카일 스톤(Kyle Stone), TI 마케팅 엔지니어
모든 전기 시스템에 중요한 한 가지 중요한 매개변수는 전류다. 전기차 충전 및 태양 에너지 시스템은 전력 변환, 충전 및 방전을 제어 및 모니터링하기 위해 전류량을 감지할 필요가 있다. 전류 센서는 션트 저항에 걸친 전압 강하 또는 도체를 따라 흐르는 전류로 발생하는 자기장을 모니터링하여 전류 흐름을 측정한다.
금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 제어 체계는 전류 흐름 정보를 사용하여 태양광 인버터 프로세스를 제어하거나 AC 입력 또는 출력의 전류 흐름을 모니터링하여 과전류 또는 오류 상황으로부터 부품을 보호한다. 다양한 전류 센서가 제공되며, 각 기술에는 장단점이 있다. 특정 용도에 가장 적합한 전류 센서의 유형은 시스템의 전력 등급, 의도된 정확도 및 비용 등 여러 요인에 따라 달라진다. 이 문서에서는 전기차 충전기와 태양광 인버터의 전류를 감지하는 데 적합한 장치에 대해 설명한다.
전기차 충전기의 전류 감지
전기차 충전기에서 전류 센서는 입력 AC 전원, DC/DC 컨버터 및 출력 전원과 같은 위치에 흐르는 전류를 측정하여 충전기가 AC 전원을 EV의 온보드 충전기 시스템으로, 또는 DC 전원을 직접 배터리로 올바르게 전달하고 있는지 확인한다. 오늘날의 400V 배터리는 더 많은 전력을 활용하고 고속 충전을 지원하기 위해 800V 이상으로 바뀌는 추세다.
레벨 1 및 2 충전기에서는 충전기가 EV 내 온보드 충전기에 AC 전원을 공급하고, 이 충전기는 들어오는 전력을 EV 배터리 충전에 더 적합한 전압 및 전류 수준으로 변환한다. 가정용 레벨 1 및 2 충전기의 전류 감지는 사용자에게 요금이 청구되지 않으므로 일반적으로 매우 높은 정확도가 필요하지 않다. 하지만 전류 흐름 정보는 충전기의 앱 또는 사용자 인터페이스를 통해 대략적인 전류량과 전력 소비량을 사용자에게 제공한다. 그림 1은 주차장에 있는 2개의 레벨 2 EV 충전기와 2개의 전기차 충전기를 보여준다.
레벨 3 전기차 충전기에서는 충전기 인프라가 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리에 직접 빠른 DC 전원을 공급함으로써 기존의 온보드 충전기를 우회하고 충전소에서 초고속 전기차 충전을 가능하게 한다. 전기차 충전기와 배터리의 전력 용량 증가는 빠른 충전과 주행 거리 연장 요구를 충족시키는 데 도움이 된다. 전류 감지 기능은 충전 프로세스를 제어하여 배터리가 안전하고 최적으로 충전되며 과충전되지 않도록 보장하므로 전기차 배터리 및 배터리 시스템의 유효 수명을 연장할 수 있다.
레벨 3 충전기의 스위칭 신호는 50kHz~100kHz이며, 적절한 측정을 얻으려면 최소 250kHz의 전류 센서를 사용해야 한다. 신호가 전환되면 전류 센서가 변화에 빠르게 반응할 수 있어야 하기 때문에 전파 지연 또한 매우 중요하다. 텍사스 인스트루먼트(TI)의 TMCS1123과 같은 장치는 보정 없이 온도와 수명에 걸쳐 최대 ±1.75%의 오차를 제공하며, 원포인트 보정은 온도와 수명에 걸쳐 ±1.00%다.
전류 흐름 정보에 대한 TMCS1123의 높은 정확도와 속도를 고려할 때, 이러한 정확도와 속도 사양은 절연된 DC/DC 컨버터에서 DC 차단 커패시터를 제거할 수 있는 기능을 제공하므로 시스템 엔지니어가 레벨 3 충전기를 설계할 때 비용을 절감할 수 있다.
그림 1: EV 충전기
태양광 인버터의 전류 감지
태양광 인버터 시스템에서 전류 센서는 인버터의 AC 및 DC 입력, DC/DC 부스트, DC/DC 컨버터, 그리드 출력 등 여러 구성에서 흐르는 전류를 측정하여 전력 변환 프로세스를 모니터링하고 제어하는 데 도움을 준다. 주거용 태양광 인버터에서 전류 감지가 이루어지는 전력 레일의 전압 레벨은 1,000VDC까지 높을 수 있지만, 일반적으로 태양광 입력의 경우 약 500~600VDC, 그리드 입력 및 출력의 경우 400VAC에 이를 수 있다. 전류 감지는 그리드 출력에서 전력 레벨과 주파수를 안정적이고 적절하게 전달하여 모든 부하가 안전 작동 영역(SOA)에 있도록 보장함으로써 태양광 인버터 시스템을 최적화하는 데 도움이 된다.
태양광 인버터의 스위칭 신호는 50kHz~100kHz의 전기차 충전기와 비슷하다. 또한 전류 센서를 진단용으로 사용할 수도 있다. 예를 들어, 태양광 패널의 연결이 느슨하거나 패널이 파손된 것을 나타낼 수 있는 결함이 있는지 모니터링하는 데 사용할 수 있다. TMCS1123은 ±1,100VDC의 강화된 작동 전압을 제공하므로 대부분의 스트링 인버터에 적합한 선택이다. 그림 2는 빨간색으로 표시된 1상 스트링 인버터 내에서 사용되는 전류 및 전압 감지의 몇 가지 예를 보여준다.
그림 2: 태양광 인버터의 일반적인 인버터 블록 다이어그램
전류 감지 설계 고려 사항
전기차 충전 및 태양광 인버터 시스템을 위한 전류 센서를 선택할 때 몇 가지 주요 고려 사항은 다음과 같다:
- 전원 정격. 전류 센서(자기 기반, 션트 기반 또는 기타 기술)는 시스템이 작동하는 전류 및 전압 레벨을 처리할 수 있어야 한다. 설계자는 시스템 입력에 따라 적합한 기술을 선택해야 수명이 다할 때까지 전류가 시스템에 중단 없이 흐르도록 할 수 있다.
- 정확도. 전류 센서는 SOA 내에서 시스템이 의도한 대로 작동할 수 있도록 의도된 제어 및 모니터링 기능을 제공할 수 있을 정도로 정확해야 한다. 정확도는 높은 효율 수준을 유지하면서 부품 수를 줄이고 잡음이 많은 스위칭 시스템으로 인해 그리드에 다시 주입될 수 있는 고조파를 줄이는 데 도움이 된다.
- 대역폭. 스위칭 시스템에서 속도는 중요한 매개변수로, TMCS1123은 250kHz의 신호 대역폭과 600ns의 전파 지연을 제공하여 적절한 측정을 수행할 수 있는 충분한 속도를 시스템에 제공한다. TI는 유사한 기계적 치수를 가진 고속 장치를 추가로 개발 중입니다. TI는 대역폭이 증가함에 따라 전파가 감소하는 것을 장치를 통해 관찰했다.
- 비용. 전류 센서의 비용은 센서가 제공하는 이점으로 정당화될 수 있어야 한다. 패키지 내의 홀 효과 센서는 일반적으로 지정된 전류 범위로 제한되는 반면, 션트 기반 시스템은 시스템 매개변수에 따라 션트 저항 값을 선택할 수 있기 때문에 유연성이 더 높다.
션트 기반 전류 감지 기술
홀 효과 및 션트 기반 전류 센서는 전기차 충전, 태양광 인버터 시스템 및 전류 감지가 필요한 기타 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 기술 유형 중 하나다.
션트 기반 전류 센서는 일반적으로 전체 전류 범위에서 홀 효과 전류 센서보다 정확하다. 안정적인 증폭기 기술 또는 아날로그-디지털 컨버터와 정밀 션트 저항을 사용하면 전체 전류 측정 범위, 온도 및 수명에 걸쳐 정확도가 1% 이상 향상될 수 있다. 션트 기반 솔루션은 연산 증폭기, 특수 제작된 전류 감지 증폭기(예: TI의 INA241A), 고전압용 절연 증폭기(예: TI의 AMCS1300B), 디지털 출력을 지원하는 시그마 델타 모듈레이터(예: TI의 AMCS1306)처럼 간단할 수 있다. 이러한 증폭기는 일반적으로 션트 저항의 전압 강하를 모니터링하고 이에 비례하는 전압 출력을 제공한다. 각 솔루션에는 작동 전압, 오프셋, 드리프트, 대역폭 및 사용 편의성에 관한 다양한 기능이 있다. 또한 패키지 내 홀 효과 솔루션과 마찬가지로 션트 기반 센서는 저항이 있는 침습적 기술이며, 전력 소모는 전체 설계의 상당한 관심사다.
홀 효과 전류 감지 기술
패키지 내 홀 효과 전류 센서는 강화 또는 이중 절연 레벨을 제공하는 고전압 시스템에서 널리 사용된다. 그러나 홀 효과 전류 센서는 온도와 수명에 따라 드리프트가 발생하는 것으로 악명이 높다. TI에서는 TMCS1123의 드리프트 오차를 ±0.5%로 크게 줄였다. 이 장치에는 차동 홀 효과 감지 기능이 있어 자기장 간섭이나 누화를 크게 줄여주며 과전류 감지, 정밀 전압 레퍼런스, 센서 경고 기능 등 여러 가지 다른 기능도 있다(그림 3 참조). 패키지 내 솔루션을 사용하면 리드 프레임의 패키지를 통해 전류가 흐르며 리드 프레임 저항과 실리콘 다이 열 제약이 발생하여 장치가 처리할 수 있는 전류량이 제한된다. TMCS1123 장치 포트폴리오는 25°C에서 75Arms를 지원한다.
그림 3: TMCS1123 블록 다이어그램
다른 솔루션으로는 주변 홀 효과 센서 또는 플럭스 게이트 센서(예: TI의 DRV401)가 있는데, 이러한 센서는 적절하게 작동하기 위해 다양한 유형의 코어, 차폐 또는 기계적 설계가 필요할 수 있으며, 제조 또는 실제 사용 중에 장치 또는 보드가 움직일 경우 변위 오류가 발생하여 측정 정확도가 변경될 수도 있다.
고전압 애플리케이션에는 시스템 설계를 더 어렵고 비싸게 만드는 몇 가지 설계 과제가 있다. TI의 포트폴리오와 리소스를 통해 적절한 가격으로 설계 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며, 이를 통해 기술 발전이 대중에게 다가가고 우리의 삶에 더 큰 영향을 미칠 수 있다.
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