SCR 기기의 고장진단 기술 (1)

SCR 기기의 고장진단 기술 (1) 1. 머리말                       SCR이 개발된지도 20년 이상의 세월이 지나고 최근에는 그 응용 범위가 많아 산업용 외에 전력 송전 계통용과 에너지 절약의 절약의 분야에는 물론 태양열 발전에 이르기 까지 응용 범위가 넓어 또한 점검및 고장수리가 중 요한 부분을 차지한다는 것은 다 인식하는 바이다. 2. SCR을 이용한 기기 기기의 응용분야마다 다르지만 기본적인 공통점도 많아 여기서는 그 공통점을 설명하여 실제 고장수리에 도움 이 되시기 바람니다. 1) 직류전동기 구동 전원용 SCR 변환기 2) 교류전동기 구동용 가변전압, 가변주파수 인버터 3) 무정전 전원 공급장치(UPS) 4) 차량용 SCR 변환기 5) 초파식 변환기 6) 냉난방용 인버터 ---- 등 3. SCR의 특성과 CHECK POINT SCR의 특성은 게이트 전류를 공급하므로서 순방향의 저항분이 충분히 저하되며 일단 전류가 통전 되면 게이트 전류를 끊어도 일정한 전류치 이하로 하지않으면 순방향 전류를 차단할 수 없다. 또한 역방향으로 통전되지 않는다. 그러나 실제의 SCR에는 여러가지 문제점이 있으며 일정한 한도에서 즉시 파 괴되어 버리는 경우가 많다. 따라서 4가지 포인트를 점검할 수 있어야 한다. -  SCR 의 GATE 전류 -  SCR에 흐르는 전류 -  SCR에 인가 되는 전압 -  SCR의 온도 1) SCR의 GATE 전류 SCR을 통전 시키기 위해 GATE에 PULSE를 인가하면 SCR의 전류가 즉시 흐르는 것이 아니고 일정한 시간이 지난 후에 사이리스타의 전류가 흐르기 시작하는데 이것을 딜레이 타임이라한다. GATE 전류의 상승 시간은 SCR의 초 기 전류 내량에 크게 영향을 미친다. 즉 SCR에 흐르는 GATE전류에 의하여 전면적에 걸처 순시 도통 상태가 되는 것이 아니고 GATE 부근의 국부적인 점에서 도통 부분의 면적이 확대되는 특성을 가지고 있으며 이와같이 확대되는 특성이 GATE 전류의 상승 특성 이나 GATE 전류의 파고치에 영향을 미치는 것이다. 지연 시간에도 여향을 미치므로 중요한 요점이다. 그러므로 실제 운전 상태에서 게이트 전류의 상승 시간이 지 연되거나 회로의 접촉 불량 또는 노이즈에 의한 미세 전류가 흘렀을 경우 도통면적의 확대가 나쁘고 GATE 부근 에 국부적인 전류가 흐르기 때문에 국부과열 상태가 야기되어 SCR을 파괴시키게 된다. 2) SCR의 전류 앞에서 설명한 SCR의 도통 부분의 면적이 확대되는 특성으로 인하여 GATE 전류가 일정한 경우 SCR의 di/dt는 그 SCR의 정해진 값 이하에서 사용되어야 한다. 실제로 사용할 경우에는 회로의 SNUBBER 및 과전압 방지용으로 삽입되는 서지 업서바(이하 A-K간 CR이라 한다) 에서 방전되는 전류가 SCR GATE 부근에 집중되어 SCR을 파괴할 수가 있으며 SNUBBER의 저항기는 회로의 진동방 지외에 이 방전 전류를 억제하는 중요한 작용을 하고 있다. SCR의 라이스 타임 기간에 흐르는 SCR의 전류와 SCR의 순간전압 즉 순시적의 최대 순시치를 스위칭 파워라 하 고 일정치이하로 억제하고 있다. 이 현상은 SCR을 병렬로 접속하여 사용할 경우에 가장 현저하며 가장 빨리 TURN-ON하는 SCR 그 자체에 붙어 있 는 SNUBBER의 방전전류와 지연되어 TURN ON하는 SCR의 SNUBBER의 방전 전류도 가산되기 때문에 매우 높은 스위 칭 파워가 되어 SCR의 파괴와 연결될 수 있다. 이 방지책으로 SCR과 직렬로 리액타를 삽입하는 경우가 많다. SCR에 순방향 전류가 흐른 후에 역전압이 인가되었을 경우 순방향 전류가 0(零)을 끊은 후 일정기간 역방향 전 류가 흐르고 그 후에 역 내 전압이 회복되는 특성을 가지고 있다. 이 역방향 전류를 리카버리 전류 또는 Qr이 라 한다. 각 SCR 모두는 이Qr에 차이가 있으며 특히 SCR을 직렬 접속한 경우에는 Qr이 가장 작은 SCR이 빨리 역전압을 회복하기 때문에 전 전압을 분담하여 SCR을 파괴하는 경우가 있다. 이 방지책으로도 SNUBBER 회로가 필요하며 가장 빨리 역전압을 회복한 SCR의 과전압을 방지하는 동시에 다른 SCR의 Qr을 A-K 간 CR을 BY-PASS시켜 다른 SCR의 역전압 회복을 돕는 역활도 한다. Qr의 소멸은 급격히 발생하 기 때문에 이 di/dt에 의하여 회로의 리액턴스 성분에서 과대한 서지 전압을 발생시켜 SCR이 파괴되는 수도 있 다. 인버터와 같은 높은 펄스 전류를 통전하고 있는 SCR 기기는 TURN- ON시의 di/dt가 높고 scr은 매우 엄격한 사 용 상태에 있는 동시에 리카버리 전류의 (-)di/dt도 크고 그에 따른 서지 전압도 매우높기 쉽다. 다음에 SCR에 리카버리 전류가 흐른후 역내전압이 회복되고 이어 순방향 내전압이 회복되기 까지에는 일정한 시간이 필요하다.이것을 turn-off TIME이라 하며 UPS에 이용하는 인버터에는 이 TURN-OFF TIME을 얻기 위해 회 로가 필요한데 이것을 전류회로 (COMMUTATION CIRCUIT)라 한다. 3) SCR의 전압 SCR에 인가할 수 있는 허용 전압은 각각의 SCR에 따라 정해지고 잇는데 리카버리 전류의 소멸시에 높은 전류 변화가 발생하여 과대한 서지 전압이 발생한다. 또한 SCR에 인가하는 순전압의 가파름(통상 dv/dt의 허용치 등 으로 표시)도 매우 중요한 특성이다. 즉 SCR은 전극이 4층으로 된 콘덴사의 등가이며 전압의 가파름이 높아지면 SCR의 충전 전류가 게이트 전류의 작용을 하여 자기 점호 현상이 야기 된다. SCR의 TURN-ON TIME은 TURN-ON 직전의 순방향전압의 크기와 매우관계가 깊고 극단적으로 낮은 순방향 전압의 경우 TURN-ON할 수 없는 SCR이 있다. 이 현상은 SCR을 병렬로 사용할 경우에는 큰 문제가 되어 일부 SCR에 집 중 전류가 흘러서 과전류에 의한 SCR의 파괴가 발생한다. 따라서 각 SCR에 직렬 리액터를 연결하여 SCR이 TURN-ON해도 나머지 SCR의 순방향 전압을 충분히 확보 시킨다. 4) SCR의 온도 반도체는 일반적으로 온도에 따라 특성이 크게 달라 지는데 허용 온도는 내부의 정류 부분으로 일반적으로는 섭씨125도로 한정되어 있다. 온도 상승을 초래하는 주 요인은 순방향 전류에 의한 손실이라는 것은 말할 것도 없다. 순방향 전압에 의한 누설전류, TURN-ON 시의 스위칭 파워에 의한 손실, TURN-OFF시의 리카버리 전류에 의한 손 실등이 있으며 SCR의 응용 방법에 따라서는 무시할 수 없는 큰 손실이 있다. SCR의 열용량이 작고 단시간의 과 전류에 대해서도 민감하게 반응하는 점도 하나의 특징이다. 이상을 종합하면 다음과 같다. (1) 게이트 전류의 상승과 공급량의 확보 (2) TURN-ON 시의 di/dt, 스위칭 파워의 한계 (3) TURN-ON TIME 의 불균일의 고려 (4) 리카버리 전류의 불균일의 고려 (5) 리카버리 전류 소멸시의 과전압 (6) TURN-OFF TIME의 한계, 불균일의 고려 (7) dv/dt의 한계 (8) 열시정수의 속도와 열방산 또는 과부하 내량 5) SCR 의 파괴를 방지하는 보호 대책 (1) 외부에서 들어오는 서지 방지용 서지 옵서버(SNUBBER) (2) 게이트 전류의 안정화를 도모하는 직렬 저항 (3) 게이트 회로의 노이즈 방지용 콘덴사와 게이트 극의 역전압 방지용 다이오드 (4) TURN-ON시의 di/dt 억제 및 TURN-ON TIME의 불균일에 대처하는 직렬 리액타 (5) TURN-ON TIME 및 리커버리 전류 소멸시의 불균형에 대처하는 SNUBBER (6) 과전류 보호용의 고속도 한류 휴즈 (7) 열 시정수 및 열 방산을 위한 냉각 팬 고장 수리에 알아야 할 사항은 반도체 하나하나의 특성과 많은 경험이 가장 중요하다. SCR의 직렬 또는 병렬 에 관한 순방향 전압 강하(FVD)나 역방향 누설 전류에 대해서는 생략 한다. 4. SCR 장비의 고장 수리에 알아야 할 사항 1) 대 전류용 SCR 장비의 점검 대 전류용 SCR 의 전동기 속도 제어용에 대해 설명한다. 직류 전동기는 전압을 제어하여 속도 조정을 하는 예 인데 순변환기 측에만 게이트 펄스를 발생시켜 그 상이각을 조정하므로서 SCR의 출력 전압을 제어한다. 전동기 속도를 감속할 경우 순변환기의 게이트 펄스를 정지시켜 순변환기측에 게이트 펄스를 발생시켜 이것을 순, 역변환기의 전환 시간이라하며 일정한 시간이하로 하면 단락 상태가 되어 운전할 수 없게 된다. 타려식 인 버터로서 전동기 유기전압을 내려 감속하는 회로를 말한다. 2) SCR의 전압 전류에 대한 중요점 (1) 콘버터 운전시, 제어각 a가 진행되어 충분히 작아졌을 때 순방향 전압이 부족하여 SCR의 병렬수가 많은 경우 부분적으로 집중 전류가 흐른다. SCR 에 직렬 리액타를 연결한다. (2) 전원 전압이 일그러지고 제어각 a의 과소가 겹치면 최악의 경우에는 순간 전압이 거의 0(零)의 상태에서 게이트 전류가 공급되어 국부 점호에 의하여 SCR을 파괴하거나 고속도 한류 휴즈가 용단된다. 방지책으로 게이 트 펄스 발생기에 프론트 리미터가 부착되어 있다. (3) TURN-ON시 게이트 전류가 접촉 불량등으로 미소 전류가 되었을 경우 또한 측정기의 접속시 외부에서 들어 오는 노이즈등의 미소 전류는 DI/DT 내량의 저하 또는 스위칭 파워 내량부족으로 SCR을 파괴한다.      고장수리 및 점검시 SNUBBER의 접속 불량은 물론 또한 부품 불량으로는 저항, 콘덴사의 교환에 있어서도 상수를 잘 확인하고 저항의 경우에는 인닥탄스 성분이 적은 동일형식의 무유도 저항을 택하고 콘덴사는 펄스 전류 내량이 높은 것과 교환해야 된다.      SNUBBER의 회로에 인닥탄스 성분이 포함되면 TURN-ON시 문제가 되는데 리카버리 전류의 소멸시에 서지 전 압이 인가된다. 동시에 이회로의 배선이긴 경우도 문제가 되며 배선의 교체시 등에 주의해야 한다. (4) TURN-OFF 시에는 SCR의 상승 전류의 di/dt 의 대소에 따라 리카버리 전류의 파고치가 다르며 이 전류의 소멸시 서지 전압도 변화하는데 이 서지 전압의 방지용 서지 옵서버도 매우 중요하다. (5) (1),(2)의 공통되는 문제인데 제어각 a의 급격한 진행 상태도 3중 전류 현상(SCR 의 전류는 2상간을 순시 단락하는 상태가 되는데 제어각 a의 급격한 진행에 따라서는 다음 상도 전류하기 때문에 3상이 순시단락이 되 는 현상)이 되어 순방향 전압 부족으로 인한 국부 점호에 의하여 SCR을 파괴시킨다.      즉 제어각 a의 급변이 발생하지 않도록 제어 부분을 점검하는 것도 매우 중요하다. (6) 인버터의 운전중에는 제어각 r(보통은 180-a=r 로 사용)를 확실하게 확보하여 운전하고 있는데 r-u가 SCR 의 turn-off time 이하가 되었을 경우 순방향 전압 저지 능력이 없어져 재점호가 되어 버린다. 이런 현상을 전 류 실패 라 한다.      인버터운전을 하는 SCR 변환기는 모두 일정한 제어각 r이하가 되지 않도록 리미트가 가해져 있다. 이 r 리미트에 대하여 점검할 줄 알아야 한다.      인버터 운전중에 입력 직류 전압이 일정한 경우 제어각 r 가 작다고 하면 SCR전류가 감소되기 전에 제어 각 r가 리미트까지 급격히 감소되어 SCR TURN-OFF TIME이 r-u 이상이 되어 국부 전류 실패에 의하여 SCR을 파 괴할 수가 있다. 3)  고 전압용 SCR 변환기 점검 고전압 SCR 변환기의 대표적인것은 직류 송전용 고전압 SCR 변환기를 들 수 있다. 이것은 여러 개를 직렬로 고 전압 회로에 사용하고 있다. 이때의 문제점은 각 SCR의 분담 전압으로 이 분담 전압이 나쁘게하는 요인은 다음 과 같다. (1) 직렬 SCR간에 TURN-ON TIME 의 차이가 있는 경우 TURN TIME 이 긴 SCR은 전전압을 분담해야 한다. 이때 도 SNUBBER 회로는 중요한 임무를 한다.      (주) 대광전기이앤티 기술부