KR20190101418A

KR20190101418A - 전기 장비를 보호하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20190101418A
Application number: KR1020197021898A
Authority: KR
Inventors: 도미니끄 투르니에; 막심 베르토; 곤잘로 피쿤
Original assignee: 칼리 테크놀로지스
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-08-30
Also published as: US20200373754A1; JP2020505901A; FR3061812B1; CA3087843A1; WO2018130594A1; EP3568894A1; FR3061812A1; CN110235327A

Abstract

본 발명은, 전기 장비(23)를 보호하기 위한 장치로서, - 전류원을 포함하는 전류 제한용 제1 분기(21); - 제한 분기(21)에 병렬로 장착되는 제2 전도 분기(22)로서, 전도 분기(22)의 임피던스가 제한 분기(21)의 임피던스의 10% 이하인, 제2 전도 분기(22); - 제어 유닛(3)으로서, 보호 장치의 동작 모드를: - 전류가 전도 분기(22)에서 순환하지 않고 제한 분기(21)를 통해 순환하는 제1 동작 모드; 및 - 전류가 제한 분기(21)와 전도 분기(22)를 통해 순환하는 제2 동작 모드 사이에서 스위칭하기 위한 제어 유닛(3)을 포함하는, 보호 장치에 관한 것이다.

Description

전기 장비를 보호하기 위한 장치

본 발명은 전기 장비 보호 회로 분야에 관한 것이며, 구체적으로, 직류 또는 교류 전류 타입의 전원 및/또는 전기 에너지 분배 시스템 분야에 관한 것이다.

(직류 또는 교류 전류) 전기 응용에서, 전류 부하는 과전압을 초래할 수 도 있어서 전기 장비를 손상시킬 수 도 있다.

전류 과부하, 및 더욱 일반적으로 과전류는 여러 가지 기원을 가질 수 도 있다:

- 과전류는 단락 회로, 과전압 또는 낙뇌에 의해 초래될 수 도 있으며,

- 과전류는 또한 시동 단계 동안 또는 전기 장비의 그리드로의 연결 시에 발생할 수 도 있다.

상이한 타입의 보호 장치가 이들 전류 과부하의 영향 및 구체적으로는 전기 장비의 열화의 위험을 감소시키는 것으로 알려져 있다.

그러한 보호 장치는 예컨대 보호될 전기 장비와 병렬로 장착되는 저장 커패시터의 상류에서 사용될 수 도 있다.

1. 제한 저항기

전기 장비의 열화 위험을 감소시키는 제1 해법은 보호될 장비의 직렬 제한 저항기를 전기적으로 연결하는 것이다.

이 제한 저항기는 보호될 장비의 시동 시 및 더욱 정확하게는 저장 커패시터의 예비-충전 동안 강한 전류 유입을 제한하는데 유용하다.

그러나 이 해법의 단점은, 시동 단계가 끝나면, (더는 유용하지 않은) 이 제한 저항기는 가열되며 많은 에너지를 소산시키는 경향이 있다.

2. 스위치를 구비한 제한 저항기

이 단점을 극복하기 위해, 도 1에 예시한 조립체가 이미 제안되었으며, 여기서, 제한 저항기(17)가 전기 배선과 같은 도전 분기(12)와 병렬로 전기적으로 연결되는 제한 분기(11) 상에 위치지정된다. 유사한 조립체가 문헌 EP 2 653 950에 특히 기재되어 있다.

이 경우, 제한 분기(11)와 전도 분기(12) 사이의 스위칭은 전기 스위치(13)에 의해 모니터링된다.

그러한 조립체의 동작 원리는 다음과 같다.

시동 시, 전기 스위치(13)는 제한 분기(11)에 연결되어, 공급원(14)으로부터 유래된 전류는 제한 분기(11)를 통해 흐른다. 저항기(17)를 통한 전류 통과로 인해, 보호될 장비(15)의 시동 시 강한 전류 유입을 제한할 수 있다. 저항 커패시터(16)는 충전 중이다.

(응용에 따라서는 수 ms와 수 s 사이에서 변할 수 도 있는) 주어진 시간 후, 전기 스위치(13)는 전류의 순환을 제한 분기(11)로부터 전도 분기(12)로 스위칭한다. 이로 인해, 제한 저항기(17)의 사용에 관련된 에너지 손실을 제한할 수 있다.

그러나 도 1에 예시한 조립체의 단점은, 이 조립체가 전기 스위치(13)가 스위칭하면 전자 장비(15)를 부족 전압(under-voltage)에 유지시키지 않게 된다는 점이다.

앞서 기재한 문제 외에, 제한 저항기(17)를 사용하는 앞서 언급한 보호 장치의 다른 단점은, 이들 장치가 정전류 저장 커패시터(16)를 충전시키지 않게 된다는 점이며, 이 저장 커패시터(16)와 결합되는 제한 저항기(17)가 RC 회로를 이룬다. 이점은 저장 커패시터의 노화를 가속화시킨다. 게다가, 이점은 비정상 동작의 경우에 고장 전류의 값을 예측할 수 없게 하며, 이 고장 전류는 (보호 장치의 상류 및 하류의 구성요소의 선택적 저항을 고려한) 회로의 등가 저항에 따라 변할 수 도 있으며, 고장 전류에 대한 이러한 불확실성이 보호 장치의 하류의 전자 장비의 보호에 위험 중 하나를 초래할 수 도 있다.

본 발명의 목적은, 앞서 언급한 단점 중 적어도 하나를 극복할 수 있는 전기 장비를 보호하기 위한 장치를 제안하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은,

- 전기 에너지 공급원에 전기적으로 연결되고자 하는 입력 단자,

- 전기 장비에 전기적으로 연결되고자 하는 출력 단자를 포함하는, 전기 장비를 보호하기 위한 장치로서, 특히,

- 주어진 전압 범위에 대해 정전류를 발생(즉, 유지)시키도록 전류원을 포함하는 제1 전류 제한 분기,

- 제1 전류 제한 분기와 병렬로 장착되는 제2 전도 분기,

- 장치의 동작 모드를:

o 전기 에너지 공급원으로부터 유래되는 전류가 전도 분기 내로 흐르지 않고 제한 분기를 통해 흐르는 제1 동작 모드와,

o 전기 에너지 공급원으로부터 유래되는 전류가 제한 및 전도 분기를 통해 흐르는 제2 동작 모드로서, 제2 동작 모드에서 전도 분기의 임피던스가 제한 분기의 임피던스의 10% 이하인, 제2 동작 모드 사이에서 스위칭하는 제어 유닛을 포함하는 보호 장치를 제안한다.

본 발명에 따른 시스템의 바람직한 그러나 비제한적인 양상은 다음과 같다:

- 제어 유닛은, 제1 동작 모드와 제2 동작 모드 사이에서 장치를 스위칭하도록 이 전도 분기의 활성화 및 비활성화를 모니터링하기 위해 이 전도 분기에 전기적으로 연결될 수 도 있으며;

- 전류원은 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터와 같은 트랜지스터를 포함할 수 도 있으며:

o 트랜지스터의 드레인이 입력 단자에 연결되며,

o 트랜지스터의 게이트와 소스가 출력 단자에 연결되며;

- 전류원은 예컨대 실리콘이나 실리콘 카바이드 또는 임의의 다른 반도체 소재로 이루어진 전류 제한 다이오드와 같은 2-단자 전류 제한 반도체 소자를 포함할 수 도 있으며;

- 전류 제한 분기는 전류원과 직렬로 장착되는 전기 저항기를 더 포함할 수 도 있으며;

- 전도 분기는 JFET 트랜지스터, MOSFET 트랜지스터(또는 바이폴러 트랜지스터)와 같은 트랜지스터 처럼 제어되는 스위치를 포함할 수 도 있으며:

o 트랜지스터의 드레인(또는 컬렉터)이 입력 단자에 연결되며,

o 트랜지스터의 소스(또는 이미터)가 출력 단자에 연결되며,

o 트랜지스터의 게이트(또는 베이스)가 제어 유닛에 연결되며;

- 제어 유닛은:

o 전기 장비의 보호 장치의 출력에서 전압 변동을 검출하기 위한 회로 및/또는

o 전기 장비의 보호 장치의 출력에서 전류 변동을 검출하기 위한 회로를 포함할 수 도 있으며;

- 제어 유닛은 전도 분기의 활성화를 지연시키도록 셀프-바이어스 회로를 포함할 수 도 있으며;

- 제어 유닛은, 보호 장치의 출력에서의 전압 및/또는 세기가 스레시홀드 값보다 클 때, 전도 분기를 차단하기 위한 신호를 생성하도록 제어 회로를 포함할 수 도 있으며;

- 제한 및 전도 분기는 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터와 같은 모놀리식 구성요소에 집적될 도 있다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 장점과 특징은, 첨부한 도면으로부터, 비제한적인 예로 주어진 여러 변형에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 자명하게 될 것이다.
도 1은, 부하의 보호를 위한 종래기술의 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는, 본 발명에 따른 부하 보호 장치의 블록도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 부하 보호 장치의 제1 변형의 블록도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 부하 보호 장치의 제2 변형의 블록도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 부하 보호 장치의 제3 변형의 블록도이다.
도 6은 전류 제한 분기의 단자에서의 전압의 함수로서의 전류 곡선을 예시하는 그래프이며, 이 전류 제한 분기는:
o 한편으로는 저항(곡선(80))과,
o 다른 한편으로는 전류원(곡선(81))을 포함한다.
도 7은 보호 장치의 단자에서의 전압의 함수로서의 전류 곡선을 예시하는 그래프이며, 이 보호 장치는:
o 전류가 제한 분기를 통해 흐르는 제1 동작 모드(곡선(82))와,
o 전류가 제한 분기와 전도 분기를 통해 동시에 흐르는 제2 동작 모드(곡선(83))에 있다.

부하 보호 장치의 여러 예를 이제 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따라 기재할 것이다. 이들 여러 도면에서, 등가의 요소는 동일한 참조번호로 표시한다.

1. 보호 장치에 대한 일반 정보

도 2를 참조하면, 전기 부하를 보호하기 위한 장치는 전기 에너지 공급원에 직렬로 전기적으로 연결되고자 하는 입력 단자(31)와, 보호될 전기 부하(23)에 전기적으로 연결되고자 하는 출력 단자(32)를 포함한다.

입력 단자(31)와 출력 단자(32) 사이에서, 이 장치는 각각의 기능을 각각 갖는 2개의 분기:

- 동작 이상 - 전기 고장(예컨대 단락 회로)과 같은 - 이 검출될 때 부하(23)를 통해 흐르는 전류를 제한할 수 있는 - 소위 "전류 제한 분기"인 - 제1 분기(21),

- 제2 분기(22) - 소위 "전도 분기" - 로서, 전기 에너지 공급원(25)으로부터 유래된 전류가 이 전도 분기(22)를 통과할 때 부하(23) 양단의 전압 강하를 제한하도록 약한 임피던스를 갖는 제2 분기(22)를 포함한다.

이 장치는 또한 전류가:

- 제1 동작 모드에 따라서 제한 분기(21)만을 통하거나,

- 제2 동작 모드에 따라서 제한 분기와 전도 분기(21, 22)를 동시에 통해서 통과하게 하는 제어 유닛(24)을 포함한다.

그에 따라 및 장치의 어떠한 동작 모드에서도, 제한 분기(21)는 여전히 전기적으로 전도성이어서, 보호될 부하(23)는, 심지어 제1 동작 모드와 제2 동작 모드 사이의 전이 동안에도 전원이 공급되게 된다. 전도 분기(22)는, 제2 동작 모드에서만 부분적으로 전기적으로 전도성이다.

제1 동작 모드는, - 전압 또는 전류 과부하와 같은 - 이상이 검출될 때 유리하게도 활성화된다.

도 2에 예시한 변형에서, 제어 유닛(24)은 전도 분기(22)의 활성화 및 비활성화만을 모니터링하며, 제한 분기(21)는 제어 유닛(24)에 의해 모니터링되지 않는다. 이로 인해, 부하 보호 장치의 조립을 간략화할 수 있다.

도 2에 예시한 장치는, 동작 이상이 검출될 때 통과하는 전류를 제한함으로써 전기 회로의 부하(230를 효과적으로 보호하게 한다.

사실, 이상(과전류 및/또는 과전압)이 검출될 때, 제어 유닛(24)은, 제한 분기(21)를 통해 (입력 단자의 상류에 생성되는) 전류의 통과를 초래하는 전도 분기(22)의 비활성화를 모니터링한다.

이상이 검출될 때 부하(23)에 흐르는 전류를 제한함으로써, 도 2에 예시된 보호 장치는 출력 단자 하류에 위치한 전기 구성요소의 열화의 위험을 감소시킨다.

2. 전류 제한 분기

전류 제한 분기(21)는, 장치의 제2 동작 모드가 활성화될 때 부하(23) 내로 흐르는 전류를 목표 세기 값으로 제한할 수 있다.

유리하게도, 제한 분기(21)는 입력 단자(31)로부터 출력 단자(32)로 전류를 통과하게 하는 일(또는 여러) - 특히 단방향 - 전류원(들)을 포함한다. 본 발명의 범위 내에서, "전류원"은 주어진 전압 범위에 대해 정전류를 발생시키도록 배치되는 일(또는 여러) 전기 구성요소(들)를 의미한다.

더욱 정확하게 및 도 6에서 곡선(81)으로 예시한 바와 같이, 제한 분기(21)의 단자에서의 전압(V)이 주어진 전압 범위 내에 포함될 때(특히, 전압(V)이 "+V_LIM"보다 클 때 또는 전압(V)이 "-V_LIM" 미만일 때), 전류원은, 그 임피던스를 동적으로 변경함으로써 전류의 세기(I)를 일정 값(특히, V≥+V_LIM일 때 "+I_LIM"와 같은 일정 값 또는 V≤-V_LIM일 때 "-I_LIM"와 같은 일정값)으로 유지한다.

전류원의 임피던스의 동적 범위는 - JFET-타입 정상-온 트랜지스터로 이루어지는 전류원인 경우 - 포화 상태에서 선형 전도 모드로부터 전도 모드로의 통과에 대응한다. 이것은, 전류원을 형성하는 트랜지스터의 단자에서의 전압이 이 트랜지스터의 포화 전압(Vsat)보다 크게 될 때 일어난다. 포화 상태에서, 임피던스는 전압에 따라 동적으로 변하여, 전류는 일정하게 유지된다. 이 동작은, 그 단자에서 전압이 무엇이든지 간에 정전류를 발생시키며 유지하는 전류원의 동작과 유사하다.

제한 분기(21)가 전류원을 포함한다는 점으로 인해, (보호될 부하(23)와 병렬로 장착되는) 저장 커패시터(26)를 정전류로 충전할 수 있다. 이것은, 도 6에서 곡선(80)으로 도시한 바와 같은 저항을 포함하는 제한 분기의 경우에는 가능하지 않다. 사실, 제한 분기가 저항을 포함한다면, 제한 분기의 단자에서의 전류(I)는 그 단자에 인가된 전압(V)의 함수로서 선형적으로 변하여, 제한 분기의 출력에 배열되는 저장 커패시터는 정전류로 충전되지 않는다.

도 3에 예시한 변형에서, 전류원은 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터와 같은 트랜지스터를 포함한다. 트랜지스터 드레인은 장치의 입력 단자(31)에 전기적으로 연결되는 반면, 트랜지스터의 게이트와 소스는 장치의 출력 단자(32)에 전기적으로 연결된다. JFET 또는 MOSFET 트랜지스터의 사용은 장치의 구현을 용이하게 하는 장점이 있다.

대안적으로, 전류원은 실리콘 카바이드로 만들어지는 전류 제한 다이오드로 이루어질 수 도 있다. 전류 제한 다이오드의 사용으로 인해, 제어 전자장치의 존재를 회피할 수 있다. 게다가, 다이오드가 실리콘 카바이드로 이루어진다는 점으로 인해, 대략 0.1J 내지 50J의 고 에너지 레벨을 견딜 수 있는 구성요소를 가질 수 있다.

유리하게도, 제한 분기(21)는 전류원(들)과 직렬로 장착되는 열 소산의 일(또는 여러) 저항 소자(들)를 포함할 수 도 있다. 이로 인해, 전력 공급원(25)과 부하(23) 사이의 전류 과부하인 경우 줄 효과에 의한 더 큰 전압을 소산시킬 수 있다.

3. 전도 분기

전도 분기(22)로 인해, 정상 상태에서 전류의 순환을 보장할 수 있다. 전도 분기는, 바람직하게는 저 임피던스를 가져 부하(23) 양단의 전압 강하를 제한한다. 예컨대, 전도 분기(22)의 임피던스는 1Ω 미만, 바람직하게는 0.1Ω 미만, 더욱 바람직하게는 0.01Ω 미만일 수 도 있다.

전도 분기(22)는, 제어 유닛(24)에 의해 제어될 수 있는 스위치를 포함할 수 도 있다. 이 스위치는 당업자에게 알려져 있는 임의의 타입일 수 있다. 특히, 스위치는 바람직하게는 기계식 스위치나 하이브리드 스위치이다.

그러나 전도 분기(22)의 스위치는, 이상(과전류 및/또는 과전압)의 검출 후 매우 신속하게 폐쇄된 상태로부터 개방 상태로 스위칭할 수 있어야 한다.

이것이, 전도 분기(22)의 스위치가 바람직하게는 정적 스위치이어야 하는 이유이다. 이것은 폐쇄된 상태와 개방 상태 사이에서 매우 신속하게 스위칭하는 장점(백㎲ 이하의 스위칭 시간)이 있다. 정적 스위치의 다른 장점은, 이것이 고 전압 및 강한 전류를 견딜 수 있다는 점이다.

도 3에 예시한 변형에서, 전도 분기의 스위치는 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터(또는 바이폴라 트랜지스터)와 같은 트랜지스터로 이루어진다:

- 트랜지스터의 드레인(또는 컬렉터)이 입력 단자에 연결되며,

- 트랜지스터의 소스(또는 이미터)가 출력 단자에 연결되며,

- 트랜지스터의 게이트(또는 베이스)가 제어 유닛에 연결된다.

4. 제어 유닛

제어 유닛(24)은 전도 분기(22)의 활성화 및 비활성화를 제어할 수 있다.

더욱 정확하게는, 제어 유닛(24)은 전도 분기(2)를 개방 또는 폐쇄할 수 있어서, 보호 장치에 흐르는 전류는:

- 도 7의 곡선(82)으로 표시되는 제1 동작 모드에 따라 제한 분가만을 통과하거나,

- 도 7의 곡선(83)으로 표시되는 제2 동작 모드에 따라 제한 분기와 전도 분기를 함께 통과할 수 있다.

바람직하게도, 전도 분기(22)의 임피던스는 제2 동작 모드에서 제한 분기(21)의 임피던스의 10% 이하 이도록 선택된다. 전도 분기(22)를 통한 전류의 통과는 그에 따라 제2 동작 모드에서 유리하다. 이점은, 보호 장치의 제2 동작 모드가 활성화될 때 줄 효과에 의한 손실을 제한할 수 있다.

도 3에 예시한 변형에서, 제어 유닛(24)은 부하 보호 장치의 출력에서 전압 변동을 보호하기 위한 회로(242)를 포함한다. 대안적으로 또는 이와 결합하여, 제어 유닛은 보호 장치의 출력에서 전류 변동을 검출하기 위한 회로를 포함할 수 도 있다. 이(또는 이들) 검출 회로(들)는, 부하(23)를 손상시킬 수 있었던 이상(과전압 및/또는 과전류)을 식별하게 한다.

검출 회로(242)에 의해 검출되는 전압 변동이 제너 다이오드와 같은 애벌란시(avalanche) 구성요소(D4)에 의해 규정되는 스레시홀드 전압을 초과할 때, 제어 유닛(24)의 제어 회로(243)는 전도 분기(22)의 제어 가능한 스위치의 게이트 상에서 차단 신호를 전송한다.

이 차단 신호는, 전도 분기(22)를 비활성화하도록 제어 가능한 스위치의 개방을 초래한다. 전류는 그 후 전류 제한 분기(22)를 통해서만 흐른다.

검출 회로(242)에 의해 검출되는 전압 변동이 스레시홀드 전압보다 낮게 될 때, 제어 회로(243)는 더는 차단 신호를 방출하지 않는다. 제어 가능한 스위치는 전도 분기(22)를 활성화하도록 온-상태로 복귀한다. 전류는 그 후 제한 분기(21)와 전도 분기(22)를 모두 통해서 흐른다.

대안적으로, 제어 유닛(24)은 검출 회로(242)와 제어 가능한 스위치의 게이트 사이에 셀프-바이어스 회로(241)를 포함할 수 도 있다. 셀프-바이어스 회로(241)로 인해, 제어 가능한 스위치의 재활성화를 지연시킬 수 있다. 더욱 정확하게, 셀프-바이어스 회로(241)로 인해, 셀프-바이어스 회로(241)의 커패시터(C1)의 방전 시간에 대응하는 비-제로 지연만큼 제어 가능한 스위치의 폐쇄를 지연시킬 수 있다. 이로 인해, 부하의 열화의 위험을, 특히 펄스 타입의 전류 과부하인 경우에 제한할 수 있다.

도 2에 예시한 바와 같이 저장 커패시터(26)를 포함하는 전기 조립체인 경우에 도 3에 예시한 제어 유닛(24)의 동작 원리를 이제 기재할 것이다. 이 경우, 전류 과부하는 저장 커패시터의 예비-충전 동안 초래될 수 있다.

보호될 전기 장비(23)의 시동 시에, 저장 커패시터(26)는 강한 전류 유입을 초래한다. 이것은 전기 회로에서 전류 과부하가 일어나게 한다. 검출 회로(242)는 부하 보호 장치의 출력 단자에서 전압 변동을 검출한다. 이 전압 변동이 제너 다이오드(D4)에 의해 규정되는 스레시홀드 전압보다 크게 될 때, 제어 회로(243)는 전도 분기(22)의 제어 가능한 스위치의 게이트에 차단 신호를 전송한다.

차단 신호는 셀프-바이어스 회로(241)를 통과한다. 셀프-바이어스 회로(241)의 커패시터(C1)는 충전 중이다. 커패시터(C1)의 충전과 동시에, 게이트에의 차단 신호의 인가는 제어 가능한 스위치의 개방하게 한다: 전도 분기(22)는 비활성화된다.

부하 보호 장치는 그 후 제1 동작 모드에 따라 동작한다: 전기 에너지 공급원(25)으로부터 유래한 전체 전류는 제한 분기(21)를 통해 부하(23)에 전송되어, 부하(23)에 의해 수신된 전류는 목표 세기 값으로 제한되어 부하(23)를 보호한다.

저장 커패시터(26)가 충전 중일 때, 전기 회로의 정상 상태가 구축된다. 보호 장치의 출력에서의 전압 변동은 감소하며, 검출 회로(242)는 이 감소를 검출한다. 출력에서의 전압차가 애벌란시 구성요소(D4)에 의해 규정되는 스레시홀드 전압보다 낮게 될 때, 차단 신호는 중단된다.

셀프-바이어스 회로(241)의 커패시터(C1)는 제어 가능한 스위치의 게이트를 향해 방전되어, 이 스위치를 잠시 차단된 상태로 유지한다. 이로 인해, 제어 가능한 스위치의 폐쇄를 지연시킬 수 있다. 커패시터(C1)가 방전될 때, 제어 가능한 스위치의 게이트는 더는 전원이 공급되지 않는다. 제어 가능한 스위치는 그 후 차단된(즉, 개방) 상태로부터 온-상태(즉, 폐쇄된 상태)로 스위칭한다.

전도 분기(22)가 재활성화된다. 부하 보호 장치는 그 후 그 제2 동작 모드에 따라 동작한다: 전기 에너지 공급원(25)으로부터 유래한 전류는 한편으로는 제한 분기(21)를 통해 다른 한편으로는 전도 분기(22)를 통해 부하(23)에 전송된다.

정상 상태에서의 전류 과부하인 경우(예컨대, 낙뇌 충격이 전기 회로를 때리는 경우), 검출 회로(242)는, 제너 다이오드(D4)에 의해 규정되는 스레시홀드 전압보다 큰 출력에서의 전압 변동을 검출한다. 제어 회로(243)는 셀프-바이어스 회로(241)를 통해 차단 신호를 제어 가능한 스위치의 게이트에 전송한다. 이 차단 신호는 제어 가능한 스위치를 개방하여 전도 분기(22)를 비활성화한다.

제1 동작 모드가 구현된다. 보호 장치의 출력에서의 전압이 스레시홀드 전압보다 낮게 될 때, 제어 유닛(24)은 앞서 기재한 바와 같이 전도 분기(22)의 재활성화를 제어한다.

5. 모놀리식 구성요소

일 변형에서, 제한 분기(21)와 전도 분기(22)는, JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터나 바이폴러 트랜지스터와 같은 실리콘 또는 실리콘 카바이드(또는 다른, 바람직하게는 광대역차 반도체 소재)로 이루어진 단일 모놀리식 구성요소로 집적될 수 있다.

이로 인해, 제2 분기에 의해 점유된 공간을 제한할 수 있으며, 그에 따라 보호 장치의 공간 요건을 제한할 수 있다.

도 4 및 도 5는 제한 분기(21)와 전도 분기(22)를 동일 기판 상에 집적하는 모놀리식 구성요소의 예시적인 2개의 실시예를 예시한다.

도 4를 참조하면, 이 모놀리식 구성요소는 JFET-타입 구조를 갖는다. 이것은 제한 분기(21)와 전도 분기(22)에 공통인 기판(61)을 포함한다. N-타입 도핑된 기판(61)의 후면은, 드레인을 형성하는 금속 층(63)으로 덮인 더욱 강하게 N-도핑된 하부 층(62)을 포함한다. 기판(61)의 전면은, 제한 분기(21)와 전도 분기(22)의 측면 채널을 형성하는 N-타입 상부 층(70)이 그 위에 배열되는 P-도핑 매립 영역(64)을 포함한다. P-타입 상부 영역(68)이 이 상부 층(70) 상에 배치된다. 이들 영역은 부분적으로 상부 층(70)을 덮는다.

상부 영역(68)과 상부 층(70) 위에, 제1 및 제2 금속 전극(65a, 65b)이 배열된다. 이들 제1 및 제2 전극(65a, 65b)은 분기(22)의 제어 게이트를 형성하며, 제한 분기(21)의 특징을 규정한다.

모놀리식 구성요소는 제한 분기(21)와 전도 분기(22)를 규정하는 제1 분리 트렌치를 포함한다. 이 제1 트렌치는 이 구성요소의 상부 층(70)을 통해 매립 영역(64)까지 연장하여 이들을 연결하게 한다.

더욱 정확하게, 제1 분리 트렌치는 상부 층(70)의 깊이와 적어도 같은 깊이에 걸쳐서 연장한다.

전기 절연 소재(66)의 층이 분기(21)의 게이트를 형성하는 제1 금속 전극(65a)을 덮는 반면, 전기 절연 소재 층은 게이트를 형성하는 제2 전극(65b)을 덮지 않는다.

소스를 형성하는 금속 층(67)이 모놀리식 구성요소의 전체 표면을 덮는다. 그러므로:

- 게이트를 형성하는 제1 전극(65a)은 소스를 형성하는 금속 층(67)으로부터 전기적으로 절연되며: 모놀리식 구성요소의 이 제1 층의 스택이 전도 분기(22)를 구성하며, 이 분기의 게이트(제1 전극)는 제어 유닛(24)에 전기적으로 연결되고자 하는 반면, 그 드레인(63) 및 소스(67)는 부하 보호 장치의 입력 단자(31)와 출력 단자(32)에 각각 연결되고자 하며;

- 게이트를 형성하는 제2 전극(65b)은 소스를 형성하는 금속 층(67)과 전기 접촉하며: 모놀리식 구성요소의 이 제2 층의 스택이 전류 제한 분기(21)를 구성하며, 이 분기의 게이트(65b)와 소스(67)는 부하 보호 장치의 출력 단자(32)에 연결되고자 하는 반면, 그 드레인(63)은 장치의 입력 단자(31)에 연결되고자 한다.

도 4에 예시한 모놀리식 JFET-구조 구성요소의 특이성은, 전도 분기(22)가, 전압이 게이트 전극에 인가되지 않는다면 활성화되며("정상적으로 온(NORMALLY ON)"으로 알려짐), 제한 분기는 영구적으로 활성화된다는 점이다.

도 5에 예시한 모놀리식 구성요소는 그 구조가 MOSFET 타입이라는 점에서 도 4에 예시한 구성요소와 상이하다. 도 5에 예시한 모놀리식 MOSFET-구조 구성요소의 특이성은, 전도 분기(22)가, 전압이 게이트 전극에 인가되지 않는다면 비활성화되며, 제한 분기는 영구적으로 활성화된다는 점이다.

이것은 제한 분기(21)와 전도 분기(22)에 공통인 기판(73)을 포함한다. N-타입 도핑된 기판(73)의 후면은 드레인을 형성하는 금속 층(71)으로 덮이는 더 강하게 N-도핑된 하부 층(72)을 포함한다. 기판(73)은 그 상면에서 제1 P-도핑된 매립 영역(74)을 포함한다. 기판(73)의 전면은 N-타입 상부 층(82)으로 덮인다.

전도 분기(22)의 상부 층(82)은:

- 깊이로 매립되는 제2의 더 약하게 P-도핑된 영역(75)과,

- 제3의 강하게 도핑된 N-타입 표면 매립 영역(76)을 포함한다.

모놀리식 구성요소는 상부 층(82)을 통해 기판(73)까지 연장하는 MOSFET의 제1 트렌치를 포함한다. 이것은 또한 트렌치의 바닥에서 제4 P-타입 매립 영역(83)을 포함하며, 제4 매립 영역(83)과 제1 매립 영역(74)은 기판(73)에서 N-타입 채널을 규정한다.

모놀리식 구성요소는 제한 분기(21)와 전도 분기(22)를 규정하는 제2 분리 트렌치를 포함한다. 이 제2 트렌치는 구성요소의 제2 중앙 구역(76)을 통해 제1 매립 영역(74)까지 연장하여 그 연결을 허용한다.

더 정확하게, 제2 분리 트렌치는 상부 층(82)의 깊이와 적어도 같은 깊이에 걸쳐서 연장한다.

MOSFET의 게이트 산화물을 규정하는 제1 및 제2 산화물 박막 층(78a 및 78b)은 제1 매립 영역(74), 제2 구역(76), 제4 매립 영역(83) 및 상부 층(82)의 상면을 부분적으로 덮는다.

이 구성요소는 제1 층(78a) 상에서 분기(22)의 제어 게이트를 형성하는 제1 금속 전극(79)을 포함한다.

전기 절연 소재 층(80)이 분기(21)의 게이트를 형성하는 제1 금속 전극(79)을 덮는다. 반면, 전기 절연 소재 층이 제한 분기의 MOSFET의 게이트를 형성하는 제2 층(78b)을 덮지 않는다.

금속 층(77)이 제한 및 전도 분기(21, 22)의 제1 매립 영역(74) 및 제2 구역(76)과 접촉한다. 소스를 형성하는 금속 층(81)이 모놀리식 구성요소의 전체 표면을 덮는다. 그러므로:

- 게이트를 형성하는 제1 전극(79)은 소스를 형성하는 금속 층(81)으로부터 전기적으로 절연된다: 모놀리식 구성요소의 이 제1 층 스택이 전도 분기(22)를 이루며, 이러한 분기(22)의 게이트(제1 전극)는 제어 유닛(24)에 전기적으로 연결되고자 하는 반면, 그 드레인(71) 및 소스(81)는 부하 보호 장치의 입력 단자(31)와 출력 단자(32)에 각각 연결되고자 한다.

- 층(81)은, 소스를 형성하는 금속 층(77)과 전기 접촉 중인 게이트를 형성하는 영역(78b)을 덮는다: 모놀리식 구성요소의 이 제2 층 스택이 전류 제한 분기(21)를 이루며, 이 분기(21)의 소스(81)는 부하 보호 장치의 출력 단자(32)에 연결되고자 하는 반면, 그 드레인(71)은 장치의 입력 단자(31)에 연결되고자 한다.

6. 결론

앞서 기재한 회로는 직류 또는 교류 전력 그리드에서 사용하기에 적절하다. 이것은, 보호될 장비의 시동 단계, 저장 커패시터의 예비-충전 또는 낙뇌 충격의 경우 전력 그리드에서 나타날 수 있었던 전류 과부하로부터 전기 장비를 보호할 수 있다.

이것은, 일정 전류를 임의의 AC 또는 DC 부하에 전달하는 전류 레귤레이터 기능으로서 사용될 수 있거나, 과전압의 경우에 AC 또는 DC 그리드 상의 임의의 전류 유입을 검출 및 제한하는데 사용될 수 있다.

독자는, 여기서 기재한 새로운 교훈과 장점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고도 앞서 기재한 본 발명에 많은 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

결국, 이러한 타입의 모든 변경은 첨부한 도면의 범위 내에서 병합되고자 한다.

Claims

전기 장비(23)를 보호하기 위한 보호 장치로서,
- 전기 에너지 공급원(25)에 전기적으로 연결되고자 하는 입력 단자(31), 및
- 상기 전기 장비(23)에 전기적으로 연결되고자 하는 출력 단자(32)를 포함하되,
상기 보호 장치가:
- 주어진 전압 범위에 대해 정전류를 발생시키도록 전류원을 포함하는 제1 전류 제한 분기(21),
- 상기 제1 전류 제한 분기(21)와 병렬로 장착되는 제2 전도 분기(22), 및
- 제어 유닛(24)으로서, 상기 보호 장치의 동작 모드를:
o 상기 전기 에너지 공급원(25)으로부터 유래되는 전류가 상기 제2 전도 분기(22) 내로 흐르지 않고 상기 제1 전류 제한 분기(21)를 통해 흐르는 제1 동작 모드와,
o 상기 전기 에너지 공급원(25)으로부터 유래되는 전류가 상기 제1 전류 제한 분기(21)와 상기 제2 전도 분기(22)를 통해 흐르는 제2 동작 모드로서, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제2 전도 분기(22)의 임피던스가 상기 제1 전류 제한 분기(21)의 임피던스의 10% 이하인, 상기 제2 동작 모드 사이에서 스위칭하는 상기 제어 유닛(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 보호 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제어 유닛(24)은, 상기 제1 동작 모드와 상기 제2 동작 모드 사이에서 상기 보호 장치를 스위칭하도록 상기 제2 전도 분기(22)의 활성화 및 비활성화를 모니터링하기 위해 상기 제2 전도 분기(22)에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 전류 제한 분기(21)는 상기 제어 유닛(24)에 의해 모니터링되지 않는, 보호 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전류원은 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터와 같은 트랜지스터를 포함하며:
- 상기 트랜지스터의 드레인이 상기 입력 단자(31)에 연결되며,
- 상기 트랜지스터의 게이트 및 소스가 상기 출력 단자(32)에 연결되는, 보호 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전류원은, 예컨대 실리콘이나 실리콘 카바이드, 또는 임의의 다른 반도체 소재로 만들어진 전류 제한 다이오드를 포함하는, 보호 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전류 제한 분기(21)는 상기 전류원과 직렬로 장착되는 전기 저항기를 더 포함하는, 보호 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전도 분기(22)는 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터와 같은 트랜지스터를 포함하며:
- 상기 트랜지스터의 드레인이 상기 입력 단자(31)에 연결되며,
- 상기 트랜지스터의 소스가 출력 단자에 연결되며,
- 상기 트랜지스터의 게이트가 상기 제어 유닛(24)에 연결되는, 보호 장치.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(24)은:
- 상기 전기 장비의 상기 보호 장치의 출력에서 전압 변동을 검출하기 위한 회로(242) 및/또는
- 상기 전기 장비의 상기 보호 장치의 출력에서 전류 변동을 검출하기 위한 회로를 포함하는, 보호 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(24)은 상기 제2 전도 분기(22)의 활성화를 지연시키도록 셀프-바이어스 회로(241)를 포함하는, 보호 장치.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(24)은, 상기 보호 장치의 출력에서의 전압 및/또는 세기가 스레시홀드 값보다 클 때, 상기 제2 전도 분기(22)를 차단하기 위한 신호를 생성하도록 제어 회로(243)를 포함하는, 보호 장치.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 제한 분기(21) 및 상기 제2 전도 분기(22)는 JFET 트랜지스터나 MOSFET 트랜지스터와 같은 모놀리식 구성요소에 집적되는, 보호 장치.