KR102371095B1 - 반도체 차단 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 전류 차단 디바이스(2)에 관한 것으로서, 에너지 흡수 부재(6)를 포함하는 제1 브랜치(4), 반도체 스위치(10)를 포함하는 제2 브랜치(8)를 가지는 회로(C)로서, 상기 반도체 스위치는 제1 브랜치(4)와 병렬로 연결되는, 회로(C); 디바이스의 연결 단자(2.1 또는 2.2)에서의 전류의 세기(I)를 측정하는 수단(3); 및 상기 측정 수단(3)에 의해 측정된 전류의 세기(I)가 미리 결정된 값에 도달하여 상기 디바이스가 전도성 상태로부터 전류가 상기 에너지 흡수 부재에 의해 흡수되는 차단 상태로 스위칭할 때 반도체 스위치의 개방을 제어하도록 프로그램된 스위치(10)의 전자 제어 유닛(18)을 포함한다. 회로(C)는 기계적 스위치(16)를 포함하는 제3 브랜치(14)를 포함한다. 전자 제어 유닛(18)은 디바이스가 전도성 상태로부터 차단 상태로 스위칭할 때 반도체 스위치가 기계적 스위치(16) 이후에 개방되도록 프로그램되고, 디바이스(2)가 차단 상태로부터 전도성 상태로 스위칭할 때, 반도체 스위치(10)가 기계적 스위치(16) 이전에 닫히도록 프로그램된다.

Description

반도체 차단 디바이스
본 발명은 반도체 전류 차단 디바이스에 관한 것이다.
EP-A-0,513,346에 기술된 바와 같이, 반도체 차단 디바이스는 2개의 전기적 연결 단자를 포함하며, 그 중 제1 단자는 발전기에 연결되고 제2 단자는 충전기라고하는 전기적 부품에 연결된다. 상기 디바이스는 병렬로 연결된 2 개의 브랜치를 포함하는 회로를 포함한다: 제1 브랜치는 반도체 스위치를 포함하고, 제2 브랜치는 배리스터(varistor)와 같은 에너지 흡수기를 포함한다. 상기 디바이스는 또한 디바이스의 한 단자에서 전류의 세기를 측정하는 수단과 스위치의 전자 제어 유닛을 포함한다. 정상적인 작동 상태에서, 스위치는 닫히고 발전기와 충전기 사이의 연결을 제공한다. 과전류가 검출되면, 스위치가 개방되고 전기적 에너지가 에너지 흡수기 내부에서 소멸된다.
정의에 따르면, 반도체 스위치는 상대적으로 열악한 도체이며, 때로는 높은 세기를 갖는다. 따라서, 이러한 유형의 디바이스의 결함은 스위치가 닫힐 때 스위치에 의해 소멸되는 에너지의 양이 상대적으로 높다는 것이다. 따라서, 충전기에 공급되는 전류의 세기는 이에 비례하여 상당히 낮다. 따라서, 실제로 이러한 디바이스는 업계에서 사용되지 않는다.
이 문제에 대한 하나의 분명한 해결책은, 반도체 스위치를 기계적 스위치, 예를 들어 전자 기계식 계전기(electromechanical relay)와 같은 기계식 스위치로 대체하는 것을 포함한다. 이러한 유형의 어플리케이션에서, 전자 기계식 계전기는 한 쌍의 고정 접점과 한 쌍의 이동 접점을 포함한다. 닫히는 동안, 이동 접점은 필연적으로 특정 과도기 동안 이동 접점에 대해 "리바운드(rebound)"된다. 이것은 리바운드 현상으로 불리며, 어플리케이션의 유형에 따라 다소 다르다. 이러한 과도기 동안에는 접점이 명확히 확립되어 있지 않으며, 특히 전류의 세기가 매우 강한 경우 스위치의 고정 접점과 이동 접점 사이에 전기 아아크(electric arcs)가 나타날 수 있다. 이러한 전기 아아크는 스위치의 접촉면을 손상시킬 것이다. 금속의 온도는 전기 아아크에 의해 가해지는 열의 영향으로 심지어 융점까지 상승할 수 있어서, 아아크 용접 방법으로 획득하는 효과와 유사한 방식으로 상기 접점은 서로 접합된다.
본 발명은 특히 보다 견고하고 온 상태에서 보다 양호한 전기적 연결을 제공하는 반도체 차단 디바이스를 제안함으로써 이러한 결함을 해결하는 것을 목적으로한다.
이를 위해, 본 발명은 반도체 전류 차단 디바이스에 관한 것으로,
- 에너지 흡수 부재를 가지는 제1 브랜치, 반도체 스위치를 가지는 제2 브랜치 및 기계적 스위치를 가지는 제3 브랜치를 포함하는 회로로서, 상기 반도체 스위치는 제1 브랜치와 병렬로 연결되고, 상기 제3 브랜치는 상기 제2 브랜치와 병렬로 연결되는, 회로;
- 상기 디바이스의 단자에서의 전류의 세기를 측정하기 위한 수단; 및
- 상기 측정 수단에 의해 측정된 전류의 세기가 미리 결정된 값에 도달하여 상기 디바이스가 전도성 상태로부터 전류가 상기 에너지 흡수 부재에 의해 흡수되는 차단 상태로 스위칭할 때 반도체 스위치의 개방을 제어하도록 프로그램된 스위치의 전자 제어 유닛을 포함하고,
상기 기계적 스위치의 개방과 닫힘은 상기 전자 제어 유닛에 의해 제어되며,
상기 전자 제어 유닛은 상기 디바이스가 전도성 상태로부터 차단 상태로 스위칭할 때 상기 반도체 스위치가 상기 기계적 스위치 이후에 개방되도록 프로그램되는, 반도체 전류 차단 디바이스에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 디바이스 스위치가 차단 상태로부터 전도성 상태로 스위칭할 때, 반도체 스위치가 기계적 스위치 이전에 닫히도록 전자 제어 유닛은 프로그램된다.
본 발명으로 인해, 전류는 기계적 스위치의 전류가 명확하게 설정되지 않는 동안, 따라서 특히 과도기 리바운드 기간 동안에 반도체 스위치를 통과하여 흐른다. 따라서 기계적 스위치의 단자 양단의 전압은 과도기 리바운드 기간 동안 매우 약하거나 심지어는 없다. 따라서 기계식 스위치의 접점 사이에 전기 아아크가 나타날 위험이 없다.
더 나아가, 전류 차단이 필요할 때, 반도체 스위치는 기계적 스위치의 개방 시퀀스의 끝 이후 특정 기간 동안 닫힘을 유지한다. 이것은 기계식 스위치의 이동 접점과 고정 접점 사이 공기의 탈 이온화 획득을 가능하게 한다. 이러한 개방 시퀀스는 특히 EP 2,801,994A1 및 US 5,650,901에 공지되어 있다.
사실, EP 2,801,994 A1에는 기계식 스위치의 이동 접점과 고정 접점 사이에 전기 아아크의 형성을 방지하기 위해 기계식 스위치 이후 스위치가 개방되는 반도체 전류 차단 디바이스를 개시한다.
US 5,650,901는 3상 분배 시스템을 위한 차단 회로를 개시한다. 회로는 각 위상에 대해, 청구항 제1 항의 전제부에 따른 차단 디바이스를 포함한다. 결함이 분배 시스템에 나타나는 경우, 특히 위상에서 나타나는 경우, 적어도 특정 기간 동안 대응하는 차단 디바이스의 기계적 스위치가 개방되고 반도체 스위치가 닫힌 상태로 유지된다.
정반대로, 이 두 문헌 모두 개방 시퀀스의 문제, 특히 기계적 스위치 내의 전기적 접촉이 완전히 확립되지 않은 리바운드 과도기의 관리에 대해서는 다루지 않는다. 따라서, 기계적 스위치를 손상시킬 수 있는 전기 아아크가 디바이스의 각 닫힘 시퀀스에 형성될 가능성이 있다. 이러한 공지된 디바이스는 개방 및 닫힘 시퀀스의 반복에 보다 민감하기 때문에, 따라서 시간이 지남에 따라 덜 견고해짐이 분명하다.
본 발명의 유익하지만 선택적인 양태에 따르면, 차단 디바이스는 임의의 기술적으로 허용 가능한 조합으로 고려되는 하나 이상의 이하의 특징을 포함할 수 있다 :
- 기계적 스위치는 고정 부분, 개방 위치와 닫힌 위치 사이에서 이동하는 부분 및 고정 부분에 대한 이동 부분의 위치를 측정하기 위한 수단을 포함하고, 닫힌 위치를 향하여 이동하는 이동 부분이 제1 임계 위치에 도달할 때 전자 제어 유닛이 반도체 스위치를 닫도록 프로그램 되는 반면, 상기 측정 수단은 상기 전자 제어 유닛에 연결된다. 따라서, 반도체 스위치는 과도 기간이 시작되기 전에 가능한 한 늦게 닫히며, 스위치에 너무 오래 전류가 통하는 것을 방지하여 너무 빨리 손상되는 것을 방지한다. 반도체 스위치의 닫히는 시간은 기계식 스위치의 닫히는 시간에 비해 매우 짧다. 예를 들어, 반도체 스위치의 닫히는 시간은 약 1㎲ (마이크로초)인 반면, "전통적인" 기계적 스위치의 닫히는 시간은 5㎳ 내지 25㎳ (밀리초)이다. 실제로, 반도체 스위치는 이동 접점이 고정 접점에 가까워지기 전에, 즉 전기 아아크가 나타날 위험이 너무 커지기 전에 닫힌다. 따라서, 반도체 스위치는 접점들 사이의 거리가 임계값 이하일 때 닫힌다. 거리는 측정 수단에 의해 제공된 위치 측정으로 인해 전자 제어 유닛에 의해 동적으로 계산된다.
- 제1 임계 위치는 스위치의 닫힘과 기계적 스위치의 닫힘 사이 제1 기간이 100㎲ 내지 1㎳가 되도록 규정된다.
- 전자 제어 유닛은 개방 위치를 향해 이동하는 이동 부분이 제2 임계 위치에 도달하는 순간으로부터 제2 기간 후에 반도체 스위치를 개방하도록 프로그램되고, 상기 제2 임계 위치는 상기 제2 기간이 1㎳ 미만, 특히 10㎲ 내지 100㎲가 되도록 규정된다. 이는 유리하게는 고정 접점과 이동 접점 사이의 공기의 체적을 탈이온화 시키는데 걸리는 시간 동안 기계적 스위치를 통한 전류의 통과를 방지할 수 있게 한다. 따라서 스위치 "재아킹(re-arcing)"하는 것을 피하고, 즉, 이동 접점과 고정 접점 사이에 전기 아아크를 생성한다.
- 에너지 흡수 부재는 제거 가능하다. 예를 들어, 이는 특정 횟수의 사용 후에 작동이 열화되는 경우에 에너지 흡수 부재를 교체하는 것을 가능하게 하여서 전체 차단 디바이스를 교체하는 것을 피할 수 있게 한다.
- 기계적 스위치는 반발 디스크(repulsion disc) 및 반발 코일(repulsion coil)을 구비한 이동 부분을 포함하며, 전류가 공급될 때, 상기 반발 코일은 상기 반발 디스크를 밀어내고, 상기 이동 부분은 그 닫힌 위치로부터 개방 위치로 이동한다. 이것은 기계적 스위치의 신속한 개방을 획득하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 그러한 스위치의 개방 시간은 약 200㎲인 반면, "전통적인” 기계적 스위치의 개방 시간은 5㎳ 내지 25㎳이다. 따라서, 과도 전류가 검출되면, 디바이스는 결함 전류의 영향 하에서 가능한 한 적은 시간 동안 전하가 전도되도록 가능한 한 빨리 개방된다.
- 기계식 스위치는 1㎳ 미만, 특히 약 200㎲인 개방 시간을 갖는다.
- 회로는 제3 브랜치와 공유되는 노드 및 2개의 제1 브랜치와 공유되는 노드를 갖는 제4 브랜치를 포함하고, 상기 제4 브랜치는 또 다른 기계적 스위치를 포함한다.
- 회로는 디바이스의 전기적 연결 단자를 회로의 3개의 제1 브랜치에 연결하는 제4 브랜치를 포함하며, 상기 제4 브랜치는 또 다른 기계적 스위치를 포함한다.
- 또 다른 기계적 스위치는 디바이스의 제1 연결 단자와 제2 연결 단자 사이에 갈바닉 절연(galvanic isulation)을 제공하도록 하는 치수를 갖는다.
- 이 디바이스는 2개의 전기적 연결 단자를 포함하며, 그 중 하나는 DC 전류원에 연결되도록 되어 있다.
본 발명 및 그 밖의 이점은 그 원리에 따라 반도체 전류 차단 디바이스의 2가지 실시예에 대한 이하의 설명에 비추어 보다 명확하게 나타날 것이며, 이는 단지 예시로서 제공되고 첨부된 도면을 참조하여 행해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차단 디바이스의 전기적 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 차단 디바이스에 속하는 기계적 스위치를 도시하는 단면도이며, 상기 기계적 스위치는 개방 위치로 도시되어 있다.
도 3은 도 2와 유사한 단면도로서, 기계적 스위치는 닫힌 위치로 도시된다.
도 4는 시간의 함수로서 차단 디바이스의 닫힌 시퀀스 동안 도 2와 도 3의 기계적 스위치의 제어 신호(S16), 도 2와 도 3의 기계적 스위치의 고정 부분에 대한 이동 부분의 위치(P16), 및 도 1의 차단 디바이스에 속하는 반도체 스위치의 제어 신호(S10)의 발전을 나타내는 3개의 그래프를 포함한다.
도 5는 시간의 함수로서 디바이스의 닫힌 시퀀스 동안 도 2와 도 3의 기계적 스위치의 제어 신호(S16), 도 1의 차단 디바이스에 속하는 또 다른 기계적 스위치를 가로지르는 세기(I12), 도 2와 도 3의 기계적 스위치를 가로지르는 전류의 세기(I16) 및 디바이스의 반도체 스위치를 가로지르는 세기(I10)의 발전을 나타내는 4개의 그래프를 포함한다.
도 6은 도 4와 동일한 특성을 나타내는 3개의 그래프를 포함하지만, 도 1의 차단 디바이스의 개방 시퀀스 동안을 나타낸다.
도 7은 시간의 함수로서 도 5에서와 동일한 특성을 도시하는 5개의 그래프를 포함하지만, 도 1의 차단 디바이스의 에너지 흡수 부재를 가로지르는 세기(I6)를 도시하는 그래프와 함께 차단 디바이스의 개방 시퀀스에 대해 도시한다.
도 8은 차단 디바이스로부터 분리된 구성으로 도시된 에너지 흡수기의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 차단 디바이스를 도시하는, 도 1과 유사한 다이어그램이다.
도 1은 반도체 전류 차단 디바이스(2)를 도시한다. 디바이스(2)는 보호되는 전기 회로에 삽입되도록 하는 전기적 보호 장치이다. 디바이스(2)는 2개의 전기 연결 단자(2.1 및 2.2)를 각각 포함한다. 단자(2.1)는 전류원에 연결될 수 있는 반면, 단자(2.2)는 충전기에 연결될 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다. 따라서, 차단 디바이스(2)는 양방향 디바이스인 것으로 이해된다.
전형적으로, 전류원은 DC 전류원, 즉 전압이 시간에 독립적인 소스이다.
차단 디바이스(2)는 에너지 흡수 부재(6)를 가지는 제1 브랜치(4)를 가지는 전기 회로(C)를 포함한다. 이러한 에너지 흡수 부재(6)는 직렬 및/또는 병렬로 연관될 수 있는 이하의 요소 중 하나 이상을 포함한다:
- 직렬 및/또는 병렬로 연관된 하나 또는 다수의 배리스터
- 직렬 및/또는 병렬로 연관된 하나 또는 다수의 제너(Zener)/트랜실(Transil) 다이오드
- 직렬 및/또는 병렬로 연관된 하나 또는 다수의 가스 튜브
- 직렬 및/또는 병렬로 연관된 하나 또는 다수의 저항
- 직렬 및/또는 병렬로 연관된 하나 또는 다수의 커패시터
회로(C)는 또한 회로(C)의 제1 브랜치(4)와 병렬로 연결된 반도체 스위치(10)를 가지는 제2 브랜치(8)를 포함한다. 스위치(10)는 직렬 및/또는 병렬로 연관될 수 있는 이하의 전자 부품들 중 하나 또는 다수를 포함한다:
- 하나 또는 다수의 사이리스터(thyristors), 특히 게이트 턴-오프(gate turn-off, GTO) 유형의 사이리스터
- 하나 또는 다수의 다이오드, 및
- 하나 또는 다수의 트랜지스터, 특히 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 유형의 트랜지스터.
회로(C)는 기계적 스위치(16)를 포함하는 제3 브랜치(14)를 포함한다. 이러한 제3 브랜치(14)는 제2 브랜치(8) 및 제1 브랜치(4)와 병렬로 연결된다.
바람직하게는, 회로(C)는 제3 브랜치(14)와 공유되는 노드와 브랜치(4) 및 브랜치(8)와 공유되는 노드를 가지는 제4 브랜치(13)를 포함한다. 이러한 제4 브랜치(13)는 디바이스(2)의 단자(2.1)를 회로(C)의 브랜치(4) 및 브랜치(8)에 연결한다. 이는 반도체 스위치(10)와 에너지 흡수 부재(6)와 직렬로 연결된 또 다른 기계적 스위치(12)를 포함한다.
기계적 스위치(12)는 디바이스(2)의 연결 단자(2.1 및 2.2) 사이에 갈바닉 절연을 제공하도록 하는 치수를 갖는다. 실제로, 기계적 스위치(12)는 1.5mm보다 큰, 바람직하게는 약 3mm인 연결 단자(2.1 및 2.2) 사이에 물리적인 거리를 부여한다. 스위치(12)는 본 발명을 수행하기 위한 선택 사항이다.
기계적 스위치(16)의 구조는 도 2 및 도 3에서 볼 수 있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 기계적 스위치(16)는 프레임(160), 한 쌍의 고정 접점(168), 및 한 쌍의 이동 접점(166)을 포함한다. 이동 접점(166)은 전기적 절연 재료로 제조된 접촉 홀더(164.0) 상에 장착된다.
기계적 스위치(16)는 프레임(160) 내부에 수용된 전자기 액추에이터(actuator)를 포함한다. 액추에이터는 도 2에 도시된 개방 위치와 도 3에 도시된 닫힌 위치 사이의 축(X16)을 따라 이동 가능한 부분(164) 뿐만 아니라 케이지(162.1)를 포함하는 고정 부분(162)을 포함하며, 그 내부에는 자기장을 생성할 수 있는 코일(162.2)이 배치된다. 이러한 이동 부분(164)은 접촉 홀더(164.0), 중앙 샤프트(164.1), 샤프트 (164.1)의 중심 부분 주위에 고정된 자기 코어(164.2), 및 반발 디스크(164.3)를 포함한다. 접촉 홀더(164.0) 및 반발 디스크(164.3)는 샤프트(164.1)의 대향하는 단부에 고정된다.
또한, 프레임(160)은 DC 전류가 공급될 때 반발 디스크(164.3)를 밀어내는 반발 코일(170)을 수용하며, 액추에이터의 이동 부분(164)을 닫힌 위치로부터 개방 위치로 이동시킨다.
기계적 스위치(16)가 닫힌 제어 신호를 수신하면, 코일(162.2)에 DC 전류가 공급되고, 이동 부분(164)의 자기 코어(164.2)를 이동시키는 방향으로 자기장이 발생한다. 그 다음, 이동 부분(164)은 도 2의 위치로부터 이동 접점(166)이 고정 접점(168)과 접촉하는 도 3의 위치로 이동한다. 따라서, 스위치(16)의 전기적 접촉은 코일(162.2)의 전기적 공급이 없을 때 정상적으로 개방된다. 이를 NO 접촉 토폴로지(NO contact topology)라고 한다.
기계적 스위치(16)는 고정 부분(162)에 대한 이동 부분(164)의 위치(P16)를 측정하는 수단(172)을 포함한다. 이 예시에서, 측정 수단(172)은 광전자 센서이다.
기계적 스위치(16)가 개방 제어 신호를 수신하면, 반발 코일(170)에 전류가 공급되고 스위치(16)의 고정 접점(168)에 대향하는 방향을 따라 반발 디스크(164.3)를 밀어내기 위한 방향으로 자기장이 발생한다. 스위치(16)를 개방하기 위해 자기 반발력을 사용하는 것은 개방 위치로의 이동 부분의 복귀가 스프링과 같은 기계적 요소에 의해 수행되는 “전통적인” 전기기계식 액추에이터와 비교하여 매우 빠른 개방 시간을 확보한다. 실제로, 개방 명령이 전송되는 순간으로부터 전기 접점이 실제로 개방되는 순간까지 측정된 개방 시간은 1㎳보다 훨씬 짧다.
차단 디바이스(2)는 또한 전자 회로(C)의 각 부품과 연결된 전자 제어 유닛(18)을 포함한다. 따라서, 전자 제어 유닛(18)은 스위치(10)를 개방하고 닫을 뿐만 아니라 스위치(12) 및 스위치(16)를 개방하고 닫는 제어 신호를 전송할 수 있다. 이러한 제어 신호는 각각 도 1의 S12, S16 및 S10으로 표시된다. 이 예시에서, 신호(S12, S16, S10)는 대응하는 기계적 또는 반도체 스위치가 닫히는 경우 “1”이라 가정하고, 대응하는 기계적 또는 반도체 스위치가 개방되는 경우에는 “0”이라 가정한다.
전자 제어 유닛(18)은 고정 부분(162)에 대한 액추에이터의 이동 부분(164)의 위치 (P16)를 동적으로 수집하기 위해 기계적 스위치(16), 특히 측정 수단(172)에 연결된다.
전자 제어 유닛(18)은 또한 부재(6)의 온도(T6) 및 반도체 스위치(10)의 온도(T10)를 동적으로 회복시키기 위해 에너지 흡수 부재(6) 및 반도체 스위치(10)에 연결된다. 이는 임의의 과열을 검출함으로써 에너지 흡수 부재(6) 및 반도체 스위치(10)의 작동 상태를 모니터하는 것을 가능하게 한다.
또한, 전자 제어 유닛(18)은 스위치(12)의 상태(P12)를 수집하기 위해 다른 기계적 스위치(12)에 연결된다. 스위치(12)의 상태(P12)는, 예를 들어, 스위치(12)가 개방된 경우 "0"과 동일하고, 스위치(12)가 닫힌 경우에는 "1"인 이진 신호의 형태로 전송된다.
디바이스(2)는 디바이스(2)의 입력에서, 즉 연결 단자(2.1)에서 세기(I)를 측정하는 수단(3)을 포함한다. 측정 수단(3)은 측정된 세기(I)를 나타내는 전기 신호를 전자 제어 유닛(18)에 연속적으로 전송하는 전류계이다. 대안으로, 세기는 단자(2.2)에서 측정될 수 있다. 바람직하게는, 디바이스(2)는 디바이스(2)의 입력에서 전압, 즉 전위를 측정하기 위한 전압계를 더 포함한다.
차단 디바이스(2)는 2가지 상태: 2개의 전기적 연결 단자(2.1, 2.2) 사이에서 전류가 순환하는 전도성 상태, 전류가 에너지 흡수 부재(6)에 의해 흡수되고 어떠한 전류도 전기적 연결 단자(2.1, 2.2) 사이에서 순환하지 않는 차단 상태를 가정할 수 있다. 측정 수단(3)에 의해 측정된 전류의 세기(I)가 미리 결정된 값에 도달할 때, 디바이스는 전도성 상태로부터 차단 상태로 스위칭한다.
바람직하게는, 디바이스(2)는 디바이스(2)의 상태를 운영자와 같은 외부 사람에게 통신하게 하는 것을 가능하게 하는 사용자 인터페이스(20)를 포함한다. 사용자 인터페이스(20)는 발광 다이오드(LED) 또는 스크린과 같은 임의의 유형의 시각 통신 수단을 포함할 수 있다. 스크린은 터치 감응식(touch-sensitive)일 수 있다. 사용자 인터페이스(20)는 또한 제어 버튼과 같은 터치 감응식 통신 수단을 포함할 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, 본원에서 기계적 스위치(12, 16) 또는 반도체 스위치(10)와 관련하여 사용되는 "개방” 및 "닫힘"이라는 용어는 해당 기계적 또는 반도체 스위치의 상태에 대응하고, 개방되고 닫히는 동작에 대응하는 것이 아니다.
차단 디바이스(2)의 닫힘 시퀀스는 도 4 및 도 5와 관련하여 이하에서 상세히 기술된다.
순간(t0)에서, 기계적 스위치(16)의 제어 신호(S16)는 기계적 스위치(16)의 닫힘을 요청하는 것을 의미하는 값 "1"을 가정한다. 이후 순간(t1)에서, 스위치(16)의 전자기 액추에이터의 이동 부분(164)은 축(X16)을 따라 이동하기 시작한다. 순간(t0)과 순간(t1) 사이의 시간차는 스위치(16)의 반응 시간에 대응한다.
이후 순간(t2)에서, 닫힘 위치를 향해 이동하는 이동 부분(164)은 임계 위치(P16a)에 도달한다. 이 순간(t2)에서, 반도체 스위치(10)의 제어 신호(S10)는 상태 "1"로 진입하고, 이는 반도체 스위치(10)의 닫힘을 요청하는 것을 의미한다. 반도체 스위치(10)의 닫힘 시간은 기계적 스위치(16)의 닫힘 시간에 비해 매우 빠르다. 따라서, 본 예시에서, 반도체 스위치(10)는 순간(t2)에서 닫힌 것으로 간주된다.
이후의 순간(t3)에서, 기계적 스위치(16)는 완전히 닫혀있다. 즉, 이동 접점(166)은 고정 접점(168)을 지지하고 있다.
따라서, 전자 제어 유닛(18)은 디바이스(2)가 차단 상태에서 전도성 상태로 스위치할 때, 반도체 스위치(10)가 기계적 스위치(16) 이전에 닫히도록 프로그램된다. 이는 반도체 스위치(10)가 기계적 스위치(16) 이전에 차단 상태로 스위치된다는 것을 의미한다.
임계값 위치(P16a)는 반도체 스위치(10)의 닫힘과 기계적 스위치(16)의 닫힘 사이, 즉 순간(t2)와 순간(t3) 사이의 경과 기간(△t1)이 100㎲ 내지 1㎳에 있도록 규정된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 순간(t2)까지, 어느 전류도 차단 디바이스(2)를 통해 순환하지 않는다. 기간(△t1)은 기계적 스위치(16)의 과도 닫힘 기간에 대응하거나, 또는 적어도 포함한다. 이러한 과도 기간은 특성 리바운드 현상으로 표시되며, 이에 뒤따라 이동 접점(166)은 고정 접점(168)에 대해 리바운드한다.
이러한 과도 기간동안 기계적 스위치의 단자 양단에 높은 전압을 적용하면, 전기적 아아크가 접점 쌍 사이에서 발생할 수 있기 때문에, 스위치의 작동에 해로울 수 있다. 이러한 전기적 아아크는 접촉 표면을 손상시키거나 또는 심지어 고정 접점과 이동 접점 사이의 용접 스팟(weld spot)을 생성할 수 있다. 그러나, 순간(t2)와 순간(t3) 사이에, 차단 디바이스(2)의 입력에서 전류는 기계적 스위치(12) 및 반도체 스위치(10)를 완전히 통과한다. 실제로, 고정 접점(168)과 이동 접점(166.1) 사이의 공기 체적의 저항은 스위치(10)의 저항보다 훨씬 크다: 따라서, 전류는 브랜치(14)를 통과하기 보다는 회로(C)의 브랜치(8)를 통과하는 것을 선호한다. 따라서, 순간(t2) 및 순간(t3) 사이에서 기계적 스위치(16)의 단자의 양단에 인가되는 전압은 적거나 거의 없다. 따라서, "리바운드" 과도 기간은 전기적 아아크 형성의 위험없이 수행될 수 있다.
순간(t3)에서, 기계적 스위치(16)는 완전히 닫힌다. 이후, 차단 디바이스(2)의 입력에서 거의 모든 전류는 기계적 스위치(16)를 통과하는데, 이는 전류의 통과에 대해 준-저항(quansi-nil)을 가진다는 이점을 가진다. 그 다음, 반도체 스위치(10)는 순간(t3)와 순간(t2) 사이의 차이에 대응하는 과도 기간 동안에만 전류를 전도한다는 것을 볼 수 있다. 따라서, EP-A-0,513,346에 교시된 바와 같이, 반도체 스위치(10)는 장기적인 방식으로 작동하지 않으므로, 후자를 통해 소멸되는 열 에너지가 상대적으로 약하다.
차단 디바이스(2)의 개방 순서는 도 6 및 도 7과 관련하여 이하에서 설명된다. 차단 디바이스(2)의 개방은 전기적 연결 단자(2)에서의 세기(I)가 차단 디바이스(2)가 그 내부에 설치된 전기 회로에 대해 위험한 임계값에 도달할 때 전자 제어 유닛(18)에 의해 자동적으로 명령된다. 예를 들어, 전자 제어 유닛(18)은 세기(I)를 미리 규정된 임계값과 동적으로 비교하도록 프로그램될 수 있다.
이 예시에서, 순간(t4)에서 세기(I)가 임계값을 초과한다고 가정한다. 전자 제어 유닛(18)은 디바이스(2)의 개방을 명령한다. 스위치(16)의 제어 신호(S16)는 상태 "1"로부터 상태 "0"으로 스위치되고, 이는 기계적 스위치(16)의 개방이 요청된다는 것을 의미한다.
이후 순간(t5)에서, 스위치(16)의 전자기 액추에이터의 이동 부분(164)은 닫힌 위치로부터 개방 위치로 이동하기 시작한다.
이후 순간(t6)에서, 개방 위치를 향해 이동하는 이동 부분(164)은 제2 임계 위치(P16b)에 도달한다.
이후 순간(t6')에서, 기계적 스위치(16)는 완전히 개방된다. 이후 전류는 기계적 스위치(12) 및 반도체 스위치(10)를 통과하여 전류가 순환하지 않더라도 차단 디바이스(2)가 전도성 상태인 경우 둘 모두 전도성을 유지하는 기계적 스위치 및 반도체 스위치를 통과한다. 실제로, 스위치(10)는 스위치(16)에 비해 상대적으로 높은 전기적 저항을 갖는다.
다음 순간(t7)에서, 반도체 스위치(10)가 개방된다. 모든 전류는 에너지 흡수기(6)를 가지는 제1 브랜치(4)로 유입된다. 도 7의 하단에 도시된 바와 같이, 전류는 열 에너지의 형태로 에너지 흡수기(6) 내부에서 소멸된다. 에너지 흡수 부재(6)가 배리스터인 예시에서, 전류의 세기가 높을 때 부재(6)의 저항은 훨씬 더 크다. 그런 다음, 에너지 흡수 부재(6)의 단자 양단에 매우 높은 전압을 획득함으로써, 브랜치(4)에서 순환하는 전류를 낮추고, 결과적으로는 상쇄시키며, 더구나 단자(2.1 및 2.2)를 통해 전류를 순환시킨다.
따라서, 전자 제어 유닛(18)은 기계적 스위치(16) 다음에 반도체 스위치(10)를 개방하도록 프로그램된다. 이는 반도체 스위치(10)가 기계적 스위치(16) 이후에 전도성 상태로 스위칭된다는 것을 의미한다.
보다 구체적으로, 전자 제어 유닛(18)은 개방 위치 쪽으로 이동하는 이동 부분(164)이 제2 임계 위치(P16b)에 도달하는 순간(t6)으로부터 제2 기간(△t2) 후에 반도체 스위치(10)를 개방하도록 프로그램되고, 상기 제2 임계 위치(P16b)는 순간(t6) 및 순간(t7) 사이의 시간 차이로서 규정된 제2 기간(△t2)이 1㎳ 미만, 특히 10㎲ 내지 100㎲가 되도록 규정된다. 이는 고정 접점(168)과 이동 접점(166.1) 사이의 공기의 체적이 탈 이온화되는데 필요한 시간 동안 브랜치(8)를 향하여 전류를 안내하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 스위치(16)를 "재-아킹(re-arcing)", 즉, 이동 및 고정 접점 사이에 전기 아아크를 생성하는 것을 피할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 에너지 흡수 부재(6)는 바람직하게 제거 가능하다. 이 도면은 차단 디바이스(2)에 속하는 지지부(200)의 대응하는 전력 소켓(202)과 연결되도록 4개의 플러그(60)가 구비된 하우징에 의해 도시되어 있다. 마모되는 경우, 에너지 흡수 부재(6)는 새로운 부재로 대체될 수 있다. 에너지 흡수 부재(6)의 마모는 온도 측정(T6)으로 인해 디바이스(2)의 사용 전체에 걸쳐 평가될 수 있다. 실제로, 에너지 흡수기(6)의 급격한 온도 증가는 차단 상태로의 디바이스의 통과에 대응한다. 그 후, 유닛(18)은 디바이스(2)에 의해 행해진 전류 차단의 횟수를 카운트하고 메모리에 저장할 수 있다. 또한, 전자 제어 유닛(18)은 전류 측정치(I)를 통해 각 차단 시에 에너지 흡수기(6)에 의해 소멸된 에너지를 계산할 수 있고, 흡수기(6)의 비정상적인 과열을 검출할 수 있다. 이를 기초로, 에너지 흡수기(6)가 새로운 부품으로 대체되어야 하는 경우 경보 신호가 방출될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차단 디바이스를 도시한다. 이하에서는, 간결성을 도모하기 위하여 제1 실시예와의 차이점만을 설명한다. 제2 실시예에 따른 차단 디바이스의 전자 부품은 제1 실시예에 따른 차단 디바이스에서 사용된 것과 동일하다. 따라서, 2개의 실시예에 대해 동일한 참조 번호가 사용된다.
제2 실시예에 따른 차단 디바이스(2)는 기계적 스위치(12)를 포함하는 브랜치(13)가 단자(2.1)를 회로(C)의 브랜치(4, 8, 14)에 연결한다는 점에서 앞서 기술한 것과 다르다. 따라서, 브랜치(13)는 각 브랜치(4, 8, 14)와 공유되는 노드를 갖는다.
케이블이 다르더라도, 제2 실시예에 따른 차단 디바이스(2)는 도 1의 차단 디바이스(2)와 유사한 방식으로 상이하다.
선행 실시예를 고려하지 않고, 에너지 흡수 부재(6)의 제거 가능한 성질은 디바이스(2)의 개방 및 닫힘 동안 반도체 스위치(10) 및 기계적 스위치(12)의 제어에 비해서 전경(foreground)으로 가져갈 수 있다.
실제로, 종래 기술에서, 에너지 흡수 부재, 즉 가장 빈번하게는 배리스터가 마모되었을 때, 에너지 흡수 부재가 교체되지 않기 때문에 전체 차단 디바이스가 변경된다. 물론 이는 매우 비싸다. 따라서, 본원에서의 아이디어는, 보다 쉽게 유지될 수 있고, 따라서 수명이 증가된 반도체 전류 차단 디바이스(2)를 제안하는 것이다. 이러한 반도체 전류 차단 디바이스(2)의 2가지 실시예가 도 1 내지 도 9에 도시되어 있다.
반도체 전류 차단 디바이스(2)로서,
- 에너지 흡수 부재(6)를 가지는 제1 브랜치(4) 및 반도체 스위치(10)를 가지는 제2 브랜치(8)를 포함하는 회로(C)로서, 상기 반도체 스위치(10)는 제1 브랜치(4)와 병렬로 연결되는, 회로(C);
- 디바이스의 단자(2.1 또는 2.2)에서의 전류의 세기를 측정하는 수단(3); 및
- 상기 측정 수단(3)에 의해 측정된 전류의 세기(I)가 미리 결정된 값에 도달할 때 반도체 스위치(10)의 개방을 제어하도록 프로그램된 스위치(10)의 전자 제어 유닛(18)으로서, 이후 상기 디바이스는 전도성 상태로부터 전류가 상기 에너지 흡수 부재에 의해 흡수되는 차단 상태로 스위칭하는, 전자 제어 유닛(18)
을 여전히 포함한다.
이 실시예에서, 차단 디바이스(2)는 에너지 흡수 부재(6)가 제거 가능하다는 사실을 특징으로 한다.
바람직하게는, 에너지 흡수 부재(6)는 차단 디바이스(2)에 속하는 지지부(200)의 대응하는 전력 소켓(202)에 연결되도록 4개의 플러그(60)가 구비된 하우징을 포함한다.
에너지 흡수 부재(6)는 현명하게 단지 임의의 에너지 흡수 부재를 회로(C)에 연결하는 것을 방지하는 기계적 실수 방지 시스템을 형성하는 연결 수단을 포함한다. 기계적 연결 실수 방지 시스템은 그 자체로 공지되어 있으며, 때문에 에너지 흡수 부재(6)의 연결을 위해 구현된 기계적 실수 방지 시스템은 더 상세히 설명하지 않기로 한다.
바람직하게는, 전자 제어 유닛(18)은 부재(6)의 온도(T6) 및 선택적으로 반도체 스위치(10)의 온도(T10)를 동적으로(즉, 실시간으로) 수집할 수 있다. 이는 임의의 과열을 검출함으로써 에너지 흡수 부재(6)의 작동 상태 및 잠재적으로 반도체 스위치(10)의 작동 상태를 또한 모니터하는 것을 가능하게 한다.
마모되는 경우, 에너지 흡수 부재(6)는 새로운 부재로 대체될 수 있다. 에너지 흡수 부재(6)의 마모는 온도 측정(T6)으로 인해 디바이스(2)의 사용 전체에 걸쳐 평가될 수 있다. 실제로, 에너지 흡수기(6)의 급격한 온도 증가는 차단 상태로의 디바이스의 통과에 대응한다. 이후, 유닛(18)은 디바이스(2)에 의해 행해진 전류 차단의 횟수를 카운트하고 메모리에 저장할 수 있다. 또한, 전자 제어 유닛(18)은 전류 측정치(I)를 통해 각 차단 시에 에너지 흡수기(6)에 의해 소멸된 에너지를 계산할 수 있고, 흡수기(6)의 비정상적인 과열을 검출할 수 있다. 이를 기초로, 에너지 흡수기(6)가 새로운 부품으로 대체되어야 하는 경우 경보 신호가 방출될 수 있다.
또한, 유리하지만 선택적인 양태에 따르면, 이 디바이스는 임의의 기술적으로 허용 가능한 조합으로 고려되는 이하의 특징들을 하나 이상 포함할 수 있다:
- 회로(C)는 기계적 스위치(16)를 가지는 제3 브랜치(14)를 포함하고, 제3 브랜치(14)는 제2 브랜치(8)와 병렬로 연결된다.
- 기계적 스위치(16)의 개방 및 닫힘은 전자 제어 유닛(18)에 의해 제어된다.
- 전자 제어 유닛(18)은 디바이스(2)가 차단 상태로부터 전도성 상태로 스위칭될 때, 반도체 스위치(10)가 기계적 스위치(16) 이전에 닫히도록 프로그램된다.
- 전자 제어 유닛(18)은 디바이스(2)가 전도성 상태로부터 차단 상태로 스위치 될 때, 반도체 스위치(10)가 기계적 스위치(16) 이후에 개방되도록 프로그램된다.
- 기계적 스위치(16)는 고정 부분(162), 개방 위치와 닫힌 위치 사이에서 이동하는 부분(164) 및 고정 부분(162)에 대한 이동 부분(164)의 위치(P16)를 측정하기 위한 수단(172)을 포함하고, 닫힌 위치를 향하여 이동하는 이동 부분(164)이 제1 임계 위치(P16a)에 도달할 때 전자 제어 유닛(18)이 반도체 스위치(10)를 닫도록 프로그램 되는 반면 상기 측정 수단(172)은 전자 제어 유닛(18)에 연결된다.
- 제1 임계 위치(P16a)는 스위치(10)의 닫힘과 기계적 스위치(16)의 닫힘 사이 제1 기간(△t1)이 100㎲ 내지 1㎳에 있도록 규정된다.
- 전자 제어 유닛은 개방 위치를 향하여 이동하는 이동 부분(164)이 제2 임계 위치에 도달하는 순간으로부터 제2 기간(△t2) 후에 반도체 스위치(10)를 개방하도록 프로그램되고, 상기 제2 임계 위치는 상기 제2 기간(△t2)이 1㎳ 미만, 특히 10㎲ 내지 100㎲가 되도록 규정된다.
- 기계적 스위치(16)는 반발 디스크(164.3) 및 반발 코일(170)을 구비한 이동 부분(164)을 포함하며, 전류가 공급될 때, 상기 반발 코일은 상기 반발 디스크(164.3)를 밀어내고, 상기 이동 부분(164)은 그 닫힌 위치로부터 개방 위치로 이동한다.
- 기계적 스위치(16)는 1㎳ 미만, 특히 약 200㎲인 개방 시간을 갖는다.
- 이 회로는 제3 브랜치(14)와 공유되는 노드 및 2개의 제1 브랜치(4, 8)와 공유되는 노드를 가지는 제4 브랜치(13)를 포함하고, 상기 제4 브랜치(13)는 또 다른 기계적 스위치(12)를 포함한다.
- 대안적으로, 회로(C)는 디바이스(2)의 전기적 연결 단자(2.1 또는 2.2)를 회로(C)의 3개의 제1 브랜치에 연결하는 제4 브랜치(13)를 포함하며, 이러한 제4 브랜치(13)는 또 다른 기계적 스위치(12)를 포함한다.
- 이러한 또 다른 기계적 스위치(12)는 디바이스(2)의 제1 연결 단자(2.1)와 제2 연결 단자(2.2) 사이에 갈바닉 절연을 제공하도록 하는 치수를 갖는다.
상기에서 고려된 실시예들의 특징은 본 발명의 새로운 실시예를 생성하기 위해 조합될 수 있다.

Claims (11)

  1. 반도체 전류 차단 디바이스(2)로서,
    에너지 흡수 부재(6)를 가지는 제1 브랜치(4), 반도체 스위치(10)를 가지는 제2 브랜치(8) 및 기계적 스위치(16)를 가지는 제3 브랜치(14)를 포함하는 회로(C)로서, 상기 반도체 스위치는 상기 제1 브랜치와 병렬로 연결되고, 상기 제3 브랜치는 상기 제2 브랜치와 병렬로 연결되는, 회로(C);
    반도체 전류 차단 디바이스의 연결 단자(2.1, 2.2)에서의 전류의 세기(I)를 측정하기 위한 수단(3); 및
    상기 측정 수단(3)에 의해 측정된 전류의 세기(I)가 미리 결정된 값에 도달하여 상기 반도체 전류 차단 디바이스가 전도성 상태로부터 전류가 상기 에너지 흡수 부재에 의해 흡수되는 차단 상태로 스위칭할 때 반도체 스위치의 개방을 제어하도록 프로그램된 스위치(10)의 전자 제어 유닛(18)을 포함하고,
    상기 기계적 스위치(16)의 개방과 닫힘은 상기 전자 제어 유닛(18)에 의해 제어되며,
    상기 전자 제어 유닛(18)은 상기 디바이스가 전도성 상태로부터 차단 상태로 스위칭할 때 상기 반도체 스위치가 상기 기계적 스위치(16) 이후에 개방되도록 프로그램되고,
    상기 전자 제어 유닛(18)은 상기 반도체 전류 차단 디바이스가 차단 상태로부터 전도성 상태로 스위칭할 때 상기 반도체 스위치(10)가 상기 기계적 스위치(16) 이전에 닫히도록 프로그램되는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기계적 스위치(16)는 고정 부분(162), 개방 위치와 닫힌 위치 사이에서 이동하는 부분(164) 및 고정 부분에 대한 이동 부분의 위치(P16)를 측정하기 위한 수단(172)을 포함하고, 상기 측정 수단(172)은 상기 전자 제어 유닛(18)에 연결되며,
    닫힌 위치를 향하여 이동하는 이동 부분(164)이 제1 임계 위치(P16a)에 도달할 때, 상기 전자 제어 유닛(18)은 반도체 스위치(10)를 닫도록 프로그램 되는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 임계 위치(P16a)는 상기 반도체 스위치(10)의 닫힘과 상기 기계적 스위치(16)의 닫힘 사이의 제1 기간(△t1)이 100㎲ 내지 1㎳가 되도록 규정되는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(18)은 개방 위치를 향하여 이동하는 이동 부분이 제2 임계 위치(P16b)에 도달하는 순간으로부터 제2 기간(△t2) 후에 반도체 스위치(10)를 개방하도록 프로그램되고,
    상기 제2 임계 위치는 상기 제2 기간(△t2)이 1㎳ 미만이 되도록 규정되는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 부재(6)는 제거 가능한,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계적 스위치(16)는 반발 디스크(164.3) 및 반발 코일(170)을 구비한 이동 부분(164)을 포함하며, 전류가 공급될 때 상기 반발 코일은 상기 반발 디스크를 밀어내 상기 이동 부분은 그 닫힌 위치로부터 개방 위치로 이동하는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계적 스위치(16)는 1㎳ 미만의 개방 시간을 가지는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는 제3 브랜치(14)와 공유되는 노드 및 2개의 제1 브랜치(4, 8)와 공유되는 노드를 가지는 제4 브랜치(13)를 포함하고,
    상기 제4 브랜치(13)는 또 다른 기계적 스위치(12)를 포함하는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는 반도체 전류 차단 디바이스의 전기적 연결 단자(2.1)를 회로(C)의 3개의 제1 브랜치에 연결하는 제4 브랜치(13)를 포함하며,
    상기 제4 브랜치(13)는 또 다른 기계적 스위치(12)를 포함하는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  10. 제8항에 있어서,
    상기 또 다른 기계적 스위치(12)는 디바이스(2)의 제1 연결 단자(2.1)와 제2 연결 단자(2.2) 사이에 갈바닉 절연(galvanic insulation)을 제공하는 치수를 가지는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 전류 차단 디바이스(2)는 2개의 전기적 연결 단자(2.1, 2.2)를 포함하며, 2개의 전기적 연결 단자 중 하나는 DC 전류원에 연결되도록 되어있는,
    반도체 전류 차단 디바이스(2).
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