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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 12 pp , ISSN / eissn 구명환 1, 박주경 1, 차귀수 1*, 김동희 2, 최종식 2 1 순천향대학교전기공학과, 2 ( 주 ) 비전테크놀러지 Characteristics of Open-Loop Current Sensor with Temperature Compensation Circuit Myung-Hwan Ku 1, Ju-Gyeong Park 1, Guee-Soo Cha 1*, Dong-Hui Kim 2, Jong-Sik Choi 2 1 Electrical Engineering, Soonchunhyang University 2 Vision Technologies 요약개방형전류측정기는 DC 모터콘트롤러, AC 가변콘트롤러, UPS(Uninterruptible Power System) 에주로사용되며최근신재생에너지의성장과전력망의스마트그리드화로인하여활용성이점차확대되고있다. 이러한신재생에너지의성장으로관련핵심기술의보유여부가중요해지고있으며대부분수입에의존하고있는개방형전류측정기의국산화및관련기술의확보를필요로한다. 본논문에서는일반산업용개방형전류측정기의제작과정과특성을측정한결과를기술하였다. 개방형전류측정기를구성하는 C형철심의공극자장분포해석및형상설계, 홀센서의선정및특성시험, 정전류전원공급회로와신호처리회로의회로설계과정을기술하며 DIP(Dual In-line Package) type 과 SMD (Surface Mount Device) type의 100A급개방형전류측정기를제작하고특성을측정했다. 제작된전류측정기로 0~100A 범위에서통전실험을실시한했고직류전류와 60Hz의교류전류에서특성을측정한결과정밀도오차 2% 이내, 선형도오차 2% 이내의성능을만족하였다. 또한부특성온도계수를갖는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터를이용한온도보상회로를사용하여 35~ 100 의범위에서온도보상효과를확인하였다. Abstract Open-type current sensors have been commonly used for DC motor controller, AC variable controller and Uninterruptible Power Supply. Recently they have begun to be used more widely, as the growth of renewable energy and smart-grid in power system. Considering most of the open-type current sensors are imported, developing the core technology needed to produce open-type current sensors is required. This paper describes the development and test results of open-type current sensors. Design of C type magnetic core, selection and test of a Hall sensor, design of current source circuit and signal conditioning circuit are described. 100A class DIP(Dual In-line Package) type and SMD(Surface Mount Devide) type open-type current sensors was made and tested. Test results show that the developed open-type current sensor satisfies the accuracy requirement of 2% and linearity requirement of 2% at 100 A of DC and AC current of 60Hz. Temperature compensation was carried out by using a temperature compensation circuit with NTC(Negative Temperature Coefficient) thermistor and the effect of the temperature compensation are described. Keywords : current sensor, Hall sensor, open-loop, temperature compensation 1. 서론 전류는분류기, CT, 홀센서로측정이가능하며홀센서와자성철심을이용한전류측정기는다른방식에비해 절연특성과직류, 교류의전류를모두측정할수있는장점이있다. 홀센서를이용한전류측정기는개방형회로로구성되어출력이측정전류대비출력전압으로나타나는개방형과폐쇄형회로로구성되어자성코어의특성에 본논문은중소기업청에서지원하는 2014년도산학연협력기술개발사업 ( 연구마을, 과제번호 :C ) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. * Corresponding Author : Guee-Soo Cha(Soonchunhyang University) Tel: gsoocha@sch.ac.kr Received August 17, 2015 Accepted December 4, 2015 Revised (1st September 8, 2015, 2nd September 17, 2015, 3rd September 23, 2015) Published December 31,

따른영향이적은폐쇄형으로나뉘며일반적으로폐쇄형전류측정기에비해개방형전류측정기가비교적정밀도가높으면서가격이저렴하여일반산업용으로많이쓰인다.[1] 개방형전류측정기는 DC 모터콘트롤러, AC 가변콘트롤러, UPS에주로사용되는전류측정기로최근전력망의스마트그리드화, 신재생에너지의성장으로인하여활용성이점차확대되고있으나대부분의개방형전류측정기를외국에서수입해서사용하고있다.

2 따른영향이적은폐쇄형으로나뉘며일반적으로폐쇄형전류측정기에비해개방형전류측정기가비교적정밀도가높으면서가격이저렴하여일반산업용으로많이쓰인다.[1] 개방형전류측정기는 DC 모터콘트롤러, AC 가변콘트롤러, UPS에주로사용되는전류측정기로최근전력망의스마트그리드화, 신재생에너지의성장으로인하여활용성이점차확대되고있으나대부분의개방형전류측정기를외국에서수입해서사용하고있다.[2] 본논문에서는구조가간단하면서도비교적정밀도가높은개방형전류측정기를제작하고그특성을측정한결과를기술한다. 개발하고자하는개방형전류측정기는최대 100A의직류, 교류전류를측정하며정밀도오차 2% 이내, 선형도오차 2% 이내의성능을갖는것을목표로하였다. 전류측정기의특성에큰영향을미치는 C 형철심의특성분석, 홀센서특성분석과신호처리회로, 온도보상회로에대해서기술하였고, 개방형전류측정기를제작하여특성을측정한결과를기술했다. 2.1 자성철심설계자성재료로제작되는철심은교류자장에의해발생하는와전류를감소시키기위해얇은판재를겹쳐쌓는형태로사용되며성층방법에따라권철심형과적철심형으로구분한다. 또한철심에인가되는자장의방향에의해서특성이달라지는지여부에따라방향성철심과무방향성철심으로구분할수있다. Fig. 2는국내에서시판되는일반적인방향성, 무방향성규소강판철심의 B-H 특성을나타낸것이다. 방향성철심은인가되는자장의방향이철심의방향성에일치할때에무방향성철심에비해투자율이높다는장점을가진다. 방향성철심을사용해서 Fig. 1과같은 C형철심을제작하기위해서는방향성을유지하기위해서권철심형태로제작하는것이좋다. 무방향성철심은방향성철심에비해투자율은낮지만철심을제작할때인가되는자장의방향을고려할필요가없어적철심형태로제작이가능하다. 2. 개방형전류측정기의설계 Fig. 1에개방형전류측정기의기본구조를나타내었다. 개방형전류측정기는전선에흐르는전류에의해발생되는자기장의세기를홀센서로측정하고이로부터전류를산정한다. 개방형전류측정기의구성요소인 C형철심을통과하는전선에전류가흐르면 C형철심에자장이발생한다. 발생하는자장은 C형철심의공극에위치한홀센서를이용하여자장의크기에비례하는전압신호로변환된다. 전압신호는홀센서출력에연결된신호처리회로에서증폭부와온도보상회로부를거친다. 최종적으로신호처리회로의출력에서전선에흐르는전류와비례하는출력전압을얻을수있다. Fig. 1. Structure of a open-loop current sensor Fig. 2. B-H curve of grain-oriented and non-oriented ferromagnetic cores 전류센서에사용되는 C형철심의자장특성을알기위해 3차원유한요소해석을실시하였다. C형철심의내경, 외경, 두께, 공극의거리를조절하며다양한형상에대해특성을계산하였다. Fig. 3은무방향성철심을사용한 C 형철심의칫수가내경 17mm, 외경 25mm, 두께 4.9mm 그리고공극의거리 2mm일때의공극에서의자장변화이다. 철심의중심을통과하는전선에직류 100A의전류가흐를때공극에서는최대 61.6mT의자장이발생한다. 그림에서 X축방향은전선과수직인방향이고, Z축방향은전선과나란한방향이다. 공극에서의자장은공극의가장자리로갈수록급격히감소한다. 8307

3 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 3. Magnetic flux density at the center of the airgap, non-oriented core, 100 A Fig. 4는방향성철심을사용한 C형철심의칫수가내경 18mm, 외경 26mm, 두께 5mm 그리고공극거리 2.2mm 일때공극에서의자장분포를계산한결과이다. 전선에흐르는전류가 100A일때공극에서발생하는최대자장은 56.9mT이다. 자장분포는무방향성 C형철심과유사하지만 X축상에서자장분포의비대칭의특성이더뚜렷하게나타난다. 동작특성이균일하여야한다. 또한반도체물질로제작되는홀센서의특성상온도에따라홀센서의특성이변하는데이때온도에따른출력전압의변화가작은것이전류측정기에사용되기에적합하다. 홀센서의성능 ( 자장측정범위, 선형성, 온도범위 ), 가격, 수급의용이성을고려하여선택하였다. 선택된홀센서에서자장을측정하는센서부의크기는가로 2.35mm, 세로 2.7mm 그리고두께 0.95mm이다. 홀센서의동작온도범위는 -40~125 이다. 홀센서는동일한모델에서도각제품의특성이조금씩다르다. 특히동일한자장이인가될때홀센서의출력전압의차이가크면전류센서의성능을감소시킬우려가있다. 선정된홀센서세개를대상으로자장에따른홀전압의크기를측정한결과는 Fig. 5와같다. Fig. 5. Output voltage of the Hall sensors vs. magnetic field Fig. 4. Magnetic flux density at the center of the airgap, grain-oriented core, 100 A 무방향성 C형철심과방향성 C형철심은제작방법차이에의해형상이약간다르지만두경우모두공극의자장크기가홀센서로측정하기에충분한것으로확인되었다. 2.2 홀센서선정및특성시험개방형전류측정기의정밀도를높이기위해서는적절한홀센서를선정하는것이중요하다. C형철심의공극자장을측정하는홀센서에는자장의크기에비례하는출력전압이발생되어야하고동일모델의여러제품에서 2.3 회로설계개방형전류측정기는홀센서를동작시키기위한정전류공급부, 홀센서를이용하여공극의자장을측정하는자장측정부, 홀센서출력전압의증폭을위한신호증폭부, 온도에따른홀센서의특성변화를보상하기위한온도보상부, 노이즈제거를위한필터로구성된다. 전류측정기회로의기능을블록다이어그램으로표시하면 Fig. 6과같다. Fig. 6. Functional block diagram of the current sensor 8308

4 2.3.1 정전류공급부본연구에사용된홀센서는 GaAs 재질의반도체물질로만들어져있다. 따라서온도가증가함에따라출력전압이감소하는부특성온도계수를갖는다. 이러한온도특성은전류측정기의정밀도를감소시키는원인이된다. 홀센서에전원을공급하는방식에따라전류측정기의정밀도가달라진다. 홀센서에인가하는전원으로전압원보다전류원을사용하면온도에따른영향을상당히줄일수있다. 이에따라전류측정기에 Howland 정전류회로를사용하여정전류를공급하였다.[3] 자장측정부자장측정부는홀센서를이용하여 C형철심공극에서의자장을측정하는부분이다. 정전류가공급되는홀센서에자장이인가되면자장의크기에비례하는홀전압이발생한다. 자장변화에따른홀전압의크기는 Fig. 5과같다 신호증폭부자장에비례하여발생하는홀센서의출력전압은최대 110mV 정도여서증폭이필요하다. 본연구에서는 OP-AMP를이용한차동증폭기회로를이용하여전선에 100A의전류가흐를때에 4V의출력이발생하는회로를설계하였다. Fig. 7은신호증폭회로와온도보상회로를나타낸것이다. 두입력신호의차이를증폭하는차동증폭기의증폭이득은반전, 비반전단의저항과부궤환단저항의비율로결정된다. 차동증폭기는두입력신호에서동상의노이즈를제거한다. 홀센서마다조금씩다른출력특성을보정하기위해가변저항을사용하여증폭이득을조정할수있도록설계하였다.[4] 온도보상부 홀센서는온도가증가함에따라출력이감소하는부온도계수의특성을갖는다. 이를보상하기위해온도가상승하면저항이줄어드는부특성온도계수를갖는 NTC (Negative Temperature Coefficient of Resistance) 서미스터를이용한온도보상회로를설계하였다. 서미스터는 Fig. 7의차동증폭기에연결되어온도가증가함에따라증폭이득을증가시켜감소하는홀센서출력전압의영향을보상한다. 일반적인 NTC 서미스터의온도에따른저항특성은식 (1) 과같다. 식에서 는상온 에 서서미스터의저항, 은온도 에서저항이고상수 는서미스터의온도에따른저항의변화를나타내는값이다. 서미스터의저항과온도는지수함수로표현되므로온도에따라저항의변화가급격하여일반적으로 Fig. 7에나와있는 과같이병렬로저항을연결하여사용한다 노이즈제거부 식 (1) 전류측정기를사용할때입력전원, 주변기기등에서노이즈가유입될수있다. 이를제거하기위해차단주파수가 50kHz인 R-C 저역통과필터 (LPF) 를설계하였다. 필터의주파수에따른동작특성은 Fig. 8에나타낸것과같고차단주파수 50kHz에서출력전압이 3dB 감소한다. R-C 저역통과필터의구조는그림에삽입된회로와같다. Fig. 7. Signal amplifier and Temperature compensator Fig. 8. Characteristics of the low pass filter (LPF) 8309

5 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 개방형전류측정기제작및실험앞서설명한자성철심해석, 홀센서선정, 회로설계결과를바탕으로개방형전류측정기를제작하여그특성을측정하였다. 먼저 DIP type의소자를이용하여전류측정기를제작하여특성을측정한후 SMD type의 PCB로전류측정기를제작하여특성을측정하였다. 주요측정항목은직류전류인가시의출력전압특성, 60Hz의교류전류인가시출력전압특성, -35~100 의온도에서출력전압특성이다. 에각각출력전압을측정하여온도보상회로의영향을확인하였다. (a) (a) (b) Fig. 10. Temperature variation vs. current (a) Without temperature compensator (b) With temperature compensator (b) Fig. 9. DC and AC test of DIP type current sensor (a) DC test, (b) AC test 3.1 DIP type 제작된 DIP type의전류측정기에직류전류를통전하고측정한결과는 Fig. 9의 (a) 와같다. 직류 100A를인가할때출력전압은 4V이고정밀도오차는 1.25%, 선형도오차는 0.1% 이하이다. 60Hz의교류전류를통전하고측정한결과는 Fig. 9의 (b) 와같다. 측정된정밀도오차는 1.25%, 선형도오차는 0.2% 이하로서직류전류를통전했을때의측정결과와거의차이가없다. 전류측정기의온도를 -35~100 까지변화시키며출력전압을측정하였다. 온도보상회로를적용하기전과후 온도보상회로가없을때의출력전압측정결과는 Fig. 10의 (a) 와같다. 출력전압은전류가 100A이고온도가 -35 일때 4.23V이고온도가 100 에서는 3.86V이다. 온도가증가하면출력전압이감소하고이는홀센서의부특성온도계수의영향이다. 온도보상회로를적용했을때의실험결과는 Fig. 10의 (b) 와같다. -35 에서출력전압은 4.07V이고 100 에서는 3.92V이다. 전류가 100A일때온도에따른출력전압의오차를 Fig. 11에나타내었다. 온도보상회로가없을때 -35~ 100 의온도범위에서출력전압의오차는 -4.2~4.8% 이고온도보상회로를사용하였을때의출력전압의오차는 -2.3~1.4% 이다. 이결과로서미스터를사용한온도보상회로를사용하였을때온도에따른출력전압의변화가크게줄어든것을확인할수있다. 온도보상회로를적용 8310

하였을때의온도계수는 0.03%/ 이하이다. (a) Fig. 11. Output error vs. temperature variation with or without thermistor at the DIP type current sensor 3.2 SMD type 전류센서를개발하여제품화하기위해서는 SMD type의 PCB로제작하여야한다.

13의 (a) 와같고교류전류가흐를때의결과는 (b) 와같다. 두결과모두 100A의전류에서 4V에매우가까운전압이발행하였고전류가증가할때출력전압도선형으로증가한다. 실험결과를바탕으로계산한전류측정기의정밀도오차는 1.25% 이하이고선형도오차는 0.13% 이하이다. Fig. 13.

6 하였을때의온도계수는 0.03%/ 이하이다. (a) Fig. 11. Output error vs. temperature variation with or without thermistor at the DIP type current sensor 3.2 SMD type 전류센서를개발하여제품화하기위해서는 SMD type의 PCB로제작하여야한다. 이를위해서개발된전류센서를 SMD type의 PCB로제작하였고부품의고정과보호를위한케이스를제작하였다. PCB, 철심, 케이스를결합한모습이 Fig. 12의 (a) 와같고몰딩후의모습은 (b) 와같다. 제작된전류측정기중 3개를골라동일한방법으로출력전압을측정하여결과를비교하였다. 직류전류가흐를때의출력전압은 Fig. 13의 (a) 와같고교류전류가흐를때의결과는 (b) 와같다. 두결과모두 100A의전류에서 4V에매우가까운전압이발행하였고전류가증가할때출력전압도선형으로증가한다. 실험결과를바탕으로계산한전류측정기의정밀도오차는 1.25% 이하이고선형도오차는 0.13% 이하이다. Fig. 13. Output voltage at DC and AC current (a) DC current, (b) AC current (b) SMD type에서도 DIP type과마찬가지로온도에따른출력전압특성을측정하였다. 전류측정기의온도를 -35~100 까지변화시키면서, 온도보상회로를적용하기전과후로나누어영향을확인하였다. 출력전압을측정한결과는 Fig. 14와같다. 온도보상회로가없을때 -35~100 의온도범위에서출력전압의오차는 -8.5~ 7.4% 이고온도보상회로를사용했을때는 -7.0~5.1% 로출력전압의오차가약간감소하였다. 그러나오차가감소하는정도는 DIP type에서의오차가감소하는정도에는미치지못하였다. (a) (b) Fig. 12. Open-loop current sensor with SMD type (a) before molding, (b) after molding 8311

한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 구명환 (Ku-Myung Hwan) [ 준회원 ] 2010 년 2 월 : 순천향대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 2015 년 2 월 : 순천향대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 2015 년 6 월 현재 : 스태츠칩팩코리아개발부책임연구원 Fig. 14. Output error vs.

개방형전류측정기는방향성철심을권철심형태로제작한철심과 GaAs 계열의홀센서를사용하였고차동증폭회로를이용하여홀센서의출력전압을증폭하였다. DIP type과 SMD type의전류측정기를제작하여출력전압을측정한결과 100A의직류, 교류전류에서정밀도오차 2% 이내, 선형도오차 2% 이내의성능을만족하였다.

References [1] Quan Zhang, Ji-Gou Liu, Yongcai Yang, A new complementary symmetrical structure of using dual magnetic cores for open loop Hall-Effect current sensors, PCIM Europe, pp.

7 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 구명환 (Ku-Myung Hwan) [ 준회원 ] 2010 년 2 월 : 순천향대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 2015 년 2 월 : 순천향대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 2015 년 6 월 현재 : 스태츠칩팩코리아개발부책임연구원 Fig. 14. Output error vs. temperature variation with or without thermistor at SMD type current sensor 전기기계, 전자회로 4. 결론 본논문에서는 100A급의개방형전류측정기를설계하고제작해서특성을측정한결과를나타내었다. 개방형전류측정기는방향성철심을권철심형태로제작한철심과 GaAs 계열의홀센서를사용하였고차동증폭회로를이용하여홀센서의출력전압을증폭하였다. DIP type과 SMD type의전류측정기를제작하여출력전압을측정한결과 100A의직류, 교류전류에서정밀도오차 2% 이내, 선형도오차 2% 이내의성능을만족하였다. 또한부특성온도계수서미스터를사용한온도보상회로를이용하여 -35~100 의범위에서온도보상효과를확인하였다. 본연구에서얻은결과는국내에서개방형전류측정기를개발할때에바로활용될수있다. References [1] Quan Zhang, Ji-Gou Liu, Yongcai Yang, A new complementary symmetrical structure of using dual magnetic cores for open loop Hall-Effect current sensors, PCIM Europe, pp , May, [2] Fu an Li, Xiaobing Luo, Xingguo Cheng, Sheng Liu, Impact of the winding area of enameled wire on packaging performance of a closed loop Hall effect current sensor, IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp , May, DOI: [3] Edward Ramsden, Hall-Effect Sensors, Theory and Application, pp , Elsevier, [4] Thomas L. Floyd and David M. Buchla, Electronic Fundamentals, Circuit, Device and Applications, pp , Pearson, 박주경 (Ju-Gyeong Park) [ 준회원 ] 전기기계, 전자회로 2015 년 2 월 : 순천향대학교전기공학과 ( 공학사 ) 2015 년 3 월 현재 : 순천향대학교전기공학과 ( 석사과정 ) 차귀수 (Guee-Soo Cha) [ 정회원 ] 전기기계, 에너지변환 1987 년 2 월 : 서울대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 1987 년 3 월 현재 : 순천향대학교전기공학과교수 8312

8 김동희 (Dong-Hee Kim) [ 정회원 ] 2011 년 3 월 2013 년 2 월 : 공주대대학원융합신소재공학과 ( 공학석사 ) 2013 년 7 월 현재 : 비전테크놀러지주임연구원 재료공학, 전기전자 최종식 (Jong-Sik Choi) [ 정회원 ] 1998년 2월 2006년 9월 : POSCO TMC 2012년 3월 2014년 2월 : 공 주대 대학원 융합신소재공학과 ( 공학석사 ) 2007년 1월 현재 : 비전테 크놀러지기술연구소장 금속재료학 8313

실험 5

실험 5 실험. OP Amp 의기초회로 Inverting Amplifier OP amp 를이용한아래와같은 inverting amplifier 회로를고려해본다. ( 그림 ) Inverting amplifier 위의회로에서 OP amp의 입력단자는 + 입력단자와동일한그라운드전압, 즉 0V를유지한다. 또한 OP amp 입력단자로흘러들어가는전류는 0 이므로, 저항에흐르는전류는다음과같다.