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基于霍尔效应的紧凑型电流测量设计

发布时间:2018-11-14

通常测量3-20A范围内电流的方法主要有以下两种:采用电阻分流器的传统测量方法,和使用电流传感器。这两种技术均有局限性:第一种方法缺少流电隔离,第二种方法带宽有限。此外,这两种方法都对校准工作有相当高的要求。LEM电流传感器曾经帮助有效解决了这些问题,但为了全面满足当前对降低成本和缩小尺寸的需求,现在到了需要对产品进行重新设计的时候了。


    LEM电流传感器
    2002年,LEM收购了一家位于日本的生产霍尔效应电流传感器企业——NANA 
Electronics K.K.公司。新公司更名为NANALEM K.K.,总部位于东京町田。新的研发队伍融合了两家公司的专业经验,已经重新设计了日本最畅销的产品SY系列,并把它发展成为HX系列。


    霍尔效应原理
    HX传感器的核心是一个霍尔效应发生器。1879年,Edward H. Hall发现了霍尔效应,在电流流经一片薄传导材料(霍尔发生器),并放在正交磁场中时,会发生这种效应。然后电磁洛伦兹力将感应
电子,根据极性流到薄片边缘。
    在这两个边缘之间产生的霍尔电压VH与控制电流IC和磁通量B直接成正比(图1)。霍尔发生器由一片薄传导材料制成,如镓砷化物(GaAs),这种材料在使用期间能够实现可靠稳定的性能。在5 mA的控制电流下,获得的霍尔电压约为1.25 mV/mT。


    霍尔效应开环电流测量
    一次电流产生的磁场会在磁性电路的间隙中生成线性磁通量B,磁通量B会在霍尔发生器中感应成比例的霍尔电压VH。然后这个电压被电子电路放大,得到一个与一次电流成比例的输出模拟信号。HX系列可以测量DC电流和AC电流,以及相控整流器、有源电源转换器、PWM转换器和
开关式电源中复杂的电流波形。输出电压一直是一次电流的真映像。


    抗dv/dt噪声能力
    在设计驱动器控制和开关设备时,工程师遇到的其中一个问题是整流期间快速电压变化导致的高dv/dt噪声。
    电源半导体技术一直在不断发展。现在,许多半导体产品大样本中都可以看到整流速度非常高的
IGBT。因此,当前通用逆电器一般会以很高的开关频率工作,通常在20 kHz以上。在这么高的频率上工作的好处包括波形更平滑、操作更安全、效率更高。
    开关设备每次开关时产生的高dv/dt值将在主
电缆和传感器的电子电路之间产生电容电流。大多数模拟线性放大器对这种寄生电流很灵敏。因此,dv/dt噪声将被叠加在输出信号上。根据变动电压的幅度和斜坡,初始尖峰和后来的振荡有时会非常高,以致它们会激活传感器的电流保护电路,进而使逆电器暂停运转。LEM的经验在HX系列设计阶段帮助保证了对关键噪声的完美免疫力,而又不会损害带宽,因此HX的性能要超过其它类似的传感器(图2和图3)。


    对阶跃电流的超快速响应时间对IGBT短路保护必不可少。HX系列可以以50A/?s以上的速度,准确追踪电流变化,对阶跃电流的响应最快为3s。
    设计工程师经常面临的另一个棘手问题是可用空间。小型传感器有助于解决这个问题,HX传感器重仅8克,要求的安装面积只有15 x 19 mm。但众所周知,当这种传感器并排放在三相应用中时,各自的一次电流可能会影响其它传感器的电子器件。在并排安装在三相应用中时,HX电流传感器引起的相互干扰非常小(图4)。


    专用版HX传感器有两个一次线圈,这两个线圈既可以串联,也可以并联(图5)。在某些逆电器应用中,可以使用一对这样的传感器,测量所有三个相位,每个传感器两个相位(图6)。这消除了对第三个单元的需要,有助于降低成本。AC测试电压(50 Hz, 1分钟)是3 kVRMS,间隙/漏电距离超过5.5mm,使这些传感器特别适合中低功率范围中的隔离电流测量。