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KR101255965B1 - 전력 절감 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전력 변환기 - Google Patents

전력 절감 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전력 변환기 Download PDF

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KR101255965B1
KR101255965B1 KR1020120007375A KR20120007375A KR101255965B1 KR 101255965 B1 KR101255965 B1 KR 101255965B1 KR 1020120007375 A KR1020120007375 A KR 1020120007375A KR 20120007375 A KR20120007375 A KR 20120007375A KR 101255965 B1 KR101255965 B1 KR 101255965B1
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KR
South Korea
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current
switch
sensing resistor
power
current measuring
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Application number
KR1020120007375A
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Inventor
박종후
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 전력 절감 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전력 변환기에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치는, 센싱 저항과, 상기 센싱 저항과 병렬 연결되는 스위치와, 상기 스위치의 온오프 동작을 제어하는 제어부와, 상기 센싱 저항에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 스위치를 온(on) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항을 우회하여 상기 스위치로 흐르도록 제어하고, 상기 스위치를 오프(off) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항에 흐르도록 제어한다.
이에 따라, 전류 측정 대상에 센싱 저항을 연결하고 센싱 저항에 스위치를 병렬 연결하여 전류 측정이 필요한 시간에만 센싱 저항을 사용함에 따라 전력 손실을 방지할 수 있고 측정 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

전력 절감 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전력 변환기{POWER SAVING CURRENT SENSING APPARATUS AND CONVERTER USING THE APPARATUS}
본 발명은 전력 절감 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전력 변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전류 센싱을 위한 저항에서의 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 임의 회로 상에서 부하의 전류를 측정하기 위한 방법으로서 부하에 별도의 센싱 저항을 연결하고 이 센싱 저항에 흐르는 전류를 측정하는 방식을 사용한다. 이와 관련된 종래의 예는 미국등록특허 제7135891호에 개시되어 있다.
그런데, 종래에는 단순히 센싱 저항 만을 배치하고 있어, 회로에 전원이 인가되어 동작 중일 때 센싱 저항을 통해 지속적으로 전류가 흐르게 된다. 이러한 경우, 전류 측정이 필요한 시간뿐만 아니라 전류 측정이 필요없는 시간에도 센싱 저항에 전류가 계속 흐르게 되어 센싱 저항에서의 불필요한 전력 손실 문제가 발생하게 된다. 더욱이, 지속적인 전류 흐름에 의해 센싱 저항에 열화가 발생하게 되면 측정 효율이 저하되게 되는 문제점이 있다.
본 발명은, 전류 측정 대상에 센싱 저항을 연결하고 센싱 저항에 스위치를 병렬 연결하여 전류 측정이 필요한 시간에만 센싱 저항을 사용함에 따라 전력 손실을 방지할 수 있고 측정 효율을 향상시킬 수 있는 전력 절감 전류 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치는, 센싱 저항과, 상기 센싱 저항과 병렬 연결되는 스위치와, 상기 스위치의 온오프 동작을 제어하는 제어부와, 상기 센싱 저항에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 스위치를 온(on) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항을 우회하여 상기 스위치로 흐르도록 제어하고, 상기 스위치를 오프(off) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항에 흐르도록 제어한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 스위치의 온오프 동작을 PWM 방식으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부의 전류 측정 타이밍을 설정하는 타이밍 설정부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전류 측정 타이밍과 동기화하여 상기 스위치의 온오프 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 센싱 저항의 일 단은 접지 전원과 연결될 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부는, 디지털 또는 아날로그 형태의 이산 시간의 전류를 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기는, 주 스위치를 온오프 제어하여 1차측 전류를 공급하는 구동부와, 1차측 전류를 입력받아 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선비에 따라 2차측 전류를 출력하는 변압기와, 상기 1차측 전류를 센싱하는 전력 절감 전류 측정 장치를 포함하는 전력 변환기에 있어서, 상기 전력 절감 전류 측정 장치는, 상기 1차측 권선에 연결된 주 스위치와 제1 전원 사이에 연결되는 센싱 저항과, 상기 센싱 저항과 병렬 연결되는 부 스위치와, 상기 부 스위치의 온오프 동작을 제어하는 제2 제어부와, 상기 센싱 저항에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부를 포함한다.
또한, 상기 구동부는, 상기 주 스위치의 온오프 동작을 제어하는 제1 제어부를 포함하고, 상기 제1 제어부 및 제2 제어부는, 상기 주 스위치 및 상기 부 스위치의 온오프 동작을 각각 PWM 방식으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 제2 제어부는, 상기 부 스위치의 온(on) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항에 흐르도록 하고, 오프(off) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항을 우회하여 상기 부 스위치로 흐르도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부의 전류 측정 타이밍을 설정하는 타이밍 설정부를 더 포함하고, 상기 제1 제어부 및 제2 제어부는, 상기 전류 측정 타이밍과 동기화하여 상기 스위치의 온오프 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전류 측정부는, 디지털 또는 아날로그 형태의 이산 시간의 전류를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제1 전원은 접지 전원일 수 있다.
본 발명에 따른 전력 절감 전류 측정 장치에 따르면, 전류 측정 대상에 센싱 저항을 연결하고 센싱 저항에 스위치를 병렬 연결하여 전류 측정이 필요한 시간에만 센싱 저항을 사용함에 따라 전력 손실을 방지할 수 있고 측정 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기의 구성도이다.
도 3은 도 1을 이용한 전류 센싱 파형의 예를 나타낸다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치(100)는 센싱 저항(110), 스위치(120), 제어부(130), 전류 측정부(140), 타이밍 설정부(150)를 포함한다.
센싱 저항(110)은 전력 절감 전류 측정 장치(100)가 전류를 측정하고자 하는 대상의 전류가 흐르는 경로에 연결되는 저항이다. 센싱 저항(110)의 일 단은 접지 전원과 연결될 수 있다. 접지 전원은 통상적인 회로의 그라운드를 의미한다.
스위치(120)는 센싱 저항(110)과 병렬로 연결되며, 센싱 저항(110)에 전류를 흐르게 하거나, 전류를 흐르지 못하게 하는 소자이다. 예를 들어, 스위치(120)를 온(on) 구동 시키면 전류는 센싱 저항(110)을 우회(bypass)하여 스위치(120)를 통해 흐르게 되며, 이를 우회 경로(①)라고 한다. 따라서, 전류가 센싱 저항(110)에 흐르지 않으므로 센싱 저항(110)에 의한 전력 소모가 발생하지 않게 된다. 스위치(120)를 오프(off) 구동 시키면 전류는 센싱 저항(110)을 통해 흐르게 되며, 이를 센싱 경로(②)라고 한다. 이 경우, 센싱 저항(110)에 전류가 흐르므로 전압이 발생하고 전력 소모가 발생한다.
제어부(130)는 스위치(120)의 온오프 동작을 제어하며, 스위치(120)를 온(on) 구동 시 전류가 센싱 저항(110)을 우회하여 스위치(120)로 흐르도록 제어하고, 스위치(120)를 오프(off) 구동 시 전류가 전류가 센싱 저항(110)에 흐르도록 제어한다. 또한, 제어부(130)는 스위치(120)의 온오프 동작을 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 스위치(120)가 온(on) 구동 시 전류가 센싱 저항(110)을 통해 흐르도록 제어하고, 오프(off) 구동 시 전류가 센싱 저항(110)을 우회하여 스위치(120)로 흐르도록 제어하는 것도 가능하다. 또한, 스위치(120)와 제어부(130) 사이에는 내부 저항(RS)이 연결될 수 있다.
전류 측정부(140)는 센싱 저항(110)에 흐르는 전류를 측정하며, 스위치(120)가 온(on) 구동 시에는 전류가 센싱 저항(110)을 통해 흐르지 않기 때문에 측정된 전류값은 0이 되며, 스위치(120)가 오프(off) 구동 시에는 전류가 센싱 저항(110)을 통해 흐르기 때문에 전압이 발생하고, 기 설정된 센싱 저항값을 이용하여 전류값을 계산하게 된다. 또한, 전류 측정부(140)는 디지털 또는 아날로그 형태의 이산 시간의 전류를 측정할 수 있다.
타이밍 설정부(150)는 전류 측정부(140)의 전류 측정 타이밍을 설정하며, 전류 측정 타이밍은 사용자의 설정에 의해 달리 설정될 수 있다. 타이밍 설정부(150)는 전류 측정부(140)와 제어부(130)에 연결되어, 전류를 측정할 타이밍 신호를 제공한다. 이 경우, 제어부(130)는 전류 측정 타이밍과 동기화하여 스위치(120)의 온오프 동작을 제어할 수 있으며, 전류 측정부(140)는 전류 측정 시간에만 전류를 측정할 수 있다. 따라서, 전류 측정 시간 외에는 전류가 센싱 저항(110)에 흐르지도 않으며, 전류를 측정하지도 않게 되어 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기(200)는 구동부(210), 변압기(220), 출력부(230) 및 전력 절감 전류 측정 장치(240)를 포함한다. 일반적인 전력 변환기(200)는 구동부(210), 변압기(220), 출력부(230)만으로 구성이 가능하나, 입력측의 전류를 센싱하여 출력을 제어하기 위해서 전력 절감 전류 측정 장치(240)를 추가하여 사용하게 된다.
구동부(210)는 내부의 전원을 주 스위치(211)를 통해 온오프 제어하여 1차측 전류를 생성한다. 여기서, 제1 제어부(212)를 통해 주 스위치(211)의 온오프 동작을 PWM(pulse width modulation ; 펄스 폭 변조) 방식으로 제어한다. 이 경우, 주 스위치(211)와 제1 제어부(212) 사이에는 내부 저항(RS1)이 연결될 수 있다.
변압기(220)는 구동부(210)로부터 1차측 전류를 입력받아 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선비에 따라 출력부(230)로 2차측 전류를 출력한다.
출력부(230)는 2차측 전류를 정류하는 다이오드(D)와 다이오드(D)를 통한 전압을 평활하는 캐패시터(C)와, 부하와 연결된 부하 저항(RL)을 포함한다.
전력 변환기의 구성은 보다 다양한 변형예가 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구성은 도 2에 의해 반드시 한정되지 않는다. 또한, 전력 변환기의 상세 동작은 기존에 다양하게 공지되어 있으므로 이에 관한 보다 구체적인 설명은 생략한다.
이하에서는 상기 전류 측정을 위한 구성 부분인 전력 절감 전류 측정 장치(240)로서, 센싱 저항(241), 부 스위치(242), 제2 제어부(243), 전류 측정부(244), 타이밍 설정부(245)의 구성을 설명한다.
상기 센싱 저항(241)은 1차측 권선에 연결된 상기 주 스위치(211)와 제1 전원 사이 부분에 연결된다. 본 실시예에서 제1 전원은 접지 전원에 해당되나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다.
상기 부 스위치(241)는 상기 센싱 저항(242)과 병렬 연결된다. 이러한 부 스위치(241)는 온오프 동작이 가능한 트랜지스터 등과 같은 반도체 스위치로 구현될 수 있다.
상기 제2 제어부(243)는 상기 부 스위치(241)의 온오프 동작을 제어한다. 이러한 제2 제어부(243)는 앞서 제1 제어부(212)와 같이 부 스위치(241)의 온오프를 PWM 방식으로 제어한다. 여기서, 각 스위치(211, 241)의 온오프 제어는 온오프 주기 및 시간을 제어하는 개념을 포괄하는 것임은 자명하다.
이러한 제2 제어부(243)는, 부 스위치(241)의 온(on) 구동 시 전류가 센싱 저항(242)에 흐르도록 하고, 반대로 부 스위치(242)의 오프(off) 구동 시에는 전류가 센싱 저항(242)을 우회하여 부 스위치(241)로 흐르도록 제어하여 센싱 저항(241)에 전류가 흐르지 않도록 한다. 이 경우, 부 스위치(242)와 제2 제어부(243) 사이에는 내부 저항(RS2)이 연결될 수 있다.
상기 전류 측정부(244)는 상기 센싱 저항(241)에 흐르는 전류를 측정하는 부분이다. 앞서 제2 제어부(243)의 PWM 제어 동작에 따라 전류 측정부(244)에서는 부 스위치(241)의 온(on) 동작 시에만 전류가 측정된다.
이러한 전류 측정부(244)는 디지털 또는 아날로그 형태의 이산 시간의 전류를 측정한다. 즉, 본 발명은 이산 시간을 이용하는 모든 경우(ex, 아날로그/디지털 제어기)에 적용이 가능하다.
이상과 같은 본 발명은, 전력 변환기(200)의 주 스위치(211)에 흐르는 정확한 전류 측정을 위하여, 주 스위치(211)와 연결된 센싱 저항(241) 부분에 부 스위치(242)를 병렬 연결하여, 전류 측정이 필요한 시간에만 센싱 저항(241)에 전류가 흐르도록 한다.
만약, 부 스위치(242)의 구성이 포함되어 있지 않은 경우에는 모든 시간에 대해 센싱 저항(241)에 전류가 흐르며 센싱 저항(241)을 통해 전류가 지속적으로 센싱되게 된다.
본 발명에서는 부 스위치(242)의 온오프를 제어함에 따라, 전류를 측정하지 않는 시간에서는 부 스위치(242)를 통해 전류를 바이패스(bypass) 시킴으로써, 센싱 저항(241)에 걸리는 정격 전력이 감소하고 그에 따른 센싱 저항(241)에서의 전력 손실 문제를 줄일 수 있다.
또한, 전류의 측정이 필요한 경우에만 센싱 저항(241)을 사용하므로, 센싱 저항(241)의 열화 문제를 방지할 수 있고 수명을 늘릴 수 있으며 그 결과 전류 측정 효율을 향상시킬 수 있다.
한편 상기 타이밍 설정부(245)는 제1 제어부(242), 제2 제어부(243) 및 전류 측정부(244)와 연결되어 있다. 이러한 타이밍 설정부(245)는 부 스위치(242) 및 주 스위치(211)의 스위칭 타이밍을 서로 동기화시켜서 제2 제어부(243)가 제1 제어부(242)에 연동하여 동작하게 한다. 또한, 전류 측정부(244)가 스위치 타이밍에 따라 센싱 저항(241)에 전류가 흐를 경우에만 전류값을 계산함으로써, 전력 소모를 줄일 수 있다.
이에 따르면, 제1 제어부(242)의 온오프 조절에 따라 주 스위치(211)를 통해 신호가 통과되는 시점에만 주 스위치(211)의 전류 측정이 가능하도록 제2 제어부(243)의 온오프 동작을 조절할 수 있다. 반대로 주 스위치(211)를 통해 신호가 통과되지 않을 때에는 전류 측정을 수행할 필요가 없으므로 그에 맞도록 제2 제어부(243)의 온오프 동작을 조절한다.
도 3은 도 1을 이용한 전류 센싱 파형의 실시예를 나타낸다. 여기서, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 센싱되는 전류 값을 나타낸다.
도 3의 (a)는 부 스위치(242)가 있는 경우 또는 부 스위치(242)가 항상 온(on)되어 있는 기존의 경우를 나타낸다. 이러한 경우, 센싱 저항(241)을 통해 항상 전류가 흐르는 구조로서 제어기는 이산적으로 전류 값을 받아들이게 되지만, 센싱 저항은 지속적으로 전류값을 측정하여 전류가 지속적으로 측정되며 전력 소모가 커지게 되는 단점이 있다.
그러나, 도 3의 (b)는 부 스위치(242)의 온오프 주기 및 시간이 PWM 제어되는 본 발명의 경우로서, 부 스위치(242)의 온(on) 구동 시에만 센싱 저항(241)에 전류가 흐르게 되어 전류가 센싱되고, 부 스위치(242)의 오프(off) 구동 시에는 센싱 저항(241)에 전류가 흐르지 않으므로 전류가 센싱되지 않는다. 이러한 경우 전류 측정 시간이 간헐적이게 되며 센싱 저항(241)에서의 전력 소모를 줄일 수 있다.
이러한 도 3의 구성은 본 발명의 설명을 돕기 위한 하나의 실시예로서 센싱되는 전류 파형이 반드시 이에 한정되지 않음은 자명하다.
이상과 같은 본 발명에 실시예에 따른 전력 절감 전류 측정 장치 및 이를 이용한 전력 변환기에 따르면, 전류 측정 대상에 센싱 저항을 연결하고 센싱 저항에 스위치를 병렬 연결하여 전류 측정이 필요한 시간에만 센싱 저항을 사용함에 따라 전력 손실을 방지할 수 있고 측정 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 전력 절감 전류 측정 장치 110 : 센싱 저항
120 : 스위치 130 : 제어부
140 : 전류 측정부 150 : 타이밍 설정부
200 : 전력 변환기 210 : 구동부
211 : 주 스위치 212 : 제1 제어부
220 : 변압기 230 : 출력부
240 : 전력 절감 전류 측정 장치 241 : 센싱 저항
242 : 부 스위치 234 : 제2 제어부
244 : 전류 측정부 245 : 타이밍 설정부

Claims (11)

  1. 일단이 접지 전원과 연결된 센싱 저항;
    상기 센싱 저항과 병렬 연결되는 스위치;
    상기 스위치의 온오프 동작을 PWM 방식으로 제어하는 제어부;
    상기 센싱 저항에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 전류 측정부의 전류 측정 타이밍을 설정하는 타이밍 설정부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 전류 측정 타이밍과 동기화하여 상기 스위치의 온오프 동작을 제어하며, 상기 스위치를 온(on) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항을 우회하여 상기 스위치로 흐르도록 제어하고, 상기 스위치를 오프(off) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항에 흐르도록 제어하는 전력 절감 전류 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    디지털 또는 아날로그 형태의 이산 시간의 전류를 측정하는 전력 절감 전류 측정 장치.
  6. 주 스위치를 온오프 제어하여 1차측 전류를 공급하는 구동부와, 1차측 전류를 입력받아 1차측 권선 및 2차측 권선의 권선비에 따라 2차측 전류를 출력하는 변압기와, 상기 1차측 전류를 센싱하는 전력 절감 전류 측정 장치를 포함하는 전력 변환기에 있어서,
    상기 전력 절감 전류 측정 장치는,
    상기 1차측 권선에 연결된 주 스위치와 제1 전원 사이에 연결되는 센싱 저항;
    상기 센싱 저항과 병렬 연결되는 부 스위치;
    상기 부 스위치의 온오프 동작을 제어하는 제2 제어부; 및
    상기 센싱 저항에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부를 포함하는 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 주 스위치의 온오프 동작을 제어하는 제1 제어부를 포함하고,
    상기 제1 제어부 및 제2 제어부는,
    상기 주 스위치 및 상기 부 스위치의 온오프 동작을 각각 PWM 방식으로 제어하는 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 부 스위치의 온(on) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항에 흐르도록 하고, 오프(off) 구동 시 전류가 상기 센싱 저항을 우회하여 상기 부 스위치로 흐르도록 제어하는 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전류 측정부의 전류 측정 타이밍을 설정하는 타이밍 설정부를 더 포함하고,
    상기 제1 제어부 및 제2 제어부는,
    상기 전류 측정 타이밍과 동기화하여 상기 스위치의 온오프 동작을 제어하는 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    디지털 또는 아날로그 형태의 이산 시간의 전류를 측정하는 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 전원은 접지 전원인 전력 절감 전류 측정 장치를 이용한 전력 변환기.
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