전자통신기술의 발전으로 산업 플랜트뿐만 아니라 일반 가정에서도 디지털 전기전자기기가 매우 광범위하게 사용되고 있는데, 이들 기기는 서지에 대한 내성이 약하므로 낙뢰와 같은 과도전압(서지전압) 발생시 기기가 소손되는 고장사고가 증가하고 있다.
이를 예방하기 위해 여러 전기전자기기에도 서지내성 시험을 수행하도록 IEC, IEEE 등의 관련규격에 명시되어 있으며 국내에서도 이를 적극적으로 도입하고 있다. 특히 종래에는 서지보호기나 전기전자기기의 낙뢰 서지(surge) 내성을 평가하기 위한 방법으로서 8/20㎲ 임펄스 전류 파형을 사용해 왔으나, 최근 이보다 에 너지 밀도가 매우 큰 10/350㎲ 임펄스 전류 파형을 사용하도록 규정되었다.
그러나, 일부 선진국을 제외하고는 위와 같은 대용량 임펄스 시험 설비를 확보하지 못하고 있어 낙뢰보호 수단이 구비된 기기의 성능평가에 어려움을 겪고 있는 실정이다.
도 1 은 일반적인 임펄스 전류가 도시된 도로서, 임펄스 전류 파형의 파라미터를 설명하기 위한 것이다.
일반적인 임펄스 전류 파형은 파두장/파미장으로 표현한다.
파두장은 도 1에 도시된 바와 같이 임펄스 파형의 최대값에서 10%가 되는 지점과 90%가 되는 지점을 직선으로 연결하고, 이 선이 X축 및 100%와 만나는 교점 사이의 시간 간격(T1)을 나타내는데, 이는 최대값의 10%가 되는 지점의 시각(t1)과 90%가 되는 지점의 시각(t2)간의 차로 나타나는 상승시간(t2-t1)의 약 1.25배에 해당한다. 또한, 파미장은 최대값에서 50%로 감쇠되는 지점의 시각(t3)에서 규약원점(t0) 사이의 시간 간격(T2)을 나타낸다.
따라서, 일반적인 임펄스 전류 파형은 T1/T2로 표현될 수 있으며, 상술한 8/20㎲ 이나 10/350㎲의 표기는 상술한 바에 따라 표현된 것으로, 8/20㎲ 임펄스 전류 파형은 파두장이 8㎲, 파미장이 20㎲인 것을 나타낸다.
도 2 는 일반적인 10/350㎲ 임펄스 전류 발생기의 구성이 도시된 도이다.
10/350㎲ 임펄스 전류 파형은 상승시간이 빠른데 비해 감쇠시간은 매우 긴 파형으로서 파두부는 R, L, C 직렬회로를 감쇠 진동조건으로 성형하며, 파미부는 R, L 직렬회로로 구성하여 시정수 L/R에 따라 전류가 지수함수로 감쇠하도록 구성 된다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 10/350㎲ 임펄스 전류 발생기는 제 1 스위치(SWS)가 턴 온되면서 R-L-C 직렬회로가 형성되어 파두장이 형성되며, 전류 파형의 최고치(peak)에서 제 2 스위치(SWC)가 턴온 됨에 따라 R-L 회로로 방전되면서 파미장이 형성된다.
즉, 임펄스 전류 파형을 생성하기 위해서는 2개의 스위치가 요구되는데, 제 1 스위치(SWS)에 의해 전류 파형이 피크에 도달하는 순간, 제 2 스위치(SWC)가 턴 온 되어야 하므로, 두 개의 스위치(SWS, SWC)를 정확하게 상호 동기화 시켜야 하며, 동기 정확도에 따라 임펄스 전류 발생기의 동작 신뢰도가 좌우될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 피시험장치 내 회로의 임피던스(R3)에 따라라 전류 파형이 달라져, 저항이 수 mΩ에서 수백 mΩ 범위로 가변되는 MOV(Metal Oxide Varistor; 금속산화 바리스터)와 같은 소자를 적용하는 경우에는 시험시마다 다른 형태의 파형이 발생되는 문제점이 있다.
그리고, 상기와 같이 종래 임펄스 전류 발생기에서 사용되는 스위치 소자는 구갭 형태의 대칭형 전극구조를 갖는 스위치가 사용되었으나 이는 온도 또는 습도 등의 주변 환경에 따라 동작특성이 달라지며 인가되는 직류전압의 크기에 따라 갭 간격을 조정해야 할 뿐만 아니라 방전시 큰 소음을 동반하는 등의 문제점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펄스 전류 발생기의 구성이 도시된 블록도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펄스 전류 발생기는 도 3에 도시된 바와 같이 여러 종류의 임펄스 전류를 발생시킬 수 있도록 제 1 내지 제 3 임펄스 전류 발생부(20a 내지 20c)를 포함하며, 상기 제 1 내지 제 3 임펄스 전류 발생(20a 내지 20c)부에 직류 전원을 공급하는 전원 공급부(70), 및 상기 제 1 내지 제 3 임펄스 전류 발생부(20a 내지 20c)에서 축적된 전하가 방전되면서 전류파형이 임펄스 형태를 갖도록 하는 방전 스위치(10)를 포함하여 구성된다.
이때 상기 방전 스위치(10)로는 진동 갭 스위치가 사용되는 것이 바람직하다. 진동 갭 스위치는 최소 동작전압 이상이 인가되면 매우 안정적으로 온오프 동작이 수행되는 스위치 소자이다. 종래 기술에 따른 임펄스 전류 발생기의 경우, 임펄스 전류를 생성하기 위하여 2개 이상의 스위치 소자를 사용하였으며 이에 따라 각 스위치 소자를 정상적으로 상호 동기화시키는데 상당한 어려움이 있었으나, 본 발명의 실시예에 따른 임펄스 전류 발생기에서는 1개의 스위치로 원하는 파형이 생 성될 수 있도록 구성되므로 동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며 임펄스 발생기의 구성을 간소화할 수 있다.
트리거 신호 제어부(30)는 상기 방전 스위치(10)의 온/오프 동작을 제어하는 신호를 생성하여 상기 방전 스위치(10)로 인가하며, 상기 신호를 생성하는 트리거 신호 발생부(60) 및 생성된 신호를 수신하여 상기 방전 스위치(10)로 전달하는 트리거 신호 수신부(50)를 포함하여 구성된다. 이때 상기 트리거 신호 발생부(60) 및 트리거 신호 수신부(50)는 물리적으로 이격되어 광케이블(40) 등으로 연결될 수 있으며 이에 따라 고전압부와 제어부가 전기적으로 분리될 수 있으므로 고전압의 신호가 전달되는 데 있어 사용자의 안전을 보장할 수 있다.
이러한 상기 방전 스위치 및 방전 스위치의 동작을 제어하기 위한 트리거 신호 제어부에 대한 보다 상세한 설명은 도 11 내지 도 13을 참조하여 후술한다.
도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 임펄스 전류 발생기에 있어서, 각 임펄스 전류 발생부는 다음과 같이 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 임펄스 전류 발생기에서 결선 가능한 회로가 도시된 도로서, 도 4는 제 1 임펄스 전류 발생부에 대응하는 회로가 도시된 도이며, 도 5 는 제 2 임펄스 전류 발생부에 대응하는 회로가 도시된 도이고, 도 6 은 제 3 임펄스 전류 발생부에 대응하는 회로가 도시된 도이다.
우선, 본 발명에서는 하나의 진공 갭 스위치(10)와 다수의 커패시터를 사용하여 10/350㎲ 임펄스 전류 및 8/20㎲ 임펄스 전류가 발생되도록 구성될 수 있다.
이때, 10/350㎲ 임펄스 전류 파형은 방전 스위치(10)의 안정된 동작을 확보 하기 위한 최소 동작전압 조건을 만족하기 위하여 소전류 발생회로와 대전류 발생회로로 분리하여 설계하였으며 각 발생 파형에 대응하는 임펄스 전류 발생부는 다음과 같다.
제 1 임펄스 전류 발생부(20a)는 10/350㎲ 임펄스 전류 중 소전류 발생회로로 구성되며, 이때 소전류는 0.5kA 내지 10kA 범위에 속하는 것으로 한다. 제 2 임펄스 전류 발생부(20b)는 10/350㎲ 임펄스 전류 중 대전류 발생회로로 구성되며, 대전류는 4kA 내지 30kA 범위에 속하는 전류를 나타낸다. 또한, 제 3 임펄스 전류 발생부(20c)는 8/20㎲ 임펄스 전류를 발생시키며, 제 3 임펄스 전류 발생부(20c)에서 발생되는 임펄스 전류의 크기는 5kA 내지 60kA 범위에 속한 값을 갖는다.
도 4 내지 도 6에서 각 회로는 기본적으로 각각의 펄스 전류를 발생하기 위한 R-L-C회로를 구성한다. 또한, 커패시터는 회로 특성에 따라 임의의 값으로 선정하는 데 어려움이 있으므로 실제 사용이 가능한 값으로 고정한 후 인덕터와 저항 값을 조정함으로써 파형 성형회로를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는 10/350㎲ 임펄스 전류발생을 위해 정전용량이 C0이고, 내부 인덕턴스 L0, 내전압 V0인 커패시터를 조합하도록 구성되었으며, 8/20㎲ 임펄스 전류발생을 위해서는 별도의 커패시터를 구비한다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서 전하를 충전하기 위한 커패시터와 방전 스위치 소자는 중요한 구성요소라 할 수 있는데, 10/350㎲ 전류파형과 같이 파미장이 긴 펄스를 만들기 위해서는 고전압의 대용량 커패시터가 필요하다. 그러나, 현실적 으로 수십kV의 사용전압에 수백uF 커패시턴스를 갖는 커패시터는 경제적으로 사용이 거의 불가능하므로 동일한 특성의 커패시터를 직병렬로 조합하여 사용하는 것이 보다 효과적이다.
따라서, 소전류의 10/350㎲ 임펄스 발생을 위한 제 1 임펄스 전류 발생부(20a)는 도 4에 도시된 바와 같이, C0 용량의 커패시터 3개를 직렬로 연결하여 전체 정전용량이 C0/3, 내전압이 3V0인 회로로 구성될 수 있다.
이는 낮은 전류를 발생하기 위해 커패시턴스를 줄임으로써 충전되는 전하를 줄이고 동시에 방전 스위치(10)인 진공 갭 스위치의 최소동작전압 이상으로 충전전압을 높여 안정적인 스위칭 동작이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 충전전압이 방전 스위치(10)의 동작전압보다 낮은 경우에는 스위칭 동작의 신뢰성이 저하되므로 소전류 발생을 위해서는 상술한 바와 같이 커패시터가 직렬 연결되는 구성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
대전류의 10/350㎲ 임펄스 발생을 위한 제 2 임펄스 전류 발생부(20b)는 도 5에 도시된 바와 같이, C0용량의 커패시터 4개를 직병렬로 연결하여 전체 정전용량이 C0가 되도록 구성될 수 있으며, 직병렬로 연결된 커패시터와 L2, R2가 직렬로 연결되어 낮은 충전전압에도 대용량의 임펄스전류가 발생가능하다.
8/20㎲ 임펄스 발생을 위한 제 3 임펄스 전류 발생부(20c)는 도 6에 도시된 바와 같이, C3, L3, R3가 직렬로 연결되는 조합으로 구성될 수 있으며 각 임펄스 전류 발생부는 방전 스위치(10)를 공유한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펄스 전류 발생기는 도 4 내지 도 6을 참조하여 상술한 바와 같은 각 임펄스 전류 발생기가 하나의 회로로서 구성될 수 있도록 한다.
도 7 은 도 3에 따른 임펄스 전류 발생기의 구성이 상세하게 도시된 회로도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펄스 전류 발생기는 도 7에 도시된 바와 같이 진공 갭 스위치(10) 1조와 수백uF의 대용량 커패시터 4개(CA, CB CC, CD) 및 수십uF의 저용량 커패시터(CE) 1개의 조합으로 10/350㎲ 및 8/20㎲의 임펄스 파형을 생성할 수 있도록 회로가 구성된다.
즉, 상술한 각각의 펄스 파형을 발생시키기 위해 이를 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펄스 전류 발생기는 다수의 고압용 기계식 릴레이(K1 내지 K10)를 사용하여 제어부에서 자동으로 용이하게 회로 결선을 변경시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 또한, 직류 전원을 공급하는 전원 공급부(70) 및 방전 스위치 소자(10)는 각 임펄스 전류 발생부(20a 내지 20c)와 공유되며 릴레이의 접속에 따라 각각의 R, L, C가 자동으로 결선되어 상술한 각 펄스 파형이 발생될 수 있다.
도 8 내지 도 10 은 도 7에 있어서 각 릴레이의 동작에 따른 회로 결선이 도시된 도로서, 도 8 은 소전류의 10/350㎲ 임펄스 파형을 발생시키고자 하는 경우의 결선도이며, 도 9 는 대전류의 10/350㎲ 임펄스 파형을 발생시키고자 하는 경우의 결선도이고, 도 10 은 8/20㎲ 임펄스 파형을 발생시키고자 하는 경우의 결선도이 다.
소전류의 10/350㎲ 임펄스 전류 파형을 발생시키기 위한 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이, 릴레이 K1, K2가 접속되도록 한다. 릴레이 K1, K2가 접속되면 충전용 커패시터는 3개의 대용량 커패시터(CA, CB, CC)가 직렬로 연결되는 구조를 갖게 된다. 또한, L1, r1, r2가 차례로 연결되므로, 상기 충전용 커패시터에서 충전된 전하는 방전 스위치의 동작에 따라 L1, r1, r2를 통해 EUT(Equipment under test, 피시험품)에 인가된다.
대전류의 10/350㎲ 임펄스 파형을 발생시키고자 하는 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이, 릴레이 K3, K4, K5, K6, K7가 접속되도록 한다. 릴레이 K3, K4, K5가 연결되면 대용량 커패시터는 4개(CA, CB CC, CD)가 2개씩 직병렬로 연결되며 릴레이 K6, K7가 연결됨에 따라 r1, r2, r3가 차례로 연결된다. 따라서 상기 대용량 커패시터에서 충전된 전하는 방전 스위치(10)의 동작에 따라 r1, r2, r3를 통해 흐르며, EUT(Equipment under test, 피시험품)에 인가된다.
또한, 8/20㎲ 임펄스 파형을 발생시키고자 하는 경우에는 도 10에 도시된 바와 같이 릴레이 K7, K8, K9, K10가 접속되도록 하며, 릴레이 K8, K9가 접속됨에 따라 별도로 구비된 하나의 저용량의 커패시터(CE)에 전하가 충전된다. 또한, 충전된 전하는 릴레이 K7, K10가 접속됨에 따라 r1을 통해 EUT(Equipment under test, 피시험품)에 인가된다.
도 8 내지 도 10에서, 각각의 펄스를 성형하기 위해서는 R-L 파라미터가 펄스 조건에 부합되어야 한다. 본 발명의 실시예에 적용된 커패시터에 대해 요구되는 인덕턴스는 소전류 임펄스 전류 발생부(20a)를 제외하고는 매우 작은 값을 가지므로 커패시터의 내부 인덕턴스와 배선의 인덕턴스로 대체할 수 있다.
10/350㎲ 임펄스의 발생시 방전 저항은 커패시터의 경우 제 2 임펄스 전류 발생부(20b)의 커패시턴스가 제 1 임펄스 전류 발생부(20a)의 커패시턴스보다 큰 조건을 만족하며, 인덕턴스의 경우 제 1 임펄스 전류 발생부(20a)의 인덕턴스가 제 2 임펄스 전류 발생부(20b)의 인덕턴스보다 큰 조건을 만족한다.
또한, 8/20㎲ 임펄스는 10/350㎲ 임펄스보다 감쇠시간이 훨씬 빠르므로 저항은 더 작아야 하며, 다음의 수학식 1을 만족한다.
이때, R1, R2, R3는 도 4 내지 도 6에 도시된 회로에서의 방전 저항이다.
상기 수학식 1을 각각 r1, r2, r3에 대해서 정리하면 다음과 같다.
이와 같이 상술한 도 7에 도시된 회로에서의 r1, r2, r3를 구성하면, 릴레이가 모두 개방된 경우에는 R1의 값을 얻을 수 있으며, 릴레이 K7이 접속된 경우에는 R2의 값을 얻을 수 있다. 또한, 릴레이 K7, K10이 접속된 경우에는 R3의 합성 저항을 각각 얻을 수 있으며 이로부터 원하는 임펄스 전류 파형을 발생시킬 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 3 종류의 임펄스 전류는 도 7에 도시된 바와 같이 모두 하나의 방전 스위치를 공유한다.
따라서 방전스위치의 정확하고 신속한 동작이 확보되어야 하며 장비 사용자의 안전도 고려하여 설계할 필요가 있으며, 본 발명에 따른 임펄스 전류 발생기에 있어서, 방전 스위치 소자는 스위치 양단 전극 및 트리거용 전극으로서 대용량 진공 갭 스위치가 사용된다.
진공 갭 스위치를 구동시키기 위해서는 스위치 양단에 스위칭동작을 위한 최소한의 전계와 더불어 진공상태에서 초기 전자를 방출시키기 위해 전극의 급속한 가열이 필요한데, 이를 위해 전극으로 고전압의 신호를 인가하기 위한 신호 제어가 필요하다.
따라서, 진공 갭 스위치는 스위치 소자 및 상기 스위치 소자의 온오프 동작을 제어하기 위한 신호를 생성하고 인가하도록 하는 트리거 신호 제어부를 포함하여 구성된다. 트리거 신호 제어부는 트리거 신호 송신부 및 트리거 신호 수신부를 포함하여 구성되며 생성된 고전압 신호로부터 사용자를 보호하고 안정적으로 동작할 수 있도록 트리거 신호 송신부 및 트리거 신호 수신부를 분리하고 광케이블을 통해 연결함으로써 물리적으로 송신부 및 수신부를 이격시키고 전기적으로는 절연성을 갖도록 할 수 있다.
도 11 은 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 트리거 신호 송신부의 구성이 도시된 도이며, 도 12 는 도 11의 동작에 따른 신호 파형이 도시된 도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 트리거 신호 송신부는 도 11에 도시된 바와 같이, 스위치 소자 및 다수의 트랜지스터 소자를 포함하여 구성된다.
전원(Vcc)이 인가된 상태에서 트리거 스위치(SW)를 접속시키면 C1과 R2에 의해 도 12에 도시된 바와 같은 제 1 펄스 파형(P1)이 생성된다. 상기 트리거 스위치(SW)는 기계적인 접점 스위치이므로 스위칭 동작시 수ms정도의 노이즈 성분(SN)이 포함될 수 있으며 이는 방전 스위치의 안정적인 동작을 방해할 수 있다.
따라서, 단안정 멀티바이브레터 IC(Q1,Q2)를 적용하여 노이즈 성분을 제거할 수 있으며, 제 1 IC(Q1)의 입력단에 노이즈가 포함된 트리거 신호인 제 1 펄스 파형(P1)이 인가되면 제 1 IC(Q1)의 출력단에는 도 12에 도시된 바와 같은 제 2 펄스 파형(P2)이 생성된다.
이때 생성된 펄스의 폭은 제 1 IC(Q1)의 입력단에 연결된 CX1과 RX1의 곱에 비례하여 결정되는데, 이러한 펄스 폭을 노이즈 성분(SN)이 차지하는 시간보다 더 길도록 설정하면 채터링에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
제 2 IC(Q2)는 제 1 IC(Q1)의 출력 신호를 입력받아 트랜지스터(Q3)를 구동하기 위한 게이트 신호(P3)를 발생시키며, 트랜지스터(Q3)가 턴온되면 C2와 R5에 의해 펄스 파형의 전류가 생성된다. 생성된 펄스 전류는 광송신기(Q4)에 인가되어 광케이블을 통해 트리거 신호 수신부로 전달된다.
도 13 은 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 트리거 신호 수신부의 구성이 도시된 도이다. 도 14 는 도 13과 연결되는 트리거 회로의 구성이 도시된 회로도이다.
트리거 신호 송신부의 광송신기(Q4)로부터 수신된 펄스 신호는 도 13에 도시된 바와 같이 광수신기(Q5)를 통해 전기 신호로 변환되며, 드라이브 회로(Q6, Q7)를 거쳐 SCR 소자(Q8)의 게이트에 트리거 신호로 인가된다. 진공 갭 스위치(10)를 구동하기 위한 회로는, 도 14에 도시된 바와 같이, SCR 소자(Q8)가 턴온되면 직류 고압으로 커패시터(C4)에 충전된 전하가 SCR 소자(Q8) 및 펄스 변압기(X1)의 1차측을 통해 흐르며, 펄스 변압기(X1)의 권선비에 따라 승압된 고전압 펄스가 2차측에 발생된다.
이때, 다이오드 D1은 SCR 소자(Q8)의 보호용이며 다이오드 D2 및 저항 R6는 SCR 소자(Q8)가 OFF 될 때 펄스 변압기(X1)의 1차측에 발생하는 고전압을 방류시키기 위해 결선된다. 펄스 변압기(X1)의 2차측에 발생된 고전압 펄스는 커패시터 C5를 충전시키며 충전된 전하는 순간적으로 진공 갭 스위치(10)의 트리거전극(T)과 스위치 전극(B)을 통해 대전류로 방류된다. 이 전류에 의해 상기 트리거 전극(T)이 가열되며 스위치 양단(A-B)에 최소 방전 전계 이상의 전압이 인가되면서 정확한 스위칭 동작이 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 스위치 및 임펄스 전류 발생기는 한 개의 스위치를 이용하여 10/350의 이중 지수 함수 전류 파형을 얻을 수 있으며, 간단한 릴레이 조작을 통해 8/20 전류 파형을 발생할 수 있다.
따라서, 상술한 종래 기술에 따른 임펄스 발생기와 비교할 때 하나의 장치에서 8/20 및 10/350 전류 파형을 발생시킬 수 있으며, 일부 소자를 공유함으로써 효율을 증대시킬 수 있다.
특히 10/350 임펄스 전류 파형의 경우 하나의 방전용 스위치를 사용함으로써 종래에 비해 동작의 신뢰성 및 안정성이 향상될 수 있으며, 광케이블을 이용하여 고전압부와 제어부를 전기적으로 분리함으로써 사용자의 안전 및 신뢰성 있는 동작을 확보하였다. 또한, 이를 통해 고품질의 전력수요가 요구되는 시대상황에 맞게 전기전자기기를 비롯한 낙뢰보호기기의 낙뢰 관련 시험 및 성능 평가에 활용할 수 있으며 사고예방 및 전력품질의 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 방전 스위치 및 이를 이용한 임펄스 전류 발생 기를 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 일부 소자를 공유하여 하나의 장치에서 여러 임펄스 파형을 발생시킬 수 있으므로 기기의 효율이 증대되도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.