향상된 서지 보호를 위해 하이브리드 AC 서지 보호 장치를 적용하는 방법

전자 장치는 만연해 있으며, 전압 서지 및 과도 상태에 대한 최신 보호 기능을 제공할 수도 또는 제공하지 않을 수도 있는 전기 인프라에 액세스할 때 프런트 엔드 보호에 크게 의존하는, 점점 더 민감해지는 회로망과 함께 빠르게 발전하고 있습니다. 이러한 과도 상태는 민감한 전자 장치를 손상시키거나 성능을 저하시킬 수 있는 과전압 및 과전류 이벤트를 발생시키는 낙뢰, 스위칭 또는 유사한 전압 서지의 결과일 수 있습니다.

가스 방전 튜브(GDT) 및 금속 산화물 배리스터(MOV)와 같은 기존의 저가형 서지 보호 기술은 서지 에너지를 방향 전환하거나 제한합니다. 각각 장점이 있지만 이 두 장치 모두 장애가 발생하기 전에 처리할 수 있는 과도 상태 수에 제한이 있습니다. 또한 GDT는 전류를 완전히 차단하지 못할 수 있고 MOV는 여러 과도 상태가 활성화된 후 열폭주로 인해 고장이 발생할 수 있습니다.

결점을 완화시키면서 GDT와 MOV 모두의 최고 성능을 확보하기 위해, 지정된 서지 보호 레벨에 대해 비교적 작은 물리적 크기를 가진 단일 통합 장치에 하이브리드 기술 부품이 등장했습니다. 통합 부품의 상호 보완적인 특성은 두 장치 모두의 성능을 향상시키고 작동 수명을 연장시키지만 효과적인 수행을 위해서는 GDT 및 MOV 소자의 신중한 정합이 필요합니다. 올바르게 구현될 경우 이 IsoMOV™ 하이브리드 서지 보호기는 정보 기술 및 오디오/영상 장비에 대한 위험 기반 표준인 IEC/UL62368-1을 보장하는 데 특히 유용합니다.

이 기사에서는 GDT 및 MOV 서지 보호기가 어떻게 작동하는지 간단히 설명한 후 Bourns의 실제 IsoMOV 하이브리드 보호기를 예로 그 특성을 살펴보겠습니다. 마지막으로 IEC/UL62368-1을 충족하기 위해 IsoMOV 기술을 구현하는 방법을 설명합니다.

SPD 작동 방식

서지 보호 부품은 다음 두 가지 방식 중 하나로 작동합니다. 즉, 스위치로 작동하여 서지를 접지로 전환하거나(크로우바링이라고도 함) 과도 상태 에너지를 흡수/소산하여 최대 전압을 감소된 레벨로 고정함으로써 서지 전압을 제한할 수 있습니다.

GDT는 크로우바 제한기의 한 예입니다. GDT는 아르곤과 같은 무반응 가스의 스파크 갭으로 구성되며 전력선에 유선으로 연결됩니다. 전압 레벨이 GDT의 항복 전압 아래로 떨어지면 장치는 기본적으로 고 임피던스 'off' 상태가 됩니다. 과도 상태가 GDT의 항복 전압보다 높은 전압 레벨로 증가되면 GDT는 전도 또는 'on' 상태로 전환됩니다(그림 1).

그림 1: GDT가 'on'으로 트리거된 경우 전압 및 전류 파형 그래프. 항복 전압이 초과되면 전압이 약 10V로 떨어지고 전류가 크게 증가됩니다. (이미지 출처: Bourns)

GDT가 전력 입력에 유선으로 연결되면 기본적으로 전원을 단락시킵니다. 그러면 퓨즈, 회로 차단기 또는 기타 직렬 보호 장치를 트리거시켜 GDT의 회로 다운스트림을 보호합니다. 'off' 상태에서는 전압이 높고 전류가 낮습니다. 'on' 상태에서는 반대 현상이 발생하며 소산되는 전력이 매우 작습니다. 상태 전환 시에는 예외입니다. GDT의 상태를 재설정하려면 입력 전압을 항복 전압 아래로 줄여야 합니다. 전력선 입력이 충분히 낮게 떨어지지 않는 경우 GDT는 재설정되지 않고 '후속' 전류를 계속 전도하여 켜진 상태를 유지할 수 있습니다. GDT가 계속 켜져 있을 가능성은 이러한 유형의 서지 보호 기술에 대한 중요한 제한 사항입니다.

MOV는 클램핑 장치이며 GDT 같이 전력선에 배치됩니다. 정상 작동에서 MOV는 고 임피던스 상태이며 작은 누설 전류만 소비합니다(그림 2).

그림 2: MOV의 전류-전압 특성은 양극 클램핑 작동을 보여줍니다. (이미지 출처: Bourns)

전압 서지 발생 시, MOV의 임피던스가 떨어져 더 많은 전류를 소비하여 전력을 소산시킵니다. 그러면 과도 상태 전압이 감소 및 제한됩니다. 과도 상태가 끝나면 MOV 임피던스가 증가하고 정상 상태로 돌아갑니다. MOV는 견딜 수 있는 과도 이벤트 수를 근거해 평가됩니다. 과도 상태 이벤트 수가 초과하면 MOV의 누설 전류가 증가할 수 있습니다. 이로 인해 장치에서 소산되는 전력이 증가하여 장치가 가열됩니다. 가열은 누설 전류를 증가시키고 MOV가 열폭주 상태가 되어 치명적인 장치 고장을 일으킬 수 있습니다.

이러한 서지 보호 기술 중 어느 것도 자체적으로 이상적이지 않습니다. 그러나 GDT와 MOV가 전력선을 가로질러 직렬로 배치되면 상호 보완적인 동작이 명확해집니다. 정상 작동 시에는 GDT가 꺼지고 MOV에 누설 전류 흐름이 없습니다. 전압 과도 상태가 발생하는 동안 GDT가 작동하므로 회로에 MOV가 배치됩니다. 이제 MOV가 과도 전압 서지를 고정합니다. 과도 상태가 지나가면 MOV가 꺼지고 GDT를 통과하는 전류가 감소하여 GDT도 꺼집니다.

GDT와 MOV를 직렬로 배치하려면, 서로 정확하게 보완될 수 있도록 각각의 특성을 신중하게 정합해야 합니다. 이산 구현은 설계부터 제조, 테스트 및 패키징에 이르기까지 다양한 변수의 영향을 받기 때문에 설계자가 적합한 정합을 찾기가 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Bourns의 IsoMOV 하이브리드 보호기는 신중하게 정합된 두 개 MOV와 한 개 GDT 소자를 개별 부품보다 훨씬 작은 단일 패키지에 결합합니다(그림 3).

그림 3: IsoMOV SPD는 두 MOV 사이에 GDT를 결합시켜 형성됩니다(a). 복합 회로도 기호는 오른쪽 (b)에 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Bourns)

그림 4의 IsoMOV 하이브리드 보호기의 복합 과도 상태 전압 응답은 두 소자가 함께 작동하는 방식을 보여줍니다.

그림 4: IsoMOV 하이브리드 보호기의 전압 응답은 GDT 부품의 파괴를 통해 MOV 부품이 활성화되어 다운스트림 회로가 보호됨을 보여줍니다. (이미지 출처: Bourns)

IsoMOV 하이브리드 보호기의 두 소자는 독립적으로 최대 연속 작동 전압(MCOV)을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 위에서 언급된 바와 같이 GDT는 과도 상태가 없을 때 MOV 누설 전류를 차단합니다. 과도 상태가 여러 번 발생한 후에도 GDT는 증가하는 MOV 누설 전류 레벨을 차단합니다. MOV는 과도 서지 이후의 후속 전류를 방지하므로 GDT를 보호할 수 있습니다. IsoMOV 장치의 기하학적 구조는 단일 MOV와 비교하여 단위 면적당 서지 용량을 증가시킵니다.

설계 엔지니어의 관점에서 IsoMOV 장치는 부품 개수와 기판 공간을 모두 최소화하는 작은 통합 패키지에서 향상된 보호를 제공합니다. 예를 들어 ISOM3-175-B-L2는 MCOV가 175V_RMS(볼트 제곱 평균)인 IsoMOV 하이브리드 보호기이며, 최대 클램핑 전압 470V에서 최소 15개의 3kA(킬로암페어) 공칭 서지를 처리할 수 있습니다(그림 5). 이 장치는 13.2mm의 지름과 6.1mm의 두께를 가집니다. 지름은 최대 전류 용량에 따라 달라지며 두께는 MCOV가 증가함에 따라 함께 증가합니다.

그림 5: ISOM3-175-B-L2는 IsoMOV 하이브리드 보호기의 콤팩트한 폼 팩터에 대한 한 예입니다. 이 장치는 두 개의 MOV와 한 개의 GDT를 포함하지만 지름이 13.2mm에 불과하며 두께는 6.1mm입니다. (이미지 출처: Bourns)

Bourns IsoMOV 제품군에는 세 가지 공칭 전류 3kA, 5kA, 8kA(MCOV 정격 175Vrms ~ 555Vrms 기준)가 포함됩니다. 중간 범위 장치에는 17mm의 지름과 7.1mm의 두께를 가진 300V_RMS, 5kA 장치인 ISOM5-300-B-L2가 있습니다. 고전류 장치에는 555V_RMS MCOV의 8kA 장치인 ISOM8-555-B-L2가 있습니다. 이 장치는 지름이 23mm이고 두께는 9.4mm입니다. 이러한 장치는 모두 -40°C ~ +125°C의 작동 온도 범위를 가집니다.

Bourns의 IsoMOV 하이브리드 보호기는 별도의 MOV 및 GDT를 사용하는 것과 비교할 때, 공간 절약형 폼 팩터에 이러한 최첨단 서지 정격을 제공합니다. 이 보호기는 누설 전류가 매우 낮으며 직렬 GDT는 MOV의 수명을 연장시킵니다. 또한 모든 IsoMOV SPD는 UL1449 유형 4 부품에 기재되어 있으므로 더 쉽게 서지 보호 장치 내부에 설계할 수 있습니다.

IEC/UL62368-1 레벨의 보호 구현

IsoMOV 부품은 IEC/UL62368-1 준수를 달성하는 데 유용한 솔루션입니다. 오디오/영상 및 정보 통신 기술 장비에 대한 새로운 IEC/UL 62368-1 안전 표준은 장비 사용자의 물리적 안전과 안전 조치의 실현을 위한 HBSE(위험 기반 안전 공학) 원칙을 기반으로 합니다. 이는 잠재적으로 위험한 에너지원과 정상 작동 및 결함 조건 모두에서 에너지가 사용자에게 전달될 수 있는 프로세스를 식별합니다.

그림 6의 권장되는 전력 입력 보호 설계는 회선에서 중성선, 전선에서 보호 접지, 중성선에서 보호 접지까지의 보호 장치를 포함합니다.

그림 6: IEC/UL62368-1을 준수하는 권장되는 전력 입력 보호 회로는 회선에서 중성선, 전선에서 보호 접지, 중성선에서 보호 접지까지의 보호 장치를 포함합니다. (이미지 출처: Bourns)

MOV를 단독으로 사용하는 경우 발생할 수 있는 감전으로부터 보호하려면 회선과 접지 사이에 또는 중성선과 접지 사이에 MOV 또는 IsoMOV와 직렬로 연결된 GDT가 필요합니다. 보호 접지가 연결되지 않은 경우, 사용자가 분리된 접지 경로를 만지면 MOV 자체의 높은 누설 전류로 인해 부상을 입을 수 있습니다. GDT를 직렬로 배치하면 이러한 누설 전류를 제거할 수 있습니다.

MOV 및 MOV가 포함된 장치와 관련된 위험에는 과도한 누설 전류로 인한 쇼크와 화재 위험이 이 있습니다. 고장 모드로 인해 MOV는 잠재적 발화원(PIS)으로 간주되므로 설계에 발화 가능성을 줄이고 화재 확산을 차단하는 단계가 포함되어야 합니다.

서지 보호기는 제품 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 되며 표준에서 요구되는 특정 테스트를 확인해야 합니다. 예를 들어 MOV의 MCOV는 장비 전압 범위의 전압 상한의 최소 1.25배여야 합니다. 85VAC ~ 250VAC 전력 입력 범위를 가진 장비의 경우 해당 장비의 회선 보호 MOV는 313V여야 합니다. 회선에 MOV가 포함된 회선 보호 회로는 공칭 정격의 두 배인 회선 전압을 기준으로 한 테스트의 적용을 받습니다. 입력 전류는 저항기에 의해 값 0.125A, 0.25A, 0.5A, 1A, 2A으로 순차적으로 제한됩니다. MOV는 잠재적 화재원이므로 MOV에 장애가 발생할 때까지 테스트가 지속됩니다. 이러한 조건에서는 MOV에 장애가 발생할 가능성이 매우 낮기 때문에 이 테스트는 MCOV가 최대 정격 회선 전압의 두 배보다 큰 MOV에 필요하지 않습니다.

결론

IsoMOV 하이브리드 보호기는 노후화되거나 제대로 보호되지 않는 인프라 및 계속적으로 진화하는 사용자 보호 표준을 배경으로 전자 시스템이 빠른 속도로 발전, 규모 축소 및 급증될 때 전자 시스템에 대해 개선되고 보다 콤팩트한 보호 기능을 제공합니다. 또한 탁월한 성능 및 공간 절약과 함께 확장된 온도 범위, 낮은 누출, 높은 에너지 처리 기능을 제공합니다. 이는 높은 서지에 노출된 산업 응용 분야에 특히 유리하며, HBSE(위험 기반 안전 공학)를 기반으로 하는 IEC/UL62368-1 표준을 충족하는 오디오/영상 및 정보 통신 기술 장비에 쉽게 구현할 수 있습니다.