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霍爾效應(yīng)技術(shù)提供緊湊型電流測量傳感器

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

    通常測量3-20A范圍內(nèi)電流的方法主要有以下兩種：采用電阻分流器的傳統(tǒng)測量方法，和使用電流傳感器。這兩種技術(shù)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(zhǔn)工作有相當(dāng)高的要求。LEM電流傳感器曾經(jīng)幫助有效解決了這些問題，但為了全面滿足當(dāng)前對降低成本和縮小尺寸的需求，現(xiàn)在到了需要對產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的時(shí)候了。

    2002年，LEM收購了一家位于日本的生產(chǎn)霍爾效應(yīng)電流傳感器企業(yè)——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(fā)隊(duì)伍融合了兩家公司的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)重新設(shè)計(jì)了日本最暢銷的產(chǎn)品SY系列，并把它發(fā)展成為HX系列。

霍爾效應(yīng)原理

    HX傳感器的核心是一個(gè)霍爾效應(yīng)發(fā)生器。1879年，Edward H. Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，在電流流經(jīng)一片薄傳導(dǎo)材料(霍爾發(fā)生器)，并放在正交磁場中時(shí)，會發(fā)生這種效應(yīng)。然后電磁洛倫茲力將感應(yīng)電子，根據(jù)極性流到薄片邊緣。

    在這兩個(gè)邊緣之間產(chǎn)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(fā)生器由一片薄傳導(dǎo)材料制成，如鎵砷化物(GaAs)，這種材料在使用期間能夠?qū)崿F(xiàn)可靠穩(wěn)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(yīng)開環(huán)電流測量

    一次電流產(chǎn)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(fā)生器中感應(yīng)成比例的霍爾電壓V_H。然后這個(gè)電壓被電子電路放大，得到一個(gè)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(zhuǎn)換器、PWM轉(zhuǎn)換器和開關(guān)式電源中復(fù)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(shè)計(jì)驅(qū)動器控制和開關(guān)設(shè)備時(shí)，工程師遇到的其中一個(gè)問題是整流期間快速電壓變化導(dǎo)致的高dv/dt噪聲。

    電源半導(dǎo)體技術(shù)一直在不斷發(fā)展。現(xiàn)在，許多半導(dǎo)體產(chǎn)品大樣本中都可以看到整流速度非常高的IGBT。因此，當(dāng)前通用逆電器一般會以很高的開關(guān)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(guān)設(shè)備每次開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高dv/dt值將在主電纜和傳感器的電子電路之間產(chǎn)生電容電流。大多數(shù)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(jù)變動電壓的幅度和斜坡，初始尖峰和后來的振蕩有時(shí)會非常高，以致它們會激活傳感器的電流保護(hù)電路，進(jìn)而使逆電器暫停運(yùn)轉(zhuǎn)。LEM的經(jīng)驗(yàn)在HX系列設(shè)計(jì)階段幫助保證了對關(guān)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(yīng)時(shí)間對IGBT短路保護(hù)必不可少。HX系列可以以50A/ms以上的速度，準(zhǔn)確追蹤電流變化，對階躍電流的響應(yīng)最快為3ms。

    設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常面臨的另一個(gè)棘手問題是可用空間。小型傳感器有助于解決這個(gè)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(dāng)這種傳感器并排放在三相應(yīng)用中時(shí)，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(yīng)用中時(shí)，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(gè)一次線圈，這兩個(gè)線圈既可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)(圖5)。在某些逆電器應(yīng)用中，可以使用一對這樣的傳感器，測量所有三個(gè)相位，每個(gè)傳感器兩個(gè)相位(圖6)。這消除了對第三個(gè)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(gè)示意圖：

 

 

圖1.位于磁性電路間隙中的霍爾發(fā)生器把一次電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)換成成比例的霍爾電壓。

 

圖2.由于采用快速開發(fā)元件，HX系列幾乎不受高dv/dt影響。圖3.實(shí)際逆電器應(yīng)用中的HX噪聲電平，其中dv/dt等于4000 V/ms。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖4.在并排安裝在三相應(yīng)用中時(shí)，電流傳感器產(chǎn)生的相互干擾非常小。

 

圖5. 帶有一個(gè)或兩個(gè)一次線圈的HX系列電流傳感器的工作原理。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖6. 只使用兩個(gè)傳感器測量三相電流。

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