WO2019117324A1 - 고전압직류용 복합형 회로차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압직류용 복합형 회로 차단기에 관한 것으로서, 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기점접형 주 스위치, 부하에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터, 상기 부하와 상기 직류 전원의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치를 구비하고 있고 인가되는 게이트 구동 신호의 상태에 따라 동작이 제어되는 반도체 스위치열을 포함한다.

Description

고전압직류용 복합형 회로차단기

본 발명은 고전압직류용 복합형 회로차단기에 관한 것이다.

최근 들어, 디지털 제품의 급증으로 인해, 직류(DC)를 사용하는 부하가 증가하고 있고, 또한 신재생 에너지를 이용한 발전 등과 같이 직류 형태의 분산 발전 기술이 확대됨에 따라 직류 배전망에 대한 관심이 높아지고 있다.

하지만, 직류는, 교류와 달리, 전류가 일정하게 흐르므로 전류가 스스로 영(zero)이 되는 전류 영점이 발생하지 않는다.

따라서, 전기접점형 스위치를 사용한 전기접접형 회로 차단기(circuit breaker)를 이용하여 부하 전류를 차단하는 경우 지속적인 차단 아크로 인해 전기화재의 위험성이 존재한다.

특히, 수만 볼트(V)의 전압과 수천 암페어(A)의 전류를 차단해야 하는 고전압 직류(HVDC, high voltage DC) 송전 분야의 HVDC 회로 차단기의 경우, 아크없이 안정된 회로 차단 동작이 필수적이다.

반도체를 사용한 반도체 스위치는 회로 차단 시 아크 발생을 수반하지 않는 장점이 있으나, 반도체 스위치의 온(on) 조건 시 도통된 반도체 스위치에서 소모되는 전력 손실, 즉 도통 손실이 발생하여 소비 전력이 크다는 문제가 있다.

또한, 전기접점형 스위치를 이용하는 경우, 온 조건에서 스위치 도통 시 발생하는 전력 손실은 매우 작으나 회로 차단 시 아크가 발생하여 장치의 고장과 화재 발생의 위험이 존재하는 문제가 있다.

따라서, 전기접점형 스위치와 반도체 스위치의 장점을 이용한 고전압직류용 복합형 회로차단기(hybrid HVDC circuit breaker)가 사용되고 있다.

하지만, 전압레벨이 높은 HVDC 송전계통에서 복수의 반도체 스위치가 직렬로 연결되어 있는 반도체 스위치열을 이용해야 하고, 반도체 스위치열을 모두 온(ON)시키기 위하여 반도체 스위치열의 입력단(예, 컬럭터 단자)과 출력단(예, 에미터 단자) 사이에 요구되는 전압(V_CEON)의 크기는 반도체 스위치열에 사용되는 반도체 스위치의 개수에 비례하여 상당히 큰 값으로 증가하게 된다.

예를 들어, HVDC 송전계통의 전압레벨이 10만 볼트(V)라고 하면, 반도체 스위치열은 상용되는 1,000 볼트급 반도체 스위치를 적어도 100개 직렬로 접속하여 사용하여야 하며, 이 경우 반도체 스위치열을 온 시키기 위하여 요구되는 전압(V_CEON)의 크기는 약 200V가 된다.

이러한 경우 반도체 스위치열을 온 시키기 위해 요구되는 전압(V_CEON)에 의해 전기접점형 주 스위치의 오프 시 아크가 발생하는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고전압직류용 복합형 회로차단기에서 직류 전류의 차단 동작 시 발생하는 아크를 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기점접형 주 스위치, 부하에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터, 그리고 상기 부하와 상기 직류 전원의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치를 구비하고 있고 인가되는 게이트 구동 신호의 상태에 따라 동작이 제어되는 반도체 스위치열을 포함한다.

상기 전기점접형 주 스위치와 상기 보조 스위치가 온되면, 상기 게이트 구동부는 상기 반도체 스위치열로 온 상태의 게이트 구동 신호를 출력하고, 상기 전기점접형 주 스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변하면, 온 된 상기 전기접점형 주 스위치를 통해 흐르던 부하 전류는 온 된 상기 보조 스위치를 통해 바이패스되어 상기 커패시터를 충전시켜, 상기 반도체 스위치열이 온 될 수 있도록 하고, 상기 커패시터의 충전 상태에 따라 상기 반도체 스위치열이 온되어 상기 보조 스위치를 통해 흐르는 전류가 상기 반도체 스위치열 쪽으로 흐르게 되면, 상기 보조 스위치는 오프 상태로 전환되는 것이 바람직하다.

상기 부하는 저항성 부하이거나 유도성 부하이일 수 있고, 상기 반도체 스위치열의 오프 시점은 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 시점부터 상기 부하의 시정수에 의해 정해진 시간에 의해 정해지는 것이 좋다.

상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 상기 커패시터의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 타측 단자에 타측 단자가 연결되어, 상기 보조 스위치가 오프될 때 상기 커패시터에 충전되어 있는 전압의 방전 경로를 제공하는 저항을 더 포함할 수 있다.

상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 온 명령이나 오프 명령에 따라 동작하여 상승 구간과 하강 구간이 정해진 기울기로 상승하고 하강하는 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 게이트 구동부는 각 반도체 스위치의 제어단으로 상기 게이트 구동 신호를 출력하는 복수의 게이트 구동기를 포함할 수 있다.

이때, 각 게이트 구동기는, 입력된 온 명령의 상승 에지가 정해진 기울기로 서서히 증가하여 고레벨에 도달하도록 하고 입력된 오프 명령의 하강 에지가 정해진 기울기로 서서히 감소하여 저레벨에 도달하는 형태의 기준 전압을 생성하는 기준전압 생성부, 반도체 스위치의 제어단에 인가되는 게이트 전압을 검출하여 출력하는 전압 검출부, 상기 기준전압 생성부에서 출력되는 상기 기준 전압과 상기 전압 검출부에서 검출된 상기 게이트 전압을 비교하여 해당 상태의 신호를 출력하는 비교기, 그리고 상기 비교기에서 출력되는 비교 결과에 따라 동작하여 상기 반도체 스위치의 제어단으로 인가되는 게이트 전압이 상기 기준 전압을 따라가는 게이트 제어 신호를 출력하는 전압 제어부를 포함할 수 있다.

상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 상기 온 명령과 상기 오프 명령을 출력하는 구동 신호 출력부를 더 포함할 수 있고, 상기 구동 신호 출력부는 상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부, 상기 반도체 스위치열로 흐르는 전류를 검출하는 제2 전류 감지부 상기 제1 전류 감지부에서 검출된 전류와 상기 제2 전류 감지부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 출력하는 뺄셈기, 그리고 상기 뺄셈기에서 출력되는 전류와 기준 전류가 인가되어, 상기 뺄셈기에서 출력되는 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기에 따라 해당 상태의 온 명령이나 오프 명령을 상기 게이트 구동기로 출력하는 제2 비교기를 포함할 수 있다.

상기 구동 신호 출력부는 상기 제1 전류 감지부와 상기 뺄셈기 사이에 연결되어 상기 제1 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제1 저역 필터부와 상기 제2 전류 감지부와 상기 뺄셈기 사이에 연결되어 상기 제2 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제2 저역 필터부를 더 포함할 수 있고, 상기 뺄셈기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 제2 저역 필터부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 상기 제2 비교기로 출력할 수 있다.

상기 특징에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기는 전기접점형 주 스위치에 연동하여 상기 보조 스위치를 구동하는 보조 스위치 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 보조 스위치는 상기 보조 스위치 구동부와 연결되어 상기 보조 스위치 구동부에서 인가되는 신호에 따라 자화 상태가 제어되는 릴레이 코일, 그리고 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 일측 단자에 타측 단자가 연결되어 있으며 상기 릴레이 코일의 자화 여부에 따라 온 상태가 제어되는 릴레이 스위치를 포함할 수 있다.

이때, 상기 보조 스위치 구동부는 상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부, 그리고 상기 제1 전류 감지부에서 검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어,. 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 릴레이 코일로 인가하는 제1 비교기를 포함할 수 있다.

상기 보조 스위치는 상기 보조 스위치 구동부에 제어단이 연결되어 있고, 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 입력단이 연결되어 있으며 상기 커패시터의 일측 단자에 출력단이 연결되어 있는 반도체 스위치를 포함할 수 있다.

이때, 상기 보조 스위치 구동부는 상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부,

상기 제1 전류 감지부에서검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어, 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 릴레이 코일로 인가하는 제1 비교기, 그리고 상기 제1 비교기에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제어단으로 해당 상태의 게이트 전압을 출력하는 보조 스위치 구동기를 포함할 수 있다.

상기 보조 스위치 구동부는 상기 제1 전류 감지부와 상기 제1 비교기 사이에 연결되어 상기 제1 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제1 저역 필터부를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 비교기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 기준 전류의 크기를 비교할 수 있다.

이러한 특징에 따르면, 보조 스위치와 충전 동작을 실시하는 커패시터를 구비하여, 전기접점형 주 스위치가 오프되면 보조 스위치와 커패시터를 통한 바이패스 경로가 형성되어 전기접점형 주 스위치의 양단에 걸리는 전압은 영 전압 상태가 된다. 이로 인해, 전기접점형 주 스위치의 오프 시 아크 발생이 방지된다.

또한, 부하와 직류 전원의 음극 사이에 연결된 반도체 스위치열은 커패시터의 충전 상태에 따라 도통되고, 반도체 스위치열이 도통되면 보조 스위치를 통해 흐르는 전류는 반도체 스위치열을 통해 흐른다. 이로 인해, 보조 스위치가 오프될 때에 보조 스위치를 통하여 흐르는 전류는 영이므로 아크 전류를 발생하지 않게 된다.

더욱이, 반도체 스위치열은 부하의 시정수를 고려하여 오프 시기가 정해지므로, 반도체 스위치열이 오프될 때에도 역시 아크가 발생하지 않게 된다.

도 1은 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로 차단기에 대한 개념도이다.

도 2 는 본 발명의 한 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기의 회로도이다.

도 3 내지 도 5는 도 2에 사용된 게이트 구동기의 다양한 예를 도시한 도면이다.

도 6의 (a)와 (b)는 도 5에 도시한 게이트 구동기의 동작에 따라 출력되는 게이트 전압과 게이트 전압의 변화에 따라 반도체 스위치열을 흐르는 전류의 변화를 도시한 그래프이다.

도 7은 도 2에 도시한 고전압직류용 복합형 회로 차단기의 동작 파형도이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로 차단기의 회로도이다.

도 9는 도 8에 도시한 고전압직류용 복합형 회로 차단기에 대한 실험 회로도이다.

도 10 내지 도 19는 도 9의 실험 회로에 대한 실험 파형도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접속되어" 있다거나 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 접속되어 있거나 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 접속되어" 있다거나 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로차단기에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1에 도시한 것처럼, 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로차단기에 대한 개념을 설명한다.

도 1에 도시한 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로차단기의 개념도를 참고로 하면, 고전압직류용 복합형 회로차단기는 직류 전원(V_DC)의 양극(+)에 직렬로 연결된 저항 부하 (R_Load)와 인덕터 부하(L_Load), 인덕터 부하(L_Load)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(V_DC)의 음극(-) 사이에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN), 인덕터 부하(L_Load)에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치(SW_AUX), 보조 스위치(SW_AUX)의 타측 단자(A)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(V_DC)의 음극(-)에 타측 단자가 각각 연결되어 있는 커패시터(C1)와 저항(R1), 인덕터 부하(L_Load)에 일측단(C)이 연결되어 있고 직류 전원(V_DC)의 음극(-)에 타측단(E)이 연결되어 있는 반도체 스위치열(10), 그리고 반도체 스위치열(10)에 연결되어 반도체 스위치열(10)에 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부(20)를 구비한다.

본 예에서, 저항 부하(R_Load)는 저항성 부하이고, 인덕터 부하(L_Load)는 유도성 부하이다.

전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)는 전기접점형 스위치로 이루어지고, 보조 스위치(SW_AUX)는 전기접점형 스위치 또는 반도체 스위치로 이루어질 수 있다.

전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)는 사용자에 의해 접점 상태가 변하여 온(on) 또는 오프(off) 상태를 유지하고, 보조 스위치(SW_AUX)는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 동작에 연동해 동작하여 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온된 후 설정시간 이후에 온되고, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프된 후 설정시간 이후에 오프된다. 이때, 설정 시간은 커패시터(C1)의 충전 시간보다 길다.

반도체 스위치열(10)은 인덕터 부하(L_Load)와 직류 전원(V_DC)의 음극(-) 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치(SW_SEMI)를 구비하고 있다.

이러한 반도체 스위치열(10)은 게이트 구동부(20)에서 인가하는 게이트 전압(V_G)에 따라 턴온 또는 턴오프 되어, 부하 전류(i_Load)를 자신 쪽으로 바이패스시킨다.

본 예에서, 각 반도체 스위치(SW_SEMI)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, insulated gate bipolar mode transistor)로 이루어져 있지만, 이에 한정되지 않고 파워 MOSFET(power metal oxide silicon field effect transistor) 등과 같은 다른 전력용 스위칭 소자가 이용될 수 있다.

따라서, 게이트 구동부(20)는 인가되는 온 명령(ON Command) 또는 오프 명령(OFF Command)에 따라 각 반도체 스위치(SW_SEMI)를 제어단(G)(예를 들어, 게이트 단자)에 게이트 전압(V_G)으로서 해당 상태의 게이트 구동 신호를 출력하여 각 반도체 스위치(SW_SEMI)의 동작을 제어한다.

이러한 게이트 구동부(20)는 온 명령(ON Command)과 오프 명령(OFF Command)이 인가됨에 따라 해당 반도체 스위치(SW_SEMI)를 구동하기 위한 전력을 공급하는 일종의 전력 증폭기로서 기능한다.

커패시터(C1)는 보조 스위치(SW_AUX)가 온된 상태에서 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프될 때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해 흐르는 부하 전류(i_Load)를 바이패스 시키기 위한 충전 소자이다.

저항(R1)은 커패시터(C1)의 방전 경로를 제공하기 위한 저항이다.

이러한 구조를 갖는 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작을 설명한다.

본 예의 고전압직류용 복합형 회로차단기는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)와 병렬로 커패시터(C1)로 이루어진 분기 회로를 구현하는 특징이 있다.

초기 온(ON) 상태에서, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)와 보조 스위치(SW_AUX)는 온되어 있고, 반도체 스위치열(10)을 구동시키기 위한 게이트 구동부(20)에는 온 명령(ON Command)이 인가된 상태로 가정한다.

이처럼, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온되면 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 양단 전압이 영(0)으로 떨어지고, 부하 전류(i_Load)는 실질적으로 접점 저항값이 거의 영(0)인 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해 흐르게 된다.

이때, 반도체 스위치열(10)의 양단 전압(V_CE)는 주 스위치(SW_MAIN)의 양단 전압과 동일하여 영(0)이 된다.

즉, 반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E)이 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 양단에 연결되어 있으므로, 반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E) 사이의 전압 차가 발생하지 않아, 게이트 구동부(20)에서 온 상태의 게이트 구동 신호가 반도체 스위치열(10)로 인가되더라도 각 반도체 스위치(SW_SEMI)는 온되지 못하여 반도체 스위치열(10)은 온 상태인 도통 상태가 되지 않는다.

이처럼, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)와 보조 스위치(SW_AUX)가 온 상태이고 반도체 스위치열(10)로 온 상태의 게이트 구동 신호가 인가되는 상태에서, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프되면, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프되는 순간 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 쪽으로 흐르는 부하 전류(i_Load)는 보조 스위치(SW_AUX) 쪽으로 분기되어 흐른다.

이로 인해, 보조 스위치(SW_AUX)를 통해 흐르는 전류(i_aux)에 의해 커패시터(C1)의 충전이 시작된다.

이와 같이, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프되는 순간, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)로 흐르는 부하 전류(i_Load)는 즉시 커패시터(C1)의 분기회로를 통하여 바이패스 되고, 이때 커패시터(C1)는 미충전 상태이므로 커패시터(C1) 양단의 전압은 영(0)이거나 저전압 상태가 된다.

이처럼, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프되는 시점에, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)로 흐르는 부하 전류(i_Load)는 온 된 보조 스위치(SW_AUX)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 바로 바이패스 되고, 전기접점형 주스위치(SW_MAIN) 양단의 전압 상태 역시 영(0)이거나 저전압 상태가 되므로 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온 상태에서 오프 상태로 전환될 때 아크 발생은 이루어지지 않는다 즉, 영전압 스위칭이 된다.

이처럼, 커패시터(C1)의 충전 동작이 시작되어 커패시터(C1)의 충전이 진행됨에 따라 반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E) 간의 전압(V_CE)은 증가하여 반도체 스위치열(10)이 턴온되기에 충분한 전압(V_CEON)까지 증가하게 된다.

반도체 스위치열(10)의 입력단(C)과 출력단(E) 간의 전압차(V_CE)가 설정 전압(V_CEON) 이상이 되면, 반도체 스위치열(10)은 도통 상태가 된다.

이때, 커패시터(C1)의 충전 전압은 반도체 스위치열(10)을 턴온 시킬 정도의 전압(즉, V_CEON)만 확보되면 되므로, 내압이 작은 커패시터(C1)를 사용할 수 있어 고전압 직류용 복합형 회로차단기의 제조 비용을 낮출 수 있다.

반도체 스위치열(10)이 도통 상태가 되면, 인덕터 부하(L_Load)를 흐르는 전류(i_Load)는 도통 상태의 반도체 스위치열(10) 쪽으로 흐르게 된다.

이와 같이, 부하 전류(i_Load)가 모두 반도체 스위치열(10)을 통해 흐르게 되면, 보조 스위치(SW_AUX)를 온 상태에서 오프 상태로 전환한다.

보조 스위치(SW_AUX)가 오프 상태로 전환되면, 커패시터(C1)의 충전 전하는 저항(R1)을 통해 방전되기 시작하여 초기 상태인 미충전 상태가 된다.

이때, 보조 스위치(SW_AUX)가 오프되는 시점에 이미 부하 전류(i_Load)가 모두 반도체 스위치열(10)을 통해 흐르는 상태이므로, 보조 스위치(SW_AUX)를 통해서는 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 보조 스위치(SW_AUX)의 오프 시에 아크 발생은 이루어지지 않고 안전하게 보조 스위치(SW_AUX)의 오프 동작이 이루어진다 즉, 영전류 스위칭이 된다.

이와 같이, 아크 발생 없이 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)와 보조 스위치(SW_AUX)가 순차적으로 오프된 후, 게이트 구동부(20)로 오프 명령(OFF Command)이 인가되면 게이트 구동부(20)는 인가된 오프 명령(OFF Command)에 따라 반도체 스위치열(10)을 오프시켜 비도통 상태로 하기 위한 오프 상태의 게이트 구동 신호를 반도체 스위치열(10)로 출력한다.

이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 모든 반도체 스위치(SW_SEMI)는 오프되어 직류 회로를 차단하게 된다.

이때, 게이트 구동부(20)로 오프 명령(OFF Command)이 인가되는 시기는 부하의 시정수[즉, 저항-인덕터의 시정수=L(헨리)/R(옴)]를 고려하여 부하(L_Load)를 통해 흐르는 전류가 존재하지 않는 시기로 정해지므로, 반도체 스위치열(10)의 오프 시에도 아크는 발생하지 않는다.

한 예로, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프 된 후 시정수를 고려하여 반도체 스위치열(10)로 오프 명령(OFF Command)이 인가되므로, 반도체 스위치열(10)의 오프 시점은 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프된 시점부터 부하(L_Load)의 시정수에 의해 정해진 시간에 의해 정해질 수 있다.

[실시예]

ㆍ제1 실시예

이하, 이러한 시퀀스로 동작하는 고전압직류용 복합형 회로차단기에 대한 실시예를 설명한다.

실시예의 도면에서, 도 1과 비교해 동일한 구조와 동작을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1과 동일한 도면부호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명도 생략한다.

먼저, 도 2와 도 3을 참고로 하여, 보조 스위치(SW_AUX)가 릴레이(relay)로 이루어져 있는 실시예를 설명한다.

도 2를 참고로 하면 고전압직류용 복합형 회로차단기는 인덕터 부하(L_Load)와 전기접접형 주 스위치(SW_MAIN) 사이에 위치한 제1 전류 감지부(31), 제1 전류 감지부(31)에 연결되어 있는 제1 저역필터부(low pass filter)(34), 제1 저역 필터부(34)에 비반전 입력단자(+)가 연결되어 있고 반전 입력단자(-)에 제1 기준 전류(i_Limit1)가 인가되는 제1 비교기(COM1), 제1 비교기(COM1)의 출력 단자와 연결되어 있는 릴레이 코일 즉, 릴레이 여자 코일(R_coil), 제1 전류 감지부(31)과 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 사이[즉, 전류 감지부(31)에 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 일측 단자]에 연결되어 있고 서로 연결되어 있는 커패시터(C1)와 저항(R1)에 타측 단자가 연결되어 있는 릴레이 스위치(R_coil-A), 릴레이 스위치(R_coil-A)의 일측 단자와 반도체 스위치열(10) 사이에 위치하는 제2 전류 감지부(32), 제2 전류 감지부(32)에 연결되어있는 제2 저역 필터부(41), 제1 저역 필터부(34)에 비반전 입력단자(+)가 연결되어 있고 제2 저역 필터부(41)에 반전 입력단자(-)가 연결되어 있는 뺄셈기(SUB1), 그리고 뺄셈기(SUB1)의 출력 단자에 비반전 입력단자(+)가 연결되어 있고 제2 기준 전류(i_Limit2)가 반전 단자(-)로 인가되고 게이트 구동부(20)에 출력 단자가 연결되어 있는 제2 비교기(COM2)를 구비한다.

또한, 게이트 구동부(20)는 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 게이트 전압(V_G)을 출력하는 복수의 게이트 구동기(21)를 구비한다.

도 2에서, 릴레이 코일(R_coil)과 릴레이 스위치(R_coil-A)는 보조 스위치(SW_AUX)를 구성하고, 이때, 릴레이 스위치(R_coil-A)가 실질적으로 보조 스위치(SW_AUX)에 대응한다.

제1 전류 감지부(31), 제1 저역 필터부(34) 및 제1 비교기(COM1)는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)에 연동하여 보조 스위치(SW_AUX)를 구동하는 보조 스위치 구동부(30)를 구성한다.

또한, 제2 전류 감지부(32), 제2 저역 필터부(41), 뺄셈기(SUB1) 및 제2 비교기(COM2)는 게이트 구동부(20)로 온 명령(ON Command)과 오프 명령(OFF Command)를 출력하는 구동 신호 출력부(40)를 이루고, 구동 신호 출력부(40)는 경우에 따라 제1 전류 감지부(31)와 제1 저역 필터부(34)를 더 포함할 수 있다.

제1 전류 감지부(31)는 부하 전류(i_Load)를 검출하여 제1 저역 필터부(34)로 출력한다.

제1 저역 필터부(34)는 제1 전류 감지부(31)에 일측 단자가 연결되어 있고 뺄셈기(SUB1)의 비반전 단자(+)에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(R34)과 저항(R34)의 타측 단자와 접지 사이에 연결되어 있는 커패시터(C34)를 포함한다.

제1 저역 필터부(34)는 제1 전류 감지부(31)에서 출력되는 검출된 부하 전류(i_Load)를 정해진 시간만큼 지연시켜 해당 신호(i_{Laod_Sense})를 제1 비교기(COM1)와 뺄셈기(SUB1)의 비반전 입력단자(+)로 각각 인가한다.

따라서, 이러한 제1 저역 필터부(34)는 지연부로서 기능하며, 제1 저역 필터부(34)에 의한 지연 시간은 저항(R34)과 커패시터(C34)의 값에 의해 정해지는 시정수에 의해 정해진다.

이러한 제1 저역 필터부(34)의 지연 동작에 의해, 릴레이 코일(R_coil)과 릴레이 스위치(R_coil-A)로 이루어진 보조 스위치(SW_AUX)의 구동 시기를 조정할 수 있다.

제2 전류 감지부(32)는 반도체 스위치열(10)을 흐르는 전류(i_SEMI)를 검출하여 제2 저역 필터부(41)로 출력한다.

제2 저역 필터부(41) 역시, 제1 저역 필터부(34)와 동일하게, 제2 전류 감지부(32)에 일측 단자가 연결되어 있고 뺄셈기(SUB1)의 반전 단자(-)에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(R41)과 저항(R41)의 타측 단자와 접지 사이에 연결되어 있는 커패시터(C41)를 포함한다.

제2 저역 필터부(41)는 제2 전류 감지부(32)에서 출력되는 검출된 전류(i_SEMI)를 정해진 시간만큼 지연시켜 해당 신호(i_{SEMI_Sense})를 뺄셈기(SUB1)의 반전 입력단자(-)로 인가한다.

이처럼, 제2 저역 필터부(41) 역시 지연부로서 기능하며, 제2 저역 필터부(41)에 의한 지연 시간은 저항(R41)과 커패시터(C41)의 시정수에 의해 정해진다.

이러한 제2 저역 필터부(41)의 지연 동작에 의해, 반도체 스위치열(10)의 구동 시기를 조정할 수 있다.

제1 비교기(COM1)는 제1 저역 필터부(34)에서 인가되는 전류(i_{Load_Sense})에 해당하는 신호(즉, 전압)와 제1 기준 전류(i_Limit1)에 해당하는 신호(즉, 전압)을 비교하여 해당 상태(고레벨 또는 저레벨)의 출력 신호를 릴레이 코일(R_coil)로 출력하여 릴레이인 보조 스위치(SW_AUX)의 동작을 제어한다.

이러한 제1 기준 전류(i_Limit1)의 크기는 0보다 크지만 매우 적은 크기로 설정되어 있으므로, 0보다 큰 부하 전류(i_{Load_Sense})가 검출되어 제1 기준 전류(i_Limit)보다 큰 부하 전류(i_{Load_Sense})가 인가되면 제1 비교기(COM1)의 출력 신호는 고레벨(high level) 상태의 신호(S_Relay)가 되어 릴레이 코일(R_coil)은 자화되고, 릴레이 코일(R_coil)의 자화에 의해 릴레이 스위치(R_coil-A)가 온되어, 보조 스위치(SW_AUX)가 온된다.

뺄셈기(SUB1)는 제1 저역 필터부(34) 에 의해 감지된 부하 전류(i_{Load_Sense})와 제2 저역 필터부(41)에 의해 인가되는 반도체 스위치열(10)의 전류(i_{SEMI_Sense})를 입력받아 두 전류의 차(i_{Load_Sense}-i_{SEMI_Sense})를 산출한 후 제2 비교기(COM2)로 출력한다.

제2 비교기(COM2)는 뺄셈기(SUB1)에서 출력되는 전류(i_{Load_Sense}-i_{SEMI_Sense})에 해당하는 신호와 제2 기준 전류(i_Limit2)에 해당하는 신호를 비교하여 고레벨 상태의 신호(즉, 온 명령)이나 저레벨 상태의 신호(즉, 오프 명령)를 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)로 출력한다.

제2 기준 전류(i_Limit2)의 크기 역시 영(0)보다는 크지만 상대적으로 정격 부하 전류에 비해 아주 적은 값을 갖는다. 따라서, 반도체 스위치열(10)에 흐르는 검출된 전류(i_{SEMI_Sense})의 크기가 제2 기준 전류(i_Limit2)의 오차범위 내에서 부하 전류(i_{Load_Sense})의 크기에 가까워지게 되면 제2 비교기(COM2)의 출력 신호는 저레벨 상태가 되어 오프 명령(OFF Command)를 반도체 스위치열(10)로 출력하여, 반도체 스위치(SW_SEMI)를 턴오프 제어한다.

이처럼, 제1 및 제2 기준 전류(i_Limit1, i_Limit2)는 각각 제1 및 제2 비교기(COM1, COM2)의 반전 단자(-)로 인가되는 신호와의 비교 동작을 위한 기준값으로서, 미리 정해져 있는 설정값이다.

또한, 제1 및 제2 저역 통과 필터부(34, 41)의 시정수의 크기는 부하의 시정수, 즉 부하(R_Load, L_Load)의 동작 상태가 변하기 위해 소요되는 시간보다 커야 좋다.

다음, 도 3 내지 도 6를 참고로 하여, 동일한 구조로 이루어져 있는 게이트 구동부(20)의 게이트 구동기(21)의 다양한 예를 설명한다.

먼저, 도 3에 도시한 것처럼, 게이트 구동기(21)는 연산 증폭기(OP1)를 이용할 수 있다.

일반적으로 연산 증폭기(OP1)는 작은 전류(수 nA 수준)의 전압으로도 동작하여 약 30mA정도의 비교적 큰 전류 레벨의 출력 신호를 해당 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 출력하여 대응하는 반도체 스위치(SW_SEMI)를 구동할 수 있다.

도 4는 게이트 구동기(21)의 다른 예이다. 도 3과 비교할 때, 좀더 큰 구동 전력이 요구되는 경우, 연산 증폭기(OP1)뿐만 아니라 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)나 전력용 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 등의 소자(Tr1, Tr2)를 이용한 증폭부가 부가된 경우이다. 이 경우, 연산 증폭기(OP1)에서 출력되는 신호는 증폭부에 의해 해당 크기만큼 증폭되어 해당 반도체 스위치(SW_SEMI)로 인가된다.

도 3과 도 4에서, 게이트 구동기(21)는 연산 증폭기(OP1)의 출력단자에 일측 단자가 연결되어 있고 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)에 타측 단자가 연결된 저항(R_T) 및 저항(R_T)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(V_DC)의 음극(-)에 타측 단자가 연결된 커패시터(C_T)로 이루어진 지연부를 더 구비하고 있다.

따라서, 연산 증폭기(OP1)나 소자(Tr1, Tr2)에서 출력되는 게이트 제어 신호는 저항(R_T)과 커패시터(C_T)에 의한 시정수에 따라 행해지는 커패시터(C_T)의 충전 및 방전 동작에 의해 서서히 상승하고 하강하여 각 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 게이트 전압(V_G)으로서 인가된다.

이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 온 동작(즉, 도통 동작) 및 오프 동작(즉, 비도통 동작) 역시 인가되는 게이트 전압의 크기에 따라 서서히 이루어지게 된다.

따라서, 반도체 스위치열(10)의 갑작스런 온 동작에 따른 급격한 부하 전류(i_Load)의 상승으로 인한 반도체 스위치(SW_SEMI)의 파손이 방지되며, 또한 반도체 스위치열(10)의 갑작스런 오프 동작에 따른 급격한 부하 전류(i_Load)의 하강으로 인해 발생될 수 있는 부하(L_Load)의 역기전력으로 인한 반도체 스위치(SW_SEMI)의 파손이 방지된다.

하지만, 필요에 따라 지연부는 생략될 수 있다.

도 3 및 도 5에 도시한 구조를 갖는 게이트 구동기(21)는 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SW_SEMI)마다 별개로 형성되어, 각 게이트 구동기(21)에 인가되는 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)에 따라 해당 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 해당 상태의 게이트 전압(V_G)을 인가한다.

하지만, 이와는 달리, 하나의 게이트 구동기를 이용하여, 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)에 해당하는 하나의 게이트 전압(V_G)을 복수의 반도체 스위치(SW_SEMI)의 각 게이트 단자로 출력하여 게이트 구동부(20)의 동작을 제어할 수 있다.

도 5에 도시한 것처럼, 또 다른 게이트 구동기(21)는 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)에 따라 동작하여 게이트 제어 신호의 상승 구간과 하강 구간이 정해진 기울기로 상승하고 하강하도록 제어한다.

이를 위해, 게이트 구동기(21)는 전력 공급을 제어하는 제어 신호인 온 명령(ON Command)과 오프 명령(OFF Command)을 입력받는 기준전압 생성부(211), 기준전압 생성부(211)와 연결되어 있는 비교기(예, 제3 비교기)(212), 비교기(212)와 연결되어 있는 전압 제어부(213), 전압 제어부(213)에 연결되어 있는 증폭부(214), 그리고 해당 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)과 비교기(212)에 연결되어 있는 전압 검출부(21)를 구비한다.

기준전압 생성부(211)는 온 명령(ON Command)이나 오프 명령(OFF Command)이 입력되면, 입력된 온 명령(ON Command)의 상승 에지가 정해진 기울기로 서서히 증가하여 고레벨에 도달하도록 하고 입력된 오프 명령(OFF Command)의 하강 에지가 정해진 기울기로 서서히 감소하여 저레벨에 도달하는 형태의 기준 전압(Vref)을 생성하여 비교기(212)의 비반전 입력 단자(+)로 인가한다. 기준 전압(Vref)는 비교기(22)의 반전 입력 단자(-)로 인가되는 신호와의 비교 동작을 위한 기준값으로서, 미리 정해져 있는 설정값일 수 있다.

비교기(22)는 전압 검출부(215)에서 출력되는 반전 입력 단자(-)로 인가되는 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 전압(V_G)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 해당 상태의 신호를 전압 제어부(213)로 출력한다.

전압 제어부(213)는 비교기(22)에서 출력되는 비교 결과에 따라 해당 동작이 이루어져 해당 상태의 게이트 제어 신호를 증폭부(24)로 출력하여, 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(V_G)이 기준 전압(Vref)을 따라가도록 하는 게이트 제어 신호를 출력하도록 한다.

증폭부(214)는 연산 증폭기 등으로 이루어져 있고, 전압 제어부(213)에서 출력되는 게이트 제어 신호를 해당 크기로 증폭하여 게이트 전압(V_G)으로서 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 인가한다.

전압 검출부(215)는 이미 기술한 것처럼 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)에 인가되는 게이트 전압(V_G)을 검출하여 비교부(22)로 출력하여, 게이트 전압(V_G)이 기준전압 생성부(211)에서 출력되는 기준 전압(Vref)의 파형을 따라가도록 한다.

이러한 게이트 구동기(21)의 동작을 좀더 자세히 설명한다.

게이트 구동기(21)의 기준전압 생성부(211)로 구형파 형태로 온 명령(ON Command)나 오프 명령(OFF Command)이 입력되면, 기준전압 생성부(211)는 해당하는 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(V_G)에 정해진 크기의 기울기가 형성되도록 온 명령(ON Command)나 오프 명령(OFF Command)의 형태를 변경하여, 반도체 스위치(SW_SEMI)가 턴온되고 턴오프될 때 부하 전류(i_Load)가 급격히 증가하거나 감소되지 않고 해당 기울기로 서서히 증가하거나 감소될 수 있도록 한다.

이처럼, 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(V_G)의 크기에 따라 부하 전류(i_Load)의 공급을 제한한다.

이로 인해, 반도체 스위치(SW_SEMI)를 턴 온 시킬 때 부하 전류(i_Load)의 급격한 상승이 방지되고, 반도체 스위치(SW_SEMI)를 턴 오프 시킬 때 부하 전류(i_Load)가 해당 기울기에 따라 서서히 감소되어, 부하 전류(i_Load)의 급격한 하강으로 인한 인덕터 부하(L_Load)의 역기전력 발생이 방지된다.

이처럼 반도체 스위치(SW_SEMI)가 턴 오프 상태에서 턴 온 상태로 스위칭될 때 또는 반대로 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 스위칭될 때 부하 전류(i_Load)의 상승 기울기 및 하강 기울기를 제어하기 위하여, 구형파인 온 명령(ON Command)와 오프 명령(OFF Command)를 입력받은 기준전압 생성부(211)는 턴 오프 상태에서 턴 온 상태로 전압이 증가하는 부분과 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 전압이 감소하는 부분을 해당 기울기를 갖는 경사 구간으로 변경하여 기준 전압(Vref)을 생성한다.

이때, 기준 전압(Vref)은 비교부(212)의 비교 동작을 위한 기준값이다.

이러한 기준전압 생성부(211)는 필터 회로로 이루어질 수 있으며, OP앰프로 구성되는 적분기를 사용해서 전압 변화 구간의 시간 축을 지연시켜 구현할 수 있다.

기준전압 생성부(211)에서 생성되는 기준 전압(Vref)은 도 5에 도시한 것처럼 입력 파형인 구형파에서 변형된 최종적으로 사다리꼴 형상을 가질 수 있도록 한다.

기준전압 생성부(211)에서 출력된 기준 전압(Vref)은 비교부(212)의 비반전 입력단자(+)으로 입력되고, 비교부(212)의 반전 입력단자(-)에는 전압 검출부(215)를 통해 검출된 현재 게이트 전압(V_G)이 입력된다.

이때, 전압 검출부(215)를 통해 검출된 게이트 전압(V_G)은 기준 전압(Vref)과 시간 차이가 발생하지만, 이때 발생하는 시간 차이는 무시할 정도가 작기 때문에 전압 검출부(215)에 의해 검출된 전압[즉, 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 단자와 에미터 단자간 전압(V_CE)]을 실제 게이트 전압(V_G)으로 간주할 수 있다.

비교부(212)는 기준 전압(Vref)과 게이트 전압(V_G)의 차를 산출하여 산출된 전압 차를 전압 제어부(23)로 제공하면, 전압 제어부(23)는 기준 전압(Vref)과 게이트 전압(V_G)의 차를 보상하는 전압을 증폭부(214)로 출력한다.

이로 인해, 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(V_G)이 기준 전압(Vref)을 추종하도록 제어된다.

전압 제어부(223)의 출력 전압은 증폭부(214)에 의해 증폭되어 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 공급된다.

본 예의 게이트 구동기(211)에서 출력되는 게이트 전압(V_G)의 변화에 따라 반도체 스위치열(10)을 흐르는 전류의 변화를 도시한 그래프를 도 6에 도시한다.

이미 설명한 것처럼, 도 6의 (a)에 도시한 것처럼, 게이트 전압(V_G)은 사다리꼴 형상의 기준 전압(Vref)을 추종하여, 턴오프 레벨인 저레벨에서 턴온 레벨인 고레벨로 변할 때 해당 기울기로 서서히 상승하고, 턴온 레벨(고레벨)에서 턴오프 레벨(저레벨)로 변할 때 해당 기울기로 서서히 하강하게 된다.

이러한 게이트 전압(V_G)의 파형 변화에 따라 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SW_SEMI)를 통해 흐르는 전류(i_SEMI) 즉, 부하 전류(i_Load)의 변화 역시 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 인가되는 게이트 전압(V_G)의 변화에 따라 서서히 증가하거나 감소하게 된다.

따라서, 이러한 각 반도체 스위치(SW_SEMI)의 동작 변화에 따라 반도체 스위치열(10)이 완전히 턴온 될 때까지 소요되는 시간인 턴온 시간(t_ON)과 완전히 턴오프 될 때까지 소요되는 시간인 턴오프 시간(t_OFF) 동안, 반도체 스위치열(10)을 흐르는 전류(i_SEMI)의 변화가 상대적으로 천천히 일어나기 때문에 앞서 설명한 부하 전류의 급격한 상승이나 역기전력의 발생을 방지할 수 있다.

다시, 도 7를 참고로 하여, 도 2에 도시한 한 실시예에 따른 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작 시퀀스를 설명한다.

먼저, 도 7의 (a)의 (1) 시점에 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 온 시키면 온된 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 부하 전류(i_Load)가 흐른다[도 7의 (b)].

이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)에 흐르는 전류(i_SW)는 부하 전류(i_Load)와 같고, 커패시터(C1) 쪽으로 흐르는 전류(i_aux)와 반도체 스위치열(10)에 흐르는 전류(i_SEMI)는 영(0)이다 [도 7의 (c) 내지 (e) 참조].

이와 같이, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온 동작에 의해 부하 전류(i_Load)가 흐르기 시작하면, 제1 전류 감지부(31)에 의해 검출된 후 제1 저역 필터부(34)에서 출력된 부하 전류(i_{Load_Sense})의 크기는 영(0)보다 크므로 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(S_Relay)의 상태는 고레벨 상태가 되어[도 7의 (f)], 릴레이 코일(R_coil)은 초기 상태인 비자화 상태에서 동작 상태인 자화 상태가 된다.

릴레이 코일(R_coil)의 자화 상태에 의해 릴레이 스위치(R_coil-A)는 초기 상태인 오프 상태에서 온 상태가 되어 보조 스위치(SW_AUX)는 온 상태가 된다.

하지만, 릴레이 스위치(R_coil-A)가 온되더라고, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 접점 저항값은 거의 영(0)이므로, 부하 전류(i_Load)는 전기접접형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해서만 흐르지 온된 릴레이 스위치(R_coil-A)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 분기되지 않는다[도 7의 (d)].

또한, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온된 후에서 이미 기재한 것처럼, 반도체 스위치열(10)을 통해 흐르는 전류(i_SEMI)는 영(0)이므로, 제2 비교기(COM2)의 비반전 단자(+)로 인가되는 전류의 크기(i_{Load _Sense}-i_{SEMI _Sense})는 실질적으로 부하 전류(i_Load)의 크기와 같고, 이러한 부하 전류(i_Load)는 제2 기준 전류(i_Limit2)의 크기보다 훨씬 크다.

따라서, 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(S_Gate)는 고레벨 상태가 되어[도 7의 (g)], 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)로 온 명령(ON Command)이 인가되고, 이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 반도체 스위치(SW_SEMI)는 턴온 동작이 이루어져 반도체 스위치열(10)은 온된다.

하지만, 인가되는 온 명령(ON Command)에 의해 반도체 스위치열(10)이 온 상태가 되어도, 부하 전류(i_Load)는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해서만 흐르고 있고, 온전압강하(V_CEON)로 인해 반도체 스위치열(10)로의 전류 흐름은 발생하지 않는다.

도 7의 (a)의 (2) 시점에서, 사용자에 의해 전기접점형 주스위치(SW_MAIN)가 오프되면, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 흐르던 부하 전류(i_Load)는 이미 온 상태를 유지하고 있는 릴레이 스위치(R_{coil -A})를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 흐른다.

따라서, 도 7의 (d)와 같이 릴레이 스위치(R_{coil -A})를 통해 흐르는 전류(i_aux)는 증가하고, 커패시터(C1)의 충전 동작이 시작되어 커패시터(C1)의 양단 전압(V_C)은 서서히 증가하게 된다[도 7의 (h)]. 이때, 도 7의 (i)와 같이 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)도 커패시터(C1)의 충전 전압(V_C)과 같은 값으로 상승하게 된다.

이와 같이, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 오프 동작에 의해 온 상태의 릴레이 스위치(R_{coil -A})를 통해 커패시터(C1)의 충전 동작이 이루어져, 커패시터(C1) 양단의 전압(V_C)이 반도체 스위치열(10)의 온전압강하(V_CEON)의 크기만큼 증가하면[도 7의 (3) 시점], 반도체 스위치열(10)는 도통 상태가 된다.

즉, 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)의 동작에 의해 해당 반도체 스위치(SW_SEMI)의 제어단(G)으로 온 상태의 게이트 전압(V_G)이 인가된 상태이므로, 커패시터(C1)의 충전 전압(V_C)이 온전압강하(V_CEON) 수준에 이르게 되면 반도체 스위치열(10)은 바로 도통 상태로 전환된다.

이로 인해, 커패시터(C1) 쪽으로 흐르는 전류(i_aux)는 감소하기 시작하고[도 7의 (d)], 도 7의 (e)와 같이 부하 전류(i_Load)는 도통 상태인 반도체 스위치열(10) 쪽으로 전환되어 반도체 스위치열(10)로 흐르는 전류(i_SEMI)는 증가하기 시작한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 반도체 스위치열(10)의 온전압강하(V_CEON)와 같은 값을 유지한다[도 7의 (i) 참조].

다음, 반도체 스위치열(10)에 흐르는 전류(i_SEMI)의 크기가 증가하기 시작하여 부하 전류(i_Load)만큼 증가하게 된다. 따라서, 뺄셈기(SUB1)에서 출력되는 전류차(i_{Load_Sense-}i_{SEMI_Sense})가 제2 기준 전류(i_Limit2)보다 작아지면, 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(S_Gate)의 상태는 고레벨에서 저레벨로 변하여 게이트 구동부(20)의 각 게이트 구동기(21)로 오프 명령(OFF Command)를 인가한다[도 7의 (4)시점]. 이로 인해, 반도체 스위치열(10)의 각 반도체 스위치(SW_SEMI)를 턴오프 상태로 제어한다

따라서, 반도체 스위치열(10)을 통하여 흐르던 부하 전류(i_SEMI)는 아크없이 하강 기울기를 갖고 감소한다[도 7의 (e)]. 이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 전원전압 레벨(V_supply)에 이르기까지 상승하기 시작한다.

부하 전류(i_Load)가 계속 감소하여 부하 전류(i_Load)의 크기가 제1 기준 전류(i_Limit1)보다 작게 되면[도 7의 (b)의 (5)시점], 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(S_Relay)의 상태는 저레벨 상태가 되고, 이로 인해, 릴레이 코일(R_coil)은 자화 상태가 해제되어 소자된다. 이러한 릴레이 코일(R_coil)의 소자 현상에 의해 릴레이 스위치(R_coil-A)의 온 상태에서 초기 상태인 오프 상태가 된다.

이와 같이, 고전압직류용 복합형 회로 차단기가 완전히 오프 상태가 되며 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 전원전압 레벨(V_supply)이 되고[도 7의 (i)], 커패시터(C1)에 남아있던 전하는 방전용 저항(R1)을 통하여 서서히 방전된다[도 7의 (h)].

ㆍ제2 실시예

도 8에 도시한 고전압직류용 복합형 회로차단기는 보조 스위치(SW_AUX)가 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 반도체 스위치로 이루어진 경우이다.

도 7과 비교할 때, 도 8에 도시한 복합형 회로 차단기는 보조 스위치(SW_AUX)를 이루는 구성요소의 종류가 상이하고 반도체 스위치로 이루어진 보조 스위치(SW_AUX)의 구동을 위해 보조 스위치 구동부(30)에 제1 비교기(COM1)의 출력 신호에 따라 동작하는 보조 스위치 구동기(33)를 추가로 구비하는 것만 상이하다.

이때, 보조 스위치 구동기(33)는 이미 도 3 내지 도 5에 도시한 것 중 하나로 이루어질 수 있다.

이러한 구조를 갖는 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작은 제1 비교기(COM1)의 출력 상태에 따라 릴레이 코일(R_coil)의 자화 여부가 정해져 릴레이 스위치(R_coil-A)의 온 또는 오프 상태가 제어되는 대신 제1 비교기(COM1)의 출력 상태 즉, 고레벨 또는 저레벨 상태에 따라 반도체 스위치인 보조 스위치(SW_AUX)가 턴온 또는 턴오프되는 것을 제외하면, 이미 도 7를 참고로 하여 설명한 것과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

[실험예]

도 9에 본 발명의 고전압직류용 복합형 회로차단기에서 아크 발생 억제동작을 확인하기 위하여 제작한 실험 회로를 도시한다.

실험 회로에, 여러 개의 반도체 스위치로 구성되는 반도체 스위치열은 편의상 한 개의 반도체 스위치(SW_SEMI)와 복수 개(10개)의 다이오드를 직렬로 접속하여 대신하였다. 이렇게 함으로써 반도체 스위치(SW_SEMI)를 온 시키기 위하여 필요한 전압(V_CEON)을 직렬 접속된 모든 다이오드의 순전압 강하(forward voltage drop; 1개 다이오드당 약 1V)만큼 높여서 마치 복수 개의 반도체 스위치가 동작하는 것처럼 만들 수 있었다.

또한, 실험 회로에서 보조 스위치(SW_AUX)는 반도체 스위치(IGBT)를 사용하였다. 보조 스위치(SW_AUX)는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온 되어 부하 전류(i_Load)가 흐르기 시작하면 온 되어야 한다. 실험회로에서 보조 스위치(SW_AUX)를 온 시키는 시점은 부하 전류(i_Load)가 흘러서 설정값(여기서는 i_Limit1) 보다 커졌을 때이다.

이러한 실험 회로에 따른 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작 시퀀스는 다음에 기재하는 것처럼 이미 도 7를 참고로 하여 설명한 것과 실질적으로 동일하다.

(1) 전기 접점형 주 스위치(SW_MAIN) 온

- 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 온 시키면 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 부하 전류(i_Load)가 흐른다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)에 흐르는 전류(i_SW)는 부하 전류(i_Load)와 같게 된다.

(2) 반도체 스위치열 온

- 부하 전류(i_Load)가 증가하면 제2 비교기(COM2)의 출력 상태는 고레벨 상태가 되어 반도체 스위치열의 제어단으로 온 상태의 신호를 인가한다. 하지만, 부하 전류(i_Load)는 이미 접점 저항값이 거의 영(0)인 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 흐르고 있고, 온전압강하(V_CEON)가 큰 반도체 스위치열로 전류는 흐르지 않는다.

(3) 보조 스위치(SW_AUX) 온

- 부하 전류(i_Load)의 크기가 설정값(i_Limit)보다 커지면 제1 비교기(COM1)의 출력 신호의 상태는 고레벨 상태가 되어 보조 스위치(SW_AUX)의 제어단으로 턴온 신호를 인가한다. 그러나 부하 전류(i_Load)는 이미 접점 저항값이 거의 영인 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 흐르고 있고, 커패시터(C1) 쪽으로는 전류가 흐르지 않는다.

(4) 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 오프

- 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 오프 시키면 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 흐르던 부하 전류(i_Load)는 이미 온되어 있는 보조 스위치(SW_AUX)를 통해 커패시터(C1) 쪽으로 바로 바이패스되어 흐른다. 따라서 커패시터(C1)는 부하 전류(i_Load)의 값으로 충전되면서 전압이 상승하기 시작한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압도 커패시터(C1)의 충전전압과 같은 값으로 상승하게 된다.

- 커패시터(C1) 양단의 전압이 반도체 스위치열의 온전압강하(V_CEON)만큼 증가하면 부하 전류(i_Load)는 이미 게이트 구동기(21)에 의해 온되어 있던 반도체 스위치열로 전환되기 시작한다. 즉, 커패시터(C1) 쪽으로 흐르던 전류는 감소하기 시작하고 반도체 스위치열로 흐르는 전류는 증가하기 시작한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압은 반도체 스위치열의 온전압강하(V_CEON)의 크기와 같은 크기를 유지한다.

(5) 반도체 스위치열 오프

- 반도체 스위치열에 흐르는 전류(i_SEMI)의 크기가 기준 전류인 임계값(i_Limit1)의 오차범위 내에서 부하 전류(i_Load)의 크기와 가까워지면 제2 비교기(COM2)의 출력 상태는 저레벨 상태가 되어 게이트 구동기(21)에 오프 명령(OFF Command)을 인가하여 반도체 스위치열을 오프시킨다.

그러면, 반도체 스위치열을 통하여 흐르던 부하 전류(i_Load)는 아크없이 하강기울기를 갖고 감소한다. 이때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압은 전원전압 레벨에 이르기까지 상승하기 시작한다.

- 부하 전류(i_Load)가 계속 감소하여 부하 전류(i_Load)의 크기가 설정값(i_Limit1)보다 작아지게 되면 제1 비교기(COM1)의 출력 신호의 상태는 저레벨 상태가 되어 보조 스위치(SW_AUX)를 오프 시킨다. 그러면 커패시터(C1)에 남아있던 전하는 방전용 저항(R1)을 통하여 서서히 방전한다.

- 고전압직류용 복합형 회로차단기의 동작이 완전히 오프되면 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압은 전원전압 레벨이 된다.

이러한 도 9의 실험회로에 대한 실험 파형이 도 10 내지 도 19에 도시된다.

도 10에서, 파형 G11은 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 양단에 인가되는 전압(V_SW)에 대한 것이다.

파형 G11에 나타나는 것처럼, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프일 때 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 전원 전압을 유지하고, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온 되면[(1) 시점] 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 영이 된다.

도 10의 파형 G12는 보조 스위치(SW_AUX)를 흐르는 전류(i_aux)에 대한 파형으로서, 커패시터(C1) 쪽의 분기회로를 통하여 흐르는 전류(i_aux)의 양상을 보여준다. 커패시터(C1)의 충전 전류(i_aux)는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프하는 순간[(4) 시점] 매우 짧게 흐르는 것을 볼 수 있다.

파형 G13은 반도체 스위치열을 흐르는 전류(i_SEMI)에 대한 파형으로서, 반도체 스위치열로 흐르는 전류(i_SEMI)도 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프 되고 커패시터(C1) 쪽의 분기회로로 바이패스된 부하 전류(i_Load)가 커패시터(C1)를 충전한 후 짧은 기간 동안만 존재하는 것을 볼 수 있다.

도 11는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온 될 때[(1) 시점] 각 주요부에 대한 동작 확대 실험 파형도로서, G21은 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해 흐르는 전류(i_main)에 대한 파형이고, G22는 커패시터(C1)쪽의 회로인 커패시터 분기회로 쪽으로 분기되는 전류(i_a=i_aux+i_SEMI)에 대한 파형이다.

도 11의 G11에 도시한 것처럼, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)은 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온되기 전에 전원 전압을 견디다가, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 온 되면 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 약 0.038ms의 시정수를 갖고 급격히 영(0)으로 떨어졌다.

또한, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해 흐르는 전류(i_main), 즉 부하 전류(i_Load)는, 파형 G21과 같이, 약 0.63ms의 과도기를 거친 후 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통해 완전히 흐르는 것을 알 수 있었다.

이때, 모든 부하 전류(i_Load)는 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 통하여 흐르므로 커패시터 분기회로 쪽으로 흐르는 전류(i_a)는 영인 것을 볼 수 있었다.

도 12는 도 10의 (2) 시점과 (5) 시점 사이에서 제1 비교기(COM2)의 출력 신호에 따른 반도체 스위치열의 온 또는 오프 시 동작 파형을 도시한 도면이다.

이미 설명한 것처럼, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프 상태에서 온 될 때 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 약 0.038ms의 시정수를 갖고 급격히 영으로 감소하였다(G11).

도 12의 파형(G31)은 제1 전류 검출부(31)의 검출 동작에 의해 검출된 전류(i_{Load_Sense})에 대한 파형이고, 파형(G32)는 제2 전류 검출부(32)의 검출 동작과 제2 저역 필터부(41)의 동작에 의해 검출된 반도체 스위치열로 흐르는 반도체 스위치열의 검출 전류(i_{SEMI_Sense})의 검출 파형이다.

파형(G41)은 제2 비교기(COM2)에서 출력되는 출력 신호(V_C2)에 대한 파형으로서, 부하 전류(i_Load)의 검출 전류(i_{Load _Sense})와 반도체 스위치열의 검출 전류(i_{SEMI_Sense})의 비교 결과이다.

즉, 제2 비교기(COM2)는 부하 전류 검출 전류(i_{Load _Sense})가 반도체 스위치열의 검출 전류(i_{SEMI _Sense})보다 클 때 고레벨 상태의 신호를 출력하여 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 단자에 온 구동 신호를 인가하였다. 반대로, 부하 전류 검출 전류(i_{Load _Sense})가 반도체 스위치열의 검출 전류(i_{SEMI _Sense})보다 작을 때 제2 비교기(COM2)는 저레벨 상태의 신호를 출력하여 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 단자에 오프 구동 신호를 인가하였다.

도 13은 도 10의 (3) 시점과 (4)시점 사이에서 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(V_C1)에 의한 보조 스위치(SW_AUX)의 온-오프 동작 파형을 도시한다.

전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은, 이미 설명한 것처럼, 오프 상태에 온 상태로 변환될 때, 해당 시정수(약 0.038ms)에 따라 영(0)으로 떨어졌다(파형 G11).

도 13의 중간 부분은 부하 전류 검출 파형(i_{Load _Sense})(G31)과 제1 비교기(COM1)의 반전 입력단자(-)로 인가되는 기준 전류(i_Limit1)의 파형(G43)을 도시하였다.

파형(G42)는 제1 비교기(COM1)에서 출력되는 출력 신호(V_C1)로서, 부하 전류 검출파형(i_{Load_Sense})과 기준 전류(i_Limit1)의 비교 결과이다.

제1 비교기(COM1)의 출력 신호(V_C1)의 상태는 부하 전류 검출파형(i_{Load_Sense})이 제1 기준 전류(i_Limit1) 보다 클 때 고레벨 상태가 되어 보조 스위치(SW_AUX)의 게이트 단자로 온 상태의 게이트 구동신호를 인가하였다.

도 14는 도 10의 (2) 시점에서 제2 비교기(COM2)의 출력신호(V_C2)에 따라서 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SW_SEMI)가 온 동작 시의 확대 실험 파형이다.

도 14에 도시한 것처럼, 반도체 스위치열에 흐르는 전류(i_SEMI)에 대한 검출 전류(i_{SEMI_Sense})가 영(0)인 상태에서 부하 전류(i_Load)에 대한 검출 전류(i_{Load _Sense})가 증가하여 검출 전류(i_{Load _Sense})에 해당하는 전압이 검출 전류(i_{SEMI _Sense})에 해당하는 기준 전압 (본 실험에서는 0.2V) 이상이 되면, 제2 비교기(COM2)는 고레벨 상태의 출력 신호(V_C2)를 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 단자로 게이트 신호로서 인가하였다( G41).

도 15 및 도 16은 도 10의 (4) 시점에서 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프될 때의 확대 실험 파형도를 도시한다.

실험 장비인 스코프(scope)로 잡을 수 있는 채널에 한계가 있어서 도 15의 (a)와 (b)에 도시한 것처럼 두 개의 화면으로 실험 파형을 도시한다.

도 15는 도 10의 (4) 시점에서 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)를 오프일 때 확대 파형도로서, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_sw)에 대한 파형(G11), 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)에 흐르는 전류(i_main)의 파형(G21), 그리고 보조 스위치(SW_AUX)와 반도체 스위치열 쪽으로 흐르는 전류(i_a= i_aux+i_SEMI)의 파형(G22)을 보여주고 있다.

한편, 도 16은 (4) 시점에서 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프 일 때, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_sw)에 대한 파형(G11), 보조 스위치(SW_AUX)에 흐르는 전류(i_aux 또는 i_c)의 파형(G12) 및 반도체 스위치열에 흐르는 전류(i_SEMI)의 파형(G13)을 보여준다.

도 16을 참고로 하면, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)가 오프되면[(4) 시점], 보조 스위치(SW_AUX)로 전류가 바이패스 되면서 커패시터(C1)의 충전 전류(i_aux 또는 i_c)에 의하여 커패시터(C1)가 충전되면서 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압파형(V_sw)이 일정 수준 이상 상승하면(G11)(본 실험에서는 V_CEON=16.4V), 반도체 스위치(SW_SEMI)가 온되면서 전류가 반도체 스위치열 쪽으로 바이패스되는 것을 볼 수 있었다(G13).

도 17은 도 10의 (4) 시점과 (5) 시점 사이에서 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(V_C1)에 따른 보조 스위치(SW_AUX)가 오프되는 과정을 확대한 실험 파형이다.

부하 전류(i _Load)의 검출 전류(i_{Load_Sense})이 감소하여 검출 전류(i_{Load _Sense})에 대한 전압이 정해진 제1 기준 전류(i_Limit1)에 대한 한계 전압(본 실험에서는 1.18V)보다 낮아지면, 제1 비교기(COM1)의 출력 신호(V_C1)는 저레벨 상태가 되어 보조 스위치(SW_AUX)를 오프 시켰다. 이로 인해, 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN)의 오프 종료 전에 보조 스위치(SW_AUX)를 완전히 오프 시킬 수 있었다.

도 17은 (5) 시점에서 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(V_C2)에 의하여 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SW_SEMI)를 오프시키는 동작에 대한 부분을 확대한 실험파형이다.

반도체 스위치열에 흐르는 전류(i_SEMI)의 검출 전류(i_{SEMI _Sense})가 증가하여 부하 전류(i_Load)의 검출 전류(i_{Load _Sense})에 가까워지면, 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(V_C2)의 상태는 저레벨 상태로 떨어져 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 단자로 오프 상태의 게이트 신호를 인가하였다.

도 19는 도 10의 (5) 시점에서 제2 비교기(COM2)의 출력 신호(V_C2)가 저레벨 상태로 변하여 반도체 스위치열의 반도체 스위치(SW_SEMI)의 게이트 단자에 오프 상태의 게이트 신호를 인가함에 따라 소호 동작이 이루어질 때 실험 파형도이다.

이때, 커패시터(C1)의 전류(i_aux)의 크기는 이미 영(0)인 초기 상태이고(G12), 전기접점형 주 스위치(SW_MAIN) 양단의 전압(V_SW)은 상승하며(G11), 반대로 부하 전류(i_Load)는 감소하면서 소호됨을 알았다(G13).

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

1. 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기점접형 주 스위치,

   부하에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치,

   상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터, 그리고

   상기 부하와 상기 직류 전원의 음극 사이에 직렬로 연결되어 있는 복수의 반도체 스위치를 구비하고 있고 인가되는 게이트 구동 신호의 상태에 따라 동작이 제어되는 반도체 스위치열

   을 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
2. 제1항에서,

   상기 전기점접형 주 스위치와 상기 보조 스위치가 온되면, 상기 게이트 구동부는 상기 반도체 스위치열로 온 상태의 게이트 구동 신호를 출력하고,

   상기 전기점접형 주 스위치가 온 상태에서 오프 상태로 변하면, 온 된 상기 전기접점형 주 스위치를 통해 흐르던 부하 전류는 온 된 상기 보조 스위치를 통해 바이패스되어 상기 커패시터를 충전시켜, 상기 반도체 스위치열이 온 될 수 있도록 하고,

   상기 커패시터의 충전 상태에 따라 상기 반도체 스위치열이 온되어 상기 보조 스위치를 통해 흐르는 전류가 상기 반도체 스위치열 쪽으로 흐르게 되면, 상기 보조 스위치는 오프 상태로 전환되는

   고전압직류용 복합형 회로 차단기.
3. 제2항에서,

   상기 부하는 저항성 부하 또는 유도성 부하이고,

   상기 반도체 스위치열의 오프 시점은 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 시점부터 상기 부하의 시정수에 의해 정해진 시간에 의해 정해지는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
4. 제1항에서,

   상기 커패시터의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 타측 단자에 타측 단자가 연결되어, 상기 보조 스위치가 오프될 때 상기 커패시터에 충전되어 있는 전압의 방전 경로를 제공하는 저항을 더 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
5. 제1항에서,

   온 명령이나 오프 명령에 따라 동작하여 상승 구간과 하강 구간이 정해진 기울기로 상승하고 하강하는 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동부를 더 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
6. 제5항에서,

   상기 게이트 구동부는 각 반도체 스위치의 제어단으로 상기 게이트 구동 신호를 출력하는 복수의 게이트 구동기를 포함하고,

   각 게이트 구동기는,

   입력된 온 명령의 상승 에지가 정해진 기울기로 서서히 증가하여 고레벨에 도달하도록 하고 입력된 오프 명령의 하강 에지가 정해진 기울기로 서서히 감소하여 저레벨에 도달하는 형태의 기준 전압을 생성하는 기준전압 생성부,

   반도체 스위치의 제어단에 인가되는 게이트 전압을 검출하여 출력하는 전압 검출부,

   상기 기준전압 생성부에서 출력되는 상기 기준 전압과 상기 전압 검출부에서 검출된 상기 게이트 전압을 비교하여 해당 상태의 신호를 출력하는 비교기, 그리고

   상기 비교기에서 출력되는 비교 결과에 따라 동작하여 상기 반도체 스위치의 제어단으로 인가되는 게이트 전압이 상기 기준 전압을 따라가는 게이트 제어 신호를 출력하는 전압 제어부

   를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
7. 제6항에서,

   상기 온 명령과 상기 오프 명령을 출력하는 구동 신호 출력부를 더 포함하고,

   상기 구동 신호 출력부는

   상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부,

   상기 반도체 스위치열로 흐르는 전류를 검출하는 제2 전류 감지부,

   상기 제1 전류 감지부에서 검출된 전류와 상기 제2 전류 감지부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 출력하는 뺄셈기, 그리고

   상기 뺄셈기에서 출력되는 전류와 기준 전류가 인가되어, 상기 뺄셈기에서 출력되는 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기에 따라 해당 상태의 온 명령이나 오프 명령을 상기 게이트 구동기로 출력하는 제2 비교기

   를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
8. 제7항에서,

   상기 구동 신호 출력부는,

   상기 제1 전류 감지부와 상기 뺄셈기 사이에 연결되어 상기 제1 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제1 저역 필터부와 상기 제2 전류 감지부와 상기 뺄셈기 사이에 연결되어 상기 제2 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제2 저역 필터부

   를 더 포함하고,

   상기 뺄셈기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 제2 저역 필터부에서 검출된 전류의 차를 산출하여 상기 제2 비교기로 출력하는

   고전압직류용 복합형 회로 차단기.
9. 제1항 또는 제5항에서,

   전기접점형 주 스위치에 연동하여 상기 보조 스위치를 구동하는 보조 스위치 구동부를 더 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
10. 제9항에서,

    상기 보조 스위치는,

    상기 보조 스위치 구동부와 연결되어 상기 보조 스위치 구동부에서 인가되는 신호에 따라 자화 상태가 제어되는 릴레이 코일, 그리고

    상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 일측 단자에 타측 단자가 연결되어 있으며 상기 릴레이 코일의 자화 여부에 따라 온 상태가 제어되는 릴레이 스위치

    를 포함하고,

    상기 보조 스위치 구동부는,

    상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부, 그리고

    상기 제1 전류 감지부에서 검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어. 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 릴레이 코일로 인가하는 제1 비교기

    를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
11. 제9항에서,

    상기 보조 스위치는,

    상기 보조 스위치 구동부에 제어단이 연결되어 있고, 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 입력단이 연결되어 있으며 상기 커패시터의 일측 단자에 출력단이 연결되어 있는 반도체 스위치를 포함하고,

    상기 보조 스위치 구동부는,

    상기 부하 전류를 검출하는 제1 전류 감지부,

    상기 제1 전류 감지부에서 검출된 부하 전류와 기준 전류가 인가되어, 검출된 부하 전류의 크기와 상기 기준 전류의 크기를 비교하여 해당 상태의 신호를 상기 릴레이 코일로 인가하는 제1 비교기, 그리고

    상기 제1 비교기에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 제어단으로 해당 상태의 게이트 전압을 출력하는 보조 스위치 구동기

    를 포함하는 고전압직류용 복합형 회로 차단기.
12. 제10항에서,

    상기 보조 스위치 구동부는 상기 제1 전류 감지부와 상기 제1 비교기 사이에 연결되어 상기 제1 전류 감지부에서 출력되는 검출된 전류의 지연 동작을 실시하는 제1 저역 필터부

    를 더 포함하고,

    상기 제1 비교기는 상기 제1 저역 필터부에서 출력되는 검출된 전류와 상기 기준 전류의 크기를 비교하는

    고전압직류용 복합형 회로 차단기.

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