특수 저잡음 무접점 계전기를 사용하여 EMI를 제한하고 중요 표준을 충족하는 방법

30여년 전 소개된 이후 무접점 계전기(SSR)는 높은 신뢰성, 무아크, 저전력 작동을 필요로 하는 스위칭 응용 제품을 위한 전자 계전기(EMR)를 대체해 왔습니다. SSR의 추가적인 이점에는 무잡음 작동 및 디지털 제어 회로와의 호환성이 포함됩니다.

그러나, 까다로운 가정, 상업, 의료 응용 분야에서, 특히 IEC 60947-4-3과 같은 국제 전자 환경 적합성(EMC)을 준수해야 하는 응용 분야에서는, 계전기에서 생성되는 전자파 장애(EMI)을 최소화하기 위해 계전기를 신중하게 선택해야 합니다. 일부 제품은 전압 스파이크를 생성할 수 있으며 EMC 표준을 준수하지 않을 위험이 있습니다.

이 기사에서는 SSR의 이점과 결점을 설명하고 또한 SSR이 가장 적합한 응용 분야에 대해 알아봅니다. 그 다음에는 계전기에서 문제적 방출을 일으킬 수 있는 주요 부분을 살펴본 후, 설계자가 EMI에 민감한 상업, 가정, 의료 응용 분야에 사용할 수 있는 다양한 Sensata Technologies 저잡음 SSR을 소개합니다.

EMR 대 SSR

스위치를 사용하여 고전력 회로를 켜고 끄는 것은 비현실적입니다. 닫힐 때 최대 회로 전류에 노출되기 때문입니다. 스위치는 작동 중 위험하게 아크가 발생하고 과열됩니다. 이에 대한 해결책은 일반적인 스위치로 켜고 끌 수 있는 저전력 회로를 사용하여 고전력 회로를 트리거하는 것입니다.

이러한 방식의 이점에는 고전력 회로에 필요한 고강도 배선의 길이 감소로 인한 비용 및 공간 감소가 포함됩니다. 이러한 이점은 계전기를 부하에 가까이 배치할 수 있기 때문이며, 더 얇은 전선을 사용하여 저전력 스위치에 연결할 수 있습니다. 이 스위치는 일반적으로 사용자에게 더 편리한 위치에 있습니다. 또한, 저전력 회로는 갈바닉 전기를 통해 고전력 회로로부터 분리할 수 있습니다. 계전기를 사용할 수 있는 예에는 상업용 오븐, 가정용 전기 기구 및 의료용 장비가 포함됩니다.

기존의 EMR은 저전력 회로에 의해 동력이 공급되는 코일을 사용하여 자기장을 생성하며 이러한 자기장으로 인해 접점이 닫힙니다(상시 개방). EMR은 최대 정격까지 AC 또는 DC 부하를 스위칭할 수 있습니다. 해당 접점 저항은 부하가 증가함에 따라 감소하므로, 전력 손실이 줄고 방열판이 필요 없습니다(그림 1).

그림 1: 저전력 회로의 스위치가 닫히고 코일에 동력이 공급되어 접점이 닫히면 EMR이 AC 전력과 부하를 연결합니다. (이미지 출처: DigiKey)

EMR의 주요 이점은 장치의 유전체 정격보다 낮은 어떠한 인가 전압에서도 낮은 비용과 확실한 분리를 제공한다는 것입니다. 누설 전류로 인한 사용자 부상의 위험 없이 고전력 회로를 완전하게 켜고 꺼야하는 경우 분리는 특히 중요합니다. EMR은 또한 AC 공급 장치에서 대규모 서지 전류 또는 스파이크 전압이 예상되는 경우 뛰어난 옵션입니다.

EMR의 주요 단점은 EMI 및 마모의 가능성입니다. 접점이 개방되거나 닫히면 아크 현상이 발생할 수 있으므로 계전기는 상당한 크기의 EMI를 생성할 수 있습니다. 일반적으로 그 레벨이 낮으며, 잘 설계된 EMR은 차폐를 통합하여 방출을 완화할 수 있지만 EMI에 민감한 장비에 가까운 영역에서 사용되는 응용 제품의 경우 주의해야 합니다.

EMR은 기계 장치이므로 최고로 설계되고 제조된 제품도 결국에는 마모됩니다. 대부분의 경우 코일이 가장 먼저 작동되지 않으며, 접점은 상시 개방 상태여서(NO) 고전력 회로로부터 분리되기 때문에 장치가 고장 시 안전 상태로 유지됩니다. 즉 최신 EMR은 신뢰도가 뛰어나며 계전기에 의해 전력이 공급되는 장치를 가장 먼저 못쓰게 되는 경우가 많습니다.

SSR은 고전력 응용 제품을 스위칭하는 데 사용되는 제어 회로가 디지털 전자 기기로 마이그레이션됨에 따라 자체적으로 등장했습니다. 그 이름이 보여주듯이 SSR은 반도체 기반 장치이며 이러한 장치는 특히 높은 스위칭 속도를 갖는 응용 제품의 경우 마이크로 컨트롤러 기반 디지털 회로에 의한 감시에 매우 적합합니다.

SSR은 EMR의 주요 결점을 해결합니다. 가동 부품이 없기 때문에 SSR은 마모되지 않습니다. 이 장치는 일반적으로 수천만 주기 동안 성능을 수행하지만, 고장이 날 경우 “on” 위치에 있기 때문에 안전성에 영향을 줄 수 있습니다. SSR은 개방되거나 닫힐 때 아크를 생성하지 않으므로 열악한 환경에서의 사용에 적합할 뿐만 아니라 EMR에 피해를 줄 수 있는 대부분의 EMI 소스를 제거합니다. 또한 기계적으로 소음이 없고, 광범위한 입력 전압에서 작동하며 높은 전압에서도 매우 작은 전력을 소비합니다. EMR에서 SSR로의 전환은 SSR 가격이 계속적으로 감소함에 따라 가속화되었습니다.

SSR의 주요 단점은 반도체 회로로서의 기반에서 비롯됩니다. 예를 들어, “on” 상태일 때 상당한 저항이 발생하여 수십 와트의 전력 손실이 발생하므로 결과적으로 열이 축적됩니다. 이러한 열 문제는 일반적으로 설계자가 솔루션의 크기와 무게를 늘리는 상당한 방열판을 포함시켜야 한다는 것입니다. SSR은 또한 주변 열에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에 상승된 온도에서 사용될 경우 반드시 부하를 내려야 합니다. 내부 회로 저항은 또한 공급 전압의 변화에 민감한 부하의 경우 문제를 일으킬 수 있는 전압 강하를 생성할 수 있습니다. “off” 상태에 있는 경우 SSR은 약간의 누설 전류를 나타냅니다. 높은 전압에서 이는 바람직하지 않으며 심지어 안전 문제를 일으킬 수도 있습니다. 또한 대부분의 SSR은 적절하게 작동하기 위해 최소한의 부하를 필요로 합니다.

SSR 작동의 기본 사항

출력 스위치는 SSR의 핵심 부분입니다. AC 출력 계전기의 경우, 출력은 트라이액 또는 백투백 실리콘 제어 정류기(SCR)에 의해 조정할 수 있습니다. SCR 솔루션의 주요 이점은 특히 계전기가 “off” 상태로 전환될 때의 빠른 dv/dt 특성입니다.

예를 들어, 트라이액을 통해 출력을 제어하는 SSR이 off 상태로 전환되면 dv/dt는 5V/ms ~ 10V/ms까지 느려질 수 있습니다. 느린 dv/dt 특성은 문제가 될 수 있는데, 감소 전류를 위한 di/dt(및/또는 재인가 전압을 위한 dv/dt)가 너무 피상적이기 때문이며, 트라이액은 AC 공급이 제로 전류/전압 점을 교차한 후에 전도될 수 있습니다. 이러한 이벤트는 출력을 불안정하게 만들며 EMI를 증가시킬 수 있습니다.

이와 비교하여, SCR은 약 500V/µ의 dv/dt를 가지며 제로 교차점을 지난 후에는 전도되지 않습니다. SCR을 사용하는 SSR의 또 다른 이점은 단일 트라이액에 비해 부품이 더 넓은 영역에 걸쳐 확산되기 때문에 열 발산이 향상된다는 것입니다. 이 기사의 나머지 부분에서는 백투백 SCR 출력 단계를 사용하는 SSR을 설명합니다.

그림 2에 SCR을 사용하는 기본 SSR이 표시되어 있습니다. AC 출력 SSR은 일반적으로 AC 라인으로 전력이 공급됩니다. S1(입력 회로로 조정됨)이 닫히면 SCR1 및 SCR2의 해당 게이트가 연결되고 R1 또는 R2의 전류가 R1 또는 R2를 통과하여, SCR이 순방향으로 바이어싱될 때마다 게이트로 흘러 들어갑니다. 그러면 SCR이 “on” 상태가 되고 계전기가 전도되어 부하에 전력이 공급됩니다. AC 공급 장치의 각 하프 주기마다 SCR이 교대로 전도되고 부하에 전류가 공급됩니다. S1이 개방되면 SCR이 “on” 상태가 될 때마다 계속적으로 전도되며 이는 SCR이 “off” 상태가 되어 AC 전류가 0에 도달할 때까지 계속됩니다. 이 시점에서 다른 SCR은 더 이상 게이트 전류를 받지 않으며 계전기가 개방되고 부하에 대한 전력이 제거됩니다.

그림 2: 백투백 SCR을 사용하는 계전기의 기본 레이아웃. S1은 저전력 입력 회로로 구성됩니다. (이미지 출처: Sensata-Crydom)

최신 SSR은 일반적으로 옵토커플러를 기반으로 하여 저전력 회로와 고전력 회로 간 분리를 제공합니다. 설계자에게 제공되는 두 가지 주요 옵션은 LED/옵토트랜지스터 기반 옵토커플러를 사용하거나 LED와 옵토트라이액을 결합하는 장치를 사용하는 것입니다. 옵토트랜지스터는 필요한 제어 전류가 낮고, 공간이 절약되며, 설계자에게 제어 회로 특성을 구성할 수 있는 더 많은 기회를 제공합니다. 트라이액 접근 방식의 주요 이점은 비용이 낮다는 것입니다. 그림 3에 옵토트라이액 제어 계전기 회로도가 표시되어 있습니다.

그림 3: 이 SSR에서는 옵토트라이액을 기반으로 하는 옵토커플러를 통해 저전력 회로와 고전력 회로 간 분리가 제공됩니다. (이미지 출처: Sensata-Crydom)

SSR을 선택하는 방법에 대한 자세한 내용은 DigiKey 기술 기사 “SSR을 사용하여 전류 또는 전압을 안전하고 효율적으로 전환하는 방법”을 참조하십시오.

저 EMI 환경을 위한 SSR

SCR 제어 출력을 갖춘 SSR을 선택하는 것은 EMI 민감 응용 제품을 위한 좋은 옵션입니다. 장치에 내재적인 저잡음 특성이 있기 때문입니다. 특히 민감한 응용 제품의 경우(예: IEC 60947-4-3 표준을 준수하는 스위칭 제품을 필요로 하는 제품) 초저잡음 제품을 선택해야 합니다. 입력이 활성화되는 시점에 상관없이 AC 전압이 제로 전압점을 교차할 때만 전환되는 SSR은 이러한 응용 제품에 좋은 옵션입니다.

이른바 이러한 제로 교차 제품은 AC 출력이 주기 중간에 있을 때 고전력 회로를 켤 수 있는 유입 전류 및 전압 스파이크를 제거합니다. 이는 결과적으로 EMI 발생을 줄입니다. 설계자는 제로 교차 SSR이 발열체와 같은 저항 부하에는 특히 적합하지만 고유도 부하에는 적합하지 않다는 점에 주목해야 합니다. 이러한 응용 제품에 더 좋은 선택은 소위 무작위 스위칭 SSR을 사용하는 것입니다. 이 장치는 AC 공급이 제로에 도달할 때까지 기다리지 않고 입력 스위치가 활성화되는 순간 스위칭됩니다.

Sensata-Crydom 브랜드의 SSR을 제공하는 Sensata Technologies는 최근 LN 계열 AC 출력 저잡음 범위 SSR에 속한 세 가지 제품을 소개했습니다. LND4425는 출력에 25A를 공급할 수 있고, LND4450는 50A를, LND4475는 75A를 공급할 수 있습니다. 이러한 장치는 안정적인 작동을 위해 100밀리암페어_rms(mA_rms)의 최소 부하 전류를 필요로 하며 “하키 퍽” 폼 팩터로 제공되고 무게가 약 75g입니다(그림 4). 세 가지 솔루션 모두 48V ~ 528V AC 출력을 제공하며 4.8V ~ 32V DC의 제어 전압에서 작동합니다. 내장된 입력/출력 과전압 보호 기능을 갖추고 있으며 입력에서 출력까지의 절연 내력은 3500V_rms입니다.

그림 4: Sensata-Crydom의 LND44xx SSR은 무게가 75g에 불과한 콤팩트한 솔루션에서 최대 75A 및 528V를 제공합니다. (이미지 출처: Sensata-Crydom)

LN 계열은 최저 EMI 작동을 위해 설계되었습니다. 이 계열은 입력에 옵토트라이액이 장착된 옵토커플러와 함께, 느린 dv/dt 특성의 결과로 발생할 수 있는 잠재적 EMI를 극복하기 위해 출력 제어에 백투백 SCR을 사용합니다. 백투백 SCR은 500V/µs의 dv/dt를 제공합니다. 이 제품은 또한 최소한의 EMI로 저항 부하 스위칭을 가능하게 하는 특허 받은 트리거 회로를 갖추고 있습니다. 그림 5에 LN 계열 SSR을 위한 회로도가 표시되어 있습니다.

그림 5: Sensata-Crydom의 LN 계열 SSR은 특허 받은 트리거 회로 및 백투백 SCR과 같은 특징을 통해 EMI를 최소화하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Sensata-Crydom)

이러한 EMI 완화 기능의 결과로 저전압 가정, 상업 및 경공업 위치에 대한 IEC60947-4-3 환경 B를 준수할 수 있습니다.

그림 6: Sensata-Crydom LND4450 SSR에 대한 전도성 RF 방출 테스트. IEC60947-4-3 환경 B 준수에 대한 임계값은 주황색 실선으로 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Sensata-Crydom)

LN 계열은 그림 7에 표시된 상업용 오븐의 가열기와 같은 응용 제품에 특히 적합합니다.

그림 7: 상업용 오븐에 사용되는 계전기는 IEC60947-4-3 환경 B 규정을 준수해야 합니다. 이 그래픽에서, 계전기 위치는 숫자로 표시되며, “1”은 LND44xx SSR이 적합할 수 있는 위치를 나타냅니다. (이미지 출처: Sensata-Crydom)

결론

계전기는 저전력 활성 회로를 사용하여 고전력 회로를 스위칭하기 위한 간단하고 입증된 솔루션입니다. EMR은 저가형 솔루션이 필요한 경우에 좋은 옵션이지만 고주파 스위칭 응용 제품 및 EMI 민감 영역에서의 사용에는 덜 적합합니다. SSR은 더 비싸지만 견고하고 마모 없는 작동을 제공하며 디지털 전자 기기에 의한 제어에 특히 사용 가능합니다. 그러나 SSR을 선택하는 설계자는 EMR에 비해 동일한 응용 제품의 높은 열 발산으로 인해 SSR이 일으키는 열 문제에 대해 잘 알고 있어야 합니다.

모든 유형의 SSR은 EMR보다 낮은 EMI를 나타내지만, 일부 설계자는 IEC60947-4-3 환경 B에 지정된 요구 사항과 같은 EMC 규정 요구 사항을 충족하는 데 어려움을 느낍니다. 위에서 설명한 바와 같이 그 해결책은 백투백 SCR 출력 스테이지와 함께 SSR을 사용하는 것입니다. 이는 제로 교차 스위칭을 제공하여 RF 방출을 크게 낮추므로 규정을 보다 손쉽게 충족할 수 있습니다.