KR20120091134A - 프리­휠링 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도성 부하(1)가 셧다운될 때 상기 유도성 부하(1)의 셧다운 과전압의 신속한 감소를 위한 프리-휠링 회로에 관한 것이다. 프리-휠링 회로는 스위칭 임계값 컴포넌트(11)를 포함하고, 상기 스위칭 임계값 컴포넌트(11)에 의해, 프리-휠링 회로는, 상기 스위칭 임계값 컴포넌트(11)가 없는 프리-휠링 회로와 비교하여 더욱 신속하게 액티브 되고, 이로써 셧다운 과전압의 더욱 신속한 감소가 보장된다. 제어 전압원(2)에 의해 제공된 제어 전압이 스위칭 임계값 컴포넌트(11)에 의해 셋팅된 임계값 전압 아래로 떨어진다면, 용량성 에너지 축전기는 즉시 방전되고 그리고 제어 전압이 거의 0으로 감소될 때에만 방전되지 않으며, 상기 에너지 축전기는 그 다음에, 거의 방전된 상태에 있을 때 셧다운 과전압을 감소시키기 위해 프리-휠링 회로를 활성화시킨다.

Description

프리­휠링 회로{FREE­WHEELING CIRCUIT}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 프리-휠링 회로에 관한 것이다.

DC 제어 또는 정류기(AC/DC)를 통한 제어를 이용하여 저-전압 스위칭 디바이스에서 동작되는 예컨대 라인 콘택터 스위치의 코일과 같은 유도성 부하들은, 상기 유도성 부하에 의해 이러한 경우에 유발되는 셧다운 과전압을 감소시키기 위해 상기 저-전압 스위칭 디바이스 내에 제공된 프리-휠링 회로에도 불구하고, 제어 공급 전압의 제거 이후에만 매우 느리게 드롭 아웃(drop out)된다. 최악의 경우, 결과는 2-단계 드롭 아웃으로서 지칭되는 것이다, 즉 예컨대, 유도성 부하를 이용하여 스위칭되는 메인 전류 경로 내에서 스위칭되는 콘택들이 어떠한 스프링 힘도 없이 짧은 기간 동안 서로 접촉되는 것이다. 그 다음에, 상기 콘택들은 쉽게 서로 용접될 수 있게 되거나 또는 전체적으로 짧은 전기적 수명만을 가질 수 있다.

유도성 부하가 전자적으로 활성화되더라도, 유도성 부하가 셧다운될 때 유도성 부하에 저장된 자기 에너지의 가장 신속한 가능한 감소를 보장하기 위하여, 프리-휠링 회로는 제어된 또는 자체-제어된 회로로서 설계되어야 한다.

일반적으로, 이러한 문제점이 프리-휠링 회로 내의 다이오드 또는 제너 다이오드를 통해 해결될 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 경우들에서 영구적으로 발생하는 높은 전력 손실들은 이러한 솔루션들로 인한 단점이다.

이러한 솔루션들에서의 하나의 변형은, 프리-휠링 회로를 제어된 방식으로 스위칭 온 하고 그리고 셧다운하는 것이다. 정상 동작시, 전력 손실들이 더 이상 영구적으로 발생하지 않도록 프리-휠링 회로가 셧다운된다. 이를 위해, 코일 활성화 전자장치(electronics)는 스위칭 임계값들을 평가하고, 그리고 상기 임계값들이 초과되는지 아니면 도달되는지의 여부에 따라, 프리-휠링 회로는 예컨대 옵토커플러(optocoupler)를 통해 스위칭 온 되거나 또는 셧다운된다.

대응하는 코일 활성화 전자장치들은 예컨대 문헌 DE 195 19 757 C2로부터 알려진다.

이러한 경우의 단점은, 유도성 부하에 대하여 제공된 제어 공급 전압이 셧다운되거나 또는 고장날 때, 존재하는 임의의 용량성 에너지 축전기가 각각의 경우에 방전되기 이전에, 그런 다음에 다시 한 번 거의 방전된 상태에서 프리-휠링 회로가 활성화되도록 유발하기 위해, 상기 전압이 각각의 경우에 항상 거의 완전히 제거되어야 한다는 것이다.

처음에 언급된 타입의 코일 활성화 전자장치로부터 시작하여, 본 발명의 목적은, 필요하다면 프리-휠링 회로가 더욱 빨리 활성화되는 방식으로 상기 전자장치를 기술적으로 향상시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 제1항의 특징적인 특성을 갖는 프리-휠링 회로에 의해 달성된다.

이 청구항에 따르면, 순수한 옴 저항기 및 스위칭 임계값 컴포넌트로 구성된 직렬 회로로서, 옴 저항 컴포넌트가 프리-휠링 회로의 제어 회로 내에 구현된다. 다시 말해: 스위칭 임계값을 생성하기 위한 전자식 컴포넌트가 프리-휠링 회로의 활성화 회로 내에 도입된다. 이러한 경우의 스위칭 임계값은 사용되는 전자식 컴포넌트의 구현의 선택 또는 타입에 의해 셋팅될 수 있다.

추가의 장점들은 아래와 같다: 짧은 OFF 지연이 있다; 2-단계 드롭 아웃이 없다; 콘택들의 용접이 방지된다; 따라서, 콘택들은 긴 전기적 수명을 갖는다; 컴포넌트들 내에서 절약들이 이루어질 수 있고, 전자식 코일 활성화가 필요하지 않다.

스위칭 임계값 컴포넌트를 사용하는 결과는, 제어 공급 전압이 스위칭 오프 되거나 또는 고장난다면, 용량성 에너지 축전기가 방전될 때까지 제어 공급 전압이 첫번째로 완전히 제거될 필요가 없다는 것이며, 그 결과 관련 프리-휠링 회로를 방전시키는 것은 그 다음에 액티브로 스위칭된다. 스위칭 임계값 셋팅에 따라, 용량성 에너지 저장소는 제어 공급 전압의 조기(early) 잔여 값에서, 즉 용량성 에너지 저장소가 셋팅된 스위칭 임계값 값 아래로 떨어질 때 방전되도록 이미 만들어지고, 이때, 결과적으로 프리-휠링 회로는 그 다음에 대응하게 일찍 액티브로 스위칭 된다. 따라서, 프리-휠링 회로는 더욱 빨리 활성화되고 그리고 그 다음에 유도성 부하를 통한 제어 공급 전압의 스위칭 오프 또는 고장에 의해 유발되는 셧다운 과전압이 더욱 빨리 감소된다.

본 발명의 유리한 실시예들은 종속항들의 청구 대상이다.

따라서, 스위칭 임계값 컴포넌트들은 예컨대, 미리결정된 제너 전압을 갖는 단순한 제너 다이오드에 의해, 제어 다이오드 활성화를 이용하는 사이리스터(thyristor), 또는 배리스터(varistor) 회로에 의해 구현될 수 있다. 이들 구현 옵션들 전부는, 스위칭 임계값의 단순한 선택에 의해 이용 가능한 상황에 적응시키는 것을 가능하게 한다.

본 프리-휠링 회로는 또한 더 우수한 특징들을 가질 수 있다. 용량성 에너지 축전기가 자신에 병렬로 연결된 제2 스위칭 트랜지스터 ― 상기 제2 스위칭 트랜지스터는, 상기 제2 스위칭 트랜지스터가 유도성 부하를 통한 셧다운 전압의 발생시 전도가 되도록 기능하고, 그리고 이를 통해, 이미 존재하는 제1 스위칭 트랜지스터가 안전하게 블록킹됨 ― 를 갖는다면, 결과는, 유도성 부하에 의해 유발되는 셧다운 과전압이 전압-종속적 저항기에 안전하게 존재하고 그리고 이로써 셧다운 과전압의 감소가 안전하게 야기될 수 있다는 것이다.

활성화 회로가 제3 옴 저항, 제2 제너 다이오드 및 제3 다이오드의 직렬 회로 ― 이때, 제2 제너 다이오드 및 제3 다이오드는 반대 극성들로 연결됨 ― 를 포함하는 방식으로, 제2 스위칭 트랜지스터의 이러한 활성화 회로의 구현은, 제2 스위칭 트랜지스터에 의한 제1 스위칭 트랜지스터의 안전한 블록킹을 보장한다.

본 발명의 예시적 실시예는 단일 도면을 갖는 도면을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 유도성 부하(1) ― 아래에서 코일로 또한 축약됨 ― 에 병렬로 연결된 프리-휠링 회로를 나타낸다.

이러한 병렬 회로는 플러스 극(3) 및 마이너스 극(4)을 갖는 제어 공급 전압원(2)에 연결된다. 프리-휠링 회로는 코일(1)에 직접적으로 병렬로 직렬 회로 라인을 포함하고, 상기 직렬 회로 라인은 제1 다이오드(5), 및 전압-종속적 저항기(7)가 병렬로 스위칭되는 제1 스위칭 트랜지스터(6)로 구성된다. 이러한 경우에, 스위칭 트랜지스터(6)의 드레인 단자(D)는 마이너스 극(4)에 연결된다. 스위칭 트랜지스터(6)의 소스 연결부(S)는 제1 다이오드(5)의 애노드에 연결되고, 차례로 상기 제1 다이오드(5)는 자신의 캐소드 연결부가 플러스 극에 연결된다. 플러스 극(3)은 제2 다이오드(8), 및 상기 플러스 극(3)에 병렬로 놓인 저항 컴포넌트(9)를 통해 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 게이트 단자(G)에 연결된다.

저항 컴포넌트(9)는, 제1 옴 저항기(10) 및 스위칭 임계값 컴포넌트(11)로 구성된 직렬 회로로서 구현된다.

제2 옴 저항기(12) 및 커패시터(13)로 구성된 병렬 회로(14)는, 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 소스 단자(S) 및 게이트 단자(G) 사이에 놓인다. 제1 제너 다이오드(15) 및 제2 스위칭 트랜지스터(16)는 병렬 회로(14)에 병렬로 놓이고, 상기 제2 스위칭 트랜지스터(16)는 자신의 에미터가 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 소스 연결부(S)에 놓이고 그리고 자신의 콜렉터가 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 게이트 연결부(G)에 놓인다.

제2 스위칭 트랜지스터(16)의 베이스는, 제3 옴 저항기(17), 제2 제너 다이오드(18) 및 제3 다이오드(19)로 구성된 직렬 회로를 통해 마이너스 극(4)으로 스위칭되고, 여기서 제3 다이오드(19)의 애노드 연결부는 상기 극에 존재하고 그리고 제3 다이오드(19) 및 제2 제너 다이오드(18)의 두 개의 캐소드 단자들은 서로 연결된다.

코일(1)은, 도시된 바와 같이 전자식 제어기(20)에 직렬로 연결될 수 있는 예컨대 보호 코일이다. 도면에서 점선들에 의해 표시된 바와 같이, 전자식 제어기(20)는 필요하다면 마이너스 극(4)을 클록킹한다.

제어 공급 전압원(2)은 DC 전압원이고, 상기 DC 전압원에 의해 코일(1)이 전압을 공급받는다. 동시에, 제2 다이오드(8) 및 옴 저항 컴포넌트(9)를 통해, 직렬로 놓이는, 제1 제너 다이오드(15), 제2 옴 저항기(12) 및 커패시터(13)의 병렬 회로에 제어 전압이 인가된다.

인가된 제어 전압을 통해, 제1 스위칭 트랜지스터(6)는 전도 상태로 스위칭 되고, 상기 전도 상태는 제어 공급 전압원(2)이 연결되어 있는 한 유지된다. 제어 공급 전압원(2)이 스위칭 오프 되거나 고장난다면, 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 활성화 전압은, 상기 활성화 전압이 제1 스위칭 트랜지스터(6)가 블록킹하는 값에 도달할 때까지, 병렬 회로(14)에 의해 미리결정된 시간 상수에 따라서만 매우 느리게 감소된다. 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 그 선형 동작 범위 내에서의 불안정한 스위칭 상태를 방지하기 위해, 프리-휠링 트랜지스터로서 동작하는 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 안전한 블록킹이 제2 스위칭 트랜지스터(16)에 의해 보장된다.

제3 옴 저항기(17), 제2 제너 다이오드(18) 및 제3 다이오드(19)로 구성된, 제2 스위칭 트랜지스터(16)의 다이오드 회로는, 제1 스위칭 트랜지스터(6)가 선형 범위 내에서 동작하고 있을 때 발생하는 상기 제1 스위칭 트랜지스터(6)에서의 과전압들의 발생시, 제2 스위칭 트랜지스터(16)를 안전하게 활성화시키기 위해 그리고 이로써 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 게이트-소스 경로를 안전하게 단락시키고 그리고 그에 따라 상기 트랜지스터를 안전하게 블록킹하기 위해 사용된다.

전압-종속적 저항기(7)는, 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 드레인-소스 경로를 보호하기 위한 역할을 담당한다. 전압-종속적 저항기(7)는, 제어 공급 전압원(2)이 스위칭 오프 될 때 코일(1)에 발생하는 셧다운 과전압들을 감소시키고, 그리고 제1 스위칭 트랜지스터(6)를 파괴로부터 보호한다.

제2 옴 저항기(12) 및 커패시터(13)의 변형들은, 코일(1) 내에 저장된 잔여 에너지가 대략(more or less) 빨리 감소될 수 있도록 하거나, 또는 보호 코일을 위해 사용될 때, 코일의 셧다운 지연 시간이 요구되는 대로 셋팅될 수 있도록 한다. 이는, 최대 셧다운 지연 시간 ― 상기 최대 셧다운 지연 시간 내에서, 상기 회로 없이, 콘택터가 드롭 아웃됨 ― 까지만 적용된다.

프리-휠링 다이오드로서 또한 지칭되는 제1 다이오드(5), 제1 스위칭 트랜지스터(6) 및 전압-종속적 저항기(7)의 디멘셔닝(dimensioning)을 통해, 회로는 상이한 전자기 드라이브들에 적응될 수 있다.

프리-휠링 회로는 또한 전자적으로 클록킹되는 코일 제어기(20)를 위해 사용될 수 있다.

앞서 알려진 회로 어레인지먼트들과 비교할 때, 본 명세서에 설명된 프리-휠링 회로는 상당히 더 단순한 방식으로 그리고 더 적은 컴포넌트들로 구성된다.

설명된 제1 스위칭 트랜지스터(6) 및 제2 스위칭 트랜지스터(16) 대신에, 다른 스위칭 트랜지스터 타입들이 또한 사용될 수 있다.

이러한 프리-휠링 회로의 장점은 자신의 자체-제어된 효과에 있다. 따라서, 상기 장점은, 코일(1)에서의 셧다운 과전압들의 발생시, 프리-휠링 트랜지스터, 즉 제1 스위칭 트랜지스터(6)가 안전하게 블록킹되고 그리고 이로써 전류 흐름이 전압-종속적 저항기(7)에서 정류(commute)되는 것에 기초한다.

도면에서 미리결정된 전압을 갖는, 블록킹 방향으로 극화되는 제너 다이오드(11)에 의해 구현되는 스위칭 임계값 컴포넌트(11)는, 병렬 회로(14)에 대하여 스위칭 임계값 기능을 갖는다. 제어 전압원(2)에 의해 이용 가능하게 된 제어 전압이 제너 다이오드(11)의 제너 전압보다 더 크다면, 병렬 회로(14)에 의해 형성된 용량성 에너지 축전기가 충전되고 그리고 제1 스위칭 트랜지스터(6)가 전도 상태로 스위칭된다.

제어 전압원(2)에 의해 이용 가능하게 된 제어 전압이 스위칭 오프 된다면 또는 상기 제어 전압이 적어도 제너 다이오드(11)의 제너 전압 아래로 폭락(collapse)한다면, 제너 다이오드(11)는 전압이 상기 전압 아래로 떨어지게 되는 시간으로부터 블록킹되고 그리고 그 시간부터 그곳에서 병렬 회로(14)에 의해 형성된 용량성 에너지 축전기를 통해 더 이상 충전하지 않으나, 상기 시간부터 방전이 있다. 따라서, 제어 전압이 거의 0으로 떨어질 때까지, 그러나 셋팅된 스위칭 임계값이 언더슛(undershot)될 때에만, 용량성 에너지 축전기는 방전되지 않는다. 따라서, 제1 스위칭 트랜지스터(6)는 블록킹 상태로 더욱 빨리 스위칭되고 그리고 그에 따라 차례로, 프리-휠링 회로는 코일(1)에 의해 유발된 셧다운 과전압을 감소시키기 위해 더욱 빨리 활성화된다.

따라서 연결되고 스위칭되는 스위칭 임계값 컴포넌트(11)를 형성하는 제너 다이오드(11)는, 제너 다이오드 활성화를 이용하는 사이리스터의 형태로 또는 배리스터 회로의 형태로 또한 구현될 수 있다.

Claims (4)

1. 유도성 부하가 셧다운될 때 상기 유도성 부하에 의해 유발되는 셧다운 과전압들을 감소시키기 위한, 상기 유도성 부하를 위한 프리-휠링 회로로서,
   a) 상기 프리-휠링 회로는, 제1 다이오드(5) 및 전압-종속적 저항기(7)로 구성된 직렬 회로 ― 상기 직렬 회로는 코일(1)에 병렬로 놓임 ― 를 포함하고,
   b) 제1 스위칭 트랜지스터(6)가 상기 전압-종속적 저항기(7)에 병렬로 연결되고,
   c) 상기 제1 스위칭 트랜지스터(6)를 활성화시키기 위해, 제2 옴 저항기(12) 및 커패시터(13)로 구성된 병렬 회로가 상기 제1 스위칭 트랜지스터(6)의 제어 입력부(G)에 놓이고, 그리고
   d) 동시에, 상기 병렬 회로(14)는 제2 다이오드(8) 및 옴 저항 컴포넌트(9)로 구성된 직렬 회로를 통해 제어 공급 전압원(2)에 놓이고,
   상기 옴 저항 컴포넌트(9)는, 제1 옴 저항기(10) 및 스위칭 임계값 컴포넌트(11)로 구성된 직렬 회로로서 구현되는,
   유도성 부하를 위한 프리-휠링 회로.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위칭 임계값 컴포넌트(11)는 제너 다이오드, 제너 다이오드 활성화를 이용하는 사이리스터(thyristor), 또는 배리스터(varistor) 회로에 의해 구현되는,
   유도성 부하를 위한 프리-휠링 회로.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 병렬 회로(14)는 제2 스위칭 트랜지스터(16)에 병렬로 연결되고, 상기 유도성 부하(1)에서의 셧다운 과전압의 발생시, 제2 스위칭 트랜지스터(16)가 전도되고 그리고 이로써 상기 제1 스위칭 트랜지스터(6)가 블록킹되는,
   유도성 부하를 위한 프리-휠링 회로.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제2 스위칭 트랜지스터(16)의 활성화 회로는, 제3 옴 저항기(17), 제2 제너 다이오드(18) 및 제3 다이오드(19)로 구성된 직렬 회로를 포함하고, 상기 제2 제너 다이오드(18) 및 상기 제3 다이오드(19)는 반대 극성들로 연결되는,
   유도성 부하를 위한 프리-휠링 회로.

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