DC 에너지 계량기의 개발 및 기술적 이점

DC 에너지 계량은 에너지 청구의 정확성을 향상시킵니다

전 세계의 정부들은 현재 CO2 배출량을 줄이는 장기적이고 복잡한 문제에 대처하기 위한 실행 계획을 시행하고 있습니다. CO2 배출량은 기후 변화의 결과에 중요한 기여 요인으로 확인되었으며, 새로운 효율적인 에너지 변환 기술과 개선된 배터리 화학에 대한 급격한 수요를 촉진하고 있습니다. 

오늘날 더 효율적이고 환경 친화적인 에너지 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 초기 그리드 개발자들이 교류(AC)로 세계에 전력을 공급하는 것이 더 쉬웠던 반면, 직류(DC)는 많은 분야에서 상당히 향상된 효율성을 제공합니다. DC 에너지 계량 응용 분야는 다양하며, 전기차 DC 충전소는 중요한 개발 방향으로 떠오르고 있습니다.

최근 몇 년 동안, 배터리 용량과 수명을 증가시키는 것과 더불어 광범위한 전기차 충전 네트워크를 구축하기 위한 상당한 노력이 이루어졌습니다. 이 네트워크는 주행 거리나 충전 시간에 대한 우려를 없애주어 장거리 여행을 보다 편리하게 만들어줍니다. 많은 에너지 공급업체와 민간 기업들이 최대 150kW 용량의 빠른 충전기를 배치하고 있으며, 충전소당 최대 500kW까지 가능한 초고속 충전기에 대한 대중의 관심도 높아지고 있습니다. 초고속 충전소에서의 메가와트 단위의 지역 충전 피크 전력과 관련된 빠른 충전 에너지 프리미엄 요금으로 인해, 전기차 충전은 전기에너지 교환의 중요한 시장으로 자리잡을 것이며, 과금 목적으로 정확한 에너지 계량을 필요로 하게 됩니다.

직류 배전의 또 다른 중요한 응용은 마이크로그리드입니다. 본질적으로 공공 유틸리티 시스템의 축소판인 마이크로그리드는 안전하고 신뢰할 수 있으며 효율적인 전력원을 필요로 합니다. 마이크로그리드는 병원이나 군사 기지와 같은 환경에서 사용되며, 재생 가능 에너지 생성, 연료 발전기, 에너지 저장소가 함께 신뢰할 수 있는 에너지 분배 시스템을 만들어내는 공공 시스템의 일부로도 작동할 수 있습니다.

마이크로그리드는 건축 구조에서도 사용되며, 재생 가능 에너지 발전기의 광범위한 사용은 건물이 전력을 자급자족할 수 있도록 합니다. 옥상 태양광 패널과 소형 풍력 터빈에서 생성된 에너지가 독립적인 운전을 위해 충분하며 여전히 공공 전력망의 지원을 제공합니다.

직류 전원을 사용하는 데이터 센터는 또 다른 중요한 응용 분야입니다. 데이터 센터 운영자들은 전력 효율성을 향상시키기 위해 다양한 기술과 솔루션을 적극적으로 고려하고 있으며, 전력이 주요 비용 중 하나이기 때문입니다.

데이터 센터 운영자들은 직류 분배와 관련된 이점을 인식하고 있습니다. 이는 교류와 직류 간 변환을 최소화할 뿐만 아니라 재생 가능 에너지 원과의 통합을 더 쉽고 효율적으로 만들어줍니다. 5%에서 25%의 에너지 절약을 통해 전송 및 변환 효율성을 개선하고, 열 발생을 감소시키며, 신뢰성과 가용성을 두 배로 향상시키는 동시에 필요한 바닥 면적을 33% 줄일 수 있습니다. 많은 운영자들이 고객 청구를 위해 전력 소비를 기반으로 한 측정 방식을 채택함에 따라, 정확한 직류 에너지 측정이 점점 더 중요해지고 있습니다.

전기 에너지 계량은 고장 및 전기 변조를 감지하는 기능이 필요합니다

20세기 초반에 전통적인 교류(AC) 계측기는 완전히 전기기계식이었습니다. 이들은 전압 코일과 전류 코일의 조합을 사용하여 회전하는 알루미늄 디스크에 와전류를 유도했습니다. 전압 코일과 전류 코일이 생성하는 자기 플럭스의 곱으로 인해 알루미늄 디스크에 가해진 토크는 소비된 전기량에 비례했습니다. 최종적으로, 알루미늄 디스크에 제동 자석이 추가되어 회전 속도가 실제 소비 전력에 정확히 비례하도록 보장되었습니다. 일정 시간 동안의 회전 횟수를 계산함으로써 전기 소비량을 측정할 수 있었습니다.

현대식 AC 미터는 훨씬 더 복잡하고 정확하며, 전기 도난을 방지할 수도 있습니다. 고급 스마트 미터는 절대적인 정확도를 모니터링하고 24시간 실시간으로 현장에서 도난 징후를 감지할 수 있습니다. 현대식 미터, 전통적 미터, AC 미터 또는 DC 미터 여부에 관계없이, 이들은 킬로와트시 임펄스 상수와 정확도 수준(백분율)을 기준으로 분류됩니다.

부하에 의해 소비되는 전력(P = V × I)을 측정하려면 최소한 하나의 전류 센서와 하나의 전압 센서가 필요합니다. 일반적으로 전압이 낮은 쪽이 접지 전위에 있을 때, 계량기를 통해 흐르는 전류는 고전압 쪽에서 측정됩니다. 이 구성은 측정되지 않은 누설 전류의 위험을 최소화합니다. 그러나 설계 아키텍처가 요구하는 경우 전류는 저전압 쪽에서 측정될 수도 있으며, 두 쪽 모두에서 측정할 수도 있습니다. 이 기술은 종종 계량기에서 고장 감지 및 변조 감지 기능을 가능하게 하기 위해 부하의 양쪽에서 전류를 측정하고 비교하는 것을 포함합니다. 양쪽에서 전류를 측정하는 경우, 도체 간의 높은 전위를 처리하기 위해 최소한 하나의 절연된 전류 센서가 필요합니다.

전압은 일반적으로 저항 분압기를 사용하여 측정되며, 이때 직렬로 연결된 저항을 사용하여 시스템의 ADC 입력과 호환되는 수준으로 전압을 비례적으로 감소시킵니다. 입력 신호의 큰 진폭 덕분에 표준 부품을 사용하여 정밀한 전압 측정을 쉽게 달성할 수 있습니다. 그러나 선택된 부품의 온도 계수와 전압 계수를 고려하여 전체 온도 범위에서 요구되는 정확성을 보장하는 것이 중요합니다.

초저입력 전류를 제공하는 고속 ADC

DC 에너지 계량 애플리케이션에서 ADI의 AD7779, AD8629, ADA4528-1은 중요한 역할을 합니다. 이 중 AD7779는 칩 통합 8개의 전체 Σ-Δ ADC를 포함하는 8채널 동시 샘플링 ADC입니다. AD7779는 초저입력 전류를 특징으로 하며, 센서에 직접 연결할 수 있습니다. 각 입력 채널은 1, 2, 4, 8의 이득을 가지는 프로그래머블 이득 단계를 포함하여, 낮은 진폭의 센서 출력을 전 범위 ADC 입력 범위에 매핑하고 신호 체인의 동적 범위를 최대화할 수 있게 합니다. AD7779는 1 V에서 3.6 V의 VREF를 허용합니다. 아날로그 입력은 단극(0 V에서 VREF/GAIN까지) 또는 진정한 양극(±VREF/GAIN/2 V)의 아날로그 입력 신호를 허용하며, 3.3 V 또는 ±1.65 V의 아날로그 전원 전압을 가집니다. 아날로그 입력은 진정한 차동, 의사 차동, 또는 단일 종단 신호를 수용하도록 구성할 수 있어 다양한 센서 출력 구성에 맞출 수 있습니다.

각 채널에는 ADC 변조기와 sinc3 저지연 디지털 필터가 포함되어 있습니다. AD7779는 출력 데이터 속도(ODR)의 세밀한 해상도 제어를 위해 SRC를 활용합니다. 이 제어는 라인 주파수가 0.01 Hz만큼 변경될 때 ODR 해상도가 일관성을 유지해야 하는 애플리케이션에 유용합니다. SRC는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. AD7779는 두 가지 다른 인터페이스를 지원합니다: 데이터 출력 인터페이스와 SPI 제어 인터페이스. ADC 데이터 출력 인터페이스는 AD7779에서 프로세서로 ADC 변환 결과를 전송하는 데 전용됩니다. SPI 인터페이스는 AD7779 구성 레지스터를 읽기/쓰기 작업을 위해 구성하고 SAR ADC에서 데이터를 제어 및 읽는 데 사용됩니다. SPI 인터페이스는 또한 Σ-Δ 변환 데이터를 출력하도록 구성할 수 있습니다.

AD7779는 AD7779 자체 내에서 진단 용도로 사용할 수 있는 12비트 SAR ADC를 제공하여 시스템 측정 기능을 위해 Σ-Δ ADC 채널을 특별히 할당할 필요를 없앱니다. 외부 멀티플렉서(3개의 범용 입출력, GPIO 핀을 사용하여 제어) 및 신호 조정을 통해, SAR ADC는 기능적 안전성이 요구되는 애플리케이션에서 Σ-Δ ADC 측정 결과를 검증하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, AD7779 SAR ADC는 내부 노드를 감지하는 데 사용할 수 있는 멀티플렉서를 포함하고 있습니다.

AD7779는 2.5 V 기준 전압 소스와 기준 버퍼를 통합하고 있습니다. 기준 전압 소스의 온도 계수는 10 ppm/°C(일반적)입니다. AD7779는 고해상도 모드와 저전력 모드, 두 가지 모드로 동작합니다. 고해상도 모드는 채널당 10.75 mW의 소비 전력에서 더 높은 동적 범위를 제공하며, 저전력 모드는 채널당 3.37 mW의 소비 전력으로 더 낮은 동적 범위 사양에서 동작합니다. AD7779의 정격 동작 온도 범위는 -40°C에서 +105°C이며, 최대 장치 작동 온도는 +125°C입니다.

초저소음, 드리프트 및 전류 특성을 갖춘 증폭기

ADI의 AD8629 증폭기는 초저 오프셋, 드리프트 및 바이어스 전류를 특징으로 하며 정밀 애플리케이션에 이상적인 선택입니다. 이는 넓은 대역폭, 자동 영점 증폭기로 레일-투-레일 입력 및 출력 스윙 기능과 낮은 노이즈 특성을 가지고 있습니다. AD8629는 2.7 V에서 5 V의 단일 전원 전압(또는 ±1.35 V에서 ±2.5 V의 이중 전원 전압)으로 동작합니다.

AD8629는 이전에는 고가의 오토제로 또는 초퍼 안정화 증폭기에서만 발견되던 이점을 제공합니다. 이러한 제로 드리프트 증폭기는 ADI의 회로 구조를 활용하여 저비용, 고정밀도 및 저노이즈 성능을 외부 커패시터 없이 결합합니다. 또한, AD8629는 많은 초퍼 안정화 증폭기에서 발생하는 디지털 스위칭 노이즈를 크게 줄입니다.

AD8629은 1 µV의 오프셋 전압, 0.005 µV/°C 미만의 오프셋 전압 드리프트, 그리고 0.5 µV 피크-투-피크 (0 Hz에서 10 Hz)의 낮은 노이즈를 제공하여 오류 소스를 허용하지 않는 응용 분야에 적합합니다. 이 장치는 작동 온도 범위 내에서 거의 드리프트가 없는 성능을 보여주며, 위치 센서, 압력 센서, 의료 기기 및 스트레인 게이지 증폭기와 같은 응용 분야에서 매우 유리합니다. 많은 시스템은 AD8629의 레일-투-레일 입력 및 출력 스윙 기능을 활용하여 입력 바이어싱 복잡성을 줄이고 더 높은 신호 대 잡음비를 달성할 수 있습니다.

AD8629는 -40°C에서 +125°C까지의 온도 범위를 가지며, 산업용 온도 범위로 확장됩니다. 이 제품은 표준 8-리드 좁은 SOIC 및 MSOP 플라스틱 패키지로 제공됩니다.

ADI의 또 다른 증폭기인 ADA4528은 초저잡음, 제로 드리프트 연산 증폭기로 레일-투-레일 입력 및 출력 스윙 기능을 제공합니다. 이 제품은 2.5 µV의 오프셋 전압, 0.015 µV/°C의 오프셋 전압 드리프트, 그리고 97 µV 피크 투 피크(0.1 Hz to 10 Hz, AV = +100)의 잡음 특성을 갖추고 있어 오류 소스가 허용되지 않는 애플리케이션에 매우 적합합니다.

ADA4528은 2.2 V에서 5.5 V의 넓은 공급 전압 범위에서 작동하며 높은 이득, 우수한 CMRR 및 PSRR 사양을 제공하므로 위치 및 압력 센서, 스트레인 게이지, 의료 기기 등과 같은 애플리케이션에서 저레벨 신호의 정밀 증폭에 이상적인 선택입니다.

ADA4528은 -40°C에서 +125°C까지의 온도 범위를 가지며, 산업 온도 범위로 확장됩니다. ADA4528-1은 8-리드 MSOP 및 8-리드 LFCSP 패키지로 제공되며, ADA4528-2는 8-리드 MSOP 패키지로 제공됩니다.

최대 오프셋 전압이 2.5 µV이고 최대 오프셋 전압 드리프트가 0.015 µV/°C인 ADA4528은 초저 드리프트 및 100 V/V 증폭을 제공하여 작은 전류 신호 증폭에 적합합니다. 따라서 AD7779와 같은 동기 샘플링, 24비트 ADC의 증폭 단계에 직접 연결될 수 있으며, AD7779는 5 nV/℃ 입력 기준 드리프트를 보입니다. 1000:1 비율의 저항 전압 분배기를 AD7779 ADC 입력에 직접 연결하면 높은 DC 전압을 정확하게 측정할 수 있습니다.

결론

DC 에너지 계량은 AC 에너지 계량보다 더 높은 정확성을 제공합니다. 충전소, 마이크로그리드, 데이터 센터 및 기타 애플리케이션과 같은 급성장하는 시장에서 DC 에너지 계량은 공정한 청구를 제공하며 AC와 DC 간의 변환 필요성을 줄여 에너지 손실을 최소화합니다. 재생 가능 에너지 원과의 통합도 DC 계량을 통해 더 쉽고 효율적으로 이루어지며, 이는 개발의 중요한 트렌드가 되고 있습니다. ADI는 정밀 감지 기술 분야에서 선도적인 산업 전문가로서 엄격한 기준을 충족하는 정확한 전류 및 전압 측정을 위한 완전한 신호 체인을 제공합니다. 이 기사에서 다루는 제품은 DC 에너지 계층 애플리케이션에 가장 적합한 선택 중 일부를 대표합니다.