KR20240001417A - 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기 - Google Patents

순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기 Download PDF

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KR20240001417A
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Abstract

본 발명은, 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 뇌서지의 유입시에 전원 공급 라인을 개방시켜 전원측 및 접지측 어느 곳을 통해서도 뇌서지가 유입되지 않도록 원천 차단하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기에 관한 것이다.

Description

순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기{Surge protection device}
본 발명은, 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 뇌서지의 유입시에 전원 공급 라인을 개방시켜 전원측 및 접지측 어느 곳을 통해서도 뇌서지가 유입되지 않도록 원천 차단하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기에 관한 것이다.
서지 보호기(SPD: Surge protective device)는 메인 차단기 후단에 설치되어 평상시에는 매우 높은 임피던스를 유지하고 있다가 서지 유입시에 임피던스가 급격히 낮아져 서지가 부하가 아닌 대지로 방류되도록 하는 장치이다.
그러나, 연속된 대용량의 서지 또는 빈번한 서지가 유입될 경우 SPD의 구성 소자(비선형 소자)의 특성이 저하되어 소손되는 사고가 빈번하게 발생되고 있다. 또한, 접지 저항이 높을 경우에는 부하측에 고전압이 유입되어 기기의 절연이 파괴되는 문제가 있다.
그런데, 야외 현장 제어반의 경우 건물 내에 설치되는 장비에 비하여 뇌서지에 매우 빈번하게 노출되는 구조이고, 이러한 야외 현장 제어반은 기존의 SPD를 적용했을 시에 반복되는 뇌서지에 의해 SPD 소자가 열화되거나 접지로부터 역류하는 서지에 의해 기기가 소손되는 사례가 많아, 유지보수 인원이 매번 현장에 출동하여 이를 수리하여야 했고, 수리 기간 동안 현장 제어반의 사용이 불가한 문제가 있었다.
KR10-0818054(등록번호) 2008.03.25.
본 발명은, 뇌서지의 유입시에 전원 공급 라인을 개방시켜 전원측 및 접지측 어느 곳을 통해서도 뇌서지가 유입되지 않도록 원천 차단하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 뇌서지가 소멸되면 회로를 즉시 재폐로하여 부하의 정전 시간 이내에 전원을 재공급함으로써 부하의 정전 없이 뇌서지를 방지할 수 있는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 뇌서지의 지속 시간이 부하의 정전 시간을 초과하여 지속되는 경우 즉시 ESS부의 전원을 부하에 제공하여 부하의 정전 없이도 지속되는 뇌서지를 방지할 수 있는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 개폐 서지 보호부가 구비되어 메인 스위칭부 또는 ESS 스위칭부의 개폐시에 발생되는 개폐 서지를 방지할 수 있는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 전원 공급 라인(11)과 부하(20) 사이에 연결되어 공급 전원(10)과 상기 부하(20) 사이를 개폐하는 메인 스위칭부(100); 상기 전원 공급 라인(11)상에 설치되어 상기 전원 공급 라인(11)상의 전압을 검출하는 전압 센싱부(200); 상기 전압 센싱부(200)의 후단에 연결되어 상기 전압 센싱부(200)의 측정값이 설정 범위 이내이면 Low값을 출력하고, 상기 전압 센싱부(200)의 측정값이 설정 범위를 초과하면 High값을 출력하는 서지 검출부(300); 상기 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 상기 메인 스위칭부(100)를 개폐 제어하되, 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 Low이면 상기 메인 스위칭부(100)를 ON 상태로 제어하고, 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 High이면 상기 메인 스위칭부(100)를 OFF 상태로 제어하는 게이트 구동부(400);를 포함한다.
또한, 본 발명은, ESS(Energy storage system)부; 상기 ESS부(600)와 상기 부하(20) 사이에 연결되어 상기 ESS부(600)와 상기 부하(20) 사이를 개폐하는 ESS 스위칭부(700); 상기 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 상기 ESS 스위칭부(700)를 개폐시키는 ESS 컨트롤러(500);를 포함하되, 상기 ESS 컨트롤러(500)는 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 설정 시간을 초과하여 High 상태로 지속되면 상기 ESS 스위칭부(700)를 구동시켜 상기 ESS부(600)의 전원이 상기 부하(20)에 제공되도록 한다.
또한, 본 발명의 상기 ESS 컨트롤러(500)는 상기 전압 센싱부(200)의 측정값을 입력받으며, 상기 전압 센싱부(200)의 측정값에 따라 상기 ESS 스위칭부(700)의 동작 타이밍을 결정한다.
또한, 본 발명의 상기 ESS 컨트롤러(500)는 상기 전압 센싱부(200)의 측정값을 시계열로 둘 이상 저장하여 패턴을 추출하며, 상기 ESS 스위칭부(700)의 동작시 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 High 상태로 전환된 시점의 전압 패턴에 대응되도록 상기 ESS 스위칭부(700)의 동작 타이밍을 결정한다.
또한, 본 발명은, 상기 메인 스위칭부(100)와 상기 부하(20) 사이에 연결되고 그 타단이 접지되어 상기 메인 스위칭부(100)의 개폐시에 발생되는 개폐 서지를 방지하는 개폐 서지 보호부(800);를 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 부하(20)에 병렬로 연결되어 상기 메인 스위칭부(100)의 개폐시에 발생되는 과전압을 방지하는 스버너부;를 포함한다.
본 발명은, 뇌서지의 유입시에 전원 공급 라인(11)을 개방시켜 전원측 및 접지측 어느 곳을 통해서도 뇌서지가 유입되지 않도록 원천 차단하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 뇌서지가 소멸되면 회로를 즉시 재폐로하여 부하(20)의 정전 시간 이내에 전원을 재공급함으로써 부하(20)의 정전 없이 뇌서지를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 뇌서지의 지속 시간이 부하(20)의 정전 시간을 초과하여 지속되는 경우 즉시 ESS부(600)의 전원을 부하(20)에 제공하여 부하(20)의 정전 없이도 지속되는 뇌서지를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 개폐 서지 보호부(800)가 구비되어 메인 스위칭부(100) 또는 ESS 스위칭부(700)의 개폐시에 발생되는 개폐 서지를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 블록도.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 회로도.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 메인 스위칭부의 ON 동작시의 전원 흐름도.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 메인 스위칭부의 OFF 동작시의 전원 흐름도.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 ESS 스위칭부의 동작시의 전원 흐름도.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 순서도.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기의 다른 순서도.
이하에서, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은, 분전반의 주 차단기 후단에 설치되며, 뇌서지의 노출이 심한 야외의 현장 제어반에 적용된다. 이러한 본 발명은, 도1 내지 도7에 도시된 바와 같이, 전원 공급 라인(11)과 부하(20) 사이에 연결되어 공급 전원(10)과 부하(20) 사이를 개폐하는 메인 스위칭부(100)와, 전원 공급 라인(11)상에 설치되어 전원 공급 라인(11)상의 전압을 검출하는 전압 센싱부(200)와, 전압 센싱부(200)의 후단에 연결되어 전압 센싱부(200)의 측정값이 설정 범위 이내이면 Low값을 출력하고, 전압 센싱부(200)의 측정값이 설정 범위를 초과하면 High값을 출력하는 서지 검출부(300)와, 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 메인 스위칭부(100)를 개폐 제어하되, 서지 검출부(300)의 출력값이 Low이면 메인 스위칭부(100)를 ON 상태로 제어하고, 서지 검출부(300)의 출력값이 High이면 메인 스위칭부(100)를 OFF 상태로 제어하는 게이트 구동부(400)를 포함하여 구성된다.
메인 스위칭부(100)는 전원 공급 라인(11)상에 구비되어 공급 전원(10)과 부하(20) 사이를 개폐하는 역할을 한다. 이러한 메인 스위칭부(100)는 게이트(Gate)에 구동 전원의 입력시 콜렉터(Collector)로부터 이미터(Emitter) 방향의 흐름이 도통되고, 이미터로부터 콜렉터 방향으로 연결되는 다이오드를 포함한 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 소자로 구성된다. 이러한 IGBT 소자는 게이트에 문턱전압 이상의 구동 전원이 입력되면 콜렉터로부터 이미터 방향으로는 트랜지스터 내부 경로를 통해 도통되고, 이미터로부터 콜렉터 방향으로는 다이오드를 통해 도통된다. 따라서, 전류의 양방향 흐름이 가능하게 된다. 전원의 스위칭 용도로는 주로 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor)이 사용되나 본 발명은 220V또는 그 이상의 상용 전원에 대한 스위칭을 해야 하기 때문에 고전압에 견딜 수 있는 IGBT 소자가 활용된다. 이러한 IGBT 소자는 MOSFET만큼의 스위칭 속도는 아니더라도 BJT(Bipolar junction transistor)의 특성에 따른 고전압을 견디면서도 MOSFET과 유사한 고속 스위칭이 가능하기 때문에 본 발명에 특히 유용하다.
IGBT 소자는 하나의 쌍이 서로 직렬로 연결되며 이를 각각 Sm1과 Sm2라 하면, Sm1과 Sm2의 이미터가 서로 마주보는 형상이 되며, 이때 Sm1과 Sm2의 다이오드는 애노드(Anode)가 서로 마주보게 된다. 이러한 메인 스위칭부(100)의 동작을 살펴보면, 공급 전원(10)이 (+)전위인 상태에서 Sm1과 Sm2의 게이트에 구동 전원이 입력되면 Sm1의 트랜지스터를 통해 전류가 흐르고 Sm2는 트랜지스터의 도통 방향이 마주보는 방향이므로 Sm2의 다이오드를 통해 전류가 부하(20)로 흐르게 된다. 반대로 공급 전원(10)이 (-)전위인 상태에서는 Sm2의 트랜지스터를 통해 Sm1 방향으로 전류가 흐르고 Sm1의 다이오드를 통해 공급 전원(10) 방향으로 전류가 흐르게 된다.
이러한 메인 스위칭부(100)는 전원 공급 라인(11)상에 서지가 검출되는 경우 OFF되어 회로를 개방(Open) 해야 하는데, 이 때에는 게이트에 구동 전원을 입력하지 않는 것으로 OFF제어를 하게 된다. 메인 스위칭부(100)의 Sm1, Sm2는 모두 동일한 구동 전원으로 제어되는데, 구동 전원을 입력하지 않게 되면 Sm1, Sm2 모두에서 콜렉터와 이미터 사이가 오픈된다. 이 상황에서는 전원 공급 라인(11)상의 전류는 Sm1, Sm2의 다이오드를 통해 흐를수밖에 없는데, Sm1과 Sm2의 다이오드는 서로 애노드가 마주보고 있으므로, Sm1, Sm2를 향하는 모든 방향에서 전류가 역방향이 되어 흐를 수 없게 된다.
이러한 메인 스위칭부(100)의 ON/OFF 제어를 어느 시점에 해야 하는지 여부를 판별하기 위하여 전원 공급 라인(11)상의 전압을 검출하는 전압 센싱부(200)와, 전압 센싱부(200)의 측정값을 토대로 서지 유입 여부를 판별하는 서지 검출부(300)와, 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 메인 스위칭부(100)의 각 소자의 구동 전원 입력 여부를 제어하는 게이트 구동부(400)가 구비된다.
전압 센싱부(200)는 전원 공급 라인(11)상의 전압을 측정하여 측정값을 메인 컨트롤러에 제공하는 역할을 한다. 전압 센싱부(200)는 전원 공급 라인(11)의 공급 전원(10) 양단에 병렬로 연결되어 전압을 측정한다. 이때, 구동 전원은 교류 220V 이상의 고전압이고, 이러한 구동 전원뿐만 아니라 유입되는 서지는 매우 큰 피치를 갖는 초고전압이므로, 이를 그대로 측정하는 것은 측정 소자를 파손시킬 우려가 있다. 따라서, 전압 센싱부(200)는 전압을 분배하기 위한 매우 큰 저항값을 갖는 분배 저항(Rd)과, 분배저항(Rd)에 직렬로 연결된 매우 작은 저항값을 갖는 측정 저항(Rs)를 포함하며, 측정 저항(Rs)에 다시 병렬로 검출 소자가 연결된다. 측정 저항(Rs) 양단에 걸리는 전압은 서지 유입 상태에서 회로의 소손을 막기 위해 평상시에는 매우 작은 전압만이 형성되므로, 검출 소자는 증폭기(Op Amp)인 것이 바람직하나 이를 한정하는 것은 아니다.
전압 센싱부(200)에서 측정된 전압은 측정이라는 용어를 사용했다 하여 측정값이 수치적으로 환산되어 전달되는 것이 아니라, 측정된 전압이 파형 그대로 제공되는 아날로그 신호임에 유의하여야 한다. 이러한 전압 센싱부(200)에서 측정된 전압은 서지 검출부(300)에 제공되고 동시에 하술할 ESS 컨트롤러(500)에 제공된다.
본 발명에서 차단하고자 하는 서지는 주로 뇌서지로서, 뇌서지의 특징은 매우 짧은 시간 동안 매우 큰 전압이 측정된다는 것이다. 이러한 뇌서지는 부하(20) 회로를 파손시키는 이외에 서지 보호기에도 무리를 주어 서지 보호기 자체가 열화되고 단락되는 등의 경우가 흔히 발생한다.
이러한 뇌서지를 차단하기 위해서는 뇌서지를 검출할 수 있어야 한다. 서지 검출부(300)는 전압 센싱부(200)로부터 측정된 전압을 제공받아 기준 전압과 비교하여 측정값을 생성한다. 서지 검출부(300)의 회로를 살펴보면, 2개의 전압 비교기가 서로 (+)단과 (-)단으로 전압 센싱부(200)의 측정값을 입력받고, 각각 (-)단과(+)단에 연결된 기준 전압과 비교하여 동작 전압과 동일한 레벨의 High(+) 또는 Low(-) 전압을 출력하고, 각 전압 비교기의 출력이 OR게이트로 합산된다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 도면상 하부에 위치한 SC1의 동작을 살펴보면, (-)단으로는 기준 전압이 입력되고, (+)단으로는 전압 센싱부(200)의 출력값이 제공된다. (-)단에 입력되는 기준 전압은 전원 공급 라인(11)상에 정격 전압 초과 제한 전압 미만의 전압이 인가되었을 때 전압 센싱부(200)로부터 출력되는 전압과 동일한 전압으로 설정된다. 이 상태에서 전원 공급 라인(11)상에 공급 전원(10)으로부터 평범하게 전원이 공급되면 전압 센싱부(200)의 출력이 기준 전압 미만이므로 SC1의 출력값은 Low 값을 출력한다. 그러나, 만일 전원 공급 라인(11)상에 서지가 유입되어 전원 공급 라인(11)상에 초고전압이 걸리게 되면 전압 센싱부(200)의 출력값도 상승하게 되고, SC1의 (+)단에 제공되는 전압이 (-)단의 기준 전압을 초과하게 되어 SC1의 출력값이 High 값을 출력하게 된다.
다음으로, 도면상 상부에 위치한 SC2의 동작을 살펴보면, (-)단으로는 전압 센싱부(200)의 출력값이 입력되고, (+)단으로는 기준 전압이 입력된다. 이는 SC1과는 반대의 입력인데, 그 이유는 SC1이 전원 공급 라인(11)상에 가해지는 (+)서지를 검출하기 위함이라면 SC2는 전원 공급 라인(11)상에 가해지는 (-)서지를 검출하기 위함이다. 이러한 SC2의 (+)단에 입력되는 기준 전압은 SC1에 입력되는 기준 전압의 반대 극성이며, SC2의 (-)단에 입력되는 전압 센싱부(200)의 출력값이 평상시에는 기준 전압보다 높은 위치에 있으므로 SC2의 출력단에 Low 값이 출력된다. 그러나, 전원 공급 라인(11)상에 (-)서지가 유입되면 전압 센싱부(200)의 출력값이 (-)방향으로 크게 증가하기 때문에, SC2의 (+)단 기준 전압이 (-)단 입력값보다 큰 값을 갖게 되어 SC2의 출력값이 High값을 출력하게 된다.
즉, SC1은 (+)전압의 서지가 발생되었을 때, SC2는 (-)전압의 서지가 발생되었을 때에 High값을 출력하며, SC1과 SC2의 두 출력값은 OR게이트에 의해 합산되어 후단의 게이트 구동부(400), 그리고 ESS 컨트롤러(500)에 제공된다.
게이트 구동부(400)는 서지 검출부(300)의 출력값을 제공받아 메인 스위칭부(100)의 개폐를 제어한다. 서지 검출부(300)의 출력값이 Low이면 서지가 발생되지 않았다는 것이므로 메인 스위칭부(100)에 구동 전압을 제공하여 메인 스위칭부(100)를 ON 상태로 제어하고, 서지 검출부(300)의 출력값이 High이면 서지가 발생된 것이므로 메인 스위칭부(100)에 구동 전압을 제공하지 않는 것으로 메인 스위칭부(100)를 OFF 상태로 제어한다.
이러한 게이트 구동부(400)는 서지 검출부(300)의 출력값으로서 동작되는 아날로그 회로인 것이 바람직하다. 그 이유는 서지 검출부(300)의 출력값을 입력받아 처리 장치에서 제어 신호를 생성하는 디지털 회로의 경우 즉답성면에서 시간 손실이 발생하기 때문이다. 게이트 구동부(400)는 서지 검출부(300)의 출력값이 Low일 때 메인 스위칭부(100)의 게이트 구동 전압을 제공하고, 서지 검출부(300)의 출력값이 High일 때 메인 스위칭부(100)에 게이트 구동 전압을 제공하지 않기만 하면 되므로, 서지 검출부(300)의 출력값에 NOT 게이트를 연결하고 그 출력을 MOSFET의 게이트 구동 전원으로 하여, MOSFET의 출력값이 메인 스위칭부(100)의 게이트 구동 전압으로 공급되도록 하는 회로로 구성될 수 있으나, 서지 검출부(300)의 출력값에 반대되고 메인 스위칭부(100)의 게이트 문턱 전압 이상의 전압을 공급할 수 있는 다양한 아날로그 회로의 조합이 가능함은 물론이다.
통상 뇌서지는 0.05ms 이내로서 전장비의 정전 시간인 4ms보다 매우 짧은 시간이다. 즉, 공급 전원(10)과 부하(20) 사이를 개방한 후 4ms 이내에 재폐로하면 부하(20)는 이를 정전으로 인식하지 않고 정상 동작한다는 것이다. 이러한 경우에는 상술한 메인 스위칭부(100), 전압 센싱부(200), 서지 검출부(300), 게이트 구동부(400)로만 구성되어도 충분히 회로를 서지로부터 보호할 수 있다.
그러나, 연속적인 서지가 유입되는 등 서지 유입 시간이 4ms를 초과하게 되면, 서지가 계속하여 검출되므로 메인 스위칭부(100)는 개방 상태를 4ms를 초과하여 유지하게 된다. 이 경우 부하(20)의 정전 시간을 초과하게 되어 부하(20), 즉, 전장비의 전원이 OFF 된다. 그러나 부하(20)의 종류에 따라 지속적인 구동이 반드시 필요하거나, 또는, 전원이 OFF된 이후 전원 공급 라인(11)이 재폐로 되더라도 스스로 전원 ON이 이루어지지 않는 경우에는 관리자가 현장에 출동하여 전원을 ON해야 하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 서지 유입 시간이 부하(20) 정전 시간인 4ms를 초과하는 경우 부하(20)에 전원을 공급하기 위한 ESS(Energy storage system)부와, ESS부(600)와 부하(20) 사이에 연결되어 ESS부(600)와 부하(20) 사이를 개폐하는 ESS 스위칭부(700)와, 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 ESS 스위칭부(700)를 개폐시키는 ESS 컨트롤러(500)가 구비된다.
ESS부(600)는 메인 스위칭부(100)의 OFF 동작, 즉, 공급 전원(10)과 부하(20) 사이가 개방되었을 때에 부하(20)에 공급되는 전원 소스 역할을 하며, 충방전이 가능한 배터리 형태를 갖는다. 이러한 ESS부(600)는 모빌리티 ESS를 재활용하는 방식으로 구성될 수 있다. 모빌리티 ESS는 내구성이 뛰어나고 충방전 효율이 좋은데 비해 초기 용량 대비 70%의 효율 이하로 저하되면 폐배터리로 취급된다. 따라서, 이러한 모빌리티 ESS를 활용하게 되면 충분한 전력 효율을 가지면서도 동일한 성능의 신품 ESS를 구비하는 것 대비 저렴한 비용으로 ESS부(600)를 구성할 수 있게 된다.
ESS 스위칭부(700)는 IGBT 소자인 Se1, Se2, Se3, Se4를 포함하여 구성된다. Se1의 콜렉터는 ESS부(600)의 (+)단자에, 이미터는 Se3의 콜렉터에 연결되고, Se3의 콜렉터는 Se1의 이미터에, 이미터는 ESS부(600)의 (-)단자에 연결된다. 그리고, Se1, Se3와 병렬로 Se2, Se4가 연결되는데, Se2의 콜렉터는 ESS부(600)의 (+)단자에, 이미터는 Se4의 콜렉터에 연결되고, Se4의 콜렉터는 Se2의 이미터에, 이미터는 ESS부(600)의 (-)단자에 연결된다. 이때, Se1의 이미터와 Se3의 콜렉터를 잇는 노드는 연장되어 부하(20)의 일측에 연결되고, Se2의 이미터와 Se4의 콜렉터를 잇는 노드는 연장되어 부하(20)의 다른 일측에 연결된다.
이러한 ESS 스위칭부(700)의 각 IGBT 소자(Se1, Se2, Se3, Se4)들은 ESS 컨트롤러(500)로부터 게이트 구동 전압을 제공받으며, 게이트 구동 전압의 공급 유무에 따라 스위칭되어 ESS부(600)의 직류 전원을 부하(20)에 교류 전원으로써 제공하게 된다.
ESS 컨트롤러(500)는 ESS 스위칭부(700)의 각 IGBT 소자(Se1, Se2, Se3, Se4)에 게이트 구동 전원을 제공하는 역할을 한다.
ESS 컨트롤러(500)는 서지 검출부(300)의 출력값을 제공받아 서지 검출부(300)의 출력값이 설정 시간을 초과하여 지속되면 ESS 스위칭부(700)에 게이트 구동 전원을 제공한다. 이때, 설정 시간이라 함은 부하(20)의 정전 시간이며, 본 발명에서는 4ms를 예로 들었으나 이에 한정하는 것은 아니다.
ESS 컨트롤러(500)는 서지 검출부(300)의 출력값이 설정 시간을 초과하게 되면 ESS 스위칭부(700)의 Se1과 Se4에 먼저 게이트 구동 전원을 제공한다. 이때의 전류 흐름을 살펴보면 ESS부(600)의 (+)단자로부터 전류가 진행하여 Se1의 콜렉터로 입력되고, Se1의 도통된 트랜지스터를 통과하여 Se1의 이미터로 출력된다. 그리고 Se1의 이미터와 같은 노드상에 위치한 부하(20)의 일측으로 입력된다. 부하(20)를 지난 전류는 Se4의 콜렉터로 입력되며, Se4의 도통된 트랜지스터를 통과하여 Se4의 이미터를 지나 ESS부(600)의 (-)단자로 회귀한다. 설정 시간 후 ESS 컨트롤러(500)는 Se1과 Se4에 공급되던 게이트 구동 전원을 차단하고 Se2와 Se3에 게이트 구동 전원을 공급한다. 이때의 전류 흐름을 살펴보면 ESS부(600)의 (+)단자로부터 전류가 진행하여 Se2의 콜렉터로 입력되고, Se2의 도통된 트랜지스터를 통과하여 Se2의 이미터로 출력된다. 그리고 Se2의 이미터와 같은 노드상에 위치한 부하(20)의 다른 일측으로 입력된다. 부하(20)를 지난 전류는 부하(20)의 일측으로부터 Se3의 콜렉터로 입력되며, Se3의 도통된 트랜지스터를 통과하여 Se3의 이미터를 지나 ESS부(600)의 (-)단자로 회귀한다. 이때, Se1과 Se4가 구동되었을 때와 Se2와 Se3가 구동되었을 때의 부하(20)에 흐르는 전류의 방향이 반대이므로, Se1, Se4 쌍과 Se2, Se3 쌍을 번갈아가며 구동시키면 부하(20)에는 교류 전류가 흐르게 되는 것이다. 그리고 이러한 Se1, Se4 쌍과 Se2, Se3 쌍의 게이트 구동 전압 제어는 PWM(Pulse width modulation)제어를 통해 공급 전원(10)과 동일한 주파수를 갖는 교류 전원을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 ESS 스위칭부(700)의 구동만으로는 구형파가 생성되기 때문에 이를 사인파와 유사하게 조정하기 위하여 ESS 스위칭부(700)와 부하(20) 사이에 LC필터가 더 구성될 수 있다.
한편, 서지 검출부(300)의 출력값이 설정 시간 이상 지속되어 ESS 컨트롤러(500)가 ESS 스위칭부(700)를 구동시켜 ESS부(600)의 전원을 부하(20)에 제공할 때, 예를 들어, 전원 공급 라인(11)상에 교류 전원의 사인파 상승 도중 메인 스위칭부(100)가 OFF된 경우, ESS 컨트롤러(500)가 ESS 스위칭부(700)의 Se2와 Se3를 구동시키면 부하(20)에는 갑자기 기존에 공급되던 전원과 정반대 극성의 전압 및 전류가 흐르게 된다. 이 경우 부하(20)가 이를 정전 상태로 받아들일 우려가 있음은 물론이고, 부하(20)를 포함한 ESS 스위칭부(700) 후단의 회로에 순간적으로 반대 극성의 전압이 걸리게 되어 무효 전력이 생성되거나 반향파에 의해 회로가 소손될 우려가 있다. 또한, 메인 스위칭부(100)가 설정 시간 이상 OFF되어 ESS부(600)에 의해 전원이 공급되기 시작한 후 곧바로 뇌서지가 소멸되어 메인 스위칭부(100)가 다시 ON 상태가 되고 ESS 스위칭부(700)가 OFF 상태가 되는 경우, 전원 공급 라인(11)상에는 뇌서지 유입 직전으로부터 연속되는 형태의 전원이 재공급되는데, ESS부(600)로부터 공급되는 전원이 반대 극성으로 공급되고 있는 상태였다면 부하(20)의 무정전 전원 공급에는 아무 실효도 없이 회로에 부담만 주는 형태가 되게 된다.
따라서, ESS 컨트롤러(500)는 전압 센싱부(200)의 측정값을 설정 주기 이상 시계열로 실시간 저장하며, ESS 스위칭부(700)의 동작 시작시에 서지 검출부(300)의 출력값이 High 상태로 전환된 시점의 전압 패턴에 대응되도록 ESS 스위칭부(700)의 동작 타이밍을 결정하여 ESS 스위칭부(700)를 제어한다. 이는 간단하게 예를 들면 서지가 설정 시간을 초과하여 지속되어 ESS 컨트롤러(500)가 ESS 스위칭부(700)를 제어하여 ESS부(600)의 전원을 부하(20)에 공급하여야 할 때에, 메인 스위칭부(100)의 OFF 시작 시점, 즉, 서지 검출부(300)의 출력값이 High 상태로 전환된 시점의 전압 센싱부(200)의 측정 전압이 (+)극성이었다면, ESS 스위칭부(700)의 Se1과 Se4를 구동시켜 부하(20)에 (+)극성의 전원이 공급되도록 하고, 반대로 서지 검출부(300)의 출력값이 High 상태로 전환된 시점의 전압 센싱부(200)의 측정 전압이 (-)극성이었다면, ESS 스위칭부(700)의 Se2와 Se3를 구동시켜 부하(20)에 (-)극성의 전원이 공급되도록 하는 것이다. 여기에서 더 나아가 서지 검출부(300)의 출력값이 High 상태로 전환된 시점의 전압 센싱부(200)의 측정 전압이 시계열상 (+)극성의 최고점이었다면 앞으로 남은 (+)극성의 주기는 1/4주기이므로, ESS 컨트롤러(500)는 ESS 스위칭부(700)의 Se1과 Se4를 1/4주기 구동시킨 후 Se2와 Se3를 구동시켜 부하(20)에 연속된 사인파가 공급되는듯한 효과를 주게 되는 것이다. 물론 Se1과 Se4를 1/4주기 구동시킨 후 Se2와 Se3를 구동시킨다 하여 사인파의 (+)극성 최고점에서 파형이 시작되지는 않으나, 유도성 회로 등에 의한 리액턴스를 상당 부분 감소할 수 있게 된다. 그리고, 이러한 전압 센싱부(200)의 시계열 주기의 패턴에 대응되도록 ESS 스위칭부(700)의 동작 타이밍을 제어하는 것은 주기가 사인파의 1/4 지점, 3/4 지점에서 멀어질수록 그 효과가 커지게 된다. 예를 들어, 만일 전압 센싱부(200)의 측정 전압이 (-)극성에서 (+)극성으로 전환되는 순간, 즉, 사인파의 시작 시점에 메인 스위칭부(100)가 OFF된 경우 ESS 컨트롤러(500)가 ESS 스위칭부(700)의 Se1과 Se4를 반주기동안 구동시키고 이후 Se2와 Se3를 반주기동안 구동시키면 부하(20)에는 계속하여 사인파가 공급되고 있는 것과 유사한 효과가 적용되기 때문이다. 따라서, ESS 컨트롤러(500)에는 전압 센싱부(200)의 측정 전압값을 최소 1주기 이상 시계열로 실시간 저장된다. 그러나, 본 발명의 공급 전원(10)은 상용 전원을 그 대상으로 하고 있고, 이 경우 공급 전원(10)의 최대값과 최소값, 진동 주기는 이미 알고 있는 값이므로, 전압 센싱부(200)의 측정 전압값을 1주기 이상 저장하지 않고도, 직전에 측정된 전압값과 현재 측정된 전압값을 알고 두 측정값 사이의 시간 간격을 알면 현재 측정된 전압값이 사인파의 어느 위치에 있는지를 알 수 있다. 요지는 메인 스위칭부(100)가 OFF되고 ESS 스위칭부(700)가 ON될 때 공급 전원(10)으로부터 공급되던 전압의 흐름에 거스르지 않도록 ESS 스위칭부(700)를 제어하는 것이며, 이때 전압 센싱부(200)의 측정값 패턴이 활용되는 것이고, 전압 센싱부(200)의 측정값 패턴을 추출하는 것은 다양한 방법으로 달성될 수 있다는 것이다.
한편, 전원 공급 라인(11)상에는 전원 공급 라인(11)상의 전류를 측정하는 전류 센싱부(미도시)가 더 구비될 수 있다. ESS 컨트롤러(500)는 전류 센싱부의 측정값을 입력받으며, 전압 센싱부(200)의 측정값과 대비하여 ESS 스위칭부(700)를 동작시킴으로써 무효 전력을 제어하도록 구성될 수 있다.
한편, 메인 스위칭부(100) 또는 ESS 스위칭부(700)의 스위칭 동작시에 개폐 서지가 발생될 수 있다. 개폐 서지는 회로의 개방 또는 폐쇄 순간에 발생되는 서지로서, 본 발명에서 주로 차단하고자 하는 뇌서지에 비해 그 크기는 작으나 부하(20)를 소손시킬 우려가 있다. 따라서, 전원 공급 라인(11)상에 메인 스위칭부(100)와 부하(20) 사이에 연결되고 그 타단이 접지되어 메인 스위칭부(100)의 스위칭 개폐시에 발생되는 개폐 서지를 차단하는 개폐 서지 보호부(800)가 구비된다.
개폐 서지 보호부(800)는 평상시 높은 임피던스를 가지고 있다가 개폐 서지가 발생되었을 때에 임피던스가 급격히 낮아져 개폐 서지가 지면으로 방출되도록 하는 역할을 한다. 즉, 뇌서지는 메인 스위칭부(100)에서 회로를 개방함으로써 원천 차단하고, 메인 스위칭부(100) 또는 ESS 스위칭부(700)의 스위칭 동작시에 발생되는 개폐 서지는 개폐 서지 보호부(800)에서 차단하게 되는 것이다. 이러한 개폐 서지 보호부(800)는 일반적인 SPD(Surge protector device)로 구성될 수 있다.
개폐 서지 보호부(800)에서 개폐 서지를 지면 방류하여 부하(20)를 보호한다면, 개폐 동작시에 각각의 스위칭 소자에 발생되는 과전압으로부터 스위칭 소자를 보호하기 위하여 스버너부가 구비된다. 스버너부는 커패시터를 포함하는 회로로서 부하(20)에 병렬로 연결되며, 메인 스위칭부(100) 또는 ESS 스위칭부(700)의 개폐시에 발생되는 과전압을 방지한다.
상술한 구성으로 이루어진 본 발명은, 뇌서지의 유입시에 전원 공급 라인(11)을 개방시켜 전원측 및 접지측 어느 곳을 통해서도 뇌서지가 유입되지 않도록 원천 차단하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 뇌서지가 소멸되면 회로를 즉시 재폐로하여 부하(20)의 정전 시간 이내에 전원을 재공급함으로써 부하(20)의 정전 없이 뇌서지를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 뇌서지의 지속 시간이 부하(20)의 정전 시간을 초과하여 지속되는 경우 즉시 ESS부(600)의 전원을 부하(20)에 제공하여 부하(20)의 정전 없이도 지속되는 뇌서지를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 개폐 서지 보호부(800)가 구비되어 메인 스위칭부(100) 또는 ESS 스위칭부(700)의 개폐시에 발생되는 개폐 서지를 방지할 수 있는 효과가 있다.
10 : 공급 전원 11 : 전원 공급 라인
20 : 부하
100 : 메인 스위칭부 200 : 전압 센싱부
300 : 서지 검출부 400 : 게이트 구동부
500 : ESS 컨트롤러 600 : ESS부
700 : ESS 스위칭부 800 : 개폐 서지 보호부

Claims (7)

  1. 전원 공급 라인(11)과 부하(20) 사이에 연결되어 공급 전원(10)과 상기 부하(20) 사이를 개폐하는 메인 스위칭부(100);
    상기 전원 공급 라인(11)상에 설치되어 상기 전원 공급 라인(11)상의 전압을 검출하는 전압 센싱부(200);
    상기 전압 센싱부(200)의 후단에 연결되어 상기 전압 센싱부(200)의 측정값이 설정 범위 이내이면 Low값을 출력하고, 상기 전압 센싱부(200)의 측정값이 설정 범위를 초과하면 High값을 출력하는 서지 검출부(300);
    상기 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 상기 메인 스위칭부(100)를 개폐 제어하되, 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 Low이면 상기 메인 스위칭부(100)를 ON 상태로 제어하고, 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 High이면 상기 메인 스위칭부(100)를 OFF 상태로 제어하는 게이트 구동부(400);
    를 포함하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
  2. 제1항에 있어서,
    ESS(Energy storage system)부;
    상기 ESS부(600)와 상기 부하(20) 사이에 연결되어 상기 ESS부(600)와 상기 부하(20) 사이를 개폐하는 ESS 스위칭부(700);
    상기 서지 검출부(300)의 출력값을 토대로 상기 ESS 스위칭부(700)를 개폐시키는 ESS 컨트롤러(500);
    를 포함하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 ESS 컨트롤러(500)는 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 설정 시간을 초과하여 High 상태로 지속되면 상기 ESS 스위칭부(700)를 구동시켜 상기 ESS부(600)의 전원이 상기 부하(20)에 제공되도록 하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 ESS 컨트롤러(500)는 상기 전압 센싱부(200)의 측정값을 입력받으며, 상기 전압 센싱부(200)의 측정값에 따라 상기 ESS 스위칭부(700)의 동작 타이밍을 결정하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 ESS 컨트롤러(500)는 상기 전압 센싱부(200)의 측정값을 시계열로 둘 이상 저장하여 패턴을 추출하며, 상기 ESS 스위칭부(700)의 동작시 상기 서지 검출부(300)의 출력값이 High 상태로 전환된 시점의 전압 패턴에 대응되도록 상기 ESS 스위칭부(700)의 동작 타이밍을 결정하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 스위칭부(100)와 상기 부하(20) 사이에 연결되고 그 타단이 접지되어 상기 메인 스위칭부(100)의 개폐시에 발생되는 개폐 서지를 방지하는 개폐 서지 보호부(800);를 포함하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부하(20)에 병렬로 연결되어 상기 메인 스위칭부(100)의 개폐시에 발생되는 과전압을 방지하는 스버너부;를 포함하는 순시 재폐로에 의해 서지 유입을 방지하는 서지 보호기.
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