KR101476977B1 - Ｇｃａ 소자 및 ｇｃａ 소자 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로에 관한 것으로, 상세하게는 빠른 과도전압에 대하여 전압이 낮은 때에는 방전하지 아니하는 특성을 개선하여 낮은 전압에서도 방전을 유도하는 방전소자에 있어서, 1.2us/50us의 서지 표준보다 더 빠른 EMP(Electro Magnetic Pulse) 그 중에서도 선로에 유기되는 EMP 에너지 즉 PCI( Pulse Current Injection ) 펄스까지 방호할 수 있는 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로에 관한 것이다.

Description

ＧＣＡ 소자 및 ＧＣＡ 소자 구동회로{Gate Control Arrestor device and driving circuit of GCA device}

본 발명은 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로에 관한 것으로, 상세하게는 빠른 과도전압에 대하여 전압이 낮은 때에는 방전하지 아니하는 특성을 개선하여 낮은 전압에서도 방전을 유도하는 방전소자에 있어서, 1.2us/50us의 서지 표준보다 더 빠른 EMP(Electro Magnetic Pulse) 그 중에서도 선로에 유기되는 EMP 에너지 즉, PCI( Pulse Current Injection ) 펄스까지 방호할 수 있는 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로에 관한 것이다.

낙뢰 등에 의해 갑자기 큰 전류 전압이 발생하기도 하는데, 이는 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지니며, 전력계통의 전원선, 통신선, 신호선 등의 도체와 같은 선로(Line)를 따라 전달된다. 이러한 과도 이상 전압을 서지(Surge) 전압이라고 한다.

모든 회로는 정격전압에서만 기능을 수행하므로 지정된 정격의 허용범위를 초과하는 전압은 서지 전압이 된다. 대부분의 경우, 서지 전압은 전자회로와 전자회로 내의 부품에 손상을 야기한다.

서지는 우리 주변에서 흔히 발생하는 현상이며, 종류 및 특성이 다양하여 보호대책이 완전히 정립되지 않은 것이 사실이다. 예를 들어, 벼락이 떨어질 경우 뇌 서지는 전기, 전자 통신설비를 파괴시키며, 스위치, Relay, 용접 등의 아크와 단락에 의한 개폐 서지, 모터 등의 구동 서지 등 우리 주변에서 끊임없이 서지가 발생하고 있다.

특히, 고출력 전자기파(EMP; Electromagnetic Pulse)는 현대사회의 다양한 종류의 정보통신 장비와 이들 장비를 통해 상호 연동 운용되고 있는 체계를 손상시킬 수 있다. 이들 장비 및 체계의 손상은 사회 전반에 걸쳐 극심한 혼란을 야기시킬 수 있으며, 국가 안전시스템 전반으로 파급되어 막대한 피해를 끼칠 수 있다. 최근 전기ㆍ전자산업과 정보통신 기술의 발달에 따라 디지털 회로들이 소형화ㆍ집적화 되고, 동작 클럭 속도가 빨라지고 있으며, 전자 장비들이 고감도의 특성을 보유하고 있기 때문에 고출력 전자기파의 환경에 놓이게 되면 전자부품의 손상이나 장비의 성능 및 기능 장애 문제는 훨씬 심각해진다.

이러한 서지 전압에 따른 피해를 방지하기 위한 종래의 방전소자를 도 1에 도시하였다. 세라믹 절연체로 조성된 원통형 관 양단에 방전전극1 및 방전전극2를 구비하여 관 내부에 방전갭이 구비되고, 방전갭 내부에는 방전도움물질(gas)이 봉입된 구조를 갖는다.

상기한 방전소자는 방전전극 1과 방전전극 2 간에 고전압이 인가되면 방전갭 내부에 봉입된 방전도움물질이 전리현상을 일으키면서 글로우 방전을 일으키기 시작하는데, 글로우 방전에 의하여 방전전류가 커지면 곧 아크방전으로 이어져 방전전극 간에 인가된 전압이 순간적으로 방전하여 소멸하게 되는 것이다.

상술한 종래의 방전소자는 통상적으로 방전도움물질이 가스 또는 진공인 가스봉입방전관으로, 그 방전특성은 직류 또는 상승속도가 100V/sec 정도로 느린 과도전압에 대하여 약 90V 수준에서 방전을 한다. 그러나 1,000V/㎲ 수준의 빠른 과도전압이 인가되는 경우, 700V 이하의 수준에서는 방전이 일어나지 않는 방전특성을 가지고 있다.

한편, PSTN선로의 보호소자로 사용되는 방전소자는 ITU-T의 경우 100V/sec의 느린 상승속도에서 600V 이하의 수준에서 방전되어야 한다고 권고하지만, ANSI/IEEE 61000-4-5와 UL497규격에서는 1.2㎲/50㎲의 빠른 과도특성을 정의하고 있어, 상기한 규격은 국제규격 상호간에도 타협점을 찾을 수 없는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하고자 낮은 과도전압에서도 방전을 할 수 있으며, 낮은 잔류전압특성을 갖는 저전압 방전소자 및 상기 방전소자를 구동하는 회로에 관한 기술로, 본 발명의 출원인이 2007년 출원하여 특허 등록한 국내특허등록 제10-0817485호("제어전극을 갖는 방전소자")(이하, 선행문헌 1)가 있다.

도 2(a)은 상기 선행문헌 1에 따른 방전소자의 대표도면이고, 도 2(b)는 그 제어회로를 나타내었다.

상기한 도 2(a)의 방전소자는 방전전극(1, 2)간에 고전압이 인가되는 조건이 발생하면 도 2(b)에 나타난 제어회로와 같이 방전소자에 병렬로 접속된 제어회로는 서지 전압이 유입되어 상승하기 시작하는 순간 즉, 방전소자가 자연방전하기 이전부터 A - 4 - 5(5a-5b) - B를 경유하는 제어전류의 경로를 서지 전류가 흐르면서 트랜스(5)의 권선비에 따라 승압된 전압이 트랜스의 2차측(5a'-5b')에 유기되고 이 전압이 방전소자의 제어전극(3)에 인가되어 방전소자를 트리거시킨다. 즉, 서지 전압이 상승하기 전에 미리 방전을 유도함으로 우수한 보호효과를 가지는 것이다.

이는 종래의 방전소자가 자기방전전압에 이르는 동안 서지 전압이 크게 상승한 다음에 방전을 함으로서 이미 상승한 서지전압은 잔류전압으로 남아 보호효과를 저해하는 문제를 해결하는 기술이었다.

또한, 미국공개특허 제 4631453호("Triggerable ceramic gas tube voltage breakdown device")(이하, 선행문헌 2)에 기재된 기술로, 트리거전극을 구비한 방전관(20)을 도 3(a), 상기 방전관을 카메라 플래쉬에 응용하는 제어회로를 도 3(b)에 나타내었다.

상기 선행문헌 2에 따르면 세라믹절연체로 조성된 원통형 관 양단(20, 26)에 방전전극(34, 36) 구비되며, 제어전극(28) 및 방전갭 내부에는 방전도움물질(gas)이 봉입된 구조를 갖는다.

도 3(b)에 도시된 것처럼, 250V의 DC전압을 공급하는 카메라 플래쉬에 있어서 R1을 통해 C1이 충전되고 R2-C2-Rs에 분압비에 의해 C2에 전압이 충전된다. 이 때, 스위치(S1)를 누르면 C1의 충전전류는 방전하면서 섬광전구 L의 불을 밝히게 되고 이 불빛에 의해 광스위치(S2)가 닫히면 콘덴서(C2)는 트랜스 T의 1차 코일을 통해 방전하면서 트랜스의 2차측에 고전압을 유도하여 방전관의 제어전극(28)에 트리거 신호를 인가하여 방전관(20)이 작동하여 C1에 충전된 에너지는 일시에 방전시켜 섬광램프(L1)의 빛을 멈추게 하는 기능을 가진다.

상기 선행문헌 2는 카메라 플래쉬를 위한 방전관과 그 제어회로로서 응용회로를 설명하고 있는 것으로, 서지보호소자로서 사용될 수 있다는 수준의 제안만 있을 뿐, 서지보호소자로 활용하기 위한 상세한 기술적인 설명이 없다. 또한, 상기한 동작 특성은 서지보호소자의 동작과 차이가 크며, 서지보호소자로 활용하기 위한 기재가 불비한 관계로 서지 분야에 대한 활용적 측면은 상기 선행문헌 1의 전문적인 서지보호 기술을 기준으로 함이 타당할 것이다.

하지만, 상기 선행문헌 1에 있어서도 1.2us/50us의 서지 표준파형에서는 양호한 기능을 구현하였지만 더 빠른 EMP( Electro Magnetic Pulse), 그 중에서도 선로에 유기되는 EMP 에너지 즉 PCI( Pulse Current Injection ) 펄스는 MIL-STD 188-125(비특허문헌 1 참조) 기준 5ns/50ns와 같이 더욱더 빠른 특성을 가지고 있어 선행문헌 1의 기술로도 대응할 수 없는 한계가 도래하였다.

1. 국내특허등록 제 10-0817485호 2. 미국공개특허 제 4631453호

1. "Military Standard - High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Protection for ground-based C41 Facilities performing critical, Tine-urgent missions, Part 1 Fixed Facilities" MIL-STD-188-125-1 (2005. 4. 7), Dept. of Defense, Washington, DC.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보다 빠른 과도전압 특성을 갖는 서지 및 PCI에 대하여 과도전압이 상승 초기에 즉, 낮은 전압에서 방전을 할 수 있으며, 보다 낮은 잔류전압특성을 갖는 저전압 방전소자인 GCA 소자 및 GCA 소자를 구동하는 회로를 제공하는 것이다.

또한, GCA 소자의 두 방전전극 사이에 빠른 과도전압, 그 중에서도 MIL-STD 188-125 표준 PCI파형(5ns/50ns)을 인가하였을 때에도 100V이하에서 방전할 수 있도록 한 GCA 소자 및 GCA 소자를 구동하는 회로를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 서지보호장치를 겸하는 PCI Protector에 사용될 수 있는 GCA 소자 및 GCA 소자를 구동하는 회로를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 GCA(Gate Control Arrestor) 소자는 세라믹 절연 물질로 형성되는 세라믹관; 상기 세라믹관 양단에 각각 형성되는 제 1방전전극 및 제 2방전전극; 상기 세라믹관 내부에 봉입되는 방전도움물질; 상기 세라믹관에 접해있으며, 상기 방전도움물질과 물리적으로 분리되어 있는 방전제어전극; 상기 방전제어전극에서 인출된 게이트 노드와 상기 제 1방전전극 사이에 구비되는 분압콘덴서 C1; 및 상기 게이트 노드와 제 2방전전극 사이에 구비되는 분압콘덴서 C2;를 포함하여 이루어지며,

상기 제 1방전전극 및 제 2방전전극 간에 고전압이 인가되면 상기 C1과 C2의 용량에 따른 분압비에 의해 분압된 바이어스 전압이 상기 방전제어전극으로 인가되며, 상기 게이트 노드에서 연장된 게이트 단자(G)에 인가되는 고압의 제어전압이 상기 바이어스 전압에 중첩되어 상기 제 1방전전극 및 제 2방전전극 간의 방전이 유도되도록 할 수 있다.

또한,상기 GCA 소자는 상기 게이트 노드와 게이트 단자(G) 사이에 트리거 콘덴서 C3가 더 구비될 수 있다.

또, 상기 C1 및 C2는 상기 세라믹관의 내부 또는 외주면 또는 외부 회로로 구비될 수 있다.

또한, 상기 방전제어전극은 단수 또는 복수개의 금속선 또는 금속박의 형태로 상기 세라믹관에 밀착되어 형성될 수 있다.

본 발명에 의한상기 GCA 소자를 포함하는 GCA 소자의 구동회로는 고압트랜스포머 및 전류를 제한하는 제한소자를 더 포함하며, 상기 GCA 소자의 제 1방전전극의 단자(A)는 상기 고압트랜스포머의 1차측 한 단자에 접속되며, 상기 고압트랜스포머의 1차측 다른 단자 및 2차측 한 단자는 상기 GCA 소자의 제 2방전전극의 단자(B)에 접속되고, 상기 고압트랜스포머의 2차측 다른 단자는 상기 GCA 소자의 게이트 단자(G)에 접속되며, 상기 제한소자는 상기 GCA 소자의 제 1방전전극의 단자(A)와 상기 고압트랜스포머의 1차측 한 단자 사이에 구비되며, 상기 고압트랜스포머의 2차측 출력이 상기 방전제어전극으로 인가되는 제어전압일 수 있다.

또, 상기 GCA 소자 구동회로는 상기 GCA 소자의 C1, C2에 대해 다이오드 D1, D2를 더 포함하여 구성되는 배전압 정류 회로를 구비하여, 상기 고압트랜스포머의 2차측 출력이 상기 배전압 정류 회로로 입력되고, 출력은 상기 방전제어전극으로 인가되는 제어전압일 수 있다.

아울러, 상기 제한소자는 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터, TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자에서 선택된 하나 이상의 소자일 수 있으며, 바람직하게는 상기 제한소자가 캐패시터로 구비되어, 상기 고압트랜스포머와 LC 공진회로를 이룰 수도 있다.

또한, 상기 고압트랜스포머는 1차 측 양 단자에 인가된 전압에 대하여 10배 내지 100배 승압하여 전압이 상승될 수 있다.

본 발명의 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로는 빠른 과도전압에 대하여 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 구동회로의 구성을 개선함으로써 더욱 더 빠른 동작특성을 구현하여 낮은 전압에서도 방전성능이 우수하며, 낮은 잔류전압 특성을 갖는 효과가 있다.

또한, 낙뢰, 서지뿐 아니라 1.2us/50us의 서지 표준보다 더 빠른 EMP, 그 중에서도 MIL-STD 188-125 기준에 따른 5ns/50ns의 빠른 PCI(Pulse Current Injection )까지 방호할 수 있는 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로를 제공함으로써, 서지보호장치를 겸하는 PCI Protector에 사용될 수 있는 기술을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 2극형 방전소자
도 2(a)는 선행문헌 1에 따른 방전소자
도 2(b)는 도 2(a)에 도시된 방전소자의 제어회로
도 3(a)는 선행문헌 2에 따른 트리거 전극을 구비한 방전관
도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 방전관을 카메라 플래쉬에 응용하는 제어회로
도 4는 본 발명에 따른 GCA 소자의 일실시예
도 5는 본 발명에 따른 GCA 소자의 또 다른 실시예
도 6은 본 발명에 따른 GCA 소자의 구동회로를 나타낸 일실시예
도 7은 본 발명에 따른 GCA 소자의 구동회로를 나타낸 또 다른 실시예

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 방전제어전극이 구비된 GCA(Gate Control Arrestor) 소자 및 상기 GCA 소자를 구동시키는 구동회로에 대해 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명에 따른 GCA 소자의 일실시예를 나타낸 것으로, 도 4를 참고하면 본 발명의 GCA 소자(100)는 세라믹관(110), 제 1방전전극(120), 제 2방전전극(130), 방전제어전극(150), 분압콘덴서 C1 및 C2를 포함하여 이루어진다.

상기 세라믹관(110)은 세라믹 절연 물질로 형성되며, 상기 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130)은 세라믹관(110) 양단에 각각 형성되고, 상기 방전도움물질(140)이 세라믹관(110) 내부에 봉입된다.

상기 방전제어전극(150)은 세라믹관(110)에 접해있으며 방전도움물질(140)과 물리적으로 분리되도록 형성된다. 또한, 상기 분압콘덴서 C1은 방전제어전극(150)에서 인출된 게이트 노드(N)와 제 1방전전극(120) 사이에 구비되며, 분압콘덴서 C2는 게이트 노드(N)와 제 2방전전극(130) 사이에 구비된다.

상기와 같이 구성된 GCA 소자(100)는 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130) 간에 고전압이 인가되면 C1과 C2의 용량에 따른 분압비에 의해 분압된 바이어스 전압이 방전제어전극(150)으로 인가되며, 게이트 노드(N)에서 연장된 게이트 단자(G)로 고압의 제어전압이 인가되면 상기 제어전압과 상기 바이어스 전압이 중첩되어 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130) 간의 방전이 유도되는 방전소자이다.

좀 더 자세하게는, 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130)이 마주하고 있는 방전갭(160) 외부에 고전압이 인가되지 않았을 때에는 물리적, 전기적으로 완전하게 격리되고 절연된 방전제어전극(150)을 구비하고 두 방전전극(120, 130)과 방전제어전극(150) 사이에 각각 분압콘덴서 C1, C2를 더 구비함으로써 두 방전전극(120, 130) 간에 서지 또는 PCI 전압(이하, 충격전압이라 칭함)이 인가되면 상기 충격전압을 C1과 C2의 용량에 따른 분압비만큼 나누어 상기 방전제어전극(150)에 바이어스 전압으로 인가한다. 상기 바이어스 전압에 의해 GCA 소자(100) 방전갭(160) 내부의 방전도움물질(140)의 이온화가 촉진되고 있는 상태에서 상기 충격전압보다 높은 전압인 제어전압을 게이트 단자(G)를 통해 방전제어전극(150)에 인가함으로써 방전전극(120, 130) 간의 완전한 방전이 유도되는 것이다.

즉, 이렇게 GCA 소자(100)의 방전제어전극(150)에 바이어스 전압이 걸린 상태에서 고압의 제어전압이 더해짐으로써 종래보다 더 낮은 전압에서 방전될 수 있으므로 방전소자의 응답속도 및 감도가 향상되어 성능이 증대되는 효과가 있다.

한편, 고출력 전자기파 즉, EMP의 PCI에 의한 충격전압은 일반적인 서지가 단일펄스를 기준으로 하는 것과 달리 주파수가 최대 300MHz에 달하면서 반복되는 충격전압이 유도될 수 있는 전압이다.

전술한 바와 같이 이제는 서지 뿐만 아니라 EMP에 의한 PCI 충격전압에도 대응을 해야만 하는데, 상기한 선행문헌에 따른 방전소자로는 300MHz에 달하며 반복되는 PCI 충격전압에 대하여 방전소자 내부의 방전도움 물질을 충분히 전리시키지 못하여 그 효과가 떨어지는 문제가 발생되었다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같이 방전소자에 분압콘덴서(C1, C2)를 추가로 더 구비한 GCA 소자(100)를 개발하여 상기한 문제를 해결할 수 있도록 하였다.

즉, 서지 뿐만 아니라 보다 빠른 상응을 가지는 충격전압이 유입되더라도 상기 충격전압을 상기 분압콘덴서 C1, C2에 축적하여 방전제어전극(150)에 바이어스 전압으로 공급하도록 함으로써 GCA 소자 내부의 전리현상은 반복되는 짧은 펄스의 PCI 충격전압임에도 불구하고 하나의 파형이 길게 유입되는 것과 같은 효과를 발휘한다.

따라서, 본 발명에 의한 GCA 소자(100)는 PCI에 의한 충격전압에 의해 방전을 반복하는 것이 아니라 지속적으로 방전을 유지할 수 있으므로, 종래의 방전소자로는 결코 달성할 수 없는 매우 우수한 효과를 가진다. 이는 방전소자 내부에 충진된 방전도움물질(140)의 이온화의 반복속도가 상대적으로 느리기 때문으로 풀이되며, 인간의 눈이 1초당 18회 내지 30회의 반복되는 만화영상을 연속동작으로 인지하는 것과 같은 예이다.

한편, 방전갭(160) 내부의 봉입된 방전도움물질(140)은 공기 또는 특정한 진공상태일 수 있으며, 통상적으로 가스봉입방전관에 봉입되는 이미 공지된 가스 중에서 특성에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

또한, 도면에 도시된 실시예에서는 금속박으로 이루어진 링형의 방전제어전극(150)을 세라믹관(110)의 외면에 형성한 예이나, 본 발명의 방전제어전극(150)은 세라믹관(110)의 외면에 단수 또는 복수개의 금속선 또는 금속박을 U형 또는 Y형의 형태로 세라믹관(110)에 밀착되도록 형성될 수도 있고, 세라믹관(110)을 형성하는 세라믹 절연 재료의 내부에 장입되어 외부 단자로 인출되어 형성될 수 있는 등 다양한 형태로 변형이 가능하다.

또, 상기 분압콘덴서 C1, C2는 세라믹관(110)의 내부 또는 외주면 또는 외부 회로로 구비될 수 있는 등 당업자에 의해 얼마든지 변형 설계가 가능하다.

도 5는 본 발명에 따른 GCA 소자의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 본 발명에 의한 GCA 소자(100)의 게이트 노드(N)와 게이트 단자(G) 사이에 트리거 콘덴서 C3가 더 구비되도록 할 수도 있으며, 상기 C3의 역할은 후술하도록 한다.

한편, 도 4 및 5를 참조하여 2극 구조를 갖는 방전소자를 기준으로 하여 본 발명의 GCA 소자(100)의 실시예를 설명하였으나, 어스전극이 구비된 3극 구조를 갖는 방전소자에도 본 발명의 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.

이하, 본 발명의 바람직한 GCA 소자(100)의 구동회로를 중심으로 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 GCA 소자의 구동회로를 나타낸 일실시예로, 도 6에 도시된 바와 같이 GCA 소자를 포함하는 GCA 소자의 구동회로는 고압트랜스포머(300) 및 전류를 제한하는 제한소자(200)를 더 포함하여 구성된다. GCA 소자(100)의 제 1방전전극(120)의 단자(A)는 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311)에 접속되며, 고압트랜스포머(300)의 1차측 다른 단자(312) 및 2차측 한 단자(322)는 GCA 소자(100)의 제 2방전전극(130)의 단자(B)에 접속되고, 고압트랜스포머(300)의 2차 측 다른 단자(321)는 GCA 소자(100)의 게이트 단자(G)에 접속된다. 또한 제한소자(200)는 GCA 소자(100)의 제 1방전전극(120)의 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311) 사이에 구비되며, 고압트랜스포머(300)의 2차측(321) 출력이 방전제어전극(150)으로 인가되는 제어전압이 된다.

전술한 바와 같이 두 방전전극 간(A-B)에 충격전압이 유입되면 두 방전전극의 단자(A, B)와 전기적으로 접속된 분압콘덴서 C1 및 C2의 콘덴서 용량에 따라 분압된 바이어스 전압이 방전제어전극(150)에 공급되어 방전관 내부의 방전도움물질(140)에 전리현상을 일으키게 되는데, 그 전압이 작은 상태(초기)에서는 방전에 이르지는 못하여 상기와 같이 제한소자(200) 및 고압트랜스포머(300)를 포함하여 구성되는 GCA 소자 구동회로가 더 필요한 것이다.

따라서, GCA 소자의 구동회로는 두 방전전극의 단자(A, B)와 전기적으로 접속된 제한소자(200)와 고압트랜스포머(300)를 경유하는 충격전압을 기준으로, 상기 충격전압을 승압하고 승압된 전압(제어전압)을 방전제어전극(150)에 인가한다. 이러한 제어전압은 상기 C1, C2에 의한 바이어스 전압에 중첩되어 상기 GCA 소자(100)가 전리상태를 유지하는 상태에서 완전하게 방전할 수 있도록 트리거링시키는 역할을 한다. 따라서, 두 방전전극 간(A-B)에 낮은 과도 전압이 빠르게(수 ㎲) 인가되어도 방전소자의 방전을 유도할 수 있는 것이다.

또한, EMP의 PCI에 의한 충격전압은 일반적인 서지가 단일펄스를 기준으로 하는 것과 달리 주파수가 최대 300MHz에 달하면서 반복되는 충격전압이므로, 이러한 충격전압이 제한소자(200) 및 고압트랜스포머(300)를 거치면 본래 충격전압의 펄스폭에 비하여 아주 짧은 여러 개의 반복되는 링형 파동이 출력된다.

GCA 소자(100)의 C1, C2를 통해 충격전압의 넓은 파형(바이어스 전압)이 방전제어전극(150)에 인가되고 있는 상태 즉, GCA 소자(100) 내부의 이온화를 촉진하고 있는 상태에서 고압의 제어전압이 중첩되는 효과로 말미암아 그 반응속도가 크게 향상되는 것이다.

또한, 한번 방전이 이루어지면 분압콘덴서(C1, C2)가 방전되기 전까지는 전리현상을 유지시키므로, 이는 반복되는 빠른 PCI 충격전압에 대해서도 계속적으로 방전을 유지하는 효과를 가져 1.2us/50us 수준의 Surge Arrestor를 5ns/50ns의 PCI Protector로 활용할 수 있게 하는 기반기술로 활용될 수 있는 효과가 있다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이 트리거 콘덴서 C3가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 C3는 두 방전전극 간(A-B)에 인가되는 충격전압이 직류 전압일 경우 필요한 소자이다. 보다 구체적으로 설명하면 직류 전압이 두 방전전극 간(A-B)에 인가되면 고압트랜스포머(300) 2차 측 코일(321 - 322)이 직류 전압에 대해서는 단락 상태이기 때문에 상기 직류 전압은 C1, C2에 분압되는 것이 아니라 C1에 모두 충전되어 분압 효과를 기대할 수 없다. 따라서, C3를 더 구비함으로써 C1과 C2, C3에 의해 분압된 바이어스 전압을 방전제어전극(150)으로 인가할 수 있도록 하였다. 예를 들어, 두 방전전극 간(A-B)에 100V의 전압이 인가되었을 때, 게이트 노드(N)에 50V의 분압된 전압이 걸리도록 하기 위해서는 C2, C3 콘덴서 용량의 합이 C1 콘덴서의 용량과 같도록 하면 되는 것이다.

한편, 제한소자(200)는 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터 TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자 중에서 선택된 하나 이상의 소자일 수 있다.

바람직하게는 제한소자(200)를 캐패시터로 구비하여 고압트랜스포머(300)와 LC 공진회로를 이루는 것이 바람직하다. 제한소자(200)의 캐패시턴스와 고압트랜스포머(300)가 가지는 리액턴스에 의해 공진이 일어나면 특히, 고주파회로에서 방전 효과를 극대화할 수 있으므로 매우 유익하다.

아울러, 고압트랜스포머(300)의 2차 코일은 1차 전압에 대하여 적어도 10배 이상의 승압비를 가지는 것이 좋고, 10배 이상 100배 이하의 승압비를 가지는 것이 바람직하다. 그러나 가장 바람직하게는 고압트랜스포머(300)는 통상적인 전원의 흔들림에는 방전을 유도하지 않으며, 서지의 유입과 같이 비정상적인 과도 전압의 유입에 따른 흔들림에도 방전을 유도하는 정도의 승압된 전압을 방전제어전극(150)에 제공해야 하므로, 각 국가별 정격전압, 전원의 공급 상태 및 사용 환경에 따른 전원의 통상적인 흔들림 정도를 고려하여 결정되어야 함은 자명하다.

도 7은 본 발명에 따른 GCA 소자의 구동회로를 나타낸 또 다른 실시예로, 도 7에 도시된 것처럼 GCA 소자의 C1, C2에 대해 다이오드 D1, D2를 더 포함하여 구성되는 배전압 정류 회로를 구비하였다. 즉, 고압트랜스포머(300)의 2차측 출력이 배전압 정류 회로로 입력되고, 배전압 정류 회로의 출력은 방전제어전극(150)으로 인가되도록 하는 구성이다.

상기 배전압 정류 회로를 통하여 GCA 소자(100)의 방전제어전극(150)에 고압트랜스포머(300)에서 발생하는 고전압을 2배로 승압하고 정류된 직류전압을 인가함으로써 보다 우수한 동작특성을 가지도록 하는 바람직한 응용사례라고 할 수 있다.

한편, 도 7에는 트리거 콘덴서 C3가 구비되지 않았는데, 이는 도 7과 같이 다이오드가 구비됨에 따라 방전전극(A-B)간에 직류 전압이 인가되어도 고압트랜스포머(300)의 2차 측(321 - 322)으로의 흐름이 차단되기 때문이다. 즉, 고압트랜스포머(300)의 2차 측이 절연되는 경우나 다이오드 등이 구비됨으로써 직류적인 흐름이 차단될 때에는 선택적으로 C3를 구비하지 않을 수도 있는 것이다.

상기와 같은 사상에 의해 본 발명의 GCA 소자 및 GCA 소자 구동회로는 종래의 방전소자가 자기방전전압에 이르는 동안 서지 전압이 크게 상승한 이후 방전함으로써 이미 상승한 서지 전압이 잔류 전압으로 남아 서지보호효과를 저해하는 문제를 해결하는 효과가 있다.

또한, 낙뢰, 서지뿐 아니라 EMP 에너지 중 선로에 유기되는 PCI에 대해서도 완벽하게 보호할 수 있는 장점이 있어 서지보호장치를 겸하는 PCI Protector에 사용될 수 있는 기술을 제공하는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한 정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : GCA 소자 110 : 세라믹관
120 : 제 1방전전극 130 : 제 2방전전극
140 : 방전도움물질 150 : 방전제어전극
160 : 방전갭
200 : 제한소자
300 : 고압트랜스포머

Claims (9)

1. 세라믹 절연 물질로 형성되는 세라믹관(110);
   상기 세라믹관(110) 양단에 각각 형성되는 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130);
   상기 세라믹관(110) 내부에 봉입되는 방전도움물질(140);
   상기 세라믹관(110)에 접해있으며, 상기 방전도움물질(140)과 물리적으로 분리되어 있는 방전제어전극(150);
   상기 방전제어전극(150)에서 인출된 게이트 노드(N)와 상기 제 1방전전극(120) 사이에 구비되는 분압콘덴서 C1; 및
   상기 게이트 노드(N)와 제 2방전전극(130) 사이에 구비되는 분압콘덴서 C2;
   를 포함하여 이루어지며,
   상기 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130) 간에 고전압이 인가되면 상기 C1과 C2의 용량에 따른 분압비에 의해 분압된 바이어스 전압이 상기 방전제어전극(150)으로 인가되며,
   상기 바이어스 전압에 의해 상기 방전도움물질(140)의 이온화가 촉진되고 있는 상태에서 상기 고전압보다 높은 제어전압을 상기 게이트 노드(N)에서 연장된 게이트 단자(G)로 인가함으로써, 상기 제어전압이 상기 바이어스 전압에 중첩되어 상기 제 1방전전극(120) 및 제 2방전전극(130) 간의 방전이 유도되는 것을 특징으로 하는 GCA(Gate Control Arrestor) 소자.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 GCA 소자는,
   상기 게이트 노드(N)와 게이트 단자(G) 사이에 트리거 콘덴서 C3가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 GCA(Gate Control Arrestor) 소자.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 C1 및 C2는,
   상기 세라믹관(110)의 내부 또는 외주면 또는 외부 회로로 구비되는 것을 특징으로 하는 GCA(Gate Control Arrestor) 소자.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 방전제어전극(150)은,
   단수 또는 복수개의 금속선 또는 금속박의 형태로 상기 세라믹관(110)에 밀착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 GCA(Gate Control Arrestor) 소자.
   
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 의한 GCA 소자의 구동회로에 있어서,
   고압트랜스포머(300) 및 전류를 제한하는 제한소자(200)를 더 포함하며,
   상기 GCA 소자의 제 1방전전극(120)의 단자(A)는 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 다른 단자 및 2차측 한 단자는 상기 GCA 소자의 제 2방전전극(130)의 단자(B)에 접속되고, 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 다른 단자는 상기 GCA 소자의 게이트 단자(G)에 접속되며,
   상기 제한소자(200)는 상기 GCA 소자의 제 1방전전극(120)의 단자(A)와 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자 사이에 구비되며,
   상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 출력이 상기 방전제어전극(150)으로 인가되는 제어전압인 것을 특징으로 하는 GCA 소자 구동회로.
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 GCA 소자 구동회로는,
   상기 GCA 소자의 C1, C2에 대해 다이오드 D1, D2를 더 포함하여 구성되는 배전압 정류 회로를 구비하여,
   상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 출력이 상기 배전압 정류 회로로 입력되고, 출력은 상기 방전제어전극(150)으로 인가되는 제어전압인 것을 특징으로 하는 GCA 소자 구동회로.
   
7. 제 5항에 있어서, 상기 제한소자(200)는,
   제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터, TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자에서 선택된 하나 이상의 소자인 것을 특징으로 하는 GCA 소자 구동회로.
   
8. 제 5항에 있어서, 상기 제한소자(200)는,
   캐패시터로 구비되어,
   상기 고압트랜스포머(300)와 LC 공진회로를 이루는 것을 특징으로 하는 GCA 소자 구동회로.
   
9. 제 5항에 있어서, 상기 고압트랜스포머(300)는,
   1차 측 양 단자에 인가된 전압에 대하여 10배 내지 100배 승압하여 전압이 상승되는 것을 특징으로 하는 GCA 소자 구동회로.

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