霍爾效應技術提供緊湊型電流測量傳感器

Hans-Dieter Huber, Marc Laforet, Mikio Kurosawa, Stéphane Rollier

2008/7/30 8:55:00 電源在線網

通常測量3-20A范圍內電流的方法主要有以下兩種：采用電阻分流器的傳統測量方法，和使用電流傳感器。這兩種技術均有局限性：第一種方法缺少流電隔離，第二種方法帶寬有限。此外，這兩種方法都對校準工作有相當高的要求。LEM電流傳感器曾經幫助有效解決了這些問題，但為了全面滿足當前對降低成本和縮小尺寸的需求，現在到了需要對產品進行重新設計的時候了。

2002年，LEM收購了一家位于日本的生產霍爾效應電流傳感器企業——NANA Electronics K.K.公司。新公司更名為NANALEM K.K.，總部位于東京町田。新的研發隊伍融合了兩家公司的專業經驗，已經重新設計了日本最暢銷的產品SY系列，并把它發展成為HX系列。

霍爾效應原理

HX傳感器的核心是一個霍爾效應發生器。1879年，Edward H. Hall發現了霍爾效應，在電流流經一片薄傳導材料(霍爾發生器)，并放在正交磁場中時，會發生這種效應。然后電磁洛倫茲力將感應電子，根據極性流到薄片邊緣。

在這兩個邊緣之間產生的霍爾電壓V_H與控制電流I_C和磁通量B直接成正比(圖1)。霍爾發生器由一片薄傳導材料制成，如鎵砷化物(GaAs)，這種材料在使用期間能夠實現可靠穩定的性能。在5 mA的控制電流下，獲得的霍爾電壓約為1.25 mV/mT。

霍爾效應開環電流測量

一次電流產生的磁場會在磁性電路的間隙中生成線性磁通量B，磁通量B會在霍爾發生器中感應成比例的霍爾電壓V_H。然后這個電壓被電子電路放大，得到一個與一次電流成比例的輸出模擬信號。HX系列可以測量DC電流和AC電流，以及相控整流器、有源電源轉換器、PWM轉換器和開關式電源中復雜的電流波形。輸出電壓一直是一次電流的真映像。

抗dv/dt噪聲能力

在設計驅動器控制和開關設備時，工程師遇到的其中一個問題是整流期間快速電壓變化導致的高dv/dt噪聲。

電源半導體技術一直在不斷發展。現在，許多半導體產品大樣本中都可以看到整流速度非常高的IGBT。因此，當前通用逆電器一般會以很高的開關頻率工作，通常在20 kHz以上。在這么高的頻率上工作的好處包括波形更平滑、操作更安全、效率更高。

開關設備每次開關時產生的高dv/dt值將在主電纜和傳感器的電子電路之間產生電容電流。大多數模擬線性放大器對這種寄生電流很靈敏。因此，dv/dt噪聲將被疊加在輸出信號上。根據變動電壓的幅度和斜坡，初始尖峰和后來的振蕩有時會非常高，以致它們會激活傳感器的電流保護電路，進而使逆電器暫停運轉。LEM的經驗在HX系列設計階段幫助保證了對關鍵噪聲的完美免疫力，而又不會損害帶寬，因此HX的性能要超過其它類似的傳感器(圖2和圖3)。

對階躍電流的超快速響應時間對IGBT短路保護必不可少。HX系列可以以50A/ms以上的速度，準確追蹤電流變化，對階躍電流的響應最快為3ms。

設計工程師經常面臨的另一個棘手問題是可用空間。小型傳感器有助于解決這個問題，HX傳感器重僅8克，要求的安裝面積只有15 x 19 mm。但眾所周知，當這種傳感器并排放在三相應用中時，各自的一次電流可能會影響其它傳感器的電子器件。在并排安裝在三相應用中時，HX電流傳感器引起的相互干擾非常小(圖4)。

專用版HX傳感器有兩個一次線圈，這兩個線圈既可以串聯，也可以并聯(圖5)。在某些逆電器應用中，可以使用一對這樣的傳感器，測量所有三個相位，每個傳感器兩個相位(圖6)。這消除了對第三個單元的需要，有助于降低成本。AC測試電壓(50 Hz, 1分鐘)是3 kV_RMS，間隙/漏電距離超過5.5mm，使這些傳感器特別適合中低功率范圍中的隔離電流測量。

-完-

參見下面幾個示意圖：