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KR20100040819A - 전류검출형 아크 제거기와 전류검출형 하이브리드 스위치 - Google Patents

전류검출형 아크 제거기와 전류검출형 하이브리드 스위치 Download PDF

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KR20100040819A
KR20100040819A KR1020100020596A KR20100020596A KR20100040819A KR 20100040819 A KR20100040819 A KR 20100040819A KR 1020100020596 A KR1020100020596 A KR 1020100020596A KR 20100020596 A KR20100020596 A KR 20100020596A KR 20100040819 A KR20100040819 A KR 20100040819A
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electrical
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Withdrawn
Application number
KR1020100020596A
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Inventor
허진
Original Assignee
허진
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Publication date
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Abstract

릴레이 또는 차단기와 전기적 병렬 연결하여, 상기 릴레이의 접촉들 사이에 발생하는 전류를 검출하여 다양한 환경에서 다양한 릴레이에 적용 가능한 아크를 제거하는 방법과 이 방법을 구현한 전류검출형 아크 제거기를 제공하고, 전류검출형 아크 제거기에 사용된 방법을 포함하는 전류검출형 하이브리드 스위치를 제공한다.

Description

전류검출형 아크 제거기와 전류검출형 하이브리드 스위치{An arc remover with a current sensor and a hybrid switch with a current sensor}
본 발명은 고전압 고전류 접촉 릴레이 및 차단기의 아크 제어 기술에 관련된 것이다.
본 발명은 릴레이, 접촉기(접촉 릴레이), 반도체 릴레이, 차단기와 관련 있다. 통상 릴레이는 신호 및 전력을 개폐한다. 접촉기는 모터, 전열기, 전구를 구동하는데 사용 되는 매우 큰 용량의 릴레이이다. 15A 이상 또는 수천와트 이상 용량을 갖는 장치들이 접촉기라 불리운다. 추가적인 선택 부가적인 저전류 접촉기들을 제외하고는 거의 배타적으로 통상 열린 접촉기로 제작된다. 릴레이들과는 달리 접촉기들은 대용량 모터 전류를 차단할 때 발생하는 아크를 억제하고 제어하는 기능을 가지고 설계된다. 차단시 피할 수 없는 아크는 접촉들의 산화를 초래하는데, 고전류 접촉들을 은합금(AgSnO2, AgCdO2)으로 제조된다. 은합금의 산화물은 여전히 좋은 도체이기 때문이다. 접촉기의 물리적 크기는 한손으로 들 수 있는 소형 크기부터 옆으로 대략 1 미터에 이르는 대형 크기에 이른다.
아크의 물리적 현상을 설명하면 다음과 같다. 물체의 표면에 전하가 축적되면 주위의 매질 중에는 전기장이 생성되어 전기장 중의 다른 물체에 쿨롱 힘이 작용하고 어느 한계치에 이르게 되면 매질은 전기적 절연성을 읽고 도전성질을 띄게 된다. 방전이 발생하면 이에 따른 전자파의 방사, 소리, 빛 등이 발생한다. 방전 형태는 불꽃방전(spark discharge), 브러시 방전(brush discharge), 코로나 방전(corona discharge), 전파브러시방전(propagating brush discharge) 가 있다. 불꽃방전(spark discharge)은 균일한 전기장 내에서 매질의 완전한 절연 파괴로 충전되어 있던 에너지가 매우 빠르게 변환되는 방전이다. 브러시 방전(brush discharge) 불 균일한 전기장 네에서 부분적으로 절연내력을 넘는 부분에서 방전이 일어나는 방전이다. 코로나 방전(corona discharge)은 브러시 방전의 일종으로 더 극심한 불균일 전기장 안에서 매질이 국부적 절연이 깨지는 약한 방전이다. 전파브러시방전(propagating brush discharge)은 필름과 같은 얇은 절연물의 양 측면에 최대표면전하밀도의 수배 이상의 양 및 음 전하로 이루어진 전하 이중층에서 일어난다. 공기의 절연내력(dielectric strength)은 3kV/mm 정도로 표면전하밀도로 나타내면 2.7x10-2C/m2 정도이다. 정전기 방전은 대전체 표면의 전하 밀도가 10-6 정도 이상이면 발생한다. 실제로는 전극들의 기하학적 형상으로 인해 이보다 훨씬 낮은 파괴전압을 가지게 된다. 요약하면, 차단시 접촉들 간의 거리가 0에서부터 멀어지므로 접촉들간의 거리가 매우 가까울 때는 불꽃 방전이 일어나 매질의 전리에 의한 이온(ion)들과 전극의 입자들이 튀어 나온다. 예로서, 400V 배터리 전원을 차단시 접촉들의 간격이 2/15 mm 이내이면 불꽃 방전이 일어난다. 결국, 접촉들간의 거리가 멀어지더라도 매질에 전리에 의한 이온들을 통해 국부적인 절연 내력이 낮기 때문에 브러시 방전 형태를 유지할 수 있다. 따라서, 접촉들 사이의 거리가 멀어져 감에 따라 아크는 불꽃 방전으로 시작하여 브러시 또는 코로나 방전 형태로 유지될 수 있다.
이제, 기존 릴레이의 접촉 및 차단 과정에서 아크가 발생하는 원리를 도 1을 참고하여 살펴보면 다음과 같다. 도 1을 참고하여 접촉들이 서서히 접근할 때 스파크 방전이 시작되는 접촉들 사이의 거리를 d_spark라 하자. 접촉 과정에서 개폐 신호 기준 접촉들 사이의 거리 d가 d_spark가 되는 시간을 T_spark라 하고, 이격 과정에서 개폐 신호 기준 접촉들이 이격 되기 시작하는 시간을 T_move라 하고, T_move부터 멀어지기 시작한 접촉들 사이의 거리 d가 d_spark가 되는 시간을 T_open이라 하자. 즉, 이격을 위한 개폐 신호 기준 T_move부터 이동접촉이 이격 되기 시작하고,(T_move+T_close)에서 접촉들 사이의 거리 d가 d_spark 가 된다. 접촉 과정에서 T_arc 이후부터 접촉 상태가 될 때까지는 아크 방전이 존재할 수 있다. 이격 과정에서 이격 되는 순간 T_move에서는 접촉들간의 거리 d가 0에 가까워 스파크 방전이 일어난다. 이격 과정에서 시간이 흘러(T_move+Topen) 이후에는 접촉들간의 거리 d가 커서(d > d_spark) 스파크 방전이 일어나지 않는다. 그러나, 이전 스파크 방전에 의해 만들어진 이온들이 전극들 사이에 존재하므로 브러시 방전 또는 코로나 방전에 의한 아크가 존재할 수 있다.
대기 중의 아크는 고온에서 전리 상태의 기체이므로 아크 제어는 최종적으로는 냉각에 의해 전리상태로부터 절연체로 환원하게 되는 것이다. 이렇게 ion을 제거하는 것을 소호라 한다. 30V 이상의 전압에서는 1/100 mm 이내에서 방전이 시작되는데, 전극간의 이격 거리가 커짐에 따라 이온들이 전극에 의해 금방 냉각 소호되어 아크가 발생하기 어렵다. 그런데 접촉들 사이의 거리에 한계가 있는 접촉기에서 전압이 3kV 이상에서 전류가 수천 암페어 이상으로 되면 대기 중에서 소호 시키기에는 상당히 곤란하다. 따라서, 아크의 제어가 중요하다. 한편, 전류가 0점을 지나는 교류보다 직류에 의한 아크 소호가 어렵다. 현재 차단에 많이 사용하는 소호방법은, 아크에 의하여 발생한 가스를 이용하여 냉각하는 방법, 진공 상태에서 이온을 확장하는 방법, 이온을 어떤 방향으로 불어 날리는 방법, 소호실의 내압을 높게 하는 방법, 아크를 세분하는 방법, 자계의 아크 구동력을 이용하는 방법이 있다. 이 방법들은 어느 것이나 결과적으로는 차단시 극간의 급속한 절연내력의 회복을 합리적으로 상승시키도록 한 것이며, 실제 차단기 또는 접촉 릴레이에서는 하나의 방법뿐만 아니라 몇 가지 방법을 짜 맞추어 차단성능을 높이고 있다.
고전압 접촉기는 아크에 의한 접촉들의 산화를 방지하기 위해 진공 또는 불활성 가스가 접촉 전극들을 둘러싼다. 접촉들은 접촉기의 전류를 실어 나르는 부분이다. 이것은 전력 접촉들 그리고 접촉 스프링을 포함한다. 전자석은 접촉들을 접촉 시키는 구동력을 제공한다. 외부 시스템과 연결하기 위한 단자와 접촉들과의 연결 및 접촉들과 전자석 연결을 둘러 싸는 덮개가 있다. 덮개는 접촉들을 보호하고 절연하기 위해서 또 접촉들을 사람들이 건드리는 것을 방지하기 위해 Bakelite, Nylon 6, 및 thermosetting 플래스틱들로 만들어진다. 열린 덮개 접촉기들은 먼지, 기름, 폭발 위험 및 기후에 대해 보호하기 위해 추가적인 덮개를 갖을 수 있다.
가끔 접촉기가 닫힌 상태를 유지하는 필요한 전력을 줄이기 위한 절약 회로 역시 설치된다. 부가적인 접촉은 접촉기가 닫힌 후에 코일 전류를 줄인다. 접촉기를 초기에 닫는 것은 닫힌 상태를 유지하는 것 보다 상당히 많은 전력이 요구된다. 절약회로는 상당히 많은 전력을 절약할 수 있고 구동 코일을 차갑게 유지할 수 있다. 절약 회로들은 거의 항상 직접-전류 접촉기 코일들에 인가되고 큰 교류 전류 접촉기 코일들에 인가된다.
낮은 전압(600V 이하)들에서 동작하는 대부분의 모터 제어용 접촉기들은 공기 절연 접촉기들이다. 근대적인 중전압 모터 제어기들은 진공 접촉기들을 사용한다. 모터 제어 접촉기들은 단락 보호, 열교환 수단, 과부하 릴레이들 및 복합 시동기를 만들기 위해 이들을 장착하기 위한 기구물과 잘 맞아야 한다
차단시의 아크를 제어하기 위해 60년대에는 절연유를 매질로 하여 동작하는 차단기를 이용하였다. 일반적으로는 전류 차단시 발생하는 아크에 의해 주변의 절연유가 분해되어 수소, 아세칠렌, 메탄, 에탄 등의 가스가 발생된다. 이들 가스의 성분비율 중 50~70%가 수소인데, 수소 가스는 가벼워 4000°K 정도의 고온에서도 아주 열전도율이 높기 때문에 아크의 냉각효과가 크다.
자기적 소호는 자기장을 이용하여 아크를 길게 하고 아크를 소호실 안으로 이동시키기 위해 불어내기 코일을 이용하거나 영구자석을 이용한다. 소호실은 지르콘 분말재 등의 내아크성 절연 재료로 만들어지고 아크를 냉각 이온소멸을 행하여 전류차단을 한다. 현재의 자기차단기는 역 V자 홈을 가진 내열자기제의 소호판을 적당한 매수로 적층시켜 불어내기 코일과 자극을 설치하여 아크 전류를 불어내기 코일에 흐르게 하여 자계를 만들어 이 자계와 아크에 의한 전자력에 의해(이 경우 아크를 전류가 흐르는 도체로 간주하여 플레밍의 왼손법칙을 적용하면 아크의 운동방향을 알 수 있다) 아크를 소호실 안으로 불어 넣게 된다. 자기차단기의 경우에 내열자기의 소호판 표면에 고온 아크가 닿게 되어 열전도에 의해 냉각 消 ion 이 되는 것이다. 이러한 냉각 작용을 효과적으로 하기 위해서는 소호판의 재질이나 역V자형 홈의 형상, 불어내기 코일의 권수, 설치 위치 등을 고려하지 않으면 안 된다. 한편, 열전도율이 높은 수소를 충진하여 냉각 효과를 더 높이기도 한다. 아크 슈트의 소호원리는 상기와 같이 근본적으로는 냉각효과이지만 소호에 관련된 또 하나의 장점은 하나의 큰 아크를 작은 아크들로 나누어 가늘고 길게 늘어 뜨리는 한류효과이다.
진공차단기는 전로의 차단을 높은 진공 중에서 동작하는 차단기로서 높은 진공중의 절연내력은 상당히 높고 또한 금속증기나 전하 입자의 확산에 의한 소호작용이 현저하기 때문에 이러한 특징을 살려서 진공용기 내에서 전류의 개폐, 차단을 행하도록 한 것이다. 대기압의 상태로부터 차츰 압력을 내리면 당초에는 절연내력이 저하하지만 다시 압력을 내리면 절연내력은 상승한다. 10-3 Torr 이하의 진공상태에서는 전자의 자유행정이 수 미터에 달하게 되므로 이때 발생한 아크는 전자 충돌에 의하지 않고 음극에서 출발하는 중성의 금속증기원자, 양.음전하에 의한 아크이다. 진공밸브내의 아크 주(柱)의 호심(弧心)에 충만하여 있는 고기압의 아크 증기는 10-4 Torr 이하의 저기압의 관벽으로 급속히 확산된다. 진공차단기 개폐시 음극에서 공급되는 중성의 금속증기원자, 양이온 및 음이온 등의 양이 진공 중에서 확산되는 양보다 적으면 접점 사이의 아크가 유지되지 못하며, 수μs 이내에 완전히 소호되어 극간은 급격히 절연이 회복되어 차단이 완료 된다. 10-4 Torr 이하로 되면 압력에 관계없이 거의 일정한 절연내력(텅스텐 전극 사용시 100kV/mm)을 얻을 수 있으므로 이 진공영역을 사용하여 진공 차단기의 접점의 스트로크를 6~16㎜ 정도로 짧게 할 수 있다.
이 진공차단기의 특성은 소형으로서 무게가 가볍고 불연성 무소음으로서 수명이 길어서 차단기로서 기본적으로 필요한 고속도 고빈도 개폐기의 기능 및 차단성능이 우수하다.
진공차단기의 접촉자 모양은 소호를 용이하게 하기 위해 다양하게 연구되었는데, 접촉자에 비스듬한 홈이 난 구조는 전하의 이동 경로를 휘어지게 하여 소호를 용이하게 하기 위함이다. 이 결과 접촉자 표면의 국부가열 현상이 없어져 표면의 소모 상태가 균일하여 진다. 접촉자의 표면을 균일하게 유지하면 극간의 내전압 특성이 좋아져 접촉자 간의 간격을 작게 할 수 있다.
불활성 가스를 이용한 아크 제어에는 특이한 열화학적 특성 및 현저한 전기적 특성에 의하여 고유 아크 시정수가 공기에 비해 1/100 이하인 SF6 가스는 절연 및 소호성능이 우수하며 회복특성이 뛰어나기 때문에 사용된다. SF6 가스는 1 기압에서 89kV/cm 의 절연 내력을 가지고, 소호력은 공기의 100배정도로 SF6 가스차단기에는 발생한 플라즈마 공간에 가능한 다량의 신선한 SF6 가스 분자를 공급할 필요가 있으므로 노즐을 통하여 아크에 가스를 불어 넣기도 하고 또는 전자적으로 아크를 회전시켜서 아크를 신선한 가스분자 영역으로 유도하는 등의 방식을 취한다.
현재 초고압 송변전기기에 적용되고 있는 SF6가스는 초고압 기기의 절연매체로서 널리 사용되고 있으나 가격이 비싸고 저온 및 높은 압력에서 액화되기 쉬우며 대기 중으로 방출될 경우에는 온실효과를 야기 시키는 단점을 가지고 있다. 최근 환경에 대한 관심과 규제가 높아지면서 온실가스에 대한 규제로서 교토 의정서가 정식 발효됨에 따라 SF6가스는 금후 총량 제한에 의해 사용량이 규제 받을 가능성이 대단히 높다. 따라서 SF6 가스와 Air, N2, CO2, N2/O2 합성가스, He 등과 혼합된 절연매체들이 하나의 대안으로 연구되어 왔다. 이중 냉각 효과가 가장 뛰어난 것은 He이나 역시 가격이 높은 단점이 있다.
반도체 접촉 릴레이는 전기적 연결을 자주 스위칭 해야 하는 모터, 전열기, 전구를 구동하는데 사용되는 방열판을 포함한 대용량 반도체 스위치이다. 움직이는 부분이 없기 때문에 기계적 마모가 없고 스파크 없이 진동에 의한 전기적 접촉 진동이 없다. 기계적 릴레이와 비교하여, 반도체 스위치가 포화 상태에서 동작할 때, 반도체 접촉 릴레이는 1.5V 정도의 전압 강하를 초래한다. 이때 소모 전력은 전압강하 값과 도통 전류 값의 곱에 해당하는 열이 발생하므로 적절한 방열판을 장착해야 한다. 전류 용량에 비례하여 방열판이 커져야 하는 방열판은 대용량 반도체 접촉 릴레이를 작고 가볍게 제작 할 수 없도록 한다. 한편, 통상의 지능형 전력 반도체 스위치는 반도체 스위치에 흐르는 전체 전류에 비례하는 전기적 센서신호를 제공하는 전류센서 수단을 포함하고 있다. 다음은 기계적 릴레이 대비 반도체 릴레이의 장단점들을 정리한 것이다.
장점
1. 전기기계적 릴레이들에 비해 반도체 릴레이들은 빠르다; 그들의 스위칭 시간은 LED를 켜고 끄는데 필요한 마이크로 초에서 밀리초 수준의 시간에 의존한다.
2. 움직이는 부분이 없어 마모가 없다
3. 진동에 의한 부작용이 없어 깨끗하고 전기적 흔들림이 없는 동작을 한다
4. 스위칭할 때 아크 발생이 없어 전기적 노이즈가 극감된다.
5. 스위칭 할 때 스파크가 발생해서는 안 되는 폭발 환경에서 사용될 수 있다
6. 완전히 조용하게 동작 한다
7. 혹독한 진동에 계속 동작할 수 있다
단점들
1. 도통시 기계전자식 접촉 릴레이 비해 전압 강하가 크고 많은 열을 발생하여 큰 방열판을 필요로 한다.
2. 전기-기계적 접촉 릴레이들보다 고장 단락이 쉽다
3. 도전할 때 전기 노이즈가 증가한다
4. 전기적 차단시 낮은 저항과 역누설 전류(수준)가 있다
5. 일시적인 전압 때문에 오동작할 가능성이 있다
6. 고립된 반도체 게이트 구동 전원이 필요하다
한국 특허 출원된 기술(출원번호 102010002111)에 의하면 반도체 스위치와 릴레이의 장점만을 취하여 릴레이의 연결 및 차단시 발생할 수 있는 접촉들 사이의 아크를 제거할 수 있는 방법이 제공되었다. 이는 릴레이 접촉들 사이에서 아크 방전이 발생할 수 있는 시간 동안 릴레이와 병렬로 연결된 반도체 스위치를 순간적으로 닫어 아크를 제거한 것이다. 여기서 반도체 스위치에 순간적으로 흐르는 전류는 크지만 전류가 흐르는 시간을 작아 반도체의 발열이 극소화되어 방열판이 필요 없거나 매우 작아도 되는 것이 이 기술의 특징이다.
특허 출원 기술(출원번호 102010002111)에서는 차단시 반도체의 발열을 최소로 하기 위해서는 미리 측정된 T_open 및 T_close 값을 가지고 아크 제거기 및 하이브리드 스위치를 동작시켜야 한다. 따라서, 다양한 환경에서 사용되는 릴레이들에 같은 T_open, 및 T_close 값을 갖는 아크 제거기들을 사용하면 차단시 반도체의 발열을 최소로 하기 어려운 단점이 있다. 본 발명에서는 접촉들의 특성 값들 T_open, 및 T_close 을 미리 측정하지 않아도 다양한 환경에서 임의의 릴레이들에 사용 가능한 아크 제거기와 다양한 환경에서 사용 가능한 하이브리드 스위치를 제공함을 목표로 한다.
도 1을 참고하여 접촉들이 서서히 접근할 때 스파크 방전이 시작되는 접촉들 사이의 거리를 d_spark라 하자. 접촉 과정에서 개폐 신호 기준 접촉들 사이의 거리 d가 d_spark가 되는 시간을 T_spark라 하고, 이격 과정에서 개폐 신호 기준 접촉들이 이격 되기 시작하는 시간을 T_move라 하고, T_move부터 멀어지기 시작한 접촉들 사이의 거리 d가 d_spark가 되는 시간을 T_open이라 하자. 즉, 이격을 위한 개폐 신호 기준 T_move부터 이동접촉이 이격 되기 시작하고,(T_move+T_close)에서 접촉들 사이의 거리 d가 d_spark 가 된다. 접촉 과정에서 T_arc 이후부터 접촉 상태가 될 때까지는 아크 방전이 존재할 수 있다. 이격 과정에서 이격 되는 순간 T_move에서는 접촉들간의 거리 d가 0에 가까워 스파크 방전이 일어난다. 이격 과정에서 시간이 흘러(T_move+Topen) 이후에는 접촉들간의 거리 d가 커서(d > d_spark) 스파크 방전이 일어나지 않는다. 그러나, 이전 스파크 방전에 의해 만들어진 이온들이 전극들 사이에 존재하므로 브러시 방전 또는 코로나 방전에 의한 아크가 존재할 수 있다.
과제 해결의 핵심은 특허 출원 기술(출원번호 102010002111)에서(T_move + T_open) 및(T_move + T_open + Tclose)에 해당하는 시각들을 다양한 환경에 자동 적응하여 검출하고, 접촉들과 전기적 병렬로 연결되는 반도체 스위치를 동작시켜 아크를 제거하는 것이 핵심이다.
이를 위한 본 발명에 의한 릴레이 전류 검출형 아크 제거기의 구성 원리를 도 2를 참고하여 설명하면 다음과 같다. 릴레이 전류 검출형 아크 제거기는 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과; 릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와; 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와; 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와; 릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와; 상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와; 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 릴레이 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들은 릴레이 구동 단자들에 연결되고; 반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 11, 20, 30, 40, 50, 51, 52)과 시스템으로서의 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 한다. 여기서, 릴레이는 개념적인 구성요소들 고정접촉(70), 이동접촉(80), 이동 접촉 구동 장치(90), 릴레이 구성 요소들을 기구적으로 연결하는 릴레이 프레임(100) 으로 구성된다고 가정하였다. 접촉 전류 검출을 위한 접촉 전류 센서(40)는 전류가 흐르는 도체 주변에 생성되는 자기장을 측정한다. 교류의 경우에는 페라이트 요크(york)에 유도되는 자속의 변화에 비례하는 전압을 측정하기도 하지만, 직류의 경우 자속의 변화가 없어 효용성이 떨어진다. 자기장의 세기를 직접 측정하는 센서로는 자기장의 값에 따라 저항 값이 1~3% 변화하는 자기저항(magneto-resistance)를 이용한 통상의 홀센서(Hall sensor)와 저항 값의 변화가 커서 하드디스크 헤드에 이용되는 거대자기저항(giant magneto-resistance) 자성 구조의 센서가 있다.
본 발명에 의한 릴레이 접촉 전류 검출형 아크 제거기의 동작 원리를 도 3을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
이제, 접촉 전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고 개폐 신호의 변화 시점부터 Ton(=T_arc) 이후에 상기 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 개폐 신호의 변화 시점부터 Toff(=T_move+Topen+T_close) 이후에 상기 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하는 반도체 스위치 구동부(50)를 고려하자. Ton=T_arc로 하고 Toff=T_move+Topen 이다. 초기에 개폐 신호가 0에서 1로 변화할 때, 접촉이 접근함에 따라 개폐 신호 변화 시점부터 T_arc 경과 후, 아크가 발생하여 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 양의 값을 가지면 반도체 스위치(30)가 닫혀 아크를 제거한다. 아크가 제거된 시점에서 접촉들이 접촉된 상태이면 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 양의 값을 갖으므로 반도체 스위치(30)는 닫힌 상태를 유지한다. 그러나, 개폐 신호가 0에서 1로 변화한 후, 아크가 제거된 시점에서 접촉들이 접촉 상태가 아니라 여전히 접근 중이면 다시 아크가 발생한다. 따라서, 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 양의 값을 가지므로 반도체 스위치(30)가 다시 닫혀 아크를 제거한다. 이 같은 반복 동작은 T_arc 이후 시작되어 접촉 상태가 될 때까지 반복된다. 접촉 상태에서는 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 양의 값을 가지므로 반도체 스위치(30)가 닫힌 상태로 동작한다. 이때, 접촉을 통해 대부분의 전류가 흐르고, 반도체 스위치(30)를 통해서는 전류가 매우 작다. 반복 주기는 릴레이 접촉 전류 검출 시간(T_sense)과 반도체 스위치(30)의 스위칭 시간(T_switch), 아크 소멸 시간(T_close) 에 주로 의존하는데(T_sense + T_switch + T_close)의 값은 T_arc, T_move, T_close에 비해 훨씬 작고 T_move, T_close 모두 1 ms보다 작다. 한편, T_arc 이후 시작되어 접촉 상태가 될 때까지는 1ms 이하로 매우 짧아 반도체 스위치(30)의 발열 총량은 매우 작다.
이제, 접촉 상태에서 개폐 신호가 1에서 0으로 변화된 이후의 차단 과정을 고려하자. 접촉 상태 시점부터 개폐 신호가 1에서 0으로 변화된 시점 기준 이동 접촉이 이격 시작하는 시점 T_move 까지는 반도체 스위치(30)가 닫힌 상태이지만, 반도체 스위치(30)를 통해서는 전류가 매우 작다. 여기서, 단자들(10, 20) 사이에 전압(V)은 고정접촉(70)과 이동접촉(80)의 접촉 저항(Ω)과 흐르는 전류(A)의 곱보다 크지 않다. 따라서, 그 접촉들의 접촉 저항이 충분히 작으면 대부분의 전류가 반도체 스위치(30)를 거치지 않고 접촉을 통해 흐르게 될 것이다. 예로서, 접촉 저항이 1mΩ이고 접촉을 통해 흐르는 전류가 500A 라면, 단자들(10, 20) 사이에 전압은 0.5V 가 될 것이고, 닫혀있는 반도체 스위치(30)에는 전류가 거의 흐르지 않으므로 반도체 스위치(30)에서는 열이 거의 발생하지 않는다.
접촉 상태에서 개폐 신호가 1에서 0으로 변화된 시점 기준 T_move 직후 접촉들이 이격된다. 이때, 접촉들 사이의 전압이 반도체 스위치(30)의 포화 전압 1.5V 정도이므로 아크가 발생하지 않는다. 따라서, T_move에서는 개폐 신호가 0이고 순간적으로 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 0이 되고 반도체 구동장치(50)는 반도체 스위치(30)를 열게 된다. 일단 반도체 스위치(30)이 열렸을 때, 다시 아크가 발생하여 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 양의 값을 갖게 되면 반도체 스위치(30)가 다시 닫혀 아크를 제거한다. 이러한 반복 동작들은 T_move부터 시작되어 접촉들의 거리 d가 충분히 멀어진 상태(d>d_spark) 가 되어 아크가 발생하지 않는 시점(T_move + T_open) 까지 계속된다. 이때, 마지막 반복 동작에서 반도체 스위치(30)가 닫혀 있는 시간을 T_close라 하면, 여기서, 반도체 스위치(30)가 첫 번째 열리는 시점이 T_move이고, 마지막으로 닫히는 시점이(T_move + T_open ± T_close) 임을 알 수 있다. 따라서, 반도체 스위치(30)의 반복 동작을 시간에 대해 측정하면 T_move, T_open, T_close를 각각 측정할 수 있다. 이 방식의 장점은 릴레이의 특성에 의존하는 T_move 및 T_open, 아크 소멸 시간 T_close에 대한 설정이 없이 아크를 제어할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명에 의한 릴레이 전류 검출형 아크 제거기는 다양한 환경에서 사용되는 임의의 릴레이와 함께 동작하여 아크 소거에 사용할 수 있게 한다. 그러나 설정이 없는 경우, T_open 동안 닫혔다 열렸다 과정을 반복하게 되므로 차단시 반도체 스위치(30)에서 소모되는 전력이 최소는 아니다.
이제, 개폐 신호가 0에서 1로 변하는 과정의 아크 발생 시간은 매우 짧으므로, 차단 과정에서만 아크를 제어하는 동작원리를 살펴보자. 이를 위해, 개폐 신호 1에서 0으로 변화한 시점부터 T_on(= T_move + T_open)이 경과하고 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 양이면 반도체 스위치(30)를 닫고, 접촉 전류 센서(40)에 의해 검출된 전류가 0 되는 시간을 Toff로 하는 반도체 구동장치(50)을 고려하자. 접촉들을 통한 전기적 경로 차단을 위해(T_move + T_open) 동안 반도체 스위치(30)를 여닫는 반복 동작 없이,(T_move + T_open) 이후에 T_close 동안 한 번의 여닫는 동작으로 반도체 스위치(30)를 통해 흐르는 전류를 최소로 하여 아크를 제거할 수 있다. 이를 위해서는 측정된 T_move, T_open, T_close를 이용하면 된다. 그런데, T_arc 및(T_move + T_open)의 값들은 부하에는 의존하지 않고 접촉의 형상 및 기구의 동적 특성에만 의존한다. 따라서, 접촉의 형상과 구동 방식이 정해지면(T_move + T_open)의 값이 정해진다. 반면, 접촉 상태에 이르는 시간과 T_close는 부하에 대해 민감하게 변화할 수 있지만 본 발명에 의해 동적으로 결정되므로 미리 측정할 필요가 없다. 결국 Ton=(T_move + T_open)로 하고 Toff=(T_move + T_open + T_close)로 정하면 다양한 부하 환경에서 사용되는 릴레이의 아크를 제거할 수 있는 접촉 전류 검출형 아크 제거기를 구현할 수 있다.
이제 동적으로(T_move + T_open)의 값을 구하는 방법에 대해 논의해 보자. 개폐 신호가 0일 때 T_move부터 T_open 동안은 아크에 의해 전류가 흐를 수 있다. 여기서, 접촉들을 통과하는 전류를 I_contacts이라 하자. I_contacts는 T_move에서 T_open 까지는 빠르게 감소하다가,(T_move + T_open) 이후에 흐르는 전류는 브러시 방전 또는 코로나 방전에 의한 것으로 서서히 감소한다. 즉, 개폐 신호가 0일 때 I_contacts에 비례하는 접촉 전류 센서 신호 값의 시간에 대한 미분 값의 절대값이 어느 한계 이하가 되는 시점이(T_move + T_open) 이다. 따라서, I_contacts에 비례하는 접촉 전류 센서 신호 값의 시간에 대한 미분 값의 절대값이 어느 한계 이하가 되는 시점을 Ton으로 하면, 동적으로 정해지는 Toff는 Ton 시점에서 T_close 후로 결정된다.
아크가 제어되는 본 발명의 동작원리에서, T_arc에서 접촉까지의 시간, T_open 및 T_close 모두 매우 짧아 대략 1ms 로 가정하여도 1초간 포화 도통시 발열량의 1/1000도 되지 않는다. 따라서, 반도체 접촉 릴레이를 사용하는 경우와 비교하여 방열 용량이 1/1000 수준만 되어도 아크 발생이 없는 릴레이 제작이 가능하다. 즉 방열판이 필요 없다는 뜻이다.
본 발명에 의한 하이브리드 스위치 구성 원리와 동작원리를 각각 도 4와 도 5를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참고하여, 본 발명에 의한 전류 검출형 하이브리드 스위치는 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과; 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와; 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와; 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와; 상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와; 단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과; 단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과; 상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 접촉식 릴레이 구동장치(90)와; 반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 20, 30, 40, 50, 51, 52, 70, 80, 90)을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 한다. 접촉전류 검출을 위한 접촉 전류 센서(40)는 전류가 흐르는 도체 주변에 생성되는 자기장을 측정한다.
동작 원리를 설명하기 위해 하이브리드 스위치의 바람직한 실시예를 도 5에 도식하였는데, 그 동작 원리는 도 3의 아크 제거기의 바람직한 실시예의 동작 원리와 같다.
도 6과 도 7은 고장방지 장치들(31, 32, 33, 34, 35)을 구비함을 특징으로 하는 접촉전류 검출형 아크 제거기의 구성 개념도 및 실시예이다. 도 6을 참고하여고장방지 장치들을 구비함을 특징으로 하는 전류 검출형 아크 제거기는 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과; 릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와; 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와; 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와; 다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와; 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도센서(34)와; 반도체 스위치(30)의 고장 단락시 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)과 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와; 릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와; 상기 개폐 신호와 상기 오류 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이고 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 오류 신호가 1이면 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와; 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 릴레이 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들은 릴레이 구동 단자들에 연결되고; 반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 11, 20, 30, 31, 33, 34, 32, 35, 40, 50, 51, 52)과 외부 시스템으로서의 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 한다. 여기서, 릴레이는 개념적인 구성요소들 고정접촉(70), 이동접촉(80), 이동 접촉 구동 장치(90), 릴레이 구성 요소들을 기구적으로 연결하는 릴레이 프레임(100) 으로 구성된다 가정하였다.
고장방지 장치들(31, 33, 34, 32, 35)을 구비하는 고장방지 전류검출형 아크 제거기의 동작원리를 도 7의 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다. 고장방지 장치들(31, 33, 34, 35)의 사용은 통상의 지식을 가진 자들에게는 널리 알려진 기술들로 그 동작원리가 구성원리에서 명확하게 설명되어 있으므로 설명하지 않는다. 반도체 스위치(30)의 고장 단락시 접촉들이 전기적으로 완전히 열려있어도 단자들(10, 20)이 단락된 상태가 된다. 따라서, 반도체 스위치(30)의 고장 단락시 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류를 차단해야 한다. 이를 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)가 필요하다. 일단 반도체 스위치(30)이 고장 단락되는 경우는 접촉들 사이의 전압이 매우 낮아 반도체 스위치(30)를 통과하는 전류가 차단되어도 접촉들 사이에서 아크는 발생하지 않아 접촉들 사이의 절연은 유지된다. 반도체 전류 차단 퓨즈(32)로는 차단 전압이 높은 퓨즈가 적당하다.
도 8과 도 9는 고장방지 장치들(31, 33, 34, 32, 35)을 구비함을 특징으로 하는 접촉전류 검출형 하이브리드 스위치의 구성 개념도 및 실시예이다. 도 8을 참고하여 고장방지 장치들을 구비함을 특징으로 하는 전류 검출형 하이브리드 스위치는 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과; 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와; 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와; 다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와; 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도센서(34)와; 반도체 스위치(30)의 고장 단락시 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)과 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와; 릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와; 상기 개폐 신호와 상기 오류 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이고 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 오류 신호가 1이면 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와; 단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과; 단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과; 상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 접촉식 릴레이 구동장치(90)와; 반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 20, 30, 31, 33, 34, 32, 35, 40, 50, 51, 52, 70, 80, 90)을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 한다. 접촉전류 검출을 위한 접촉 전류 센서(40)는 전류가 흐르는 도체 주변에 생성되는 자기장을 측정한다.
고장방지 장치들을 구비함을 특징으로 하는 접촉전류 검출형 하이브리드 스위치의 동작 원리를 도 9를 참고하여 설명하면 도 7에서 설명한 고장방지 장치들을 구비함을 특징으로 하는 접촉전류 검출형 아크 제거기와 크게 다르지 않다.
도 10 및 도 11은 고장방지 장치들을 구비하는 아크 제거기의 구성원리 개념도와 실시예이다. 도 10을 참고하여 고장방지 장치들을 구비하는 아크 제거기는 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과; 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와; 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와; 다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와; 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도센서(34)와; 반도체 스위치(30)의 고장 단락시 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)과 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와; 상기 개폐 신호와 상기 오류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이면 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와; 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 릴레이 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들은 릴레이 구동 단자들에 연결되고; 반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 20, 30, 31, 33, 34, 32, 35, 50, 51, 52)과 외부 시스템으로서의 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 한다. 여기서, 릴레이는 개념적인 구성요소들 고정접촉(70), 이동접촉(80), 이동 접촉 구동 장치(90), 릴레이 구성 요소들을 기구적으로 연결하는 릴레이 프레임(100) 으로 구성된다 가정하였다.
고장방지 장치들(31, 33, 34, 32, 35)을 구비하는 고장방지 아크 제거기의 동작원리를 도 11의 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.
개폐 신호가 0에서 1로 변하는 과정에서 Ton=T_arc로 하고 개폐 신호가 1에서 0으로 변하는 과정에서 Toff=(T_move + T_open)로 하면 아크가 전혀 발생하지 않는 아크 제거기를 구현할 수 있다.
이제, 개폐 신호가 0에서 1로 변하는 과정의 아크 발생 시간은 매우 짧으므로, 차단 과정에서만 아크를 제어하는 동작원리를 살펴보자. 이를 위해, 개폐 신호 1에서 0으로 변화는 과정에서 T_on =(T_move + T_open)로 하고 Toff =(T_move + T_open + T_close) 하면 아크를 제거할 수 있다. 이를 위해서는 미리 측정된 T_move 및 T_open를 이용하고 T_close를 0.2 ms 정도로 하면 된다.
도 12 및 도 13은 고장방지 장치들을 구비하는 하이브리드 스위치의 구성원리 개념도와 실시예이다. 도 12를 참고하여 고장방지 장치들을 구비하는 하이브리드 스위치는 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과; 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와; 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와; 다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와; 반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와; 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도 센서(34)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)와 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와; 상기 개폐 신호와 상기 오류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이면 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와; 단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과; 단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과; 상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 접촉식 릴레이 구동장치(90)와; 반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 20, 30, 31, 33, 34, 32, 35, 50, 51, 52, 70, 80, 90)을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 한다.
고장방지 장치들(31, 33, 34, 32, 35)을 구비하는 고장방지 하이브리드 스위치의 동작원리를 도 13의 실시예를 들어 설명하면 도 11의 고장방지 아크 제거기의 동작원리와 다르지 않다.
본 발명에 의한 접촉전류 검출형 아크 제거기를 접촉식 릴레이와 전기적으로 병렬로 연결하면 릴레이의 접촉들 사이에서 발생하는 아크를 최소로 하여 릴레이의 전기적 수명을 증대시킨다. 한편, 본 발명에 의한 하이브리드 스위치는 큰 방열판 없이 접촉들 사이에서 발생하는 아크를 최소로 하여 전원 스위치를 작고 가볍게 제공한다. 한편, 고장 방지를 위해 추가적인 기능을 부가한 전류 검출형 고장 방지 아크제거기와 전류 검출형 고장 방지 하이브리드 스위치는 고장을 방지하고 고장시 전원을 효과적으로 차단한다.
도 1. 스파크가 발생하는 접촉들 간의 거리
도 2. 접촉 전류 검출형 아크 제거기의 구성 개념도
도 3. 접촉 전류 검출형 아크 제거기의 바람직한 실시예
도 4. 접촉 전류 검출형 하이브리드 스위치의 구성 개념도
도 5. 접촉 전류 검출형 하이브리드 스위치의 바람직한 실시예
도 6. 고장보호 장치들을 구비한 접촉 전류 검출형 아크 제거기의 구성 개념도
도 7. 고장보호 장치들을 구비한 접촉 전류 검출형 아크 제거기의 스위치의 실시예
도 8. 고장보호 장치들을 구비한 접촉 전류 검출형 하이브리드 스위치의 구성 개념도
도 9. 고장보호 장치들을 구비한 접촉 전류 검출형 하이브리드 스위치의 실시예
도 10. 고장보호 장치들을 구비한 아크 제거기의 구성 개념도
도 11. 고장보호 장치들을 구비한 아크 제거기의 스위치의 실시예
도 12. 고장보호 장치들을 구비한 하이브리드 스위치의 구성 개념도
도 13. 고장보호 장치들을 구비한 하이브리드 스위치의 실시예
T_spark, T_move, T_open, T_close는 모두 접촉들의 형상과 이동 접촉의 구동방식에 의존하지만 통상 릴레이는 동작 주파수가 8 ms이하이므로 대략 다음과 같은 T_spark(~3ms), T_move(~1ms), T_open(~1ms), T_close(~1ms) 값을 가지고 본 발명이 동작 한다.
10, 20 ~ 외부 시스템과 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자들
30 ~ 2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치
31 ~ 유도성 부하 차단시 발생하는 역기전력에 의한 반도체 스위치(30) 손상을 방지하기 위한 프리휠 다이오드
33 ~ 반도체 스위치(30)에 흐르는 전류에 비례하는 전기적 반도체 스위치(30) 전류신호 발생 장치
34 ~ 반도체 스위치(30)의 온도 측정 장치
32 ~ 반도체 스위치(30)의 고장 단락시 차단을 위한 퓨즈
35 ~ 고장 신호 발생기
40 ~ 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서
50 ~ 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 전기적으로 닫고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 전기적으로 여는 반도체 스위치 구동부
51, 52 ~ 2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 2 개의 개폐 신호 단자들
60(도 2, 도 3, 도 6, 도 7, 도 9, 도 10, 도 11 에서) ~ 반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 접촉식 릴레이(구성요소들 70, 80, 90, 100 으로 개념화됨)를 기구적으로 배치 연결하는 프레임
60(도 4, 도 5, 도 8, 도 9 에서) ~ 반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임

Claims (17)

  1. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  2. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    접촉들(70, 80)을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  3. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  4. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    접촉들(70, 80)을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  5. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  6. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    접촉들(70, 80)을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  7. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도 센서(34)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)와 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와;
    릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 오류 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이고 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 오류 신호가 1이면 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  8. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도 센서(34)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)와 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와;
    접촉들(70, 80)을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 오류 신호와 상기 접촉전류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이고 접촉전류 신호가 양의 값을 갖으면 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 하고, 오류 신호가 1이면 접촉 전류 신호가 0이면 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 하고, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들(10, 20, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 40, 50, 51, 52, 70, 80, 90)을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  9. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    상기 개폐 신호에 의존하여, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  10. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    상기 개폐 신호에 의존하여, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  11. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    상기 개폐 신호에 의존하여, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  12. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    상기 개폐 신호에 의존하여, 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  13. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    릴레이의 한 단자와 연결되어 접촉 전류를 측정하기 위한 릴레이 전용 단자(11)와;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도 센서(34)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)와 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와;
    릴레이 접촉들을 통해 흐르는 전류에 의존하는 전기적 신호인 접촉전류 신호를 생성하는 접촉전류 센서(40)와;
    상기 개폐 신호와 오류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이면 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    반도체 스위치(30)의 방열 기능을 하여 발열에 의한 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들과 외부 시스템인 릴레이를 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 아크 제거기와 단자(11)과 단자(20)을 이용하여 외부 시스템인 릴레이의 주 단자들과 병렬로 연결되고, 개폐 신호 단자들(51, 52)은 외부 시스템인 릴레이의 구동 단자들에 연결하여 사용하는 방법.
  14. 전원과 부하와 본 발명과의 전기적 연결을 용이하게 하는 2 개의 전력 단자(10, 20)들과;
    2 개의 전력 단자(10, 20)들 사이의 전기적 연결을 개폐하기 위한 전기적 개폐신호가 연결되는 개폐 신호 단자들(51, 52)와;
    2 개의 단자(10, 20)들과 도체로 연결되고 상기 전기적 개폐 신호에 의존하여 전기적으로 열고 닫는 것이 가능한 반도체 스위치(30)와;
    다이오드의 순방향이 반도체 스위치(30)가 닫혔을 때 흐르는 전류와 반대 방향이고 반도체 스위치(30)와 병렬로 연결된 프리휠 다이오드(31)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 과다한 전류를 차단하기 위해 미리 설정된 특정 암페어 이상 전류가 흐르면 전류를 차단하는 반도체 전류 차단 퓨즈(32)와;
    반도체 스위치(30)에 흐르는 전류와 비례하는 반도체 전류 신호를 생성하는 반도체 전류 센서(33)와; 반도체 스위치(30)의 온도에 비례하는 온도 신호를 생성하는 온도 센서(34)와; 반도체 전류 센서(33)와 반도체 온도 센서(34)와 연결되어 미리 설정된 전류 값 이상의 전류가 반도체 스위치(33)에 흐르거나, 반도체 스위치(33)의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 반도체 스위치의 오류를 의미하는 오류 신호를 생성하는 오류신호 생성기(35)와;
    상기 개폐 신호와 오류 신호에 의존하여, 오류 신호가 0이면 다른 신호와 무관하게 반도체 스위치(30)를 열고, 오류 신호가 1이면 상기 전기적 개폐 신호의 변화 시점부터 특정시간 Ton 후에 반도체 스위치(30)를 닫힌 상태로 1회 하고, 상기 전기적 개폐 신호 변화 시점부터 특정 시간 Toff 후에 반도체 스위치(30)를 열린 상태로 1회 하는 반도체 스위치 구동부(50)와;
    단자(10) 또는 단자(20)과 도체로 연결되어 있고 고정되어 있는 고정접촉(70)과;
    단자(20) 또는 단자(10)과 도체로 연결되어 있고 움직일 수 있는 이동접촉(80)과;
    상기 전기적 개폐신호에 의존하여 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태에서 접촉 상태로 변환하고, 접촉 상태에서 이동접촉(80)를 이동시켜 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격 상태로 변환하는 이동 접촉 구동장치(90)와;
    반도체 스위치(30)의 발열에 의한 각각의 손상을 방지하고, 상기 발명 구성 요소들을 기구적으로 배치 연결하는 프레임(60)을 포함함을 특징으로 하는 하이브리드 스위치
  15. 제 1항과 제 2항에 있어서, 개폐 신호가 1에서 0으로 변한 후, T_on은 고정접촉(70)과 이동접촉(80)이 이격되기 시작하는 시각 T_move 이전으로 하고, T_off는 고정접촉(70)과 이동접촉(80)의 이격 거리가 d_arc 이상 되는 시각(T_move+T_open) 이후로 하는 반도체 스위치 구동부(50)를 특징으로 하는 아크 제거기와 하이브리드 스위치
  16. 제 1항과 제 2항에 있어서, 개폐 신호가 0에서 1으로 변한 후, T_on 은 고정접촉(70)과 이동접촉(80)의 접근중 거리 d가 줄어들어 d_arc 가 되는 시각 T_arc 이전으로 하고, 개폐 신호가 1에서 0으로 변한 후, T_off는 고정접촉(70)과 이동접촉(80)의 이격중 거리 d가 d_arc 보다 커지는 시각(T_move+T_open) 이후로 하는 반도체 스위치 구동부(50)를 특징으로 하는 아크 제거기와 하이브리드 스위치
  17. 제 1항과 제 2항에 있어서, 개폐 신호가 1에서 0으로 변한 후, T_on는 고정접촉(70)과 이동접촉(80)의 이격 거리 d가 d_arc 보다 커지는 시각(T_move+T_open) 이후로 하고, T_off는 아크가 제거된 시각(T_move+T_open+T_close) 이후로 하는 반도체 스위치 구동부(50)를 특징으로 하는 아크 제거기와 하이브리드 스위치
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