2.1 제안하는 DC 배전용 접속 시스템

Fig. 1. (a) Plug and power outlet overall configuration (b) Plug and power outlet drawing (c) HW system circuit diagram

Fig. 1은 제안하는 시스템의 (a)전체 구성도와 (b)도면 및 (c)시스템 회로 구성도를 나타낸 것이다. 플러그와 콘센트 시스템의 외형은 기존 AC 배전용 플러그, 콘센트와 유사하게 설계하였으며, DC 플러그의 경우 자계 감지 센서가 감지할 수 있는 자석 및 고정 부재를 조절할 수 있는 버튼을 추가하였다. 콘센트 장치는 플러그에 삽입된 자석을 감지할 수 있는 자계 감지 센서 및 전체 시스템을 제어하는 컨트롤러, 제어 신호에 따라 입력되는 DC 전원의 ON/OFF 동작을 수행하는 전력용 반도체 소자, 고장 발생 시 DC 과전류를 감지하는 전류 센서로 구성하였다. 자계 감지 센서의 자계 값이 센서에 의해 일정값 이상으로 감지되면 컨트롤러가 전력용 반도체 소자를 제어하도록 회로를 구성하였으며, 이때 고장으로 인한 과전류 발생 시 컨트롤러가 전류 센서로부터 신호를 입력 받아 전력용 반도체 소자를 제어하여 DC 전원을 차단하는 회로를 포함하고 있다.

Table 1은 DC 배전용 플러그와 콘센트의 주요 부품 소자의 모델을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 DC 배전용 접속 시스템의 가정용 적용을 고려하여 정격 1kW급으로 설계를 수행하였으며, 이를 위해 100V, 22A의 내압을 갖는 스위칭 소자를 선정하고 이에 적합한 시스템을 설계 및 실험하였다.

2.2 접속 시스템 플러그 인/아웃 동작

Fig. 2는 플러그인/아웃 상황에서 제안하는 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다. 플러그 장치의 고정 부재와 자석은 연장 부재에 의해 버튼과 연결되어 있으며, 버튼의 움직임에 따라 위치 조절이 가능하다. 플러그인의 경우, 고정 부재는 콘센트의 결합 홈에 맞물려 플러그가 쉽게 분리되거나 흔들리지 않도록 고정한다. 이때 자석은 콘센트 내부에 위치한 자계 감지 센서의 감지 범위 내로 들어오게 되며, 자계 감지 센서가 측정한 자계값이 설정된 임계값을 초과하면 일정 딜레이 시간 이후 컨트롤러는 전력용 반도체 소자를 ON 시켜 안전하게 전원이 공급될 수 있도록 동작한다. 이를 통해 플러그인 상황에서 발생할 수 있는 스파크 및 서지 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

제안하는 시스템은 전류 센서를 통해 플러그인 상황에서 과전류가 감지되는 경우 전력용 반도체 소자 OFF 동작을 통해 DC 전원을 차단하여 고장전류를 방지한다. 플러그 아웃의 경우, 플러그의 상단 버튼을 누르면 연장 부재에 연결된 고정 부재와 자석이 함께 아래로 이동하여 고정 부재는 콘센트의 결합 홈에서 분리되고, 자석은 자계 감지 센서로부터 멀어지게 된다. 자계 감지 센서가 측정한 자계값이 임계값 미만이 되면, 컨트롤러는 전력용 반도체 소자를 OFF 시켜 DC 전원 공급을 즉시 차단한다. 플러그와 콘센트의 물리적 결합이 완전히 해제되기 전 DC 전원을 차단하여 플러그 아웃 시 발생할 수 있는 스파크 및 서지를 방지한다.

Fig. 2. (a) Proposed system drawing (Plug IN) (b) Proposed system drawing (Plug OUT)

2.3 시스템 제어 알고리즘

본 연구에서 제안하는 시스템 제어 알고리즘은 자계 감지 센서를 기반으로 플러그와 콘센트 간의 물리적 연결 상태를 실시간으로 감지함과 동시에 전력용 반도체 소자를 이용하여 DC 전원을 부하에 안전하게 공급 및 차단하는 것을 목적으로 하며, 다음과 같은 플러그 인, 플러그 아웃, 과전류 보호 동작 제어를 수행 한다.

Fig. 3은 전체적인 시스템 동작 알고리즘을 나타낸 것이다. Fig. 3(a)는 플러그 인 상황으로 플러그와 콘센트가 물리적으로 결합할 때의 동작 알고리즘이다. 플러그 장치가 콘센트에 삽입될 때, 자석과 자계 감지 센서 간 거리가 감소하면서 자계 강도가 증가하며, 자계 감지 센서는 이러한 자계의 변화를 실시간으로 감지하고 그에 따른 자계 변화 데이터를 생성한다. 이 데이터는 컨트롤러로 전송되어, 자계의 측정값이 사전에 정의된 임계값을 초과하는지를 판단한다. 이때, 임계값 초과가 확인되면 컨트롤러는 전력용 반도체 소자를 OFF 상태에서 ON 상태로 전환하여 DC 전원이 부하에 안전하게 공급되도록 제어한다. Fig 3(b)는 플러그 아웃 상황으로 플러그와 콘센트가 분리될 때의 동작 알고리즘이다. 사용자가 플러그 장치를 콘센트에서 분리할 때, 플러그 장치에 포함된 버튼을 누르면 자석이 이동하게 되며, 이로 인해 자계 측정 값이 임계값 미만이 되면 컨트롤러는 전력용 반도체 소자를 OFF 시켜 DC 전원 공급을 안전하게 차단한다. 이 동작은 플러그와 콘센트 간의 물리적 연결이 완전히 해제되기 전에 전원의 공급을 차단함으로써 스파크 또는 서지의 발생을 효과적으로 방지하여 안전한 플러그 아웃 동작을 수행한다.

Fig. 3. (a) Plug & power outlet system operation algorithm (Plug IN) (b) Plug & power outlet system operation algorithm (Plug OUT) (c) Plug & power outlet system operation algorithm (Overcurrent)

Fig. 3(c)는 과전류가 흐를 경우의 동작 알고리즘으로써 DC 전원이 플러그 장치로 공급되는 동안 전류 감지 센서는 실시간으로 DC 전원의 전류 크기를 모니터링한다. DC 전류의 크기가 설정된 임계 전류값을 초과 할 경우, 컨트롤러는 즉시 전력용 반도체 소자를 OFF 상태로 전환하여 부하의 DC 전원 공급을 차단한다. 이러한 과전류 보호 기능은 장치 내부의 전기 회로 및 연결된 기기들을 과부하로부터 보호하며, 전기적 손상이나 누설전류, 화재와 같은 위험을 예방할 수 있다.

Fig. 4. Sequence of moving average filter for overcurrent protection

본 논문에서는 과전류 차단 동작의 정확성을 향상하기 위해 Fig. 4에서와 같이 이동 평균 필터를 사용하였다. 이동 평균 필터는 주로 신호 처리에서 신호의 돌발적인 노이즈/잡음 제거에 유용하게 사용된다^[6-9]. 이는 데이터의 변화 예측을 오도할 수 있는 단순 평균 필터의 문제점 개선을 위해 설계된 기법으로써 보다 정확한 과전류 차단을 위해 적용하였다.

식 (1)은 과전류 차단 동작을 위한 이동 평균 필터의 출력값을 나타내는 식이다. 이때 $y[n]$은 이동 평균 필터를 적용한 후의 신호인 필터링된 출력 신호이며, $x[n]$은 현재 시점 $n$에서의 원래 신호인 입력 신호, $N$은 이동 평균 필터의 윈도우 크기이다. 예를 들어 $N$이 5라면 현재 시점을 포함하여 이전 4개의 데이터를 사용해 평균을 낸다. $k$는 합산에 사용되는 변수로, 0부터 $N$-1까지의 범위를 갖는다. 이 변수는 현재 시점 $n$에서 $N$개의 과거 데이터에 접근하기 위해 사용된다. 식 (2)는 현재 시점의 데이터를 계산하는 식이다. 즉, 이동 평균을 계산할 때 고려되는 데이터의 개수만큼 데이터가 충분히 쌓이지 않았을 경우 평균값을 구하지 않고, 현재 시점의 데이터를 선택한다. 이동 평균 필터를 통해 필터링 된 값은 노이즈로 인해 발생할 수 있는 제어 오류를 방지하는 데 도움을 준다. 본 시스템에서는 연속적으로 들어오는 데이터를 필터링하면서 필터링 된 값이 임계값을 넘었는지 판단하여 과전류를 즉각적으로 감지하였다. 이때, 더 정확한 차단 동작을 위해 필터링된 값이 임계 전류값을 초과하는 상황이 3회 연속 발생했을 시에만 과전류 상황으로 판단하여 차단 동작을 수행하였다. 이를 통해 안정적이고 신뢰성 있는 과전류 차단 동작을 구현하였다.