KR101715792B1

KR101715792B1 - 적층 자기코어를 이용한 전류센서

Info

Publication number: KR101715792B1
Application number: KR1020150057001A
Authority: KR
Inventors: 신정원
Original assignee: (주)한국센서; 신정원
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2017-03-22
Also published as: KR20160051531A

Abstract

적층 자기코어를 이용한 전류센서가 개시(disclosure)된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 적층 자기코어를 이용한 전류센서는 양단 사이에 에어갭을 가지며 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어 및 상기 에어갭에 배치되는 홀 센서를 포함한다. 상기 자기코어는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함한다. 상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정한다. 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가진다.

Description

적층 자기코어를 이용한 전류센서{current sensor using multilayered magnetic core}

본 명세서는 대체로 적층 자기코어를 이용한 전류센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 홀 효과(Hall effect)를 이용한 전류센서에 관한 것이다.

전류센서는 피측정 도전체에 흐르는 전류를 측정하는 전기부품이다. 최근 전류 센서는 산업 설비 분야, 전력 시설 설비 분야, 차재용 전류센서 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있다.

전류센서가 적용되는 산업 설비 분야로는 용접기, 전원공급장치, 무정전전원장치(UPS), 공작기계, 로봇, 전철 등을 들 수 있다. 전력 시설 설비 분야에서는 에너지 생산 설비에서 생산되는 전력을 관리할 수 있는 전력량계 등의 형태로 전류센서가 적용될 수 있다. 최근 차량에는 차량용 네비게이션 시스템과 같은 다양한 전기부품들의 장착이 증가하고 있는 추세이다. 차량에 부착되는 다양한 전기부품들은 차량 배터리에서의 전력소모를 증가시킨다. 차량 배터리의 충전을 적절히 제어하여 차량에 탑재되는 전기부품들에 안정적으로 전력을 공급하기 위해서는 전류센서를 통한 배터리 전류의 정확한 검출이 필요하다.

전류센서는 전류측정 방법에 따라 크게 전자유도형과 전류자기효과형으로 나눌 수 있다. 전자유도형은 전자계의 유도 현상을 이용한 것으로 교류 전류 측정에는 유리하나, 비정형파형 및 직류 전류 파형의 측정에는 별도의 주변 회로를 포함하지 않고는 측정에 어려움이 많은 단점이 있다. 또한, 전자유도형은 주파수 대비 출력 신호의 비선형성(non-linearity)이라는 문제점과 과전류 시에 파괴현상이 나타난다는 문제점이 있다. 이에 반하여, 홀 효과(Hall effect)를 이용한 전류자기효과형 전류 센서는 과전류가 인가되었을시 비파괴 특성을 보이며, 직류 전류 파형이나 비정형 교류 전류 파형의 모든 범위 측정이 가능하다. 또한, 제품의 소형 경량화가 가능하고 균일한 온도특성을 유지하며, 측정 전류 전원과 절연되어 매우 안정되고, 우수한 선형성을 보이는 장점을 갖는다.

전류자기효과형 전류센서는 피측정 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지며, 에어갭을 사이에 두고 서로 마주보는 자기코어 및 에어갭에 배치되는 홀 센서로 구성된다. 피측정 도전체에 흐르는 전류에 의하여 자성체 소재의 자기코어에 생성되는 자기장은 에어갭을 통하여 홀 센서에 제공되며, 홀 센서는 이 자기장으로부터 피측정 도전체에 흐르는 전류를 측정하게 된다. 이러한 전류자기효과형 전류센서의 성능은 자기코어의 소재로 사용되는 자성체의 성능에 영향을 받는다.

전류자기효과형 전류센서에서 자성체 재료의 이상적인 요구조건으로는 높은 투자율, 높은 포화 자속밀도, 낮은 보자력과 온도 변화특성 등을 들 수 있다. 일반적으로 투자율이 높은 자성체 재료는 자속밀도의 포화특성과 온도특성이 나쁘게 나타나는 경향이 있다. 반면에, 투자율이 낮은 자성체 재료는 자속밀도의 포화특성과 온도특성이 양호한 반면, 보자력과 철손 등의 영향으로 고주파수에서 발열하는 불리한 특성을 나타내는 경향이 있다. 따라서 전류측정 환경에 맞추어 적절한 자성체 재료의 선정이 필요하다. 기존에 사용하는 전류센서의 자성체 소재로는 주로 실리콘 스틸(silicon steel)과 퍼멀로이(permalloy) 소재가 많이 사용되고 있다. 실리콘 스틸은 규소강(Si-Fe)이라고도 불리며, 실리콘 스틸의 경우 저전류대의 감도는 떨어지지만, 높은 자속밀도 포화 특성을 나타내고, 퍼멀로이는 저전류대의 감도는 좋으나 자속밀도의 포화도가 낮은 특성을 나타낸다. 이에 저전류대를 측정하는 전류센서에는 자성체로서 퍼멀로이가 많이 활용되며, 고전류대를 측정하는 전류센서에는 자성체로서 실리콘 스틸이 많이 활용되고 있다. 저전류와 고전류대에서 좋은 감도를 가지는 전류센서를 구현하기 위하여 종래에는 퍼멀로이를 이용한 전류센서와 실리콘 스틸을 이용한 전류센서를 각각 제작한 후 이를 함께 사용하여 왔다. 이러한 종래기술로는 한국등록특허 10-1131997 ‘전류 센서 및 그 전류 센서용 홀 센서’ 등이 있다.

본 명세서에서 개시하는 전류센서는 저전류대에서 높은 감도를 가지며, 동시에 높은 자속밀도 포화도 특성을 가지는 자성체를 구현하기 위하여 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층시킨 자성체를 개시하고 있다. 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층하여 형성되는 자기코어는 저전류대에서 큰 투자율을 가지며, 고전류대에서는 높은 자속밀도 포화 특성을 갖는다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서는 저전류대에서 높은 감도를 제공하며, 고전류대에서 높은 포화점을 제공할 수 있다. 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층한 자기코어와 자기코어가 생성하는 자속밀도로부터 홀 전압을 측정하여 피측정 도전체에 흐르는 전류를 측정한다는 점에서 본 명세서에서 개시하는 전류센서는 종래의 전류센서와 차이가 있다.

적층 자기코어를 이용한 전류센서가 개시(disclosure)된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 전류센서는 양단 사이에 에어갭을 가지며 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어 및 상기 에어갭에 배치되는 홀 센서를 포함한다. 상기 자기코어는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함한다. 상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정한다. 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가진다.

전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 자기코어와 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서에 사용되는 자기코어를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 홀 효과를 이용한 종래의 전류센서 및 종래의 전류센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서 및 이의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서의 자기코어의 B-H 곡선 및 피측정 전류 대비 홀 전압 곡선을 보여주는 도면이다.

이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.

일 구성요소가 다른 구성요소 "에 배치" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 배치되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.

일 구성요소가 다른 구성요소 "에 적층" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 적층되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석 될 수 없다.

도 1의 (a)는 종래의 자기코어를 보여주는 도면이며, (b)는 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서에 사용되는 자기코어를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 자기코어(110, magnetic core)는 양단 사이에 에어갭(112)을 가지며, 측정하고자 하는 전류(i)가 흐르는 도전체(20, 도 2 참조)가 통과할 수 있는 개구부(114)를 가진다. 종래의 기술에 따른 전류센서에 사용되는 자기코어(10)는 하나의 소재로 된 자성체(magnetic substance)로 구성된다. 와전류(eddy current)에 따른 전력손실을 줄이기 위하여 자기코어(10)는 적층구조를 가질 수 있으나, 이 경우에도 자성체의 소재는 동일하다.

이에 반하여, 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서에 사용되는 자기코어(110)는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함한다. 도면에는 자기코어(110)로서 2개의 서로 다른 자성체(10a)와 자성체(10b)가 각각 1개씩 나란히 적층되어 형성된 경우가 예로서 표현되어 있다. 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자기코어(110)는 3개 이상의 서로 다른 자성체가 나란히 적층되어 형성될 수도 있다. 또 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자기코어(110)는 2개의 서로 다른 자성체(10a)와 자성체(10b)가 여러 번 위치를 번갈아 가며 나란히 적층되어 형성될 수도 있다. 또 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자기코어(110)를 형성하는 자성체(10a)의 양단 사이에 형성되는 개구부는 자성체(10b)의 양단 사이에 형성되는 개구부와 서로 다른 간격을 가질 수도 있다.

또한, 도면에는 측정하고자 하는 전류(i)의 진행향을 따라 서로 나란히 적층된 서로 다른 자성체로 구성된 자기코어(110)가 예로서 표현되어 있다. 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자성체는 전류(i)가 흐르는 방향에 수직한 방향으로 적층될 수도 있다. 다시 말하면, 어느 한 자성체의 내면에 다른 한 자성체를 적층함으로써 서로 적층된 복수의 자성체들을 가지는 자기코어를 형성할 수도 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 서로 다른 자성체들을 적층하는 한 자기코어(110)의 구조에는 제한이 없다. 이하 설명의 편의상 자기코어(110)로서 도 1의 (b)에 도시된 자기코어를 활용하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서에 대하여 설명하기로 한다. 이러한 설명이 본 명세서에서 개시하는 전류센서를 후술하는 내용으로 한정할 의도가 아님을 분명히 밝혀둔다.

한편, 서로 다른 자성체(10a)와 자성체(10b)가 적층되는 과정에서 적층되는 자성체(10a)와 자성체(10b)의 두께 비율은 변경이 가능하다. 이는 3개 이상의 서로 다른 자성체가 적층되는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 두께 비율의 조정을 통하여 전류센서의 감도와 포화(saturation) 특성을 조절할 수 있다. 또한, 두께 비율의 조정을 통하여 전류센서에 인가되는 자속밀도의 투자율, 포화 자속밀도의 평균값을 조절할 수 있다.

자성체(10, 10a, 10b)의 소재로는 다양한 소재가 사용될 수 있다. 전류센서에 적용되는 자성체(10, 10a, 10b)의 소재로는 투자율(permeability)이 크고, 보자력(coercive force)이 적은 연질자성재료(soft magnetic material)가 바람직할 수 있다. 연질자성재료는 예로서 규소강(Si-Fe), 퍼멀로이강(Ni-Fe), 페라이트(Mn-Zn), Co 기반의 아몰퍼스(Amorphous) 합금 또는 Fe 기반의 아몰퍼스 합금 등일 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가질 수 있다. 일례로, 상기 제2자성체는 상기 제1자성체에 비하여 큰 투자율을 가지고, 상기 제1자성체는 상기 제2자성체에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1자성체로는 규소강이 사용되고, 상기 제2자성체로는 퍼멀로이강이 사용될 수 있다. 일반적으로 규소강은 퍼멀로이강에 비하여 저전류대의 낮은 투자율을 가지나, 퍼멀로이강에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가진다. 본 명세서에서 개시하는 전류센서의 자기코어(110)는 서로 적층된 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체를 포함한다. 또한, 상기 제2자성체는 상기 제1자성체에 비하여 큰 투자율을 가지며, 상기 제1자성체는 상기 제2자성체에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가진다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서는 상기 제1자성체만으로 구성된 자기코어를 가지는 종래의 전류센서가 제공하는 감도에 비하여 저전류대에서 상대적으로 큰 감도를 제공할 수 있다. 이와 동시에, 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서는 상기 제2자성체만으로 구성된 자기코어를 가지는 종래의 전류센서에 비하여 고전류대에서 높은 포화점을 제공할 수 있다.

도 2는 홀 효과를 이용한 종래의 전류센서를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 종래의 전류센서(1)는 자기코어(10) 및 홀 센서(120)를 포함한다. 홀 센서(120)는 자기코어(10)의 양단 사이에 형성되는 에어갭(12)에 배치된다. 자기코어(10)의 개구부(14)로는 측정하고자 하는 전류(i)가 흐르는 도전체(20)가 통과한다. 도전체(20)로 흐르는 전류는 주변에 자기장을 형성하며, 상기 자기장은 자기코어(10) 내부에 자속밀도(B, magnetic flux density)를 생성한다. 생성된 자속밀도(B)는 에어갭(12)에 배치된 홀 센서(120)에 전달되며, 홀 센서(120)는 수신된 자속밀도(B)와 홀 센서에 흐르는 제어전류(I)로부터 생성되는 홀 전압(VH)을 측정하여 전류(i)의 크기를 감지한다. 종래의 전류센서의 구체적인 동작은 후술하는 도 3과 관련한 상세한 설명에서 설명하기로 한다.

도 3은 종래의 전류센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 홀 현상(Hall effect)에 의한 홀 전압의 발생을 설명하기 위한 도면이다. 홀 센서(120)에 제어전류(I)가 흐르는 과정에서 제어전류(I)가 흐르는 경로에 자속밀도(B)가 인가되면 전류 전달자(carrier)는 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의하여 힘을 받게 된다. 로렌츠 힘은 전류 전달자의 전하(q), 전류 전달자의 속도(v)와 전류 전달자에 가해지는 자속밀도(B)에 의하여 표현될 수 있다. 이하 전류 전달자로서 전자를 위주로 설명하기로 한다.

도면에는 설명의 편의상 자속밀도(B)에 수직한 방향으로 흐르는 제어전류(I)가 예로서 표현되어 있다. 제어전류(I)가 자속밀도(B)에 수직한 방향이 아닌 소정의 각도를 이루고 흘러가는 경우는 상기한 로렌츠 힘에 대한 수식을 활용하여 로렌츠 힘을 계산할 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 전자는 로렌츠 힘에 의하여 이동하게 되어 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 양단에는 전기장(E)이 형성되며, 이후 전기장에 의해 전자가 받는 전기력과 로렌츠 힘이 아래의 수식과 같이 평형이 된다.

즉, 전자의 로렌츠 힘에 의한 이동과 전자의 이동에 따라 형성되는 전기장에 의하여 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 양단에는 홀 전압(VH)이 발생한다. 전기장은 홀 전압에 대응되며, 전자의 전하(q)와 이동속도(v)는 제어전류(I)에 대응이 된다. 따라서 홀 전압(VH)은 아래의 수식에서 보는 바와 같이, 제어전류(I) 및 자속밀도(B)에 비례하며, 도선(120a)의 두께(t)에는 반비례하는 특성을 보인다.

그리고 자속밀도(B)는 아래의 수식에서 보는 바와 같이, 도전체(20)에 흐르는 전류(i)와 자성체(10)의 투자율에 비례하는 특성을 보인다.

여기서, μr은 상대투자율임

따라서, 홀 전압(VH)은 아래의 수식에서 보는 바와 같이, 홀 센서(120)에 흐르는 제어전류(I), 자기코어를 구성하는 자성체(10)의 투자율 및 도전체(20)에 흐르는 전류(i)에 비례하며, 홀 센서(120) 내부에서 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 두께(t)에는 반비례하는 특성을 보인다.

한편, 정전류 구동의 경우에 홀 전압(VH)은 제어전류(I)와 자속밀도(B)의 곱에 비례하므로 홀 센서(120)의 자계 감도로는 보통 적감도(product sensitivity, 積感度)가 사용된다. 적감도에 따른 홀 센서(120)의 자계감도(SI)는 아래의 식으로 정의된다.

여기서, S의 단위는 (mV/mA·kG)임

정전압 구동의 경우에 홀 전압(VH)은 제어전압(V)과 자속밀도(B)의 곱에 비례하므로 홀 센서(120)의 자계감도(SV)는 아래의 식으로 정의된다.

여기서, S의 단위는 ((mV/mA·kG)임

이하 설명의 편의상 정전류 구동의 경우를 위주로 설명하기로 한다. 하기의 설명은 정전압 구동의 경우에도 적용될 수 있음은 자명하다 할 것이다.

홀 전압(VH)은 제어전류(I)와 자속밀도(B)의 곱에 비례하며, 자속밀도(B)는 자성체(10)의 투자율에 비례하므로 홀 센서(120)의 자계 감도는 자기코어의 소재로 사용되는 자성체의 재료 물성치에 영향을 받게 된다.

자기코어를 구성하는 자성체(10)로서 규소강 및 퍼멀로이강을 사용하는 경우 홀 전압(VH)의 특성을 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 규소강은 퍼멀로이강에 비하여 낮은 투자율을 가지나, 퍼멀로이강에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가진다. 도 6의 (a)는 일반적인 자성체의 B-H 곡선을 보여주는 도면이다. 도 6의 (a)의 자성체 1(magnetic substance 1)은 규소강에 대응되며, 자성체 2(magnetic substance 2)는 퍼멀로이강에 대응될 수 있다. 또한, 도 6의 (a)에서 H는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)에 대응될 수 있다. 이는 전자기학 전반에 적용되는 맥스웰 방정식(Maxwell equation)으로부터 쉽게 이해될 수 있다.

제어전류(I), 도전체(20)에 흐르는 전류(i) 및 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 두께(t)가 일정할 경우에 홀 전압(VH)은 자성체의 투자율에 비례하게 된다. 즉, 동일한 조건에서 자성체의 투자율이 클수록 큰 홀 전압(VH)을 얻을 수 있다. 따라서 주변 잡음으로부터 전류(i)를 효과적으로 측정할 필요가 있는 저전류대에서는 자기코어 소재로서 높은 투자율을 가지는 자성체 소재를 활용할 필요가 있다.

한편, 일반적으로 투자율이 높은 자성체의 경우에 도 6의 (a)에 표현한 바와 같이, 낮은 자속밀도(B)에서 포화특성을 보인다. 투자율은 B-H 곡선에서 기울기로 정의될 수 있으며, 자성체 2가 자성체 1 보다 큰 투자율을 가진다. 또한, 일반적으로 투자율이 낮은 자성체의 경우에 도 6의 (a)에 표현한 바와 같이, 큰 자속밀도(B)에서 포화특성을 보인다.

낮은 자속밀도(B)에서 포화특성을 보이는 자성체를 자기코어로 사용한 전류센서는 도 6의 (b)에 표현한 바와 같이 낮은 홀 전압(VH)에서 포화 특성을 가진다. 이에 반하여, 큰 자속밀도(B)에서 포화특성을 보이는 자성체를 자기코어로 사용한 전류센서는 도 6의 (b)에 표현한 바와 같이 큰 홀 전압(VH)에서 포화 특성을 가진다. 즉, 자기코어로 사용한 자성체의 B-H 곡선과 이 자성체를 사용하는 전류센서의 i-VH 곡선은 서로 대응된다. 이에 대해서는 본 명세서에서 개시하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 소위 당업자는 앞서 상술한 수식을 통하여 충분히 예측할 수 있으리라 생각된다.

정리하면, 자기코어의 소재로서 동일한 자성체를 사용한 전류센서는 저전류대에서의 감도는 좋으나 포화 특성은 나쁜 특성을 지니거나, 저전류대에서의 감도는 나쁘나 포화특성은 좋은 성향을 보인다. 즉, 동일한 종류의 자성체를 소재로 한 자기코어를 통한 전류센서로는 저전류대에서의 좋은 감도와 상대적으로 큰 전류가 흐르는 고전류대에서의 포화특성이 좋은 전류센서를 구현하기 어려운 문제점이 있다. 본 명세서에서는 저전류대에서 좋은 감도 특성을 제공하며, 동시에 상대적으로 큰 전류가 흐르는 고전류대에서의 포화특성이 좋은 전류센서를 제안하고 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 도 4 및 도 5와 관련한 상세한 설명에서 기술하기로 한다.

도 4 및 도 5는 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서 및 이의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 홀 효과를 이용한 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 서로 다른 자성체(10a, 10b)가 적층되어 형성되는 자기코어(110)에 의한 홀 전압의 발생을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하여, 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

홀 센서(120)에 제어전류(I)가 흐르는 과정에서 제어전류(I)가 흐르는 경로에 자속밀도(B)가 인가되면 전류 전달자(carrier)는 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의하여 힘을 받게 된다. 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 종래의 전류센서와 달리 제어전류(I)가 흐르는 경로에 자성체(10a) 및 자성체(10b)에 의하여 생성되는 자속밀도(B1)과 자속밀도(B2)가 인가된다. 도면에는 설명의 편의상 자속밀도(B1)과 자속밀도(B2)에 수직한 방향으로 흐르는 제어전류(I)가 예로서 표현되어 있다. 제어전류(I)가 자속밀도(B1)과 자속밀도(B2)에 수직한 방향이 아닌 소정의 각도를 이루고 흘러가는 경우는 상기한 로렌츠 힘에 대한 수식을 활용하여 로렌츠 힘을 계산할 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 전류 전달자로서 전자는 로렌츠 힘에 의하여 이동하게 되어 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 양단에는 전기장이 형성되며, 이후 전기장에 의해 전자가 받는 전기력과 로렌츠 힘이 서로 평형이 된다. 즉, 전자가 로렌츠 힘에 의하여 이동하게 되어 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 양단에는 홀 전압(VH)이 발생한다. 이는 앞서 도 3과 관련하여 상술한 바 있다. 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 서로 다른 자성체(10a) 및 자성체(10b)에 의해 각각 생성되는 자속밀도(B1)와 자속밀도(B2)를 제어전류(I)가 흐르는 경로에 인가한다. 따라서, 자속밀도(B1)의 영역을 이동하는 전자는 로렌츠 힘으로서 Fm1의 힘을 경험하게 되며, 자속밀도(B2)의 영역을 이동하는 전자는 로렌츠 힘으로서 Fm2의 힘을 경험하게 된다. 자속밀도(B1)의 영역과 자속밀도(B2)의 영역이 물리적으로 분리되어 있다고 가정할 경우에 Fm1의 힘을 경험하는 영역에서 생성되는 홀 전압과 Fm2의 힘을 경험하는 영역에서 생성되는 홀 전압은 서로 다른 값을 가지게 된다.

자성체(10a)의 포화 자속밀도는 자성체(10b)의 포화 자속밀도에 비하여 크나, 자성체(10a)의 투자율은 자성체(10b)의 투자율보다 작도록 자성체(10a) 및 자성체(10b)를 선정할 수 있다. 자성체(10a)로는 예로서 규소강(Si-Fe)이 사용될 수 있고, 자성체(10b)로는 퍼멀로이강(Ni-Fe)이 사용될 수 있다. 이 경우, 도 3과 관련하여 상술한 바와 같이, Fm1의 힘을 경험하는 영역에서 생성되는 홀 전압의 저전류대에서의 감도 특성은 Fm2의 힘을 경험하는 영역에서 생성되는 홀 전압의 저전류대에서의 감도 특성보다 나쁜 특성을 보이게 된다. 반면에 Fm1의 힘을 경험하는 영역에서 생성되는 홀 전압의 고전류대에서의 포화 특성은 Fm2의 힘을 경험하는 영역에서 생성되는 홀 전압의 고전류대에서의 포화 특성보다 좋은 특성을 보이게 된다.

본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 자속밀도(B1)의 영역과 자속밀도(B2)의 영역에 걸쳐서 배치되는 홀 센서(120)를 포함한다. 다시 말하면, 홀 센서(120)에 흐르는 제어전류(I)의 전류 전달자인 전자는 도선(120a)을 통하여 이동하는 과정에서 자속밀도(B1)와 자속밀도(B2)를 동시에 경험하게 된다. 전자의 이동속도는 동일하므로 자속밀도(B1)에 의하여 도선(120a) 양단에 생성되는 홀 전압-이하 제1홀 전압이라 함-과 자속밀도(B2)에 의하여 도선(120a) 양단에 생성되는 홀 전압-이하 제2홀 전압이라 함-은 서로 다른 값을 가지게 된다. 이들 서로 다른 홀 전압은 전기전도체인 도선(120a)의 양단에 생성되며, 이들 서로 다른 홀 전압의 음극과 양극은 각각 서로 전기적으로 연결된다. 즉, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)에서 측정되는 홀 전압은 서로 전기적으로 병렬 연결된 상기 제1홀 전압 및 상기 제2홀 전압으로부터 측정되는 전압으로 해석할 수 있다. 서로 다른 크기를 가지는 전압을 제공하는 전원을 서로 병렬 연결할 경우에 외부에서 측정되는 전압은 병렬 연결된 전압 중에서 큰 전압이다. 따라서 도 6의 (b)에 점선으로 예로서 도시한 바와 같이, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)에서 측정되는 홀 전압은 저전류대에서는 저전류대에서의 감도 특성이 좋은 상기 제2홀 전압이 주된 역할을 하며, 고전류대에서는 고전류대에서의 포화 특성이 좋은 상기 제1홀 전압이 주된 역할을 하게 된다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 동일한 소재의 자성체(예로서, 자성체(10a))만으로 구성된 자기코어를 가지는 종래의 전류센서가 제공하는 감도에 비하여 저전류대에서 상대적으로 큰 감도를 제공할 수 있다. 이와 동시에, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 동일한 소재의 자성체(예로서, 자성체(10b)) 만으로 구성된 자기코어를 가지는 종래의 전류센서에 비하여 고전류대에서 높은 포화점을 제공할 수 있다.

한편, 상기 제1홀 전압과 상기 제2홀 전압이 서로 전기적으로 병렬 연결되면 상대적으로 높은 전위를 가지는 영역에서 상대적으로 낮은 전위를 가지는 영역으로 전하가 이동할 수 있다. 전하의 이동을 통하여 상대적으로 높은 전위를 가지는 영역의 전위는 낮아지며, 상대적으로 낮은 전위를 가지는 영역은 전위가 높아져 전위의 평형을 이루게 된다. 즉, 전류센서(100)에서 측정되는 홀 전압은 상대적으로 높은 전위를 가지는 전위와 상대적으로 낮은 전위를 가지는 전위 사이에 존재하는 어느 값이 될 수 있다. 전류센서(100)에서 측정되는 홀 전압은 전체 자기코어(110)에서 자속밀도(B1)이 차지하는 영역 및 자속밀도(B2)가 차지하는 영역의 비율을 조절함으로써 조절될 수 있다. 다시 말하면, 자기코어(110)를 구성하는 자성체(10a) 및 자성체(10b)의 두께 비율의 조정을 통하여 전류센서(100)에서 측정되는 홀 전압을 조절할 수 있다. 제어전류(I), 도전체(20)에 흐르는 전류(i) 및 제어전류(I)가 흐르는 도선(120a)의 두께(t)가 일정할 경우에 홀 전압(VH)은 자성체의 투자율에 비례하게 된다는 점은 앞서 언급한 바 있다. 따라서 자기코어(110)를 구성하는 자성체(10a) 및 자성체(10b)의 두께 비율의 조정은 전류센서(100)에 인가되는 자속밀도의 투자율, 포화 자속밀도의 조절을 의미할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 동일한 소재의 자성체(예로서, 자성체(10a))만으로 구성된 자기코어를 가지는 종래의 전류센서가 제공하는 감도에 비하여 저전류대에서 상대적으로 큰 감도를 제공할 수 있다. 이와 동시에, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 동일한 소재의 자성체(예로서, 자성체(10b)) 만으로 구성된 자기코어를 가지는 종래의 전류센서에 비하여 고전류대에서 높은 포화점을 제공할 수 있다.

이하 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서(100)의 기능 및 동작을 설명하기로 한다.

도 4를 참조하면, 적층 자기코어를 이용한 전류센서(100)는 자기코어(110) 및 홀 센서(120)를 포함한다.

자기코어(110)는 양단 사이에 에어갭(112)을 가지며, 측정하고자 하는 전류(i)가 흐르는 도전체(20)가 통과할 수 있는 개구부(114)를 가진다. 자기코어(110)는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함한다. 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가진다. 일례로, 상기 제1자성체는 Si-Fe 계열의 재질로 형성되며, 상기 제2자성체는 Ni-Fe 계열의 재질로 형성될 수 있다.

홀 센서(120)는 에어갭(112)에 배치된다. 홀 센서(120)는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 전류(i)를 측정한다.

도면에는 자기코어(110)로서 2개의 서로 다른 자성체(10a)와 자성체(10b)가 각각 1개씩 적층되어 형성된 경우가 예로서 표현되어 있다. 이하 설명의 편의상 자성체(10a)를 상기 제1자성체에 대응시키고, 자성체(10b)를 상기 제2자성체에 대응시켜 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서(100)의 기능 및 특징을 설명하기로 한다. 전류센서(100)의 기능 및 특징은 전류센서(100)의 홀 전압(VH) 관점과 자기코어(110)의 투자율 특성 관점으로 나누어서 설명하기로 한다.

먼저, 전류센서(100)의 홀 전압(VH) 관점에서 전류센서(100)의 특징을 설명하기로 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 서로 다른 특성을 가지는 자성체(10a)와 자성체(10b)를 적층하여 형성된 자기코어(110) 및 홀 센서(120)를 포함한다.

일 실시 예에 있어서, 제2자성체(10b)는 제1자성체(10a)에 비하여 큰 투자율을 가지고, 제1자성체(10a)는 제2자성체(10b)에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가질 수 있다. 홀 센서(120)는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)로부터 제1자성체(10a)가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-와 제2자성체(10b)가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도 및 상기 제2자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 전류(i)를 측정한다. 이 경우, 홀 센서(120)의 홀 전압(VH)의 감도(sensitivity)는 자기코어(110)가 제공하는 상기 자속밀도에 영향을 받는다. 상기 자속밀도는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)에 의하여 자기코어(110)에 의하여 생성되어 홀 센서(120)에 제공된다. 상기 자속밀도는 자기코어(110)의 투자율에 영향을 받는다. 자기코어(110)는 서로 적층된 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)를 포함하며, 제2자성체(10b)는 제1자성체(10a)에 비하여 큰 투자율을 가지므로, 홀 센서(120)의 상기 홀 전압(VH)의 감도는 제1자성체(10a)만으로 구성된 자기코어가 제공하는 감도에 비하여 저전류대에서 상대적으로 큰 감도를 가진다. 이는 도 5와 관련하여 앞서 상술한 내용으로부터 유추 가능하므로 이에 대한 자세한 설명은 설명의 편의상 생략하기로 한다.

홀 센서(120)의 포화(saturation) 홀 전압은 자기코어(110)가 제공하는 상기 자속밀도의 포화 자속밀도에 영향을 받는다. 자기코어(110)는 서로 적층된 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)를 포함하며, 제1자성체(10a)는 제2자성체(10b)에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가지므로, 홀 센서(120)의 상기 포화 홀 전압은 제2자성체(10b)만으로 구성된 자기코어가 제공하는 포화 홀 전압에 비하여 상대적으로 큰 전압 영역에서 발생한다. 이는 도 5와 관련하여 앞서 상술한 내용으로부터 유추 가능하므로 이에 대한 자세한 설명은 설명의 편의상 생략하기로 한다.

한편, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 자기코어(110)에서 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)가 차지하는 비율을 조절함으로써 홀 센서(120)의 상기 홀 전압(VH)의 감도 및 상기 포화 홀 전압을 조절할 수도 있다. 다시 말하면, 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)는 예로서 도전체(20)에 흐르는 측정하고자 하는 전류(i)의 진행방향을 기준으로 서로 다른 높이를 가지면서 서로 나란히 적층될 수 있다. 이 경우, 자기코어(110)에서 제1자성체(10a)의 높이에 대한 제2자성체(10b)의 높이가 차지하는 비율 또는 제2자성체(10b)의 상기 높이에 대한 제1자성체(10a)의 상기 높이의 비율을 조절함으로써 홀 센서(120)의 상기 홀 전압(VH)의 감도 및 상기 포화 홀 전압을 조절할 수 있다. 물론, 추가적인 자성체를 적층하고 이들이 전체 자기코어(110)에서 차지하는 비율을 조절함으로써 홀 센서(120)의 상기 홀 전압(VH)의 감도 및 상기 포화 홀 전압을 조절할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다.

다른 실시 예에 있어서, 도면에 도시된 바와 달리, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b) 이외에 추가적인 자성체가 더 적층될 수 있다. 다시 말하면, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 앞서 상술한 바와 같이 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함한다. 이 경우, 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가진다.

제1자성체(10a)는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 포화 자속밀도를 가지며, 제2자성체(10b)는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 투자율을 가질 수 있다. 홀 센서(120)는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)로부터 제1자성체(10a)가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-, 제2자성체(10b)가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-와 상기 복수의 자성체들 중에서 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)를 제외한 나머지 자성체들(미도시)-이하 제3자성체라 함-이 생성하는 자속밀도-이하 제3자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도, 상기 제2자속밀도 및 상기 제3자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 전류(i)를 측정한다. 이 경우, 홀 센서(120)의 홀 전압(VH)의 감도(sensitivity)는 자기코어(110)가 제공하는 상기 자속밀도에 영향을 받는다. 상기 자속밀도는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)에 의하여 자기코어(110)에 의하여 생성되어 홀 센서(120)에 제공된다. 상기 자속밀도는 자기코어(110)의 투자율에 영향을 받는다. 홀 센서(120)의 포화(saturation) 홀 전압은 자기코어(110)가 제공하는 상기 자속밀도의 포화 자속밀도에 영향을 받는다. 따라서, 자기코어(110)에서 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)가 차지하는 비율을 조절함으로써 홀 센서(120)의 상기 홀 전압의 감도 및 상기 포화 홀 전압을 조절할 수 있다.

다음으로, 자기코어(110)의 투자율 특성 관점에서 전류센서(100)의 특징을 설명하기로 한다.

일 실시 예에 있어서, 제2자성체(10b)는 제1자성체(10a)에 비하여 큰 투자율을 가지고, 제1자성체(10a)는 제2자성체(10b)에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가질 수 있다. 홀 센서(120)는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)로부터 제1자성체(10a)가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-와 제2자성체(10b)가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도 및 상기 제2자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 전류(i)를 측정한다. 다시 말하면, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 상기 제1자속밀도 및 상기 제2자속밀도를 동시에 수신하는 홀 센서(120)를 사용하여 홀 효과를 통하여 도전체(20)에 흐르는 전류(i)를 측정한다. 이 경우, 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)가 적층되어 형성되는 자기코어(110)는 전체적으로 또는 평균적으로 제1자성체(10a)만으로 구성된 자기코어에 비하여 상대적으로 큰 투자율을 가질 수 있다. 또한, 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)가 적층되어 형성되는 자기코어(110)는 제2자성체(10b)만으로 구성된 자기코어에 비하여 상대적으로 큰 포화 자속밀도를 가질 수 있다. 이는 서로 적층되어 자기코어(110)을 형성하는 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b) 중에서 제2자성체(10b)는 제1자성체(10a)에 비하여 큰 투자율을 가지고, 제1자성체(10a)는 제2자성체(10b)에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가진다는 점에 기인한다.

한편, 본 명세서에서 개시하는 전류센서(100)는 자기코어(110)에서 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)가 차지하는 비율을 조절함으로써 자기코어(110)의 투자율 및 포화 자속밀도를 조절할 수 있다. 다시 말하면, 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)는 예로서 도전체(20)에 흐르는 측정하고자 하는 전류(i)의 진행방향을 기준으로 서로 다른 높이를 가지면서 서로 나란히 적층될 수 있다. 이 경우, 자기코어(110)에서 제1자성체(10a)의 높이에 대한 제2자성체(10b)의 높이가 차지하는 비율 또는 제2자성체(10b)의 상기 높이에 대한 제1자성체(10a)의 상기 높이의 비율을 조절함으로써 자기코어(110)의 상기 투자율 및 상기 포화 자속밀도를 조절할 수 있다. 물론, 추가적인 자성체를 적층하고 이들이 전체 자기코어(110)에서 차지하는 비율을 조절함으로써 자기코어(110)의 상기 투자율 및 상기 포화 자속밀도를 조절할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 다음과 같다.

제1자성체(10a)는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 포화 자속밀도를 가지며, 제2자성체(10b)는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 투자율을 가질 수 있다. 홀 센서(120)는 도전체(20)에 흐르는 전류(i)로부터 제1자성체(10a)가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-, 제2자성체(10b)가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-와 상기 복수의 자성체들 중에서 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)를 제외한 나머지 자성체들(미도시)-이하 제3자성체라 함-이 생성하는 자속밀도-이하 제3자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도, 상기 제2자속밀도 및 상기 제3자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 전류(i)를 측정한다. 이 경우, 제1자성체(10a)는 가장 큰 포화 자속밀도를 가지고, 제2자성체(10b)는 가장 큰 투자율을 가지므로, 자기코어(110)에서 제1자성체(10a) 및 제2자성체(10b)가 차지하는 비율을 조절함으로써 자기코어(110)의 투자율 및 포화 자속밀도를 조절할 수 있다.

도면 및 상술한 내용을 참조하면, 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서(100)는 저전류대에서 높은 감도를 가지며, 동시에 높은 자속밀도 포화도 특성을 가지는 자성체를 구현하기 위하여 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층시킨 자기코어를 포함하고 있다. 서로 다른 특성을 가지는 자성체를 적층하여 형성되는 자기코어는 저전류대에서 큰 투자율을 가지며, 고전류대에서는 높은 자속밀도 포화 특성을 갖는다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서는 하나의 동일 소재의 자성체를 사용하는 기존의 전류센서가 제공하지 못하는 저전류대에서의 높은 감도 및 고전류대에서 높은 포화점을 동시에 제공할 수 있다.

상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.

1 : 종래의 전류센서
10 : 종래의 자기코어
10a : 자성체
10b : 자성체
12: 에어갭
14 : 개구부
100 : 적층 자기코어를 이용한 전류센서
110 : 자기코어
112 : 에어갭
114 : 개구부
120 : 홀 센서
120a : 도선

Claims

양단 사이에 에어갭을 가지며, 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어; 및
상기 에어갭에 배치되는 홀 센서를 포함하되,
상기 자기코어는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함하며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 동시에 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가지며,
상기 제2자성체는 상기 제1자성체에 비하여 큰 투자율을 가지고, 상기 제1자성체는 상기 제2자성체에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가지며,
상기 홀 센서는 상기 제1자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-와 상기 제2자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-를 동시에 수신함으로써,
상기 홀 센서의 홀 전압의 감도(sensitivity)는 상기 제1자성체만으로 구성된 자기코어가 제공하는 감도에 비하여 저전류대에서 상대적으로 큰 감도를 가지며,
상기 홀 센서의 포화(saturation) 홀 전압은 상기 제2자성체만으로 구성된 자기코어가 제공하는 포화 홀 전압에 비하여 상대적으로 큰 전압 영역에서 발생하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
제1항에 있어서,
상기 제1자성체 및 상기 제2자성체는 상기 도전체에 흐르는 측정하고자 하는 상기 전류의 진행방향을 따라 서로 나란히 적층되는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
제1항에 있어서,
수신된 상기 제1자속밀도 및 상기 제2자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 홀 센서의 홀 전압의 감도(sensitivity)는 상기 자기코어가 제공하는 상기 자속밀도에 영향을 받으며,
상기 자속밀도는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 자기코어에 의하여 생성되어 상기 홀 센서에 제공되며,
상기 자속밀도는 상기 자기코어의 투자율에 영향을 받으며,
상기 자기코어는 서로 적층된 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체를 포함하며, 상기 제2자성체는 상기 제1자성체에 비하여 큰 투자율을 가지므로,
상기 홀 센서의 상기 홀 전압의 감도는 상기 제1자성체만으로 구성된 자기코어가 제공하는 감도에 비하여 저전류대에서 상대적으로 큰 감도를 가지며,
상기 홀 센서의 포화(saturation) 홀 전압은 상기 자기코어가 제공하는 상기 자속밀도의 포화 자속밀도에 영향을 받으며,
상기 자기코어는 서로 적층된 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체를 포함하며, 상기 제1자성체는 상기 제2자성체에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가지므로,
상기 홀 센서의 상기 포화 홀 전압은 상기 제2자성체만으로 구성된 자기코어가 제공하는 포화 홀 전압에 비하여 상대적으로 큰 전압 영역에서 발생하는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
제3항에 있어서,
상기 제1자성체 및 상기 제2자성체는 상기 도전체에 흐르는 측정하고자 하는 상기 전류의 진행방향을 기준으로 서로 다른 높이를 가지면서 서로 나란히 적층되며,
상기 자기코어에서 상기 제1자성체의 높이에 대한 상기 제2자성체의 높이가 차지하는 비율 또는 상기 제2자성체의 상기 높이에 대한 상기 제1자성체의 상기 높이의 비율을 조절함으로써 상기 홀 센서의 상기 홀 전압의 감도 및 상기 포화 홀 전압을 조절할 수 있는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
양단 사이에 에어갭을 가지며, 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어; 및
상기 에어갭에 배치되는 홀 센서를 포함하되,
상기 자기코어는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함하며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 동시에 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가지며,
상기 제1자성체는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 포화 자속밀도를 가지며,
상기 제2자성체는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 투자율을 가지며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류로부터 상기 제1자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-, 상기 제2자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-와 상기 복수의 자성체들 중에서 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체를 제외한 나머지 자성체들-이하 제3자성체라 함-이 생성하는 자속밀도-이하 제3자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도, 상기 제2자속밀도 및 상기 제3자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 홀 센서의 홀 전압의 감도(sensitivity)는 상기 자기코어가 제공하는 상기 자속밀도에 영향을 받으며,
상기 자속밀도는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 자기코어에 의하여 생성되어 상기 홀 센서에 제공되며,
상기 자속밀도는 상기 자기코어의 투자율에 영향을 받으며,
상기 홀 센서의 포화(saturation) 홀 전압은 상기 자기코어가 제공하는 상기 자속밀도의 포화 자속밀도에 영향을 받으므로,
상기 자기코어에서 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체가 차지하는 비율을 조절함으로써 상기 홀 센서의 상기 홀 전압의 감도 및 상기 포화 홀 전압을 조절할 수 있는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
양단 사이에 에어갭을 가지며, 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어; 및
상기 에어갭에 배치되는 홀 센서를 포함하되,
상기 자기코어는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함하며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 동시에 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가지며,
상기 제2자성체는 상기 제1자성체에 비하여 큰 투자율을 가지고, 상기 제1자성체는 상기 제2자성체에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가지며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류로부터 상기 제1자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-와 상기 제2자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도 및 상기 제2자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 제2자성체는 상기 제1자성체에 비하여 큰 투자율을 가지고, 상기 제1자성체는 상기 제2자성체에 비하여 큰 포화 자속밀도를 가지므로,
상기 제1자성체 및 상기 제2자성체가 적층되어 형성되는 상기 자기코어는 상기 제1자성체만으로 구성된 자기코어에 비하여 상대적으로 큰 투자율을 가지며, 상기 제2자성체만으로 구성된 자기코어에 비하여 상대적으로 큰 포화 자속밀도를 가지는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
제6항에 있어서,
상기 자기코어에서 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체가 차지하는 비율을 조절함으로써 상기 자기코어의 투자율 및 포화 자속밀도를 조절할 수 있는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
양단 사이에 에어갭을 가지며, 측정하고자 하는 전류가 흐르는 도전체가 통과할 수 있는 개구부를 가지는 자기코어; 및
상기 에어갭에 배치되는 홀 센서를 포함하되,
상기 자기코어는 서로 적층된 복수의 자성체들을 포함하며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류에 의하여 상기 복수의 자성체들 각각이 생성하는 자속밀도를 동시에 수신하며, 수신된 상기 자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 어느 한 자성체-이하 제1자성체라 함-의 투자율 특성은 상기 복수의 자성체들 중에서 선택되는 다른 어느 한 자성체-이하 제2자성체라 함-의 투자율 특성과 서로 다른 특성을 가지며,
상기 제1자성체는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 포화 자속밀도를 가지며,
상기 제2자성체는 상기 복수의 자성체들 중에서 가장 큰 투자율을 가지며,
상기 홀 센서는 상기 도전체에 흐르는 상기 전류로부터 상기 제1자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제1자속밀도라 함-, 상기 제2자성체가 생성하는 자속밀도-이하 제2자속밀도라 함-와 상기 복수의 자성체들 중에서 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체를 제외한 나머지 자성체들-이하 제3자성체라 함-이 생성하는 자속밀도-이하 제3자속밀도라 함-를 수신하며, 수신된 상기 제1자속밀도, 상기 제2자속밀도 및 상기 제3자속밀도로부터 홀 효과를 통하여 상기 전류를 측정하되,
상기 제1자성체는 가장 큰 포화 자속밀도를 가지고, 상기 제2자성체는 가장 큰 투자율을 가지므로,
상기 자기코어에서 상기 제1자성체 및 상기 제2자성체가 차지하는 비율을 조절함으로써 상기 자기코어의 투자율 및 포화 자속밀도를 조절할 수 있는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1자성체는 Si-Fe 계열의 재질로 형성되며, 상기 제2자성체는 Ni-Fe 계열의 재질로 형성되는 적층 자기코어를 이용한 전류센서.