KR101228561B1

KR101228561B1 - 전류 검출 장치

Info

Publication number: KR101228561B1
Application number: KR1020110070779A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 이이노
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-01-31
Also published as: KR20120009404A; US20120020121A1; JP2012026735A

Abstract

본 발명은 장치의 대형화를 초래하지 않고 또한 전력 손실을 억제하면서, 스위칭 소자에 흐르는 전류를 검출하는 것이 가능한 전류 검출 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 명세서에 개시된 전류 검출 장치(10)는, 전기 노이즈를 억제하기 위한 비드 코어(21)가 장착된 스위칭 소자(42)를 갖는 전기 회로에 적용된다. 비드 코어(21)에는 도선(22)이 감긴다. 신호 발생부(30)는, 도선(22)에 흐르는 전류에 의거해서, 비드 코어(21)가 장착되어 있는 스위칭 소자(42)의 전류에 상관하는 신호(값)를 출력한다.

Description

전류 검출 장치{CURRENT DETECTION CIRCUIT}

본 발명은 비드 코어를 이용한 전류 검출 장치에 관한 것이다.

최근, 네트워크 기기 및 서버 기기 등에 사용되는 「CPU 및 FPGA(Field Programmab1e Gate Array) 등의 반도체 디바이스」가 급속하게 고성능화해 오고 있다. 즉, 반도체 디바이스의 「동작 전압의 저전압화, 동작 전류의 대전류화, 처리 속도의 고속화 및 소형화」가 진행되고 있다. 따라서, 전원 장치는, 전압이 낮고 또한 전류가 큰 전력을 「반도체 디바이스 등을 이용한 부하 장치」에 공급할 필요가 있다. 또한, 전원 장치는 반도체 디바이스의 소형화를 헛되이 하지 않기 위해서도 소형화될 필요가 있다.

이러한 요구에 따르기 위한 전원 장치의 하나는, 스위칭 주파수가 높여진 스위칭 전원 회로를 구비한다. 스위칭 전원 회로에 있어서의 스위칭은, 일반적으로 스위칭 소자(전력용 반도체 소자)를 이용한 「하드 스위칭」이다. 따라서, 스위칭 주파수가 높으면, 스위칭 소자로부터 큰 전기 노이즈(불필요한 전파)가 발생한다. 이러한 전기 노이즈를 억제하기 위해서 비드 코어가 사용된다. 비드 코어는 중앙부에 관통 구멍을 구비하는 비드 형상의 코어(철심)이다. 비드 코어는, 예를 들면 「스위칭 소자에 의해 제어되는 전류가 흐르는 도선」이 비드 코어의 관통 구멍을 물리적으로 통과하도록, 스위칭 소자에 장착된다. 비드 코어는, 스위칭 전원 회로에 한하지 않고, 스위칭 등에 의해 발생하는 전기 노이즈를 억제해야할 전기 회로에 대하여 사용될 수 있다.

한편, 전원 회로 등을 포함하는 전기 회로에 흐르는 전류를 검출하는 것은, 그 전기 회로를 사용한 장치를 관리·제어함에 있어서 중요하다. 전기 회로가 전원 회로일 경우, 전기 회로에 흐르는 전류는, 그 전원 회로의 부하를 흐르는 전류(부하 전류)이기도 하다. 전기 회로에 흐르는 전류는, 예를 들면 전기 회로의 일부 등(전원 회로일 경우에는 그 전원 회로의 출력선 상)에 직렬로 삽입된 저항기의 양단 전압(즉, 저항기의 전압 강하분(分))을 측정함으로써 검출되고 있다. 그런데, 상술한 바와 같은 저전압화·대전류화가 진행되면, 저항기에 있어서의 소비 전력이 전류(I)의 자승과 저항값(R)의 곱(I²·R)과 동일하기 때문에, 저항기에 있어서 매우 큰 전력이 소비된다. 그 결과, 전류를 측정하기 위해 「비교적 큰 에너지」가 낭비로 소비된다고 하는 문제가 있다.

상기 문제에 대처하기 위해서, 스위칭 소자의 단자에 토로이달 코일(toroidal coil)을 장착하고, 그 스위칭 소자의 단자를 1차 권선으로서 이용하고, 또한 토로이달 코일의 권선을 2차 권선으로서 이용함으로써, 전기 회로의 전류를 검출하는 기술이 공지되어 있다(특허문헌 1을 참조.). 이 기술에 따르면, 새롭게 장착한 토로이달 코일이 변류기(CT, Current Transformer)의 일부로서 사용되므로, 저항기를 이용하여 전류를 검출할 경우와 비교해서 큰 전력이 낭비로 소비되는 것을 회피할 수 있다.

일본국 특개평7-326530호 공보

그러나, 「스위칭 소자 등의 부품의 크기 및 단자간 거리 등」이 작아져 오고 있으므로, 변류기 전용의 토로이달 코일을 전기 회로에 새롭게 장착하는 스페이스를 확보하는 것은 매우 곤란하다. 환언하면, 변류기 전용의 토로이달 코일을 이용하여 전류 검출을 행하려고 하면, 소자의 단자간 거리를 크게 해야만 하고, 그 결과, 장치 전체가 대형화한다고 하는 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적의 하나는, 큰 전력 손실 및 장치의 대형화를 초래하지 않고, 전원 회로 등에 이용되는 스위칭 소자에 흐르는 전류에 상관하는 신호(값)를 검출하는 것에 있다. 또한, 본 발명은, 전원 회로뿐만 아니라, 스위칭 소자에 장착된 비드 코어를 구비하는 전기 회로이면 적용할 수 있다.

본 발명의 하나의 태양에 따른 전류 검출 장치는, 스위칭 소자에 장착되는 비드 코어 및 상기 비드 코어에 감긴 도선을 포함하는 권선부와, 상기 도선에 흐르는 전류에 의거해서 상기 스위칭 소자에 흐르는 전류에 상관하는 값을 갖는 신호를 발생하는 신호 발생부를 구비한다.

전기 노이즈의 발생을 억제하기 위해서 종래부터 사용되고 있는 비드 코어를 「변류기의 코어(철심)」로서 이용함으로써, 스위칭 소자에 흐르는 전류에 상관하는 값을 갖는 신호(값)가 취득되므로, 변류기 전용의 새로운 부품을 탑재할 필요가 없다. 이 결과, 장치를 대형화하지 않고, 또한 큰 전력 손실을 초래하지 않고, 스위칭 소자에 흐르는 전류에 상관하는 값을 취득할 수 있다. 동시에, 비드 코어에 의해, 전기 노이즈의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 전류 검출 장치의, 권선부의 개략도, 및 그 권선부에 접속된 신호 발생부의 회로도.
도 2는 도 1에 나타낸 권선부의 개략적인 사시도.
도 3은 도 1에 나타낸 전류 검출 장치가 적용되는 전기 회로의 일례의 회로도.
도 4는 도 3에 나타낸 전류 검출 장치의 등가 회로도.
도 5는 도 3에 나타낸 전기 회로의 전기적 작동을 나타낸 타임 차트.
도 6은 도 1에 나타낸 전류 검출 장치가 적용된 서버의 개략도.
도 7은 도 6에 나타낸 서버에 탑재되는 프린트 보드의 개략도.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 다만, 본 발명은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한에 있어서, 다양한 형태를 취할 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 전류 검출 장치(10)는 권선부(20)와, 신호 발생부(30)를 포함한다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 권선부(20)는 비드 코어(21)와 도선(22)을 포함한다. 비드 코어(21)는 자성체(예를 들면, 페라이트(ferrite) 자성체)이다. 비드 코어(21)는, 스위칭 전원 등의 전기 회로로부터 발생하는 전기 노이즈를 억제하기 위해 이용된다. 비드 코어(21)는 원통 형상을 갖는다. 비드 코어(21)는 그 중심 축선을 따라 관통하는 관통 구멍(21a)을 갖는다. 즉, 비드 코어(21)는 링 형상을 갖는다. 관통 구멍(21a)에는, 후술하는 저측(抵側) 스위칭 소자(42)의 소스 단자(40a)가 관통시켜진다(예를 들면, 일본국 특허 제3458621호, 일본국 특공평5-68818호 공보 및 일본국 특개2001-313215호 공보 등을 참조.). 또한, 비드 코어(21)는, 그 내부를 스위칭 소자의 전류 경로가 통과할 수 있는 구성을 갖고 있으면 되고, 따라서 비드 코어(21)의 형상은 링 형상에 한정되지 않는다.

도선(22)은 토로이달 코일을 구성하도록 비드 코어(21)에 감겨 있다. 즉, 도선(22)은 비드 코어(21)의 외측 측면을 중심 축선을 따르고, 다음으로 비드 코어(21)의 관통 구멍(21a)의 벽면을 중심 축선을 따르도록, 비드 코어(21)에 복수회 감겨 있다.

신호 발생부(30)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 저항기(31), 커패시터(32) 및 다이오드(33)를 포함하는 주지의 평활 회로이다. 단자(P1)는 도선(22)의 일단과 접속되고, 단자(P2)는 도선(22)의 타단과 접속되어 있다. 즉, 단자(P1) 및 단자(P2)는 도선(22)의 양단과 각각 접속되어 있다. 저항기(31)는 단자(P1)와 단자(P2) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 커패시터(32)는, 단자(P1) 및 단자(P2)에 대하여 저항기(31)와 병렬로 되도록 접속되고, 일단은 단자(P1)와 저항기(31)의 일단 사이에, 타단은 단자(P2)와 저항기(31)의 타단 사이에 각각 접속되어 있다. 다이오드(33)는, 단자(P2)와 커패시터(32)의 타단 사이에 삽입되고, 애노드가 단자(P2)에, 캐소드가 커패시터(32)의 타단에 각각 접속되어 있다.

이 결과, 도선(22)에 흐르는 전류에 따른 전압 신호(도선(22)에 흐르는 전류를 정류한 신호)(Vout)가 저항기(31)의 양단에 나타난다. 신호 발생부(30)는 이 저항기(31)의 양단 전압(Vout)을 전압 신호로서 출력한다.

전류 검출 장치(10)는, 도 3에 나타낸 바와 같이 전기 회로(40)에 적용된다. 전기 회로(40)는 고측(高側) 스위칭 소자(전력용 반도체)(41), 저측 스위칭 소자(전력용 반도체)(42), 인덕터(43) 및 커패시터(44)를 포함한다. 스위칭 소자(41, 42)는, 예를 들면 MOS-FET이다. 전기 회로(40)는, 주지의 「비절연형 스텝 다운 컨버터(step-down converter)(강압형 DC-DC 컨버터)」이고, 직류 전원(VB)의 전압(V1)을 강압해서 전압(V2)으로 변환하고, 그 전압(V2)을 부하 장치(50)(예를 들면, CPU 등을 포함하는 부하 장치)에 인가한다. 이 때, 부하 장치(50)에 부하 전류(I2)가 흐른다.

전기 회로(40)에 대해서 간단하게 설명하면, 직류 전압(V1)을 발생하는 직류 전원(VB)에 대하여, 고측 스위칭 소자(41), 인덕터(43) 및 커패시터(44)가 직렬로 접속되어 있다. 고측 스위칭 소자(41)의 드레인 단자는 직류 전원(VB)의 정극(正極)에 접속되고, 고측 스위칭 소자(41)의 소스 단자는 인덕터(43)의 일단에 접속되어 있다. 인덕터(43)의 타단은 커패시터(44)의 일단에 접속되고, 커패시터(44)의 타단은 직류 전원(VB)의 부극(負極)에 접속되어 있다. 커패시터(44)의 양단은 부하 장치(50)에 접속되어 있다. 커패시터(44)의 양단 전압(V2)이 전기 회로(40)의 출력 전압이다. 저측 스위칭 소자(42)는, 직류 전원(VB)에 대하여, 인덕터(43) 및 커패시터(44)를 포함하는 회로에 병렬로 삽입되고, 드레인 단자는 고측 스위칭 소자(41)의 소스 단자와 인덕터(43) 사이에, 소스 단자는 직류 전원(VB)의 부극에 각각 접속되어 있다.

전류 검출 장치(10)의 권선부(20)는 저측 스위칭 소자(42)의 소스 단자(40a)에 장착되어 있다. 보다 구체적으로는, 권선부(20)는, 저측 스위칭 소자(42)의 소스 단자(40a)가 비드 코어(21)의 관통 구멍(21a)을 통과하도록 저측 스위칭 소자(42)에 장착된다(도 1 및 도 2를 참조.). 이에 따라, 도 4의 등가 회로도에 나타낸 바와 같이, 저측 스위칭 소자(42)의 소스 단자는 「권선수 N1의 1차 권선」으로서 기능하고, 도선(22)은 「권선수 N2의 2차 권선」으로서 기능한다. 즉, 권선부(20)는 비드 코어(21)를 코어(철심)로서 갖는 변류기로서 기능한다. 본 예에 있어서, 권선수 N1에 대한 권선수 N2의 비(=N2/N1)는 5 ~ 10 정도이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 5는 전기 회로(40)의 작동을 나타낸 타임 차트이다. 전기 회로(40)에 있어서는, 시각 t1에서 고측 스위칭 소자(41)가 온(on) 상태로 변경시켜짐과 함께 저측 스위칭 소자(42)가 오프(off) 상태로 변경시켜진다. 또한, 시각 t1로부터 소정의 온 시간(t on)이 경과한 시각 t2에서, 고측 스위칭 소자(41)는 오프 상태로 변경시켜짐과 함께 저측 스위칭 소자(42)는 온 상태로 변경시켜진다. 시각 t1 내지 시각 t2에, 고측 스위칭 소자(41)를 흐르는 소스 전류(IQ1)는 시각 t1에서 스텝 형상으로 증대한 후에 서서히 증대하고, 저측 스위칭 소자(42)를 흐르는 소스 전류(IQ2)는 제로이다. 이 결과, 시각 t1 내지 시각 t2에, 인덕터(43)를 흐르는 전류(인덕터 전류)(IL)는 증대한다. 시각 t1 내지 시각 t2까지의 인덕터 전류(IL)의 증대분(iu)은 t on·(V1-V2)/L이다.

또한, 시각 t2로부터 소정의 오프 시간(t off)이 경과한 시각 t3에서, 고측 스위칭 소자(41)는 다시 온 상태로 변경시켜짐과 함께 저측 스위칭 소자(42)는 오프 상태로 변경시켜진다. 시각 t2 내지 시각 t3에, 고측 스위칭 소자(41)를 흐르는 소스 전류(IQ1)는 제로이고, 저측 스위칭 소자(42)를 흐르는 소스 전류(IQ2)는 시각 t2에서 스텝 형상으로 증대한 후에 점차적으로 감소한다. 이 결과, 시각 t2 내지 시각 t3에, 인덕터 전류(IL)는 감소한다. 시각 t2 내지 시각 t3까지의 인덕터 전류(IL)의 감소분(id)은 t off·V2/L이다.

정상(定常) 상태에 있어서, 증대분(iu)과 감소분(id)은 동일하다. 이에 따라, 전기 회로(40)의 출력 전압(V2)은 다음 (1)식과 같이 정해진다. T는 온 시간(t on)과 오프 시간(t off)의 합이며, 제어 주기이다. (1)식으로부터, 출력 전압(V2)은 듀티(duty)(D)(=t on/T)에 따라 변화됨을 이해할 수 있다. 전기 회로(40)는 제어부(도시 생략)를 갖고 있다. 제어부는 출력 전압(V2)이 일정해지도록 듀티(D)를 결정하고, 스위칭 소자(41, 42)의 게이트 단자에 제어 신호를 송출한다.

V2=V1·(t on/(t on+t off))=V1·t on/T ···(1)

또한, 전기 회로(40)의 출력 전류(I2)(즉 부하 장치(50)를 흐르는 부하 전류(I2))는 인덕터 전류(IL)의 평균값이다. 따라서, 출력 전류(I2)는 저측 스위칭 소자(42)를 흐르는 소스 전류(IQ2)(=드레인 전류)의 평균값(IQ2av)에 실질적으로 비례한다(강한 상관을 가짐).

변류기를 구성하는 권선부(20)의 도선(22)에는, 소스 전류(IQ2)에 비례한 전류가 흐른다. 그 전류는 신호 발생부(30)에 의해 정류(평균화)되고, 전압 신호(Vout)로 되어 저항기(31)의 양단에 나타난다. 따라서, 전압 신호(Vout)의 크기를 예를 들면 전압계 및 AD 변환 등에 의해 취득함으로써, 저측 스위칭 소자(42)에 흐르는 전류에 상관하는 값을 취득할 수 있다. 이 취득되는 값은, 전기 회로(40)에 흐르는 전류(이 경우, 전기 회로(40)의 일부에 흐르는 전류인 인덕터 전류(IL)이고, 또한 부하 전류(I2))에 강한 상관을 갖는다. 또한, 「전류에 상관하는 값 」이란, 그 전류의 전류값 바로 그것 및 전류를 전압으로 변환한 값 등, 검출해야할 전류에 따라 변화되는 값(예를 들면, 검출해야할 전류에 대략 비례하는 값)이며 검출해야할 전류의 크기를 일의(一意)적으로 특정할 수 있는 값이다.

도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 전류 검출 장치(10)는, 예를 들면 복수의 프린트 보드(101)를 탑재한 서버(100)에 적용할 수 있다. 프린트 보드(101)의 각각은, 복수의 부하 장치(50A)와, 그 복수의 부하 장치(50A)의 각각에 전력을 공급하는 전원 장치(40a)를 포함한다. 전원 장치(40a)는, 전술한 전기 회로(전원 회로)(40)와 전류 검출 장치(10)를 포함한다. 이렇게 구성된 서버(100)에 있어서, 전류 검출 장치(10)에 의해 전원 장치(40a)의 부하 전류가 실질적으로 무손실로 검출된다. 그리고, 검출된 부하 전류는 서버(100)의 관리 및/또는 제어에 이용된다.

이상, 설명한 바와 같이, 전류 검출 장치(10)는, 전기 노이즈를 억제하기 위해서 스위칭 소자(본 예에 있어서, 저측 스위칭 소자(42))에 원래 장착되어 있는 비드 코어(21)를 「변류기의 권선부(20)의 일부(코어)」로서 이용한다. 따라서, 변류기 전용의 새로운 부품을 전기 회로(40)에 별도로 장착할 필요가 없으므로, 전기 회로(40)를 포함하는 장치 전체의 대형화를 초래하지 않는다. 더군다나, 전류 검출용 저항기에 비해, 전력을 낭비로 소비하지 않고, 스위칭 소자에 흐르는 전류에 상관하는 값을 갖는 신호(Vout)(따라서, 전기 회로(40)에 흐르는 전류에 상관하는 값을 갖는 신호)를 취득할 수 있다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 범위 내에 있어서 다양한 변형예를 채용할 수 있다. 예를 들면, 비드 코어(21)가 고측 스위칭 소자(41)의 소스 단자에 장착되어 있을 경우에는, 그 비드 코어(21)에 도선(22)을 감고, 그 도선에 흐르는 전류에 의거해서 「고측 스위칭 소자(41)에 흐르는 전류에 상관하는 값을 갖는 신호」를 취출해도 된다.

또한, 전류 검출 장치(10)는, 승압형 DC-DC 컨버터에 적용하는 것도 가능하고, 전원 회로 이외의 전기 회로여도, 비드 코어(21)가 장착되어 있는 스위칭 소자를 포함하는 회로이면, 적용할 수 있다. 부가하여, 신호 발생부(30)는 다른 형식의 정류·평활 회로여도 된다. 또한, 신호 발생부(30)는 예를 들면 저항기만을 구비하고, 그 저항기의 양단의 전압 신호를 출력하도록 구성되어도 된다. 이 경우, 그 저항기의 양단 전압을 AD 변환함으로써 복수의 전압값(전압 신호의 크기)을 취득하고, 취득한 복수의 전압값을 소프트웨어에 의해 평균화함으로써 「스위칭 소자(따라서, 전기 회로(40))에 흐르는 전류에 상관하는 값」을 취득해도 된다.

또한, 상기 개시의 전류 검출 장치(10)는, 「비드 코어(21)가 장착된 스위칭 소자」에 흐르는 전류에 상관하는 값을 검출하는 전류 검출 방법을 실현하는 장치이기도 하다. 이 전류 검출 방법은, 스위칭 소자에 장착된 비드 코어(21)를 변류기의 코어로서 이용함과 함께, 비드 코어(21)에 감긴 도선(22)을 변류기의 2차 권선으로서 이용하고, 그 2차 권선에 흐르는 전류에 의거해서 「스위칭 소자에 흐르는 전류」에 상관하는 값을 검출하는 방법이다. 환언하면, 이 전류 검출 방법은, 비드 코어(21)가 장착되어 있는 스위칭 소자의 도체부(단자)를 변류기의 1차 권선으로서 이용함으로써 「스위칭 소자에 흐르는 전류」를 검출하는 방법이다.

10 ··· 전류 검출 장치 20 ··· 권선부
21 ··· 비드 코어 21a ··· 관통 구멍
22 ··· 도선 30 ··· 신호 발생부
31 ··· 저항기 32 ··· 커패시터
40 ··· 전기 회로 40a ··· 소스 단자
41 ··· 고측 스위칭 소자 42 ··· 저측 스위칭 소자
43 ··· 인덕터 44 ··· 커패시터
50 ··· 부하 장치

Claims

스위칭 소자에 장착되는 비드 코어 및 상기 비드 코어에 감긴 도선을 포함하는 권선부와,
상기 도선에 흐르는 전류에 의거해서 상기 스위칭 소자에 흐르는 전류에 상관하는 값을 갖는 신호를 발생하는 신호 발생부를 구비하고,
상기 비드 코어는, 상기 스위칭 소자의 스위칭에 의해 발생하는 전기 노이즈를 억제하기 위하여, 상기 스위칭 소자에 의해 제어되는 전류가 흐르는 도선이 상기 비드 코어의 관통 구멍을 통과하도록 스위칭 소자에 장착되는 전류 검출 장치.