KR20110101076A - 릴레이, 아크 제어 장치 및 아크 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 릴레이, 아크 제어 장치, 및 아크 제어 방법을 제공한다. 이 아크 제어 장치는 부하와 전원 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 기계식 릴레이 스위치에 병렬 연결되는 반도체 스위치, 및 반도체 스위치를 구동하는 반도체 스위치 구동부를 포함한다. 반도체 소자 구동부는 상기 이동 전극이 고정 전극에서 분리되어 있는 개방 상태에 이동 전극이 고정 전극에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 반도체 스위치를 구동시키어, 고정 전극과 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어한다. 또는, 반도체 소자 구동부는 단락 상태에 개방 상태로 변하는 과정에서, 반도체 스위치를 구동시키어, 고정 전극과 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어한다.

Description

릴레이, 아크 제어 장치 및 아크 제어 방법{RELAY, ARC CONTROL APPARATUS AND ARC CONTROL METHOD}

본 발명은 아크 제어 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 기계식 릴레이와 반도체 릴레이가 결합한 아크 제어 장치에 관한 것이다.

통상 릴레이는 신호 및/또는 전력을 개폐한다. 접촉기는 모터, 전열기, 전구 등의 부하를 구동하는 대용량의 릴레이이다. 상기 접촉기는 15 암페어(A) 이상의 전류 또는 수천 와트(Watt) 이상의 전력을 처리할 수 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 아크가 발생하지 않아 내구성이 강하고 폭발환경에서 사용할 수 있는 전기 자동차용 고전압 및 고전류 접촉 릴레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 아크가 발생하지 않아 내구성이 강하고 폭발환경에서 사용할 수 있는 전기 자동차용 고전압 및 고전류 접촉 기계식 릴레이에 장착되는 아크 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 아크가 발생하지 않아 내구성이 강하고 폭발환경에서 사용할 수 있는 전기 자동차용 고전압 및 고전류 접촉 기계식 릴레이의 아크 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 아크 제어 장치는 부하와 전원 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 기계식 릴레이 스위치에 병렬 연결되는 반도체 스위치, 및 상기 반도체 스위치를 구동하는 반도체 스위치 구동부를 포함한다. 상기 반도체 소자 구동부는 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에서 분리되어 있는 개방 상태에 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어한다. 또는 상기 반도체 소자 구동부는 상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 아크 제어 장치는 접촉식 릴레이와 전기적으로 병렬로 연결된다. 상기 아크 제어 장치는 상기 접촉식 릴레이의 접촉들 사이에서 발생하는 아크를 제거할 수 있다. 상기 아크 제어 장치는 폭발 가스 환경에서 사용될 수 있고, 혹독한 진동 환경에서 사용될 수 있고, 상기 접촉식 릴레이의 전기적 수명을 증대시킨다. 아크 제어 장치는 최소한의 아크만을 허용하여 방열판 없이 대전류 차단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이는 아크를 발생시키지 않거나 최소한의 아크만을 허용하고, 큰 방열판이 필요 없어 작고 가볍게 제작될 수 있다.

도 1a은 종래의 릴레이를 설명하는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 릴레이의 타이밍 도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 제어 장치를 설명하는 도면이다.
도 2b는 도 2a의 타이밍 도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 타이밍 도들이다.
도 6은 상용 IBGT 스위치에서 이동 전극과 고정 전극의 접합과 반도체 스위치 케이스의 열저항을 나타낸다.

부하에 대전력을 개폐하는 장치는 통상적으로 열린 접촉기일 수 있다. 상기 접촉기는 기계식 릴레이 또는 반도체 접촉 릴레이일 수 있다.

기계식 접촉기는 대용량 모터 전류를 개폐할 때 발생하는 아크 방전을 억제하도록 설계될 수 있다. 부하에 대전력을 개폐하는 경우, 상기 기계식 접촉기는 아크 방전을 유발할 수 있다. 상기 아크 방전은 상기 기계식 접촉기의 접촉 전극의 산화를 제공할 수 있다. 상기 접촉 전극은 은주석 산화물(AgSnO₂), 은카드뮴산화물(AgCdO₂) 등과 같은 은계열산화물로 제조된다. 상기 접촉기의 물리적 크기는 수 센치 미터 내지 수 미터일 수 있다.

아크 방전에 의한 상기 접촉 전극의 산화를 방지하기 위해, 상기 기계식 접촉기의 접촉 전극은 용기 내에 배치되고, 상기 용기는 진공 상태 또는 불활성 가스로 채워질 수 있다. 상기 기계식 접촉기는 접촉 전극들, 전자석, 덮개, 및 접촉 스프링을 포함할 수 있다. 상기 전자석은 상기 접촉 전극에 결합하여 구동력을 제공할 수 있다. 덮개는 외부 시스템과 연결하기 위한 단자를 포함할 수 있다. 상기 덮개는 상기 용기, 상기 접촉 전극들, 전자석을 감쌀 수 있다. 상기 덮개는 접촉 전극을 보호하고 절연시킬 수 있다. 상기 덮개는 상기 접촉 전극을 사람들이 건드리는 것을 방지하기 위해 베이크라이트(Bakelite), 나일론 6(Nylon 6), 또는 열경화성 플래스틱(thermosetting plastic)으로 형성될 수 있다.

열린 덮개를 가지는 접촉기는 먼지, 기름, 폭발 위험 및 기후에 대해 보호하기 위해 추가적인 덮개를 가질 수 있다.

낮은 전압(600 볼트(V) 이하)에서 동작하는 모터 제어용 접촉기는 공기 절연식 접촉기일 수 있다. 중간 전압에서 동작하는 모터 제어용 접촉기는 진공식 접촉기일 수 있다. 모터 제어용 접촉기는 단락 보호 수단, 열교환 수단, 과부하 릴레이, 및 복합 시동기에 장착될 수 있다. 상기 접촉기는 복합 시동기에 기구적으로 결합하여 한다.

아크 방전의 물리적 현상이 설명된다. 물체의 표면에 전하가 축적되면 주위의 매질 중에는 전기장이 생성된다. 상기 전기장이 어느 한계치에 이르게 되면, 상기 매질은 절연 파괴되어 전기적 절연성을 읽고 도전성을 띄는 방전을 나타낸다.다. 상기 방전은 불꽃방전(spark discharge), 브러시 방전(brush discharge), 코로나 방전(corona discharge), 또는 전파브러시방전(propagating brush discharge)으로 구분될 수 있다.

상기 불꽃방전(spark discharge)은 균일한 전기장 내에서 매질의 완전한 절연 파괴로 충전되어 있던 에너지가 매우 빠르게 변환되는 방전이다. 상기 브러시 방전(brush discharge) 불 균일한 전기장 내에서 부분적으로 절연 내력을 넘는 부분에서 발생하는 방전이다.

상기 코로나 방전(corona discharge)은 브러시 방전의 일종으로 더 극심한 불 균일한 전기장 안에서 매질의 국부적 절연이 깨지는 약한 방전이다.

상기 전파브러시방전(propagating brush discharge)은 필름과 같은 얇은 절연물의 양 측면에 최대 표면 전하밀도의 수배 이상의 양 및 음 전하로 이루어진 전하 이중 층에서 일어난다. 공기의 절연내력(dielectric strength)은 2.7kV/mm 정도이다. 공기의 절연내력을 나타내는 표면전하밀도는 2.7x10^-2C/m² 정도이다.

정전기 방전은 대전체 표면의 전하 밀도가 10^-6 C/m² 이상이면 발생한다. 즉, 전력 차단시 접촉 전극들 사이의 거리가 영(zero)에서 부터 멀어진다. 따라서, 상기 접촉 전극들 사이의 거리가 매우 가까울 때는 불꽃 방전이 일어난다. 상기 불꽃 방전은 매질을 전리시키고, 상기 접촉 전극들에서 입자들이 튀어나올 수 있다.

예를 들어, 400 V 배터리 전원을 차단시, 접촉 전극들의 간격(d)가 2/15 mm 이내이면 불꽃 방전이 일어난다. 접촉 전극들 사이의 거리(d)가 멀어지더라도, 매질은 전리에 의해 국부적인 절연 내력이 감소한다. 상기 매질은 브러시 방전 형태를 유지할 수 있다. 따라서, 상기 접촉 전극들 사이의 거리(d)가 멀어져 감에 따라, 아크 방전은 불꽃 방전으로 시작하여 브러시 또는 코로나 방전 형태로 유지될 수 있다.

대기 중의 아크 방전 또는 아크는 고온에서 전리 상태의 이온(또는 기체)이다. 따라서, 아크 제어는 냉각에 의해 매질을 전리 상태로부터 절연체로 환원하는 것이다. 아크 제거는 소호(消弧, arc extinguishing)라 한다.

27 V의 전압에서는 1/100 mm 이내에서 아크 방전이 시작되는데, 접촉 전극들 사이의 거리(d)가 커짐에 따라, 이온들은 상기 접촉 전극에 의해 냉각되어, 아크가 발생하기 어렵다.

접촉 전극들 사이의 거리(d)에 한계(통상 수 밀리미터 수준)가 있는 접촉기에서, 전압이 2.7 kV 이상이고, 전류가 수백 암페어 이상이면, 대기 중에서 소호 는 곤란하다. 전원이 전압원인 경우, 아크에 의한 전류가 증가함에 따라 아크에 의한 이온 생성량이 많아진다. 일단 아크가 생성되면 아크에 의한 접촉 저항이 작아져 아크에 의한 전류가 더 증가하여, 상기 접촉 전극들은 파손될 수 있다. 따라서, 아크의 제어가 중요하다.

한편, 전류가 극성이 변하는 점을 가지는 교류보다 직류에서 소호가 어렵다. 아크에 의하여 발생한 가스를 냉각하는 방법, 진공 상태에서 이온을 확산시켜 농도를 낮추는 방법, 이온을 어떤 방향으로 불어 날리는 방법, 소호실(arc extinguishing room)의 내압을 높게 하는 방법, 아크 슈트(ARC CHUTE)를 이용하여 아크를 세분하는 방법, 자계의 아크 구동력을 이용하는 방법이 전력 차단에 많이 사용하고 있다. 이 방법들은 전력 차단시 접촉 전극들 사이의 매질에서 급속하게 절연내력의 회복을 상승시킬 수 있다. 실제 차단기 또는 접촉기는 복수의 방법을 이용하여 소호 성능을 높인다.

전력 차단시의 아크를 제어하기 위해 60년대에는 절연유를 매질로 하여 동작하는 차단기가 이용되었다. 전류 차단시 발생하는 아크는 절연유를 분해하여, 수소, 아세칠렌, 메탄, 에탄 등의 가스가 발생된다. 이들 가스의 성분비율 중 50 내지 70 퍼센트가 수소이다. 수소 가스는 가벼워 절대온도 4000 도 정도의 고온에서도 열전도율이 높기 때문에 아크의 냉각효과가 크다.

반도체 접촉 릴레이는 전기적 연결을 자주 스위칭해야 하는 모터, 전열기, 또는 전구의 구동에 사용되는 방열판을 포함한 대용량 반도체 스위치이다. 반도체 접촉 릴레이는 움직이는 부분이 없기 때문에 기계적 마모가 없다. 또한, 반도체 접촉 릴레이는 진동에 의한 전기적 접촉 진동이 없다.

반도체 접촉 릴레이는 반도체 스위치를 포함한다. 상기 반도체 스위치가 포화 상태에서 동작할 때, 상기 반도체 접촉 릴레이는 1.5V 이상의 전압 강하를 초래한다. 이때 소모 전력은 전압 강하와 도통 전류의 곱에 해당한다. 상기 소모 전력은 열로 소모된다. 따라서, 상기 반도체 접촉 릴레이는 방열판을 장착해야 한다. 방열판의 크기는 도통 전류에 비례하여 커져야 한다. 상기 방열판의 크기는 대용량 반도체 접촉 릴레이를 작고 가볍게 제작할 수 없도록 한다. 한편, 통상의 지능형 전력 반도체 스위치는 반도체 스위치에 흐르는 전체 전류에 비례하는 센서신호를 제공할 수 있다.

다음은 기계적 접촉 릴레이 대비 반도체 접촉 릴레이의 장단점들을 정리한 것이다.

장점들:

1. 기계식 접촉 릴레이들에 비해 반도체 접촉 릴레이의 동작 속도가 빠르다;

2. 움직이는 부분이 없어 마모가 없다;

3. 진동에 의한 부작용이 없어 깨끗하고 전기적 흔들림이 없이 동작한다;

4. 스위칭할 때 아크 발생이 없어 전기적 노이즈가 극감된다;

5. 스위칭할 때 스파크가 발생해서는 안 되는 폭발 환경에서 사용될 수 있다;

6. 조용하게 동작한다;

7. 혹독한 진동에 계속 동작할 수 있다.

단점들:

1. 도통시 기계식 접촉 릴레이 비해 전압 강하가 크고 많은 열을 발생하여 큰 방열판이 필요하다;

2. 기계식 접촉 릴레이들보다 고장이 쉽게 고장난다;

3. 도전할 때 전기 노이즈가 증가한다;

4. 전기적 차단시 낮은 저항과 역누설 전류가 있다;

5. 일시적인 전압 때문에 오동작할 가능성이 있다;

6. 고립된 반도체 게이트 구동 전원이 필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 아크 제어 장치는 릴레이 또는 차단기와 전기적 병렬 연결된다. 상기 아크 제어 장치는 릴레이 차단시 이동 전극이 고정 전극과 이격되는 시점을 검출한다. 상기 이격 되는 시점을 기준으로 하여, 일정한 지연 시간을 가지고 아크 제어 장치는 상기 릴레이에 병렬 연결된 전류 경로를 제공한다. 상기 아크 제어 장치의 상기 지연 시간은 상기 릴레이의 전기적 물리적 특성을 측정하여 설정될 수 있다.

도 1a은 종래의 릴레이를 설명하는 도면이다.

도 1b는 도 1a의 릴레이의 타이밍 도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 릴레이는 릴레이 스위치(16)와 릴레이 스위치 구동부(12)를 포함한다.

상기 릴레이 스위치(16)는 전자석부(19), 고정 전극(18) 및 이동 전극(17)을 포함한다. 상기 전자석부(19)는 상기 이동 전극(19)을 이동시키어 상기 이동 전극(17)과 상기 고정 전극(18) 사이의 이격 거리(d)를 조절한다. 이에 따라, 상기 이동 전극(17)은 상기 고정 전극(18)에 접촉하여 단락 상태를 형성하고, 상기 이동 전극(17)은 상기 고정 전극(18)에서 분리되어 최대 이격 거리(dmax)를 유지하여 개방 상태를 형성한다.

상기 릴레이 스위치(16)는 제1 단자(21) 및 제2 단자(22)를 포함할 수 있다. 상기 제1 단자(21)는 상기 고정 전극(18)에 전기적으로 결합하고, 상기 제2 단자(23)는 상기 이동 전극(18)에 전기적으로 결합한다. 상기 제1 단자(21)는 상기 전원(15)에 연결되고, 상기 제2 단자(23)는 상기 부하(14)에 연결될 수 있다.

릴레이 스위치 구동부(12)는 상기 전자석부(19)에 전자석 구동 신호(S1/S2)를 제공하여 상기 이동 전극(17)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 릴레이 스위치는 상기 전원(15)과 상기 부하(14) 사이의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 릴레이 스위치 구동부(12)는 외부 신호를 제공받아 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)를 제공할 수 있다.

도 1b를 참조하면, 상기 릴레이 스위치(16)가 개방 상태에 상기 단락 상태로 변할 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)는 로우 상태에서 하이 상태로 천이될 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)에 따라, 상기 전자석부(19)는 상기 이동 전극(17)을 이동시킬 수 있다. 상기 이동 전극(17)이 이동을 시작하는 시간은 제1 이동 시간(t_move1)이다.

하지만, 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)의 천이되는 시간과 상기 이동 전극이 움직이는 시간 사이에 시간 지연이 발생할 수 있다. 상기 이동 전극(17)이 상기 고정 전극(18)에 접근함에 따라, 아크 발생기점(t_spark)부터 아크가 발생할 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)를 기준으로 상기 고정 전극(18)과 상기 이동 전극(17) 사이에서 아크가 발생하기 시작한 시각 사이의 시간 간격은 T_spark이다. t_spark에서, 상기 고정 전극(18)과 상기 이동 전극(17)의 이격 거리는 d_spark이다. 여기서, d_spark는 상기 제1 단자(21)와 제2 단자(23) 사이에 단자 전압(V12) 또는 상기 고정 전극(18)과 이동 전극(17)의 형상에 의존할 수 있다.

상기 고정 전극(18)과 상기 이동 전극(17)이 평면이고, 상기 고정 전극(18)과 상기 이동 전극(17) 사이의 매질이 공기인 경우, d_spark는 전압(V12)/2.7(kV/mm)일 수 있다.

예를 들어, 개방 상태에 단락 상태로 진행하는 경우, 상기 개방 상태에서 제1 단자(21)와 상기 제2 단자(23) 사이에 인가 전압이 400 V 라면, d_spark는 약 2/15 mm이다.

T_spark는 릴레이 스위치의 구동 방식에 의존할 수 있다. 상기 T_spark는 실험적으로 구할 수 있다.

상기 이동 전극(17)이 상기 고정 전극(18)에 접촉하는 접촉 시각(t_contact)에 순간적으로 상기 아크는 소멸할 수 있다. 그러나, 상기 이동 전극(17)이 충격에 의하여 튕기면서 진동할 수 있다. 이에 따라, t_spark 이후, 상기 릴레이 스위치는 제1 아크 지속 시간(T_arc1) 동안 아크가 발생하여 유지될 수 있다.

t_spark이후, 상기 고정 전극(18)과 상기 이동 전극(17) 사이의 단자 전압(V12)은 구동 전압(Vd)에서 낮아진다. 이어서, 상기 고정 전극(18)이 상기 이동 전극(17)에 순간적으로 접촉하는 시간(t_contact)에서 상기 단자 전압(V12)은 순간적으로 기초 전압(Vbase)이 된다. 여기서 기초 전압(Vbase)는 접촉들 사이의 접촉저항과 도통 전류의 곱이다. 따라서, 접촉 저항이 1 mΩ이고, 상기 접촉 저항을 통해 흐르는 전류가 200 A 라면, 기초 전압(Vbase)는 0.2 V 수준이 된다.

상기 이동 전극(17)은 상기 고정전극(18)에 접촉하는 순간에 튕길(bounce) 수 있다. 따라서, 상기 단자 전압(V12)은 상기 기초 전압(Vbase)과 상기 아크에 의존하는 아크 전압(Vacr) 사이를 진동할 수 있다. 따라서, 제1 아크 지속 시간(t_arc1)은 상기 이격 거리가 d_spark가 되는 순간부터 상기 이동 전극(17)이 상기 고정 전극(18)에 완전히 접촉하는 시간일 수 있다.

단락 상태가 충분히 유지되어 소정의 완전 접촉 시간(t_{full _ contact})을 경과하면, 상기 아크는 소멸된다.

도 1b를 참조하면, 상기 릴레이 스위치(16)가 상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변할 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)는 하이 상태(HIGH)에서 로우 상태(LOW)로 천이한다. 상기 천이 시간과 상기 이동 전극(17)이 실제로 이동하는 시간(t_move2)에는 시간 지연이 있다. 이 경우, 상기 이동 전극(17)이 상기 고정 전극(18)에서 분리됨에 따라, 아크가 발생할 수 있다.

상기 이동 전극(17)이 움직이기 시작하는 시간은 t_move2이다. 상기 이격 거리(d)가 d_spark가 되는 시간은 t_open이다.

통상적으로, 상기 아크는 상기 이동 전극(17)이 이격되는 시각부터 상기 이동 전극(17)과 상기 고정 전극(18) 사이의 이격 거리(d)가 d_spark가 되는 시각까지 유지되고, 완전 개방이 되어도 아크는 소멸 되지 않고 유지될 수 있다. 즉, 상기 이동 전극(17)이 상기 고정 전극(18)으로부터 분리되는 시간부터 상기 이격 거리가 d_spark가 되는 시간까지의 제2 아크 지속 시간(T_arc2) 동안 생성된 아크에 의해 공기에 의한 절연이 약해져 이격 거리(d)가 d_spark보다 커도 아크에 의해 방전이 유지될 수 있다. 이격 거리(d)가 기준 거리 (denough)보다 크면 아크에 의해 단위 시간당 생성되는 이온의 공간에 대한 농도가 낮아져 아크는 소멸된다. 여기서, 상기 기준 거리 (denough)보다 완전 개방 상태의 이격 거리(dmax)가 충분히 작으면 완전 개방이 되어도 아크는 소멸 되지 않고 유지될 수 있다.

완전 개방 상태에서 아크 발생시 상기 단자 전압(V12)은 아크에 의한 접촉저항과 부하의 전압 분배에 의한 전압 Varc로 결정된다. 상기 아크에 의한 접촉저항은 상황에 따라 다를 수 있다.

따라서, 상기 제1 아크 지속 시간(T_arc2) 및/또는 제2 아크 지속 시간(T_arc2) 동안 아크 발생을 억제하는 수단이 요구된다.

도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 제어 장치를 설명하는 도면이다.

도 2b는 도 2a의 타이밍 도이다.

도 2a를 참조하면, 릴레이(100)는 부하(114)와 전원(115) 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극(118) 및 이동 전극(117)을 포함하는 기계식 릴레이 스위치(116), 상기 기계식 릴레이 스위치(116)에 병렬 연결되는 반도체 스위치(124), 상기 기계식 릴레이 스위치(124)를 구동하는 릴레이 스위치 구동부(112), 및 상기 릴레이 스위치 구동부(112)의 출력 신호(S1/S2)를 입력받아 상기 반도체 스위치(124)를 구동하는 반도체 스위치 구동부(122)를 포함한다.

상기 아크 제어 장치(120)는 부하(114)와 전원(115) 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극(118) 및 이동 전극(117)을 포함하는 기계식 릴레이 스위치(116)에 병렬 연결되는 반도체 스위치(124), 및 상기 반도체 스위치(124)를 구동하는 반도체 스위치 구동부(122)를 포함한다.

상기 반도체 소자 구동부(122)는 상기 이동 전극(117)이 상기 고정 전극(118)에서 분리되어 있는 개방 상태에 상기 이동 전극(117)이 상기 고정 전극(118)에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치(124)를 구동시키어, 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117) 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어한다.

또는. 상기 반도체 소자 구동부(122)는 상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치(124)를 구동시키어, 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117) 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어한다.

상기 반도체 스위치 구동부(122)는 상기 기계식 릴레이 스위치(116)를 구동하는 상기 릴레이 스위치 구동부(112)의 출력 신호(S1/S2)를 입력받아 상기 반도체 스위치(124)를 제어하는 게이트 구동 신호(Vge)를 출력한다.

상기 기계식 릴레이 스위치(116)는 고정 전극(118), 이동 전극(117), 및 전자석부(119)를 포함할 수 있다. 상기 전자석부(119)는 상기 이동 전극(117)을 구동한다. 상기 전자석부(119)는 솔레노이드 코일 및 자성체를 포함할 수 있다.

상기 릴레이 스위치 구동부(112)는 상기 전자석부(119)를 구동하는 전자석 구동 신호(S1/S2)를 제공할 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)에 따라, 상기 전자석부(119)는 상기 이동 전극(117)을 이동시킨다.

제1 단자(121)는 상기 고정 전극(118), 상기 전원(115), 및 상기 반도체 소자부(124)의 일단에 연결된다. 제2 단자(123)는 상기 이동 전극(117), 상기 부하(114), 및 상기 반도체 소자부(124)의 타단에 연결된다. 이에 따라, 상기 반도체 소자부(124)는 상기 고정 전극(118) 및 상기 이동 전극(117)에 병렬로 연결되어 별도의 전류 경로를 제공할 수 있다.

상기 반도체 스위치(124)는 바이폴라 트랜지스터, 절연게이트바이폴라트랜지스터(IGBT), 또는 전계효과트랜지스터(FET)를 포함할 수 있다. 상기 반도체 스위치(124)는 상기 반도체 소자 구동부(124)로부터 게이트 구동 신호(Vge)를 제공받아 스위칭할 수 있다.

상기 반도체 스위치 구동부(122)는 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)를 입력받아 일정한 시간 지연을 가지고 상기 반도체 스위치(122)를 구동하는 게이트 구동신호(Vge)를 제공한다.

다이오드(126)는 상기 반도체 스위치(124)와 병렬 연결된다. 상기 다이오드(126)는 상기 반도체 스위치(124)가 닫힌 경우 상기 반도체 스위치(124)에 흐르는 전류와 반대 방향으로 전류를 흘릴 수 있다. 유도성 부하를 구동하는 경우, 전류 차단시 발생할 수 있는 역기전력에 의해 상기 반도체 스위치(124)의 파손은 상기 다이오드(126)에 의하여 방지될 수 있다.

상기 반도체 스위치 구동부(122)는 상기 반도체 스위치(124)의 양 단간의 전압 또는 상기 제1 단자(121)와 상기 제2 단자(123) 사이의 단자 전압(Vce)을 측정하여, 상기 단자 전압(Vce)을 이용하여 상기 게이트 구동 신호(Vge)를 생성할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 상기 아크 제어 장치에서 개방 상태에서 단락 상태로의 스위칭이 설명된다.

상기 반도체 스위치(124)의 동작 속도는 매우 빠르다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)는 로우 상태에서 하이 상태로 변경될 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)에 따라, 상기 전자석부(119)는 상기 이동 전극(117)을 이동시킬 수 있다. 상기 이동 전극(117)이 이동을 시작하는 시간은 제1 이동 시간(t_move1)이다.

하지만, 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)의 천이 시간과 상기 이동 전극(117)이 움직이는 시간 사이에 시간 지연(Tdelay)이 발생할 수 있다. 상기 반도체 스위치(124)가 없는 경우, 상기 이동 전극(117)이 상기 고정 전극(118)에 접근함에 따라, 아크 발생기각(t_spark)에서 아크가 발생할 수 있다. 상기 전자석 구동 신호(S1/S2)를 기준으로 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117) 사이에서 아크가 발생하기 시작한 시간 사이의 시간 간격은 T_spark이다. t_spark에서, 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117)의 이격 거리는 d_spark이다.

아크 발생시각(t_spark)에서 아크가 발생하지 않도록, 상기 반도체 스위치(124)가 켜진다. 상기 반도체 스위치(124)가 켜지는 시각은 실험 또는 이론에 의하여 결정될 수 있다. 상기 반도체 스위치(124)가 켜지는 시간은 t_spark보다 빠른 것이 완전한 아크 발생 방지를 위해 바람직하다. 상기 반도체 스위치(124)가 켜지는 시간은 상기 시간 지연(Tdelay)에 의존한다. 따라서, 상기 시간 지연(Tdelay)은 특정 릴레이에 대해 고정된 값을 가질 수 있다.

상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(1117)의 이격 거리가 d_spark인 경우, 상기 전원(115)과 상기 부하(114)는 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117)을 통한 전류 경로 이외에, 상기 반도체 스위치(124)에 의한 전류 경로가 형성된다. 상기 반도체 스위치(124)가 켜진 상태에서, 상기 제1 단자(121)와 상기 제2 단자(123) 사이에 단자 전압(Vce)은 반도체 스위치가 포화 상태로 도통하는 포화 전압(Vsat)이 된다. 상기 포화 전압(Vsat)은 약 1.5 내지 4 V이다. 따라서, 상기 반도체 스위치(124)가 켜진 상태에서, 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117) 사이에 아크는 발생하지 않는다.

통상적으로, 전자석 방식으로 구동되는 기계식 릴레이에서 아크가 발생하는 시각(t_spark)로부터 상기 이동 전극(117)이 상기 고정 전극(118)에 완전히 접촉하는 시각(t_{full _ contact})의 차이(t_{full _ contact} - t_spark)는 1 밀리초(ms) 이하이다. 따라서, 이 시간 동안, 상기 반도체 스위치(124)는 포화상태에서 동작하여도, 상기 반도체 스위치(124)에 의하여 발생한 열량의 총합은 작다.

한편, 큰 캐퍼시턴스를 갖는 부하를 구동하는 경우를 제외하고, 상기 차이(t_{full _ contact} - t_spark) 동안, 상기 이동 전극(117) 및 상기 고정 전극(118)의 열화는 무시될 수 있다. 따라서, 상기 기계식 릴레이 스위치(116)의 전기적 기계적 특성 편차를 고려하여, 상기 반도체 스위치(124)를 켜는 시점은 t_spark에 근접한 것이 바람직하다.

상기 이동 전극(117)이 상기 고정 전극(18)에 접촉하는 접촉 시각은 t_contact이다. 이어서, 상기 이동 전극(117)이 충격에 의하여 튕기면서 진동할 수 있다.

다시, 도 2b를 참조하면, 상기 이동 전극(117)과 상기 고정 전극(118)이 거리가 최대이고, 상기 반도체 스위치(124)가 닫혀 있는 경우가 설명된다. 상기 이동 전극(117)과 상기 고정 전극(118)이 단락 상태이고, 상기 반도체 스위치(124)가 닫혀 있는 경우, 상기 이동 전극(117)과 상기 고정 전극(118) 사이의 접촉 저항은 상기 반도체 스위치(124)의 내부 저항보다 작다. 따라서, 대부분의 전류는 상기 반도체 스위치(124)를 거치지 않고 상기 접촉 저항을 통해 흐른다.

예를 들어, 상기 접촉 저항이 1 mΩ이고, 상기 접촉 저항을 통해 흐르는 전류가 200 A 라면, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 단자 전압(Vce)는 0.2 V이다. 따라서, 전류는 닫혀있는 상기 반도체 스위치(124)를 통하여 거의 흐르지 않고, 상기 반도체 스위치(124)는 열을 거의 발생하지 않는다.

다시, 도 2b를 참조하면, 단락 상태에서 개방 상태로 이동하는 과정이 설명된다. 상기 이동 전극(117)이 움직이기 시작하는 시각은 t_move2이다. 상기 고정 전극(118)과 이동 전극(117)의 이격 거리(d)가 d_spark가 되는 시각은 t_open이다.

게이트 구동 신호(Vge)는 상기 t_move2 이후 어느 시점 t_high ( ≥ t_move2)부터 하이 상태를 유지하다가 상기 t_open 이후에 어느 시점 t_low (≥ t_open)부터 로우 상태로 된다. 이에 따라, 상기 반도체 스위치(124)는 상기 t_high 이후에 닫힌 상태를 유지하다가 상기 t_low 이후에 열린 상태로 변경된다.

상기 t_high 이후 닫힌 상태에서 전류는 상기 반도체 스위치(124)를 통하여 흐르고, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 단자 전압(Vce)은 상기 반도체 소자(124)의 포화전압(Vsat)이 되어 아크는 소멸된다.

이어서, 상기 t_low 이후에, 상기 반도체 스위치(124)는 열려있다. t_low 이후에는 상기 이동 전극(117)과 상기 고정 전극(118) 사이의 이격 거리는 d_spark 이상이 되어, 아크가 발생하는 조건을 충족하지 못한다. 상기 단자 전압(Vce)은 전원의 구동 전압(Vd)으로 증가할 수 있다.

상기 이동 전극(117)이 움직이기 시작하는 시간(t_move2) 이전에는 상기 제1 단자와 제2 단자 사이의 단자 전압(Vce)은 접촉저항과 상기 접촉 저항을 통해 흐르는 전류에 의하여 결정된다. 이어서, 상기 이동 전극(117)이 움직이기 시작하는 t_move2 이후이고 상기 반도체 스위치(124)가 켜지기 전인 t_high 이전에는 아크가 발생할 수 있다. 이동 전극(117)이 움직이기 시작하는 t_move2 이후이고 상기 반도체 스위치(124)가 켜지는 t_high 이후에는 상기 제1 단자와 제2 단자 사이의 단자 전압(Vce)이 상기 반도체 스위치(124)를 통하여 흐르는 전류가 급격히 증가할 수 있다. 이때, 상기 반도체 스위치(124)가 포화 상태로 동작하면, 상기 반도체 스위치(124)의 특성에 따라 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 단자 전압(Vce)은 포화전압(Vsat)이 된다. 상기 포화 전압(Vsat)은 1.5 내지 4 V일 수 있다. 따라서, t_high=t_move2로 정하면 아크 발생을 완전히 방지할 수 있다. 상기 반도체 스위치가 포화 상태로 동작하지 못할 정도로 많은 전류가 반도체 스위치에 흐르면, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 전압은 상기 포화 전압(Vsat) 보다 높게 상승할 수 있다. 이 경우, t_low 이전이라도 Vge를 조작하여 상기 반도체 스위치(124)를 꺼서 손상을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 t_low 이전에 상기 반도체 스위치(124)가 꺼지고 아크가 다시 생성되는 예상외의 경우 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 단자 전압(Vce)은 전원의 구동 전압(Vd)보다 낮게 된다. 이 경우 이어서 Vge를 조작하여 상기 반도체 스위치(124)를 켜고 상기 이동 전극(117)과 상기 고정 전극(118) 사이의 이격 거리가 증가하여 d_spark 가 되는 시각 t_open 보다 늦은 시각 t_low 이후에 상기 반도체 스위치(124)를 Rm는 것이 반도체 스위치 (124)의 손상을 방지하며 아크를 효과적으로 제거하는데 바람직하다.

상기 이동 전극(117)과 상기 고정 전극(118) 사이의 이격 거리가 증가하여 d_spark 가 되는 시각 t_open 보다 늦은 시각 t_low 이후에 상기 반도체 스위치(124)가 꺼진 상태에서 아크가 다시 생성되지 않은 통상의 경우 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 단자 전압(Vce)은 전원의 구동 전압(Vd)이 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 타이밍도를 설명하는 도면이다.

도 2a 및 도 2b에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 2a 및 도 3을 참조하면, 반도체 스위치(124)는 개방 상태에서 단락 상태로 이동하는 경우에 펄스 형태로 동작할 수 있다. 또한, 반도체 스위치(124)는 상기 단락 상태에서 상기 개방 상태로 이동하는 경우 펄스 형태로 동작할 수 있다.

상기 전자석 구동 신호(S1/S2)에 따라, 게이트 구동신호(Vge)가 하이 상태가 되는 시간 지연(Tdelay1, Tdelay2)은 실험 또는 이론에 의하여 일정한 값으로 정해질 수 있다. 또한, 게이트 구동신호(Vge)의 펄스 폭은 아크를 방지하기 위하여 적절히 선택될 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이밍도를 설명하는 도면이다.

도 1b, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 1b, 도 2a 및 도 4를 참조하면, 반도체 스위치(124)는 상기 단락 상태에서 상기 개방 상태로 이동하는 경우 펄스 동작할 수 있다.

기계식 릴레이 스위치(116)는 단락 상태 상태에서 이격 상태로 이동한다. 이때, 반도체 스위치 (124)가 동작하지 않는 상태에서 이동 전극(117)이 움직이기 시작하면, t_move2 이후부터 T_arc2 동안은 불꽃 방전이 유지된다. 고정 전극과 이동 전극의 이격 거리 d가 d_spark보다 충분히 커지는 경우에도, 상기 불꽃 방전에 의해 만들어진 하전 입자들이 존재한다. 따라서, 완전 개방되어 최대 이격 거리(dmax)에서도 국부적으로 절연내력이 낮은 지역이 존재하여 브러시 방전이 유지될 수 있다. 상기 브러시 방전을 제거하기 위하여, 상기 반도체 스위치(124)는 t_open 부터 소정의 시간 간격(T_close) 동안 상기 반도체 스위치(124)는 닫힌 상태를 유지한다. 이어서, 상기 반도체 스위치(124)는 열린다. 여기서 T_close가 아크가 소멸하는데 필요한 시간보다 크면 아크는 소멸되고 다시 생성되지 않는다.

상기 반도체 스위치(124)가 닫히면, 단자 전압(Vce)은 반도체 스위치(124)의 포화 전압(Vsat)까지 하강할 수 있다. 따라서, 상기 고정 전극(118)과 상기 이동 전극(117) 사이의 아크는 없어지고, 매질에 의한 절연 내력이 회복된다.

상기 반도체 스위치(124)가 다시 열리면, 아크는 다시 생성되지 않으므로, 상기 릴레이 스위치(116)는 전기적으로 개방 상태가 된다.

여기서 Tclose는 아크가 소멸되는 시간과 밀접한 관련이 있다. Tclose 동안은 상기 반도체 스위치(124)는 많은 전류를 흘린다. 따라서, 단위 시간당 많은 열이 발생한다. 하지만, Tclose가 통상적으로 20 마이크로초 정도로 매우 짧다. 따라서, 상기 반도체 스위치(124)의 발열 총량은 매우 작다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타이밍도를 설명하는 도면이다.

도 2b에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 2a 및 도 5를 참조하면, 반도체 스위치(124)는 개방 상태에서 단락 상태로 이동하는 경우에는 펄스 형태로 동작한다.

상기 단락 상태에서 상기 개방 상태로 이동하는 경우, 상기 반도체 스위치(124)는 펄스 형태로 동작할 수 있다. 다만, 반도체 스위치 구동부(122)는 제1 단자(121)와 제2 단자(122) 사이의 단자 전압(Vce)를 검출하고, 상기 단자 전압(Vce)이 문턱값(Vth)을 초과하는 시점부터 소정의 시간(t_high-t_move2, 도 5에서는 t_high-t_move2=0 인 경우를 도식하였음)이 경과한 후 반도체 스위치(124)를 켜고, t_open 이후 소정의 시간(t_low-t_open)이 지난 후 반도체 스위치(124)를 끄는 아크 제거 동작을 한다. 단, 상기 단자 전압(Vce)이 안전전압(Vsafe)을 초과하는 예외 상황이 일어나는 시점 t_except 부터 소정의 안전시간(t_open-t_move2) 동안 반도체 스위치(124)를 끄고, 반도체 스위치 (124)가 꺼진 상태에서 제1 단자(121)와 제2 단자(122) 사이의 단자 전압(Vce)의 값이 상기 단자 전압(Vce)이 문턱값(Vth)을 초과하고 전원 전압(Vd)보다 작은 경우 1회에 한해 상기 아크 제거 동작을 반복한다.

도 5는 상기 소정의 시간(t_high-t_move2)이 0이고 상기 예외 상황이 벌어지지 않은 경우를 설명한 것이다.

상기 안전전압(Vsafe)은 통상 5~9V 정도로 상기 반도체 스위치(124)가 과전류로 인해 손상됨을 방지하기 위함이고, 상기 안전 시간(t_open-t_move2)은 기계식 릴레이 스위치(116)의 측정 가능한 특성으로 상기 반도체 스위치(124)가 반복되는 과전류에 의한 과열로 손상됨을 방지하면서 효과적으로 아크를 제거하기 위함이다.

상기 반도체 스위치 구동부(122)는 상기 단자 전압(Vce)을 감지한다. 상기 문턱 전압은 전원의 전압, 부하의 임피던스, 이동 전극과 고정 전극 사이의 접촉 저항을 고려하여 선정된다.

예를 들어, 전원 전압 400V, 부하 저항 2Ω, 접촉 저항 1mΩ 인 경우, 상기 문턱 전압(Vth)는 0.5 V 내외로 선정될 수 있다.

상기 반도체 스위치 구동부(122)는 상기 단자 전압이 상기 문턱 전압을 초과하면, 소정의 폭을 가지는 게이트 구동 신호(Vge)를 출력한다. 상기 반도체 스위치(124)는 상기 게이트 구동 신호(Vge)를 입력받아 턴온시킨다. 이에 따라, 상기 반도체 스위치(124)를 통한 새로운 전류 경로가 생성되어 아크는 제거된다.

상기 단자 전압(Vce)이 상기 반도체 스위치(124)의 동작시의 포화 전압(Vsat)보다 충분히 높은 안전전압(Vsafe) 이상이면 과전류 상태를 의미한다. 따라서, 상기 반도체 스위치(124)의 파손을 방지하기 위해, 상기 반도체 스위치(124)를 즉시 끄고 아크가 한번 제거되면 다시 생성되지 않는 시점 이후에 다시 켜서 아크가 제거되기에 충분한 시간 동안 유지하다가 끄는 펄스 형태로 동작하는 것이 바람직하다. 상기 아크가 제거되기에 충분한 시간은 상기 반도체 스위치(124)에 흐를 수 있는 순간 전류에 의존하는데, 통상 수십 마이크로초 정도이다. 한편, 상기 반도체 스위치가 켜져 있는 시간은 아크를 제거하기에 충분히 길어야 하지만 상기 반도체 스위치(124)가 과열됨을 고려하면 되도록 짧아야 한다. 아크를 제거하기에 충분한 시간은 상기 반도체 스위치(124)에 흐를 수 있는 순간 전류에 의존하는데, 통상 수십 마이크로초 정도이다.

도 6은 상용 IBGT 스위치에서 이동 전극과 고정 전극의 접합과 반도체 스위치 케이스의 열저항을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 1ms의 펄스 폭을 가진 단일 펄스의 열저항은 DC 상태의 열저항에 비해 10배 이상 작다. 20 us의 펄스 폭을 단일 펄스의 열저항은 DC이 열저항에 비해 125배 작다.

반도체 스위치는 단일 펄스에 의해 온도가 상승한 후 냉각된다. 상기 반도체 스위치의 케이스 또는 패키지의 온도가 섭씨 125 도를 넘지 않으면, 방열판 없는 아크 제어 장치가 가능하다.

예로 들어, 상용 IBGT 반도체 스위치의 경우, 전류 300A에서 포화전압은 3V 정도이다. 또한, 펄스 폭이 1ms 및 20us인 경우, 상기 반도체 스위치의 케이스 온도 상승은 각각 섭씨 42도 및 섭씨 및 10도이다.

접합의 온도가 순간적으로 상승했다가 감소한다. 따라서, 상기 반도체 스위치의 펄스 폭이 1ms인 경우, 상기 반도체 스위치는 섭씨 80 도에서 동작하여도, 최고 섭씨 122도까지만 상승한다. 따라서, 상기 반도체 스위치는 상기 방열판이 필요 없다.

다시, 도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 반도체 스위치(124)의 펄스 폭은 1ms 이내가 바람직하고, 더 바람직하게는 상기 반도체 스위치(124)의 펄스 폭은 20 us 정도일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 아크 제어 방법은 부하와 전원 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 기계식 릴레이 스위치에 병렬 연결되는 반도체 스위치를 제공하는 단계, 상기 반도체 스위치를 구동하는 반도체 스위치 구동부를 제공하는 단계, 상기 기계식 릴레이 스위치의 아크 발생 조건을 추출하는 단계, 및 상기 아크 발생 조건에서 상기 반도체 스위치를 이용하여 별도의 전류 경로를 제공하여 아크를 제거하는 단계를 포함한다.

제1 전류 경로는 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에서 분리되어 있는 개방 상태에 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 형성한다.

제2 전류 경로는 상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 제2 전류 경로를 형성한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 릴레이
114: 부하
115: 전원
118: 고정 전극
117: 이동 전극
116: 기계식 릴레이 스위치
124: 반도체 스위치
112: 릴레이 스위치 구동부
122: 반도체 스위치 구동부

Claims (16)

1. 부하와 전원 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 기계식 릴레이 스위치에 병렬 연결되는 반도체 스위치; 및
   상기 반도체 스위치를 구동하는 반도체 스위치 구동부를 포함하고,
   상기 반도체 소자 구동부는:
   상기 이동 전극이 상기 고정 전극에서 분리되어 있는 개방 상태에 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어하거나,
   상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 스위치 구동부는 상기 기계식 릴레이 스위치를 구동하는 상기 릴레이 스위치 구동부의 출력 신호를 입력받아 상기 반도체 스위치를 제어하는 게이트 구동 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 소자 구동부는:
   상기 개방 상태에 상기 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 릴레이 스위치 구동부의 출력 신호를 입력받아 아크가 발생하는 소정의 아크 이격 거리에 도달하기 이전에 상기 반도체 스위치를 턴온시키고, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 소자 구동부는:
   상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 릴레이 스위치 구동부의 출력 신호를 입력받아 아크가 일단 소멸된 후 다시 발생할 수 없는 소정의 아크 이격 거리에 도달하는 오픈시점 이후에 상기 반도체 스위치를 턴오프시키고, 상기 오픈시점부터 적어도 아크제거에 필요한 시간 이전의 턴온시점부터 상기 반도체 스위치를 턴온상태를 유지하여, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 제공하여 아크 발생을 제어하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이의 전류 경로는:
   상기 개방 상태에 상기 단락 상태로 변하는 과정에서 아크가 발생하는 소정의 아크 발생 이격 거리에 도달하는 시점부터 상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서 아크가 발생하는 소정의 아크 소멸 이격 거리에 이르는 시점 이후 까지 지속되는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 고정 전극과 상기 이동 전극에 전류 경로는:
   상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 적어도 하나의 펄스 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 스위치와 병렬 연결된 다이오드를 더 포함하고,
   상기 다이오드는 상기 반도체 스위치가 닫힌 경우 상기 반도체 스위치에 흐르는 전류와 반대 방향으로 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 스위치 구동부는 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이의 단자 전압을 감지하고, 상기 단자 전압이 소정의 문턱 전압에 도달하는 경우 상기 반도체 스위치를 구동하는 게이트 구동 신호를 생성하고,
   상기 반도체 스위치는 상기 게이트 구동 신호를 제공받아 상기 이동 전극과 상기 접지 전극 사이에 전류 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 스위치 구동부는 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이의 단자 전압을 감지하고, 상기 반도체 스위치가 턴온 상태에서 상기 단자 전압이 소정의 안전 전압에 도달하는 경우 상기 반도체 스위치를 구동하는 게이트 구동 신호를 생성하고,
   상기 반도체 스위치는 상기 게이트 구동 신호를 제공받아 상기 이동 전극과 상기 접지 전극 사이에 전류 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치 구동부는 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이의 단자 전압을 감지하고, 상기 반도체 스위치가 턴오프 상태에서 상기 단자 전압이 소정의 전원 전압보다 작은 경우 상기 반도체 스위치를 구동하는 게이트 구동 신호를 생성하고,
    상기 반도체 스위치는 상기 게이트 구동 신호를 제공받아 상기 이동 전극과 상기 접지 전극 사이에 전류 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 장치.
11. 부하와 전원 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 기계식 릴레이 스위치;
    상기 기계식 릴레이 스위치에 병렬 연결되는 반도체 스위치;
    상기 기계식 릴레이 스위치를 구동하는 릴레이 스위치 구동부;및
    상기 릴레이 스위치 구동부의 출력 신호를 입력받아 상기 반도체 스위치를 구동하는 반도체 스위치 구동부를 포함하고,
    상기 반도체 소자 구동부는:
    상기 이동 전극이 상기 고정 전극에서 분리되어 있는 개방 상태에 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어하거나,
    상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 전류 경로를 형성하여 아크 발생을 제어하는 것을 특징으로 하는 릴레이.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치와 병렬 연결된 다이오드를 더 포함하고,
    상기 다이오드는 상기 반도체 스위치가 닫힌 경우 상기 반도체 스위치에 흐르는 전류와 반대 방향으로 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 릴레이.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치 구동부는 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이의 단자 전압을 감지하고, 상기 단자 전압이 소정의 안전 전압에 도달하는 경우 상기 반도체 스위치를 구동하는 게이트 구동 신호를 생성하고,
    상기 반도체 스위치는 상기 게이트 구동 신호를 제공받아 상기 이동 전극과 상기 접지 전극 사이에 전류 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 릴레이.
14. 제11 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치 구동부는 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이의 단자 전압을 감지하고, 상기 반도체 스위치가 턴오프 상태에서 상기 단자 전압이 소정의 전원 전압보다 작은 경우 상기 반도체 스위치를 구동하는 게이트 구동 신호를 생성하고,
    상기 반도체 스위치는 상기 게이트 구동 신호를 제공받아 상기 이동 전극과 상기 접지 전극 사이에 전류 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 릴레이.
15. 부하와 전원 사이에 배치되어 전력을 개폐하고 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 기계식 릴레이 스위치에 병렬 연결되는 반도체 스위치를 제공하는 단계;
    상기 반도체 스위치를 구동하는 반도체 스위치 구동부를 제공하는 단계;
    상기 기계식 릴레이 스위치의 아크 발생 조건을 추출하는 단계;및
    상기 아크 발생 조건에서 상기 반도체 스위치를 이용하여 별도의 전류 경로를 제공하여 아크를 제거하는 단계를 포함하는 아크 제어 방법.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 이동 전극이 상기 고정 전극에서 분리되어 있는 개방 상태에 상기 이동 전극이 상기 고정 전극에 접촉하는 단락 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 제1 전류 경로를 형성는 단계; 및
    상기 단락 상태에 상기 개방 상태로 변하는 과정에서, 상기 반도체 스위치를 구동시키어, 상기 고정 전극과 상기 이동 전극 사이에 제2 전류 경로를 형성하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 제어 방법.

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