KR20110017774A - 전류 센서 및 그 전류 센서용 홀 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대전류용 전류 센서에 관련되며, 특히 홀 센서(Hall sensor)를 이용해 대전류를 측정하는 전류 센서에 관련된다.

본 발명에 따르면, 홀 센서에서 홀 효과에 의해 야기되는 홀 전압을 잠식하는, 홀 센서 자체에서 공기 자속에 의해 유도되는 전압을 상쇄하는 보상 도전체를 도입함으로써 해결된다. 이러한 도전체 혹은 코일은 홀 센서에서 쇄교되는 공기 자속에 의해 유도되는 전압을 상쇄하도록 적절하게 설계된 길이 및 단면적을 가지고 상쇄하기에 적합한 위치에 배치된다. 홀 센서에서 유도되어 홀 효과에 의한 전위차에 에러로 작용하는 공기 자속에 의해 유도되는 전압이 보상 도전체에 의해 상쇄되므로, 본래의 홀 효과에 의한 전위차 성분만이 남게 되고, 이에 따라 주파수 응답 특성이 개선된다.

홀 센서, 전류 센서, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 보상 코일, 공기 자속

Description

전류 센서 및 그 전류 센서용 홀 센서{current sensor and Hall sensor used for the same}

본 발명은 대전류용 전류 센서에 관련되며, 특히 도선에 흐르는 전류에 의해 유도된 자기장의 세기를 홀 센서(Hall sensor)로 측정하여 전류량을 측정하는 전류 센서에 관련된다.

홀 효과(Hall effect)는 자기장이 전류가 흐르는 도체를 쇄교할 때 그 도체의 양단에 전위차가 생기는 물리 현상을 가리킨다. 홀 효과에 의해 유도되는 전위차는 쇄교하는 자기장(B)에 비례한다. 이 같은 홀 효과를 이용해 도전체에 바이어스 전류를 흘리고 그 양단의 전위차를 측정함으로써 자기장의 세기를 측정하는 것이 홀 센서이다.

한편, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 배터리의 직류 전력을 인버터에 의해 교류로 변환하여 모터에 인가함으로써 움직인다. 이러한 전기 구동 자동차에서는 모터를 주어진 속도로 제어하기 위해 인버터에 의해 출력되는 전류를 센싱하기 위해 다수의 전류 센서가 사용된다.

전기 구동 자동차에서 흐르는 전류의 크기는 수백 암페어에 달하는 대전류이 다. 이러한 대전류를 직접 적은 비용으로 측정하는 것은 쉽지 않다. 종래 전기 구동 자동차에서 대전류를 측정하기 위해 홀 센서를 이용한 것이 알려져 있다.

도 1a는 이러한 종래의 한 전류 센서(100)의 외관을 도시한 도면이다. 전류 센서(100)는 중공 형태의 하우징(150)에 감싸여 있으며, 일측에 케이블(140)이 인출되어 있다. 전류가 흐르는 도선이 가운데 구멍을 통과하며, 그 도선에 의해 유도되는 자기장을 통해 그 도선에 흐르는 전류의 크기를 검출한다.

도 1b는 도 1a의 전류 센서의 내부를 설명하는 개략적인 도면이다. 하우징(150)은 2 개의 공간으로 구획된다. 제 1 공간에는 대향하는 일단 및 타단이 갭을 형성하는 요크(110)가 배치된다. 제 2 공간에는 인쇄회로기판(130)이 배치된다. 인쇄회로기판(130)에는 요크(110)에 유도된 자기장의 세기를 통해 전류를 측정하는 홀 센서(120)가 고정되며, 제 1 공간의 요크(110)의 갭에 배치된다.

도 1b의 우측 하단에 상세히 도시된 바와 같이, 홀 센서(120)는 통상 4개의 단자(121,122,123,124)를 포함한다. 홀 센서의 센싱 면은 요크(110)에 유도되는 자속이 수직으로 쇄교하도록 갭에 배향되어 배치된다. 전류 센서(100)의 가운데 구멍에 도선이 배치되고 그 도선에 전류가 흐르면, 암페어의 법칙(Ampere's law)에 따라 흐르는 전류에 비례하는 자기장이 그 도선 주위에 유도된다. 이에 따라 유도된 자기장은 요크(110)를 자화시키며, 갭(120)에서 증폭된 자속이 쇄교한다. 이 자속은 홀 센서(120)에서 홀 효과를 야기한다. 이에 따라 도선에 흐르는 전류에 의해 유도된 자기장에 비례하는 전위차, 즉 전압이 홀 센서에서 출력한다.

도 1c는 홀 센서의 회로 구성을 설명하기 위한 개념도이다. 홀 센서에 구비된 4개의 단자(121,122,123,124) 중 제 1 단자(121)와 제 2 단자(122)를 통해 정전류원(128)으로부터 바이어스 전류가 공급된다. 또 유도된 전압은 제 3 단자(123)와 제 4 단자(124)를 통해 출력되어 전압 측정 회로(129)에서 전압이 측정된다. 측정된 전압으로부터 홀 효과를 야기한 자속 밀도를 측정할 수 있다.

전기 구동 자동차들은 속도 제어를 위해 인버터를 가변 주파수로 구동한다. 이러한 구동 주파수에 대한 요구는 최근 들어 20 kHz에 달하도록 높아졌다. 구동 주파수가 높아지면서 전류 센서의 주파수 응답 특성이 이슈가 되고 있다. 이제까지 이러한 주파수 응답 특성의 비선형성은 주로 요크(110) 내부의 와전류 손실(eddy current loss)에 의한 것으로 알려져 왔다. 요크를 세라믹으로 하는 것이 전기적인 특성상 가장 유리하지만 세라믹은 부스러지기 쉬워서 자동차 응용에는 기피된다. 이에 따라 와전류 손실을 줄이기 위해 규소 강판으로 제조되는 요크의 실리콘 함량을 높이는 것이 시도되었다. 그러나 이는 비용의 증가를 초래한다. 또다른 시도로 요크를 와인딩(winding) 형태로 제작하여 단면적을 줄이는 것이 시도되었다. 그러나 와인딩 요크에서 전기적인 절연을 유지하면서 갭 부분을 절단하는 기술은 매우 비용이 많이 드는 고난이도의 기술이다. 이러한 노력에도 불구하고 고주파수 응답이 만족스럽지 못한 원인에 대해 본 발명자는 분석하다 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 이 같은 배경에서 도출된 것으로, 본 발명은 고주파수에서 주파수 응답 특성을 개선시키는 것을 목적으로 한다.

나아가 전류 센서의 주파수 특성을 저비용이면서 간단한 방법으로 개선하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적은 홀 센서에 공기 자속에 의해 유도되는 유도기전력을 상쇄하는 보상 도전체를 도입함으로써 해결된다. 이러한 도전체 혹은 코일은 홀 센서에서 쇄교되는 공기 자속에 의해 유도되는 전압을 상쇄하도록 적절하게 설계된 길이 및 단면적을 가진다. 홀 센서에서 유도되어 홀 효과에 의한 전위차에 에러로 작용하는 공기 자속에 의해 유도되는 전압이 보상 도전체에 의해 상쇄되므로, 본래의 홀 효과에 의한 전위차 성분만이 남게 되고, 이에 따라 주파수 응답 특성이 개선된다.

일 실시예에 따르면, 보상 도전체는 요크의 갭에 홀 센서의 센싱 면과 나란하게 배치되는 코일이 될 수 있다. 또다른 실시예에 따르면, 보상 도전체는 홀 센서 내부에 설치되어 함께 일체로 패키징된 도전체일 수 있다. 또다른 실시예에 따르면, 보상 도전체는 요크의 갭 바깥에서 갭에 인접하여 요크에 나란히 설치된 코일일 수 있다.

본 발명에 따르면, 홀 센서의 단자 및 내부 회로에서 쇄교되는 공기 자속(air flux)에 의해 야기되는 전압이 그 단자 및 내부 회로에 상응하게 형성된 도전체에 의해 효과적으로 상쇄된다.

본 발명에 따르면 단지 작은 도전체 혹은 코일의 추가 만으로 주파수 응답이 실질적으로 넓은 주파수 범위에 걸쳐 개선된다. 간단한 부품인 도전체의 추가는 매우 적은 비용으로 또한 간단한 방법으로 행해질 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예들을 통해 이하에서 더욱 명확해질 것이다. 이제 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 예시적인 실시예들을 통해 설명한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 센서의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1b에 도시된 종래기술과 대응되는 구성요소는 동일한 도면 부호로 참조된다.

도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 전류 센서는 대향하는 일단 및 타단이 갭을 형성하는 요크(110)와, 이 요크(110)에 유도된 자기장의 세기를 통해 전류를 측정하며 요크의 갭에 배치되는 홀 센서(120)와, 이 홀 센서(120)에 유도되는 공기 자속을 상쇄하는 보상 도전체(170)를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 요크(110)는 규소 강판을 적층한 적층 코어이다. 와전 류 손실을 줄이기 위해 각각의 규소 강판 층은 갭에서 보았을 때 단면적이 최소가 되도록 폭이 좁고 가능한 얇은 것으로 선택된다. 도시된 실시예에 있어서, 각 규소 강판 층의 두께는 0.1t이며, 폭은 0.5mm, 그리고 원가에 영향을 미치는 Si 함량은 3%로 선택되었다. 실리콘 함량이 상대적으로 낮기 때문에 비용을 줄일 수 있다. 일측에 갭이 형성된 네모 형태의 규소 강판이 50장 적층되어 6mm 정도의 높이를 가진 요크(110)가 제조된다.

그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, Si 함량을 5%로 높이고 폭이 넓은 규소 강판을 사용하든지, 혹은 복수의 규소 강판 층을 권취절단형태(wound cut type)로 접합하여 제조하더라도 동등한 수준의 성능을 달성할 수 있다. 요컨데, 본 발명은 특정한 Si 함량이나 적층 형태에 한정되지 않는다.

홀 센서(120)는 4개의 단자를 가진 반도체 타입이 사용된다. 홀 센서는 측정면이 갭에 나란히 배치된다. 홀 센서는 인쇄회로기판(130)에 고정된다. 인쇄회로기판(120)에는 홀 센서(120) 외에도 도시되지 않았지만 홀 센서에 일정한 전류를 흘려주기 위한 정전류 회로와, 출력되는 전위차를 증폭하여 외부로 출력하는 증폭 회로, 그리고 고전류 쇼크로부터 회로를 보호하기 위한 보호회로가 배치된다. 출력 값은 케이블(140)을 통해 외부로 인출된다.

홀 센서에서 출력되는 전위차는 홀 효과(Hall effect)에 의한 것으로, 전류가 흐르는 도전체에 쇄교하는 자속 B에 비례한다. 즉, 두께가 d이고, 넓이 방향으로 전류 I 가 흐르는 도전체가 자속밀도 B에 노출된 경우, 홀 효과에 의해 두께에 걸쳐 유도되는 전위차 V는,

여기서 n은 전하 캐리어 밀도(charge carrier density), e는 전자의 전하(electron charge)이다.

한편, 홀 센서는 통상 반도체와 그에 전기 신호를 입출력하기 위한 단자들로 구성되므로, 그 자체로 폐루프를 이룬다. 강한 자기장이 통과하는 요크의 갭에 이러한 폐루프를 이루는 홀 센서가 배치되면, 페러데이 법칙(Farady's law)에 따라 홀 센서 자체에 쇄교하는 공기 자속(air flux)에 의해 전위차가 유도된다. 페러데이 유도에 의한 전위차는 쇄교하는 자속의 시간에 대한 변화율에 비례하므로, 이는 그 도체에 쇄교하는 자속밀도의 시간 미분값에 비례한다.

즉, 요크의 갭에서 자속 밀도 B = B₀ sin wt 로 주어질 때,

홀 센서에 쇄교하는 공기자속에 의해 유도되는 전위차는

여기서, N : 자속에 노출된 코일의 권취수

A : 자속밀도에 수직으로 쇄교하는 코일의 단면적

즉, 공기 자속에 의해 유도되는 전위차와 홀 효과에 의해 유도되는 전위차는 90도의 위상차를 가진다. 또 공기 자속에 의해 유도되는 전위차는 주파수에 비례함을 알 수 있다. 홀 센서에 포함된 도전체는 워낙 단면적 A가 작으므로, 주파수가 낮을 경우 공기 자속에 의해 유도되는 전위차는 미미하지만, 주파수가 높아지면 그 전압은 무시할 수 없을 정도가 된다. 본 발명에 의해 홀 센서의 기구적, 자기적 환경에 상응하는 형상과 크기의 도전체가 상응하는 위치에 배치되고, 이에 의해 특히 고주파에서 전류 센서의응답 특성이 개선된다. 본 실시예는 500A, 20 kHz까지 양호한 측정이 가능하도록 설계되어졌다.

도시된 실시예에 있어서, 보상 도전체는 요크 갭에 홀 센서의 센싱 면과 나란하게 배치되는 코일이다. 보상 코일(170)은 인쇄회로기판(130)에 홀 센서(120)와 인접하여 고정된다. 요크 갭에는 직선 형태로 공기 자속이 통과하므로 가장 효과적으로 전압이 야기된다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이러한 보상 도전체(170)는 홀 센서(120) 내부에 설치되어 함께 일체로 패키징될 수도 있다. 이렇게 일체로 패키징된 홀 센서(120)는 고전류, 고주파 특성이 개선된 새로운 홀 센서이다. 홀 효과를 위한 도전체 혹은 반도체와 나란하게 새로운 도전체, 예를 들면 권선 코일 혹은 도전판의 형태가 부가되고, 서로간에 절연된 뒤 일체로 패키징될 수 있다. 또는 이들은 반도체 공정에서 통합되어 절연층이 개재된 적층형태일 수도 있다.

도 2b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전류 센서에서 요부인 요크 갭 부근을 도시한 도면이다. 도면의 윗 부분은 평면도이고, 아래 부분은 측면도이다. 도 2a에 도시된 실시예와 달리 이 실시예는 보상 도전체(170)가 홀 센서(120)의 센싱면과 직각 방향으로 요크(110)의 갭 하단에 위치한다. 요크의 갭 부근에서 대부분의 자속은 갭 사이에서 나란하게 진행하지만, 모서리 부분의 자속은 원호 상으로 굽어져 진행하므로 직하방 혹은 직상방 성분이 존재한다. 보상 도전체는 직하방 성분의 자속에 반응하도록 배치된 코일(170) 형태이다.

홀 센서에서 공기 자속에 의해 유도되는 기전력의 크기는 심각하지 않으므로 보상 코일은 그 기전력을 상쇄하는 수준으로 형성되면 충분하다. 또한 보상 코일은 전류 센서가 측정하고자 하는 전류의 주파수와 크기가 반영되면 충분하므로 사실은 센서의 어디든 배치되는 것이 가능하다. 그러나 보상 도전체의 크기를 줄이고 효과적으로 보상하기 위해 가능한 홀 센서 부근에 배치하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 중심으로 설명되었다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위는 이로부터 도출 가능한 많은 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.

도 1a는 종래기술에 따른 전류 센서의 외관을 도시한 도면

도 1b는 도 1a의 전류 센서의 내부를 도시한 도면

도 1c는 홀 센서의 회로 구성을 설명하는 도면

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면

도 2b은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전류 센서의 구성을 개략적으로 도시한 도면

<도면의주요한부분의부호의설명>

100 : 전류 센서 110 : 요크

120 : 홀 센서 130 : 인쇄회로기판

140 : 커넥터 케이블 150 : 하우징

Claims (9)

1. 대향하는 일단 및 타단이 갭을 형성하는 요크와;

   상기 요크에 유도된 자기장의 세기를 통해 전류를 측정하며 상기 갭에 배치되는 홀 센서와;

   상기 홀 센서에 유도되는 공기 자속을 상쇄하는 보상 도전체;

   를 포함하는 전류 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 도전체는 상기 갭에 홀 센서의 센싱 면과 나란하게 배치되는 코일인 전류 센서.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 도전체는 상기 홀 센서 내부에 설치되어 함께 일체로 패키징된 도전체인 전류 센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보상 도전체는 갭 바깥에서 갭에 인접하여 상기 요크에 나란히 설치된 코일인 전류 센서.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 홀 센서는 복수의 단자를 포함하는 전류 센서.
6. 전기 자동차용 구동 전류를 감지하는 제 5 항 기재의 전류 센서.
7. 전류 센서의 요크의 갭에 배치되어, 갭에 형성되는 자기장의 세기를 측정하며, 내부에 홀 센서에 유도되는 공기 자속을 상쇄하는 보상 도전체를 포함하는 전류 센서용 홀 센서.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 보상 도전체는 홀 센서의 센싱 면에 평행하게 감긴 코일인 전류 센서용 홀 센서.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 보상 도전체는 홀 센서의 센싱 면에 평행하게 배치된 도전체인 전류 센서용 홀 센서.

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