KR20050020679A - 충격 전압에 대한 보호를 위한 회로 배열 - Google Patents

충격 전압에 대한 보호를 위한 회로 배열 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전압망으로부터 공급되는, 적어도 하나의 유닛의 충격 전압들에 대한 보호를 위한 회로 배열과 관련되는바, 상기 회로 배열은, 충격 전압으로 로딩되고 시스템 전압에 대응되거나 그 시스템 전압으로부터 유도되는 전압을 결합시킬 수 있는 제 1 및 제 2 입력 접속부를 갖는 입력과, 보호될 유닛이 결합될 수 있는 제 1 및 제 2 출력 접속부를 갖는 출력, 및 상기 제 1 및 제 2 입력 또는 출력 접속부 사이에 결합되는 보호 회로로서 상기 보호 회로에 걸리는 전압을 지정가능한 값으로 제한하도록 고안된 제한 장치를 갖는 보호 회로를 가지며, 상기 보호 회로는 스위칭 소자(10) 및 상기 스위칭 소자(10)를 작동시키기 위한 작동 회로를 포함하는 스위치 장치(10)를 추가적으로 포함하며, 상기 스위칭 소자(10)는 반도체 컴포넌트로 설계되며, 상기 스위치 장치(10)는 상기 제한 장치(12)와 직렬로 배열되며 주어진 지정가능 제 1 트리거 기준에서 스위치-온되고 주어진 지정가능 제 2 트리거 기준에서 스위치-오프되도록 설계된다.

Description

충격 전압에 대한 보호를 위한 회로 배열{CIRCUIT ARRANGEMENT FOR PROTECTION AGAINST IMPULSE VOLTAGES}
본 발명은 전압망(voltage network)으로부터 공급되는, 적어도 하나의 유닛의 충격 전압들에 대하여 보호하기 위한 회로 배열과 관련되는바, 상기 회로 배열은 충격 전압으로 로딩되고 시스템 전압과 대응되거나 또는 시스템 전압으로부터 유도된 전압을 결합시킬 수 있는 제 1 및 제 2 입력 접속부를 갖는 입력, 보호될 유닛이 결합될 수 있는 제 1 및 제 2 출력 접속부를 갖는 출력, 및 상기 제 1 및 제 2 입력 또는 출력 접속부 사이에 결합되는 보호 회로를 가지며, 상기 보호 회로는 그 회로에 걸리는 전압을 지정가능한(prescribable) 값으로 제한하도록 고안된 제한 장치를 갖는다.
본 발명은, 일반적으로, 예를 들어, 전압망에 대한 낙뢰 등에 의하여 모터들이 스위치-온 될 때 발생하는 충격 전압에 대한 보호 장치의 문제점에 기초한다. 서지 충격(surge impulse)으로 알려진 이러한 충격 전압은 3000V까지 될 수 있으며, 따라서 조명공학용 안정기와 같은 민감한 전자장치 또는 민감한 입력단(input stage)을 갖는 전자장치에 잠재적인 위험이 된다. 이 주제에 대한 세부사항은 EN61547, 단락 5.7에서 찾을 수 있다.
전자식 안정기에 대하여, 대략 1500V까지의 충격 전압들에 대하여 추가적인 보호용 보호 수단을 필요로 하지 않는 부스트 컨버터(boost converter)들을 사용하는 것이 공지된다. 또한, 배리스터(varistor)들이 보호를 위하여 사용된다. 그러나, 배리스터는 만족스러운 해결책을 제공하지 못하는데, 이는, 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명되겠지만, 그 특징이 "너무 소프트(soft)"하며, 따라서 작동중에, 늦어도 망 로딩(network loading)이 고르지 못한 경우에 실질적인 손실이 발생할 수 있다.
또한, 전화통신 분야에서, 도 3의 특성과 대체로 동일하며 이하에서 보다 상세하게 검토될 전류-전압 특성을 갖는 사이드악(sidac)들의 충격 전압들에 대한 보호를 사용하는 것이 공지된다. 전화통신 분야에서, 이 해결책은 적절한 보호를 제공하는데, 이는 입력 전압원의 임피던스가 충분히 커서 사이드악이 스위치-온 상태일 때, 다시 말해 도전 상태에서 단락 전류에 대한 충분한 제한을 제공할 수 있기 때문이다. 매우 낮은 임피던스 때문에, 이는 전화망이 아닌 통상적인 전압망에서부터 요구되는 다른 많은 응용에 있어서 실제적인 해결책을 제공하지 못한다: 사이드악이 보호용으로 사용된다면, 매우 낮은 임피던스가 통상적인 퓨즈를 활성화시킬 것이며, 이는 수동으로 재설정하거나 다른 퓨즈로 대체할 것을 필요로 할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 공급되어질 유닛에 다시 한번 더 전압을 공급하기 위하여 충격 전압 발생 후에 수동 조정의 필요 없이, 충격 전압들에 대한 신뢰성 높은 보호를 성취하도록, 도입부에서 명명된 회로 배열을 개선하는 것이다. 이 목적은 청구 범위 제 1 항의 특징들을 갖는 회로 배열에 의하여 달성된다.
본 발명은, 보호 회로가 제한 장치에 부가하여 스위치 장치를 포함한다는 사실에 의하여 상기 목적이 성취될 수 있다는 결과에 기초한다. 이 경우, 스위치 장치는 스위칭 소자와 그 스위칭 소자를 위한 작동 회로를 포함하는데, 스위칭 소자는 충분히 정확한 수치화를 확실히 보장하기 위하여 반도체 컴포넌트로 설계된다. 반도체 컴포넌트로 구현되는 스위칭 소자는 전압 진폭 및/또는 일시적인 전압 변화에 대한 민감도가 지정가능한 범위내에서 서로 독립적으로 정확하게 조절될 수 있다는 장점을 제공한다.
스위치 장치와 제한 장치는 직렬로 배열되고 스위치 장치가 주어진 지정가능 제 1 트리거 기준에서 스위치-온되고 주어진 지정가능 제 2 트리거 기준에서 스위치-오프되도록 설계된다.
스위치와 제한 장치들의 직렬 연결에 의하여, 스위치가 반응하지 않는 한, 다시 말해, 스위치 온되거나 스위치 오프되지 않는 한, 보호 회로에 전류가 흐르지 않는다. 결과적으로, 선행 기술에서와 같이, 배리스터를 제한 장치로 사용하는 것이 가능하다; 그러나, 선행 기술과는 대조적으로, 배리스터는 정상 작동에서는 어떠한 종류의 손실도 발생시키지 않는데, 이는 스위치 장치가 스위치-오프됨으로써 보호 회로에 전류가 흐르지 않기 때문이다. 제한 장치와 직렬로 연결하여, 예를 들어, 선행 기술과는 대조적으로 더이상 단락을 형성하지 않는 사이드악을 스위치 장치로 사용할 수 있게 되는데, 이는 제한 장치의 임피던스가 단락되는 것을 방지하기 때문이다. 재설정, 즉 보호 장치를 스위치-오프시키는 것은 자동적으로 발생하는데, 이는 충격 전압이 감소될 때마다, 예를 들어 보호 장치를 흐르는 전류가 지정가능 제한 값 이하로 강하될 때마다, 스위칭 소자가 다시 스위치-오프되기 때문이다. 상기 결과들은 제한 장치를 배리스터로 구현하고 스위치 장치를 사이드악으로 구현하는 예를 사용하는 것을 나타낸다. 그러나, 본 발명은 다수의 구현에 대한 추가적 선택사항들을 포함하며, 이들은 이하에서 보다 정확하게 설명될 것이다.
따라서, 바람직한 실시예는 제 1 트리거 기준은 전압 상승, 특히 제 1 지정가능 전압값 이상으로의 스위치 장치(10)에 걸린 전압의 상승, 및/또는 전압 상승율, 특히 제 1 지정가능 값 이상으로의 스위치 장치(10)에 걸린 전압의 상승율이라는 점에서 구별된다. 후자는 의심가는 에지의 검출시, 즉 손상 고전압 값에 도달하기 전에 보호 회로가 반응할 수 있게 한다.
제 2 트리거 기준은 제 2 지정가능 전류값 이하로 스위치 장치(10)에 흐르는 전류의 하강, 및/또는 전압 하강율, 특히 스위치 장치(10)에 걸린 전압이 제 2 지정가능 값 이하인 전압 하강율 및/또는 지정가능 시간 기간이 경과이다.
한편, 작동 회로는 스위치 장치에 작용하는 전기적 변수들, 특히 전압, 전류, 전압 변동율, 전류 변동율에 따라 스위칭 소자를 작동시키도록 설계될 수 있다. 또는, 작동 회로는 스위칭 소자 자체에 의하여 형성될 수 있다. 이는 작동 회로가 생략될 수 있다는 장점을 갖는다.
제한 장치는 바람직하게는 이미 언급된 배리스터 및/또는 오옴성 저항 및/또는 제너 다이오드로 구현된다. 스위칭 소자는 바람직하게는 트라이악(triac) 및/또는 다이악(diac) 및/또는 사이드악 및/또는 TSPD(Thyristor Surge Protection Device) 및/또는 사이리스터(thyristor) 및/또는 IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor) 및/또는 억제 다이오드(suppressor diode) 및/또는 트랜실 다이오드(Transil diode)로 구현된다. 주파수 출력선(gas arrester)은 부적절한데, 이는 그 기능 때문에 스위칭 온과 스위칭 오프에 대한 기준에 대하여 충분히 정확히 수치화될 수 없기 때문이다. 부적절한 보호가 야기될 것이다.
제한 장치는 바람직하게는, 작동중, 보호 장치에 걸린 충격 전압 없이 최대 전압 이하의 전압값에서 영구적인 작동을 위하여 설계된다. 이 경우, 제한 장치는 잠시동안, 특히 스위칭 소자가 스위치-온 되거나 스위치-오프될 때 부하가 걸리는 반면, 영구 작동에서는 사실상 부하가 걸리지 않기 때문에, 결과적으로 이는 언더디멘션닝(underdimensioning)하는 유리하고 비용 절약형 방법이다. 전기 컨버터, 특히 조명공학용 전기 안정기에 본 발명에 따른 회로 배열을 사용하는 것이 바람직하다.
추가적인 유리한 실시예들이 종속항에서 제시된다.
본 발명의 바람직한 실시예
도 1은, 예시로서, 본 발명에 따른 회로 배열의 설계를 도시한다. 이 회로 배열은 작동 회로(미도시)와 함께 보호 회로(14)를 형성하는 스위치 장치(10)와 제한 장치(12)의 직렬 연결을 포함한다. 전압(USE)는 스위치 장치(10)에서 강하하는 반면, 전압(UBE)는 제한 장치(12)에서 강하한다. 보호 회로(14)에 흐르는 전류는 I로 지정된다. 본 발명에 따른 회로 배열의 보호 회로(14)에서의 강하는 다운스트림 유닛(downstream unit)에 대한 입력 전압으로 기능하며, 보호되어질 출력 전압(Uout)이다. 또한, 전압(Ust)은 스위치 장치(10)를 작동시키는 기능을 한다.
도 2는 본 발명에 따른 회로 배열에서 사용되어질, 배리스터와 같은 제한 장치(12)에서 전압에 대한 전류의 의존성을 도시한다. Us는 보호 전압을 나타내는데, 그 목적은 본 발명에 따른 회로 배열이, 보호 전압이 초과되는 것을 방지하는 것이다. 선행 기술과 같이, 직렬로 연결된 스위치 장치(10)가 없이 상기 제한 장치(12)가 사용될 때, 전압(UN)이 주어진 정상 작동중에 상당한 크기의 전류(IN)이 흐른다. 전압(UN)과 전류(IN)의 발생은 상기 제한 장치에서의 손실과 대응되며, 이는 바람직하지 않다. 그러나, 스위치 장치(10)가 스위치-오프되는 한 본 발명의 경우 보호 회로(14)에는 전류가 흐르지 않기 때문에, 본 발명에 따른 회로 배열의 정상 작동중에는 제한 장치(12)에서의 손실이 발생하지 않는다.
도 3은 스위치 장치(10), 특히 스위칭 소자에서의 통상적인 전류-전압 특성을 도시하는데, 여기서 작동 기능은 스위칭 소자 자체, 예를 들어 사이드악에 의하여 구현된다. 화살표는 전압 상승의 추이를 나타낸다. 전압(USE)이 임계갑(UGr)을 초과하면, 스위칭 소자는 스위치-온 되고, 전압(USE)는 값(USel)으로 강하한다. 그 후, 전류는 증가하며 스위칭 소자의 내부 저항으로 인해 전압(USE)이 다시 상승하기 시작한다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 본 발명을 위해 스위치 장치(10)가 갖출 필요가 있는 기능은 적절하게 작동되는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자에 의하여 성취될 수 있다. 관련 작동 회로는 스위칭 소자를 스위치-온 하기 위하여 시스템 전압의 크기 또는 시스템 전압의 상승율, 또는 그와 상관관계에 있는 변수를 평가하며, 스위칭 소자를 다시 스위치-오프하기 위하여 스위칭 소자에 흐르는 전류, 또는 이 전류의 변동율, 또는 그와 상관관계에 있는 변수의 대응 파라미터들을 평가한다. 그러나, 전기적 변수들에 직접 반응하는 스위칭 소자들, 예를 들어, 트라이악, 다이악, 사이드악들은, 작동 회로가 스위칭 소자 자체에 의하여 구현되기 때문에 생략될 수 있다는 장점을 갖는다. 도 3의 스위칭 소자의 경우 유지 전류가 특정값 이하로 떨어지면, 스위칭 소자는 자동적으로 그 자신을 다시 스위치-오프시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 회로 배열의 제 1 설명적 실시예를 도시하는데, 여기서 제한 장치(12)는 배리스터로 구현되며 스위치 장치(10)는 제어 전압(Ust)을 갖는 트라이악으로 구현된다.
도 5에서 도시된 설명적 실시예에서, 제한 장치(12)는 배리스터로 구현되는 반면, 스위치 장치는 작동 회로(미도시)를 갖는 사이리스터로 구현된다.
도 6a는 시간에 대한 시스템 전압(예를 들어 230V로 가정) 곡선을 도시하는데, 그 시스템 전압 곡선은 시간 기간 t1에서 t2동안, tmax에서 최대값에 도달하는 충격 전압으로 지배된다.
도 6b는 선행 기술로부터 공지된 3개의 측정치 및 본 발명에 따른 회로 배열에 대한, 4개의 시간에 대한 출력 전압(Uout) 곡선을 도시한다. 곡선 부분(a))은 보호 조치가 취해지지 않을 때의 출력 전압(Uout) 곡선을 도시한다. 곡선 부분(b))은 800V로 수치화되는 단지 하나의 배리스터가 사용되는 경우의 Uout의 곡선을 도시한다. 이는, 정상 작동에 있어 배리스터에서 변환되는 전력 손실이 매우 작다는 장점을 야기함에도 불구하고, 이 해법이 충분한 보호를 제공하지 않는다는 것을 정확하게 알 수 있다. 곡선 부분(c))은 400V로 수치화된 단지 하나의 배리스터만이 사용되는 경우의 출력 전압(Uout) 곡선을 도시한다. 이 배리스터는 적절한 보호를 제공함에도 불구하고, 큰 전력 손실 변환에 의하여 정상 작동에서의 작동을 방해한다. 곡선 부분(d))는 본 발명에 따른 회로 배열에 대한 출력 전압 곡선을 도시한다: 사이드악이 스위치 장치(10)로 사용되며, 400V로 수치화된 배리스터가 제한 장치(12)로 사용된다. 스위치 장치(10)가 스위치-온 되기 전에 전압이 우선 값(UGr)으로 상승되며, 그 후, 진폭은 제한 장치(12)에서의 전압 강하에 의해 지배된다. 결과적으로, 곡선 부분들(c) 및 d))은 제 2 및 제 3 곡선에 일치하게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 회로 배열의 경우, 400V로 수치화된 배리스터는 다음 회로의 정상 작동을 방해하지 않는데, 이는 정상 상태에서 스위치 장치(10)가 스위치-오프 되므로 그에 전류가 흐르지 않기 때문이다.
도 7은, 망 최대 전압에서 1000V의 충격 전압의 저-저항 결합의 경우, 보호 회로(14)에 흐르는 시간에 대한 전류(I) 곡선, 보호 장치의 시간에 대한 출력 전압(Uout) 곡선, 및 제한 망(network)(12)에 걸린 시간에 대한 전압(UBE) 곡선을 도시한다(EN 61547의 단락 5.7에 따라). 따라서, 도 7은 도 6을 참조하여 상기 도시된 경향들을 확인한다. 시간 기준을 제공하기 위하여, 도 7에서 5㎲의 시간 윈도우가 충격 전압 부근에서 도시된다. 각 기준선들(Uout 0, UBEO 및 I0)은 전류(I) 곡선, 출력 전압(Uout) 곡선, 및 전압(UBE) 곡선과 관련되어 도 7에서 도시된다. 또한, 피크값 620V는 UBE에 대하여, 피크값 790V는 Uout 0에 대하여 도시된다.
본 발명에 따른 회로 배열은, 보호될 회로의 입력에서, 시스템 정류기의 업스트림(upstream)에서, 시스템 정류기의 다운스트림에서, 보호될 모듈에 대해, 또는 보호될 컴포넌트에 대해, 또는 회로의 다른 적절한 위치에서, 그 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 적절한 배열과 수치화가 이루어진다면, 본 발명에 따른 회로 배열은 3000V 이상의 서지 충격의 경우에도 보호를 확실히 할 수 있다.
본 발명에 의하여, 공급되어질 유닛에 다시 한번 더 전압을 공급하기 위하여 충격 전압 발생 후에 수동 조정의 필요 없이, 충격 전압들에 대한 신뢰성 높은 보호를 성취하도록 회로 배열이 개선된다.
본 발명의 설명적 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 배열을 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 회로 배열에 사용될 수 있는 제한 장치의 전류-전압 특성을 도시한다;
도 3은 본 발명에 따른 회로 배열에 사용될 수 있는 스위칭 소자의 전류-전압 특성을 도시한다;
도 4는 본 발명에 따른 회로 배열의 제 1 설명적 실시예를 도시한다;
도 5는 본 발명에 따른 회로 배열의 제 2 설명적 실시예를 도시한다;
도 6a는 충격 전압이 인가되며, 본 발명에 따른 회로 배열에 걸린 시간에 대한 시스템 전압 곡선을 도시한다;
도 6b는 본 발명에 따른 회로 배열과 선행 기술로 공지된 3개의 회로 배열들에 대하여, 도 6a에 따른 시스템 전압으로 작동되는 경우 본 발명에 따른 회로 배열의 시간에 대한 출력 전압(Uout)을 비교한다;
도 6c는 보호 회로에 흐르는 시간에 대한 전류 곡선, 보호 회로의 시간에 대한 출력 전압, 및 구현된 설명적 실시예를 위한 제한 장치에 걸린 시간에 대한 전압 곡선을 도시한다.

Claims (9)

  1. 전압망으로부터 공급되어질 적어도 하나의 유닛의 충격 전압들에 대한 보호를 위한 회로 배열로서,
    - 충격 전압이 로딩되며 시스템 전압과 대응되거나 또는 그 시스템 전압으로부터 유도되는 전압을 결합시킬 수 있는 제 1 및 제 2 입력 접속부를 갖는 입력,
    - 상기 보호될 유닛이 결합될 수 있는 제 1 및 제 2 출력 접속부를 갖는 출력, 및
    - 상기 제 1 및 제 2 입력 또는 출력 접속부 사이에 결합되는 보호 회로로서, 상기 보호 회로에 걸리는 전압을 지정가능한 값으로 제한하도록 고안된 제한 장치를 갖는 보호 회로를 가지며,
    상기 보호 회로는 스위칭 소자(10) 및 상기 스위칭 소자(10)를 작동시키기 위한 작동 회로를 포함하는 스위치 장치(10)를 추가적으로 포함하며, 상기 스위칭 소자(10)는 반도체 컴포넌트로 설계되며, 상기 스위치 장치(10)는 상기 제한 장치(12)와 직렬로 배열되며 주어진 지정가능 제 1 트리거 기준에서 스위치-온되고 주어진 지정가능 제 2 트리거 기준에서 스위치-오프되도록 설계되는, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 트리거 기준은 전압 상승, 특히 제 1 지정가능 전압값 이상으로의 상기 스위치 장치(10)에 걸린 전압의 상승, 및/또는 전압 상승율, 특히 제 1 지정가능 값 이상으로의 상기 스위치 장치(10)에 걸린 전압의 상승율인, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 트리거 기준은, 제 2 지정가능 전류값 이하로의 상기 스위치 장치(10)에 흐르는 전류의 하강, 및/또는 전압 하강율, 특히 상기 스위치 장치(10)에 걸린 전압이 제 2 지정가능 값 이하인 전압 하강율, 및/또는 지정가능 시간 기간의 경과인, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 회로는 상기 스위치 장치(10)에 작용하는 적어도 하나의 전기적 변수 또는 그와 상관관계에 있는 변수, 특히, 전압, 전류, 전압 변동율, 전류 변동율에 따라 상기 스위칭 소자를 작동시키도록 설계되는, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 회로는 상기 스위칭 소자(10) 자체에 의하여 형성되는, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제한 장치(12)는 배리서터(varistor) 및/또는 저항 및/또는 제너 다이오드를 포함하는, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 소자(10)는 트라이악(triac) 및/또는 다이악(diac) 및/또는 사이드악(sidac) 및/또는 TSPD 및/또는 사이리스터(thyristor) 및/또는 IGBT 및/또는 억제 다이오드 및/또는 트랜실 다이오드(Transil diode)를 포함하는, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제한 장치(12)는, 작동중 상기 보호 장치에 걸린 충격 전압 없이 최대 전압 이하의 전압값에서 영구적인 작동을 위하여 설계되는, 충격 전압 보호용 회로 배열.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항에 따른 회로 배열을 전기 변환기에, 특히 전기 안정기에, 특히 조명 공학용 전기 안정기에 사용하는 방법.
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