KR102222127B1 - 반도체 소자로 구성된 차단기 및 차단기 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빠른 사고전류의 차단이 요구되는 직류 시스템에 적용하기 위해 반도체 소자로 구성한 차단기 및 차단기 장치에 관한 것으로, 직류 전력이 공급되는 직류 전력 버스(BUS)와 부하 사이에 형성된 차단기에 있어서, 상기 직류 전력 버스의 일측으로부터 직류 전력을 타측으로 전달하는 제1 다이오드와, 상기 타측으로부터의 직류 전력을 상기 일측으로 전달하는 제2 다이오드를 갖는 다이오드부, 상기 직류 전력 버스의 상기 일측 또는 상기 타측에 이상이 발생되면 반도체 소자의 정격범위 내에서 오픈되어 전류를 차단하는 양방향 반도체 스위치를 갖는 스위치부, 상기 앙방향 반도체 스위치에 연결되는 단일 프리휠링 다이오드를 구비하여, 상기 양방향 반도체 스위치에서 사고 시 전류를 차단할 때 상기 일측 또는 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기에너지를 처리하는 프리 휠링 경로를 제공하는 프리 휠링부, 상기 타측의 사고 시 상기 일측의 배선 인덕턴스 또는 상기 일측의 사고 시 상기 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하는 스너버부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자로 구성된 차단기 및 차단기 장치에 관한 것이다.
일반적으로 기계식 차단기는 주로 교류 전기 선로상에 설치되며, 과부하 또는 단락사고가 발생하였을 때 회로를 차단하여 부하 기기를 보호함은 물론 과부하나 단락사고로 인한 화재의 발생을 방지하고 인명을 보호하는 전기기기이다.
반면에 사고시 정격전류의 수배 및 수 마이크로 세컨즈 내지 수십 마이크로 세턴즈까지만 운전 가능한 반도체 소자를 이용한 컨버터, 인버터 등으로 구성된 직류시스템에서는 사고전류가 확립되기 전 빠른 차단이 요구되어 기계식 차단기를 적용하기에 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 빠른 사고전류의 차단이 요구되는 직류 시스템에 적용하기 위해 반도체 소자로 구성한 차단기 및 차단기 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기는 직류 전력이 공급되는 직류 전력 버스(BUS)와 부하 사이에 형성된 차단기에 있어서, 상기 직류 전력 버스의 일측으로부터 직류 전력을 타측으로 전달하는 제1 다이오드와, 상기 타측으로부터의 직류 전력을 상기 일측으로 전달하는 제2 다이오드를 갖는 다이오드부, 상기 직류 전력 버스의 상기 일측 또는 상기 타측에 이상이 발생되면 반도체 소자의 정격범위 내에서 오픈되어 전류를 차단하는 양방향 반도체 스위치를 갖는 스위치부, 상기 앙방향 반도체 스위치에 연결되는 단일 프리휠링 다이오드를 구비하여, 상기 양방향 반도체 스위치에서 사고 시 전류를 차단할 때 상기 일측 또는 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기에너지를 처리하는 프리 휠링 경로를 제공하는 프리 휠링부, 상기 타측의 사고 시 상기 일측의 배선 인덕턴스 또는 상기 일측의 사고 시 상기 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하는 스너버부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차단기 장치는 직류 전력이 공급되는 직류 전력 버스(BUS)와 부하 사이에 서로 직렬 연결된 복수의 차단기와, 상기 복수의 차단기 각각에 병렬 연결되어 전압을 분배하는 복수의 전압 분배 회로를 포함하고,
상기 복수의 차단기 각각은 상기 직류 전력 버스의 일측으로부터 직류 전력을 타측으로 전달하는 제1 다이오드와, 상기 타측으로부터의 직류 전력을 상기 일측으로 전달하는 제2 다이오드를 갖는 다이오드부, 상기 직류 전력 버스의 상기 일측 또는 상기 타측에 이상이 발생되면 반도체 소자의 정격범위 내에서 오픈되어 전류를 차단하는 양방향 반도체 스위치를 갖는 스위치부, 상기 앙방향 반도체 스위치에 연결되는 단일 프리휠링 다이오드를 구비하여, 상기 양방향 반도체 스위치에서 사고 시 전류를 차단할 때 상기 일측 또는 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기에너지를 처리하는 프리 휠링 경로를 제공하는 프리 휠링부, 상기 타측의 사고 시 상기 일측의 배선 인덕턴스 또는 상기 일측의 사고 시 상기 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하는 스너버부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사고 시 빠른 차단 시간으로 사고 전류가 확산되는 것을 차단하여 직류 시스템의 손상 범위를 축소하고, 반도체 소자의 구성에 있어 라인의 인덕턴스에 의해 발생하는 자기 에너지를 프리 휠링시켜 주기 위한 다이오드 소자 개수를 줄여 회로 구성을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기가 적용되는 직류 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 개략적인 구성도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 전기적 특성 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기 장치가 적용되는 직류 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 개략적인 구성도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 전기적 특성 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기 장치가 적용되는 직류 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기가 적용되는 직류 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 직류 시스템에 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기(100)은 상기 직류 시스템의 직류 전력이 공급되는 직류 전력 버스(BUS)와 부하 사이에 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기(100)는 다이오드부(110), 스위치부(120), 프리휠링(free wheeling)부(130) 및 스너버부(140)를 포함할 수 있으며, 배선 인덕턴스부(150) 및 저항부(160)를 더 포함할 수 있다.
다이오드부(110)는 직류 전력 버스의 일측과 타측간에 연결될 수 있고, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
제1 다이오드(D1)는 상기 직류 전력 버스의 일측으로부터 직류 전력을 타측으로 전달할 수 있고, 제2 다이오드(D2)는 상기 타측으로부터의 직류 전력을 상기 일측으로 전달할 수 있다.
스위치부(120)는 다이오드부(110)에 병렬 연결되어 상기 직류 전력 버스의 일측과 타측간에 연결될 수 있고, 양방향 반도체 스위치를 구비하여 상기 직류 전력 버스의 상기 일측 또는 상기 타측에 이상이 발생되면 반도체 소자의 정격범위 내에서 오픈되어 상기 일측으로부터 상기 타측 또는 상기 타측으로부터 상기 일측으로의 전류 전달을 차단할 수 있다.
프리 휠링부(130)는 스위치부(120)의 상기 앙방향 반도체 스위치에 연결되는 단일 프리 휠링 다이오드를 구비하여, 상기 양방향 반도체 스위치에서 사고 시 전류를 차단할 때 상기 직류 전력 버스의 상기 일측 또는 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기에너지를 처리할 수 있다.
스너버부(140)는 다이오드부(110) 및 스위치부(120)에 병렬 연결되어 상기 직류 전력 버스의 일측과 타측간에 연결될 수 있다.
스너버부(140)는 다이오드부(110) 및 스위치부(120)에 병렬 연결되는 배리스터(Varistor)(Va)와, 서로 직렬 연결되고, 배리스터(Va)와 병렬 연결되는 커패시터(C) 및 저항(R)을 포함하여, 상기 타측의 사고 시 상기 일측의 배선 인덕턴스 또는 상기 일측의 사고 시 상기 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 프리 휠링부(130)에 의해 미처리된 자기에너지를 처리할 수 있다.
배선 인덕턴스부(150)는 제1 배선 인덕턴스(L1) 및 제2 배선 인덕턴스(L2)를 포함할 수 있고, 제1 배선 인덕턴스(L1)는 상기 일측과 상기 양방향 반도체 스위치 간에 연결되는 선로 상에 존재하며, 제2 배선 인덕턴스(L2)는 상기 타측과 상기 양방향 반도체 스위치 간에 연결되는 선로 상에 존재하고, 전류 기울기를 제한할 수 있다.
저항부(160)는 상기 단일 프리휠링 다이오드에 연결되는 저항을 포함하여, 상기 단일 프리휠링 다이오드와 함께 상기 프리 휠링 경로를 형성하고 전류의 크기를 조절하여 상기 프리휠링 다이오드의 발열을 제한시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 동작을 나타내는 도면이다.
도 2와 함께 도 3a를 참조하면, 상기 직류 시스템의 상기 일측에서 전류는 상기 양방향 스위치와 제1 다이오드(D1)를 거쳐 상기 타측에 전달되고, 도 3b를 참조하면, 상기 직류 시스템의 상기 타측에서 전류는 상기 양방향 스위치와 제2 다이오드(D2)를 거쳐 상기 일측에 전달될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 직류 시스템의 상기 일측에서 상기 타측으로 전력을 전송하는 모드에서, 상기 타측에 고장이 발생하는 경우, 타측 배선의 인덕턴스에 저장된 에너지가 단일 프리 휠링 다이오드에 의해 형성된 프리 휠링 경로를 따라 프리 휠링하는 동작을 볼 수 있다.
도 3d를 참조하면, 상기 직류 시스템의 상기 일측에서 상기 타측으로 전력을 전송하는 모드에서, 상기 타측에 고장이 발생하는 경우, 일측 배선의 인덕턴스에 저장된 에너지는 스위치의 차단시 프리 휠링 경로가 없어 발생하는 과전압을 스너버부(140)에서 억제하며 에너지를 소모하는 동작을 볼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기의 전기적 특성 그래프이다.
도 4를 참조하면, 정상 운전 80A 통전 중 T0시점에 타측에서 사고가 발생하면 일측의 전류는 인가된 전압과 배선인덕턴스의 비로 결정되는 전류 상승 기울기를 갖게 되며 설정된 트립 레벨 또는 기울기에 도달하는 시점 TTrip에서 스위치를 동작시킬 지를 결정하고 Tinterrupt 시점에 스위치가 실제 차단되는 동작을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기 장치가 적용되는 직류 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차단기 장치(1000)는 상기 직류 시스템의 상기 일측 및 상기 타측 간에 서로 직렬 연결된 복수의 차단기(100)를 포함할 수 있고, 복수의 차단기(100) 각각의 구성은 도 2의 구성과 동일할 수 있다.
다만, 프리 휠링 경로를 형성하는 복수의 차단기(100) 각각의 단일 프리 휠링 다이오드는 서로 직렬 연결되어 하나의 프리 휠링 경로를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 사고 시 빠른 차단 시간으로 사고 전류가 확산되는 것을 차단하여 직류 시스템의 손상 범위를 축소하고, 반도체 소자의 구성에 있어 라인의 인덕턴스에 의해 발생하는 자기 에너지를 프리 휠링시켜 주기 위한 다이오드 소자 개수를 줄여 회로 구성을 간소화할 수 있다.
더하여, 양방향으로 동작할 수 있어 차단기로 적용하는 것뿐 아니라 적용현장에 따라 전류제한용 인덕터를 추가하면 배전용 버스 타이(Bus-tie)스위치로도 적용이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 차단기
110: 다이오드부
120: 스위치부
130: 프리휠링부
140: 스너버부
150: 인덕턴스부
160: 저항부
1000: 차단기 장치
110: 다이오드부
120: 스위치부
130: 프리휠링부
140: 스너버부
150: 인덕턴스부
160: 저항부
1000: 차단기 장치
Claims (6)
- 직류 전력이 공급되는 직류 전력 버스(BUS)와 부하 사이에 형성된 차단기에 있어서,
상기 직류 전력 버스의 일측으로부터 직류 전력을 타측으로 전달하는 제1 다이오드와, 상기 타측으로부터의 직류 전력을 상기 일측으로 전달하는 제2 다이오드를 갖는 다이오드부;
상기 직류 전력 버스의 상기 타측에 이상이 발생되면 오픈하여 전류를 차단하는 제1 반도체 소자와 상기 일측에서 이상이 발생되면 오픈하여 전류를 차단하는 제2 반도체 소자로 구성되고, 상기 제1 반도체 소자는 상기 제1 다이오드와 병렬 연결되며, 상기 제2 반도체 소자는 상기 제2 다이오드와 병렬 연결되는 양방향 반도체 스위치를 갖는 스위치부;
상기 앙방향 반도체 스위치의 제1 반도체 소자와 제2 반도체 소자 사이에 연결되는 단일 프리휠링 다이오드를 구비하여, 상기 양방향 반도체 스위치에서 사고 시 전류를 차단할 때 상기 일측 또는 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기에너지를 처리하는 프리 휠링 경로를 제공하는 프리 휠링부; 및
상기 다이오드 부 및 상기 스위치부에 병렬 연결되어 상기 일측에서 상기 타측으로 전력을 전달하는 모드에서 상기 타측의 사고 시 상기 일측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하고, 상기 타측에서 상기 일측으로 전력을 전달하는 모드에서 상기 일측의 사고 시 상기 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하는 스너버부를 포함하고,
상기 스너버부는
상기 다이오드부 및 상기 스위치부에 병렬 연결되는 배리스터(Varistor); 및
서로 직렬 연결되고, 상기 배리스터와 병렬 연결되는 커패시터 및 저항을 포함하는
반도체 소자로 구성된 차단기.
- 제1항에 있어서,
상기 배선 인덕턴스는
상기 일측과 상기 양방향 반도체 스위치 간에 연결되는 제1 배선 인덕턴스와, 상기 타측과 상기 양방향 반도체 스위치 간에 연결되는 제2 배선 인덕턴스를 갖는 배선 인덕턴스부를 포함하는 반도체 소자로 구성된 차단기.
- 제1항에 있어서,
상기 단일 프리휠링 다이오드에 연결되어 상기 프리 휠링 경로를 형성하고 전류를 제한시키는 저항을 구비하는 저항부를 더 포함하는 반도체 소자로 구성된 차단기.
- 삭제
- 직류 전력이 공급되는 직류 전력 버스(BUS)와 부하 사이에 서로 직렬 연결된 복수의 차단기; 및
상기 복수의 차단기 각각에 병렬 연결되어 전압을 분배하는 복수의 전압 분배 회로를 포함하고,
상기 복수의 차단기 각각은
상기 직류 전력 버스의 일측으로부터 직류 전력을 타측으로 전달하는 제1 다이오드와, 상기 타측으로부터의 직류 전력을 상기 일측으로 전달하는 제2 다이오드를 갖는 다이오드부;
상기 직류 전력 버스의 상기 타측에 이상이 발생되면 오픈하여 전류를 차단하는 제1 반도체 소자와 상기 일측에서 이상이 발생되면 오픈하여 전류를 차단하는 제2 반도체 소자로 구성되고, 상기 제1 반도체 소자는 상기 제1 다이오드와 병렬 연결되며, 상기 제2 반도체 소자는 상기 제2 다이오드와 병렬 연결되는 양방향 반도체 스위치를 갖는 스위치부;
상기 양방향 반도체 스위치에서 사고 시 전류를 차단할 때 상기 일측 또는 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기에너지를 처리하는 프리 휠링 경로를 제공하는 프리 휠링부; 및
상기 다이오드 부 및 상기 스위치부에 병렬 연결되어 상기 일측에서 상기 타측으로 전력을 전달하는 모드에서 상기 타측의 사고 시 상기 일측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하고, 상기 타측에서 상기 일측으로 전력을 전달하는 모드에서 상기 일측의 사고 시 상기 타측의 배선 인덕턴스에 저장된 자기 에너지 중 상기 프리 휠링부에 의해 미처리된 자기에너지를 처리하는 스너버부를 포함하고,
상기 프리휠링부는 단일 프리 휠링 다이오드를 포함하고,
상기 복수의 차단기 각각의 단일 프리 휠링 다이오드는 서로 직렬 연결되어 상기 프리 휠링 경로를 형성하며,
상기 스너버부는
상기 다이오드부 및 상기 스위치부에 병렬 연결되는 배리스터(Varistor); 및
서로 직렬 연결되고, 상기 배리스터와 병렬 연결되는 커패시터 및 저항을 포함하는 반도체 소자로 구성된 차단기 장치.
- 삭제
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| KR1020190102663A KR102222127B1 (ko) | 2019-08-21 | 2019-08-21 | 반도체 소자로 구성된 차단기 및 차단기 장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR (1) | KR102222127B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2021241871A1 (ko) * | 2020-05-29 | 2021-12-02 | 엘에스일렉트릭 (주) | 고체 절연 스위치 |
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| CN106786403A (zh) | 2016-11-22 | 2017-05-31 | 华北电力大学 | 一种带续流回路的直流固态断路器 |
| KR20170108140A (ko) * | 2015-01-30 | 2017-09-26 | 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하 | 역전류 발생을 구비한 dc 회로 차단기 |
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2019
- 2019-08-21 KR KR1020190102663A patent/KR102222127B1/ko active IP Right Grant
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