DC 에너지 계량기의 개발 및 기술적 이점

DC 에너지 계량은 에너지 청구의 정확성을 향상시킵니다

전 세계 정부는 현재 CO2 배출량 감소라는 장기적이고 복잡한 과제를 해결하기 위한 행동 계획을 시행하고 있습니다. CO2 배출량은 기후 변화의 주요 원인으로 확인되었으며, 이에 따라 새로운 고효율 에너지 변환 기술과 개선된 배터리 화학에 대한 수요가 급격히 증가하고 있습니다. 

오늘날에는 더 효율적이고 환경 친화적인 에너지 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 초기 전력망 개발자들은 세계에 교류(AC)를 공급하는 것이 더 쉽다고 생각했지만, 직류(DC)는 많은 영역에서 훨씬 더 높은 효율성을 제공합니다. DC 에너지 계량 애플리케이션은 다양하며, 전기차 직류 충전소가 중요한 개발 방향으로 자리잡을 전망입니다.

최근 몇 년간 배터리 용량과 수명을 향상시키기 위한 상당한 노력이 이루어졌으며, 이에 더해 광범위한 전기차 충전 네트워크가 구축되고 있습니다. 이 네트워크는 주행 거리나 충전 시간에 대한 우려를 제거하고 편안한 장거리 여행을 가능하게 하는 데 필수적입니다. 많은 에너지 공급업체와 민간 기업들은 최대 150kW의 용량을 가진 급속 충전기를 배치하고 있으며, 최대 500kW까지 지원 가능한 초급속 충전기에 대한 대중의 관심도 높아지고 있습니다. 초급속 충전소에서 발생하는 메가와트급 지역 충전 피크 전력과 이에 따른 빠른 충전 에너지 프리미엄 요금을 고려할 때, 전기차 충전은 전기 에너지 교환을 위한 중요한 시장으로 자리 잡을 것이며, 청구 목적을 위한 정확한 에너지 계측이 필요하게 될 것입니다.

직류 배전의 또 다른 중요한 응용 분야는 마이크로그리드입니다. 마이크로그리드는 공공 전력 시스템의 축소판으로, 안전하고 신뢰할 수 있으며 효율적인 전력 공급원이 필요한 시스템입니다. 마이크로그리드는 병원이나 군사 기지와 같은 환경에서 사용되며, 재생 가능 에너지 생성, 연료 발전기, 에너지 저장이 결합하여 안정적인 에너지 배전 시스템을 구축하는 공공 시스템의 일부로 작동할 수도 있습니다.

마이크로그리드는 또한 건물 구조에서 활용되며, 재생 가능 에너지 발전기의 광범위한 사용을 통해 건물이 자가 전력을 자급자족할 수 있도록 합니다. 옥상 태양광 패널과 소형 풍력 터빈으로 생성된 에너지가 독립 운영에 충분하며, 여전히 공공 전력망으로부터 지원을 받을 수 있습니다.

직류 전력 공급으로 운영되는 데이터 센터는 또 다른 중요한 응용 분야입니다. 데이터 센터 운영자들은 전력이 주요 비용 중 하나라는 점에서 시설의 전력 효율성을 향상시키기 위해 다양한 기술과 솔루션을 적극적으로 고려하고 있습니다.

데이터 센터 운영자들은 직류 분배와 관련된 이점을 인식하고 있습니다. 이는 교류(AC)와 직류(DC) 간의 최소한의 전환을 줄일 뿐만 아니라, 재생 가능 에너지의 보다 쉽고 효율적인 통합을 가능하게 합니다. 5%에서 25%에 이르는 에너지 절약은 전송 및 변환 효율성을 개선하고, 열 생성량을 줄이며, 신뢰성과 가용성을 두 배로 향상시키는 동시에 필요한 설치 공간을 33% 줄이는 데 기여합니다. 많은 운영자가 고객 청구를 위한 전력 소비 기반 측정 접근 방식을 채택함에 따라 정확한 직류 에너지 계량이 점점 더 중요해지고 있습니다.

전기 에너지 계측은 고장 및 전기 변조를 감지하는 기능이 필요합니다

20세기 초, 전통적인 AC 미터는 완전히 전기 기계식이었습니다. 이러한 미터는 전압 코일과 전류 코일의 조합을 사용하여 회전하는 알루미늄 디스크에 와전류를 유도했습니다. 전압 코일과 전류 코일이 생성하는 자기 플럭스의 곱에 의해 알루미늄 디스크에 발생하는 토크는 소비된 전기에 비례했습니다. 마지막으로, 알루미늄 디스크에 제동 자석을 추가하여 회전 속도가 실제 소비된 전력에 정확히 비례하도록 했습니다. 일정 시간 동안 회전 수를 계산함으로써 전기 소비량을 측정할 수 있었습니다.

현대적인 AC 계량기는 훨씬 더 복잡하고 정확하며, 전기 도난을 방지할 수도 있습니다. 고급 스마트 계량기는 절대적인 정확도를 모니터링하고 24시간 내내 현장에서 도난의 징후를 감지할 수 있습니다. 현대 계량기, 전통적인 계량기, AC 계량기, DC 계량기 여부와 상관없이, 이들은 킬로와트시 펄스 상수와 백분율 정확도 수준을 기준으로 분류됩니다.

부하에 의해 소비되는 전력을 측정하려면 (P = V × I) 최소한 하나의 전류 센서와 하나의 전압 센서가 필요합니다. 일반적으로 저압측이 접지된 상태일 때 전력계에서 흐르는 전류는 고압측에서 측정됩니다. 이 구성은 측정되지 않은 누설 전류의 위험을 최소화합니다. 하지만 설계 아키텍처의 요구에 따라 저압측에서도 현재를 측정할 수 있으며, 경우에 따라 양측 모두를 측정할 수 있습니다. 이 기술은 종종 부하의 양측에서 전류를 측정하고 비교하여 전력계의 고장 감지 및 조작 감지 기능을 가능하게 하는 데 사용됩니다. 양측에서 전류를 측정할 경우, 도체 간 고전위를 처리하기 위해 최소한 하나의 절연이 적용된 전류 센서가 필요합니다.

전압은 보통 저항성 전압 분배기를 사용하여 측정합니다. 이 방법에서는 저항기의 직렬 연결을 통해 전압을 시스템의 ADC 입력과 호환 가능한 수준으로 비례적으로 줄입니다. 입력 신호의 큰 진폭 덕분에 표준 부품을 사용하여 정밀한 전압 측정을 쉽게 수행할 수 있습니다. 하지만 선택한 부품의 온도 계수와 전압 계수를 고려하여 전체 온도 범위에서 요구되는 정확도를 보장하는 것이 중요합니다.

초저입력 전류를 제공하는 고속 ADC를 제공하십시오

DC 에너지 계량 응용 분야에서 ADI의 AD7779, AD8629, 그리고 ADA4528-1은 중요한 역할을 합니다. 그중 AD7779는 8개의 풀 Σ-Δ ADC를 칩에 통합한 8채널 동시 샘플링 ADC입니다. AD7779는 초저 입력 전류를 특징으로 하여 센서에 직접 연결할 수 있습니다. 각 입력 채널은 1, 2, 4, 8의 이득을 제공하는 프로그래머블 게인 스테이지를 포함하여 낮은 진폭의 센서 출력을 ADC의 풀 스케일 입력 범위에 매핑하여 신호 체인의 동적 범위를 극대화할 수 있습니다. AD7779는 1 V에서 3.6 V까지의 VREF를 수용합니다. 아날로그 입력은 단극(0 V ~ VREF/GAIN) 또는 진정한 양극(±VREF/GAIN/2 V)의 아날로그 입력 신호를 수용하며, 아날로그 공급 전압은 3.3 V 또는 ±1.65 V입니다. 아날로그 입력은 다양한 센서 출력 구성에 맞추기 위해 진정한 차동, 유사 차동, 또는 단일 종단 신호를 수용하도록 구성할 수 있습니다.

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

AD7779는 AD7779 자체 내 진단용으로 사용할 수 있는 12비트 SAR ADC를 특징으로 하며, 시스템 측정 기능을 위해 Σ-Δ ADC 채널을 따로 할당할 필요를 없앱니다. 외부 멀티플렉서(3개의 범용 입출력(GPIO) 핀을 사용하여 제어) 및 신호 조정 과정을 통해, SAR ADC는 기능적 안전이 요구되는 애플리케이션에서 Σ-Δ ADC 측정 결과를 검증하기 위해 활용될 수 있습니다. 또한, AD7779 SAR ADC에는 내부 노드를 감지할 수 있는 멀티플렉서를 포함하고 있습니다.

AD7779는 2.5 V 기준 전압 소스 및 기준 버퍼를 통합하고 있습니다. 기준 전압 소스의 온도 계수는 10 ppm/°C(전형적)입니다. AD7779는 고해상도 모드와 저전력 모드 두 가지로 작동합니다. 고해상도 모드는 채널당 10.75 mW의 전력 소비로 더 높은 동적 범위를 제공하며, 저전력 모드는 채널당 3.37 mW의 전력 소비로 더 낮은 동적 범위 사양으로 작동합니다. AD7779의 정격 작동 온도 범위는 -40°C에서 +105°C이며, 최대 장치 작동 온도는 +125°C입니다.

초저소음, 초저항, 저전류 특성을 가진 증폭기

ADI의 AD8629 증폭기는 초저 오프셋, 드리프트, 바이어스 전류를 특징으로 하며 정밀 애플리케이션에 적합한 선택입니다. 이 증폭기는 광대역, 자동 영점 조정 기능을 갖춘 증폭기로, 레일-투-레일 입력 및 출력 스윙 기능뿐만 아니라 낮은 잡음 특성을 제공합니다. AD8629는 단일 전원 공급 전압 2.7 V에서 5 V로 작동하며(또는 ±1.35 V에서 ±2.5 V의 이중 전원 공급 전압으로도 작동합니다).

AD8629는 이전에는 고가의 자동 영점 조정 또는 치퍼 안정화 증폭기에서만 제공되던 장점을 제공합니다. 이 제로 드리프트 증폭기는 ADI의 회로 토폴로지를 활용하여 외부 커패시터 없이 저비용과 고정밀, 저잡음 성능을 결합합니다. 또한, AD8629는 많은 치퍼 안정화 증폭기에서 발생하는 디지털 스위칭 잡음을 크게 줄여줍니다.

AD8629은 오프셋 전압이 단 1 µV, 오프셋 전압 드리프트가 0.005 µV/°C 미만이며, 노이즈가 0.5 µV 피크-피크(0 Hz ~ 10 Hz)에 불과하여 오류 원인이 허용되지 않는 응용 분야에 적합합니다. 이 장치는 작동 온도 범위 내에서 거의 제로 드리프트를 보이며, 위치 및 압력 센서, 의료 장비, 스트레인 게이지 증폭기와 같은 응용 분야에서 매우 유리합니다. 많은 시스템에서 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 정격 온도 범위를 가지며, 산업용 온도 범위까지 확장됩니다. 이 제품은 표준 8리드 좁은 SOIC 및 MSOP 플라스틱 패키지로 제공됩니다.

ADI의 또 다른 증폭기인 ADA4528은 초저잡음, 제로 드리프트 특성을 가진 연산 증폭기로 레일-투-레일 입력 및 출력 스윙 기능을 제공합니다. 이 증폭기는 2.5 µV의 오프셋 전압, 0.015 µV/°C의 오프셋 전압 드리프트, 그리고 97 µV 피크-투-피크 노이즈(0.1 Hz ~ 10 Hz, AV = +100)를 특징으로 하며, 오류가 허용되지 않는 응용 분야에 매우 적합합니다.

ADA4528은 2.2V에서 5.5V의 넓은 전원 공급 전압 범위에서 동작하며 높은 이득(gain), 우수한 CMRR(공통 모드 제거 비율) 및 PSRR(전원 제거 비율) 사양을 제공하므로 위치 및 압력 센서, 스트레인 게이지, 의료 기기 등과 같은 애플리케이션에서 저수준 신호의 정밀 증폭을 위한 이상적인 선택입니다.

ADA4528은 -40°C에서 +125°C까지의 온도 범위를 갖추고 있어 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, 100 V/V 증폭을 제공하기에 작은 전류 신호에 매우 적합합니다. 따라서 5 nV/℃ 입력 기준 드리프트를 갖춘 AD7779와 같은 동기 샘플링 24비트 ADC의 증폭 단계에 직접 연결할 수 있습니다. AD7779 ADC의 입력에 직접 연결된 1000:1 비율의 저항 전압 분배기를 사용하여 높은 DC 전압을 정확하게 측정할 수 있습니다.

결론

DC 에너지 계량은 AC 에너지 계량에 비해 더 높은 정확성을 제공합니다. 급성장하는 시장인 충전소, 마이크로그리드, 데이터 센터 및 기타 애플리케이션에서는 DC 에너지 계량이 공정한 과금 체계를 제공하며 AC와 DC 간의 변환 필요성을 줄여 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다. 재생 가능 에너지 원과의 통합도 DC 계량을 사용하면 더 쉽고 효율적으로 이루어지며, 이는 개발의 중요한 트렌드로 자리잡고 있습니다. ADI는 정밀 센싱 기술 분야에서 선두를 달리는 산업 전문가로, 엄격한 표준을 충족하기 위해 정밀한 전류 및 전압 측정을 제공하는 완벽한 신호 체인을 제공합니다. 본 기사에서 다루는 제품은 DC 에너지 계량 애플리케이션을 위한 최고의 선택 중 일부를 나타냅니다.