KR20120031125A - 고전류 펄스 전원을 위한 단락 제어 - Google Patents

고전류 펄스 전원을 위한 단락 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전원 회로 장치 및 이것을 제어하는 방법은 전력 채널을 거쳐 부하에 접속되는 다수의 전원 및 제어기를 포함한다. 제어기는 측정된 부하 입력 전류에 기초하여 전원 내의 단락을 검출한다.

Description

고전류 펄스 전원을 위한 단락 제어 {SHORT CIRCUIT CONTROL FOR HIGH CURRENT PULSE POWER SUPPLY}
본 발명은 고전류 펄스 전원용 단락 제어에 관한 것이다.
주전원으로서 배터리 또는 기타 저장식 전력 장치를 사용하는 응용예들에는, 전원에 단락 고장이 있는지 판단하기 위해 일반적으로 단락 검출이 포함된다. 단락이 검출될 때, 단락 검출 회로는 전원을 부하로부터 분리하여, 부하가 부하 작동을 방해할 수 있는 과도한 고장 전류에 봉착하는 것을 방지할 수 있다. 추가적으로, 주전원이 단락 고장으로 인해 부하로부터 분리될 때, 계속해서 부하에 전력을 제공하기 위해 백업 전원이 포함되기도 한다. 백업 전원을 사용하는 시스템은 또한 접속된 백업 전원에서 단락을 검출하기 위한 검출 회로를 또한 포함한다. 추가적인 검출 회로의 포함은 이들 시스템의 구성에 무게와 비용을 부가한다.
하나의 표준적인 단락 검출 방법은 전원의 출력 전류가 전류 임계치를 초과한 때를 검출하기 위해 제어기와 조합된 전류 센서를 사용한다. 출력 전류가 전류 임계치를 초과할 때, 제어기는 단락이 존재한다고 판단하고 전원을 분리시킨다. 임계치는 표준적인 작동을 위해 사용되는 전류보다 높은 예상 단락 전류로 설정된다.
본원에는 고전류 펄스 전원을 제어하기 위한 방법이 개시된다. 부하 전류를 검출하기 위한 방법은 전류 센서를 사용하고, 부하 전류가 초과 전류 지속시간 임계치보다 큰 지속시간 동안 전류 크기 임계치를 초과할 때 전원을 부하로부터 분리시킨다.
본원에는 또한 스위치 드라이버에 전기적으로 커플링된 제어기를 갖는 전원 회로가 개시된다. 전원 회로는 또한 복수의 전력 채널을 가지며, 각각의 전력 채널은 다수의 전원 중 하나를 부하 전력 입력부에 접속시키고, 각각의 전력 채널은 스위치 드라이버에 전기적으로 커플링된다. 전원 회로는 또한 부하 전력 입력부 및 제어기에 접속된 전류 센서를 갖는다. 전류 센서는 부하 입력 전류를 검출하고 부하 입력 전류를 제어기에 통신할 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 다음의 상세한 설명 및 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있으며, 아래에서는 도면에 대해 간략히 설명된다.
도 1은 주전원 및 백업 전원을 갖는 전기 시스템을 위한 전원 회로 및 단락 검출 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 고전류 펄스 전원 시스템에서 단락을 검출하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
일부 전기 시스템은 매우 큰 전류 펄스를 사용하여 작동한다. 그러한 시스템에서는, 예상 단락 전류가 이 큰 전류 펄스의 크기보다 낮을 수 있다. 원하는 전류가 예상 단락 전류를 초과하는 펄스 크기를 가질 때, 공지된 단락 검출 회로는 잘못된 단락 검출을 야기할 수 있다.
도 1은 고전류 펄스 전원 회로(100)를 개략적으로 도시한다. 전원 회로(100)는 주전원(110) 및 보조(백업) 전원(120)을 포함한다. 각각의 전원(110, 120)은 대응 스위칭 회로(130)에 접속되는 출력 전력 라인(112, 122)을 가지며, 임의의 공지된 유형의 전원일 수 있다. 일례에서, 각각의 전원(110, 120)은 하나 이상의 배터리이다. 출력 전력 라인(112, 122)과 스위칭 회로(130)의 조합은 전력 채널(116, 126)로 지칭된다. 각각의 스위칭 회로(130)는 대응 출력 전력 라인(112, 122)을 부하(140)에 전력을 제공하는 부하 전력 입력부(142)에 접속시킬 수 있다. 스위칭 회로(130)는 스위치 드라이버(150)에 의해 제어되며, 이것은 마이크로제어기(160)[대안적으로 제어기(160)로 지칭됨)]에 의해 제어된다. 전류 센서(170)는 부하 전력 입력부(142) 상에서 부하(140)에 유입되는 전류를 모니터링하고, 제어 신호(172)를 마이크로제어기(160)에 제공함으로써, 부하(140)로 유입되는 전류 크기를 마이크로제어기(160)에 제공한다. 각각의 전원(110, 120)은 또한 마이크로제어기(160)로의 제어 접속부(114, 124)를 포함한다. 제어 접속부(114, 124)는 제어기(160)가 잔류 전력과 같은 전원 통계를 검출하는 것을 허용한다. 제어기(160)는 또한 전원(110, 120)으로부터의 전력 출력을 제어할 수 있다.
표준적인 작동시에, 각각의 전원(110, 120)은 전력 채널(116, 126)을 거쳐 부하(140)에 접속된다. 각각의 전력 채널(116, 126) 내의 스위칭 장치(130)는 출력 전력 라인(112, 122)을 차단할 수 있도록 구성된다. 각각의 전원(110, 120)은 대응 전력 채널(116, 126)에 의해 부하 전력 입력부(142)에 접속됨으로써, 제어기(160)가 단락 고장을 가진 임의의 전원(110, 120)을 분리하는 것을 허용한다.
부하(140)가 정상 작동을 위해 주기적인 고전류 부하 스파이크(spike)를 요구할 때, 표준적인 단락 검출 기술은 각각의 전류 스파이크 시에 부정확하게 기동(trip)될 것이고, 따라서 부적절하다. 대신, 도 1에 도시된 제어기(160)는 단락이 존재하는 때를 판단하기 위해 전류 센서(170) 및 한 쌍의 전류 임계치를 활용한다. 예를 들어, 전류 센서(170)는 홀 이펙트(Hall Effect) 센서일 수 있다.
전류 센서(170)는 부하 전력 입력부(142)에서 전류 크기를 검출하고, 전류가 전류 크기 임계치를 초과하는지를 판단한다. 전류 크기 임계치는 예상 단락 출력 전류로 설정되고, 예상 단락 출력 전류가 초과될 때마다 기동된다. 전류 크기 임계치가 초과되면, 제어기(160)는 얼마나 오랫동안 전류 임계치가 초과되었는지를 판단하고, 전류 크기 임계치가 초과된 지속시간을 초과 전류 지속시간 임계치와 비교한다. 제어기(160)는 전류 크기 임계치와 지속시간 임계치가 초과되었을 때 단락 고장이 존재하는 것으로 판단한다. 이러한 방식으로, 제어기(160)는 전원(110, 120)의 예상 단락 전류를 초과하는 바람직한 고전류 부하 스파이크와 전원(110, 120) 또는 부하(140) 내의 단락으로 인해 발생된 지속적인 고장 전류를 구별할 수 있다.
전류 센서(170)를 부하 입력부에 배치함으로써, 제어기(160)는 어떤 전원(110, 120)이 현재 부하(140)에 전력을 제공하느냐에 관계없이 진행중인 부하 전류를 검출한다. 이러한 구성은 소정 시간에 부하(140)에 전력을 공급하는데 하나의 전원이 사용되는 임의의 시스템에서 단일 전류 센서(170)를 사용하여 모든 전원(110, 120)을 제어할 수 있게 한다. 대안적으로, 전류 센서(170)는 각각의 전류 센서(170)를 위한 전용 제어기 입력부를 갖는 제어기(160)와 함께 각각의 전원 출력부(112, 122)에 배치될 수 있다.
도 1의 예에서, 제어기(160)는 도 2와 관련하여 후술되는 방법을 수행하기 위한 명령들을 저장할 수 있는 컴퓨터 판독 가능한 매체를 갖는 프로그래밍 가능한마이크로제어기이다. 프로그래밍 가능한 마이크로제어기(160)는 접속된 부하(140)의 전력 수요에 기초하여 사용자가 전류 및 지속시간 임계치를 수정하는 것을 허용한다. 프로그래밍 가능한 제어기는 전원(110, 120)이 대체 전원으로 교체되거나 또는 원하는 부하 전력 프로파일이 변경되는 경우에 동일한 제어 구성이 사용되는 것을 허용한다. 예를 들어, 최초 부하가 고전류이며 극히 짧은 펄스의 프로파일을 요구하는 경우에, 제어기(160)는 높은 전류 크기 임계치 및 극히 낮은 지속시간 임계치를 갖도록 프로그래밍된다. 대안적으로, 부하가 높은 전류이며 중간 길이인 펄스를 갖는 프로파일을 요구하는 경우에, 제어기(160)는 높은 전류 임계치 및 중간 길이 지속시간 임계치를 갖도록 프로그래밍된다.
도 1에 도시된 스위칭 기구(130)는 접속된 전원(110, 120)을 전기적으로 분리할 수 있는 임의의 공지된 스위칭 장치일 수 있다. 예시적인 스위칭 장치(130)는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)/듀얼다이오드 어레이 스위치를 형성하도록 공지된 원리에 따라 구성된 MOSFET 및 다이오드의 어레이이다. MOSFET/듀얼다이오드 어레이는 높거나 낮은 스위치 게이트 드라이버(150)로부터 제어 입력을 수용한다. 높은 입력은 어레이를 "온(ON)" 모드로 위치시키고, 전원 출력부(112, 122)와 입력 부하 전력(142) 사이에 접속을 제공한다. 낮은 입력은 어레이를 "오프(off)" 상태로 위치시켜서 전원 출력부(112, 122)를 입력 부하 전력(142)으로부터 분리시킨다. 추가의 스위치(130)를 부가함으로써 추가적인 주전원 또는 백업 전원이 고전류 펄스 전원 회로(100)에 추가될 수 있고, 각각의 스위치(130)는 하나의 추가적인 주전원 또는 백업 전원의 접속을 제어한다. 또한, 다른 유형의 스위칭 장치가 유사한 제어 구성을 사용하여 작동될 수 있고, 이것은 본원의 개시 내용에 포함된다는 것이 추가로 이해된다.
도 2는 도 1의 단락 검출 및 보호 구성의 작동을 위한 방법(200)을 개략적으로 도시한다. 첫 번째로, 이 방법(200)은 "부하에 전력을 제공"하는 단계(210)에서 주전원(110)으로부터 부하(140)에 전력을 제공한다. "입력 부하 전류를 검출"하는 단계(220)에서 전류 센서(170)는 입력 부하 전류를 측정하고, 측정된 전류를 제어기(160)에 보고한다. 그 후 제어기(160)는 "입력 전류가 임계치를 초과하는가"를 판단하는 단계(230)에서 입력 부하 전류가 미리 정한 전류 크기 임계치를 초과하는지를 판단한다. 전류 크기 임계치가 초과되지 않으면, "전력을 부하에 제공"하는 단계(210)에서 방법을 재개한다.
전류 크기 임계치가 초과되면, 제어기(160)는 "지속시간 카운터를 시동"하는 단계(240)에서 지속시간 카운터를 시동한다. 지속시간 카운터는 입력 부하 전류가 얼마나 오랫동안 전류 크기 임계치를 초과하는지를 판단하는 소프트웨어 카운터일 수 있다. 제어기(160)는 "지속시간 임계치를 초과하는가"를 판단하는 단계(250)에서 지속시간이 초과 전류 지속시간 임계치를 초과하는지를 보기 위해 점검한다. 초과 전류 지속시간 임계치가 초과되지 않으면, 제어기(160)는 "전류 크기 임계치가 더 이상 초과되지 않는가"를 판단하는 단계(260)에서 전류 임계치가 여전히 초과되지는지를 판단한다. 전류 크기 임계치가 더 이상 초과되지 않으면, "부하에 전력을 제공"하는 단계(210)에서 제어기(160)는 방법을 재개한다. 전류 크기 임계치가 일시적으로 초과되었지만 초과 전류 지속시간 임계치는 초과되지 않은 조건은 바람직한 고전류 펄스가 존재하고 단락 고장이 존재하지 않음을 나타낸다.
전류 크기 임계치가 여전히 초과되면, 제어기(160)는 계속해서 초과 전류의 지속시간을 판단하고, "지속시간이 초과 전류 지속시간 임계치를 초과하는가"를 판단하는 단계(250)로 복귀한다. "지속시간이 초과 전류 지속시간 임계치를 초과하는가"를 판단하는 단계(250)가 초과 전류의 지속시간이 초과 전류 지속시간 임계치를 초과하였다고 판단하면, 제어기(160)는 "단락 고장이 존재하는지 판단"하는 단계(270)에서 전원(110) 내에 단락 고장이 존재하는 것으로 판단한다.
단락 고장이 검출되면, 제어기(160)는 "접속된 전원을 분리"하는 단계(280)에서 도 1과 관련하여 상술한 과정을 사용하여 주전원(110)을 분리하고 백업 전원(120)을 입력 부하 전력(142)에 접속시킨다. 그 후 제어기(160)는 "백업 전원을 접속"하는 단계(290)에서 백업 전원(120)을 부하(140)에 접속시킨다. 대안적으로, 단락 고장이 검출될 때 백업 전원(120)이 현재 접속되어 있다면, 제어기(160)는 주전원(110)으로 스위칭될 수 있거나 또는 전원(110, 120)을 부하(140)로부터 완전히 분리할 수 있다.
당업자는 주전원 및 백업 전원을 넘어서 다수의 전원을 갖는 단일 부하를 수용하기 위해 상술한 방법을 재구성할 수 있다는 것이 이해된다.
예들이 개시되어 있지만, 당업자는 이러한 본원의 범위에 특정한 수정이 포함된다는 것을 인식할 것이다. 이 때문에, 본원의 진정한 범위 및 내용을 판단하기 위해서는 다음의 청구범위가 고찰되어야 한다.

Claims (17)

  1. 고전류 펄스 전원을 제어하기 위한 방법이며,
    전류 센서를 사용하여 부하 전류를 검출하는 단계와,
    상기 부하 전류가 초과 전류 지속시간 임계치보다 큰 지속시간 동안 전류 크기 임계치를 초과할 때 전원을 부하로부터 분리시키는 단계를 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전원을 상기 부하로부터 분리시키는 상기 단계는 제1 스위칭 구성요소를 "오프" 상태로 설정하여, 주전원을 부하 전력 입력부로부터 분리시키는 단계를 더 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전원을 상기 부하로부터 분리시키는 상기 단계는 제2 스위칭 구성요소를 "온" 상태로 설정하여, 백업 전원을 상기 부하 전력 입력부에 접속시키는 단계를 더 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 백업 전원을 상기 부하 전력 입력부에 접속시키는 상기 단계는 상기 주전원을 상기 부하 전력 입력부로부터 분리시키는 상기 단계 이후에 수행되어, 다수의 전원이 부하에 동시에 접속되는 것을 방지하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부하 전류를 검출하는 상기 단계는 홀 이펙트(Hall Effect) 전류 센서를 사용하여 부하 전력 입력 라인 상에서 부하 전류를 검지하는 단계를 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 부하 전류가 초과 전류 지속시간 임계치보다 큰 지속시간 동안 상기 전류 크기 임계치를 초과할 때 상기 전원을 상기 부하로부터 분리시키는 상기 단계는 상기 전류 크기가 상기 전류 크기 임계치를 초과할 때 지속시간 카운터를 시동하는 제어기를 더 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부하 전류가 상기 초과 전류 지속시간 임계치보다 큰 지속시간 동안 상기 전류 크기 임계치를 초과할 때 상기 전원을 상기 부하로부터 분리시키는 상기 단계는 상기 지속시간 카운터의 지속시간을 상기 초과 전류 지속시간 임계치와 비교하여, 상기 부하 전류가 초과 전류 지속시간보다 큰 상기 지속시간 동안 전류 크기 임계치를 초과하였을 때를 판단하는 단계를 더 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 지속시간 카운터는 제어기 소프트웨어 모듈을 포함하는
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전류 크기 임계치는 예상 단락 고장 전류와 대략 같거나 그보다 큰
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 초과 전류 지속시간 임계치는 적어도 원하는 전류 펄스 지속시간인
    고전류 펄스 전원 제어 방법.
  11. 스위치 드라이버에 전기적으로 커플링된 제어기와,
    복수의 전원 중 하나를 부하 전력 입력부에 각각 접속시키고 상기 스위치 드라이버에 커플링되는 복수의 전력 채널과,
    상기 부하 전력 입력부 및 상기 제어기에 접속되어, 부하 입력 전류를 검출하고 상기 부하 입력 전류를 상기 제어기에 통신할 수 있는 전류 센서를 포함하는
    전원 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 각각의 전력 채널은 전원 출력 전력 라인 및 상기 전원 출력 전력 라인을 차단할 수 있는 전력 스위치를 포함하는
    전원 회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 각각의 전력 스위치는 금속-산화물-반도체 전계-효과 트랜지스터(MOSFET)/듀얼다이오드 어레이를 포함하는
    전원 회로.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 프로그래밍 가능한 마이크로제어기인
    전원 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 프로그래밍 가능한 마이크로제어기는 제어기가 제어 센서를 사용하여 부하 전류를 검출하고 부하 전류가 초과 전류 지속시간 임계치보다 큰 지속시간 동안 전류 크기 임계치를 초과할 때 전원을 부하로부터 분리시키는 단계를 수행하도록 하기 위한 명령을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 매체를 더 포함하는
    전원 회로.
  16. 제14항에 있어서, 상기 프로그래밍 가능한 마이크로제어기는 소프트웨어 지속시간 카운터를 더 포함하는
    전원 회로.
  17. 제11항에 있어서, 상기 각각의 전원은 제어 접속부를 거쳐 상기 제어기에 전기적으로 커플링되어, 상기 제어기가 상기 각각의 전원을 제어하는 것을 허용하는
    전원 회로.
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