KR20030081745A

KR20030081745A - 하이브리드 직류 전자 접촉기

Info

Publication number: KR20030081745A
Application number: KR1020020020112A
Authority: KR
Inventors: 정용호
Original assignee: 엘지산전 주식회사
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-22
Also published as: CN1280856C; DE10315982B4; JP3872444B2; JP2003338239A; US20030193770A1; US7079363B2; DE10315982A1; CN1452194A; KR100434153B1

Abstract

본 발명은 하이브리드 직류 전자 접촉기에 관한 것으로, 특히 기계식 접촉 스위치에 병렬로 반도체 스위치를 연결하여 하이브리드 구조의 접촉기의 개폐 순간에 아크가 발생하지 않도록 하고, 누설전류를 최소화시킬 수 있도록 한 하이브리드 직류 전자 접촉기에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 일정 전원전압을 공급하는 전원부와; 구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기와; 게이트신호에 의해 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 스위치와; 상기 스위치의 턴오프시의 스위치 양단전압을 충전한후, 그 충전된 전압이 일정전압 이상이면 통전되어 방전하는 스너버회로와; 상기 스위치의 턴오프시 부하의 방전 전류의 경로를 제공하여 방전전류를 제거하는 방전전류 제거부로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 직류 전자 접촉기{HYBRID DC ELECTROMAGNETIC CONTACTOR}

본 발명은 하이브리드 직류 전자 접촉기에 관한 것으로, 특히 기계식 접촉 스위치에 병렬로 반도체 스위치를 연결하여 하이브리드 구조의 접촉기의 개폐 순간에 아크가 발생하지 않도록 하고, 누설전류를 최소화시킬 수 있도록 한 하이브리드 직류 전자 접촉기에 관한 것이다.

일반적으로, 전원과 부하사이를 전기적으로 연결시키거나 분리시킬 때에 가장 보편적으로 사용하는 것이 전자식 접촉기 혹은 전자식 개폐기이다.

접촉기는 공간적으로 분리되어 있는 2개의 고정 전극 사이를 이동전극을 통해서 연결시키기도 하고, 분리시키기도 하는데 연결 시킬때에는 전자석 힘을 이용 하고, 분리 시킬때에는 스프링 힘을 이용하게 된다. 이때 전극에 전류가 흐르는 중에 개폐기를 개방시키게 되면 선로나 부하 혹은 전원측의 기생 인덕턴스 성분에 저장된 에너지로 인하여 접점부분에서 아크가 발생하게 되며, 이로 인하여 접점에 손상이 가게 된다.

따라서 이러한 아크발생에 견딜수 있도록 하기 위해서 접촉기 접점 부문은 특수한 재료와 형상이 요구되며, 이때 발생되는 아크를 빠르고 안전하게 소호 시키기 위해서 접촉기기 접점 상단부에는 항상 특수 형상의 아크 소호부가 존재하게 된다.

이러한 기계식 전자 접촉기의 문제점을 극복하기 위하여 교류용 전자식 개폐기의 기계 접점을 모두 반도체 스위치로 대치한 에스에스알(SSR: Solid-State Relay) 혹은 에스에스씨(SSC: Solid-State Contactor)가 제안되어 일부 사용중에 있으나, 통전시에 반도체 스위치 양단의 전압강하로 인하여 열이 많이 발생하므로 별도로 Heat Sink등을 부착해야 하거나 냉각팬을 부착해야 하는 문제점이 있어서 특수한 용도에만 이용되고 있다.

또한, 직류용 전자 접촉기의 경우에도 강제 소호 능력이 있는 반도체 스위칭 소자로 대치하여 사용하는 경우도 있으나 여전히 기계식 직류 전자 접촉기가 주로 이용되고 있다.

먼저, 이와 같은 종래의 교류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기는 도 1에 도시한 바와같이 교류전원(1)이 기계적 주접점(5)을 통해서 부하(7)에 연결되거나 분리된다. 통상적인 교류용 전자식 개폐기에는 보조접점(4)이 기본 장치로 부착되는데, 상기 종래 교류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기는 주접점(5)과 병렬로 트라이악(Triac)(2)이라 불리우는 양방향 반도체 스위치(2)를 연결하고, 트라이악(Triac)(2)의 게이트(G) 단자와 에노드(A) 단자 사이에 저항(3)을 연결하고, 게이트(G)와 캐소드(K) 사이에는 개폐기의 보조 접점(4)를 연결 시킨 구조를 하고 있다.

기본동작 설명은 개폐기 주접점(5)이 열려있는 상태에서 닫힌 상태로, 그리고 다시 상기 주접점(5)이 닫힌 상태에서 열린 상태로 변화는 과정을 설명하기로 한다.

개폐기 주접점(5)이 열려있는 상태에서는 보조접점(4)은 닫혀 있어서 트라이악(Triac)(2)의 게이트(G)는 캐소드(K)와 단락된 상태이기 때문에 상기 트라이악(Triac)(2)은 오프 상태를 유지한다.

이때 교류전원(1)과 부하(7)사이에는 저항(3)을 통해서 미세한 전류(수십~수백 mA)가 흐르고 있는 상태이다. 개폐기를 턴온 시키기 위해서 코일(6)에 전압을 인가하게 되면 개폐기의 주접점(5)과 보조접점(4)이 움직이기 시작하고, 주접점(5)이 닫히기 전에 먼저 보조접점(4)이 열리게 되며, 그 보조접점(4)이 열리면 트라이악(Triac)(2)의 게이트(G)와 캐소드(K)사이에 구동신호가 인가되어 수십에서 수백mA 정도의 전류가 트라이악(Triac)(2)의 게이트(G)단자로 흐르게 된다.

이때, 상기 트라이악(Triac)(2)의 특성은 게이트 전류의 극성과 무관하게 동작하므로 충분한 게이트 전류가 흐르게 되면 상기 트라이악(Triac)(2)이 켜지게 되고, 전원과 부하는 상기 트라이악(Triac)(2)과 연결되어 부하전류가 그 트라이악(Triac)(2)에만 흐르게 된다.

일정 시간이 경과한 후에 주접점(5)이 닫히게 되면, 기계적 특성상 약간의 채터링(Chattering) 현상이 발생하지만 주접점(5)이 열리는 순간 트라이악(Triac)(2)의 게이트(G)에 전류가 다시 흐르기 때문에 기계적 접점부위에서의 아크가 발생하지 않게 된다.

기계적 접점이 완전히 닫히게 되면 트라이악(Triac)(2)의 양단전압이 거의 영전압에 가깝게 되므로 상기 트라이악(Triac)(2)의 통전을 위해서 필요한 최소전압(통상 수 볼트 수준)이 확보되지 못하므로 상기 트라이악(Triac)(2)은 턴오프 된다.

이후, 개폐기를 턴오프 시키기 위해서 구동코일(6)에 인가된 전압을 제거하면 개폐기 주접점(5)와 보조접점(4)의 가동전극 부분이 움직이기 시작하여 먼저 주접점(5)이 열리게 된다.

주접점(5)이 열리는 순간에 트라이악(Triac)(2)의 게이트에 다시 전류가 흐르게 되어 상기 트라이악(Triac)(2)이 턴온되어 부하전류를 감당하게되고, 상기 트라이악(Triac)(2) 양단의 전압강하는 수볼트이하 이므로 아크 발생이 억제된다.

일정 시간후에 보조접점(4)이 닫히게 되면 상기 트라이악(Triac)(2)의 게이트(G)와 캐소드(K)는 다시 단락된 상태이므로 게이트(G)에 흐르는 전류는 영이되므로 상기 트라이악(Triac)(2)에 흐르던 전류의 극성이 바뀌어서 상기 트라이악(Triac)(2)이 꺼질때까지 부하전류는 계속 상기 트라이악(Triac)(2)을 통해 흐르다가 흐르지 않게 된다.

그러나, 도 1의 하이브리드(Hybrid) 개폐기는 교류전원(1)이 교류인 경우에만 적용이 가능하고 만약에 전원이 직류이면, 반도체 스위치 소자인 트라이악(Triac)(2)을 소호(Turn-off)시킬 방법이 없기 때문에 도 2와 같이 전력용 반도체 스위치를 강제 소호 능력이 있는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)나 모스전계효과 트랜지스터(MOSFET), BJT와 같은 소자로 바꾸어서 사용해야 한다.

도 2는 종래의 교류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기에서 반도체 스위치 트라이악(Triac) 대신에 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용한 경우로서, 이에 도시한 바와같이 직류 전원(13)이 기계적 주접점(14)을 통해서 부하(12)에 연결되거나 분리된다.

반도체 스위치부(11)는 주접점(14)에 병렬로 연결되고, 다이오드(Df)의 한쪽 끝은 부하(12)와 직류 전압(13)의 음의 단자에 연결된 구조를 하고 있다.

상기 반도체 스위치부(11)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 스위치(Q_A), 프리휠링(Free wheeling) 다이오드(Df), 스너버(Snubber) 다이오드(D_s1), 스너버 커패시터(C_s1), 스너버 저항(Rs1) 등으로 도 2와 같이 구성되어 있다.

종래의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 기본 동작은 도 1의 교류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기와 유사하며, 기본동작에 대한 설명은 접촉기 주접점(14)이 닫힌 상태에서 열린 상태로 변화는 과정 위주로 설명하기로 한다. 왜냐하면 주 접점(14)이 열린상태에서 닫힌 상태로 바뀔때에 기계적 특성상 약간의 채터링(Chattering) 현상이 발생하여 아크가 발생하지만 그 크기가 크지 않으므로 이 구간에서는 반도체 스위치(Q_A)를 턴오프시켜 놓아도 되기 때문이다. 또 이와 같이 상기 반도체 스위치(Q_A)를 제어하는 이유는 만일에 부하가 커패시터인 경우에는 스위치가 켜질때에 큰 돌입 전류가 발생하게 되고, 이러한 경우에는 상기 반도체 스위치(Q_A)소자가 부담해야 할 전류값이 너무 커지게 되므로 제품의 원가가 많이 상승하게 되기 때문이다.

먼저, 도 2의 접촉기 주접점(14)이 열려있는 상태에서는 반도체 스위치(QA)도 꺼진 상태이므로 직류전원(13)과 부하(12)는 스너버 회로(D_s1, R_s1, C_s1)를 통해서연결되어 있는 형태이다. 따라서 접촉기를 턴온시키기 위해 코일(19)에 전압을 인가하면 되고, 이때 반도체 스위치(Q_A)는 턴오프 신호를 인가한 상태를 유지한다.

턴온된 접촉기를 턴오프 시키기 위해서는 먼저 기계식 접촉기와 병렬로 연결된 반도체 스위치(Q_A)를 먼저 턴온 시킨후, 코일(19)에 인가된 전압을 제거하게 되면, 주접점(14)을 통해서 흐르던 전류는 반도체 스위치(Q_A)를 통해서 흐르게 되고, 턴온된 반도체 스위치(Q_A) 양단에 걸리는 전압은 2V에서 3V에 불과하기 때문에 주접점(14)에는 아크가 전혀 발생되지 않고 주접점이 열릴 수 있게 되며, 일정 시간이 경과한 후에 반도체 스위치(Q_A)의 게이트에 인가된 구동신호를 제거하게 되면 부하(12)를 통해서 흐르던 전류는 다이오드(Df)와 저항(R_S1)을 통해서 흐르다가 흐르지않게되고, 직류 전원측의 기생 인덕턴스(Lw)에 저장되어 있던 에너지는 커패시터(Cs1)에 흡수되면서 반도체 스위치(Q_A)를 통해서 흐르던 전류가 흐르지 않게되면 접촉기의 턴오프 과정이 종료되게 된다.

이러한, 종래 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 문제점은 반도체 스위치(QA)와 주접점(14)가 모두 턴오프 되어 있을때에 발생한다. 이 상태에서 커패시터(Cs1)는 직류전원(13)의 전압과 거의 동일한 크기의 전압으로 충전이 된 상태를 유지하거나 직류 전원(13)의 전압 변동이 없는한(특히 전압이 증가되는 경우) 오프상태를 유지하게 된다.

그러나, 실제 스너버 방전저항(Rs)으로 인하여 커패시터(Cs1)는 방전하기 때문에 그 커패시터(Cs1) 전압은 시간이 지남에 따라서 줄어들게 되고, 상기 커패시터(Cs1) 양단의 전압이 직류전원(13) 전압보다 작아지게 되면, 그 직류전원(13)에서 다이오드(Ds1), 커패시터(Cs1) 및 저항(Rs1)을 통해서 부하에 전류가 흐르게 된다. 이때 흐르는 전류값은 저항(Rs1)값이 작으면 크게 되고, 크면 작은 전류가 흐르게 된다. 만약, 접촉기의 턴온/턴오프 과정이 빈번하게 발생되지 않는다면 저항(Rs1)값을 충분히 크게 함으로써 이 누설 전류값을 줄일 수 있게 된다.

그러나, 이 스너버 회로는 반도체 스위치(Q_A)가 꺼질때에 스위치 양단에 걸리는 스파이크 전압을 억제하는 것이 목적이므로, 저항(R_s1)을 너무 크게 할수도 없기 때문에 누설전류 현상은 피할수 없게 된다. 만약, 이 누설 전류를 제거 하려면 커패시터(C_s1) 양단 전압의 크기와 직류 전원(13) 전압의 크기를 비교하여 커패시터 전압이 전원전압의 크기와 비슷해지게 되면 커패시터(C_s1)가 방전을 중지하도록 하는 추가 스위치를 부착하면 가능해 진다.

그러나, 상기 추가 스위치를 부착한다 하더라도 전원 전압(13)의 크기가 시간에 따라서 변화하는 경우에는 누설 전류를 근본적으로 피할수 없게되며, 직류전원이 축전지라면 이 누설전류로 인하여 축전지가 지속적으로 방전이 되는 문제가 발생하고, 또 직류전원(13)의 전압이 100V 이상이 되면 이 누설전류로 인하여 부하단에서의 감전 사고의 위험성이 존재하게 된다.

또한 종래의 방식은 개폐기에 연결된 전원의 극성이 바뀌거나 전원측과 부하측의 연결이 바뀌게 되면 전혀 동작을 하지 않게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 첫째로 종래 방식의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기에 사용된 반도체 스위칭 소자를 과전압으로부터 보호하기 위해 사용된 스너버 회로의 주요 단점이었던 누설 전류의 크기를 크게 줄임으로써(1~2 uA 수준) 실용상으로 문제가 없도록 하는 것이고, 둘째는 직류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기의 전원단과 부하단이 바뀌게 연결되거나 전류가 흐르는 방향이 바뀔 때에도 제대로 동작되는 새로운 방식의 직류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기를 제안하며, 셋째는 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기에 연결되는 전원의 극성이 바뀌거나 또는 교류 전원이 인가 되어도 제대로 동작될 수 있도록 한 하이브리드 직류 전자 접촉기를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 교류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기에 대한 구성을 보인 회로도.

도 2는 종래의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기에 대한 구성을 보인 회로도.

도 3은 본 발명 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기에 대한 구성을 보인 회로도.

도 4의 (a)~(h)는 도 3의 본 발명 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기 동작을 보인 파형도.

도 5는 본 발명의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 다른 일실시예를 보인 회로도.

도 6은 본 발명의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 또다른 일실시예를 보인 회로도.

도 7은 본 발명의 도 5와, 도 6에서 사용하고 양방향 반도체 스위치에 대한 다른 실시예를 보인 회로도.

도 8은 종래의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기에 본 발명 반도체 스위치부를 장착한 하이브리드 접촉기를 보인 예시도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

20, 30, 40: 전원단 21: 반도체 스위치부

21a, 31a, 47: 스너버회로 21b: 방전전류 제거부

22, 32, 42: 부하단 23: 직류 전원

24, 34, 44: 주접점 25: 제1 반도체 스위치

26, 37, 48: 구동코일 27: 제2 반도체 스위치

31b, 31c: 클램프 회로 35, 36, 45, 46: 양방향 교류스위치

38: 제3 반도체 스위치 47: 스너버회로겸 방전전류 제거부

47a, 47b: 브리지 다이오드 38, 49: 반도체 스위치

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

일정 전원전압을 공급하는 전원부와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기와;

게이트신호에 의해 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 스위치와;

상기 스위치의 턴오프시의 스위치 양단전압을 충전한후, 그 충전된 전압이 일정전압 이상이면 통전되어 방전하는 스너버회로와;

상기 스위치의 턴오프시 부하의 방전 전류의 경로를 제공하여 방전전류를 제거하는 방전전류 제거부로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명 직류용 하이브리드 접촉기에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시된 바와 같이

일정 전원전압을 공급하는 전원부(20)와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기(24)와;

게이트신호에 의해 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 스위치(25)와;

상기 스위치(25)의 턴오프시의 스위치(25) 양단전압을 충전한후, 그 충전된 전압이 일정전압 이상이면 통전되어 방전하는 스너버회로(21a)와;

상기 스위치의 턴오프시 부하의 방전 전류의 경로를 제공하여 방전전류를 제거하는 방전전류 제거부(21b)로 구성된 것으로, 이와 같은 구성된 상기 본 발명의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기는 도 4를 참고로 하여 동작 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 직류 전원(23)과 부하단(22) 사이에 개폐기의 주접점(24)이 연결된 기본 구조에, 주접점(24)과 병렬로 제1 반도체 스위치(25)가 연결되어있고, 전원단(20)과 제1 반도체 스위치(25)의 연결점과 그 전원단(20)의 음의 단자 사이에 제1 다이오드(Ds)와 커패시터(Cs)가 직렬로 연결된 과전압 방지용 스너버(Snubber)가 있고, 상기 커패시터(Cs) 전압이 기준값을 초과하면 제2 반도체 스위치(27)와 저항(Rs)을 통해서 자동으로 방전 시키는 회로(R1, R2, R3, Dz, Qs)가 커패시터(Cs) 양단에 연결되어 있으며, 제1 반도체 스위치(25)가 턴오프 될때에 부하전류(IRo)를 우회시키는 다이오드(Df)와 저항(Rf)의 방전전류 제거부(21b)가 부하단(22) 양단자에 연결된 형태로 되어 있다.

이러한, 본 발명 하이브리드 직류 전자 접촉기는 시점 t=t0에서 제3도의 구동코일(26)에 제4도의 (a)처럼 전압이 인가되면 일정한 시간지연(to) 이 경과한 후에 도 4의 (b)처럼, 주 접점(24)이 연결되게 된다. 이때에 제1 반도체 스위치(25)에는 도 4의 (c)처럼 턴오프 신호를 유지시킨다.

도 4의 (d)파형처럼 t=t1시점에서 주접점(24)을 통해서 흐르는 전류는 일정 기울기를 가지고 증가하다가 선로저항과 부하 저항 및 직류전압에 의해서 결정된 전류값을 유지하게 된다.

시간 t=t2에서 도 4의 (a)처럼 구동코일(26) 인가 전압을 제거 하게 되면 일정한 시간(t1)이 경과한 후에 주접점(24)이 개방되게 된다.

또한 시간 t=t2에서 도 4의 (c)처럼 제1 반도체 스위치(25)에는 턴온 신호를 인가 시키게 된다. 시간 t=t3에서 주접점 (24)이 실제로 개방되면 주접점(24)를 통해서 흐르던 전류는 도 4의 (d)처럼 전류가 흐르지 않게되고, 제1 반도체 스위치(QA)는 도 4의 (f)처럼 부하전류가 흐르게 된다. 이처럼 제1 반도체 스위치(QA)를 통해서 전류가 흐르는 시간(t3)의 길이는 외부에서 제어가 가능하지만 제어의 간단화를 위해서 주접점(24)이 개방되는데까지 걸리는 시간(t1)의 1/3 ~ 1/2 정도로 고정 시켜도 실용상으로 충분하다.

시간 t=t4에서 반도체 제1 반도체 스위치(QA)가 턴오프되면, 기생인덕턴스(Lw)를 통해서 흐르던 전류는 다이오드(Ds)와 커패시터(Cs)로 구성된 스너버 회로로 계속 흐르게 된다.

이때, 상기 기생 인덕턴스(Lw)와 커패시터(Cs)에 흐르는 전류는 도 4의 (g)와 같이 공진 전류 형태를 가지게 되며, 상기 커패시터(Cs) 양단의 전압은 도 4의 (h)와 같이 초기값(VCs0)에서 증가하다가 저항(R1, R2)과 제너다이오드(Dz)에 의해서 결정된 전압 레벨이 되면 제2 반도체 스위치(27)와 저항(Rs)를 통해서 상기 초기값(VCs0) 근처까지 방전하게 된다.

만약, 방전 종지전압을 직류전원(23)의 전압보다 낮게 설정해 놓으면, 커패시터(Cs)의 방전이 끝난후 다시 직류전압(23)의 크기까지 자동으로 충전이 되므로 항상 동일한 클램프(Clamp) 전압을 유지 시킬수 있게된다.

한편, 부하단(22)에 흐르던 전류는 도 4의 (f)에서 처럼 저항(Rf)과 다이오드(Df)를 통해서 흐르다가 시간 t=t4일때 부하의 인덕턴스(Lo)에 저장된 에너지는 저항(Ro, Rf)에 의해서 소비되며 최종적으로 전류가 영이 되게 된다.

도 4의 (f)에서 파형 P는 저항값이 작아서 다이오드(Df)와 저항(Rf)을 통해서만 방전하는 경우이고, 파형 Q는 부하 저항값이 충분히 커서 부하저항(Ro)에서 부하의 인덕턴스(Lo)에 저장된 에너지가 소비 되는 경우를 보여주고 있다.

도 3과 도 4에서 알수가 있듯이 본 발명의 특징은 주접점(24) 과 제1 반도체 스위치(25)가 모두 턴오프 되어 있을때에 전원단(20)과 부하단(22)사이에는 턴오프 되어 있는 제1 반도체 스위치(25)만 존재 하기 때문에 도 2와 같은 종래 방식에서 문제가 되었던 스너버 회로를 통해서 발생했던 누설 전류 문제가 전혀 발생하지 않으며, 직류 전원의 전압 크기가 변화 하더라도 마찬 가지로 누설 전류가 없음을 알수가 있다.

단지 반도체 스위치가 이상적인 절연 특성을 갖는 소자가 아니기 때문에 반도체 스위칭 소자를 통해서 흐르는 누설전류(통상 수uA 수준임)만 흐름을 알수가 있는데, 실제 적용시에는 이정도의 누설 전류는 문제가 되지 않는다.

이와 같은 특성을 얻을수 있게 된 것은 반도체 스위치 양단에는 스너버 회로를 사용하지 않고 전원단(20)과 부하단(22)에 각각 적절한 클램프(Clamp)회로를 사용 하였기 때문이다. 뿐만 아니라 전력용 반도체가 턴오프 될때의 과전압을 억제하는 스너버 커패시터(Cs)에 축적되는 에너지를 제2 반도체 스위치(27)와 저항(Rs)을 통해서 자동으로 방전 시킴으로써, 일정 전압을 유지 시킴을 알수가 있다.

커패시터(Cs) 양단의 전압은 분압 저항(R1, R2)을 통해서 제너 다이오드(Dz)에 연결되어 있으므로, 상기 커패시터(Cs)의 전압이 상기 제너 다이오드(Dz)를 통전 시킬만한 전압에 도달하게 되면, 제2 반도체 스위치(27)를 턴온 시켜 상기 커패시터(Cs)에 충전된 에너지를 저항(Rs)을 통해서 자동으로 방전 시키게 된다.

한편, 본 발명의 구성에 있어서, 접촉기 주접점(24)과 병렬로 연결된 제1 반도체 스위치(QA)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로 국한 된것이 아니고, BJT, GTO, IGCT, RCT등 모든 형태의 반도체 소자를 포함하며, 직류 접촉기는 통상 주접점이 1개만 존재하므로 접점이 한 개인 경우로 본 발명의 구성에 따른 동작을 한정시켰으나 접점이 여러 개 있는 경우에도 동일하게 적용된다.

도 5는 본 발명의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 다른 일실시예를 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이 일정 전원전압(VDC)을 공급하는 전원부(30)와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기(34)와;

게이트신호에 의해 상기 전원전압의 극성에 관계없이 공급경로를 양방향으로 제공하는 스위치(35, 36)와;

상기 개폐기(34)와 스위치(35, 36)가 턴오프시 상기 전원전압(VDC)을 인가받아 충전된 전압이 일정전압이상이 되면 통전되어 자동으로 방전하여 일정전압을 유지시키는 스너버회로(31a)와;

상기 스위치의 턴오프시 상기 극성에 관계없는 전원전압을 충전한 부하의 방전 전류의 경로를 제공하여 방전전류를 제거하는 제1, 제2 방전전류 제거부(31b, 31c)로 구성된 것으로, 도 3의 발명과 다른점은 접촉기의 입력과 출력이 바뀌어서 연결 되거나 또는 흐르는 부하 전류의 극성이 바뀌어도 정상적으로 동작 될수 있도록 주접점(34)과 병렬로 연결되는 반도체 스위치를 양방향 교류 스위치(35, 36)로 대치 시켰고, 클램프 회로(31b, 31c)를 전원단(30) 양단과 부하단(32) 양단 두곳에 모두 설치하였고, 스너버 회로(31a)도 전원측(30)과 부하측(32)에서 각각 다이오드(Ds1,Ds2)를 통해서 커패시터(Cs)에 연결되게 구성하였다.

만약, 도 5에서 직류 전원(VDC)이 부하단(32)에 연결되고, 부하단(32)이 전원단(30)에 연결 되었다고 가정하면, 스너버 회로(31a)는 다이오드(Ds2)와 커패시터(Cs)로 구성되며, 부하측 프리 휠링 경로(Free Wheeling Path)는 다이오드(Df1)와 저항(Rf1)이 되며, 통전되는 양방향 교류스위치(35, 36)중 전력용 반도체는 스위치(QB)와 다이오드(DA)가 그 역할을 담당하게 된다.

도 6은 본 발명의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 또다른 일실시예를 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이

교류 또는 직류의 일정 전원전압(VDC)을 공급하는 전원부(40)와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압(VDC) 공급경로를 제공하는 개폐기(44)와;

게이트신호에 의해 상기 전원부(40)의 극성에 관계없이 공급경로를 양방향으로 제공하는 스위치(45, 46)와;

상기 개폐기(44)와 스위치(45, 46)가 턴오프시 상기 전원부(40)의 교류 또는 직류에 관계없이 상기 전원부(40)의 전원전압을 인가받아 충전된 부하의 방전 전류의 경로를 제공함과 아울러, 일정전압이상이 되면 통전되어 자동으로 방전하여 일정전압을 유지시키는 스너버회로겸 방전전류 제거부(47)로 구성된 것으로, 도 3의 일실시예와 다른점은 접촉기의 입력과 출력이 바뀌어서 연결 되거나 또는 흐르는 부하 전류의 극성이 바뀌어도 정상적으로 동작됨은 물론이고, 직류 전원(VDC)의 극성이 바뀌어서 연결되거나 더 나아가서는 직류대신 교류 전원이 전원단(40)이나 부하단(42)에 연결 되어도 정상적으로 동작되는 형태로서, 주접점(44)과 병렬로 연결되는 반도체 스위치를 양방향 교류 스위치(45, 46)로 대치 시켰고, 스너버 및 클램프 회로도 도 6에 도시된 바와 같이 브리지다이오드(47a, 47b)로 대치하였다.

이 방식은 종래의 교류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기와 동일한 기능을 수행하며, 직류 전류의 흐름도 마찬 가지로 차단할 수가 있기 때문에 가장 광범위한 동작 특성을 갖는다.

먼저, 전원측(40) 양단자에 브리지 다이오드 형태의 클램프 회로(D1, D2, D3, D4, Cs)가 스너버(Snubber) 기능까지 겸하고 있음을 알수가 있다. 또한 부하단(42)에도 동일한 형태의 클램프 회로(D5, D6, D7, D8, Cs)가 있어서 동일한 기능을 수행하게 된다. 제 6도의 경우처럼 직류 전원과 저항, 인덕턴스 부하인 경우에는 전원단(40)의 스너버 회로(47)는 2개의 다이오드(D1, D4)와 커패시터(Cs)가 도 3의 스너버 다이오드(Ds)와 커패시터(Cs) 기능을 대신하게 되며, 부하단(42)의 2개의 다이오드(D6, D7)와 커패시터(Cs)가 도 3의 클램프 회로(Df, Rf) 기능을 대신하게 된다.

도 7은 본 발명의 도 5와, 도 6에서 사용하고 양방향 반도체 스위치에 대한 다른 실시예를 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이 도 7의 (a)는 다이오드의 브리지 결선안에 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용한 형태이고, 도 7의 (b)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 직렬로 역방향 차단 다이오드(Dx, Dy)를 연결한 형태이다.

모두 동일한 기능을 수행하며 본 발명에서는 편의상 도 5와 도 6에 있는 형태의 양방향 반도체 스위칭 형상을 사용 하였다.

도 8은 종래의 전자식 개폐기의 구조에서 아크 소호부(61)를 제거하고, 그자리에 도 3의 반도체 스위치부(21) 혹은 도 5의 반도체 스위치부(31) 혹은 도 6의 반도체 스위치부(41), 주접점(62), 보조접점(63), 구동코일(64) 모듈 형태로 제작하여 기존의 교류용 전자식 개폐기 제품에 장착함으로써, 본 발명의 직류 전원용 접촉기의 크기가 동일 전류용량의 기존의 전자식 개폐기와 크기가 같거나 높이를 줄인 형태의 개폐기 형상을 보인 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 첫째로 주접점과 반도체 스위치가 모두 오프되어 있을 때에 누설전류의 크기를 극소화 시켜 실용상 문제가 없도록 하는 것이 가장 큰 효과이며, 기본 개념을 확장 시켰을 때에 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기의 전원단과 부하단이 바뀌게 연결되거나 전류가 흐르는 방향이 바뀔 때에도, 또한 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기에 연결되는 전원의 극성이 바뀌거나 또는 교류 전원이 인가 되어도 제대로 동작되는 직류형 하이브리드(Hybrid) 개폐기를 얻을수 있다.

또한, 본 발명의 직류용 하이브리드(Hybrid) 접촉기를 종래의 교류용 전자식 개폐기에 적용시키게 되면, 교류용 전자식 개폐기의 아크 소호부를 반도체 스위치부로 바꿀수 있게 되어 직류용 하이브리드(Hybrid) 개폐기의 제품의 크기를 크게 줄일 수 있게 되고, 또한 교류용 전자식 개폐기가 직류용 전자 개폐기를 대치할수 있게 하는 장점을 갖게 된다.

Claims

일정 전원전압을 공급하는 전원부와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기와;

게이트신호에 의해 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 스위치와;

상기 스위치의 턴오프시의 스위치 양단전압을 충전한후, 그 충전된 전압이 일정전압 이상이면 통전되어 방전하는 스너버회로와;

상기 스위치의 턴오프시 부하의 방전 전류의 경로를 제공하여 방전전류를 제거하는 방전전류 제거부로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제1 항에 있어서, 상기 스너버회로는 다이오드의 캐소드측과 커패시터가 직렬연결된 접점에서 분기하여 직렬연결된 제1, 제2 저항을 접속하고, 그 제1, 제2 저항의 접점과 제너다이오드의 캐소드측을 연결하며, 트랜지스터의 베이스와 연결된 제3 저항이 병렬연결되게 상기 제너다이오드의 애노드와 연결하고, 상기 트랜지스터의 컬렉터와 상기 제1 저항을 접속하고, 상기 트랜지스터의 이미터와 제4 저항을 직렬연결되게 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
일정 전원전압을 공급하는 전원부와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기와;

게이트신호에 의해 상기 전원전압의 극성에 관계없이 공급경로를 양방향으로 제공하는 스위치와;

상기 개폐기와 스위치가 턴오프시 상기 전원전압을 인가받아 충전된 전압이 일정전압이상이 되면 통전되어 자동으로 방전하여 일정전압을 유지시키는 스너버회로와;

상기 스위치의 턴오프시 상기 극성에 관계없는 전원전압을 충전한 부하의 방전 전류의 경로를 제공하여 방전전류를 제거하는 제1, 제2 방전전류 제거부로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제3 항에 있어서, 상기 스너버회로는 제1 다이오드의 캐소드와 제2 다이오드의 캐소드를 직렬접속하고, 그 접속점에 커패시터를 접속하며, 그 접속점에 직렬연결된 제1, 제2 저항을 접속하고, 그 제1, 제2 저항의 접점과 제너다이오드의 캐소드측을 연결하며, 다이오드에 역병렬 연결된 트랜지스터의 베이스와 연결된 제3 저항이 병렬연결되게 상기 제너다이오드의 애노드와 연결하고, 상기 스위칭 소자의 컬렉터와 상기 제1 저항을 접속하고, 그 스위치의 이미터와 제4 저항을 직렬연결되게 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
교류 또는 직류의 일정 전원전압을 공급하는 전원부와;

구동코일의 전압 인가여부에 따라 스위칭되어 상기 전원전압 공급경로를 제공하는 개폐기와;

게이트신호에 의해 상기 전원부의 극성에 관계없이 공급경로를 양방향으로 제공하는 스위치와;

상기 개폐기와 스위치가 턴오프시 상기 전원부의 교류 또는 직류에 관계없이 상기 전원부의 전원전압을 인가받아 충전된 부하의 방전 전류의 경로를 제공함과 아울러, 일정전압이상이 되면 통전되어 자동으로 방전하여 일정전압을 유지시키는 스너버회로겸 방전전류 제거부로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 스위치는 제1, 제2 스위칭 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제6 항에 있어서, 상기 스위치의 제1 스위칭 소자는 제1 트랜지스터에 제1 다이오드를 역병렬접속하고, 제2 스위칭소자는 상기 제1 스위칭소자와 역방향으로 제2 트랜지스터에 역병렬접속된 제2 다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 스위치는 제1 다이오드의 애노드와 제2 다이오드의 캐소드를 직렬접속하고, 제3 다이오드의 애노드와 제4 다이오드의 캐소드를 직렬접속하고, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 제3 다이오드의 캐소드를 접속함과 아울러, 역병렬접속된 다이오드와 트랜지스터의 컬렉터를 병렬접속하며, 그 트랜지스터의 이미터를 상기 제2 다이오드의 애노드와 제4 다이오드의 애노드의 접속점에 병렬접속되게 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제3 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 스위치는 제1 트랜지스터와 역병렬접속된 다이오드의 제1 스위칭소자와 순방향으로 제1 다이오드를 접속하고, 제2 트랜지스터와 역병렬접속된 다이오드의 제2 스위칭소자와 순방향으로 제2 다이오드를 접속하며, 상기 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자를 접속하고, 상기 제1, 제2 다이오드를 직렬접속하여 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.
제5 항에 있어서, 상기 스너버회로겸 방전전류 제거부는 제1 브리지 다이오드와 커패시터를 직렬하고, 그 커피시터와 병렬로 직렬연결된 제1, 제2 저항을 접속하고, 그 제1 저항의 일측을 트랜지스터에 다이오드를 역병렬접속한 접점에 접속하고, 상기 제1 저항의 다른 일측과 상기 트랜지스터의 베이스에 직렬접속된 제3 저항을 병렬접속되게 제너다이오드의 애노드와 접속하며, 상기 트랜지스터의 이미터에 제2 브리지 다이오드의 일측과 접속된 제4 저항을 직렬접속하고, 상기 제2 브리지 다이오드의 다른 일측은 상기 제1 저항과 커패시터의 접속점과 접속하게 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 직류 전자 접촉기.