[논문]직류전류측정기의 안전성 향상을 위한 고내구성 보호소자의 가용체 설계

이예지; 윤재서; 조성철; 노성여

doi:10.4313/jkem.2020.33.3.201

직류전류측정기의 안전성 향상을 위한 고내구성 보호소자의 가용체 설계
Design for a Fuse of High Durability Protection Elements for Improving the Safety of DC Current Measurement Device 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.3, 2020년, pp.201 - 207

이예지 (부경대학교 기술경영학과) , 윤재서 (부경대학교 기술경영학과) , 조성철 (알포에스 개발팀) , 노성여 (동명대학교 항만물류시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

With the expansion in the use of DC power systems and increased need for system maintenance, the development of measurement devices for maintenance requires high stability. Of the different kinds of DC current measurement devices, the single-shot measurement device causes the input signal of the current measuring unit to initially generate a high inrush current. The high inrush current flows into the signal processor of the meter, shortening the life of the internal fuses and causing failure. Therefore, in this study, the I2t value for increasing the durability of the fuse is designed using the available wire diameter. Operating characteristics for 210~400% over-current of the rated current, which is relatively low over-current, are realized by the plating of low melting tin metal. As a result, a method of designing a fuse element for a DC power supply, which improves the safety of the DC current measurement device by blocking the failure caused by the inrush current, is presented.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 2. Method of single-shot DC measurement.
그림 Fig. 1. (a) Equivalent circuit of rogowski coil with passive integrator and (b) rogowski coil single-shot current measuring system.
그림 Fig. 3. Current-limit operation of fuse.
그림 Fig. 4. The method design characteristics for durability.
그림 Fig. 5. Test sample structure of sub-miniature fuse.
표 Table 1. Composition of the metal alloys.
표 Table 2. Fine wire plating condition.
그림 Fig. 6. Change in resistance according to the wire diameter and the composition of Ni-Cu alloy.
그림 Fig. 7. Change in I-T curve according to the composition of Ni-Cu alloy of fuse used wire diameter 0.1 mm.
그림 Fig. 8. Change in I-T curve according to the wire diameter of fuse used 100% Cu wire.
그림 Fig. 9. Design of high durability fuse elements using plated tin.
그림 Fig. 10. Melting process of copper plated tin for fuse elements.
그림 Fig. 11. I-T curve shift according to tin plating thickness.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 직류 기반의 이차전지 및 ESS의 유지 보수 산업에서 널리 사용되고 있는 싱글샷 전류 측정 시스템의 수명과 내구성을 상승시키기 위한 보호 소자에 대하여 고찰하였다. 해당 시스템은 전류의 변화가 없어 적분회로의 적용이 불가능한 직류 전류에 대하여 임의의 측정 시스템 시작 동작을 부여한 측정 원리로 인하여 기기 시작 돌입전류가 발생한다.
이에 본 연구에서는 일반적인 전기 전자 제품에서 요구되는 전원 인가 동작 10만 회 내구성보다 2배 이상 높은 내구성을 가지는 보호소자의 가용체 설계를 통하여 제품 전원을 이용한 싱글샷 측정 장치에서의 돌입전류 내구성을 확보한 보호소자를 설계하였고 보다 안전하고 고장이 적은 전원인가형 시스템용 보호소자를 제시하였다.

제안 방법

실험은 일곱 종류의 합금을 선경과 도금 두께에 따라 제품 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료 군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 기판 실장 후 모든 시료의 전기저항을 측정하고 기록하였다. 이후 파워 서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 용단되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다.
이를 위하여 제작된 퓨즈 가용체 일정성을 확인하기 위해 저항 값을 측정하였으며, 설계한 퓨즈의 가용체가양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 그리고 현재 일반적인 SMPS 회로에 적용되는 IEC 60127-3 초소형 퓨즈를 대상으로 1.25 A의 정격전류와 높은 I²t를 보유한 퓨즈를 설계한 후 전기적 시험을 진행하였다. 실험결과로부터 선경과 합금 함량에 따라 넓은 범위의 정격 전류를 구현할 수 있었고, 동작 특성을 유지하며 내구성과 I²t 특성도 만족하기 위하여 저융점 주석 금속 도금을 실시하였다.
25 A의 정격전류와 높은 I²t를 보유한 퓨즈를 설계한 후 전기적 시험을 진행하였다. 실험결과로부터 선경과 합금 함량에 따라 넓은 범위의 정격 전류를 구현할 수 있었고, 동작 특성을 유지하며 내구성과 I²t 특성도 만족하기 위하여 저융점 주석 금속 도금을 실시하였다. 이에 따라 동일한 1.
실험은 일곱 종류의 합금을 선경과 도금 두께에 따라 제품 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료 군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 기판 실장 후 모든 시료의 전기저항을 측정하고 기록하였다.
해당 시스템은 전류의 변화가 없어 적분회로의 적용이 불가능한 직류 전류에 대하여 임의의 측정 시스템 시작 동작을 부여한 측정 원리로 인하여 기기 시작 돌입전류가 발생한다. 이에 1차 측 메인 보호소자인 퓨즈가 시작 돌입전류로 인한 수명이 줄어들고 퓨즈의 용단으로 인한 시스템 고장이 빈번히 발생하여 퓨즈의 수명 및 내구성 상승과 함께 동작특성을 만족하는 설계가 필요하였다.
각 시료 군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 기판 실장 후 모든 시료의 전기저항을 측정하고 기록하였다. 이후 파워 서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 용단되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다. 용단 실험 간 파워 서플라이 전류는 ICE 60127-1에 정의된 DC 정전류에서 변동 전압이 60 V 이내 있도록 유지하였다.
이후에 분산화 열처리와 상하부 편석제거를 통해 농도를 조정하고 인발 신선 공정으로 거쳐 와이어로 제작하였다. 제작된 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX (energy dispersive X-ray) 분석을 수행하였으며, 이후 건욕된 주석 도금액에 와이어 랙(rack)도금 방식으로 주석 도금을 실시하였다.
퓨즈 가용체 실험은 구조상 열 집중에 용이한 가용체 구조로 인한 열 이동의 영향을 최소화하기 위하여 환선 형태의 퓨즈 금속 가용체를 구성하였다. 재료의 영향과 저융점 금속 도금 두께의 영향을 확인하기 위하여 상용 퓨즈에 많이 적용되는 구리에 니켈 함량을 조정하여 합금을 제작하였고 이 중 순동과 합금 함량이 가장 많은 Cu-45Ni은 도금 두께에 따라 세분화 시험을 실시하였다. 제작 방법은 기준 금속인 Cu 100 wt% 에 니켈을 각각 5, 10, 20, 45, 65, 85 wt%의 합금을 진공 용융로에서 용융하여 잉곳 형태로 제조하였고 조성은 표 1 합금 조성과 같다.
재료의 영향과 저융점 금속 도금 두께의 영향을 확인하기 위하여 상용 퓨즈에 많이 적용되는 구리에 니켈 함량을 조정하여 합금을 제작하였고 이 중 순동과 합금 함량이 가장 많은 Cu-45Ni은 도금 두께에 따라 세분화 시험을 실시하였다. 제작 방법은 기준 금속인 Cu 100 wt% 에 니켈을 각각 5, 10, 20, 45, 65, 85 wt%의 합금을 진공 용융로에서 용융하여 잉곳 형태로 제조하였고 조성은 표 1 합금 조성과 같다.
이후에 분산화 열처리와 상하부 편석제거를 통해 농도를 조정하고 인발 신선 공정으로 거쳐 와이어로 제작하였다. 제작된 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX (energy dispersive X-ray) 분석을 수행하였으며, 이후 건욕된 주석 도금액에 와이어 랙(rack)도금 방식으로 주석 도금을 실시하였다.
퓨즈 가용체 실험은 구조상 열 집중에 용이한 가용체 구조로 인한 열 이동의 영향을 최소화하기 위하여 환선 형태의 퓨즈 금속 가용체를 구성하였다. 재료의 영향과 저융점 금속 도금 두께의 영향을 확인하기 위하여 상용 퓨즈에 많이 적용되는 구리에 니켈 함량을 조정하여 합금을 제작하였고 이 중 순동과 합금 함량이 가장 많은 Cu-45Ni은 도금 두께에 따라 세분화 시험을 실시하였다.
황산 주석을 이용한 도금 건욕 조성과 도금 조건은 표 2와 같으며, 도금의 두께는 와이어 선경 체적의 10%, 20%, 30%와 같이 체적에 비례한 두께 변화로 실험을 실시하였다.

대상 데이터

실험은 파워 서플라이 Power-soft사 800/8000, 오실로 스코프 Tektronix사 DPO 3022, 저항계측기 Hiyoki사 3,227 mΩ Hitester를 사용하였다.
실험을 위하여 싱글샷 전류 측정 장치에 적용되는 1.25 A 퓨즈를 Cu-100% 가용체로 제작하였고 그림 8 과 같이 나타내었다.
전원 인가형 싱글샷 전류 측정 장치는 유지 보수를 위한 휴대성을 고려하여 설계된 제품이 대부분으로 시스템 구동을 위한 최소한의 회로 공간만이 허용되어 상대적으로 적은 회로 공간에서 적용하는 IEC60127-3 초소형 퓨즈를 대상으로 돌입전류 내구성 가용체 실험을 실시하였다.

성능/효과

그림 6~8의 결과로부터 합금 함량과 선경에 따른 저항의 변화 및 I-T 커브의 이동이 선경이 높아질수록, 순금속에 가까울수록 I²t 값과 수명, 내구성이 상승하는 설계임을 확인할 수 있다. 하지만 이와 같은 I-T 커브의 단순한 이동은 정격전류가 높은 퓨즈를 사용하는 것과 같이 커브 전체를 이동하기 때문에 210~400%에 해당하는 과전류에 대한 동작 특성은 만족하지 못한다.
실험 결과 그림 7과 같이 순금속(순동)일 때 가장 전기 전도도가 우수했으며, 합금의 함유량이 증가할수록 저항치가 상승하는 경향을 보였고 선경이 증가함에 따라 저항 값이 감소하는 경향이 나타났다. 또한 동일한 선경에서 합금 함량에 따른 용단 특성 변화와 동일한 합금 함량에서 선경 상승에 따른 용단 특성 변화 I-T 커브를 그림 6과 그림 7에 각각 나타내었다.
이를 위하여 제작된 퓨즈 가용체 일정성을 확인하기 위해 저항 값을 측정하였으며, 설계한 퓨즈의 가용체가양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 그리고 현재 일반적인 SMPS 회로에 적용되는 IEC 60127-3 초소형 퓨즈를 대상으로 1.
실험결과로부터 선경과 합금 함량에 따라 넓은 범위의 정격 전류를 구현할 수 있었고, 동작 특성을 유지하며 내구성과 I²t 특성도 만족하기 위하여 저융점 주석 금속 도금을 실시하였다. 이에 따라 동일한 1.25 A 초소형 퓨즈에 비하여 정격전류 및 210~400% 동작 특성은 유지하며 I²t 값은 최대 5배 이상의 성능 상승을 확인 하여 동작 특성은 유지하며 수면과 내구성이 상승된 가용체 설계가 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구의 결과로부터 퓨즈 가용체의 선경의 상승과저융점 금속의 도금을 이용한 동작특성 조정 설계는 빠른 용단과 수명, 내구성 상승 특성 등이 전기기기의 시작 돌입전류에서 퓨즈의 고장을 방지하는 적절한 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.
25 A 초소형 퓨즈에 비하여 정격전류 및 210~400% 동작 특성은 유지하며 I²t 값은 최대 5배 이상의 성능 상승을 확인 하여 동작 특성은 유지하며 수면과 내구성이 상승된 가용체 설계가 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구의 결과로부터 퓨즈 가용체의 선경의 상승과저융점 금속의 도금을 이용한 동작특성 조정 설계는 빠른 용단과 수명, 내구성 상승 특성 등이 전기기기의 시작 돌입전류에서 퓨즈의 고장을 방지하는 적절한 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.
하지만 동작 특성의 조정에서 일정 도금 두께 이상이 될 경우 동작 특성은 다시 높은 정격전류 방향으로 역행 하고 I²t 값은 더욱 상승하게 된다. 이와 같은 결과로부터 주석의 두께는 선경의 20% 이내에서 조정이 필요하고 정격전류의 210%, 275%, 400% 인가 시 동작 특성을 결정하여 설계가 가능함을 알 수 있다.
01초 전류를 지연하여 I²t 값을 상승시켰다. 이후 저융점 금속의 도금을 이용하여 상대적으로 낮은 과전류에서의 동작 시간을 상승시켜 정격전류를 1.25 A로 유지하였음을 확인할 수 있다. 재료의 융점을 낮추는 가용체 설계는 퓨즈의 동작 특성을 지연 동작 특성으로 만드는 방법으로 적용한 저융점 금속의 도금은 그림 9와 같이 저융점 금속의 확산을 통해 가용체의 용단 온도를 낮추는 것으로 판단할 수 있다 [10].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이차전지의 장점은 무엇인가?	최근 전기 자동차 및 ESS의 에너지저장 시스템으로 사용되고 있는 이차전지는 사용과 충전, 그리고 방전 시 하한까지 사용 가능한 장점으로 인하여 직류전원체계를 사용하고 있다. 이와 같은 이차전지의 직류 운영 체계는 충전 시에는 일정 전압까지 CC (constant current) 모드로 충전하고 일정 전압 도달 후에는 CV (constant voltage) 모드로 변경 충전하여 충전의 효율과 속도를 높이며, 방전 시에는 직류 CC 모드로, 방전 하한전압까지 일정한 방전을 할 수 있게 된다 [1].
	싱글샷 측정 장치의 측정 방법이 시스템의 수명하락과 고장을 일으키는 이유는 무엇인가?	하지만 그림 2와 같이 측정 장치에서 전원 버튼을 사용한 on/off 동작으로 임의의 전류 상승 기울기를 만들어 측정하는 싱글샷 측정 장치의 측정 방법으로 인해 동작 돌입전류가 발생하고, 이는 시스템의 내구성에 영향을 미치며 수명하락과 고장을 일으키는 원인이 된다 [4]. 이는 시스템 전원 인가 시 발생하는 돌입전류에 서지 보호 부품 없이 직접적으로 영향을 받는 1차 측 최초 메인 보호소자가 동작하기 때문이며 보호소자의 보호 동작을 유지하며 내구성을 상승시키는 부품 설계가 요구되고 있다.
	홀센서(hall sensor)의 한계점은 무엇인가?	하지만 이와 같은 이차전지 기반 에너지 저장장치의 직류 운영체계는 교류 기반 전력체계와 달리 전류의 변화가 없어 전류와 전압의 측정이 용이하지 않다. 특히 션트의 실장이 없이 통전 선로를 유지하며 전류를 측정하는 방법은 홀센서(hall sensor)를 사용할 수밖에 없지만, 최근 이차전지의 용량이 상승하며 에너지 저장장치의 통전 전류량이 증가하는 추세에서 상대적으로 고가인 높은 전류 측정용 홀센서를 산업적으로 도입하기 힘든 실정이다 [2]. 이에 직류 기반 이차전지의 유지 보수 산업에서는 그림 1과 같이 상대적으로 제작 단가가 낮고 시스템의 구성이 간단하며, 통전 선로에서 단선 및 정전작업 없이 전류량의 측정이 가능한 로고스 키코일형 싱글샷 전류측정 장치가 사용되고 있다 [3].

참고문헌 (10)

W. J. Park, I. H. Kim, H. Y. Jo, Y. G. Kim, and K. Y. Ahn, Trans. Korean Inst. Elect. Eng., 68, 1688 (2019). [DOI: https://doi.org/10.5370/kiee.2019.68.12.1688]

상세보기
S. Y. Oh and H. L. Choi, J. Inst. Control Rob. Syst., 20, 12 (2014). [DOI: https://doi.org/10.5302/j.icros.2014.13.1971]

원문보기 상세보기
P. Jang, J. Korean Magn. Soc., 28, 5 (2018). [DOI: https://doi.org/10.4283/jkms.2018.28.1.005]

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C. H. Ahn, J. Inst. Electron. Inf. Eng., 54, 3 (2017). [DOI: https://doi.org/10.5573/ieie.2017.54.3.131]
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S. J. Jin, E. M. Kim, J. S. Youn, Y. J. Lee, and S. Y. Noh, J. Korean Acad.-Ind. Coop. Soc., 19, 80 (2018). [DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.6.80]

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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