서지방호 디바이스(SPD) 종류와 특성 - 전압스위칭형 SPD

서지방호 디바이스(SPD) 종류와 특성 - 전압스위칭형 SPD

 

 

SPD는 GDT나 MOV단체로 사용하는 경우, 복수형 회로를 구성하여 사용하는 경우 등 다양하지만 SPD의 상시 급전과 신호에 영향을 미치지 않아야 하고 SPD의 동작 전압,동작 중의 전압을 피보호 기기의 내전압 이하로 해야한다. 뇌보호 대책을 세울 때는 이 점을 고려해야 한다.

 

1. 서지방호디바이스(SPD)의 종류와 특성

서지방호 디바이스는 Surge Protective Device의 머리글자를 따서 SPD라고 하며, 보안기, 피뢰기, 어레스터, 서지 흡수기 등을 총칭해 일컫는다.

SPD에는 다양한 종류와 특성이 잇으며, 분류된 내용을 표1에 정리했다.또 각 보드의 표시 예를 그림 1에, 전압 스위칭형 SPD, 전압 제한형SPD 및 복합형 SPD의 표시 예를 그림 2~4에 나타냈다.

 

< 표1. SPD의 종류와 특성 >

 

< Fig01. SPD의 구조표시 예 >

 

< Fig02. 전압 스위칭형 SPD의 표시 예 >

 

< Fig03. 전압 제한형 SPD의 표시 예 >

 

< Fig04. 복합형 SPD의 표시 예 >

 

아래에서는 가스 주입 방전관, 서지방호 사이리스터, 금속 산화물 배리스터, 전자사태 항복소자(AVD : Avalanche Breakdown Diode)에 대해 해설한다.

 

 

2. 전압 스위칭형 SPD

1) 가스 주입 방전관(GDT)

가스 주입 방전관은 Gas DisCharge Tube의 머리글자로, 흔히 피뢰관을 말한다. GDT의 구조는 금속 전극과 세라믹등의 외주기로 구성되어 있고 내부를 저압가스로 채운 것이다.

GDT는 정전용량이 1pF 정도로 작아 수Ghz의 고주파 회선에서도 사용 가능하다. 일반적인 직경 8mm의 2극관,3극관의 GDT중에도 8/20㎲·10~20kA의 임펄스 전류 내량인 것이 있다. 단, 단독으로 GDT를 전류라인으로 이용하면 속류(뇌 서지가 GDT에 인가되어 방전을 시작하면 뇌 전류를 방류하지만 뇌 서지가 사라진 후 회로에 공급되는 전류에 의해 방전이 계속되는 것) 문제가 있기 때문에 단독으로 전류라인에 사용하는 것은 피하는 것이 좋다.

 

① 구조·외관

그림 5에 GDT의 기본적인 구조·외관 예를 나타냈다. 부재는 금속 전극과 세라믹 외부를 둘러싼 기기로 구성되며, 내부에 봉입되는 가스는 He, Ar등의 불활성 가스가 이용된다. 방전 개시 전압을 안정시키기 위해 전극의 표면에 활성제를 도포한다. 또 임펄스 방전 개시 전압을 낮추기 위해 세라믹 외주기 내면에는 트리거선 당김을 한다. 요구되는 사양에 따라 GDT의 크기, 모양, 봉입 가스의 종류, 혼합비, 압력 등을 고려해야 한다.

< Fig05. 2극관·3극관 GDT의 구조 및 외관 예 >

 

② 종류

전기·전자기기의 뇌보호 대책에서 자주 이용하는 것은 8mm의 GDT이다. 철도, 전력설비 등의 뇌보호 대책에 이용되는 대전류를 반복 통전시키는 경우에도 충분히 견딜 수 있는 직경 49mm의 GDT도 있다. 최근에는 직경 4mm 정도의 2극관·3극관의 표면실장형 GDT도 있고, 8/20㎲·2.5~10kA의 임펄스 저뉴 내량을 실현했다.

 

③ 특성

a. 직류 방전 개시 전압 : GDT의 양 단자 간에 완만하게 상승하는 100V/s 등의 전압을 인가했을 때, GDT에 전류가 흐르고 전압이 저하되기 시작할 때의 단자 간 전압이다. DC 75V~DC 12,000V 범위의 직류 방전 개시 전압이 사용된다.

b. 임펄스 방전 개시 전압 : GDT의 양 단자에 충분히 높은 임펄스 전압을 인가했을 때, GDT가 방전을 개시하는 단자 간의 전압이다. 그림6은 직류 방전 개시 전압이 400V인 GDT에 각 준도의 임펄스 전압을 인가했을 때의 전압-시간 특성 예이다. 그림에서 임펄스 전압의 준도가 급격해지면 임펄스 방전 개시 전압도 높아지는 것을 알수 있다.

< Fig06. 직류 방전 개시 전압 400V의 GDT전압-시간 특성 예 >

 

GDT의 방전 지연은 수㎲ 정도로 인가 전압의 피크를 넘어 방전한다고 말하는 사람도 있다. 그림7은 직류 방전 개시 전압이 400V인 GDT에 1,500V/ns의 전압 파형을 인가했을 때 GDT의 방전 파형 예를 나타낸 것이다.

 

< Fig07. 1,500V/ns의 전압 파형 인가시 GDT 방전 파형 예 >

 

그림에서 알수 있듯 GDT는 1,400V로 파고치는 높지만 ns 오더의 상승 인가 파형에서도 확실히 방전하는 모습이 확인된다. 그림6에 1,400V/ns를 플롯하면 동그라미 표시를 한 주변이 된다. 단, 1,400V로 방전 전압이 높아 내전압이 낮은 기기를 대상으로 하는 경우, GDT단독으로는 보호가 어려운 경우가 있으므로 주의가 필요하다.

c. 전압-전류 특성 : 그림8은 서서히 전류를 증가시켰을 경우의 GDT의 전압-전류 특성 예를 나타낸 것이다. GDT의 양 단자 간에 전압을 인가하고 전압을 상승시키면 GDT는 갑자기 전류가 흐르기 시작한다(그림 8 A 참조). 이 때의 전압을 방전 개시 전압이라고 한다. 전류를 증가시키면 단자 간의 전압은 GDT의 종류에 따라 다르지만, 50~200V의 거의 일정한 전압의 글로 방전 영역(그림 8 B-C 참조)이 된다.

 

< Fig08. GDT의 전압-전류 특성 예 >

 

전류를 더욱 증가시키면 이상 글로 방전 영역(그림 8 C 참조)을 거쳐 아크 방전 영역(그림 8 D-E 참조)이 되고, 10~20V의 저전압에서 방전을 계속한다. GDT가 아크 방전 영역으로 이동한 후, 통전시키는 전류를 줄이면 다시 글로 방전 영역으로 복귀, 마침내 방전을 유지할 수 없게되어 방전 정지된다. 그림 8에서 방전 경과를 나타내면 A(방전 개시)→B→C→D→E→D→F→G→B→A(방전 정지)가 된다.

 

2) 서지 방호 사이리스터(TSS)

TSS(Thyristor Surge Suppressors)는 자기 온 타입 사이리스터의 일종으로 동작 정지 전류(유지 전류)를 크게 한 것이다. 전화 관련 기기의 뇌보호 대책이 이용되는 SPD의 주요 구성 부품 중 하나이다. TSS는 규정 전압치를 초월한 뇌서지가 인가되면 즉시 클리핑 동작을 개시하고, 순식간에 전압이 켜진 상태가 됨으로써 과전압을 억제하여 뇌서지를 분류하는 특성을 갖고 있다. 저전압 온 상태에 스위칭 동작하는 특성이 있기 때문에 소형이면서 비교적 큰 임펄스 전류 내량을 확보할 수 있는 반면, 뇌서지가 사라진 후에도 온 상태를 유지하는 속류 현상에 주의해야 한다. 그림 9에 TSS의 전압-전류 특성 예를 나타냈다.

< Fig09. TSS의 전압-전류 특성 예(쌍방향 형) >