KR101838972B1 - 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서 - Google Patents

보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서(1)에 관한 것인데, 이 센서는
- 측정될 전류가 흐르고, 자계를 생성하는 1차 권선,
- 보상 전류가 흐르고, 1차 권선을 보상하는 자계를 생성하는 2차 권선,
- 자기 코어...
- 2차 권선에 직렬로 연결된 종단(terminating) 저항,
- 1차 및 2차 권선의 결과적인 자계에 노출된 센서 수단,
- 종단 저항(8)을 통해 2차 권선에 보상 전류를 공급하는 센서 수단의 하류에 연결된 부스터(booster) 회로를
포함하고, 부스터 회로는 보상 전류를 펄스 폭 및 밀도 변조된 전류로 변환시키는, 펄스 폭 및 밀도 변조를 기초로 동작하는 펄스 폭 및 밀도 변조기를 갖는 펄스 폭 및 밀도 변조기를 갖는 스위치된 모드 증폭기를 포함하고, 스위칭 주파수는, 스위칭 주파수가 낮은 전류에서 높고, 높은 전류에서 낮다는 점에서 보상 전류의 함수이다.

Description

보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서{CURRENT SENSOR OPERATING IN ACCORDANCE WITH THE PRINCIPLE OF COMPENSATION}
본 발명은 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서에 관한 것인데, 이 센서는 측정될 전류가 흐르고, 자계를 생성하는 1차 코일 권선(winding)을 포함하고, 보상 전류가 흐르고, 1차 코일 권선에 의해 생성된 자계를 국부적으로 보상하는 다른 자계를 생성하는 2차 코일 권선을 더 포함하고, 2개의 코일 권선에 자기적으로 연결되고, 결과적인 자계를 에어 갭(air gap)에 집중시키는, 갭이 있는(gapped) 자기 코어를 더 포함하고, 2차 코일 권선에 직렬로 연결된 종단(terminating) 저항을 더 포함하고, 에어 갭에 위치하고, 1차 및 2차 권선의 결과적인 자계에 노출된 센서 수단을 더 포함하고, 종단 저항을 통해 2차 권선에 보상 전류를 공급하는 센서 수단의 하류에 연결된 부스터(booster) 회로를 더 포함한다.
보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서는 또한, 종종 폐쇄 루프 전류 센서라 불린다. 폐쇄 루프 전류 센서는 코어라 불리는, 투과성이 높은 재료의 자기 회로를 기초로 하는데, 이 코어는 측정될 전류를 갖는 1차 권선을 둘러싼다. 자기 회로에, 예를 들어 에어 갭에 위치한 플럭스(flux) 센서 요소는 이 회로에서 유도된 임의의 자속을 검출하고, 비례 신호를 생성한다. 이 신호는 부스터 회로라 불리는 일부 전자 파워 스테이지(stage)에 의해 증폭되고, 2차 권선을 통해 전류를 생성한다. 이 전류는 1차 전류와 반대이고, 네거티브 피드백을 확립하며, 이 전류는 피드백 루프의 동작에 대한 구동 변수로 요구되는 작은 자기 유도를 제외하고, 자기 회로 상에서 1차 전류의 영향을 보상한다. 이 잔류 유도는 전체 센서의 전류 오차에 대응하고, 작게 유지될 필요가 있다. 이는 코어의 자기 유도 당 2차 전류에 관해, 매우 높은 이득을 위한 증폭기를 설계함으로써 달성될 수 있다.
다수의 알려진 응용에서, 폐쇄 루프 전류 센서는 특히 중간 진폭의 범위 내에서 트랜지스터 또는 연산 증폭기에서 높은 전도 손실을 연속적으로 생성하는 선형 증폭기를 구비한다. 이들 반도체 손실은 전체 손실과, 센서의 공급 전력 요건에 기여한다. 게다가, 이들은 센서에서 국부 가열을 초래할 수 있는데, 이 가열은 냉각 수단 및 구성 요소 및 센서 크기 및 비용에 관해 감소된 신뢰도 또는 증가된 설계 노력을 초래한다.
종래 기술은 선형 증폭기 대신, 펄스 폭 변조 방식을 이용한 스위칭된 모드의 증폭기를 사용함으로써 부스터 회로에서 전도 손실을 감소시키는 방법을 나타낸다. 완전한 전도 및 절연 사이의 연속적 스위칭을 통해, 이들 타입의 디바이스는 일부 추가적인 스위칭 손실의 비용을 초래하지만, 전도 손실을 상당히 감소시킨다. 전체 손실은 보통 선형 증폭기에 비해 여전히 매우 적을 것이다. 스위칭된 모드 증폭기는, 평균이 대응하는 선형 증폭기의 출력에 대응하는 펄스 출력 전압을 생성한다. 연속적인 출력은 적합한 필터링을 통해 반환 될 수 있다.
스위칭된 모드 증폭기를 갖는 폐쇄 루프 전류 센서는 DE-OS-19642 472로부터 알려지는데, 여기서, 센서는 스위칭가능한 부스터를 사용하고, 이 부스터는 보상 전류에 대한 전력 요건을 감소시키고, 과도한 공급 전력을 갖는 동작에서의 손실을 감소시키기 위함이고, 펄스 폭 변조된 게이트 신호에 의해 제어되고, 측정된 값에 따라 듀티 사이클을 점유한다.
US 6,713,999 B1은 펄스 폭 변조된 보상 신호를 안정화 시키는 저역 통과 필터를 구비한 전류 센서를 나타내는데, 여기서 전류 센서는 또한, 추가적인 RC 요소를 구비하고, 그리고 제너(Zener) 다이오드와 옴 저항으로 구성된 제한 수단이 고속의 과도 전류를 억제하기 위해 제공된다.
종래 기술에서 사용된 펄스 폭 변조 방식은 전도 손실이 2차 전류에 비례하는 동안, 일정한 스위칭 주파수를 사용하고, 즉, 일정한 스위칭 손실의 특징을 이룬다. 이는 높은 전류 레벨에서 상당한 반도체 손실을 초래하고, 전자 부품의 크기 및 비용과 같은 일부 설계 제약을 초래한다. 펄스 폭 변조 방식에 속한 다른 결과는 일정한 스위칭 주파수에 의해 야기된 리플(ripple)에 관련된다. 리플의 절대값은 전류 값에 거의 독립적인데, 이는 낮은 전류에서의 상대적인 리플 값이 매우 높아질 수 있다는 것을 의미한다. 그러면, 리플을 감소시키기 위해 정교한(elaborated) 필터가 필요하다.
따라서, 본 발명에 의해 해결될 기술적인 문제는 높은 전류에서 반도체 손실을 더 감소시키는 것이다. 본 발명에 의해 해결될 추가의 기술적 문제는 낮은 전류에서 상대적인 리플 값을 감소시키는 것이다.
본 발명에 따라, 이들 문제는 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서에 의해 해결되는데, 이 전류 센서는 펄스 폭 및 밀도 변조된 전압 신호를 생성하고, 적합한 필터링 이후 2차 권선을 통해 보상 전류를 구동하는, 펄스 폭 및 밀도 변조기를 갖는 스위치된 모드 증폭기를 포함한다. 이러한 변조기의 스위칭 주파수는 스위칭 주파수가 낮은 전류에서 높고, 높은 전류에서 낮다는 점에서 보상 전류의 함수이다.
본 발명에 따라, 펄스 폭 및 밀도 변조를 통한 스위칭 주파수는 낮은 출력 전류에서 가장 높고, 높은 전류에서 가장 낮다. 그러므로, 스위칭 전류는, 전도 손실이 최대일 때, 높은 전류에서 가장 낮다. 스위칭 손실은, 전도 손실이 최소일 때, 낮은 전류에서 가장 높다. 따라서, 펄스 폭 및 밀도 변조 방식은 거의 일정한 전력 소비 프로파일 대 최저 손실을 통한 출력 전류를 초래한다. 이는 저비용 구성요소의 완화된 열 설계 및 사용을 허용한다.
게다가, 펄스 폭 및 밀도 변조를 기초로 동작하는 스위치된 모드 증폭기를 포함하는 부스터 회로를 갖는, 본 발명에 따른 전류 센서의 리플은 스위칭 주파수의 증가에 따라 감소하는데, 이는 펄스 폭 및 밀도 변조의 리플이 출력 전류에 비례한다는 것을 의미한다. 따라서, 상대적 리플은 완전한 출력 전류 범위에 걸쳐 최적화되어, 단순하고 저렴한 비용의 필터링을 허용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 펄스 폭 및 밀도 변조기는, 비-반전 입력이 아날로그 전류 신호를 수신하고, 출력이 슈미트-트리거(Schmitt-Trigger) 회로의 입력에 연결되는 차동 증폭 회로를 포함하여, 상기 슈미트-트리거 회로의 출력과, 차동 증폭기의 반전 입력은 피드백 루프에 의해 옴 저항과 연결되고, 차동 증폭기의 출력 및 반전 입력은 피드백 루프에 의해 커패시터와 연결된다. 따라서, 이러한 장치가 적분 회로 즉, 적분기를 포함하여, 적분기가 차동 증폭 회로에 의해 형성되고, 커패시터가 상기 차동 증폭기의 출력 및 반전 입력을 연결하고, 저항이 상기 차동 증폭기의 반전 입력에 존재한다는 것을 관찰할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 펄스 폭 및 밀도 변조기는, 비-반전 입력이 아날로그 전류 신호를 수신하고, 출력이 2개의 반전 버퍼 증폭기를 갖는 장치에 연결된 차동 증폭 회로를 포함하여, 차동 증폭기의 출력 및 반전 입력이 피드백 루프에 의해 커패시터와 연결되고, 2개의 반전 버퍼 증폭기를 갖는 상기 장치의 출력과, 차동 증폭기의 반전 입력 중 하나가 옴 저항을 갖는 네거티브 피드백 루프를 형성하기 위해 연결된다. 따라서 위에 언급된 바와 같이, 이러한 장치가 적분 회로, 즉, 적분기를 포함하여, 이 적분기가 상기 차동 증폭기의 출력 및 반전 입력을 연결하는 커패시터와, 상기 차동 증폭기의 반전 입력에서 저항을 갖는 차동 증폭 회로에 의해 형성된다는 것을 관찰할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 부스터 회로는 전치 증폭기를 포함하고, 이에 펄스 폭 및 밀도 변조기가 후속하고, 이에 FET-하프브릿지(halfbridge)를 갖는 전력 스테이지가 후속한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 전력 스테이지는 하프-브릿지 게이트 구동기와 출력 필터를 포함하고, 이에 2개의 전압 클램핑 방지 다이오드가 후속한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, FET-하프브릿지는 2개의 n-타입 MOSFET으로부터 구축된다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 센서 수단은 홀(Hall) 센서이다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 센서 수단은 자기 저항(magnetoresistive) 센서이다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 센서 수단은 온도 보상을 위한 수단을 포함하는 홀 집적 회로이다. 게다가, 본 발명에 따른 홀 집적 회로는 높은 민감도 및 프로그래밍 가능 오프셋 및 오프셋 보상을 위해 설계될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 센서 수단의 대역폭은 필터에 의해 제한되는데, 이는 능동에서 수동 센서 동작 모드로의 전이 주파수의 더 나은 제어를 갖기 위함이다.
본 발명에 따른 전류 센서의 장점은 전자 부품에서 동작 범위에 대한 더 균일한 분배를 통해 감소된 최대 손실이다. 따라서, 스위치의 더 높은 상승 시간이 가능해진다. 또한, 감소된 손실에 기인하여, 감소된 크기 및 비용을 갖는 파워 트랜지스터가 적용될 수 있는데, 이는 전자 부품 및 기판의 더 작은 크기가 달성될 수 있기 때문이다.
방열을 위한 어떠한 특정 수단도 필요치 않고, 예를 들어, 종래 기술의 해결책에서 종종 필요한 냉각을 위한 어떠한 몰딩 처리 및 열 분산(spreader) 판이 필요치 않다.
본 발명의 특징에 기인하여, 보상 전류는 특히, 낮은 및/또는 중간 출력 전류에서 작은 리플이다. 이는 필터 보상의 감소된 크기 및 비용을 허용한다.
펄스 폭 및 밀도 변조는 순수한 펄스 밀도 변조에 대한 스위칭 주파수의 적당한 변화를 요구한다.
펄스 폭 및 밀도 변조기를 갖는 스위치된 모드 증폭기를 포함하는 부스터 회로는 구동기, MOSFET, 냉각 장치 및 출력 필터에 대해, 종래 기술에서 알려진 순수한 펄스 폭 변조 또는 순수한 펄스 밀도 변조 대안 보다 더 큰 공차 요건에 기인하여 구현하는데 더 쉽다고 예측된다. 이는 부품의 폭넓은 선택 및 전체 솔루션에 대한 저렴한 비용을 허용한다. 게다가, 본 발명에 따른 부스터 회로의 설계에 속하는 낮은 상승 시간은 프린팅된 회로 기판의 설계를 간소하게 하고, 전자기 방출의 감소에 도움을 주는 것을 허용한다.
본 발명의 전술한, 그리고 다른 특징 및 장점은 서술 및 첨부 도면의 견지에서 더 명백해질 것이다.
본 발명은 아래와 같은 장점을 갖는다.
○ 전자 부품에서 동적 범위에 대한 더 균일한 분배를 통해 감소된 손실; 스위치의 더 높은 상승 시간이 가능할 수 있다.
○ 감소된 크기 및 비용의 파워 트랜지스터.
○ 특히, 낮은 및/또는 중간 출력 전류에서 작은 리플.
○ 감소된 크기 및 비용의 필터 부품.
○ 작은 크기의 전자 부품 및 기판.
○ 방열을 위한 어떠한 특정 수단도 필요치 않음, 예를 들어, 냉각을 위한 어떠한 몰딩 처리 및 열 분산 판도 필요치 않음.
○ 낮은 시스템 비용(증폭기, 출력 필터, 파워 트랜지스터, 냉각기)
○ 펄스 폭 및 밀도 변조를 기초로 스위치된 모드 증폭기 또는 클래스-D 증폭기는 구동기, MOSFET, 냉각기 및 출력 필터에 대한 더 큰 공차 요건에 기인하여 구현하는데 더 쉽다. 이는 부품의 폭넓은 선택 및 전체 솔루션에 대한 낮은 비용을 허용한다. 게다가, 허용된 낮은 상승 시간은 프린팅된 회로 기판(PCB) 설계를 단순화시키고, 전자기 방출의 감소에 도움을 준다.
○ 부분적 에어 갭이 존재하는 경우, 더 대칭인 플럭스 분배에 기인한 감소된 AC 크로스 토크 민감도.
○ 오프셋 보상을 갖는 홀-IC에 대한 낮은 오프셋.
○ 요구된 작은 코어 단면적, 부분적 에어 갭의 경우 어떠한 갭의 고정도 필요치 않음.
○ 낮은 시스템 비용.
○ 다상 버스 바 시스템에 적합한 설계(직사각형 형태를 가짐).
도 1은 폐쇄 루프 전류 센서 장치(setup)의 개략도.
도 2는 펄스 폭 및 밀도(density) 변조기의 입력 및 출력 신호 사이의 관계를 그래프로 도시하는 도면.
도 3은 제 1 실시예에서, 동작 증폭기 및 슈미트-트리거를 갖는 펄스 폭 및 밀도 변조기의 개략적인 구현을 도시하는 도면.
도 4는 제 1 실시예에서 부스트 회로를 갖는 전자 장치의 블록도.
도 5는 제 2 실시예에서 부스터 회로를 갖는 전자 장치의 블록도.
도 6은 단일 스테이지 변조기 및 단일 출력을 갖는, 펄스 폭 및 밀도 변조 회로와 전치 증폭기의 개략적인 구현을 도시하는 도면.
도 7은 2개의 스테이지 변조기 및 보상 출력을 갖는, 전치 증폭기를 갖는 펄스 폭 및 밀도 변조 회로의 개략적인 구현을 도시하는 도면.
도 8은 2개의 스테이지 변조기 및 보상 출력을 갖고, 변조기가 슈미트 트리거 대신 2개의 반전 버퍼 증폭기를 갖는, 전치 증폭기를 갖는 펄스 폭 및 밀도 변조 회로의 개략적인 구현을 도시하는 도면.
도 1 내지 도 8에서 동일한 기능 및 모드의 동작에 대한 요소는 동일한 참조 부호로 제공된다.
도 1은 폐쇄 루프 전류 센서 장치(1)를 개략적으로 도시한다. 센서는 투과성이 높은 재료의 자기 코어(2)를 포함하는 자기 회로를 기초로 한다. 자기 코어(2)는 측정될 전류(IP)를 갖는 다수의 1차 권선(NP)을 갖는 1차 코일(3)를 둘러싼다. 도 1에 도시된 장치에서, 1차 권선(3)은 하나의 권선으로만 구성된다. 자기 코어(2)의 에어 갭(5)에 위치한 플럭스 센서 요소(4)는 자기 회로에서 야기된 임의의 자속을 검출하고, 비례 신호를 생성한다.
폐쇄 루프 센서의 능동 동작 모드에서, 즉, 낮은 전류 주파수에서, 플럭스 센서 요소의 신호는 부스터 회로(8)의 부품인 전자 파워 스테이지에 의해 증폭된다.
높은 전류 주파수에서, 2차 전류는 수동 방식에서, 즉, 2차 권선에서 야기된 전압에 의해 생성된다. 따라서, 높은 주파수 모드는 수동 동작 모드라 불린다. 능동 동작 모드의 대역폭은 일반적으로 필터에 의해 제한된다. 수동 동작 모드에서, 그리고 능동 및 수동 동작 모드 사이에 존재하는 전이 모드에서, 홀 센서의 출력 신호는 1차 전류에 더 이상 비례하지 않지만, 위상 편이된다.
부스터 회로(6)는 다수의 2차 권선(NS)을 갖는 2차 코일(7)을 통해 흐르는 2차 전류(IS)를 출력(27)에서 생성한다.
2차 전류는 1차 전류에 반대이고, 네거티브 피드백을 생성한다. 이는 피드백 루프의 동작에 대한 구동 변수로 요구되는 작은 자기 유도를 제외하고, 자기 회로 상에서 1차 전류의 영향을 보상한다. 이러한 잔류 유도는 전체 센서 장치(1)의 전류 오차에 대응하고, 작게 유지될 필요가 있다. 이는 매우 높은 이득을 위한 증폭기를 설계함으로써 달성될 수 있다.
부스터 회로(6)는 전원(+VA 및 -VA)에 의해 전원 공급된다. 2차 전류(IS)의 크기는 2차 권선(NS)에 직렬로 연결되고, 여기서 접지 전위에 더 연결되는 종단 저항(8)으로 측정되는데, 이 저항(8)은 또한, 측정 저항(RM)이라 불린다. 측정 저항(RM) 양단의 전압 강하(VM)는 2차 전류(IS)를 위한 표시이고, 따라서, 1차 전류(IP)에 대한 측정 값을 제공한다.
부스터 회로(6)는 펄스 폭 및 밀도 변조를 기초로 동작하고, 펄스 폭 및 밀도 변조된 전압 신호를 생성하고, 적당한 필터링 후 2차 권선을 통해 보상 전류를 구동시키며, 스위칭 주파수를 갖는 스위치 펄스 폭 및 밀도 변조기를 통해 동작하는 스위치된 모드 증폭기를 포함하는데, 이 스위칭 주파수는 스위칭 주파수가 낮은 전류에서 높고, 높은 전류에서 낮다는 점에서 보상 전류의 함수이다.
도 2는 본 명세서에서 적용되는 펄스 폭 및 밀도 변조의 동작을 도시한다. 도 2의 도면에서의 가로축(abszissa)은 임의의 시간 단위, 예를 들어, 초 단위의 시간을 나타낸다. 도 2의 도면에서 세로축은 볼트 단위의 전압 진폭을 나타낸다. 신호 곡선(10)은 변조기의 출력 신호이다. 신호 곡선(9)은 변조기에 대한 입력 신호이다. 능동 동작 모드에서, 이는 1차 전류에 비례한다. 신호 곡선(11)은 차동 증폭기의 출력(15)에서 내부 변조기 신호, 삼각파 신호이다.
따라서, 도 2는 전압(VM)으로 표시된 입력 신호(9)의 예시적인 진행을 전압 대 시간 도면으로 도시한다. 도 2의 그래프에서, 2,5V는 제로(zero) 전류에 대응하는 기준 전압이다. 따라서, 도 2에서, 약 20u 내지 40u의 시간에서, 전류는 일정한 + 값을 갖고, 40u 내지 60u의 시간에서 제로 전류로 내려가고, 60u 내지 80u의 시간에서, 제로로 유지되고, 80u 내지 100u의 시간에서 - 값으로 감소하고, 100u 내지 120u에서 일정한 - 값을 유지한다.
곡선(10)은 변조기의 출력 신호를 나타낸다. 신호의 점멸비(듀티 사이클)는 평균 출력 전압을 한정하는데, 2차 전류의 이러한 진폭에 대해 높은 점멸비는 높은 2차 전류를, 낮은 점멸비는 낮은 전류를 초래한다. 스위칭된 모드 증폭기의 스위칭 주파수가 일정하기 않지만, 전류에 의존한다는 것이 관찰될 수 있다. 스위칭 주파수는 낮은 전류에서 가장 높고, 높은 전류에서 가장 낮으며, + 또는 - 일 수 있다.
그러므로, 스위칭 손실은 전도 손실이 최대일 때, 높은 전류에서 가장 낮다. 다른 한편으로, 스위칭 손실은 전도 손실이 최소일 때, 낮은 전류에서 가장 높다. 따라서, 도 2에 도시된 펄스 폭 밀도 변조 방식은 거의 일정한 전력 소비 프로파일 대 최저 손실을 갖는 출력 전류를 초래한다. 이는 완화된 열 설계 및 저렴한 비용의 부품의 사용을 허용한다. 게다가, 이러한 스위칭된 모드 증폭기의 리플은 스위칭 주파수의 증가를 통해 감소되는데, 이는 리플이 출력 전류에 비례한다는 것을 의미한다. 따라서, 상대적인 리플은 완전한 출력 전류 범위에 걸쳐 최적화되어, 간단하고 저렴한 비용의 필터링을 허용한다.
도 3은 펄스 폭 밀도 변조 방식을 통해, 스위칭된 모드 증폭기에서 사용되는 변조기(12)의 개략적인 구현을 도시한다. 변조기(12)는, 비반전 입력이 아날로그 전류 신호(14)를 수신하고, 출력(15)이 슈미트-트리거 회로(17)의 입력(16)에 연결되는 차동 증폭 회로(13)를 포함하여, 상기 슈미트-트리거 회로(17)의 출력(18)과 차동 증폭기(13)의 반전 입력이 옴 저항(19)을 갖는 피드백 루프에 의해 연결되고, 차동 증폭기(13)의 출력(15) 및 반전 입력은 커패시터(20)를 갖는 피드백 루프에 의해 연결된다. 따라서, 이러한 장치가 적분 회로, 즉 적분기를 포함하여, 적분기가 상기 차동 증폭기의 출력과 반전 입력을 연결하는 커패시터와, 상기 차동 증폭기의 반전 입력에서의 저항을 갖는 차동 증폭 회로에 의해 형성된다는 것을 관찰할 수 있다.
도 3에 도시된 변조기(12)는 입력(14)에서 아날로그 신호를, 도 2에 도시된 곡선(10)을 나타내는, 출력(18)에서의 펄스 폭 및 밀도 변조된 신호로 변환시킨다. 아날로그 신호는 플럭스 센서 요소(4)의 출력 신호에 비례하는 전압 신호이고, 따라서, 순수한 능동 동작 모드 즉, 낮은 주파수에서, 이는 1차 전류에 간접적으로 비례한다.
도 4는 어떻게 변조기(12)가 부스터 회로(6)의 센서 전자 부품에 집적될 수 있는지를 도시한다. 부스터 회로(6)는 전치 증폭기(21)를 포함하는데, 이에 펄스 폭 및 밀도 변조기(12)가 후속하고, 이에 FET 하프브릿지를 갖는 파워 스테이지가 후속한다. 변조기(12)의 출력 신호(18 및 18')는 단일 유닛으로 결합될 수 있고, 고 전력 MOSFET(22, 23)의 쌍을 제어하는 2개의 게이트 구동기(24, 25)에 공급된다. 도 3 및 도 6과 같이, 변조기가 하나의 출력 신호만 생성하는 경우, 게이트 구동 유닛(들)은 이 하나의 신호로부터 2개의 MOSFET 구동 신호를 생성할 필요가 있다. 충분한 매칭 및 스위칭 성능을 달성하기 위해, 하프 브릿지는 2개의 n-타입 MOSFET으로부터 바람직하게 구축된다. 대안으로서, 본 발명의 원리는 또한, 전력 스위치의 하프 브릿지 대신, 풀(full) 브릿지에 사용될 수 있다.
MOSFET 하브브릿지(22, 23)의 하류에, RC 장치를 갖는 저역 출력 필터(26)가 존재하는데, 이 필터는 펄스 폭 및 밀도 변조된 신호의 고주파 스위칭 성분을 제거한다. 그러면, 필터링된 신호는 2차 코일(7)에 공급되고(도 1을 참조), 이 2차 코일(7)은 2차 전류를 생성한다.
도 5는 부스터 회로(6')의 개략적인 추가 실시예를 도시한다. 여기서, 변조기(12)의 하류에, 2개의 고전력 MOSFET(22, 23)을 구동시키는 하브 브릿지 게이트 구동기(28)가 후속한다. 전원 필터(29)는 전원 시스템으로의 왜곡의 주입을 회피하기 위해, 전원 경로에서 예측된다. MOSFET 하프 브릿지의 하류에, 출력 필터(26')가 후속하고, 이에, 수동 동작 모드에서, 과전압의 생성을 방지하는 2개의 클램핑 다이오드(30, 31)가 후속한다. 홀 센서(4)는 온도 보상, 오프셋 해제, 이득 조정을 위한 수단을 포함하는 홀-IC로 대체될 수 있다.
도 6은 펄스 폭 및 밀도 변조기(12') 및 전치 증폭기(21')의 구현을 위한 추가의 실시예를 도시한다. 변조기(12')는 슈미트 트리거(17')를 통해 구현되는 단일 펄스 폭 및 밀도 변조된 출력(18)을 갖는 단일 스테이지 변조기로서, 도 3에 도시된 변조기와 유사한 원리로 설계된다. 단일 전치 증폭기(21')는 홀 IC(4')의 하류에, 그리고 변조기(12')의 상류에 탑재되고, 입력 측에서 기준 전압으로서 2개의 정밀 저항(32, 33)을 구비한 저항 브릿지를 사용한다.
도 7은 펄스 폭 및 밀도 변조기(12") 및 전치 증폭기(21')의 구현을 위한 또 다른 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 변조기(12")는, 이 변조기가 2개의 슈미트 트리거(17", 17"')로 구현되고, 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같은 게이트 구동 유닛(들)에 대한 입력으로 사용될 수 있는, 보상 펄스 폭 및 밀도 변조된 출력(18", 18"')을 갖는다는 점에서, 도 6에 도시된 변조기와 다르다.
도 8은 펄스 폭 및 밀도 변조기(12"') 및 전치 증폭기(21')의 구현을 위한 또 다른 실시예를 도시한다. 도 8에 도시된 변조기(12"')는, 이 변조기가 2개의 반전 버퍼 증폭기(34, 35)를 통해 구현되는 보상 펄스 폭 및 밀도 변조된 출력(18", 18"')을 갖는다는 점에서, 도 7에 도시된 변조기와 다르다.
본 발명에 따른 전류 센서 장치에서 사용된 스위치된 모드 증폭기의 타입이 또한 클래스 D 증폭기로 불릴 수 있다는 것이 언급되어야 한다.
도시된 도면의 배경에서 서술된 것에 덧붙여, 서술된 본 발명의 원리는 하나 또는 수개의 다음의 특징과 결합될 수 있다.
자기 코어(2)의 형태는 원형, 직사각형, 달걀 또는 타원형일 수 있다.
코어 재료는 자기 포화, 낮은 보자성(coercivity) 및 포화로의 점진적 전이의 특징을 이루기 위해 선택된 바람직한 실시예에 속한다.
센서의 자기 코어(2)는 얇은, 낮은 오프셋 플럭스 센서에 관련된, 높은 컷(cut) 깊이와 높은 전체 이득을 갖는 부분적인 에어 갭을 가질 수 있다. 부분적 에어 갭은 축 또는 방사 방향으로부터 플럭스 센서(4, 4')의 삽입을 위해 개방될 수 있다.
자기 코어(2)는 예를 들어, 적층된(laminated) 금속 시트의 층으로 이루어진 구조로 이루어질 수 있다. 갭의 최선의 기계적 안전성을 달성하기 위해, 부분적 에어 갭은 적층 평면에 평행인 방향으로 커팅될 수 있고, 즉, 개별적인 층 모두는 완전히 커팅되지 않는다.
다상 장치에서의 응용을 위해, 자기 코어(2)는, 갭이 바람직하게 다른 상 도체에 대해 수직을 이루도록 설계될 수 있다. 이는 낮은 크로스-토크 민감도를 초래할 수 있다.
에어 갭은 매우 얇게 만들어질 수 있고, 예를 들어, 에어 갭은 2mm 이하의 작은 원주 길이를 갖기 위해 설계될 수 있다.
플럭스 센서(4, 4')는 홀-요소, 또는 자기 저항 요소 또는 홀 센서 집적 회로(홀 IC)일 수 있다. 이는 심지어, 높은 민감도 및 프로그램 가능 오프셋을 갖는 홀-IC일 수 있다.
본 발명의 장점은 아래와 같이 요약될 수 있다.
○ 전자 부품에서 동작 범위에 대한 더 균일한 분배를 통해 감소된 손실; 스위치의 더 높은 상승 시간이 가능할 수 있다.
○ 감소된 크기 및 비용의 파워 트랜지스터.
○ 특히, 낮은 및/또는 중간 출력 전류에서 작은 리플.
○ 감소된 크기 및 비용의 필터 부품.
○ 작은 크기의 전자 부품 및 기판.
○ 방열을 위한 어떠한 특정 수단도 필요치 않음, 예를 들어, 냉각을 위한 어떠한 몰딩 처리 및 열 분산 판이 필요치 않음.
○ 낮은 시스템 비용(증폭기, 출력 필터, 파워 트랜지스터, 냉각기)
○ 펄스 폭 및 밀도 변조를 기초로 위치된 모드 증폭기 또는 클래스-D 증폭기는 구동기, MOSFET, 냉각기 및 출력 필터에 대한 더 큰 추가의 공차 요건에 기인하여 구현하는데 더 쉽다. 이는 부품의 폭넓은 선택 및 전체 솔루션에 대한 낮은 비용을 허용한다. 게다가, 허용된 낮은 상승 시간은 프린팅된 회로 기판(PCB) 설계를 단순화시키고, 전자기 방출의 감소에 도움을 준다.
○ 부분적 에어 갭이 존재하는 경우, 더 대칭인 플럭스 분배에 기인한 감소된 AC 크로스 토크 민감도.
○ 오프셋 보상을 갖는 홀-IC에 대한 낮은 오프셋.
○ 요구된 작은 코어 단면적, 부분적 에어 갭의 경우 어떠한 갭의 고정도 필요치 않음.
○ 낮은 시스템 비용.
○ 다상 버스 바 시스템에 적합한 설계(직사각형 형태를 가짐).
1 : 폐쇄 루프 전류 센서 장치 2 : 자기 코어
3 : 1차 코일 4, 4' : 플럭스 센서 요소
5 : 에어 갭 6, 6' : 부스터 회로
7 : 2차 코일 8 : 종단 저항
9 : 변조기의 입력 신호 10 : 변조기의 출력 신호
11 : 차동 증폭기의 출력(15)에서의 삼각파 신호
12, 12', 12" : 변조기 13 : 차동 증폭 회로
14 : 변조기의 아날로그 입력 신호
15 : 증폭기(13)의 출력 16 : 슈미트 트리거 회로의 입력
17, 17', 17", 17"' : 슈미트 트리거 회로
18, 18', 18", 18"' : 슈미트 트리거 회로의 출력
19 : 적분 회로의 입력 저항
20 : 피드백 커패시터(적분 회로의 커패시터)
21, 21' : 전치 증폭기 22 : 고전력 MOSFET
23 : 고전력 MOSFET 24 : 하이 측 게이트 구동 유닛
25 : 로우 측 게이트 구동 유닛 26, 26' : 출력(저역 통과) 필터
27 : 부스터 회로의 출력 28 : 하프 브릿지 게이트 구동 유닛
29 : 전원 필터 30 : 클램핑 다이오드
31 : 클램핑 다이오드 32 : 저항
33 : 저항 34 : 반전 버퍼 증폭기
35 : 반전 버퍼 증폭기

Claims (10)

  1. 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서(1)로서,
    - 측정될 전류가 흐르고, 자계를 생성하는 1차 코일(3),
    - 보상 전류가 흐르고, 상기 1차 코일(3)의 자계를 보상하는 자계를 생성하는 2차 코일(7),
    - 2개의 권선에 자기적으로 연결되고, 결과적인 자계를 에어 갭(air gap)(5)에 집중시키는, 갭이 있는(gapped) 자기 코어(2),
    - 상기 2차 코일(7)에 직렬로 연결된 종단(terminating) 저항(8),
    - 상기 에어 갭(5)에 위치하고, 상기 1차 코일(3) 및 상기 2차 코일(7)의 결과적인 자계에 노출된 센서 수단(4),
    - 상기 종단 저항(8)을 통해 상기 2차 코일(7)에 보상 전류를 공급하는 상기 센서 수단(4)의 하류에 연결된 부스터(booster) 회로(6)를
    포함하고, 상기 부스터 회로(6)는 2차 코일 권선을 통해 상기 보상 전류를 구동하는 펄스 폭 및 밀도 변조 전압 신호를 생성하는 펄스 폭 및 밀도 변조기(12)를 갖는 스위치된 모드 증폭기를 포함하고, 상기 변조기(12)의 스위칭 주파수는, 상기 스위칭 주파수가 낮은 전류에서 높고, 높은 전류에서 낮다는 점에서 상기 보상 전류의 함수인, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 폭 및 밀도 변조기(12)는 비반전 입력이 아날로그 전류 신호를 수신하고, 출력이 슈미트 트리거(Schmitt-Trigger) 회로(17)의 입력에 연결된 차동 증폭 회로(13)를 포함하고, 이를 통해 상기 슈미트 트리거 회로(17)의 출력(18)과 상기 차동 증폭 회로(13)의 반전 입력은 옴 저항(19)을 갖는 피드백 루프에 의해 연결되고, 상기 차동 증폭 회로(13)의 출력과 반전 입력은 커패시터(20)을 갖는 피드백 루프에 의해 연결되는, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 펄스 폭 및 밀도 변조기(12)는, 비반전 입력이 아날로그 전류 신호를 수신하고, 출력이 2개의 반전 버퍼 증폭기(34, 35)를 갖는 장치에 연결되는 차동 증폭 회로(13)를 포함하고, 이를 통해 차동 증폭기의 출력 및 반전 입력은 커패시터를 갖는 피드백 루프에 의해 연결되고, 2개의 반전 버퍼 증폭기(34, 35)를 갖는 상기 장치의 출력과, 상기 차동 증폭기의 반전 입력은, 네거티브의 전체 피드백이 달성되도록 옴 저항을 갖는 피드백 루프에 의해 연결되는, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부스터 회로(6)는 전치 증폭기(21)를 포함하고, 이에 상기 펄스 폭 및 밀도 변조기(12)가 후속하고, 이에 FET-하프브릿지(halfbridge)(22, 23)를 갖는 파워 스테이지(stage)가 후속하는, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 파워 스테이지는 하프브릿지 게이트 구동기(28)와 출력 필터(26')를 포함하고, 이에 2개의 클램핑 다이오드(30, 31)가 후속하는, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  6. 제4항에 있어서, 상기 FET-하프브릿지(22, 23)는 2개의 n-타입 MOSFET으로 구축되는, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서 수단(4)은 홀(Hall) 센서인, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 센서 수단(4)은 자기 저항(magnetoresistive) 센서인, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  9. 제7항에 있어서, 상기 센서 수단(4)은 오프셋 및 온도 보상을 위한 수단을 포함하는 홀 집적 회로인, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 센서 수단의 대역폭은 능동에서 수동 센서 동작 모드로의 전이 주파수의 더 나은 제어를 갖기 위해, 필터에 의해 제한되는, 보상 원리에 따라 동작하는 전류 센서.
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