펌프 구동기 전류 감지 시 열 기전력 오류 수정

펌프 구동기 전류 감지 시 열 기전력 오류 수정

추상

열전기 기전력은 모든 낮은 전류 감지 저항의 감지 전압에 추가됩니다. 이 글에서는 제벡 효과, 오차 및 열 드리프트 방정식, 15°C 종단 온도 기울기가 5mΩ에서 발생시키는 45µV~645µV의 오프셋, 네 가지 자기장 결함 지점, 그리고 40A 펌프 채널을 10,000시간 동안 0.1% 이내의 오차로 유지하는 합금, 레이아웃 및 바이패스 선택에 대해 설명합니다.

1. 소개

펌프 구동기의 모든 제어 결정은 감지 저항에서 시작됩니다. 컨트롤러는 5mΩ 소자 양단의 전압 강하를 읽고 기준값과 비교하여 레이저 다이오드 전류가 설정값과 일치할 때까지 듀티 사이클을 조정합니다. 40A에서 전체 신호는 200mV입니다.

작은 신호 크기가 정확도 요구 사항을 결정합니다. 40A에서 0.5%의 감지 오차는 200mA에 해당하며, 이는 다이오드 파장을 약 0.6nm만큼 이동시키고 펌프 흡수율을 낮춥니다. 여기서 정밀도는 마이크로볼트 단위로 측정되며, 한 가지 오차 발생 원인은 저항 데이터시트 외부에 있습니다.

저항 소자와 구리 단자 사이의 두 접합부가 서로 다른 온도에 있을 때 열전기 기전력이 발생합니다. 시벡 효과는 서로 다른 금속 사이에 전압을 발생시키며, 의미 저항에서 이 전압은 유효 전압 강하와 직렬로 연결됩니다.

5µV에서는 오프셋이 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 50µV에서 200µV 사이에서는 측정값의 0.025%에서 0.1% 정도가 되며, 이때 정전류 루프는 게인 조정으로도 제거할 수 없는 안정적인 전류 오차를 유지합니다.

이 글에서는 지배 방정식을 도출하고, 현장에서 발생하는 네 가지 문제점을 나열하며, 40A 펌프 채널에 대한 여섯 가지 선택 및 배치 전략을 제시합니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 감지 저항에서의 제벡 효과

소자 양단의 열 기전력은 접합부 온도 차이를 따릅니다.

V_EMF = S_AB × ΔT

여기서 V_EMF는 열 오프셋 전압이고, S_AB는 저항 합금과 구리 사이의 상대적인 제벡 계수이며, ΔT는 두 종단 사이의 온도 차이입니다.

합금의 전위차는 구리를 기준으로 3µV/°C에서 43µV/°C까지 다양합니다. 15°C의 종단 온도 구배에서 망가닌 원소는 45µV를 생성하고, 높은 제벡 계수를 갖는 합금은 645µV를 생성합니다. 재료 선택만으로도 전위차가 최대 14배까지 차이가 ​​납니다.

2.2 현재 측정값에 대한 오차 기여도

감지된 전압에는 두 항이 모두 포함됩니다.

V_sense = I × R_sense + V_EMF

여기서 V_sense는 증폭기 입력 전압, I는 다이오드 전류, R_sense는 소자 저항, V_EMF는 열 오프셋입니다.

겉으로 드러나는 전류 오차는 오프셋과 요소 값에서 비롯됩니다.

ΔI_error = S_AB × ΔT / R_sense

여기서 ΔI_error는 겉보기 전류 오차이며, 나머지 기호는 위의 값을 갖습니다.

5mΩ에서 45µV 오프셋은 9mA로 읽히고, 645µV 오프셋은 129mA로 읽힙니다. 40A 채널에서 129mA는 전체 스케일의 0.32%에 해당하며, 약 0.39nm의 파장 변화에 해당합니다.

2.3 TCR 드리프트 및 저전류 사례

해당 원소의 값도 온도에 따라 변합니다.

R(T) = R_25 × (1 + α × ΔT)

여기서 R_25는 25°C 기준에서의 저항이고, α는 저항의 온도 계수이며, ΔT는 해당 기준 온도보다 상승한 값입니다.

두 가지 오류 원인이 하나의 표현식으로 결합됩니다.

ΔI_total / I = α × ΔT + S_AB × ΔT / (I × R_sense)

여기서 ΔI_total / I는 상대 전류 오차이고, 첫 번째 항은 저항 드리프트이며, 두 번째 항은 측정값으로 나눈 EMF 오프셋입니다.

40°C 온도 구배에서 ±15 ppm/°C의 오차는 0.06%의 오차를 발생시킵니다. 기전력(EMF) 항은 9mA의 고정 오프셋을 가지므로 40A 전류에서 측정값의 0.0225%를 차지하고, 4A 대기 전류에서는 0.225%까지 증가합니다. 이 보정값은 작동 지점에 따라 달라집니다.

2.4 펄스 작동 시 EMF 드리프트

펄스 펌프에서 발열체는 펄스 열에 따라 가열되고 냉각됩니다.

V_EMF(t) = S_AB × P_avg × R_th × (1 − e^(−t / τ_th))

여기서 P_avg는 요소의 평균 소산, R_th는 주변 환경에 대한 열 저항, τ_th는 물체의 열 시간 상수입니다.

5mΩ 저항을 가진 소자는 40A 전류에서 8W의 전력을 소모합니다. 평균 듀티 사이클이 30%일 때 평균 전력은 2.4W이고, 저항 R_th = 5°C/W이므로 체온은 주변 온도보다 12°C 높습니다. 이때 저항 R_th = 20초이므로, 3µV/°C의 저항률을 가진 합금은 36µV, 즉 7.2mA의 전압 오프셋을 발생시키고, 이 오프셋이 안정화되는 데 약 1분이 소요됩니다.

그림 1 — 망가닌 원소에서 발생하는 고정된 9mA 오프셋은 9A 이상에서 0.1% 판독 한계 내에 머무르는 반면, 43µV/°C 합금에서 발생하는 645µV 오프셋은 전체 범위에서 이 한계를 벗어납니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 감지 소자의 높은 시벡 계수 접합부

일반적인 후막 부품은 구리에 대한 제벡 계수가 20 µV/°C ~ 43 µV/°C인 합금을 사용합니다. 15 °C 종단 온도 기울기에서 기전력은 300 µV ~ 645 µV에 도달하며, 이는 5 mΩ에서 60 mA ~ 129 mA에 해당합니다.

이러한 오프셋으로 인해 펌프 파장이 0.2nm만큼 이동하여 0.39nm가 되며, 흡수 효율이 1~2% 감소합니다. 저항 자체는 여전히 허용 오차 범위 내에 있습니다.

문제점 2: 비대칭적 소산으로 인한 종료 기울기

이 소자는 전력단과 감지 증폭기 사이에 위치하므로 두 단자는 서로 다른 온도에서 안정화됩니다. 20°C의 온도 차이는 제벡 계수가 낮은 합금을 사용하더라도 60µV의 전압을 생성합니다.

해당 기울기는 부하 전류와 주변 온도를 추적합니다. 고정된 공장 오프셋이 잘못된 수치를 수정하고, 잔여 오차는 교대 근무 시간 동안 이동합니다.

문제점 3: 열전대 추적 및 납땜 접합

감지 경로상의 모든 구리-납땜-구리 연결부는 접합 쌍을 형성합니다. 고온 영역을 통과하는 트레이스는 길이 방향으로 1도당 수 마이크로볼트의 전압을 추가합니다.

4층 기판에서 적층 구조를 가로지르는 수직 방향의 기울기는 추가적인 오프셋을 발생시킵니다. 이 두 가지 요소 모두 레이아웃 형상에 따라 달라지므로 회로도만으로는 시뮬레이션에서 이를 파악할 수 없습니다.

문제점 4: 열 순환 후 교정 오차 발생

공장에서 보정된 네트워크는 합금이 노화되고 종단 기울기가 변함에 따라 정확도가 떨어집니다. 10,000번의 열 순환 후 EMF 경로가 20%에서 40%까지 이동합니다.

보정된 전류 오차는 예정된 유지보수 기간 전에 사양 범위를 벗어나며, 오차 발생 속도가 너무 느려 일일 전력 점검에서는 나타나지 않습니다.

4. 설계 단계

전략 1: 제벡 계수가 낮은 합금을 선택합니다.

망가닌 등급을 지정하세요 후막 저항기 구리 대비 3 µV/°C 미만의 변동률과 ±15 ppm/°C 이하의 TCR을 갖습니다. 15°C의 온도 구배는 45 µV를 생성하며, 이는 200 mV 감지 신호의 0.0225%에 해당합니다.

실제 단자 재질의 제벡 계수를 공급업체에 문의하십시오. 합금과 구리 쌍이 제벡 계수를 결정하며, 데이터시트에는 합금만 나와 있는 경우가 많습니다.

전략 2: 진정한 켈빈 4단자 감지 방식을 사용합니다.

전압 감지용 배선 쌍을 전류 전달용 배선 쌍과 별도의 트레이스로 구성하고, 대칭적으로 길이가 같은 패드에서 만나도록 배선합니다. 이렇게 하면 PCB 구리 저항이 측정에서 제외됩니다.

두 감지 단자는 동일한 열 환경을 감지하므로 대칭성에 의해 추적 EMF가 상쇄됩니다. 감지 소자를 다음 소자와 연결하십시오. 샘플링 저항 분할선 경로에 동일한 합금 계열이 사용되었습니다.

전략 3: 양쪽 단자의 열 경로 균형을 맞춘다

양쪽 끝단의 주변 열 저항을 동일하게 유지하십시오. 두 개의 동일한 비아가 있는 열 패드에 소자를 대칭으로 장착하고, 전력단 열원이 양쪽 끝단에서 동일한 거리에 있도록 하십시오.

대칭형 구리 평면은 종단 온도 기울기를 20°C에서 3°C 미만으로 낮추어 3µV/°C 오프셋을 60µV에서 9µV로 줄입니다.

전략 4: 능동적 보상을 위한 참조 요소 추가

감지 저항 옆에 전류가 흐르지 않는 동일한 소자를 하나 더 배치합니다. 이 소자의 기전력을 측정하고 신호 체인에서 빼줍니다.

이 차감 과정은 펄스 작동의 시간 가변 성분을 포함하여 오프셋의 부하 의존적 부분과 주변 환경 의존적 부분을 제거합니다.

전략 5: 1급 유전체를 사용하여 증폭기 입력단을 바이패스합니다.

100pF ~ 1nF 커패시터를 사용하여 차동 입력단을 바이패스하십시오. N4700 (T3M) 부품은 SrTiO3 기판 위에 있습니다. 온도 계수가 ±30 ppm/°C이고 tan δ가 0.1% 미만이므로 필터는 온도에 따른 위상 변화가 없습니다.

감지 신호는 추가 손실이나 드리프트 없이 증폭기에 도달하는 반면, 스위칭 고조파는 측정 대역폭 밖에 유지됩니다.

전략 6: 12개월 간격으로 네트워크를 재보정합니다.

예방 정비의 일환으로 2점 재교정(제로 전류 오프셋 및 전체 전류 게인)을 실행하십시오. N4700 부품 및 ±15 ppm/°C 요소는 10,000시간당 0.1% 미만의 드리프트를 보입니다.

따라서 12개월 간격은 현재 정확도 사양 내에 채널을 유지하며, 이는 문제점 4의 20%~40% EMF 변동에 대한 대비책입니다.

동일한 감지 체인 내의 고전압 강하 저항 및 분압 저항은 아래의 매개변수를 따릅니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 출력(HVR 시리즈)	50°C에서 70W	알루미늄 하우징, 자유 공기
저항 값	10kΩ ±5%	25°C 기준
작동 전압	10kV 교류/직류	끊임없는
펄스 내성	30kV, 10µs	10펄스, IEC 60110 등급
온도 계수(저항)	±50ppm/°C	−55°C ~ +155°C
절연 저항	1000V DC에서 1GΩ 이상	최소 연면거리 25mm
서지 전류 용량	100ms에서 1A	비유도성 권선

5. 펌프 감지용 HVC N4700 바이패스 커패시터

이 노드에서 부품을 선택하는 데에는 세 가지 요구 사항이 있습니다. 자체적인 드리프트를 추가하지 않는 바이패스 네트워크, 마이크로볼트 수준 신호에서 낮은 손실, 그리고 모든 채널에서 동일한 부품을 사용하는 것입니다. HVC는 동관에 있는 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 100kV에 이르는 전압 범위에 걸쳐 SrTiO3 기반의 N4700(T3M) Class I 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• 온도 계수는 ±30 ppm/°C이고, 정전 용량 변화는 -55°C에서 +125°C까지 0.35% 미만이므로, 바이패스 네트워크는 캐비닛 온도 범위 전체에 걸쳐 감지 대역폭을 일정하게 유지합니다.
• tan δ 값이 0.1% 이하이므로 40A에서 200mV 감지 신호에 대한 바이패스 손실이 무시할 수 있을 정도로 작습니다.
• 전압 범위는 1kV에서 100kV까지이며, 감지 증폭기 레일과 DC 링크의 분배기 네트워크 모두를 하나의 유전체 계열로 포함합니다.
• 정격 전압의 1.5배에서 5pC 미만의 부분 방전이 발생하여 수천 시간의 펄스 작동 동안 내부 침식으로 인한 정전 용량 변화를 방지합니다.
• ESL이 30 nH 미만인 경우 HVCT8G 방사형 리드 형태이며 리드리스 형태에서는 3nH만큼 낮은 임피던스를 가지므로 스위칭 고조파에서 바이패스 임피던스를 낮게 유지합니다.
• 최상위 브랜드 제품에 바로 적용 가능한 제품입니다. 40kV/441 스크류 타입 부품은 전기적 특성 및 패키지 크기와 일치합니다. Murata 석판 인쇄 광원의 현장 수리 프로그램에 사용되는 나사형 콘덴서.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 맞춤형 세트는 6~10주 내에 배송됩니다. HVC 애플리케이션 엔지니어링 팀은 EMF 분석, 열 배치 검토 및 재보정 일정 관리를 지원합니다. 고속회복 다이오드 동일한 드라이버 단계에 대한 선택.

현재 범위, 요소 값, 종단 기울기, 듀티 사이클 및 유지 보수 간격을 보내주십시오. HVC는 5영업일 이내에 제벡 계수 및 부분 방전 데이터가 포함된 부품 목록과 2개 샘플 평가 키트를 제공합니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 45µV의 열기전력은 전류 오차를 얼마나 발생시키나요?

오프셋 값을 소자 값으로 나누면 다음과 같습니다. 5mΩ 저항에 걸쳐 45µV의 전압이 걸리면 9mA가 흐르는데, 이는 40A 정격 전류의 0.0225%에 해당하고, 4A 대기 전류에서는 0.225%에 해당합니다. 따라서 동일한 회로가 최대 전력에서는 규격을 충족하지만 저전력에서는 규격을 충족하지 못하는 것입니다.

Q2: 어떤 제벡 계수를 지정해야 합니까?

구리 대비 3 µV/°C 미만의 특성을 보입니다. 15 °C의 종단 온도 기울기에서 5 mΩ 부하 시 45 µV 및 9 mA의 전류가 발생합니다. 43 µV/°C의 특성을 보이는 합금은 동일한 온도 기울기에서 645 µV 및 129 mA의 전류를 발생시켜, 이보다 14배 낮은 성능을 나타냅니다.

Q3: 종단 기울기는 어디에서 오는가?

전력단은 소자의 한쪽 끝을 가열하고 감지 증폭기는 다른 쪽 끝을 냉각합니다. 20°C의 온도 구배는 3µV/°C 합금에서 60µV의 전압 변화를 발생시킵니다. 대칭형 구리 평면과 두 개의 동일한 열 비아를 사용하면 전압 변화가 3°C 이하로 떨어져 9µV가 됩니다.

Q4: 전류가 낮을수록 감지 오차가 커지는 이유는 무엇입니까?

EMF 오프셋은 마이크로볼트 단위로 고정되어 있으며, 전류가 증가함에 따라 측정값이 감소합니다. 9mA의 오프셋은 40A의 0.0225%, 4A의 0.225%에 해당합니다. 대기 전류 상태와 최대 전류 상태 모두에서 채널을 교정하십시오.

Q5: N4700 바이패스 커패시터는 무엇을 변경합니까?

이 필터는 온도에 따른 위상 변화 없이 스위칭 노이즈를 필터링합니다. ±30 ppm/°C의 계수와 0.1% 미만의 tan δ 값은 감지 신호를 그대로 유지하는데, 이는 클래스 2 바이패스 필터가 온도에 따라 커패시턴스가 변하고 필터 코너가 이동하는 것과 대조적입니다.

Q6: 센싱 네트워크는 얼마나 자주 재보정이 필요합니까?

12개월마다 2단계 점검을 실시합니다. N4700 커패시터와 ±15 ppm/°C 소자는 10,000시간당 0.1% 미만의 드리프트를 보이는 반면, EMF 경로는 10,000회 열 사이클 후 20%에서 40%까지 변동될 수 있습니다.

7. 참조

1. E. 쿠펠, WS 쟁글, J. 쿠펠, 고전압 공학 기초, 제2판, 뉴네스, 2000.
2. N. 모한, TM 언델랜드, WP 로빈스, 전력 전자공학: 컨버터, 응용 분야 및 설계, 3판, Wiley, 2003.
3. MIL-HDBK-217F 공지 2, 전자 장비의 신뢰성 예측, 1995.
4. IEC 60384-1:2021, 전자 장비용 고정 콘덴서 - 1부: 일반 사양, 제6판. 제네바: IEC, 2021.
5. A. 마리스코티와 L. 바카로, 고전압 응용 분야용 로고스키 코일2008 IEEE 계측 및 측정 기술 컨퍼런스, pp. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197.
6. B. 왕, J. 멍, P. 자오, 가변속 드라이브용 알루미늄 전해 콘덴서의 노화 상태 모니터링, IEEE 전력 전자학 저널, 제37권, 제4호, 4564-4574쪽, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813.
7. 미래를 위한 에너지: 고전압 MLCC가 현대 전자 제품의 효율성을 높이는 방법무라타, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
8. GB/T 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1 부분 : 总规范 (전자 장비에 사용되는 고정 커패시터 – 파트 1: 일반 사양). 베이징: 國家市场监督管理总局, 2024.
9. 응축기 세라믹 활용도 3kV (C0G/NP0 vs X7R/Y5S 안정성 논의), Retrotechnique 포럼, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. HVC 애플리케이션 엔지니어링 팀, 고전압 세라믹 커패시터 기술 자료, https://www.hv-caps.com