KR20140104024A - 온도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도-의존형 전압을 공급하는 센서(4)를 이용하여 적어도 하나의 전자 부품(2)의 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 온도 측정 방법은 센서(4)에 의해 전달된 전압을 나타내는 신호를 절연된 차동 증폭기(13)를 통과시키는 단계와, 절연된 차동 증폭기(13)로부터의 출력 신호를 이용하여 센서(4)에 의해 측정된 온도를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

온도 측정 방법{TEMPERATURE MEASUREMENT METHOD}
본원 발명은 고전압 환경 내에 배열된 센서를 이용한 온도 측정에 관한 것이다. 상기 센서는, 예를 들어, 전력 부품들을 포함하는 인쇄회로기판에 위치된다. 이러한 전력 부품들은, 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어 인버터의 일부를 형성한다.
도 1에서, 예를 들어 약 5 V의 저전압을 전달하는 전원(101)에 의해, 여기에서 음의(negative) 온도 계수 서미스터(영문으로 CTN으로 지칭된다)인 센서(100)로 공급되는 것을 확인할 수 있을 것이다. 이러한 센서(100)는 전력 인버터의 스위칭 셀들(102)과 동일한 기판 상에 배열되고, 이러한 셀들(102)의 각각이, 예를 들어, 430 V의 전압들 및 350 A의 최대 값의 전류들을 견딜 수 있도록 치수결정된다(dimensioned). 인버터의 고전압 회로와 센서(100)의 저전압 회로 사이의 절연은, 기판을 덮는 실리콘 겔에 의해 보장된다. 이러한 절연은 약 1.5 kV의 전압을 견딘다. 그럼에도 불구하고, 겔에 의해 제공되는 전기적 절연은, 고전압 회로 내의 사고 이벤트(event of an incident)시에 발생될 수 있는 큰 전압이 고전압 회로와 저전압 회로 사이에 인가되는 경우에 충분하지 못하다.
센서(100)를 보호하기 위해서, 하나 이상의 부가적인 절연 배리어들을 부가하는 것이 필요할 수 있으나, 이는 공간 및 비용을 지불하여야 할 것이다.
고전압 회로 내의 임의의 사고로부터 센서를 보호함으로써, 고전압 환경 내에서 절연된 온도 측정을 실시하는 것이 요구되고 있다.
본 발명의 청구 대상은 이러한 요구에 대한 응답과 관련되고 그리고, 특히 저전압이 공급되는 센서로, 적어도 하나의 전자 부품, 특히 고전압 회로에 속하는 부품의 온도를 측정하고, 그리고 상기 온도에 따라서 전압을 전달하는 방법을 이용하여, 양태들 중 하나에 따라서 그러한 요구 충족에 성공하였으며, 상기 방법에서:
- 센서 단자들에서의 전압을 나타내는 신호가 절연된 차동 증폭기를 통과하고, 그리고
- 이러한 절연된 차동 증폭기로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 부품의 온도를 결정한다.
상기 방법에 따라서, 절연된 차동 증폭기의 갈바닉(galvanic) 절연체가 온도 센서의 보호를 위해서 이용된다. 이러한 갈바닉 절연체로 인해서, 차동 증폭기가 '절연된' 것으로 지칭될 수 있다.
상기 방법은 측정 회로를 이용할 수 있을 것이고, 차동 증폭기 입력부 상류에 있는 상기 측정 회로의 절연된 부분은 고전압 환경이며 상기 차동 증폭기 출력부 하류에 있는 상기 측정 회로의 절연된 부분은 저전압 환경이다. 그에 따라, 갈바닉 절연체를 이용하여 측정 회로의 이러한 두 부분들을 절연시킨다. 차동 증폭기의 절연이 용량형일 수 있을 것이다. 변형예로서, 차동 증폭기의 절연이 유도형 절연일 수 있을 것이다.
차동 증폭기가 다른 기능들, 예를 들어 온도 센서로부터 기원하는 전압의 값을 디지털 프로세싱 스테이지를 위한 값으로 만드는, 예를 들어, 갈바닉 절연체를 구현하기 위한 전용 부품의 부가를 회피하기 위해서, 이러한 프로세싱 스테이지의 입력 전압을 0 내지 5 V의 값으로 만드는 기능을 충족시킬 수 있을 것이다. 그에 따라, 본 발명을 이용하여, 이미 존재하는 부품들을 최적으로 이용함으로써, 갈바닉 절연체의 구현과 연관된 공간 요건 및 비용을 감소시킬 수 있을 것이다.
절연된 차동 증폭기에 의해 제공되는 절연이 4 kV의 피크 전압을 견디도록 이용될 수 있을 것이다. 이러한 절연은 표준 UL 1577 또는 IEC 60747-5-2에 따라사 평가될 수 있다.
예를 들어, 0 내지 430 V의, 특히 약 430 V인 전압을 전달하는 전원에 의해 고전압 회로로의 공급이 이루어진다.
온도 센서로 4.5 V 내지 5.5 V인, 특히 약 5 V인 전압이 공급되고, 이러한 전압은 고전압 환경으로부터 절연된다.
상기 방법이 센서 단자들에서의 전압과 그 센서가 측정하는 온도 사이의 선형 관계를 획득하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 이러한 단계는 절연된 차동 증폭기 입력부 상류의 선형화(linearization) 스테이지에 의해 구현될 수 있을 것이다. 선형화 스테이지가 접지와 온도 센서의 전압 공급원 사이에 장착된 저항 브릿지를 포함할 수 있을 것이다. 그러한 구조를 이용하여, 절연된 차동 증폭기에 대한 차동 전압을 획득할 수 있다.
음의 온도 계수 서미스터의 경우와 같이, 온도 센서가 온도에 따라서 지수함수적으로 변화되는 저항을 가질 때, 상기 센서가 전달하는 전압 값을 이용하는 것이 어려울 수 있을 것이다. 선형화 단계는 그러한 측정을 보다 용이하게 이용할 수 있게 한다.
선형화 스테이지는, 온도가 50 ℃일 때의 온도 센서의 저항의 값과 동일한 값을 가지는 온도 센서 단자들에서의 레지스터를 포함할 수 있을 것이다.
선형화로 인해서, 과도하게 큰 범위의 입력 전압을 가지는 절연된 차동 증폭기를 이용할 필요가 없게 된다.
또한, 선형화를 이용하여, 센서로 매우 낮은 전류들이 공급될 때의 온도를 측정할 수 있다. 전형적으로 약 -30 ℃의 낮은 온도들을 포함하는, 선형 관계를 획득하기 위해서, 전형적으로 -30 ℃의 이러한 낮은 온도들에 대한 온도 센서의 저항의 값이 온도 센서 단자들에서의 레지스터로 부여될 수 있을 것이다.
선형화 스테이지로부터의 출력 신호가, 예를 들어, 약 몇(a few) mV로부터 5 mV까지의 전압이다.
변형예로서, 상기 방법이 이러한 선형화 단계를 포함하지 않을 수 있을 것이다.
절연된 차동 증폭기로부터의 출력 신호가 접지-기준(ground-referenced) 비교기의 입력으로서 수신될 수 있을 것이다.
비교기로부터의 출력 신호가, 센서에 의해 측정되는 온도를 결정하기 위해서 이용되는 프로세싱 스테이지의 입력으로서 수신될 수 있을 것이다. 이러한 프로세싱 스테이지가 아날로그/디지털 변환기 및 디지털 프로세싱 유닛을 포함할 수 있을 것이다. 디지털 프로세싱 유닛은 특히 적어도 하나의 마이크로제어기 또는 적어도 하나의 마이크로프로세서를 포함한다.
절연된 차동 증폭기가, 상기 증폭기의 입력 전류를 제한하는 시스템 및 상기 증폭기의 출력 전류를 제한하는 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 절연된 차동 증폭기의 입력 및 출력에서의 과다 전류들의 경우에도 절연 손상 위험이 감소될 수 있고, 이러한 과다하게 높은 전류 값들은 레지스터들에서의 상당한 열의 소산을 유발할 수 있고, 이는 절연에 영향을 미칠 수 있을 것이다.
센서 및 절연된 차동 증폭기가 동일한 인쇄회로기판에 설치될 수 있을 것이다.
인쇄회로기판이, 온도가 측정되는 전자 부품 또는 부품들을 더 포함할 수 있을 것이다. 특히 각각의 이러한 전자 부품이 1 kW 이상의 공칭 전력을 갖는다. 예를 들어, 인버터의 스위칭 셀들이 존재한다. 이러한 스위칭 셀들이 전력 트랜지스터를 포함할 수 있을 것이고, 상기 전력 트랜지스터에는 다이오드가 병렬로 장착된다. 인버터가, 전기 모터 및 배터리를 더 포함하는 인버터/충전기 회로의 일부를 형성할 수 있을 것이고, 이러한 인버터/충전기 회로는 전기 또는 하이브리드 차량 내로 통합된다.
본 발명의 청구 대상은 또한, 그 양태들 중 다른 양태에 따라서, 온도 센서에 의해 전달되는 전압으로부터 온도를 측정하기 위한 회로이고, 상기 회로가:
- 상기 센서에 의해 측정된 온도를 나타내는 전압을 입력으로서 수신하는 절연된 차동 증폭기, 및
- 상기 절연된 차동 증폭기로부터의 출력 신호에 따라 측정된 온도를 결정하도록 구성된 프로세싱 스테이지를 포함하고,
상기 절연된 차동 증폭기는 절연된 차동 증폭기의 입력부와 출력부 사이에 갈바닉 절연체를 구현한다.
발명의 청구 대상은 또한, 그 양태들 중 다른 양태에 따라서, 시스템이고, 그러한 시스템은:
- 상술된 온도 측정 회로, 및
- 온도 센서를 포함한다.
본 발명은 본 발명의 구현예의 비제한적인 예에 관한 이하의 설명으로부터 그리고 첨부 도면에 대한 검토로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따라서 온도 측정이 실시되는 인쇄회로기판을 도시한다.
도 2는 본 발명의 구현예의 예에 따라서 온도 측정이 실시되는 인쇄회로기판을 도시한다.
도 3은 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 온도 센서의 부품들을 구체적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 구현예의 예에 따른 측정 회로를 기능적 블록들의 형태로 도시한다.
도 5 및 도 6은 구조적인 방식으로 도 4의 회로의 상이한 블록들을 도시한다.
도 7은 선형화 이후에 센서 단자들에서의 온도와 전압 사이의 관계를 보여주는 곡선이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 예에 따른 방법이 내부에서 구현될 수 있는 조립체(1)를 도시한다. 이러한 조립체(1)는 복수의 스위칭 셀들(2)을 포함하는 인버터를 포함한다. 고려된 이러한 예의 각각의 스위칭 셀(2)은 트랜지스터, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 및 다이오드의 병렬 조합에 의해 형성된다. 설명된 예에서의 각각의 트랜지스터가 MOS 트랜지스터이다. 도 2에 도시된 인버터가 2개의 스위칭 셀들(2)을 각각 가지는 3개의 분지들(branches)을 포함한다.
각각의 셀(2)이, 예를 들어, 약 10 암페어로부터 특히 350 A까지의 전류 및 그 단자들에서 몇 백 볼트, 예를 들어 430 V의 전압을 견디도록 구성된다. 고려된 이러한 예에서, 인버터가 고전압 회로에 포함된다.
확인할 수 있는 바와 같이, 온도 센서(4)가, 인버터의 2개의 분지들 사이에서, 인버터의 레벨(level)에 배열된다. 여기에서, 온도 센서(4)는 음의 온도 계수 서미스터(영문으로 CTN)이다. 이하에서 설명되는 측정 회로(10)를 통해서, 약 4.5 V 내지 5.5 V의 전압, 즉 낮은 전압을 전달하는 전압 공급원에 의해 이러한 센서(4)로의 공급이 이루어진다. 회로(10)는 인버터의 고전압에 대해서 절연된 저전압을 센서(4)로 공급한다.
센서(4)는 스위칭 셀들(2) 중 적어도 하나의 온도를 측정하도록 구성된다.
센서(4) 및 인버터가, 고려되는 예에서, 인쇄회로기판(5)과 같은 동일한 매체 상에서 지탱된다.
센서(4) 단자들에서 측정되는 전압은, 도 3에 도시된 바와 같이, 회로(10)의 입력으로서 수신된다.
회로(10)가 도 4의 기능적인 방식으로 도시되어 있고, 여러 가지 기능들이, 본 발명에 따른 방법의 단계들에 상응할 수 있는 블록들의 형태를 가진다.
회로(10)가 도 5에서 구체적으로 도시된 선형화 스테이지(12)를 포함한다. 이러한 스테이지(12)는 센서(4)에 의해 공급되는 전압과 셀 또는 셀들(2)의 온도 사이의 선형 관계를 구축하도록 구성된다. 스테이지(12)는, 예를 들어, 이하에서 설명되는 스테이지(13)의 입력부에서의 전압이 이러한 스테이지(13)의 동작과 양립가능하도록(compatible) 선택된 비율을 가지는 전압 감쇠기로서 작용한다. 스테이지(12)는, 예를 들어, 접지와 센서(4)의 전원 사이에 장착된 저항 브릿지를 포함한다.
센서(4)와 병렬로 장착된 레지스터가, 온도가 약 50 ℃일 때의 센서(4)의 저항의 값과 동일한 실질적으로 일정한 값을 가질 수 있을 것이다. 그에 따라, 센서(4) 단자들에서의 전압과 온도 사이의 선형 관계가, 특히 50 ℃ 내지 125 ℃의 온도 범위에 걸쳐서 얻어질 수 있다. 저온, 예를 들어 -30 ℃에 대한 저온 값을 250 mV로 근접하게 셋팅하고 예를 들어 125 ℃에서의 고온 값을 5 mV에 근접하게 셋팅함으로서, 저항 브릿지에 대한 전체적인 저항 값이 계산될 수 있고, 250 및 5 mV의 상기 전압 값들은 스테이지(13)로부터 확인된다. 도 7은 선형화 스테이지(12)의 출력 전압과 센서(4)에 의해 측정되는 온도 사이의 관계를 나타낸다.
확인할 수 있는 바와 같이, 넓은 온도 범위에 걸친, 특히 50 ℃ 내지 120 ℃의 온도들에 대한 실질적으로 선형인 관계가 얻어진다.
선형화 스테이지(12)로부터의 출력 신호가, 센서(4) 및 스테이지(13) 입력부 상류의 회로(10)의 부분을 회로(10)의 나머지로부터 갈바닉적으로 절연하는 기능을 가진다. 이러한 스테이지(13)는, 고려된 예에서, 절연된 차동 증폭기로 이루어진다.
이어서, 선형화 스테이지로부터의 출력 신호가 절연된 차동 증폭기의 2개의 입력 단자들(15 및 16) 사이에서 수신된다. 이러한 차동 증폭기에 의해 공급되는, 예를 들어, 용량형 또는 유도형의 갈바닉 절연체(14)가 절연된 온도 측정을 실시하기 위해서 이용된다. 절연된 차동 증폭기는, 예를 들어, AMC1200로서 Texas Instruments® 회사가 판매하는 것이다.
이러한 예에서, 갈바닉 절연체(14)는 차동 증폭기의 입력부와 출력부 사이에 배열된 실리콘 이산화물 배리어로부터 기인한다. 신호는 이러한 증폭기의 비-인버팅 출력 단자(18)와 인버팅 출력 단자(19) 사이에서 절연된 차동 증폭기로부터 출발한다.
이어서, 신호가 도 6에 도시된 비교 스테이지(20)를 구동한다. 고려되는 이러한 예에서, 이러한 스테이지(20)는 동작적 증폭기를 포함한다. 차동 증폭기의 비-인버팅 출력 단자(18)가, 예를 들어, 직접적으로 또는 레지스터와 같은 중간 부품를 경유하여, 동작적 증폭기의 비-인버팅 입력 단자(22)로 연결된다. 도시된 예에서, 이러한 단자(22)가 또한 레지스터(24)를 통해서 접지에 연결된다. 또한, 도 6의 예에서, 스테이지(13)의 인버팅 출력 단자(19)가 레지스터를 통해서 동작적 증폭기의 인버팅 출력 단자(23)에 연결된다.
스테이지(20)가 특히 센서(4)로부터의 신호를 접지-기준화하기 위해서 이용된다. 스테이지(20)의 출력이 동작적인 증폭기의 출력 단자(26)에 의해 형성된다.
이어서, 스테이지(20)로부터의 출력 신호가 센서(4)에 의해 측정되는 온도를 결정하기 위한 프로세싱 스테이지(30)를 구동한다. 이러한 스테이지(30)는, 예를 들어, 아날로그/디지털 변환기 및 마이크로제어기 또는 마이크로프로세서를 포함한다.
본 발명은 설명된 예들로만 제한되지 않는다.
회로(10)가 스테이지(13) 상류의 회로(10) 부분을 스테이지(13) 하류의 회로(10) 부분을 절연시키기 위한 스테이지(13)를 포함할 때, 회로(10)가 특히 도 4에 도시된 스테이지들 모두를 포함하지 않을 수 있을 것이다.
'하나를 포함하는'이라는 표현은, 다른 구체적인 설명이 없는 경우에, '적어도 하나를 포함하는'을 의미하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
1 : 조립체
2 : 셀
4 : 온도 센서
10 : 회로
14 : 갈바닉 절연체

Claims (11)

  1. 온도에 따라 전압을 전달하는 센서(4)를 이용하여 적어도 하나의 전자 부품(2)의 온도를 측정하는 방법으로서,
    - 상기 센서(4)에 의해 전달된 전압을 나타내는 신호를 절연된 차동 증폭기(13)를 통과시키는 단계와,
    - 상기 절연된 차동 증폭기(13)로부터의 출력 신호를 이용하여 전자 부품(2)의 온도를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 절연된 차동 증폭기(13)는 상기 전압을 나타내는 신호가 횡단하는 갈바닉 절연체(14)를 제공하는 온도 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서(4)에 의해 전달된 전압과 전자 부품(2)의 온도 사이의 선형 관계를 획득하는 단계(12)를 더 포함하는 온도 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연된 차동 증폭기(13)로부터의 출력 신호는 접지-기준 비교기(20)의 입력으로서 수신되는 온도 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 비교기로부터의 출력 신호는 프로세싱 스테이지(30)에 대한 입력으로서 수신되는 온도 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 프로세싱 스테이지(30)는 아날로그/디지털 변환기 및 디지털 프로세싱 유닛을 포함하는 온도 측정 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연된 차동 증폭기(13)에 의해 제공된 갈바닉 절연체는 용량형 또는 유도형인 온도 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 센서(4) 및 절연된 차동 증폭기(13)는 동일한 인쇄회로기판(5)에 설치되는 온도 측정 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인쇄회로기판(5)은 온도가 측정되는 전자 부품 또는 부품들(2)을 더 포함하며, 상기 부품들(2) 각각은 특히 1 kW 이상의 공칭 전력을 갖는 온도 측정 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 회로(10)가 전자 부품(2)의 온도를 결정하기 위해 사용되며, 상기 절연된 차동 증폭기(13) 입력부의 상류에 있는 상기 측정 회로의 부분(12)은 고전압 환경이며 상기 절연된 차동 증폭기(13) 출력부의 하류에 있는 상기 측정 회로의 부분(20, 30)은 저전압 환경인 온도 측정 방법.
  10. 온도 센서(4)에 의해 전달된 전압으로부터 온도를 측정하기 위한 회로(10)로서,
    - 상기 센서(4)에 의해 측정된 온도를 나타내는 전압을 입력으로서 수신하는 절연된 차동 증폭기(13)와,
    - 상기 절연된 차동 증폭기(13)로부터의 출력 신호에 따라 측정된 온도를 결정하도록 구성되는 프로세싱 스테이지(30)를 포함하며,
    상기 절연된 차동 증폭기(30)는 절연된 차동 증폭기의 입력부와 출력부 사이에 갈바닉 절연체를 제공하는 온도 측정 회로.
  11. 시스템으로서,
    - 제 10 항에 따른 온도 측정 회로(10)와,
    - 온도 센서(4)를 포함하는 시스템.
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