KR101258867B1 - 부하에 흐르는 전류의 비정형적 측정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하 측정 회로에 관한 것으로, 제1 도선(11)과 제2 도선(12)과 차폐재(2)를 구비하여, 상기 도선들이 그 말단에서 부하(3)와 연결되며, 상기 말단에서 상기 차폐재가 그라운드에 연결되지 않으며, 상기 도선들은 다른 말단에서 발생기(19)와 연결되는 케이블(1), 상기 케이블의 다른 말단의 도선들에 연결되는 제1 권선과 그라운드와 상기 케이블의 다른 말단의 상기 차폐재 사이에 연결되는 제2 권선과 전류 측정 장치(14)에 연결되는 제3 권선을 포함하는 변압기(3)를 포함한다.

Description

부하에 흐르는 전류의 비정형적 측정{Out-of-line measurement of a current flowing through a load}

본 발명은 공진 부하(Resonant Loads)에 300V 이상의 전압 및 1MHz 이상의 주파수로 전력 공급을 하는 것에 관한 것으로, 특히 이러한 부하를 통하여 흐르는 전류의 측정에 관한 것이다.

특히 자동차의 플라즈마 점화 장치에의 적용에 있어서, 1MHz 이상의 공진주파수를 가지는 공진기가 점화 플러그에 구비되며, 일반적으로 300V 이상의 전압이 공급되며 5A 이상의 전류가 공급된다. 이러한 적용에는 높은 양호도(quality factor) 를 가지는 라디오 주파수 공진기(radio frequency resonator) 및 고전압 발생기의 사용을 필요로 하며, 상기 발생기의 동작 주파수는 공진기의 공진 주파수에 매우 근접하다. 공진기의 공진 주파수와 발생기의 동작 주파수의 차이가 줄어들수록 공진기의 공진기 증폭 계수(입력 전압에 대한 출력 전압의 비율)가 더 커진다. 양호도가 클수록 발생기의 동작 주파수는 그 공진 주파수에 더 근접하여야 한다.

제조상 오차, 연소실 또는 냉각 회로 내의 온도, 또는 공진기 부품에서의 에이징 드리프트(aging drift) 등의 많은 변수들이 공진 주파수에 영향을 미친다. 따라서 공진 주파수의 변화를 예측하거나 제어하는 것은 어렵다.

서보 제어(servocontrol) 기술은 공급 전압이 공진기의 공진 주파수에 근접한 주파수로 유지되도록 한다. 특히 한가지 기술은 공진기에 전력을 공급하면서 전류 및 전압을 측정하는 것이다. 공진기 출력단의 전류와 전압 사이의 위상각의 측정은 서보 제어를 수행할 수 있게 한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 공지의 장치는 발생기를 공진기(3)에 연결하는 케이블(1)을 포함한다. 상기 케이블(1)은 도선(8)들 및 차폐재(shield)(2)를 포함한다. 상기 공진기(3)는 인덕터(4), 커패시터(5) 및 저항(6)을 포함한다. 상기 공진기와 발생기 사이의 도선들의 수를 한정하기 위하여 전류 측정 장치는 상기 발생기 측에 위치한다. 그러나 상기 케이블(1)은 도 1의 전기적 등가회로의 커패시터(7)에 의하여 도시된 것과 같은 기생 전기용량들을 야기한다. 그러면 케이블에서 누설 전류가 나타나며, 발생기 출력단에서 측정된 전류 파형이 크게 변경된다.

도 2에 나타난 바와 같이, 발생기 출력단에서의 측정 신호(22)는 공진기 입력단(3)에서의 전류(21)에 대하여 위상이 편이(phase-shift) 되었다. 더욱이, 상기 신호(22)는 상기 공진기와 상기 케이블(1)의 기생 전기용량 사이의 커플링으로 인한 고주파수의 기생 공진에 의하여 영향을 받는다. 그러면 서보 제어의 성능이 현저히 감소된다. 그러한 주파수 값들에 대하여 발생기에서의 측정 신호의 정확성을 개선시키기 위한 해결책은 알려져 있지 않다.

본 발명은 하나 또는 복수의 이들 결점을 제거하는 것을 목적으로 한다. 따라서 본 발명은 부하를 통하여 흐르는 전류를 측정하는 회로를 제안하며, 상기 회로는;

제1 말단 및 제2 말단 사이에 제1 도선, 제2 도선 및 차폐재를 구비하여, 상기 도선들은 상기 제1 말단에서 부하에 연결될 수 있으며, 상기 제2 말단에서 발생기에 연결될 수 있으며, 상기 차폐재는 상기 제1 말단에서 그라운드(ground)에 연결되지 않는 케이블; 및

적어도 제1 권선, 제2 권선 및 제3 권선을 구비하고, 상기 제1 권선은 상기 케이블의 상기 제2 말단의 도선에 연결되며, 상기 제2 권선은 그라운드와 상기 케이블의 상기 제2 말단의 상기 차폐재 사이에 연결되며, 상기 제3 권선은 전류 측정 장치에 연결될 수 있는 변압기를 포함한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참고하여 아래의 상세한 설명으로부터 명확하게 나타날 것이며, 이는 본 발명을 나타내는 것으로 본 발명을 한정하지 아니하며, 여기서,

도 1은 케이블에 의한 공진기의 연결 및 그 전기적 등가회로를 나타내며,

도 2는 공진기의 입력 전류 및 발생기에서 측정된 신호를 나타내며,

도 3은 연결 케이블에서의 기생 전기용량들 및 전류를 나타내며,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 케이블 및 측정 장치를 나타내며,

도 5는 본 발명의 변경례에 따른 연결 케이블 및 측정 장치를 나타낸다.

도 3은 제1 말단에서 공진기(3)에 연결되고, 제2 말단에서 발생기(19)에 연결되는 케이블(1)을 나타낸다. 상기 케이블(1)은 상기 발생기(19)의 고전압 단자에 연결되는 제1 도선(11), 그라운드에 연결되는 제2 도선(12) 및 차폐재를 포함한다. 상기 발생기는 1MHz 이상의 주파수를 가지는 공급 전압을 전달할 수 있으며, 상기 공진기의 공진 주파수 역시 5MHz 보다 크다.

전기용량들 Ccb는 각 도선(11, 12)과 차폐재 사이의 단위 길이당 전기용량으로부터 유도된다. 전기용량 Ccc는 도선들(11, 12) 사이의 단위 길이당 전기용량으로부터 유도된다. 상기 케이블의 길이에 비하여 파장이 매우 길다는 점을 고려할 때(자동차 점화 장치용으로 디자인된 케이블에 있어서, 케이블의 길이는 일반적으로 100mm 내지 1500mm가 될 것이다), 다음 식들을 상기 내용들로부터 유도할 수 있다.

Ig = Icm + Ib

Icm = Ir + Icc

Ib = Icb = Icc×Ccc/Ccb

Ir = Icm - Icc = Ig - Ib×Ccb/Ccc - Ib

= Ig - (1 + Ccb/Ccc)×Ib

Ig는 상기 발생기에 의하여 도선(11)으로 전달되는 전류이고, Icm은 상기 케이블의 제2 말단에서 상기 도선(12)을 빠져나오는 전류이며, Ib는 차폐재와 접지 사이의 전류이며, Ir은 상기 공진기 입력단에 주입되는 전류이며, Icc는 전기 용량 Ccc에 흐르는 전류이며, Icb는 전기 용량 Ccb에 흐르는 전류이다.

관계식 Ig = Icm + Ib 는 점화 플러그의 뚜껑(cap)으로부터 직접 그라운드로 순환하는 전류가 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 예를 들어, 커넥터의 상부로 전류 Ig, Icm 및 Ib가 흘러들어가는 도선들을 둘러싸는 자기 회로를 추가함으로써 얻을 수 있다. 또한 이러한 결과는 상기 케이블 주변에 페라이트 링(ferrite ring)을 추가함으로써 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 회로를 나타내며, 상기 측정 회로는 상기 케이블의 제2 말단에서 이루어진 전류 측정값을 보정하기 위하여 전류 Ib를 사용한다. 상기 측정 회로는 이미 설명한 바와 같은 케이블(1) 및 3 권선 변압기(13)를 포함한다. 특히, 차폐된 트위스티드 페어(shielded twisted pair) 케이블이 사용될 수 있다. 상기 도선들(11, 12)은 상기 케이블의 제1 말단에서 상기 공진기에 연결되고, 상기 제2 말단에서 상기 발생기에 연결되도록 되어있다.

상기 변압기(13)의 상기 제1 권선(31)은 발생기의 고전압 출력단자와 상기 케이블(1)의 상기 제2 말단의 상기 도선(11) 사이에 연결되도록 되어있다. 상기 권선(31)을 통하여 흐르는 전류는 상기 공진기를 통하여 흐르는 전류 및 상기 케이블(1)의 기생 전기용량들에 의하여 유도되는 전류들의 합이다. 상기 변압기의 상기 제2 권선(32)은 그라운드와 상기 케이블의 제2 말단의 상기 차폐재(2) 사이에 연결된다. 상기 차폐재(2)는 상기 케이블의 상기 제1 말단에서는 전기적으로 연결되지 않는다. 상기 제2 권선(32)을 통하여 흐르는 것은 상기 케이블의 상기 기생 전기용량들에 의하여 유도되는 전류들을 나타내는 전류이다. 상기 제3 권선(33)은 전류 측정 장치(14)의 단자들에 연결되며, 상기 전류 측정 장치(14)는 일반적으로 RC 회 로이다. 상기 측정 장치(14)는 커패시터(15) 및 저항(16)을 포함하도록 도시되었다. 인덕터(34)는 상기 변압기의 누설 인덕턴스를 나타낸다.

상기 권선(33)은 공지의 방법에 의하여 전류 측정을 수행하도록 한다. 상기 권선들(31, 32)은 전류 Ib가 측정 신호에서의 전류 Ig 와 전류 Ir 사이의 차이를 보상하도록 하기 위하여 서로 반대 방향으로 감겨진다. 따라서 상기 제3 권선을 통하여 흐르는 전류가 상기 공진기를 통하여 흐르는 전류를 더 잘 나타낸다.

주파수 제어 회로를 구비하는 공진기용 전력 공급 장치를 형성하기 위하여, 발생기는 상기 측정 회로와 나란히 놓인 측정 장치(14)에 의하여 제공되는 측정 신호를 복구하는 주파수 제어 장치로 이루어진다. 공지의 기술에 의하여, 서보 제어 장치는 상기 측정 신호의 함수를 사용하여, 예를 들어 상기 측정 신호와 공급 전압 사이의 위상을 먼저 판단함으로써 공급 전압의 주파수를 수정한다.

두 개의 전극들을 제공하는 공진기를 구비하는 플라즈마 발생 시스템을 구성하기 위하여 이러한 전력 공급 장치가 사용되는 것은 바람직하다. 상기 전력 공급 장치는 또한 1MHz 이상의 주파수를 가지는 공진기를 제공할 수 있으며, 상기 공급 전압 하에서 이들 두 전극들 사이에서 플라즈마가 형성된다. 상기 공진기는 특히 자동차 점화 장치의 점화 플러그 코일일 수 있다.

도 5는 상기 보상을 최적화하고, 상기 권선(32)의 권선수에 의하여 한정되지 않고 원하는 보상 비율을 얻기 위하여 디자인된 측정 장치의 다른 변경례를 나타낸다. 본 변경례에서 저항 브릿지(resistive bridge)는 전류의 일부를 보상 브릿지로부터 직접 그라운드로 흐르도록 전환한다. 도시된 예에서 최적의 보상은 저항 연 결(17, 18)의 R17 및 R18의 적절한 값에 의하여 얻을 수 있다.

실제, 계산 및 측정은 동일한 권선수를 가지는 상기 권선들(31, 32)까지도 사용하여, 완전하지 않은 기생 전류들의 보상이 유추되도록 한다. 이러한 현상은 도선들 사이의 단위 길이당 전기용량과 도선과 차폐재 사이의 단위길이당 전기용량의 차이에 의하여 설명될 수 있다. 실제, R18/(R17+R18)의 비율은 권선(31)과 권선(32) 사이의 변압기 비율에 의하여 나누어진 Icb/(Icc+Icb)의 비율과 거의 같다. 제2 권선(320)이 실제로는 갈라져 있는(split) 반면에 제1 권선은 그렇지 않다고 가정할 경우, 전류 Icc가 전류 Icb와 같은 경우에만 보상은 정확한데, 이는 단위 길이당 전기용량들의 차이로 인하여 확인되지 않는다. 저항 브릿지는 따라서 이러한 비율을 조절하기 위하여 사용된다. 저항 브릿지의 디자인은 케이블의 단위 길이당 전기용량들에 기초하여 수행될 수 있다.

상기 보상을 최적화하기 위하여, 적절한 방법으로 제1 권선(31)에 대한 제2 권선의 권선수를 적합하게 맞추는 것도 가능할 것이다.

더욱이, 저항 연결(17, 18) 및 케이블의 기생 전기용량들은 RC 필터링에 의하여 제2 권선(32)에서의 대역폭을 감소시킬 수 있으며, 이는 사용되는 주파수에서의 보상을 변경할 수 있다. 따라서 측정 장치의 역동적인 동작을 최적화하기 위하여 상기 연결들(17, 18)에 리액티브(reactive) 소자를 충분히 포함시키는 것이 바람직하다.

필터를 형성하는 것과 같이 RC 회로는 누설 인덕턴스(34)로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 필터의 대역폭은 공진기의 공진 주파수 중심에 위치하며, 이러한 방법에 의하여 저항의 단자들에서의 전압은 서보 제어 장치의 전압 범위에서 벗어나지 않는다.

상기 권선(31)의 인덕턴스는 개루프 전력 공급 장치의 동작에 영향을 미치지 않도록 너무 크지 않아야 한다. 실제로, 변압기(13)는 (바깥 지름이 약 20mm)인 작은 사이즈의 토로이드(toroid)를 구비할 수 있으며, 이는 페라이트 4C65 같이 동작 주파수에서 자신의 성질을 유지하는 자성 물체로 이루어진다. 한번 감은 권선(31)으로는 인덕턴스가 30nH로 제한될 것이다. 권선(33)을 통하여 흐르는 전류를 제한하기 위하여 후자는 권선(31)의 권선수보다 훨씬 많은 권선수, 예를 들어 전술한 예에서 20회의 권선수를 가지는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 차폐된 케이블을 사용하여 공진 부하로 전달되는 전류를 측정하는 것을 제안한다. 상기 측정은 3권선 변압기(three-winding transformer)에 의하여 케이블을 발생기에 연결하여 수행한다. 케이블의 차폐재에 흐르는 전류들이 사용되며, 이러한 전류들은 상기 케이블의 기생 전기용량에 비례한다. 변압기 권선들 중 하나는 측정 장치에서 케이블의 기생 전기용량들에 의한 누설을 보상하기 위하여 차폐재에 흐르는 전류들을 회복시킨다.

이에 의하여 부하측에서의 측정 프루브(probe) 및 이 신호를 발생기에 전송하는 추가적인 케이블의 필요 없이 공진 부하에 전달되는 전류의 정확한 측정이 수행될 수 있다.

Claims (9)

1. 부하를 통하여 흐르는 전류를 측정하는 회로에 있어서,

   제1 말단 및 제2 말단 사이에 제1 도선(11), 제2 도선(12) 및 차폐재(shield)(2)를 구비하여, 상기 도선들은 상기 제1 말단에서 부하(3)에 연결될 수 있으며, 상기 제2 말단에서 발생기(19)에 연결될 수 있으며, 상기 차폐재는 상기 제1 말단에서 그라운드(ground)에 연결되지 않는 케이블;

   적어도 제1 권선, 제2 권선 및 제3 권선(31 내지 33)을 구비하고, 상기 제1 권선은 상기 케이블의 상기 제2 말단의 도선에 연결되며, 상기 제2 권선은 그라운드(ground)와 상기 케이블의 상기 제2 말단의 상기 차폐재 사이에 연결되며, 상기 제3 권선은 전류 측정 장치(14)에 연결될 수 있는 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류를 측정하는 회로.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제3 권선(33)의 단자들에 연결되는 전류 측정 장치(14)를 포함하는 전류 측정 회로.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전류 측정 장치(14)는 RC 회로인 전류 측정 회로.
4. 제3항의 전류 측정 회로;

   상기 케이블(1)의 상기 제2 말단에서 상기 제1 도선(11) 및 제2 도선(12)에 연결되고, 상기 제1 도선 및 제2 도선에 1MHz 이상의 주파수를 가지는 공급 전압을 공급할 수 있는 발생기(19)에 있어서, 상기 발생기(19)는 상기 측정 장치에 연결되어 상기 측정 장치로부터 제공되는 신호의 함수에 의하여 상기 공급 전압의 주파수를 수정하는 주파수 제어 회로를 포함하는 발생기(19)를 포함하는 부하에 전력을 공급하는 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 권선(31)이 상기 발생기의 고전압 출력단 및 상기 제1 도선(11) 사이에 연결되는 전력 공급 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 권선(31) 및 제2 권선(32)이 반대 방향으로 감기는 전력 공급 장치.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 차폐재(2) 및 상기 제2 말단의 상기 제2 도선(12) 사이에 연결되는 저항(17, 18)을 포함하는 전력 공급 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 차폐재 및 상기 제2 말단의 상기 제2 도선 사이에 연결되는 능동소자를 포함하는 전력 공급 장치.
9. 제4항에 의한 장치; 및

   1MHz 이상의 공진 주파수를 가지며, 상기 케이블의 도선들에 제1 말단에서 연결되며, 두 개의 전극들을 포함하여 상기 발생기가 그 공급 전압을 전달할 때 상기 두 개의 전극들 사이에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 부하를 포함하는 플라즈마 발생 시스템.

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