KR960000796B1 - 직류스위칭회로용 전류제한 전력제어기 - Google Patents

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KR960000796B1 KR1019880001138A KR880001138A KR960000796B1 KR 960000796 B1 KR960000796 B1 KR 960000796B1 KR 1019880001138 A KR1019880001138 A KR 1019880001138A KR 880001138 A KR880001138 A KR 880001138A KR 960000796 B1 KR960000796 B1 KR 960000796B1
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아크말 베그 미어자
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웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀
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Abstract

내용 없음.

Description

직류스위칭회로용 전류제한 전력제어기
제1도는 본 발명에 대한 제1실시예를 나타내는 개략도.
제2a도는 종래의 원격전력제어기의 주스위칭트랜지스터 및 전력공유트랜지스터에 대한 동작곡선을 나타내는 도면.
제2b도와 2c도는 제1도의 제1전력공유회로내의 변환소자값의 효과곡선을 나타내는 도면.
제2d도는 제1도의 전력트랜지스터에 대한 동작곡선을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,12 : 단자 14 : 부하
16,26 : 구동회로 18 : 전류 제한회로
20 : 제1전력공유회로 22 : 제2전력공유회로
24 : 제3회로브랜치 28 : 논리제어회로
30 : 입력신호 32 : 저전압전원
본 발명은 전기스위칭회로에 관한 것으로, 구체적으로 말하자면 전기시스템내의 직류전력을 제어하는 고체스위칭회로에 관한 것이다.
고체스위치는 전기기회로차단장치에 대한 고체소자의 장점을 나타내는 응용물에 뿐 아니라 항공전력시스템의 사용에도 관심을 끌고 있다. 이 스위치가 갖는 제1의 기본기능은 원격전력 제어기로서 작용하는 것인데, 달리말하자면, 전력스위칭을 원격위치로부터 로드(load)시키는 것이다. 직류원격전력제어기는 과도유입전류를 제거하도록 제어전류를 제한하는데 사용함으로써 높은 고장전류로부터 부하 및 결합배선을 보호하게 되는데, 고장에 의하여 전류제한상태가 소정의 시간동안 지속될 경우에는 원격전력제어기내의 차단회로가 차단되고 상기 결속된 고체 스위칭장치가 분리되어 래치된다. 그후 상기 전력시스템버스는 부하와 고장으로 인하여 단절되므로써 상기 원격전력제어기가 리세트될때까지 단절상태를 유지한다.
전류제한이 되는 동안, 상기 원격 전력 제어기내의 정적스위치는 스위치전압강하와 부하전류의 곱에 해당하는 전력레벨을 소멸시킨다. 상기 원격전력제어기에 의해 소멸될 수 있는 최대 전력은 제로(0)임피던스부하를 발생하도록, 즉, 단락부하 혹은 접지형배선을 형성하도록 한다. 전형적인 직류시스템은 5A의 제한전류와 150±20V이므로, 상기 고체스위치의 소멸전력은 정상입력전압상태하에서 850W만큼 높아야하며, 시스템 전압이 과도 상태중에 순시첨두전력소멸은 상기 레벨을 초과할 수 있다.
유효전력트랜지스터로서는 과도전류제한조건에 부합할 수 없기 때문에, 상기 전력트랜지스터에서 전력저항으로 전류부를 전환하기 위한 회로가 개발되고 있는데, 이 보완회로는 상기 원격전력제어기의 전류스위칭 및 제한 동작중에 상기 스위칭 트랜지스터가 제어기의 안전동작영역내에 존재하도록 확인한다.
1972년 10월 10일자에 D.E.Baker로부터 허여된 미합중국 제3,697,860호에는 전력공유회로부는 갖는 원격전력제어기에 대하여 기재되어 있는데, 상기 특허출원에는 ON 명령에 대응하여 준포화 상태에서 정상적으로 구동하는 주스위칭트랜지스터를 갖는 원격전력제어기에 대해 기재되어 있다. 상기 부하 전류의 레벨은 저항성분로에 의해서 감지되고 고정기준전압과 비교된다. 만일 상기 부하전류가 기준치를 초과한다면, 상기 스위칭트랜지스터의 베이스구동에 의하여 일정한 부하전류를 유지하도록 폐쇄루프방식으로서 조정되고, 전류를 제한하는 동안 부하임피던스가 감소될때 스위칭트랜지스터의 전압은 증가하게 된다. 전력공유회로는 규정된 전력소멸부를 형성하기 위하여 상기 주스위칭트랜지스터와 병렬로 접속되므로써 소형이면서 저렴한 전력트랜지스터를 사용할 수 있다. 상기 소멸 저항기는 상기 주스위칭트랜지스터와 전력공유회로내의 트랜지스터가 그들의 안전동작영역 및 제2파괴영역에 대하여 대략 동일한 안정여유를 갖도록 동작하게끔 효과적으로활용될 수 있다. 특허출원 제3,697,860호에는 기준치에 의해 결합되어 있는 것이 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 상기 주스위칭트랜지스터와 전력공유회로의 스위칭트랜지스터의 동작프로우필에 대한 안전여유를 개선하는 것인데, 이것은 부수적인 고가의 전력트랜지스터를 포함하지 않는 부가적력공유회로를 추가함으로써 달성할 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 직류스위칭회로는 직류전원과 전원과 공급되는 부하간의 제1회로브랜치내에 접속된 제1 및 제2전극과 제3제어전극을 갖는 제1고체스위칭장치를 포함하며, 제1구동회로는 ON 명령신호에 대응하는 부하전류에 의해서 결정된 전도레벨에 제1장치를 구동하도록 제공된다.
제1전력공유회로는 상기 전원과 부하간의 제1스위칭장치에 대하여 병렬로 접속되어 있으며, 이 회로는 제2고체스위칭 장치 및 직렬접속된 저항성 소자를 갖는 제2회로브랜치를 구비하고, 제2구동회로는 상기 제1스위칭장치의 전압이 제1소정의 레벨 이하일 경우에 상기 제2스위칭장치를 포화도전 상태로 유지하도록 제공되며 제1전압레벨 이상일 경우에는 제2스위칭장치가 포화상태밖에 형성되도록 제공된다.
상기 제1전력공유회로는 제1스위칭장치의 전압이 제1소정전압레벨 이하일 경우에는 제1저레벨에서 전력이 소멸되고 상기 제1스위칭장치의 전압이 제1소정전압레벨 이상일 경우에는 제2고레벨에서 전력이 소멸되도록 동작한다.
제3회로브랜치를 포함하는 제2전력공유회로는 적어도 하나의 제2회로브랜치부와 병렬로서 전기접속되며, 상기 제3회로 브랜치는 제2저항기 및 제3고체스위칭장치의 직렬접속부를 구비하고 있다. 상기 제1스위칭장치의 전압이 제2소정 레벨이하일때 상기 제3고체 스위칭장치를 턴온하고 상기 제1스위칭장치의 전압이 상기 제2소정레벨 이상일때 상기 제3고체스위칭장치를 턴오프하기 위한 수단이 제공된다.
상기 제2전력공유회로를 추가함으로써 상기 제1 및 제2스위칭장치의 동작특성에 대한 안전여유는 이 장치의 신뢰성이 향상하고 상기 원격전력제어기의 허용차단시간이 상승하도록 증가함으로서 부가적인 고가의 전력트랜지스터를 사용하지 않고서도 개선될 수 있다.
도면을 참조하면, 제1도는 본 발명의 제1실시예에 따라 구성된 원격전력제어기의 개략구성도를 나타내는데, 이 전력 제어기는 150±20V인 외부 직류 전원에 접속하기 위한 단자(10,12)를 포함하며, 이 전력제어기는 트랜지스터 Q1 형태를 갖는 제1고체스위칭 및 증폭장치를 포함하고, 트랜지스터의 콜렉터와 이미터 사이에 주전도경로를 구비하며, 단자(10)에 접속된 외부직류전원과 부하(14)사이의 저항성분로 R1을 경유하여 제1회로브랜치와 접속된다. 트랜지스터 Q1의 베이스는 트랜지스터 Q2 및 Q3, 저항기 R2,R3,R4,R5 및 R6와 캐패시터 C1 및 C2로 구성된 구동회로(16)에 의해 구동된다.
이 구동회로는 종래기술에 따라 외부전원의 부하전류유동에 의해서 결정되는 전도레벨에 트랜지스터 Q1을 구성하도록 동작하며, 전류제한회로(18)는 저항성분로 R1의 전압을 감지함으로써 부하에 대한 전류유동을 점건하는데, 과도전류가 감지될 경우에는 상기 회로는 트랜지스터 Q1으로 하여금 전류제한방식에 의해 동작하도록 하며, 상기 전류제한회로(18)는 연산증폭기 Z1, 다이오우드 CR1 및 CR2, 캐패시터 C3 및 C4와 저항기 R7,R8,R9,R10,R11 및 R12로서 이루어진다.
제1전력공유회로(20)는 제1회로브랜치내의 다른 저항성 소자의 임피던스 이상인 저항기 R13의 임피던스를 갖는 트랜지스터 Q4과 저항기 R13의 직렬접속부를 갖는 하나의 회로 브랜치로서 구성되고, 저항기 R14를 포함하는 제2회로브랜치는 주 스위칭트랜지스터 Q1과 병렬로 접속되어 있으며, 상기 트랜지스터 Q4의 전도레벨을 조절하는 트랜지스터 Q4의 구동회로는 트랜지스터 Q5, 캐패시터 C5, 다이오우드 CR3 및 CR4와 저항기 R15, R16 및 R17로 이루어진다. 따라서 저항기 R13은 트랜지스터 Q1의 전압이 제1소정레벨 이하일때 제1저레벨에서 전력을 소멸하고, 트랜지스터 Q1의 전압이 제1소정레벨 이상일때 제2고레벨에서 전력을 소멸한다. 트랜지스터 Q1의 전압이 제1소정레벨 이하일때 완전전도상태인 포화상태로 트랜지스터 Q4을 유지하고 Q1의 전압이 소정레벨 이상일때 트랜지스터 Q4는 포화상태를 벗어나게 되므로써 달성할 수 있다. 제2전력공유회로(22)는 저항기 R18와 전계효과트랜지스터 Q6의 직렬접속으로 이루어진 제3회로블랜치를 포함하며, 이 제3회로브랜치는 트랜지스터 Q4 및 저항기 R13을 구비하는 제2회로브랜치부와 병렬로서 접속되며 상기 제2전력공유회로는 스위칭트랜지스터 Q1과 전기접속된 구동회로(26)를 포함할 뿐 아니라 트랜지스터 Q1의 전압이 제2소정레벨 이하일때 트랜지스터 Q6를 턴온하고 트랜지스터 Q1의 전압이 제2소정레벨 이상일때 트랜지스터 Q6를 턴오프하기 위한 수단으로서 작용한다. 구동회로(26)는 트랜지스터 Q7과 Q8, 다이오우드 CR5와 CR6, 캐패시터 C6와 C7 및 저항기 R19,R20,R21,R22 및 R23으로 구성된다.
논리제어회로(28)는 구동회로(16)에 접속되어 있으며 상기 두개의 전력공유네트워크(20,22)내의 구동회로는 입력단자(30)에 인가된 온 또는 트립신호에 대응하여 회로가 인에이블되도록 작용하는데, 이 논리제어회로는 NOR게이트인 U1A, U1B 및 U1C와 캐패시터 C8과 C9, 트랜지스터 Q9과 저항기 R24, R25, R26, R27 및 R28로서 구성된다.
저전압전원(32)은 상기 전류제한 및 제어회로에 대한 직류 ±15V의 규정논리레벨전압을 생성한다.
제2도의 커브는 제1도의 제1전력공유회로(20)내의 주스위칭트랜지스터 Q1 및 전력트랜지스터 Q4에 대한 동작 특성을 나타내며, 결합전력트랜지스터의 안전동작영역은 직류 상태에 대한 커브 34 및 100밀리 세컨드 시간간격에 대한 커브 36 이하의 영역이다. 달리말하면, 상기 전력트랜지스터의 결함은 직류상태에서는 커브 34의 상부에서 발생하고 상기 트랜지스터가 100밀리세컨드 이상동안 상기 영역에서 동작한다면 커브 36 상부에서 발생하게 된다. 제2A도는 제1도의 회로와 유사한 종래의 원격전력제어기에 대한 동작개요를 나타내는데 제2전력공유회로(22) 및 결합접속회로소자를 포함하지는 않는다. 이 커브들은 전형적인 원격전력제어기의 설계특성을 나타내는데, 제1도의 트랜지스터 Q1에 대응하는 주스위칭트랜지스터의 동작개요는 커브 38로서 상기 전력공유 네트워크내의 전력트랜지스터의 동작개요를 도시하고, 제1도 내의 트랜지스터 Q4에 대응하는 동작개요는 커브 40으로서 도시되어 있다. 양 트랜지스터의 동작개요는 직류상태에 대한 커브 34로서 형성된 안전동작영역을 초과하여 연장된다.
제2도의 커브에 의해서 상기 원격전력제어기는 전력트랜지스터의 결함을 방지하기 위하여 100밀리세컨드이하의 시간간격내에서 트립해야하는 것이 명백해진다.
제2B도의 커브들은 종래의 전력제어기내의 저항기 R13에 상응하는 저항값 변화의 나타낸다. 예컨대, 저항기 R13에 상응하는 저항기가 15.4오옴이라면, 커브 42에의 도시된 것같이 트랜지스터 Q1에 상응하는 주스위칭트랜지스터의 동작개요는 커브 34에 의해 형성된 직류상태의 안전동작 영역내에 존지한다. 그러나, 커브 44에 의해 형성된 상기 전력공유회로(제1도의 트랜지스터 Q4에 상응)의 전력 트랜지스터에 대한 동작개요는 직류 커브 34와 100밀리세컨드 커브 36 양쪽에 의해 형성된 안전동작영역을 초과하여 연장된다.
제2C도의 커브들은 상기 전력공유저항기(제1도의 저항기 R13에 상응)의 저항증가의 효과를 나타낸다. 예컨대, 상기 저항이 29.1오옴으로 증가한다면 커브 46에 의해서 형성된 것 같이 주스위칭 트랜지스터에 대한 동작개요는 커브 36의 100밀리세컨드 제2항복부상에 존재하는 부분을 포함하며 커브 48에 의해 도시된바와 같이 상기 전력공유 저항기에 대한 동작 개요는 직류상태인 커브 34에 의해 형성된 안전동작영역내에 존재한다.
상기 전력공유저항기에 대한 저항의 변화는 주전력 트랜지스터 및 전력공유트랜지스터의 동작개요의 합성변화에 대한 상충된 결과를 생성한다는 것은 제2B도와 2C도의 커브에 의해 명백해진다. 그러므로, 본 발명은 제1도에 도시된 제2전력고유회로(22)를 추가함으로써 상기의 문제점이 해결되며, 이 제2전력공유회로를 이용함으로써 100밀리세컨드 이상의 원격전력제어기 트립시간이 소비되고 상기 안전동작영역커브의 제2항복영역과 상기 전력트랜지스터의 동작개요간의 안정여유를 갖게된다.
본 발명에 따른 회로는 직류안전동작영역내에 부수적인 고가의 전력트랜지스터를 사용하지 않고서 전력트랜지스터의 동작개요를 형성하도록 작용하는데, 이것은 상기 주스위칭 트랜지스터의 전압이 변할때 상기 제1전력공유회를 소멸저항기의 등가치를 유효하게 변화하도록 작용하는 제2전력공유회로를 추가함으로써 달성할 수 있다.
제1도의 회로에 있어서, 단자(30)상의 온 명령은 트랜지스터 Q1,Q4 및 Q6를 턴온하고, 상기 주스위칭트랜지스터 Q1의 전압은 상기시스템이 5 암페어의 최대 과부하레벨의 부하전류로 조정될때 증가하게 된다. 트랜지스터 Q4의 주전도 경로를 경유하는 전류는 트랜지스터 Q1의 전압이 최대치인 4.5암페어로 증가할때 증가하게 된다. 트랜지스터 스위치 Q1의 고전압에 있어서 트랜지스터 Q4는 4.5암페어이 전류원으로서 작용한다.
트랜지스터 Q1의 전압이 제너다이오우드(CR5) 전압을 증가할때 트랜지스터 Q8이 턴온됨으로써 트랜지스터 Q6의 소스전압을 제로(0)로서 게이트를 풀링(pulling)한다. 스위치전압이 제너다이오우드(CR5)전압 이상일 동안, 상기 제2전력공유회로(22)는 원격전력제어기의 잔여부에서 격리되며, 제1도에 트랜지스터 Q1과 Q4의 동작개요가 제2D도에 도시되어 있는데, 트랜지스터 Q1의 동작개요를 나타내는 커브 50은 직류상태에 대한 커브 34로서 형성된 안전동작영역내에 항시 존재하게 된다.
트랜지스터 Q1의 전압이 제너다이오우드(CR5)전압 이하일때 커브 52는 트랜지스터 Q4의 동작개요를 나타내며, 마찬가지로, 트랜지스터 Q1의 전압이 제너다이오우드(CR5) 전압을 초과할때 커브 54는 트랜지스터 Q4의 동작애교를 나타낸다. 따라서 모든 전압에서의 트랜지스터 Q1과 Q4의 동작개요는 항시 직류상태인 제2항복영역의 커브 34가 형성하는 안전동작영역내에 존재한다.
본 발명은 부수적인 고가의 전력트랜지스터가 필요없는 원격전력제어기내의 전력트랜지스터의 안전여유를 개선하고자 하는 것이다. 제1도의 회로를 좀더 확실히 기재하기 위해서 제1도의 회로를 구성하는데 사용된 소자목록을 도표 I에 기술하고 있다.
[표 1]
Figure kpo00001
본 발명은 양호한 실시예에 관하여 기술되어 있을 뿐 아니라, 상기 기술에 능통한자에 있어서 발명의 취지에 어긋나지 않는 범위내에서 다양한 변화가 가능한대, 상기 변경은 하기에 첨부한 특허청구범위내에서 이루어져야 한다.

Claims (5)

  1. 직류스위칭회로를 전류제한전력제어기에 있어서, 직류전력원과 부하(14)간의 제1회로브랜치내에서 상기 전력원을 공급하도록 접속된 제1 및 제2전극과 제3제어 전극을 갖는 제1고체스위칭 및 증폭장치(Q1)와; 상기 제1장치를 상기 전력원으로부터 부하전류 흐름에 의해 결정하는 도전레벨로 구동하는 수단(16)과; 상기 전력원과 부하사이의 제1스위칭장치와 병렬로 접속되고, 상기 제1스위칭장치의 전압이 제1소정 레벨 이하일때 제1저레벨에서 전력을 소멸하게끔 동작하며 상기 제1스위칭장치 전압이 제1소정 레벨 이상일때 제2고레벨에서 전력을 소멸하도록 동작하고, 상기 제1회로와 병렬로 전기접속된 제2회로브랜치를 포함하며, 상기 제1회로브랜치내에 제1장치와 직렬인 저항성 임피던스보다 큰 저항성 임피던스를 갖는 제1저항성소자(R13)와 직렬접속된 제2고체스위칭 및 증폭장치(Q4)를 구비하는 제1전력공유회로(20)와; 상기 제1스위칭장치의 전압이 상기 제1소정레벨이하일때 상기 제2장치를 완전도전상태인 포화상태로 유지하고, 상기 제1소정레벨 이상일때 상기 제2장치를 포화상태를 벗어나도록 하는 수단(Q5,C5,CR3,CR4,R15,R16,R17)과; 상기 제2회로브랜치의 적어도 한부분과 병렬로 전기 접속되고 제2저항기(R18)와 제3고체 스위칭장치(Q6)의 직렬접속부를 포함하는 제2전력공유회로(22) 및 상기 제1스위칭장치의 전압이 제2소정레벨 이하일때 상기 제3고체스위칭장치를 턴온하며, 상기 제1스위칭장치의 전압이 제2소정레벨 이상일때 상기 제3고체스위칭장치를 턴오프하는 수단(26)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류스위칭회로용 전류제한전력제어기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2회로브랜치가 부수적인 저항성소자(R14)를 추가로 포함하며, 상기 제3회로브랜치는 상기 제2고체스위칭장치(Q4) 및 상기 제1저항성소자(R13)의 직렬접속부와 병렬로 전기접속되는 것을 특징으로 하는 직류스위칭회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1고체스위칭장치(Q1)의 전류도전레벨을 감지하는 수단(R1)과, 상기 제1장치를 구동하는 수단은 상기 제1장치의 도전레벨이 선정된 최대전류 이하에 존재하도록 확인하는 전류제한 제어수단(18)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 직류스위칭회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3고체스위칭장치(Q6)는 전계효과트랜지스터인것을 특징으로 하는 직류스위칭회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1장치와 명령신호에 반응하는 상기 제1 및 제2전력공유회로의 구동수단을 인에이블하는 논리제어회로(28)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 직류스위칭회로.
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