電力電子行業(yè)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)應(yīng)用特殊元部件提出了要求。對(duì)于電流測(cè)量也是如此。從基本上來說，若要獲得一定的測(cè)量精度，就要求元部件具有相對(duì)應(yīng)的尺寸以及投入相應(yīng)的成本。本文介紹了一款新一代電流傳感器，該傳感器主要通過一種特別開發(fā)的ASIC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基于開環(huán)霍爾效應(yīng)的電流傳感器性能改善。
通道-ASIC
目前在市場(chǎng)上我們可以采購(gòu)到很多霍爾-ASIC傳感器，我們可以用這些傳感器來測(cè)量位置、磁場(chǎng)以及電流。所有這些ASIC傳感器大多用于進(jìn)行精確快速的電流測(cè)量，比如電力電子行業(yè)，對(duì)于電磁干擾具有高抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)。 這一基礎(chǔ)已經(jīng)使得新集成元件得到了開發(fā)，這些元件特別適合這些需求（圖1）。該新型集成元部件基于CMOS技術(shù)，將開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器結(jié)構(gòu)的所有元件綜合在了一個(gè)單片上。霍爾陣列作為測(cè)量元件，后面跟著放大級(jí)以及擴(kuò)展編程單元和一個(gè)穩(wěn)定的帶隙基準(zhǔn)電壓。該元部件具有以下特點(diǎn)：
-5V 電源
-從0.5到4毫伏/高斯的大測(cè)量范圍
-可以對(duì)偏差和增益進(jìn)行編程（比例或固定）
-基準(zhǔn)輸入/輸出
-可編程溫度補(bǔ)償
-接線管腳具有短路和靜電放電（ESD）保護(hù)
-溫度范圍從 -40°C到+ 125°C。
基準(zhǔn)電壓作為測(cè)量的零點(diǎn)可以在生產(chǎn)過程中進(jìn)行編程。可以提供一半的供電電壓或固定的2.5V電壓。外部管腳上也可以提供基準(zhǔn)電壓。例如，該基準(zhǔn)電壓隨時(shí)都可以通過一個(gè)來自A/D轉(zhuǎn)換器的當(dāng)前外部基準(zhǔn)電壓經(jīng)一個(gè)200Ω的內(nèi)部載荷阻抗進(jìn)行作用。
參數(shù)
與傳統(tǒng)霍爾元件相比，瞬態(tài)電流的速度幾乎沒有變化。具有100A/＊s電流變化率（di/dt）的瞬態(tài)電流后的延遲時(shí)間大約為4μs，如圖2所示。對(duì)于電流電路短路切斷和調(diào)節(jié)來說，這個(gè)延遲時(shí)間該足夠。有點(diǎn)長(zhǎng)些的延遲時(shí)間可以通過霍爾芯片的斬波技術(shù)來進(jìn)行說明，該技術(shù)用于改善漂移參數(shù)。
對(duì)于在高EMC環(huán)境所使用的傳感器來說，其中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是在電壓跳變（共模）之后的性能。圖3記錄了6 KV/＊s電流變化率（dV/dt）的情況，同時(shí)給出了當(dāng)輸出為大約20mV時(shí)跳過一個(gè)偏差之后的狀態(tài)，這一結(jié)果與3%標(biāo)稱值的漂移相一致。性能是平衡的，因此在不產(chǎn)生偏差的情況下可以對(duì)其進(jìn)行外部或內(nèi)部過濾。
由于斬波的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)霍爾元件相比，感應(yīng)器輸出處的噪音增加了三倍。一般情況下，該噪音大約為10m/Vpp，與大約1.4%的輸出標(biāo)稱電流相對(duì)應(yīng)。由于500KHz的高噪音頻率，該噪音并不會(huì)對(duì)通常的應(yīng)用產(chǎn)生影響。對(duì)于具有高帶寬的超快電流調(diào)節(jié)電路來說，應(yīng)將該參數(shù)考慮進(jìn)去。
在溫度漂移（對(duì)于電流傳感器來說是一個(gè)最基本的參數(shù)）方面，可以通過與傳統(tǒng)解決方案相比較來實(shí)現(xiàn)最大程度的改善。與傳統(tǒng)傳感器相比，偏差漂移和增益漂移已經(jīng)通過一個(gè)超過2的因數(shù)進(jìn)行了改善。當(dāng)溫度升高50°C時(shí)，偏差漂移達(dá)到最大值，為1.6%最大標(biāo)稱值。增益漂移，定義為測(cè)量值的百分比值，在最差的情況下可達(dá)到2%。這些值對(duì)開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器來說是極好的值。
安裝在印刷電路板上的傳感器應(yīng)盡可能與解耦電容緊密地連接在一起。這些電容對(duì)EMC特性的改善作用顯著。圖4給出了布線圖，該布線具有在測(cè)量過程中實(shí)際發(fā)現(xiàn)的值。但是，這種布線會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合而略有不同。
該基準(zhǔn)電壓應(yīng)該具有與供電電壓相同的值。
各種適用設(shè)計(jì)方案
憑借該項(xiàng)ASIC技術(shù)，我們已經(jīng)開發(fā)了四個(gè)新型號(hào)范圍的開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，這些傳感器適用于各種不同場(chǎng)合。在傳感器的開發(fā)過程中，我們特別注意了所涵蓋應(yīng)用場(chǎng)合的要求、對(duì)于力學(xué)方面以及對(duì)于電力部件與電子元件分離絕緣方面的要求。比如安裝在電池驅(qū)動(dòng)的車輛內(nèi)，我們還首次開發(fā)了適合低電壓高達(dá)100V應(yīng)用場(chǎng)合的特殊傳感器。
HXS
用于測(cè)量從50A標(biāo)稱值到150A測(cè)量范圍電流的最小設(shè)計(jì)型號(hào)。該型號(hào)的傳感器具有4排主要總線條，這些總線條可以通過并聯(lián)或串聯(lián)連接，并且能夠使該元件能夠涵蓋3個(gè)測(cè)量范圍。
該型號(hào)范圍包含用于各種應(yīng)用場(chǎng)合的6種不同傳感器，這些傳感器區(qū)別在于電流范圍、各種溫度范圍以及核心材料。其中特別開發(fā)了一種用于長(zhǎng)屏蔽導(dǎo)線和與這些導(dǎo)線有關(guān)的電容性電流的傳感器。因此消除了由于高頻率損失而產(chǎn)生的磁芯發(fā)熱。該傳感器特別適合于變頻器、電源和小型UPS裝置。
HAIS
該型號(hào)涵蓋50-400A（600A）的電流范圍。符合在高達(dá)600V標(biāo)稱電壓值時(shí)進(jìn)行安全操作的要求（超電壓類別III、污染度2）。主要開孔可以容納橫截面高達(dá)15 x 8 mm的總線條。對(duì)于固定到印刷電路板上，則提供兩個(gè)另外的焊針，在接地時(shí)也可以用于改善EMC特性。
HTFS
由于具有22mm的開孔，該傳感器可適用于電纜和總線條。也可能提供高達(dá)1200A的測(cè)量范圍。傳感器具有極其穩(wěn)固的機(jī)械特性，可以用焊針或者螺釘固定到印刷電路板上。該傳感器特別適合于電池驅(qū)動(dòng)的車輛，比如叉車或混合挖掘機(jī)。其首次使通過該小型設(shè)計(jì)記錄超過1000A的電流成為可能。
HFIS
從目前電流傳感器用于各種場(chǎng)合的汽車領(lǐng)域研發(fā)開始，這些傳感器就被進(jìn)一步用于工業(yè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)，將主要開孔設(shè)置得非常小。因此該類型傳感器主要適用于具有低恒流和高測(cè)量范圍的各種應(yīng)用場(chǎng)合。而且，該類型傳感器符合僅高達(dá)100V的安全隔離要求。應(yīng)用范圍包括具有低峰值電流的切換網(wǎng)絡(luò)和電池驅(qū)動(dòng)車輛部件，比如輪椅和高爾夫球棒車。
結(jié)論
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求，我們?yōu)榭蛻籼峁追N設(shè)計(jì)型號(hào)。由于只使用一個(gè)單獨(dú)的元件，因此這些設(shè)計(jì)型號(hào)有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是具有很好平均故障間隔時(shí)間（MTBF）的高工作利用率。為了在生產(chǎn)中消除最終可能已經(jīng)存在的誤差源，在開發(fā)過程中使用了6西格瑪工具。
根據(jù)歐洲EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所有的元部件都具有EC標(biāo)識(shí)并進(jìn)行了安全隔離。所有類型的傳感器都將進(jìn)行UL認(rèn)證。所有傳感器都符合于2006年7月1日生效的歐洲RoHS指令。
