[논문]전도성 E1 펄스에 대한 ZnO 바리스터의 동작특성 분석

방정주; 허창수

doi:10.4313/jkem.2019.32.3.241

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This work presents the response characteristics of a ZnO varistor to conductive EMP. An E1 pulse, standardized to MIL-STD-188-125-1, was applied to the varistors wherein the residual current and response times were measured with the applied E1 pulse current. Additionally, the response time was measu...

This work presents the response characteristics of a ZnO varistor to conductive EMP. An E1 pulse, standardized to MIL-STD-188-125-1, was applied to the varistors wherein the residual current and response times were measured with the applied E1 pulse current. Additionally, the response time was measured according to the length of the connection path. Consequently, the amplitude of the residual voltage through the ZnO varistors was increased with increasing amplitude of the applied E1 pulse current. As the length of the connection path increased, the operating response time and residual peak voltage also increased. These results indicate that the response characteristics of ZnO varistors can be applied to basic data to support the use of varistors as a protective measure against conductive EMP.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Current waveform of E1 pulse.
그림 Fig. 2. Experimental set-up.
그림 Fig. 3. The output waveform of PCI generator.
표 Table 1. Definition of conducted HEMP waveform in Mil-Std-188-125-1.
표 Table 2. Specification of varistors.
그림 Fig. 4. The varistors used in test.
그림 Fig. 5. Waveforms of the input pulse current and residual voltage at 200 A.
그림 Fig. 6. Waveforms of the input pulse current and residual voltage at 800 A.
그림 Fig. 7. Typical waveform of residual voltage.
그림 Fig. 8. Changes of residual voltage to injected E1 pulse.
그림 Fig. 9. Changes of response time to injected E1 pulse.
그림 Fig. 10. Changes of response time with length of connection path.
표 Table 3. The response time and residual peak voltage with change of connection path length.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

전도성 E1 펄스파형은 펄스의 상승시간이 20 ns 이하이고 펄스폭이 500~550 ns로 펄스의 상승시간이 빠르기 때문에 전도성 HEMP의 보호방안으로 바리스터를 적용하기 위해서는 전도성 E1 펄스에 대한 바리스터의 동작특성 파악이 필요하다. 본 논문에서는 바리스터의 동작전압과 선로에 접속하는 경로의 길이 변화가 바리스터의 동작특성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 전도성 E1 펄스에 의한 바리스터의 응답특성을 분석하기 위하여, Mil-Std-188-125-1에 규정되어 있는 전도성 E1 펄스를 바리스터에 인가하여 동작특성을 분석하였다.

제안 방법

E1 펄스 발생 장치와 50 Ω 부하 사이에 케이블을 사용하여 선로를 구성하였고, 케이블의 중간에 바리스터를 접속하고 접지와 연결하였다.
바리스터의 동작특성 분석을 위해 200, 400, 600, 800 A의 전도성 E1 펄스를 인가하여 잔류전류를 측정 하였고, 바리스터와 선로 사이의 접속경로 길이에 따른 동작응답시간 분석을 위해, 바리스터의 리드선을 케이블에 바로 접속한 경우와 접속선로의 길이가 30 cm와 60 cm인 경우의 동작응답시간을 측정하였다.
선로와 바리스터 사이의 접속 도선의 길이에 따른 바리스터의 동작특성을 분석하기 위해 바리스터를 케이블에 바로 접속한 경우와 도선의 길이가 30 cm와 60 cm인 경우의 동작응답시간을 측정하였다. 시험 결과 그림 10과 같이 접속 도선의 길이가 길어질수록 동작응답시간이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
4종류의 바리 스터 모두 입력펄스의 크기가 증가할 경우 잔류전압의 피크가 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있으며, 각바리스터의 동작전압과는 무관하게 모두 유사한 결과를 보였다. 이러한 현상을 분석하기 위해 잔류전압의 동작응답시간을 분석하였다. 동작응답시간은 잔류파형의 시작부터 피크까지의 시간을 측정하였으며, 그림 9와 같이 동작전압이상의 전압에서 4종류의 바리스터 모두 약 6.
E1 펄스 발생 장치와 50 Ω 부하 사이에 케이블을 사용하여 선로를 구성하였고, 케이블의 중간에 바리스터를 접속하고 접지와 연결하였다. 펄스 인가 시 바리스터를 통과하여 부하 방향으로 흐르는 잔류전류를 측정하기 위해 바리스터와 부하 사이에 전류프로브를 설치하여 오실로스 코프로 전류파형을 측정하였다.

대상 데이터

시험에 사용된 바리스터는 ZnO 바리스터로 동작전압이 다른 4종류의 바리스터를 사용하였다. 바리스터의 직경은 20 mm로 모두 동일하며, 동작전압이 높아 질수록 두께는 증가한다.
시험에 적용한 전도성 E1 펄스발생장치는 MIL-STD-188-125-1에 규정되어 있는 10/500 ns의 펄스를 발생시키며 파형은 그림 3과 같다.

성능/효과

각 바리스터의 인가 펄스전류의 크기에 따른 잔류피크 전압의 변화를 그림 8에 나타내었다. 4종류의 바리 스터 모두 입력펄스의 크기가 증가할 경우 잔류전압의 피크가 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있으며, 각바리스터의 동작전압과는 무관하게 모두 유사한 결과를 보였다. 이러한 현상을 분석하기 위해 잔류전압의 동작응답시간을 분석하였다.
이러한 현상을 분석하기 위해 잔류전압의 동작응답시간을 분석하였다. 동작응답시간은 잔류파형의 시작부터 피크까지의 시간을 측정하였으며, 그림 9와 같이 동작전압이상의 전압에서 4종류의 바리스터 모두 약 6.2 ns로 유사하게 나타났다. 따라서 바리스터의 동작응답시간인 약 6.
2 ns 동안의 펄스가 통과하며, 인가 펄스의 크기가 증가할 경우 단위 시간당 전압의 상승률이 크기 때문에 동일한 시간 동안 더 높은 펄스가 통과하여 잔류전압의 크기도 증가한다. 또한 이결과를 통해 바리스터의 동작전압을 결정하는 바리스터 소자의 두께는 동작응답시간에 큰 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.
바리스터에 전도성 E1 펄스를 인가하였을 때 잔류전 압파형은 바리스터가 동작하기 전까지 인가펄스의 일부가 부하 쪽으로 통과하고 바리스터가 동작한 이후에는 급격하게 감소하여 제한전압으로 제한되는 현상을 보였다. 인가펄스의 크기가 증가할수록 잔류전압의 피크는 선형적으로 증가하였으며, 그 이유는 바리스터의 동작응답시간이 약 6.
바리스터와 선로를 연결하는 접속경로의 길이에 따른 바리스터의 동작응답시간은 접속경로의 길이가 증가할수록 선로 인덕턴스의 영향으로 동작응답시간이 증가하였으며, 동작응답시간이 증가할 경우 증가한 시간동안의 펄스가 바리스터를 통과하기 때문에 잔류전 압도 증가하였다. 선로와 바리스터의 접속경로가 긴 경우에는 전도성 E1 펄스와 같이 고전류에 빠른 상승시 간을 갖는 과도전류가 흐를 때 바리스터의 동작이 지연되는 시간 동안의 펄스가 바리스터를 통과하여 기기에 영향을 줄 수 있을 것으로 보이며, 따라서 수 ns의 상승 시간을 갖는 전도성 E1 펄스에 대한 보호방안으로 바리스터를 적용 시 선로와 바리스터의 접속경로를 최대한 짧게 구성하여 동작 응답시간을 최소화해야 할것으로 판단된다.

후속연구

바리스터와 선로를 연결하는 접속경로의 길이에 따른 바리스터의 동작응답시간은 접속경로의 길이가 증가할수록 선로 인덕턴스의 영향으로 동작응답시간이 증가하였으며, 동작응답시간이 증가할 경우 증가한 시간동안의 펄스가 바리스터를 통과하기 때문에 잔류전 압도 증가하였다. 선로와 바리스터의 접속경로가 긴 경우에는 전도성 E1 펄스와 같이 고전류에 빠른 상승시 간을 갖는 과도전류가 흐를 때 바리스터의 동작이 지연되는 시간 동안의 펄스가 바리스터를 통과하여 기기에 영향을 줄 수 있을 것으로 보이며, 따라서 수 ns의 상승 시간을 갖는 전도성 E1 펄스에 대한 보호방안으로 바리스터를 적용 시 선로와 바리스터의 접속경로를 최대한 짧게 구성하여 동작 응답시간을 최소화해야 할것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자기기들이 고성능, 소형화, 저전력 등의 특징을 갖게 된 이유는?	현대사회는 반도체소자 기술과 정보통신기술의 발전 으로 전자기기에 대한 의존도가 증가하고 있다. 이에 따라 산업분야와 사회기반시설들은 전자기기를 기반으로 하는 시스템으로 변화하고 있으며, 전자기기들은 고성능, 소형화, 저전력 등의 특징을 갖게 되었다.
	ZnO 바리스터의 특성은?	전도성 E1 펄스를 바리스터에 인가하여 입력파형과 바리스터를 통과하여 부하 쪽으로 흐르는 잔류전압파 형의 예를 그림 5와 6에 나타내었다. ZnO 바리스터는 양단의 전압이 동작개시전압에 도달하기 전에는 입자 사이 계면의 임피던스에 의해 전류가 거의 흐르지 않지만 동작개시전압 이상에서는 작은 전압 변화에도 대단히 큰 전류의 변화가 일어나는 비선형 저항 특성을 가지고 있다. 때문에 그림 5와 같이 동작개시전압 이상의 전압이 인가될 경우 제한전압으로 제한되는 것을 확인할 수 있으며, 잔류전압은 리드선의 인덕턴스 영향 으로 동작개시 후 약간 상승하는 파형을 나타내었다.
	고출력 전자기펄스의 보호방안의 종류는?	고출력 전자기펄스의 복사성 영향에 대한 보호방안 으로는 차폐가 있으며, 전도성 영향에 대한 보호방안으로는 가스방전관(GDT), 어레스터와 같은 절연 파괴 전압 장치와 금속산화물 바리스터(MOV) 등과 같은 전압 제한 장치, 필터 및 보호회로와 같은 대역폭 제한 장치, 광링크 및 광결합기 등과 같은 분리장치, 동축 홀더 및 스터브 라인, 공진기와 같은 동축형 RF 회로 보호기 등이 있다 [4]. 산화아연(zinc oxide, ZnO) 바리스터는 기존의 과도전압에 대한 보호소자로 양방향성, 큰 에너지 내량, 빠른 동작속도, 우수한 전압-전류 비선형 저항특성 등의 장점이 있어 가장 널리 사용되고 있다 [5].

참고문헌 (6)

S. Y. Hyun, J. K. Du, W. Kim, and J. G. Yook, J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci., 25, 757 (2014). [DOI: https://doi.org/10.5515/kjkiees.2014.25.7.757]

원문보기 상세보기
W. A. Radasky, C. E. Baum, and M. W. Wik, IEEE Trans. Electromagn. Compat., 46, 314 (2004). [DOI: https://doi.org/10.1109/temc.2004.831899]

상세보기
S. B. Smith and R. B. Standler, IEEE Trans. Power Del., 7, 1275 (1992). [DOI: https://doi.org/10.1109/61.141841]

상세보기
T. H. Jang, J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci., 24, 772 (2013). [DOI: https://doi.org/10.5515/kjkiees.2013.24.8.772]

원문보기 상세보기
J. H. Lee, J. S. Han, G. S. Kil, J. W. Kwon, D. Y. Song, and N. S. Choi, J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng., 4, 793 (2014).
Mil-Std-188-125-1, "High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) protection for ground-based c4i facilities performing critical, time-urgent missions, Part I - fixed facilities", 2005.

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