KR20140062845A

KR20140062845A - 복합 스위치 및 이를 이용한 스위칭 방법

Info

Publication number: KR20140062845A
Application number: KR1020120129707A
Authority: KR
Inventors: 남운성; 김지호; 윤융성
Original assignee: 주식회사 블루넷
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-26

Abstract

본 발명에 의한 복합 스위치는 일단이 전원과 연결되고, 타단이 부하와 연결된 기계식 접점 스위치와, 일단이 상기 전원과 연결되고, 타단이 상기 부하와 연결된 반도체 스위치 및 기계식 접점 스위치의 제어단과 반도체 스위치의 제어단이 연결된 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 반도체 스위치를 도통시킨 후, 상기 기계식 접점 스위치를 도통시킨다.

Description

복합 스위치 및 이를 이용한 스위칭 방법{Complex Switch and Switching Method Using the Same}

본 발명은 복합 스위치 및 이를 이용한 스위칭 방법에 관한 것이다.

스위치는 신호 또는 전원을 도통시키거나 차단하기 위한 소자를 의미한다. 이러한 스위치는 도통되어야 할 극(pole)의 수와 스로우(throw)의 수에 따라 SPST(Single Pole Single Throw), DPST(Double Pole Single Throw) 및 DPDP(Double Pole Double Throw)등과 같이 분류되기도 하며, 스위칭 소자에 따라 기계식 접점을 이용한 기계식 스위치, 반도체 소자를 이용하여 스위칭하는 반도체 스위치 등으로 분류될 수 있다.

기계식 스위치로 일반적인 릴레이(Relay)가 널리 사용된다. 릴레이는 전자석 코일을 포함하며, 릴레이 코일에 신호가 인가되면 코일에 의하여 발생된 자기장이 스위치의 접점을 이동시켜 접점과 접점을 단락(short)시키거나 개방(open)시켜 신호나 전원을 도통 또는 차단하는 구성을 취한다.

또한, 일반적인 반도체 스위치는 3단자 소자로 구성되며, 제어단에 전압이나 전류가 인가되면 나머지 두 단자 사이가 전기적으로 연결되거나, 개방되어 신호나 전원을 도통시키거나 차단하는 구성을 가진다.

릴레이를 이용한 스위치는 스위치를 구성하는 접점이 물리적으로 접촉(contact)하여 도통시키고, 이격되어 도통을 차단하는 구성을 취한다. 이러한 릴레이 스위치를 초기 구동 전류가 높은 유도성 부하(inductive load) 또는 조명 부하(lighting load)에 전원을 인가하거나 차단하는 용도로 사용하면 접점이 물리적으로 훼손된다. 즉, 상술한 유도성 부하 및 조명 부하 기동시에는 정상 상태에 흐르는 전류에 비하여 대략 20배 이상의 높은 전류가 흐른다. 이와 같은 대전류를 부하에 흘리기 위하여 릴레이를 구동하면, 릴레이 접점들이 근접함에 따라 아크 방전이 발생하여 릴레이 접점이 물리적으로 훼손된다.

반도체 스위치는 스위치를 구성하는 접점이 부존재하고, 반도체 스위치 제어단의 전류, 전압에 의하여 나머지 양 단의 도통이 제어되는 구성이다. 전류가 반도체 스위치의 양단을 흐르는 경우, 반도체 스위치는 도통 특성이 릴레이에 비하여 양호하지 않아 전기 에너지의 일부가 열로 변환되며, 이러한 열에 의하여 반도체 스위치의 도통 특성이 더욱 열화된다.

본 발명은 상술한 종래 기술에 의한 스위치들의 단점을 극복하기 위한 것으로, 대전류를 인가하기 위하여 스위칭하는 경우에도 훼손되지 않는 스위치 및 스위칭 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.

본 발명의 다른 목적 중 하나는, 높은 전류로 장시간 구동하여도 도통 특성이 열화되지 않는 스위치 및 스위칭 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적 중 하나이다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 기계식 접점 스위치를 도통시킨 후, 상기 반도체 스위치의 도통을 차단한다.

일 실시예에서, 상기 복합 스위치는 상기 복합 스위치의 도통 여부를 표시하는 표시부를 더 포함한다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 유선 또는 무선으로 신호를 인가받아 상기 복합 스위치를 제어한다.

일 실시예에서, 상기 전원은 공급 전원, 신호 전원, 전원인가 유닛 및 신호 인가 유닛 중 어느 하나이다.

일 실시예에서, 상기 기계식 접점 스위치는 릴레이(relay)를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 반도체 스위치는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO(Gate Turn-off Thyristor), 사이리스터(Thyristor) 및 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 중 어느 하나를 포함한다.

본 발명에 의한 스위칭 방법은 반도체 스위치를 도통시키는 단계와, 기계식 접점 스위치를 도통시키는 단계 및 상기 기계식 접점 스위치가 도통된 후, 상기 반도체 스위치의 도통을 차단하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 도통여부를 표시하는 표시부를 구동하는 단계를 더 포함한다.

본 발명 실시예에 의한 복합 스위치 및 스위칭 방법에 의한다면 스위치의 접점 훼손 없이 안정적으로 스위칭 가능하다는 장점이 제공된다.

본 발명 실시예에 의한 복합 스위치 및 스위칭 방법에 의한다면 열손실없이 안정적으로 스위칭 가능하다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 발명 실시예에 의한 복합 스위치의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 기계식 접점 스위치의 개요를 도시한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 스위칭 방법의 개요를 도시한 순서도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 복합 스위치와 스위칭 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 복합 스위치의 개요를 도시한 블록도이다. 본 발명의 실시예에 따른 복합 스위치는 일단이 전원과 연결되고, 타단이 부하와 연결된 기계식 접점 스위치와 일단이 상기 전원과 연결되고, 타단이 상기 부하와 연결된 반도체 스위치 및 기계식 접점 스위치의 제어단과 반도체 스위치의 제어단이 연결된 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 반도체 스위치를 도통시킨 후, 상기 기계식 접점 스위치를 도통시킨다. 도 1을 참조하면, 기계식 접점 스위치(100)는 일단이 전원(미도시)과 연결되고, 타단이 부하(400)와 연결된다. 일 실시예에서, 전원은 부하에 전력을 공급하는 공급 전원 또는 부하에 신호를 인가하는 신호 전원일 수 있으며, 공급 전원으로부터 전력을 공급받아 분배된 전력을 부하(400)에 공급하는 전원 인가 유닛(미도시)이거나, 신호 전원으로부터 신호를 인가받아 부하에 인가할 신호를 인가하는 신호 인가 유닛 중 어느 하나일 수 있다.

기계식 접점 스위치(100)는 그 제어단(C1)으로부터 제어 신호를 인가받아 기계식 접점 스위치(100)의 일단에 연결된 전원과 타단에 연결된 부하(400)를 도통시키거나 도통을 차단한다. 일 실시예에서, 기계식 접점 스위치는 릴레이(relay)를 포함한다. 도 2는 릴레이의 구조를 나타낸 등가회로도이다. 도 2를 참조하면, 릴레이는 제어단(c, c')를 통하여 연결된 코일(coil)에 구동신호가 인가되면 코일이 형성하는 자기장에 의하여 스위치의 접점이 이동하여 스위치가 개폐되는 구조를 가진다. 따라서, 릴레이는 기계식 접점을 이용하므로 그 접촉 저항(contact resistance)값이 작아 도통 성능이 우수하다.

그러나, 릴레이를 이용하여 스위치를 구동하는 경우에는 필연적으로 코일(coil)에 전류를 인가하거나 차단하여야 한다. 코일에 전류(icc')를 인가한 후, 스위치 턴 오프를 위하여 인가하는 전류를 차단하는 경우에 코일이 가지는 전류 유지 특성에 의하여 역기전력이 발생하여 스위칭 소자를 훼손시킨다. 따라서, 역기전력에 의한 스위칭 소자의 훼손을 방지하기 위하여는 인가 전류(icc') 방향으로 도통하도록 플라이휠 다이오드(D)를 장착하여야 한다.

다시 도 1을 참조하면, 반도체 스위치(200)은 제어단(C2)으로부터 제어 신호를 인가받아 그 일단에 연결된 전원과 타단에 연결된 부하(400)를 전기적으로 연결하거나 연결을 차단한다. 일 실시예에서, 반도체 스위치(200)는 전원(미도시)과 일단이 연결되고, 타단이 부하에 연결되며, 제어단이 제어부(300)에 연결된 MOSFET 스위치 일 수 있다. 다만, 이는 간결하고 명확한 설명과 더불어 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO(Gate Turn-off Thyristor), 사이리스터(Thyristor) 및 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

반도체 스위치(200)는 기계식 접점의 접촉에 의한 도통 메커니즘과는 달리 제어단(C2)에 인가된 전위에 의하여 형성된 채널을 통한 도통 메커니즘 또는 제어단(C2)로 인가된 전류에 의한 캐리어(carrier)의 이동에 의한 도통 메커니즘으로 도통된다. 이러한 도통 메커니즘으로 구동되는 반도체 스위치는 기계식 접점을 이용하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있으나, 구동시 온 저항(on resistance)값이 크며, 그에 따른 열 발생이 있어 도통 성능이 낮다.

본 발명의 실시예에 따른 복합 스위치 또는 스위칭 방법으로 구동하는 부하(400)는 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 발광 다이오드(LED) 등을 이용하는 조명부하(lighting load)나 모터 등과 같은 유도성 부하(inductive load)의 경우에는 그 시동에 필요한 전류가 정상상태에서 소모되는 전류에 비하여 수십배 크므로, 이러한 부하들을 구동하기 위하여는 스위치의 대전류 구동 특성이 좋아야 한다. 다만, 본 발명의 실시예에 따른 복합 스위치 및 스위칭 방법은 조명 부하나 유도성 부하를 한정하여 구동할 수 있는 것이 아니다.

제어부(300)에는 기계식 접점 스위치(100)의 제어단(C1)과 반도체 스위치(200)의 제어단(C2)이 연결되며, 각 제어단에 구동신호를 인가하여 기계식 접점 스위치(100)과 반도체 스위치(200)을 제어한다. 제어부(300)는 반도체 스위치(100)를 도통시킨 후, 상기 기계식 접점 스위치(200)를 도통시킨다. 기계식 접점 스위치(100)를 먼저 도통시키는 경우에는 큰 값의 전류가 스위치에 인가되고 스위치의 접점이 서로 근접함에 따라 아크 방전이 발생하여 접점이 물리적으로 훼손된다. 따라서, 제어부(300)은 반도체 스위치(200)를 먼저 도통 시킨다. 반도체 스위치(200)는 제어단(C2)에 인가되는 전압에 의한 채널 형성 또는 제어단(C2)에 인가되는 전류에 의한 캐리어(carrier)의 이동에 의하여 도통 경로가 형성되므로 기계식 접점 스위치(100)과는 달리 방전에 의한 스위치 훼손이 일어나지 않는다.

제어부(300)는 반도체 스위치(200)을 도통시킨 후 기계 접점 스위치(100)을 도통시킨다. 반도체 스위치(200)는 상술한 바와 같이 구동 시작시 접점 훼손 문제가 발생하지 않으나, 구동시 온 저항(on resistance) 특성이 기계 접점 스위치(100)에 비하여 나빠 장기간 대전류가 흐르면 반도체 스위치에 열이 발생한다. 이러한 열에 의하여 에너지가 손실되는 것은 물론이고, 반도체 스위치의 도통 특성이 더욱 열화되어, 충분한 방열이 이루어지지 않는 경우 반도체 스위치의 파손이 있을 수 있다. 따라서, 기계 접점 스위치(100)을 도통시켜 반도체 스위치(200)를 흐르는 전류를 우회시킨다. 반도체 스위치를 도통시킨 후, 기계 접점 스위치(100)을 도통시키는 경우에는 큰 값의 초기 구동전류가 기계 접점 스위치를 통하여 흐르지 않고, 전류가 반도체 스위치(200)를 통하여 분기되어 흐르므로 기계 접점 스위치(100)만을 통하여 전류가 흐르는 경우에 비하여 적은 양의 전류가 흐르므로, 기계 접점 스위치(100)의 접점 훼손이 발생하지 않는다.

일 실시예에서, 제어부(300)는 기계식 접점 스위치(100)를 도통시킨 후, 반도체 스위치의 도통을 차단한다. 따라서, 기계식 접점 스위치(200)만을 통하여 부하를 구동할 수 있다. 이와 같이 기계식 접점 스위치와 반도체 스위치를 구동하여 반도체 스위치의 구동시간을 줄여 반도체 스위치의 수명을 연장시킬 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(300)는 복합 스위치를 도통하도록 제어할 때 도통되었음을 알리는 표시부를 통하여 도통 여부를 표시할 수 있다. 표시부()는 일례로 램프 또는, 발광 다이오드일 수 있으며, LCD등을 이용한 패널 디스플레이일 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(300)는 유선 또는 무선으로 제어된다. 즉, 제어부(300)에 형성된 무선 통신 모듈(미도시) 또는 유선 통신 모듈(미도시)을 통하여 복합 스위치를 제어할 수 있다. 다른 실시예로, 제어부(300)는 스위치로 사용자의 입력을 받아 복합 스위치를 구동할 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 방법을 설명한다. 다만, 상술한 실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 간결하고 명확한 설명을 위하여 생략될 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 방법의 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 스위칭 방법은 반도체 스위치를 도통 시키는 단계(S100)와, 기계식 접점 스위치를 도통시키는 단계(S200), 및 기계식 접점 스위치가 도통된 후, 반도체 스위치의 도통을 차단하는 단계(S300)를 포함한다.

반도체 스위치를 도통시킨다(S100). 상술한 바와 같이 기계식 접점 스위치를 먼저 도통시키는 경우에는 스위치의 접점이 물리적으로 훼손되므로 반도체 스위치를 먼저 도통 시킨다.

기계식 접점 스위치를 도통시킨다(S200). 반도체 스위치는 상술한 바와 같이 구동시 장기간 대전류가 흐르면 반도체 스위치에 열이 발생하므로, 충분한 방열이 이루어지지 않는 경우에는 반도체 스위치가 파손될 수 있으므로, 전류를 우회시키기 위하여 기계식 접점 스위치를 도통시킨다. 반도체 스위치를 도통시킨 후, 기계 접점 스위치을 도통시키는 경우에는 큰 값의 초기 구동전류가 기계 접점 스위치를 통하여 흐르지 않고, 전류가 반도체 스위치(200)를 통하여 분기되어 흐르므로 기계 접점 스위치만을 통하여 전류가 흐르는 경우에 비하여 적은 양의 전류가 흐르므로, 기계 접점 스위치의 접점 훼손이 발생하지 않는다.

기계식 접점 스위치가 도통된 후, 반도체 스위치의 도통을 차단한다(S300). 이와 같이 반도체 스위치의 구동시간을 단축하여 전기 에너지가 열로 변환되는 것을 막을 수 있으며, 반도체 스위치의 수명을 연장시킬 수 있다.

일 실시예에서, 표시부를 구동하여 사용자에게 현재 스위치가 도통중임을 표시할 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 기계식 접점 스위치 200: 반도체 스위치
300: 제어부 400: 부하
coil: 코일 D: 프리휠링 다이오드
S100 내지 S300: 본 발명의 실시예에 의한 스위칭 방법의 각 단계

Claims

일단이 전원과 연결되고, 타단이 부하와 연결된 기계식 접점 스위치;
일단이 상기 전원과 연결되고, 타단이 상기 부하와 연결된 반도체 스위치; 및
기계식 접점 스위치의 제어단과 반도체 스위치의 제어단이 연결된 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 반도체 스위치를 도통시킨 후, 상기 기계식 접점 스위치를 도통시키는 복합 스위치.
제1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 기계식 접점 스위치를 도통시킨 후, 상기 반도체 스위치의 도통을 차단하는 복합 스위치.
제1 항에 있어서,
상기 복합 스위치는 상기 복합 스위치의 도통 여부를 표시하는 표시부를 더 포함하는 복합 스위치.
제1 항에 있어서,
상기 제어부는
유선 또는 무선으로 신호를 인가받아 상기 복합 스위치를 제어하는 복합 스위치.
제1 항에 있어서,
상기 전원은 공급 전원, 신호 전원, 전원인가 유닛 및 신호 인가 유닛 중 어느 하나인 복합 스위치.
제1 항에 있어서,
상기 기계식 접점 스위치는 릴레이(relay)를 포함하는 복합 스위치.
제1 항에 있어서,
상기 반도체 스위치는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO(Gate Turn-off Thyristor), 사이리스터(Thyristor) 및 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 중 어느 하나를 포함하는 복합 스위치.
반도체 스위치를 도통시키는 단계와,
기계식 접점 스위치를 도통시키는 단계 및,
상기 기계식 접점 스위치가 도통된 후, 상기 반도체 스위치의 도통을 차단하는 단계를 포함하는 스위칭 방법.
제8 항에 있어서,
도통여부를 표시하는 표시부를 구동하는 단계를 더 포함하는 스위칭 방법.
제8 항에 있어서,
상기 기계식 접점 스위치는 릴레이(relay)를 포함하는 스위칭 방법.
제8 항에 있어서,
상기 반도체 스위치는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO(Gate Turn-off Thyristor), 사이리스터(Thyristor) 및 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 중 어느 하나를 포함하는 스위칭 방법.