KR102126209B1 - 과전류 보호 전원 절체 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자를 포함하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 관한 것으로서, 제 1 스위칭 소자는 FET 양방향 스위치를 포함하고, 제 2 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치, SCR 스위치를 포함하고, 상기 FET 양방향 스위치는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결되며, 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

과전류 보호 전원 절체 스위치{Source transfer switch with overcurrent protection}
본 발명은 과전류 보호 전원 절체스위치에 관한 것으로, 반도체 제조 공정에서 공급되는 전원이 불안정한 경우 안정적인 다른 전원을 무순단으로 공급할 수 있도록 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 반도체 제조 공정 설비에 공급되는 무정전 전원 공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply System)의 출력 전원이 부하 측의 단락 사고에 의하여 불안정한 경우 과전류로부터 전원 절체 스위치를 보호하고 안정적인 예비전원을 무순단으로 공급하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 관한 것이다.
전력 계통에는 여러 가지 전력 품질 문제가 발생될 수 있는데, 이러한 전력 품질 문제는 반도체 제조 공정마다 작업 시간에 영향을 줄 수 있고, 이를 복구하는데 시간이 소요될 수 있으며, 반도체 제조 공정 설비가 멈추게 되면 반도체 제조 공정상의 반도체 웨이퍼 수만장이 오염되어 폐기될 수 있으므로 막대한 경제적 손실을 유발하게 된다.
일반적으로 반도체 제조 공정에서는 여러 가지 전력 품질 문제를 대비하기 위하여 복수의 전원을 공급받을 수 있도록 주전원과 예비전원을 구비하게 된다.
주전원과 예비전원은 무정전 전원 공급 장치 또는 한국전력의 변전소로부터 공급받을 수 있는데, 반도체 제조 공정에서는 좀 더 안정적인 전원 공급을 위하여 주전원을 무정전 전원 공급 장치로부터 공급받고, 예비전원은 한국전력의 변전소로부터 공급받을 수 있으며, 예비전원으로 무정전 전원 공급 장치를 추가적으로 더 연결할 수도 있다.
반도체 제조 공정에서는 공정 설비마다 PLC(Programmable logic controller)에 의한 제어동작이 이루어지는데, 상기 PLC로 공급되는 전원이 불안정한 경우 전원에 민감한 공정 설비의 최적화된 생산 조건이 영향을 받게 되므로, 이러한 영향을 받은 생산 조건이 다시 최적화되도록 상기 공정 설비의 재설정이 필요하다는 문제점이 있다.
주전원의 전원 공급이 불안정한 경우 반도체 제조 공정 설비의 최적화된 생산 조건이 영향을 받지 않도록 주전원의 전원 공급을 차단하고 안정적인 예비전원으로부터 전원 공급이 연결되도록 하기 위하여 전원 절체 스위치를 사용하고 있는데, 종래의 전원 절체 스위치는 릴레이 방식, 반도체 스위치 방식이 있다.
릴레이 방식 전원 절체 스위치는 기계적 절체 방식이라는 점에서 10ms 이상의 긴 시간을 필요로 하고, 반도체 제조 공정 설비에서 사용되고 있는 일반적인 반도체 스위치 방식 전원 절체 스위치는 실리콘 제어 정류소자(SCR: Silicon Controlled Rectifier)가 사용되고 있는데, SCR의 경우는 고속 절환이 가능하지만, 비동기 절체시에는 주전원이 차단되지 못하고 예비전원과 함께 양쪽이 동시에 연결되어 단락(short)되는 것을 방지하기 위하여 전류(轉流, commutation) 시간이 필요하므로, 10ms의 순간정전이 발생되고, 전류(轉流, commutation) 감지를 위한 부하전류 및 전압 검출 알고리즘이 필요하며, 시스템 제어 복잡성이 증대하여 평균 무고장 시간(MTBF: Mean Time Between Failure)이 저하된다는 문제점이 있다.
종래의 릴레이 방식 전원 절체 스위치 및 SCR을 사용하는 전원 절체 스위치와 비교하여 고속으로 동작하는 전원 절체 스위치로서 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 사용할 수 있는데, 부하단의 단락 사고시에는 부하단의 전류 피크치가 상승하게 되어 주전원을 차단하고 예비전원을 연결하는 경우 예비전원을 연결하기 위한 전원 절체 스위치에 과전류가 흐르게 된다.
그런데 MOSFET를 사용하는 전원 절체 스위치는 과전류가 흐르는 경우 소손되거나 MOSFET의 소스와 드레인이 단락되어 오프(Off) 동작이 되지 않는 경우가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2008-0104102호의 전원 절체 스위치는 SCR을 사용하는 스위치와 릴레이를 사용하는 스위치를 병렬 연결하여 구성함으로써 부하단의 단락 사고시 전원 절체 스위치가 소손되는 것을 방지할 수는 있으나, 주전원에서 보조전원으로 전환하는 경우 및 보조전원에서 주전원으로 전환하는 경우 모두 SCR 스위치와 릴레이 스위치의 연결 차단에 시간이 좀 더 필요하다는 점에서 스위칭 동작이 고속으로 이루어질 수 없다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2008-0101973호의 전원 절체 스위치는 MOSFET를 사용하는 스위치와 릴레이를 사용하는 스위치를 병렬 연결하여 구성함으로써 직류 전원을 절체하고 있으나, 직류 전원 연결을 위하여 MOSFET를 사용하는 스위치와 릴레이를 사용하는 스위치를 순차적으로 온 시키므로 고속 연결이 가능하지만 부하단의 전류 피크치가 상승한 상태에서 주전원에서 예비전원으로 전환하는 경우 MOSFET를 사용하는 스위치를 온 시키게 되면 MOSFET를 사용하는 스위치로 과전류가 흐르게 되어 MOSFET를 사용하는 스위치가 소손되거나 오프(Off) 동작이 되지 않는다는 문제점이 있고, 예비전원의 연결 차단을 하기 위하여 릴레이를 사용하는 스위치를 차단한 후 MOSFET를 사용하는 스위치를 차단해야 하므로 릴레이를 사용하는 스위치의 연결 차단에 시간이 좀 더 필요하다는 점에서 스위칭 동작이 고속으로 이루어질 수 없다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2008-0104102호 공개특허공보 제10-2008-0101973호
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 반도체 제조 공정 설비에 공급되는 무정전 전원 공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply System)의 출력 전원이 불안정한 경우 안정적인 예비전원을 무순단으로 공급하기 위하여 고속으로 동작 가능한 전원 절체 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 병렬로 연결된 복수의 부하 중 적어도 어느 하나의 부하에서 단락 사고가 발생하더라도 나머지 다른 부하에 안정적인 예비전원을 무순단으로 공급하기 위하여 고속으로 동작 가능한 전원 절체 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 병렬로 연결된 복수의 부하 중 적어도 어느 하나의 부하에서 단락 사고가 발생하여 과전류가 발생하더라도 예비전원을 무순단으로 공급하기 위하여 고속으로 동작 가능한 과전류 보호 전원 절체 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 비동기 절체시 주전원이 차단됨과 동시에 예비전원이 연결되므로 주전원과 예비전원이 서로 단락(short)되는 것을 방지하기 위하여 전류(轉流, commutation) 감지를 위한 부하전류 및 전압 검출 알고리즘이 필요 없으므로 시스템 제어 복잡성이 증대되는 것을 방지하고 이에 따라 평균 무고장 시간(MTBF: Mean Time Between Failure)이 저하되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 종래의 집중형 형태의 절체 스위치에서와는 달리, 반도체 공정 설비의 PLC 분전반 내의 전자접촉기의 정격전류 약 10 [A] 미만의 범위에서 분산형 형태의 절체스위치 방식으로 연결하는 초소형 고속 절체 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 자연대류 냉각방식에 의한 방열시스템을 채택함으로써 냉각팬을 제거하여 유지보수가 용이하도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 목적으로만 제한하지 아니하고, 위에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 기술적 과제는 이하 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여 이하의 구성을 포함한다.
본 발명은 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자를 포함하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 관한 것으로서, 제 1 스위칭 소자는 FET 양방향 스위치를 포함하고, 제 2 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치, SCR 스위치를 포함하고, 상기 FET 양방향 스위치는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결되며, 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 구동제어부는 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 스위칭 소자는 릴레이 스위치를 더 포함하여 상기 릴레이 스위치는 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치, SCR 스위치와 서로 병렬 연결되도록 하고, 상기 구동제어부는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 구동제어부는 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치와 릴레이 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치의 턴온이 유지되어 제 2 전원(Vin2)으로부터 출력 측으로 전원이 공급되고 있는 상태에서 제 1 전원(Vin1)이 소정의 시간 이상 동안 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되는 경우, 제 1 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치가 턴온되고 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치는 턴오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 스위칭 소자는 적어도 2개 이상을 구비하고, 하나의 제 1 스위칭 소자는 제 1 전원(Vin1)의 제 1 단자와 출력 측의 제 3 단자 사이에 연결되고, 다른 하나의 제 1 스위칭 소자는 제 1 전원(Vin1)의 제 2 단자와 출력 측의 제 4 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 스위칭 소자는 적어도 2개 이상을 구비하고, 하나의 제 2 스위칭 소자는 제 2 전원(Vin2)의 제 1 단자와 출력 측의 제 3 단자 사이에 연결되고, 다른 하나의 제 2 스위칭 소자는 제 2 전원(Vin2)의 제 2 단자와 출력 측의 제 4 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 구동제어부에는 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자로 동시에 온(On) 신호가 인가되는 것을 방지하는 인터록(Interlock) 회로가 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 제 1 스위칭 소자는 FET 양방향 스위치를 포함하며, 제 2 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치, SCR 스위치를 포함하고, 상기 FET 양방향 스위치는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결되는 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법에 관한 것으로서, 구동제어부는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 제 1 단계(S100); 상기 구동제어부는 제 1 단계(S100)에서 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 제 2 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 단계(S200)에서 FET 양방향 스위치의 턴온이 유지되어 제 2 전원(Vin2)으로부터 출력 측으로 전원이 공급되고 있는 상태에서 제 1 전원(Vin1)이 소정의 시간 이상 동안 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되는 경우, 제 1 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치가 턴온되고 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치는 턴오프되는 제 3 단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 스위칭 소자는 릴레이 스위치를 더 포함하여 상기 릴레이 스위치는 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치, SCR 스위치와 서로 병렬 연결되도록 하고, 제 1 단계(S100)에서 상기 구동제어부는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하고, 제 2 단계(S200)에서 상기 구동제어부는 제 1 단계(S100)에서 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치와 릴레이 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램일 수 있다.
본 발명은 반도체 제조 공정 설비에 공급되는 무정전 전원 공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply System)의 출력 전원이 불안정한 경우 안정적인 예비전원을 무순단으로 공급하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명은 병렬로 연결된 복수의 부하 중 적어도 어느 하나의 부하에서 단락 사고가 발생하더라도 나머지 다른 부하에 안정적인 예비전원을 무순단으로 공급하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 병렬로 연결된 복수의 부하 중 적어도 어느 하나의 부하에서 단락 사고가 발생하여 과전류가 발생하더라도 예비전원을 무순단으로 공급하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명은 비동기 절체시 주전원이 차단됨과 동시에 예비전원이 연결되므로 주전원과 예비전원이 서로 단락(short)되는 것을 방지하기 위하여 전류(轉流, commutation) 감지를 위한 부하전류 및 전압 검출 알고리즘이 필요 없으므로 시스템 제어 복잡성이 증대되는 것을 방지하고 이에 따라 평균 무고장 시간(MTBF: Mean Time Between Failure)이 저하되는 것을 방지하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반도체 공정 설비의 PLC 분전반 내의 전자접촉기의 정격전류 약 10 [A] 미만의 범위에서 분산형 형태의 절체스위치 방식으로 연결하는 초소형 고속 절체 스위치를 제공하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 자연대류 냉각방식에 의한 방열시스템을 채택하여 냉각팬을 제거하여 유지보수가 용이하도록 하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 의한 효과는 상기 효과로만 제한하지 아니하고, 위에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 효과는 이하 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 의하여 이중화 전원으로부터 부하 측으로 전력이 공급되는 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용되는 스위칭 소자의 일실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용되는 스위칭 소자의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 종래기술로서 SCR 스위치와 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 스위칭 소자를 도시한다.
도 5는 종래기술로서 FET 단방향 스위치와 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 스위칭 소자를 도시한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체적인 구성 및 작용에 대해 설명하기로 한다. 이러한 실시예는 예시적인 것으로서 본 발명의 구성 및 작용을 제한하지는 아니하고, 실시예에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 구성 및 작용도 이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있는 경우는 본 발명의 기술적 사상으로 볼 수 있을 것이다.
이하 발명의 구체적인 실시예에 따른 전체적인 구성 및 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 의하여 이중화 전원으로부터 부하 측으로 전력이 공급되는 구성을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 제 1 전원(Vin1)의 제 1 단자(1), 제 2 단자를 통하여 적어도 하나 이상의 전원 절체 스위치(100)가 연결되고, 제 2 전원(Vin2)의 제 1 단자(5), 제 2 단자(6)를 통하여 적어도 하나 이상의 전원 절체 스위치(200)가 연결되고, 구동제어부(300)와 인터록 회로(400)에 의하여 동작될 수 있다.
상기 복수의 전원 절체 스위치(100, 200)는 제 1 전원(Vin1) 또는 제 2 전원(Vin2)으로부터 출력전압(Vout)을 제 3 단자, 제 4 단자를 통하여 부하 측으로 공급하는데, 부하 측에는 복수의 부하가 병렬로 연결된다.
제 1 전원(Vin1)과 제 2 전원(Vin2)은 각각 주전원과 예비전원으로서 무정전 전원 공급장치(UPS: Uninterruptible Power Supply) 또는 한전 전원 중 어느 하나이고, 반도체 공장에서는 안정적인 전원 공급을 위하여 무정전 전원 공급장치를 주전원으로 연결하고 예비전원을 한전 전원으로 연결하는 경우가 일반적이며, 무정전 전원 공급장치를 추가적인 예비전원으로 연결하는 경우도 있다.
상기 무정전 전원 공급장치에는 수십 개의 전원 절체 스위치(100, 200)와 수십 개의 PLC가 연결될 수 있는데 상기 전원 절체 스위치(100, 200)는 소용량으로서 방열팬을 필요로 하지 않는 자연대류 냉각방식의 의한 방열시스템을 채택하는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명의 전원 절체 스위치(100, 200)는 반도체 공정 설비의 PLC 분전반 내의 전자접촉기의 정격전류인 약 10[A] 미만의 전류를 공급함으로써 분산형 형태의 초소형 전원 절체 스위치를 구성하여 방열팬을 제거함으로써 무소음 구동이 가능하고, 방열팬의 수명에 따른 방열팬의 교체가 필요없다는 점에서 유지보수가 용이하다.
종래의 집중형 형태의 대용량 전원 절체 스위치에서는, 방열팬의 수명으로 인하여 유지보수를 위해서 방열팬을 교체하려면 전원 절체 스위치의 동작이 정지되어야 하고, 이로 인하여 전원 공급이 차단된다는 점에서 반도체 공정 설비 역시 동작이 정지되어야 한다.
또한 종래의 집중형 형태의 대용량 전원 절체 스위치에서는, 방열팬이 교체되고 전원 절체 스위치의 동작이 시작되더라도 반도체 공정 설비의 생산 조건이 다시 최적화되도록 상기 공정 설비의 재설정이 필요하게 되고, 이를 위하여 수주일에 이를 수 있는 시간이 소요되므로, 방열팬의 교체를 위하여 반도체 공정 설비 역시 동작이 정지되어야 한다는 것은 막대한 경제적 손실을 유발할 수 있다.
한편, 본 발명의 전원 절체 스위치(100, 200)의 부하 측에는 복수의 반도체 공정 설비인 복수의 부하가 병렬로 연결되는 것이 일반적인데, 이러한 복수의 부하 중 어느 하나의 부하에 단락 사고가 발생하는 순간, 주전원인 무정전 전원공급장치의 전압이 강하되어 나머지 다른 부하에 공급되는 전원이 불안정하게 된다.
그런데 병렬로 연결된 복수의 부하들 중 어느 하나의 부하에 단락 사고가 발생하더라도 병렬로 연결된 나머지 부하들에는 안정적인 전원이 공급되어야 하는 경우가 있는데, 이러한 경우에 전압이 강하되어 불안정한 주전원의 연결을 차단하고 안정적인 예비전원을 연결하게 되면 이러한 연결을 위한 전원 절체 스위치에 과전류가 흐르게 된다.
도 4는 종래기술로서 SCR 스위치와 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 스위칭 소자를 도시한다.
도 4를 참조하면, SCR 스위치와 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 스위칭 소자는 부하단의 단락 사고시 스위칭 소자가 소손되는 것을 방지하면서 온(On) 동작이 고속으로 이루어질 수는 있으나, 릴레이 스위치의 오프(Off) 동작이 고속으로 이루어질 수 없다.
도 5는 종래기술로서 FET 단방향 스위치와 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 스위칭 소자를 도시한다.
도 5를 참조하면, FET 단방향 스위치와 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 스위칭 소자는 온(On) 동작이 고속으로 이루어질 수는 있으나, 부하단의 단락 사고시 FET 단방향 스위치가 소손되거나 단락될 수 있고, 릴레이 스위치의 오프(Off) 동작이 고속으로 이루어질 수 없다.
그러나 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치는 부하단의 단락 사고시 전원 절체 스위치가 소손되거나 단락되는 것을 방지하면서 온(On) 동작과 오프(Off) 동작이 고속으로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용되는 스위칭 소자의 일실시예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용되는 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치(210), SCR 스위치(220)를 포함하고, 상기 FET 양방향 스위치(210)는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결된다.
상기 SCR 스위치(220)도 양방향으로 도통이 가능하도록 2개의 SCR 다이리스터를 역방향 병렬로 연결하여 게이트 신호에 의하여 온(On) 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예는 도 2의 스위칭 소자를 도 1의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용하는 경우로서, 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자(100)와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자(200)를 포함하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 있어서, 제 1 스위칭 소자(100)는 FET 양방향 스위치(210)를 포함하고, 제 2 스위칭 소자(200)는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치(210), SCR 스위치(220)를 포함하고 있다.
상기 FET 양방향 스위치(210)는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결된다.
본 발명에서는, 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220), FET 양방향 스위치(210)가 순차적으로 턴온되도록 하는 구동제어부(300)를 포함한다.
제 1 전원(Vin1)이 주전원이고, 제 2 전원(Vin2)이 예비전원인 경우, 제 1 전원(Vin1)은 UPS 전원이고, 제 2 전원(Vin2)은 한전 전원일 수 있는데, 이러한 경우 제 1 스위칭 소자(100)는 FET 양방향 스위치만으로도 안정적인 동작이 이루어질 수 있다.
주전원인 제 1 전원(Vin1)이 공급되는 상황에서 출력전압(Vout)의 제 3 단자(3), 제 4 단자(4)에 병렬로 연결된 복수의 부하들 중에 어느 하나의 부하에서 단락 사고가 발생하게 되면 병렬로 연결된 다른 부하들에 공급되는 전원 전압이 떨어질 수 있으므로 주전원인 제 1 전원(Vin1)을 차단하고 예비전원인 제 2 전원(Vin2)을 공급하게 된다.
물론 단락 사고가 발생된 부하에서는 화재 등 2차적인 사고가 일어나지 않도록 조치가 이루어지지만, 이는 본 발명에서 다루는 부분이 아니고, 본 발명에서는 병렬로 연결된 어느 한 부하의 단락 사고에도 불구하고 병렬로 연결된 다른 부하들에는 부하의 특성상 안정적인 전원이 공급되어야 하는 경우이다.
UPS 전원의 경우 부하에서 단락 사고가 일어나면 용량의 한계 때문에 전압이 쉽게 강하될 수 있는데, UPS 전원에 비하여 한전 전원은 부하에서 단락 사고가 일어나더라도 전압이 쉽게 떨어지지는 않는다.
제 1 스위칭 소자(100)의 FET 양방향 스위치(210)는 오프(Off) 동작이 고속으로 이루어짐으로써 주전원인 제 1 전원(Vin1)을 고속으로 차단할 수 있고, 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220)는 온(On) 동작이 고속으로 이루어짐으로써 예비전원인 제 2 전원(Vin2)을 공급할 수 있다.
또한 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220)는 온(On) 동작이 고속으로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 부하측의 단락 사고에 의하여 흐를 수 있는 과전류에 의해서 소손되기 어렵다는 장점이 있다.
제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220)에 의하여 먼저 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고, 이어서 부하에 흐르는 과전류 및 단락전류에 의하여 연결이 끊어지거나 부하에 연결되어 사용되는 퓨즈나 차단기가 개방(open)되어 과전류 상태가 해제되면 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)가 턴온되며, 이후에는 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되어 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고 SCR 스위치(220)는 턴오프된다.
SCR 스위치(220)는 게이트 신호에 의하여 턴온 동작이 고속으로 이루어질 수 있으나 턴오프 동작은 고속으로 이루어지기 어려우므로, 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급을 차단하는 역할은 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)가 담당하게 된다. 즉 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되는 동안에 SCR 스위치(220)의 오프(Off) 동작은 고속으로 동작할 필요가 없는 것이다.
도 3은 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용되는 스위칭 소자의 다른 실시예를 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용되는 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치(210), SCR 스위치(220), 릴레이 스위치(230)를 포함하고, 상기 FET 양방향 스위치(210)는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결된다.
상기 SCR 스위치(220)도 양방향으로 도통이 가능하도록 2개의 SCR 다이리스터를 역방향 병렬로 연결하여 게이트 신호에 의하여 온(On) 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 릴레이 스위치(230)는 상기 SCR 스위치(220)에 비하여 허용전류의 용량이 크다는 점에서 보다 큰 과전류에 대비하기 위한 구성이다.
본 발명의 다른 실시예는 도 3의 스위칭 소자를 도 1의 과전류 보호 전원 절체 스위치에 사용하는 경우로서, 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자(100)와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자(200)를 포함하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 있어서, 제 1 스위칭 소자(100)는 FET 양방향 스위치(210)를 포함하고, 제 2 스위칭 소자(200)는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치(210), SCR 스위치(220), 릴레이 스위치(230)를 포함하고 있다.
상기 FET 양방향 스위치(210)는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결된다.
본 발명에서는, 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220), 릴레이 스위치(230), FET 양방향 스위치(210)가 순차적으로 턴온되도록 하는 구동제어부(300)를 포함한다.
제 1 스위칭 소자(100)의 FET 양방향 스위치(210)는 오프(Off) 동작이 고속으로 이루어짐으로써 주전원인 제 1 전원(Vin1)을 차단할 수 있고, 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220)는 온(On) 동작이 고속으로 이루어짐으로써 예비전원인 제 2 전원(Vin2)을 공급할 수 있다.
또한 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220)는 온(On) 동작이 고속으로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 부하 측의 단락 사고에 의하여 흐를 수 있는 과전류에 의해서 소손되기 어렵다는 장점이 있다.
상기 릴레이 스위치(230)는 상기 SCR 스위치(220)에 비하여 허용전류의 용량이 크다는 점에서 보다 큰 과전류에 대비할 수 있다는 장점이 있지만 고속 동작이 어렵다는 단점이 있으므로, 이를 고려하여 SCR 스위치(220)의 온(On) 동작이 고속으로 이루어진 후에 상기 릴레이 스위치(230)의 온(On) 동작이 이루어지게 된다.
결국 고속의 온(On) 동작은 상기 SCR 스위치(220)가 담당하도록 하고, 허용전류의 큰 용량은 상기 릴레이 스위치(230)가 담당하도록 하는 것이다.
제 2 스위칭 소자(200)의 상기 SCR 스위치(220)와 상기 릴레이 스위치(230)에 의하여 먼저 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고, 이어서 부하에 흐르는 과전류 및 단락전류에 의하여 연결이 끊어지거나 부하에 연결되어 사용되는 퓨즈나 차단기가 개방(open)되어 과전류 상태가 해제되면 제 2 스위칭 소자(200)의 상기 FET 양방향 스위치(210)가 턴온되며, 이후에는 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되어 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고 상기 SCR 스위치(220)와 상기 릴레이 스위치(230)는 턴오프된다.
상기 SCR 스위치(220)는 게이트 신호에 의하여 턴온 동작이 고속으로 이루어질 수 있으나 턴오프 동작은 고속으로 이루어지기 어려우며 상기 릴레이 스위치(230)도 허용전류의 용량은 크지만 턴오프 동작이 고속으로 이루어지기 어려우므로, 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급을 차단하는 턴오프 동작은 제 2 스위칭 소자(200)의 상기 FET 양방향 스위치(210)가 담당하게 된다. 즉 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되는 동안에 상기 SCR 스위치(220)와 상기 릴레이 스위치(230)의 오프(Off) 동작은 고속으로 동작할 필요가 없는 것이다.
결국 고속의 온(On) 동작은 상기 SCR 스위치(220)가 담당하도록 하고, 허용전류의 큰 용량은 상기 릴레이 스위치(230)가 담당하도록 하는 것이며, 고속의 오프(Off) 동작은 상기 FET 양방향 스위치(210)가 담당하도록 하게 된다.
상기 구동제어부(300)는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자(100)가 포함하는 FET 양방향 스위치(210)의 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호를 인가하고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자(200)에 동시에 온(On) 신호를 인가한다.
이때, 제 1 스위칭 소자(100)의 FET 양방향 스위치(210)의 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호를 인가한 후, 실제로 오프(Off) 되는데 약간의 지연시간이 필요하며, 이는 회로가 단락(short)되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)가 실제로 오프(Off)된 이후에 제 2 스위칭 소자(200)에 온(On) 신호를 인가하는 것이 바람직하며, 이러한 지연시간은 수 us에 불과하여 고속의 동작시간을 갖는 본 발명의 전원 절체 스위치에 있어서 무시할 수 있는 시간이다.
마찬가지로, 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 게이트에 오프(Off) 신호를 인가한 후, 실제로 오프(Off) 되는데 약간의 지연시간이 필요하다.
또한 제 1 스위칭 소자(100)와 제 2 스위칭 소자(200)에 동시에 온(On)신호가 인가되는 것을 방지할 수 있도록 상기 구동제어부(300)에는 인터록(Interlock) 회로(400)가 연결되는 것이 바람직하다.
도면에는 도시되어 있지 않지만 전원 감지부를 구비하여 제 1 전원(Vin1) 및 제 2 전원(Vin2)에 이상이 발생하는지를 모니터링하고, 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하고 제 2 전원(Vin2)에 이상이 없으면, 예를 들면, 제 1 전원(Vin1)에서 소정의 시간동안 소정의 순간전압강하가 발생하고 제 2 전원(Vin2)이 정상인 경우 제 1 전원(Vin1)으로부터 제 2 전원(Vin2)으로 절체 동작이 이루어진다.
부하 측에도 부하의 단락사고를 감지하기 위하여 전류 감지부를 구비하여 부하 측의 전류 피크치를 감지하는 것이 바람직하다.
또한 제 1 전원(Vin1)으로부터 제 2 전원(Vin2)으로 절체 동작이 이루어진 후, 소정의 시간동안 제 1 전원(Vin1)이 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되면 제 2 전원(Vin2)으로부터 제 1 전원(Vin1)으로 복귀하게 된다.
결국 본 발명은 이중화 전원을 연결하기 위한 것으로서 2개 이상의 이중화 전원 중 양질의 전원을 부하에 공급함으로써 전원의 변동에 민감한 반도체 공정 설비측에 안정적인 전원을 공급하게 된다.
본 발명의 제 1 스위칭 소자(100) 및 제 2 스위칭 소자(200)의 동작을 좀 더 구체적으로 설명하면, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)는 서로 역방향 직렬로 연결된 상태에서 동시에 온(On) 또는 오프(Off) 신호가 인가되고 있는바, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)가 동시에 도통되지는 않고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2) 각각의 소스와 드레인에 역방향 병렬로 연결되어 있는 다이오드(D1, D2)를 통하여 전원이 반도체 공정 설비측으로 인가되게 된다.
즉, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)는 서로 역방향 직렬로 연결된 상태에서 게이트에 동시에 온(On) 신호가 인가되고 교류 전원이 인가되는 상태에서 교류 전원인 제 1 전원(Vin1)이 (+)가 되면 제 1 반도체 스위치(Q1), 다이오드(D2)가 도통하여 제 1 전원(Vin1)이 단자 3(3) 및 단자 4(4)에 출력 전압(Vout)을 인가하고, 교류 전원인 제 1 전원(Vin1)이 (-)가 되면 다이오드(D1), 제 2 반도체 스위치(Q2)를 통하여 제 1 전원(Vin1)이 단자 3(3) 및 단자 4(4)에 출력 전압(Vout)을 인가하게 된다.
교류 전원인 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하지 않고 안정적인 전원 공급이 계속 이루어지는 경우 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)는 계속에서 온(On) 상태를 유지하여 스위칭 동작이 이루어지지 않으므로, 스위칭 동작에서 비롯되는 서지전압의 빈번한 발생 및 스위칭 동작과 용량성 부하에 인한 전압 포화 현상의 빈번한 발생이 방지될 수 있다.
상기 구동제어부(300)는 제 1 전원(Vin1)으로부터 반도체 공정 설비 측으로 공급되는 전원에 이상이 감지되는 경우 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220), FET 양방향 스위치(210)가 순차적으로 턴온되도록 하는 제 1 단계를 수행한다(S100).
상기 구동제어부(300)는 제 1 단계(S100)에서 제 2 스위칭 소자의(200) SCR 스위치(220), FET 양방향 스위치(210)가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치(220)는 턴오프되고 FET 양방향 스위치(210)는 턴온이 유지되도록 하는 제 2 단계를 수행한다(S200).
제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220)에 의하여 먼저 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고, 이어서 부하에 흐르는 과전류 및 단락전류에 의하여 연결이 끊어지거나 부하에 연결되어 사용되는 퓨즈나 차단기가 개방(open)되어 과전류 상태가 해제되면 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)가 턴온되며, 이후에는 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되어 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고 SCR 스위치(220)는 턴오프된다.
상기 구동제어부(300)는 제 2 단계(S200)에서 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되어 제 2 전원(Vin2)으로부터 출력 측으로 전원이 공급되고 있는 상태에서 제 1 전원(Vin1)이 소정의 시간 이상 동안 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되는 경우, 제 1 스위칭 소자(100)의 FET 양방향 스위치(210)가 턴온되고 이와 동시에 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)는 턴오프되는 제 3 단계를 수행한다(S300).
교류 전원인 제 1 전원(Vin1)으로부터 반도체 공정 설비 측으로 공급되는 전원이 차단되고, 교류전원인 제 2 전원(Vin2)으로부터 반도체 공정 설비 측으로 공급되는 전원이 연결된 후, 상기 구동제어부(300)는 교류 전원인 제 1 전원(Vin1)으로부터 반도체 공정 설비 측으로 공급되는 전원이 소정의 시간 이상 동안 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되는 경우 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 온(On) 신호를 인가하고, 이와 동시에, 제 2 스위칭 소자(200)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되도록 한다.
또한 본 발명의 제 2 스위칭 소자(200)는 릴레이 스위치(230)를 더 포함하여 상기 릴레이 스위치(230)는 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210), SCR 스위치(220)와 서로 병렬 연결되도록 할 수 있다.
본 발명의 제 2 스위칭 소자(200)가 릴레이 스위치(230)를 더 포함하는 경우, 제 1 단계(S100)에서 상기 구동제어부(300)는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치(220), 릴레이 스위치(230), FET 양방향 스위치(210)가 순차적으로 턴온되도록 하고, 제 2 단계(S200)에서 상기 구동제어부(300)는 제 1 단계(S100)에서 제 2 스위칭 소자(200)의 SCR 스위치(220), 릴레이 스위치(230), FET 양방향 스위치(210)가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치(220)와 릴레이 스위치(230)는 턴오프되고 FET 양방향 스위치(210)는 턴온이 유지되도록 하게 된다.
제 2 스위칭 소자(200)의 상기 SCR 스위치(220)와 상기 릴레이 스위치(230)에 의하여 먼저 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고, 이어서 부하에 흐르는 과전류 및 단락전류에 의하여 연결이 끊어지거나 부하에 연결되어 사용되는 퓨즈나 차단기가 개방(open)되어 과전류 상태가 해제되면 제 2 스위칭 소자(200)의 상기 FET 양방향 스위치(210)가 턴온되며, 이후에는 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)의 턴온이 유지되어 예비전원인 제 2 전원(Vin2)의 공급이 이루어지고 상기 SCR 스위치(220)와 상기 릴레이 스위치(230)는 턴오프된다.
본 발명에서는 제 1 스위칭 소자(100)의 제 1, 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 온(On) 신호가 인가되거나 동시에 오프(Off) 신호가 인가된다는 점에서 양방향으로 도통이 가능하므로 부하측에서 전원측으로 역조류의 문제가 발생할 수 있으나, 이러한 역조류를 방지하기 위한 구성은 일반적으로 전원 측에 별도로 마련하고 있으므로, 본 발명에서는 부하측으로부터 발생하는 역조류는 문제가 되지 않는다.
단지 본 발명에서는 제 1 전원(Vin1)과 제 2 전원(Vin2)이 동기화되지 아니한 상태에서 제 1 스위칭 소자(100)에 온(On) 신호를 인가하면서 동시에 제 2 스위칭 소자(200)에 오프(Off) 신호가 인가되는 경우, 지연성 부하가 연결되면 제 1 전원(Vin1)과 제 2 전원(Vin2)이 서로 단락되는 경우가 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제 1 스위칭 소자(100)를 적어도 2개 이상을 구비하고, 하나의 제 1 스위칭 소자(100)는 제 1 전원(Vin1)의 제 1 단자(1)와 반도체 공정 설비 측의 제 3 단자(3) 사이에 연결되고, 다른 하나의 제 1 스위칭 소자(100)는 제 1 전원(Vin1)의 제 2 단자(2)와 반도체 공정 설비 측의 제 4 단자(4) 사이에 연결되도록 한다.
제 2 스위칭 소자(200)도 적어도 2개 이상을 구비하고, 하나의 제 2 스위칭 소자(200)는 제 2 전원(Vin2)의 제 1 단자(5)와 반도체 공정 설비 측의 제 3 단자(3) 사이에 연결되고, 다른 하나의 제 2 스위칭 소자(200)는 제 2 전원(Vin2)의 제 2 단자(6)와 반도체 공정 설비 측의 제 4 단자(4) 사이에 연결되도록 한다.
결국 본 발명은 종래의 반도체 스위치 방식 전원 절체 스위치인 실리콘 제어 정류소자(SCR: Silicon Controlled Rectifier)를 사용하는 STS(Static Transfer Switches) 방식 전원 절체 스위치와 달리, 비동기 절체시에도 단락(short)되는 것을 방지하기 위한 전류(轉流, commutation) 시간이 필요 없게 되고, 이에 따라 전류(轉流, commutation) 감지를 위한 부하전류 및 전압 검출 알고리즘이 필요 없게 되며, 시스템 제어 복잡성이 저감하여 평균 무고장 시간(MTBF: Mean Time Between Failure)이 증대된다.
또한 본 발명에서는 제 1 전원(Vin1)과 제 2 전원(Vin2)이 동기화된 경우와 동기화되지 아니한 경우 모두 제 1 스위칭 소자(100)에 온(On) 신호를 인가하면서 동시에 제 2 스위칭 소자(200)에 오프(Off) 신호가 인가될 수 있다.
한편 본 발명에서는 제 1 스위칭 소자(100)와 제 2 스위칭 소자(200)에 사용되는 FET 양방향 스위치(210)의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성함으로써 게이트에 온(On) 신호와 오프(Off) 신호의 인가시 응답시간이 수 us 이하에서 동작 가능하므로, 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 오프(Off) 신호를 인가하면 수 us 이하의 응답시간 안에 즉각적으로 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)가 턴오프될 수 있다.
또한 본 발명에서는 제 1 스위칭 소자(100)와 제 2 스위칭 소자(200)의 FET 양방향 스위치(210)에 사용되는 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)를 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성함으로써, 비로소 제 1 스위칭 소자(100)의 게이트에 오프(Off) 신호를 인가함과 동시에 제 2 스위칭 소자(200)의 게이트에 온(On) 신호를 인가하는 절체 동작을 할 수 있고, 반대로 제 1 스위칭 소자(100)의 게이트에 온(On) 신호를 인가함과 동시에 제 2 스위칭 소자(200)의 게이트에 오프(Off) 신호를 인가하는 절체 동작을 할 수 있게 된다.
결국 고속의 오프(Off) 동작은 상기 FET 양방향 스위치(210)가 담당하도록 하고 고속의 온(On) 동작은 상기 SCR 스위치(220)가 담당하도록 하며, 허용전류의 큰 용량은 상기 SCR 스위치(220) 또는 상기 릴레이 스위치(230)가 담당하도록 함으로써, 본 발명의 전원 절체 스위치는 고속으로 동작하면서 과전류가 흐르더라도 안정적으로 동작할 수 있게 된다.
또한 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) 외에도 온(On) 및 오프(Off) 제어가 가능한 스위칭 특성을 갖는 전력용 반도체라면, 즉 게이트에 온(On) 신호와 오프(Off) 신호의 인가시 응답시간이 수 us 이하에서 동작 가능하다면 본 발명의 FET 양방향 스위치(210)에 사용할 수 있다.
또한 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성되는 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)에 각각 역방향 병렬로 다이오드(D1, D2)가 연결되어 있는데, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 경우에는 그 내부에 역방향 병렬로 연결된 기생다이오드가 이미 형성되어 있으므로, 이러한 기생다이오드를 상기 역방향 병렬로 연결되는 다이오드(D1, D2)로 동작하도록 할 수도 있다.
1, 2: 제 1 전원(Vin1)의 제 1 단자, 제 2 단자
3, 4: 출력전압(Vout)의 제 3 단자, 제 4 단자
5, 6: 제 2 전원(Vin2)의 제 1 단자, 제 2 단자
100: 제 1 스위칭 소자 200: 제 2 스위칭 소자
210: FET 양방향 스위 치 220: SCR 스위치
230: 릴레이 스위치 240: FET 단방향 스위치
300: 구동제어부 400: 인터록 회로
Q1: 제 1 반도체 스위치 Q2: 제 2 반도체 스위치
D1, D2: 다이오드

Claims (13)

  1. 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자를 포함하는 과전류 보호 전원 절체 스위치에 있어서,
    제 1 스위칭 소자는 FET 양방향 스위치를 포함하고,
    제 2 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치, SCR 스위치를 포함하고,
    상기 FET 양방향 스위치는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결되며,
    제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치를 먼저 턴온한 후 FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동제어부는 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 2 스위칭 소자는 릴레이 스위치를 더 포함하여 상기 릴레이 스위치는 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치, SCR 스위치와 서로 병렬 연결되도록 하고,
    상기 구동제어부는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동제어부는 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치와 릴레이 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치의 턴온이 유지되어 제 2 전원(Vin2)으로부터 출력 측으로 전원이 공급되고 있는 상태에서 제 1 전원(Vin1)이 소정의 시간 이상 동안 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되는 경우, 제 1 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치가 턴온되고 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치는 턴오프되는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 1 스위칭 소자는 적어도 2개 이상을 구비하고,
    하나의 제 1 스위칭 소자는 제 1 전원(Vin1)의 제 1 단자와 출력 측의 제 3 단자 사이에 연결되고,
    다른 하나의 제 1 스위칭 소자는 제 1 전원(Vin1)의 제 2 단자와 출력 측의 제 4 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 2 스위칭 소자는 적어도 2개 이상을 구비하고,
    하나의 제 2 스위칭 소자는 제 2 전원(Vin2)의 제 1 단자와 출력 측의 제 3 단자 사이에 연결되고,
    다른 하나의 제 2 스위칭 소자는 제 2 전원(Vin2)의 제 2 단자와 출력 측의 제 4 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동제어부에는 제 1 스위칭 소자와 제 2 스위칭 소자로 동시에 온(On) 신호가 인가되는 것을 방지하는 인터록(Interlock) 회로가 연결되는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치.
  10. 제 1 전원(Vin1)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 전원(Vin2)으로부터 공급되는 전원을 무순단으로 공급할 수 있는 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 제 1 스위칭 소자는 FET 양방향 스위치를 포함하며, 제 2 스위칭 소자는 서로 병렬 연결되는 FET 양방향 스위치, SCR 스위치를 포함하고, 상기 FET 양방향 스위치는 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)를 포함하고, 제 1 반도체 스위치(Q1)의 소스와 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스가 서로 연결되고, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 2 반도체 스위치(Q2)의 소스와 드레인에는 각각 다이오드(D1, D2)가 역방향 병렬로 연결되는 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법에 있어서,
    구동제어부는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하는 제 1 단계(S100);
    상기 구동제어부는 제 1 단계(S100)에서 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 제 2 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제 2 단계(S200)에서 FET 양방향 스위치의 턴온이 유지되어 제 2 전원(Vin2)으로부터 출력 측으로 전원이 공급되고 있는 상태에서 제 1 전원(Vin1)이 소정의 시간 이상 동안 정상이거나 과전류가 해제됨이 감지되는 경우, 제 1 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치가 턴온되고 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치는 턴오프되는 제 3 단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 2 스위칭 소자는 릴레이 스위치를 더 포함하여 상기 릴레이 스위치는 제 2 스위칭 소자의 FET 양방향 스위치, SCR 스위치와 서로 병렬 연결되도록 하고,
    제 1 단계(S100)에서 상기 구동제어부는 제 1 전원(Vin1)에 이상이 발생하면 제 1 스위칭 소자의 제 1 및 제 2 반도체 스위치(Q1, Q2)의 게이트에 동시에 오프(Off) 신호가 인가되고, 이와 동시에 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온되도록 하고,
    제 2 단계(S200)에서 상기 구동제어부는 제 1 단계(S100)에서 제 2 스위칭 소자의 SCR 스위치, 릴레이 스위치, FET 양방향 스위치가 순차적으로 턴온된 후, SCR 스위치와 릴레이 스위치는 턴오프되고 FET 양방향 스위치는 턴온이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 과전류 보호 전원 절체 스위치의 스위칭 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
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