KR20130009969A

KR20130009969A - 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치

Info

Publication number: KR20130009969A
Application number: KR1020127024100A
Authority: KR
Inventors: 라인하르트 포겔; 미햐엘 뫼르쉬
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2013-01-24
Also published as: ES2595382T3; EP2537219A1; DE102010001924B4; KR101864184B1; AU2011214562B2; BR112012020480A2; DE102010001924A1; EP2537219B1; AU2011214562A1; WO2011098359A1

Abstract

본 발명에 따른 서지전압 제한 장치(10)는 배리스터(11)를 포함하며, 배리스터는 바람직하게는 전자식의 스위치(13)와, 전압 제한 특성, 바람직하게는 제너 다이오드 특성을 갖는 하나의 전자 소자(14), 또는 전압 제한 특성, 바람직하게는 각각 제너 다이오드 특성을 갖는 직렬 접속된 복수의 전자 소자(14)로 구성된 병렬 회로(12)와 직렬 접속되어 있다. 그러므로 구동 전류가 높은 경우 그리고 전압 시스템(1)의 최대 허용 전압과 정상적인 작동 전압 사이의 차가 비교적 작은 경우 비교적 많은 양의 에너지가 제거하므로, 소비 장치, 특히 전압 민감성 소비 장치, 예를 들어 전력 변환 장치 회로의 보호를 보장할 수 있다.

Description

직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치{SURGE-LIMITING DEVICE FOR DIRECT CURRENT NETWORKS}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치에 관한 것이다.

직류 전압-(DC)-시스템에서 에너지 저장을 위해, 바람직하게는 배터리 또는 어큐뮬레이터(이하 간단히 "배터리"라 함)가 이용된다. 그와 같은 종류의 배터리를 보호하기 위해 그리고 개별 소비 장치를 보호하기 위해 단락의 선택적 클리어링(clearing)을 가능케 하는 보호 장치가 이용된다. 이를 달성하기 위해, 한편으로 배터리 자체에 보호 기관들이 할당되는데, 상기 보호 기관은 단락의 경우 지연 반응하는, 즉 과전류 검출 기능 및 예를 들어 100ms를 초과하는 지연 시간을 가지는 지연 작동하는 전기 기계식 파워 스위치이다. 그에 비해 개별 소비 장치에 할당된 보호 기관은 지연 없이 작동하거나 적어도 훨씬 더 짧은 지연을 가지는, 예를 들어 약 30ms의 총 트리거 시간을 가지는 지연 없는 전기 기계식 파워 스위치이거나 단락 전류에 의존적인, 1...40ms 미만의 트리거 시간을 갖는 퓨즈이므로, 단락 클리어링의 선택성이 달성될 수 있다.

고출력 배터리에서 에너지 저장이 이루어지는, 예를 들어 잠수함에서 이용되는 고에너지-직류 전압 시스템에서, 단락 발생시 유효 시상수를 따라서 전류가 상승하지만, 시상수가 작으므로, 예를 들어 1...3ms 미만이므로, 지연 없는 보호 기관을 이용하여도 단락 전류는 정적 단락 전류의 값에 거의 또는 완전히 도달한다. 게다가 배터리, 파워 케이블, 디스트리뷰터 레일 등의 내부 옴 저항이 매우 작기 때문에 배터리에 의해 구동되는 단락 전류가 매우 커서 수 10kA가 될 수 있다.

소비 장치 출력에서 단락 발생시 지연 없는 소비 장치-보호 기관은 큰 전류의 경우 차단되고 해당 소비 장치 출력에서 과전류로 인한 추가적 손상을 억제한다.

그러나 에너지 저장 장치 또는 전압원으로부터 공급되는 단락 전류는 배터리, 케이블 구간 등의 기생 인덕턴스에 저장된 에너지 때문에 에너지가 제거될 때까지 또는 예를 들어 용량성 에너지 저장 장치로 옮겨질 때까지 계속해서 흐른다. 이때 기생 인덕턴스에 저장된 에너지는 개방되는 접점들의 전기 아크에서 또는 소비 장치-보호 기관의 가융 도체(fusible conductor)에서 단지 일부만 제거된다. 전기 아크에서 제거되지 않은 단락 전류 에너지는 이제 시스템에 의해 시스템에 연결된 다른 소비 장치로 흘러가 소비 장치에서 현저한 서지전압을 야기할 수 있으므로, 특히 전압 민감성 소비 장치들이 손상될 수 있다. 그러한 전압 민감성 소비 장치들은 특히 전력 변환 장치 및 직류 측에서 전해 커패시터들을 갖는 조정 장치이지만, 이들은 일반적으로 비용상의 이유, 공간상의 이유 및 가용성의 이유로 현저한 서지전압에 대비한 크기를 가질 수 없다. 종종 그와 같은 전력 변환 장치의 경우 서지전압을 포함한 최대 허용 전압값은 에러 없는 온보드 전원 공급 시스템에서의 최대 허용 전압값 위의 약 33%이다. 그러므로 발생 서지전압을 효과적이고 신속하게 그리고 협소한 오차 범위로 제한하려는 요구 사항들이 커지고 있다.

WO 2006/003191 A1호에 이미 공지된 바에 따르면, 너무 높은 시스템 전압이 발생하는 경우 전압 검출 회로가 IGBT를 제어하고 다시 IGBT는 옴 저항에 의해 전원 공급 시스템으로부터 에너지를 제거함으로써, DC-온보드 전원 공급 시스템에서 소비 장치의 에너지 회복을 통해, 예를 들어 온보드 전원 공급 시스템의 부하가 너무 작은 경우 DC-전동기 또는 DC-발전기의 에너지 회복을 통해 야기되는 서지전압을 제한한다.

예를 들어 오늘날 시스템 측 다이오드 인젝션을 가지는, 실제로 모든 펄스 컨버터에서 일반적인 바와 같은 소위 "제동 쵸퍼"가 동일한 기능 원리에 따라 작동하는데, 제동 에너지가 전기 기계로부터 시스템으로 회복되지 않고 오히려 DC-중간 회로에서 거기에 배치된, 필요시 스위칭온되는 옴 저항에서 열로 변환되기 때문이다.

이와 같은 장치는, 전기 기계의 에너지 회복의 경우에 나타나는 바와 같이 비교적 오랫동안 지속하지만 전류값으로부터 수백 암페어로 제한되는 에너지 회복으로부터 초래되는 서지전압의 경우들에 특히 적합하다. 그러나 수 10kA 범위의 큰 구동 전류로부터 초래되는, 수 ms 범위에서 짧게 지속하는 서지전압 펄스의 에너지 제거를 위해, 차단 가능한 파워 반도체 스위치 IGBT 또는 IGCT의 전류 용량 제한 때문에 복수의 그와 같은 회로들이 병렬 접속될 수밖에 없었고, 이는 큰 기술적 비용을 필요로 한다.

서지전압을 제한하기 위해 일반적으로 이용되는 다른 해법은 서지전압 보호를 위해 전압에 의존적인 저항, 소위 "배리스터"를 이용하는 것이다. 전력 변환 회로와 관련해 배리스터는 바람직하게는 플래시 전압 및 스위칭 전압을 제한하는데 이용된다. 그러나 연속 정격 작동 전압의 약 1.33배 값으로 서지전압 제한은 달성될 수 없는데, 그런 소자들의 제한 특성 곡선의 구배가 충분히 가파르지 않기 때문이다.

최대 허용 전압이 정격 연속 작동 전압값의 단지 약간 위에 있는 전압 제한을 위해, 제너 다이오드("Z-다이오드")가 추천할 만 한데, 제너 다이오드는 매우 가파른 구배의 제한 특성 곡선을 갖기 때문이다. 그러나 그와 같은 소자는 (수 와트까지의) 저출력의 범위에서만 이용될 수 있으며 고출력 DC 시스템의 범위에서 강한 에너지의 서지전압 펄스를 제한하는 데에는 이용될 수 없다.

요약하면, kA-범위의 단락 전류의 차단으로부터 초래되는 DC-고출력 시스템에서의 서지전압을 정격 작동 전압의 단지 약간 위에 있는 전압 레벨로 제한하는 것에 대해, 지금까지 만족할 만하면서 기술적으로 간단한 해법이 공지되어 있지 않음을 확인할 수 있다.

본 발명의 과제는, 구동 전류가 높고 전원 공급 시스템의 최대 허용 전압과 정상적인 작동 전압 사이의 차이가 비교적 작은 경우 비교적 많은 양의 에너지를 제거하여, 소비 장치, 특히 전압 민감성 소비 장치, 예를 들어 전력 변환 회로의 보호를 보장하는 것을 가능케 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제는 청구범위 제1항에 따른 서지전압 제한 장치를 통해 달성된다. 유리한 실시예들 각각이 종속항들의 대상이다.

본 발명에 따른 서지전압 제한 장치는 배리스터를 포함하며, 상기 배리스터는 바람직하게 전자식인 스위치와, 전압 제한 특성, 바람직하게는 제너 다이오드 특성을 갖는 하나의 전자 소자, 또는 각각 하나의 전압 제한 특성, 바람직하게는 제너 다이오드 특성을 갖는 직렬 접속된 복수의 전자 소자로 이루어지는 병렬 회로에 직렬 접속되어 있다. 이 경우 제너 다이오드 특성을 갖는 전자 소자는 전류-전압-특성 곡선과 관련하여 제너 다이오드와 동일한 특성을 갖는 소자를 말한다.

전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)와 배리스터의 직렬 회로를 이용하면, 작은 누설 전류의 범위에서 배리스터를 단독 이용할 때에 비해 본 발명에 따른 해법의 전압 제한 특성 곡선은 가파른 구배를 가질 수 있다. 폐쇄 상태에서, 즉 전류 도통의 경우 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)를 브릿지 연결하는 스위치를 이용하면, 배리스터를 단독 이용할 때에 비해 본 발명에 따른 해법의 전압 제한 특성 곡선의 가파른 구배를 의도적으로 활성화 또는 비활성화할 수 있다.

스위치의 폐쇄는 예를 들어 제어 장치를 통해 이루어질 수 있으며, 상기 제어 장치는 제한하려는 전압 및/또는 전류가 배리스터와 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)로 구성된 직렬 회로를 통해 설정값을 초과하면, 제어 장치가 스위치를 폐쇄하는, 즉 전류 도통 쪽으로 스위칭하는데, 직렬 접속된 두 소자들을 흐르는 전류가 두 소자들의 전압 의존적 저항들의 합을 통해 그리고 직렬 회로에 인가되는 전압을 통해 결정되기 때문이다.

예를 들어 스위치의 개방은, 제한하려는 전압이 설정값에 미달하면, 제어 장치 또는 -예를 들어 사이리스터 스위치의 경우에- 스위칭 전류를 위한 소거 장치(quenching device)가 스위치를 개방하도록 장착됨으로써 이루어지거나, 스위치가 자동으로 개방되도록 스위치를 형성함으로써 이루어질 수 있다.

스위치가 개방될 때 전압값 및/또는 전류값은, 서지전압 제한 장치의 새로운 반응이 배리스터와 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)로 이루어지는 직렬 회로로 다시 절환 후 배제될 수 있도록 바람직하게 선택된다.

서지전압 제한 장치의 결과적 반응-서지전압이 제너 다이오드 전압만큼 더 작아져서 배리스터 또는 배리스터들의 전압 제한 값이 달성될 수 있는 방식으로, 스위치의 폐쇄를 통해 회로의 전압 제한 특성이 변하게 된다.

그러므로 작은 누설 전류의 범위에서 배리스터를 단독 이용할 때에 비해 전압 제한 특성 곡선이 가파른 구배를 가질 수 있으므로, 연속 정격 작동 전압의 단지 약간 위에 있는 값으로, 예를 들어 연속 정격 작동 전압의 1.33배 값으로의 서지전압 제한은 본 발명에 따른 회로를 통해 이루어질 수 있다.

배리스터의 저항 곡선이 전압 의존적이고 상당히 비선형이기 때문에, 배리스터와 전자 스위치를 흐르는 누설 전류는 매우 빠르게 큰 전류값으로 상승할 수 있으며 고에너지 서지전압 펄스가 제거될 수 있다. 서지전압 펄스의 제거 및 배리스터를 통한 누설 전류의 감쇠에 따라 전류는 스위치로부터 다시 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)로 흐르므로, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)와 배리스터의 직렬 회로를 통해 정해지는 반응-서지전압 및 서지전압 제한 장치의 초기 상태가 자동으로 다시 조정된다.

그러므로 본 발명은 kJ-범위의 다량의 에너지를 갖는 전압 펄스의 제한을 위한 배리스터의 특성들과, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자들의 특성들, 예를 들어 몇 와트 범위의 작은 전류 및 작은 출력의 범위에서 가파른 구배의 전압 제한을 위한 다이오드의 특성과, 수 10kA 내지 100kA 범위에서 스위치의, 특히 전자 스위치의, 예를 들어 사이리스터의 스위칭 용량 및 전류 전도 용량을 조합한다.

바람직하게는 직류 전압 시스템의 최대 허용 서지전압보다 작거나 같은 서지전압 제한을 위한 반응-서지전압은 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)와 배리스터의 직렬 회로를 통해 정해진다.

이때 배리스터 자체는 직류 전압 시스템의 정격 전압보다 작은 연속 정격 작동 전압을 가질 수 있다.

바람직하게는 배리스터는 누설 전류가 예상될 때 직류 전압 시스템의 최대 허용 서지전압보다 작거나 같은 제한 전압을 갖는다.

본 발명의 특히 유리한 실시예에 따르면 전압 제한 특성을 갖는 직렬 접속된 전자 소자들의 수는, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자들의 연속 정격 작동 전압과 배리스터의 연속 정격 작동 전압의 합이 직류 전압 시스템의 정격 전압과 같도록 선택된다.

전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)에 대해 직렬로 접속된 전기 저항을 통해 스위치의 제어가 특히 용이하고 신속하게 이루어질 수 있으며, 상기 전기 저항은 서지전압 제한 장치가 반응-서지전압에 도달하면, 스위치를 도통 상태로 스위칭하기에, 특히 사이리스터를 점화하기에 충분한 저항 전압이 강하하도록 큰 전류가 저항을 통해 흐르는 방식으로 치수 설계된다.

스위치가 사이리스터로서 형성되는 경우 특히 유리하다. 그러면, 서지전압 발생시 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)를 통해 흐르는 전류는 사이리스터의 점화를 위해서도 이용될 수 있다. 이는 예를 들어 -전술한 것처럼- 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)에 직렬 접속된 전기 저항에서의 전압 강하에 의해 이루어질 수 있다.

사이리스터는 점화 후에 그리고 이에 따라 전류 도통으로의 스위칭 후 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)를 브릿지 연결하기 때문에, 사이리스터의 점화 후 점화 전류가 더 이상 흐를 수 없으므로, 서지전압 펄스의 제거 및 사이리스터의 유지 전류하에서 배리스터를 통한 누설 전류의 감쇠 후에 사이리스터는 자동으로 다시 블로킹 상태로 복귀할 수 있고, 이때 사이리스터에 병렬 접속된, 전압 제한 특성을 갖는 소자(들)는 복귀하는 블로킹 전압을 제한 전압의 값으로 제한한다.

사이리스터 스위치의 경우에 사이리스터 스위치의 소거 또는 소거 지원을 위해 적절한 소거 장치 역시 사용할 수 있다.

사이리스터 스위치 대신에 스위치는 대안적으로 차단 가능한 전력 변환 소자로서도 형성될 수 있다.

구조적으로 간단한 실시예에 따르면 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)는 각각 제너 다이오드 또는 배리스터로서 형성되어 있다.

하나의 배리스터 대신에 서지전압 제한 장치는 병렬 접속된 복수의 배리스터를 가질 수도 있다. 바람직하게는 배리스터의 수는 원하는 에너지-방출 용량에 맞춰진다.

본 발명 및 종속항들의 특징들에 따른 본 발명의 기타 유리한 구성들은 하기에서 실시예들을 참고로 상술한다.

도 1은 본 발명에 따른 서지전압 제한 장치를 갖는 직류 전압 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 서지전압 제한 장치의 전류-전압-특성 곡선이다.
도 3은 도 1에 도시된 서지전압 제한 장치의 확장 실시예를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 직류 전압 시스템(1)은 예를 들어 배터리(2) 및 배터리와 병렬 접속된 2개의 소비 장치(3, 4)를 포함하는 잠수함의 고출력 직류 전압 시스템이다. 소비 장치(4)는 전압 민감성 소비 장치로서, 예를 들어 직류 측에 있는 전력 변환 장치 및 전해 커패시터를 가지는 조정 장치이다. 배터리(2) 및 개별 소비 장치(3, 4)를 보호하기 위해, 직류 전압 시스템(1)은 단락의 선택적 클리어링을 가능케 하는 보호 장치(5, 6)를 갖는다. 그러므로 예를 들어 배터리(2)에 직렬 접속된 보호 기관(5)은 단락 발생시 지연 반응한다. 예를 들어 보호 기관(5)은 과전류 검출 기능 및 예를 들어 100ms를 초과하는 지연 시간을 갖는, 지연 작동하는 전기 기계식 파워 스위치이다. 그에 비해 개별 소비 장치(3, 4)에 할당된 보호 기관(6)은 지연 없이 작동하거나 적어도 보호 기관(5)보다 훨씬 더 작은 지연 시간을 갖는다. 예를 들어 보호 기관(6)은 (도면에 도시된 것처럼) 약 30ms의 총 트리거 시간을 가지는, 지연 없는 전기 기계식 파워 스위치이거나 단락 전류에 의존하는 1 내지 10ms 미만의 트리거 시간을 가지는 퓨즈이므로, 단락이 선택적으로 클리어링될 수 있다.

단락 발생시 유효 시상수를 따라서 전류가 상승할 때, 시상수가 작아서, 예를 들어 1...3ms 미만이어서, 지연 없는 보호 기관을 이용하면 단락 전류는 정적 단락 전류의 값에 거의 또는 완전히 도달한다. 게다가 배터리, 파워 케이블, 디스트리뷰터 레일 등의 내부 옴 저항이 매우 작기 때문에, 배터리에 의해 구동되는 단락 전류가 매우 커서 수 10kA가 될 수 있다. 소비 장치 출력에서 단락이 발생하면, 예를 들어 소비 장치(3)에서 단락이 발생하면, 소비 장치(3)에 할당된 지연 없는 보호 기관(6)은 큰 전류인 경우 차단하여 해당 소비 장치 출력에서 과전류로 인한 추가적 손상을 억제한다.

그러나 배터리(2)로부터 공급되는 단락 전류는, 배터리, 케이블 구간 등(여기서는 간단히 인덕턴스 L로 표기함)의 기생 인덕턴스에 저장된 에너지 때문에 에너지가 제거될 때까지 또는 예를 들어 용량성 에너지 저장 장치로 옮겨질 때까지 계속해서 흐른다. 기생 인덕턴스에 저장된 에너지는 소비 장치-보호 기관(5)의 가융 도체 또는 개방되는 접점의 전기 아크에서 단지 일부만 제거된다. 전기 아크에서 제거되지 않은 단락 전류 에너지는 이제 시스템(1)에 의해 시스템에 접속된 다른 소비 장치로 흘러가 소비 장치에서 현저한 서지전압을 야기할 수 있으므로, 특히 전압 민감성 소비 장치(4)가 손상될 수 있는데, 상기 소비 장치는 일반적으로 비용상의 이유, 공간상의 이유 및 가용성의 이유로 현저한 서지전압을 대비한 치수 로 설계되지 않는다.

그러므로 배터리(2) 및 소비 장치(3, 4)에 병렬로 서지전압 제한 장치(10)가 접속되어 있다. 서지전압 제한 장치(10)는 병렬 접속된 복수의 배리스터(11)를 포함하며, 전자 스위치(13) 및 저항(15)과 직렬 접속된 하나 또는 복수의 제너 다이오드(14)로 이루어지는 병렬 회로(12)와 배리스터가 직렬 접속되어 있다. 제너 다이오드 대신에 배리스터가 이용될 수도 있다.

전자 스위치(13)는 사이리스터로서 형성되어, 사이리스터의 게이트가 라인(16)에 의해 제너 다이오드(14)의 직렬 회로와 저항(15) 사이 라인 연결부(18)와 연결된다.

직류 전압 시스템(1)의 최대 허용 서지전압(U_max)보다 작거나 같은 서지전압 제한을 위한 반응-서지전압은 배리스터(11)와 제너 다이오드(14)의 직렬 회로를 통해 정해진다. 이때 배리스터(11)는 직류 전압 시스템(1)의 연속 정격 작동 전압(U_N)(예를 들어 U_N=750V)보다 작은 연속 정격 작동 전압(U_NV)을 갖는다. 또한, 배리스터(11)는 누설 전류가 예상될 때 직류 전압 시스템(1)의 최대 허용 서지전압(U_max)보다 작거나 같은 제한 전압(U_B)을 갖는다. 이때 시스템(1)의 최대 허용 서지전압(U_max)은 시스템(1)의 연속 정격 작동 전압(U_N)의 단지 약간 위에 있는, 예를 들어 단지 30%만큼 더 높다.

서지전압 제한 장치(10)의 작동 방식은 서지전압 제한 장치(10)의 전류-전압-특성 곡선(K)을 보여주는 도 2를 참고하여 설명한다. 본 도면에는 전류(I)가 로그 곡선으로 도시되어 있다. 특성 곡선(K)은 배리스터(11)와 제너 다이오드(14)의 특성 곡선들을 합하여 형성된 제1 구간(K1)으로 이루어진다. 제1 구간에 이어 제2 구간(K2)은 배리스터(11)의 특성 곡선만으로 형성되어 있다.

정격 전압(U_N)이 서지전압 제한 장치(10)에 인가되면, 예를 들어 1mA의 전류(I_A)를 갖는 작동점(A)이 특성 곡선(K1) 상에서 조정된다. 이때 전류(I_A)가 배리스터(11)와 제너 다이오드(14) 및 저항(15)을 통해 흐른다.

서지전압 제한 장치(10)에 인가되는 전압(U)이 상승하면, 작동점은 특성 곡선(K1)을 따라서 더 높은 전압 및 누설 전류 방향으로 배리스터(11)와 제너 다이오드(14)의 직렬 회로를 통해 정해지는 반응-서지전압이 도달하는 점(B)까지 이동한다. 저항(15)에 그리고 사이리스터(13)의 게이트에 인가되는 전압이 사이리스터(13)를 점화하고 사이리스터가 전류 도통 쪽으로 스위칭할 정도의 큰 전류(I_B)(예를 들어 I_B = 0.5A)가 저항(15)을 통해 흐른다. 그 후 사이리스터(13)는 배리스터(11)를 통해 흐르는 전류를 받아들인다. 이때 저항(15)과 라인(16)은 사이리스터(13)의 전류 도통을 위한 제어 장치(19)로서 이용된다. 제너 다이오드(14)와 제어 장치(19)를 통한 전류에 의해 전자 스위치(13)의 제어를 위해 대안적으로 또는 추가로, 제어 장치(20)에 의해 전자 스위치(13)가 제어될 수도 있으며, 상기 제어 장치는, 본 발명에 따른 회로 장치(10)에 인가되어 제한하려는, 직류 전압 시스템(1)의 전압(U)을 직접적으로 분석한다.

사이리스터(13)를 통한 전류 수용 시 그리고 제너 다이오드(14)의 브릿지 연결 시에 발생하는 서지전압 제한 장치(10)의 반응-서지전압이 제너 다이오드(14)의 전압만큼 더 작아지고 특성 곡선(K1)의 작동점(B)으로부터 특성 곡선(K2) 상 작동점(C)으로 점프가 이루어진다. 작동점(C)은 이미 배리스터(11)의 전압 제한의 범위에 있다.

배리스터(11)의 저항 곡선이 전압의 함수로서 현저히 비선형이기 때문에, 배리스터(11)와 사이리스터(13)를 통한 누설 전류가 매우 빠르게 작동점(D)에서의 큰 전류값(I_D)(예를 들어 I_D = 1000A)으로 상승하고 고에너지 서지전압 펄스는 제거된다. 이때 배리스터(11)의 수는 희망하는 에너지-방출 용량에 맞춰진다.

사이리스터(13)가 제너 다이오드(14)를 브릿지 연결하기 때문에, 사이리스터(13)의 점화 후 점화 전류는 더 이상 라인 연결부(16)에 의해 흐를 수 없다. 서지전압 펄스의 제거 및 사이리스터(13)의 유지 전류하에서 배리스터(11)를 통한 누설 전류의 감쇠 후에 사이리스터는 자동으로 다시 차단 상태로 복귀한다. 이때 작동점은 특성 곡선(K2) 상에서 전압 및 누설 전류가 감소하는 방향으로 작동점(E)까지 이동하고, 이 작동점에서 사이리스터가 다시 차단되고 사이리스터(13)에 병렬 접속된 제너 다이오드(14)가 사이리스터(13)로부터 전류를 받아들인다. 그러므로 점(E)으로부터 특성 곡선(K1) 상 점(F)으로 점프가 나타나고 배리스터(11)와 제너 다이오드(14)의 직렬 회로를 통해 정해지는 반응-서지전압이 다시 조정된다. 이때 제너 다이오드(14)는 사이리스터를 복귀시키는 블로킹 전압을 제너 다이오드 전압값으로 제한한다. 서지전압 제한 장치(10)에 인가되는 전압(U)이 직류 전압 시스템(1)의 정격 전압(U_N)으로 복귀하면, 작동점은 점(F)으로부터 다시 점(A)으로 이동한다. 그러므로 서지전압 펄스의 제거 후 서지전압 제한 장치(10)의 초기 상태가 자동으로 다시 조정되었다.

사이리스터(13)의 자동 소거를 위해, 사이리스터(13)의 유지 전류보다 작거나 같은 전류에서 특성 곡선(K2)의 점(E)으로부터 특성 곡선(K1)의 점(F)으로 전이가 이루어져야 한다. 이는 회로(10)에서 이용되는 전자 소자, 특히 사이리스터(13)의 필수적 소자 선택과 소자 데이터 때문에 주어지지 않거나 실현될 수 없는 경우를 위해, 사이리스터(13)를 위한 소거 또는 소거 지원이 필요하며, 이는 예를 들어 도 3의 예시적인 기술적 회로 방법에 제공되어 있다.

도 3에 예시적으로 도시된 회로는 본 발명에 따른 회로(10)에서 소거 장치(30)만큼 확장되었다. 이때 소거 장치(30)는 단지 원론적으로만 설명되고 사이리스터 전류의 소거를 위해 복수의 가능한 기술적 방법에 대한 예로서 설명된다.

이때 저항(31)은 소거 커패시터(32)를 위한 충전 저항으로서 이용된다. 사이리스터(13)를 소거하기 위해 스위치(33)가 폐쇄되므로, 소거 커패시터(32)에 저장된 에너지는 사이리스터(13)를 통해 전류 흐름(I_LOE)을 야기하고, 전류 흐름 방향은 의도한 소거 시점에 배리스터(11)와 사이리스터(13)를 통해 흐르는 전류(I_VAR)와 반대이다. 이때 소거 전류(I_LOE)의 양은 바람직하게는 소거 시점의 전류(I_VAR)의 크기보다 크거나 대략 같아야 한다. 이때 필수적인 소거 전류(I_LOE)의 양과 지속 시간은 소거 커패시터(32) 및 전류 제한 저항(34)의 적절한 크기를 통해 달성될 수 있다.

스위치(33)는 바람직하게는 전자식 반도체 스위치로서 실시될 수 있다. 제어 라인(35)에 의한 스위치(33)의 제어는 사이리스터(13)를 통한 전류(I_VAR)의 평가를 통해 이루어질 수 있도록, 사이리스터(13)를 통해 전류(I_VAR)가 일정한 최소값에 미달하면, 스위치(33)가 닫히고 사이리스터(13)는 소거된다. 대안으로서 또는 그에 대한 추가로서, 전압(들)이 일정한 높이에 미달하면 사이리스터(13)의 소거가 스위치(33)의 폐쇄를 통해 이루어짐으로써, 본 발명에 따른 회로 장치(10)에 인가되어 제한하려는 직류 전압 시스템(1) 전압을 제어 장치(20)를 이용해 직접 평가하거나 제어 장치(36)를 이용하여 사이리스터(13)에 대한 전압 강하를 평가하여 제어 라인(37)을 이용한 스위치(33)의 제어 및 제어 라인(40)에 의한 스위치(33)의 상응하는 제어가 이루어질 수 있다.

사이리스터(13)를 대신해 다른 전자식 스위치 역시, 예를 들어 IGBT가 이용될 수 있다. 특히 스위칭 온 및 오프가능한 스위치가 될 수 있으며, 스위치의 스위칭 상태는 제어 장치를 통해 제어되며, 제어 장치는 제너 다이오드(14)를 통해 그리고 전자 스위치(13)를 통해 흐르는 전류를 검출하여, 제너 다이오드(14)를 통해 흐르는 전류가 설정 한계값을 초과하면, 전류 도통 방향으로 스위치(13)를 스위칭하거나 스위치 전류가 설정 한계값에 미달하면, 전류 차단 방향으로 스위칭한다.

제너 다이오드(14)의 희망 총전압 및 (제너 다이오드(14)와 배리스터(11)의 직렬 회로로부터) 작은 전류에서의 반응 전압과 (배리스터(11)만을 통한) 큰 전류에서의 제한 전압 사이 차이 역시 직렬 접속된 복수의 제너 다이오드(14)를 통해 선택될 수 있다. 회로 소자의 적절한 설계와 크기를 통해 서지전압 제한 장치(10)의 전압 제한 기능이 넓은 에너지 범위, 전압 범위 및 전류 범위에서 희망 반응-서지전압, 전압 강하의 경우의 희망 누설 전류 및 높은 누설 전류에서의 희망 제한 전압에 적응될 수 있으며, 이때 시스템의 허용 최대 전압과 정상적인 작동 전압 사이 차이가 비교적 작은 경우에도 전압 제한이 가능하다.

Claims

배리스터(11)를 포함하는, 직류 전압 시스템(1)을 위한 서지전압 제한 장치(10)에 있어서,
배리스터(11)는 바람직하게 전자식 스위치(13)와, 전압 제한 특성, 바람직하게는 제너 다이오드 특성을 갖는 하나의 전자 소자(14), 또는 전압 제한 특성, 바람직하게는 제너 다이오드 특성을 갖는 직렬 접속된 복수의 각 전자 소자(14)로 이루어지는 병렬 회로(12)에 직렬 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항에 있어서, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)(14)를 통해 전류가 사전 설정값을 초과하면, 스위치(13)를 폐쇄하도록 제어 장치(19)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 제한하려는 전압이 설정값을 초과하면, 스위치(13)를 폐쇄하도록, 제어 장치(20)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제한하려는 전압이 설정값에 미달하면, 스위치 전류를 위한 제어 장치(19, 20) 또는 소거 장치(30)가 스위치(13)를 개방하도록 장착되어 있거나, 스위치(13)기 자동으로 개방하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전류가 스위치(13)를 통해 설정값에 미달하면, 스위치 전류를 위한 제어 장치(19, 20) 또는 소거 장치(30)가 스위치(13)를 개방하도록 장착되어 있거나, 스위치(13)가 자동으로 개방하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 직류 전압 시스템(1)의 최대 허용 서지전압(U_max)보다 작거나 같은 서지전압 제한을 위한 반응-서지전압이 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)(14)와 배리스터(11)의 직렬 회로를 통해 정해지는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 배리스터(11)가 직류 전압 시스템(1)의 정격 전압(U_N)보다 작은 연속 정격 작동 전압(U_NV)을 가지는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 배리스터(11)는, 누설 전류가 예상되는 경우 직류 전압 시스템(1)의 최대 허용 서지전압(U_max)보다 작거나 같은 제한 전압(U_B)을 가지는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 전압 제한 특성을 갖는 직렬 접속된 전자 소자(14)의 수는, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(14)의 연속 정격 작동 전압과 배리스터(11)의 연속 정격 작동 전압(U_NV)의 합이 직류 전압 시스템(1)의 정격 전압(U_N)과 같아지도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)(14)에 대해 직렬로 접속된 전기 저항(15)으로서, 서지전압 제한 장치(10)가 반응-서지전압에 도달하면, 스위치(13)를 도통 상태로 스위칭하기에, 특히 사이리스터를 점화하는데 충분한 저항(15)에서의 전압이 강하하도록 큰 전류가 저항(15)을 통해 흐르는 방식으로 치수 설계된 전기 저항을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 스위치(13)가 사이리스터로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제11항에 있어서, 사이리스터를 통해 전류를 소거하기 위한 소거 장치(30)를 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전압 제한 특성을 갖는 전자 소자(들)(14)는 각각 제너 다이오드 또는 배리스터로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 배리스터(11) 대신에 서로 병렬 접속된 복수의 배리스터(11)를 가지는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).
제14항에 있어서, 배리스터(11)의 수가 원하는 에너지-방출 용량에 맞춰지는 것을 특징으로 하는, 직류 전압 시스템을 위한 서지전압 제한 장치(10).