전력전자 회로에 쓸만한 고 전압센서 회로 예제(feat. AMC1301)

가끔 인버터의 400V 정도의 DC버스 전압이나 220 또는 230Vrms의 전압을 센싱해서

MCU나 DSP에 전달해줘야 하는 경우가 있죠. 

 

예를 들면 PFC제어를 한다던가 센서리스(속도 센서 없이) 모터 드라이브를 한다던가

 

그런 경우엔 제어 보드에 전압센서를 달아줘야 합니다. 

그런데 이 정도의 고전압에서 센서 회로 구성은 어떤 요소가 필요할까요?

 

TI: Texas Insturments 에서 괜찮은 예제를 만들어 두어서 소개합니다.

 

AMC1301이라는 TI의  IC를 활용한 회로입니다.

구조 설명과 동작원리는 다음과 같습니다.

 

기본 내부 구성은 Diffrential Amplifier(차동 증폭) 회로 구조를 하기 위한 OPAMP에 Isolation을 보강하고 출력도 차동으로 내보내 주는 것 같습니다. 차동으로, 즉, 전압신호를 두 선으로 보내주면 중간에 노이즈가 끼어서 신호가 왜곡되더라도, 마지막에 그 두 선 사이의 전압차는 일정하게 남아있기에 노이즈에 강인하죠. 

 

또 보아하니 여기서는 하프 브릿지 인버터의 출력 전류를 측정하는 용도로 쓰이는 예시 회로인 것 같습니다. Rshunt 저항의 양단의 전압을 측정하네요. 보통 Rshunt라고 이름 붙은 저항들은 전류 센싱용의 아주 값이 작은 저항이죠. 만약 DC버스 전압용으로 사용하려면 아주 큰 저항과 작은 저항으로 전압분배기를 만들고나서 작은 저항 양단의 전압을 측정해야 겠네요. 이 IC의 차동입력 전압이 최대 250mV 거든요. (+ 차동입력 전압이 더 높은 후속모델 IC도 나왔다고 합니다)

 

우선 VDD1과 GND1 양단에 제너다이오드와 조막만한 커패시터로 3.3V나 5.0V 전원을 받을 수 있고, VDD2와 GND2에도 3.3V나 5.0V로 전압을 받을 수 있네요. 즉, 1차측과 2차측의 전원을 별개로 = 독립적으로 설정할 수 있습니다.

 

이렇게 할 수 있게 한 이유는 아마 3.3V 전원을 쓰는 MCU나 DSP사용자와 5V 전원을 쓰는 MCU나 DSP사용자 모두를 만족시키려고 한 거겠죠?

 

그 다음으로 VINN과 VINP는 전류 센서 양단의 전압값을 차동 입력(Diffrential input)으로 받습니다. 이때, 이 두 선간의 전압은 최대 250mV이내여야 합니다. 그리고 출력에서는 그 사이의 전압값을 8.2배만큼 증폭해서 VOUTP와 VOUTN을 통해서 내보내 줍니다. 그리고 마지막에 전압에 낀 노이즈를 제거하기 위해 저항과 커패시터로 약간의 필터링을 해주죠. 

 

당연한 얘기지만 VOUTP가 Positive값으로 VOUTN보다 전위가 높은 핀이겠죠?

 

마지막 두 출력을 MCU나 DSP의 ADC역할을 맡은 GPIO 핀과 GND에 연결해주면 무사히 센싱된 전압정보가 전달됩니다.

 

기본 이득값이 8.2배인 것보다는 다른 값을 얻고 싶다면, 중간에 차동 증폭회로를 추가해서 전체 전압이득을 낮추거나 

높일 수 있어요. 아래 링크를 참고해보세요.

 

[전자 회로 실험] #3-(1). Op-Amp : 가산기, 차동증폭기 설계하기