돌입 전류

모터, 변압기, 구동 장치, 안정기 그리고 전원 공급 장치와 같은 전기 장비를 켤 때의 최대 돌입 전류는 회로의 정상 상태 동작 전류보다 몇 배나 더 클 수 있습니다.

이 돌입 전류의 영향으로 회로 부품들이 망가질 수 있습니다. 스위치나 릴레이에서의 접점 반동은 접점 간에 발생한 아크로 인해 접점에 자국을 남길 수 있으며, 또한 스위치 접점이 서로 붙을 수도 있습니다. 높은 돌입 전류는 컨버터, 입력 정류기 및 커패시터에 심하게 스트레스를 가해 퓨즈의 오동작이나 회로 차단기 고장의 가장 일반적인 원인이 됩니다.

이러한 손상이나 고장을 방지하기 위해서는 회로에 적절한 수정 소자를 집어넣어야 합니다. 이를 돌입 전류 제한기라고 하며, 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 다른 옵션들이 있습니다.

저항

매우 작은 전원 공급 장치(최대 수 와트)의 경우, 라인에 직렬로 저항을 추가하는 것은 돌입 전류를 제한하는 간단하고 실용적인 해결책입니다.

하지만, 최대 돌입 전류를 제한하기 위해 필요한 높은 저항 값으로 인해 효율에서의 손실은 굉장히 커지며 보다 높은 전력 소자에는 적합하지 않습니다.

서미스터

서미스터는 소자 본체의 온도 변화에 따른 저항 값 변화가 매우 큰 전자 부품으로, 실제로 "열 저항기(thermal resistor)"라는 단어의 축약입니다.

아래 두 가지 유형이 있습니다.

  • NTC (Negative Temperature Coefficient, 부온도계수)
  • PTC (Positive Temperature Coefficient, 정온도계수)

이들은 상온(25℃)에서의 저항 값에 따라 나눠집니다.

NTC

NTC가 장착 된 회로에 전원이 공급될 때 NTC의 저항은 높은 값으로 시작합니다. 돌입 전류가 지나가고 컨버터가 안정 상태가 되면 NTC의 온도는 증가하고 저항은 감소합니다.

NTC는 차가울 때만 돌입 전류를 제한합니다. 그래서 전원을 끈 후 빠르게 다시 켠다면 NTC는 냉각될 시간이 부족해 돌입 전류를 제한하지 못할 것입니다.

돌입 전류를 제한하기 위해서는 NTC를 부하 회로에 직렬로 연결해야 합니다. 또한 높은 댐핑(효과)를 위해 여러 제한기를 직렬로 연결할 수도 있습니다. 하지만 돌입 전류 제한기를 병렬로 연결해서는 안됩니다.

PTC

과전류로부터 보호하기 위해 기존의 퓨즈 대신에 PTC 서미스터 또한 사용되었습니다. 허용 불가할 정도로 높은 전류에 반응할 뿐만 아니라 사전 설정된 온도가 초과될 경우에도 반응합니다. 저항을 높여 전류를 감소시킴으로써 전체 회로의 전력 소모를 제한합니다.

PTC의 전압-전류 특성 곡선으로 인해 PTC는 단락 또는 과전류 보호 소자로서 가장 알맞는 후보입니다. 부하에 직렬로 연결된 경우 PTC는 낮은 저항 상태를 유지하여 전류 흐름에 있어서 무시해도 될 정도의 감쇠가 됩니다. 단락 또는 과전류 상태가 발생하면 PTC는 높은 저항 상태로 전환되어 회로의 전류 흐름을 정상 동작 레벨보다 현저히 낮게 제한하게 됩니다. 오류 조건이 해제되면 PTC는 낮은 저항 상태로 되돌아가 전류 흐름이 정상 수준으로 복구됩니다.

온도 감지 애플리케이션에서는 여러 PTC를 직렬로 연결할 수 있지만, 전압 정격을 높이기 위해 (여러 개를)직렬로 연결하지는 마십시오. 두 소자가 정확하게 동일하지는 않기 때문에 한 소자가 다른 소자보다 더 빨리 가열되기 쉬우며, 그로 인해 다른 소자를 통해 흐르는 전류를 제한하게 되어 전체 전압은 하나의 소자를 통해서만 강하가 발생하게 됩니다.

PTC 서미스터가 부하에 직렬로 놓여있으면 반응하기 위해 높은 저항이 되어 전체 공급 전압을 처리해야 합니다. 따라서 Vmax는 충분히 높게 선택해야 하며, 공급 전압 변동의 가능성도 감안되어야 합니다.

PTC의 전류 정격은 충분히 높아야 합니다. 이는 어떤 경우에도 서미스터가 낮은 저항 상태를 유지하는 전류입니다.

최대 허용 스위칭 전류가 초과되는 상태가 발생할 수 있는 지의 여부를 검토할 필요가 있습니다. 너무 높은 스위칭 전류로 인해 PTC가 과부하 되지 않도록 해야 합니다. 위험 가능성이 있다면, 서미스터에 저항을 직렬로 연결함으로써 대응할 수 있습니다.

높은 저항으로 인해 돌입 전류를 적절하게 제한할 수 있는 저온 상태로 돌입 전류 제한기가 되돌아갈 시간이 필요하다는 점을 고려해야 합니다. 쿨다운 시간은 특정 소자, 소자의 장착 방법 및 주변 온도에 따라 달라집니다. 일반적인 쿨다운 시간은 약 1분입니다.

돌입 전류 제한기가 초기 저항 수준으로 복귀하는데 필요한 쿨다운/복구 시간으로 인해 발생하는 문제들을 제거하기 위해 엔지니어가 사용할 수 있는 설계 기술이 있습니다. 기본적으로 이 기술은 돌입 전류 제한기가 기능을 수행한 후에는 이를 회로에서 제외시키도록 하는 돌입 전류 보호 설계를 포함합니다. 초기 서지 전류가 통과한 후 회로에서 빼 버림으로써, 서미스터는 냉각될 틈이 생기게 되며, 이로 인해 전원 차단 발생 후의 후속 서지에 대응할 준비가 됩니다.

이 기술은 돌입 전류 제한기에 병렬로 릴레이 또는 트라이악 중 하나, 그리고 이를 제어하기 위해 필요한 회로를 추가해야 합니다. 보호 회로의 모든 부품들은 전원 입력에 직렬일 것입니다. 서미스터에 의해 돌입 전류가 차단된 후 트라이악을 동작 시키거나 또는 릴레이를 닫습니다.

이러한 전류 제한기 소자들은 거의 모든 애플리케이션에 적합하도록 매우 다양한 구성과 보호막으로 되어 있습니다. 일반적으로 비드 형태의 서미스터는 높은 안정성과 신뢰성, 빠른 응답 시간 그리고 높은 동작 온도를 제공합니다. 디스크 및 칩 형태는 대체로 비드 형태보다 커서 응답 시간이 상대적으로 느립니다. 하지만 방열 상수는 보통 더 높아서 측정, 제어 및 보상 애플리케이션에서의 전력을 처리하기가 용이합니다. 그리고 이들은 일반적으로 비용이 더 저렴하고 상호 호환 가능한 특성의 제품을 더 쉽게 구할 수도 있습니다.

제품에 사용 할 돌입 전류 제한기를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 사항은 에너지 정격, 최대 돌입 전류 그리고 저항 값 입니다. 다음 공식이 선택 과정에 도움이 될 것입니다.

돌입 전류 제한기 선택하기

최대 허용 서지 전류와 옴의 법칙(V/I=R)을 사용하여 제품에 필요한 최소 저항을 결정합니다.

피크 전압/최대 돌입 전류 = 최소 저항 요구치

  • Vp/(inrush)max = R

SSI(Steady State Current, 정상 전류) 결정

  • 돌입 전류 제한기를 통과해 흐르게 될 최대 정상 전류를 결정
  • SSI = 출력 전력 / (입력 전압 X 효율)

온도 범위

  • 소자가 지정된 온도 범위에서 작동하는지 확인하십시오. 일반적으로 대략 25ºC이지만 일부 규격서에는 필요에 따라 추가 온도 요구사항에 대한 저항 온도 곡선이 포함되어 있습니다.

환경의 영향

  • 포팅 및 실링 화합물의 화학 물질 또는 사용법이 서미스터에 사용할 수 있는지를 확실히 하기 위해 규격서를 확인하십시오. 특정 화학 물질로 인한 티탄산 세라믹의 감소는 전도 경로에 낮은 저항을 형성하거나 열 특성의 변화를 초래하여 과열 및 고장으로 이어질 수 있습니다.

서미스터의 장점들
보시다시피, 돌입 전류에 대비해 서미스터를 사용하면 많은 이점들이 있습니다.

  • 낮은 부품 비용
  • 간단한 설계
  • 매우 작은 기판 공간
  • 자기 보호

결론은:

  • 높은 돌입 전류는 회로 부품들을 심각하게 손상시킬 수 있습니다.
  • 이러한 손상이나 고장을 방지하기 위해서는 적절한 수정 소자를 회로에 집어넣어야 합니다.
  • 돌입 전류 제한기는 소자 본체의 온도 변화에 따른 저항 값 변화가 매우 큰 전자 부품으로 돌입 전류를 제어하는 데 사용됩니다.
  • 저항은 (소비)전력이 매우 작은 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
  • PTC와 NTC 서미스터는 돌입 전류가 높은 애플리케이션에서 제어용으로 사용됩니다.
  • 회로에 전원이 공급될 때, NTC의 저항은 높은 값으로 시작합니다. 돌입 전류가 지나가고 컨버터가 안정 상태가 되면 NTC의 온도는 증가하고 저항은 감소합니다.
  • PTC는 낮은 저항 상태를 유지하여 전류 흐름에 있어서 무시해도 될 정도의 감쇠가 됩니다. 단락 또는 과전류 상태가 발생하면 PTC는 높은 저항 상태로 전환되어 회로의 전류 흐름을 제한하게 됩니다.
  • 돌입 전류 제한기는 저온 상태로 되돌아갈 시간이 필요합니다.
  • 선택 기준은 기준 온도, 최소 저항 값, 최대 SSI 정격 전류 및 최대 허용 스위칭 전류입니다.
  • 제품에 가장 적합한 서지 제한기를 선택하려면 적절한 전류에 정격인 가장 작은 서지 제한기를 선택하십시오.




    영문 원본: Inrush Current