KR20230087789A - 전류 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 전류 측정 장치는, 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 미분값을 출력하는 전류 센서; 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 적분기; 및 동작 모드에 따라 상기 리셋 제어 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

전류 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CURRENT MEASURING}
본 문서에 개시된 실시예들은 전류 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
모터(예를 들어, 전기자동차용), 구동 인버터, DC-DC 컨버터 등에서 스위칭 소자로 사용되는 전력 반도체(예를 들어, MOSFET)의 스위칭 전류를 센싱 또는 측정하기 위하여 일반적으로 자심(magnetic core)이 사용된 자기 센서(예를 들어, 홀 센서)가 사용되고 있다. 이러한 자기 센서의 경우에는 자심에 의한 자속 포화 문제가 일어나고 대전류 측정시에는 홀(Hall) 센서의 사이즈가 커야 하며 그에 따라 가격이 상승한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 로고스키 코일 및 OP 앰프를 이용한 전류 센서가 사용되고 있다. 이러한 센서를 이용하는 방식은 자심을 사용하지 않기 때문에 자속 포화 문제가 없고, 이에 따라 대전류 측정시에도 홀 센서 방식에 비해 사이즈와 가격 측면에서 유리하다는 장점이 있었다.
하지만, 실제(non-ideal) OP 앰프의 경우, OP 앰프 자체 오프셋 전압 및 바이어스 전류를 가지고 있어, 스위칭 전류 측정시 OP 앰프의 오프셋이 같이 적분되어 누적된다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해, 스위칭 소자의 스위칭 주기마다 OP 앰프의 오프셋을 리셋해주는 방법이 제안되었으나, 이 경우에도 적분이 실행되는 구간에서는 오프셋이 누적된다는 문제가 있었다.
이에, 오프셋 보상 회로(Offset Compensation Network)를 이용하여 가변 저항을 매뉴얼 튜닝(manual tuning)하여 전압을 분배함으로써 OP 앰프의 오프셋을 0이 되도록 회로를 설계하는 방식이 제안되었다.
그런데 오프셋 보상 회로를 통한 오프셋 보상 방식은, 수동으로 가변 저항을 조절함으로써 오프셋을 보상하므로, 이를 위한 인력이 필요하다는 문제가 있다.
또한, 오프셋 보상 회로를 통한 오프셋 보상 방식은 회로 설계 단계에서 미리 계산된 값에 따라 회로를 구성하므로, 부품 열화 등에 의해 OP 앰프의 오프셋 전압 및 바이어스 전류가 변하는 경우 이에 대응할 수 없다는 문제가 있다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 전류 측정 장치는, 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 미분값을 출력하는 전류 센서; 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 적분기; 및 동작 모드에 따라 상기 리셋 제어 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 적분기는 리셋 스위치를 포함하고, 상기 리셋 스위치는 상기 리셋 제어 신호에 기초하여 상기 적분기의 출력을 조절할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 컨트롤러는, 상기 적분값을 입력 받아 디지털 신호를 생성하고, 동작 모드에 따라 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하고, 상기 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고, 상기 오프셋 테이블 및 상기 샘플링 전류값에 기초하여 실제 전류를 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 리셋스위치가 오프된 상태 및 상기 리셋스위치가 온된 상태에서의 제1 출력 오프셋 및 제2 출력 오프셋을 측정하고, 상기 제1 출력 오프셋 및 제2 출력 오프셋에 기초하여 상기 입력 오프셋을 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 리셋스위치가 오프된 상태에서의 상기 출력 오프셋을 측정하고, 상기 출력 오프셋의 기울기에 기초하여 상기 입력 오프셋을 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 컨트롤러는 오프셋 측정 모드에서는 상기 적분값에 기초하여 상기 출력 오프셋을 측정하고 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하고, 전류 제어 모드에서는 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 컨트롤러는 PWM 스위칭 신호에 기초하여 상기 리셋 제어 신호를 생성할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 PWM 스위칭 신호의 온오프와 상반되도록 리셋 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 전류 측정 장치는, 일단이 기준 전압원과 연결되는 전류 센서; 비반전단자가 상기 전류 센서의 타단과 연결되고 반전단자가 기준 전압원과 연결되는 증폭기; 상기 증폭기의 반전단자와 출력단 사이에 병렬 연결되어 리셋 제어 신호에 기초하여 온오프되는 리셋 스위치; 및 상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 리셋 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 전류 측정 방법은, 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 미분값을 출력하는 단계; 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 단계; 및 동작 모드에 따라 상기 리셋 제어 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 단계는 상기 리셋 제어 신호에 기초하여 상기 적분기의 출력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 동작 모드에 따라 상기 리셋 제어 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 단계는 상기 적분값을 입력 받아 디지털 신호를 생성하는 단계; 동작 모드에 따라 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 단계; 및 상기 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고, 상기 오프셋 테이블 및 상기 샘플링 전류값에 기초하여 실제 전류를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 동작 모드에 따라 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 단계는, 오프셋 측정 모드에서는 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하고, 전류 제어 모드에서는 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예들에 따르면, 전류 측정 장치는 매뉴얼 튜닝이 필요하지 않고 자동으로 오프셋 보상을 수행할 수 있어, 인건비를 절약할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시되는 실시예들에 따르면, 전류 측정 장치는 부품 열화 등에 의하여 회로 구성 성분값(예를 들어, OP 앰프의 오프셋 전압)의 변화가 생기는 경우에도 그에 대응하여 오프셋 보상을 수행할 수 있다.
또한, 본 문서에 개시되는 실시예들에 따르면, 전류 측정 장치는 자심을 사용하지 않으므로 비용을 절감할 수 있으며, 사이즈 저감에 효과적일 수 있다.
또한, 본 문서에 개시되는 실시예들에 따르면, 전류 측정 장치는 스위칭 소자의 스위칭 전류를 정밀하게 측정함으로써, 암숏(Arm-Short), 과전류(Overcurrent) 현상 등을 빠르고 정확하게 감지하여 전력 반도체를 보호할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일반적인 오프셋 보상 회로를 이용한 전류 측정 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 리셋 스위치를 더 포함하는 전류 측정 장치를 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 리셋 제어 신호에 따른 적분기의 출력 오프셋을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 전류 측정 장치의 리셋 제어 신호에 따른 적분기의 출력 오프셋을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 회로도이다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 실제 전류 계산 과정을 보여주는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나",“A 또는 B 중 적어도 하나”, "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나” 및 “A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, “기능적으로” 또는 “통신적으로”라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, “커플드” 또는 “커넥티드”라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서에서 설명되는 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
본 문서에서 사용되는 용어 "모듈", 또는 "...부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시 예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램 또는 애플리케이션)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기의 프로세서는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서,‘비일시적’은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
도 1은 일반적인 오프셋 보상 회로를 이용한 전류 측정 장치를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 전류 측정 장치는 오프셋 보상 회로(offset compensation network)를 이용하여 전압을 분배함으로써 오프셋을 조절한다. 도 1에서 RogCoil은 로고스키 코일을, Ri1은 회로의 입력 저항을,
Figure pat00001
는 적분기의 바이어스 전류를 의미하며,
Figure pat00002
는 적분기의 오프셋 전압을 나타내고,
Figure pat00003
는 각각 적분기의 피드백 저항과 피드백 커패시턴스를 나타낸다. 또한,
Figure pat00004
은 각각 입력 전압과 출력 전압을 의미하며,
Figure pat00005
는 보상 전압을 의미한다. 오프셋 전압
Figure pat00006
는 수백uV ~ 수mV로 적분기에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
일반적인 전류 측정 장치는 적분기 출력에서의 오프셋을 최소화하기 위하여 오프셋 보상 회로를 이용하여 오프셋을 수동으로 조절하는 매뉴얼 튜닝을 적용하였다. 오프셋 보상 회로는 전류 센서에서의 미분값
Figure pat00007
을 분배 저항
Figure pat00008
을 통해 일부 추출(예를 들어,
Figure pat00009
=0.95mV)하여
Figure pat00010
=+5V,
Figure pat00011
=-5V의 전압이 양단 전극에 인가되는 가변 저항 R_var(예들 들어, 10kΩ)의 가동 전극을 조절(manual tuning)하여 적분기의 출력이 0이 되도록 세팅하였다. 즉, 중첩의 원리를 이용하여 적분기의 출력을 계산하고, 출력이 0이 되도록 가변 저항값을 설계함으로써 오프셋을 제거하였다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전류 측정 장치(1)는 전류 센서(100), 적분기(200), 및 컨트롤러(300)를 포함할 수 있다.
전류 측정 장치(1)는 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류의 크기를 측정할수 있다.
실시예에 따르면, 스위칭 소자는 모스펫(MOSFET), 트랜지스터와 같은 전력 반도체를 의미할 수 있다. 전류 측정 장치(1)는 인버터(inverter), 컨버터(converter) 등 모든 종류의 스위칭 소자에 적용할 수 있다.
전류 센서(100)는 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 스위칭 전류의 미분값을 출력할 수 있다. 전류 측정 장치(1)는 전류를 측정하고자 하는 스위칭 소자가 전류 센서(100)를 통과하는 경우 스위칭 전류를 감지할 수 있다. 전류 센서(100)는 로고스키 코일을 포함할 수 있으며, 로고스키 코일은 전류의 변화에 의해 생기는 자속의 변화를 이용하여 전류를 측정하는 코일을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(100)는 비자성체에 토러스(torus)형으로 도선이 감긴 코일을 포함할 수 있다. 로고스키 코일을 사용하는 경우 자심을 사용하지 않으므로 비용을 절감할 수 있으며, 사이즈 저감에 효과적일 수 있다.
실시예에 따르면, 전류 센서(100)는 인덕터로서 기능할 수 있고, 이 경우 전류 센서(100)는
Figure pat00012
에 해당하는 미분값을 출력할 수 있다. 여기서, M은 전류 센서(100)의 상호 유도 계수(Mutual inductance)를 나타내고,
Figure pat00013
는 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 나타내며
Figure pat00014
는 전류 센서(100) 양단에 걸리는 전압을 나타낸다. 즉, 전류 센서(100)는 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류로부터 전압값을 출력할 수 있다.
적분기(200)는 리셋 제어 신호에 응답하여 전류 센서(100)이 출력한 미분값에 기초하여 적분값을 출력할 수 있다. 실시예에 따르면, 리셋 제어 신호는 컨트롤러(300)로부터 생성될 수 있다. 예를 들어, 리셋 제어 신호는 디지털 신호일 수 있다. 실시예에 따르면, 적분기(200)는 증폭기(예를 들어, OP 앰프)를 포함할 수 있고, 증폭기는 적분기(200)의 입력을 적분하여 출력할 수 있다.
컨트롤러(300)는 동작 모드에 따라 리셋 제어 신호를 생성하여 적분기(200)의 출력 오프셋을 측정하거나 적분기(200)의 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행할 수 있다. 컨트롤러(300)는 오프셋 보상을 수행하기 위한 프로세서, 소프트웨어, 모듈 등을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 적분기(200)의 적분값을 입력 받아 디지털 신호를 생성할 수 있다. 컨트롤러(300)는 동작 모드에 따라 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나, 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산할 수 있다. 컨트롤러(300)는 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고 오프셋 테이블 및 샘플링 전류값에 기초하여 전류를 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 디지털 신호를 생성하기 위한 AD 컨버터를 포함할 수 있다. 전류 센서(100)이 출력한 미분값 및 적분기(200)가 출력한 적분값은 아날로그 전압값이므로, AD 컨버터는 적분값을 샘플링하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 출력 오프셋을 측정하기 위한 오프셋 측정기를 포함할 수 있다. 오프셋 측정기는 적분기(200)의 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정할 수 있다.
컨트롤러(300)는 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산할 수 있다. 실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 적분기(200)의 전달 함수를 이용하여 출력 오프셋으로부터 입력 오프셋을 계산할 수 있다. 이때, 전달 함수는 적분기(200)의 입력과 출력의 관계를 나타내는 함수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 적분기(200)의 전달 함수가
Figure pat00015
인 경우,
Figure pat00016
로 입력 오프셋을 계산할 수 있다. 여기서,
Figure pat00017
는 각각 입력 오프셋과 출력 오프셋을 의미한다. 전달 함수는 회로의 구조에 따라 달라지며 회로 구조를 알고 있는 경우 그에 해당하는 전달 함수를 구할 수 있다. 따라서, 회로 구조가 결정되면 전달 함수를 이용하여 출력 오프셋 측정을 통해 입력 오프셋을 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하기 위한 스케일러(scaler)를 포함할 수 있다. 스케일러는
Figure pat00018
의 계산을 통해 디지털 신호로부터 샘플링 전류값을 환산할 수 있다. 여기서,
Figure pat00019
는 환산된 샘플링 전류값을 의미하고,
Figure pat00020
및
Figure pat00021
는 각각 적분기(200)의 입력 저항 및 피드백 캐패시턴스를 의미하며,
Figure pat00022
및
Figure pat00023
는 각각 적분값 및 기준 전압을 의미한다. 예를 들어, 기준 전압
Figure pat00024
는 단전원일 경우 2.5V 또는 2V, 양전원일 경우 0V로 설정할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고, 오프셋 테이블 및 샘플링 전류값에 기초하여 실제 전류를 계산할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(300)는 오프셋 보상 소프트웨어를 포함할 수 있다. 오프셋 보상 소프트웨어는 소프트웨어로 제한되는 것은 아니며, 모듈, 프로세서등을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 입력 오프셋으로부터 오프셋 테이블을 생성할 수 있다. 입력 오프셋은 전압값을 나타내므로 컨트롤러(300)는 이를 전류값으로 환산하여 실제 전류를 계산할 수 있다. 실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 스케일러를 통해 입력 오프셋을 전류값으로 변환하고, 오프셋 보상 소프트웨어를 통해 리셋 제어 신호의 듀티(duty), 스위칭 소자의 스위칭 주기 등을 고려하여 입력 오프셋에 대응되는 오프셋 전류를 계산할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(300)는 리셋 제어 신호의 듀티가 D이고, 스위칭 주기가
Figure pat00025
이며, 입력 오프셋이
Figure pat00026
인 경우, 오프셋 전류는
Figure pat00027
로 계산할 수 있다. 컨트롤러(300)는 계산된 오프셋 전류를 오프셋 테이블로 생성할 수 있고, 샘플링 전류값에서 오프셋 전류를 차감하여 실제 전류를 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 다양한 동작 모드에 기초하여 동작할수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 오프셋 측정 모드와 전류 제어 모드를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 오프셋 측정 모드에서는 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고, 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하고, 전류 제어 모드에서는 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(300)는 우선 오프셋 측정 모드에서 출력 오프셋을 측정하고 입력 오프셋을 계산한 후, 전류 제어 모드에서 샘플링 전류값을 환산하여 샘플링 전류값과 입력 오프셋에 기초하여 오프셋을 보상한 실제 전류를 계산할 수 있다. 전류 측정 장치(1)는 컨트롤러(300)의 오프셋 측정 모드를 통해 오프셋을 측정하고 측정한 오프셋에 기초하여 실제 전류를 계산하므로, 매뉴얼 튜닝이 필요하지 않고 자동으로 오프셋 보상을 수행할 수 있으며 그에 따라 인건비를 절약할 수 있다. 또한, 전류 측정 장치(1)는 전류 측정시 오프셋 측정 모드를 통해 오프셋을 측정하므로, 부품 열화 등에 의하여 회로 구성 성분값의 변화가 생기는 경우에도 그에 대응하여 오프셋 보상을 수행할 수 있다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 리셋 스위치를 더 포함하는 전류 측정 장치를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 적분기(200)는 리셋 스위치(210)를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 전류 측정 장치(1)는 도 1에 도시된 전류 측정 장치(1)와 비교하여 리셋 스위치(210)를 더 포함할 수 있다.
리셋 스위치(210)는 컨트롤러(300)가 생성한 리셋 제어 신호에 기초하여 적분기(200)의 출력을 조절할 수 있다. 적분기(200)는 적분시마다 오프셋이 누적되기에, 리셋 스위치(210)를 통해 리셋을 적용함으로써 오프셋 적분값이 누적되지 않도록 할 수 있다.
실시예에 따르면, 리셋 스위치(210)는 리셋 제어 신호에 기초하여 온오프됨으로써 적분기(200)의 회로 구조가 변경되어 적분기(200)의 저항 및 커패시턴스(capacitance) 값이 달라질 수 있다. 적분기(200)의 저항 및 커패시턴스 값이 달라짐에 따라 적분기(200)의 출력을 조절할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(300)가 1의 리셋 제어 신호를 생성한 경우 리셋 스위치(210)가 온(ON) 되어 리셋 스위치(210)를 통해 회로가 연결되고 그로 인해 적분기(200)의 저항 및 커패시턴스가 변경될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 리셋 제어 신호에 따른 적분기의 출력 오프셋을 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 컨트롤러(300)는 리셋 제어 신호에 응답하여 리셋 스위치(210)가 온오프됨에 따라 적분기(200)의 출력 오프셋을 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 리셋 스위치(210)가 오프(OFF)된 상태 및 리셋 스위치(210)가 온(ON)된 상태에서의 각각 제1 출력 오프셋 및 제2 출력 오프셋을 측정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 리셋 스위치(210)의 온오프에 따라 적분기(200)의 출력이 달라지기에 제1 출력 오프셋과 제2 출력 오프셋은 서로 다른 값을 가질 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 제1 출력 오프셋 및 제2 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산할 수 있다. 예를 들어, 리셋 스위치(210)가 오프된 상태에서 측정한 제1 출력 오프셋이
Figure pat00028
이고 리셋 스위치(210)가 온된 상태에서 측정한 제2 출력 오프셋이
Figure pat00029
인 경우, 입력 오프셋은
Figure pat00030
로 계산할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 리셋 스위치(210)가 오프된 상태 및 온된 상태에서의 출력값을 적어도 2회 이상 측정함으로써 평균값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 첫번째 측정으로부터 계산한 입력 오프셋이
Figure pat00031
, 두번째 측정으로부터 계산한 입력 오프셋이
Figure pat00032
, ... n번째 측정으로부터 계산한 입력 오프셋이
Figure pat00033
인 경우, 컨트롤러(300)는 이들을 평균 낸
Figure pat00034
을 입력 오프셋으로 할 수 있다.
리셋 스위치(210)가 오프된 상태 및 온된 상태에서의 출력 오프셋을 이용하여 입력 오프셋을 계산하는 경우, 오프셋 측정 시간 간격을 줄임으로써 기울기 계산에서의 선형성을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 전류 측정 장치의 리셋 제어 신호에 따른 적분기의 출력 오프셋을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 컨트롤러(300)는 리셋 제어 신호에 응답하여 리셋 스위치(210)가 오프된 상태에서 적분기(200)의 출력 오프셋을 측정하는 것을 확인할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 리셋 스위치(210)가 오프된 상태에서의 출력 오프셋을 측정할 수 있다. 컨트롤러(300)는 출력 오프셋의 기울기에 기초하여 입력 오프셋을 계산할 수 있다. 예를 들어,
Figure pat00035
시점에서 측정한 적분기(200)의 출력값이
Figure pat00036
인 경우, 컨트롤러(300)는
Figure pat00037
을 입력 오프셋으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 리셋 스위치(210)가 오프된 상태에서 출력값을 적어도 2회 이상 측정함으로써 평균값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 첫번째 측정으로부터 계산한 입력 오프셋이
Figure pat00038
, 두번째 측정으로부터 계산한 입력 오프셋이
Figure pat00039
, ... n번째 측정으로부터 계산한 입력 오프셋이
Figure pat00040
인 경우, 컨트롤러(300)는 이들을 평균 낸
Figure pat00041
을 입력 오프셋으로 할 수 있다. 전류 측정 장치(1)는 상술한 바와 같이 기울기에 기초하여 스위칭 전류를 정밀하게 측정함으로써, 암숏(Arm-Short), 과전류(Overcurrent) 현상 등을 빠르고 정확하게 감지하여 전력 반도체를 보호할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 PWM 스위칭 신호의 온오프에 기초하여 리셋 제어 신호를 생성할 수 있다. 여기서, PWM은 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식을 의미할 수 있고, PWM 스위칭 신호는 스위칭 소자를 스위칭하는 신호를 의미할 수 있다. 컨트롤러(300)는 적분기(200)의 오프셋을 제거하기 위해 리셋 스위치(210)를 제어할 수 있는데, 이 때 리셋 스위치(210)를 제어하기 위한 리셋 제어 신호는 PWM 스위칭 신호에 기초하여 생성할 수 있다.
실시예에 따르면, 컨트롤러(300)는 PWM 스위칭 신호의 온오프와 상반되도록 리셋 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(300)는 PWM 스위칭 신호가 온(1)된 경우 리셋 제어 신호를 오프(0)할 수 있고, 반대로 PWM 스위칭 신호가 오프(0)된 경우 리셋 제어 신호를 온(1)할 수 있다. PWM 스위칭 신호는 스위칭 소자를 스위칭하는 신호이므로, PMW 스위칭 신호가 온된 경우 스위칭 소자도 온되며, 이때 리셋 제어 신호를 오프함으로써 리셋 스위치(210)를 오프하고 전류 제어 모드에서 전류 측정 장치(1)가 측정하고자 하는 실제 전류를 계산할 수 있다.
실시예에 따르면, PWM 스위칭 신호의 듀티(duty)값에 따라 오프셋 전류를 계산할 수 있다. 상술한 바와 같이, 컨트롤러(300)는 리셋 제어 신호의 듀티 값에 따라 오프셋 전류를 계산할 수 있고, 리셋 제어 신호는 PWM 스위칭 신호에 기초할 수 있다. 여기서, 듀티는 0 에서 1 사이의 값을 가질 수 있고, 컨트롤러(300)는 듀티 값에 따른 오프셋 전류를 계산하여 오프셋 테이블을 생성할 수 있다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 회로도이다.
도 6을 참조하면, 전류 측정 장치(1)는 전류 센서(100), 증폭기(220), 리셋 스위치(210), 컨트롤러(300)로 구성될 수 있다. 도 6에서
Figure pat00042
는 각각 증폭기(220)의 피드백 저항 및 피드백 커패시터를 의미하며
Figure pat00043
는 증폭기(220)의 입력 저항을 의미한다. 또한,
Figure pat00044
은 전류 센서(100) 양단에 걸리는 전압을,
Figure pat00045
는 기준 전압원을 의미하고,
Figure pat00046
는 증폭기(220)의 바이어스 전류를,
Figure pat00047
는 증폭기(220)의 오프셋 전압을 의미한다.
실시예에 따르면, 전류 측정 장치(1)는 일단이 기준 전압원과 연결되는 전류 센서를 포함할 수 있고, 비반전단자가 전류 센서의 타단과 연결되고 반전단자가 기준 전압원과 연결되는 증폭기를 포함할 수 있다. 또한, 증폭기의 반전단자와 출력단 사이에 병렬 연결되어 리셋 제어 신호에 기초하여 온오프되는 리셋 스위치, 및 증폭기의 출력단에 연결되어 리셋 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
도 7은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 전류 측정 방법은, 스위칭 전류를 감지하여 미분값을 출력하는 단계(S100), 리셋 제어 신호에 응답하여 적분값을 출력하는 단계(S200), 출력 오프셋 측정 또는 오프셋 보상 단계(S300)를 포함할 수 있다.
S100 단계에서, 전류 센서(100)는 스위칭 소자의 스위칭 전류를 감지하여 미분값으로써 전압값을 출력할 수 있다.
S200 단계에서, 적분기(200)는 리셋 제어 신호에 응답하여 미분값에 기초하여 적분값을 출력할 수 있다.
S300 단계에서, 컨트롤러(300)는 동작 모드에 따라 리셋 제어 신호를 생성하여 적분기(200)의 출력 오프셋을 측정하거나 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행할 수 있다.
실시예에 따르면, S200 단계는, 리셋 제어 신호에 기초하여 적분기(200)의 출력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 리셋 스위치(210)는 리셋 제어 신호에 기초하여 적분기(200)의 출력을 조절할 수 있다.
도 8은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 전류 측정 장치의 실제 전류 계산 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, S300 단계는, 디지털 신호 생성 단계(S310), 출력 오프셋 측정 및 입력 오프셋 계산 단계(S320), 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 단계(S330), 오프셋 테이블 생성 및 실제 전류 계산 단계(S340)을 포함할 수 있다.
S310 단계에서, 컨트롤러(300)는 적분기(200)의 적분값으로부터 디지털 신호를 생성할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(300)는 AD 컨버터를 포함할 수 있다.
S320 단계에서, 컨트롤러(300)는 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고, 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(300)는 오프셋 측정기를 포함할 수 있다.
S330 단계에서, 컨트롤러(300)는 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(300)는 스케일러를 포함할 수 있다.
S340 단계에서, 컨트롤러(300)는 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고, 오프셋 테이블 및 샘플링 전류값에 기초하여 실제 전류를 계산할 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(300)는 모듈, 소프트웨어, 프로세서를 포함할 수 있다.
이상에서, 본 문서에 개시된 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 문서에 개시된 실시예들이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 문서에 개시된 실시예들의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소를 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 실시예들의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 문서의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 미분값을 출력하는 전류 센서;
    리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 적분기; 및
    동작 모드에 따라 상기 리셋 제어 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 컨트롤러를 포함하는 전류 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적분기는 리셋 스위치를 포함하고,
    상기 리셋 스위치는 상기 리셋 제어 신호에 기초하여 상기 적분기의 출력을 조절하는 전류 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 적분값을 입력 받아 디지털 신호를 생성하고,
    동작 모드에 따라 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하고,
    상기 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고 상기 오프셋 테이블 및 상기 샘플링 전류값에 기초하여 실제 전류를 계산하는 전류 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 리셋스위치가 오프된 상태 및 상기 리셋스위치가 온된 상태에서의 제1 출력 오프셋 및 제2 출력 오프셋을 측정하고, 상기 제1 출력 오프셋 및 제2 출력 오프셋에 기초하여 상기 입력 오프셋을 계산하는 전류 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 리셋스위치가 오프된 상태에서의 상기 출력 오프셋을 측정하고, 상기 출력 오프셋의 기울기에 기초하여 상기 입력 오프셋을 계산하는 전류 측정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 오프셋 측정 모드에서는 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하고,
    전류 제어 모드에서는 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 전류 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 PWM 스위칭 신호에 기초하여 상기 리셋 제어 신호를 생성하는 전류 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 PWM 스위칭 신호의 온오프와 상반되도록 상기 리셋 제어 신호를 생성하는 전류 측정 장치.
  9. 일단이 기준 전압원과 연결되는 전류 센서;
    비반전단자가 상기 전류 센서의 타단과 연결되고 반전단자가 상기 기준 전압원과 연결되는 증폭기;
    상기 증폭기의 반전단자와 출력단 사이에 병렬 연결되어 리셋 제어 신호에 기초하여 온오프되는 리셋 스위치; 및
    상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 리셋 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하는 전류 측정 장치.
  10. 스위칭 소자에 흐르는 스위칭 전류를 감지하여 미분값을 출력하는 단계;
    리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 단계; 및
    동작 모드에 따라 상기 리셋 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 단계를 포함하는 전류 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 미분값에 기초하여 적분값을 출력하는 단계는,
    상기 리셋 제어 신호에 기초하여 상기 적분기의 출력을 조절하는 단계를 포함하는 전류 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 동작 모드에 따라 상기 리셋 신호를 생성하여 상기 적분기의 출력 오프셋을 측정하거나 상기 적분값에 기초하여 오프셋 보상을 수행하는 단계는,
    상기 적분값을 입력 받아 디지털 신호를 생성하는 단계;
    동작 모드에 따라 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 단계; 및
    상기 입력 오프셋에 기초하여 오프셋 테이블을 생성하고, 상기 오프셋 테이블 및 상기 샘플링 전류값에 기초하여 실제 전류를 계산하는 단계를 포함하는 전류 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    동작 모드에 따라 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하거나 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 단계는,
    오프셋 측정 모드에서는 상기 적분값에 기초하여 출력 오프셋을 측정하고 상기 출력 오프셋에 기초하여 입력 오프셋을 계산하고,
    전류 제어 모드에서는 상기 디지털 신호를 샘플링 전류값으로 환산하는 전류 측정 방법.
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