KR20180062662A - Ｄｃ 차단기 - Google Patents

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KR20180062662A
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송승민
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부경대학교 산학협력단
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Abstract

DC 차단기는 커패시터의 충전을 위한 스위칭 동작이 요구되지 않으며 이에 따라 충전 동작으로 인한 차단 동작의 지연이 발생하지 않는 효과가 있다.
DC 차단기는 부하 측에 단락 사고가 발생하면 LC 공진 전류에 의해 신속하게 차단되고 부하 측에 단락 사고가 지속되는 상황에서도 커패시터의 재충전이 가능하므로 차단 동작을 즉시 수행할 수 있다.

Description

ＤＣ 차단기{DC Circuit Breaker}
본 발명은 DC 차단기에 관한 것으로서, 특히 커패시터의 충전을 위한 스위칭 동작이 요구되지 않으며 이에 따라 충전 동작으로 인한 차단 동작의 지연이 발생하지 않는 DC 차단기에 관한 것이다.
전력 효율을 높일 수 있는 DC 전송이 주요 관심사가 됨에 따라 안정성에 대한 기술이 큰 문제로 대두되고 있다. 특히, DC 그리드는 사고 발생 시 신속한 차단이 이루어지지 않는다면 큰 사고 전류로 인한 전기적 아크 또는 스파크가 발생하여 화재의 원인이 된다. 따라서, DC 전송의 높은 안정성을 확보하기 위해서는 신뢰도가 높은 DC 차단기(DC Circuit Breaker)가 요구된다.
DC 차단기에 요구되는 주요 기능은 신속한 차단 동작과 동작 책무 수행이다.
기존의 DC 차단기는 차단동작을 즉시 수행하지 못하거나 복잡한 차단동작으로 인해 신속한 차단이 이루어지지 않는 단점이 있다.
또한, 짧은 시간의 단락 사고는 사고의 차단 이후에 전력을 빠르게 재공급해야 하지만 차단 상태로 오랜 시간동안 유지되는 경우 2차 경제적 손실이 발생한다.
이러한 이유로 DC 차단기는 재투입 동작과 재차단 동작을 반복 수행해야 하는 동작 책무 조건이 규정되어 있다.
DC 차단기에 사용되는 반도체 스위칭 소자에는 여러가지가 있으나 SCR을 사용하는 것이 경제적이며 도통 손실이 매우 작다.
하지만 SCR을 이용한 기존의 차단기들은 대부분 전원 전류가 가능한 AC 그리드에 기반을 두고 제안되었기 때문에 DC 그리드에 그대로 적용하기가 어렵다.
따라서, DC 그리드에는 AC 차단기와 다른 구조를 갖는 DC 차단기에 관한 연구가 필요하다.
도 1은 종래 기술에 따른 DC 차단기의 구성을 나타낸 도면이다.
DC 차단기(30)는 S1(31)을 통해 부하(20)로 에너지가 공급되고, S1(31)이 턴온된 상태에서 S3(34)를 턴온하면 전류 커패시터(33)의 충전이 이루어진다.
DC 차단기(30)는 전류 커패시터(33)의 충전이 완료된 상태에서 부하(20) 측에 사고가 발생하면 S2(32)를 턴온하여 차단 동작을 수행한다.
하지만 전류 커패시터(33)는 자연 방전으로 인해 전압이 감소하므로 전압을 유지하기 위해서는 S3(34)의 지속적인 스위칭 동작이 요구된다. 이로 인하여 DC 차단기(30)는 사고 발생 시 충전을 위한 S3(34)의 스위칭 동작이 완료된 후에 차단 동작을 수행하게 되므로 신속한 차단 동작이 이루어지지 않는다.
즉, 기존의 DC 차단기(30)는 충전 동작으로 인한 차단 동작의 지연이 발생하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 커패시터의 충전을 위한 스위칭 동작이 요구되지 않으며 이에 따라 충전 동작으로 인한 차단 동작의 지연이 발생하지 않는 DC 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 부하 측에 단락 사고가 발생하면 LC 공진 전류에 의해 신속하게 차단되고 부하 측에 단락 사고가 지속되는 상황에서도 커패시터의 재충전이 가능하므로 차단 동작을 즉시 수행할 수 있는 DC 차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 DC 차단기는,
서로 직렬로 연결된 커패시터와 인덕턴스로 이루어진 LC회로와 직렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 제2 반도체 스위칭소자;
직렬로 연결된 상기 LC 회로와 상기 제2 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 제1 반도체 스위칭소자;
상기 제1 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결된 제1 다이오드; 및
상기 LC 회로에 병렬로 연결되어 상기 커패시터를 재충전하는 제2 저항과 제3 반도체 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 LC 회로와 상기 제2 반도체 스위칭소자의 접점과 접지 사이에는 상기 커패시터의 충전을 위한 충전 저항인 제1 저항과 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 반도체 스위칭소자가 턴온이 되면, 상기 제2 저항, 상기 제3 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로의 경로인 재충전 루프에 의해서 부하 측에 단락 상태가 지속되는 상태에서도 상기 커패시터의 재충전을 수행하고, 상기 재충전을 통해 충전된 상기 커패시터의 전압으로 부하측에 에너지를 공급하는 재투입 동작과 각 소자에 흐르는 단락 사고 전류를 차단하는 재차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 DC 차단기는,
서로 직렬로 연결된 커패시터와 선로의 기생 인덕턴스로 이루어진 LC회로와 직렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 제2 반도체 스위칭소자;
직렬로 연결된 상기 LC 회로와 상기 제2 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 기계식 스위치;
상기 제1 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결된 제1 다이오드; 및
상기 LC 회로에 병렬로 연결되는 제3 반도체 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 커패시터의 자연 충전이 이루어지는 간단한 구조로 커패시터를 충전하기 위한 스위칭 동작이 요구되지 않으므로 차단 동작의 지연이 발생하지 않는 효과가 있다.
본 발명은 부하 측에 단락 사고가 지속되는 상황에서도 커패시터의 재충전이 가능하므로 차단 동작, 재투입 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 DC 차단기를 구성하는 소자가 적기 때문에 도통 손실이 적으며 경제적인 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 DC 차단기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기(Circuit Breaker)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 각 모드에 따른 회로의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 각 모드에 따른 동작 파형을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 충전모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 차단모드의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 차단모드에서 각 소자의 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 충전모드에서의 커패시터의 전압과 전류의 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차단모드에서 나타나는 각 소자의 전류 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 재충전모드에서 커패시터의 전압과 전류의시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 재충전모드와 재차단 동작에서 나타나는 커패시터의 전압과 전류의 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 재충전모드와 재차단 동작에서 나타나는 각 소자의 전류 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 DC 차단기와 기존 DC 차단기의 차단 시간을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 차단기(Circuit Breaker)의 구성을 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 커패시터의 충전을 위한 스위칭 동작이 요구되지 않으며 이에 따라 차단 동작의 지연이 발생하지 않는 DC 차단기를 제시한다. 또한 본 발명의 DC 차단기는 단락 사고가 지속되는 상황에서도 커패시터의 재충전이 가능하므로 동작책무를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기(DC Circuit Breaker)의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기(100)는 선로 인덕턴스(Ls)(14)와 선로 저항(Rs)(12)을 직렬로 연결한 전원부와 부하(Load)(20)의 사이에 병렬로 연결된다.
DC 차단기(100)는 LC 회로(101, 102)와 제2 반도체 스위칭소자(S2)(103)의 직렬로 연결되고, 직렬로 연결된 LC 회로(101, 102)와 제2 반도체 스위칭소자(S2)(103)에 제1 반도체 스위칭소자(S1)(104)와 병렬로 연결되고, 제1 반도체 스위칭소자(S1)(104)에 제1 다이오드(D1)(105)가 병렬로 연결되며, LC 회로(101, 102)에 병렬로 연결되어 커패시터(101)를 재충전하는 제2 저항(R2)(106)과 제3 반도체 스위칭소자(S3)(107)를 포함한다.
여기서, LC 회로(101, 102)는 서로 직렬로 연결된 커패시터(101)와 인덕턴스(102)를 포함하고, 제1 반도체 스위칭소자(S1)(104), 제2 반도체 스위칭소자(S2)(103), 제3 반도체 스위칭소자(S3)(107)는 정류 다이오드로 스위치(Gate)가 형성된 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 나타낸다.
제1 반도체 스위칭소자(S1)(104)와 제1 다이오드(D1)(105)는 각각 턴온 또는 턴온/턴오프로 제어 가능하고 상호 반대 방향으로 병렬 연결된다.
DC 차단기(100)는 LC 회로(101, 102)와 제2 반도체 스위칭소자(S2)(103)의 접점과 접지 사이에 커패시터(101)의 충전을 위한 충전 저항인 제1 저항(R1)(105)과 제2 다이오드(D2)(109)가 연결된다.
이러한 제1 저항(R1)(105)과 제2 다이오드(D2)(109)를 통해 커패시터(101)가 DC 전압만큼 충전된다.
DC 차단기(100)는 정상 운전 시 제1 반도체 스위칭소자(S1)(104)를 통해 부하(20) 측으로 에너지가 전달되고, 부하(20) 측에 단락 사고가 발생하면 LC 공진 전류(S2->C->L)에 의해 신속하게 차단된다.
DC 차단기(100)는 사고 전류를 차단하기 위한 보조 스위치인 제2 반도체 스위칭소자(S2)(103)와 커패시터(101)를 재충전하기 위한 보조 스위치인 제3 반도체 스위칭소자(107)의 2개이므로 구조가 간단하고 경제적이다.
모든 SCR은 턴온과 턴오프 시 LC 공진 전류를 이용한 ZVS(Zero Voltage Switching)과 ZCS(Zero Current Switching) 동작을 수행하므로 스위칭 손실이 작다.
DC 차단기(100)는 부하(20) 측에 단락 사고가 지속되고 있는 상황에서도 커패시터(101)의 재충전이 가능하므로 동작 책무에 따른 재투입과 재차단 동작을 수행할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 각 모드에 따른 회로의 동작을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 각 모드에 따른 동작 파형을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 충전모드의 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 차단모드의 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 DC 차단기의 차단모드에서 각 소자의 전류 파형을 나타낸 도면이다.
본 발명의 DC 차단기(100)는 커패시터(101)를 충전하는 충전모드(t1 ~ t2), 부하(20)에 에너지를 공급하는 정상모드(t2 ~ t3), 사고 전류를 차단하는 차단모드(t3 ~ t8), 커패시터(101)를 재충전하는 재충전모드(t8 ~ t9)로 나누어진다.
시간 t3에서 단락 사고가 발생하면, 차단모드가 시작되고, 사고 전류가 전부하 전류의 3 내지 4배를 초과하는 t4가 되면 단락 사고로 판별되어 제2 반도체 스위칭소자(103)는 턴온이 된다. 차단모드가 완료되면 DC 차단기(100)는 재투입 동작을 수행하기 위해서 커패시터(101)가 재충전되는 재충전모드를 갖는다.
각 모드에 따른 동작 특성은 다음과 같다.
(a) 모드 1(충전모드: t1 ~ t2)
본 발명의 DC 차단기(100)는 LC 공진 전류를 이용하여 사고 전류를 차단하므로 커패시터(101)의 충전이 선행되어야 한다.
따라서, 모드 1에서는 제1 반도체 스위칭소자(104)를 턴온하여 차단에 요구되는 전압으로 커패시터(101)를 충전하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 시간 t1에서 제2 다이오드(109)가 턴온이 되면 커패시터(101)에는 과제동의 충전 전류(ic)가 흐르게 된다. 과제동의 충전 전류는 전부하 전류보다 크지만 단락 사고 전류보다 작으므로 문제가 없다.
(b) 모드 2(정상모드: t2 ~ t3)
모드 2는 DC 차단기(100)의 정상 운전 모드로서 제1 반도체 스위칭소자(104)를 통해 부하(20)에 에너지를 전달하게 된다. DC 차단기(100)에 사용되는 AC 커패시터(101)는 누설 저항이 작으므로 자연 방전으로 인해 커패시터(101)의 충전 전압(Vc)이 감소하게 된다.
그러나 도 5에 도시된 바와 같이, 커패시터 전압은 제2 다이오드(109)를 통해 작은 충전 전류가 흐르게 되므로 Vc(t2)를 유지하게 된다.
(c) 모드 3(정상모드: t3 ~ t4)
모드 3은 부하(20) 측에 단락 사고가 발생하여 사고 전류(is)가 증가하는 구간이다. 단락 전류는 t3부터 급격하게 증가하지만 사고로 판단되는 기준 전류보다 작다. 따라서, DC 차단기(100)는 정상으로 동작을 하게 된다.
사고 전류의 증가율은 선로 인덕턱스(Ls)에 의해 결정되며 단락 사고로 판단되는 가 되면 차단모드가 시작된다.
(d) 모드 4(차단모드: t4 ~ t5)
도 6은 단락 사고 발생시 DC 차단기(100)의 차단모드(모드 4 내지 7, t4 ~ t8)의 등가 회로이며, 도 7은 차단모드에서 각 소자의 전류 파형을 나타낸다.
모드 4는 제1 반도체 스위칭소자(104)가 턴오프 되는 구간이다. 시간 t4가 되면 제2 반도체 스위칭소자(103)는 턴온이 되어 LC 공진 전류(iS2)가 흐르게 된다.
제1 반도체 스위칭소자(104)는 LC 공진 전류(iS2)가 점차 증가하여 단락 전류 iS와 같아지는 시간 t5가 되면 전류 iS1가 0[A]가 되므로 턴오프 된다.
(e) 모드 5(차단모드: t5 ~ t6)
시간 t5가 되면 도 7의 LC 공진 전류(iS2)는 단락 전류 iS보다 커지게 된다. 따라서, 시간 t5 ~ t6 구간동안 LC 공진 전류(iS2)와 단락 전류 iS의 차이만큼 제1 다이오드(105)에 전류 iD1이 흐르게 된다.
LC 공진 전류(iS2)와 단락 전류 iS의 크기가 다시 같아지는 시간 t6이 되면 제1 다이오드(105)는 오프된다.
(f) 모드 6(차단모드: t6 ~ t7)
모드 6에서는 제1 다이오드(105)가 오프 상태이므로 전류 iS2와 단락 전류 iS는 같은 전류가 흐르게 된다.
따라서, 선로 인덕턴스(Ls)(14)와 L(102)의 합성 인덕턴스에 의한 LC 공진 전류가 흐르게 된다.
LC 공진 전류(iS2)는 점차 감소하여 시간 t7이 되면, 제2 반도체 스위칭소자(103)는 자연적으로 턴오프가 된다. 커패시터(101)는 역방향의 최대 전압으로 충전이 된다.
(g) 모드 7(차단모드: t7 ~ t8)
모드 7은 각 소자에 흐르는 모든 단락 사고 전류가 차단이 되어 에 전류가 흐르지 않는 구간이다.
(h) 모드 8(차단모드: t8 ~ t9)
모드 8은 차단모드에서 사용된 커패시터(101)를 재충전하는 구간이다.
DC 차단기(100)는 재투입 동작을 수행하기 이전에 재차단 동작이 가능하도록 차단에 요구되는 전압으로 커패시터(101)를 재충전해야 한다.
DC 차단기(100)는 제3 반도체 스위칭소자(107)가 턴온이 되면 도 3d의 (h)의 재충전 루프처럼 R2-S3-L-C 경로를 통해 커패시터(101)의 재충전이 이루어진다.
DC 차단기(100)는 부하(20) 측에 단락 상태가 지속되는 상태에서도 커패시터(101)의 재충전이 가능한 장점이 있다.
재충전모드에서 재충전되는 커패시터(101)의 전압은 외부에서 인가되는 전압이 없으므로 제2 저항(R2)(106)에 의해 크게 좌우된다.
만약 제2 저항(106)이 0옴인 경우, 커패시터(101)의 전압(Vc)은 -Vcmax에서 +Vcmax로 재충전이 된다. 따라서, 커패시터(101)의 재충전 전압은 제2 저항(106)을 이용하여 제어할 수 있다.
커패시터(101)의 재충전 전압이 결정되면, 재차단 동작이 가능하지를 확인해야 한다. 충전모드에서 커패시터(101)는 입력 전압(Vs)만큼 충전이 되지만 재충전모드에서는 커패시터(101)가 입력 전압(Vs)보다 낮은 전압으로 재충전된다.
따라서, 최초의 사고 차단은 가능하지만 재차단 동작 시 차단이 되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이와 같은 경우, LC 공진 전류(iS3)의 최대값이 커지도록 L과 C를 재선정하면 된다.
재충전이 완료되면 DC 차단기(100)는 재투입 동작(모드 2: t2 ~ t3)을 하게 되며 단락 사고가 지속되고 있다면 재차단 동작(모드 4 내지 7)을 수행하게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 충전모드에서의 커패시터의 전압과 전류의 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 차단모드에서 나타나는 각 소자의 전류 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 재충전모드에서 커패시터의 전압과 전류의시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 재충전모드와 재차단 동작에서 나타나는 커패시터의 전압과 전류의 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 재충전모드와 재차단 동작에서 나타나는 각 소자의 전류 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명의 DC 차단기와 기존 DC 차단기의 차단 시간을 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 13은 충전모드, 차단모드, 재충전모드를 시뮬레이션한 파형이며, 시뮬레이션 파라미터는 다음과 같다.
Power rating => 5[kW], 280[Vdc]
Full load current => 13.1[A]
Line impedance RL, LL => 50[mΩ], 100[uH]
Range of trip setting => 13.1[A] -> 50[A]
Short fault switch resistance => 100[mΩ]
L => 25[uH], ipeak=1000[A]
C => 100[μF], 1200[VAC]
R1 => 50[Ω], 40[W]
R2 => 0.5[Ω], 40[W]
SCR => 1600[V], iav=70[A], ipeak=1600[A]
도 8은 충전모드에서 S1과 S2가 턴온이 되면서 나타나는 커패시터(101)의 전압과 전류의 시뮬레이션 파형이다.
도 9는 부하(20) 측에 단락 사고가 발생하여 DC 차단기(100)의 차단모드에서 나타나는 iS, iS2, iS1, iD1의 시뮬레이션 파형이다.
도 9에 도시된 바와 같이, LC 공진 전류(iS2)에 의해 제1 반도체 스위칭소자(104)가 턴오프가 되고 단락 전류 iS는 약 300 ㎲만에 차단되는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 재충전모드에서 커패시터(101)의 전압(Vc)과 전류(iC)의 시뮬레이션 파형이며, 재충전모드에서 제2 반도체 스위칭소자(103)를 턴온하여 커패시터(101)가 원활하게 재충전되는 것을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, DC 차단기(100)의 재충전모드는 부하(20) 측이 단락 상태에서도 커패시터(101)의 재충전이 가능해야 한다. 따라서, 본 발명의 DC 차단기(100)는 단락 사고가 지속적으로 유지되는 상태에서 커패시터(101)의 재충전이 원활하게 이루어지는지 확인하였다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, DC 차단기(100)는 재충전모드를 통해 충전된 커패시터(101)의 전압으로 재차단 동작이 가능하다는 것을 확인하기 위해 지속적으로 단락 사고 상태를 유지한 후 DC 차단기(100)의 재투입과 재차단 동작을 반복 수행하여 동작 특성을 확인하였다.
도 11은 재충전모드와 재차단 동작에서 나타나는 커패시터(101)의 전압(Vc)과 전류(iC)의 시뮬레이션 파형이며, 부하(20) 측에 단락 사고가 유지되는 상태에서 재충전된 커패시터(101)의 전압을 이용하여 재차단 동작을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 재충전모드와 재차단 동작에서 나타나는 전류 iS, iD1, iC의 시뮬레이션 파형이다.
DC 차단기(100)는 단락 사고가 지속적으로 유지되는 상태이므로 차단, 재충전, 재투입, 재차단, 재충전 동작을 순차적으로 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 기존의 DC 차단기(100)와 본 발명의 DC 차단기(100)는 같은 조건에서 차단 시간에 있어서 2배 이상 빠른 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 차단기(Circuit Breaker)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 14의 다른 실시예는 전술한 도 2에서 구성된 회로 동작 특성이 동일하게 발생한다(도 3a 내지 도 3d, 도 4 내지 도 13). 따라서, 도 14는 도 3a 내지 도 3d, 도 4 내지 도 13에서 설명한 회로 동작 특성, 파형에 대한 설명을 생략하며 차이가 있는 회로 구성에 대하여 설명한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 DC 차단기(100)는 도 2에서 구성된 제1 반도체 스위칭소자(104)를 대체하여 기계식 스위치(104a)를 사용하고, 인덕턴스(102)와 제2 저항(106)을 생략한다.
DC 차단기(100)는 기계식 스위치(104a)를 사용하여도 커패시터(101)의 충전을 위한 스위칭 동작이 요구되지 않으며, 이에 따라 충전 동작으로 인한 차단 동작의 지연이 발생하지 않는다.
전술한 인덕턴스(102)를 생략하는 이유는 DC 차단기(100)를 구성하는 소자와 선로에 기생 인덕턴스가 존재하므로 인덕턴스(102)의 생략이 가능한 것이다.
전술한 제2 저항(106)을 생략하는 이유는 커패시터(101)의 재충전 동작에서만 사용되며 커패시터(101), 제3 반도체 스위칭소자(S3)(107), 선로에 기생 저항이 존재하므로 생략이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: DC 차단기
101: 커패시터
102: 인덕턴스
103: 제2 반도체 스위칭소자
104: 제1 반도체 스위칭소자
104a: 기계적 스위치
105: 제1 다이오드
106: 제2 저항
107: 제3 반도체 스위칭소자
108: 제1 저항
109: 제2 다이오드

Claims (14)

  1. 서로 직렬로 연결된 커패시터와 인덕턴스로 이루어진 LC회로와 직렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 제2 반도체 스위칭소자;
    직렬로 연결된 상기 LC 회로와 상기 제2 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 제1 반도체 스위칭소자;
    상기 제1 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 LC 회로에 병렬로 연결되어 상기 커패시터를 재충전하는 제2 저항과 제3 반도체 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LC 회로와 상기 제2 반도체 스위칭소자의 접점과 접지 사이에 상기 커패시터의 충전을 위한 충전 저항인 제1 저항과 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 스위칭소자와 상기 제1 다이오드는 각각 턴온 또는 턴온/턴오프로 제어 가능하고 상호 반대 방향으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3 반도체 스위칭소자가 턴온이 되면, 상기 제2 저항, 상기 제3 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로의 경로인 재충전 루프에 의해서 부하 측에 단락 상태가 지속되는 상태에서도 상기 커패시터의 재충전을 수행하고, 상기 재충전을 통해 충전된 상기 커패시터의 전압으로 부하측에 에너지를 공급하는 재투입 동작과 각 소자에 흐르는 단락 사고 전류를 차단하는 재차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    정상 운전 시 상기 제1 반도체 스위칭소자를 통해 부하 측으로 에너지를 전달하고, 상기 부하 측에 단락 사고가 발생하면 상기 제2 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로로 흐르는 LC 공진 전류에 의해 사고 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 반도체 스위칭소자를 턴온하여 사고 전류의 차단에 요구되는 전압으로 상기 커패시터를 충전하는 충전모드가 수행되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 시간이 되면, 상기 제1 반도체 스위칭소자를 턴오프하고 상기 제2 반도체 스위칭소자가 턴온이 되며 상기 제2 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로로 흐르는 LC 공진 전류가 증가하여 선로에 흐르는 전류인 단락 전류(iS)와 같아지는 제2 시간이 되면 상기 제1 반도체 스위칭소자로 흐르는 전류가 0이 되어 상기 제1 반도체 스위칭소자가 턴오프되는 차단모드가 수행되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 시간이 되면, 상기 제2 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로로 흐르는 LC 공진 전류는 단락 전류(iS)보다 커지게 되고, 상기 LC 공진 전류와 상기 단락 전류(iS)의 차이만큼 상기 제1 다이오드에 전류가 흐르게 되며, 상기 LC 공진 전류와 상기 단락 전류(iS)의 크기가 다시 같아지는 제3 시간이 되면 상기 제1 다이오드가 오프되는 차단모드가 수행되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 다이오드가 오프되는 경우, 상기 제2 반도체 스위칭소자에 흐르는 전류와 상기 단락 전류(iS)가 같은 전류가 흐르게 되어 선로 인덕턱스(Ls)와 상기 인덕턴스의 합성 인덕턴스에 의해 상기 LC 공진 전류가 흐르게 되며, 상기 LC 공진 전류는 점차 감소하여 제4 시간이 되면 상기 제2 반도체 스위칭소자가 턴오프되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제4 시간이 지나서 상기 제3 반도체 스위칭소자가 턴온이 되면, 상기 제2 저항, 상기 제3 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로의 경로인 재충전 루프에 의해서 부하 측에 단락 상태가 지속되는 상태에서도 상기 커패시터의 재충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  11. 서로 직렬로 연결된 커패시터와 선로의 기생 인덕턴스로 이루어진 LC회로와 직렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 제2 반도체 스위칭소자;
    직렬로 연결된 상기 LC 회로와 상기 제2 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결되어 일방향의 전류 흐름을 스위칭하는 기계식 스위치;
    상기 제1 반도체 스위칭소자에 병렬로 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 LC 회로에 병렬로 연결되는 제3 반도체 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커패시터와 상기 제2 반도체 스위칭소자의 접점과 접지 사이에 상기 커패시터의 충전을 위한 충전 저항인 제1 저항과 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  13. 제11항에 있어서,
    정상 운전 시 상기 기계식 스위치를 통해 부하 측으로 에너지를 전달하고, 상기 부하 측에 단락 사고가 발생하면 상기 제2 반도체 스위칭소자, 상기 LC 회로로 흐르는 LC 공진 전류에 의해 사고 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 기계식 스위치를 턴온하여 사고 전류의 차단에 요구되는 전압으로 상기 커패시터를 충전하는 충전모드가 수행되는 것을 특징으로 하는 DC 차단기.
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Jin-young Kim et al., ‘A Novel Reclosing and Rebreaking DC Solid State Circuit Breaker ’, 9th International Conference on Power Electronics-ECCE Asia, 2015 63 Convention Center, Korea(2015.06.05.) 1부.* *

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