KR101894970B1 - Hvdc hybrid circuit breaker - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고전압직류용 복합형 회로 차단기에 관한 것으로서, 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기점접형 주 스위치, 부하에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터, 상기 부하와 상기 직류 전원의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치를 구비하고 있고 인가되는 게이트 구동 신호의 상태에 따라 동작이 제어되는 반도체 스위치열을 포함한다.The present invention relates to a high voltage direct current hybrid circuit breaker, and more particularly, to a high voltage direct current hybrid circuit breaker having an electric point switching main switch having one terminal connected to a load and the other terminal connected to a cathode of a direct current power supply, A capacitor having one terminal connected to the other terminal of the auxiliary switch and the other terminal connected to the cathode of the DC power supply, and a plurality of semiconductor switches connected in series between the load and the cathode of the DC power supply, And the operation of the semiconductor switch is controlled according to the state of the gate driving signal.
Description
본 발명은 고전압직류용 복합형 회로차단기에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid circuit breaker for high voltage direct current.
최근 들어, 디지털 제품의 급증으로 인해, 직류(DC)를 사용하는 부하가 증가하고 있고, 또한 신재생 에너지를 이용한 발전 등과 같이 직류 형태의 분산 발전 기술이 확대됨에 따라 직류 배전망에 대한 관심이 높아지고 있다.In recent years, due to the surge in digital products, the load using DC has been increasing, and as the distributed generation technology of DC type such as power generation using renewable energy is expanded, interest in DC distribution is increasing have.
하지만, 직류는, 교류와 달리, 전류가 일정하게 흐르므로 전류가 스스로 영(zero)이 되는 전류 영점이 발생하지 않는다.However, in the direct current, unlike the alternating current, since the current flows constantly, there is no current zero that the current becomes zero by itself.
따라서, 전기접점형 스위치를 사용한 전기접접형 회로 차단기(circuit breaker)를 이용하여 부하 전류를 차단하는 경우 지속적인 차단 아크로 인해 전기화재의 위험성이 존재한다.Therefore, there is a danger of electric fire due to the continuous shut-off arc when the load current is cut off by using the electric contact type circuit breaker using the electric contact type switch.
특히, 수만 볼트(V)의 전압과 수천 암페어(A)의 전류를 차단해야 하는 고전압 직류(HVDC, high voltage DC) 송전 분야의 HVDC 회로 차단기의 경우, 아크없이 안정된 회로 차단 동작이 필수적이다.Particularly, in the case of HVDC circuit breakers in the field of high voltage direct current (HVDC) transmission where a voltage of tens of thousands of volts (V) and a current of several thousand amperes (A) must be cut off, a stable circuit breaking operation without an arc is essential.
반도체를 사용한 반도체 스위치는 회로 차단 시 아크 발생을 수반하지 않는 장점이 있으나, 반도체 스위치의 온(on) 조건 시 도통된 반도체 스위치에서 소모되는 전력 손실, 즉 도통 손실이 발생하여 소비 전력이 크다는 문제가 있다.Semiconductor switches using semiconductors have an advantage that they do not involve an arc when a circuit is cut off. However, there is a problem in that power consumption, that is, conduction loss, consumed in an on-state semiconductor switch in the on condition of a semiconductor switch, have.
또한, 전기접점형 스위치를 이용하는 경우, 온 조건에서 스위치 도통 시 발생하는 전력 손실은 매우 작으나 회로 차단 시 아크가 발생하여 장치의 고장과 화재 발생의 위험이 존재하는 문제가 있다.In addition, when an electrical contact type switch is used, there is a problem that there is a risk of failure of the device and fire due to an arc occurring when the circuit is cut off, although the power loss occurring when the switch is turned on under the ON condition is very small.
따라서, 전기접점형 스위치와 반도체 스위치의 장점을 이용한 고전압직류용 복합형 회로차단기(hybrid HVDC circuit breaker)가 사용되고 있다.Therefore, a hybrid HVDC circuit breaker for a high voltage DC using an advantage of an electrical contact type switch and a semiconductor switch is used.
하지만, 전압레벨이 높은 HVDC 송전계통에서 복수의 반도체 스위치가 직렬로 연결되어 있는 반도체 스위치열을 이용해야 하고, 반도체 스위치열을 모두 온(ON)시키기 위하여 반도체 스위치열의 입력단(예, 컬럭터 단자)과 출력단(예, 에미터 단자) 사이에 요구되는 전압(VCEON)의 크기는 반도체 스위치열에 사용되는 반도체 스위치의 개수에 비례하여 상당히 큰 값으로 증가하게 된다.However, in the HVDC transmission system having a high voltage level, it is necessary to use a semiconductor switch column in which a plurality of semiconductor switches are connected in series. In order to turn on all the semiconductor switch columns, an input terminal (e.g., The magnitude of the voltage V CEON required between the output terminal and the output terminal (for example, the emitter terminal) increases to a considerably large value in proportion to the number of semiconductor switches used in the semiconductor switch string.
예를 들어, HVDC 송전계통의 전압레벨이 10만 볼트(V)라고 하면, 반도체 스위치열은 상용되는 1,000 볼트급 반도체 스위치를 적어도 100개 직렬로 접속하여 사용하여야 하며, 이 경우 반도체 스위치열을 온 시키기 위하여 요구되는 전압(VCEON)의 크기는 약 200V가 된다.For example, if the voltage level of the HVDC transmission system is 100,000 volts (V), the semiconductor switch column should be used by connecting at least 100 commercially available 1,000 volt semiconductor switches in series. In this case, (V CEON ) is about 200V.
이러한 경우 반도체 스위치열을 온 시키기 위해 요구되는 전압(VCEON)에 의해 전기접점형 주 스위치의 오프 시 아크가 발생하는 문제가 발생한다.In this case, there arises a problem that off-arc occurs in the electrical contact type main switch due to the voltage (V CEON ) required to turn on the semiconductor switch row.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고전압직류용 복합형 회로차단기에서 직류 전류의 차단 동작 시 발생하는 아크를 방지하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to prevent an arc from occurring in a DC current shut-off operation in a high voltage direct current hybrid circuit breaker.
본 발명의 한 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치, 상기 부하에 일측 단자가 연결되어 있고, 상기 직류 전원의 음극에 연결되어 있는 커패시터에 타측 단자가 연결되어 상기 전기접점형 주 스위치와 병렬로 회로 구성이 되어 있는 보조 스위치, 그리고 상기 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 상기 전기접점형 주 스위치 및 상기 보조 스위치와 병렬로 회로 구성이 되어 있는 복수의 반도체 스위치를 구비하고 있는 반도체 스위치열을 포함하되, 상기 반도체 스위치열은 게이트 구동부에서 인가되는 게이트 구동 신호의 상태에 따라 동작이 제어되는 고전압직류용 복합형 회로 차단기을 제공한다.
상기 전기점접형 주 스위치와 상기 보조 스위치가 온되면, 상기 게이트 구동부는 상기 반도체 스위치열로 온 상태의 게이트 구동 신호를 출력하고, 상기 전기점접형 주 스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변하면, 온 된 상기 전기접점형 주 스위치를 통해 흐르던 부하 전류는 온 된 상기 보조 스위치를 통해 바이패스되어 상기 커패시터를 충전시켜, 상기 반도체 스위치열이 온 될 수 있도록 하고, 상기 커패시터의 충전 상태에 따라 상기 반도체 스위치열이 온되어 상기 보조 스위치를 통해 흐르는 전류가 상기 반도체 스위치열 쪽으로 흐르게 되면, 상기 보조 스위치는 오프 상태로 전환되는 것이 바람직하다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high voltage direct current hybrid circuit breaker comprising: an electrical contact type main switch having one terminal connected to a load and the other terminal connected to a negative electrode of the direct current power source; An auxiliary switch having a circuit connected in parallel with the electrical contact type main switch, the other terminal being connected to a capacitor connected to the negative electrode of the DC power source, and an auxiliary switch connected to one end of the load, Type main switch and a plurality of semiconductor switches connected in parallel to the electrical contact type main switch and the auxiliary switch, wherein the semiconductor switch column includes a gate driving signal Voltage type DC circuit breaker whose operation is controlled according to the state of The ball.
When the electrical point splicing main switch and the auxiliary switch are turned on, the gate driver outputs a gate drive signal in an ON state to the semiconductor switch column. When the electrical point splicing main switch is changed from an ON state to an OFF state, A load current flowing through the electrical contact type main switch is bypassed through the turned on auxiliary switch to charge the capacitor so that the semiconductor switch column can be turned on and the semiconductor switch column is opened according to the charged state of the capacitor, And the auxiliary switch is turned off when a current flowing through the auxiliary switch flows toward the semiconductor switch row.
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상기 부하는 저항성 부하이거나 유도성 부하이일 수 있고, 상기 반도체 스위치열의 오프 시점은 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 시점부터 상기 부하의 시정수에 의해 정해진 시간에 의해 정해지는 것이 좋다.The load may be a resistive load or an inductive load, and the time point at which the semiconductor switch row is turned off may be determined by a time determined by the time constant of the load from the time when the electrical contact type main switch is turned off.
상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 상기 커패시터의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 타측 단자에 타측 단자가 연결되어, 상기 보조 스위치가 오프될 때 상기 커패시터에 충전되어 있는 전압의 방전 경로를 제공하는 저항을 더 포함할 수 있다.In the high voltage direct current hybrid type circuit breaker according to the present invention, one terminal is connected to one terminal of the capacitor, the other terminal is connected to the other terminal of the capacitor, and the voltage charged in the capacitor And a resistor for providing a discharging path of the capacitor.
상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 온 명령이나 오프 명령에 따라 동작하여 상승 구간과 하강 구간이 정해진 기울기로 상승하고 하강하는 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부를 더 포함할 수 있다.The hybrid circuit breaker for high voltage DC according to the above feature may further include a gate driver for operating in response to an ON command or an OFF command and outputting a gate driving signal rising and falling at a predetermined slope in a rising section and a falling section.
상기 게이트 구동부는 각 반도체 스위치의 제어단으로 상기 게이트 구동 신호를 출력하는 복수의 게이트 구동기를 포함할 수 있다.The gate driver may include a plurality of gate drivers that output the gate driving signals to the control terminals of the semiconductor switches.
이때, 각 게이트 구동기는, 입력된 온 명령의 상승 에지가 정해진 기울기로 서서히 증가하여 고레벨에 도달하도록 하고 입력된 오프 명령의 하강 에지가 정해진 기울기로 서서히 감소하여 저레벨에 도달하는 형태의 기준 전압을 생성하는 기준전압 생성부, 반도체 스위치의 제어단에 인가되는 게이트 전압을 검출하여 출력하는 전압 검출부, 상기 기준전압 생성부에서 출력되는 상기 기준 전압과 상기 전압 검출부에서 검출된 상기 게이트 전압을 비교하여 해당 상태의 신호를 출력하는 비교기, 그리고 상기 비교기에서 출력되는 비교 결과에 따라 동작하여 상기 반도체 스위치의 제어단으로 인가되는 게이트 전압이 상기 기준 전압을 따라가는 게이트 제어 신호를 출력하는 전압 제어부를 포함할 수 있다.At this time, each gate driver generates a reference voltage such that the rising edge of the input ON command gradually increases to a predetermined level to reach a high level, and the falling edge of the input OFF command gradually decreases to a predetermined slope to reach a low level A voltage detector for detecting and outputting a gate voltage applied to the control terminal of the semiconductor switch; a comparator for comparing the reference voltage output from the reference voltage generator with the gate voltage detected by the voltage detector, And a voltage controller for outputting a gate control signal that operates in accordance with the comparison result output from the comparator so that a gate voltage applied to the control terminal of the semiconductor switch follows the reference voltage.
상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 상기 온 명령과 상기 오프 명령을 출력하는 구동 신호 출력부를 더 포함할 수 있고, 상기 구동 신호 출력부는 상기 반도체 스위치열로 흐르는 전류를 검출하는 제2 전류 감지부, 상기 제1 전류 감지부에서 검출된 전류와 상기 제2 전류 감지부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 출력하는 뺄셈기, 그리고 상기 뺄셈기에서 출력되는 전류와 기준 전류가 인가되어, 상기 뺄셈기에서 출력되는 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기에 따라 해당 상태의 온 명령이나 오프 명령을 상기 게이트 구동기로 출력하는 제2 비교기를 포함할 수 있다.The hybrid circuit breaker for high voltage direct current according to the above feature may further include a drive signal output unit for outputting the on command and the off command and the drive signal output unit may output a second current A subtracter for calculating a difference between a current detected by the first current sensing unit and a current detected by the second current sensing unit and outputting the calculated current and a reference current, And a second comparator for outputting the ON command or the OFF command of the corresponding state to the gate driver according to the magnitude of the current outputted from the subtracter and the magnitude of the reference current.
상기 구동 신호 출력부는 상기 제2 전류 감지부와 상기 뺄셈기 사이에 연결되어 상기 제2 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제2 저역 필터부를 더 포함할 수 있고, 상기 뺄셈기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 제2 저역 필터부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 상기 제2 비교기로 출력할 수 있다.The driving signal output unit may further include a second low-pass filter unit connected between the second current sensing unit and the subtracter and performing a delay operation of the detected current output from the second current sensing unit, The filter unit may calculate the difference between the detected current output from the first low-pass filter unit and the current detected by the second low-pass filter unit, and output the calculated difference to the second comparator.
상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 전기접점형 주 스위치에 연동하여 상기 보조 스위치를 구동하는 보조 스위치 구동부를 더 포함할 수 있다. The hybrid circuit breaker for high voltage direct current according to the above feature may further include an auxiliary switch driver for driving the auxiliary switch in cooperation with the electrical contact type main switch.
상기 보조 스위치는 상기 보조 스위치 구동부와 연결되어 상기 보조 스위치 구동부에서 인가되는 신호에 따라 자화 상태가 제어되는 릴레이 코일, 그리고 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 일측 단자에 타측 단자가 연결되어 있으며 상기 릴레이 코일의 자화 여부에 따라 온 상태가 제어되는 릴레이 스위치를 포함할 수 있다.The auxiliary switch includes a relay coil connected to the auxiliary switch driving unit and having a magnetization state controlled according to a signal applied from the auxiliary switch driving unit, and a terminal connected to one terminal of the electrical contact type main switch, And a relay switch to which the other terminal is connected to the terminal and whose ON state is controlled depending on whether the relay coil is magnetized.
이때, 상기 보조 스위치 구동부는 상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부, 그리고 상기 제1 전류 감지부에서 검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어,. 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 릴레이 코일로 인가하는 제1 비교기를 포함할 수 있다. The auxiliary switch driving unit may include a first current sensing unit for sensing the load current, and a load current and a reference current detected by the first current sensing unit. And a first comparator for comparing a magnitude of the detected load current with a magnitude of the reference current and applying a signal of the corresponding state to the relay coil.
상기 보조 스위치는 상기 보조 스위치 구동부에 제어단이 연결되어 있고, 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 입력단이 연결되어 있으며 상기 커패시터의 일측 단자에 출력단이 연결되어 있는 반도체 스위치를 포함할 수 있다.The auxiliary switch may include a semiconductor switch having a control terminal connected to the auxiliary switch driving unit, an input terminal connected to one terminal of the electrical contact type main switch, and an output terminal connected to one terminal of the capacitor.
이때, 상기 보조 스위치 구동부는 상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부,The auxiliary switch driving unit may include a first current sensing unit for sensing the load current,
상기 제1 전류 감지부에서검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어, 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 반도체 스위치로 인가하는 제1 비교기, 그리고 상기 제1 비교기에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제어단으로 해당 상태의 게이트 전압을 출력하는 보조 스위치 구동기를 포함할 수 있다.A first comparator for comparing a magnitude of the detected load current with a magnitude of the reference current and applying a signal of the corresponding state to the semiconductor switch by applying the load current and the reference current detected by the first current sensing unit, And an auxiliary switch driver for amplifying a signal output from the first comparator and outputting a gate voltage of the corresponding state to the control terminal.
상기 보조 스위치 구동부는 상기 제1 전류 감지부와 상기 제1 비교기 사이에 연결되어 상기 제1 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제1 저역 필터부를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 비교기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 기준 전류의 크기를 비교할 수 있다.The auxiliary switch driving unit may further include a first low-pass filter unit connected between the first current sensing unit and the first comparator to perform a delay operation of the detected current output from the first current sensing unit, The first comparator may compare the detected current output from the first low pass filter unit with the magnitude of the reference current.
이러한 특징에 따르면, 보조 스위치와 충전 동작을 실시하는 커패시터를 구비하여, 전기접점형 주 스위치가 오프되면 보조 스위치와 커패시터를 통한 바이패스 경로가 형성되어 전기접점형 주 스위치의 양단에 걸리는 전압은 영 전압 상태가 된다. 이로 인해, 전기접점형 주 스위치의 오프 시 아크 발생이 방지된다.According to this aspect, the auxiliary switch and the capacitor for performing the charging operation are provided. When the electrical contact type main switch is turned off, a bypass path is formed through the auxiliary switch and the capacitor so that the voltage across both ends of the electrical contact type main switch becomes zero Voltage state. This prevents the occurrence of an off-arc in the electrical contact type main switch.
또한, 부하와 직류 전원의 음극 사이에 연결된 반도체 스위치열은 커패시터의 충전 상태에 따라 도통되고, 반도체 스위치열이 도통되면 보조 스위치를 통해 흐르는 전류는 반도체 스위치열을 통해 흐른다. 이로 인해, 보조 스위치가 오프될 때에 보조 스위치를 통하여 흐르는 전류는 영이므로 아크 전류를 발생하지 않게 된다.Also, the semiconductor switch column connected between the load and the cathode of the DC power supply is conducted according to the charged state of the capacitor. When the semiconductor switch column is conducted, a current flowing through the auxiliary switch flows through the semiconductor switch column. As a result, when the auxiliary switch is turned off, the current flowing through the auxiliary switch is zero, so that no arc current is generated.
더욱이, 반도체 스위치열은 부하의 시정수를 고려하여 오프 시기가 정해지므로, 반도체 스위치열이 오프될 때에도 역시 아크가 발생하지 않게 된다.Furthermore, since the off-time is determined in consideration of the time constant of the load of the semiconductor switch column, no arc is generated even when the semiconductor switch row is turned off.
도 1은 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로 차단기에 대한 개념도이다.
도 2 는 본 발명의 한 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기의 회로도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 사용된 게이트 구동기의 다양한 예를 도시한 도면이다.
도 6의 (a)와 (b)는 도 5에 도시한 게이트 구동기의 동작에 따라 출력되는 게이트 전압과 게이트 전압의 변화에 따라 반도체 스위치열을 흐르는 전류의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시한 고전압직류용 복합형 회로 차단기의 동작 파형도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기의 회로도이다.
도 9는 도 8에 도시한 고전압직류용 복합형 회로 차단기에 대한 실험 회로도이다.
도 10 내지 도 18은 도 9의 실험 회로에 대한 실험 파형도이다.1 is a conceptual diagram of a hybrid circuit breaker for high voltage direct current according to the present invention.
2 is a circuit diagram of a hybrid circuit breaker for high voltage DC according to an embodiment of the present invention.
Figs. 3 to 5 are views showing various examples of the gate driver used in Fig. 2. Fig.
6A and 6B are graphs showing changes in the current flowing through the semiconductor switch column according to the change of the gate voltage and the gate voltage output according to the operation of the gate driver shown in FIG.
Fig. 7 is an operation waveform diagram of the high voltage direct current hybrid type circuit breaker shown in Fig. 2. Fig.
8 is a circuit diagram of a high voltage direct current hybrid type circuit breaker according to another embodiment of the present invention.
9 is an experimental circuit diagram of the high voltage direct current hybrid type circuit breaker shown in FIG.
10 to 18 are experimental waveform diagrams for the experimental circuit of FIG.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접속되어" 있다거나 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 접속되어 있거나 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 접속되어" 있다거나 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it should be understood that there may be other elements in between do. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로차단기에 대하여 설명한다.A high voltage direct current hybrid type circuit breaker according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 1에 도시한 것처럼, 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로차단기에 대한 개념을 설명한다.First, as shown in Fig. 1, the concept of the high voltage direct current hybrid type circuit breaker of the present invention will be described.
도 1에 도시한 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로차단기의 개념도를 참고로 하면, 고전압직류용 복합형 회로차단기는 직류 전원(VDC)의 양극(+)에 직렬로 연결된 저항 부하 (RLoad)와 인덕터 부하(LLoad), 인덕터 부하(LLoad)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-) 사이에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN), 인덕터 부하(LLoad)에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치(SWAUX), 보조 스위치(SWAUX)의 타측 단자(A)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-)에 타측 단자가 각각 연결되어 있는 커패시터(C1)와 저항(R1), 인덕터 부하(LLoad)에 일측단(C)이 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-)에 타측단(E)이 연결되어 있는 반도체 스위치열(10), 그리고 반도체 스위치열(10)에 연결되어 반도체 스위치열(10)에 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부(20)를 구비한다.When a conceptual diagram of a hybrid circuit breaker for high-voltage direct current of the present invention shown in Figure 1 by reference, a hybrid circuit breaker is the resistive load connected in series to the positive electrode (+) of the DC power supply (V DC) for a high voltage direct current (R Load ) and the inductor load (L load), inductive loads (L load) one terminal is connected and a DC power supply (V DC), a cathode (in -) and the other terminal connected to the electrical contact point type main switch (SW mAIN in between) An auxiliary switch SW AUX having one terminal connected to the inductor load L Load and one terminal connected to the other terminal A of the auxiliary switch SW AUX and a negative terminal of the DC power source V DC , One end C is connected to the resistor R1 and the inductor load L load and the other end is connected to the negative electrode of the DC power supply V DC E is connected to the
본 예에서, 저항 부하(RLoad)는 저항성 부하이고, 인덕터 부하(LLoad)는 유도성 부하이다. In this example, the resistive load ( RLoad ) is a resistive load and the inductor load ( LLoad ) is an inductive load.
전기접점형 주 스위치(SWMAIN)는 전기접점형 스위치로 이루어지고, 보조 스위치(SWAUX)는 전기접점형 스위치 또는 반도체 스위치로 이루어질 수 있다.The electrical contact type main switch (SW MAIN ) may be an electrical contact type switch, and the auxiliary switch (SW AUX ) may be an electrical contact type switch or a semiconductor switch.
전기접점형 주 스위치(SWMAIN)는 사용자에 의해 접점 상태가 변하여 온(on) 또는 오프(off) 상태를 유지하고, 보조 스위치(SWAUX)는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 동작에 연동해 동작하여 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온된 후 설정시간 이후에 온되고, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프된 후 설정시간 이후에 오프된다. 이때, 설정 시간은 커패시터(C1)의 충전 시간보다 길다.The main switch SW MAIN of the electrical contact type maintains the on or off state by the change of the contact state by the user and the auxiliary switch SW AUX maintains the on state of the electrical contact type main switch SW MAIN And is turned on after the set time after the electrical contact type main switch SW MAIN is turned on and is turned off after the set time after the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off. At this time, the set time is longer than the charge time of the capacitor C1.
반도체 스위치열(10)은 인덕터 부하(LLoad)와 직류 전원(VDC)의 음극(-) 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치(SWSEMI)를 구비하고 있다.The
이러한 반도체 스위치열(10)은 게이트 구동부(20)에서 인가하는 게이트 전압(VG)에 따라 턴온 또는 턴오프 되어, 부하 전류(iLoad)를 자신 쪽으로 바이패스시킨다.This
본 예에서, 각 반도체 스위치(SWSEMI)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, insulated gate bipolar mode transistor)로 이루어져 있지만, 이에 한정되지 않고 파워 MOSFET(power metal oxide silicon field effect transistor) 등과 같은 다른 전력용 스위칭 소자가 이용될 수 있다. In this example, each semiconductor switch SW SEMI consists of an insulated gate bipolar mode transistor (IGBT), but is not limited thereto and may include other power switching devices such as a power metal oxide silicon field effect transistor Device can be used.
따라서, 게이트 구동부(20)는 인가되는 온 명령(ON Command) 또는 오프 명령(OFF Command)에 따라 각 반도체 스위치(SWSEMI)를 제어단(G)(예를 들어, 게이트 단자)에 게이트 전압(VG)으로서 해당 상태의 게이트 구동 신호를 출력하여 각 반도체 스위치(SWSEMI)의 동작을 제어한다.Therefore, the
이러한 게이트 구동부(20)는 온 명령(ON Command)과 오프 명령(OFF Command)이 인가됨에 따라 해당 반도체 스위치(SWSEMI)를 구동하기 위한 전력을 공급하는 일종의 전력 증폭기로서 기능한다. The
커패시터(C1)는 보조 스위치(SWAUX)가 온된 상태에서 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프될 때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통해 흐르는 부하 전류(iLoad)를 바이패스 시키기 위한 충전 소자이다.The capacitor C1 bypasses the load current (i Load ) flowing through the electrical contact type main switch (SW MAIN ) when the electrical contact type main switch (SW MAIN ) is turned off with the auxiliary switch (SW AUX ) .
저항(R1)은 커패시터(C1)의 방전 경로를 제공하기 위한 저항이다.The resistor R1 is a resistor for providing the discharge path of the capacitor C1.
이러한 구조를 갖는 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작을 설명한다.The operation of the high voltage direct current hybrid type circuit breaker having such a structure will be described.
본 예의 고전압직류용 복합형 회로차단기는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)와 병렬로 커패시터(C1)로 이루어진 분기 회로를 구현하는 특징이 있다.The high voltage direct current hybrid circuit breaker of the present embodiment is characterized by implementing a branch circuit composed of the capacitor C1 in parallel with the electrical contact type main switch SW MAIN .
초기 온(ON) 상태에서, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)와 보조 스위치(SWAUX)는 온되어 있고, 반도체 스위치열(10)을 구동시키기 위한 게이트 구동부(20)에는 온 명령(ON Command)이 인가된 상태로 가정한다.In the initial ON state, the electrical contact type main switch SW MAIN and the auxiliary switch SW AUX are ON and the
이처럼, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온되면 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 양단 전압이 영(0)으로 떨어지고, 부하 전류(iLoad)는 실질적으로 접점 저항값이 거의 영(0)인 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통해 흐르게 된다. As described above, when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned on, the voltage across the both ends of the electrical contact type main switch SW MAIN falls to zero, and the load current i Load becomes substantially zero 0) main contact switch (SW MAIN ).
이때, 반도체 스위치열(10)의 양단 전압(VCE)는 주 스위치(SWMAIN)의 양단 전압과 동일하여 영(0)이 된다.At this time, the both-end voltage V CE of the
즉, 반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E)이 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 양단에 연결되어 있으므로, 반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E) 사이의 전압 차가 발생하지 않아, 게이트 구동부(20)에서 온 상태의 게이트 구동 신호가 반도체 스위치열(10)로 인가되더라도 각 반도체 스위치(SWSEMI)는 온되지 못하여 반도체 스위치열(10)은 온 상태인 도통 상태가 되지 않는다.That is, since the input terminal C and the output terminal E of the
이처럼, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)와 보조 스위치(SWAUX)가 온 상태이고 반도체 스위치열(10)로 온 상태의 게이트 구동 신호가 인가되는 상태에서, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프되면, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프되는 순간 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 쪽으로 흐르는 부하 전류(iLoad)는 보조 스위치(SWAUX) 쪽으로 분기되어 흐른다.Thus, the auxiliary switch the electrical contact-type main switch (SW MAIN) (SW AUX) in the ON state and in the state to which the gate drive signal in the ON state to the
이로 인해, 보조 스위치(SWAUX)를 통해 흐르는 전류(iaux)에 의해 커패시터(C1)의 충전이 시작된다.Due to this, the charging of the capacitor C1 is started by the current i aux flowing through the auxiliary switch SW AUX .
이와 같이, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프되는 순간, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)로 흐르는 부하 전류(iLoad)는 즉시 커패시터(C1)의 분기회로를 통하여 바이패스 되고, 이때 커패시터(C1)는 미충전 상태이므로 커패시터(C1) 양단의 전압은 영(0)이거나 저전압 상태가 된다.In this way, at the moment when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off, the load current (i Load ) flowing to the electrical contact type main switch SW MAIN is immediately bypassed through the branch circuit of the capacitor C1, Since the capacitor C1 is in an uncharged state, the voltage across the capacitor C1 is zero or low.
이처럼, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프되는 시점에, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)로 흐르는 부하 전류(iLoad)는 온 된 보조 스위치(SWAUX)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 바로 바이패스 되고, 전기접점형 주스위치(SWMAIN) 양단의 전압 상태 역시 영(0)이거나 저전압 상태가 되므로 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온 상태에서 오프 상태로 전환될 때 아크 발생은 이루어지지 않는다 즉, 영전압 스위칭이 된다.As described above, at the time when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off, the load current (i Load ) flowing to the electrical contact type main switch SW MAIN flows toward the capacitor C1 via the turned on auxiliary switch SW AUX And the voltage state at both ends of the electrical contact type main switch (SW MAIN ) is also zero or low. Therefore, when the electrical contact type main switch (SW MAIN ) is switched from the ON state to the OFF state, That is, zero voltage switching.
이처럼, 커패시터(C1)의 충전 동작이 시작되어 커패시터(C1)의 충전이 진행됨에 따라 반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E) 간의 전압(VCE)은 증가하여 반도체 스위치열(10)이 턴온되기에 충분한 전압(VCEON)까지 증가하게 된다.As the charging operation of the capacitor C1 starts and the charging of the capacitor C1 proceeds as described above, the voltage V CE between the input terminal C and the output terminal E of the
반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E) 간의 전압차(VCE)가 설정 전압(VCEON) 이상이 되면, 반도체 스위치열(10)은 도통 상태가 된다.When the voltage difference V CE between the input terminal C and the output terminal E of the
이때, 커패시터(C1)의 충전 전압은 반도체 스위치열(10)을 턴온 시킬 정도의 전압(즉, VCEON)만 확보되면 되므로, 내압이 작은 커패시터(C1)를 사용할 수 있어 고전압 직류용 복합형 회로차단기의 제조 비용을 낮출 수 있다.At this time, since only the voltage enough to turn on the semiconductor switch column 10 (i.e., V CEON ) can be secured, the capacitor C1 can use the capacitor C1 having a low breakdown voltage, The manufacturing cost of the circuit breaker can be reduced.
반도체 스위치열(10)이 도통 상태가 되면, 인덕터 부하(LLoad)를 흐르는 전류(iLoad)는 도통 상태의 반도체 스위치열(10) 쪽으로 흐르게 된다. When the
이와 같이, 부하 전류(iLoad)가 모두 반도체 스위치열(10)을 통해 흐르게 되면, 보조 스위치(SWAUX)를 온 상태에서 오프 상태로 전환한다.As described above, when all of the load current (i Load ) flows through the
보조 스위치(SWAUX)가 오프 상태로 전환되면, 커패시터(C1)의 충전 전하는 저항(R1)을 통해 방전되기 시작하여 초기 상태인 미충전 상태가 된다. When the auxiliary switch SW AUX is turned off, the charge of the capacitor C1 starts to discharge through the resistor Rl and becomes an initial state of uncharged state.
이때, 보조 스위치(SWAUX)가 오프되는 시점에 이미 부하 전류(iLoad)가 모두 반도체 스위치열(10)을 통해 흐르는 상태이므로, 보조 스위치(SWAUX)를 통해서는 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 보조 스위치(SWAUX)의 오프 시에 아크 발생은 이루어지지 않고 안전하게 보조 스위치(SWAUX)의 오프 동작이 이루어진다 즉, 영전류 스위칭이 된다.At this time, since the load current (i Load ) has already flowed through the
이와 같이, 아크 발생 없이 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)와 보조 스위치(SWAUX)가 순차적으로 오프된 후, 게이트 구동부(20)로 오프 명령(OFF Command)이 인가되면 게이트 구동부(20)는 인가된 오프 명령(OFF Command)에 따라 반도체 스위치열(10)을 오프시켜 비도통 상태로 하기 위한 오프 상태의 게이트 구동 신호를 반도체 스위치열(10)로 출력한다.When the OFF command is applied to the
이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 모든 반도체 스위치(SWSEMI)는 오프되어 직류 회로를 차단하게 된다.As a result, all the semiconductor switches SW SEMI of the semiconductor switch array 10 are turned off to block the DC circuit.
이때, 게이트 구동부(20)로 오프 명령(OFF Command)이 인가되는 시기는 부하의 시정수[즉, 저항-인덕터의 시정수=L(헨리)/R(옴)]를 고려하여 부하(LLoad)를 통해 흐르는 전류가 존재하지 않는 시기로 정해지므로, 반도체 스위치열(10)의 오프 시에도 아크는 발생하지 않는다.At this time, the time when the OFF command is applied to the
한 예로, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프 된 후 시정수를 고려하여 반도체 스위치열(10)로 오프 명령(OFF Command)이 인가되므로, 반도체 스위치열(10)의 오프 시점은 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프된 시점부터 부하(LLoad)의 시정수에 의해 정해진 시간에 의해 정해질 수 있다. For example, since the OFF command is applied to the
[실시예][Example]
ㆍ제1 실시예 First Embodiment
이하, 이러한 시퀀스로 동작하는 고전압직류용 복합형 회로차단기에 대한 실시예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a high voltage direct current hybrid type circuit breaker operating in this sequence will be described.
실시예의 도면에서, 도 1과 비교해 동일한 구조와 동작을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1과 동일한 도면부호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명도 생략한다.In the drawings of the embodiment, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components as those in FIG. 1, and a detailed description thereof will be omitted.
먼저, 도 2와 도 3을 참고로 하여, 보조 스위치(SWAUX)가 릴레이(relay)로 이루어져 있는 실시예를 설명한다.First, referring to FIG. 2 and FIG. 3, an embodiment in which the auxiliary switch SW AUX is composed of a relay will be described.
도 2를 참고로 하면 고전압직류용 복합형 회로차단기는 인덕터 부하(LLoad)와 전기접접형 주 스위치(SWMAIN) 사이에 위치한 제1 전류 감지부(31), 제1 전류 감지부(31)에 연결되어 있는 제1 저역필터부(low pass filter)(34), 제1 저역 필터부(34)에 비반전 입력단자(+)가 연결되어 있고 반전 입력단자(-)에 제1 기준 전류(iLimit1)가 인가되는 제1 비교기(COM1), 제1 비교기(COM1)의 출력 단자와 연결되어 있는 릴레이 코일 즉, 릴레이 여자 코일(Rcoil), 제1 전류 감지부(31)과 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 사이[즉, 전류 감지부(31)에 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 일측 단자]에 연결되어 있고 서로 연결되어 있는 커패시터(C1)와 저항(R1)에 타측 단자가 연결되어 있는 릴레이 스위치(Rcoil-A), 릴레이 스위치(Rcoil-A)의 일측 단자와 반도체 스위치열(10) 사이에 위치하는 제2 전류 감지부(32), 제2 전류 감지부(32)에 연결되어있는 제2 저역 필터부(41), 제1 저역 필터부(34)에 비반전 입력단자(+)가 연결되어 있고 제2 저역 필터부(41)에 반전 입력단자(-)가 연결되어 있는 뺄셈기(SUB1), 그리고 뺄셈기(SUB1)의 출력 단자에 비반전 입력단자(+)가 연결되어 있고 제2 기준 전류(iLimit2)가 반전 단자(-)로 인가되고 게이트 구동부(20)에 출력 단자가 연결되어 있는 제2 비교기(COM2)를 구비한다.2, the hybrid circuit breaker for high voltage DC includes a first current sensing part 31, a first current sensing part 31, and a second current sensing part 31 located between an inductor load (L load ) and an electrical contact type main switch (SW MAIN ) A first low pass filter 34 connected to the first low pass filter 34 and a non-inverting input terminal + connected to the first low pass filter 34 and a first reference current the first comparator has i Limit1) is applied (COM1), the first comparator (relay coil connected to the output terminal of COM1) that is, the relay exciting coil (R coil), first current detecting unit 31 and the electrical contact-type The capacitor C1 and the resistor R1 are connected to each other between the main switch SW MAIN (i.e., one terminal of the electrical contact type main switch SW MAIN connected to the current sensing portion 31) to above between the relay switch in the other terminal is connected to (R coil-a), relay switch (R coil-a) and one terminal of the semiconductor switch row 10 of The non-inverting input terminal (+) is connected to the second current sensing unit 32, the second low-pass filter unit 41 connected to the second current sensing unit 32, and the first low-pass filter unit 34 A subtracter SUB1 having an inverting input terminal (-) connected to the second low-pass filter 41 and a non-inverting input terminal (+) connected to the output terminal of the subtracter SUB1, And a second comparator COM2 having a current i Limit2 applied to the inverting terminal (-) and an output terminal connected to the gate driving unit 20.
또한, 게이트 구동부(20)는 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 게이트 전압(VG)을 출력하는 복수의 게이트 구동기(21)를 구비한다.The
도 2에서, 릴레이 코일(Rcoil)과 릴레이 스위치(Rcoil-A)는 보조 스위치(SWAUX)를 구성하고, 이때, 릴레이 스위치(Rcoil-A)가 실질적으로 보조 스위치(SWAUX)에 대응한다.In Figure 2, the relay coil (R coil) and a relay switch (R coil-A) constitutes a second switch (SW AUX), at which time, the relay switch (R coil-A) is substantially the auxiliary switch (SW AUX) Respectively.
제1 전류 감지부(31), 제1 저역 필터부(34) 및 제1 비교기(COM1)는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)에 연동하여 보조 스위치(SWAUX)를 구동하는 보조 스위치 구동부(30)를 구성한다.The first
또한, 제2 전류 감지부(32), 제2 저역 필터부(41), 뺄셈기(SUB1) 및 제2 비교기(COM2)는 게이트 구동부(20)로 온 명령(ON Command)과 오프 명령(OFF Command)를 출력하는 구동 신호 출력부(40)를 구성한다.The second current sensing
제1 전류 감지부(31)는 부하 전류(iLoad)를 검출하여 제1 저역 필터부(34)로 출력한다.The first
제1 저역 필터부(34)는 제1 전류 감지부(31)에 일측 단자가 연결되어 있고 뺄셈기(SUB1)의 비반전 단자(+)에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(R34)과 저항(R34)의 타측 단자와 접지 사이에 연결되어 있는 커패시터(C34)를 포함한다.The first low-
제1 저역 필터부(34)는 제1 전류 감지부(31)에서 출력되는 검출된 부하 전류(iLoad)를 정해진 시간만큼 지연시켜 해당 신호(iLaod_Sense)를 제1 비교기(COM1)와 뺄셈기(SUB1)의 비반전 입력단자(+)로 각각 인가한다.A first low-
따라서, 이러한 제1 저역 필터부(34)는 지연부로서 기능하며, 제1 저역 필터부(34)에 의한 지연 시간은 저항(R34)과 커패시터(C34)의 값에 의해 정해지는 시정수에 의해 정해진다. Therefore, the first low-
이러한 제1 저역 필터부(34)의 지연 동작에 의해, 릴레이 코일(Rcoil)과 릴레이 스위치(Rcoil-A)로 이루어진 보조 스위치(SWAUX)의 구동 시기를 조정할 수 있다.By the delay operation of the first low-
제2 전류 감지부(32)는 반도체 스위치열(10)을 흐르는 전류(iSEMI)를 검출하여 제2 저역 필터부(41)로 출력한다.The second current sensing
제2 저역 필터부(41) 역시, 제1 저역 필터부(34)와 동일하게, 제2 전류 감지부(32)에 일측 단자가 연결되어 있고 뺄셈기(SUB1)의 반전 단자(-)에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(R41)과 저항(R41)의 타측 단자와 접지 사이에 연결되어 있는 커패시터(C41)를 포함한다.Similarly to the first low-
제2 저역 필터부(41)는 제2 전류 감지부(32)에서 출력되는 검출된 전류(iSEMI)를 정해진 시간만큼 지연시켜 해당 신호(iSEMI_Sense)를 뺄셈기(SUB1)의 반전 입력단자(-)로 인가한다.The second low
이처럼, 제2 저역 필터부(41) 역시 지연부로서 기능하며, 제2 저역 필터부(41)에 의한 지연 시간은 저항(R41)과 커패시터(C41)의 시정수에 의해 정해진다.As described above, the second low-
이러한 제2 저역 필터부(41)의 지연 동작에 의해, 반도체 스위치열(10)의 구동 시기를 조정할 수 있다.By this delay operation of the second low-
제1 비교기(COM1)는 제1 저역 필터부(34)에서 인가되는 전류(iLoad_Sense)에 해당하는 신호(즉, 전압)와 제1 기준 전류(iLimit1)에 해당하는 신호(즉, 전압)을 비교하여 해당 상태(고레벨 또는 저레벨)의 출력 신호를 릴레이 코일(Rcoil)로 출력하여 릴레이인 보조 스위치(SWAUX)의 동작을 제어한다.The first comparator COM1 compares the signal (i.e., voltage) corresponding to the current (i Load_Sense ) applied by the first low
이러한 제1 기준 전류(iLimit1)의 크기는 0보다 크지만 매우 적은 크기로 설정되어 있으므로, 0보다 큰 부하 전류(iLoad_Sense)가 검출되어 제1 기준 전류(iLimit)보다 큰 부하 전류(iLoad_Sense)가 인가되면 제1 비교기(COM1)의 출력 신호는 고레벨(high level) 상태의 신호(SRelay)가 되어 릴레이 코일(Rcoil)은 자화되고, 릴레이 코일(Rcoil)의 자화에 의해 릴레이 스위치(Rcoil-A)가 온되어, 보조 스위치(SWAUX)가 온된다.Since the magnitude of the first reference current i Limit1 is larger than 0 but set to a very small magnitude, a load current (i Load_Sense ) larger than 0 is detected and the load current i (i Limit ) larger than the first reference current When applied to the Load_Sense) the output signal of the first comparator (COM1) is a high-level (high level) is the signal (S relay) of the state and the magnetization relay coil (R coil), relayed by the magnetization of the relay coil (R coil) The switch (R coil-A ) is turned on, and the auxiliary switch (SW AUX ) is turned on.
뺄셈기(SUB1)는 제1 저역 필터부(34) 에 의해 감지된 부하 전류(iLoad_Sense)와 제2 저역 필터부(41)에 의해 인가되는 반도체 스위치열(10)의 전류(iSEMI_Sense)를 입력받아 두 전류의 차(iLoad_Sense-iSEMI_Sense)를 산출한 후 제2 비교기(COM2)로 출력한다.Subtractor (SUB1) has a first low-
제2 비교기(COM2)는 뺄셈기(SUB1)에서 출력되는 전류(iLoad_Sense-iSEMI_Sense)에 해당하는 신호와 제2 기준 전류(iLimit2)에 해당하는 신호를 비교하여 고레벨 상태의 신호(즉, 온 명령)이나 저레벨 상태의 신호(즉, 오프 명령)를 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)로 출력한다.The second comparator COM2 compares the signal corresponding to the current (i Load_Sense- i SEMI_Sense ) output from the subtracter SUB1 with the signal corresponding to the second reference current i Limit2 , To the
제2 기준 전류(iLimit2)의 크기 역시 영(0)보다는 크지만 상대적으로 정격 부하 전류에 비해 아주 적은 값을 갖는다. 따라서, 반도체 스위치열(10)에 흐르는 검출된 전류(iSEMI_Sense)의 크기가 제2 기준 전류(iLimit2)의 오차범위 내에서 부하 전류(iLoad_Sense)의 크기에 가까워지게 되면 제2 비교기(COM2)의 출력 신호는 저레벨 상태가 되어 오프 명령(OFF Command)를 반도체 스위치열(10)로 출력하여, 반도체 스위치(SWSEMI)를 턴오프 제어한다. The magnitude of the second reference current (i Limit2 ) is also greater than zero (0), but relatively small compared to the rated load current. Therefore, when the magnitude of the detected current (i SEMI_Sense ) flowing through the
이처럼, 제1 및 제2 기준 전류(iLimit1, iLimit2)는 각각 제1 및 제2 비교기(COM1, COM2)의 반전 단자(-)로 인가되는 신호와의 비교 동작을 위한 기준값으로서, 미리 정해져 있는 설정값이다.As such, the first and second reference currents i Limit1 , i Limit2 are preset reference values for a comparison operation with the signal applied to the inverting terminal (-) of the first and second comparators COM1 and COM2, respectively.
또한, 제1 및 제2 저역 통과 필터부(34, 41)의 시정수의 크기는 부하의 시정수, 즉 부하(RLoad, LLoad)의 동작 상태가 변하기 위해 소요되는 시간보다 커야 좋다.The time constant of the first and second low-
다음, 도 3 내지 도 6를 참고로 하여, 동일한 구조로 이루어져 있는 게이트 구동부(20)의 게이트 구동기(21)의 다양한 예를 설명한다.Next, various examples of the
먼저, 도 3에 도시한 것처럼, 게이트 구동기(21)는 연산 증폭기(OP1)를 이용할 수 있다.First, as shown in Fig. 3, the
일반적으로 연산 증폭기(OP1)는 작은 전류(수 nA 수준)의 전압으로도 동작하여 약 30mA정도의 비교적 큰 전류 레벨의 출력 신호를 해당 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 출력하여 대응하는 반도체 스위치(SWSEMI)를 구동할 수 있다.In general, the operational amplifier OP1 also operates with a small current (several nA level) to output an output signal of a relatively high current level of about 30 mA to the control terminal G of the semiconductor switch SW SEMI It is possible to drive the semiconductor switch SW SEMI .
도 4는 게이트 구동기(21)의 다른 예이다. 도 3과 비교할 때, 좀더 큰 구동 전력이 요구되는 경우, 연산 증폭기(OP1)뿐만 아니라 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)나 전력용 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 등의 소자(Tr1, Tr2)를 이용한 증폭부가 부가된 경우이다. 이 경우, 연산 증폭기(OP1)에서 출력되는 신호는 증폭부에 의해 해당 크기만큼 증폭되어 해당 반도체 스위치(SWSEMI)로 인가된다.Fig. 4 is another example of the
도 3과 도 4에서, 게이트 구동기(21)는 연산 증폭기(OP1)의 출력단자에 일측 단자가 연결되어 있고 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)에 타측 단자가 연결된 저항(RT) 및 저항(RT)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-)에 타측 단자가 연결된 커패시터(CT)로 이루어진 지연부를 더 구비하고 있다.3 and 4, the
따라서, 연산 증폭기(OP1)나 소자(Tr1, Tr2)에서 출력되는 게이트 제어 신호는 저항(RT)과 커패시터(CT)에 의한 시정수에 따라 행해지는 커패시터(CT)의 충전 및 방전 동작에 의해 서서히 상승하고 하강하여 각 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 게이트 전압(VG)으로서 인가된다.Thus, the operational amplifier (OP1) and elements (Tr1, Tr2) a gate control signal output from the resistor (R T) and the capacitor charging and discharging operation of a capacitor (C T) is performed according to the (C T) a time constant by And is applied as a gate voltage V G to the control terminal G of each semiconductor switch SW SEMI .
이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 온 동작(즉, 도통 동작) 및 오프 동작(즉, 비도통 동작) 역시 인가되는 게이트 전압의 크기에 따라 서서히 이루어지게 된다.Therefore, the ON operation (that is, the conduction operation) and the OFF operation (that is, the non-conduction operation) of the
따라서, 반도체 스위치열(10)의 갑작스런 온 동작에 따른 급격한 부하 전류(iLoad)의 상승으로 인한 반도체 스위치(SWSEMI)의 파손이 방지되며, 또한 반도체 스위치열(10)의 갑작스런 오프 동작에 따른 급격한 부하 전류(iLoad)의 하강으로 인해 발생될 수 있는 부하(LLoad)의 역기전력으로 인한 반도체 스위치(SWSEMI)의 파손이 방지된다.Therefore, breakage of the semiconductor switch SW SEMI due to an abrupt increase in the load current (i Load ) due to abrupt turn-on of the
하지만, 필요에 따라 지연부는 생략될 수 있다.However, the delay unit can be omitted if necessary.
도 3 및 도 5에 도시한 구조를 갖는 게이트 구동기(21)는 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SWSEMI)마다 별개로 형성되어, 각 게이트 구동기(21)에 인가되는 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)에 따라 해당 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 해당 상태의 게이트 전압(VG)을 인가한다.The
하지만, 이와는 달리, 하나의 게이트 구동기를 이용하여, 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)에 해당하는 하나의 게이트 전압(VG)을 복수의 반도체 스위치(SWSEMI)의 각 게이트 단자로 출력하여 게이트 구동부(20)의 동작을 제어할 수 있다.Alternatively, one gate driver may be used to connect one gate voltage V G corresponding to an ON command or an OFF command to each gate terminal of a plurality of semiconductor switches SW SEMI , So that the operation of the
도 5에 도시한 것처럼, 또 다른 게이트 구동기(21)는 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)에 따라 동작하여 게이트 제어 신호의 상승 구간과 하강 구간이 정해진 기울기로 상승하고 하강하도록 제어한다.5, the
이를 위해, 게이트 구동기(21)는 전력 공급을 제어하는 제어 신호인 온 명령(ON Command)과 오프 명령(OFF Command)을 입력받는 기준전압 생성부(211), 기준전압 생성부(211)와 연결되어 있는 비교기(예, 제3 비교기)(212), 비교기(212)와 연결되어 있는 전압 제어부(213), 전압 제어부(213)에 연결되어 있는 증폭부(214), 그리고 해당 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)과 비교기(212)에 연결되어 있는 전압 검출부(21)를 구비한다.To this end, the
기준전압 생성부(211)는 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)이 입력되면, 입력된 온 명령(ON Command)의 상승 에지가 정해진 기울기로 서서히 증가하여 고레벨에 도달하도록 하고 입력된 오프 명령(OFF Command)의 하강 에지가 정해진 기울기로 서서히 감소하여 저레벨에 도달하는 형태의 기준 전압(Vref)을 생성하여 비교기(212)의 비반전 입력 단자(+)로 인가한다. 기준 전압(Vref)는 비교기(22)의 반전 입력 단자(-)로 인가되는 신호와의 비교 동작을 위한 기준값으로서, 미리 정해져 있는 설정값일 수 있다.When the ON command or the OFF command is input, the reference
비교기(22)는 전압 검출부(215)에서 출력되는 반전 입력 단자(-)로 인가되는 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 전압(VG)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 해당 상태의 신호를 전압 제어부(213)로 출력한다.The comparator 22 compares the gate voltage V G of the semiconductor switch SW SEMI applied to the inverting input terminal (-) output from the
전압 제어부(213)는 비교기(22)에서 출력되는 비교 결과에 따라 해당 동작이 이루어져 해당 상태의 게이트 제어 신호를 증폭부(24)로 출력하여, 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(VG)이 기준 전압(Vref)을 따라가도록 하는 게이트 제어 신호를 출력하도록 한다.The
증폭부(214)는 연산 증폭기 등으로 이루어져 있고, 전압 제어부(213)에서 출력되는 게이트 제어 신호를 해당 크기로 증폭하여 게이트 전압(VG)으로서 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 인가한다.The amplifying
전압 검출부(215)는 이미 기술한 것처럼 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)에 인가되는 게이트 전압(VG)을 검출하여 비교부(22)로 출력하여, 게이트 전압(VG)이 기준전압 생성부(211)에서 출력되는 기준 전압(Vref)의 파형을 따라가도록 한다.The
이러한 게이트 구동기(21)의 동작을 좀더 자세히 설명한다.The operation of the
게이트 구동기(21)의 기준전압 생성부(211)로 구형파 형태로 온 명령(ON Command)나 오프 명령(OFF Command)이 입력되면, 기준전압 생성부(211)는 해당하는 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(VG)에 정해진 크기의 기울기가 형성되도록 온 명령(ON Command)나 오프 명령(OFF Command)의 형태를 변경하여, 반도체 스위치(SWSEMI)가 턴온되고 턴오프될 때 부하 전류(iLoad)가 급격히 증가하거나 감소되지 않고 해당 기울기로 서서히 증가하거나 감소될 수 있도록 한다.When the ON command or the OFF command is input to the
이처럼, 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(VG)의 크기에 따라 부하 전류(iLoad)의 공급을 제한한다.As described above, the supply of the load current (i Load ) is limited according to the magnitude of the gate voltage (V G ) applied to the control terminal (G) of the semiconductor switch (SW SEMI ).
이로 인해, 반도체 스위치(SWSEMI)를 턴 온 시킬 때 부하 전류(iLoad)의 급격한 상승이 방지되고, 반도체 스위치(SWSEMI)를 턴 오프 시킬 때 부하 전류(iLoad)가 해당 기울기에 따라 서서히 감소되어, 부하 전류(iLoad)의 급격한 하강으로 인한 인덕터 부하(LLoad)의 역기전력 발생이 방지된다.Therefore, when turning on the semiconductor switch (SW SEMI) The sharp increase of the load current (i Load) is prevented, and the load current (i Load) when the turn-off to the semiconductor switches (SW SEMI) gradually in accordance with the inclination So that the generation of the back electromotive force of the inductor load (L Load ) due to the abrupt fall of the load current (i Load ) is prevented.
이처럼 반도체 스위치(SWSEMI)가 턴 오프 상태에서 턴 온 상태로 스위칭될 때 또는 반대로 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 스위칭될 때 부하 전류(iLoad)의 상승 기울기 및 하강 기울기를 제어하기 위하여, 구형파인 온 명령(ON Command)와 오프 명령(OFF Command)를 입력받은 기준전압 생성부(211)는 턴 오프 상태에서 턴 온 상태로 전압이 증가하는 부분과 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 전압이 감소하는 부분을 해당 기울기를 갖는 경사 구간으로 변경하여 기준 전압(Vref)을 생성한다.In order to control the rising slope and the falling slope of the load current (i Load ) when the semiconductor switch SW SEMI is switched from the turn-off state to the turn-on state or conversely from the turn-on state to the turn- The
이때, 기준 전압(Vref)은 비교부(212)의 비교 동작을 위한 기준값이다.At this time, the reference voltage Vref is a reference value for the comparison operation of the
이러한 기준전압 생성부(211)는 필터 회로로 이루어질 수 있으며, OP앰프로 구성되는 적분기를 사용해서 전압 변화 구간의 시간 축을 지연시켜 구현할 수 있다.The
기준전압 생성부(211)에서 생성되는 기준 전압(Vref)은 도 5에 도시한 것처럼 입력 파형인 구형파에서 변형된 최종적으로 사다리꼴 형상을 가질 수 있도록 한다.The reference voltage Vref generated by the
기준전압 생성부(211)에서 출력된 기준 전압(Vref)은 비교부(212)의 비반전 입력단자(+)으로 입력되고, 비교부(212)의 반전 입력단자(-)에는 전압 검출부(215)를 통해 검출된 현재 게이트 전압(VG)이 입력된다.The reference voltage Vref output from the
이때, 전압 검출부(215)를 통해 검출된 게이트 전압(VG)은 기준 전압(Vref)과 시간 차이가 발생하지만, 이때 발생하는 시간 차이는 무시할 정도가 작기 때문에 전압 검출부(215)에 의해 검출된 전압[즉, 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 단자와 에미터 단자간 전압(VCE)]을 실제 게이트 전압(VG)으로 간주할 수 있다.At this time, since the gate voltage V G detected through the
비교부(212)는 기준 전압(Vref)과 게이트 전압(VG)의 차를 산출하여 산출된 전압 차를 전압 제어부(23)로 제공하면, 전압 제어부(23)는 기준 전압(Vref)과 게이트 전압(VG)의 차를 보상하는 전압을 증폭부(214)로 출력한다.The
이로 인해, 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(VG)이 기준 전압(Vref)을 추종하도록 제어된다.This controls the gate voltage V G applied to the control terminal G of the semiconductor switch SW SEMI to follow the reference voltage Vref.
전압 제어부(223)의 출력 전압은 증폭부(214)에 의해 증폭되어 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 공급된다.The output voltage of the voltage control unit 223 is amplified by the amplifying
본 예의 게이트 구동기(211)에서 출력되는 게이트 전압(VG)의 변화에 따라 반도체 스위치열(10)을 흐르는 전류의 변화를 도시한 그래프를 도 6에 도시한다.6 is a graph showing a change in the current flowing through the
이미 설명한 것처럼, 도 6의 (a)에 도시한 것처럼, 게이트 전압(VG)은 사다리꼴 형상의 기준 전압(Vref)을 추종하여, 턴오프 레벨인 저레벨에서 턴온 레벨인 고레벨로 변할 때 해당 기울기로 서서히 상승하고, 턴온 레벨(고레벨)에서 턴오프 레벨(저레벨)로 변할 때 해당 기울기로 서서히 하강하게 된다.6A, the gate voltage V G follows the trapezoidal reference voltage Vref, and when the gate voltage V G changes from the low level, which is the turn-off level, to the high level, which is the turn-on level, And gradually falls to the corresponding slope when it changes from the turn-on level (high level) to the turn-off level (low level).
이러한 게이트 전압(VG)의 파형 변화에 따라 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SWSEMI)를 통해 흐르는 전류(iSEMI) 즉, 부하 전류(iLoad)의 변화 역시 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(VG)의 변화에 따라 서서히 증가하거나 감소하게 된다.According to such a waveform change in the gate voltage (V G) changes in the current flowing through the semiconductor switch of the semiconductor switch is open (10) (SW SEMI) ( i SEMI) That is, the load current (i Load) also a semiconductor switch (SW SEMI Gradually increases or decreases with the change of the gate voltage V G applied to the control terminal G of the transistor Q1.
따라서, 이러한 각 반도체 스위치(SWSEMI)의 동작 변화에 따라 반도체 스위치열(10)이 완전히 턴온 될 때까지 소요되는 시간인 턴온 시간(tON)과 완전히 턴오프 될 때까지 소요되는 시간인 턴오프 시간(tOFF) 동안, 반도체 스위치열(10)을 흐르는 전류(iSEMI)의 변화가 상대적으로 천천히 일어나기 때문에 앞서 설명한 부하 전류의 급격한 상승이나 역기전력의 발생을 방지할 수 있다.Therefore, the turn-on time t ON , which is the time required until the
다시, 도 7를 참고로 하여, 도 2에 도시한 한 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작 시퀀스를 설명한다.Referring again to FIG. 7, an operation sequence of the high voltage direct current hybrid type circuit breaker according to the embodiment shown in FIG. 2 will be described.
먼저, 도 7의 (a)의 (1) 시점에 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 온 시키면 온된 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 부하 전류(iLoad)가 흐른다[도 7의 (b)].First, when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned on at the time point (1) in FIG. 7A, the load current i load flows through the turned on electrical contact type main switch SW MAIN (b)].
이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)에 흐르는 전류(iSW)는 부하 전류(iLoad)와 같고, 커패시터(C1) 쪽으로 흐르는 전류(iaux)와 반도체 스위치열(10)에 흐르는 전류(iSEMI)는 영(0)이다 [도 7의 (c) 내지 (e) 참조].At this time, the current i SW flowing through the electrical contact type main switch SW MAIN is equal to the load current i LOAD , and the current i aux flowing to the capacitor C1 and the current flowing through the semiconductor switch column 10 i SEMI ) is zero (see Figs. 7 (c) to (e)).
이와 같이, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온 동작에 의해 부하 전류(iLoad)가 흐르기 시작하면, 제1 전류 감지부(31)에 의해 검출된 후 제1 저역 필터부(34)에서 출력된 부하 전류(iLoad_Sense)의 크기는 영(0)보다 크므로 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(SRelay)의 상태는 고레벨 상태가 되어[도 7의 (f)], 릴레이 코일(Rcoil)은 초기 상태인 비자화 상태에서 동작 상태인 자화 상태가 된다.When the load current (i Load ) begins to flow due to the ON operation of the electrical contact type main switch (SW MAIN ), the first low-pass filter unit (34) detects the load current Since the magnitude of the output load current (i Load_Sense ) is larger than zero (0), the state of the output signal S Relay of the first comparator COM1 becomes high level (Fig. 7 (f) R coil ) is in a non-magnetized state, which is an initial state, and is in a magnetized state, which is an operating state.
릴레이 코일(Rcoil)의 자화 상태에 의해 릴레이 스위치(Rcoil-A)는 초기 상태인 오프 상태에서 온 상태가 되어 보조 스위치(SWAUX)는 온 상태가 된다.The relay switch (R coil-A ) is turned on in the initial state, off state, and the auxiliary switch (SW AUX ) is in the on state due to the magnetization state of the relay coil (R coil ).
하지만, 릴레이 스위치(Rcoil-A)가 온되더라고, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 접점 저항값은 거의 영(0)이므로, 부하 전류(iLoad)는 전기접접형 주 스위치(SWMAIN)를 통해서만 흐르지 온된 릴레이 스위치(Rcoil-A)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 분기되지 않는다[도 7의 (d)]. However, if the relay switch (R coil-A ) is turned on, the contact resistance value of the electrical contact type main switch (SW MAIN ) is substantially zero, so that the load current (i Load ) MAIN ) and does not branch to the capacitor C1 via the on-state relay switch R coil-A (Fig. 7 (d)).
또한, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온된 후에서 이미 기재한 것처럼, 반도체 스위치열(10)을 통해 흐르는 전류(iSEMI)는 영(0)이므로, 제2 비교기(COM2)의 비반전 단자(+)로 인가되는 전류의 크기(iLoad_Sense-iSEMI_Sense)는 실질적으로 부하 전류(iLoad)의 크기와 같고, 이러한 부하 전류(iLoad)는 제2 기준 전류(iLimit2)의 크기보다 훨씬 크다.Since the current (i SEMI ) flowing through the
따라서, 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(SGate)는 고레벨 상태가 되어[도 7의 (g)], 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)로 온 명령(ON Command)이 인가되고, 이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 반도체 스위치(SWSEMI)는 턴온 동작이 이루어져 반도체 스위치열(10)은 온된다. Therefore, the output signal S Gate of the second comparator COM2 becomes the high level state (Fig. 7 (g)), and the ON command to each
하지만, 인가되는 온 명령(ON Command)에 의해 반도체 스위치열(10)이 온 상태가 되어도, 부하 전류(iLoad)는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통해서만 흐르고 있고, 온전압강하(VCEON)로 인해 반도체 스위치열(10)로의 전류 흐름은 발생하지 않는다.However, even when the
도 7의 (a)의 (2) 시점에서, 사용자에 의해 전기접점형 주스위치(SWMAIN)가 오프되면, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 흐르던 부하 전류(iLoad)는 이미 온 상태를 유지하고 있는 릴레이 스위치(Rcoil-A)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 흐른다.When the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off by the user at the time point (2) of FIG. 7A, the load current (i Load ) flowing through the electrical contact type main switch SW MAIN becomes " Flows to the capacitor C1 via the relay switch (R coil-A ) which maintains the state.
따라서, 도 7의 (d)와 같이 릴레이 스위치(Rcoil-A)를 통해 흐르는 전류(iaux)는 증가하고, 커패시터(C1)의 충전 동작이 시작되어 커패시터(C1)의 양단 전압(VC)은 서서히 증가하게 된다[도 7의 (h)]. 이때, 도 7의 (i)와 같이 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)도 커패시터(C1)의 충전 전압(VC)과 같은 값으로 상승하게 된다. 7 (d), the current i aux flowing through the relay switch R coil-A is increased and the charging operation of the capacitor C1 is started so that the both ends voltage V C of the capacitor C1 ) Gradually increases (Fig. 7 (h)). At this time, the voltage V SW across the electrical contact type main switch SW MAIN also rises to the same value as the charging voltage V C of the capacitor C1 as shown in (i) of FIG.
이와 같이, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 오프 동작에 의해 온 상태의 릴레이 스위치(Rcoil-A)를 통해 커패시터(C1)의 충전 동작이 이루어져, 커패시터(C1) 양단의 전압(VC)이 반도체 스위치열(10)의 온전압강하(VCEON)의 크기만큼 증가하면[도 7의 (3) 시점], 반도체 스위치열(10)는 도통 상태가 된다.As described above, the charging operation of the capacitor C1 is performed through the relay switch R coil-A in the ON state by the OFF operation of the electrical contact type main switch SW MAIN , and the voltage V C across the capacitor C1 ) is an increase in the size of the turn-on voltage drop (V CEON) of the semiconductor switch open (10) (3) point in Fig. 7, the
즉, 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)의 동작에 의해 해당 반도체 스위치(SWSEMI)의 제어단(G)으로 온 상태의 게이트 전압(VG)이 인가된 상태이므로, 커패시터(C1)의 충전 전압(VC)이 온전압강하(VCEON) 수준에 이르게 되면 반도체 스위치열(10)은 바로 도통 상태로 전환된다.That is, since the gate voltage V G of the ON state is applied to the control terminal G of the semiconductor switch SW SEMI by the operation of each
이로 인해, 커패시터(C1) 쪽으로 흐르는 전류(iaux)는 감소하기 시작하고[도 7의 (d)], 도 7의 (e)와 같이 부하 전류(iLoad)는 도통 상태인 반도체 스위치열(10) 쪽으로 전환되어 반도체 스위치열(10)로 흐르는 전류(iSEMI)는 증가하기 시작한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 반도체 스위치열(10)의 온전압강하(VCEON)와 같은 값을 유지한다[도 7의 (i) 참조].As a result, the current i aux flowing to the capacitor C1 starts to decrease (Fig. 7 (d)), and the load current i load becomes the semiconductor switch row 10) and the current (i SEMI ) flowing to the
다음, 반도체 스위치열(10)에 흐르는 전류(iSEMI)의 크기가 증가하기 시작하여 부하 전류(iLoad)만큼 증가하게 된다. 따라서, 뺄셈기(SUB1)에서 출력되는 전류차(iLoad_Sense-iSEMI_Sense)가 제2 기준 전류(iLimit2)보다 작아지면, 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(SGate)의 상태는 고레벨에서 저레벨로 변하여 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)로 오프 명령(OFF Command)를 인가한다[도 7의 (4)시점]. 이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SWSEMI)를 턴오프 상태로 제어한다Next, the magnitude of the current (i SEMI ) flowing in the
따라서, 반도체 스위치열(10)을 통하여 흐르던 부하 전류(iSEMI)는 아크없이 하강 기울기를 갖고 감소한다[도 7의 (e)]. 이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 전원전압 레벨(Vsupply)에 이르기까지 상승하기 시작한다.Therefore, the load current (i SEMI ) flowing through the
부하 전류(iLoad)가 계속 감소하여 부하 전류(iLoad)의 크기가 제1 기준 전류(iLimit1)보다 작게 되면[도 7의 (b)의 (5)시점], 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(SRelay)의 상태는 저레벨 상태가 되고, 이로 인해, 릴레이 코일(Rcoil)은 자화 상태가 해제되어 소자된다. 이러한 릴레이 코일(Rcoil)의 소자 현상에 의해 릴레이 스위치(Rcoil-A)의 온 상태에서 초기 상태인 오프 상태가 된다.When the load current i load continuously decreases and the magnitude of the load current i Load becomes smaller than the first reference current i Limit1 at the time point (5) of FIG. 7 (b), the first comparator COM1, The state of the output signal S Relay of the relay coil R coil becomes low-level state, and thereby the relay coil R coil is released in the magnetized state. The element state of the relay coil (R coil ) causes the relay switch (R coil-A ) to be in an off state in an initial state in an on state.
이와 같이, 고전압직류용 복합형 회로 차단기가 완전히 오프 상태가 되며 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 전원전압 레벨(Vsupply)이 되고[도 7의 (i)], 커패시터(C1)에 남아있던 전하는 방전용 저항(R1)을 통하여 서서히 방전된다[도 7의 (h)].Thus, the high voltage direct current hybrid circuit breaker is completely turned off, and the voltage V SW across the electrical contact type main switch SW MAIN becomes the power supply voltage level V supply (Fig. 7 (i)), , The charge remaining in the capacitor C1 is gradually discharged through the discharge resistor R1 (Fig. 7 (h)).
ㆍ제2 실시예 Second Embodiment
도 8에 도시한 고전압직류용 복합형 회로차단기는 보조 스위치(SWAUX)가 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 반도체 스위치로 이루어진 경우이다.The high voltage direct current hybrid circuit breaker shown in Fig. 8 is a case in which the auxiliary switch SW AUX is composed of a semiconductor switch such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
도 7과 비교할 때, 도 8에 도시한 복합형 회로 차단기는 보조 스위치(SWAUX)를 이루는 구성요소의 종류가 상이하고 반도체 스위치로 이루어진 보조 스위치(SWAUX)의 구동을 위해 보조 스위치 구동부(30)에 제1 비교기(COM1)의 출력 신호에 따라 동작하는 보조 스위치 구동기(33)를 추가로 구비하는 것만 상이하다.Compared to Figure 7, the hybrid circuit shown in Figure 8. The circuit-breaker auxiliary switch (SW AUX) to the constituting components, the type is different and the auxiliary switch drive unit (30 for the drive of the auxiliary switch (SW AUX) made of a semiconductor switch And the
이때, 보조 스위치 구동기(33)는 이미 도 3 내지 도 5에 도시한 것 중 하나로 이루어질 수 있다.At this time, the
이러한 구조를 갖는 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작은 제1 비교기(COM1)의 출력 상태에 따라 릴레이 코일(Rcoil)의 자화 여부가 정해져 릴레이 스위치(Rcoil-A)의 온 또는 오프 상태가 제어되는 대신 제1 비교기(COM1)의 출력 상태 즉, 고레벨 또는 저레벨 상태에 따라 반도체 스위치인 보조 스위치(SWAUX)가 턴온 또는 턴오프되는 것을 제외하면, 이미 도 7를 참고로 하여 설명한 것과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.Operation of the hybrid circuit breaker for high-voltage direct current having such a structure is an on or off state of the first comparator (COM1) the relay switch (R coil-A) fixed magnetization if the relay coil (R coil) in accordance with the output state of the 7 except that the auxiliary switch SW AUX , which is a semiconductor switch, is turned on or off according to the output state of the first comparator COM1, that is, the high level or the low level, A detailed description thereof will be omitted.
[실험예][Experimental Example]
도 9에 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로차단기에서 아크 발생 억제동작을 확인하기 위하여 제작한 실험 회로를 도시한다.FIG. 9 shows an experimental circuit manufactured to confirm the arc generation suppressing operation in the high voltage direct current hybrid type circuit breaker of the present invention.
실험 회로에, 여러 개의 반도체 스위치로 구성되는 반도체 스위치열은 편의상 한 개의 반도체 스위치(SWSEMI)와 복수 개(10개)의 다이오드를 직렬로 접속하여 대신하였다. 이렇게 함으로써 반도체 스위치(SWSEMI)를 온 시키기 위하여 필요한 전압(VCEON)을 직렬 접속된 모든 다이오드의 순전압 강하(forward voltage drop; 1개 다이오드당 약 1V)만큼 높여서 마치 복수 개의 반도체 스위치가 동작하는 것처럼 만들 수 있었다. For the sake of convenience, a semiconductor switch (SW SEMI ) and a plurality of (10) diodes are connected in series in the experimental circuit for the sake of convenience. By doing so, the voltage V CEON necessary for turning on the semiconductor switch SW SEMI is increased by a forward voltage drop (about 1 V per diode) of all serially connected diodes so that a plurality of semiconductor switches are operated I could make it like.
또한, 실험 회로에서 보조 스위치(SWAUX)는 반도체 스위치(IGBT)를 사용하였다. 보조 스위치(SWAUX)는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온 되어 부하 전류(iLoad)가 흐르기 시작하면 온 되어야 한다. 실험회로에서 보조 스위치(SWAUX)를 온 시키는 시점은 부하 전류(iLoad)가 흘러서 설정값(여기서는 iLimit1) 보다 커졌을 때이다. In the experimental circuit, the auxiliary switch (SW AUX ) uses a semiconductor switch (IGBT). The auxiliary switch (SW AUX ) should be turned on when the electrical contact type main switch (SW MAIN ) is turned on and the load current (i Load ) starts to flow. The time to turn on the auxiliary switch (SW AUX ) in the experimental circuit is when the load current (i Load ) flows and becomes larger than the set value (i Limit1 here).
이러한 실험 회로에 따른 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작 시퀀스는 다음에 기재하는 것처럼 이미 도 7를 참고로 하여 설명한 것과 실질적으로 동일하다.The operation sequence of the high voltage direct current hybrid type circuit breaker according to this experimental circuit is substantially the same as that described with reference to FIG. 7 as described below.
(1) 전기 접점형 주 스위치(SWMAIN) 온 (1) Electrical contact type main switch (SW MAIN ) ON
- 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 온 시키면 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 부하 전류(iLoad)가 흐른다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)에 흐르는 전류(iSW)는 부하 전류(iLoad)와 같게 된다.- When the electrical contact type main switch (SW MAIN ) is turned on, the load current (i Load ) flows through the electrical contact type main switch (SW MAIN ). At this time, the current i SW flowing through the electrical contact type main switch SW MAIN becomes equal to the load current i Load .
(2) 반도체 스위치열 온(2) semiconductor switch thermal on
- 부하 전류(iLoad)가 증가하면 제2 비교기(COM2)의 출력 상태는 고레벨 상태가 되어 반도체 스위치열의 제어단으로 온 상태의 신호를 인가한다. 하지만, 부하 전류(iLoad)는 이미 접점 저항값이 거의 영(0)인 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 흐르고 있고, 온전압강하(VCEON)가 큰 반도체 스위치열로 전류는 흐르지 않는다. When the load current (i Load ) increases, the output state of the second comparator (COM2) becomes a high level state and a signal of the ON state is applied to the control terminal of the semiconductor switch row. However, the load current (i Load ) flows through the electrical contact type main switch (SW MAIN ) in which the contact resistance value is substantially zero and the current flows to the semiconductor switch column in which the on voltage drop (V CEON ) Do not.
(3) 보조 스위치(SWAUX) 온(3) Auxiliary switch (SW AUX ) ON
- 부하 전류(iLoad)의 크기가 설정값(iLimit)보다 커지면 제1 비교기(COM1)의 출력 신호의 상태는 고레벨 상태가 되어 보조 스위치(SWAUX)의 제어단으로 턴온 신호를 인가한다. 그러나 부하 전류(iLoad)는 이미 접점 저항값이 거의 영인 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 흐르고 있고, 커패시터(C1) 쪽으로는 전류가 흐르지 않는다. - When the magnitude of the load current (i Load ) is larger than the set value (i Limit ), the state of the output signal of the first comparator COM1 becomes the high level state and the turn-on signal is applied to the control terminal of the auxiliary switch SW AUX . However, the load current (i Load ) flows through the electrical contact type main switch (SW MAIN ), which has a contact resistance value substantially zero, and no current flows to the capacitor (C1) side.
(4) 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 오프(4) Electrical contact type main switch (SW MAIN ) OFF
- 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 오프 시키면 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 흐르던 부하 전류(iLoad)는 이미 온되어 있는 보조 스위치(SWAUX)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 바로 바이패스되어 흐른다. 따라서 커패시터(C1)는 부하 전류(iLoad)의 값으로 충전되면서 전압이 상승하기 시작한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압도 커패시터(C1)의 충전전압과 같은 값으로 상승하게 된다. - When the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off, the load current (i Load ) flowing through the electrical contact type main switch SW MAIN is directly transmitted to the capacitor C1 via the auxiliary switch SW AUX It bypasses and flows. Therefore, the voltage of the capacitor C1 starts to rise while being charged to the value of the load current (i Load ). At this time, the voltage across the electrical contact type main switch SW MAIN also rises to the same value as the charge voltage of the capacitor C1.
- 커패시터(C1) 양단의 전압이 반도체 스위치열의 온전압강하(VCEON)만큼 증가하면 부하 전류(iLoad)는 이미 게이트 구동기(21)에 의해 온되어 있던 반도체 스위치열로 전환되기 시작한다. 즉, 커패시터(C1) 쪽으로 흐르던 전류는 감소하기 시작하고 반도체 스위치열로 흐르는 전류는 증가하기 시작한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압은 반도체 스위치열의 온전압강하(VCEON)의 크기와 같은 크기를 유지한다. - If the voltage across capacitor C1 increases by the on-voltage drop (V CEON ) of the semiconductor switch row, the load current (i Load ) starts to be switched to the semiconductor switch column already turned on by the gate driver (21). That is, the current flowing to the capacitor C1 begins to decrease and the current flowing to the semiconductor switch column starts to increase. At this time, the voltage across the electrical contact type main switch (SW MAIN ) maintains the same magnitude as the on voltage drop (V CEON ) of the semiconductor switch row.
(5) 반도체 스위치열 오프(5) semiconductor switch thermal off
- 반도체 스위치열에 흐르는 전류(iSEMI)의 크기가 기준 전류인 임계값(iLimit1)의 오차범위 내에서 부하 전류(iLoad)의 크기와 가까워지면 제2 비교기(COM2)의 출력 상태는 저레벨 상태가 되어 게이트 구동기(21)에 오프 명령(OFF Command)을 인가하여 반도체 스위치열을 오프시킨다.- When the magnitude of the current (i SEMI ) flowing in the semiconductor switch row approaches the magnitude of the load current (i Load ) within the error range of the threshold value (i Limit1 ) which is the reference current, the output state of the second comparator And an OFF command is applied to the
그러면, 반도체 스위치열을 통하여 흐르던 부하 전류(iLoad)는 아크없이 하강기울기를 갖고 감소한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압은 전원전압 레벨에 이르기까지 상승하기 시작한다.Then, the load current (i Load ) flowing through the semiconductor switch row decreases with a descending slope without an arc. At this time, the voltage across the electrical contact type main switch (SW MAIN ) starts to rise up to the power supply voltage level.
- 부하 전류(iLoad)가 계속 감소하여 부하 전류(iLoad)의 크기가 설정값(iLimit1)보다 작아지게 되면 제1 비교기(COM1)의 출력 신호의 상태는 저레벨 상태가 되어 보조 스위치(SWAUX)를 오프 시킨다. 그러면 커패시터(C1)에 남아있던 전하는 방전용 저항(R1)을 통하여 서서히 방전한다. - When the load current i load continuously decreases and the magnitude of the load current i Load becomes smaller than the set value i Limit1 , the state of the output signal of the first comparator COM1 becomes low level and the auxiliary switch SW AUX ). Then, the charge remaining in the capacitor C1 is gradually discharged through the discharge resistor R1.
- 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작이 완전히 오프되면 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압은 전원전압 레벨이 된다.- When the operation of the hybrid circuit breaker for high voltage DC is completely turned off, the voltage across the main contact switch ( MAIN ) becomes the power supply voltage level.
이러한 도 9의 실험회로에 대한 실험 파형이 도 10 내지 도 18에 도시된다.This experimental waveform for the experimental circuit of Fig. 9 is shown in Figs. 10 to 18. Fig.
도 10에서, 파형 G11은 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 양단에 인가되는 전압(VSW)에 대한 것이다.In Fig. 10, the waveform G11 is for the voltage V SW applied to both ends of the electrical contact type main switch SW MAIN .
파형 G11에 나타나는 것처럼, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프일 때 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 전원 전압을 유지하고, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온 되면[(1) 시점] 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 영이 된다.A main switch, form an electrical contact as shown in the waveform G11 (SW MAIN) the voltage across the off days when the electrical contact-type main switch (SW MAIN) (V SW) is held on the power voltage, the main switch-type electrical contact (SW MAIN (1), the voltage V SW across the electrical contact type main switch SW MAIN becomes zero.
도 10의 파형 G12는 보조 스위치(SWAUX)를 흐르는 전류(iaux)에 대한 파형으로서, 커패시터(C1) 쪽의 분기회로를 통하여 흐르는 전류(iaux)의 양상을 보여준다. 커패시터(C1)의 충전 전류(iaux)는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프하는 순간[(4) 시점] 매우 짧게 흐르는 것을 볼 수 있다.Waveform G12 of Fig. 10 is a waveform for flowing a second switch (SW AUX) current (i aux), show the aspect of the current (i aux) flows through the branch circuit on the side of the capacitor (C1). It can be seen that the charging current i aux of the capacitor C1 flows very shortly at the instant when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off (time point (4)).
파형 G13은 반도체 스위치열을 흐르는 전류(iSEMI)에 대한 파형으로서, 반도체 스위치열로 흐르는 전류(iSEMI)도 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프 되고 커패시터(C1) 쪽의 분기회로로 바이패스된 부하 전류(iLoad)가 커패시터(C1)를 충전한 후 짧은 기간 동안만 존재하는 것을 볼 수 있다.Waveform G13 is a branch circuit on a side as the waveform of the current (i SEMI) flowing through the semiconductor switch is open, the current flowing through the semiconductor switch is open (i SEMI) also the electrical contact-type main switch (SW MAIN) is off and the capacitor (C1) It can be seen that the bypassed load current (i Load ) exists only for a short period of time after charging the capacitor C1.
도 11는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온 될 때[(1) 시점] 각 주요부에 대한 동작 확대 실험 파형도로서, G21은 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통해 흐르는 전류(imain)에 대한 파형이고, G22는 커패시터(C1)쪽의 회로인 커패시터 분기회로 쪽으로 분기되는 전류(ia=iaux+iSEMI)에 대한 파형이다.Figure 11 is when on the electrical contact point type main switch (SW MAIN) [(1) Start point as an operation-up experiment waveform for each main part, G21 is the current flowing through the electrical contact point type main switch (SW MAIN) (i main , and G22 is a waveform for the current (i a = i aux + i SEMI ) that diverges toward the capacitor branch circuit which is the circuit on the side of the capacitor C1.
도 11의 G11에 도시한 것처럼, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)은 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온되기 전에 전원 전압을 견디다가, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 온 되면 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 약 0.038ms의 시정수를 갖고 급격히 영(0)으로 떨어졌다.As shown in G11 of Fig. 11, the electrical contact-type main switch (SW MAIN) is when the stand to the power supply voltage before the on-the electrical contact-type main switch (SW MAIN), an electrical contact type main switch (SW MAIN) on The voltage (V SW ) across the main contact switch (SW MAIN ) dropped rapidly to zero with a time constant of about 0.038 ms.
또한, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통해 흐르는 전류(imain), 즉 부하 전류(iLoad)는, 파형 G21과 같이, 약 0.63ms의 과도기를 거친 후 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통해 완전히 흐르는 것을 알 수 있었다. The current i main that flows through the electrical contact type main switch SW MAIN , that is, the load current i Load , passes through the transient of about 0.63 ms as shown by the waveform G21, and then the electrical contact type main switch SW MAIN ). ≪ / RTI >
이때, 모든 부하 전류(iLoad)는 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 통하여 흐르므로 커패시터 분기회로 쪽으로 흐르는 전류(ia)는 영인 것을 볼 수 있었다.At this time, since all the load current (i Load ) flows through the electrical contact type main switch (SW MAIN ), it can be seen that the current (i a ) flowing to the capacitor branch circuit is zero.
도 12는 도 10의 (2) 시점과 (5) 시점 사이에서 제1 비교기(COM2)의 출력 신호에 따른 반도체 스위치열의 온 또는 오프 시 동작 파형을 도시한 도면이다.FIG. 12 is a graph showing an operation waveform when the semiconductor switch row is turned on or off according to the output signal of the first comparator COM2 between the time point (2) of FIG. 10 and the time point (5) of FIG.
이미 설명한 것처럼, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프 상태에서 온 될 때 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 약 0.038ms의 시정수를 갖고 급격히 영으로 감소하였다(G11).As described above, when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned on in the OFF state, the voltage V SW across the electrical contact type main switch SW MAIN has a time constant of about 0.038 ms and rapidly decreases to zero (G11).
도 12의 파형(G31)은 제1 전류 검출부(31)의 검출 동작에 의해 검출된 전류(iLoad_Sense)에 대한 파형이고, 파형(G32)는 제2 전류 검출부(32)의 검출 동작과 제2 저역 필터부(41)의 동작에 의해 검출된 반도체 스위치열로 흐르는 반도체 스위치열의 검출 전류(iSEMI_Sense)의 검출 파형이다.The waveform G31 in FIG. 12 is a waveform for the current (i Load_Sense ) detected by the detection operation of the first
파형(G41)은 제2 비교기(COM2)에서 출력되는 출력 신호(VC2)에 대한 파형으로서, 부하 전류(iLoad)의 검출 전류(iLoad_Sense)와 반도체 스위치열의 검출 전류(iSEMI_Sense)의 비교 결과이다.Waveform (G41) is compared in a second comparator (COM2) output signal as a waveform for the (V C2), the detected current (i Load_Sense) and the semiconductor switch detection current (i SEMI_Sense) column of the load current (i Load) output from the Results.
즉, 제2 비교기(COM2)는 부하 전류 검출 전류(iLoad_Sense)가 반도체 스위치열의 검출 전류(iSEMI_Sense)보다 클 때 고레벨 상태의 신호를 출력하여 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 단자에 온 구동 신호를 인가하였다. 반대로, 부하 전류 검출 전류(iLoad_Sense)가 반도체 스위치열의 검출 전류(iSEMI_Sense)보다 작을 때 제2 비교기(COM2)는 저레벨 상태의 신호를 출력하여 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 단자에 오프 구동 신호를 인가하였다.That is, the gate terminal of the second comparator (COM2) is the load current detection current by (i Load_Sense) that is greater than the detected current semiconductor switch column (i SEMI_Sense) outputs a signal of the high level state semiconductor switch column semiconductor switch (SW SEMI) On drive signal. On the other hand, when the load current detection current (i Load_Sense) is smaller than the detected current semiconductor switch column (i SEMI_Sense) a second comparator (COM2) is in the off driving signal to the gate terminal of the output signals of the low level state semiconductor switch (SW SEMI) .
도 13은 도 10의 (3) 시점과 (4)시점 사이에서 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(VC1)에 의한 보조 스위치(SWAUX)의 온-오프 동작 파형을 도시한다.13 shows an on-off operation waveform of the auxiliary switch SW AUX by the output signal V C1 of the first comparator COM1 between the time point (3) of FIG. 10 and the time point (4) of FIG.
전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은, 이미 설명한 것처럼, 오프 상태에 온 상태로 변환될 때, 해당 시정수(약 0.038ms)에 따라 영(0)으로 떨어졌다(파형 G11).The voltage V SW at both ends of the electrical contact type main switch SW MAIN has fallen to zero according to the time constant (about 0.038 ms) when it is converted into the OFF state as described above Waveform G11).
도 13의 중간 부분은 부하 전류 검출 파형(iLoad_Sense)(G31)과 제1 비교기(COM1)의 반전 입력단자(-)로 인가되는 기준 전류(iLimit1)의 파형(G43)을 도시하였다.13 shows the waveform G43 of the reference current i Limit1 applied to the load current detection waveform (i Load_Sense ) G31 and the inverting input terminal (-) of the first comparator COM1.
파형(G42)는 제1 비교기(COM1)에서 출력되는 출력 신호(VC1)로서, 부하 전류 검출파형(iLoad_Sense)과 기준 전류(iLimit1)의 비교 결과이다.The waveform G42 is the output signal V C1 output from the first comparator COM1 and is the result of comparison between the load current detection waveform i Load_Sense and the reference current i Limit1 .
제1 비교기(COM1)의 출력 신호(VC1)의 상태는 부하 전류 검출파형(iLoad_Sense)이 제1 기준 전류(iLimit1) 보다 클 때 고레벨 상태가 되어 보조 스위치(SWAUX)의 게이트 단자로 온 상태의 게이트 구동신호를 인가하였다.The time is greater than the first comparator (COM1) the output signal (V C1) of the state of load current detected waveform (i Load_Sense) the first reference current (i Limit1) of is the high level state to the gate terminal of the auxiliary switch (SW AUX) The gate driving signal in the ON state was applied.
도 14는 도 10의 (2) 시점에서 제2 비교기(COM2)의 출력신호(VC2)에 따라서 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SWSEMI)가 온 동작 시의 확대 실험 파형이다. Fig. 14 is an enlarged test waveform at the time when the semiconductor switch SW SEMI of the semiconductor switch row is turned on according to the output signal V C2 of the second comparator COM2 at the time (2) in Fig.
도 14에 도시한 것처럼, 반도체 스위치열에 흐르는 전류(iSEMI)에 대한 검출 전류(iSEMI_Sense)가 영(0)인 상태에서 부하 전류(iLoad)에 대한 검출 전류(iLoad_Sense)가 증가하여 검출 전류(iLoad_Sense)에 해당하는 전압이 검출 전류(iSEMI_Sense)에 해당하는 기준 전압 (본 실험에서는 0.2V) 이상이 되면, 제2 비교기(COM2)는 고레벨 상태의 출력 신호(VC2)를 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 단자로 게이트 신호로서 인가하였다( G41).As shown in Fig. 14, the detection current (i Load_Sense ) for the load current (i Load ) increases when the detection current (i SEMI_Sense ) for the current (i SEMI ) flowing in the semiconductor switch row is zero When the current reference voltage or higher (0.2V in this experiment) for the (i Load_Sense) voltage is detected current (i SEMI_Sense) for the second comparator (COM2) is an output signal (V C2) in the high level state semiconductor Is applied to the gate terminal of the switch SW SEMI as a gate signal (G41).
도 15는 도 10의 (4) 시점에서 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프될 때의 확대 실험 파형도를 도시한다.Fig. 15 shows an enlarged experimental waveform when the main switch SW MAIN is turned off at the time point (4) in Fig.
실험 장비인 스코프(scope)로 잡을 수 있는 채널에 한계가 있어서 도 15의 (a)와 (b)에 도시한 것처럼 두 개의 화면으로 실험 파형을 도시한다.There are limitations on the channels that can be caught by the scope of the experimental equipment, and the experimental waveforms are shown in two screens as shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b).
도 15의 (a)는 도 10의 (4) 시점에서 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)를 오프일 때 확대 파형도로서, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(Vsw)에 대한 파형(G11), 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)에 흐르는 전류(imain)의 파형(G21), 그리고 보조 스위치(SWAUX)와 반도체 스위치열 쪽으로 흐르는 전류(ia= iaux+iSEMI)의 파형(G22)을 보여주고 있다.15A is a magnified waveform diagram when the electrical contact type main switch SW MAIN is off at the time point of FIG. 10 (4), and the voltage V sw across both ends of the electrical contact type main switch SW MAIN A waveform G21 of the current i main flowing in the electrical contact type main switch SW MAIN and a current G i21 flowing in the auxiliary switch SW AUX and the semiconductor switch row i a = i aux + i (SEMI ) waveform (G22).
한편, 도 15의 (b)는 (4) 시점에서 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프 일 때, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(Vsw)에 대한 파형(G11), 보조 스위치(SWAUX)에 흐르는 전류(iaux 또는 ic)의 파형(G12) 및 반도체 스위치열에 흐르는 전류(iSEMI)의 파형(G13)을 보여준다.On the other hand, in Fig. 15 (b) is (4) when the main switch (SW MAIN) form electrical contacts at the time of off, the waveform (G11) for electrical contact-type main switch (SW MAIN) voltage (V sw) across the shows a waveform (G13) of the auxiliary switch current (i i aux or c) the waveform (G12) and a semiconductor switch current (i SEMI) flowing column of flowing in (SW aUX).
도 15의 (b)를 참고로 하면, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)가 오프되면[(4) 시점], 보조 스위치(SWAUX)로 전류가 바이패스 되면서 커패시터(C1)의 충전 전류(iaux 또는 ic)에 의하여 커패시터(C1)가 충전되면서 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압파형(Vsw)이 일정 수준 이상 상승하면(G11)(본 실험에서는 VCEON=16.4V), 반도체 스위치(SWSEMI)가 온되면서 전류가 반도체 스위치열 쪽으로 바이패스되는 것을 볼 수 있었다(G13).Referring to FIG. 15 (b), when the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off, the current is bypassed to the auxiliary switch SW AUX and the charging current of the capacitor C1 When the capacitor C1 is charged by i aux or i c and the voltage waveform V sw across both ends of the electrical contact type main switch SW MAIN rises by a certain level or more (G11) (V CEON = 16.4 V ), The semiconductor switch SW SEMI is turned on and the current is bypassed toward the semiconductor switch row (G13).
도 16은 도 10의 (4) 시점과 (5) 시점 사이에서 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(VC1)에 따른 보조 스위치(SWAUX)가 오프되는 과정을 확대한 실험 파형이다. FIG. 16 is an experimental waveform enlarging the process of turning off the auxiliary switch SW AUX according to the output signal V C1 of the first comparator COM1 between the time point (4) and the time point (5) of FIG.
부하 전류(i Load)의 검출 전류(iLoad_Sense)이 감소하여 검출 전류(iLoad_Sense)에 대한 전압이 정해진 제1 기준 전류(iLimit1)에 대한 한계 전압(본 실험에서는 1.18V)보다 낮아지면, 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(VC1)는 저레벨 상태가 되어 보조 스위치(SWAUX)를 오프 시켰다. 이로 인해, 전기접점형 주 스위치(SWMAIN)의 오프 종료 전에 보조 스위치(SWAUX)를 완전히 오프 시킬 수 있었다.If the detection current i load_sense of the load current i load is decreased and the voltage for the detection current i Load_Sense becomes lower than the limit voltage (1.18V in this experiment) for the first reference current i Limit1 , The output signal V C1 of the first comparator COM1 becomes low level and the auxiliary switch SW AUX is turned off. As a result, the auxiliary switch SW AUX can be completely turned off before the electrical contact type main switch SW MAIN is turned off.
도 17은 (5) 시점에서 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(VC2)에 의하여 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SWSEMI)를 오프시키는 동작에 대한 부분을 확대한 실험파형이다. FIG. 17 is an enlarged experimental waveform showing an operation for turning off the semiconductor switch SW SEMI of the semiconductor switch string by the output signal V C2 of the second comparator COM2 at the time (5).
반도체 스위치열에 흐르는 전류(iSEMI)의 검출 전류(iSEMI_Sense)가 증가하여 부하 전류(iLoad)의 검출 전류(iLoad_Sense)에 가까워지면, 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(VC2)의 상태는 저레벨 상태로 떨어져 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 단자로 오프 상태의 게이트 신호를 인가하였다.When the detected current (i SEMI_Sense) of the current (i SEMI) flowing through the heat the semiconductor switch increases close to the detected current (i Load_Sense) of the load current (i Load), the output signal (V C2) of the second comparator (COM2) State falls to a low level and the gate signal of the OFF state is applied to the gate terminal of the semiconductor switch SW SEMI of the semiconductor switch row.
도 18은 도 10의 (5) 시점에서 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(VC2)가 저레벨 상태로 변하여 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SWSEMI)의 게이트 단자에 오프 상태의 게이트 신호를 인가함에 따라 소호 동작이 이루어질 때 실험 파형도이다.In FIG. 18, the output signal V C2 of the second comparator COM2 is changed to the low level state at the time of (5) in FIG. 10 and the gate signal of the OFF state is applied to the gate terminal of the semiconductor switch SW SEMI of the semiconductor switch column Fig. 8 is a graphical representation of the experimental waveform when the SOHO operation is performed.
이때, 커패시터(C1)의 전류(iaux)의 크기는 이미 영(0)인 초기 상태이고(G12), 전기접점형 주 스위치(SWMAIN) 양단의 전압(VSW)은 상승하며(G11), 반대로 부하 전류(iLoad)는 감소하면서 소호됨을 알았다(G13).At this time, the magnitude of the current i aux of the capacitor C1 is already zero (G12), the voltage V SW across the electrical contact type main switch SW MAIN rises (G11) , While the load current (i Load ) is decreased while the current is decreased (G13).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
10: 반도체 스위치열 20: 게이트 구동부
SWMAIN: 전기접점형 주 스위치 SWAUX: 보조 스위치
SWSEMI: 반도체 스위치 C1: 커패시터
R1: 저항 LLoad: 유도성 부하
RLoad: 저항성 부하 VDC: 직류 전원
31, 32: 전류 감지부 COM1, COM2: 비교기
Rcoil: 릴레이 코일 Rcoil -A: 릴레이 스위치
SUB1: 뺄셈기 21: 게이트 구동기
30, 30a: 보조 스위치 구동부 33: 보조 스위치 구동기
40: 구동 신호 출력부10: semiconductor switch column 20: gate driver
SW MAIN : Electrical contact type main switch SW AUX : Auxiliary switch
SW SEMI : Semiconductor switch C1: Capacitor
R1: Resistance L Load : Inductive load
R Load : Resistive load V DC : DC power
31, 32: current sensing part COM1, COM2: comparator
R coil : Relay coil R coil -A : Relay switch
SUB1: Subtractor 21: Gate driver
30, 30a: auxiliary switch driver 33: auxiliary switch driver
40: drive signal output section
Claims (12)
상기 부하에 일측 단자가 연결되어 있고, 상기 직류 전원의 음극에 연결되어 있는 커패시터에 타측 단자가 연결되어 상기 전기접점형 주 스위치와 병렬로 회로 구성이 되어 있는 보조 스위치, 그리고
상기 부하에 일측 단자가 연결되어 있고, 상기 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 상기 전기접점형 주 스위치 및 상기 보조 스위치와 병렬로 회로 구성이 되어 있는 복수의 반도체 스위치를 구비하고 있는 반도체 스위치열
을 포함하되,
상기 반도체 스위치열은 게이트 구동부에서 인가되는 게이트 구동 신호의 상태에 따라 동작이 제어되는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.An electric contact type main switch in which one terminal is connected to the load and the other terminal is connected to the cathode of the DC power source,
An auxiliary switch whose one terminal is connected to the load and whose other terminal is connected to a capacitor connected to the cathode of the DC power source and which is configured in parallel with the electrical contact type main switch;
And a plurality of semiconductor switches connected in parallel to the electrical contact type main switch and the auxiliary switch, wherein the semiconductor switch is connected to one end of the load and the other terminal is connected to the negative electrode of the DC power source,
≪ / RTI >
Wherein the semiconductor switch column is controlled in operation in accordance with a state of a gate driving signal applied from a gate driving unit.
상기 전기접점형 주 스위치와 상기 보조 스위치가 온되면, 상기 게이트 구동부는 상기 반도체 스위치열로 온 상태의 게이트 구동 신호를 출력하고,
상기 전기접점형 주 스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변하면, 온 된 상기 전기접점형 주 스위치를 통해 흐르던 부하 전류는 온 된 상기 보조 스위치를 통해 바이패스되어 상기 커패시터를 충전시켜, 상기 반도체 스위치열이 온 될 수 있도록 하고,
상기 커패시터의 충전 상태에 따라 상기 반도체 스위치열이 온되어 상기 보조 스위치를 통해 흐르는 전류가 상기 반도체 스위치열 쪽으로 흐르게 되면, 상기 보조 스위치는 오프 상태로 전환되는
고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 1,
When the electrical contact type main switch and the auxiliary switch are turned on, the gate driving unit outputs a gate driving signal in an ON state to the semiconductor switch column,
When the electrical contact type main switch is changed from the ON state to the OFF state, the load current flowing through the turned on electrical contact type main switch is bypassed through the turned on auxiliary switch to charge the capacitor, To be turned on,
When the semiconductor switch row is turned on according to the charged state of the capacitor and a current flowing through the auxiliary switch flows toward the semiconductor switch row, the auxiliary switch is turned off
Combined circuit breaker for high voltage DC.
상기 부하는 저항성 부하 또는 유도성 부하이고,
상기 반도체 스위치열의 오프 시점은 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 시점부터 상기 부하의 시정수에 의해 정해진 시간에 의해 정해지는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.3. The method of claim 2,
The load is a resistive load or an inductive load,
Wherein the OFF timing of the semiconductor switch train is determined by a time determined by the time constant of the load from the time when the electrical contact type main switch is turned off.
상기 커패시터의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 타측 단자에 타측 단자가 연결되어, 상기 보조 스위치가 오프될 때 상기 커패시터에 충전되어 있는 전압의 방전 경로를 제공하는 저항을 더 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 1,
And a resistor connected to one terminal of the capacitor and connected to the other terminal of the capacitor to provide a discharging path of a voltage charged to the capacitor when the auxiliary switch is turned off, Composite circuit breaker for direct current.
온 명령이나 오프 명령에 따라 동작하여 상승 구간과 하강 구간이 정해진 기울기로 상승하고 하강하는 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부를 더 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 1,
Further comprising a gate driver for operating in response to an on command or an off command and outputting a gate drive signal that rises and falls at a predetermined slope in a rising section and a falling section.
상기 게이트 구동부는 각 반도체 스위치의 제어단으로 상기 게이트 구동 신호를 출력하는 복수의 게이트 구동기를 포함하고,
각 게이트 구동기는,
입력된 온 명령의 상승 에지가 정해진 기울기로 서서히 증가하여 고레벨에 도달하도록 하고 입력된 오프 명령의 하강 에지가 정해진 기울기로 서서히 감소하여 저레벨에 도달하는 형태의 기준 전압을 생성하는 기준전압 생성부,
반도체 스위치의 제어단에 인가되는 게이트 전압을 검출하여 출력하는 전압 검출부,
상기 기준전압 생성부에서 출력되는 상기 기준 전압과 상기 전압 검출부에서 검출된 상기 게이트 전압을 비교하여 해당 상태의 신호를 출력하는 비교기, 그리고
상기 비교기에서 출력되는 비교 결과에 따라 동작하여 상기 반도체 스위치의 제어단으로 인가되는 게이트 전압이 상기 기준 전압을 따라가는 게이트 제어 신호를 출력하는 전압 제어부
를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 5,
Wherein the gate driver includes a plurality of gate drivers for outputting the gate driving signals to the control terminals of the respective semiconductor switches,
Each gate driver,
A reference voltage generator for generating a reference voltage in such a manner that the rising edge of the input ON command gradually increases to a predetermined level to reach a high level and the falling edge of the input OFF command gradually decreases to a predetermined slope to reach a low level,
A voltage detector for detecting and outputting a gate voltage applied to the control terminal of the semiconductor switch,
A comparator for comparing the reference voltage output from the reference voltage generator with the gate voltage detected by the voltage detector to output a signal of the corresponding state,
And a voltage control unit which operates in accordance with a comparison result output from the comparator and outputs a gate control signal that a gate voltage applied to a control terminal of the semiconductor switch follows the reference voltage,
Circuit breaker for high voltage direct current.
상기 온 명령과 상기 오프 명령을 출력하는 구동 신호 출력부를 더 포함하고,
상기 구동 신호 출력부는
상기 반도체 스위치열로 흐르는 전류를 검출하는 제2 전류 감지부,
제1 전류 감지부에서 검출된 전류와 상기 제2 전류 감지부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 출력하는 뺄셈기, 그리고
상기 뺄셈기에서 출력되는 전류와 기준 전류가 인가되어, 상기 뺄셈기에서 출력되는 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기에 따라 해당 상태의 온 명령이나 오프 명령을 상기 게이트 구동기로 출력하는 제2 비교기
를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 6,
Further comprising a drive signal output unit for outputting the on command and the off command,
The driving signal output unit
A second current sensing unit for sensing a current flowing to the semiconductor switch column,
A subtractor for calculating and outputting a difference between the current detected by the first current sensing unit and the current detected by the second current sensing unit, and
A subtracter for subtracting the reference current from the subtracter and outputting the on command or the off command to the gate driver according to the magnitude of the current outputted from the subtracter and the magnitude of the reference current,
Circuit breaker for high voltage direct current.
상기 구동 신호 출력부는,
상기 제2 전류 감지부와 상기 뺄셈기 사이에 연결되어 상기 제2 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제2 저역 필터부
를 더 포함하고,
상기 뺄셈기는 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 제2 저역 필터부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 상기 제2 비교기로 출력하는
고전압직류용 복합형 회로 차단기.8. The method of claim 7,
Wherein the drive signal output unit comprises:
And a second low-pass filter unit connected between the second current sensing unit and the subtracter and performing a delay operation of the detected current output from the second current sensing unit,
Further comprising:
The subtractor calculates the difference between the detected current output from the first low-pass filter unit and the current detected by the second low-pass filter unit and outputs the difference to the second comparator
Combined circuit breaker for high voltage DC.
전기접점형 주 스위치에 연동하여 상기 보조 스위치를 구동하는 보조 스위치 구동부를 더 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method according to claim 1 or 5,
Further comprising an auxiliary switch driver for driving the auxiliary switch in cooperation with the electrical contact type main switch.
상기 보조 스위치는,
상기 보조 스위치 구동부와 연결되어 상기 보조 스위치 구동부에서 인가되는 신호에 따라 자화 상태가 제어되는 릴레이 코일, 그리고
상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 일측 단자에 타측 단자가 연결되어 있으며 상기 릴레이 코일의 자화 여부에 따라 온 상태가 제어되는 릴레이 스위치
를 포함하고,
상기 보조 스위치 구동부는,
부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부, 그리고
상기 제1 전류 감지부에서 검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어. 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 릴레이 코일로 인가하는 제1 비교기
를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 9,
Wherein the auxiliary switch comprises:
A relay coil connected to the auxiliary switch driving unit and controlled in magnetization according to a signal applied from the auxiliary switch driving unit,
A relay switch having one terminal connected to one terminal of the electrical contact type main switch and the other terminal connected to one terminal of the capacitor and the ON state being controlled according to whether the relay coil is magnetized,
Lt; / RTI >
Wherein the auxiliary switch driver comprises:
A first current sensing part for sensing a load current, and
The load current and the reference current detected by the first current sensing unit are applied. A first comparator comparing a magnitude of the detected load current with a magnitude of the reference current and applying a signal of the corresponding state to the relay coil,
Circuit breaker for high voltage direct current.
상기 보조 스위치는,
상기 보조 스위치 구동부에 제어단이 연결되어 있고, 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 입력단이 연결되어 있으며 상기 커패시터의 일측 단자에 출력단이 연결되어 있는 반도체 스위치를 포함하고,
상기 보조 스위치 구동부는,
부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부,
상기 제1 전류 감지부에서 검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어, 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 반도체 스위치로 인가하는 제1 비교기, 그리고
상기 제1 비교기에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제어단으로 해당 상태의 게이트 전압을 출력하는 보조 스위치 구동기
를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.The method of claim 9,
Wherein the auxiliary switch comprises:
And a semiconductor switch having a control terminal connected to the auxiliary switch driving unit, an input terminal connected to one terminal of the electrical contact type main switch, and an output terminal connected to one terminal of the capacitor,
Wherein the auxiliary switch driver comprises:
A first current sensing unit for detecting a load current,
A first comparator for comparing a magnitude of the detected load current with a magnitude of the reference current and applying the load current and the reference current detected by the first current sensing unit to the semiconductor switch,
An auxiliary switch driver for amplifying a signal output from the first comparator and outputting a gate voltage of the corresponding state to the control terminal,
Circuit breaker for high voltage direct current.
상기 보조 스위치 구동부는 상기 제1 전류 감지부와 상기 제1 비교기 사이에 연결되어 상기 제1 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제1 저역 필터부
를 더 포함하고,
상기 제1 비교기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 기준 전류의 크기를 비교하는
고전압직류용 복합형 회로 차단기.11. The method of claim 10,
The auxiliary switch driving unit includes a first low-pass filter unit connected between the first current sensing unit and the first comparator and performing a delay operation of the detected current output from the first current sensing unit,
Further comprising:
The first comparator compares the detected current output from the first low-pass filter with the magnitude of the reference current
Combined circuit breaker for high voltage DC.
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