KR20220037480A - 직류 회로망을 위한 과전류 보호 장치 - Google Patents

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KR20220037480A
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토비아스 안데르슈
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볼프강 페일
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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 직류 회로망의 부하 경로(2) 내에 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)와; 구동 회로(21) 및 과전류 모니터링 유닛(22)을 구비한 제어 유닛(20);을 포함하는 과전류 보호 장치에 관한 것으로, 상기 과전류 모니터링 유닛은, 과전류 모니터링 입력(22S)에 인가되는 전압 신호(s3)가 미리 정해진 전압 한계값을 초과할 때, 구동 회로(21)가 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 스위치-오프시키도록 구성된다. 부하 경로(2) 내에 배치된 전류 측정 장치(30)는 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류의 레벨을 검출하고, 전류 레벨을 나타내는 전류 레벨 신호(s1)를 제공한다. 평가 회로(40)는 자신에 공급된 전류 레벨 신호(s1)로부터 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하고, 이는 과전류 모니터링 유닛(22)의 과전류 모니터링 입력(22S)에 전압 신호(s3)로서 공급된다. 전류 레벨 전압 신호(s2)는, 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류의 레벨이, 제어 유닛(20)에 의해 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)의 스위치-오프가 유발되도록 의도된, 미리 정의된 전류 한계값을 초과할 때, 상기 전류 레벨 전압 신호가 미리 정해진 전압 한계값보다 더 큰 값을 갖는 방식으로 생성된다.

Description

직류 회로망을 위한 과전류 보호 장치
본 발명은 직류 회로망을 위한 과전류 보호 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은, 직류 회로망 내에 배치된 부하(load)를 보호하기 위한 과전류 보호 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 직류 회로망에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 직류 회로망의 부하 경로 내 과전류로부터의 보호 방법에 관한 것이다.
직류 회로망(DC network)으로부터 전력을 공급받는 부하 장치는 특히 산업 환경에서 사용된다. 부하 장치로의 전력 공급이 직류 회로망으로부터 제공되면, 지능형 회로망 제어 및 집적 메모리를 통해 변동하는 회로망 품질 및 에너지 공급에 유연하고 강건하게 대응할 수 있다는 이점이 있다. 특히, 배터리 저장장치 및/또는 태양광 발전 시스템(photovoltaic system)과 같은 재생 에너지 발전기는 직류 회로망에 용이하게 통합될 수 있다. 이 경우, 교류 전압에서 직류 전압으로의 변환 손실이 방지될 수 있다. 예를 들어 발전기로 작동되는 구동 장치의 제동 에너지를 임시 저장할 수 있는 가능성에 의해 에너지 절약이 구현된다.
이러한 유형의 직류 회로망에서는 부하 경로에서 흐르는 전류를 모니터링할 수 있어야 한다. 또한, 과도하게 높은 전류가 발생할 때 부하 경로에 배치된 회로 장치를 통해 부하 경로 내 전류를 차단할 수 있어야 한다. 이러한 유형의 모니터링은 특히 과부하 발생 및 단락 전류와 관련하여 필요하다.
스위칭 소자로서 예를 들어 직류를 스위칭할 수 있는 기계식 회로 차단기 또는 전력 스위칭 소자(power switching element)를 사용하는 점이 공지되어 있다.
또한, 반도체 스위칭 소자를 이용해서만 직류를 스위칭하는 보호 장치가 공지되어 있다. 반도체는 스위치의 커패시턴스를 빠르게 재충전할 수 있게 하는 구동을 필요로 하고, 그로 인해 상기 구동은 매우 복잡하다.
또한, 반도체 스위칭 소자에 의해 전류 흐름 차단을 구현하되, 전류 전도는 기계적 접촉을 통해 구현되는 하이브리드 기술에 기반한 보호 장치가 공지되어 있다. 이러한 하이브리드 과전류 보호 장치의 반도체 스위칭 소자는 기계적 스위칭 소자의 거동에 맞춰 조정되어야 하므로, 과전류 또는 단락 전류를 차단하기 위한 복잡한 제어를 필요로 한다. 또한, 기계적 스위칭 요소는 이러한 전류를 차단하는 데 더 많은 시간을 필요로 한다.
원칙적으로, 과전류 보호 장치의 언급된 모든 변형예에서는 매우 높은 과전류에서만 과전류 검출이 가능하다는 문제가 있으며, 그에 따라 과전류 보호 장치에 사용된 스위칭 소자의 차단에 의해 과전류 보호 장치가 활성화되는 데 걸리는 시간이 비교적 길다. 이것이 직접적으로 과전류 보호 장치의 파손을 야기하지는 않는다 하더라도, 과전류 보호 장치의 구성 요소에 높은 부하를 초래한다.
본 발명의 과제는, 구조적으로 그리고/또는 기능적으로 개선된, 그리고 특히 과전류의 더 신속하고 더 이른 검출을 가능하게 하는 직류 회로망용 과전류 보호 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 직류 회로망의 부하 경로 내 과전류로부터의 보호 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징에 따른 직류 회로망용 과전류 보호 장치; 및 본 발명에 따라 구성된 과전류 보호 장치를 포함하는 직류 회로망;에 의해 해결된다.
바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다. 종속 장치 청구항에 명시된 추가 특징은 유사한 방식으로 본 발명에 따른 방법에 전용될 수 있다.
본 발명에서는 직류 회로망을 위한 과전류 보호 장치를 제안한다. 과전류 보호 장치는 예를 들어 직류 회로망 내에 배치된 부하를 보호하는 역할을 한다. 그러한 부하는 특히 하나 이상의 용량성 부하 및/또는 유도성 부하일 수 있다. 용량성 부하는 예를 들어 직류 회로망에 의해 제공되는 전압으로부터 예컨대 모터와 같은 부하를 위해 3상 교류 전압 또는 적어도 교류 전압을 생성하는 인버터이다.
과전류 보호 장치는 직류 회로망의 부하 경로 내에 배치된 제어 가능한 반도체 회로 장치를 포함한다. 부하 경로는 예를 들어 전원 단자 또는 전원 레일에 인가된 전력 공급 전위를 전술한 부하와 연결한다.
과전류 보호 장치는 또한, 제어 가능한 반도체 회로 장치를 구동하기 위한 구동 회로 및 과전류 모니터링 유닛을 구비한 제어 유닛을 포함하며, 상기 과전류 모니터링 유닛은, 과전류 모니터링 입력에 인가되는 전압 신호가 미리 정해진 전압 한계값을 초과할 때, 상기 구동 회로가 제어 가능한 반도체 회로 장치를 스위치-오프시키도록 구성된다.
구동 회로에 의한 제어 가능한 반도체 회로 장치의 구동은 반도체 회로 장치의 각각의 반도체 스위칭 소자의 스위치-온 또는 스위치-오프를 포함한다. 반도체 스위칭 소자로는 특히, MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등과 같은 전력 전자 부품이 사용된다. 그러한 전력 전자 부품은 n-채널 또는 p-채널 타입이거나 npn 또는 pnp 타입일 수 있다. 반도체 재료는 실리콘(Si) 또는 SiC(탄화규소) 등을 기반으로 할 수 있다. 반도체 회로 장치가 하나 이상의 제어 가능한 반도체 스위칭 소자를 포함하는 경우, 부하 경로 내에서 제어 가능한 반도체 스위칭 소자 중 2개는 바람직하게 서로 역직렬로 연결된다.
과전류 모니터링 입력으로서 특히 제어 장치의 이른바 불포화(desaturation) 모니터링 접속부가 사용된다. 이는, 과전류 모니터링 유닛의 구성에 따라 미리 정해진 전압 한계값에 도달 시 제어 가능한 반도체 회로 장치의 스위치-오프를 유발하는 이른바 DESAT 입력으로도 알려져 있다. 일반적으로 미리 정해진 전압 한계값은 예를 들어 9V이거나(1200V 소자의 경우) 더 높다.
또한, 과전류 보호 장치는 부하 경로 내에 배치된 전류 측정 장치를 포함하며, 이 전류 측정 장치는 제어 가능한 반도체 회로 장치를 통해 흐르는 전류의 레벨을 검출하고, 전류 레벨을 나타내는 전류 레벨 신호를 제공한다. 바람직한 실시예들에 따라, 전류 측정 장치는 전류 레벨 신호로서 전압 또는 전류를 출력하도록 구성될 수 있다. 첫 번째 경우, 전류 측정 장치는 예를 들어 부하 경로 내에 션트(shunt)를 포함할 수 있다. 전류 측정 장치가 전류 레벨 신호로서 전류를 출력하도록 구성된 경우, 전류 측정 장치는 예를 들어 홀 센서, GMR 센서(GMR: giant magnetoresistance, 즉, 자계 평가 센서), 시그마-델타 변환기 또는 AMR 센서(AMR: anisotropic magnetoresistance; 공급업체: 예컨대 Sensitec GmbH, DE)를 포함할 수 있다.
마지막으로 과전류 보호 장치는 평가 회로를 포함하며, 상기 평가 회로는 자신에 공급된 전류 레벨 신호로부터 전류에 비례하는 전류 레벨 전압 신호를 생성하도록 구성되고, 이 전류 레벨 전압 신호는 과전류 모니터링 유닛의 과전류 모니터링 입력에 전압 신호로서 공급된다. 또한, 상기 평가 회로는, 제어 가능한 반도체 회로 장치를 통해 흐르는 전류의 레벨이, 제어 유닛에 의해 제어 가능한 반도체 회로 장치의 스위치-오프가 유발되도록 의도된, 미리 정의된 전류 한계값을 초과할 때, 전류 레벨 전압 신호가 미리 정해진 전압 한계값보다 더 큰 값을 갖는 방식으로 상기 전류 레벨 전압 신호를 생성하도록 구성된다.
그럼으로써 평가 회로는 전류 한계값을 초과하는 전류 레벨 신호 값을 과전류 모니터링 유닛의 구성에 상응하게, 미리 정해진 전압 한계값을 초과함으로써 제어 가능한 반도체 회로 장치의 스위치-오프를 유발하기에 충분한 전압 레벨에 도달하는 전류 레벨 전압 신호로 "변환한다."
공지된 해법과 달리, 제안된 과전류 보호 장치는 정격 전류가 훨씬 더 적게 초과된 경우에도 과전류 보호 장치를 트리거할 수 있다. 여기서 트리거란, 과전류 모니터링 유닛의 주도하에 제어 가능한 반도체 회로 장치가 스위치-오프됨을 의미하는 것으로 이해된다.
이로써 평가 회로가 바람직하게 전류 레벨 신호의 처리에 이용되고, 그에 따라 상기 전류 레벨 신호는 과전류 모니터링 유닛의 과전류 모니터링 입력에 공급될 수 있다. 미리 정해진 전류 한계값이 초과되면, 평가 회로는 전류 레벨 전압 신호가 상기 미리 정해진 전압 한계값보다 큰 값에 상응하도록 상기 전류 레벨 전압 신호를 생성하며, 그로 인해 과전류 보호 장치가 트리거된다.
따라서 제안된 과전류 보호 장치는, 예를 들어 정격 전류의 4배 내지 6배에 달하는 큰 과전류의 발생 시 반도체 회로 장치를 차단하도록 되어 있고 다수의 제어 유닛에 존재하는 불포화 모니터링 신호 경로를 사용한다. 전류 측정 장치와 평가 회로를 결합하면, 더 작은 과전류에서도 반도체 회로 장치를 차단 상태로 전환할 수 있다.
이는, 전류 측정 장치와 평가 회로가 반도체 회로 장치의 불포화 반도체 스위칭 소자를 에뮬레이트하도록 구성됨으로써 가능해진다.
트리거를 발생시키는 전류 레벨 전압 신호가 생성되는 전류 한계값은 바람직하게 가변적으로 설정될 수 있다. 이 경우, 전류 한계값(Ig)은 "Irated < Ig < x * Irated"의 한도 사이에서 가변적으로 설정될 수 있다. 달리 말하면, 전류 한계값은 정격 전류(Irated)와 (최외측 한도로서의) 정격 전류의 x배(예: x = 5) 사이에서 선택될 수 있다.
한 바람직한 실시예에서, 평가 회로는, 전류 레벨 신호를 평가하여 전류 레벨 전압 신호를 생성하기 위한 프로그램이 실행되는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 달리 말하면, 평가 회로는 마이크로컨트롤러에 의해 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
평가 회로는 추가로 또는 대안적으로 전류 레벨 전압 신호를 생성하는 트랜지스터 단(transistor stage)으로서 구성될 수 있다. 가장 간단한 실시예에서, 평가 회로는 전류 레벨 정보로부터 전류 레벨 전압 신호를 생성하는 증폭기로서 구성될 수 있다.
또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 평가 회로는 전류 레벨 신호에 따라 전류 레벨 전압 신호의 출력을 지연시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 정격 전류가 약간 초과되면(예: 정격 전류의 2배), 과전류의 검출 이후 시간(t1)이 지난 후에 전류 레벨 전압 신호가 생성될 수 있는 반면, 정격 전류가 더 많이 초과되면 (예: 정격 전류의 4배 초과), 전류 레벨 전압 신호의 생성은 과전류 발생 이후 시간(t2)이 지난 후에 수행되며, 여기서 t2는 t1보다 작다. 평가 회로의 구성에 따라 상이한 전류 레벨 신호에 대한 임의의 분등(gradation)을 수행할 수 있으며, 상기 분등은 예를 들어 표에 저장되거나 방정식으로 설명된다.
더 간단한 실시예에서는, 반도체 회로 장치가 제어 가능한 반도체 스위칭 소자를 단 하나만 포함할 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 반도체 회로 장치는 복수의 제어 가능한 반도체 스위칭 소자를 포함할 수도 있으며, 특히 서로 역직렬로 연결된 2개의 반도체 스위칭 소자를 포함하는 실시예가 제공된다.
또 다른 한 양태에 따라, 여기에 설명된 과전류 보호 장치를 가진 직류 회로망이 제안된다. 직류 회로망은, 앞서 본 발명에 따른 과전류 보호 장치와 관련하여 설명한 것과 동일한 장점을 갖는다.
또 다른 한 양태에 따라, 직류 회로망의 부하 경로 내 과전류로부터의 보호 방법이 제안된다. 이 방법은 하기의 단계들을 포함한다: 부하 경로 내에 배치된 제어 가능한 반도체 회로 장치를 통해 흐르는 전류의 레벨을 검출하는 단계(이 검출 단계는 바람직하게 부하 경로 내에 배치된 전류 측정 장치에 의해 수행됨). 전류 레벨을 나타내는 전류 레벨 신호를 제공하는 단계. 제어 가능한 반도체 회로 장치를 통해 흐르는 전류의 레벨이, 제어 가능한 반도체 회로 장치의 스위치-오프가 유발되도록 의도된, 미리 정의된 전류 한계값을 초과할 때, 전류 레벨 전압 신호가 미리 정해진 전압 한계값보다 더 큰 값을 갖는 방식으로, 상기 전류 레벨 신호로부터 전류 레벨 전압 신호를 생성하는 단계(이 생성 단계는 바람직하게 평가 회로를 통해 수행됨). 상기 전류 레벨 전압 신호를, 제어 가능한 반도체 회로 장치를 구동하기 위해 제공된 제어 유닛의 과전류 모니터링 유닛의 과전류 모니터링 입력에, 전압 신호로서 공급하는 단계. 그리고 과전류 모니터링 입력에 인가되는 전압 신호가 미리 정해진 전압 한계값을 초과할 때, 바람직하게는 제어 유닛의 구동 회로가, 제어 가능한 반도체 회로 장치를 스위치-오프하도록 유발하는 단계(이 유발 단계는 바람직하게 제어 유닛의 과전류 모니터링 유닛에 의해 수행됨).
설명한 과업은 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램 제품에 의해서도 해결된다. 컴퓨터 프로그램 제품은 제어 유닛에서 실행될 수 있게 구성된다. 컴퓨터 프로그램 제품은 소프트웨어 또는 펌웨어로서 메모리 내에 저장될 수 있고, 컴퓨터에 의해 실행될 수 있도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 컴퓨터 프로그램 제품은 적어도 부분적으로 고정 배선 회로(hard-wired circuit)로서, 예를 들어 ASIC로서 구성될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은, 전압 신호를 수신하고 평가하며 제어 유닛의 구동 회로에 명령을 생성하도록 구성된다. 본 발명에 따라, 컴퓨터 프로그램 제품은 설명한 직류 회로망의 부하 경로 내 과전류로부터의 보호 방법의 하나 이상의 실시예를 구현하고 수행하도록 구성된다. 이 경우, 컴퓨터 프로그램 제품은 방법의 모든 부분 기능을 결합할 수 있으며, 다시 말해 단일체로(monolithically) 구성될 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 분할 구성될 수도 있으며, 부분 기능을 별도의 하드웨어에서 실행되는 세그먼트들로 각각 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 방법의 한 부분은 평가 회로에서 수행될 수 있고, 방법의 또 다른 부분은 PLC 또는 컴퓨터 클라우드와 같은 제어 유닛에서 수행될 수 있다.
본 발명은 하기에서 도면의 실시예들을 토대로 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 과전류 보호 장치의 일반적인 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 과전류 보호 장치의 제2 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 과전류 보호 장치의 제3 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 과전류 보호 장치의 제4 실시예의 개략도이다.
도 1 내지 도 4에는 직류 회로망 내에 배치되고 도면들에 도시되지 않은 부하를 위한 과전류 보호 장치(1)의 개략도가 도시되어 있다. 마찬가지로 상세히 도시되지 않은 직류 회로망(DC network)이 전원 단자 또는 전원 레일에 직류 전압을 제공한다. 직류 전압은 예를 들어 배터리에 의해 제공될 수 있다. 그 단자에 직류 전압이 제공되는 또 다른 임의의 에너지원 또는 복수의 에너지원의 조합이 제공될 수도 있다. 이러한 에너지원은 예를 들어 태양광 발전 시스템 및/또는 배터리 저장장치일 수 있고, 교류 전압원에 의해 생성된 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류기일 수도 있다.
직류 전압 회로망의 구성이나 부하의 세부 사항은 본 발명을 이해하는 데 중요하지 않기 때문에, 도 1 내지 도 4에는 과전류 보호 장치(1)를 통해 전원 단자 또는 전원 레일과 부하(들)를 연결하는 부하 경로(2)만 도시되어 있다.
과전류 보호 장치(1)는 부하 경로(2) 내에 배치된 반도체 회로 장치(10)를 포함한다. 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)는 (도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이) 하나 이상의 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12)를 포함한다. 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12)로서 특히 MOSFET 또는 IGBT와 같은 전력 전자 부품이 고려된다. 전력 전자 부품(들)은 n-채널 또는 p-채널 타입이거나 npn 또는 pnp 타입일 수 있다. 반도체 재료는 실리콘(Si) 또는 질화갈륨(GaN) 등을 기반으로 할 수 있다.
반도체 회로 장치(10)의 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12)의 구동은 제어 유닛(20)에 의해 수행된다. 제어 유닛(20)은 신호 출력(21S)에서 반도체 회로 장치(10)를 위한 구동 신호를 제공하는 구동 회로(21)를 포함하고, 상기 구동 신호에 의해 각각의 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12)가 스위치-온 또는 스위치-오프될 수 있다. 도 1 내지 도 4에서, 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12)는 구동 회로(21)의 공통 구동 신호에 의해 구동된다. 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12) 각각은 상이한 구동 회로에 의해 생성되는 상이한 구동 신호에 의해서도 구동될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백한 사실이다.
제어 유닛(20)은 또한 과전류 모니터링 유닛(22)을 포함한다. 과전류 모니터링 유닛(22)은 제어 유닛(20)의 과전류 모니터링 입력(22S)에 연결된다. 상기 과전류 모니터링 입력에서 과전류 모니터링 유닛(22)은 전압 신호(S3)를 수신하며, 이 전압 신호가 미리 정해진 전압 한계값을 초과하면, 반도체 회로 장치(10)의 스위칭 소자를 스위치-오프하기 위해 구동 회로(21)를 위한 제어 신호(s4)가 생성된다.
과전류 모니터링 입력(22S)은 일반적인 제어 유닛(20)에 제공되는 불포화 모니터링 핀(DESAT pin)이며, 이 불포화 모니터링 핀은 역시 일반적으로 제공되는 과전류 모니터링 유닛(22)에 의해 부하 경로(2) 내 과전류(I)가 클 때 제어 신호(s4)를 생성한다. 큰 과전류는 일반적으로 부하 경로(2)를 통해 흐르는 정격 전류(Irated)의 4배 내지 6배이며, 이는 원리에 기인하여 도출된다.
종래의 과전류 보호 장치에서, 전압 신호(ss)는 반도체 회로 장치(10)의 반도체 스위칭 소자 중 하나에 걸친 전압 강하를 나타낸다. 반도체 스위칭 소자의 부하 경로에 걸친 전압 강하가 미리 정해진 전압 한계값에 도달하거나 이를 초과하려면, 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류(I)가 정격 전류(Irated)의 적어도 4배여야 한다.
이처럼 원리에 기인한 단점을 피하기 위해, 본 발명에 따른 과전류 보호 장치(1)는 부하 경로(2) 내에 전류 측정 장치(30)를 제공한다. 달리 말하면, 전류 측정 장치(30)는 반도체 회로 장치(10)에 대해 직렬로 배치된다. 전류 측정 장치(30)는 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류(I)의 레벨을 검출하고, 전류 레벨을 나타내는 전류 레벨 신호(s1)를 제공한다. 전류 레벨 신호(s1)는 전류 측정 장치(30)의 구성에 따라 전압값 또는 전류값을 나타낸다.
전류 레벨 신호(s1)는 평가 회로(40)에 공급된다. 평가 회로(40)는 자신에 공급된 전류 레벨 신호(s1)로부터 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하도록 구성되고, 이는 과전류 모니터링 유닛(22)의 과전류 모니터링 입력(22S)에 전압 신호(s3)로서 공급된다(즉, s2 = s3). 평가 회로(40)는, 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류(I)의 레벨이 미리 정의된, 가변적으로 조정 가능한 전류 한계값을 초과할 때, 전류 레벨 전압 신호(s2)가 {과전류 모니터링 유닛(22)의} 미리 정해진 전압 한계값보다 큰 값을 갖는 방식으로 상기 전류 레벨 전압 신호를 생성한다. 미리 정의된 전류 한계값은, 상기 값의 초과 시, 과전류 모니터링 유닛(22)이 미리 정의된 전압 한계값의 초과를 확인하고 구동 회로(21)를 위한 제어 신호(s4)를 출력하여 상기 구동 회로가 반도체 회로 장치(10)를 스위치-오프함으로써, 제어 유닛(20)에 의해 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)의 스위치-오프가 유발되는 방식으로 선택된다.
따라서 과전류 보호 장치(1)의 기본 원리는, 전류 측정 장치(30)에 의해 생성된 전류 레벨 신호(s1)가, 과전류 모니터링 입력(22S)에 반도체 회로 장치(10)의 스위치-오프를 야기하는 (DC) 신호가 인가되는 방식으로 평가 회로(40)에 의해 처리되도록 제공된다. 따라서 전류 측정 장치(30) 및 평가 회로(40)는 반도체 회로 장치의 불포화 반도체 스위칭 소자를 에뮬레이트하고, 이에 의해 전압 신호(s3)로서 과부하 및/또는 단락에 대한 조건이 충족될 때 활성화되는 전압을 생성할 수 있다.
이를 통해, 예를 들어 정격 전류의 1.2배, 1.5배 또는 2배와 같이 비교적 작은 과전류에서도 반도체 회로 장치(10)를 차단 상태로 전환할 수 있다.
신호 라우팅이 전기 절연될 필요가 없음으로써, 과전류 보호 장치의 빠른 응답 속도와 비용 효율적인 구성이 도출된다.
아래 도 2 내지 도 4는 전술한 방법의 상이한 실시예들을 보여준다.
도 2에서, 반도체 회로 장치(10)는 서로 역직렬로 연결된 제1 및 제2 반도체 스위칭 소자(11, 12)를 포함한다. 제1 및 제2 반도체 스위칭 소자(11, 12)는 예컨대 IGBT이다. 관련 프리휠링 다이오드는 명확성을 위해 도시하지 않았다. 제1 및 제2 반도체 스위칭 소자(11, 12)의 제어 단자(11S, 12S)는 제어 유닛(20)의 구동 회로(21)의 신호 출력(21S)으로부터 공통 구동 신호를 수신한다. 여기서는 션트(31)의 형상인 전류 측정 장치(30)는 제1 반도체 스위칭 소자와 제2 반도체 스위칭 소자(11, 12) 사이에 직렬로 배치된다. 이 경우, 제1 및 제2 반도체 스위칭 소자(11, 12)의 각각의 이미터 단자(11E, 12E)가 션트(31)의 각 단자와 연결된다. 콜렉터 단자(11C, 12C)는 션트(31)로부터 먼 쪽에 있는 부하 경로 내에 배치된다.
예를 들어, 평가 회로(40)는 연산 증폭기로서 구성된다. 구성 유형에 따라, 션트(31) 형상의 전류 측정 장치(30)는 전류 레벨 신호(s1)로서 증폭기(42)의 입력에서 검출되는 전압을 제공한다. 그러면 증폭기(42)는 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하고, 이는 과전류 모니터링 유닛(22)의 전압 신호(s3)로서 공급된다.
본 실시예에서는 제1 반도체 스위칭 소자와 제2 반도체 스위칭 소자(11, 12) 사이에 션트(31) 형상의 전류 측정 장치(30)가 제공되지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 전류 측정 장치(30)가 부하 경로(2) 내에서 반도체 회로 장치의 요소에 대해 직렬로 배치된다는 것이 중요할 뿐이다.
도 3에는 도 2에 설명된 실시예의 변형이 도시되어 있으며, 여기서는 전류 레벨 전압 신호(s2)가 마이크로컨트롤러(41)에 공급되고, 이어서 상기 마이크로컨트롤러가 전압 신호(s3)를 생성하여 과전류 모니터링 입력(22S)에 제공한다. 마이크로컨트롤러(41)의 도움으로 예를 들어, 전류 레벨 전압 신호(s2)를 예컨대 필터링을 통해 처리하고, 예를 들어 신호 전파 시간과 관련하여 추가 조정을 수행하는 것이 가능하다. 예를 들어, 부하 경로(2) 내 과전류의 레벨에 따른 전압 신호(s3)의 지연이 제공될 수 있다.
도 4에는, 전류 측정 장치(30)로서 예를 들어 홀 센서, GMR 센서 또는 시그마-델타 변환기가 사용되고, 이 경우 전류 레벨 신호(s1)로서 전류가 출력되는 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 전류 측정 장치로서 홀 센서 또는 GMR 센서를 사용하는 경우, 측정점에 대한 전기 절연이 수행되는 장점이 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 평가 회로(40)의 기능은 마이크로컨트롤러(41)에서 실행되는 소프트웨어에 의해 구현된다. 마이크로컨트롤러(41)는 그의 출력에서 전류 레벨 전압 신호(s2)를 전압 신호(s3)로서 제공한다(즉, s2 = s3).
평가 회로(40)는, 트리거 조건에 따라 반도체 회로 장치(10)의 스위칭 소자(들)의 스위치-오프를 개시하기 위해 상응하는 전류 레벨 전압 신호(s3)로 과전류 모니터링 입력(22S)을 트리거하는 전류 레벨 신호(s1)의 신호 처리를 수행한다.

Claims (13)

  1. 직류 회로망용 과전류 보호 장치로서, 이 직류 회로망용 과전류 보호 장치는,
    - 직류 회로망의 부하 경로(2) 내에 배치된 제어 가능한 반도체 회로 장치(10);
    - 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 구동하기 위한 구동 회로(21) 및 과전류 모니터링 유닛(22)을 구비한 제어 유닛(20); -과전류 모니터링 유닛은 과전류 모니터링 입력(22S)에 인가되는 전압 신호(s3)가 미리 정해진 전압 한계값을 초과할 때, 상기 구동 회로(21)가 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 스위치-오프시키도록 구성됨-;
    - 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류의 레벨을 검출하고, 전류 레벨을 나타내는 전류 레벨 신호(s1)를 제공하는, 부하 경로(2) 내에 배치된 전류 측정 장치(30);
    - 공급된 전류 레벨 신호(s1)로부터 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하도록 구성된 평가 회로(40); -상기 전류 레벨 전압 신호는 과전류 모니터링 유닛(22)의 과전류 모니터링 입력(22S)에 전압 신호(s3)로서 공급됨-; 를 포함하며,
    평가 회로(40)는 또한, 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류의 레벨이, 제어 유닛(20)에 의해 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)의 스위치-오프가 유발되도록 의도된, 미리 정의된 전류 한계값을 초과할 때, 전류 레벨 전압 신호(s2)가 미리 정해진 전압 한계값보다 더 큰 값을 갖는 방식으로 상기 전류 레벨 전압 신호를 생성하도록 구성되는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서, 전류 측정 장치(30)는 전류 레벨 신호(s1)로서 전압을 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서, 전류 측정 장치(30)는 전류 레벨 신호(s1)로서 전류를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 측정 장치(30)와 평가 회로(40)가 함께 반도체 회로 장치(10)의 불포화 반도체 스위칭 소자를 에뮬레이트하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 한계값은 가변적으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 한계값(Ig)은 "Irated < Ig < x * Irated"에 따라 선택되며, 여기서 Irated는 부하 경로(2)를 통해 흐르는 정격 전류이고, 1 < x < 8이 적용되는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 평가 회로(40)는, 전류 레벨 신호(s1)를 평가하여 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하기 위한 프로그램이 실행되는 마이크로컨트롤러(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 평가 회로(40)는 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하는 연산 증폭기(42)로서 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 평가 회로(40)는, 전류 레벨 신호(s1)에 따라 전류 레벨 전압 신호(s2)의 출력을 지연시키도록, 필요한 경우 조정 가능하게 지연시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 반도체 회로 장치(10)는 제어 가능한 단일 반도체 스위칭 소자(11 또는 12) 또는 서로 역직렬로 연결된 2개의 제어 가능한 반도체 스위칭 소자(11, 12) 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 회로망용 과전류 보호 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 과전류 보호 장치(1)를 포함하는 직류 회로망.
  12. 직류 회로망의 부하 경로(2) 내 과전류로부터의 보호 방법으로서, 하기의 단계:
    부하 경로(2) 내에 배치된 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류의 레벨을 검출하는 단계;
    전류 레벨을 나타내는 전류 레벨 신호(s1)를 제공하는 단계;
    제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 통해 흐르는 전류의 레벨이, 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)의 스위치-오프가 유발되도록 의도된, 미리 정의된 전류 한계값을 초과할 때, 전류 레벨 전압 신호(s2)가 미리 정해진 전압 한계값보다 더 큰 값을 갖는 방식으로, 전류 레벨 신호(s1)로부터 전류 레벨 전압 신호(s2)를 생성하는 단계;
    전류 레벨 전압 신호(s2)를, 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 구동하기 위해 제공된 제어 유닛(20)의 과전류 모니터링 유닛(22)의 과전류 모니터링 입력(22S)에, 전압 신호(s3)로서 공급하는 단계; 및
    과전류 모니터링 입력(22S)에 인가되는 전압 신호(s3)가 미리 정해진 전압 한계값을 초과할 때, 제어 유닛(20)의 과전류 모니터링 유닛(22)에 의해, 제어 유닛(20)의 구동 회로(21)가 제어 가능한 반도체 회로 장치(10)를 스위치-오프하도록 유발하는 단계;를 포함하는, 과전류로부터의 보호 방법.
  13. 제어 유닛(20)에서 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 제품에 있어서,
    컴퓨터 프로그램 제품이 제12항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
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