KR20030067594A

KR20030067594A - 스마트 고체 계전기

Info

Publication number: KR20030067594A
Application number: KR10-2003-0008013A
Authority: KR
Inventors: 브라이언라일스탠리
Original assignee: 타이코 일렉트로닉스 코포레이션
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2003-02-08
Publication date: 2003-08-14
Also published as: EP1335471B1; EP1335471A3; CA2418576A1; BR0300297A; CA2418576C; KR100964440B1; EP1335471A2; DE60335684D1; US7271990B2; US20040223278A1; US20030151860A1; US6891705B2; JP2003258615A; ES2357104T3

Abstract

전기 시스템은 고체 계전기(1)와 고체 계전기(1)를 로드(4)에 연결시키는 전기 커넥터(2)를 포함한다. 고체 계전기(1)는 파워를 로드(4)로 절환하기 위한 파워 MOSFET(Q1)를 포함한다. PNP 트랜지스터(Q2)는 파워 MOSFET(Q1)를 가로지르는 전압강하를 조절하고, 전압강하가 기준레벨을 초과할 때 파워 MOSFET를 오프상태로 차단시킨다. 고체 계전기 회로는 파워 MOSFET가 오프상태로 지시될 때 부동하여 접지에 대한 누설이 없다. 계전기(1)에는 수형단자와 암형단자(12, 22)가 결합해제되기 전에 분리되는 쇼트핀(34) 또는 션트(16)를 포함하는 전기 커넥터가 사용될 수 있다. 션트(16) 또는 쇼트핀(34)의 분리는 아크민감위치에 도달할 때 수형단자와 암형단자(12, 22)를 통해서 전류가 흐르지 않도록 파워 MOSFET를 오프상태로 지시한다. 고체 계전기(1)와 커넥터(2)는 42V 자동차 전기 시스템에 사용하기에 적합하다.

Description

스마트 고체 계전기{SMART SOLID STATE RELAY}

본 발명은 누설전류가 밧테리를 드레인시키는 것을 방지하기 위하여 파워 MOSFET가 오프상태로 지시될 때 계전기의 회로가 부동(floating)하는 파워 MOSFET를 포함하는 고체 계전기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기 커넥터가 결합해제될 때 아크발생의 방지에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기손실을 감소시키기 위하여 자동차 또는 모터차량에 사용될 수 있는 42볼트 전기 시스템에 관한 것이다.

상당한 양의 파워를 수반하는 접점은 분리될 때 아크발생한다. 접점에 의해서 야기된 아크손상량은 다른 요인들 뿐만 아니라 그들의 물리적 구조, 로드전류(load current), 공급전압, 분리속도, 로드의 특성(저항, 용량, 유도)에 의존한다.

또한, 자동차 시스템은 로드전류와 관련된 배선손실(wiring losses)을 저감시키기 위하여 42볼트를 이용하도록 예상된다. 이러한 증가된 전압은 상당한 아크손상이 12볼트 작동에 적합하게 설계된 현재의 커넥터에 발생할 수 있는 상당한 아크손상을 야기시킬 수 있다. 치명적인 커넥터 파손과 관련된 가능성있는 불리한 사항을 피하기 위하여, 자동차 제작자는 여러번 열교환될 수 있는 새로운 커넥터 설계를 요구한다. 20 싸이클은 최소한의 요구일 것으로 고려된다.

상당한 손상없이 42볼트 파워를 분리하는 것은 많은 로드(load)에 적합한 약 1500 와트(watt)와 주요 밧테리 회로에 적합한 약 15KW 만큼을 인터럽트시키는 것을 요구한다. 자동차 분야에 사용된 최근의 모듈은 500 와트 이상을 소모할 수 있다. 파워 서플라이는 1 킬로와트 이상의 에너지를 전달하여야 한다. 종래의 해결책은 접점들이 분리되거나 결합해제되기 전에 전류가 차단되는 것을 요구하거나 또는 희생 접점부를 사용하는 것을 요구하였다. 이들 종래 해결책들의 비용, 공간, 신뢰성, 안전성, 성능 및 복잡성은 자동차 전기시스템과 같은 분야에 이들을 부적합하게 만들었다.

아크발생을 신속하게 구별하는 것들이 파워 실용 직업분야에 많이 공지되어 있고 커넥터와 접점들에 대한 아크손상을 최소화시키는 것들이 계전기 산업분야에 많이 공지되어 있다. 이들은 제임스 디. 코빈에 의해 저술된기상 컨덕터(Gaseous Conductors) 및 케니스 이. 피트닉에 의해 저술된니이 콘택트 매뉴얼(Ney Contact Manual)과 같은 문헌에서 발견될 수 있다. 이들 방식들의 대부분은 자동차, 컴퓨터 및 가전제품에 사용된 것들과 같은 소형이면서 분리가능한 전기 커넥터에서는 실용적이지 못하다. 이들 중 어느 것도 아크발생을 제거하지 못한다. 사실상, 이러한 소형 파워 커넥터에서의 전류 인터럽션 사용에 적합하게 등급된 접점들 조차도 등급된 전류를 자주 또는 천천히 인터럽팅시킴으로써 파괴될 것이다. 커넥터가분리될 때마다 아크는 발생하여 손상을 야기시키기 때문에 현존하는 커넥터의 수명은 유한하다.

제안된 하나의 해결방식은 전기 커넥터의 분리전에 오프상태로 절환되는 계전기를 전기 시스템에 포함시키는 것이다. 계전기는 커넥터가 분리될 수 있기 전에 오픈되어야 하는 접합박스 또는 다른 밀폐체에 합체될 수 있다. 이러한 해결방식이 사용되는 경우에, 접합박스 또는 밀폐체가 오픈될 때 계전기도 또한 오픈되어야 한다. 그러나, 이러한 해결방식은 로드 하에서 결합해제되거나 또는 결합되는 모든 전기 커넥터에 적합한 추가적인 부품을 요구할 것이고, 그 자체만으로도 자동차 전기시스템에 대한 복잡성과 비용을 부가할 것이다.

제안되었던 다른 대안은 파워 MOSFET와 같은 절환부품을 전기 커넥터에 합체하는 것이다. 이러한 절환장치는 아크발생 전에 오프상태로 절환된다. 그러나, 개별적인 파워 MOSFET는 현 시점에서 실용적인 해결책을 만들기 위하여 요구된 크기, 전류전송능력 및 비용의 조합을 갖지 않는다. 부가하여, 많은 수의 이러한 장치가 자동차 전기 시스템에 사용될 때 밧테리를 드레인시킬 수 있는 누설전류때문에 종래의 파워 MOSFET는 자동차 분야에 사용하기에 널리 인정되지 않는다. 미국특허 제5,926,354호는 파워 MOSFET를 포함하는 고체 계전기와 회로 브레이커를 개시하고 있다. 그러나, 상기 미국특허에 개시된 고체 계전기 회로는 파워 MOSFET가 오프 상태로 지시되었을 때 전류가 밧테리 양극단자로부터 접지로 누설할 수 있는 접지 접속부를 포함한다. 이러한 계전기들이 표준형 핀 구조와 함께 표준형 계전기 패키지에 사용된다면 파워 MOSFET를 사용하는 종래의 고체 계전기들은 이러한누설 문제점을 나타내는 것으로 받아들여진다. 본 발명에 따른 고체 계전기는 표준형 구조인 고체 계전기에 적합하게 누설 문제점을 제거한다.

본 발명은 고체 계전기에 파워가 인가되었지만 오프 상태로 지시되었을 때 을 때 접지로의 누설이 없고, 전류는 파워 MOSFET에 의해서 전송되지 않는 파워 MOSFET를 포함하는 고체 계전기를 구성한다. 또한, 이 고체 계전기는 결합가능한 전기 커넥터 반쪽들의 결합해제의 시작과 두개 커넥터 반쪽들의 완전한 결합해제 사이에서 고체 계전기가 오프상태로 전환되는 전기 커넥터와 합체하여 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 고체 계전기는 전류를 로드로 절환시키기 위한 파워 MOSFET를 포함한다. MOSFET는 소스, 게이트 및 드레인을 포함한다. 파워 MOSFET는 게이트에 대한 활성 로우 입력에 의해서 온상태로 전환된다. 고체 계전기는 또한 MOSFET의 소스와 드레인 사이에서 전압강하가 기준전압을 초과할 때 드레인 소스 전류를 차단하도록 게이트 입력을 인가하기 위한 회로를 포함한다. 파워 MOSFET는 고체 계전기가 양극의 밧테리 전압과 로드 사이에 연결될 때 게이트로 통하는 것을 제외하고는 접지전위로부터 절연된다. 회로와 활성 로우 게이트는 게이트에 대한 활성 로우 입력의 부재시 부동하도록 형성되고, 파워 MOSFET가 비전도상태에 있을 때 누설을 방지하기 위하여 접지에 연결되지 않는다.

대표적인 실시예에서, 고체 계전기는 밧테리 고전압 전위에 연결가능한 제1계전기 단자와, 로드의 하이측(high side)에 연결가능한 제2계전기 단자와, 신호입력단자를 구성하는 제3계전기 단자를 포함한다. 고체 계전기는 또한 제1계전기 단자에 연결된 소스와 제2계전기 단자에 연결된 드레인을 갖는 파워 MOSFET를 포함한다. 파워 MOSFET는 제3계전기 단자에 연결된 게이트를 포함한다. 파워 MOSFET는 제3계전기 단자에 인가된 활성 로우 입력에 의해서 온상태로 전환된다. 풀업 저항기는 제1계전기 단자와 제3계전기 단자 사이에 연결된다. 바람직한 실시예에서, PNP 트랜지스터를 포함하는 회로는 파워 MOSFET가 온상태에 있을 때 소스-드레인 전압강하를 감지한다. 전압감지회로는 소스-드레인 전압강하가 기준레벨을 초과할 때 파워 MOSFET가 오프상태로 전환되도록 게이트에 연결된다. 제3계전기 단자에서 활성 로우 입력의 부재에 의해서 파워 MOSFET와 고체 계전기가 오프상태로 지시될 때 하이 밧테리 전압전위와 접지전압 사이의 누설전류가 제거되도록 활성 로우 입력이 제3계전기 단자로부터 제거될 때 고체 계전기 회로는 접지전위에 대해 부동한다. 이 계전기는 제2계전기 단자에 부착된 롱핀(long pin)과 다른 계전기 단자에 부착된 쇼트핀(short pin)을 갖는 로드에 고체 계전기를 연결시키는 전기 커넥터와 합체하여 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 42V 자동차 전기 시스템과 같은 전기 시스템은 전기 커넥터와 전기 커넥터의 결합접점이 분리될 때 아크발생을 방지하기 위하여 커넥터에 부착된 고체 계전기를 포함한다. 전기 커넥터는 로드핀 또는 블레이드와 같은 제1결합접점수단과, 션트(shunt) 또는 쇼트핀과 같은 제2결합접점수단을 포함한다. 제1결합접점수단은 커넥터를 통해서 전체 전류를 전송할 수 있는 충분한 전류전송능력을 갖는다. 제2결합접점수단은 전기 커넥터를 형성하는 전기 커넥터 반쪽들이 결합해제될 때 제1결합접점수단의 분리 전에 분리될 것이다. 고체 계전기는 파워 MOSFET를 포함한다. 파워 MOSFET는 제1결합접점수단이 분리될 때 제1결합접점수단에 의해서 전류가 전송되지 않도록 제2결합접점수단이 분리될 때 오프상태로 절환된다.

도 1은 전기 커넥터가 결합해제되거나 또는 결합될 때 아크가 발생하기 전에 오프상태로 절환될 수 있는 고체 계전기에 파워 MOSFET가 사용된 회로의 개략도;

도 2는 2개의 파워 MOSFET가 스마트 고체 계전기에서 병행되어 있는 도 1에 유사한 개략도;

도 3은 완전히 결합된 구조의 전기 커넥터에서 전기 접점들의 상대위치를 나타낸 도면;

도 4는 커넥터 반쪽들의 초기의 결합해제동안 전기 로드를 수반하는 단자들이 분리되기 전에 션트가 맞물림해제되는 방식을 나타내는 도 3의 커넥터의 도면;

도 5는 션트 분리의 결과로서 계전기가 회로를 미리 개방시키지 않았으면 아크가 발생할 수 있는 위치에 수형 및 암형 로드 수반 단자들이 있는 도 3과 도 4의 커넥터 구조의 도면;

도 6은 수형 및 암형 단자들이 결합해제되어 있지만 션트는 분리된 수형 단자와 결합하고 있는 것을 나타내는 도면;

도 7a 및 도 7b는 긴 로드 단자들이 스마트 고체 계전기를 오프상태로 절환시키기에 충분한 시간을 허용하기 전에 쇼트단자가 연결해제되는 본 발명의 다른실시예에 채택된 수형 및 암형 단자들의 도면이고, 도 7a는 롱핀과 쇼트핀들이 결합된 커넥터를 나타내고 도 7b는 롱핀 또는 로드핀이 결합해제되기 전에 쇼트핀이 결합해제되는 것을 나타냄;

도 8은 ISO 7588-2에 일치하는 형태의 신속연결 단자를 사용하고 있는 본 발명에 따른 고체 계전기의 한 버전을 나타내는 도면;

도 9는 도 8에 도시된 계전기에 사용되는 2개의 파워 MOSFET를 나타내고 있는 고체 계전기의 분해도;

도 10은 종래 전기기계식 계전기용으로 대체될 수 있는 본 발명에 따른 고체 계전기의 실시예의 개략도;

도 11은 본 발명에 따른 고체 계전기의 다른 실시예의 개략도-도 10과 도 11의 실시예들은 전기 커넥터가 결합해제되거나 결합될 때 아크발생의 방지와는 다른 분야에 사용하기에 적합함;

도 12는 ISO 7588-2에 일치하는 표준형 미니 계전기용 핀 구조의 도면;

도 13은 SAE J1744에 일치하는 표준형 미니 계전기용 핀 구조의 도면;

도 14는 표준형 A형태 계전기의 개략도;

도 15는 동일 전압전위에서 2개의 스위치형 접점을 갖는 표준형 계전기의 개략도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 고체 계전기

2 : 커넥터

4 : 로드

D : 다이오드

Q : 트랜지스터

R : 저항기

본 발명에 따른 고체 계전기의 바람직한 실시예는 ISO 7588-2 또는 SAE J1744와 같은 전기기계 계전기에 적합한 종래의 표준형에 실질적으로 일치하도록 의도된다. 비록 이들 특정 표준형은 본 발명의 대표적인 실시예를 참조하여 설명되지만, 본 발명의 요소들은 다른 표준형 또는 일반적인 계전기 형상에 채택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그러므로, 몇몇 바람직한 실시예는 주요 절환장치로서 파워 MOSFET를 사용하는 장치에 공통적인 전류누설을 도입하지 않고도 표준형 전기기계 계전기의 대체용으로 적합하다. 다른 바람직한 실시예는 전기 커넥터가 결합되거나 또는 결합해제될 때 아크발생을 방지하기 위한 다른 분야에 사용될 수 있지만, 이들 다른 실시예들은 이들 표준형에 여러 면에서 여전히 적합하다. 예를들어, 아크발생을 방지하기 위해 사용된 계전기에 적합한 핀 구조는 배선 시스템의 다른 부품에 대한 최소한의 변경이 이루어질 필요가 있도록 표준형 핀 구조에 기본적으로 일치한다. 이러한 이유때문에, 표준형 핀 구조(30, 85, 86, 87 및 87a)는 각각의 실시예에 적합하게 사용된다. 이들 핀의 위치는 계전기 회로의 개략도에도시된다. 고체 계전기의 실시예의 각각은 다양한 실시예가 상세한 점에서 상이할지라도 고체 계전기(1)로서 동일시된다. 이러한 계전기의 특정 실시예는 그러한 실시예들이 사용될 수 있는 회로에 분리형 부품으로서 부가될 수 있는 부품들을 포함한다.

도 1에 도시된 고체 계전기(1)의 제1실시예는 입력단자에서의 활성 로우 신호(Active Low signal)에 의해 온(on)상태로 지시될 때까지 접지(ground)에 대해 그의 회로가 부유하고 있는 오프상태(Q1이 동작하지 않은 상태)이다. 회로는 계전기(1)에 파워가 인가되었지만 오프상태로 지시될 때 B⁺로부터 접지로 흐르는 누설전류를 제거하기 위하여 부동하도록 허용된다. 누설은 다른 고체 계전기가 종래의 로드(load)를 절환시키도록 사용되는 자동차 분야에서 심각한 문제일 수 있다. 심지어 작은 누설전류는 많은 수의 고체 계전기가 자동차 또는 모터차량에 사용될 때 밧테리를 심각하게 드레인시킬 수 있다.

도 1에 도시된 고체 계전기(1)는 종래의 파워 MOSFET를 사용한다. 바람직한 실시예에서는, 인터내셔날 렉티파이어에 의해서 제작된 IRF 4905 MOSFET가 사용된다. 이러한 특정 파워 MOSFET는 상대적으로 간단하면서도 저렴하고 이러한 고체 계전기 분야에 요구되지 않는 다른 파워 MOSFET의 몇몇 부가적인 특징을 포함하지 않는다. 이러한 파워 MOSFET의 소스(source)는 상기 파워 MOSFET가 오프상태일 때 드레인보다 높은 전위에 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 소스는 중간에 개재하는 다이오드(D3)를 통해서 양극의 밧테리 전압에 연결된다. 파워 MOSFET 드레인은 커넥터(2)를 통해서 로드에 연결되고, 순차적으로 상대적인 음극의 밧테리 전압에 연결된다. 이러한 커넥터(2)의 설명은 후속적으로 더욱 상세하게 논의될 것이다. 도 1에 도시된 로드는 유도성 로드를 포함하여 이러한 계전기로 절환될 수 있는 다수의 종래 로드중 하나를 나타낸다.

파워 MOSFET 게이트는 도시되거나 또는 상세하게 논의될 필요가 없는 종래의 제어회로에 연결된다. 활성 로우 신호를 파워 MOSFET 그리고 순차적으로 고체 계전기에 인가할 수 있는 이러한 제어회로는 온상태로 지시될 필요가 있다. 고체 계전기(1)가 온상태로 지시될 때, 파워 MOSFET(Q1)는 온상태로 전환하고 동작개시하여, 로드에 파워를 제공한다. 모터차량분야에 사용될 때, 활성 로우 입력신호는 라이트 또는 히터팬과 같은 특정 로드를 동작시키기 위한 수동지시의 결과로서 발생될 수 있거나 또는 활성 로우 입력신호는 몇몇 조절된 가변상태에서의 변경때문에 자동적으로 야기될 수 있다.

바이폴라 PNP 트랜지스터(Q2)는 또한 이러한 고체 계전기 회로의 일부이다. 트랜지스터(Q2)의 에미터는 다이오드(D3)를 통해서 양극의 밧테리 전압에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 콜렉터는 저항기(R3, R4)의 접합부에서 파워 MOSFET의 게이트에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 베이스는 저항기(R8)를 통해서 에미터에 연결된다. 트랜지스터 베이스는 또한 저항기(R9, R7)를 통해서 계전기 접점단자(86)에 연결된다. PNP 트랜지스터 베이스는 또한 중간에 설치된 저항기(R9)와 다이오드(D2)를 통해서 커넥터(2) 내의 적어도 하나의 핀 또는 접점에 연결된다.

PNP 트랜지스터(Q2)의 목적은 파워 MOSFET(Q1)의 소스 및 드레인과 커넥터내의 션트(shunt) 또는 쇼트핀을 가로질러 전압강하를 조절하거나 또는 감지하는 것이다. 고체 계전기(1)가 온상태로 지시될 때, 파워 MOSFET가 동작하는 상태에서, 드레인/소스 저항(Rds)과 전류는 파워 MOSFET(Q1)를 통해서 흐르는 전류에 비례해서 파워 MOSFET(Q1)의 소스/드레인 접합부를 가로질러 전압강하를 야기시킬 것이다. 바람직한 실시예에서, 소스/드레인 접합부와 션트 또는 쇼트핀 연결부를 가로지르는 전압강하가 0.7V DC를 초과할 때, PNP 트랜지스터(Q2)는 턴온하고, 파워 MOSFET(Q1)를 중단시킨다. 이러한 고체 계전기(1)에 커넥터(2)가 사용될 때, 다이오드(D2)와 저항기(R8, R9, R7)는 가변 전류범위에서 파워 MOSFET(Q1)를 중단시킬 수 있도록 PNP 트랜지스터의 에미터/베이스 접합부를 바이어싱시키는 능력을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 에미터/베이스 접합부는 0.1V와 0.6V 사이에서 바이어스될 수 있다.

많은 부품들이 고체 계전기(1)에 포함되어 계전기 또는 상기 계전기가 사용되는 전기 시스템의 다른 부품을 보호한다. 제너 다이오드(Z1)는 양극과 음극의 밧테리 전압 사이에 연결되어 밧테리에 적합한 전압보호를 제공한다. 14 볼트 시스템의 경우에, 다이오드(Z1)는 30 볼트와 같이 미리 정해진 값을 초과하는 로드 덤프 과도상태(load dump transient)로부터 밧테리를 보호하도록 선택될 것이다. 42 볼트 시스템의 경우에, 다이오드(Z1)는 68 볼트로부터 밧테리를 보호하기 위하여 선택될 것이다. 다이오드(D3)는 역방향 밧테리 연결부로부터 밧테리에 연결된 회로를 보호하도록 양극의 밧테리 전압에 연결된다. 다이오드(D1)는 음극의 밧테리 전압과 로드와 파워 MOSFET(Q1) 사이의 포인트 사이에 연결된다. 다이오드(D1)는 유도성 로드로부터의 분리에 의해서 생성된 과도상태로부터 계전기(1)를 보호하는 프리휠링 다이오드(free wheeling diode)이다. R4와 C1으로 이루어진 RC 회로는 파워 MOSFET(Q1)을 영구적으로 중단시키는 램프 로드(lamp load)로부터의 쇄도 전류(inrush current)와 같은 과도상태로부터 면역성(immunity)을 제공한다. 제너 다이오드(Z1)는 파워 MOSFET(Q1)의 게이트 전압을 제한하고 PNP 트랜지스터(Q2)의 작동에 적합한 일정 전압을 제공한다. 게이트 드라이브 회로와 양극의 전압전위 사이의 풀업 저항기(R2)는 계전기(1)의 부주의한 트리거를 방지한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고체 계전기(1)에는 전기 커넥터가 로드로부터 분리될 때 아크발생을 방지하는 구성으로 커넥터(2)가 사용된다. 비록 아크발생은 14 볼트 자동차 전기 시스템과 같은 많은 분야에서 문제로서 간주되지 않지만, 42 볼트 시스템은 특히 전기 커넥터가 로드 하에서 분리될 때 아크발생 문제점을 야기시킬 수 있다. 적어도 하나의 로드핀은 파워 MOSFET(Q1)와 로드를 통한 전류전도에 적합하게 커넥터에 포함된다. 커넥터(2)는 또한 쇼트핀 또는 션트를 포함한다. 쇼트핀 또는 션트는 로드핀의 분리 전에 분리될 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 션트 또는 쇼트핀은 파워 MOSFET(Q1)의 드레인에 연결된다. 쇼트핀 또는 션트는 트랜지스터(Q2)의 베이스에 직접 연결되기 때문에, 쇼트핀 또는 션트의 분리 또는 파워 MOSFET(Q1)의 드레인은 PNP 트랜지스터(Q2)가 온상태로 절환하도록 야기시킬 것이다. 트랜지스터(Q2)는 양극의 밧테리 전압과 파워 MOSFET의 게이트 사이에서 연결되기 때문에, 게이트는 트랜지스터(Q2)가 온상태일 때 상위상태에 있어서 양극의 밧테리 전압으로부터 전류를 전도시킬 것이다. 파워 MOSFET(Q1)는 게이트가 상위상태일 때 오프상태이므로, 파워 MOSFET(Q1)는 트랜지스터(Q2)가 온상태일 때 오프상태 또는 비전도상태로 역전할 것이고, 트랜지스터(Q2)가 온상태로 전환하는 경우는 커넥터(2)에서 쇼트핀 또는 션트의 분리하는 경우이다. 고체 계전기(1)의 절환시간은 충분히 빨라서, 로드핀보다 약 0.200 인치정도 짧은 쇼트핀은 길이가 긴 로드핀이 커넥터(2)에서 분리됨에 따라 아크가 발생하기 전에 계전기(1)를 온상태에서 오프상태로 절환시키기에 충분한 시간을 제공한다.

단일 파워 MOSFET(Q1)이 충분한 전류를 수반하기에 부적당한 분야의 경우에는 다수의 파워 MOSFET가 병행될 수 있다. 도 2는 2개의 파워 MOSFET(Q1, Q3)가 양극의 밧테리 전극과 로드 사이에서 병렬로 연결되어 있는 고체 계전기(1)를 나타낸다. 저항기(R5)와 같은 값을 갖는 저항기(R6)는 저항기(R5)가 파워 MOSFET(Q1)의 게이트에 연결되는 것과 같은 방식으로 파워 MOSFET(Q3)의 게이트에 연결된다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 동일 입력은 2개의 파워 MOSFET(Q1, Q3)의 2개의 게이트에 인가될 것이다. 추가의 파워 MOSFET 소자는 동일 방식으로 병행될 수 있다.

도 1과 도 2에 도시된 다양한 부품에 적절한 값은 하기에 나타낸다.

Q1 - IRF4905/TO-220

Q2 - 2N1132

Q3 - IRF4905/TO-220

C1 - 1㎌/50V 세라믹

Z1 - B⁺에 따라서 30V 또는 68V의 제너 다이오드

Z2 - 15V 제너 다이오드

D1 - 1N4007

D2 - ABS70/SOT

D3 - 19TQ15

R1 - 3㏀

R2 - 10㏀

R3 - 10㏀

R4 - 10㏀

R5 - 100Ω

R6 - 100Ω

R7 - 10㏀

R8 - 1㏀(1%)

R9 - 1㏀(1%)

한 버전 커넥터(2)의 관련된 설명은 도 3 내지 도 6에 도시된다. 이 커넥터(2)는 2개의 대응하는 커넥터 반쪽(10, 20)을 갖고, 이들 중 제1커넥터 반쪽은 적어도 수형단자 또는 로드핀(12)을 포함한다. 수형단자 또는 로드핀(12)은 파워 MOSFET(Q1)의 드레인과 로드(4) 사이에서 전류를 전송하고, 드레인 또는 드레인에 선행하는 와이어 또는 컨덕터에 종단된다. 제2커넥터 반쪽(20)의 대응하는 암형단자(22)는 전기 컨덕터의 수단에 의해서 직접 또는 간접적으로 로드(4)에 연결된다. 제1커넥터 반쪽(10)은 수형 단자(12)와 제1커넥터 반쪽(10)의 하우징(14)을 넘어서 돌출하는 션트(16)를 포함한다. 제1커넥터 반쪽(10)이 제2커넥터 반쪽(20)과 완전히 결합될 때, 션트(16)는 단자(87a)에서 계전기(1)에 연결되어야 하고, 다이오드(D2)와 저항기(R9)를 통해서 PNP 트랜지스터(Q2)의 베이스에 연결될 것이다.

션트(16)는 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 커넥터 반쪽(10, 20)들이 완전히 결합될 때 접점 포인트(18)에서 제2커넥터 반쪽의 암형단자(22)에 맞물리는 가요성 캔틸레버 스프링을 구성한다. 션트(16)가 암형 단자(22)에 연결될 때, 션트(16)는 또한 수형 단자(12)에 연결되고 연속하여 파워 MOSFET(Q1)의 드레인에 연결될 것이다. 제2커넥터 반쪽의 하우징(24)은 션트(16)의 캔틸레버 빔부에 대면하는 경사면(28)을 갖는 돌출부(26)를 포함한다. 제2커넥터 반쪽(20)이 제1커넥터 반쪽(10)으로부터 결합해제될 때, 접점 포인트(18)에 인접하는 션트(16)의 일부는 경사면(28)에 맞물릴 것이다. 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 2개의 커넥터 반쪽(10, 20)들의 계속적인 이동은 션트(16)를 암형 단자(22)로부터 분리시킬 것이다. 션트(16)는 다른 방식으로는 수형 단자(12)에 연결되지 않기 때문에, 션트(16)가 외향으로 편향될 때 션트(16)는 파워 MOSFET 드레인으로부터 분리된다. 션트(16)는 수형 단자(12)가 암형 단자(22)로부터 분리되기 전에 암형 단자(22)와의 결합 맞물림으로부터 해제될 것이다. 더욱 중요하게는, 전류가 파워 MOSFET(Q1)을 통해서 여전히 흐른다면 아크가 발생할 수 있는 위치에 수형 및 암형 단자들이 도달하기 전에, 션트(16)는 도 6에 도시된 바와 같이 암형단자(22)로부터분리될 것이다. 그러나, 션트(16)가 암형단자(22)로부터 먼저 분리될 때, 도 4에 도시된 바와 같이 파워 MOSFET(Q1)의 드레인과 PNP 트랜지스터(Q2)의 베이스 사이의 연결부는 파손된다. 이 후에, 트랜지스터(Q2)는 온상태로 전환되어 파워 MOSFET(Q1)를 오프상태로 전환시킬 것이다. 트랜지스터(Q2)와 파워 MOSFET(Q1)의 합체된 절환시간은 암형단자로부터 션트의 분리와 2개의 커넥터 반쪽들이 결합해제될 때 아크가 먼저 발생할 수 있는 도 5에 도시된 바와 같은 지점까지 수형단자의 상대적 이동 사이에서의 시간간격보다 짧다. 도 6은 2개의 커넥터 반쪽들이 완전히 결합해제될 때 션트(16)가 로드 핀(12)에 연결되지 않은 것을 나타낸다. 2개의 커넥터들이 결합될 때, 션트(16)와 로드 핀(12) 사이의 전류통로는 파워 MOSFET가 온상태로 절환될 수 있고 전류가 로드 핀(12)을 통해서 흐르는 도 3에 도시된 위치에 커넥터 반쪽들이 도달할 때에만 형성될 것이다. MOSFET[계전기(1)]는 션트(16)가 도 3에 도시된 바와 같은 접점 포인트(18)에 맞물리지 않으면 온상태로 절환될 수 없다. 전류는 수형 및 암형 단자들이 도 5에 도시된 아크 민감구역을 통과한 후에만 흐를 것이다.

고체 계전기(1)가 사용될 수 있는 다른 커넥터 구조는 도 7a와 도 7b에 도시된 대응하는 단자에 의해서 예시된다. 이 구조는 블레이드 또는 핀의 형태 또는 다른 종래의 구조일 수 있는 2개의 수형단자를 사용한다. 길이가 긴 로드핀(32)은 계전기 단자(87)에 연결된다. 길이가 짧은 핀(34)은 계전기 단자(87a)에 연결된다. 2개의 핀(32, 34)들이 대응하는 암형단자에 연결될 때, 계전기 단자(87a)는 계전기 단자(87)에 연결된다. 로드 암형단자 또는 단자(32)들은 다이오드(D2)를통해서 조절 트랜지스터(Q2)의 베이스에 연결된 분리형 짧은 수형단자(34)보다 더 길다. 긴(long) 또는 로드 단자의 길이가 약 0.200인치만큼 짧은 단자의 길이를 초과하면, 암형 또는 수용형 단자로부터 짧은 단자(34)의 분리와 긴 로드 단자(32) 또는 단자들의 분리 사이에서 충분한 시간간격이 존재하여 아크가 발생할 수 있는 위치에 로드 핀(32)이 도달하기 전에 트랜지스터(Q2)는 온상태로 절환하고 파워 MOSFET(Q1)는 오프상태로 절환할 것이다. 따라서, 길이가 긴 로드 핀(32)은 아크발생 위치에 도달할 때 전류를 수반하지 않을 것이다. 도 7에 도시된 단자들은 단지 이러한 아크방지장치에 사용될 수 있는 구조를 나타낸다.

도 8과 도 9는 표준형 계전기 구조에 본 발명의 요소를 합체시킨 계전기 장치를 나타낸다. 계전기(1)는 ISO 7588-2에 상응하는 표준형 핀 구조를 갖는 핀(30, 85, 86, 87, 87a)을 포함한다. 다른 표준형 핀 구조들도 가능하다. 계전기(1)는 또한 다른 회로부품이 장착될 수 있는 인쇄회로기판(40)을 포함한다. 이 구조는 또한 저항기(R9)를 적절한 값의 저항기로 교체함으로써 0.1V와 0.6V 사이의 PNP 트랜지스터(Q2)의 에미터/베이스 접합부를 바이어싱시키는 능력을 제공한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 계전기는 2개의 파워 MOSFET(Q1, Q3)를 포함하고, 이러한 실시예는 도 2에 도시된 회로에 적합할 것이다. 단일 파워 MOSFET만이 이러한 형태의 고체 계전기에 사용될 수 있거나 또는 부가적인 파워 MOSFET가 병행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 파워 MOSFET(Q1, Q3)는 종래의 히트싱크(50; heat sink)에 결합되고, 도 8에 도시된 조립된 패키지는 에폭시되거나 또는 도시되지 않은 외부커버에 삽입될 수 있다.

도 1 내지 도 7은 전기 커넥터가 결합되거나 또는 결합해제될 때 계전기가 아크발생을 방지하기 위하여 사용되는 본 발명에 따른 고체 계전기의 사용을 나타낸다. 아크발생을 방지하기 위하여 사용된 고체 계전기는 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이 조립될 수 있다. 이러한 형태의 고체 계전기는 또는 다른 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 개략적으로 도시된 고체 계전기는 동일 등급을 갖는 종래의 전기기계 계전기용으로 대체될 수 있다. 핀(30)은 양극의 전위에 연결될 것이고 핀(87)은 로드에 연결될 것이고 핀(86)은 외부 스위치와 같은 분리가능한 접지에 연결될 것이다. 동일 회로에 사용된 표준형 전기기계 계전기는 동일 전기 접속부를 가질 것이다. 제너 다이오드(Z1)에 의해서 제공된 밧테리 과전압 보호설비와 프리휠링 다이오드(D1)에 의해서 제공된 과도상태로부터 계전기의 보호설비는 계전기가 사용되는 회로에서 어느 위치에나 제공될 수 있다. 도 11은 제너 다이오드(Z1)와 프리휠링 다이오드(D1)이 도 1과 도 2의 도면들과 동일한 방식으로 계전기에 합체되어 있는 고체 계전기의 버전을 나타낸다. 그러나, 도 11의 실시예는 이러한 형태의 표준형 전기기계 계전기용으로는 보통 입수가능하지 않은 접지 접속부(85)를 요구할 것이다.

ISO 7588-2 미니 계전기용 표준형 핀 구조는 도 12에 도시된다. 주요 치수는 등가의 mm 치수와 함께 인치단위로 표시된다. 본 명세서에 예시된 고체 계전기(1)의 각각의 버전에는 도 12에 도시된 핀 구조가 구현될 수 있다. 고체 계전기(1)의 이러한 버전들은 또한 도 13에 도시된 바와 같은 표준형 미니 SAE J1744 계전기용 핀 구조로 구현될 수 있다. 이들은 자동차 전기 시스템용으로 사용된 2개의 표준형 계전기 구조이고, 본 발명의 스마트 고체 계전기(1)는 기본적으로 각각의 표준형 계전기와 호환가능하다.

도 14는 표준형인 A 형태의 계전기의 간단한 개략도이다. A 형태의 계전기는 하나의 절환가능한 출력단을 갖고, 본 발명의 스마트 고체 계전기(1)는 표준형인 A 형틔 계전기의 기능을 갖는다. 도 15는 절환된 출력핀(87)과 감지핀(87a)을 갖는 계전기의 간단한 개략도이다. 이러한 핀 구조에서 스마트 고체 계전기(1)는 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이 아크발생을 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 도 1과 도 2의 계전기는 계전기의 감지핀(87a)에 연결된 쇼트 핀 또는 션트가 분리된 후에 계전기의 출력단(87)에 연결상태로 존재하는 로드 핀에 대한 전류를 중단하기 위한 수단을 제공할 것이다.

본 발명의 중요한 잇점은 표준형 계전기 구조에 실질적으로 채택될 수 있다는 것이다. 그러나, 이러한 잇점을 포함하는 본 발명의 대표적인 실시예는 기술분야의 숙련된 당업자에게 자명한 본 발명의 유일한 버전이 아니라는 것을 인식하여야 한다. 그러므로, 본 발명은 하기의 청구범위에 의해서 한정되고 본 명세서에 예시된 대표적인 실시예에 한정되지 않는다.

Claims

전기 커넥터의 2개의 결합가능한 부품이 결합하거나 또는 결합해제하는 동안 아크가 발생할 수 있는 전기 시스템에 사용하고, 상기 전기 커넥터와 고체 계전기를 포함하는 전기 조립체에 있어서,

전기 커넥터 조립체의 2개 부품 사이에서 아크발생이 개시하기 전에 결합하거나 또는 결합해제하는 동안 상기 고체 계전기가 오픈상태로 변위하도록 상기 전기 커넥터는 상기 고체 계전기에 연결되는 전기 조립체.
제1항에 있어서,

상기 고체 계전기는 주요 절환부재를 구성하는 파워 MOSFET를 포함하고, 상기 파워 MOSFET는 전기기계 계전기가 영향을 받는 아크발생없이 온상태와 오프상태 사이에서 절환하는 전기 조립체.
전기 커넥터와 상기 전기 커넥터 내의 대응하는 접점들이 분리될 때 아크발생을 방지하기 위하여 상기 커넥터에 부착된 고체 계전기를 포함하는 전기 시스템에 있어서,

상기 전기 커넥터는 제1결합접점수단과 제2결합접점수단을 포함하고, 상기 제1결합접점수단은 커넥터를 통해서 전체 전류를 전송할 수 있는 충분한 전류전송능력을 갖고, 상기 제2결합접점수단은 제1결합접점수단의 분리전에 분리될 수 있고;

상기 고체 계전기는 파워 MOSFET를 포함하고;

상기 제1결합접점수단이 분리될 때 제1결합접점수단에 의해서 전류가 전송되지 않도록 상기 제2결합접점수단이 분리될 때 파워 MOSFET가 오프상태로 절환되도록 상기 제2결합접점수단은 고체 계전기에 연결되는;

전기 시스템.
제3항에 있어서,

제1결합접점수단은 제1결합핀 및 리셉터클 접점들로 구성되고, 제2결합접점수단은 제2결합핀 및 리셉터클 접점들로 구성되며, 전기 커넥터가 결합해제될 때 제1결합접점수단의 분리 전에 제2결합접점수단이 분리되도록 상기 제2결합핀접점들은 제1결합접점핀보다 짧은 전기 시스템.
제3항에 있어서,

제2결합접점수단은 제1결합접점수단을 형성하기 위하여 제2접점단자와 결합가능한 하나의 접점단자와 맞물리는 션트로 구성되고, 상기 션트는 전기 커넥터가 결합해제됨에 따라 하나의 접점단자가 제2접점단자로부터 결합해제되기 전에 하나의 접점단자로부터 맞물림해제되는 전기 시스템.
제3항에 있어서,

제2접점단자의 분리는 MOSFET를 오프상태로 전환시키기 위하여 MOSFET 게이트전압을 MOSFET 소스전압으로 충전시키도록 MOSFET 드레인을 감지회로로부터 분리시키는 전기 시스템.
제3항에 있어서,

고체 계전기는 파워 MOSFET가 오프될 때 접지에 대해 부동하여 밧테리와 접지 사이에서 누설전류를 제거하는 전기 시스템.
제3항에 있어서,

고체 계전기는 양극의 밧테리 단자와 로드 사이에 연결되는 전기 시스템.
제3항에 있어서,

파워 MOSFET를 통한 전류는 활성 로우 게이트 입력에 의해서 턴온되는 전기 시스템.
제9항에 있어서,

상기 계전기는 기준전압 이상인 파워 MOSFET의 소스와 드레인 사이의 전압강하, 소스-드레인 전압강하의 증가를 조절하도록 연결되어 파워 MOSFET를 오프상태로 전환시키도록 게이트에 하이 신호를 야기시키는 조절회로를 포함하는 전기 시스템.
제3항에 있어서,

제2접점수단이 결합된 구조일 때 상기 제2접점수단은 파워 MOSFET의 드레인에서의 전압과 실질적으로 동일한 전압인 전기 시스템.
제3항에 있어서,

다중 평행 파워 MOSFET를 포함하는 전기 시스템.
전류를 로드로 절환시키고, 소스, 게이트 및 드레인을 포함하는 파워 MOSFET-상기 게이트는 파워 MOSFET를 통해 소스 드레인 전류를 제어하기 위한 활성 로우 게이트로 구성되고, 파워 MOSFET는 고체 계전기가 양극의 밧테리 전압과 로드 사이에 연결될 때 게이트로 통하는 것을 제외하고는 접지전위로부터 절연됨-;

MOSFET 소스와 드레인 사이의 전압강하가 기준전압을 초과할 때 소스 드레인 전류를 차단하도록 게이트 입력을 인가하기 위한 회로;로 이루어지고,

상기 회로와 활성 로우 게이트는 파워 MOSFET가 로우 게이트 입력의 제거에 의해서 비작동 상태인 오프상태로 지시될 때 누설전류를 방지하기 위하여 접지에 연결되지 않고 게이트에 대한 활성 로우 입력의 부재시에 부동하도록 형성되는 고체 계전기.
제13항에 있어서,

소스 드레인 전류를 차단하기 위하여 게이트 입력을 인가하기 위한 회로는 MOSFET 소스와 드레인 사이의 전압강하가 기준전압을 초과할 때 소스 드레인 전류를 차단하도록 턴온하는 바이폴라 트랜지스터로 구성되는 고체 계전기.
제14항에 있어서,

상기 바이폴라 트랜지스터는 MOSFET 소스와 드레인 사이의 전압강하를 조절하는 에미터 베이스 접합부를 포함하는 고체 계전기.
제15항에 있어서,

상기 에미터 베이스 접합부는 MOSFET 드레인과 바이폴라 트랜지스터 베이스 사이의 다이오드와 저항기, MOSFET 소스와 바이폴라 트랜지스터 베이스 사이의 저항기 및 다이오드와 MOSFET 게이트 사이의 저항기에 의해서 바이어스되는 고체 계전기.
제16항에 있어서,

MOSFET 드레인과 바이폴라 트랜지스터 베이스 사이에 분리가능한 접점을 포함하고, 로드로부터 상기 분리가능한 접점의 분리는 바이폴라 트랜지스터를 온상태로 전환시키고 파워 MOSFET를 오프상태로 전환시키는 고체 계전기.
밧테리 고전압전위에 연결가능한 제1계전기 단자와, 로드의 하이측에 연결가능한 제2계전기 단자와, 신호 입력단자로 구성되는 제3계전기 단자를 포함하는 고체 A형 계전기에 있어서,

상기 고체 A형 계전기는,

상기 제1계전기 단자에 연결된 소스와 상기 제2계전기 단자에 연결된 드레인을 갖는 파워 MOSFET-상기 파워 MOSFET는 상기 제3계전기 단자에 연결된 게이트를 포함하고, 상기 파워 MOSFET는 상기 제3계전기 단자에 인가된 활성 로우 입력에 의해서 온 상태로 전환됨-와;

상기 제1계전기 단자와 제3계전기 단자 사이에 연결된 풀업 저항기와;

상기 파워 MOSFET가 온상태에 있을 때 소스-드레인 전압강하를 감지하기 위한 수단을 포함하는 전압감지회로-상기 전압감지회로는 소스-드레인 전압강하가 기준레벨을 초과할 때 파워 MOSFET가 오프상태로 전환되도록 게이트에 연결됨-;

으로 구성되는 회로를 포함하고,

상기 제3계전기 단자에서 활성 로우 입력의 부재에 의해서 상기 파워 MOSFET와 고체 A형 계전기가 오프상태로 지시될 때 밧테리 고전압전위와 접지전압전위 사이에서 누설전류가 제거되도록 활성 로우 입력이 상기 제3단자로부터 제거될 때 상기 고체 A형 계전기 회로는 접지전위에 대해 부동하는 고체 A형 계전기.
제18항에 있어서,

상기 고체 A형 계전기가 오프상태로 지시될 때 고체 A형 계전기를 가로지르는 누설경로를 도입하지 않고 고체 A형 계전기가 표준형 전기기계 계전기로 대체될수 있도록 상기 제1, 제2 및 제3계전기 단자들은 표준형 전기기계 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 A형 계전기.
제19항에 있어서,

상기 제1, 제2 및 제3계전기 단자들은 표준형 ISO 7588-2 미니 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 A형 계전기.
제19항에 있어서,

상기 제1, 제2 및 제3계전기 단자들은 표준형 미니 SAE J1744 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 A형 계전기.
제18항에 있어서,

접지전압전위에 연결가능한 추가 계전기 단자와, 상기 제1계전기 단자와 추가 계전기 단자 사이에 연결된 제너 다이오드를 포함하는 고체 A형 계전기.
제22항에 있어서,

상기 제2계전기 단자와 추가 계전기 단자 사이에 연결된 프리휠링 다이오드를 포함하는 고체 A형 계전기.
제18항에 있어서,

상기 고체 A형 계전기 내의 회로에 연결되지 않는 추가 계전기 단자를 포함하고, 상기 제1, 제2, 제3 및 추가 계전기 단자들은 고체 A형 계전기가 오프상태로 지시될 때 고체 A형 계전기를 가로질러 누설경로를 도입하지 않고 고체 A형 계전기를 표준형 전기기계 계전기로 대체될 수 있도록 표준형 전기기계 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 A형 계전기.
밧테리 고전압전위에 연결가능한 제1계전기 단자와, 로드의 하이측에 연결가능한 제2계전기 단자와, 신호 입력단자로 구성되는 제3계전기 단자와, 전압감지핀으로 구성되는 제4계전기 단자를 포함하는 고체 계전기에 있어서,

상기 고체 계전기는,

상기 제1계전기 단자에 연결된 소스 및 상기 제2계전기 단자와 제4계전기 단자에 연결된 드레인을 갖는 파워 MOSFET-상기 파워 MOSFET는 상기 제3계전기 단자에 연결된 게이트를 포함하고, 상기 파워 MOSFET는 상기 제3계전기 단자에 인가된 활성 로우 입력에 의해서 온 상태로 전환됨-와;

상기 제1계전기 단자와 제3계전기 단자 사이에 연결된 풀업 저항기와;

상기 파워 MOSFET가 온상태에 있을 때 소스-드레인 전압강하를 감지하기 위한 수단을 포함하는 전압감지회로-상기 전압감지회로는 소스-드레인 전압강하가 기준레벨을 초과할 때 파워 MOSFET가 오프상태로 전환되도록 게이트에 연결됨-;

으로 구성되는 회로를 포함하고,

상기 제4계전기 단자는 제2계전기 단자에서의 전압으로부터 제4계전기 단자의 분리시에 파워 MOSFET가 오프상태로 전환되도록 상기 전압감지회로에 연결되고,

상기 제3계전기 단자에서 활성 로우 입력의 부재에 의해서 상기 파워 MOSFET와 고체 계전기가 오프상태로 지시될 때 밧테리 고전압전위와 접지전압전위 사이에서 누설전류가 제거되도록 활성 로우 입력이 상기 제3단자로부터 제거될 때 상기 고체 계전기 회로는 접지전위에 대해 부동하는 고체 계전기.
제25항에 있어서,

상기 고체 계전기가 오프상태로 지시될 때 고체 계전기를 가로지르는 누설경로를 도입하지 않고 고체 계전기가 표준형 전기기계 계전기로 대체될 수 있도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4계전기 단자들은 표준형 전기기계 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 계전기.
제26항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3 및 제4계전기 단자들은 표준형 ISO 7588-2 미니 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 계전기.
제26항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3 및 제4계전기 단자들은 표준형 미니 SAE J1744 계전기 핀 형상으로 형성되는 고체 계전기.