KR101745121B1 - 직류용 고장전류 제한기 - Google Patents

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Abstract

직류용 고장전류 제한기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기는 직류 전원을 직류전원 설비에 공급하기 위한 스위치; 직류 전원을 상기 직류전원 설비로 공급하거나 차단하도록 온오프되는 반도체 스위치; 및 상기 스위치가 온됨에 따라 상기 직류 전원이 인가되어 상기 반도체 스위치를 온시키고, 상기 직류전원 설비의 부하전류를 감지하여 제1임계값 이상이면 상기 반도체 스위치를 오프시키며, 제2임계값을 이하이면 상기 반도체 스위치를 온시키되, 상기 반전된 부하전류의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 제어하는 컨트롤러;를 포함한다.

Description

직류용 고장전류 제한기{DC type fault current limiter}
본 발명은 직류용 고장전류 제한기에 관한 것으로, 특히, 직류용 회로차단기 또는 직류용 콘센트-플러그 등과 같은 직류전원설비의 안정성을 확보하기 위한 직류용 고장전류 제한기에 관한 것이다.
일반적으로, 직류배전방식은 여러 가지 장점이 있으나, 매 반주기마다 전류가 영이 되는 교류배전방식과 달리, 연속적인 전류가 흐르므로 부하단락 등의 사고시 고장전류의 차단이 용이하지 않다. 즉, 교류에서는 전원주기의 매 반주기마다 전류가 영이 되므로 고장전류가 상대적으로 용이하게 제거되지만, 직류에서는 고장전류가 소거되지 않고 지속적으로 유지되어 큰 사고로 파급될 수 있다.
이러한 직류배전 방식의 예로서 직류용 콘센트-플러그나 직류용 회로차단기 등이 있다. 이때, 직류용 콘센트-플러그에서 부하단락/과전류 사고시 아크 발생은 설비의 주요 고장 원인이다. 즉, 콘센트-플러그의 전극에서 단락전류 또는 과전류로 인한 열이 발생하며, 이 상황에서 플러그를 분리하면 매우 큰 아크가 발생하여 인명 및 재산의 손실을 야기할 수 있다.
또한, 직류용 회로차단기에서 부하단락 또는 과전류 사고시 아크 발생 역시 설비의 주요 고장원인이다. 즉, 직류용 회로차단기의 전극에서 단락전류 또는 과전류로 인한 열이 발생하며, 이 상황에서 트립(trip) 동작에 의해 직류용 회로차단기를 차단하면 매우 큰 아크가 발생하여 설비의 수명저하를 야기하거나 화재 등의 더 큰 사고로 파급될 수 있다.
이와 같이, 직류용 콘센트-플러그 또는 직류용 회로차단기와 같은 직류배전 설비는 고장전류를 적기에 차단시키지 못하는 경우, 과전류 및 과열로 인한 설비의 손상 및 인체의 위험뿐만 아니라, 전기화재로 인한 2차적인 피해가 야기될 수 있다. 아울러, 이러한 문제는 직류배전의 보급을 저해하여 온 주요한 요인 중의 하나이다.
JP 2012-064419 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 직류전원 설비에서 단락전류 및 과전류 등의 고장전류를 안전하게 차단할 수 있는 직류용 고정전류 제한기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 고장전류를 차단하기 위한 단속적인 동작주파수를 직류전원 설비의 상황에 따라 원하는 대로 설정할 수 있는 직류용 고정전류 제한기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 부하단락 또는 과전류 등에 의한 고장 발생시 이를 감지하여 전류를 차단하는 동시에 사용자에게 알람할 수 있는 직류용 고정전류 제한기를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 직류 전원을 직류전원 설비에 공급하기 위한 스위치; 직류 전원을 상기 직류전원 설비로 공급하거나 차단하도록 온오프되는 반도체 스위치; 및 상기 스위치가 온됨에 따라 상기 직류 전원이 인가되어 상기 반도체 스위치를 온시키고, 상기 직류전원 설비의 부하전류를 감지하여 제1임계값 이상이면 상기 반도체 스위치를 오프시키며, 제2임계값 이하이면 상기 반도체 스위치를 온시키되, 상기 반전된 부하전류의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 직류용 고장전류 제한기가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 상기 직류 전원을 상기 컨트롤러용 직류 전압으로 감압하여 공급하는 전압 레귤레이터; 상기 감지된 부하전류의 극성을 반전시키는 반전기; 상기 반전된 부하전류의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 필터링하는 비대칭형 저역통과필터; 및 상기 비대칭형 저역통과필터의 출력을 상기 제1임계값 및 제2임계값과 비교하여, 상기 반도체 스위치를 온오프시키는 비교기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 비대칭형 저역통과필터는, 제1다이오드 및 제1저항이 직렬 연결된 제1경로; 상기 제1다이오드와 반대 극성으로 연결되는 제2다이오드 및 제2저항이 직렬 연결된 제2경로; 및 상기 제1저항 및 상기 제2저항과 접지 사이에 연결되는 커패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 비대칭형 저역통과필터는 상기 제1저항 및 상기 커패시터에 의한 상승 시정수가 상기 제2저항 및 상기 커패시터에 의한 하강 시정수보다 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 비교기는 반전단자에 상기 비대칭형 저역통과필터의 출력이 입력되고, 비반전단자에 입력저항을 통하여 상기 제1임계값이 입력되며, 상기 반전단자와 상기 비반전단자 사이에 피드백저항이 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2임계값은 상기 제1임계값에 정궤환 계수(Ri/(Ri+Rfb))를 곱한 것이며, 여기서, Ri는 상기 입력저항의 저항값이고, Rfb는 상기 피드백저항의 저항값일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는 상기 전압 레귤레이터의 출력과 상기 비교기의 출력단 사이에 부저 및 발광 다이오드 중 적어도 하나가 연결되고, 상기 반도체 스위치가 오프되면, 이상상태를 알람하는 알람부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 직류전원 설비는 직류용 회로차단기 및 직류용 콘센트-플러그 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 직류전원 설비는, 상기 부하의 양단에 병렬로 연결되며, 다이오드 및 저항으로 이루어지고, 상기 반도체 스위치가 오프되는 경우, 유도성 부하에서 발생되는 역기전력을 억제하는 환류 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기는 단락전류 및 과전류 등의 고정전류를 감지하여 설비보호를 위해 회로를 차단하기 전에 반도체 스위치에 의해 직류 전원을 차단하여 아크의 발생을 억제할 수 있고 사용자의 안정성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은 비대칭형 저역통과필터의 상승 시정수 또는 하강 시정수를 개별적으로 설정하고, 상한 및 하한 임계값을 갖는 히스테리시스 비교기를 이용하여 부하전류를 감지함으로써, 직류 전원을 차단하는 단속적인 동작속도를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 부하단락 또는 과전류 등에 의한 고장발생시 부저 또는 LED 등에 의해 알람함으로써, 사용자가 고장 발생을 쉽게 인식하여 신속하게 조치하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고정전류 제한기의 사용 예를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고정전류 제한기의 다른 사용 예를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고정전류 제한기의 세부구성을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기의 비대칭형 저역통과필터의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기의 비대칭형 저역통과필터와 히스테리시스 비교기의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기에서 하강 시정수가 1㎲일 경우의 동작 주파수에 따른 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기에서 하강 시정수가 10㎲일 경우의 동작 주파수에 따른 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기에서 하강 시정수가 100㎲일 경우의 동작 주파수에 따른 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명은 직류전원을 공급하기 위한 직류용 회로차단기 또는 직류용 콘센트-플러그 등과 같은 직류전원 설비의 안전성을 확보하기 위한 직류용 고장전류 제한기에 관한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기(100)는 스위치(110), 컨트롤러(120) 및 반도체 스위치(130)를 포함한다.
스위치(110)는 직류 전원을 직류전원 설비에 공급하기 위한 스위치로서, A 접점이 직류 전원(Vdc)에 연결되고, B 접점은 컨트롤러(120)에 연결된다. 이러한 스위치(110)는 사용자에 의해 수동으로 온오프될 수 있다.
컨트롤러(120)는 스위치(110)가 온됨에 따라 직류 전원(Vdc)이 인가되어 반도체 스위치(130)를 온시키고, 직류전원 설비(200,300)의 부하전류를 감지하여 상한 임계값 이상이면 반도체 스위치(130)를 오프시키며, 하한 임계값을 이하이면 반도체 스위치(130)를 온시킨다.
여기서, 컨트롤러(120)는 션트저항(RS)으로 부하전류를 검출하여 검출된 부하전류신호(iLsense)가 상한 임계값을 넘으면 자동적으로 반도체 스위치(130)를 오프시킬 수 있다. 이와 같이, 컨트롤러(120)는 반도체 스위치(130)를 오프시켜 부하전류를 제한시킴으로써, 직류전원 설비(200,300)를 통하여 과전류 또는 단락전류가 흐르는 것을 억제할 수 있다. 또한, 컨트롤러(120)는 후술하는 바와 같이, 반도체 스위치(130)를 오프시킴과 동시에 부저 또는 LED 등을 통하여 경보 신호(Alarm)를 발생시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(120)는 부하전류신호(iLsense)가 하한 임계값을 넘지 않으면 자동적으로 반도체 스위치(130)를 온시킬 수 있다. 이와 같이, 컨트롤러(120)가 반도체 스위치(130)를 온시키면, 부하전류가 흐르게 된다.
이때, 컨트롤러(120)는 반전된 부하전류신호(iLsense)의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 제어한다.
이와 같은 컨트롤러(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전압 레귤레이터(122), 반전기(124), 비대칭형 저역통과필터(126), 및 히스테리시스 비교기(128)를 포함한다.
전압 레귤레이터(122)는 스위치(110)의 B 접점에 연결될 수 있다. 이러한 전압 레귤레이터(122)는 스위치(110)가 온되면, 직류 전원(Vdc)을 컨트롤러용 직류 전압으로 감압하여 공급할 수 있다. 이때, 전압 레귤레이터(122)는 입력단(In)을 통하여 직류 전원(Vdc)을 입력받고 컨트롤러(120)에 필요한 직류 전압으로 감압하여 출력단(Out)을 통하여 컨트롤러(120)로 공급할 수 있다.
본 실시예에서는, 대기전력(Stand-by power)의 소모를 줄이기 위하여 스위치(110)가 전압 레귤레이터(122)의 입력단(In)에 설치된 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 스위치(110)가 온될 때 전압 레귤레이터(122)의 과도현상이 심한 경우에는 스위치(110)는 전압 레귤레이터(122)의 출력단(Out)에 설치될 수 있다.
반전기(124)는 션트저항(RS)에 의해 감지된 부하전류의 극성을 반전시킬 수 있다. 여기서, 션트저항(RS)으로부터 검출된 부하전류(-iLsense)는 음수이므로, 반전기(124)는 검출된 부하전류를 반전시켜 양의 부하전류(iLsense)로 변환시킨다. 이때, 반전기(124)는 변환된 양의 부하전류(iLsense)를 비대칭형 저역통과필터(126)로 출력한다.
비대칭형 저역통과필터(126)는 반전된 부하전류(iLsense)의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 필터링한다. 이러한 비대칭형 저역통과필터(126)는 제1다이오드(D1) 및 제1저항(RT1)이 직렬 연결된 제1경로, 제2다이오드(D2) 및 제2저항(RT2)이 직렬 연결된 제2경로, 및 제1저항(RT1) 및 제2저항(RT2)과 접지 사이에 연결되는 커패시터(CF)를 포함한다. 여기서, 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)는 서로 반대 극성이 되도록 반전기(124)에 연결된다.
이때, 비대칭형 저역통과필터(126)는 제1저항(RT1) 및 커패시터(CF)에 의한 상승 시정수(τ1)가 제2저항(RT2) 및 커패시터(CF)에 의한 하강 시정수(τ2)보다 작도록 설정된다.
즉, 비대칭형 저역통과필터(126)는 반전기(124)에서 반전된 부하전류(iLsense)의 크기에 따라 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2) 중 어느 하나로 전류경로가 선택적으로 결정됨으로써, 부하전류(iLsense)의 상승 및 하강시 서로 상이한 시정수를 갖도록 구현될 수 있다.
예를 들면, 부하전류(iLsense)가 상승하는 경우, 반전기(124)의 출력이 커패시터(CF)의 전압보다 높기 때문에, 제1다이오드(D1)를 통하여 전류가 흐르고, 제2다이오드(D2)는 오프됨으로써, 제1저항(RT1) 및 커패시터(CF)에 의해 상승 시정수(τ1)가 결정된다.
반대로, 부하전류(iLsense)가 하강하는 경우, 반전기(124)의 출력이 커패시터(CF)의 전압보다 낮기 때문에, 제2다이오드(D2)를 통하여 전류가 흐르고, 제1다이오드(D1)는 오프됨으로써, 제2저항(RT2) 및 커패시터(CF)에 의해 하강 시정수(τ2)가 결정된다.
이때, 상승시의 시정수(τ1) 및 하강시의 시정수(τ2)는 하기의 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112015079984254-pat00001
이와 같은 비대칭형 저역통과필터(126)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상승 시정수(τ1)가 하강 시정수(τ2)보다 작기 때문에, 반전기(124)의 부하전류(iLsense)가 상승하는 경우, 출력 신호가 빠르게 상승할 수 있고, 반전기(124)의 부하전류(iLsense)가 하강하는 경우, 출력 신호가 상승시에 비하여 느리게 하강할 수 있다.
예를 들면, 상승 시정수(τ1)가 10㎲이고, 하강 시정수(τ2)가 100㎲로 설정된 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 비대칭형 저역통과필터(126)는 출력신호(IL_filter)가 하강시 기울기가 상승시 기울기의 10배 정도로 느리게 동작하는 것을 알 수 있다.
히스테리시스 비교기(128)는 비대칭형 저역통과필터(126)의 출력을 상한 임계값 및 하한 임계값과 비교하여 그 결과에 따라 반도체 스위치(130)를 온오프시킨다.
이러한 히스테리시스 비교기(128)는 비교기(129), 입력저항(Ri) 및 피드백저항(Rfb)을 포함한다. 여기서, 비교기(129)는 반전단자(-)에 입력저항(Ri)이 연결되고, 비반전단자(+)와 출력단자 사이에 피드백저항(Rfb)이 연결된다.
이때, 상한 임계 전류값(ilimit)은 입력저항(Ri)에 인가되고, 하한 임계 전류값은 입력저항(Ri) 및 피드백저항(Rfb)에 의하여 결정될 수 있다.
이와 같이, 히스테리시스 비교기(128)는 출력을 피드백저항(Rfb)에 의해 정궤환함으로써, 상한 및 하한의 두 개의 임계 전류값을 가질 수 있다. 여기서, 하한 임계 전류값은 상한 임계 전류값에 정궤환 계수(Ri/(Ri+Rfb))를 곱한 값일 수 있으며, 하기의 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112015079984254-pat00002
여기서, Ri는 입력저항(Ri)의 저항값이고, Rfb는 피드백저항(Rfb)의 저항값이다.
이때, 비교기(129)는 과부하 또는 부하 단락 등과 같이 고장에 의한 비정상 상태로서, 부하전류(iLsense)가 상한 임계 전류값(iLimit)보다 크면 로-레벨을 출력함으로써, 반도체 스위치(130)를 오프시킬 수 있다. 이때, 직류 전원(Vdc)은 직류전원 설비(200,300)와 차단되어 전원 공급이 차단될 수 있다.
또한, 비교기(129)는 정상 상태로서, 부하전류(iLsense)가 하한 임계 전류값보다 작으면 하이-레벨을 출력함으로써, 게이트 구동저항(RG)을 통하여 반도체 스위치(130)를 온시킬 수 있다. 이때, 직류 전원(Vdc)은 직류전원 설비(200,300)로 공급될 수 있다.
이와 같은 히스테리시스 비교기(128)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상승 시정수(τ1)는 5㎲이고, 하강 시정수(τ2)가 50㎲로 설정되고, 상한 임계 전류값(iLimit)이 1.5A이고, 정궤환 계수가 0.8로 설정된 경우, 하한 임계 전류값은 1.2A(1.5×0.8)로 설정된다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 비대칭형 저역통과필터(126)의 출력신호(iLfilter)가 1.5A를 초과하면, 히스테리시스 비교기(128)의 출력(VComp)은 로-레벨로 되고, 반대로 비대칭형 저역통과필터(126)의 출력신호(iLfilter)가 1.2A 이하이면, 히스테리시스 비교기(128)의 출력(VComp)은 하이-레벨로 상태가 변할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 반도체 스위치(130)는 직류 전원(Vdc)의 음극과 직류전원 설비(200,300) 사이에 직렬로 연결되며, 스위치(110)가 온됨에 따른 컨트롤러(120)를 통하여 온오프된다. 이와 같이 반도체 스위치(130)는 컨트롤러(120)의 구동에 의해 온오프 됨에 따라 직류 전원을 직류전원 설비(200,300)로 공급하거나 차단할 수 있다. 즉, 반도체 스위치(130)가 오프 상태인 경우, 직류 전원(Vdc)과 직류전원 설비(200,300)가 차단되어 직류 전원을 직류전원 설비(200,300)로 공급하지 않는다. 또한, 반도체 스위치(130)가 온 상태인 경우, 직류 전원(Vdc)과 직류전원 설비(200,300)가 연결되어 직류 전원을 직류전원 설비(200,300)로 공급한다. 여기서, 반도체 스위치(130)는 전력용 FET, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT(Integrated Gate Controlled Thyristor) 등의 전력용 반도체 스위치일 수 있다.
이와 같이 구성된 직류용 고장전류 제한기(100)는 직류용 콘센트-플러그(200) 또는 직류용 회로차단기(300) 등과 같은 직류전원 설비에 연결되어 고장전류를 제한할 수 있다.
도 1을 참조하면, 직류용 콘센트-플러그(200)는 콘센트 전극(212), 플러그 전극(214) 및 환류 회로부(220)를 포함한다.
콘센트 전극(212)은 직류형 콘센트 내에서 직류 전원(Vdc)에 연결되며, 플러그 전극(122)이 삽입되면, 부하로 직류 전원을 전달할 수 있다.
플러그 전극(214)은 부하에 연결되며, 직류형 플러그의 외부로 돌출 형성되어 콘센트 전극(212)에 삽입될 수 있다.
환류 회로부(freewheel branch)(220)는 부하의 양단에 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 환류 회로부(220)는 다이오드(DF) 및 더미저항(RD)으로 이루어질 수 있다. 이때, 환류 회로부(220)는 플러그 전극(214)을 콘센트 전극(212)에서 분리시키거나 반도체 스위치(130)가 오프되는 경우, 유도성 부하에 의해 발생되는 역기전력을 억제하여 차단을 용이하게 할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 직류형 플러그가 콘센트에 삽입되거나 분리되는 경우, 사용자의 안전을 도모할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 직류용 회로차단기(300)는 차단 스위치(310) 및 환류 회로부(320)를 포함한다.
차단 스위치(310)는 부하와 직류 전원(Vdc) 사이에 직렬로 배치되며, 단락전류 및 과전류 발생시 오프되어 전원을 차단한다.
환류 회로부(320)는 부하의 양단에 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 환류 회로부(320)는 도 1의 직류용 콘센트-플러그(200)의 환류 회로부(220)와 유사하게, 다이오드 및 더미저항으로 이루어질 수 있다. 이때, 환류 회로부(320)는 차단 스위치(310)를 오프시키거나 반도체 스위치(130)가 오프되는 경우, 유도성 부하에 의해 발생되는 역기전력을 억제하여 차단을 용이하게 할 수 있다. 이러한 구성에 의해, 직류형 플러그가 콘센트에 삽입되거나 분리되는 경우, 사용자의 안전을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기(100)는 알람부(140)를 더 포함할 수 있다.
알람부(140)는 전압 레귤레이터(122)의 출력과 히스테리시스 비교기(128)의 출력단 사이에 연결될 수 있다. 이러한 알람부(140)는 LED(142) 및 부저(144) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 알람부(140)는 히스테리시스 비교기(128)의 출력 상태에 따라 동작하는데, 정상 상태로서, 히스테리시스 비교기(128)가 하이-레벨을 출력하면, 전압 레귤레이터(122)의 출력단(Out)과 히스테리시스 비교기(128)의 출력단 사이의 전압차가 발생하지 않아 동작하지 않는다.
이와 같은 상태에서, 단락전류 또는 과전류에 의해 비정상 상태가 되어 히스테리시스 비교기(128)가 로-레벨을 출력하면, 전압 레귤레이터(132)의 출력단(Out)과 히스테리시스 비교기(128)의 출력단 사이의 전압차가 발생하여 LED(142) 및 부저(144)가 동작하여 이상 상태를 알람할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기(100)는 비대칭형 저역통과필터(126)의 상승 시정수 및 하강 시정수를 조정함으로써, 단속적인 동작주파수를 원하는 대로 적절하게 설정할 수 있다.
이와 같은 직류용 고장전류 제한기(100)의 동작 특성을 살펴보기 위해 아래의 표 1의 조건으로 시뮬레이션하였다.
항 목 설정값


전력회로 조건		 정격전원전압 400[V]
정격부하전류 10[A]
사고전류 20[A]
부하시정수 =L/R 15[㎲]

비대칭형 저역통과필터 시정수		 상승 시정수(τ1) 0.1[㎲]

하강 시정수(τ2)		 1[㎲]
10[㎲]
100[㎲]
히스테리시스 비교기
(정궤환 계수 = 0.8)		 상한 임계값 iLimit
하한 임계값 0.8×iLimit
표 1에 나타낸 바와 같이, 부하시정수가 15㎲인 경우, 비대칭형 저역통과필터(126)의 상승 시정수(τ1)는 0.1㎲로 하여 부하전류신호(iLsense)를 거의 시간지연 없이 그대로 통과시키도록 하였다. 이때, 직류용 고장전류 제한기(100)는 하강 시정수(τ2)를 각각 1㎲, 10㎲, 및 100㎲의 3단계로 설정하여 본 발명의 실시예에 따른 직류용 고장전류 제한기(100)의 동작 특성을 비교하였다.
도 6 내지 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 환류 회로부를 통과하기 전의 부하전류(iL)는 직류용 고장전류 제한기(100)의 단속적인 동작에 의하여 펄스 형태를 나타내지만, 환류 회로부를 통과한 후의 부하 전류(iLoad)는 환류 효과에 의해 상승 및 하강의 모양을 갖는 연속적인 형태가 된다.
이때, 비대칭형 저역통과필터(126)의 하강 시정수에 따라 직류용 고장전류 제한기(100)의 단속적인 동작 주파수가 달라지는 것을 알 수 있다. 이는 비대칭형 저역통과필터(126)의 하강 시정수에 의해 부하전류(iL)의 하강 기울기를 가상적으로 만들어 줌으로써 히스테리시스 비교기(128)의 상태 변화를 지연시켜주기 때문이다.
결론적으로, 비대칭형 저역통과필터(126)는 하강 시정수를 크게 하면 가상적인 부하 전류(iL)의 하강기간이 길어져서 히스테리시스 비교기(128)의 상태변화가 늦게 발생하고, 따라서, 직류용 고장전류 제한기(100)의 단속적인 동작 주파수가 낮아진다. 이러한 방법에 의하여 직류용 고장전류 제한기(100)의 단속적인 동작 주파수를 원하는 대로 적절히 설정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 직류용 고장전류 제한기 110 : 스위치
120 : 컨트롤러 122 : 전압 레귤레이터
124 : 반전기 126 : 비대칭형 저역통과필터
128 : 히스테리시스 비교기 129 : 비교기
130 : 반도체 스위치 140 : 알람부
142 : LED 144 : 부저
200 : 직류용 콘센트-플러그 212 : 콘센트 전극
214 : 플러그 전극 220,320 : 환류 회로부
300 : 직류용 회로차단기 310 : 차단 스위치

Claims (9)

  1. 직류 전원을 컨트롤러에 공급하기 위한 스위치;
    상기 컨트롤러에 의해 제어되어 직류 전원을 상기 직류전원 설비로 공급하거나 차단하도록 온오프되는 반도체 스위치를 포함하며,
    상기 컨트롤러는,
    상기 스위치가 온됨에 따라 상기 직류전원 설비의 부하전류를 감지하여 제1임계값 이상이면 상기 반도체 스위치를 오프시키며, 제2임계값 이하이면 상기 반도체 스위치를 온시키되, 반전된 상기 부하전류의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 제어하는 것을 특징으로하는 직류용 고장전류 제한기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 직류 전원을 상기 컨트롤러용 직류 전압으로 감압하여 공급하는 전압 레귤레이터;
    상기 감지된 부하전류의 극성을 반전시키는 반전기;
    상기 반전된 부하전류의 하강 기울기가 상승 기울기보다 느리게 되도록 필터링하는 비대칭형 저역통과필터; 및
    상기 비대칭형 저역통과필터의 출력을 상기 제1임계값 및 제2임계값과 비교하여, 상기 반도체 스위치를 온오프시키는 비교기를 포함하는 직류용 고장전류 제한기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비대칭형 저역통과필터는,
    제1다이오드 및 제1저항이 직렬 연결된 제1경로;
    상기 제1다이오드와 반대 극성으로 연결되는 제2다이오드 및 제2저항이 직렬 연결된 제2경로; 및
    상기 제1저항 및 상기 제2저항과 접지 사이에 연결되는 커패시터를 포함하는 직류용 고장전류 제한기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비대칭형 저역통과필터는 상기 제1저항 및 상기 커패시터에 의한 상승 시정수가 상기 제2저항 및 상기 커패시터에 의한 하강 시정수보다 작은 직류용 고장전류 제한기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비교기는 반전단자에 상기 비대칭형 저역통과필터의 출력이 입력되고, 비반전단자에 입력저항을 통하여 상기 제1임계값이 입력되며, 상기 반전단자와 상기 비반전단자 사이에 피드백저항이 연결되는 직류용 고장전류 제한기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2임계값은 상기 제1임계값에 정궤환 계수(Ri/(Ri+Rfb))를 곱한 것이며, 여기서, Ri는 상기 입력저항의 저항값이고, Rfb는 상기 피드백저항의 저항값인 직류용 고장전류 제한기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 전압 레귤레이터의 출력과 상기 비교기의 출력단 사이에 부저 및 발광 다이오드 중 적어도 하나가 연결되고, 상기 반도체 스위치가 오프되면, 이상상태를 알람하는 알람부를 더 포함하는 직류용 고장전류 제한기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 직류전원 설비는 직류용 회로차단기 및 직류용 콘센트-플러그 중 어느 하나인 직류용 고장전류 제한기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 직류전원 설비는,
    상기 부하의 양단에 병렬로 연결되며, 다이오드 및 저항으로 이루어지고, 상기 반도체 스위치가 오프되는 경우, 유도성 부하에서 발생되는 역기전력을 억제하는 환류 회로부를 포함하는 직류용 고장전류 제한기.
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저자명:김효성, 논문명:직류배전계통의 보호를 위한 고장전류제한기술, 간행물명:전력전자학회 2012년도 추계학술대회 논문집, 발행처:전력전자학회, 발행연월:2012.11, 페이지위치:1~2페이지

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