KR20130140029A

KR20130140029A - 전자기 스위칭 디바이스를 위한 회로

Info

Publication number: KR20130140029A
Application number: KR1020137013168A
Authority: KR
Inventors: 벤카트라마니 수브라마니암
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-12-23
Also published as: EP2606502B1; BR112013010128A2; BR112013010128B1; WO2012055428A1; CN103180928A; EP2606502A1; CN103180928B; KR101546297B1

Abstract

본 발명은 프리휠링 전류를 전자기 스위칭 디바이스의 코일(17)에 제공하기 위한 회로(25)에 관한 것으로, 상기 회로(25)는, 전기 전력을 상기 코일(17)에 공급하는 dc 서플라이 소스(20)의 극성에 관하여 역 방향으로, 상기 코일(17)에 병렬로 연결가능한 프리휠링 다이오드(27), 및 상기 프리휠링 다이오드(27)에 병렬로 연결되는 스위치(30)를 포함하며, 상기 스위치(30)는 상기 프리휠링 다이오드(27) 양단의 전압에 응답하여 제어가능하다.

Description

전자기 스위칭 디바이스를 위한 회로 {CIRCUIT FOR AN ELECTROMAGNETIC SWITCHING DEVICE}

본 발명은 전자기 스위칭 디바이스의 코일에 프리휠링(freewheeling) 전류를 제공하기 위한 회로에 관한 것이다.

전자기 스위칭 디바이스는 통상적으로 전기 회로 내의 전기 전류의 흐름을 제어하기 위해 이용된다. 전자기 스위칭 디바이스는 파워 서플라이 회로를 접속(closing) 및 차단(breaking)시키기 위해 온 상태와 오프 상태 사이의 스위칭을 제어할 수 있다. 전자기 스위칭 디바이스는 수동으로 또는 전기적으로 제어될 수 있다. 전자기 스위칭 디바이스를 전기적으로 제어하기 위해, 파워 서플라이 회로를 차단 및 접속시키기 위해 가동(movable) 접촉 엘리먼트를 작동시키도록 자석들이 이용될 수 있다.

통상적으로, 가동 접촉 엘리먼트는 파워 서플라이 회로를 접속시키기 위해 고정(stationary) 접촉 엘리먼트와 맞물리도록 움직인다. 고정 접촉 엘리먼트는 전기적으로 파워 서플라이에 연결(connect)된다. 따라서, 파워 서플라이 회로는, 가동 접촉 엘리먼트가 고정 접촉 엘리먼트와 맞물릴 때 접속된다. 가동 접촉 엘리먼트를 작동시키기 위해 이용되는 자석들은 코일에 의해 에너지를 공급받는다. 코일은 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 에너지를 공급받는다.

본 발명의 실시예들의 목적은 전자기 스위칭 디바이스 내의 코일에 프리휠링 전류를 제공하기 위한 회로의 프리휠링 다이오드 양단의 열 방산을 감소시키는 것이다.

상기 목적은 청구항 제1항에 따른 전자기 스위칭 디바이스의 코일에 프리휠링 전류를 제공하기 위한 회로에 의해 달성된다.

프리휠링 전류는 스위치를 통해 코일에 제공된다. 스위치에서의 열 방산은, 프리휠링 전류가 다이오드를 통해 코일에 제공되는 경우에 다이오드에서 방산되는 열보다 더 낮다. 이는, 스위치에서 생성되는 열의 방산을 위해 비교적 더 작은 히트 싱크들의 배치를 가능하게 하며, 따라서 비용 및 크기에 있어서의 감소를 달성한다. 다이오드 양단의 전압에 응답하여 제어되는 스위치는, 단락 회로를 방지하는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 스위치 및 서플라이 스위치가 동시에 턴되지(turned) 않기 때문이다.

실시예에 따르면, 회로는 다이오드 양단의 전압에 응답하여 제어 신호를 스위치에 제공하도록 구성된 제어기를 더 포함한다. 스위치는 제어기에 의해 제공되는 제어 신호에 응답하여 동작가능하다. 제어기에 의해 발생된 제어 신호는 다이오드 양단의 검출된 전압에 응답한다.

다른 실시예에 따르면, 스위치는 고체 상태 정지(static) 스위치이다. 고체 상태 정지 스위치는 프리휠링 다이오드 양단의 전압 강하보다 더 낮은 전압 강하를 갖는다. 전압 강하가 더 적기 때문에, 프리휠링 다이오드와 관련하여 열 방산이 또한 더 적다.

또 다른 실시예에 따르면, 스위치는 프리휠링 전류를 전도하기 위해 온(on) 상태에 있도록 적응된다. 스위치는 프리휠링 전류를 전도하기 위해 다이오드 양단의 전압에 응답하여 턴온된다.

또 다른 실시예에 따르면, 스위치는, dc 서플라이 소스가 코일에 전기적으로 연결될 때 오프(off) 상태에 있도록 적응된다. 스위치는 다이오드 양단의 전압에 응답하여 턴오프된다. 이는 dc 서플라이 소스가 코일에 전기적으로 연결될 때 단락 회로를 방지하는 것을 달성한다.

또 다른 실시예에 따르면, 스위치는 바디 다이오드(body diode)를 포함한다. 특정 고체 상태 정지 스위치들은 내부적으로 바디 다이오드로 지칭되는 다이오드를 포함한다.

또 다른 실시예에 따르면, 바디 다이오드는 프리휠링 다이오드로서 적응된다. 바디 다이오드를 프리휠링 다이오드로서 적응시키는 것은 외부 다이오드를 이용할 필요성을 제거한다.

또 다른 실시예에 따르면, 스위치는 MOSFET 또는 IGBT이다.

다른 실시예는, 전자기 스위칭 디바이스의 코일을 구동시키기 위한 장치를 포함하며, 상기 장치는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 회로, 코일을 dc 서플라이 소스에 전기적으로 연결시키도록 그리고 분리(disconnect)시키도록 적응된 서플라이 스위치, 및 서플라이 스위치를 제어하도록 구성된 파워 서플라이 제어기를 포함한다. 이는 서플라이 스위치를 제어하는 것을 가능하게 한다.

다른 실시예에 따르면, 파워 서플라이 제어기는 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 서플라이 스위치에 제공하도록 구성된다. 서플라이 스위치는 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호에 응답하여 동작가능하다.

또 다른 실시예에 따르면, 파워 서플라이 제어기는, 코일을 통해 흐르는 전류에 응답하여 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 서플라이 스위치에 제공하도록 구성된다. 따라서, 서플라이 스위치는 코일을 통해 흐르는 전류에 응답하여 제어될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 파워 서플라이 제어기는 각각의 미리 규정된 시간 기간들 동안 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 서플라이 스위치에 제공하도록 구성된다. 서플라이 스위치는 각각의 제어 신호들에 응답하여 각각의 미리 규정된 시간 기간들 동안 동작가능하다.

또 다른 실시예에 따르면, 파워 서플라이 제어기는 코일에 픽업(pick-up) 전류를 제공하기 위해 서플라이 스위치에 제 1 제어 신호를 제공하도록 구성되고, 코일에 홀드온(hold-on) 전류를 제공하기 위해 서플라이 스위치에 제 2 제어 신호를 제공하도록 구성된다. 픽업 전류는 접촉 엘리먼트의 회로 접속 모션을 위해 코일에 에너지를 공급하기 위해 요구되는 전류이다. 홀드온 전류는 접촉자(contactor)를 회로 접속 위치에 유지하기 위해 dc 서플라이 소스로부터 코일에 제공되는 전류이다.

또 다른 실시예에 따르면, 서플라이 스위치는 제 2 제어 신호에 응답하여 고주파 스위칭을 수행하도록 적응된다. 고주파 스위칭을 수행하는 것은, 코일에 제공되는 전류를 감소시키고, 따라서 홀드온 전류를 코일에 제공하는 것을 가능하게 한다.

다른 실시예는, 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 전자기 스위칭 디바이스를 포함한다.

본 발명의 실시예들은 첨부 도면들에 도시된 예시되는 실시예들을 참조하여 아래에서 추가로 기술된다.

도 1a는 본 명세서의 실시예에 따른 전자기 스위칭 디바이스의 캐리어를 예시하고,
도 1b는 본 명세서의 실시예에 따른 도 1a의 캐리어(1) 및 전자석 시스템의 어셈블리를 예시하고,
도 2는 본 명세서의 실시예에 따른 코일에 픽업 전류, 홀드온 전류, 및 프리휠링 전류를 공급하기 위한 장치의 개략도를 예시하고,
도 3은 코일이 본 명세서의 실시예에 따른 dc 공급원으로부터 전기적으로 분리될 때의 코일의 극성의 변화 및 코일에 픽업 전류, 홀드온 전류, 및 프리휠링 전류를 공급하기 위한 장치의 개략도를 예시한다.

다양한 실시예들이 도면들을 참조하여 기술되고, 전체에 걸쳐 같은 참조 번호들은 같은 엘리먼트들을 지칭하기 위해 이용된다. 아래의 설명에서, 예시의 목적을 위해, 다수의 특정 상세들이, 하나 또는 둘 이상의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 이러한 실시예들은 이러한 특정 상세들 없이도 실시될 수 있다는 것이 자명할 수 있다.

도 1a를 참조하여, 전자기 스위칭 디바이스의 캐리어(1)가 본 명세서의 실시예에 따라 예시된다. 접촉 엘리먼트(3)는 회로 차단 위치로부터 회로 접속 위치로 가동되게 캐리어 내에 지지되며, 접촉 엘리먼트(3)는 회로 접속 위치에 있도록 고정 접촉 엘리먼트와 접촉되게 움직인다. 고정 접촉부는 입력 전력 서플라이에 연결될 수 있다.

도 1b는 본 명세서의 실시예에 따른 도 1a의 캐리어(1) 및 전자석 시스템의 어셈블리를 예시한다. 도 1b의 도시된 예에서, 캐리어(1)는 수직으로 상방향으로 연장되는 컬럼(7)을 포함한다. 전자석 시스템(8)은 캐리어를 작동시키기 위해 컬럼(7) 상에서 지지된다. 본 실시예에서, 전자석 시스템(8)은 전자기 전기자들(9, 13)을 포함하는 것으로 도시된다. 그러나, 전자석 시스템(8)은, 보다 적은 또는 보다 많은 전자기 전기자들을 포함하는 다른 방식으로 설계될 수 있다. 통상적으로, 전자기 전기자들(9, 13)은 캐리어(1)를 작동시키도록 적응된다. 전자기 전기자(9)는 전기자(9) 움직임을 캐리어(1)에 전달하기 위해 부재(11)를 통해 컬럼(7)에 맞물린다. 차례로, 캐리어(1)는 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치 내로 움직이게 한다. 도 1b의 도시된 예에서, 전자기 전기자(9)는 부재(11)를 통해 기계적으로 컬럼과 맞물린다. 그러나, 전자기 전기자(9)는 다른 알려진 기계적 수단을 이용하여 컬럼(7)과 맞물릴 수 있다. 코일들(17)을 포함하는 다른 전자기 전기자(13)는 또한 컬럼(7) 상에서 지지된다. 도 1b의 도시된 예에서, 2개의 코일들(17)이 예시된다. 그러나, 특정 구현들에서, 자기 전기자는 단지 단일 코일(17)만을 포함할 수 있다. dc 서플라이 소스에 의해 제공된 전류를 공급함으로써 코일들(17)이 에너지를 공급받는다. 코일들(17)이 에너지를 공급받자마자, 전자기 전기자(9)는 전자기 전기자(13)를 향하여 당겨진다. 전기자(9)의 이러한 움직임은 회로 접속 모션을 위해 캐리어(1)에 그리고 접촉 엘리먼트(3)에 전달된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 캐리어(1)는 수직으로 하방향으로 연장되는 컬럼을 포함할 수 있고, 전자기 전기자(9) 및 전자기 전기자(13)는 컬럼 상에서 지지될 수 있다.

회로 접속 모션에서, 접촉 엘리먼트(3)는 고정 접촉 엘리먼트와 접촉되도록 움직인다. 고정 접촉 엘리먼트와 접촉되는 접촉 엘리먼트(3)는 회로 접속 위치에 있다고 말해진다. 접촉 엘리먼트(3)의 회로 접속 모션을 위해 코일(17)에 에너지를 공급하기 위해 요구되는 전류는 이하에서 픽업 전류로 지칭된다. 양상에서, 일단 접촉 엘리먼트(3)가 회로 접속 위치로 움직이면, 홀드온 전류 및 프리휠링 전류를 제공함으로써 접촉 엘리먼트(3)는 회로 접속 위치에서 유지될 수 있다. 홀드온 전류는 회로 접속 위치에 접촉자를 유지하기 위해 dc 서플라이 소스로부터 코일에 제공된 전류이다. 본 명세서에서 프리휠링 전류는 코일(17)을 회로 접속 위치에 유지하기 위해 코일(17) 내에 저장된 에너지로부터 코일(17)에 제공되는 전류를 지칭한다.

통상적으로, 픽업 전류는 홀드온 전류보다 비교적 매우 높은 값이다. 예를 들어, 코일에 에너지를 공급하기 위해 요구되는 픽업 전류는 홀드온 전류의 약 5 내지 10배이다. 유리하게, 프리휠링 전류를 코일에 제공함으로써 접촉 엘리먼트(3)가 회로 접속 위치에 유지되는 지속시간은, 홀드온 전류가 코일(17)에 제공되는 지속시간보다 실질적으로 더 크다. 프리휠링 전류를 이용하여 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치에 유지함으로써, 외부 소스로부터 코일(17)에 공급될 전기 전력에 있어서의 감소가 달성된다.

도 2는 본 명세서의 실시예에 따라, 픽업 전류, 홀드온 전류, 및 프리휠링 전류를 코일에 공급하기 위한 장치(18)의 개략도를 예시한다. 도 2의 예에서, 코일(17)에 에너지를 공급하기 위한 픽업 전류, 및 코일(17)을 회로 접속 위치에 유지하기 위한 홀드온 전류는 서플라이 스위치(19)를 이용하여 dc 서플라이 소스(20)로부터 코일(17)에 제공된다. 서플라이 스위치(19)는 회로 접속 모션 동안 코일(17)에 픽업 전류를 제공하기 위해 동작가능하고, 도 1a의 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치에 유지하기 위해 코일(17)에 홀드온 전류를 제공하기 위해 동작가능하다. 예를 들어, 스위치(19)는 고체 상태 정지 스위치일 수 있다. 도 2의 도시된 예에서, 픽업 전류 및 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위한 하나의 서플라이 스위치(19)가 예시된다. 그러나, 양상에서, 픽업 전류 및 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 2개의 서플라이 스위치들이 배치될 수 있다. 예를 들어, 서플라이 스위치들 중 하나는 회로 접속 모션 동안 픽업 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 구성될 수 있고, 다른 서플라이 스위치는 도 1b의 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치에 유지하기 위해 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 구성될 수 있다. 픽업 전류 및 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위한 2개의 서플라이 스위치들의 이용은 서플라이 스위치들에서 발생하는 전기 손실들을 각각 감소시킨다.

도 2를 계속 참조하면, 장치(18)는, 픽업 전류 및 홀드온 전류를 제공하기 위해 스위치(19)를 제어하는 파워 서플라이 제어기(21)를 더 포함한다. 양상에 따르면, 스위치(19)는 코일(17)을 통해 흐르는 전류에 응답하여 제어될 수 있다. 양상에서, 코일(17)을 통해 흐르는 전류는 조정 회로에 의해 파워 서플라이 제어기(21)에 제공될 수 있다. 제어기(21)는 프로세서, 마이크로프로세서 등일 수 있다. 회로 접속 모션 동안, 스위치(19)는 픽업 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 턴온된다. 파워 서플라이 제어기(21)는 제 1 제어 신호를 제공함으로써 스위치(19)를 제어할 수 있다. 일단, 접촉 엘리먼트(3)가 고정 접촉 엘리먼트와 접촉되면, 코일(17)을 통해 흐르는 전류는 감소된다. 코일(17)을 통해 흐르는 전류에 있어서의 이러한 감소는 파워 서플라이 제어기(21)에 의해 검출된다. 전류에 있어서의 감소에 응답하여 파워 서플라이 제어기(21)는 제 2 제어 신호를 스위치(19)에 제공한다. 스위치(19)는 제 2 제어 신호에 응답하여 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 고주파 스위칭을 위해 동작가능하다. 예로서, 제 2 제어 신호는 PWM 펄스일 수 있다. 스위치(19)에 의해 수행되는 고주파 스위칭은 코일(17)을 통해 흐르는 전류를 감소시키고 따라서 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치에 유지하기 위해 홀드온 전류를 코일(17)에 제공한다.

그러나, 다른 양상에 따르면, 파워 서플라이 제어기(21)는 각각의 미리 규정된 시간 기간들 동안 픽업 전류 및 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 스위치(19)를 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 양상에 따르면, 스위치(19)의 제어는 코일(17)을 통해 흐르는 전류에 응답하는 것이 아니라 시간 기반이기 때문에, 조정 회로가 요구되지 않을 수 있다. 예를 들어, 스위치(19)가 미리 규정된 시간 기간 동안 픽업 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 동작가능하도록, 파워 서플라이 제어기(21)는 미리 규정된 시간 기간 동안 제 1 제어 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 스위치(19)가 미리 규정된 시간 기간 동안 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 동작가능하도록, 파워 서플라이 제어기(21)는 미리 규정된 시간 기간 동안 제 2 제어 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 파워 서플라이 제어기(21)는, 약 100 ㎳ 동안 픽업 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 스위치(19)를 동작시키도록 구성될 수 있고, 접촉 엘리먼트를 회로 접속 위치에 유지하는 시간 기간의 약 10 내지 15% 동안 고주파 스위칭을 통해 홀드온 전류를 제공하기 위해 스위치(19)를 동작시키도록 구성될 수 있다.

서플라이 스위치(19)는, 높은 전류들을 운반하기에 적합하도록 선택된 고체 상태 정지 스위치일 수 있고, 그리고 또한 최소 주파수 손실들로 고주파 스위칭을 수행할 수 있다. 2개의 서플라이 스위치들이 배치되는 양상들에서, 하나의 서플라이 스위치(19)는 IGBT와 같은 트랜지스터일 수 있고, 다른 서플라이 스위치는 MOSFET일 수 있다. IGBT는 높은 전류들을 운반할 수 있고, MOSFET는 최소 스위칭 손실들로 고주파 스위칭을 수행할 수 있다.

도 2를 계속 참조하면, 양상에서, 장치(18)는 프리휠링 전류를 코일(17)에 제공하기 위한 회로(25)를 더 포함한다. 회로(25)는, 코일(17)에 대한 전기 서플라이가 분리될 때, 프리휠링 전류를 전도하기 위한 프리휠링 다이오드(27)를 포함한다. 도 2의 예에 예시된 바와 같이, 프리휠링 다이오드(27)는 dc 서플라이 소스(20)의 극성에 관하여 역방향으로 코일(17)에 병렬로 연결된다, 즉, 프리휠링 다이오드(27)의 양극이 dc 서플라이 소스(18)의 네거티브 단자에 연결되고, 프리휠링 다이오드(27)의 음극이 dc 서플라이 소스(18)의 포지티브 단자에 연결된다. 회로(25)는 프리휠링 다이오드(27)에 병렬로 연결된 스위치(30)를 더 포함한다. 양상에 따르면, 스위치(30)는 IGBT 또는 MOSFET와 같은 고체 상태 정지 스위치일 수 있다. 실시예에 따르면, 스위치(30)는 프리휠링 다이오드(27) 대신에 코일(17)에 프리휠링 전류를 제공하기 위해 이용되는데, 그 이유는 스위치(30) 양단의 전압 강하가, 프리휠링 전류가 프리휠링 다이오드(27)에 의해 전도되는 경우에 프리휠링 다이오드(27)에서 발생하는 전압 강하보다 더 적기 때문이다. 스위치(30)는 프리휠링 다이오드(27) 양단의 전압에 응답하여 온 상태 및 오프 상태에 있도록 적응된다. 회로(25)는, 프리휠링 다이오드(27) 양단의 전압을 검출하도록 그리고 프리휠링 다이오드(27) 양단의 검출된 전압에 응답하여 제어 신호를 스위치(30)에 제공하도록 구성된 제어기(35)를 포함한다. 스위치는 제어 신호에 응답하여 온 상태 및 오프 상태에 있도록 동작가능하다. 예를 들어, 스위치(30)는 제어 신호가 제공될 때 온 상태에 있도록 그리고 제어 신호가 제공되지 않을 때 오프 상태에 있도록 적응될 수 있다. 양상에서, 특정 고체 상태 정지 스위치들은 일반적으로 바디 다이오드로서 내부적으로 지칭되는 다이오드를 포함한다. 유리하게, 고체 상태 정지 스위치가 바디 다이오드를 포함하는 경우, 상기 바디 다이오드가 프리휠링 다이오드(27)로서 적응될 수 있다. 이는 프리휠링 다이오드(27)로서 외부 다이오드를 이용할 필요성을 제거한다.

도 2를 계속 참조하면, 회로 접속 모션 동안 픽업 전류가 코일(17)에 제공될 때, 스위치(19)는 접속되고 전류는 미리 규정된 시간 기간 동안 dc 서플라이 소스(18)의 포지티브 단자로부터 네거티브 단자로 코일(17)을 통해 흐른다. 일단 접촉 엘리먼트(3)가 회로 접속 위치에 있게 되면, 스위치(19)는 홀드온 전류를 전도시키도록 동작가능하고, 홀드온 전류는 특정의 미리-규정된 시간 기간 동안 코일(17)을 통해 흐른다. 이후, 접촉 엘리먼트(3)를 유지하기 위해 코일(17)에 저장된 에너지가 프리휠링 전류의 형태로 이용될 수 있도록, 서플라이 스위치(19)가 턴오프된다. 예를 들어, 홀드온 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 이용되는 10㎑의 PWN 신호를 위해, 홀드온 전류가 코일(17)에 10 내지 15㎲ 동안 제공될 수 있다. 나머지 85 내지 90㎲ 동안, 코일(17)은, 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치에 유지하기 위해 프리휠링 전류에 의해 에너지를 공급받을 수 있다. 픽업 전류 및 홀드온 전류가 코일(17)에 제공될 때, 전류들은 코일(17)을 통해 흐르고, 프리휠링 다이오드(27)는 전류들을 전도하지 않는데, 그 이유는 프리휠링 다이오드(27)는 역 바이어싱되기 때문이다. 따라서, 서플라이 스위치(19)가 온 상태에 있을 때 스위치(30)는 오프 상태로 유지되어, 전류가 코일(17)을 통해 흐르게 하고 단락 회로가 회피된다. 프리휠링 다이오드(27)가 역 바이어싱되기 때문에, 프리휠링 다이오드(27) 양단에서 발생하는 전압 강하는 네거티브이다. 제어기(35)는, 프리휠링 다이오드(27) 양단의 네거티브 전압 강하를 검출하자마자 스위치(30)를 오프 상태로 유지하도록 구성되고, 스위치(30)는 오프 상태에서 어떠한 전류도 전도시키지 않는다.

이제 도 3을 참조하면, 서플라이 스위치(19)가 턴오프될 때, dc 서플라이 소스(18)의 포지티브 단자로부터 네거티브 단자로의 전류 흐름은 차단된다. 인덕터인 코일(17)은, 그 자신의 전압을 생성하기 위해 그의 저장된 자기장 에너지를 이용함으로써 전류의 갑작스러운 강하를 저지하도록 시도할 것이다. 도 3에서 지시된 바와 같이, 이전에 포지티브 전위였던 곳에서 극히 큰 네거티브 전위가 생성되고, 이전에 네거티브 전위였던 곳에서 포지티브 전위가 생성된다. 이로 인해, 코일(17)의 바닥측에서의 포지티브 전위로부터 코일(17)의 최상측에서의 네거티브 전위로 화살표(40)에 의해 표시되는 바와 같이, 프리휠링 다이오드(27)는 코일(27)의 변경된 극성에 관하여 순방향 바이어싱되고 프리휠링 전류를 전도시킨다. 프리휠링 다이오드(27)에 의해 프리휠링 전류가 전도될 때, 프리휠링 다이오드(27) 양단에서 발생하는 전압 강하는 포지티브이다. 예를 들어, 다이오드 양단의 전압 강하는 약 0.7 내지 2 볼트이다. 제어기(35)는, 이러한 포지티브 전압을 검출하자마자 스위치를 턴온하여, 상기 스위치(30)가 화살표(45)에 의해 표시된 바와 같이 프리휠링 전류를 루프 내에서 전도시키는 것을 허용한다. 프리휠링 전류를 전도시키기 위해 스위치(30)가 턴온될 때, 프리휠링이 프리휠링 다이오드(27)를 통해 흐르는 것이 중단된다. 프리휠링 전류를 코일(17)에 제공하기 위해 스위치(35)를 이용하는 것은 프리휠링 다이오드(27) 양단의 열 방산을 감소시키는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 프리휠링 다이오드(27)는 프리휠링 전류를 전도시키지 않기 때문이다. 프리휠링 다이오드(27) 양단의 열 방산이 감소되기 때문에, 열의 방산을 위해 더 작은 히트 싱크들이 배치될 수 있으며, 따라서 비용의 감소가 달성된다.

프리휠링 기간의 종결에서, 즉 dc 서플라이 소스(20)에 의해 제공될 홀드온 전류를 이용하여 도 1b의 접촉 엘리먼트(3)를 회로 접속 위치에 유지하기 위해 코일(17)이 에너지를 공급받을 때, 코일(17)은 스위치(19)를 이용하여 dc 서플라이 소스(20)에 전기적으로 연결된다. 그러나, 서플라이 스위치(19)가 스위치온될 때, 단락 회로의 발생을 회피하기 위해 스위치(30)가 턴오프되는 것에 대한 주의가 이루어진다. 서플라이 스위치(19) 및 스위치(30)는 단락 회로의 발생시 손상될 수 있다. 본 명세서의 실시예들에서, 제어기(35)는 서플라이 스위치(19)가 턴온될 때 스위치(30)를 턴오프 시키도록 구성된다. 이제 도 2를 참조하면, 프리휠링 기간 후에 서플라이 스위치(19)가 턴온될 때, 전류는 dc 서플라이 소스(18)의 포지티브 단자로부터 dc 서플라이 소스(18)의 네거티브 단자로 코일(17)을 통해 흐르기 시작하며, 프리휠링 다이오드(27)는 역 바이어싱된다. 프리휠링 다이오드(27)가 역 바이어싱되기 때문에, 프리휠링 다이오드(27) 양단에서 발생하는 전압 강하는 네거티브이다. 제어기(35)는, 임계치보다 더 네거티브인 프리휠링 다이오드(27) 양단의 네거티브 전압 강하를 검출하자마자 스위치(30)를 턴오프하도록 구성되고, 오프 상태에 있는 스위치(30)는 어떠한 전류도 전도하지 않는다. 따라서, 코일(17)에 에너지를 공급하기 위해 서플라이 스위치(19)가 턴온될 때 스위치(30)가 턴오프되고, 따라서 단락 회로가 회피된다.

예:

프리휠링 다이오드(27) 양단의 전압 강하는 1.5V이고 스위치(30) 양단의 전압 강하는 0.5V인 것으로 가정한다. 프리휠링 전류는 3A인 것으로 가정한다. 다이오드 및 스위치 양단의 열 방산은 전력 손실(power dissipation)로서 계산된다.

프리휠링 다이오드 양단의 전력 손실은 다음과 같다:

스위치 양단의 전력 손실은 다음과 같다:

스위치 양단의 전압 강하가 다이오드 양단의 전압 강하보다 더 적기 때문에, 스위치 양단의 전력 손실은 프리휠링 다이오드 양단의 전력 손실보다 더 적다.

본 명세서에 기술된 실시예들은, 감소된 열 방산으로 프리휠링 전류를 코일에 제공하는 것을 가능하게 한다. 이는 더 작은 히트 싱크들의 이용을 허용하고, 따라서 비용에 있어서의 감소를 달성한다. 서플라이 스위치가 턴온될 때 프리휠링 전류를 전도시키는 스위치를 턴오프하는 것은 단락 회로를 방지하는 것을 가능하게 한다.

본 발명이 특정의 바람직한 실시예들을 참조하여 상세하게 기술되지만, 본 발명은 바로 그러한 실시예들로 한정되지 않는다는 것이 인식되어야 한다. 오히려, 본 발명을 실시하기 위한 현재 최상의 모드를 기술하는 본원을 고려하여, 본 발명의 범주 및 의도로부터 벗어남이 없이, 많은 수정들 및 변형들이 그 자체로 당업자들에게 제시될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 전술한 설명에 의해서보다는 아래의 청구항들에 의해 표시된다. 청구항들의 동등물의 범위 및 의미 내에서 도래하는 모든 변화들, 수정들, 및 변형들은 청구항들의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

전자기 스위칭 디바이스의 코일(17)에 프리휠링(freewheeling) 전류를 제공하기 위한 회로(25)로서,
전기 전력을 상기 코일(17)에 공급하는 dc 서플라이 소스(20)의 극성에 관하여 역 방향으로, 상기 코일(17)에 병렬로 연결가능한 프리휠링 다이오드(27), 및
상기 프리휠링 다이오드(27)에 병렬로 연결되는 스위치(30)
를 포함하며,
상기 스위치(30)는 상기 프리휠링 다이오드(27) 양단의 전압에 응답하여 제어가능한,
회로.
제 1 항에 있어서,
상기 프리휠링 다이오드(27) 양단의 전압에 응답하여 제어 신호를 상기 스위치(30)에 제공하도록 구성된 제어기(35)
를 더 포함하는,
회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위치(30)는 고체 상태 정지 스위치인,
회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위치(30)는 상기 프리휠링 전류를 전도하기 위해 온(on) 상태에 있도록 적응되는,
회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위치(30)는, 상기 dc 서플라이 소스(20)가 상기 코일(17)에 전기적으로 연결될 때 오프(off) 상태에 있도록 적응되는,
회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위치(30)는 바디 다이오드(body diode)를 포함하는,
회로.
제 6 항에 있어서,
상기 바디 다이오드는 상기 프리휠링 다이오드(27)로서 적응되는,
회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위치(30)는 MOSFET 또는 IGBT인,
회로.
전자기 스위칭 디바이스의 코일(17)을 구동시키기 위한 장치(18)로서,
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 회로(25),
상기 코일(17)을 dc 서플라이 소스(20)에 전기적으로 연결시키도록 그리고 분리시키도록 적응된 서플라이 스위치(19), 및
상기 서플라이 스위치(19)를 제어하도록 구성된 파워 서플라이 제어기(21)
를 포함하는,
장치.
제 9 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 제어기(21)는 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 상기 서플라이 스위치(19)에 제공하도록 구성되는,
장치.
제 9 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 제어기(21)는, 상기 코일(17)을 통해 흐르는 전류에 응답하여 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 상기 서플라이 스위치(19)에 제공하도록 구성되는,
장치.
제 9 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 제어기(21)는 각각의 미리 규정된 시간 기간들 동안 제 1 제어 신호 및 제 2 제어 신호를 상기 서플라이 스위치(19)에 제공하도록 구성되는,
장치.
제 9 항에 있어서,
상기 파워 서플라이 제어기(21)는, 픽업(pick-up) 전류를 상기 코일(17)에 제공하기 위해 제 1 제어 신호를 상기 서플라이 스위치(19)에 제공하도록 구성되고, 홀드온(hold-on) 전류를 상기 코일(17)에 제공하기 위해 제 2 제어 신호를 상기 서플라이 스위치(19)에 제공하도록 구성되는,
장치.
제 10 항에 있어서,
상기 서플라이 스위치(19)는 상기 제 2 제어 신호에 응답하여 고주파 스위칭을 수행하도록 적응되는,
장치.
제 9 항에 따른 장치(18)를 포함하는 전자기 스위칭 디바이스.