[논문]뇌서지 유입 시 새로운 스파크-갭을 활용한 전원회로 보호 대책

이강희; 박준우; 류동균; 원재선; 홍성수

뇌서지 유입 시 새로운 스파크-갭을 활용한 전원회로 보호 대책
A Solution to Protect the Power Supply Circuit Employing a New Spark-gap during Lightning Surge Inflow 원문보기

이강희 (국민대학교 전력전자 연구소) , 박준우 (국민대학교 전력전자 연구소) , 류동균 (삼성전기 (주) CDS 사업부) , 원재선 (삼성전기 (주) CDS 사업부) , 홍성수 (국민대학교 전력전자 연구소)

고전압, 대전류를 갖는 뇌서지는 전원회로에 유입되었을 때 소자 파손 및 회로 오동작 등의 문제를 일으킨다. 이에 대한 보호대책으로 SPD(Surge Protection Device)소자와 스파크-갭(Spark-gap)을 주로 사용한다. 이 때, 기존의 스파크-갭은 뇌서지 유입 시 방전현상 이후에 발생된 스파크-갭의 패턴 마모로 패턴의 복구가 불가능하고, 불규칙하고 변칙적인 방전으로 인하여 발생되는 서지주요 예측경로의 소자 및 패턴 파괴와 같이 2차적인 문제를 발생시킨다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 초기 유입 시부터 스파크-갭의 방전을 통해 에너지를 우회시킴으로서 전원회로의 뇌서지 부담을 줄여 전원회로의 안전성 및 안정적인 정상동작을 확보하는 대책을 제안하고, 스파크-갭의 구조에 따른 효과를 실험을 통해 검증한다.

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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 주요 파손소자인 1 2차 측 커플링 캐패시터와 Y 캐패시터는 물론 반도체소자를 보호하는데 우수한 성능을 갖는 새로운 스파크 갭의 추가 삽입 위치 및 구조를 제안한다.
본 논문에서는 전원회로에 서지 인가 시 발생하는 소자 파손 및 회로의 오동작을 방지하기 위한 보호 대책으로서 스파크 갭을 활용하는 방법을 제안하였다. 서지 유입 시 전원회로를 보호하기 위해서 스파크 갭을 통한 안정적인 방전이 이루어져야 한다는 것을 실험을 통해 확인하였고, 입력원에 위치한 스파크 갭의 적용은 비용 절감이 가능하며, 추가 소자 없이 적용할 수 있는 방식이기 때문에 회로의 부피상승도 발생하지 않는다.

제안 방법

그림 2는 기존의 스파크 갭과 제안 방식의 스파크 갭의 구조이다. 기존 스파크 갭의 형태는 톱니의 개수가 3개이고 간격이 넓지만, 제안 방식은 톱니의 수를 10개로 늘리고 간격을 좁혔다. 스파크 갭의 톱니수를 증가함으로써 뇌서지 유입 시 방전경로가 각 톱니 별로 증가되고, 스파크 갭의 방전은 간격의 거리에 반비례하기 때문에 스파크 갭의 방전 동작 전압이 낮아져 효과적이고 안정된 방전을 유도할 수 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 그림 1과 같이 전원회로의 입력전원 최 앞단에 스파크 갭의 추가 삽입을 제안한다. 제안 방식의 보호 원리는 Line에서 FG(Frame ground)로 인가되는 뇌서지가 새롭게 생성된 경로 A와 경로 B로 분배되어 흘러나가게 되어 서지전류가 전원회로 외부로 흘러가게 유도하는 것이다.
이러한 문제를 극복하기 위해 그림 1과 같이 전원회로의 입력전원 최 앞단에 스파크 갭의 추가 삽입을 제안한다. 제안 방식의 보호 원리는 Line에서 FG(Frame ground)로 인가되는 뇌서지가 새롭게 생성된 경로 A와 경로 B로 분배되어 흘러나가게 되어 서지전류가 전원회로 외부로 흘러가게 유도하는 것이다. 따라서, 새로운 경로를 통하여 전원회로 내부로 유입되는 서지전류를 저감시키는 효과를 갖게 된다.
제안 방식의 스파크 갭의 검증을 위해 제안 스파크 갭이 적용 된 회로에 서지 인가 실험을 진행하였다. 실험 조건은 다음과 같다.

성능/효과

스파크 갭의 톱니수를 증가함으로써 뇌서지 유입 시 방전경로가 각 톱니 별로 증가되고, 스파크 갭의 방전은 간격의 거리에 반비례하기 때문에 스파크 갭의 방전 동작 전압이 낮아져 효과적이고 안정된 방전을 유도할 수 있다. 결과적으로 방전경로의 증가에 따라 스파크 갭의 톱니가 부담하는 에너지가 균일하게 분배되어 제안 방식의 스파크 갭이 보다 안정적이고, 효과적인 방전을 할 수 있도록 한다. 따라서, 방전 발생 시 각 톱니 별로 패턴의 마모를 균일하게 부담할 수 있으며, 패턴의 손상을 획기적으로 줄일 수 있다.
그림 3은 기존 스파크 갭과 제안 방식이 적용된 스파크 갭에 서지 인가 실험을 마친 후의 사진이다. 기존 방식은 방전시 소음과 불꽃의 정도가 매우 심하여 패턴의 복구가 불가능한 결과를 보였지만, 제안 방식의 경우 안정된 방전을 진행하며 마모도에 있어서 유리한 결과를 보였다. 이는 방전경로의 증가로 인하여 에너지가 분산되어 방전으로 인한 마모의 부담을 덜어주기 때문이다.
표 1은 입력전원 최 앞단에 스파크 갭을 추가 삽입하여 실험한 결과이다. 기존 방식은 스파크 갭의 방전이 불규칙하고, 변칙적이며 불꽃과 소음 발생이 심한 반면, 제안 방식의 경우 소자의 파손이 없고, 통과율이 100%로 나타나 매우 안정적이고 규칙적인 방전을 하고 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 전원회로에 서지 인가 시 발생하는 소자 파손 및 회로의 오동작을 방지하기 위한 보호 대책으로서 스파크 갭을 활용하는 방법을 제안하였다. 서지 유입 시 전원회로를 보호하기 위해서 스파크 갭을 통한 안정적인 방전이 이루어져야 한다는 것을 실험을 통해 확인하였고, 입력원에 위치한 스파크 갭의 적용은 비용 절감이 가능하며, 추가 소자 없이 적용할 수 있는 방식이기 때문에 회로의 부피상승도 발생하지 않는다. 최종적으로 시제품을 제작하여 실험을 통해 제안 스파크 갭의 유효성과 우수성을 검증하였다.
서지 인가 시 주요 전류 파형을 그림 4에 나타내었고, 제안 방식의 경우 안정적인 스파크 갭 방전으로 인한 에너지 소모로 인하여 고주파 및 저주파성 서지전류가 감소하는 것을 확인하였다. 특히 주요 파손소자였던 1 2차 측 커플링 캐패시터로 흐르는 전류(I_coupling cap)가 크게 저감되는 것을 확인할 수 있다.
서지 유입 시 전원회로를 보호하기 위해서 스파크 갭을 통한 안정적인 방전이 이루어져야 한다는 것을 실험을 통해 확인하였고, 입력원에 위치한 스파크 갭의 적용은 비용 절감이 가능하며, 추가 소자 없이 적용할 수 있는 방식이기 때문에 회로의 부피상승도 발생하지 않는다. 최종적으로 시제품을 제작하여 실험을 통해 제안 스파크 갭의 유효성과 우수성을 검증하였다.
서지 인가 시 주요 전류 파형을 그림 4에 나타내었고, 제안 방식의 경우 안정적인 스파크 갭 방전으로 인한 에너지 소모로 인하여 고주파 및 저주파성 서지전류가 감소하는 것을 확인하였다. 특히 주요 파손소자였던 1 2차 측 커플링 캐패시터로 흐르는 전류(I_coupling cap)가 크게 저감되는 것을 확인할 수 있다.

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