머리말

EV(전기차) 및 HEV(하이브리드 전기차)는 가솔린 또는 디젤 차량에 비해 더 높은 연료 효율을 가지고 있고 배기가스를 덜 배출하며 재생 가능 에너지원의 전력을 사용하기 때문에 전 세계 시장이 빠르게 성장하고 있습니다. 트랙션 인버터, OBC(온보드 충전기), DC/DC 컨버터 및 BMS(배터리 관리 시스템)과 같은 HEV/EV 파워트레인 서브시스템의 에너지 흐름을 제어하고 효율성을 최적화하려면 정확하고 정밀한 전류 측정이 필수적입니다. 이러한 고전압 서브시스템은 일반적으로 400V를 넘는 고전압에서 큰 전류를 측정해야 합니다. 따라서 이러한 전류 측정은 혹독한 차량용 환경에서 절연뿐 아니라 높은 성능도 필요합니다.

서로 다른 절연 전류 측정 방법

각 HEV/EV 애플리케이션은 비용, 정확도, 신호 대역폭, 지연 시간, 측정 범위, 절연 등급, 패키지 크기 요구 사항이 다릅니다. 여러 절연 전류 측정 방법이 있습니다. 그러나 HEV/EV 서브시스템에서 사용되는 주요 방법은 절연 증폭기(그림 1) 또는 절연 모듈레이터(그림 2)를 사용하는 션트 기반 또는 개방형 루프(그림 3) 또는 폐쇄형 루프(그림 4) 홀 센서를 사용하는 홀 기반입니다.

션트 기반 방법과 홀 기반 방법 비교

역사적으로 설계자들은 저전류(<50A) 측정에는 션트 기반, 고전류(>50A) 측정에는 홀 기반 솔루션을 선호했습니다. 그러나 전류 측정 정확도 요구 사항이 증가함에 따라 자동차 공급업체는 홀 기반에서 션트 기반 방법으로 마이그레이션하고 있으며 특히 고전류 환경에서 더욱 그렇습니다. 자동차 공급업체 중에는 측정 정확도를 더욱 높이기 위해 절연 증폭기 기반 솔루션에서 절연 모듈레이터 기반 솔루션으로 전환하는 추세도 있습니다.

텍사스 인스트루먼트는 고정밀 션트와 페어링할 때 온도 전반에 걸쳐 매우 정확한 절연 전류 측정을 달성하는 데 도움이 되는 동급 최고의 절연 증폭기 및 절연 모듈레이터를 제공합니다. 표 1은 고전류 차량용 환경에서 션트 및 홀 기반 절연 전류 감지 솔루션의 기본 차이점을 보여줍니다.

션트 및 홀 기반 방법의 분석

• 홀 센서는 본질적으로 절연되어 단일 모듈 접근 방식을 지원합니다. 반면 션트 기반 솔루션에는 절연 증폭기 또는 모듈레이터, 그리고 높은 공통 모드 전압 측을 위한 절연 전원 공급 장치가 필요합니다.
• 션트 기반 솔루션은 초기 오프셋이 매우 낮고, 온도에 따른 오프셋 드리프트가 낮고, 외부 자기장에 덜 민감합니다.
• 션트 기반 솔루션은 전체 전압 범위에서 선형이며, 홀 기반 솔루션은 비선형, 특히 제로 크로싱 및 자기 코어 포화 영역 근처에서 더욱 비선형입니다.
• 션트 기반 솔루션은 기본 일회성 보정을 통해 홀 기반 솔루션에 비해 더 나은 DC 정확도를 달성합니다. 션트 기반 솔루션은 외부 자기장에 대한 감도가 제한되어 있기 때문에 특히 낮은 전류에서 정확도가 훨씬 더 우수합니다.
• 인라인 션트의 전압 강하로 열 발산 및 전력 손실이 발생합니다. 그러나 션트 기술의 향상으로 션트가 가벼워지고, 옴 값이 감소하며, 정확도와 드리프트 성능이 개선되었습니다. 옴 값이 낮은 션트를 사용하면 열 발산이 줄어듭니다. 또한 텍사스 인스트루먼트의 절연 증폭기 및 모듈레이터는 매우 작은 입력 전압 범위(±50mV 및 ±250mV)를 전체적으로 탁월한 정밀도로 지원합니다. 션트 기술의 이러한 개선과 소형 입력 범위의 절연 장치가 도입되면서 시스템이 전체 측정 정확도에 영향을 주지 않으면서 열 발산을 줄일 수 있습니다.
• 홀 기반 센서는 일반적으로 작동 온도 범위가 제한되어 있는 반면(일반적으로 –40°C~+85°C), 션트 기반 솔루션은 더 높은 작동 온도 범위(일반적으로 –40°C~+125°C)를 지원할 수 있습니다.
• 홀 기반 및 션트 기반 절연 증폭기 솔루션 모두 비슷한 신호 대역폭을 제공합니다. 일반적으로 최대 수백 킬로헤르츠(kHz)까지 가능합니다. 그러나 절연 모듈레이터는 사용자가 외부에서 디지털 필터링을 구현하고 사용자 지정할 수 있는 고속 비트 스트림 출력을 제공합니다. 이 사용자 지정을 통해 사용자는 높은 신호 대역폭, 낮은 지연 시간 솔루션을 개발할 수 있습니다.

트랙션 인버터에서 절연 션트 기반 전류 감지

트랙션 인버터는 전기 모터를 제어하며 HEV/EV 드라이브트레인의 핵심 구성 요소입니다. 트랙션 인버터는 높은 공통 모드 전압에서 정확한 전류 감지를 필요로 합니다. 따라서 트랙션 인버터의 전류 측정은 두 가지 션트 기반 방법 중 하나를 사용하여 실현할 수 있습니다.

그림 5은 AMC1301-Q1과 같은 차량용 등급의 강화 절연 증폭기를 사용하여 차가운 쪽과 절연된 뜨거운(높은 공통 모드 전압) 쪽에서 션트 전반의 전압 강하를 보여줍니다.

그림 6은 AMC1305M25-Q1과 같은 차량용 등급의 강화 절연 모듈레이터를 사용하여 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 절연된 션트 전반의 전압 강하를 측정하는 두 번째 션트 기반 측정 방법을 보여줍니다.

그림 5 절연 증폭기를 사용한 절연 전류 측정

그림 6 절연 모듈레이터를 사용한 절연 전류 측정

이 솔루션은 추가 아날로그-디지털 변환 단계 및 관련 후속 오류를 제거하므로 향상된 측정 정확도를 위해 절연 모듈레이터를 사용하는 것이 좋습니다. 절연 모듈레이터의 고속 비트 스트림 출력은 SDFM(시그마-델타 필터 모듈)이 내장된 TI의 C2000 제품군 같은 MCU(마이크로컨트롤러)나 FPGA로 필터링되어 사용자가 신호 대역폭과 정확도를 미세 조정할 수 있습니다.

차량용 절연 장치 권장 사항

결론

션트 기반 및 홀 기반 방법을 포함하여 HEV/EV 서브시스템의 절연 전류 감지를 위한 여러 측정 방법이 존재합니다. 경제적인 고정밀 션트 및 고성능 절연 증폭기와 모듈레이터의 발전으로 션트 기반 솔루션은 기존 홀 기반 솔루션에 대한 적합한 대안이 되었습니다.