KR101034210B1 - 전력용 반도체를 이용한 전자회로 보호시스템 - Google Patents

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    • H02H3/0935—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means the timing being determined by numerical means

Abstract

본 발명은 퓨즈의 보호기능을 효율적으로 수행할 수 있으며, 한 종류의 전력용 반도체로 다양한 규격의 퓨즈를 대체할 수 있는 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법 및 전력용 반도체 제어기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법은 내부로 흐르는 전류를 온/오프(on/off) 상태로 스위칭하는 스위칭부를 가지며 전자회로와 전기적으로 연결되는 전력용 반도체를 이용하여, 전자회로가 과전류로 인해 손상되는 것을 방지하기 위한 방법으로, 전자회로의 손상이 방지가능한 허용시간을 전자회로에 인가되는 전류의 함수로 설정하는 함수설정단계와, 함수와 전자회로에 인가되는 부하전류를 기초로 허용시간을 산출하는 허용시간 산출단계와, 전자회로에 상기 부하전류가 인가되는 지속시간과 허용시간을 비교하는 비교단계와, 지속시간이 허용시간을 초과시 전력용 반도체의 스위칭부를 오프 상태로 스위칭하는 스위칭단계를 포함한다.
퓨즈, 스위칭, 전력용 반도체, 스위칭부

Description

전력용 반도체를 이용한 전자회로 보호시스템{Electronic circuit protecting system using power semiconductors}
본 발명은 전력용 반도체를 이용하여 퓨즈의 기능을 구현함으로써 전자회로를 보호하는 전력용 반도체를 이용한 전자회로 보호시스템에 관한 것이다.
자동차의 전자시스템에는 과전류로부터 전자회로를 보호하기 위하여 많은 수의 릴레이와 퓨즈가 사용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기본적으로 퓨즈는 기준전류(Ir) 이상의 전류(I)가 인가되는 경우, 특정한 시간 안에 끊어짐으로써 전자회로를 보호한다. 하지만, 이러한 릴레이와 퓨즈는 온도에 따라 특성이 변하고, 물리적 접촉으로 인하여 부식될 우려가 있으며, 스위칭 속도 즉 전류를 차단하는 속도가 느리다는 문제점이 있다. 최근들어, 상기 문제점을 해결하기 위해 릴레이와 퓨즈를 전력용 반도체로 교체하려는 노력이 지속되고 있다.
하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 전력용 반도체의 경우 그 특성곡선, 즉 인 가되는 부하전류에 따라 전류가 차단되는데 소요되는 시간(퓨징 타임) 사이의 관계곡선이 종래의 퓨즈와 일치하지 않는다. 따라서, 종래 사용되고 있는 퓨즈를 전력용 반도체로 대체하는 경우, 전자회로를 충분히 보호할 수 없게 된다는 문제점이 있다. 즉, 종래의 퓨즈를 전력용 반도체로 대체하는 경우, 도 2에서 빗금친 부분의 영역에서는 전자회로를 보호할 수 없게 된다.
또한, 현재 사용되고 있는 많은 종류의 퓨즈는 그 규격에 따라 각각 그 특성곡선이 상이한데, 한 종류의 전력용 반도체로는 다양한 규격의 퓨즈 특성을 만족할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 퓨즈의 보호기능을 효율적으로 수행할 수 있으며, 한 종류의 전력용 반도체로 다양한 규격의 퓨즈를 대체할 수 있는 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법 및 전력용 반도체 제어기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법은 내부로 흐르는 전류를 온/오프(on/off) 상태로 스위칭하는 스위칭부를 가지며 전자회로와 전기적으로 연결되는 전력용 반도체를 이용하여, 상기 전자회로가 과전류로 인해 손상되는 것을 방지하기 위한 방법으로, 상기 전자회로의 손상이 방지가능한 허용시간을 상기 전자회로에 인가되는 전류의 함수로 설정하는 함수설정단계와, 상기 함수와 상기 전자회로에 인가되는 부하전류를 기초로 상기 허용시간을 산출하는 허용시간 산출단계와, 상기 전자회로에 상기 부하전류가 인가되는 지속시간과 상기 허용시간을 비교하는 비교단계와, 상기 지속시간이 상기 허용시간을 초과시 상기 전력용 반도체의 스위칭부를 오프 상태로 스위칭하는 스위칭단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력용 반도체 제어기는 전자회로가 과전류로 인해 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 전자회로와 전기적으로 연결되며 내부로 흐르는 전류를 온/오프(on/off) 상태로 스위칭하는 스위칭부를 가지는 전력용 반도체를 제어하 기 위한 것으로, 상기 전자회로의 손상이 방지가능한 허용시간이 상기 전자회로에 인가되는 전류의 함수로 설정되어 있으며, 상기 함수와 상기 전자회로에 인가되는 부하전류를 기초로 상기 허용시간을 산출하고, 상기 전자회로에 상기 부하전류가 인가되는 지속시간과 상기 허용시간을 비교하여 상기 지속시간이 상기 허용시간을 초과시 상기 전력용 반도체의 스위칭부가 오프 상태로 스위칭되도록 상기 전력용 반도체를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 전력용 반도체로 퓨즈의 보호기능을 효율적으로 수행할 수 있다. 그리고, 전자기계(예를 들어 자동차)에 구비되어 있는 다양한 규격의 퓨즈를 전력용 반도체로 대체함에 있어서, 퓨즈의 종류만큼 다양한 종류의 전력용 반도체를 제작할 필요없이 퓨즈함수를 변경함으로써 한 종류의 전력용 반도체로 다양한 규격의 퓨즈를 대체할 수 있게 되며, 그 결과 전자기계(자동차) 개발에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 된다.
도 3은 전력용 반도체를 이용한 전자회로 보호시스템의 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법의 흐름도이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체 제어기 및 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법에 관하여 설명한다.
먼저, 전력용 반도체란 일반 반도체(약 수십~수백mA) 보다 큰 세기의 전류(수~수백A) 하에서 작동가능한 반도체로 전력제어분야에서 많이 이용될 뿐 아니라, 종래기술에서 언급한 바와 같이 다양한 산업분야에서 퓨즈와 릴레이를 대체하기 위하여 시도되고 있는 공지의 구성이다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 이용되는 전력용 반도체(10)는 내부를 흐르는 전류의 세기를 측정할 수 있는 측정부(11)와, 이 전류를 온/오프 상태로 스위칭하는 즉 내부로 흐르는 전류를 투과 및 차단하는 스위칭부(12)를 가진다.
본 실시예에 따른 전력용 반도체 제어기(20)는 전력용 반도체가 퓨즈의 기능, 즉 과전류로 인하여 전자회로가 손상되는 것을 방지하는 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이를 위해 전력용 반도체 제어기(20)는 후술하는 바와 같이 전력용 반도체의 특성곡선, 즉 전력용 반도체에 인가되는 전류와 전력용 반도체의 스위칭부(12)가 오프 상태로 전환되는데 소요되는 시간 사이의 관계곡선이 퓨즈의 특성곡선과 동일해지도록 전력용 반도체(10)를 제어한다. 이하, 도 4를 참조하여 전력용 반도체 제어기에서 수행되는 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법에 관하여 설명한다.
먼저, 전력용 반도체 제어기(20)에는 전자회로에 인가되는 부하전류에 따라 전자회로가 손상되지 않고 정상작동이 가능한 허용시간을 산출하는 함수가 저장되어 있다. 여기서, 전자회로가 과전류에 의해 손상되는 것을 방지하는 종래의 구성이 퓨즈이고, 본 발명은 상기 퓨즈의 기능을 전력용 반도체로 대체하고자 하는 것인 바, 본 실시예에서 상기 함수는 퓨즈의 특성곡선으로 표현된다.
한편, 퓨즈의 특성곡선(즉, 퓨즈에 인가되는 전류와 퓨즈가 퓨징되는데 소요되는 시간과의 함수)은 퓨즈의 규격(퓨즈의 단면적, 퓨즈의 정격전류 등)에 의해 결정되는데, 이러한 특성곡선은 퓨즈에 인가되는 전류의 세기를 변화시켜가면서 퓨즈가 퓨징되는데 소요되는 허용시간을 반복적으로 측정하고, 그 결과를 함수화시킴으로써 구할 수 있다.
상기한 과정을 통해 얻어진 퓨즈의 특성곡선, 즉 부하전류(I)에 대하여 허용시간(T)을 구하는 식은 하기하는 바와 같이 표현된다.
T = δcA2 / βρ0I2 [ 1 - (1+βΔθ )/βΔθ × (fIn/I)2 ] ×
ln[ (1+βΔθ)×(1-(fIn/I)2) ] + δA2L / [ρθI2 × (1-(fIn/I)2 )]
여기서, A는 퓨즈의 단면적이며, β는 퓨즈의 전기 비저항의 온도계수이며, c는 퓨즈의 비열용량이며, δ는 퓨즈의 밀도이며, Δθ는 퓨즈의 용융점에 이르기 위한 온도변화량이며, f는 퓨즈팩터이며, In은 명목전류이며, f×In은 정격전류이며, L은 퓨즈 용융시 흡수되는 잠열이며, ρ0는 표준 온도에서 퓨즈의 전기비저항이며, ρθ는 퓨즈의 용융점에서의 전기비저항이다.
상기와 같이 전력용 반도체 제어기(20)에는 함수, 즉 대체하고자 하는 퓨즈의 특성곡선을 나타내는 퓨즈함수가 입력되며, 이 전력용 반도체 제어기(20)는 전력용 반도체(10)와 전기적으로 연결된다.
상기 상태에서 전원이 공급되면 전력용 반도체의 측정부(11)는 전력용 반도체를 통과하는 전류의 세기를 측정하고, 이 값을 전력용 반도체 제어기(20)로 전송 한다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이 측정부에서 측정되는 전류는 전자회로(30)에 인가되는 부하전류(I)와 동일하다.
전력용 반도체 제어기(20)는 측정부(11)로부터 전송된 부하전류(I)와 기준전류(Ir)를 비교한다. 이때, 기준전류(Ir)라 함은 앞서 도 1에 도시된 바와 같이 퓨즈가 지속적으로 끊어지지 않을 정도의 세기를 의미한다. 도 4에 도시된 바와 같이 부하전류(I)가 기준전류(Ir) 보다 작거나 같은 경우에는 전자회로가 손상될 위험이 없으므로 다시 부하전류(I)를 측정하는 단계로 돌아간다.
한편, 부하전류(I)가 기준전류(Ir)보다 큰 경우에는 퓨즈함수에 부하전류(I)를 대입하여 상기 부하전류 하에서 전자회로가 정상적으로 작동가능한 시간, 즉 종래의 퓨즈가 끊어질 때까지 걸리는 시간인 허용시간(T0)을 산출하며, 산출된 허용시간(T0)과 한도시간(Tr)을 서로 비교한다. 여기서, 한도시간(Tr)이란 전자회로가 지속적으로 사용되는 시간보다 훨씬 더 긴 시간을 나타내는 것으로, 한도시간(Tr)을 넘어서는 전자회로가 사용되지 않으므로 전자회로가 손상될 우려도 없다. 그리고, 이와 같이 허용시간(T0)과 한도시간(Tr)을 비교하는 이유는, 도 1에 도시된 바와 같이 부하전류가 기준전류(Ir)와 거의 비슷한 경우에는, 퓨즈함수를 통해 산출되는 허용시간이 거의 무한대에 가까울만큼 길어지게 되므로, 이 경우 즉 허용시간(T0)이 한도시간(Tr) 보다 긴 경우에는 앞선 단계로 돌아가기 위함이다.
허용시간(T0)이 한도시간(Tr) 보다 짧은 경우, 전력용 반도체 제어기는 전자회로에 부하전류(I)가 인가되는 지속시간(T)을 측정하고, 이 지속시간(T)을 허용시간(T0)과 비교한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 지속시간(T)이 허용시간(T0) 보다 짧은 경우 전력용 반도체 제어기는 지속시간(T)을 계속 카운터한다. 반대로, 지속시간(T)이 허용시간(T0) 이상이 되는 경우, 전력용 반도체 제어기(20)는 스위칭 오프 신호를 전력용 반도체의 스위칭부(12)로 전송한다. 스위칭 오프 신호를 인가받은 전력용 반도체의 스위칭부(12)는 빠른 속도로 오프 상태로 전환되며, 이에 따라 전자회로로 인가되던 부하전류가 차단되어 전자회로가 안정적으로 보호된다.
한편, 상기한 방법으로 전력용 반도체를 제어하였을때의 효과를 실험하였다. 도 5 내지 도 8은 실제 퓨즈의 퓨징 타임과 전력용 반도체 퓨징 타임을 나타내는 그래프로, 도 5는 5A의 퓨즈, 도 6은 10A의 퓨즈, 도 7은 15A의 퓨즈 및 도 8은 25A의 퓨즈를 나타내는 그래프이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 실제 퓨즈의 퓨징 타임(점선)과, 퓨즈 함수에 의해 제어되는 전력용 반도체의 퓨징 타임(즉, 스위칭 하는데 소요되는 허용시간)(실선)이 거의 동일함을 알 수 있으며, 이로부터 본 실시예에 따른 전력용 반도체 제어기 및 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법을 이용하는 경우 종래보다 훨씬 더 정밀하게 퓨즈의 보호기능을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 본 실시예에 따르면 전력용 반도체 제어기에 저장된 퓨즈함수를 바꾸어 줌으로써 한 종류의 전력용 반도체로 다양한 종류의 퓨즈 및 릴레이를 대체할 수 있으며, 그 결과 퓨즈 및 릴레이를 전력용 반도체로 교체하는데 소요되는 비용이 감소하게 된다.
또한, 퓨즈와 릴레이를 전력용 반도체로 교체함으로써, 종래 퓨즈와 릴레이가 가지고 있던 문제점, 즉 물리적 접촉으로 인한 부식 및 낮은 스위칭 속도 등의 단점을 해결할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 퓨즈의 특성곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2는 7.5A의 퓨즈 및 전력용 반도체의 특성곡선을 비교하는 그래프이다.
도 3은 전력용 반도체를 이용한 전자회로 보호시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력용 반도체를 이용한 퓨즈기능 구현방법의 흐름도이다.
도 5 내지 도 8은 실제 퓨즈의 퓨징 타임과 전력용 반도체 퓨징 타임을 나타내는 그래프로, 도 5는 5A의 퓨즈, 도 6은 10A의 퓨즈, 도 7은 15A의 퓨즈 및 도 8은 25A의 퓨즈를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...전력용 반도체 11...측정부
12...스위칭부 20...전력용 반도체 제어기

Claims (4)

  1. 과전류로 인하여 전자회로가 손상되는 것을 방지하는 퓨즈의 기능을 전력용 반도체로 구현함으로써 전자회로를 보호하기 위한 것으로서,
    상기 전자회로와 전기적으로 연결되며, 내부로 흐르는 전류를 온/오프(on/off) 상태로 스위칭하는 스위칭부와, 상기 전류를 측정하는 측정부를 가지는 전력용 반도체; 및
    퓨즈가 퓨징되는데 소요되는 허용시간을 상기 퓨즈에 인가되는 전류의 함수로 설정한 퓨즈함수가 저장되며, 상기 함수와 상기 측정부에서 측정되는 부하전류를 기초로 상기 허용시간을 산출하고, 상기 전자회로에 상기 부하전류가 인가되는 지속시간과 상기 허용시간을 비교하여 상기 지속시간이 상기 허용시간을 초과시 상기 전력용 반도체의 스위칭부가 오프 상태로 스위칭되도록 상기 전력용 반도체를 제어하는 전력용 반도체 제어기;를 포함하며,
    상기 퓨즈함수는 아래와 같이 구하여지는 것을 특징으로 하는 전력용 반도체를 이용한 전자회로 보호시스템.
    T = δcA2 / βρ0I2 [ 1 - (1+βΔθ )/βΔθ × (fIn/I)2 ] ×
    ln[ (1+βΔθ)×(1-(fIn/I)2) ] + δA2L / [ρθI2 × (1-(fIn/I)2 )]
    여기서, T는 허용시간이며, A는 퓨즈의 단면적이며, β는 퓨즈의 전기 비저항의 온도계수이며, c는 퓨즈의 비열용량이며, δ는 퓨즈의 밀도이며, Δθ는 퓨즈의 용융점에 이르기 위한 온도변화량이며, f는 퓨즈팩터이며, I는 퓨즈에 인가되는 전류이며, In은 명목전류이며, f×In은 정격전류이며, L은 퓨즈 용융시 흡수되는 잠열이며, ρ0는 표준 온도에서 퓨즈의 전기비저항이며, ρθ는 퓨즈의 용융점에서의 전기비저항이다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH08251907A (ja) * 1995-03-08 1996-09-27 Toshiba Corp 半導体遮断器
KR20070057572A (ko) * 2005-12-02 2007-06-07 현대중공업 주식회사 전력용 반도체 소자를 적용한 차단기 개폐 제어장치

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