DC 출력 특성인 선형도 시험을 위하여 10 kW 급의 고용량의 전원공급장치와 전기부하를 구성하여 −400~+400 A의 대전류 운용이 가능하도록 하였으며, 0.05 %, 1000 A shunt를 적용하여 측정 전류의 정확도를 확보하였다.

하이브리드 및 전기자동차는 구동모터, 인버터, 배터리 등으로 구성되며 각 구성부는 고전류로 운용된다. 따라서 이를 제어하는 시스템은 차량의 효율 향상과 안전을 위하여 전체 시스템을 실시간으로 모니터링 한다. 이를 위해 고전류 측정이 가능한 고성능의 전류센서가 적용된다.

본 연구에서 개발한 open loop type 전류센서 구조는 Fig. 1과 같이 링코어에 공극을 내고 공극 내에 홀소자를 위치시켜 Ampere의 법칙에 의하여 피측정 전류에 의하여 발생되는 자기장을 코어를 사용하여 공극에 자기장을 발생시켜서 이 자기장을 홀소자를 이용하여 측정함으로 피측정 전류를 측정하게 된다.

본 연구에서는 HGO급의 방향성규소강판과 GaAs 홀센서를 이용하여 하이브리드 및 전기자동차용 전류센서를 개발하였다.

측정하고자 하는 전류 및 자기장의 세기와 전기적 특성을 고려하여 홀센서를 선정하였고, 측정전류범위에서의 선형성을 고려하여 코어를 설계 및 제작하였다. 온도보상회로를 설계 및 적용하여 동작온도 구간에서의 환경 신뢰성을 확보하였다. 하이브리드 및 전기자동차의 운용환경을 고려하여 PWM 제어에 용이하도록 air flux를 제어하여 전류센서의 주파수특성과 반응속도를 향상시켰다.

이 기전력은 홀센서의 출력신호와 더해져 증폭이 되어 주파수대역폭 특성을 나쁘게 한다. 이를 개선하기 위하여 Fig. 3과 같이 구조물을 장착하여 공기자속을 상쇄시킴으로써 전류센서의 주파수대역 특성을 개선하였다[5].

자동차에서 요구하는 전류센서의 동작온도 영역은 −40~+105 ℃이며,−400~+400 A의 직류전류를 인가하여 센서의 선형도를 측정하였다.

전류센서의 주요사양은 일반적으로 선형도와 반응속도 및 주파수대역이 요구되나 차량의 경우 온도환경이 중요하기 때문에 −40~+105 ℃의 동작온도 특성을 가져야 한다. 전류센서의 선형도는 Fig. 2(b)의 자기이력곡선에서 B-I 곡선의 선형 도와 관계가 있기 때문에, 본 연구에서는 HGO급의 방향성규소강판(M90-23P 5)을 선택하였으며, 두께가 0.23 mm인 전기강판을 폭이 10 mm되게 슬리팅하여 두께가 3 mm가 되게 권 취를 한 후 800 ℃의 비산화성 분위기에서 1시간 열처리 한 후 몰딩을 한 다음 3 mm 공극을 만들었다.

인버터는 PWM 형태로 구동이 되며, 이를 모니터링 하기 위해서는 전류센서의 주파수특성과 반응속도가 중요하다. 제작한 전류센서는 연산증폭기를 이용하여 홀전압을 30배 증폭하도록 설계되었다. 홀센서의 출력핀이나 PCB상에서 연산증폭기 입력 측의 패턴이 폐루프를 형성하게 되면, 폐루프에 의해서 공기자속이 형성되고, Faraday의 전자기 유도법칙에 의해서 기전력이 발생된다.

주요 지표항목인 동특성은 측정 가능한 주파수대역과 반응속도로 구분되며 동특성 측정을 위하여 800 kHz 출력의 전력증폭기와 인덕턴스가 유도되지 않는 shunt를 이용하였다. 측정주파수를 100 Hz~100 kHz로 변화시키면서 40 A·turn의 전류를 인가하여, 측정전류 대비 센서의 출력전압 변화율을 측정하였으며, 반응속도는 5 kHz, 40 A·turn의 구형파를 인가하여 측정전류와 센서 출력전압 간 도달 시간의 시간차를 측정하였다.

측정주파수를 100 Hz~100 kHz로 변화시키면서 40 A·turn의 전류를 인가하여, 측정전류 대비 센서의 출력전압 변화율을 측정하였으며, 반응속도는 5 kHz, 40 A·turn의 구형파를 인가하여 측정전류와 센서 출력전압 간 도달 시간의 시간차를 측정하였다.

측정하고자 하는 전류 및 자기장의 세기와 전기적 특성을 고려하여 홀센서를 선정하였고, 측정전류범위에서의 선형성을 고려하여 코어를 설계 및 제작하였다. 온도보상회로를 설계 및 적용하여 동작온도 구간에서의 환경 신뢰성을 확보하였다.

하이브리드 및 전기자동차에서 요구하는 사양에 적합한 출력특성을 확보하고자 최소전류에서 최대측정전류의 측정 범위에서 전류센서의 출력이 0.5~4.5 V까지 변화되도록 설계하였으며, 온도보상회로를 설계 및 반영함으로써 차량의 운용환경에 적합한 출력특성을 갖는 전류센서를 제작하였다.

온도보상회로를 설계 및 적용하여 동작온도 구간에서의 환경 신뢰성을 확보하였다. 하이브리드 및 전기자동차의 운용환경을 고려하여 PWM 제어에 용이하도록 air flux를 제어하여 전류센서의 주파수특성과 반응속도를 향상시켰다. 개발한 전류센서의 동작온도 범위 내에서 선형도는 0.

홀센서는 GaAs 계열의 HG-302A를 적용하였다. 일반적으로 GaAs 홀센서는 온도계수가 작고 주파수특성이 좋으며, 고 자기장까지 측정이 가능하다.

Compensation wire를 적용하여 개발한 전류센서의 주파수대역폭 측정 결과로써 100 kHz(cut off, −3 dB)의 대역을 갖는 것으로 측정되었다.

하이브리드 및 전기자동차의 운용환경을 고려하여 PWM 제어에 용이하도록 air flux를 제어하여 전류센서의 주파수특성과 반응속도를 향상시켰다. 개발한 전류센서의 동작온도 범위 내에서 선형도는 0.03 %이며, 주파수특성 100 kHz, 반응속도 2 µs로 평가되었다.

7(a)는 공기자속에 의한 전류센서의 주파수대역폭 특성을 나타낸다. 공기자속에 의해 전류센서의 주파수대역폭 특성이 나쁘게 되는데, compensation wire를 이용하여 공기자속를 적절하게 제어함으로써 전류센서의 주파수대역 특성을 개선할 수 있었다. Compensation wire를 적용하여 개발한 전류센서의 주파수대역폭 측정 결과로써 100 kHz(cut off, −3 dB)의 대역을 갖는 것으로 측정되었다.

649(mV/A)/℃이며, 자기장의 세기를 일정하게 유지하고 측정온도를−40~+105 ℃으로 변화를 주면 홀센서의 온도특성에 따라 홀 전압의 감소가 나타난다. 따라서 +0.5(mV/A)/℃의 온도특성을 갖는 Zener 다이오드를 사용한 회로를 구성하여 홀센서에 인가되는 전류를 보상함으로써, 동작온도 내에서 전류센서의 출력전압 변동율을 최소화하였다. Fig.

주파수 특성이 개선됨에 전류센서의 반응속도도 향상되는 결과를 가져왔으며, 40 A·turn의 5 kHz 구형파로 측정시 측정전류 최대값의 90 % 영역에 도달하는 전류센서의 출력전압의 반응속도는 2 µs 이하였다(Fig.

자동차에서 요구하는 전류센서의 동작온도 영역은 −40~+105 ℃이며,−400~+400 A의 직류전류를 인가하여 센서의 선형도를 측정하였다. 측정 결과 측정온도영역 전 구간에서 0.03 %의 선형도를 유지하는 것으로 나타났다.