먼저 알아둘 용어
서지(surge)·과도 전압 — 짧은 시간 동안 유입되는 큰 전압·전류 변화가 서지입니다. 순간적으로 정상 범위를 벗어나는 전압과 오래 지속되는 과전압은 소자가 받는 에너지와 필요한 대책이 다릅니다.
MOV(Metal-Oxide Varistor) — 금속산화물 바리스터로, 전압에 따라 저항 성질이 크게 달라지는 보호소자입니다. 전압이 높아질 때 전류를 우회시키지만 에너지 정격과 반복 사용 조건을 확인해야 합니다.
TVS(Transient Voltage Suppressor) — 과도 전압 억제 다이오드(diode)입니다. 동작 시 전류가 흐르면서 남는 전압을 클램프(clamp) 전압이라고 하며, 그 값은 시험 전류와 파형에 따라 달라집니다.
GDT(Gas Discharge Tube)·PTC(Positive Temperature Coefficient) — GDT는 가스 방전으로 전류를 우회시키는 방전관입니다. PTC는 온도가 올라갈 때 저항이 커지는 소자로, 인덕터(inductor)처럼 같은 순간 동작을 한다고 가정할 수 없습니다.
직렬 임피던스(impedance)·포화 — 앞단과 뒷단 사이에서 전류와 전압 변화를 제한하는 요소입니다. 인덕터는 전류 변화에 따른 전압을 만들지만 자기 포화가 생기면 기대한 인덕턴스(inductance)가 줄어들 수 있습니다.
같은 두 단계라도 연결 구조가 다르면 동작이 달라집니다
입력 노드(node)에 MOV를, 민감한 부하 쪽 노드에 TVS를 두고 그 사이에 직렬 인덕터 L을 넣은 구조를 예로 들겠습니다. 각 보호소자는 자기 노드와 귀환 기준 사이에 연결됩니다. 두 노드를 같은 선으로 합친 그림과 인덕터로 분리한 그림은 보호소자의 전압·전류 분담이 다르므로 같은 회로로 취급하지 않습니다.
다른 예로 앞단 GDT와 뒷단 TVS 사이에 인덕터가 있는 구성, 앞단 GDT와 뒤쪽 MOV·TVS 노드 사이에 PTC가 있는 구성을 비교할 수 있습니다. 뒤쪽 MOV와 TVS가 같은 두 노드에 붙었는지까지 확인해야 합니다. 부품 수만 세어 어느 구성이 우수하다고 결정하지 않으며 소자값과 시험 조건이 없는 개념 회로는 곧바로 제작용 결선도가 되지 않습니다.
노드를 구분해야 전류 분담을 논의할 수 있습니다
MOV와 TVS가 같은 두 노드에 병렬로 붙어 있다면 두 소자는 거의 같은 전압을 봅니다. 그 전압에서 각 소자의 전류-전압 특성이 전류 분담을 정합니다. ‘MOV는 큰 에너지, TVS는 빠른 응답’이라는 설명만으로 앞 소자가 먼저 충분히 동작한다고 보장할 수 없습니다.
두 소자 사이에 직렬 임피던스가 있으면 앞·뒤 노드 전압이 달라질 수 있습니다. 인덕터라면 전류가 빠르게 변할 때 vL=L·di/dt가 생겨 인덕터 양단에 전압 차이가 생깁니다. 이 전압 차이가 앞단과 뒷단 보호소자의 동작에 영향을 줍니다. 다만 실제 포화 전류, 기생 용량, 저항, 서지 파형에 따라 효과가 바뀝니다. 직렬 L을 넣었다는 사실만으로 모든 조합의 보호 성능이 확정되는 것은 아닙니다.
같은 이름보다 같은 시험 조건을 맞춥니다
- 보호 대상의 정상 전압, 허용 과도 전압, 예상 고장 형태를 정합니다.
- 입력 노드와 부하 노드를 나누고 MOV·TVS·직렬 요소·귀환 경로·차단 장치를 표시합니다.
- 각 소자의 동작 전압과 같은 시험 파형에서의 클램프 전압·전류·허용 에너지를 대조합니다.
- 예상 서지에서 뒤쪽 TVS가 받는 전류와 에너지가 허용 범위 안인지 확인합니다.
- 실제 부하 단자에 남는 전압과 두 보호소자의 스트레스를 시험 조건과 함께 기록합니다.
| 도면에서 보이는 것 | 추가로 알아야 판단할 수 있는 것 |
|---|---|
| MOV와 TVS 두 개 | 어느 노드에 연결되는지, 동작 전압·V-I 특성 |
| 그 사이의 인덕터 | 서지 중 포화·임피던스와 정상 운전 전압 강하 |
| 직렬 PTC | 해당 펄스에서의 응답·전류 제한; L과 같은 동작으로 가정 금지 |
| 낮은 TVS 클램프 전압 | 실제 전류·파형, 배선 귀로, 부하 핀(pin)에서의 잔류 전압 |
| 큰 에너지 정격 | 지정 파형·반복 횟수·온도와 지속 과전압의 구분 |
인덕터 식 vL=L·di/dt에서 vL은 인덕터 양단 전압, L은 인덕턴스, di/dt는 시간에 따른 전류 변화율입니다. L은 H(헨리), 전류는 A, 시간은 초를 사용하면 전압은 V가 됩니다. 에너지는 전압과 전류의 곱을 시간에 대해 합산한 양이며 단위는 J(줄)입니다. 빠른 TVS라는 설명이나 큰 에너지 정격 하나로 전체 보호를 보장하지 않습니다. 큰 에너지 서지 시험은 그 에너지와 계측 조건을 제어하는 설비에서 정의된 절차로 수행하며 임의 전원 단락으로 대체하지 않습니다.
짧은 귀환 경로와 지속 고장도 함께 확인합니다
TVS가 전압을 제한해도 긴 배선의 인덕턴스 때문에 부하 핀에서 더 높은 전압이 남을 수 있습니다. 입력에서 보호소자를 거쳐 귀환 기준으로 돌아가는 경로를 짧게 하고, 결과는 부하 단자에서 확인합니다. 보호소자가 오래 도통하는 지속 과전압에서는 퓨즈(fuse)·열 차단 등과의 동작 협조가 필요합니다. 짧은 펄스의 에너지 정격을 장시간 허용 전력으로 바꾸어 읽지 않습니다.