KR20240077899A - 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로 및 방법 - Google Patents

저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전압직류 배전망 내의 가전기에서 돌입전류가 발생되는 것을 방지하는 기술이 개시된다. 본 발명에 따른 돌입전류 방지부는 입력되는 직류전원을 RC 시정수로 충전하는 RC 회로, RC회로의 출력전압에 대응하여 구형파 펄스를 출력하는 슈미트 트리거 및 슈미트 트리거의 출력전압에 따라 구동되어 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지기;를 포함한다.

Description

저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로 및 방법{Home appliance inrush current prevention circuit and method in low voltage direct current distribution network}
본 발명은 저전압직류 배전망 내의 가전기에서 돌입전류가 발생되는 것을 방지하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력변환 시스템으로 운영되는 저전압직류 배전망에서 사용되는 직류 가전기에서 돌입전류의 발생을 방지하여 교류 가전기의 안정적인 동작을 보장할 수 있도록 한 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로 및 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 의한 교류 전력계통망의 가전기 전원공급 회로는 도 1에서와 같이 상용 교류전원(AC)이 공급되는 콘센트부(10), 상기 콘센트부(11)를 통해 교류전원을 공급받는 직류 가전기(20)의 내부에 설치되어 상기 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(21)를 포함한다.
상기 SMPS(21)는 도 2에서와 같이 상용 교류전원(AC)을 전파정류하는 정류부(21A) 및 상기 정류부(21A)에 의해 전파정류된 전압을 평활하는 커패시터(C)를 포함한다.
그런데, 이와 같은 종래의 SPMS에서는 커패시터(C)의 초기 충전모드에서 커패시터(C)에 정격전류의 100배 이상의 돌입전류가 발생하게 되어 있다. 하지만, 돌입전류의 발생 지속시간의 매우 짧아서 상용 계통의 변압기에서 그 돌입전류를 감당하는 것이 가능하게 되고, 이로 인하여 가전기의 구동이나 계통망에는 별다른 영향을 주지 않았다.
그러나, 배전의 효율성 및 분산전원의 수용성 확대 등의 장점으로 인하여, 최근 직류 배전에 대한 관심이 증대되고 있어 향후 직류 배전망의 확대는 불가피할 것으로 예상되고 있다.
일반적으로, 직류 배전망은 전력 공급 및 전압 가변 등을 위해 전력변환기가 필수적으로 사용된다. 이와 같은 경우 가전기의 돌입전류 발생은 전력변환기의 트립(Trip) 또는 고장을 일으킬 수 있고, 이로 인하여 직류 배전망에 심각한 문제를 초래할 수 있다.
따라서, 저압 직류 배전망 내에서 주로 사용되는 부하인 가전기에 대한 돌입전류 제한은 선택사항이 아니라 필수적인 조건이 되었다.
도 3은 종래 기술에 의한 돌입전류 제한회로를 나타낸 것으로, 이에 도시한 바와 같이 콘센트부(10)와 SMPS(21)의 사이에 돌입전류 제한회로(22)가 연결된다. 상기 돌입전류 제한회로(22)는 병렬 연결된 저항(R)과 릴레이(RY)를 포함한다.
평상시에는 중앙처리장치(23)가 릴레이(RY)를 구동시키지 않아 릴레이(RY)가 단락(on)(b접점 스위치)된 상태로 유지된다. 이에 따라, 저항(R)에 의한 돌입전류 방지 동작은 이루어지지 않는다.
초기 충전모드에서는 중앙처리장치(23)가 릴레이를 구동시켜 릴레이(RY)가 개방(off)된다. 이에 따라, 저항(R)에 의한 돌입전류 방지 동작이 이루어진다. 여기서, 보조전원부(AUX)(24)는 릴레이(RY)의 구동에 필요한 전원원을 공급하는 역할을 한다.
그러나, 이와 같은 종래와 같이 돌입전류 방지회로를 구현할 경우, 가전기의 MCU의 제어 부분에 대한 펌웨어(Firm ware)의 수정이 필요하고, 가전기 구동회로의 디지털 출력회로(DO: Digital Output)를 필요로 하는 문제점이 있다. 또한, 릴레이 구동 전압을 위한 보조전원(AUX)을 추가해야 하는 문제점이 있다.
더욱이, 이와 같은 돌입전류 방지 회로를 가전기 내에 설치하게 되어 공간 확보에 어려움이 있고, 추가 비용이 발생되어 직류 가전기의 제품 개발 및 경쟁력 확보에 어려움을 겪게 되는 문제점으로 대두되었다.
본 발명의 목적은 RC회로 및 슈미트 트리거를 이용하여, 전력변환 시스템으로 운영되는 저전압직류 배전망에서 사용되는 직류 가전기에서 돌입전류의 발생을 방지할 수 있도록 한 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로는 상용 교류전원을 입력하기 위한 콘센트부; 상기 콘센트부로부터 상용 교류전원을 공급받되, 상기 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 구비한 직류 가전기; 및 상기 콘센트부와 상기 직류 가전기의 사이에 연결되어 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지부;를 포함하되, 상기 돌입전류 방지부는 입력되는 직류전원을 RC 시정수로 충전하는 RC 회로; 상기 RC회로의 출력전압에 대응하여 구형파 펄스를 출력하는 슈미트 트리거: 및 상기 슈미트 트리거의 출력전압에 따라 구동되어 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지기;를 포함한다.
또한, 상기 돌입전류 방지부는 상기 콘센트부를 통해 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 돌입전류 방지부는 상기 정류기로부터 공급되는 직류전원을 변환하여 상기 돌입전류 방지부 내의 각부에서 필요로 하는 직류전원을 출력하는 보조 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 돌입전류 방지기는 상기 슈미트 트리거의 출력전압에 의해 구동되는 릴레이; 및 상기 릴레이와 병렬 연결되어 상기 릴레이의 스위치가 개방될 때 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 저항;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 릴레이는 릴레이 코일이 동작될 때 개방(off)되는 b접점의 릴레이 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 방법은 상용 교류전원을 입력하기 위한 콘센트부와, 상기 콘센트부를 통해 공급되는 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 구비한 직류 가전기의 사이에 돌입전류 방지부가 구성되는 돌입전류 방지부 구성단계; 상기 상용 교류전원이 입력될 때 RC회로가 시정수로 충전하는 RC회로 구동단계; 슈미트 트리거가 상기 RC회로의 출력전압에 의해 구동되어 구형파를 출력하는 슈미트 트리거 구동단계; 및 돌입전류 방지기가 상기 구형파에 의해 동작하여 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지기 구동단계;를 포함한다.
본 발명의 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, RC회로 및 슈미트 트리거를 이용하여, 전력변환 시스템으로 운영되는 저전압직류 배전망에서 사용되는 직류 가전기에서 돌입전류의 발생을 방지할 수 있도록 함으로써, 저압직류 배전망을 안정적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 가전기 외부에 돌입전류 방지부를 통해 돌입전류를 방지할 수 있도록 함으로써, 전력반도체의 전류 용량을 낮출 수 있고, 이로 인하여 전력변환기 내 전력반도체의 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 돌입전류 방지 회로를 가전기 외부에 간단히 설치할 수 있고, 설치비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 교류 전력계통망의 가전기 전원공급 회로의 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 직류 가전기 내의 SMPS의 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 돌입전류 제한회로의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로의 블록도이다.
도 5는 RC 회로의 출력전압 슬로프 파형도이다.
도 6은 슈미트 트리거회로의 동작 파형도이다.
도 7은 본 발명에 따른 돌입전류 방지회로가 적용되지 않은 경우 SMPS에 공급되는 출력전류의 파형도이다.
도 8은 본 발명에 따른 돌입전류 방지회로가 적용된 경우 SMPS에 공급되는 출력전류의 파형도이다.
도 9는 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 방법의 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로의 블록도이고, 도 5는 RC 회로의 출력전압 슬로프 파형도이고, 도 6은 슈미트 트리거회로의 동작 파형도이고, 도 7은 본 발명에 따른 돌입전류 방지회로가 적용되지 않은 경우 SMPS에 공급되는 출력전류의 파형도이고, 도 8은 본 발명에 따른 돌입전류 방지회로가 적용된 경우 SMPS에 공급되는 출력전류의 파형도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 돌입전류 방지 회로(100)는 콘센트부(110), 직류 가전기(120) 및 돌입전류 방지부(130)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 가전기 돌입전류 방지 회로의 작용을 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
콘센트부(110)는 상용 교류전원을 입력하기 위한 것으로, 콘센트(111) 및 플러그(112)를 포함한다. 콘센트(111)에 플러그(112)를 삽입 결합하면 상용 교류전원(AC)이 콘센트(111) 및 플러그(112)를 통해 직류 가전기(120)에 공급된다.
상기 직류 가전기(120)의 입력단에는 입력 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(121)가 구비되어 있다.
그런데, 상기 콘센트부(110)와 직류 가전기(120)의 사이에 돌입전류 방지부(130)가 연결되어 있다. 이에 따라, 콘센트부(110)를 통해 직류 가전기(120)에 교류전원이 공급되기 시작하는 초기에 돌입전류 방지부(130)에 의해 돌입전류 발생이 방지되는데, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
돌입전류 방지부(130)는 정류기(131), 보조 전원부(132), RC회로(133), 슈미트 트리거(134) 및 돌입전류 방지기(135)를 포함한다.
정류기(131)는 상기 콘센트부(110)를 통해 공급되는 교류전원을 전파정류 및 평활하여 직류전원으로 변환한다.
보조 전원부(132)는 상기 정류기(131)로부터 공급되는 직류전원을 변환하여 돌입전류 방지부(130)의 각부에서 필요로 하는 직류전원을 출력한다. 특히, 보조 전원부(132)는 돌입전류 방지기(135)의 릴레이(RY) 구동에 필요한 직류전원을 공급한다.
RC회로(133)는 상기 보조 전원부(132)로부터 공급되는 직류전원을 RC 시정수로 충전한다. 도 5는 RC회로(133)가 시정수 T = RC에 따라 입력전압을 충전하여 출력하는 전압 파형을 나타낸 것이다.
슈미트 트리거(134)는 상기 RC회로(133)의 출력전압에 대응하여 구형파 펄스를 출력한다. 도 6은 상기 슈미트 트리거(134)의 동작 파형을 나타낸 것이다.
즉, 슈미트 트리거(134)는 상기 RC회로(133)로부터 공급되는 전압이 높은 트리거 전압(UPT)에 도달될 때 까지의 대기시간(t) 동안 로우 전압을 출력한다.
상기 대기시간(t)이 경과되어 상기 RC회로(133)로부터 공급되는 전압이 상기 높은 트리거 전압(UPT: Upper Trigger Point)에 도달되면, 상기 슈미트 트리거(134)는 하이 전압을 출력한다.
이후, 시간이 더 경과되어 상기 RC회로(133)로부터 공급되는 전압이 상기 낮은 트리거 전압(LTP: Low Trigger Point) 까지 하강되면, 상기 슈미트 트리거(134)는 다시 로우 전압을 출력한다.
따라서, 상기 슈미트 트리거(134)는 콘센트부(110)를 통해 직류 가전기(120)에 전원이 공급되는 초기 상태에서 UPT와 LTP에 의해 결정된 주기 동안 하이를 출력하는 형태의 구형파를 출력하게 된다.
돌입전류 방지기(135)는 병렬 연결된 릴레이(RY)와 저항(R)을 포함하여 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 역할을 한다. 도 4에서 릴레이(RY)는 스위치만 도시되어 있지만, 릴레이 코일이 포함된 것으로 이해되어야 한다. 상기 릴레이(RY)의 스위치는 릴레이 코일이 동작될 때 단락(on)되는 a접점 스위치로 구현되거나, 릴레이 코일이 동작될 때 개방(off)되는 b접점 스위치로 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 릴레이(RY)의 스위치가 b접점 스위치로 구현된 것을 예로 하여 설명한다.
이와 같은 경우, 상기 콘센트부(110)를 통해 직류 가전기(120)에 전원이 공급되는 초기 상태에서, 상기 슈미트 트리거(134)에서 출력되는 하이 전압에 의해 소정 주기동안 상기 릴레이(RY)가 동작하여 그의 스위치가 오프된다.
이에 따라, 콘센트부(110)를 통해 직류 가전기(120)에 공급되는 전원의 돌입전류가 돌입전류 방지기(135)의 저항(R)에 의해 제한(방지)된다.
이후, 상기 돌입전류가 나타나지 않는 시점에 도달될 때 상기 슈미트 트리거(134)에서 로우가 출력되어 상기 릴레이 코일의 구동이 중지된다. 이에 따라, 상기 돌입전류 방지기(135)의 릴레이(RY)의 스위치가 온된다.
따라서, 콘센트부(110)를 통해 직류 가전기(120)에 전원이 상기 릴레이(RY)의 스위치를 통해 직류 가전기(120)의 SMPS(121)에 전달되므로, 더 이상 상기 저항(R)에 의한 돌입전류 제한 동작이 이루어지지 않는다.
도 7에서와 같이, 본 발명에 따른 돌입전류 방지부(130)가 적용되지 않은 경우 직류 가전기(120)에 큰 돌입전류가 유입되는 것을 알 수 있다.
이에 비하여, 도 8에서와 같이, 본 발명에 따른 돌입전류 방지부(130)가 적용된 경우에는 직류 가전기(120)에 돌입전류가 거의 유입되지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 방법의 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 방법은, 돌입전류 방지부 구성단계(S1), RC회로 구동단계(S2), 슈미트 트리거 구동단계(S3) 및 돌입전류 방지기 구동단계(S4)를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 가전기 돌입전류 방지 방법을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
돌입전류 방지부 구성단계(S1)에서, 상용 교류전원을 입력하기 위한 콘센트부(110)와, 상기 콘센트부(110)를 통해 공급되는 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(121)를 구비한 직류 가전기의 사이에 돌입전류 방지부(120)가 구성된다.
RC회로 구동단계(S2)에서, 상기 콘센트부(110)를 통해 상용 교류전원이 공급되기 시작할 때 RC회로(133)가 시정수로 충전동작을 시작한다.
슈미트 트리거 구동단계(S3)에서, 슈미트 트리거(134)가 상기 RC회로(133)의 출력전압에 의해 구동되어 구형파를 출력한다.
돌입전류 방지기 구동단계(S4)에서, 돌입전류 방지기(135)가 상기 슈미트 트리거(134)로부터 공급되는 구형파에 의해 동작하여 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한한다. 상기 돌입전류 방지기(135)는 릴레이(RY)와 저항(R)이 병렬 연결된 구조를 갖는 것으로, 상기 구형파가 공급될 때 상기 릴레이(RY)가 동작하고, 이에 의해 그 릴레이(RY)의 스위치가 개방되어 저항(R)에 의한 돌입전류 제한동작이 이루어지게 된다.
상기 각 단계(S1-S4)는 순서대로 동작하는 것으로 한정되는 것이 아니라, 각 단계는 필요한 시점에서 동작할 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것은 아니며, 기술적 사상의 범주를 이탈함없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 돌입전류 방지 회로 110 : 콘센트부
111 : 콘센트 112 : 플러그
120 : 직류 가전기 121 : SMPS
130 : 돌입전류 방지부 131 : 정류기
132 : 보조 전원부 133 : RC회로
134 : 슈미트 트리거 135 : 돌입전류 방지기

Claims (6)

  1. 상용 교류전원을 입력하기 위한 콘센트부;
    상기 콘센트부로부터 상용 교류전원을 공급받되, 상기 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 구비한 직류 가전기; 및
    상기 콘센트부와 상기 직류 가전기의 사이에 연결되어 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지부;를 포함하되,
    상기 돌입전류 방지부는
    입력되는 직류전원을 RC 시정수로 충전하는 RC 회로;
    상기 RC회로의 출력전압에 대응하여 구형파 펄스를 출력하는 슈미트 트리거: 및
    상기 슈미트 트리거의 출력전압에 따라 구동되어 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지기;를 포함하는 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌입전류 방지부는,
    상기 콘센트부를 통해 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 돌입전류 방지부는,
    상기 정류기로부터 공급되는 직류전원을 변환하여 상기 돌입전류 방지부 내의 각부에서 필요로 하는 직류전원을 출력하는 보조 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌입전류 방지기는,
    상기 슈미트 트리거의 출력전압에 의해 구동되는 릴레이; 및
    상기 릴레이와 병렬 연결되어 상기 릴레이의 스위치가 개방될 때 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 릴레이는,
    릴레이 코일이 동작될 때 개방(off)되는 b접점의 릴레이 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 회로.
  6. 상용 교류전원을 입력하기 위한 콘센트부와, 상기 콘센트부를 통해 공급되는 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 구비한 직류 가전기의 사이에 돌입전류 방지부가 구성되는 돌입전류 방지부 구성단계;
    상기 상용 교류전원이 입력될 때 RC회로가 시정수로 충전하는 RC회로 구동단계;
    슈미트 트리거가 상기 RC회로의 출력전압에 의해 구동되어 구형파를 출력하는 슈미트 트리거 구동단계; 및
    돌입전류 방지기가 상기 구형파에 의해 동작하여 상기 상용 교류전원의 돌입전류를 제한하는 돌입전류 방지기 구동단계;를 포함하는 저전압 직류 배전망 내의 가전기 돌입전류 방지 방법.
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