KR20030040422A - 보호 릴레이 - Google Patents

Abstract

역배터리 또는 로드 덤프에 대하여 회로를 제공하기 위한 보호 릴레이가 제공된다. 여기서, 릴레이 코일은 콘택트 스위치와 연동되고 역바이어스 다이오드(제너 다이오드가 될 수 있음)에 의해 공급되어 회로 보호를 위해 다이오드에 전압이 가해질때 릴레이 코일이 스위치 콘택트를 오픈하게 된다. 보호 릴레이는 선택적으로 포지티브 온도계수 저항 또는 전류원을 포함하여 릴레이 코일이 과열되는 것을 방지할 수 있다.

Description

보호 릴레이{protective relay}

자동차 어플리케이션들에서 고체(solid state) 스마트 전력 스위치의 이용이 증가하고 있다. 이들 요소들의 대부분은 전력 MOSFET 트랜지스터 및 보조 회로 주위에 구축된다. 이들 전력 MOSFET는 적절하게 이용되면 과전류, 과열 등을 버티는데 매우 신뢰적이다. 그러나, 디바이스가 역전압 조건에서 작동될 때 전력 MOSFET의 큰 약점이 표면화된다. 이러한 환경에서, MOSFET 조립물에 형성된 기생 다이오드가 전도되어, 그에 연결된 로드들상에 공급선의 단락, 퓨즈 끊어짐 또는 와이어 설비에의 손상과 같은 유해한 결과를 가져온다. 몇몇 경우에, 회로의 대부분에는 손상이 없으나, 역전도 전류 커패시티가 전방향 전류 커패시티보다 낮다는 사실로 인해 스위치 자체가 파괴된다.

많이 이용하는 해법은 보호대상 회로( 종종, 자동차 내의 전자모듈)의 일부와 직렬로 다이오드를 설치하여, 역전압에 의해 발생된 전류를 차단하는 것이다.불행하게도, 이러한 해법은 낮은 전력 모듈의 경우에만 실용적이다 높은 전력을 필요로 하는 모듈의 경우에, 다이오드는 매우 커야 하기 때문에 가격이 비싸다.

높은 전력 모듈을 위한 한가지 해결책은 각각의 MOSFET 스위치에 반-병렬의(anti-parallel) 다이오드를 탑재하여서 여분의 역전류를 션트(shunt)시키는 것이다. 또다른 해법은 각각의 개별 스위치에 직렬로 하나의 다이오드를 설치하여 다이오드의 역바이어스로 인한 역전압 상황에서 전류를 차단시키는 것이다. 불행하게도, 이러한 경우에, 정상 동작중의 다이오드의 포워드 바이어스 전압 강하는 열 소실의 결과를 낳고 로드에 가용한 전력을 감소시킬 것이다. 첫 번째 해결책은 회로의 정상동작을 방해하지는 않지만, 역배터리 환경에 오래 노출되는 경우에는 과열 문제를 야기할 수 있다. 그들의 효과가 제한적일 뿐만 아니라, 이들 추가적인 보호 요소들은 또한 전자 모듈의 크기 및 비용을 증대시킨다. 또한, 양 해결책은 정상동작(즉, 올바른 배터리 환경)동안 회로의 작동을 개선시키지는 않는다. 이러한 보호 요소들은 단지 역전압 조건이라는 제한적인 환경에서만 유익하다.

본 발명은 과전압 "로드 덤프(load dump)"에 의해 야기되는 손실에 대비하여 역극성을 갖는 회로에 연결된 배터리에 종속된 회로를 보호하는 보호 릴레이에 관련된 것이다. "로드 덤프"는 자동차 전기 시스템으로부터 소모된 배터리의 갑작스런 단절시에 발생한다. 본 발명은 특히 자동차 어플리케이션에 유용하다.

도 1은 본 발명의 실시예의 회로도이다.

도 2는 12V 전압 전력원에 연결된 도 1의 회로와 12V의 배터리가 올바른 극성으로 연결된 보호대상 회로 블럭을 도시한다.

도 3은 12V의 전압 배터리가 역극성으로 연결된 도 2의 회로를 도시한다.

도 4a는 도 1의 회로도에서 포지티브 온도계수 저항이 다이오드 및 릴레이코일과 직렬로 연결된 상태를 도시한 것이다.

도 4b는 도 4a의 회로도에서 포지티브 온도계수 저항이 전류원에 의해 대체된 상태를 도시한 것이다.

도 5는 도 4a의 회로도 또는 도4b의 회로도에서 전통 다이오드가 제너 다이오드로 대체된 것을 도시한다.

도 6은 도 5의 회로도에서 회로가 과전압 도는 로드 덤프 전압에 노출된 상태를 도시한다.

이하의 설명은 자동차에서 사용되는 전류(즉, 12 또는 42 볼트)를 예시적으로 이용한다. 이들 전압은 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명이 이러한 특정 전압에만 적용되는 것으로 이해되어서는 않된다. 본원 발명은 최종사용 요구사항에 따라 임의의 소정의 전압의 어느 시스템에도 이용가능한 것으로 이해될 수 있다.

본원 발명은 콘택트와 작은 다이오드를 갖는 릴레이를 포함하는 저비용의 액티브 보호 시스템을 제안한다. 도 1은 출력 단자들과 직렬로 연결되며 보통은 닫혀있는 콘택트를 갖는 코일 릴레이를 도시하는데, 출력 단자들은 도 2에 도시된 바와 같이 보호대상 회로에 연결되어 있다. 릴레이 코일은 전력원에 대해 역바이어스를 갖는 작은 다이오드 와이어드를 통해 전력 단자에 연결된다. 배터리가 적합한 극성으로 연결되면, 다이오드는 역 바이어스되므로, 어떠한 전류도 코일로 유입되지 않고 릴레이에 전압이 가해지지 않는다. 따라서, 전류는 보통은 닫혀있는 콘택트("콘택트 N.C.")를 통해 흐를 것이고 회로의 나머지 부분에 공급될 것이다.전력원이 역극성으로 잘못 연결되면, 다이오드는 전도되어 전류(도 3에서 전선 경로로 표시됨)가 코일을 통해 흐르게 되며, 이에 의해 릴레이에 전압이 가해지고 콘택트가 오픈된다. 이제 오픈된 콘택트를 통해서는 어떠한 전류도 흐를 수 없고 로드는 전력원으로부터 효과적으로 단절되어 자신을 보호하게 된다. 도 2 및 도 3은 적합한 배터리 연결 및 역 배터리 연결 상태에서의 회로 동작을 설명한다.

이러한 해결책의 장점은 회로가 적합한 배터리 조건하에서 작동될 때 전력손실이 발생하지 않는다는 점이다. 이러한 조건에서, 다이오드는 전도되지 않고 콘택트는 단지 수 밀리오옴의 저항값을 갖기 때문에 극히 낮은 손실만을 발생시킨다. 이러한 자동 회로들은 릴레이가 좀처럼 활성되지 않을 것이기 때문에 높은 전류를 수반하는 어플리케이션들에 주로 이용되더라도, 릴레이의 콘텍트의 크기가 커질 필요는 없다. 이는 회로를 보호하는데 필요한 요소들의 비용 및 크기를 감소시킨다.

본발명과 관련하여 인식된 문제는 자동차 산업에 특정된다. 즉, 대부분의 가능성 있는 역전압 조건은 자동차에 대한 유지보수가 수행될 때 배터리 또는 자동차 전기 시스템의 장애로 인해 발생한다. 이러한 상황에서, 역전압이 너무 낮아서 릴레이를 활성화시키기에는 부족할 수 있다. 이는 실제보다는 이론상에서 더 큰 문제이다. 역전압이 너무 낮아서 릴레이를 활성화시키지 못하더라도, 이렇게 낮아진 역전압으로부터의 전류 또한 회로에 실질적인 손상을 일으키기에는 부족하다. 보호 디바이스의 작동 전압 범위를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이는 낮은 작동 전압 릴레이를 사용함으로써 달성될 수 있다. 12V 시스템의 경우에, 충분한 작동 전압은 예를 들어 6 내지 24 V 범위이고, 24V 시스템의 경우에, 예를 들면, 6 내지 32 전압 범위가 바람직할 것이다.

도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 필요하다면, 정상 배터리 전압 레벨 범주내에서 또는 회로가 높은 전압에 노출될 때 코일의 전류를 제한하기 위해 디바이스를 사용함으로써 코일 과열이 방지될 수 있다. 예를 들어, 도4a는 코일로 흐르는 전류를 제한하고 이에 의해 과열을 방지하기 위한 포지티브 온도계수 저항(도면에서는 "PTC"로 표시됨)을 도시한다. 레이켐(Raychem^??)사의 폴리스위치(POLYSWITCH^??) 디바이스와 같은 PTC 저항이 저렴하고 쉽게 이용가능하다. 도 4b는 릴레이로 흐르는 전류를 제어하기 위해 코일과 직렬로 연결된 전류원을 이용하는 또다른 가능한 방식을 도시한다. 이것 또한 릴레이의 과열을 방지하는데 효과적이다.

본 발명의 또다른 장점은 과전압 및 "로드 덤프"에 대비하여 보호할 수 있다는 점이다. 자동차에서, 과전압은 일반적으로 교류기 또는 전압 조절기의 장애시에 발생한다. 차안의 전압은 예를 들어 13.8V(정상 레벨)에서 20V 이상(장애 레벨)으로 상승한다. 로드 덤프는 배터리 케이블이 단절될 때, 특히, 배터리가 고갈되고 엔진/교류기가 고속으로 실행될때, 자동차의 전기 시스템에서 나타나는 장애이다. 이러한 장애 또는 과도현상은 500 밀리초동안 지속하는 80 내지 200 볼트의 전압 피크를 발생시킨다. 전압 피크는 실질적인 에너지와 연관되며, 이는 이러한 스파이크에 대해 보호되지 않는 회로내의 디바이스들에 대한 심각한 손상을 가져온다. 본 발명이전에, 이러한 문제에 대비하여 보호하는 것은 고객들에게 성능면에서 어떠한 결과도 주지 않는 값비싼 노력에 불과하였다.

본 발명의 일실시예는 과전압 및 로드 덤프 문제들에 대한 저렴한 해결책을 제공하고 회로내의 디바이스들에 대한 뛰어난 보호를 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 알맞은 작동 전압을 갖는 제너(Zener) 다이오드는 전통 다이오드 대신에 릴레이와 직렬 위치에 삽입될 수 있다. 이러한 형태에서, 릴레이가 역배터리 조건에 노출되면, 제너 다이오드는 전통 다이오드와 같이 전도되어 릴레이를 활성화시키고 로드를 보호한다. 즉, 릴레이에 전압이 가해지고, 콘택트는 오픈되고 전류는 중단되어 회로의 나머지를 통해 흐르지 않는다. 회로가 정상 배터리 조건하에서 작동하는 중에는 제너 다이오드가 전도되지 않고, 릴레이에 전압이 가해지지 않으며 콘택트는 그대로 닫힌 상태로 유지되어 전류를 로드에 공급하게 된다. 도 6에 도시된 바와 같이 과전압 또는 로드 덤프가 발생하면, 전압은 증가하여 다이오드의 제너 전압을 초과하고, 이에 의해 다이오드를 전도시키고 릴레이를 활성시킨다. 따라서, 콘택트는 오픈되고 회로의 나머지 부분들이 보호된다. 전압이 정상 레벨로 다시 돌아가면, 회로는 정상 동작으로 복귀되고, 제너 다이오드기 전도되는 것이 중단되고, 릴레이에는 더 이상 전압이 가해지지 않고 콘택트는 다시 닫힌다. 도 5에 도시된 PCT 또는 전류원은 선택사항이지만, 과열을 방지할 필요가 있다면 사용되어야 한다.

본 발명은 전자 모듈의 인쇄회로기판으로 직접 조립될 수 있는 디바이스 내에 자체-함유되거나, 자동차의 퓨즈 박스에 용이하게 장착될 수 있어서 여러 모듈들과 회로내에 존재하여 그들을 보호하게 된다. 독립형 디바이스로서, 필요하면 용이하게 교체될 수 있다. 이러한 디바이스는 역배터리 극성, 과전압 및 로드 덤프에 대비하여, 전력 MOSFET를 갖춘 무듈들뿐만 아니라, 모든 형태의 전자 및 전기 모듈을 보호하는데 유용하다.

Claims (7)

1. 외부 전력원에 연결하기 위한 입력단자들과, 보호 대상 회로 또는 요소에 연결하기 위한 출력단자들과, 상기 입력단자 및 상기 출력단자에 직렬로 연결되는 콘택트와, 상기 입력 단자에 연결되는 역바이어스 다이오드와, 상기 다이오드에 연결되고 상기 콘택트에 연동되는 릴레이 코일을 포함하고, 역전류 극성이 발생하면, 상기 다이오드는 상기 릴레이 코일에 전압을 가하여 상기 콘택트를 오픈시키고 상기 출력 단자에 전류가 도달하는 것을 방지하는 보호 릴레이.
2. 제1항에 있어서, 상기 릴레이 코일이 과열되는 것을 방지하는 수단을 더 포함하는 보호 릴레이.
3. 제2항에 있어서, 상기 릴레이 코일이 과열되는 것을 방지하는 수단은 상기 릴레이 코일을 통해 흐르는 전류량을 제한하기 위해 상기 다이오드 및 상기 릴레이 코일에 연동되는 포지티브 온도계수 저항을 포함하는 보호 릴레이.
4. 제2항에 있어서, 상기 릴레이 코일이 과열되는 것을 방지하는 수단은 상기 릴레이 코일을 통해 흐르는 전류량을 제한하기 위해 상기 다이오드 및 상기 릴레이 코일에 직렬로 연결되는 전류원을 포함하는 보호 릴레이.
5. 제1항에 있어서, 상기 보호대상 회로 또는 요소는 전자 모듈을 포함하는 보호 릴레이.
6. 제1항에 있어서, 상기 다이오드는 제너(Zener) 다이오드를 포함하는 보호 릴레이.
7. 제2항에 있어서, 상기 다이오드는 제너(Zener) 다이오드를 포함하는 보호 릴레이.