KR102039784B1

KR102039784B1 - 스마트 그리드용 가변 바이어스 전원을 이용한 자기 센서 기반 전류 센서

Info

Publication number: KR102039784B1
Application number: KR1020170110625A
Authority: KR
Inventors: 이성호; 이성철
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-11-01
Also published as: KR20190024056A

Abstract

스마트 그리드용 가변 바이어스 전원을 이용한 자기 센서 기반 전류 센서가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 전류 센서는, 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 자기 센서, 자기 센서에 의해 측정된 자기장의 크기로부터 전류의 크기를 산출하는 신호 처리기 및 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 제어기를 포함한다. 이에 의해, 가변 바이어스 전원을 이용하여 자기 센서를 구동하여, AC에서 전류의 크기가 작은 구간에서도 전류 센서에 소자 추가 없이도 감도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

스마트 그리드용 가변 바이어스 전원을 이용한 자기 센서 기반 전류 센서{Current Sensor based on Magnetic Sensor using a Variable Bias for Smart Grid}

본 발명은 전류 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선로에 전류에 의해 유기되는 자기장을 측정하여, 측정된 자기장의 크기로부터 전류의 크기를 측정하는 자기 센서 기반 전류 센서에 관한 것이다.

도 1과 도 2는, 기존의 자기 센서 기반 전류 센서의 구조를 나타낸 도면들이다. 도 1은 바이어스 전류(Ibias)로 자기 센서를 구동시키는 전류 모드 전류 센서이고, 도 2는 바이어스 전압(Vbias)으로 자기 센서를 구동시키는 전압 모드 전류 센서이다.

도 1과 도 2에 도시된 자기 센서에 입력되는 자기장의 변화에 따른 출력 전압 변화를 도 3에 나타내었다.

선로에서 발생하는 자기장의 크기는 선로에 흐르는 전류의 크기에 비례하므로, 자기 센서의 출력 전압으로부터 선로에 흐르는 전류의 크기를 산출하는 것이 가능하다.

하지만, AC에서 전류의 크기가 작은 구간, 즉, 자기장의 크기가 작은 구간에서는, 자기 센서의 출력 전압이 작아져, 자기 센서의 옵셋, 회로의 잡음 등으로 인해 전류 센서의 감도가 떨어지는 문제가 있다.

감도 향상을 위해, 자성체를 이용한 concentrator를 추가한 경우가 있으나, 제조 단가를 상승시킨다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, AC에서 전류의 크기가 작은 구간에서도 소자 추가 없이 감도를 향상시킬 수 있는 가변 바이어스 전원을 이용한 자기 센서 기반 전류 센서를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전류 센서는, 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 자기 센서; 자기 센서에 의해 측정된 자기장의 크기로부터 전류의 크기를 산출하는 신호 처리기; 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 제어기;를 포함한다.

그리고, 제어기는, 전류의 크기를 기초로, 출력 스케일을 가변적으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전류 센서는, 자기 센서에 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급기;를 더 포함하고, 제어기는, 바이어스 전원을 가변적으로 생성하도록 바이어스 전원 공급기를 제어할 수 있다.

그리고, 제어기는, 전류의 크기를 기초로, 바이어스 전원의 크기를 제어할 수 있다.

또한, 제어기는, 전류의 크기가 작은 구간에서 바이어스 전원의 크기가, 전류의 크기가 큰 구간에서 바이어스 전원의 크기 보다 크게 제어할 수 있다.

그리고, 전류는, 선로에 흐르는 AC의 전류일 수 있다.

또한, 바이어스 전원은, 바이어스 전압 또는 바이어스 전류일 수 있다.

그리고, 자기 센서는, 홀 센서일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전류 센서는, 자기 센서의 출력을 증폭하여 신호 처리기로 전달하는 증폭기;를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 전류 측정 방법은, 자기 센서로 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 단계; 자기 센서에 의해 측정된 자기장의 크기로부터 전류의 크기를 산출하는 단계; 및 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 단계;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 전류 센서는, 전류의 크기를 산출하기 위해, 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 자기 센서; 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 제어기;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 측정 방법은, 전류의 크기를 산출하기 위해, 자기 센서로 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 단계; 및 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 가변 바이어스 전원을 이용하여 자기 센서를 구동하여, AC에서 전류의 크기가 작은 구간에서도 전류 센서에 소자 추가 없이도 감도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 기존의 자기 센서 기반 전류 모드 전류 센서,
도 2는 기존의 자기 센서 기반 전압 모드 전류 센서,
도 3은 자기장의 변화에 따른 도 1과 도 2에 도시된 자기 센서의 출력 전압 변화를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 바이어스 전류를 이용한 자기 센서 기반 전류 센서를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 센서에서, 자기 센서로 인가되는 바이어스 전류, 그리고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 센서에서, 자기장의 변화에 따른 자기 센서의 출력 전압 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 바이어스 전류를 이용한 자기 센서 기반 전류 센서를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 전류 센서는 선로(10)에 흐르는 AC(Alternating Current)를 측정하기 위한 센서로, 도 4에 도시된 바와 같이, 자기 센서(110), 바이어스 전류 공급기(120), 저잡음 증폭기(130) 및 신호 처리기(140)를 포함한다.

자기 센서(110)는 선로(10)에 흐르는 AC에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하기 위한 센서로, 홀 센서 등으로 구현할 수 있다. 자기 센서(110)에서는 자기장의 크기에 비례하는 전압이 출력된다.

바이어스 전류 공급기(120)는 자기 센서(110)에 바이어스 전류를 인가하여, 자기 센서(110)를 구동시킨다. 바이어스 전류는 크기가 고정되지 않고 가변적이다. 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 2가지의 바이어스 전류가 선택적으로 인가되는데, 이에 대해서는 상세히 후술한다.

저잡음 증폭기(130)는 자기 센서(110)의 출력 전압을 증폭하여 신호 처리기(140)로 전달한다.

신호 처리기(140)는 저잡음 증폭기(130)에서 증폭된 자기 센서(110)의 출력 전압(자기장의 크기)을 A/D 변환(Analog to Digital Conversion)하고, 디지털 신호를 보상하여 전류 크기를 산출한다.

전술한 바이어스 전류 공급기(120)에서 자기 센서(110)로 인가되는 바이어스 전류를 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 바이어스 전류 공급기(120)에서 인가되는 바이어스 전류는 "Ibias1"과 "Ibias2" 2가지이며, "Ibias2" 크기는 "Ibias1" 크기의 2배이다.

바이어스 전류는 선로(10)에 흐르는 AC의 크기에 의해 결정된다. 구체적으로, AC의 크기가 피크 전류의 절반 이상인 구간(I_AC ≥ I_Peak/2 또는 I_AC ≤ -I_Peak/2)에서는 바이어스 전류 공급기(120)에서 자기 센서(110)로 "Ibias1"이 인가된다. 반면, AC의 크기가 피크 전류의 절반 미만인 구간(-I_Peak/2 < I_AC < I_Peak/2)에서는 바이어스 전류 공급기(120)에서 자기 센서(110)로 "Ibias2"가 인가된다.

위에서 기술한 도 5에 도시된 방식으로 바이어스 전류가 인가되는 경우, 자기장의 변화에 따른 자기 센서(110)의 출력 전압 변화를 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타난 바와 같이, 자기 센서(110)의 출력 전압의 스케링/감도는, '자기장의 크기가 작은 구간, 즉, 전류의 크기가 작은 구간'에서 '자기장의 크기가 큰 구간, 즉, 전류의 크기가 큰 구간' 보다 2배 커진 것을 확인할 수 있다.

바이어스 전류 공급기(120)에 인가되는 바이어스 전류에 대한 제어는 제어기(미도시)가 담당한다. 제어기는 신호 처리기(140)에 의해 산출되는 선로(10)에 흐르는 AC의 크기를 기초로 자기 센서(110)에 인가되는 바이어스 전류의 크기가 가변적으로 생성되도록 바이어스 전류 공급기(120)를 제어하는 소자로, 이를 통해 자기 센서(110)의 출력 스케일을 가변적으로 제어한다.

나아가, 제어기는 바이어스 전류 공급기(120)에서 생성하여 자기 센서(110)로 인가하는 바이어스 전류의 제어 정보를 신호 처리기(140)에도 제공한다. 신호 처리기(140)가 자기 센서(110)의 출력 전압으로부터 전류 크기를 산출함에 있어서는 바이어스 전류의 크기에 의한 자기 센서(110)의 출력 전압 스케일을 알아야 하기 때문이다.

지금까지, 가변적인 바이어스 전류를 이용한 자기 센서 기반 전류 센서에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에서, 바이어스 전류는 "Ibias1"과 "Ibias2" 2가지를 운용하는 것을 상정하였는데, 예시적인 것에 불과하다. 선로(10)에 흐르는 AC의 크기에 따라 3개 이상의 구간들로 구분하고, 각 구간들에 대해 각기 다른 바이어스 전류들을 인가하도록 구현하는 것이 가능하다.

만약, 구간 분할이 매우 세분화 된다면, 선로(10)에 흐르는 AC에 의해 발생하는 자기장의 변화에 따른 자기 센서(110)의 출력 전압 변화가 비선형적으로 연속하는 형태가 될 수 있다.

한편, 위 실시예에서 바이어스 전류의 크기는 선로(10)에 흐르는 전류의 크기, 즉, 신호 처리기(140)에서 산출된 전류의 크기를 기초로 제어하였는데, 변경이 가능하다. 이를 테면, 바이어스 전류의 크기를 자기 센서(110)의 출력 전압, 즉, 선로(10)에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장의 크기를 기초로 제어하도록 구현하는 것이 가능하다.

나아가, 위 실시예에서 제시한 전류 센서는 전류 모드 전류 센서를 상정하였는데, 설명의 편의를 위한 일예에 불과하다. 전압 모드 전류 센서, 즉, 바이어스 전압으로 자기 센서(110)를 구동하는 타입의 전류 센서에 대해서도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 바이어스 전원을 이용한 자기 센서 기반 전류 센서는, 자성체나 화합물 반도체를 사용하는 방법으로 자기 센서의 감도를 향상시키는 기존 기술과 달리, 자기 센서에 흐르는 바이어스 전압이나 전류를 입력 자기장에 따라 가변적으로 조정하여 감도를 향상시킨다.

스마트 그리드의 핵심 요소 기술는 소모되는 전력을 정확히 모니터링 하는 것인데, 본 발명의 실시예에 따른 전류 센서가 적정하다.

본 발명의 실시예에 따른 전류 센서는, 고정밀 저단가의 전류 센서를 구현하는데 용이하며 AC를 주로 사용하는 스마트 팩토리에 적용할 경우 미터링 및 서브미터링 용도로 각종 기계 설비 및 구역을 나누어 소모되는 소모 전류를 정확히 측정할 수 있게 되어 스마트 그리드의 확대에 기여할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10 : 선로
110 : 자기 센서
120 : 바이어스 전류 공급기
130 : 저잡음 증폭기
140 : 신호 처리기

Claims

전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 자기 센서;
자기 센서에 의해 측정된 자기장의 크기로부터 전류의 크기를 산출하는 신호 처리기;
자기 센서에 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급기; 및
바이어스 전원을 가변적으로 생성하도록 바이어스 전원 공급기를 제어하여, 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 제어기;를 포함하고,
제어기는,
신호 처리기에서 산출되는 전류의 크기에 따라 가변적으로 바이어스 전원의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
청구항 1에 있어서,
제어기는,
전류의 크기를 기초로, 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
제어기는,
전류의 크기가 작은 구간에서 바이어스 전원의 크기가, 전류의 크기가 큰 구간에서 바이어스 전원의 크기 보다 크게 제어하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
청구항 5에 있어서,
전류는,
선로에 흐르는 AC의 전류인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
청구항 1에 있어서,
바이어스 전원은,
바이어스 전압 또는 바이어스 전류인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
청구항 1에 있어서,
자기 센서는,
홀 센서인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
청구항 1에 있어서,
자기 센서의 출력을 증폭하여 신호 처리기로 전달하는 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
자기 센서로 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 단계;
자기 센서에 의해 측정된 자기장의 크기로부터 전류의 크기를 산출하는 단계; 및
자기 센서에 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급기가 바이어스 전원을 가변적으로 생성하도록 제어하여, 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 단계;를 포함하고,
제어 단계는,
산출 단계에서 산출되는 전류의 크기에 따라 가변적으로 바이어스 전원의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 방법.
전류의 크기를 산출하기 위해, 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 자기 센서;
자기 센서에 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급기; 및
바이어스 전원을 가변적으로 생성하도록 바이어스 전원 공급기를 제어하여, 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 제어기;를 포함하고,
제어기는,
자기 센서에 의해 측정되는 전류의 크기에 따라 가변적으로 바이어스 전원의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
전류의 크기를 산출하기 위해, 자기 센서로 전류에 의해 발생하는 자기장의 크기를 측정하는 단계; 및
자기 센서에 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급기가 바이어스 전원을 가변적으로 생성하도록 제어하여, 자기 센서의 출력 스케일을 가변적으로 제어하는 단계;를 포함하고,
제어 단계는,
측정 단계에서 측정되는 전류의 크기에 따라 가변적으로 바이어스 전원의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 자계 측정 방법.