보호 회로

솔레노이드·릴레이 보호: 플라이백과 해제 시간

플라이백 다이오드와 TVS·능동 클램프를 비교하고, 코일 에너지·스위치 내압·실제 해제 시간을 함께 검토하는 방법을 정리합니다.

나로시스템 · 설계 노트2026-11-045분 읽기

릴레이나 솔레노이드의 전원을 끊었는데 접점이나 밸브가 예상보다 늦게 풀린다면, 제어 프로그램의 지연뿐 아니라 코일 보호 회로도 확인해야 합니다. 플라이백 다이오드는 스위치를 보호하는 동시에 코일 전류가 줄어드는 경로를 결정합니다. 이 글은 단방향 DC 코일의 켜짐·꺼짐 제어를 기준으로 설명합니다.

전원을 꺼도 코일 전류는 즉시 사라지지 않습니다

코일에는 자기 에너지가 저장됩니다. 스위치가 꺼질 때 이 전류가 흐를 경로가 없으면 스위칭 노드의 전압이 크게 변할 수 있습니다. 보호 소자는 에너지가 빠져나갈 경로와 전압 범위를 정합니다. 따라서 정상 구동 전류만으로 MOSFET과 보호 소자의 정격을 결정해서는 안 됩니다.

TI의 유도성 부하 방전 기술 자료는 부하 양단 클램프, 스위치 양단 클램프, 부하 병렬 다이오드를 구분하며, 방전 시간과 발열을 함께 검토하도록 설명합니다.

일반 다이오드와 높은 전압 클램프의 선택 기준

일반 플라이백 다이오드는 코일 양단에 정상 통전 중 역바이어스가 되도록 연결합니다. 로우사이드 스위치 구성이라면 캐소드는 코일의 전원 쪽, 애노드는 스위치 쪽입니다. 차단 뒤에는 코일과 다이오드로 전류가 순환합니다. 낮은 역방향 코일 전압은 전압 스트레스를 줄이지만, 전류 감소와 기구 해제가 늦어질 수 있습니다.

더 빠른 해제가 필요하면 다이오드와 제너를 조합한 경로나 적절한 TVS·능동 클램프를 검토합니다. 코일에 허용하는 역방향 전압을 높이면 전류를 더 빠르게 감소시킬 수 있지만 스위치 내압과 순간 발열 부담도 달라집니다. 일반 다이오드를 제거하기만 하는 것은 대안이 아닙니다.

방식	검토할 상황	확인할 조건
코일 병렬 다이오드	해제 시간 요구가 완만한 DC 코일	차단 직전 전류, 역전압 정격, 실제 해제 시간
다이오드·제너 또는 TVS 경로	짧은 해제가 필요한 밸브·릴레이	연결 위치와 극성, 실제 클램프 전압, 펄스 에너지
능동 클램프 내장 드라이버	다채널 출력과 진단을 통합하는 경우	허용 부하 인덕턴스·전류, 반복 동작과 온도 조건

TVS는 부품명만으로 서로 바꿔 넣을 수 없습니다. 코일 양단인지 스위치 양단인지, 단방향인지 양방향인지에 따라 동작이 다릅니다. 선택한 제조사의 기준 회로를 출발점으로 삼아야 합니다. Analog Devices의 유도성 부하 설명에는 다이오드·제너 경로와 능동 클램프의 차이가 정리되어 있습니다.

24V 코일 예시: 전류 정격 다음에는 무엇을 계산할까요?

설계 개념을 위한 가상 조건으로 인덕턴스 100mH, 차단 직전 전류 0.5A를 가정하면 저장 에너지는 E = ½LI² = 0.5 × 0.1 × 0.5² = 0.0125J, 즉 12.5mJ입니다. 매번 같은 상태에서 초당 10회 차단한다면 저장 에너지를 처리하는 규모는 0.125W입니다. 이 값은 특정 소자의 허용 손실이나 실제 시험 결과가 아닙니다.

코일 저항과 다이오드 등으로 에너지가 나뉘며, 회로에 따라 전원이 방전 중 에너지를 추가 공급할 수도 있습니다. 따라서 위 계산만으로 TVS나 드라이버를 선정하지 않습니다. 펄스 폭, 반복 주기, 초기 온도, 열 경로와 제조사의 유도성 부하 정격을 대조해야 합니다. 실제 솔레노이드의 인덕턴스는 가동부 위치와 전류에 따라서도 달라질 수 있습니다.

클램프 전압은 어느 두 점 사이의 값인가요?

24V 전원과 코일, 로우사이드 MOSFET이 직렬이고 코일 양단의 보호 경로가 차단 순간 약 30V의 역전압을 만든다고 가정해 보겠습니다. MOSFET 드레인은 이상적으로 약 24 + 30 = 54V까지 올라갈 수 있습니다. 여기에 전원 오차, 보호 소자의 실제 전류에서의 클램프 전압, 배선에 의한 오버슈트를 추가로 고려해야 합니다. 이 예시는 부품 추천값이 아닙니다.

반대로 MOSFET 드레인·소스 사이를 직접 클램프한다면 그 정격은 MOSFET 양단 기준입니다. 두 구성에서 같은 숫자를 사용해도 코일에 걸리는 전압은 같지 않습니다. 회로 검토 문서에는 클램프 위치와 기준 노드를 함께 표시하는 편이 혼동을 줄입니다.

제품 검증은 전기적 차단과 기계적 해제를 나눠 진행합니다

전기 파형: 최악 전원 조건과 실제 케이블에서 스위치 양단 전압, 코일 전류 감소, 링잉을 확인합니다.
기계 동작: 제어 명령부터 실제 접점 개방 또는 밸브 복귀까지 측정합니다. 전류가 감소하는 시간과 기구 해제 시간은 동일하지 않습니다.
반복·온도: 목표 동작 주기, 밀폐 케이스, 다채널 동시 차단 조건에서 보호 소자와 드라이버의 온도를 확인합니다.
부하 조합: 코일이나 커넥터에 다이오드가 이미 내장되어 있는지 확인합니다. 내장 다이오드가 있으면 외부의 높은 전압 클램프가 의도대로 동작하지 않을 수 있습니다.

Panasonic의 릴레이 사용 주의사항도 실제 사용 조건에서의 시험과 해제 특성 검토를 강조합니다. 코일 보호와 릴레이 접점이 개폐하는 외부 부하의 보호는 별도 항목입니다. 또한 이 글의 단방향 DC 코일 방식을 AC 코일이나 양방향 H브리지에 그대로 적용하지 않습니다.

개발 의뢰 시 먼저 정할 네 가지

부하 모델명과 내장 보호 소자, 전원 허용 범위, 최악 조건의 차단 전류, 허용 해제 시간을 먼저 정리하면 보호 회로의 선택 범위를 좁힐 수 있습니다. 단순한 전류 용량보다 “얼마나 빨리 풀려야 하는지, 그 에너지를 어디에서 처리할지”를 먼저 합의하는 것이 제품 설계의 출발점입니다.