하이브리드 방식과 관련하여 적합한 제어 기능을 구현하는 것은 보기보다 상당히 어렵다. 전압 스파이크로 인해 전자기 노이즈가 방출될 수 있기 때문이다. 이러한 전압 스파이크를 줄이면서 제어 회로를 간편하게 구현할 수 있는 방법을 소개한다.

하이브리드-릴레이(hybrid-relay)는 무접점-릴레이(static-relay)와 기계식-릴레이(mechanical-relay)를 병렬로 통합하고 있는 스위치다. 이들은 릴레이의 로우 드롭 전압(low drop voltage) 특성을 고 신뢰성 실리콘 소자와 결합했다. 일반적인 애플리케이션은 가전기기의 모터 스타터 또는 히터 제어다. 하이브리드-릴레이는 점점 더 매력적인 기술이 되고 있는데, RoHS 지침의 준수가 기계식 릴레이의 전원 스위칭에 대한 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.

하지만, 이러한 하이브리드 방식과 관련하여 적합한 제어 기능을 구현하는 것은 보기보다 상당히 어렵다. 예를 들어, 기계식 스위치와 실리콘 스위치 간의 전환 시 발생하는 전압 스파이크로 인해 전자기 노이즈가 방출될 수 있다. 이 글에서는 이러한 전압 스파이크를 줄이면서 제어 회로를 간편하게 구현할 수 있는 팁을 소개한다.

무접점 및 기계식 기술의 장점 통합

AC 스위치를 선택할 때, 기계식 또는 무접점 기술 중에 선택을 하는 데 있어서 일반적으로 알려져 있는 장단점이 있다. 실리콘 기술의 장점은 반응 시간이 빠르고 EMI(Electro Magnetic Interference) 방사를 일으키거나 릴레이 수명을 단축시킬 수 있는 턴-온 시의 전압 상승(voltage bounce)과 턴-오프 시의 스파크가 전혀 없다는 것이다.

전기기계식 솔루션의 장점은 주로 전도 손실이 적기 때문에 약 2A RMS 이상의 애플리케이션에 대해 방열판이 필요 없고, 구동 코일과 전원 단자 사이에 절연이 필요 없어 어떤 옵토-커플러를 사용하더라도 SCR(silicon-controlled rectifier) 또는 트리액(Triac)을 구동할 수 있다.

또 다른 솔루션은 2개의 기술을 모두 활용해 1개의 반도체 릴레이(solid-state relay)와 전기기계식 릴레이를 병렬로 연결한 하이브리드 릴레이(Hybrid Relay, HR)을 구현한다. 그림 1은 모터-스타터 애플리케이션에 사용된 이와 같은 토폴로지를 나타낸 것이다. 이 3상 모터-스타터를 위해 여기에 단지 2개의 하이브리드 릴레이가 사용된다. 2개의 릴레이가 모두 OFF 상태가 되면, 중성선(neutral wire)이 단선되지 않는 한 모터가 오프-상태로 유지된다.

부하가 중립으로 연결될 경우에 HR을 Line L1과 직렬로도 배치할 수 있다.

그림 1은 또한 HR 제어 시퀀스를 보여준다:

턴-온 시퀀스:

- 첫 번째, 트리액이 온 상태로 전환된다(고전류 애플리케이션의 경우, 백투백 방식으로 2개의 SCR을 연결). 이를 통해 부하가 영전압(Zero-Voltage) 조건에서 온 상태로 스위칭될 수 있다.

- 두 번째, 1개 이상의 메인 사이클 후에 릴레이가 온 상태로 스위칭된다. 릴레이 스위치-온 상태는 매우 낮은 전압 조건에서 발생한다(일반적으로 1V에서 2V 사이이며, 트리액 온-상태 전압 강하다).

- 세 번째, 트리액 게이트 전류가 릴레이 코일 전류 인가 후 최소 1개 또는 2개의 사이클 이내에 제거되어 트리액을 오프 상태로 전환하기 전에 릴레이가 활성화하는데 충분한 시간을 제공한다. 따라서 정상 상태 동안 부하 전류가 기계식 릴레이만을 통해 순환하게 된다.

턴-오프 시퀀스:

- 첫 번째, 트리액이 온 상태로 전환된다. 릴레이가 여전히 온 상태이기 때문에 부하 전류가 주로 기계식 릴레이만을 통해 순환한다.

- 두 번째, 수 밀리초(millisecond) 후에 릴레이가 오프 상태로 스위칭된다. 릴레이 스위치-오프 상태가 턴-온 시와 같이 매우 낮은 전압 조건에서 발생한다. 따라서 스파크 지속 시간이 단축된다.

- 세 번째, 트리액 게이트 전류가 릴레이 코일 전류 제거 후 최소 1개 또는 2개의 사이클 이내에 제거되어 트리액을 오프 상태로 전환한다. HR이 영전류 조건에서 오프 상태로 전환된다.

0에 가까운 전압 조건에서 기계식 릴레이를 스위칭함으로써 10배 정도 수명을 연장할 수 있다. DC 전류 콘텐트 또는 전압으로 스위칭을 할 경우, 이러한 효과를 더욱 높일 수 있다.

중요한 것은 카드뮴(Cadmium) 사용 규제에 관한 RoHS Directive (2002/95/EC) 면책이 2016년 7월 만료되기 때문에, 부식 방지를 위해 사용되는 콘택트와 접촉 용접에 사용되는 은산화카드뮴(silver-cadmium-oxide)이 은산화아연(Ag-ZnO) 또는 은산화주석(Ag-SnO2)으로 대체될 수 있다는 것이다. 이러한 콘택트는 단점을 보완하기 위해 상대적으로 큰 콘택트를 사용하지 않을 경우에 수명이 단축될 수 있다.

영전압 조건에서의 스위치-온 기능은 보상 커패시터 또는 인버터를 사용하는 전자식 램프 안정기, 형광 튜브 등과 같은 용량성 부하를 통해 돌입 전류(inrush current)를 줄일 수 있도록 해준다. 이를 통해 커패시터의 수명을 연장하고 주 전원 전압 변동을 방지할 수 있다.

또한 고체 상태 기술을 통해 프로그레시브 소프트 스타트 또는 소프트 스톱 기능을 구현할 수 있다. 부드러운 모터 가속 및 감속을 통해 기계 시스템의 마모를 줄이고 펌프, 팬, 공구, 콤플레서 등과 같은 애플리케이션의 손상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 파이프 시스템의 수격 현상(water hammer phenomena)이 사리지고 컨베이어에 사용되는 지터로서 V 벨트 미끌림(slippage)을 방지할 수 있다.

이와 같은 HR 스타터는 일반적으로 4 kW에서 15 kW 범위의 애플리케이션에 사용되지만, 250 kW 이상의 애플리케이션에서도 사용할 수 있다.

하이브리드 릴레이는 또한 난방용 애플리케이션에서도 사용된다. 난방 성능 또는 실내/용수 온도는 일반적으로 버스트 제어(burst control) 방식으로 설정된다. 버스트 또는 사이클-스키핑(cycle-skipping) 제어 방법은 수 사이클 동안 부하를 온 상태로 유지하고, “K” 사이클 동안은 “N”과 오프 사이클을 유지하도록 구성된다. “N/K” 비율은 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에서 사용되는 듀티-사이클처럼 난방 성능을 정의한다. 이때 제어 주파수는 25-30Hz 이하가 된다. 하지만, 이것은 난방 시스템의 시간 상수(time constant)를 위한 속도로서 충분하다.

EMI 잡음의 원인

트리액을 구동하는 데 다양한 제어 회로를 고려해 볼 수 있지만, 이러한 애플리케이션에서는 반드시 절연 회로를 사용해야만 한다. 그림 1은 2개의 트리액이 동일한 전압 레퍼런스를 가지고 있지 않다는 것을 보여주고 있다. 이것이 바로 옵토-트리액(opto-Triac) 또는 펄스 트랜스포머(pulse transformer)를 통해 구현된 절연 제어 회로를 사용하는 이유다. 2개의 회로 모두 이상적으로 동작하지 않으면 각기 다른 EMI 노이즈를 일으킬 수 있다.

그림 2는 옵토-트리액 구동 회로를 나타낸 것이다. 옵토-트리액 LED가 활성화될 경우(예를 들어, MCU I/O 핀이 상측 조건으로 설정된 경우), 트리액 게이트 전류가 R1을 통해 인가된다. 트리액 G와 A1 단자 사이에 연결된 레지스터 R2는 과도 전압이 인가될 때마다 옵토-트리액 기생 커패시터로부터 나오는 전류를 유도하는 데 사용된다. 일반적으로 50 Ω에서 100 Ω 사이의 저항이 사용된다.

이 회로의 동작원리로 인해 그림 2에 나타낸 바와 같이 스파이크 전압이 각 영전류 교차(Zero Current Crossing) 지점에서 나타나며, 내장(built-in) 영전압 교차(Zero-Voltage-Crossing) 회로를 사용하는 옵토-트리액을 사용하는 경우에도 이러한 현상이 나타난다.

사실 옵토-트리액 회로의 경우, 전압이 트리액 A1 및 A2 단자를 교차해서 나타나야 게이트 전류가 인가될 수 있다. 트리액이 온 상태일 경우, 이를 통해 나타나는 전압 강하(voltage drop)는 1 V 또는 1.5 V에 가깝다. 이러한 전압 강하는 게이트를 통해 전류를 공급할 수 있을 만큼 충분히 높지 않다. 옵토-트리액과 G-A1 접합 전압 강하의 합보다 낮기 때문이다(모두 1 V이상이다). 따라서 게이트에 전류가 전혀 인가되지 않기 때문에 부하 전류가 0에 도달할 때마다 트리액이 오프 상태로 전환된다.

트리액이 오프 상태이기 때문에 라인 전압이 다시 이것의 단자에 인가된다. 다음으로 이 전압이 전압 VTPeak를 충분히 증가시켜 게이트에 인가되는 전류가 트리액 IGT에 도달하도록 해야 한다.

그림 2에 나타낸 테스트 시에 사용된 T2550-12G 트리액(50mA IGT 특성을 가진 25 A 1200 V 트리액)의 경우, 이것의 최대 피크 전압은 7.5 V이다(음극 전환 시). 각각 0.8 V 및 1.1 V의 정상 전압 강하를 G-A1 접합과 옵토-트리액에 대해 가정할 경우, 이것은 200 Ω R1 레지스터를 통해 28 mA 게이트 전류를 제공한다. 이 전류가 사용한 샘플에 대한 3분면(음극 VT 전압과 음극 게이트 전류)에서 턴-온 상태에 대해 요구되는 IGT 전류이다.

최대 지정 값(50mA)에 가까운 IGT 레벨을 가진 샘플에 대해서는 VTPeak 전압이 한층 더 높을 수 있으며, 디바이스가 상대적으로 낮은 접합 온도에서 동작한다면, 온도가 감소할 때 IGT가 증가하게 된다.

이 VTPeak 전압이 라인 주파수(50 Hz 메인 주파수에 대해 100 Hz)를 2번 발생시키기 때문에 방사된 EMI 노이즈가 애플리케이션이 가전기기 및 전동기구를 위한 EN 55014-1 표준에서 정의한 방사 한계를 초과하도록 만들 수 있다. 이 노이즈는 트리액이 도전 상태일 경우에만 발생한다는 것 역시 주의해야 한다. 이것을 릴레이로부터 우회한다면 이 노이즈는 사라진다. 비연속 장애에 대해 적용되는 EN 55014-1 제한은 HR 동작 주파수와 같은 반복(또는 “클릭”) 속도와 장애 지속 기간에 의해 결정된다.

이러한 전압 스파이크를 방지하기 위해서 펄스-트랜스포머(pulse-transformer)를 옵토-트리액에 사용할 수 있다. 정류기 풀-브리지(Rectifier full-bridge)와 커패시터를 추가해 보조 트랜스포머의 정류 전압을 평탄화시켜 DC 전류가 트리액 게이트가 구동하도록 할 수도 있다. 따라서 각 영전류 교차 지점에서 더 이상 스파이크 전압이 발생하지 않는다. 하지만 기계식 릴레이에서 트리액으로 도전 전환 시의 장애는 여전히 발생한다. 이와 같은 전환은 HR 턴-오프 시에만 발생한다.

그림 3.a는 이 위상에서 발생하는 전압 스파이크를 나타낸 것이며, 이것은 정확하게 트리액이 온 상태로 스위칭할 때, 즉 전체 부하 전류가 갑자기 릴레이에서 트리액으로 스위칭될 때에만 나타난다. 그림 3.b는 트리액을 통한 전류 증가 현상을 확대해 나타낸 것이다. dIT/t 속도는 8A/μs에 가깝다.

트리액이 트리거되었지만 도전 상태가 아니기 때문에(전체 전류가 여전히 기계식 릴레이를 통해 순환하고 있기 때문에) 실리콘 기판은 전류가 흐를 때 높은 저항 특성을 가지게 된다. 이러한 높은 저항 특성으로 인해 높은 피크 전압이 유도될 수 있으며, 그림 3에 나타낸 T2550-12G를 통해 수행한 실험 테스트에서는 피크 전압이 11.6 V였다.

트리액이 도전하기 시작하면 트리액 실리콘 구조의 상측 및 하측 P-N 접합 모두가 경미한 캐리어를 기판에 주사한다. 이러한 주사를 통해 기판 저항을 감소시키고, 온-상태 전압을 약 1 V에서 1.5 V 미만으로 감소시킬 수 있다.

이러한 현상은 PIN 다이오드를 통해 피크 전압 강하를 일으켜 높은 전압 증가 속도로 온 상태로 전환되는 것과 동일한 현상이다. 이것이 바로 PIN 다이오드 데이터시트가 인가되는 dI/dt에 따른 VFP 피크 전압에 관한 정보를 제공하는 이유이며, 이것이 고주파수 조건에서 발생하면 애플리케이션의 효율에 영향을 미칠 수 있다. HR 애플리케이션의 경우, 이 VFP 전압은 HR 턴-오프 조건에서 한번만 발생하며 전력 손실 평가를 수행하는 것을 고려할 필요는 없다.

VFP 현상은 미세한 캐리어를 주사함으로써 기반 저항을 조절하는 데 필요한 시간 때문에 나타나므로, 이 전압은 예를 들어 T2550-8 등과 같은 800 V 트래액보다 1200 V 디바이스에 대해 더 높게 나타난다는 것 역시 주의할 필요가 있다. 따라서 마진이 너무 높아서 턴-온 시 상대적으로 높은 피크 전압을 유도하지 않도록 세심하게 디바이스가 견딜 수 있을 정도의 전압을 선택해야만 한다.

특정된 피크 전압이 옵토-트리액 회로를 통해 측정한 것보다 높을지라도 HR 턴-오프 시마다 이 현상이 사이클마다 나타나게 되면 EMI 콘텐트는 줄어들며 단지 수 밀리초만 지속된다. 이 때문에 크기가 상대적으로 크고 고가의 페라이트 코어로 인해 비용도 더 높음에도 불구하고 회로를 구동하는 펄스-트랜스포머를 선호하게 된다.

VFP 피크 전압 감소 방법

HR 애플리케이션에서 VFP 현상을 줄이기 위한 몇 가지 간단한 팁을 제어 회로에 구현할 수 있다. 가장 효과적인 방법 중 하나가 릴레이를 제어해 음극 전류 전도 기간 동안 오프 상태로 스위칭하는 것이다. 사실상, VFP 현상은 음극 전류보다 상대적으로 낮다. 그림 4는 그림 3.b와 동일한 테스트 조건으로 음극 전류에 대한 VFP 전압을 측정하여 제시한 것이다.

VFP 가 양의 전류에 대한 11.6 V보다 2배 정도 5.5V가 된 것을 알 수 있다. 음극성에 대해 VFP 전압이 상대적으로 낮아지는 것은 2사분면 대비 3사분면에서 보다 쉽게 실리콘 구조가 턴-온 상태가 되기 때문이다(양극 A2-A1전압과 음극 게이트 전류).

두 번째 팁은 트리액 게이트 전류를 증가시키는 것이다. 예를 들어, 지정된 IGT 레벨(50 mA)만을 인가하는 대신에 100 mA 게이트 전류를 인가할 경우에 T2550-12G 트리액을 통해 VFP를 양극 스위칭 전류 대비 2배에서 3배까지 낮출 수 있다.

VFP 전압을 낮출 수 있는 다른 솔루션은 영전류 교차 지점에 가깝게 릴레이를 개방하는 것이다. 확실히 스위칭 전류를 제한하면 트리액 턴-온 조건에서 인가된 dIT/dt를 제한할 수 있다. 물론 턴-오프 시간이 수 밀리초보다 짧은 기계식 릴레이와 같은 솔루션을 구현해야만 한다.

인덕터를 트리액에 직렬로 추가하여 dIT/dt를 낮출 수 있다. 단, 기계식 릴레이와 트리액 사이의 PCB 트랙이 짧아서는 안 된다.

결론

수명을 연장하면서 특히 개폐 장치(switching gear)에 요구되는 소형 크기를 지원하기 위해서 최근에는 하이브리드-릴레이가 애플리케이션에 일반적으로 많이 사용된다. 전압 스파이크의 발생 이유를 설명했다. 음의 전류 전도를 위해 릴레이를 오프 상태로 전환하거나, DC 또는 보다 높은 게이트 전류를 인가하거나, 트리액과 직렬로 인덕터를 추가하는 것과 같은 그 크기를 줄일 수 있는 해결책도 제시했다.