(D1) → 직류 전원장치의 (+) → 직류 전원장치의 (-) → 부하 가된다. 이때 Ibal은 감소하게 된다. 상기 경로는 부하전류가 증가함에 따라 감소하게 되는 Ibal 전류가 0이 될 때까지 지속된다. 즉, 부하전류 Iload가 리액터 전류와 같아지는 경우이다. 이후 부하전류는 더욱 상승하고 싶지만 그렇게 되기 위해선 Ibal이 음이 되어야 하는데 제1 다이오드가 역전(reverse) 됨에 따라 불가능하게 된다. 결국 부하전류는 리액터로 흐를 수밖에 없고 부하전류는 리액터에 의해 전류의 상승기울기가 급격히 감소하게 된다. 이때 전류의 경로는 입력 → 리액터 → 부하 로 연결된다. Ibal은 0이다. 제1 다이오드가 역바이어스(reverse bias)가 됨에 따라 전류가 흐를수 없기 때문이다.

5단계: 아-크 회복 모드

부하에서 아크가 소멸되었거나 아-크 검지에 의해 출력 부하전류를 차단한 경우 부하전류가 0이 됨에 따라 리액터 전류는 직류 전원장치의 (-) → 직류 전원장치의 (+)→ 제1 다이오드 → 리액터를 통해 프리 휠링(free-wheeling) 되고 정상 동작을 회복한다. 아크로 인해 부하와 같이 상승한 전류는 리액터를 비롯한 본 발명에 의한 전류제한 장치의 손실분에 의해 저절로 감소한다. 최종적으로는 Iload + Ibi로써 안정화 된다.

다음으로 본 발명에 의한 과도전류 고속 검지장치는 다음과 같은 동작원리를 갖는다.

1단계: 전압센서 신호의 입력단계

아크 검지를 위해 리액터 입력전압과 출력전압(부하전압)을 센싱한다.

이것은 전압 폴로우(voltage follow)로 구성된 하이 임피던스의 오피 앰프(op amp) 회로로 입력 된다. 전원측과의 커플링(coupling)에 의한 센서신호의 지연을 없애기 위함이다.

2단계: 전압센서 신호의 비교

입력된 신호는 비교기에 입력된다.

비교기의 (+) 기준(reference)은 입력전압을 분압저항을 이용하여 분압하여 사용한다. (-)측 비교기 입력은 출력전압이 된다. 이런 상태에서 아크가 발생되면 입력전압은 그대로이며, 출력전압(부하전압)은 0이 되어 비교기의 출력은 0이 된다. 이러한 비교기 출력은 아크가 발생하자마자 발생된다.

3단계: 검지신호의 고속전달

검지신호는 전원측과 전기적 절연을 이루면서 지연을 최소화 하기 위해 펄스 트랜스포머(pulse transformer) 또는 포토-커플러(photo-coupler)를 통해 CPU에 전달 된다. 상기 신호를 이용하여 CPU는 출력을 차단하게 된다.

본 발명에 의한 전류제한 장치는 정상상태에서는 부하의 출력특성에 전혀 영향을 끼치지 않으면서도 과도전류(아크전류)가 발생한 경우 아크전류를 제한함에 따라 아크 에너지를 최소화하여 응용제품의 특성을 한층 높일 수 있다.

또한 본 발명에 의한 전류제한 장치는 기존의 장치에 부착형으로 사용될 수 있기 때문에 아크검지가 늦은 전원장치에 적용하더라도 제한된 아크 전류로 인해 출력 품질을 향상 시킬 수 있을 뿐 아니라 빠른 아크 검지 기법이 혼용된다면 극히 우수한 특성을 얻을 수 있다.

또한 상기 전류제한 장치에 부가되는 본 발명에 의한 과도전류 고속 검지장치는 전류상승후 검지하는 종래의 장치와는 달리 아크 발생 시점에서 즉시 검지하기 때문에 고속검지가 가능하며, 아크 전류의 빠른 차단으로 아크 에너지에 의한 피해를 최소화 시킬 수 있게 한다.

Claims (4)

1. 정전압 소스에 부하가 연결된 회로장치의 상기 정전압 소스와 부하 사이에 위치하며, 상기 정전압 소스로 부터의 정전압에 의한 제한 전류이상의 과도 전류가 상기 부하에 인가된 경우 상기 과도 전류를 제한하기 위한 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치에 있어서,

   상기 선택적 전류 제한 장치는

   상기 정전압 소스와 부하 사이에 전기적 직렬로 연결된 리액터;와

   상기 리액터와 전기적 병렬로 연결된 상태로 서로는 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 다이오드;

   상기 제 2 다이오드의 양단에 연결되어 상기 리액터에 일정 전압을 공급함으로서 전기 에너지를 축적하기 위한 직류 전원장치로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 제한 장치의 제 1 다이오드는 상기 직류 전원장치로부터의 전류가 역으로 흐르는 것을 방지하고 부하에 인가된 과도전류를 리액터로 흐르게 하기 위한 다이오드 이며, 제 2 다이오드는 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드인 것을 특징으로 하는, 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항 내지 제 2 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치는 과도 전류를 고속으로 검지하기 위해

   상기 리액터의 입력전압과 부하전압을 센싱하는 전압 센싱 회로부와;

   상기 전압 센싱 회로부로부터 센싱된 전압신호를 입력받아 상기 입력신호가 전원측과의 커플링(coupling)에 의해 지연되는 것을 막기 위한 하이 임피던스 오피 엠프(high impedance op amp);

   상기 하이 임피던스 오피 엠프를 통해 출력된 전압 신호중 리액터 입력전압에 대해서는 (+)측으로 입력되고 부하전압에 대해서는 (-)측으로 입력되는 비교기;

   상기 비교기의 출력신호를 전원측과 전기적 절연을 이룸과 동시에 신호가 지연되는 것을 최소화 하기 위한 펄스 트랜스포머;

   상기 펄스 트랜스포머의 출력값을 받아 과도전류가 발생된 것으로 판단되는 경우 출력을 차단하도록 제어하는 중앙연산장치(CPU)로 이루어지는 과도전류 고속 검지장치를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 전류값 변화에 따른 선택적 전류 제한 장치.