KR102542549B1 - 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기는, 입력 단 및 부하 단 사이에 연결되는 메인 스위치, 상기 입력 단 및 상기 메인 스위치의 전단 사이와 상기 메인 스위치의 후단과 상기 부하 단 사이에 각각 연결되는 제1 및 제2 커패시터, 1차 측 및 2차 측이 각각 상기 제1 및 제2 커패시터와 연결되는 결합 인덕터, 및 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 각각 병렬로 연결되는 제1 및 제2 상단 저항을 포함한다.

Description

결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기{BI-DIRECTIONAL SOLID STATE DC CIRCUIT BREAKER USING COUPLED INDUCTOR}
본 발명은 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기에 관한 것이다.
반도체 차단기(Solid State Circuit Breaker, SSCB)는 전력 차단을 위해 사용되는 메인 스위치가 전력용 반도체 소자로 사용된 차단기이다. 기본 동작은 AC 차단기와 동일하다. 직류 배전망에서는 교류 배전망에 비해 선로 인덕턴스가 낮아 단락사고 시 짧은 시간 내에 큰 사고 전류가 발생한다. 이로 인해 기존 사용된 기계식이 아닌 전력용 반도체 소자를 이용한 차단기 개발이 진행중이다.
일반적인 반도체 직류 차단기의 기본 구성은 스너버 회로, LC 공진회로, 또는 바리스타(Metal Oxide Varistor, MOV) 회로를 이용한 구성이 제안되고 있다. 반도체 직류 차단기의 안정적인 동작을 위해, 대표적으로 적용될 수 있는 장치 구성은 다음과 같다.
RCD 스너버 회로는 전력 변환 장치 회로 내 존재하는 누설 인덕턴스 값에 의해 발생되는 스파이크 전압을 억제하는 역할을 수행한다.
바리스타(MOV) 회로는 사고 전류 크기 또는 급격한 에너지 변동을 억제하는 역할을 수행한다.
환류 다이오드는 불필요한 전류의 유입을 막거나, 사고 전류 발생 시 환류 구간을 만들기 위해 사용된다.
이와 같이, 사고 전류의 크기, 전압 스파이크 및 소호 시간을 줄이기 위해 다양한 형태의 차단기 개발이 진행 중이다.
종래의 반도체 직류 차단기는 메인 스위치 외에 다이오드 등의 다수의 반도체 소자를 사용하거나, 보조 차단기를 사용하고 있다. 현재까지 대부분의 반도체 차단기의 회로 구성은 반도체 소자(예컨대, 스위치 또는 다이오드)를 이용한 회로 구성이 제안되고 있다. 여기서, 반도체 소자 사용은 반도체 차단기 가격의 주요 원인이다. 따라서, 반도체 차단기에서 수동 소자(예컨대, 커패시터, 인덕터 등)만을 이용한 차단기 회로 구성 방안이 필요한 상황이다.
본 발명의 실시예들은 수동 소자(예컨대, 결합 인덕터, 커패시터, 저항 등)만으로 구성되며, 반도체 보호 및 전류 억제 성능을 만족시킬 수 있는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위의 환경에서도 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 단 및 부하 단 사이에 연결되는 메인 스위치; 상기 입력 단 및 상기 메인 스위치의 전단 사이와 상기 메인 스위치의 후단과 상기 부하 단 사이에 각각 연결되는 제1 및 제2 커패시터; 1차 측 및 2차 측이 각각 상기 제1 및 제2 커패시터와 연결되는 결합 인덕터; 및 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 각각 병렬로 연결되는 제1 및 제2 상단 저항을 포함하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기가 제공될 수 있다.
상기 반도체 직류 차단기는, 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이에 각각 직렬로 연결되는 제1 및 제2 하단 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 상단 저항은, 상기 부하 단에서 사고가 발생하여 사고 전류가 발생하고 상기 메인 스위치의 차단 동작이 이루어진 상태에서, 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 발생된 스파이크 전압을 억제시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 하단 저항은, 사고 발생시 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이를 흐르는 사고 전류를 감소시킬 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 양방향 전력 차단을 위해, 상기 결합 인덕터를 기준으로 양 권선이 대칭형 구조를 가질 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 2 권선(Two-winding)으로 구성될 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 커플링 계수(Coupling coefficient)에 따라 자기 인덕턴스(Self inductance) 값이 바뀔 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 상기 입력 단 또는 상기 부하 단에서 사고 발생시 사고 전류를 환류하고, 1차 측과 2차 측을 통해 사고 에너지를 분담할 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터의 커패시터 값, 상기 결합 인덕터의 자기 인덕턴스 값 및 상기 제1 및 제2 저항의 저항 값은 상기 입력 단의 배전망 전압 값과 상기 입력 단 및 부하 단 사이의 선로 임피던스 값에 따라 조정될 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터는, 사고가 발생하지 않은 상황에서 상기 부하 단에 전력을 공급하기 위해 상기 메인 스위치가 턴-온되었을 때 충전되고, 충전 완료 후 단락 상태가 될 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터는, 감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 발생되는 사고 에너지를 억제하기 위해 에너지를 충방전할 수 있다.
감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 사고 전류가 상기 결합 인덕터의 2차 측 경로로 환류하며, 상기 환류하는 전류가 상기 결합 인덕터의 1차 측으로 전달되어 상기 제1 및 제2 커패시터에 축적된 에너지를 방출시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입력 단 및 부하 단 사이에 연결되는 메인 스위치; 상기 입력 단 및 상기 메인 스위치의 전단 사이와 상기 메인 스위치의 후단과 상기 부하 단 사이에 각각 연결되는 제1 및 제2 커패시터; 1차 측 및 2차 측이 각각 상기 제1 및 제2 커패시터와 연결되는 결합 인덕터; 및 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이에 각각 직렬로 연결되는 제1 및 제2 하단 저항을 포함하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기가 제공될 수 있다.
상기 양방향 반도체 직류 차단기는, 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 각각 병렬로 연결되는 제1 및 제2 상단 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 상단 저항은, 상기 부하 단에서 사고가 발생하여 사고 전류가 발생하고 상기 메인 스위치의 차단 동작이 이루어진 상태에서, 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 발생된 스파이크 전압을 억제시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 하단 저항은, 사고 발생시 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이를 흐르는 사고 전류를 감소시킬 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 양방향 전력 차단을 위해, 상기 결합 인덕터를 기준으로 양 권선이 대칭형 구조를 가질 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 2 권선(Two-winding)으로 구성될 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 커플링 계수(Coupling coefficient)에 따라 자기 인덕턴스(Self inductance) 값이 바뀔 수 있다.
상기 결합 인덕터는, 상기 입력 단 또는 상기 부하 단에서 사고 발생시 사고 전류를 환류하고, 1차 측과 2차 측을 통해 사고 에너지를 분담할 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터의 커패시터 값, 상기 결합 인덕터의 자기 인덕턴스 값 및 상기 제1 및 제2 저항의 저항 값은 상기 입력 단의 배전망 전압 값과 상기 입력 단 및 부하 단 사이의 선로 임피던스 값에 따라 조정될 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터는, 사고가 발생하지 않은 상황에서 상기 부하 단에 전력을 공급하기 위해 상기 메인 스위치가 턴-온되었을 때 충전되고, 충전 완료 후 단락 상태가 될 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터는, 감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 발생되는 사고 에너지를 억제하기 위해 에너지를 충방전할 수 있다.
감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 사고 전류가 상기 결합 인덕터의 2차 측 경로로 환류하며, 상기 환류하는 전류가 상기 결합 인덕터의 1차 측으로 전달되어 상기 제1 및 제2 커패시터에 축적된 에너지를 방출시킬 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예들은 수동 소자(예컨대, 결합 인덕터, 커패시터, 저항 등)만으로 구성되어도 양방향 전력 차단이 가능하고 반도체 보호 및 전류 억제 성능을 만족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 6은 부하측 단락사고 상황에 따라 구분되는 양방향 반도체 직류 차단기의 각 상태에서의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9는 부하측 단락사고 상황에 따라 구분되는 양방향 반도체 직류 차단기의 각 상태에서의 전체 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 반도체 직류 차단기에서 각 부 파형 위치를 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 양방향 반도체 직류 차단기의 각 부 파형 위치에 따른 시뮬레이션 결과 파형을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들이 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명에서 사용한 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 판례, 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기(100)는 메인 스위치(110), 제1 및 제2 커패시터(121 및 122), 결합 인덕터(130), 제1 및 제2 상단 저항(141 및 142) 및 제1 및 제2 하단 저항(151 및 152)을 포함한다. 그러나 도시된 구성요소 모두가 필수 구성요소인 것은 아니다. 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 양방향 반도체 직류 차단기(100)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해서도 양방향 반도체 직류 차단기(100)가 구현될 수 있다.
이하, 도 1의 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
우선, 도 1의 양방향 반도체 직류 차단기(100)는 입력 단(11)과 부하 단(12) 사이의 선로에 위치한다. 선로에는 선로 임피던스(101)가 존재한다. 선로 임피던스(101)는 배전망 선로에 존재하는 기생 성분을 나타낸다.
입력 단(11)의 입력 전압(DC)은 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 입력 전압으로서, 배전망 전압과 동일하다.
부하 단(12)은 사고 발생시, 양방향 반도체 직류 차단기(100)에 의해 전류 및 전압 차단이 필요한 부하를 나타낸다.
메인 스위치(110)는 입력 단(11) 및 부하 단(12) 사이에 연결된다. 메인 스위치(110)는 단락 사고 또는 기타 사고 발생시, 부하 단(12)에 인가되는 전압 및 전류를 차단할 수 있다.
제1 및 제2 커패시터(121 및 122)는 입력 단(11) 및 메인 스위치(110)의 전단 사이와 메인 스위치(110)의 후단과 부하 단(12) 사이에 각각 연결된다. 제1 및 제2 커패시터(121 및 122)는 사고 에너지를 억제하기 위해 충방전할 수 있다. 제1 및 제2 커패시터(121 및 122)는 초기 상태에서 충전되고, 단락 사고 또는 기타 사고 발생시 사고 에너지를 억제하기 위해 충전된 에너지를 방전할 수 있다.
결합 인덕터(130)는 1차 측이 메인 스위치(110)의 전단과 연결된 제1 커패시터(121)와 연결되고, 2차 측이 메인 스위치(110)의 후단과 연결된 제2 커패시터(122)와 연결된다. 결합 인덕터(130)는 단락 사고 또는 기타 사고 발생시, 사고 전류를 환류시킬 수 있고 사고 에너지 분담을 위해 사용될 수 있다.
제1 및 제2 상단 저항(141 및 142)은 결합 인덕터(130)의 1차 측 및 2차 측에 각각 병렬로 연결된다. 제1 및 제2 상단 저항(141 및 142)은 단락 사고 또는 기타 사고 발생시, 결합 인덕터(130)의 양단에 스파이크성 전압이 발생하면, 발생된 스파이크성 전압을 억제시킬 수 있다.
제1 및 제2 하단 저항(151 및 152)은 결합 인덕터(130)의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이에 각각 직렬로 연결된다. 제1 및 제2 하단 저항(151 및 152)은 단락 사고 발생시, 사고 전류 및 메인 스위치(110)의 스파이크 전압의 크기를 감소시킬 수 있다.
한편, 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 상단 저항(141 및 142)은 부하 단(12)에서 사고가 발생하여 사고 전류가 발생하고 메인 스위치(110)의 차단 동작이 이루어진 상태에서, 결합 인덕터(130)의 1차 측 및 2차 측에 발생된 스파이크 전압을 억제시킬 수 있다.
실시예들에 따르면, 제1 및 제2 하단 저항(151 및 152)은 사고 발생시 결합 인덕터(130)의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이를 흐르는 사고 전류를 감소시킬 수 있다.
실시예들에 따르면, 결합 인덕터(130)는 양방향 전력 차단을 위해, 결합 인덕터(130)를 기준으로 양 권선이 대칭형 구조를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 결합 인덕터(130)는 2 권선(Two-winding)으로 구성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 결합 인덕터(130)는 커플링 계수(Coupling coefficient)에 따라 자기 인덕턴스(Self inductance) 값이 바뀔 수 있다.
실시예들에 따르면, 결합 인덕터(130)는 입력 단(11) 또는 부하 단(12)에서 사고 발생시 사고 전류를 환류하고, 1차 측과 2차 측을 통해 사고 에너지를 분담할 수 있다.
실시예들에 따르면, 제1 및 제2 커패시터(121 및 122)의 커패시터 값, 결합 인덕터(130)의 자기 인덕턴스 값 및 제1 및 제2 저항의 저항 값은 입력 전원(11)의 배전망 전압 값과 입력 단(11) 및 부하 단(12) 사이의 선로 임피던스 값에 따라 조정될 수 있다.
실시예들에 따르면, 제1 및 제2 커패시터(121 및 122)는 사고가 발생하지 않은 상황에서 부하 단(12)에 전력을 공급하기 위해 메인 스위치(110)가 턴-온되었을 때 충전되고, 충전 완료 후 단락 상태가 될 수 있다.
실시예들에 따르면, 제1 및 제2 커패시터(121 및 122)는 감지된 차단 신호에 의해 메인 스위치(110)가 차단된 상태에서, 메인 스위치(110)에서의 스파이크 전압으로 인해 발생되는 사고 에너지를 억제하기 위해 에너지를 충방전할 수 있다.
실시예들에 따르면, 감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치(110)가 차단된 상태에서, 메인 스위치(110)에서의 스파이크 전압으로 인해 사고 전류가 결합 인덕터(130)의 2차 측 경로로 환류하며, 환류하는 전류가 결합 인덕터(130)의 1차 측으로 전달되어 제1 및 제2 커패시터(121 및 122)에 축적된 에너지를 방출시킬 수 있다.
도 2 내지 도 6은 부하측 단락사고 상황에 따라 구분되는 양방향 반도체 직류 차단기의 각 상태에서의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9는 부하측 단락 사고 상황에 따라 구분되는 양방향 반도체 직류 차단기의 각 상태에서의 전체 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 6에서의 각 상태를 도 7 내지 도 9에 도시된 메인 스위치(110) 전압 VSW, 사고 전류 Ish, 입력 단(11)의 전류 Iin, 부하 단(12)의 전류 Iin, 결합 인덕터(130)의 1차 측 전압 Vpri, 결합 인덕터(130)의 2차 측 전압 Vsec, 제1 커패시터 전압 VCpri, 제2 커패시터 전압 VCsec, 제1 전류 Ipri, 제2 전류 Isec를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 커패시터 충전 상태에서 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
제1 단계로서, 커패시터 충전 상태(t0~t1)는 선로에 사고가 발생하지 않은 상황에서 부하 단(12)에 전력을 공급하기 위해 양방향 반도체 차단기의 메인 스위치(110)가 턴-온되었을때 발생한다.
결합 인덕터(130)의 각 권선에 연결된 제1 커패시터(121) Cpri와 제2 커패시터(122) Csec에 에너지가 축적될 때까지, 접지 쪽으로 제1 전류 Ipri와 제2 전류 Isec가 흐른다.
충전 완료 후, 두 커패시터는 완전 충전 상태가 되어 제1 전류 Ipri 및 제2 전류 Isec는 영으로 감소된다.
도 3은 정상 상태에서 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
제2 단계로서, 정상 상태(t1~t2)는 제1 단계 이후, 사고가 발생하는 제3 단계 사이의 구간을 나타낸다. 메인 스위치(110)는 사고 감지 전까지 계속해서 턴-온 상태를 유지한다. 결합 인덕터(130)의 각 권선은 열린 회로 상태(Open circuit state)이며, 더이상 제1 전류 Ipri와 제2 전류 Isec가 흐르지 않는다.
도 4는 차단 지연 상태에서 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
제3 단계로서, 차단 지연 상태(t2~t3)는 제2 단계의 정상 상태로 동작 중, 시간 t2에서 부하 단(12)에서 단락 사고가 발생한 상태이다. 이로 인해, 차단 지연 상태(t2~t3)는 선로에 사고 전류 Ish가 급격히 증가하는 상태를 나타낸다. 이때, 차단 지연 상태(t2~t3)는 사고 전류 판단 및 차단 지연 시간(Time delay)으로 인해 메인 스위치(110)의 차단 동작이 아직 이루어 지지 않은 상태를 나타낸다. 이 시간 동안 입력 전류 Iin는 사고 전류 Ish와 동일하게 상승한다. 급격한 전류 변화로 인해 결합 인덕터(130)의 1차 측 전압 Vpri, 2차 측 전압 Vsec에 스파이크 전압 발생한다. 제1 상단 저항(141) Rpri1과 제2 상단 저항(142) Rsec1은 결합 인덕터(130)의 1차 측 및 2차 측에 발생한 스파이크 전압을 억제하는 역할을 수행한다.
도 5는 차단 및 사고 전류 환류 상태에서 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
제4 단계로서, 차단 및 사고 전류 환류 상태(t3~t4)에서는 메인 스위치(110)가 차단 신호를 감지하고, 그 차단 신호에 의해 메인 스위치(110)가 완전히 차단된 상태가 된다. 이때, 급격한 전압 변동이 발생하고, 이로 인해 메인 스위치(110)에는 최대 전압 스파이크가 발생한다. 사고 전류는 결합 인덕터(130)의 2차 측 경로로 환류하며, 환류하는 사고 에너지는 결합 인덕터(130)의 1차 측으로 전달되어 제1 커패시터(121) Cpri와 제2 커패시터(122) Csec에 축적된 에너지를 방출하게 된다.
도 6은 보호 상태에서 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
제5 단계로서, 보호 상태(t4~t5)는 부하 측에 발생된 사고 전류 Ish가 모두 환류하여 0A로 수렴하는 단계를 나타낸다. 제2 커패시터(122) Csec의 에너지가 모두 방출된 상태이며, 배전망 전압 Vin이 유지될 경우 제1 커패시터(121) Cpri는 충전된다. 부하 단(12)의 사고 복구가 완료되면, 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 동작은 제1 단계로 복귀하여 반복 수행될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 반도체 직류 차단기에서 각 부 파형 위치를 나타낸 도면이다.
도 10에는 양방향 반도체 직류 차단기(100)에서 각 부 파형 위치가 나타나 있다. 즉, 입력 단(11)의 전류 파형 Iin, 메인 스위치(110)의 전압 파형 VSW, 메인 스위치(110)와 부하 단(12) 사이의 사고 전류 파형 Ish, 부하 단(12)의 전류 파형 Iin, 메인 스위치(110)의 전단에 연결된 제1 커패시터(121)의 전압 파형 VCpri, 메인 스위치(110)의 후단에 연결된 제2 커패시터(122)의 전압 파형 VCsec, 제1 커패시터(121)와 연결된 결합 인덕터(130)의 1차 측 전압 파형 Vpri, 제2 커패시터(122)와 연결된 결합 인덕터(130)의 2차 측 전압 파형 Vsec, 결합 인덕터(130)의 1차 측과 접지 사이의 제1 전류 파형 Ipri, 결합 인덕터(130)의 2차 측과 접지 사이의 제2 전류 파형 Isec에 대한 위치가 나타나 있다.
도 11 및 도 12는 양방향 반도체 직류 차단기의 각 부 파형 위치에 따른 시뮬레이션 결과 파형을 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12에는 가정된 사고 상황의 시간별 양방향 반도체 직류 차단기(100)의 각 부 파형 위치에 따른 시뮬레이션 결과 파형이 나타나 있다.
상술한 다양한 실시예들에 따른 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소가 다양한 실시예에 더 포함될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따른, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 양방향 반도체 직류 차단기
11: 입력 단
12: 부하 단
101: 선로 임피던스
110: 메인 스위치
121 및 122: 제1 및 제2 커패시터
130: 결합 인덕터
141 및 142: 제1 및 제2 상단 저항
151 및 152: 제1 및 제2 하단 저항

Claims (24)

  1. 입력 단 및 부하 단 사이에 연결되는 메인 스위치;
    상기 입력 단 및 상기 메인 스위치의 전단 사이와 상기 메인 스위치의 후단과 상기 부하 단 사이에 각각 연결되는 제1 및 제2 커패시터;
    1차 측 및 2차 측이 각각 상기 제1 및 제2 커패시터와 연결되는 결합 인덕터; 및
    상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 각각 병렬로 연결되는 제1 및 제2 상단 저항을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 상단 저항은,
    상기 부하 단에서 사고가 발생하여 사고 전류가 발생하고 상기 메인 스위치의 차단 동작이 이루어진 상태에서, 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 발생된 스파이크 전압을 억제시키는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이에 각각 직렬로 연결되는 제1 및 제2 하단 저항을 더 포함하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 하단 저항은,
    사고 발생시 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이를 흐르는 사고 전류를 감소시키는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    양방향 전력 차단을 위해, 상기 결합 인덕터를 기준으로 양 권선이 대칭형 구조를 가지는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    2 권선(Two-winding)으로 구성되는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    커플링 계수(Coupling coefficient)에 따라 자기 인덕턴스(Self inductance) 값이 바뀌는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    상기 입력 단 또는 상기 부하 단에서 사고 발생시 사고 전류를 환류하고, 1차 측과 2차 측을 통해 사고 에너지를 분담하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터의 커패시터 값, 상기 결합 인덕터의 자기 인덕턴스 값 및 상기 제1 및 제2 저항의 저항 값은 상기 입력 단의 배전망 전압 값과 상기 입력 단 및 부하 단 사이의 선로 임피던스 값에 따라 조정되는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터는,
    사고가 발생하지 않은 상황에서 상기 부하 단에 전력을 공급하기 위해 상기 메인 스위치가 턴-온되었을 때 충전되고, 충전 완료 후 단락 상태가 되는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터는,
    감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 발생되는 사고 에너지를 억제하기 위해 에너지를 충방전하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  12. 제11항에 있어서,
    감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 사고 전류가 상기 결합 인덕터의 2차 측 경로로 환류하며, 상기 환류하는 전류가 상기 결합 인덕터의 1차 측으로 전달되어 상기 제1 및 제2 커패시터에 축적된 에너지를 방출시키는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  13. 입력 단 및 부하 단 사이에 연결되는 메인 스위치;
    상기 입력 단 및 상기 메인 스위치의 전단 사이와 상기 메인 스위치의 후단과 상기 부하 단 사이에 각각 연결되는 제1 및 제2 커패시터;
    1차 측 및 2차 측이 각각 상기 제1 및 제2 커패시터와 연결되는 결합 인덕터; 및
    상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이에 각각 직렬로 연결되는 제1 및 제2 하단 저항을 포함하고,
    상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 각각 병렬로 연결되는 제1 및 제2 상단 저항을 더 포함하며,
    상기 제1 및 제2 상단 저항은,
    상기 부하 단에서 사고가 발생하여 사고 전류가 발생하고 상기 메인 스위치의 차단 동작이 이루어진 상태에서, 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측에 발생된 스파이크 전압을 억제시키는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 하단 저항은,
    사고 발생시 상기 결합 인덕터의 1차 측 및 2차 측과 접지 사이를 흐르는 사고 전류를 감소시키는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    양방향 전력 차단을 위해, 상기 결합 인덕터를 기준으로 양 권선이 대칭형 구조를 가지는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    2 권선(Two-winding)으로 구성되는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    커플링 계수(Coupling coefficient)에 따라 자기 인덕턴스(Self inductance) 값이 바뀌는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 결합 인덕터는,
    상기 입력 단 또는 상기 부하 단에서 사고 발생시 사고 전류를 환류하고, 1차 측과 2차 측을 통해 사고 에너지를 분담하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터의 커패시터 값, 상기 결합 인덕터의 자기 인덕턴스 값 및 상기 제1 및 제2 저항의 저항 값은 상기 입력 단의 배전망 전압 값과 상기 입력 단 및 부하 단 사이의 선로 임피던스 값에 따라 조정되는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터는,
    사고가 발생하지 않은 상황에서 상기 부하 단에 전력을 공급하기 위해 상기 메인 스위치가 턴-온되었을 때 충전되고, 충전 완료 후 단락 상태가 되는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 커패시터는,
    감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 발생되는 사고 에너지를 억제하기 위해 에너지를 충방전하는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
  24. 제23항에 있어서,
    감지된 차단 신호에 의해 상기 메인 스위치가 차단된 상태에서, 상기 메인 스위치에서의 스파이크 전압으로 인해 사고 전류가 상기 결합 인덕터의 2차 측 경로로 환류하며, 상기 환류하는 전류가 상기 결합 인덕터의 1차 측으로 전달되어 상기 제1 및 제2 커패시터에 축적된 에너지를 방출시키는, 결합 인덕터를 이용한 양방향 반도체 직류 차단기.
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