KR20100019501A - 직렬로 연결된 적어도 두 개의 커패시터들을 포함하는 회로 어레인지먼트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전압(U)에 직렬로 연결되는 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n))을 갖는 회로 어레인지먼트에 관한 것으로, 분압기가 상기 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n))에 병렬로 배열되고, 상기 전압(U)을 상기 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n)) 사이에 분할하고, 상기 보호 다이오드(Di)의 임계 전압이 상기 보호 다이오드에 병렬로 배열되는 상기 커패시터(Ci)의 허용 가능 전압보다 더 낮고, 보호 회로가 또한 상기 직렬 저항들(RS1...RS (n))에 병렬로 배열되는 방식으로, 보호 다이오드(Di)가 각각의 커패시터(Ci)에 병렬로 직렬 저항(RSi)과 직렬로 배열된다.
Description
본 발명은 전압에 직렬로 연결된 적어도 두 개의 커패시터들을 포함하는 회로 어레인지먼트에 관한 것으로, 분압기가 상기 적어도 두 개의 커패시터들에 병렬로 배열되고, 상기 분압기는 상기 적어도 두 개의 커패시터들 사이에서 전압을 분할한다.
종래 기술에 따르면, 인가될 전압이 개별 커패시터의 허용 가능 전압보다 더 클 경우에 커패시터들이 직렬로 연결된다. 전해 커패시터(ELKO)가 예컨대 대략 500V 정격 전압까지의 사이즈들에서 이용될 수 있다. 그러므로, 500V 초과 전압들을 이용하는 전해 커패시터들 내의 전기 에너지의 저장을 제공하는 애플리케이션들을 위해, 둘 이상의 전해 커패시터들이 직렬로 연결되어야 한다.
예컨대 인버터들을 위해 다수의 입력 커패시터들을 사용하는 것이 알려져 있으며, 상기 입력 커패시터들은 전기 에너지를 교류 전원들로부터 전력 네트워크로 공급하기 위해 사용된다. 태양광 발전기들에 의해, 인버터의 입력부에 특히 고전압들이 발생하고, 이러한 이유로 다수의 전해 커패시터들의 직렬 회로가 일반적으 로 입력-측 에너지 버퍼링을 위해 제공된다.
다수의 커패시터들 사이에 공평하게 존재하는 입력 전압을 분할하기 위해, 종래 기술에 따르면, 분압기가 상기 커패시터들에 병렬로 배열된다. 가장 단순한 예시에서, 분압기는 고-임피던스 저항들로 구성되고, 저항은 각각의 커패시터에 병렬로 연결된다.
다수의 커패시터들을 포함하는 이러한 직렬 회로들은, 결함 발생시 개별 커패시터들에 대한 바람직한 전압 제한이 실패하고, 그 동안에 커패시터가 회로들을 단락시키는 단점을 갖는다. 커패시터의 단락은 필연적으로 입력 전압이 나머지 단락되지 않은 커패시터들 사이에서 분할되도록 한다.
이러한 문제점은 공지된 방식으로 커패시터 회로를 초과-크기 설정함으로써 해결된다. 그러므로, 예컨대 개별 커패시터들의 고장 또는 단락을 보상하기 위해 부가의 커패시터들이 배열된다. 이는, 컴포넌트 비용들과 커패시터의 고장을 지시하는 부가 회로를 제공할 필요를 증가시키는 단점을 갖는다.
커패시터들을 보호하기 위한 다른 알려진 조치는 각각의 개별 커패시터의 전류 경로 내 퓨즈들의 배열이다. 단락 회로의 발생시, 끊긴 퓨즈는 전류 흐름을 인터럽트하고 나머지 커패시터들은 더 이상 충전되지 않는다. 동작을 다시 시작하기 이전에, 퓨즈는 교체되어야 하고 상기 단락 회로의 원인이 제거되어야 한다.
본 발명의 목적은 도입부에서 전술된 타입의 회로 어레인지먼트에 대하여 종래 기술과 비교할 때 향상을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 전압에 직렬로 연결된 적어도 두 개의 커패시터들을 갖는 회로 어레인지먼트에 의해 달성되고, 분압기가 상기 적어도 두 개의 커패시터들에 병렬로 배열되고, 상기 분압기는 상기 적어도 두 개의 커패시터들 사이에서 전압을 분할하고, 직렬 저항과 직렬인 보호 다이오드가 또한 상기 보호 다이오드의 임계 전압이 상기 보호 다이오드에 병렬로 배열된 커패시터의 허용 가능 전압 미만이 되는 방식으로 각각의 커패시터에 병렬로 배열되고, 보호 회로가 상기 직렬 저항들에 병렬로 배열된다.
이러한 어레인지먼트는 간단한 컴포넌트들에 의해 구현되어야 한다. 상기 직렬 저항들에 병렬로 배열되는 특정하게 제공된 보호 다이오드는 커패시터들 중 하나에서의 부분 전압이 커패시터에 병렬로 배열된 보호 다이오드의 임계 전압을 초과하고 따라서 대응하는 직렬 저항에 전압이 존재하게 되자마자 커패시터들을 보호한다. 이를 위해, 보호 회로는 예컨대 커패시터들을 절연시키기(isolate) 위한 설비를 포함하고, 상기 설비는 가장 단순한 예에서 커패시터 회로의 입력부에서의 스위칭 엘리먼트로서 구성된다. 다른 실시예에서, 보호 회로는 커패시터를 포함하고, 상기 커패시터는 요구된다면 나머지 커패시터들에 연결된다.
보호 회로가 전송 부분 및 수신기 부분을 갖는 적어도 하나의 커플링 엘리먼트를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 커플링 엘리먼트는 직렬 저항에 존재하는 전압이 알람 회로의 활성화를 트리거링하는 방식으로 직렬 저항들을 상기 알람 회로에 커플링시킨다. 그러면, 상기 알람 회로는 커패시터 회로보다 더 낮은 전압을 사용하고, 커패시터 회로를 포함하는 장치의 제어 회로에 통합될 수 있다. 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 전송 부분 및 수신기 부분 사이의 전기적 절연은 또한 상기 장치의 안전성을 증가시킨다.
간단한 이러한 실시예에서, 알람 회로는 상기 적어도 두 개의 커패시터들을 절연시키기 위한 설비를 포함하고, 상기 절연 설비는 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 수신기 부분과 직렬로 보조 전압에 연결된다. 커패시터 단락 발생시, 전압이 인가되는 직렬 저항의 알람 회로로의 커플링은 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 수신기 부분을 통해 보조 전압이 절연 설비에 인가되도록 유발한다. 보조 전압은 그러면 예컨대 절연시키기 위한 목적으로 스위칭 엘리먼트를 위한 제어 전압으로서 사용된다.
커패시터 회로 및 알람 회로 사이에 다수의 커플링 엘리먼트들을 갖는 어레인지먼트의 경우에, 커플링 엘리먼트들의 수신기 부분들은 병렬로 연결되고, 상기 병렬 회로는 절연 설비와 직렬로 보조 전압에 연결된다. 그러면 각각의 커플링 엘리먼트의 신호 전송은 알람 회로가 활성화되도록 한다.
본 발명의 한 유용한 실시예에서, 적어도 두 개의 커패시터들이 전압에 직렬로 연결되고, 저항이 각각의 커패시터에 병렬로 배열되고, 보호 다이오드 및 직렬 저항으로 만들어지는 직렬 회로가 각각의 저항에 병렬로 연결되고 커플링 엘리먼트의 전송 부분이 또한 각각의 직렬 저항에 병렬로 배열된다. 이러한 회로에 의해, 회로의 보호 효과를 손상시키지 않고도 임의의 개수의 커패시터들을 직렬로 연결시키는 것이 가능하다.
직렬로 연결된 두 개의 커패시터들을 위해, 제1 직렬 저항과 직렬인 제1 저항이 제1 커패시터에 병렬로 배열되고 제2 직렬 저항과 직렬인 제2 저항이 제2 커패시터에 병렬로 배열되고, 제1 보호 다이오드가 상기 제1 저항에 병렬로 배열되고 제2 보호 다이오드가 상기 제2 저항에 병렬로 배열되고, 커플링 엘리먼트의 전송 부분이 상기 직렬 저항들로부터 형성된 직렬 회로에 병렬로 배열되는 회로가 유용하다. 따라서, 단 하나의 커플링 엘리먼트만이 필요하고, 상기 커플링 엘리먼트는 직렬 저항들 모두를 알람 회로에 커플링시키기 위해 사용된다.
상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 전송 부분을 보호하기 위해 제너 다이오드가 각각의 직렬 저항에 병렬로 배열되는 것이 바람직하다. 여기서, 제너 다이오드들의 브레이크다운 전압들은 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 허용 가능 전압 아래이다.
또한, 프리-저항(pre-resistance)이 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 전송 부분의 업스트림에 연결되는 것이 바람직하다. 상기 프리-저항은 활성화시 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트의 전송 부분을 통과하는 전류를 제한하기 위해 사용될 수 있다.
상기 보호 다이오드들은 유용하게도 억제 다이오드들(suppressor diodies)로서 구현된다. 이들은 정의된 브레이크다운 전압을 각자의 임계 전압으로서 갖고 매우 높은 방전 전력과 고속 응답 동작을 갖는다.
광학 커플러로서의 구성이 커플링 엘리먼트들에 대하여 유용하다. 광학 커플러들은 증명된 구조적 엘리먼트들이고, 발광 다이오드로서 구성된 전송 부분 및 포토트랜지스터로서 구성된 수신기 부분 사이에 전기적 절연을 보장한다.
본 발명은 개략적인 도면들을 나타내는 동반된 도면들을 참조하여 예시적인 방식으로 하기에 기술된다.
도 1은 직렬로 배열된 다수의 커패시터들을 갖는 회로 어레인지먼트를 나타낸다.
도 2는 직렬로 배열된 두 개의 커패시터들과 두 개의 커플링 엘리먼트들을 갖는 회로 어레인지먼트를 나타낸다.
도 3은 직렬로 배열된 두 개의 커패시터들과 한 개의 커플링 엘리먼트들을 갖는 회로 어레인지먼트를 나타낸다.
도 4는 단락된 제1 커패시터를 이용한 전류 흐름을 갖는 도 3에 따른 회로 어레인지먼트를 나타낸다.
도 5는 단락된 제2 커패시터를 이용한 전류 흐름을 갖는 도 3에 따른 회로 어레인지먼트를 나타낸다.
도 1은 직렬로 배열된 다수의 커패시터들(C1...C(n))을 갖는 본 발명의 회로 어레인지먼트의 실시예를 나타내며, 이어지는 설명을 단순화하기 위해 인덱스 i=1 내지 n이 각각의 커패시터 Ci에 할당된다. 여기서, 커패시터들(C1...C(n))의 개수(n)는 존재하는 전압(U), 커패시터들(C1...C(n))의 정격 전압들 그리고 개별 커패시터들(C1...C(n)) 사이의 전압 분할의 함수이다.
전압 분할은 분압기에 의해 미리 결정된다. 가장 간단한 예시에서, 분압기는 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 저항들(R1...R(n))로 형성되고, 저항(Ri)이 각각의 커패시터(Ci)에 병렬로 연결된다. 전압(U)은 개별 커패시터들(Ci) 사이의 저항 값들에 따라 분할된다. 저항 값들이 동일한 곳에는, 동일한 부분 전압(U/n)이 각각의 커패시터(Ci)에 존재한다.
보호 다이오드(Di) 및 직렬 저항(RSi)으로 구성된 직렬 회로가 각각의 저항(Ri)에 병렬로 연결된다. 여기서, 각각의 보호 다이오드(Di)는 임계 전압을 갖고, 상기 임계 전압은 병렬로 배열된 커패시터(Ci)의 허용 가능 전압 아래이다. 여기서, 보호 다이오드들(D1...D(n))은 바람직하게 억제 다이오드들로서 구성된다.
무-결함 동작 동안에, 커패시터들(C1...C(n))에 존재하는 부분 전압에 대하여 하기의 사항이 적용된다:
UC1 = UC2 = UC(n-1) = UC(n) = Umax/n
보호 다이오드들(D1...D(n))에서의 전압들에 대하여 하기의 사항이 적용된다:
UD1 = UD2 = UD(n-1) = UD(n) = UC(n)
무-결함 동작 동안에, 직렬 저항들(RS1...RS (n))에는 전압이 존재하지 않는데, 그 이유는 보호 다이오드들(D1...D(n))에 존재하는 전압들(UD1...UD(n))이 각자의 임 계 전압보다 더 낮기 때문이다. 보호 회로는 직렬 저항들(RS1...RS (n))에 병렬로 배열된다.
도 1에 도시된 보호 회로는 광학 커플러들로서 바람직하게 구성되는 n개의 커플링 엘리먼트들(OC1...OCn)을 포함한다. 커플링 엘리먼트(OCi)의 전송 부분(예컨대, 발광 다이오드)이 여기서 각각의 직렬 저항(RSi)에 병렬로 연결된다. 상기 전송 부분들을 과전압들로부터 보호하기 위하여, 제너 다이오드(DS1)가 또한 각각의 직렬 저항(RSi)에 병렬로 연결되고, 상기 제너 다이오드(DS1)는 전송 부분에 존재하는 전압이 허용 가능한 최대 값에 도달하자마자 전도된다. 전송 부분들은 프리-저항들(RV1...RVn)에 의해 과전류들로부터 보호된다.
커플링 엘리먼트들(OC1...OCn)(예컨대, 포토트랜지스터들)의 수신기 부분들은 병렬 방식으로 보조 전압(US) 그리고 커패시터들(C1...C(n))을 초기에 존재하는 전압(U)으로부터 절연시키기 위한 설비(ALARM)에 연결된다.
결함시, 커패시터(Ci)가 단락 회로를 가질 때, 초기에 존재하는 전압(U)은 나머지 단락되지 않은 커패시터들(C1...C(i-1),C(i+1)...C(n)) 사이에서 분할된다. 이러한 프로세스에서, 상기 커패시터들(C1...C(i-1),C(i+1)...C(n))에 병렬로 배열된 보호 다이오드들(D1...D(i-1),D(i+1)...D(n))의 임계 전압이 초과된다. 보호 다이오드 들(D1...D(i-1),D(i+1)...D(n))은 전도되고, 직렬 저항들(RS1...RS (i-1),RS (i+1)...RS (n))에서, 전압이 형성되고, 이는 커패시터들(C1...C(n))을 절연시키기 위해 커플링 엘리먼트들(OC1...OC(i-1),OC(i+1)...OC(n))을 통해 알람 회로의 활성화를 일으킨다.
도 2는 직렬로 연결된 단 두 개의 커패시터들(C1,C2)을 갖는 동일한 실시예의 회로 어레인지먼트를 나타낸다. 결함시, 즉 커패시터(C1 또는 C2)가 회로들을 단락시키면, 초기에 존재하는 전체 전압(U)은 단락되지 않은 커패시터(C2 또는 C1)에 존재한다. 여기서 보호 회로의 동작 모드는 도 1을 참조하여 기술된 모드에 대응한다.
단 두 개의 커패시터들(C1,C2)이 직렬로 연결되면, 상이한 본 발명의 실시예가 또한 적절하다. 이러한 대안적인 회로 어레인지먼트가 도 3에 도시된다. 이러한 어레인지먼트에서, 직렬 저항들(RS1,RS2)은 초기에 존재하는 전압(U)을 두 커패시터들(C1,C2) 사이에서 분할하기 위한 분압기의 엘리먼트들이다. 상기 분압기는 제1 저항(R1) 및 제1 직렬 저항(RS1)으로 구성되는 제1 직렬 회로, 그리고 제2 저항(R2) 및 제2 직렬 저항(RS2)으로 구성되는 제2 직렬 회로로 이루어진다. 상기 제1 직렬 회로는 제1 커패시터(C1)에 병렬로 연결되고, 상기 제2 직렬 회로는 제2 커패시터(C2)에 병렬로 연결된다.
저항들(R1,R2,RS1,RS2)에 대하여 하기의 사항이 적용된다:
(R1+RS1) = (R2+RS2)
그러면, 전압(U)은 두 개의 커패시터들(C1,C2) 사이에 공평하게 분할된다. 보호 회로 내에서 과전압들을 방지하기 위하여, 다시 제너 다이오드(DS1,DS2)가 각각의 직렬 저항(RS1,RS2)에 병렬로 배열된다. 여기서, 상기 두 개의 제너 다이오드들(DS1,DS2)은 프리-저항(RV)을 갖는 커플링 엘리먼트(OC)가 병렬로 연결되는 직렬 회로를 형성한다.
커패시터(C1,C2)가 회로들을 단락시킬 때 전류 흐름들이 도 4 및 도 5에 도시된다. 도 4에 도시된 제1 커패시터(1)의 단락 회로는 전압(U)의 양극으로부터 제1 커패시터(C1)를 통과하는 전류 흐름을 야기하고, 그 결과로 전체 전압(U)이 제2 커패시터(C2)에 존재한다. 따라서, 전체 전압(U)은 또한 제2 저항(R2) 및 제2 직렬 저항(RS2)으로 이루어진 직렬 회로에 존재한다. 상기 직렬 회로는 전압(U)을 제2 보호 다이오드(D2) 그리고 제2 제너 다이오드(DS2) 또는 상기 제2 제너 다이오드(DS2)에 병렬로 배열된 보호 회로(DS1,RV,OC)의 엘리먼트들 사이에 분할한다. 이러한 프로세스에서, 제2 보호 다이오드(D2)의 임계 전압이 초과되고, 그 결과로 상기 제2 보호 다이오드(D2)가 전도성이 된다. 그러므로, 전류는 전도성 제2 보호 다 이오드(D2)를 통해 초기에 존재하는 전압(U)의 음극으로 흐른다. 제2 직렬 저항(RS2)에 존재하는 전압은 보호 회로를 통한, 즉 제1 제너 다이오드(DS1), 프리-저항(RV) 그리고 커플링 엘리먼트(OC)의 전송 부분을 통한 전류 흐름을 일으킨다. 이러한 전류 흐름은 여기서 제2 직렬 저항(RS2)에 병렬로 연결된 제2 제너 다이오드(DS2)에 의해 결정된다.
전류가 보호 회로를 통해 흐르자마자, 알람 회로가 커플링 엘리먼트(OC)에 의해 활성화되고, 커패시터들(C1,C2)은 그들을 초기에 존재하는 전압(U)으로부터 절연시키기 위해 설비(ALARM)에 의해 분리된다. 이는, 설비(ALARM)가 커플링 엘리먼트(OC)의 수신기 부분을 통해 보조 전압(US)에 연결되도록 이루어진다.
도 5는 제2 커패시터(C2)가 단락될 때 전류 흐름을 나타낸다. 이 예시에서, 전체 전압(U)은 제1 커패시터(C1)에 존재하여, 제1 보호 다이오드(D1)의 브레이크다운이 일어나게 된다. 전류가 다시 한번 보호 회로를 통해 흐르고, 커패시터들의 절연을 야기함으로써, 상기 커패시터들을 손상되는 것으로부터 보호한다.
일단 커패시터(C1 또는 C2)의 단락 회로를 유발하는 결함이 제거되면, 회로는 동작 상태로 되돌아갈 수 있다.
Claims (10)
- 전압(U)에 직렬로 연결되는 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n))을 갖는 회로 어레인지먼트로서,분압기가 상기 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n))에 병렬로 배열되고, 상기 전압(U)을 상기 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n)) 사이에서 분할하고,직렬 저항(RSi)과 직렬인 보호 다이오드(Di)가 각각의 커패시터(Ci)에 병렬로 배열되고,상기 보호 다이오드(Di)의 임계 전압이 상기 보호 다이오드에 병렬로 배열되는 상기 커패시터(Ci)의 허용 가능 전압보다 더 낮고,보호 회로가 또한 상기 직렬 저항들(RS1...RS (n))에 병렬로 배열되는,회로 어레인지먼트.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호 회로는 전송 부분 및 수신기 부분을 갖는 적어도 하나의 커플링 엘리먼트(OC 또는 OC1...OC(n))를 포함하고, 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트(OC 또는 OC1...OC(n))는 상기 직렬 저항들(RS1...RS (n))을 알람 회로에 커플링시키고, 직 렬 저항(RSi)에 존재하는 전압이 상기 알람 회로의 활성화를 트리거링하는,회로 어레인지먼트.
- 제 2 항에 있어서,상기 알람 회로는 상기 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n))을 절연(isolate)시키기 위한 설비(ALARM)를 포함하고, 적어도 하나의 커플링 엘리먼트(OC 또는 OC1...OC(n))의 수신기 부분과 직렬인 상기 절연 설비(ALARM)는 보조 전압(US)에 연결되는,회로 어레인지먼트.
- 제 3 항에 있어서,다수의 커플링 엘리먼트들(OC1...OC(n))이 제공되고, 상기 커플링 엘리먼트들(OC1...OC(n))의 수신기 부분들은 병렬로 연결되고, 상기 절연 설비(ALARM)와 직렬인 상기 병렬 회로는 상기 보조 전압(US)에 연결되는,회로 어레인지먼트.
- 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 적어도 두 개의 커패시터들(C1...C(n))은 상기 전압(U)에 직렬로 연결되 고, 저항(Ri)이 각각의 커패시터(Ci)에 병렬로 배열되고, 보호 다이오드(Di)와 직렬 저항(RSi)으로 구성되는 직렬 회로가 각각의 저항(Ri)에 병렬로 연결되고, 커플링 엘리먼트(OC1...OC(n))의 전송 부분이 또한 각각의 직렬 저항(RSi)에 병렬로 배열되는,회로 어레인지먼트.
- 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,제1 커패시터(C1)가 제2 커패시터(C2)와 직렬로 상기 전압(U)에 연결되고, 상기 제1 커패시터(C1)에 병렬로, 제1 저항(R1)이 제1 직렬 저항(RS1)과 직렬로 배열되고, 제2 커패시터(C2)에 병렬로, 제2 저항(R2)이 제2 직렬 저항(RS2)과 직렬로 배열되고, 제1 보호 다이오드(D1)가 상기 제1 저항(R1)에 병렬로 배열되고, 제2 보호 다이오드(D2)가 상기 제2 저항(R2)에 병렬로 배열되고, 커플링 엘리먼트(OC)의 전송 부분이 상기 직렬 저항들(RS1,RS2)로 형성된 직렬 회로에 병렬로 배열되는,회로 어레인지먼트.
- 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트(OC 또는 OC1...OC(n))의 상기 전송 부분 을 보호하기 위한 제너 다이오드(DSi)가 각각의 직렬 저항(RSi)에 병렬로 배열되는,회로 어레인지먼트.
- 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,프리-저항(pre-resistance)(RV 또는 RV1...RV (n))이 상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트(OC 또는 OC1...OC(n))의 상기 전송 부분의 업스트림에 연결되는,회로 어레인지먼트.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 보호 다이오드들(D1...Dn)은 억제 다이오드들(suppressor diodes)로서 구성되는,회로 어레인지먼트.
- 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 적어도 하나의 커플링 엘리먼트(OC 또는 OC1...OC(n))는 광학 커플러로서 구성되는,회로 어레인지먼트.
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