분리형 고전류(100A ~ 1000A) 응용 제품을 위한 스마트 전류 센서

고전력 UPS 시스템, 온보드 충전기, 견인 인버터, 연료 전지, 배터리 시스템 및 기타 응용 제품은 높은 공통 모드 전압에서 정확한 전류 측정을 필요로 합니다. 기존에는 이런 시스템에서 <50A인 경우 션트 기반의 전류 측정 솔루션을, >50A인 경우에는 홀 기반 솔루션을 사용했습니다.

분리형 전류 측정 방법론

Texas Instruments의 기사인 Krunal Maniar의 “HEV/EV에서 션트 및 홀 기반 분리형 전류 감지 솔루션 비교”에서는 분리형 고전류 측정 기술을 사용하는 전기 자동차 응용 제품에 대해 다룹니다. 그림 1에서 보듯이 가장 일반적인 방법은 분리형 증폭기 또는 분리형 변조기를 사용하는 션트 기반의 방법 또는 개방형 루프나 폐쇄형 루프 센서를 사용하는 홀 기반의 방법입니다.

그림 1: 분리형 전류 측정 방법(이미지 출처: Texas Instruments)

션트 기반 시스템은 홀 기반 방법보다 선형성이 높은 특징으로 인해 일반적으로 구현이 더욱 간편하며, 전류 측정 정확도가 더 높습니다. 표 1은 두 기술의 특징을 여러 카테고리에 걸쳐 비교합니다.

표 1: 션트 기반 방법 및 홀 기반 방법 비교(출처: Texas Instruments)

고전력 응용 제품, 효율성 요구 사항의 증대 및 더욱 정확한 전류 측정이 필요한 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV) 관련 시장의 전 세계적인 성장으로 인해, 고전류 분리형 션트 측정 솔루션에 대한 관심이 나날이 높아지고 있습니다.

Riedon SSA 분리형 스마트 전류 측정 기술

Riedon의 SSA 스마트 전류 센서는 고전력 저저항 션트와 분리형 정밀 증폭기를 통합합니다. 100A ~ 1000A의 전류 측정 범위를 갖춘 모델로 제공됩니다. 주요 특징으로는 1500V_DC/1000V_AC RMS 강화 분리, ± 0.1% 초기 정확도, ± 0.1% 전류 범위 내 선형성, 단극 전력 공급, 차동 아날로그 출력 및 300kHz 대역폭 등입니다. 그림 2는 센서의 기능 구성도를 나타냅니다.

그림 2: 스마트 전류 센서 기능 구성도(이미지 출처: Riedon)

물리적 구성에는 그림 3의 SSA-250에서와 같이 바의 중심 주위를 감싸는 분리형 하우징을 갖춘 센서 전력 모선이 포함됩니다. JST JWPF 계열 4핀 커넥터는 밀폐형 센서의 (1) 전력, (2) 접지, (3) +Vin 및 (4) –Vin에 대한 인터페이스를 제공합니다. 이에 맞는 결합 커넥터는 JST 유형 J04R-JWPF-VSLE-S(하우징) 및 SWPR-001T-P025(접점)입니다.

그림 3: SSA-250(이미지 출처: Riedon)

Riedon의 SSA 제품군은 100A, 250A, 500A 및 1000A, 4개의 전류 범위로 구성됩니다. 참고로 1000A 버전에는 4개의 실장 구멍이 있어 더 넓은 모선을 사용합니다.

선택적 실장 하드웨어 및 케이블 조립품

그림 4에 나타나 있듯이 SSA-100 ~ SSA-500 모델에서는 더 간편한 실장을 위해 실장 기구인 SSA-BASE를 이용할 수 있습니다. UL 94-V0 등급의 재료로 제조되었으며 5/16-18 스테인리스강 하드웨어를 사용합니다.

그림 4: SSA-BASE(이미지 출처: Riedon)

선택적 커넥터 케이블 조립품인 SSA-CABLE-1M을 이용할 수 있으며 그림 5에서 확인 가능합니다. 모든 SSA 모델과 호환 가능하며 표준 케이블 길이는 1m입니다.

그림 5: SSA-CABLE-1M(이미지 출처: Riedon)

케이블 조립품은 SSA-xxx 모델용 JST 결합 커넥터와 색상으로 구분된 2개의 연선 22게이지 전선을 사용합니다. 하나의 연선(빨간색/검은색)은 센서 전원과 접지 연결용, 다른 하나(노란색/흰색)는 차동(+) 및 (-) 증폭기 출력 신호용입니다.

100Amp Bluetooth 무선 전류 센서 개념 입증 프로젝트

프로젝트의 범위는 Riedon의 SSA-100 센서 및 규격품 하드웨어를 사용하여 개념 입증 100A Bluetooth 무선 전류 센서를 개발하는 것이었습니다. 메인 컨트롤러 및 Bluetooth 연결을 위해 사용한 제품은 Adafruit의 nRF52840 Feather Express 기판입니다. 이 기판을 선택한 이유는 내장형 Bluetooth를 갖추고 있으며 CircuitPython 프로그래밍을 지원하기 때문입니다. 마이크로 컨트롤러 기반 프로젝트에서 CircuitPython을 사용하기 시작했는데, 성능이 대단히 뛰어나고 사용이 간편하며 여러 플랫폼에서 사용 가능하고 Adafruit로부터의 광범위한 라이브러리/예제 지원 기능이 있기 때문입니다. SSA-100 센서의 전류 신호는 12mV/A의 차동 아날로그 전압으로 표시되므로, Adafruit의ADS1115 ADC 브레이크아웃 기판을 추가했습니다. 이 ADC는 4채널, 16비트 정확도, 프로그래밍 가능 이득, I²C 인터페이스 및 차동 입력 기능을 제공합니다. 그림 6에 하드웨어와 Riedon 전류 센서 간의 배선 회로도가 표시되어 있습니다.

그림 6: Bluetooth 전류 센서 Scheme-it 회로도(이미지 출처: Digi-Key)

전체 BOM(부품 명세서)은 아래 Digi-Key Scheme-it® 프로젝트에서 확인하세요.

nRF52840 Feather Express의 CircuitPython 코드는 Bluetooth 연결을 설정하고 SSA-100 센서로부터 Android 전화기로 전류 판독을 전송합니다. 프로젝트 상세 정보, 예시 CircuitPython 코드 및 참조 링크는 eeWiki 프로젝트인 Bluetooth 무선 100Amp 전류 센서에서 확인할 수 있습니다.

테스트 설정 및 결과

그림 7에서와 같이 테스트를 위해 전류 센서를 Honda ATV의 12V 배터리에 직렬로 설치했습니다. ATV의 전기 윈치를 사용하면 전류 센서가 측정할 전류 부하가 제공됩니다.

그림 7: Honda ATV 테스트 설정(이미지 출처: Digi-Key Electronics)

Google Pixel 전화기에 ARFfruit의 BlueFruit LE 연결 모바일 앱을 설치하여, nRF52840 Feather Express에서 전송된 전류 측정값이 표시되도록 했습니다. 해당 앱에서 '플로터' 모드를 사용하여 ATV 윈치의 스위치가 켜져 있을 때 SSA-100으로부터의 전류 판독이 표시되도록 했습니다. 그림 8은 윈치가 역모드 및 풀모드로 결합되었을 때 AVT로부터의 전류 판독을 보여줍니다.

그림 8: BlueFruit LE 연결 플로터 그래프(이미지 출처: Digi-Key Electronics)

결론

Riedon의 SSA 전류 센서는 정확하고 다목적이며 사용이 간편합니다. 이 센서는 AC 및 DC 응용 제품의 하이사이드 또는 로우사이드 모두에서 사용될 수 있습니다. 선형성이 높으므로 고전력 회로에 간편하게 내장되어 정확한 분리형 전류 측정 기능을 제공할 수 있습니다.