전기화는 자동차 전력 시스템에 새로운 패러다임을 탄생시켰다. 설계가 하이브리드 전기차(HEV)이든 순수 전기차(EV)이든 해결해야 할 새로운 설계 과제가 있다. 이 기술 원고에서는 고전압 전류 감지의 몇 가지 주요 과제를 살펴보고, 당면한 설계 과정을 도와주고 간소화하는 추가적인 자료를 공유한다.
전류 감지에 대한 기본적인 소개는 e-북 “전류 감지 간소화”를 참조한다.
고전압, 고전류 (>200A 또는 통상적으로 1,000A)
고전압(≥400V) 순수 전기 시스템은 자동차를 움직이는 트랙션 시스템의 전류 소모를 낮추는 것을 목표로 한다. 이를 달성하기 위해서는 “hot” 고전압 측이 저전압(≤5V) 마이크로컨트롤러 또는 기타 회로에 연결된 “cold” 측에 전류 측정을 제공할 수 있도록 절연 솔루션을 구현해야 한다. 높은 전류는 션트 저항으로 측정하려고 할 때 I2R 전력 소모로 인해 문제가 된다.
이와 같은 조건에서 션트를 사용하는 것은 100µΩ 이하 션트 저항을 선택해야 한다는 것을 의미하지만, 이러한 저항은 보다 일반적인 밀리옴 저항보다 크고 비싼 경향이 있다. 한 가지 대안으로 자기 기반 솔루션을 사용할 수 있지만, 이 방법은 션트 기반 솔루션보다 정확도가 떨어지고 더 높은 온도 드리프트를 갖는다. 이러한 성능 단점을 극복하려면 자기 솔루션의 비용과 복잡성을 크게 증가시켜야 한다.
자세한 내용은 다음의 설계 자료에서 확인할 수 있다.
고전압, 저전류 (>400V, <500A)
여기에서도 높은 전압은 절연 솔루션을 필요로 한다. 전류 관점에서 보면, 100A보다 낮은 경우는 션트 기반 솔루션을 선택하는 경향이 있다. 100A ~ 500A 사이는 션트 또는 자기 솔루션 중에 비용, 성능, 솔루션 크기 간에 절충하여 선택한다. 다음 백서에서 이에 대한 설명을 볼 수 있다.
48V 레일, 저전류(<100A) 레일에서 정밀 측정
48V 레일에서 주요 설계 과제는 요구사항을 만족하는 데 필요한 생존 가능한 전압이며, 이 전압은 120V만큼 높을 수 있다. 일부 48V 모터 시스템의 경우 최대 모터 효율을 달성하기 위해 정밀 전류 측정이 필요하다. 이러한 모터 시스템은 트랙션 인버터, 전자 파워 스티어링 또는 벨트 스타트 제너레이터를 포함할 수 있다. 인라인 측정은 실제 모터 전류를 가장 정밀하게 나타내지만, 고속 펄스 폭 변조(PWM) 신호가 존재하기 때문에 매우 까다롭다. 자세한 설명은 다음을 참조한다.
DC/DC 컨버터 또는 배터리 관리 시스템(BMS)과 같은 모터가 아닌 48V 시스템의 경우 양방향 DC 전류 측정의 구현이 스위칭 성능보다 더 중요하다. 아래에서 자세한 설명을 볼 수 있다.
로우사이드 감지로 고전압 공통 모드 전압 요구사항 제거
로우사이드 전류 감지는 증폭기 요구사항 중 일부를 낮춰준다. 로우사이드 감지의 공통 모드가 접지, 즉 0V이기 때문에 입력은 낮은 전압을 갖는다.
로우사이드에서 측정하기 위해 증폭기의 공통 모드 전압 범위는 0V를 포함해야 한다. 모터의 로우사이드 위상 전류를 측정하는 경우, 증폭기는 스위치 턴온 및 오프를 조정하기 위해 높은 슬루율을 가져야 한다. 아래에서 자세한 설명을 볼 수 있다.
모터 이외의 애플리케이션의 경우 사용할 수 있는 선택은 구현의 정확도 요구사항에 따라 달라진다. 다음을 참조한다.
BMS에서 넓은 범위 전류 측정
mA에서 1kA까지 넓은 범위의 매우 정밀한 전류 측정은 단일 솔루션에서 해결하기에 상당히 까다로운 과제이다. 자기 솔루션은 높은 오프셋 수준과 적지 않은 드리프트로 인해 저전류를 잘 측정하지 못한다. 션트 기반 측정은 매우 낮은 차동 입력 전압 수준으로 인해 100µΩ 이하 션트 저항에서 저전류를 측정할 수 있으려면 매우 낮은 오프셋이 필요하다.
예를 들어 BMS가 ±1,500A를 측정하고자 할 수 있다. 0A 출력 전압과 20의 이득에서 ±2.5V 출력 스윙을 가질 때 양방향 측정에서 최대 입력 전압은 ±125mV이다. 그 결과 션트 저항 값은 83µΩ 이하가 된다. 100mA에서 이 션트에 걸친 전압 강하는 단 8.3µV이다. 이는 이 레벨을 측정할 수 있으려면 매우 낮은 오프셋을 갖는 증폭기 시스템이 필요하다는 것을 의미한다. 시스템이 1µV 오프셋을 갖는다면, 이 레벨에서 오차는 ~16%이다.
자세한 내용을 보려면 다음을 참조한다.
부드러운 주행을 위한 솔레노이드 전류 감지
많은 자동차 애플리케이션이 비례 솔레노이드를 사용하지만, 고전압 전류 감지와 관련하여 비례 솔레노이드는 주로 자동차 트랜스미션에 사용된다. 비례 솔레노이드는 클러치와 기어를 변경하거나 유압 펌프를 작동할 때 부드러운 주행 경험을 제공한다. 솔레노이드의 주행성은 주로 두 가지 요소, 솔레노이드 구동과 솔레노이드 위치 감지에 의존한다.
높은 정확도의 전류 측정은 솔레노이드 플런저 위치의 정밀한 폐쇄 루프 제어를 가능하게 한다.
솔레노이드 애플리케이션의 전류 센서는 션트 기반 원칙을 따른다. 펄스 폭 변조 신호는 밀리옴 션트를 통해 솔레노이드에 흐른다. 전류 범위에 따라 이 밀리옴 션트는 전류 감지 증폭기에 통합되거나 외부에 위치한다.
솔레노이드 전류 센서에 대한 자세한 내용은 다음에서 확인한다.
- "자동차 솔레노이드 전류 감지 동적 특성"
- "높은 정확도의 전류 센서 레퍼런스 디자인으로 자동차 비례 솔레노이드 구동"
- "자동차 비례 솔레노이드 전류 센서를 위한 레퍼런스 디자인"
전류 감지는 자동차 설계, 특히 고전압 시스템에서 증가하는 전기화를 위한 기본적인 요소이다. 최근의 자동차는 어느 때보다 센서에서 더 많은 것을 요구하지만, 이 글에 링크된 자료들은 강력한 성능과 안전한 전력 공급을 위해 탑재되는 파워트레인을 설계하는 데 도움을 줄 수 있다.
이 글의 솔레노이드 부분에 전문지식을 제공해 준 동료 Sandeep Tallada에게 감사를 전한다.
