무접점 계전기 선택 시 엔지니어가 고려해야 할 일반적인 설계 파라미터

대부분의 공장에서 무접점 계전기(SSR)와 관련된 문제는 부적절한 설계 파라미터 선택으로 인해 발생하는 경우가 많습니다. SSR 선택 시 고려해야 할 4가지 설계 파라미터로는 열 관리, 스위칭 유형 선택, 전류 정격 해석, 과전압 보호가 있습니다. 이 기사에서는 이러한 4가지 설계 파라미터를 심도 있게 살펴보고 Littelfuse의 SSR 제품과 해당 변형 제품이 최적의 파라미터를 달성하는 데 어떻게 도움이 되는지 설명합니다. 궁극적으로 이 기사는 테스트를 통해 Littelfuse의 SSR이 뛰어난 내구성을 입증했음을 보여줍니다.

다양한 부하 응용 분야에 대한 SSR 스위칭 유형

가열 시스템은 경우에 따라 예기치 않은 전자기 간섭을 일으켜 적합성 테스트에 실패할 수 있습니다. 모터 제어 응용 제품은 응답 시간을 늦출 수 있습니다. 이 두 문제는 대개 동일한 간단한 원인으로 인해 발생합니다. 바로, 엔지니어가 응용 분야에 잘못된 SSR 스위칭 유형을 선택한 경우입니다.

전기 부하의 유형에 따라 다양한 스위칭 접근 방식이 요구됩니다. 발열체와 같은 저항성 부하는 전기 전류가 0부터 부드럽게 흐르기 시작할 때 가장 잘 작동합니다. 이러한 접근 방식은 전압 과도 현상과 전자기 잡음을 차단합니다.

반면, 모터와 같은 유도성 부하는 이와 다릅니다. 모터에는 AC 파형의 위치에 상관없이 즉각적인 스위칭 응답이 필요합니다. 이는 모터의 전류와 전압 간의 본질적인 위상 관계로 인한 것이며, 이러한 관계는 유도성 회로의 특징입니다.

이러한 부하의 다양한 전기적 특성으로 인해 스위칭 요구 사항이 완전히 달라집니다. 잘못된 스위칭 유형을 사용하면 엔지니어가 시스템에서 겪는 문제가 발생할 수 있습니다. 그림 1은 각각 저항성 부하 및 유도성 부하에 적합한 제로 크로스 턴온 및 랜덤 턴온의 현상을 보여줍니다.

그림 1: 다양한 스위칭 모드에 대한 전도 타이밍(녹색 영역)을 보여주는 전압 파형. 제로 크로스 스위칭은 과도 현상을 최소화하고 순간 스위칭은 시간 임계적 응용 분야를 위한 즉각적인 응답을 제공합니다(이미지 출처: Littelfuse).

이러한 불일치는 여러 문제를 유발합니다. 전압 과도 현상은 민감한 전자 부품을 손상시키고, 전자기 간섭의 경우 적합성 문제로 인해, 많은 비용이 드는 재설계를 초래합니다. 이로 인해 장비 수명이 크게 단축되므로 시스템 성능을 예측할 수 없게 됩니다.

대부분의 SSR 제조업체는 이러한 문제를 해결하는 데 도움을 주지 않으며, 일반적인 스위칭 옵션을 제공하기는 하지만 응용 지침이 거의 없습니다. 즉, 엔지니어가 복잡한 부하 호환성을 스스로 파악해야 하며, 시행착오를 거치면서 가장 잘 작동하는 것을 찾아내야 합니다. 이로 인해 프로젝트가 지연되고 비용이 증가합니다.

Littelfuse는 IXYS 반도체 및 DBT(직접 결합 기술)를 사용하여 부하 특성에 맞도록 특별히 설계된, 응용 제품별 스위칭 기술을 제공합니다. SRP1-CBAZH-050NW-N 및 SRP1-CRAZH-050TC-N과 같은 제로 크로스 스위칭 모델은 AC 전압 영점 교차점에서 정확하게 스위칭하여 전기적 과도 현상을 제거합니다. 이러한 모델은 600VAC를 기준으로 최대 24kW까지의 가열 시스템을 제어하는 데 적합하며, 전자기 간섭을 최소화합니다.

그림 2: Littelfuse의 SRP1-CR, SRP1-CB, SRP1-CB…F SSR(왼쪽에서 오른쪽으로)(이미지 출처: Littelfuse)

즉각적인 응답을 요구하는 모터 및 유도성 응용 분야의 경우, SRP1-CBARH-050NW-N 및 SRP1-CRARH-050TC-N을 포함한 순간 스위칭 모델은 제어 신호가 수신되는 즉시 활성화됩니다. 이러한 모델은 고전력 산업 자동화의 까다로운 모터 시동 특성을 처리합니다. 이 응용 분야별 엔지니어링 접근 방식은 초기 설치부터 신뢰할 수 있는 성능을 보장합니다. 그림 2는 Littelfuse의 다양한 SSR 변형 제품을 보여줍니다.

전류 정격 지침 및 안전 여유

다음과 같은 제조업체 규격서에도 불구하고 엔지니어가 SSR의 정격을 계속적으로 축소하는 이유는 무엇일까요? 실험실에서의 사양과 실제적인 작동 환경 사이에는 차이가 존재하기 때문입니다.

전류 정격은 처음에는 간단해 보입니다. 그러나 엔지니어는 곧 문제를 발견하게 됩니다. 발열체는 냉각이 시작될 때 공칭 전류의 1.4배를 끌어오며, 주변 온도는 +40°C 정격 기준을 초과할 수 있습니다. 이러한 시나리오는 상당한 부하 경감을 요구합니다. 또한 전선 크기가 부적절할 경우 전류 용량은 더욱 감소합니다. 이러한 요인들은 복잡한 사양 환경을 조성합니다. 부품의 크기가 작으면 조기에 고장이 발생하고 부품의 크기가 과하면 비용과 패널 공간이 낭비됩니다.

대부분의 SSR 제조업체는 최소한의 응용 컨텍스트로 기본적인 전류 정격만 제공해 이러한 문제를 더욱 악화시킵니다. 엔지니어는 작동 가정, 안전 여유 또는 실제 부하 경감 요인에 대한 이해 없이 규격서상의 수치를 받습니다. 이러한 문제는 해석을 위해 비용이 많이 드는 시행착오를 거쳐야 하므로 프로젝트를 지연시킵니다. 또한 초기의 적절한 지침을 통해 방지할 수 있었던 부품 고장을 자주 일으킵니다.

그림 3: Littelfuse의 SSR 설계 지침은 가열 응용 분야에 대한 20% 부하 경감 요소를 보여줍니다. 전력 값은 표준 AC 전압을 기준으로 각 SSR 정격에 대한 최대 안전 히터 와트를 나타냅니다. (이미지 출처: Littelfuse)

Littelfuse는 추측 과정이 필요 없는 명확한 사양을 통해 세부적인 전류 정격 지침을 제공합니다(그림 3).

• SRP1-CRAZL-010TC-N과 같은 10A 모델은 8A 히터 전류를 안전하게 처리하여 960W ~ 4.8kW 범위의 응용 제품을 지원하는 동시에 전기 환경에 대한 통합 과도 전압 억제기(TVS) 보호를 제공합니다.
• SRP1-CBAZL-025NW-N과 같은 25A 버전은 20A 부하를 관리하여 가열 응용 제품을 위한 제로 교차 스위칭을 통해 2.4kW ~ 12.0kW 시스템을 지원합니다.
• 50A 장치는 40A 응용 제품을 제어하여 4.8kW ~ 24.0kW의 장비에 전력을 공급합니다.

각 사양에는 75% ~ 80%의 보수적 이용률과 세부적인 온도 작동 데이터가 포함되어 있으며 이는 열 및 전기적 스트레스에 대한 지능적 관리를 통해 서비스 수명을 연장시킬 수 있음을 보여줍니다.

전압 스파이크 및 전기적 과도 현상으로부터의 보호

전기적 과도 현상은 산업 환경에서 빈번하게 발생합니다. 이러한 사례에는 전력선을 통한 낙뢰 서지와 모터 스위칭 작동 중의 역-EMF 발생이 포함됩니다. 유틸리티 그리드 장애도 1200V를 초과하는 전압 스파이크를 발생시킵니다. 각 이벤트의 지속 시간은 수 마이크로 초에 불과하지만 이는 SSR과 SSR에 연결된 다른 장치에 손상을 줄 수 있습니다. 시간이 지나면서, 여러 작은 과도 현상에서 누적된 손상이 부품에 고장을 일으키고, 결과적으로 생산을 중단시킬 수 있습니다.

기존의 접근 방식에는 외부 서지 보호 장치가 필요하므로 여러 보호 레벨 사이에 패널 공간, 복잡한 배선 및 세심한 조정이 추가로 요구됩니다. 많은 SSR 제조업체들은 보호 기능이 통합되지 않은 기본 장치를 제공하므로, 엔지니어는 별도의 서지 억제 시스템을 설계해야 합니다. 그러나 외부 보호기를 사용하면 추가 연결을 통해 고장점이 만들어지므로 기생 유도 용량 및 응답 지연으로 인해 충분히 빠르게 응답하지 않을 수 있습니다.

그림 4: 이 내부 기능 블록은 광 커플러 분리, 트리거 타이밍 제어(제어 크로스 또는 즉시), 양방향 AC 스위칭을 위한 역평행 사이리스터 출력 구성을 보여줍니다(이미지 출처: Littelfuse).

Littelfuse는 SSR 하우징 내에 직접 SMBJ 계열 TVS 다이오드를 결합한 SRP1-CR 계열을 통해 통합 보호 기능을 제공합니다. 그림 4의 내부 기능 블록은 이러한 통합 보호 접근 방식을 지원하는 광 커플러 분리 및 트리거 타이밍 제어를 보여줍니다. 이 부품 수준의 보호는 나노초 내에 응답하여, 손상이 발생하기 전에 900VPK ~ 1200VPK의 전압 스파이크를 클램핑합니다.

가열 시스템을 위한 SRP1-CRAZH-050TC-N 및 모터 제어를 위한 SRP1-CRARH-050TC-N과 같은 모델은 특정 응용 분야에 최적화된 과전압 보호 기능이 내장되어 있습니다. 이는 역-EMF 과도 현상이 일반적인 위협이 되는 가변 주파수 구동기가 사용되는, 전기적으로 가혹한 환경에 이상적입니다.

이 통합 설계는 외부 부품의 필요를 없애고, 회로에서 필요한 위치에 정확하게 보호 기능을 제공합니다. 이 접근 방식은 보호 기능이 지원되지 않는 대안과 비교하여 향상된 신뢰성을 입증하며, 전기적 과도 현상에 대한 완전한 보호를 제공합니다.

방열 및 온도 제어 솔루션

대부분의 엔지니어들은 전기 사양에 집중하지만 SSR의 실제 수명은 열 설계에 따라 결정됩니다. 작동 중의 열 발생은 접합 온도가 안전 제한을 초과하기 전까지는 관리가 가능해 보입니다. 그러나 반도체의 성능 저하는 조용히 시작되어 결과적으로 성능 일관성을 떨어뜨립니다.

문제는 작게 시작됩니다. 즉 대부분의 응용 제품은 표준 +40°C 정격 기준을 초과하여 작동하므로 전류 부하 경감이 필요한데, 이는 사양에 언급은 되어있지만 강조되지는 않습니다. 여기에 고르지 않은 페이스트 도포, 부적절한 방열판 크기, 원활하지 않은 주변 공기 흐름으로 인한 열 계면 불균일 문제가 추가됩니다. 결과적으로, 간단한 열 관리 작업으로 보이는 문제가 많은 비용이 예상되는 복잡한 엔지니어링 문제가 됩니다.

Littelfuse는 SRP1 계열을 통해 통합 열 관리를 제공하여 하나의 완전한 솔루션에 열 제어의 모든 측면을 통합합니다. 사전에 부착된 열 패드는 설치 변수를 제거하면서 지저분한 화합물 없이 일관적인 열 전달을 보장합니다. IXYS 반도체 기술과 DBT(직접 결합 기술)는 표준 부품에 비해 향상된 방열 특성을 제공합니다. 세부적인 열 부하 경감 곡선은 모든 작동 조건에 대한 정밀한 방열판 선택을 지원합니다.

그림 5: 주변 온도 및 방열판 열 저항(°C/W)을 기반으로 하는 부하 전류 제한. 이는 고온의 산업 응용 분야에서 열 고장을 방지하는 데 필수입니다(이미지 출처: Littelfuse).

그림 5는 다양한 열 시나리오에 대한 부하 전류 대 주변 온도 곡선을 보여줍니다. SRP1-CBAZH-050NW-N 및 SRP1-CRAZH-050TC-N과 같은 50A 모델은 적절한 0.7°C/W 방열을 통해 +50°C까지 최대 전류 용량을 유지합니다. 이러한 모델은 +40°C 주변 온도 및 1.5°C/W 방열에서도 35A 용량을 제공합니다. 따라서 고온 산업 환경에 사용되는 히터 제어와 같은 응용 분야에 매우 적합합니다.

테스트 결과 및 성능 인증 데이터

독립적인 비교 테스트를 통해 Littelfuse의 성능 주장의 유효성이 입증되었습니다. 2x 정격 전류에서 테스트된 동일한 750,000회 내구성 테스트에서 Littelfuse SRP1 계열은 주요한 3개 경쟁업체 제품보다 훨씬 뛰어난 성능을 보였습니다(그림 6). Littelfuse 장치는 전체 테스트 주기를 완료한 반면, 경쟁 장치는 각각 200K, 130K, 60K 주기에서 실패했습니다. 경쟁 장치 3은 안전을 위협하는 파괴적 반도체 폭발을 경험했습니다

그림 6: 내구성 테스트 후 SSR 내부 손상을 시각적으로 비교한 이미지로, 상단 덮개가 제거된 상태의 세부적인 고장 모드를 보여줍니다(이미지 출처: Littelfuse).

사후 고장 분석을 통해 경쟁업체 장치에서 열 피로 손상이 발견되어, Littelfuse의 IXYS 반도체 기술, DBT(Direct Bonding Technology), 열 관리의 효과가 입증되었습니다. 이 실제 환경에서의 검증은 Littelfuse의 통합 4대 접근 방식이 눈에 띄게 향상된 신뢰성을 제공함을 입증합니다. 이러한 결과에 따라 SRP1 계열은 중요한 산업 응용 분야를 위한 확실한 선택지가 되었으며 cЯUus, CE 및 RoHS 적합성 표준을 충족합니다.

결론

Littelfuse의 SRP1 계열 SSR은 산업용 SSR 고장으로 이어지는 엔지니어링 문제를 해결합니다. 응용 분야에 맞는 스위칭 유형을 사용하면 전자기 간섭을 제거할 수 있으며 보수적인 안전 여유는 정격 부족으로 인한 고장을 방지합니다. 통합된 과전압 보호는 전기적 과도 현상을 처리하며, 개선된 열 관리는 서비스 수명을 연장합니다. 실제 환경에서 테스트를 수행한 결과, 경쟁 제품이 약 200,000회에서 고장이 발생한 반면 Littelfuse 제품은 750,000회를 기록하여 우수한 성능이 입증되었습니다. 이러한 엔지니어링 접근 방식은 설치부터 수년 간의 까다로운 산업 서비스까지 신뢰할 수 있는 작동을 보장합니다.