KR102485197B1 - 고전류 출력 제어회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고속 스위칭을 통해 고전류로부터 기기의 보호하는 고전류 출력 제어회로에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로는, 제1 메인선로에서 분기된 제1 분기선로에 일단이 연결되고 제2 메인선로에서 분기된 제2 분기선로(21)에 타단이 연결된 릴레이 스위치; 상기 릴레이 스위치를 구동하는 릴레이 코일; 상기 제1 메인선로의 타단과 상기 제2 메인선로의 타단에 연결된 브릿지 정류부; 상기 브릿지 정류부의 출력단자 사이에 병렬로 연결되어 스위칭에 의해 전류를 도통 및 차단하는 반도체 스위치; 상기 릴레이 코일의 전류인가 및 상기 반도체 스위치의 턴온/턴오프를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 기설정된 특정조건이 되면 상기 반도체 스위치를 턴온시키고 상기 릴레이 코일로 전류를 인가하도록 제어한다.

Description

고전류 출력 제어회로{High current output control circuit}
본 발명은 출력 제어회로에 관한 것으로서, 특히 고속 스위칭을 통해 고전류로부터 기기를 보호하고 고속 출력이 가능하도록 하는 고전류 출력 제어회로에 관한 것이다.
일반적으로 고전압, 고전류의 출력 제어를 위해 파워 릴레이(power relay)가 많이 사용되고 있다. 파워 릴레이는 코일에 발생된 자기장에 의해 스위치가 온/오프되어 스위치를 통한 전류의 도통 및 차단이 이루어지도록 하는 장치로서 전류의 온/오프 제어가 필요한 다양한 제품에 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 파워 릴레이의 구성도이다. 도 1을 참조하면 일반적으로 파워 릴레이는 코일(1)과 스위치(2)를 포함하여 구성될 수 있다.
코일(1)에 전류가 인가되면 코일(1)에 자기장이 발생되고 자기장에 의해 스위치(2)가 온(on)되어 스위치(2)의 양단을 통해 전류가 도통된다. 전류가 계속 공급되면 스위치(2)는 계속 온 상태를 유지하여 전류가 계속 도통되도록 한다.
코일(1)에 전류가 인가되지 않으면 스위치(1)는 오프(off)되어 스위치(1)의 양단은 개방되므로 전류의 흐름은 차단된다.
이러한 파워 릴레이는 발전 및 전력 분야에서 고전류로 동작하는 기기를 제어하고 시스템을 고전류로부터 보호하기 위한 제품에 주로 사용되고 있다.
일례로, 전력계통에 고장이 발생한 경우, 이를 감지하여 파워 릴레이를 온시켜 차단기를 동작시킴으로써 고장을 제거하도록 하여 시스템을 보호할 수 있다.
이때, 고전류를 빠르게 제어하고 사고시 고전류로부터 시스템을 안전하게 보호하기 위해서는 파워 릴레이의 스위칭 속도가 빨라야 한다.
다른 예로서, 파워 릴레이를 이용하여 고전류의 기기를 제어하는 디지털 제어회로에서 파워 릴레이의 속도는 제어회로의 동작속도에 영향을 줄 수 있다.
하지만, 종래의 파워 릴레이는 동작시간이 수 ㎳ ~ 수십 ㎳이므로 스위칭 속도가 늦다는 문제점이 있다. 스위칭 속도가 늦으면 고전류에 의해 부품이나 소자에 손상을 주거나 고전류 기기의 제어속도에 악영향을 미친다는 문제점이 있다.
또한, 일반적인 파워 릴레이는 기계적 스위치(mechanical switch)를 사용하므로 스위칭 속도를 줄이는데는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-1124291호
본 발명은 고전류 기기를 제어하기 위해 코일을 여자시켜 동작하는 파워 릴레이와 반도체 스위칭소자를 결합하여 제어 동작속도가 향상되도록 개선된 고전류 출력 제어회로를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 고전류를 사용하는 기기에서 고전류에 의한 회로나 장치를 빠르게 보호할 수 있도록 하는 고전류 출력 제어회로를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 빠른 스위칭 속도를 구현함으로써 고전류의 빠른 제어가 가능하도록 하는 고전류 출력 제어회로를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 고전류 기기에서 수십 ~ 수백 ㎲의 스위칭 동작속도를 구현할 수 있도록 하는 고전류 출력 제어회로를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로는, 제1 메인선로에서 분기된 제1 분기선로에 일단이 연결되고 제2 메인선로에서 분기된 제2 분기선로(21)에 타단이 연결된 릴레이 스위치; 상기 릴레이 스위치를 구동하는 릴레이 코일; 상기 제1 메인선로의 타단과 상기 제2 메인선로의 타단에 연결된 브릿지 정류부; 상기 브릿지 정류부의 출력단자 사이에 병렬로 연결되어 스위칭에 의해 전류를 도통 및 차단하는 반도체 스위치; 상기 릴레이 코일의 전류인가 및 상기 반도체 스위치의 턴온/턴오프를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 기설정된 특정조건이 되면 상기 반도체 스위치를 턴온시키고 상기 릴레이 코일로 전류를 인가하도록 제어한다.
본 발명에서, 상기 기설정된 특정조건이 되면 상기 반도체 스위치가 먼저 턴온된 후 상기 릴레이 스위치가 온되고, 상기 반도체 스위치의 턴온 스위칭속도는 20~500㎲이다.
본 발명에서, 상기 릴레이 스위치는, 상기 제1 분기선로의 타측에 연결된 제1 접점단자; 제2 분기선로의 타측에 연결된 제2 접점단자; 상기 제1 접점단자와 제2 접점단자를 전기적으로 연결 및 연결해제시키는 스위칭 접점단자를 포함한다.
본 발명에서, 상기 브릿지 정류부는, 제1 단자, 제2 단자, 제3 단자, 제4 단자를 포함하고, 상기 제1 단자는 상기 제1 메인선로의 타측이 연결되고 상기 제2 단자는 제2 메인선로의 타측이 연결되고, 상기 제3 단자는 상기 반도체 스위치의 일단에 연결되고 상기 제4 단자는 반도체 스위치의 타단에 연결된다.
본 발명에서, 상기 브릿지 정류부는, 상기 제1 메인선로의 타단에 연결된 제1 단자로부터 분기되며 서로 순방향으로 연결되는 제1 다이오드와 제4 다이오드; 상기 제2 메인선로의 타단에 연결된 제2 단자로부터 분기되며 서로 서로 순방향으로 연결되는 제2 다이오드와 제3 다이오드를 포함한다.
본 발명에서, 상기 제1 다이오드와 제2 다이오드는 서로 역방향으로 연결되고, 상기 제3 다이오드와 제4 다이오드는 서로 역방향으로 연결되고, 상기 제1 다이오드와 제3 다이오드는 서로 순방향으로 연결되고, 상기 제2 다이오드와 제4 다이오드는 서로 순방향으로 연결된다.
본 발명에서, 상기 특정조건이 되면 상기 제어부에 의해 상기 반도체 스위치가 먼저 턴온되어 상기 제1 메인선로에 연결된 제1 입출력단자를 통해 입력된 전류는 상기 제1 메인선로, 브릿지 정류부, 반도체 스위치, 브릿지 정류부 및 제2 메인선로를 통해 상기 제2 메인선로에 연결된 제2 입출력단자로 출력되고, 이후에 상기 릴레이 스위치가 온되면 상기 반도체 스위치는 턴오프되고 상기 제1 입출력단자를 통해 입력된 전류는 상기 제1 메인선로, 제1 릴레이 스위치 및 제2 메인선로를 통해 상기 제2 입출력단자로 출력된다.
본 발명에서, 상기 특정조건이 되면 상기 제어부에 의해 상기 반도체 스위치가 먼저 턴온되어 상기 제2 메인선로에 연결된 제2 입출력단자를 통해 입력된 전류는 상기 제2 메인선로, 브릿지 정류부, 반도체 스위치, 브릿지 정류부 및 제1 메인선로를 통해 상기 제1 메인선로에 연결된 제1 입출력단자로 출력되고, 이후에 상기 릴레이 스위치가 온되면 상기 반도체 스위치는 턴오프되고 상기 제2 입출력단자를 통해 입력된 전류는 상기 제2 메인선로, 제1 릴레이 스위치 및 제1 메인선로를 통해 상기 제1 입출력단자로 출력된다.
본 발명에 의하면 고전류 기기를 제어하기 위해 파워 릴레이의 스위칭 동작속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 의하면 고전류를 사용하는 기기에서 고전류에 의한 회로나 장치를 빠르게 보호할 수 있다.
본 발명은 고전류를 제어하기 위한 디지털 제어회로에서 빠른 스위칭 속도를 구현할 수 있다.
본 발명은 고전류를 사용하는 기기에서 수십 ~ 수백 ㎲의 스위칭 동작속도를 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 고전류 출력 제어회로의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 구성도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 동작에 따른 전류의 제1 방향 흐름을 설명하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 동작에 따른 전류의 제2 방향 흐름을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로의 일 사용 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로의 다른 사용 예시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로(100)는 릴레이 코일(110), 릴레이 스위치(120), 브릿지 정류부(130), 반도체 스위치(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로(100)는 2개의 입출력단자(X1,X2)를 가질 수 있다. 제1 입출력단자(X1)에는 제1 메인선로(10)의 일측이 연결되고 제2 입출력단자(X2)에는 제2 메인선로(20)의 일측이 연결된다.
입출력단자(X1,X2)는 외부장치와 연결될 수 있다. 예컨대, 전원공급장치, 전류공급장치, 신호처리장치, IC소자 등과 연결될 수 있다.
제1 메인선로(10)에서 제1 분기선로(11)가 분기되고 제2 메인선로(20)에서 제2 분기선로(21)가 분기될 수 있다. 즉, 제1 분기선로(11)의 일측은 제1 메인선로(10)에 연결되고 제2 분기선로(21)의 일측은 제2 메인선로(20)에 연결된다.
제1 분기선로(11)의 타측과 제2 분기선로(21)의 타측 사이에는 릴레이 스위치(120)가 연결된다. 릴레이 스위치(120)는 제1 접점단자(121), 제2 접점단자(122) 및 스위칭 접점단자(123)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 제1 분기선로(11)의 타측에는 릴레이 스위치(120)의 제1 접점단자(121)에 연결되고 제2 분기선로(21)의 타측에는 릴레이 스위치(120)의 제2 접점단자(122)에 연결된다.
제1 접점단자(121)과 제2 접점단자(122)는 스위칭 접점단자(123)에 의해 전기적으로 연결되거나 또는 연결해제될 수 있다.
스위칭 접점단자(123)가 동작하여 제1 접점단자(121)와 제2 접점단자(122)에 연결되면 제1 접점단자(121)와 제2 접점단자(122)는 전기적으로 연결된다.
이때, 제1 입출력단자(X1)를 통해 공급되는 전류는 제1 접점단자(121), 스위칭 접점단자(123), 제2 접점단자(122)를 통해 제2 입출력단자(X2)로 흐를 수 있다.
또한, 제2 입출력단자(X2)를 통해 공급되는 전류는 제2 접점단자(122), 스위칭 접점단자(123), 제1 접점단자(121)를 통해 제1 입출력단자(X1)로 흐를 수 있다.
릴레이 스위치(120)의 스위칭 접점단자(123)의 온(on)/오프(off)를 동작시키기 위하여 릴레이 코일(110)이 구비될 수 있다.
릴레이 코일(110)에 전류가 인가될 수 있으며, 이를 위해 릴레이 코일(110)에 전류를 인가할 수 있는 전류공급부(미도시)가 연결될 수 있다.
이러한 전류공급부는 후술되는 제어부(150)에 의해 릴레이 코일(110)에 전류를 공급하거나 또는 전류의 공급을 차단할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 전류공급부를 제어하여 릴레이 코일(110)에 전류를 인가할 수 있다.
릴레이 코일(110)에 전류가 공급되는 릴레이 코일(110)에 자기장이 발생되고 자기장으로 인한 자기력에 의해 스위칭 접점단자(123)를 동작시킬 수 있다.
따라서, 릴레이 코일(110)에서 발생된 자기장의 범위 내에 릴레이 코일(110)이 배치됨이 바람직하다.
구체적으로, 릴레이 코일(110)에 전류가 공급되지 않으면 자기력이 발생하지 않으므로 스위칭 접점단자(123)는 동작하지 않으며 제1 및 제2 접점단자(121,122)는 전기적으로 연결된 상태가 되지 않는다.
릴레이 코일(110)에 전류가 공급되면 자기력에 의해 스위칭 접점단자(123)가 동작하여 제1 및 제2 접점단자(121,122)와 접촉되어 제1 및 제2 접점단자(121,122)는 전기적으로 연결된다.
여기서, 릴레이 코일(110)에 전류가 공급되어 스위칭 접점단자(123)가 제1 및 제2 접점단자(121,122)와 접촉된 상태에서, 릴레이 코일(110)로 전류의 공급이 차단되면 스위칭 접점단자(123)는 제1 및 제2 접점단자(121,122)와 접촉이 분리되어 제1 및 제2 접점단자(121,122)는 전기적으로 연결되지 않는 상태로 복귀할 수 있다.
제1 메인선로(10)의 타측과 제2 메인선로(20)의 타측 사이에는 브릿지 정류부(bridge rectifier circuit)(130)가 연결될 수 있다.
브릿지 정류부(130)는 4개의 단자, 즉 제1 단자(131), 제2 단자(132), 제3 단자(133), 제4 단자(134)를 포함할 수 있다.
제1 단자(131)에는 제1 메인선로(10)의 타측이 연결되고 제2 단자(132)에는 제2 메인선로(20)의 타측이 연결될 수 있다.
그리고, 제3 단자(133)과 제4 단자(134)는 후술될 반도체 스위치(140)와 연결될 수 있다. 즉, 제3 단자(133)는 반도체 스위치(140)의 일단에 연결되고 제4 단자(134)는 반도체 스위치(140)의 타단에 연결될 수 있다.
브릿지 정류부(130)는 제1 입출력단자(X1)를 통해 제1 단자(131)로 전류가 공급되거나 또는 제2 입출력단자(X2)를 통해 제2 단자(132)로 전류가 공급되는 경우 그 전류의 방향을 결정할 수 있다. 이때, 그 전류가 반도체 스위치(140)로 공급되도록 전류의 방향이 결정될 수 있다.
브릿지 정류부(130)는 제1 메인선로(10)의 타단이 연결된 제1 단자(131)과 전기적으로 연결되는 복수 개의 다이오드(D1,D3)와, 제2 메인선로(20)의 타단이 연결된 제2 단자(132)와 전기적으로 연결되는 복수의 다이오드(D2,D4)를 포함할 수 있다.
제1 단자(131)와 제2 단자(132)는 전류가 입력되는 입력단자의 역할을 하고 제3 단자(133)와 제4 단자(134)는 전류가 출력되는 출력단자의 역할을 할 수 있다.
구체적으로, 브릿지 정류부(130)는 제1 메인선로(10)의 타단에 연결된 제1 단자(131)로부터 분기되며 서로 순방향으로 연결되는 제1 다이오드(D1)와 제4 다이오드(D4), 제2 메인선로(20)의 타단에 연결된 제2 단자(132)로부터 분기되며 서로 서로 순방향으로 연결되는 제2 다이오드(D2)와 제3 다이오드(D3)를 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 제1 다이오드(D1)는 제1 단자(131)와 제3 단자(133) 간에 연결된 분기선로에 제1 단자(131)에서 제3 단자(133)의 방향으로 연결되고, 제2 다이오드(D2)는 제2 단자(132)와 제3 단자(133) 간에 연결된 분기선로에 제2 단자(132)에서 제3 단자(133)의 방향으로 연결된다.
또한, 제3 다이오드(D3)는 제1 단자(131)와 제4 단자(134) 간에 연결된 분기선로에 제4 단자(134)에서 제1 단자(131)의 방향으로 연결되고, 제4 다이오드(D4)는 제2 단자(132)와 제4 단자(134) 간에 연결된 분기선로에 제4 단자(134)에서 제2 단자(132)의 방향으로 연결된다.
이때, 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)는 서로 역방향으로 연결되고, 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)는 서로 역방향으로 연결된다. 또한, 제1 다이오드(D1)와 제3 다이오드(D3)는 서로 순방향으로 연결되고, 제2 다이오드(D2)와 제4 다이오드(D4)는 서로 순방향으로 연결된다.
서로 역방향으로 연결된 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)가 만나는 제3 단자(133)는 반도체 스위치(140)의 일단과 연결되고, 서로 역방향으로 연결된 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)가 만나는 제4 단자(134)는 반도체 스위치(140)의 타단과 연결된다.
즉, 제3 단자(133)는 제1 보조선로(30)를 통해 반도체 스위치(140)의 일단과 연결되고, 제4 단자(134)는 제2 보조선로(40)를 통해 반도체 스위치(140)의 타단과 연결된다.
반도체 스위치(140)는 브릿지 정류부(130)의 두 출력단자, 즉 제3 단자(133) 및 제4 단자(134) 사이에 병렬로 연결되며, 제어부(150)의 제어신호에 의해 전류를 도통 및 차단시킬 수 있다. 즉, 반도체 스위치(140)가 턴온(turn-on)되면 전류가 도통되고 턴오프(turn-off)되면 전류가 차단된다. 본 실시예에서 반도체 스위치는 트랜지스터가 될 수 있으며, 예컨대 IGBT, MOSFET으로 구현될 수 있다.
이러한 반도체 스위치(140)는 예컨대 게이트 단자(G), 드레인 단자(D), 에미터 단자(E)를 포함할 수 있다. 반도체 스위치(140)로 전류가 공급되는 경우, 그 전류는 드레인 단자(D)로 입력되어 에미터 단자(E)로 출력될 수 있다.
이때, 게이트 단자(G)로 반도체 스위치(140)의 턴온 제어신호가 입력되는 경우에만 전류를 도통시킬 수 있다. 즉, 게이트 단자(G)에 턴오프 제어신호가 입력되면 전류는 도통되지 않는다. 본 실시예에서 턴오프 제어신호는 턴온 제어신호가 출력되지 않는 것으로 대체할 수 있다. 즉, 이 경우 턴온 제어신호가 출력되지 않으면 전류는 도통되지 않는 것이다.
제어부(150)는 기설정된 특정조건이 되는지를 확인하고 특정조건이 되면 반도체 스위치(140)의 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 고전류 출력 제어회로(100)의 스위칭 동작이 필요한 조건이 되면 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력함으로써 반도체 스위치(140)가 턴온되도록 할 수 있다.
고전류 출력 제어회로(100)의 스위칭 동작이 필요한 경우라면, 예를 들어 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 고전류를 바이패스시키는 경우 또는 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 고전류를 공급 또는 출력하는 경우 등이 될 수 있다. 즉, 이는 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 빠르게 도통시키는 경우라면 모두 해당될 수 있다.
또한, 제어부(150)는 릴레이 코일(110)로 전류가 인가되도록 전류공급부(미도시)를 제어할 수 있다. 제어부(150)는 고전류 출력 제어회로(100)를 구동시키기 위해 상기 전류공급부를 동작시켜 릴레이 코일(110)에 전류가 인가되도록 할 수 있다. 물론, 전류의 공급 및 공급차단을 제어할 수 있다.
본 실시예에서 제어부(150)는 고전류 출력 제어회로(100)의 구동 여부를 결정할 수 있다. 이를 위해 제어부(150)는 고전류 출력 제어회로(100)의 구동을 위한 특정조건이 만족하는지를 판단할 수 있다.
예를 들어, 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 빠르게 도통시켜야 하는 특정조건이 만족되면 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력함과 동시에 전류공급부를 동작시켜 릴레이 코일(110)로 전류가 공급되도록 할 수 있다.
이로써, 릴레이 스위치(120)와 반도체 스위치(140)가 턴온된다. 이때, 반도체 스위치(140)의 스위칭 속도가 더 빠르므로 반도체 스위치(140)가 먼저 턴온되고 이후에 릴레이 스위치(120)가 턴온된다.
본 실시예에서 반도체 스위치(140)의 스위칭 속도는 수십~수백 ㎲이고, 바람직하게는 20~500㎲이다. 릴레이 스위치(120)의 스위칭 속도는 수~수십 ㎳이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 동작을 상세하게 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 동작에 따른 전류의 제1 방향 흐름을 설명하는 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 동작에 따른 전류의 제2 방향 흐름을 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 전류가 제1 입출력단자(X1)로 입력되어 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 제2 입출력단자(X2)로 출력되는 예가 도시된다.
제어부(150)는 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 도통시키는 특정조건이 만족되는지를 판단하여 만족되면, 반도체 스위치(140)의 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력함과 동시에 릴레이 코일(110)로 전류가 공급되도록 제어할 수 있다.
이로써, 반도체 스위치(140)와 릴레이 스위치(120)가 턴온될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 두 스위치(120,140) 간에는 스위칭 속도가 다르므로 반도체 스위치(140)가 먼저 턴온될 수 있다.
반도체 스위치(140)가 턴온되면 제1 입출력단자(X1)로 입력된 전류(I1)는 제1 메인선로(10)를 통해 브릿지 정류부(130)의 제1 단자(131)로 공급될 수 있다.
그리고, 전류(I1)는 제1 다이오드(D1)와 반도체 스위치(140)를 거쳐 브릿지 정류부(130)의 제4 단자(134)로 공급될 수 있다.
계속해서, 전류(I1)는 제4 다이오드(D4)를 거쳐서 제2 입출력단자(X2)를 통해 출력될 수 있다.
이러한 과정이 진행되는 동안, 릴레이 스위치(120)가 턴온되면 제어부(150)는 반도체 스위치(140)의 게이트 단자(G)로 턴오프 제어신호를 출력하여 반도체 스위치(140)가 턴오프되도록 할 수 있다.
다른 실시예에서는 제어부(150)에서 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력하지 않는 것으로 반도체 스위치(140)가 턴오프되도록 할 수도 있다.
그러면, 제1 메인선로(10)를 통해 반도체 스위치(130)의 제1 단자(131)로 공급되는 전류(I1)는 더 이상 공급되지 않고, 대신에 릴레이 스위치(120)를 통해 도통될 수 있다.
릴레이 스위치(120)를 통해 도통되는 전류(I1')는 제2 입출력단자(X2)를 통해 출력될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로(100)의 동작을 살펴보면, 제어부(150)에서 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 도통해야 하는 특정조건이 만족되는 것으로 판단되면 반도체 스위치(140)와 릴레이 스위치(120)를 턴온시킨다.
이때, 스위칭 속도가 빠른 반도체 스위치(150)가 먼저 턴온되어 전류를 우선 빠르게 도통시킨다. 이후에, 릴레이 스위치(120)가 턴온되면 반도체 스위치(150)를 턴오프시켜 반도체 스위치(150)를 통한 전류의 도통은 차단되고, 그 전류가 릴레이 스위치(120)를 통해 안정적으로 도통되도록 한다.
여기서, 릴레이 스위치(120)가 턴온된 후 반도체 스위치(150)를 턴오프하는 이유는, 고전류 출력 제어회로(100)가 예컨대 고전류를 사용하는 기기에 적용된 경우 반도체 스위치(150)를 오래 사용하게 되면 고전류에 의해 반도체 스위치(140)가 소손되기 때문이다.
즉, 반도체 스위치(140)를 통해 전류를 빠르게 도통시키는 목적이 달성한 후에는 반도체 스위치(140)를 턴오프시켜 고전류에 안정적인 릴레이 스위치(120)를 통해 전류를 도통시키도록 하는 것이다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서 전류가 제2 입출력단자(X2)로 입력되어 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 제1 입출력단자(X1)로 출력되는 다른 예가 도시된다.
제어부(150)는 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 도통시키는 특정조건이 만족되는지를 판단하여 만족되면, 반도체 스위치(140)의 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력함과 동시에 릴레이 코일(110)로 전류가 공급되도록 제어할 수 있다.
이로써, 반도체 스위치(140)와 릴레이 스위치(120)가 턴온될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 두 스위치(120,140) 간에는 스위칭 속도가 다르므로 반도체 스위치(140)가 먼저 턴온될 수 있다.
반도체 스위치(140)가 턴온되면 제2 입출력단자(X2)로 입력된 전류(I2)는 제2 메인선로(20)를 통해 브릿지 정류부(130)의 제2 단자(132)로 공급될 수 있다.
그리고, 전류(I2)는 제2 다이오드(D2)와 반도체 스위치(140)를 거쳐 브릿지 정류부(130)의 제4 단자(134)로 공급될 수 있다.
계속해서, 전류(I2)는 제3 다이오드(D3)를 거쳐서 제1 입출력단자(X1)를 통해 출력될 수 있다.
이러한 과정이 진행되는 동안, 릴레이 스위치(120)가 턴온되면 제어부(150)는 반도체 스위치(140)의 게이트 단자(G)로 턴오프 제어신호를 출력하여 반도체 스위치(140)가 턴오프되도록 할 수 있다.
다른 실시예에서는 제어부(150)에서 게이트 단자(G)로 턴온 제어신호를 출력하지 않는 것으로 반도체 스위치(140)가 턴오프되도록 할 수도 있다.
그러면, 제2 메인선로(10)를 통해 반도체 스위치(130)의 제2 단자(132)로 공급되는 전류(I1)는 더 이상 공급되지 않고, 대신에 릴레이 스위치(120)를 통해 도통될 수 있다.
릴레이 스위치(120)를 통해 도통되는 전류(I2')는 제1 입출력단자(X1)를 통해 출력될 수 있다.
이와 같이 다른 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로(100)의 동작을 살펴보면, 제어부(150)에서 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 도통해야 하는 특정조건이 만족되는 것으로 판단되면 반도체 스위치(140)와 릴레이 스위치(120)를 턴온시킨다.
이때, 스위칭 속도가 빠른 반도체 스위치(150)가 먼저 턴온되어 전류를 우선 빠르게 도통시킨다. 이후에, 릴레이 스위치(120)가 턴온되면 반도체 스위치(150)를 턴오프시켜 반도체 스위치(150)를 통한 전류의 도통은 차단되고, 그 전류가 릴레이 스위치(120)를 통해 안정적으로 도통되도록 한다.
즉, 반도체 스위치(140)를 통해 전류를 빠르게 도통시키는 목적이 달성한 후에는 반도체 스위치(140)를 턴오프시켜 고전류에 안정적인 릴레이 스위치(120)를 통해 전류를 도통시키도록 하는 것이다.
이와 같은 동작에 의해 본 발명의 고전류 출력 제어회로(100)는 전류의 빠른 도통과, 고전류에 의한 반도체 스위치(140)의 소손 방지와, 릴레이 스위치(120)를 통한 고전류의 안정적인 도통의 목적을 달성할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 사용 예시도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전류 출력 제어회로의 다른 사용 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로(100)는 상위 제어설비(210)와 하위 제어설비(220) 사이에 설치될 수 있다.
예컨대, 도시된 바와 같이 고전류 출력 제어회로(100)의 제1 입출력단자(X1)는 상위 제어설비(210)와 연결될 수 있고, 고전류 출력 제어회로(100)의 제2 입출력단자(X2)는 하위 제어설비(220)와 연결될 수 있다.
이에, 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 상위 제어설비(210)와 하위 제어설비(220) 간에는 고속의 고전류 출력이 가능하며, 이를 이용하여 빠른 신호 전달도 가능한 것이다
뿐만 아니라, 상술한 바와 같이 고전류 출력 제어회로(100)는 양방향 전류 공급이 가능하므로, 상위 제어설비(210) 및 하위 제어설비(220) 간의 양방향 전류 전송 및 양방향 신호 전달이 가능하다.
본 실시예에서 상위 제어설비(210) 및 하위 제어설비(220)는 예컨대, HVDC, STATCOM 등의 상위 및 하위 제어기가 될 수 있고, 고전류 출력 제어회로(100)는 이들 제어기의 디지털 출력보드에 설치될 수 있다.
예컨대, 모듈러 멀티레벨 컨버터(MMC)와 연계되는 HVDC 시스템에서, 복수의 서브모듈(sub-module)이 직렬로 연결되어 컨버터 암(arm)을 형성하고, 이러한 컨버터 암이 복수 개가 배치되는 MMC 컨버터의 경우, 각각의 컨버터 암을 제어하는 컨버터 암 제어기와 상위의 메인제어기는 디지털 출력보드에 장착된 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 전류를 고속으로 전달할 수 있으며, 이를 이용하여 고속으로 제어신호를 주고 받을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로(100)를 포함하는 디지털 출력보드가 제어기에 구성될 수 있고, 고전류 출력 제어회로(100)는 특정조건에 따라 컨버터 암 제어기와 메인제어기 간 전류의 송수신 및 이를 이용한 제어신호의 송수신이 가능한 것이다.
이 경우, HVDC 시스템의 MMC 컨버터에서 메인제어기는 상위 제어설비(210)가 될 수 있고, 컨버터 암 제어기는 하위 제어설비(220)가 될 수 있다.
도 6에 도시된 다른 예시를 참조하면, 본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로는 MMC 컨버터를 구성하는 서브모듈(sub-module)에 설치될 수 있다.
상술한 바와 같이 MMC 컨버터는 복수 개의 컨버터 암으로 구성되면, 각 컨버터 암에는 복수의 서브모듈이 직렬로 연결된다.
도면의 예시와 같이, 본 발명에 따른 고전류 출력 제어회로(100)는 서브모듈(310)의 입출력단자(X,Y) 사이에 서브모듈(310)에 병렬로 연결될 수 있다.
이때, 서브모듈(310)이 정상적으로 동작하는 경우 전류는 입출력단자(X,Y)를 통해 서브모듈(310)로 공급된다. 만약, MMC 컨버터에 고장이 발생하는 경우에는 고전류 출력 제어회로(100)가 동작하여 고전류의 고장전류가 서브모듈(310)이 아니라 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 바이패스 되도록 할 수 있다.
예컨대, 고전류의 고장전류는 제1 입출력단자(X1)을 통해 고전류 출력 제어회로(100)로 공급되고 제2 입출력단자(X2)를 통해 바이패스될 수 있다. 물론, 반대의 전류 흐름도 가능하다.
이로써, 고전류의 고장전류가 서브모듈(310)로는 공급되지 않고 고전류 출력 제어회로(100)를 통해 빠른 바이패스가 가능하여 고전류의 고장전류로부터 서브모듈(310)를 보호할 수 있도록 한다. 이는 본 발명의 고전류 출력 제어회로(100)에서 빠른 스위칭이 가능하므로 고전류를 빠르게 바이패스시킬 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 고전류의 기기를 포함하는 전력설비 또는 고전류의 기기를 제어하기 위한 제어설비 등에서 고전류 출력 제어회로를 사용하는 경우, 보다 빠른 동작속도를 제공하고 안정적으로 고전류를 도통시킬 수 있도록 하는 개선된 고전류 출력 제어회로를 제공할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 제1 메인선로 11 : 제1 분기선로
20 : 제2 메인선로 21 : 제2 분기선로
30 : 제1 보조선로 40 : 제2 보조선로
110 : 릴레이 코일 120 : 릴레이 스위치
121 : 제1 접점단자 122 : 제2 접점단자
123 : 스위칭 접점단자 130 : 브릿지 정류부
131 : 제1 단자 132 : 제2 단자
133 : 제3 단자 134 : 제4 단자
140 : 반도체 스위치 150 : 제어부
D1~D4 : 제1 내지 제4 다이오드

Claims (10)

  1. 멀티레벨 모듈러 컨버터(MMC)에 발생된 고장전류를 바이패스시켜 상기 MMC 컨버터를 구성하는 서브모듈을 보호하기 위한 고전류 출력 제어회로에 있어서,
    상기 MMC 컨버터의 제1 메인선로(10)에서 분기된 제1 분기선로(11)에 연결된 제1 입출력단자(X1)에 일단이 연결되고 상기 MMC 컨버터의 제2 메인선로(20)에서 분기된 제2 분기선로(21)에 연결된 제2 입출력단자(X2)에 타단이 연결된 릴레이 스위치(120);
    전류가 공급되면 자기장을 발생시키고 상기 발생된 자기장에 의한 자기력으로 상기 릴레이 스위치(120)를 구동하는 릴레이 코일(110);
    일단이 상기 제1 메인선로(10)의 제1 분기선로(11) 및 상기 릴레이 스위치(120)의 제1 입출력단자(X1)와 동시에 연결되고, 타단이 상기 제2 메인선로(20)의 제2 분기선로(21) 및 상기 릴레이 스위치(120)의 제2 입출력단자(X2)와 동시에 에 연결된 브릿지 정류부(130);
    상기 브릿지 정류부(130)의 출력단자 사이에 병렬로 연결되어 스위칭에 의해 전류를 도통 및 차단하는 반도체 스위치(140);
    상기 반도체스위치(140)의 턴온/턴오프를 제어하는 제어부(150)를 포함하고,
    상기 제1,2입출력단자(X1,X2)는 상기 MMC 컨버터를 구성하는 서브모듈(310)의 입출력단자(X,Y)에 각각 연결되어 상기 고전류 출력 제어회로가 상기 서브모듈(310)에 병렬로 연결되고,
    상기 제어부(150)는 상기 MMC 컨버터에 고장이 발생하면 상기 반도체 스위치(140)를 턴온시킴과 동시에 상기 릴레이 코일(110)에 상기 전류가 인가되도록 하고, 상기 반도체 스위치(140)가 턴온되면 상기 MMC 컨버터의 고장전류가 상기 제1입출력단자(X1) 또는 상기 제2입출력단자(X2)를 통해 상기 릴레이 코일(110) 및 상기 브릿지 정류부(130)로 동시에 공급되며, 상기 고장전류에 의해 상기 반도체 스위치(140)는 20~500㎲의 스위칭속도로 턴온되고, 상기 반도체 스위치(140)가 턴온을 유지하는 동안 상기 고장전류에 의해 상기 릴레이 코일(110)에 자기장이 발생되어 상기 자기장으로 인한 자기력에 의해 상기 릴레이 스위치(120)가 온되어 상기 고장전류가 상기 서브모듈(310)을 통하지 않고 상기 릴레이 스위치(120)를 통해 바이패스되도록 하고, 상기 바이패스되고 설정시간이 경과되면 상기 반도체 스위치(140)를 오프시키는 고전류 출력 제어회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 릴레이 스위치(120)는,
    상기 제1 분기선로(11)의 타측에 연결된 제1 접점단자(121);
    제2 분기선로(21)의 타측에 연결된 제2 접점단자(122);
    상기 제1 접점단자(121)와 제2 접점단자(122)를 전기적으로 연결 및 연결해제시키는 스위칭 접점단자(123)를 포함하는 고전류 출력 제어회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 브릿지 정류부(130)는,
    제1 단자(131), 제2 단자(132), 제3 단자(133), 제4 단자(134)를 포함하고,
    상기 제1 단자(131)는 상기 제1 메인선로(10)의 타측이 연결되고, 상기 제2 단자(132)는 제2 메인선로(20)의 타측이 연결되고, 상기 제3 단자(133)는 상기 반도체 스위치(140)의 일단에 연결되고, 상기 제4 단자(134)는 반도체 스위치(140)의 타단에 연결되는 고전류 출력 제어회로.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 브릿지 정류부(130)는,
    상기 제1 메인선로(10)의 타단에 연결된 제1 단자(131)로부터 분기되며 서로 순방향으로 연결되는 제1 다이오드(D1)와 제4 다이오드(D4);
    상기 제2 메인선로(20)의 타단에 연결된 제2 단자(132)로부터 분기되며 서로 서로 순방향으로 연결되는 제2 다이오드(D2)와 제3 다이오드(D3)를 포함하는 고전류 출력 제어회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)는 서로 역방향으로 연결되고, 상기 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)는 서로 역방향으로 연결되고, 상기 제1 다이오드(D1)와 제3 다이오드(D3)는 서로 순방향으로 연결되고, 상기 제2 다이오드(D2)와 제4 다이오드(D4)는 서로 순방향으로 연결되는 고전류 출력 제어회로.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 반도체 스위치(140)가 턴온된 상태에서 상기 제1 메인선로(10)를 통해 상기 제1 단자(131)로 전류가 인가되면 상기 전류는 상기 제1 다이오드(D1)를 통해 상기 반도체 스위치(140)와 상기 제4 다이오드(D4)를 통해 상기 제2 메인선로(20)로 출력되고, 상기 제2 메인선로(20)를 통해 상기 제2 단자(132)로 전류가 인가되면 상기 전류는 상기 제2 다이오드(D2)를 통해 상기 반도체 스위치(140)와 상기 제3 다이오드(D3)를 통해 상기 제1 메인선로(10)로 출력되는 고전류 출력 제어회로.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 MMC 컨버터에 고장이 발생하면 상기 제어부에 의해 상기 반도체 스위치(140)가 먼저 턴온되어 상기 제1 메인선로(10)에 연결된 제1 입출력단자(X1)를 통해 입력된 전류는 상기 제1 메인선로(10), 브릿지 정류부(130), 반도체 스위치(140), 브릿지 정류부(130) 및 제2 메인선로(20)를 통해 상기 제2 메인선로(20)에 연결된 제2 입출력단자(X2)로 출력되고, 이후에 상기 릴레이 스위치(120)가 온되면 상기 반도체 스위치(140)는 턴오프되고 상기 제1 입출력단자(X1)를 통해 입력된 전류는 상기 제1 메인선로(10), 제1 릴레이 스위치(120) 및 제2 메인선로(20)를 통해 상기 제2 입출력단자(X2)로 출력되는 고전류 출력 제어회로.
  10. 청구항 1에 있어서
    상기 MMC 컨버터에 고장이 발생하면 상기 제어부에 의해 상기 반도체 스위치(140)가 먼저 턴온되어 상기 제2 메인선로(20)에 연결된 제2 입출력단자(X2)를 통해 입력된 전류는 상기 제2 메인선로(20), 브릿지 정류부(130), 반도체 스위치(140), 브릿지 정류부(130) 및 제1 메인선로(10)를 통해 상기 제1 메인선로(10)에 연결된 제1 입출력단자(X1)로 출력되고, 이후에 상기 릴레이 스위치(120)이 온되면 상기 반도체 스위치(140)는 턴오프되고 상기 제2 입출력단자(X2)를 통해 입력된 전류는 상기 제2 메인선로(20), 제1 릴레이 스위치(120) 및 제1 메인선로(10)를 통해 상기 제1 입출력단자(X1)로 출력되는 고전류 출력 제어회로.
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