KR20160107994A - 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기 - Google Patents

신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호용 서지보호기(SPD) 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임펄스 시험장치를 이용하여 서지보호 제한전압을 측정하여 성능의 열화 및 적합성 여부를 판정하고 이를 현장에서 적용하기 위해 종래의 고압 변압기, 정류기 형태의 시험전원충전장치를 SMPS 형태의 절연형 컨버터로 구성하여 휴대성 및 사용편의성이 좋도록 기존의 시험 장치의 부피 및 중량을 줄여 휴대성을 높인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기에 관한 것이다.

Description

신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기{Multiple waveshape impulse generator for performance-testing signal surge protective device}
본 발명은 신호용 서지보호기(SPD) 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임펄스 시험장치를 이용하여 서지보호 제한전압을 측정하여 성능의 열화 및 적합성 여부를 판정하고 이를 현장에서 적용하기 위해 종래의 고압 변압기, 정류기 형태의 시험전원충전장치를 SMPS 형태의 절연형 컨버터로 구성하여 휴대성 및 사용편의성이 좋도록 기존의 시험 장치의 부피 및 중량을 줄여 휴대성을 높인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기에 관한 것이다.
최근 디지털기술의 급진적인 발전에 따라 전기전자 통신기기들이 소형, 경량화, 집적화되고 있으나 상대적으로 낙뢰, 서지 등의 과도전압에 대해 절연내력이 매우 취약해 지고 있으며 이와 관련된 사고도 해마다 증가하고 있는 추세이다.
낙뢰, 서지로부터 기기들을 보호하기 위해서는 관련 국제규격인 IEC 62305-4 Protection against Lightning, part 4. Electrical and electronic systems within structures"에서 명시되었듯이 SPD(Surge protective Device)의 적용이 필수적이다.
이러한 서지보호기는 크게 전원용 보호기와 신호용 보호기로 구별할 수 있으며 전원용 보호기의 경우 대부분 대용량의 에너지 방출이 가능한 특성을 지니고 있는 MOV (Metal Oxide Varistor) 소자를 기반으로 구성되어 있다.
하지만 이러한 소자는 보호용량을 초과하는 뇌격전류 및 지락, 단락 사고 등에 의한 일시과전압에 대해서는 소손이 발생한다.
MOV 소자의 소손시에는 회로가 단락상태로 유지될 수 있으며 이로 인한 열폭주로 인해 화재사고와 같은 큰 피해를 초래할 수도 있다.
그러나 현재 대다수의 산업현장에서는 기존 설치된 서지보호기의 유지점검에 대한 필요성은 인식하고 있으나 이를 평가할 수 있는 장비, 방법, 전문인력 등의 문제로 미흡한 실정이다.
현재 서지보호기의 성능분석 방식으로는 현장에 설치되 있는 서지보호기를 계통에서 분리하여 전문 연구기관에 의뢰 검사하는 방식이 있으나 이는 광범위하게 설치된 다수의 서지보호기를 이러한 방식으로 전수 검사하기란 현실적으로 불가능하다.
이러한 서지보호장치의 종래기술로는 등록특허공보 제0962351호에 제1선로에 접속되며 상기 제 1 선로 상에 유기된 이상 전압을 제거하는 트리거 소자를 포함하는 제 1 보호모듈과, 상기 제 1 선로와 연결되며 상기 제 1 선로 상에 유기된 이상 전압을 검출하는 서지 검출부와, 상기 서지 검출부 및 트리거 소자와 전기적으로 접속되어 상기 제 1 보호모듈의 트리거 소자를 트리거하는 트리거 회로를 포함하되, 상기 트리거 소자는 GCA(Gate control arrestor), SCR(silicon controlled rectifier), Triac, FET(Field Effect Transistor) 중 어느 하나인 이상 전압 검출 제어 장치가 등록공개되어 있다.
또 다른 종래기술로는 공개특허공보 제2013-0109716호에 이더넷 전원(Power over Ethernet; PoE)을 갖는 네트워크 장비에 연결되는 서지 보호기로서: 사용자 장비 단말로부터 인입되는 케이블과 연결되는 라인 단자; 상기 라인 단자로부터 들어오는 제 1 서지 전압을 차단하는 제 1 과전압 보호부; 서지 전압의 과전류를 제한하는 과전류 보호부; 상기 제 1 서지전압보다 빠르게 인입되는 서지전압을 차단하며, 상기 제 1 과전압 보호부보다 내량은 작으나 반응속도가 빠른 제 2 과전압 보호부; 및 상기 네트워크 장비와 연결되며, 상기 네트워크 장비로부터 전원을 공급받는 장비측 단자;를 포함하며, 서지전압으로부터 네트워크 장비의 전원부분과 통신부분을 동시에 보호하는 것을 특징으로 하는, 이더넷 전원을 갖는 네트워크 장비용 일체형 하이브리드 서지 보호기가 공개되어 있다.
이러한 종래 신호용 보호기의 경우에는 대규모 사업장인 경우 수천 회선 이상의 통신제어선로에 SPD가 적용되어 있으며 이러한 SPD의 건전성 여부를 단지 절연저항 측정, 누설전류 측정 등의 방법에만 의존하고 있어 이를 현장에서 적용할 수 있는 휴대성이 용이한 형태의 시험장치 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 이러한 SPD의 건전성을 평가하기 위한 장비 개발의 일환으로 국제 규격인 IEC61000-4-5에 부합하는 2kV급 표준 뇌임펄스 발생장치를 구현하고자 하며, 현장에서 실사용이 가능하도록 휴대성 및 사용편의성을 고려하여 설계, 제작하고자 한다.
본 발명 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기는 컨트롤러, 고전압 발생부와, 커패시터와, 상기 커패시터에 충전된 전하를 방전시키는 방전스위치 및 펄스성형부로 구성되는 것으로, 상기 고전압 발생부는 직류전압을 발생시켜 컨트롤러에 의해 커패시터에 직류전압을 충전 및 충전되는 출력전압을 조정하며, 상기 펄스성형부는 R-L-C 직병렬회로로 구성되어 고압으로 충전된 커패시터의 전하를 스위치 구동시 R-L 회로로 방전시켜 원하는 파형을 성형하는 것이 특징이다.
따라서, 커패시터에 충전된 에너지를 방전하기 위한 고압 방전스위치로 종래의 솔레노이드 스위치 등과 같은 기계적 스위치 대신 FET를 이용한 반도체 소자를 적용하여 On, Off 동작시간의 제어가 수ms이내의 영역에서 가능하며 이를 통해 연속해서 인가하여야 하는 임펄스의 인가 타이밍의 정밀한 제어가 가능하고, 규정된 시간 내에 부스터 형태의 파형을 연속해서 인가할 수 있다.
그리고 본 발명에서는 임펄스 시험장치를 이용하여 서지보호 제한전압을 측정하여 성능의 열화 및 적합성 여부를 판정하고 이를 현장에서 적용하기 위해 종래의 고압 변압기, 정류기 형태의 시험전원충전장치를 SMPS 형태의 절연형 컨버터로 구성하여 휴대성 및 사용편의성이 좋도록 기존의 시험 장치의 부피 및 중량을 줄여 휴대성을 높였다.
또한, 다양한 형태의 임펄스를 하나의 플랫폼에서 발생시킬 수 있도록 고압충전장치, 방전스위치, 제어장치 등의 회로는 동일하게 공유하고 펄스 파형의 형상에 관계되는 R, L, C 수동소자를 모듈화 하여 원하는 파형에 맞게 직병렬회로를 구성하여 쉽게 출력파형의 형태를 변경하여 수십 kV 급의 대용량 발생기용 소자를 모듈화하기는 절연 및 용량 등의 문제로 어려우나 본 발명에 따른 수kV 정도의 신호장치 평가용 발생기에는 적용 가능하다는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 임펄스 전류발생기의 기본 구성도.
도 2는 본 발명 임펄스 발생기의 구성도.
도 3은 플라이백 컨버터 기본회로도.
도 4는 플라이백 컨버터에서 메인스위치의 턴-온시 흐름도.
도 5는 플라이백 컨버터에서 메인스위치의 턴-오프시 흐름도.
도 6은 이중 지수함수 파형도.
도 7은 서지 발생기 전압부분 기본회로도.
도 8은 이중 지수함수 회로의 라플라스 변환회로도.
도 9는 서지 발생기 전류부분 기본회로도.
도 10은 서지 발생기를 단순화한 회로도.
도 11은 PSIM으로 설계한 파형 성형회로도.
도 12는 시뮬레이션한 서지전압 파형도.
도 13은 시뮬레이션한 서지전류 파형도.
도 14는 본 발명 임펄스 전류발생기가 적용된 플랫폼 구성도.
도 15는 본 발명 임펄스 전류발생기가 적용된 플랫폼의 블록 모듈화된 RLC 소자.
본 발명은 신호용 서지보호기(SPD) 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임펄스 시험장치를 이용하여 서지보호 제한전압을 측정하여 성능의 열화 및 적합성 여부를 판정하고 이를 현장에서 적용하기 위해 종래의 고압 변압기, 정류기 형태의 시험전원충전장치를 SMPS 형태의 절연형 컨버터로 구성하여 휴대성 및 사용편의성이 좋도록 기존의 시험 장치의 부피 및 중량을 줄여 휴대성을 높인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기에 관한 것이다.
본 발명 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기(100)는 컨트롤러(110), 고전압 발생부(120)와, 커패시터(130)와, 상기 커패시터(130)에 충전된 전하를 방전시키는 방전스위치(140) 및 펄스성형부(150)로 구성되는 것으로, 상기 고전압 발생부(120)는 직류전압을 발생시켜 컨트롤러(110)에 의해 커패시터(130)에 직류전압을 충전 및 충전되는 출력전압을 조정하며, 상기 펄스성형부(150)는 R-L-C 직병렬회로로 구성되어 고압으로 충전된 커패시터(130)의 전하를 스위치 구동시 R-L 회로로 방전시켜 원하는 파형을 성형하는 것이 특징이다.
상기 고전압 발생부(120)는 휴대성과 안전성을 고려하여 플라이백 컨버터를 적용하는 방식으로 구성되는 것이 특징이다.
상기 플라이백 컨버터는 SMPS 방식의 DC-DC컨버터를 적용하여 부피, 중량 및 물리적 형상을 작게하며, 전류 제어를 통해 대용량의 충전저항을 제거하는 것이 특징이다.
상기 펄스성형부(150)의 R-L-C 파라미터는 PSIM 시뮬레이션 분석에 의해 도출된 값을 선정하여 적용하는 것이 특징이다.
상기 펄스성형부(150)의 R-L-C회로의 저항은 인덕턴스 성분을 줄이기 위해 무유도 방식의 권선저항으로 제작하는 것이 특징이다.
상기 방전스위치(140)는 FET 반도체 스위치를 사용하여 스위치 동작시간을 수ms 이하로 제어하여 부스퍼 파형과 같은 반복적인 펄스파형의 발생가능한 것이 특징이다.
상기 컨트롤러(110)는 마이크로프로세서 기반으로 커패시터의 충전전압 및 방전스위치를 제어하기 위한 것으로, 디바이더 회로 및 디스플레이 회로를 포함하는 것이 특징이다.
본 발명 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 임펄스 전류발생기의 기본 구성도, 도 2는 본 발명 임펄스 발생기의 구성도, 도 3은 플라이백 컨버터 기본회로도, 도 4는 플라이백 컨버터에서 메인스위치의 턴-온시 흐름도, 도 5는 플라이백 컨버터에서 메인스위치의 턴-오프시 흐름도, 도 6은 이중 지수함수 파형도, 도 7은 서지 발생기 전압부분 기본회로도, 도 8은 이중 지수함수 회로의 라플라스 변환회로도, 도 9는 서지 발생기 전류부분 기본회로도, 도 10은 서지 발생기를 단순화한 회로도, 도 11은 PSIM으로 설계한 파형 성형회로도, 도 12는 시뮬레이션한 서지전압 파형도, 도 13은 시뮬레이션한 서지전류 파형도이다.
임펄스 발생기의 기본회로는 저항, 인덕터, 커패시터로 구성된 R-L-C 직병렬회로로써 도 1에 도시된 바와 같다.
임펄스 발생을 위해서는 커패시터에 충전된 전하를 방전스위치를 통해 방전시키면 R-L-C 회로 정수에 따라 감쇄진동파, 진동파 등의 원하는 파형을 부하측에 전달하는 원리이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명 임펄스 발생기(100)는 크게 고전압 발생부(120), 펄스성형부(150), 방전스위치(140), 컨트롤러(110) 등으로 구성되어 있다.
도 2에 의해 본 발명 임펄스 발생기(100)를 간단히 설명하면, 임펄스 전압 발생을 위해 최초에 플라이백 컨버터로 구성된 고전압 발생부(120)를 통해 커패시터(110)를 충전시키고 방전스위치(140)와 펄스성형부(150)를 거쳐 시험대상물(200)에 임펄스를 인가한다.
이때, 충전전압 및 스위치 구동, 디스플레이 등은 마이크로프로세서 컨트롤러(110)에서 담당하게 된다.
한편, 220볼트 전원이 없는 현장에서도 사용하기 위해 배터리로도 구동이 가능하도록 제작한다.
또한, 디커플러(160)란 임펄스가 시험대상물(200)인 서지보호기에만 인가되고 서지보호기와 같은 선로에 연결된 다른 경로로 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로 인덕터, 커패시터 를 조합한 고주파 필터이다.
고전압 발생부(120)는 휴대성과 안전성을 고려하여 플라이백 컨버터를 적용하는 방식으로 구성하였다.
최대 3kV의 직류전압이 발생 가능하며 컨트롤러(110)에 의해 커패시터(130)에 충전되는 출력전압을 조정할 수 있다.
펄스성형부(150)는 R-L-C 직병렬회로로 구성되며 고압으로 충전된 커패시터(130)의 전하를 스위치 구동시 R-L 회로로 방전시켜 원하는 파형을 성형한다.
R-L-C 파라미터는 PSIM 시뮬레이션 분석에 의해 도출된 값을 선정하여 적용하였으며 저항은 인덕턴스 성분을 최소화하기 위해 무유도 방식의 권선저항으로 제작하였다.
참고로 권선저항은 원형보빈에 저항선을 감아 저항으로 만드는 것으로 이렇게 제작하면 저항과 더불어 감는 턴수에 따라 인덕턴스 성분도 당연히 포함된다.
무유도 방식이란 이를 줄이기 위하여 예를 들면 두 가닥의 권선을 서로 반대방향으로 교차하여 감는 방식으로 전류의 흐름에 따라 자속의 방향이 서로 상쇄되어 인덕턴스 성분이 제거되고 순수히 저항성분만을 사용하기 위한 것이다.
또한, 빠른 상승 시간을 가지는 급준한 펄스파형을 성형하기 위해서는 인덕턴스성분이 최소화 되어야 한다.
통상 일반적인 전선 1m에는 1uH 정도의 인덕턴스 성분이 존재하며 수 uH의 인덕턴스 성분은 펄스성형시 파형의 외형에 많은 영향을 주무로 이를 최소화하여야 한다.
방전스위치(140)는 커패시터(130)에 충전된 전하를 방전시키기 위한 장치로 동작의 안정성 확보를 위해 솔레노이드 형태의 기계식 스위치가 주로 사용되어 왔다.
이러한 스위치는 절연강도가 우수한 장점이 있는 반면에 턴온 시간이 스위치의 스트로크 및 전극의 거리, 전계강도 등에 따라 다르고 On, OFF 시간이 일정하지 못해 부스터 파형과 같이 연속적인 펄스를 발생하는 곳에는 적용하기가 어렵다.
본 발명에서는 FET 반도체 스위치를 사용하여 스위치 동작시간을 수ms이하의 정도로 제어하여 부스터 파형과 같은 반복적인 펄스파형의 발생가능하도록 구성하였다.
마이크로프로세서 기반의 컨트롤러(110)는 커패시터(130)의 충전전압 및 각종 스위치를 제어하기 위한 것으로 dsPIC_30F5015 프로세서 모듈로 구성하였으며 디바이더 회로 및 디스플레이 회로를 포함한다.
더욱 상세히 고전압 발생부(120)를 설명하면, 고전압 발생부(120)는 커패시터(130)에 직류 고전압을 충전시키기 위한 것으로 종래에는 고압용 변압기, 정류회로, 배전압회로, 충전용 저항 등으로 구성되었다.
이러한 방식은 교류 전압원으로부터 수십kV의 직류전압을 쉽게 얻을 수 있으나 부피, 중량 등의 문제로 휴대용 장비에 적용하기 곤란하다.
본 발명에서는 SMPS 방식의 DC-DC 컨버터를 적용하여 부피, 중량 등의 물리적인 형상을 최소화하고, 전류 제어를 통해 대용량의 충전저항을 제거하고자 하였다.
승압용 DC-DC 컨버터로는 Boost Converter, Buck-Boost Converter, Flyback Converter 등이 있으나 본 발명에서는 안전성 확보를 위해 절연형 SMPS인 Flyback Converter를 사용하였다.
플라이백컨버터의 기본회로를 도 3에 나타내었으며 이는 권선비가 1:1이고 절연성만 무시하면 벅-부스트컨버터와 동일한 구조이다.
컨버터의 동작 원리는 다음과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
MODE1[0-dTs] 에서 도 4와 같이 메인스위치 Q1이 턴-온 되면 0<t≤dTs동안 인덕터(Lp)가 선형적으로 충전이 되고, 다이오드(D1)는 역전압으로 인해 Open 된다.
여기서 k는 시비율이고, Ts는 스위칭 주기이다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
MODE2[dTs-Ts] 에서는 메인스위치 Q1이 턴-오프 되면 kTs<t≤Ts동안 D1이 순방향으로 턴온되므로 도 5와 같이 도통되며 변압기에 저장된 에너지가 2차측으로 전달된다.
펄스성형회로의 설계로는 본 발명에서 발생시키고자 하는 1.2/50㎲ 서지 전압 파형은 식(1)과 같이 이중 지수함수 형태로 표현가능하며 도 6에서와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
식(1)
파형 성형회로의 전압분분은 도 7과 같이 RC 회로로 이루어져 있다.
지수함수는 커패시터의 충방전곡선과 같은 형태를 나타내며 저항은 커패시터의 충전 방전시간을 결정하는 파라미터이다.
도 7에서 커패시터 에 전압이 충전된 상태를 초기조건으로 두고 라플라스를 취하면 도 8의 회로와 같이 바꿀 수 있다.
이 회로는 다음과 같이 분석할 수 있다.
Figure pat00008
식(2)
Figure pat00009
식(3)
위의 수식을 I2에 대하여 정리하면
Figure pat00010
식(4)
와 같고, 출력 E(S)에 대하여 정리하면
Figure pat00011
Figure pat00012
식(5)
와 같다.
이 라플라스 방적식을 역 라플라스 취하면
Figure pat00013
식(6)
Figure pat00014
식(7)
이와 같은 식을 얻을 수 있다.
식(7)을 조금 더 분석해보면 서지 전압이 최대값을 가질 때
Figure pat00015
이 되며, 식(7)로부터 계산하α면
Figure pat00016
가 된다.
Figure pat00017
로 가정한다면,
Figure pat00018
Figure pat00019
식(8)
로 최대 전압이 정의가 된다.
식(9)를 이용하여
Figure pat00020
,
Figure pat00021
에 대한 수식을 정리하면
Figure pat00022
식(9)
Figure pat00023
Figure pat00024
이 되고,
Figure pat00025
라 가정하면
Figure pat00026
식(10)
Figure pat00027
식(11)
로 정리할 수 있다.
식(10)과 식(11)에서
Figure pat00028
라 가정한다면
Figure pat00029
식(12)
Figure pat00030
식(13)
로 나타낼 수 있다.
위 수식에서
Figure pat00031
의
Figure pat00032
는 전압의 상승시간에 영향을 주고,
Figure pat00033
의
Figure pat00034
은 전압의 하강시간을 조절할 수 있는 것을 볼 수 있다.
식(8)의 최대전압의 수식을 식(12)를 사용하여
Figure pat00035
식(14)
식(14)와 같이 정리할 수 있다.
전류를 컨트롤할 수 있는 소자는 인덕터로 전체 회로를 나타내면 도 9와 같다.
여기서 부하측이 단락상태라 가정하면
Figure pat00036
로는 전류가 극소로 흐를 것이므로 무시된다고 보면 도 10에서와 같이 R-L-C 회로도로 나타낼 수 있다.
이 R-L-C회로를 유도하면
Figure pat00037
식(15)
초기 조건을
Figure pat00038
,
Figure pat00039
로 하여 식(15)를 정리하면 소자값에 진동파, 임계진동파, 과진동파가 발생된다.
이때 진동조건은 아래와 같다.
Figure pat00040
: undercritically damped Current
Figure pat00041
: Critically damped Current
Figure pat00042
: Overcritically damped Current
IEC 61000-4-5에는 서지 발생기 전압부분의 파형 상승시간 1.2 에 하강시간 50로 정의되어져 있다.
파형 정의를 사용하여
Figure pat00043
와
Figure pat00044
를 구해야되는데 파형 상승완료 기준 게인은 약 0.95정도 되고 하강 기준 게인은 0.5이다.
Figure pat00045
Figure pat00046
로 나타낼 수 있고
Figure pat00047
의 단위를
Figure pat00048
로 계산하면
Figure pat00049
Figure pat00050
로 값을 얻을 수 있다.
그리고 임펄스 전압 회로를 제작하기 위해서는 위의 과정에서 얻은
Figure pat00051
,
Figure pat00052
의 값과 수식으로
Figure pat00053
의 소자를 계산하고자 한다.
IEC 61000-4-5에 목표전압의 오차율은 ±10%라 명시되어져 있다.
식(14)를 사용하여 Emax값을 구하여야되는데
초기조건으로는 충전전압이
Figure pat00054
, 충전커패시터
Figure pat00055
로 정의하고 계산을 해보면
Figure pat00056
가 되어야 한다.
Figure pat00057
값에 따라
Figure pat00058
값이 바뀌게 되는데 PSIM을 이용해 도 11에서와 같이 회로를 구성하여 저항값 및 커패시턴스를 보정하였다.
Figure pat00059
Figure pat00060
Figure pat00061
전압파형을 기준으로 선정한 소자값을 기본 바탕으로 규정에 명시된 전류파형을 만들어줄 인덕터(
Figure pat00062
) 값을 정하고 저항(
Figure pat00063
)값을 수정해야 한다.
IEC 61643에 따른 3등급 시험파형의 내부 임피던스(전압최대치/전류최대치)를 2옴으로 정의하고 있으므로 전류파형은 전압파형 최대치의 0.5배, 파두장
Figure pat00064
, 파미장
Figure pat00065
를 만족하여야 한다.
출력을 위의 기준에 맞추기 위해서는 Undercritical damped의 수식 범위 내에서 인덕터(
Figure pat00066
) 값과 저항(
Figure pat00067
) 값을 변화시켜 가며 PSIM 시뮬레이션을 하여 아래와 같은 값을 선정하였으며 파형을 도 13에 나타내었다.
Figure pat00068
도 14는 본 발명 임펄스 전류발생기가 적용된 플랫폼 구성도이며, 도 15는 본 발명 임펄스 전류발생기가 적용된 플랫폼의 블록 모듈화된 RLC 소자이다.
도 14 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 임펄스 시험장치를 이용하여 서지보호 제한전압을 측정하여 성능의 열화 및 적합성 여부를 판정하고 이를 현장에서 적용하기 위해 종래의 고압 변압기, 정류기 형태의 시험전원충전장치를 SMPS 형태의 절연형 컨버터로 구성하여 휴대성 및 사용편의성이 좋도록 기존의 시험 장치의 부피 및 중량을 줄여 휴대성을 높였다.
또한, 다양한 형태의 임펄스를 하나의 플랫폼에서 발생시킬 수 있도록 고압충전장치, 방전스위치, 제어장치 등의 회로는 동일하게 공유하고 펄스 파형의 형상에 관계되는 R, L, C 수동소자를 모듈화하여 원하는 파형에 맞게 직병렬회로를 구성하여 쉽게 출력파형의 형태를 변경하여 수십 kV 급의 대용량 발생기용 소자를 모듈화하기는 절연 및 용량 등의 문제로 어려우나 본 발명에 따른 수kV 정도의 신호장치 평가용 발생기에는 적용 가능하다는 등의 현저한 효과가 있다.
100. 임펄스 발생기
110. 컨터롤러 120. 고전압 발생부 130. 커패시터
140. 방전스위치 150. 펄스성형부 160. 디커플러
200. 시험물

Claims (7)

  1. 임펄스 발생기에 있어서,
    상기 임펄스 발생기(100)는 컨트롤러(110), 고전압 발생부(120)와, 커패시터(130)와, 상기 커패시터(130)에 충전된 전하를 방전시키는 방전스위치(140) 및 펄스성형부(150)로 구성되는 것으로,
    상기 고전압 발생부(120)는 직류전압을 발생시켜 컨트롤러(110)에 의해 커패시터(130)에 직류전압을 충전 및 충전되는 출력전압을 조정하며, 상기 펄스성형부(150)는 R-L-C 직병렬회로로 구성되어 고압으로 충전된 커패시터(130)의 전하를 스위치 구동시 R-L 회로로 방전시켜 원하는 파형을 성형하는 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 발생부(120)는 휴대성과 안전성을 고려하여 플라이백 컨버터를 적용하는 방식으로 구성되는 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라이백 컨버터는 SMPS 방식의 DC-DC컨버터를 적용하여 부피, 중량 및 물리적 형상을 작게하며, 전류 제어를 통해 대용량의 충전저항을 제거하는 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펄스성형부(150)의 R-L-C 파라미터는 PSIM 시뮬레이션 분석에 의해 도출된 값을 선정하여 적용하는 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄스성형부(150)의 R-L-C회로의 저항은 인덕턴스 성분을 줄이기 위해 무유도 방식의 권선저항으로 제작하는 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방전스위치(140)는 FET 반도체 스위치를 사용하여 스위치 동작시간을 수ms 이하로 제어하여 부스퍼 파형과 같은 반복적인 펄스파형의 발생가능한 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러(110)는 마이크로프로세서 기반으로 커패시터(130)의 충전전압 및 방전스위치(140)를 제어하기 위한 것으로, 디바이더 회로 및 디스플레이 회로를 포함하는 것이 특징인 신호용 서지보호기 성능평가용 다중 파형 임펄스 발생기.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108304659A (zh) * 2018-02-05 2018-07-20 哈尔滨工业大学 一种基于LabVIEW平台的开关电源测试性分析系统及方法
CN111308286A (zh) * 2020-03-06 2020-06-19 西南交通大学 一种多参数赋权组合下牵引变压器服役年限估算的方法
WO2020170339A1 (ja) * 2019-02-19 2020-08-27 東芝三菱電機産業システム株式会社 インパルス電圧発生装置および電力用半導体スイッチの保護方法
CN117686754A (zh) * 2024-02-01 2024-03-12 忱芯科技(上海)有限公司 一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006287115A (ja) * 2005-04-04 2006-10-19 Mitsubishi Electric Corp Ｄｃ−ｄｃコンバータおよび放電灯点灯装置
KR20100137149A (ko) * 2009-06-22 2010-12-30 한국전기연구원 방전 스위치 및 이를 이용한 임펄스 전류 발생기
KR101232092B1 (ko) * 2012-10-15 2013-02-12 (주)옴니엘피에스 복합 임펄스 전류 발생기

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006287115A (ja) * 2005-04-04 2006-10-19 Mitsubishi Electric Corp Ｄｃ−ｄｃコンバータおよび放電灯点灯装置
KR20100137149A (ko) * 2009-06-22 2010-12-30 한국전기연구원 방전 스위치 및 이를 이용한 임펄스 전류 발생기
KR101232092B1 (ko) * 2012-10-15 2013-02-12 (주)옴니엘피에스 복합 임펄스 전류 발생기

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108304659A (zh) * 2018-02-05 2018-07-20 哈尔滨工业大学 一种基于LabVIEW平台的开关电源测试性分析系统及方法
CN108304659B (zh) * 2018-02-05 2019-05-24 哈尔滨工业大学 一种基于LabVIEW平台的开关电源测试性分析系统及方法
WO2020170339A1 (ja) * 2019-02-19 2020-08-27 東芝三菱電機産業システム株式会社 インパルス電圧発生装置および電力用半導体スイッチの保護方法
JPWO2020170339A1 (ko) * 2019-02-19 2020-08-27
CN111308286A (zh) * 2020-03-06 2020-06-19 西南交通大学 一种多参数赋权组合下牵引变压器服役年限估算的方法
CN111308286B (zh) * 2020-03-06 2021-01-12 西南交通大学 一种多参数赋权组合下牵引变压器服役年限估算的方法
CN117686754A (zh) * 2024-02-01 2024-03-12 忱芯科技(上海)有限公司 一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源
CN117686754B (zh) * 2024-02-01 2024-04-26 忱芯科技(上海)有限公司 一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源

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