KR102187348B1 - 직류 고전압용 하이브리드 개폐기 - Google Patents

직류 고전압용 하이브리드 개폐기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류 고전압용 하이브리드 개폐기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)로서, 전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100), 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200) 및 상기 병렬로 연결된 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(200)와 상기 전원(10) 또는 상기 부하(20) 사이에 직렬로 연결되는 제2 기계식 스위치(300)를 포함하여 구성되며, 전원 공급 제어시, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 턴 온(turn on)된 후, 상기 반도체 스위치(200), 제1 기계식 스위치(100) 순으로 각각 소정의 시간차이를 두고 턴 온(turn on)되는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기에 관한 것이다.

Description

직류 고전압용 하이브리드 개폐기 {Hybrid contactor for direct current high voltage}
본 발명은 직류 고전압용 하이브리드 개폐기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계식 스위치와 반도체 스위치(200)를 구성하여 상호 단점을 보완할 수 있는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기에 관한 것이다.
직류 고전압용 개폐기는 주로 대용량 고전압 배터리 장치에 구비되어, 고전압 배터리와 부하 사이에 위치하여 그 연결을 담당하는 장치이다.
대용량 고전압 배터리 장치는 일반적으로 ESS 또는 EV와 같이, 수십 kw 이상의 배터리 시스템을 의미하며, 750VDC, 100AH 이상의 에너지 용량을 충/방전하는 시스템을 말한다.
이러한 대용량 고전압 배터리 장치에 구비되는 직류 고전압용 개폐기로, 기계식 릴레이만을 구비할 경우, 기계식 이동 접점을 가동하므로, 기계적 마모 또는 고장으로 수명이 짧을 뿐 아니라, 스위칭 동작이 이루어질 때, 아크 발생으로 인해 강력한 노이즈가 발생하게 된다.
뿐만 아니라, 외부에서 발생하는 충격이나 진동 등으로 인해 접점이 강제로 분리되는 문제점이 발생할 수 있으며, 직류 전류가 통전 중에 차단 동작이 이루어지게 될 경우, 아크 방전이 일어나 발열 또는 발화 가능성이 매우 높은 문제점이 있다.
특히, 아크가 심하게 발생되어 접점에 융착이 발생될 경우, 전력 차단 기능을 상실하게 되는 등의 대형 사고가 발생하게 되는 문제점이 있다.
더불어, 전자식 릴레이 즉, 반도체 릴레이를 구비할 경우, 고전압용 반도체 릴레이의 경우, 연결시 내부 저항이 상대적으로 크기 때문에 열이 발생하여 고온에 취약한 반도체를 보호하기 위하여 별도의 냉각 수단이 부가되어야 하는 단점이 있다.
또한, 보편적으로, 반도체 소자의 내전압이 기계식 접점보다 낮으며, 필연적으로 OFF 시에 소량의 누설 전류가 발생하기 때문에, 이로 인해 배터리에 저장된 에너지를 소모시키고 심할 경우 감전 사고가 발생하게 되는 문제점이 있다.
이에 따라 종래에는, 하이브리드 개폐기를 통해서, 기계식 릴레이와 반도체 릴레이를 병렬로 구성하여 상호 단점을 보완하고 있다.
이 경우, 기계식 릴레이의 접점에서 아크 발생을 억제할 수 있어, 접점 보호 및 수명을 연장시킬 수 있을 뿐 아니라, 반도체 스위치의 발열을 방지할 수 있어 별도의 냉각 수단의 구성이 필요치 않기 때문에, 소형화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기계식 릴레이 접점에서 아크가 발생하지 않기 때문에, 기계식 릴레이의 구조를 단순화할 수 있어, 전체적으로 하이브리드 개폐기 자체의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.
그렇지만, 기계식 릴레이와 반도체 릴레이가 병렬로 구성되어 있기 때문에, OFF시, 반도체 릴레이의 단점인 내전압과 누설 전류에 취약한 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 외부에서 낙뢰 등에 의한 고전압이 인가될 경우, 반도체 릴레이가 오프된 상태에서 반도체 스위치 내전압 범위를 벗어나게 되면, 반도체가 파손되어 쇼트 발생으로 인해 이 역시 전력 차단 기능을 상실하게 되는 등의 대형 사고가 발생하게 되는 문제점이 있다.
이와 관련해서, 국내등록특허 제10-1369032호("하이브리드 릴레이")에서는 반도체 스위치가 고열이 되는 것을 방지할 수 있는 하이브리드 릴레이를 개시하고 있다.
국내등록특허 제10-1369032호(등록일자 2014.02.24.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기계식 스위치와 반도체 스위치(200)를 구성하여 상호 단점을 보완할 수 있는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기는, 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)로서, 전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100), 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200) 및 상기 병렬로 연결된 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(200)와 상기 전원(10) 또는 상기 부하(20) 사이에 직렬로 연결되는 제2 기계식 스위치(300)를 포함하여 구성되며, 전원 공급 제어시, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 턴 온(turn on)된 후, 상기 반도체 스위치(200), 제1 기계식 스위치(100) 순으로 각각 소정의 시간차이를 두고 턴 온(turn on)되는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 전원 공급 차단 제어시, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는지 여부를 확인하고, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키며, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있지 않은 경우 또는 급전로에 전류가 흐르고 있지 않은 경우, 상기 반도체 스위치(200)를 턴 온시킨 후 소정의 시간 후에 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키고, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 턴 오프후 소정의 시간 후에 상기 반도체 스위치(200)를 턴 오프(turn off)시킨 후, 제 2 기계식 스위치(300)를 턴 오프시키는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 고장 진단을 위한 테스트 전원을 공급하는 테스트 전원 공급부(400), 공급되는 테스트 전원에 의해 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서부(500) 및 상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작 상태를 제어하며, 상기 전류 센서부(500)로부터 전달받은 센싱값을 이용하여 스위치의 고장을 진단하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 테스트 전원 공급부(400)는 상기 제2 기계식 스위치(300)의 양단에 병렬 연결되어, 상기 제어부에서 상기 제2 기계식 스위치(300)의 고장을 진단하거나, 상기 반도체 스위치(200)의 양단에 병렬 연결되어, 상기 제어부에서 상기 제1 기계식 스위치(300) 또는 상기 반도체 스위치(200)의 고장을 진단하되, 상기 제1 기계식 스위치(300) 또는 상기 반도체 스위치(200)의 고장 진단시, 상기 제1 기계식 스위치(300)의 동작 상태를 임의로 온/오프 제어하면서 상기 전류 센서부(500)의 측정 전류를 모니터링하여, 상기 제1 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 고장을 진단하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기는, 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)로서, 전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100), 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200) 및 상기 반도체 스위치(200)와 직렬 연결되는 제2 기계식 스위치(300)를 포함하여 구성되며, 전원 공급 제어시, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 턴 온(turn on)된 후, 상기 반도체 스위치(200), 제1 기계식 스위치(100) 순으로 각각 소정의 시간차이를 두고 턴 온되는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 전원 공급 차단 제어시, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는지 여부를 확인하고, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키며, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있지 않은 경우 또는 급전로에 전류가 흐르고 있지 않은 경우, 상기 반도체 스위치(200)를 턴 온시킨 후 소정의 시간 후에 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키고, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 턴 오프후 소정의 시간 후에 상기 반도체 스위치(200)를 턴 오프(turn off)시킨 후, 제 2 기계식 스위치(300)를 턴 오프시키는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 고장 진단을 위한 테스트 전원을 공급하는 테스트 전원 공급부(400), 공급되는 테스트 전원에 의해 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서부(500) 및 상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작 상태를 제어하며, 상기 전류 센서부(500)로부터 전달받은 센싱값을 이용하여 스위치의 고장을 진단하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 테스트 전원 공급부(400)는 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되어, 상기 제어부에서 상기 제1 기계식 스위치(100)의 고장을 진단하거나, 상기 테스트 전원 공급부(400)의 일단은 상기 반도체 스위치(200)의 일단에 병렬 연결되고, 상기 테스트 전원 공급부(400)의 타단은 상기 제2 기계식 스위치(300)의 타단에 병렬 연결되어, 상기 제어부에서 상기 반도체 스위치(200) 또는 상기 제2 기계식 스위치(300)의 고장 상태를 진단하되, 상기 반도체 스위치(200) 또는 상기 제2 기계식 스위치(300)의 고장 감지시, 상기 제2 기계식 스위치(300)의 동작 상태를 임의로의 온/오프 제어하면서 상기 전류 센서부(500)의 측정 전류를 모니터링하여, 상기 반도체 스위치(200) 및 제2 기계식 스위치(300)의 고장을 진단하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 직류 고전압용 하이브리드 개폐기는, 종래의 하이브리드 개폐기에 직렬로 기계식 스위치를 추가 구비함으로써, 상술한 종래의 하이브리드 개폐기의 단점을 보완할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 전원 턴 오프(turn off)시 기계식 접점을 하나 더 분리함으로써, 회로를 완전히 차단할 수 있어, 누설전류 자체를 근본적으로 차단할 수 있어 2차 사고를 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기의 타이밍 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기의 구성을 나타낸 예시도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 직류 고전압용 하이브리드 개폐기를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
종래의 하이브리드 개폐기는 기계식 릴레이와 반도체 릴레이를 결합하여, 기계식 접점의 아크를 제어하는 기술로서, 접점에서 발생하는 아크를 제어하여 접점의 성능을 극대화할 수 있다.
그렇지만, 접점이 붙는 시점에서, 기계적 반발력과 진동으로 인해 체터링 현상이 발생할 수 있어, 이 때 집중적으로 아크가 발생하여 접점의 온도가 급격히 상승하고 이에 따른 접점 융착이 발생할 가능성이 높아지게 된다. 또한, 통상적으로 직류 전류가 흐르는 회로의 경우, 차단이 일어날 때 가장 취약하게 된다. 이에 따라, 접점이 떨어지는 시점에서, 접점이 떨어지는 순간 미소한 간격이 발생할 때, 절연 파괴 현상이 발생하여 아크 방전이 일어나게 되고, 이 때 발생한 강력한 열 전자가 접점이 멀어진 상태에서도 지속적으로 방전이 일어날 경우(플라즈마 방전 또는 코로나 방전 현상의 일종), 이로 인해 발화 또는 폭발이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 그렇기 때문에, 아크가 발생하는 시점에 반도체 릴레이를 통해 전류가 흐르게 할 경우, 기계식 접점의 아크를 통제할 수 있게 된다.
그렇지만, 그럼에도 불구하고, 반도체 릴레이의 단점인 내전압과 누설 전류에 취약한 문제점으로 인해, 외부에서 낙뢰 등에 의한 고전압이 인가될 경우, 반도체 릴레이가 오프된 상태에서 반도체 스위치 내전압 범위를 벗어나게 되면, 반도체가 파손되어 쇼트 발생으로 인해 이 역시 전력 차단 기능을 상실하게 되는 등의 대형 사고가 발생하게 되는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기는 종래의 하이브리드 개폐기에 직렬로 기계식 스위치를 추가 구비함으로써, 상술한 종래의 하이브리드 개폐기의 단점을 보완할 수 있으며, OFF시 기계식 접점을 하나 더 분리함으로써, 회로를 완전히 차단할 수 있어, 누설전류 자체를 근본적으로 차단할 수 있어 2차 사고를 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 구성 예시도이며, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 구성 예시도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 타이밍 예시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 상세하게 설명한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100)와, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200) 및 상기 제1 기계식 스위치(100)와 직렬 연결되는 제2 기계식 스위치(300)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 제1 기계식 스위치(100)와 상기 제2 기계식 스위치(300)는 직렬 연결되고, 상기 반도체 스위치(200)는 상기 제1 기계식 스위치(100)와만 병렬 연결되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제2 기계식 스위치(300)는 병렬로 연결된 상기 제1 기계식 스위치(100) 및 상기 반도체 스위치(200)와 상기 전원(10) 또는 상기 부하(20) 사이에 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100)와, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200) 및 상기 반도체 스위치(200)와 직렬 연결되는 제2 기계식 스위치(300)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 제1 실시예에 따른 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)와 상기 제2 실시예에 따른 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 전원(10)으로부터 부하(20)로 공급되는 급전로 사이에 연결되어 있는 스위치의 위치가 다소 상이하지만, 각 스위치의 역할, 동작이 동일하기 때문에, 동일한 부호로 설명하도록 한다.
여기서, 상기 전원(10)은 배터리, 커패시터, 계통 전원, 보터, 발전기 등과 같이, 전력을 공급하거나 입력받을 수 있는 에너지 원일 수 있다. 상기 부하(20)는 저항 부하, 인덕턴스 부하, 커패시턴스 부하, 모터, 발전기 등 특별히 제한받지 않는다. 즉, 상기 전원(10)과 부하(20)는 전원(10)에서 부하(20)로 일방향으로 에너지가 전달될 수도 있고, 회생 에너지 등 부하(20)에서 전원(10)으로 에너지가 전달될 수도 있다.
더불어, 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300)는 기계식 전자 개폐기(릴레이)를 의미하며, 상기 반도체 스위치(200)는 SSR(Solid State Relay)를 의미하며, IGBT type SSR, Thyristor type SSR 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 전체 스위치의 오프상태에서 견뎌야 되는 높은 내압을 제2 기계식 스위치(300)를 통해서 감당할 수 있기 때문에, 다시 말하자면, 전체 스위치가 오프되어 있는 상태에서는, 기계식 스위치는 내압이 높으나 반도체 스위치는 상대적으로 작은 내압으로 인해, 외부에서 낙뢰 등에 의해 고전압이 인가될 경우, 반도체 스위치의 내전압 범위를 넘어서게 되면 반도체가 파손에 의해 쇼트되어 차단 불가 상태가 될 수 있으나, 기계식 접점을 추가하여, 높은 내전압을 견딜 수 있도록 함으로써, 상술한 문제점을 해소할 수 있다.
이러한 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 통한 전원 공급의 동작에 대해서, 도 3 및 도 4의 타이밍 예시도를 참조하여 설명한다.
상기 부하(20)로 전력을 공급해서 동작을 시키는 경우, 다시 말하자면, 제어부(미도시)에 의한 전원공급 요구에 기초하여, 상기 전원(10)으로부터 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 거쳐서 상기 부하(20)를 온 할 경우, 먼저, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 턴 온(turn on)된 후, 상기 반도체 스위치(200), 제1 기계식 스위치(100) 순으로 각각 소정의 시간차이를 두고 도통시키는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 먼저 도통됨으로써, 높은 내전압으로 인해 접점에 무리가 발생하지 않는다. 이 후, 상기 반도체 스위치(200)를 도통시키면 아크없이 급전로가 연결되게 된다. 이 경우, 전류가 이미 경로(급전로)에 상기 반도체 스위치(200)를 통해서 흐르고 있기 때문에, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 도통시키더라도 아크 발생이 일어나지 않게 된다.
이 때, 상기 제2 기계식 스위치(300)의 턴 온 지령 시점(t1)과 상기 반도체 스위치(200)의 턴 온 지령 시점(t2) 간 시간 간격을 T12라 하고, 상기 반도체 스위치(200)의 턴 온 지령 시점(t2)과 상기 제1 기계식 스위치(100)의 턴 온 지령 시점(t3) 간 시간 간격을 T23이라 할 때, T12>1ms, T23>1us 인 것이 바람직하다.
그 이유는, 기계식 스위치의 접점은 열화에 따라 접촉 힘이 약해지고, 접점이 바운싱되는 현상이 더 많이 일어나는 것을 고려할 때, T12>1ms로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 반도체 스위치의 턴 온 시간을 고려할 때, T23>1us인 것이 바람직한데, 급전선의 기생 인덕턴스 등에 의해 반도체 스위치의 실질적인 도통시간이 길어질 수 있는 점에서, T23>10ms 인 것이 더욱 바람직하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 제어부가, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 사용 시간, 턴 온 또는 턴 오프 횟수 중 적어도 하나를 포함하는 개폐기의 사용정보를 저장하고, 상기 사용정보를 기초로 T12를 설정할 수 있다. 다시 말하자면, 저장된 개폐기 사용시간이 더 길거나, 턴 온 또는 턴 오프 횟수가 많을수록, T12가 길어지도록 상기 반도체 스위치(200)의 턴 온 지령 시점(동작)을 제어할 수 있다.
또한, 전원 공급 제어시, 급전로에 흐르는 전류의 기울기 값, 전원과 부하의 전압 차이 중 적어도 하나를 기초로 T23을 설정할 수도 있다. 즉, 급전로에 흐르는 전류의 기울기가 크면 T23가 작도록, 전류의 기울기가 작으면 T23가 크도록 상기 제1 기계식 스위치(100)의 턴 온 지령 시점을 제어할 수 있다.
이와 반대로, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 통한 전원 공급 차단의 동작에 대해서, 도 3 및 도 4의 타이밍 예시도를 참조하여 설명한다.
상기 전원(10)으로부터 상기 부하(20)로의 전원 차단 등에서 전력 공급을 차단할 경우, 다시 말하자면, 상기 제어부에 의한 전원공급 차단 요구에 기초하여, 상기 전원(10)에서 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 거쳐서 상기 부하(20)를 오프할 경우, 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는지 여부를 확인하여, 급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키는 것이 바람직하다.
더불어, 급전류에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있지 않은 경우, 또는, 급전로에 전류가 흐르고 있지 않은 경우, 상기 반도체 스위치(200)를 턴 온시킨 후, 소정의 시간 후에 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프시키고, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 턴 오프 후, 소정의 시간 후에 상기 반도체 스위치(200)를 턴 오프시키고, 상기 제2 기계식 스위치(300)를 턴 오프시키는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 반도체 스위치(200)의 도통 여부는, 상기 제어부에 의한 상기 반도체 스위치(200)로의 제어 지령 신호를 기초로 판단하거나, 상기 반도체 스위치(200)를 통해서 흐르는 전류를 측정하여 판단할 수도 있다.
더불어, 급전로에 전류가 흐르고 있지 않은 경우, 곧바로 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프시킬 수도 있다.
그렇지만, 급전로의 전류센서 고장 또는 전류센서와 제어부 간 연결라인 단선, 단락 등의 문제로 급전로에 흐르는 전류값을 신뢰할 수 없는 경우를 고려할 때, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프시키기 전에, 상기 반도세 스위치(200)를 턴 온하여 상기 제1 기계식 스위치(100)의 접점에서 아크가 생기는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
더불어, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 어느 하나의 스위치에 고장(쇼트 등)이 발생 시, 정상적인 동작 수행이 이루어지지 않고 결국 차단 불가 상태가 될 수 있기 때문에, 각각의 스위치에 대한 고장 진단을 수행하는 테스트 전원 공급부(400) 및 전류 센서부(500)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 테스트 전원 공급부(400) 및 전류 센서부(500)는 상기 제어부에 의해 동작이 제어되는 것이 바람직하며, 상세하게는, 상기 제어부는 상기 테스트 전원 공급부(400)의 전원 공급 상태를 제어하며, 상기 전류 센서부(500)로부터 전달받은 센싱값을 이용하여 해당하는 스위치의 고장을 진단할 수 있다.
상기 테스트 전원 공급부(400)는 스위치 수단을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 제어부는 상기 스위치 수단의 온/오프 동작을 제어하여, 상기 테스트 전원 공급부(400)에 의한 전원 공급 상태를 제어할 수 있다.
상기 전류 센서부(500)는 상기 전원(10)과 상기 부하(20) 간 흐르는 전류를 측정하는 것이 바람직하다.
도 5 및 도 6은 고장 진단을 수행할 수 있는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 구성 예시도이다.
이 때, 도 5 및 도 6에는 두 개의 상기 테스트 전원 공급부(400)가 도시되어 있으나, 이는 용이한 설명을 위한 실시예일 뿐, 실제로는 두 개의 상기 테스트 전원 공급부(400)가 각각 구비되거나, 하나의 상기 테스트 전원 공급부(400)를 필요한 위치에 각각 연결하여 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)의 상기 제어부는 스위치의 고장을 진단하기 위해 상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작을 제어하기 앞서서, 상기 전류 센서부(500)로부터 전달받은 센싱값을 이용하여, 전류가 흐르지 않음을 확인한 후, 스위치의 고장을 진단하기 위한 동작을 수행하는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 테스트 전원 공급부(400)에 포함되어 있는 스위치 수단을 이용하여 상기 테스트 전원 공급부(400)에 의한 전원 공급 상태를 제어함에 있어서, 도통상태일 경우, 상기 스위치 수단 자체가 고장날 위험이 매우 높기 때문에, 상기 전류 센서부(500)를 통해서 비도통 상태임을 확인한 후, 상기 테스트 전원 공급부(400)의 전원 공급 상태를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전원(10)측 전압을 측정하는 제1 전압센서(미도시)와 부하(20)측 전압을 측정하는 제2 전압센서(미도시) 및 상기 전원(10)과 상기 부하(20) 간 흐르는 전류를 측정하는 상기 전류 센서부(500)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 테스트 전원 공급부(400)는 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나에 선택적으로 병렬로 접속되어 테스트 전원을 인가하는 것이 바람직하다.
이 때, 테스트 전원으로 고주파 테스트 전원을 인가할 수 있으며, 이를 통해서 부하에 일반적인 DC 전류가 흐를 때에도 테스트를 수행할 수 있다.
더불어, 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정기(미도시)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이를 통해서, 상기 제어부는 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 제어 신호인 스위치 제어 신호와, 상기 제1 전압센서, 제2 전압센서 및 전류 센서부(500) 중 적어도 하나의 측정 신호인 센서 출력 정보를 기초하여, 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 고장 여부를 일차적으로 진단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 일차적으로 판단한 결과, 상기 스위치 제어 신호 및 센서 출력 정보 중 적어도 하나를 기초로, 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)중 적어도 하나에 테스트 전원이 병렬로 연결되도록 상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작 상태를 제어하고, 상기 테스트 전원 공급부(400)로부터 수신하는 상기 테스트 전원의 전류 상태 정보(일 예를 들자면, 전류가 흐르지 않거나, 출력이 단락되어 전류가 제한되었는지 여부)를 기초로 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 고장 여부를 이차적으로 판단할 수 있다.
먼저, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 통해서 전원 공급 동작이 수행되는 과정에서의 고장 진단을 수행하는 경우에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 제어 신호가 모두 오프(Off) 상태이고, 부하단 전류가 '0'이 아닌 경우에는, 상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작 없이도 상기 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(300)중 적어도 하나의 융착 및 상기 제2 기계식 스위치(300)의 융착 여부를 진단할 수 있다.
또한, 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 제어 신호가 모두 오프(off) 상태이고, 부하단 전류가 '0'인 경우에는, 상기 테스트 전원 공급부(400)를 상기 제2 기계식 스위치(300)에 병렬로 연결하고, 테스트 전원을 인가함으로써, 테스트 전원의 전류의 절대값이 소정 값보다 큰 경우, 상기 제2 기계식 스위치(300)의 융착을 진단할 수 있다.
이 때, 테스트 전원이란 소정의 주파수를 갖는 교류인 것이 바람직하다. 상기 소정의 주파수는 전원(10)과 부하(20) 사이에 흐르는 전류의 주파수를 기초로 해당 주파수와 다른 소정의 값으로 설정될 수 있다. 그로 인하여, 전원(10)과 부하(20) 사이에 전류가 흐르는 모드에서도 테스트 전원 공급부(400)에 의해서 흐르는 전류를 감지할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 상기와 같이 서로 다른 주파수 성분을 인가 함으로써, 전원(10)과 부하(20) 사이에 구비된 전류센서를 이용해서 상기 테스트 전원 공급부(400)에 의해서 유발되는 전류의 흐름 여부를 판단할 수 있는 경우도 있다.
또한, 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 제어 신호가 모두 오프(off) 상태이고, 부하단 전류가 '0'인 경우에는, 상기 테스트 전원 공급부(400)를 상기 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(200)에 병렬로 연결하고, 테스트 전원을 인가함으로써, 테스트 전원의 전류의 절대값이 소정 값보다 큰 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100) 및 상기 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 융착을 일차적으로 진단할 수 있다.
이러한 동작 특성을 하기의 표 1로 정리할 수 있다.
스위치 상태 테스트 전원의 전류 측정 결과

제1기계식스위치
제2기계식스위치
반도체 스위치		 테스트 전원을 제1 기계식 스위치에 병렬로 연결시 (A) 테스트 전원을 제2 기계식 스위치에 병렬로 연결시(B) 테스트 전원을 반도체 스위치에 병렬로 연결시(C)
융착 정상　 정상 1(전류 흐름) 0 (전류 흐르지 않음) 0
정상 융착 정상 0 1 0
정상 정상 융착 0 0 1
융착 융착 정상 1 1 1
융착 정상 융착 1 0 1
정상 융착 융착 1 1 1
융착 융착 융착 1 1 1
즉, 상기 표 1에 기재된 바와 같이, 테스트 전원의 전류 측정결과인 A, B, C 모두에 전류가 흐르면, 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300), 또는, 제2 기계식 스위치(300), 반도체 스위치(200) 또는, 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 융착을 진단할 수 있다.
또한, 테스트 전원의 전류 측정결과인 A, B, C 중 어느 하나에만 전류가 흐를 경우, 해당하는 스위치(테스트 전원 공급부가 병렬 연결되어 있는 스위치)의 융착을 진단할 수 있으며, 테스트 전원의 전류 측정결과 중 A, C에는 전류가 흐르고, B에는 전류가 흐르지 않을 경우, 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(200)의 융착을 진단할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 통해서 전원 공급 동작이 수행되는 과정에서의 고장 진단을 수행하는 경우에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 제어 신호가 모두 오프(off) 상태이고, 부하단 전류가 '0'이 아닌 경우에는, 상기 테스트 전원 공급부(400)를 번갈아 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)에 병렬로 연결하여 테스트 전원을 공급하고, 전원에 흐르는 전류를 측정하는 것이 바람직하다. 이 때, 테스트 전원이란 소정의 주파수를 갖는 교류인 것이 바람직하다. 상기 소정의 주파수는 전원(10)과 부하(20) 사이에 흐르는 전류의 주파수를 기초로 해당 주파수와 다른 소정의 값으로 설정될 수 있다. 그로 인하여, 전원(10)과 부하(20) 사이에 전류가 흐르는 모드에서도 테스트 전원 공급부(400)에 의해서 흐르는 전류를 감지할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 상기와 같이 서로 다른 주파수 성분을 인가함으로써, 전원(10)과 부하(20) 사이에 구비된 전류센서를 이용해서 상기 테스트 전원 공급부(400)에 의해서 유발되는 전류의 흐름 여부를 판단할 수 있는 경우도 있다.
상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200)의 제어 신호가 모두 오프(off) 상태이고, 부하단 전류가 '0'인 경우에는, 상기 테스트 전원 공급부(400)를 상기 제2 기계식 스위치(300)에 병렬로 연결하고, 테스트 전원을 인가함으로써, 테스트 전원의 전류의 절대값이 소정 값보다 큰 경우, 상기 제2 기계식 스위치(300)의 융착으로 진단할 수 있다. 또한, 테스트 전원의 전류의 절대값이 소정 값보다 작은 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 융착으로 진단할 수 있다.
이러한 동작 특성을 하기의 표 2로 정리할 수 있다.
스위치 상태 테스트 전원의 전류 측정 결과

제1기계식스위치
제2기계식스위치
반도체 스위치		 테스트 전원을 제1 기계식 스위치에 병렬로 연결시 (A) 테스트 전원을 제2 기계식 스위치에 병렬로 연결시(B) 테스트 전원을 반도체 스위치에 병렬로 연결시(C)
융착 정상 정상 1(전류 흐름) 0(전류 흐르지 않음) 0
정상 융착 정상 0 1 0
정상 정상 융착 0 0 1
융착 융착 정상 1 1 1
융착 정상 융착 1 1 1
정상 융착 융착 1 1 1
융착 융착 융착 1 1 1
즉, 상기 표 2에 기재된 바와 같이, 테스트 전원의 전류 측정결과인 A, B, C 모두에 전류가 흐르면, 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300), 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 둘의 융착을 진단할 수 있다.
또한, 테스트 전원의 전류 측정결과인 A, B, C 중 어느 하나에만 전류가 흐를 경우, 해당하는 스위치(테스트 전원 공급부가 병렬 연결되어 있는 스위치)의 융착을 진단할 수 있다.
더 나아가, 상기 임피던스 측정기를 통해서, 상기 일차적 판단 결과, 상기 스위치 제어 신호 및 상기 센서 출력 정보 중 적어도 하나를 기초로, 상기 임피던스 측정기로부터 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 임피던스 정보를 수신하여, 상기 임피던스를 기초로 상기 제1 기계식 스위치(100), 제2 기계식 스위치(300) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 고장 여부를 이차적으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)를 통해서 전원 공급 차단 동작이 수행되는 과정에서의 고장 진단을 수행하는 경우에는, 스위치들을 순차적으로 비도통시키면서 급전로 상에 전류가 흐르는지를 판단하면서 스위치들의 고장진단을 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는 종래의 하이브리드 개폐기에 직렬로 기계식 스위치를 추가 구비함으로써, 상술한 종래의 하이브리드 개폐기의 단점을 보완할 수 있으며, 전원 공급 차단시 기계식 접점을 하나 더 분리함으로써, 회로를 완전히 차단할 수 있어, 누설전류 자체를 근본적으로 차단할 수 있어 2차 사고를 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 전원 20 : 부하
1000 : 직류 고전압용 하이브리드 개폐기
100 : 제1 기계식 스위치
200 : 반도체 스위치
300 : 제2 기계식 스위치
400 : 테스트 전원 공급부
500 : 전류 센서부

Claims (7)

  1. 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)로서,
    전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100);
    상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200); 및
    상기 병렬로 연결된 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(200)와 상기 전원(10) 또는 상기 부하(20) 사이에 직렬로 연결되는 제2 기계식 스위치(300);를 포함하여 구성되며,
    전원 공급 제어시, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 턴 온(turn on)된 후, 상기 반도체 스위치(200), 제1 기계식 스위치(100) 순으로 각각 소정의 시간차이를 두고 턴 온되도록 하며,
    전원 공급 차단 제어시, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키고 소정의 시간 후에 상기 반도체 스위치(200)를 턴 오프시킨 후 제2 기계식 스위치(300)를 턴 오프되도록 하여,
    전원 공급이 이루어지는 동안에도 상기 반도체 스위치(200)의 턴 온 상태를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.

  2. 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)로서,
    전원(10)과 부하(20)를 연결하는 급전로에 구비되는 제1 기계식 스위치(100);
    상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되는 반도체 스위치(200); 및
    상기 반도체 스위치(200)와 직렬 연결되는 제2 기계식 스위치(300);
    를 포함하여 구성되며,
    전원 공급 제어시, 상기 제2 기계식 스위치(300)가 턴 온(turn on)된 후, 상기 반도체 스위치(200), 제1 기계식 스위치(100) 순으로 각각 소정의 시간차이를 두고 턴 온되도록 하며,
    전원 공급 차단 제어시, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키고 소정의 시간 후에 상기 반도체 스위치(200)를 턴 오프시킨 후 제2 기계식 스위치(300)를 턴 오프되도록 하여,
    전원 공급이 이루어지는 동안에도 상기 반도체 스위치(200)의 턴 온 상태를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는
    전원 공급 차단 제어시, 급전로의 전류 도통 여부와 상기 반도체 스위치(200)의 도통 여부를 확인하고,
    급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있는 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키며,
    급전로에 전류가 흐르고 있고, 상기 반도체 스위치(200)가 도통되어 있지 않은 경우 또는 급전로에 전류가 흐르고 있지 않은 경우, 상기 반도체 스위치(200)를 턴 온시킨 후 소정의 시간 후에 상기 제1 기계식 스위치(100)를 턴 오프(turn off)시키고,
    상기 제1 기계식 스위치(100)의 턴 오프후 소정의 시간 후에 상기 반도체 스위치(200)를 턴 오프(turn off)시킨 후, 제 2 기계식 스위치(300)를 턴 오프시키는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는
    고장 진단을 위한 테스트 전원을 공급하는 테스트 전원 공급부(400);
    공급되는 테스트 전원에 의해 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서부(500); 및
    상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작 상태를 제어하며, 상기 전류 센서부(500)로부터 전달받은 센싱값을 이용하여 스위치의 고장을 진단하는 제어부;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 테스트 전원 공급부(400)는 상기 제2 기계식 스위치(300)의 양단에 병렬 연결되거나 상기 반도체 스위치(200)의 양단에 병렬 연결되며,
    상기 제어부는,
    상기 테스트 전원 공급부(400)가 상기 제2 기계식 스위치(300)의 양단에 병렬 연결된 경우, 상기 제2 기계식 스위치(300)의 고장을 진단하고,
    상기 테스트 전원 공급부(400)가 상기 반도체 스위치(200)의 양단에 병렬 연결된 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 동작 상태를 임의로 온/오프 제어하면서 상기 전류 센서부(500)의 측정 전류를 모니터링하여, 상기 제1 기계식 스위치(100) 및 반도체 스위치(200) 중 적어도 하나의 고장을 진단하는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 직류 고전압용 하이브리드 개폐기(1000)는
    고장 진단을 위한 테스트 전원을 공급하는 테스트 전원 공급부(400);
    공급되는 테스트 전원에 의해 흐르는 전류를 센싱하는 전류 센서부(500); 및
    상기 테스트 전원 공급부(400)의 동작 상태를 제어하며, 상기 전류 센서부(500)로부터 전달받은 센싱값을 이용하여 스위치의 고장을 진단하는 제어부;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 테스트 전원 공급부(400)는 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결되거나, 일단은 상기 반도체 스위치(200)의 일단에 병렬 연결되고 타단은 상기 제2 기계식 스위치(300)의 타단에 병렬 연결되며,
    상기 제어부는,
    상기 테스트 전원 공급부(400)가 상기 제1 기계식 스위치(100)의 양단에 병렬 연결된 경우, 상기 제1 기계식 스위치(100)의 고장을 진단하고,
    상기 테스트 전원 공급부(400)가 상기 반도체 스위치(200)의 일단과 상기 제2 기계식 스위치(300)의 타단에 연결된 경우, 상기 제2 기계식 스위치(300)의 동작 상태를 임의로의 온/오프 제어하면서 상기 전류 센서부(500)의 측정 전류를 모니터링하여, 상기 반도체 스위치(200) 및 제2 기계식 스위치(300) 중 적어도 하나의 고장을 진단하는 것을 특징으로 하는 직류 고전압용 하이브리드 개폐기.
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