반도체 릴레이
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1. 개요
반도체 릴레이는 반도체 소자를 사용하여 전기 회로를 제어하는 스위치로, 기계적 접점을 사용하는 기존 릴레이의 단점을 개선한 제품이다. 제어선에 전압이 가해지면 LED가 빛을 내고, 이 빛이 광센서에 닿아 MOSFET을 켜는 방식으로 작동하며, 직류(DC) 및 교류(AC) 부하용으로 사용된다. 반도체 릴레이는 빠른 응답 속도, 긴 수명, 적은 전기적 노이즈 등의 장점을 가지지만, 닫혔을 때 높은 임피던스, 열렸을 때 누설 전류, 가격 등이 단점으로 꼽힌다. 제로 크로스 제어 릴레이, 절연 릴레이, 저전압 제어 릴레이 등 다양한 형태로 활용되며, 옴론, 미쓰비시전기, 스미토모전공 등이 주요 제조사이다.
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- 고체 소자 스위치 - 전력 MOSFET
전력 MOSFET은 고전압, 고전류 스위칭 및 증폭에 사용되는 반도체 소자로 다양한 구조로 개발되어 소비자 가전, 무선 통신, 자동차 등 다양한 분야에 응용되며, SiC 및 GaN 기반으로 더욱 높은 효율과 성능을 구현하는 연구가 진행 중이다.
| 반도체 릴레이 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 릴레이 |
| 기능 | 반도체를 이용한 전기회로의 개폐 |
| 특징 | |
| 장점 | 접점 불량으로 인한 오동작이 없다. 기계적 작동음이 없다. 접점 마모가 없다. 수명이 길다. 고속 스위칭이 가능하다. |
| 단점 | 동작시 발열이 심하다. OFF시 누설전류가 존재한다. 서지 내성이 약하다. 가격이 비싸다. |
| 응용 분야 | |
| 용도 | 난방기 모터 제어 조명 제어 기타 자동제어 장치 |
2. 동작 원리
반도체 릴레이(SSR)는 제어 신호에 따라 발광 다이오드(LED)를 켜고, LED에서 발생된 빛이 광센서 다이오드에 도달하여 광전 효과를 통해 금속 산화막 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 사이리스터(SCR), 트라이액(TRIAC) 등의 반도체 스위치를 켜거나 끄는 방식으로 작동한다.
제어 전압은 내부 LED에 전원을 공급하여 LED를 켜고, 이는 포토다이오드를 동작시킨다. 다이오드 전류는 부하를 스위칭하기 위해 MOSFET, SCR, 또는 트라이액을 구동한다. 이러한 광학적 결합은 제어 회로와 부하를 전기적 절연시킨다.[2]
과거 코일과 가동 접점으로 만들어진 릴레이는 여러 단점이 있었다. 코일의 유도 기전력 때문에 바이패스 회로가 필요했고, 자기 회로의 히스테리시스 특성으로 입력과 출력 사이에 지연이 발생했다. 또한 기계식 접점은 수명이 제한적이며, 아크 발생으로 노이즈가 생겼다. 반도체 릴레이는 이러한 문제들을 해결한다. 반도체 회로는 히스테리시스 특성이 작고, 유도 기전력이 발생하지 않아 입력 회로가 간단하며, 접점이 없어 노이즈 대책이 필요 없다.
2. 1. 직류(DC) 부하용 반도체 릴레이
단일 MOSFET 또는 병렬 배열의 여러 MOSFET을 기반으로 하는 반도체 릴레이(SSR)는 직류(DC) 부하에 잘 작동한다. MOSFET은 역방향으로 전도하는 고유 기판 다이오드를 가지고 있으므로 단일 MOSFET은 양방향으로 전류를 차단할 수 없다.[2]DC 부하를 스위칭할 때 여러 MOSFET을 병렬로 연결할 수 있도록 공통 소스에 접근하는 것이 일반적이다. 보통 제어 입력을 제거할 때 MOSFET의 턴오프 속도를 높이기 위한 네트워크가 제공된다.
DC 스위칭 응용 분야를 위한 SSR은 MOSFET 또는 IGBT를 사용할 수 있다.
2. 2. 교류(AC) 부하용 반도체 릴레이
교류(AC) 부하용 반도체 릴레이(SSR)는 두 개의 MOSFET을 소스 핀끼리 연결하여 백투백(back-to-back)으로 배열하거나, SCR 또는 TRIAC을 사용하여 구성한다.AC 회로에서 SCR 또는 TRIAC 릴레이는 본질적으로 부하 전류가 0이 되는 지점, 즉 AC 0점 교차점에서 스위치가 꺼진다.[2] 이 회로는 정현파 피크 중간에 절대 끊어지지 않으며, 만약 끊어질 경우 인덕턴스 주위의 자기장이 갑자기 붕괴되어 큰 과도 전압이 발생할 수 있다. 0점 검출기를 추가하면 (그리고 유해한 회로 인덕턴스 및 그에 따른 역기전력이 없으면) 개별 SCR을 새 파동의 시작 부분에서 다시 켤 수 있다. 이러한 기능을 제로 크로싱 또는 제로 크로스오버 스위칭이라고 한다.
3. 장점
반도체 릴레이(SSR)는 전기 기계식 릴레이에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.
- 빠른 응답 속도: 일반적인 광 결합 반도체 릴레이의 스위칭 속도는 LED를 켜고 끄는 시간에 따라 달라지며, 마이크로초(µs)에서 밀리초(ms) 수준이다.[3]
- 긴 수명: 마모될 움직이는 부품이 없고, 접점이 부식되거나 탄소가 쌓이지 않아 여러 번 작동해도 수명이 길다.[3]
- 무소음 작동: 완전 무소음으로 작동한다.[3]
- 깨끗한 작동: 바운스 없는 깨끗한 작동을 한다.[3]
- 낮은 전기적 노이즈: 전기적 노이즈가 적다.
- 제어 회로와 부하 분리: 제어 논리와 높은 전압 부하 사이를 분리하여 동작할 수 있다.
- 스파크 발생 없음: 턴온하는 동안 스파크가 발생하지 않아, 스파크 발생이 우려되는 환경에서 사용할 수 있다.
과거에는 코일과 가동 접점으로 만들어진 릴레이는 코일에 유도 기전력이 발생하여 바이패스 회로를 설치해야 했고, 자기 회로의 히스테리시스 특성 때문에 입력 후 출력까지 지연이 발생했으며, 접점이 기계식이라 수명이 제한적이고 접점에 아크가 발생하여 노이즈가 발생하는 등 여러 단점이 있었다. 반도체 릴레이는 이러한 문제들을 해결한다. 반도체 회로는 히스테리시스 특성이 코일에 비해 훨씬 작고, 유도 기전력이 발생하지 않아 입력 회로가 간편하며, 접점이 없어 노이즈 대책이 불필요하다.
고체 릴레이가 전자 기계식 릴레이보다 갖는 상대적 장점의 대부분은 모든 고체 장치가 전자 기계식 장치와 비교할 때 공통적으로 나타나는 특징이다.
4. 단점
반도체 릴레이는 다음과 같은 단점을 가진다.
- 닫혔을 때 임피던스가 높다.
- 열렸을 때 역으로 새는 전류 (수 µA)가 존재한다.
- 순간적인 전압으로 인하여 스위치가 실패할 가능성이 있다.
- 일반적으로 전기 기계식 릴레이와 비교해서 가격이 더 비싸다.[1]
반도체 소자는 온 저항이나 순방향 전압 강하가 있어, 부하 전류가 증가함에 따라 발열이 무시할 수 없게 된다. 5A 정도의 부하 전류에서는 발열량이 기껏해야 10W 정도이므로, 간이 방열로 문제는 발생하지 않는다. 그러나, 전동기나 히터의 개폐 용도에서는 50A나 100A라는 전류값 때문에 무시할 수 없으며, 강제 풍냉이나 대형 히트싱크가 필요하게 되어, 반도체 릴레이의 장점은 줄어든다. 이 단점을 개선한 제품으로, 논 아크 접촉기가 있다.[1]
투입 시에는 먼저 반도체 릴레이로 부하에 통전을 시작하고, 다음에 반도체 릴레이와 병렬로 연결된 전자기 접촉기를 투입한다. 차단 시에는 전자기 접촉기를 개방한 후, 제로 크로스 점에서 반도체 릴레이를 차단한다.[1]
거의 무부하 상태에서 개폐와 동일한 상태로 전자기 접촉기를 사용하기 때문에 획기적으로 수명이 연장되고, 발열도 불과 몇 초분만 고려하면 되므로, 대폭적으로 소형화가 가능하다. 다만, 비교적 장수명이지만, 열이나 진동의 영향으로 소자의 급격한 열화에 의한 고장이 발생할 수 있으므로, 일반적인 릴레이가 개폐 횟수에 따라 열화되어 교체 시기의 기준을 알 수 있는 것에 비해, 수명의 예측이 어렵다.[1]
5. 응용 제품
반도체 릴레이는 특정 용도에 맞게 다양한 기능을 추가하여 활용된다. 예를 들어 제로 크로스 제어, 절연, 저전압 제어 등의 기능을 추가할 수 있다.
5. 1. 제로 크로스 제어 릴레이
출력이 교류를 켜고 끄는 경우, 출력 전압이 0V가 되었을 때 전환을 수행한다. 출력 전압이 없을 때 전환되므로 스파이크 노이즈가 발생하지 않아 제어 대상 기기의 부하를 완화하는 작용이 있다.5. 2. 절연 릴레이
입력 회로와 출력 제어 회로를 포토커플러로 절연하여, 낮은 입력 전압(TTL)으로 높은 출력 전압을 제어하는 데 사용된다.[1]제어 신호는 두 회로 사이에 갈바닉 절연을 제공하는 방식으로 제어 회로에 결합되어야 한다. 많은 반도체 릴레이(SSR)는 광학적 결합을 사용한다. 제어 전압은 내부 LED에 전원을 공급하여 점등시키고, 포토다이오드 (광전압)를 켜지게 한다. 다이오드 전류는 부하를 스위칭하기 위해 백투백 사이리스터 (트라이액), SCR, 또는 MOSFET을 켠다. 광학적 결합은 제어 회로가 부하로부터 전기적 절연되도록 한다.[1]
5. 3. 저전압 제어 릴레이
기존의 접점식 릴레이는 접점에 충분한 전압을 가해야 접점의 절연막을 파괴할 수 있어 기능할 수 있었다. 그러나 반도체 릴레이는 접점이 없으므로 낮은 전압에서도 문제없이 온·오프를 수행할 수 있다.6. 주요 제조사
| 옴론 |
| 미쓰비시전기 |
| 스미토모전공 |
참조
[1]
웹사이트
Solid State Relays
https://www.sensata.[...]
2023-02-01
[2]
서적
Solid-state relay handbook with applications
H.W. Sams
1986
[3]
웹사이트
Solid State Relay
https://www.infineon[...]
2021-02-03
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