광대역 전류 트랜스듀서
작성자: 롤랜드 버거, (비즈니스 개발 엔지니어), Danisense
새로운 DW500UB-2V는 500A에서 2V의 전압 출력 신호를 제공하며, 풀 알루미늄 바디는 우수한 EMI 차폐와 확장된 작동 온도 범위를 보장합니다.
전력 분석을 위한 광대역 전류 트랜스듀서
질화갈륨(GaN) 및 탄화규소(SiC)와 같은 와이드 밴드갭 반도체 기술을 기반으로 하는 전력 변환 제품은 이제 훨씬 더 높은 스위칭 주파수에서 작동하여 거의 완벽한 정현파 파형을 생성할 수 있습니다.
초크의 인덕턴스 값과 커패시터의 커패시턴스가 스위칭 주파수에 반비례하기 때문에 초크 및 커패시터와 같은 필터 소자를 더 작고 가볍게 만들 수 있습니다.
앞으로 SiC 및 GaN 기반 부품은 더 많은 애플리케이션에서 계속 채택될 것입니다.
이 문서에서는 새로운 접근 방식을 설명하고 현재 요구되는 넓은 대역폭을 처리할 수 있는 일련의 전류 트랜스듀서를 소개합니다.
전력 분석기는 일반적으로 다음과 같은 기본 공식을 사용하여 유효 전력을 계산합니다.
따라서 디지털화된 전압 v(t)와 전류 i(t)의 순간값을 함께 곱하고 그 결과를 정의된 시간 창에 걸쳐 합산합니다.
기본적으로 전력 분석기의 대역폭 제한 또는 필터 차단 주파수까지 DC 구성 요소, 모든 고조파 및 비고조파 구성 요소가 고려됩니다. 프리미엄 세그먼트의 전력 분석기는 이미 최대 10MHz의 주파수까지 작동합니다.
대부분의 경우 전압 신호는 전력 분석기에서 직접 처리되므로 전력 분석기의 전체 대역폭을 사용할 수 있습니다.
30A 이상의 전류 측정에는 1차 신호를 2차 측에 높은 정확도로 전송해야 하는 전기적으로 절연된 전류 센서가 사용되는 경우가 많습니다.
이러한 전류 센서는 구리선 권선과 철심을 주요 구성 요소로 합니다.
또한 로고스키 코일은 구리선으로 감긴 코일 본체로 구성됩니다.
이러한 구조는 권선 인덕턴스와 개별 권선 사이 및 개별 권선 층 사이에 항상 형성되는 원치 않는 커패시턴스를 초래합니다.
따라서 각 구리선 권선은 잠재적인 발진 회로를 나타냅니다.
톰슨의 진동 방정식을 사용하면 공진 주파수를 계산할 수 있습니다.
이 공식에 따르면 코일의 커패시턴스가 클수록 일정한 인덕턴스에서 공진 주파수가 작아진다고 말할 수 있습니다.
다음 그림은 부분적으로 감긴 철심을 보여줍니다.
전체 2차 권선은 두 개의 코일로 나뉘어 직렬로 연결됩니다.
두 2차 코일 모두 여러 개의 권선 층이 있습니다.
개별 커패시턴스는 전기적 등가 회로에서 병렬로 연결되므로 한 권선의 총 커패시턴스가 합산됩니다.
코일이 직렬로 연결되어 있기 때문에 한 코일의 총 커패시턴스를 2로 나눠야 합니다.
따라서 한 코일의 총 커패시턴스는 레이어 수에 따라 증가합니다.
따라서 회전 수가 많고 레이어가 많은 전류 센서는 공진 주파수가 더 낮아야 합니다.
이 가설은 유도 변류기에 대한 주파수 측정을 통해 이미 실제로 검증되었습니다.
그림 2에서는 회전율이 다른 동일한 유형의 유도성 변류기를 최대 35kHz까지 측정했습니다.
2차 전류는 1차 정격 전류에서 항상 1A였습니다.
그 결과 4000A 모델은 다른 장치에 비해 구리선 회전 수가 더 많았고 권선 층도 더 많았습니다.
4000A 변류기의 첫 번째 공진 주파수는 약 9,570Hz입니다.
3000A 장치의 공진 주파수는 약 13,000Hz입니다.
전류 특성은 2차 신호가 공진점 영역에서 감쇠될 뿐만 아니라 증폭될 수 있음을 보여줍니다.
또한 중요하지 않은 위상 이동도 발생합니다.
현재 센서 제조업체가 대역폭을 정의하는 경우 전력 계산도 이 범위로 제한해야 합니다.
그렇지 않으면 이 범위를 넘어서는 주파수 범위에서 상당한 부정확성이 발생할 수 있습니다.
이 결론은 5A 전류 클램프의 주파수 응답을 고려할 때 더욱 뒷받침됩니다.
클램프는 데이터 시트에 따라 최대 20kHz까지 지정되어 있습니다.
20kHz 바로 뒤에서 첫 번째 공진 지점을 감지할 수 있습니다.
60~80kHz 사이에서 추가 공진 지점을 감지할 수 있습니다.
이 범위에서는 약 1,270% 증가한 진폭 값을 2차측에 표시할 수 있습니다.
일반적으로 제조업체는 승인된 측정 범위를 벗어난 현재 센서의 곡선이 때때로 혼란스러워 보이는 것을 불편해합니다.
그러나 사용자는 사용된 센서의 정의되지 않은 고주파수 범위에서 원하지 않는 곡선 특성을 예상해야 합니다.
지정된 주파수 범위를 초과하는 진폭의 강한 감쇠는 일반적이지 않습니다.
또한 제로 플럭스 원리에 따라 작동하며 이미 수십 년 동안 전력 측정에 사용되어 온 고정밀 전류 센서는 필요한 전자 장치와 함께 여러 개의 권선 철심으로 구성되어 있습니다.
10kHz를 훨씬 초과하는 전류 성분은 세 번째 코어를 통해 수동적으로 전송됩니다.
즉, 10kHz 이상에서는 변압기 원리에 따라 센서가 변류기처럼 작동합니다.
제로 플럭스 기술의 선구자들은 이제 최대 10MHz의 전송을 위해 이 세 번째 코어를 성공적으로 최적화했습니다.
Danisense의 새로운 DW500UB-2V 전류 트랜스듀서는 500A와 2V의 비율을 가지며, 현재 최대 10MHz의 주파수 응답을 제공하는 업계 최고의 제로 플럭스 트랜스듀서입니다.
전력 분석기와 같은 현재 트랜스듀서가 최대 10MHz까지 측정을 처리할 수 있다면 향후 실리콘 카바이드 기반 컨버터를 테스트할 때도 매우 정확하고 안정적인 전력 측정이 가능해질 것입니다.
여기서 스위칭 주파수는 보통 50~100kHz입니다.
그러나 이 스위칭 주파수 외에도 스위칭 주파수의 배수가 해당 측 대역과 함께 형성됩니다.
이 현상은 다음 공식으로 설명할 수 있습니다.
이제 컨버터가 100kHz에서 펄싱되는 경우 해당 측대역에서 200, 300 및 400kHz에서도 감쇠 진폭을 기대할 수 있습니다.
이 상황에서 발생하는 유효 전력을 정확하게 측정하려면 고주파 범위에서 역률이 훨씬 작기 때문에 진폭 오차 외에 위상 변위도 가능한 한 작아야 한다는 점에 유의해야 합니다.
결과적으로 위상 변위가 유효 전력 계산의 정확도에 미치는 영향이 크게 증가합니다.
따라서 전력 분석을 위한 측정 장비는 진폭 오차 및 위상 변위와 관련하여 가능한 최대 주파수 범위를 커버할 수 있어야 더 높은 주파수 범위의 부정확성을 배제할 수 있습니다.
전력 측정 외에도 높은 대역폭은 빠른 과도 전류, 돌입 전류, 서지 전류 및 전류 상승의 가파른 정도를 감지하는 데에도 유용합니다.
3MHz 이상에서 더 큰 위상 편이(< -10 °)는 전력 측정보다 덜 중요합니다.