KR20170070427A - 캐스케이드 하프 브리지 sscb - Google Patents

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Abstract

CHB SSCB(Cascaded Half Bridge Solid State Circuit Breaker)가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 SSCB는, 반도체 스위치들을 이용하여 정상 동작시 전류의 이동 경로를 제공하는 제1 차단기 및 하프 브리지 컨버터들을 이용하여 사고 발생시 전류의 이동 경로를 제공하는 제2 차단기를 포함한다. 이에 의해, 저비용으로 손실을 줄이며 빠른 차단 동작이 가능하게 된다.

Description

캐스케이드 하프 브리지 SSCB{Cascaded Half Bridge Solid State Circuit Breaker}
본 발명은 전기 스위치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC 회로 차단기와 개폐 장치에 관한 것이다.
종래의 직류 DC 회로 차단기(DC Circuit Breaker)는 철도 직류 전력 시스템(Train DC Power System), 고압직류송전(High Voltage DC Transmission), 기타 산업용, 상업용 직류 시스템 등에 다양하게 사용되고 있다.
일반적으로, 이는 가동 접점(Movable Contact)을 갖는 기계적 스위치를 기반으로 한다. 하지만, 이와 같은 방식의 회로 차단기를 이용한 전류 차단은 근본적으로 차단 동작 중에 발생하는 전기 아크 방전을 제거하는 구조적 한계로 인해 상대적으로 느린 전기 차단 등의 문제점을 가지고 있다.
고전류와 고전압의 회로 동작 조건 아래에서 빠른 전류 차단을 할 수 있는 SSCB(Solid State Circuit Breaker)는 기존의 기계적 스위치 방식의 직류 회로 차단기에 비해 상대적으로 빠른 차단 특성을 가지며 안전하고 신뢰할 수 있는 DC 전류 및 전압 차단에 대한 새로운 지평을 제공하였다.
또한, SSCB는 트립 기능(Tripping Function)에 있어, 기계적 차단기 보다 훨씬 더 많은 유연성을 가지고 있다. 이는, SSCB가 최소 비용으로 다양한 차단 동작을 할 수 있도록 프로그래밍 될 수 있음을 의미한다. 하지만 SSCB는 전력용 반도체 스위치를 직렬 및 병렬 형태로 연결하여 고전류와 고전압을 차단하는 구조적 한계로 인해 많은 수의 전력용 반도체 스위치가 필요하게 되어 기계적 스위치 기반의 차단기에 비해 제품 단가가 비교적 높고 정상상태에서는 전기적 도통 손실이 증가하는 단점이 있다.
전기적 SSCB 보다 한층 개선된 형태인 하이브리드 (Hybrid) SSCB는 종래의 기계적 스위치와 전기적 SSCB를 혼합한 회로 차단기로서 기계적 차단기 보다는 작은 용량의 기계적 스위치와 SSCB 보다는 작은 용량의 전력용 반도체 스위치를 채용하여 비용 및 전기적 도통 손실의 상승 없이 비교적 빠른 회로 차단이 가능하게 되었다. 하지만 하이브리드 SSCB는 기계적 스위치와 전력용 반도체 스위치가 혼합되어 동작되는 구조로 인해 기계적 스위치와 전력용 반도체 스위치의 스위칭 동작에 있어 정교한 상대적 시간 동기 제어가 필요하게 된다. 또한, 전기적 SSCB와 하이브리드 SSCB는 기계적 스위치 방식의 차단기와는 다르게 직류 전력선 경로에서 고장으로 인한 전류의 갑작스런 차단으로 인해 발생하는 과도 전압을 억제하기 위해, 공통적으로 서지 어레스터(Surge Arrestor)를 장착하고 있다. 하지만, 서지 어레스터는 추가적인 비용 상승 및 수명 한계에 의한 주기적 부품 교체를 필요로 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 하이브리드 SSCB에서 저비용으로 차단기의 전기적 도통 손실을 줄이고 시간 동작 제어의 신뢰성을 높이며 서지 어레스터를 줄이기 위한 방안으로, 직렬 연결 구조 하프 브리지 컨버터(Cascaded Half Bridge Converter)를 포함하는 SSCB를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, SSCB(Solid State Circuit Breaker)는, 반도체 스위치들을 이용하여, 정상 동작시 전류의 이동 경로를 제공하는 제1 차단기; 및 하프 브리지 컨버터들을 이용하여, 선로 사고 발생시 전류의 이동 경로를 제공하는 제2 차단기;를 포함한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 SSCB는, 직류 전압원 소스와 상기 제1 차단기 사이에 연결되어, 스위칭 동작하는 기계적 스위치;를 더 포함
또한, 상기 제1 차단기는, 소스에서 부하로 전류를 스위칭하는 제11 스위치; 및 부하에서 소스로 전류를 스위칭하는 제12 스위치;를 포함
그리고, 상기 제11 스위치와 상기 제12 스위치는, 상기 정상 동작시, 턴-온 될 수 있다.
또한, 상기 제2 차단기는, 제21 스위치와 제22 스위치가 제1 커패시터에 병렬로 연결되되 서로 반대방향으로 연결된 제1 하프 브리지 컨버터; 및 제23 스위치와 제24 스위치가 제2 커패시터에 병렬로 연결되되 서로 반대방향으로 연결된 제2 하프 브리지 컨버터;를 포함할 수 있다.
그리고, 부하에서 사고 발생시, 상기 제21 스위치, 상기 제22 스위치, 상기 제23 스위치 및 상기 제24 스위치가 모두 턴-온 된 후, 상기 제11 스위치와 상기 제12 스위치가 턴-오프 되어, 상기 제21 스위치 및 상기 제23 스위치를 통해 전류가 흐르는 경로가 생성될 수 있다.
또한, 상기 제11 스위치와 상기 제12 스위치가 턴-오프 된 후, 상기 기계적 스위치가 턴-오프 될 수 있다.
그리고, 상기 기계적 스위치가 턴-오프 된 후, 상기 제21 스위치 및 상기 제23 스위치가 턴-오프 되어, 상기 제22 스위치, 상기 제1 커패시터, 상기 제24 스위치 및 상기 제2 커패시터를 통해 전류가 흐르는 경로가 생성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 스위칭 제어 방법은, 제1 차단기가, 반도체 스위치들을 이용하여, 정상 동작시 전류의 이동 경로를 제공하는 단계; 및 제2 차단기가, 하프 브리지 컨버터들을 이용하여, 사고 발생시 전류의 이동 경로를 제공하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 정상 동작 모드에서, 전류가 메인 차단기를 통해 흐르지 않고, 손실이 거의 없는 기계적 스위치를 이용하며 낮은 도통 저항과 낮은 전도 전압 강하(Conduction Voltage Drop)를 갖는 보조 차단기를 통해 흐르므로, 정상 상태 손실을 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 정상 상태의 손실이 없기 때문에, 냉각 시스템을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들에 따르면, 메인 차단기에 전류를 차단함에 있어, 보조 차단기의 스위치들을 이용하여 기계적 스위치 개방시의 아크 발생을 방지할 수 있게 된다. 이는 비교적 소용량의 저가형 기계적 스위치를 사용할 수 있는 장점을 만들어 낼 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예들에 따르면, 메인 차단기는 커패시터가 연결된 하프 브리지 컨버터를 포함하기 때문에, 차단 동작의 신뢰성과 차단기 수명 연장을 위한 서지 어레스터의 용량이 줄어들고 커패시터의 용량 증대에 따라서는 서지 어레스터가 아예 필요 없게 될 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하프 브리지 컨버터의 직렬 연결 모듈 구조로 인해 다양한 전압 전류 용량 직류 차단 시스템의 유연한 설계가 가능해 진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB SSCB의 회로도,
도 2는 정상 동작 모드에서, CHB-SSCB의 동작의 설명에 제공되는 도면,
도 3은 사고 관리 모드에서, CHB-SSCB의 동작의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 4는 사고 정리 모드에서, CHB-SSCB의 동작의 설명에 제공되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
DC 회로망의 상대적으로 작은 인덕턴스로 인해, DC 시스템에서 사고/고장 전파 속도는 AC 시스템 보다 빠르다. 또한, DC 시스템은 계통에서의 단락 사고 발생 시 AC 시스템과는 달리 영점을 주기적으로 지나지 않는 비-제로 크로싱(Non-zero Crossing) 전압 및 전류 특성을 갖는다. 따라서, DC 회로 차단기는 AC 회로 차단기에 비해 영전압과 영전류에서의 단락이 상대적으로 어려워 기계적 스위치의 차단 동작 중에 발생하는 아크 제거가 매우 힘들어 지는 문제가 발생한다. 전력용 반도체를 사용하여 회로를 차단할 수 있는 전기적 SSCB는 DC 시스템에서 기계적인 회로 차단기의 유용한 대안이 된다. SSCB는 기계적 방식의 차단기에 비해 근본적으로 아크가 발생하지 않고, 가벼우며, 특히 차단에 필요한 동작 시간이 현저하게 작아져 사고 발생 후 빠르고 안전한 회로 차단이 가능해져 DC 회로망의 전기 장치를 사고로부터 안전하게 보호할 수 있는 장점을 갖고 있다.
본 발명의 실시예에서는, 중/저 전압(Medium/Low Voltage)의 DC 전류 차단을 위한 SSCB를 제시한다. 이는, 지하철 시스템과 같은 직류 철도 전원 시스템을 위한 하이브리드 SSCB로 활용 가능함은 물론, 그 밖의 다른 시스템, 고압 송전선, 기타 산업용, 상업용 DC 시스템 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB SSCB(Cascaded Half Bridge Solid State Circuit Breaker)의 회로도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB SSCB는, 소스(1)와 부하(6) 사이에 연결된다.
환언하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB SSCB는, 전류 경로, 예를 들면, 전력 전송 선로(이를 테면, HVDC 전력 전송 선로) 또는 분배 선로에 직렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB SSCB는, FDS(2), 보조 차단기(4), 메인 차단기(5)를 포함한다.
FDS(Fast Disconnector Switch)(2)는 기계적인 스위치로, 고속으로 동작한다. FDS의 고속 동작은 무부하시(영전류) 차단 기능으로 가능해 진다. FDS(2)는 직류 전압원 소스(1)와 보조 차단기(4)의 사이에 연결된다.
보조 차단기(4)는 병렬 연결된 2개의 스위치들(10, 11)을 포함한다. 스위치들(10, 11)은 반도체 스위치(Semiconductor Switch)로 구현한다.
스위치-1(10)은 소스(1)에서 부하(6)로의 경로 연결을 스위칭하고, 스위치-2(11)은 부하(6)에서 소스(1)로의 경로 연결을 스위칭한다.
메인 차단기(5)는 차단기의 전체 전류 전압 용량에 따라 복수의 하프 브리지 컨버터로 구성 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 도면 설명의 편의를 위해 2개의 하프 브리지 컨버터들로 구성된다. 하프 브리지 컨버터들은 스위치들(12,13)과 커패시터(14)로 구성된다. 스위치들(12,13)은 반도체 스위치로 구현한다.
스위치들(12,13)은 커패시터(14)에 병렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 연결된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 CHB SSCB는, 스위치들(10, 11, 12, 13)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어기(미도시)를 더 포함하며, 제어기에 의해 다음과 같이 각기 다른 모드에 따라 스위치들(10, 11, 12, 13)의 스위칭 동작이 제어된다.
도 2는 정상 동작 모드(Normal Operating Mode)에서, CHB-SSCB의 동작의 설명에 제공되는 도면이다.
정상 동작 모드에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, FDS가 닫히고, 보조 차단기의 스위치-1,2(SA1, SA2)는 턴-온 된다. 반면, 메인 차단기의 스위치들(SM1, SM2, SM3, SM4)은 모두 턴-오프 된다.
이에 따라, 전류는 FDS와 보조 차단기의 스위치들(SA1, SA2)를 통해서만 흐르며, 전류가 흐르는 이 경로를 보조 경로(auxiliary path) 라고 명명한다.
보조 경로의 전도 손실(Conduction Loss)은 메인 차단기를 통해 전류가 흐르는 경로인 메인 경로의 전도 손실 보다 낮다. 또한, 보조 경로는 직류 전압원 소스(DC)에서 부하(RLoad)로 그리고 부하(RLoad)에서 소스(DC)로의 양방향 전류 흐름을 갖는다.
도 3은 사고 관리 모드(Fault Management Mode)에서, CHB-SSCB의 동작의 설명에 제공되는 도면이다.
CHB-SSCB와 부하(RLoad) 사이의 전송 선로 또는 분배 선로(Distribution Line) 에서 단락 또는 고장 등의 사고가 발생하면, 메인 차단기의 스위치들(SM1, SM2, SM3, SM4)이 모두 턴-온 된다.
메인 차단기의 스위치들(SM1, SM2, SM3, SM4)은 보조 차단기의 스위치들(SA1, SA2)이 턴-오프 되기 전에 턴-온 된다. 그리고, 보조 차단기의 스위치들(SA1, SA2)이 턴-오프 되기 전까지, 전류는 여전히 보조 경로를 통해 흐른다.
하지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 보조 차단기의 스위치들(SA1, SA2)이 모두 턴-오프 되면, 전류는 메인 차단기의 스위치-1(SM1)과 스위치-3(SM3)을 통해 흐른다.
이와 같이, 보조 경로로부터 전류를 끌어내기 때문에, 이를 사고 관리라고 명명하였다. 이는, FDS를 영전류에서 아크 발생 없이 개방할 수 있도록 하는 조건을 제공한다. 이후, 전압 스파이크로부터 보조 차단기의 스위치들(SA1, SA2)을 완전하게 보호하기 위해, FDS를 개방시킨다.
도 4는 사고 정리 모드(Fault Clearance Mode)에서, CHB-SSCB의 동작의 설명에 제공되는 도면이다.
메인 차단기의 스위치들(SM1, SM2, SM3, SM4)이 모두 턴-온 된 상태에서, 보조 차단기의 FDS가 개방된 직후, 메인 차단기의 스위치-1,3(SM1, SM3)을 턴-오프 시킨다.
이에, 메인 차단기의 스위치-2,4(SM2, SM4)를 통해 흐르는 전류에 의해 커패시터-1,2(C1, C2)가 충전된다.
커패시터-1,2(C1, C2)가 충전되면, 메인 차단기는 완전한 차단에 필요한 제로-크로싱 조건(Zero-crossing Condition)에 이르게 된다.
지금까지, CHB SSCB에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
도 1 내지 도 4에서 제시한 메인 차단기의 구조는 예시적인 것에 불과하다. 도 1에서는 2개의 하프 브리지 컨버터들이 직렬로 연결된 구조의 메인 차단기를 상정하였으나, 다른 구조로 변경이 가능하다. 이를 테면, 직렬 연결된 하프 브리지 컨버터들의 개수를 증가시킬 수 있음은 물론, 병렬 연결된 다수의 하프 브리지 컨버터들을 직렬로 연결하여 메인 차단기를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
FDS
SA1, SA2 : 보조 차단기 스위치
SM1, SM2, SM3, SM4 : 메인 차단기 스위치
C1, C2 : 커패시터

Claims (9)

  1. 반도체 스위치들을 이용하여, 정상 동작시 전류의 이동 경로를 제공하는 제1 차단기; 및
    하프 브리지 컨버터들을 이용하여, 장애 발생시 전류의 이동 경로를 제공하는 제2 차단기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SSCB(Solid State Circuit Breaker).
  2. 청구항 1에 있어서,
    소스와 상기 제1 차단기 사이에 연결되어, 스위칭 동작하는 기계적 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 차단기는,
    소스에서 부하로 전류를 스위칭하는 제11 스위치; 및
    부하에서 소스로 전류를 스위칭하는 제12 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제11 스위치와 상기 제12 스위치는,
    상기 정상 동작시, 턴-온 되는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 차단기는,
    제21 스위치와 제22 스위치가 제1 커패시터에 병렬로 연결되되 서로 반대방향으로 연결된 제1 하프 브리지 컨버터;
    제23 스위치와 제24 스위치가 제2 커패시터에 병렬로 연결되되 서로 반대방향으로 연결된 제2 하프 브리지 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  6. 청구항 1에 있어서,
    부하에서 사고 발생시, 상기 제21 스위치, 상기 제22 스위치, 상기 제23 스위치 및 상기 제24 스위치가 모두 턴-온 된 후, 상기 제11 스위치와 상기 제12 스위치가 턴-오프 되어, 상기 제21 스위치 및 상기 제23 스위치를 통해 전류가 흐르는 경로가 생성되는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제11 스위치와 상기 제12 스위치가 턴-오프 된 후, 상기 기계적 스위치가 턴-오프 되는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기계적 스위치가 턴-오프 된 후, 상기 제21 스위치 및 상기 제23 스위치가 턴-오프 되어, 상기 제22 스위치, 상기 제1 커패시터, 상기 제24 스위치 및 상기 제2 커패시터를 통해 전류가 흐르는 경로가 생성되는 것을 특징으로 하는 SSCB.
  9. 제1 차단기가, 반도체 스위치들을 이용하여, 정상 동작시 전류의 이동 경로를 제공하는 단계; 및
    제2 차단기가, 하프 브리지 컨버터들을 이용하여, 사고 발생시 전류의 이동 경로를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 제어 방법.
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