高精度霍爾電流傳感器助力功率系統(tǒng) 的性能和效率提

隨著自動(dòng)化和智能化在世界范圍的普及，電動(dòng)車、工業(yè)自動(dòng)化等產(chǎn)業(yè)進(jìn)化推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)高壓功率系統(tǒng)的 需求，人們對(duì)這些功率系統(tǒng)的效率和性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。如何高效、精確的控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)這些需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)變成了很多工程師的痛點(diǎn)，而這之中，隔離電流檢測(cè)又是最重要的一環(huán)。實(shí)現(xiàn)隔離電流檢測(cè)的方法有很多種，這當(dāng)中當(dāng)然要考慮包括隔離等級(jí)、性價(jià)比、效率、方案體積等多方面因 素，也同時(shí)催生了不同方案的創(chuàng)新升級(jí)——基于霍爾效應(yīng)的隔離電流傳感器是當(dāng)中獨(dú)特的方案之一。

圖 1：帶隔離電流檢測(cè)的 PFC 電路框圖

系統(tǒng)效率的提升尤為關(guān)鍵

對(duì)高壓系統(tǒng)需求的增長(zhǎng)帶來(lái)更多的能源消耗，而成本、監(jiān)管和如功率密度等技術(shù)上的局限都對(duì)效率提出 了更高的要求。很多系統(tǒng)比如電動(dòng)車、工業(yè)馬達(dá)、甚至于一些家電都會(huì)在交直流轉(zhuǎn)換（AC-DC）或儲(chǔ)能 的過(guò)程中造成不同程度的能源浪費(fèi)。以 2020 年美國(guó)數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器的耗電量為例，這些設(shè)備預(yù)計(jì)全年 會(huì)消耗美國(guó) 23%的總耗電量，而它們的效率大概在 65%左右。即使它們的效率提高僅 0.5%，也可節(jié)省大 概 8 億 5 千萬(wàn)千瓦時(shí)的電量，這相當(dāng)于美國(guó)大約 8 萬(wàn)戶家庭一年的用電總量。效率提升的意義由此可見(jiàn) 一斑！

常用的儲(chǔ)能和交直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如不間斷電源（UPS）和 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，都要通過(guò)隔離電流檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn) 閉環(huán)控制和診斷報(bào)錯(cuò)功能；最常見(jiàn)的就是功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC）電路。圖 1 是一 個(gè) PFC 電路的框圖，由圖可見(jiàn)在 AC 端需要做隔離電流檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)。變壓器是由這里檢測(cè)到 的電流控制的，因此電流檢測(cè)的精度和產(chǎn)品生命周期內(nèi)的穩(wěn)定性在很大程度上會(huì)直接影響變壓器的效率和功率因數(shù)。

性價(jià)比一直是傳統(tǒng)的隔離電流檢測(cè)的痛點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的基于霍爾效應(yīng)的開環(huán)電流傳感器實(shí)現(xiàn)起來(lái)很容易， 也不需要再外加分立元件，成本上有優(yōu)勢(shì)；但這些方案的不足之處在于溫漂很大，測(cè)量不夠精確。而基 于隔離分流電阻、或閉環(huán)磁傳感器的方案，精度很高，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要更復(fù)雜的電路和分立元件，成本 也很高。德州儀器（TI）最新推出的 TMCS1100 和 TMCS1101 系列產(chǎn)品則相對(duì)完美的解決的這一問(wèn)題。 這一系列產(chǎn)品既保留了開環(huán)霍爾電流傳感器易于使用的特點(diǎn)和成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)借用 TI 在高精度模擬信號(hào)鏈方面的專長(zhǎng)采用了零溫漂的內(nèi)部信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，使得電流檢測(cè)可達(dá)到總誤差在整個(gè)溫度范圍內(nèi)小于 1%的 精度。表 1 針對(duì)不同的隔離電流檢測(cè)方案做了一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比。

表 1：不同隔離電流檢測(cè)方案之對(duì)比

TI 的 1 千瓦氮化鎵圖騰柱電源參考設(shè)計(jì) 使用 TMCS1100 做電流檢測(cè)，在將系統(tǒng)尺寸做小的同時(shí)達(dá)到 0.98 的功率因數(shù)和大于 99%的效率。同時(shí) TMCS1100 的低溫漂特性也將整個(gè)系統(tǒng)的總諧波失真降低了最多 5%。

回到文章開頭美國(guó)服務(wù)器的例子，TMCS1100 系列通過(guò)自身的電氣隔離（Galvanic Isolation）將設(shè)備與交 流電網(wǎng)隔離開來(lái)，在不增加成本的情況下能達(dá)到小于 0.5%的檢測(cè)溫漂從而提高效率。這樣一級(jí)一級(jí)的 UPS、轉(zhuǎn)換器等設(shè)備累加起來(lái)，節(jié)省的能源和成本是相當(dāng)可觀的。

圖 2：AC 整流器、太陽(yáng)能逆變器示例

電氣化邊界的拓展成為可能

電氣化在提升產(chǎn)品性能、可靠性和優(yōu)化成本上有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)這些系統(tǒng)也對(duì)方案的尺寸和隔 離等級(jí)提出了新的需求。很多現(xiàn)有的系統(tǒng)在高壓設(shè)計(jì)上由于需要很多器件同時(shí)完成隔離和電氣設(shè)計(jì)，占 用了的大量的電路板面積和設(shè)計(jì)空間?；魻栯娏鱾鞲衅魇且粋€(gè)集隔離與傳感與一體的單芯片方案，很多 產(chǎn)品都采用 5mmX6mm 的 8 引腳 SOIC 小封裝，這讓這一類方案在產(chǎn)品體積上有很大的優(yōu)勢(shì)。但市面上 8 引腳 SOIC 封裝的霍爾傳感器一般都只有 400V 的工作隔離電壓，這在很多應(yīng)用場(chǎng)景是不能滿足需求的。 比如對(duì)一個(gè) 400V 的高壓電池來(lái)說(shuō)，有負(fù)載時(shí)它的瞬態(tài)電壓有可能達(dá)到 600V。又比如 240V 的交流電在 整流后再經(jīng)過(guò)一次升壓，得到的直流電就可能從 340V 升到 600V。太陽(yáng)能逆變器也是同理。圖 2 展示了 幾個(gè)高壓超過(guò) 400V 的應(yīng)用實(shí)例。

TI 的 TMCS1100 和 TMCS1101 系列產(chǎn)品通過(guò)在同樣的 8 引腳 SOIC 封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn) 600V 的工作隔離電壓， 解決了其他霍爾電流傳感器這一常見(jiàn)的問(wèn)題。TMCS1100 系列產(chǎn)品提供了比業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（如 UL-1577 和 ZHCAA14 高精度霍爾電流傳感器助力功率系統(tǒng)的性能和效率提升 3 DIN VDE V 0884-11）更高的隔離電壓和高壓持續(xù)時(shí)間的余量（margin），從而使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)者無(wú)需為了 更高的余量增加設(shè)計(jì)的體積和成本。

圖 3：TMCS1100 經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB）曲線

我們通常使用經(jīng)時(shí)擊穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB）來(lái)描述一個(gè)器件的使用壽命和其 所承受的電壓的關(guān)系。圖 3 是 TMCS1100 系列產(chǎn)品的 TDDB 曲線，由圖可見(jiàn)其工作壽命區(qū)間遠(yuǎn)超 VDE 標(biāo)準(zhǔn)的 26 年 + 20%的電壓余量。這一超長(zhǎng)的工作壽命特性，與 3kVrms/60s 的基礎(chǔ)隔離、8 引腳 SOIC 封 裝一道，使得這一系列產(chǎn)品成為直接接入電網(wǎng)、高儲(chǔ)能等高壓系統(tǒng)的理想器件。

我們通常使用經(jīng)時(shí)擊穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB）來(lái)描述一個(gè)器件的使用壽命和其 所承受的電壓的關(guān)系。圖 3 是 TMCS1100 系列產(chǎn)品的 TDDB 曲線，由圖可見(jiàn)其工作壽命區(qū)間遠(yuǎn)超 VDE 標(biāo)準(zhǔn)的 26 年 + 20%的電壓余量。這一超長(zhǎng)的工作壽命特性，與 3kVrms/60s 的基礎(chǔ)隔離、8 引腳 SOIC 封 裝一道，使得這一系列產(chǎn)品成為直接接入電網(wǎng)、高儲(chǔ)能等高壓系統(tǒng)的理想器件。

圖 4：三相電機(jī)的相電流檢測(cè)

功率系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升

電力系統(tǒng)都需要精確的反饋回路來(lái)達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。以電機(jī)控制系統(tǒng)為例（如圖 4 所示），為了精 確的控制電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，電機(jī)控制算法需要實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確的獲得電機(jī)相電流的信息。這一電流反 饋回路必須 1) 與高壓總線隔離，2) 能夠抑制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 PWM 電壓對(duì)電流檢測(cè)輸出端的影響，同時(shí) 3) 滿 足電機(jī)相與相之間電流測(cè)量的精度和匹配程度等需求。

上面提到的三個(gè)考量因素當(dāng)中，電流測(cè)量的精度和匹配程度是現(xiàn)有開環(huán)霍爾電流傳感器的一大挑戰(zhàn)，而 其中重要的一個(gè)制約因素就是溫漂。由于布板等各種現(xiàn)實(shí)因素的制約，不同電機(jī)的相與相之間所處的實(shí) 際環(huán)境溫度可能不同，這就可能導(dǎo)致每一相本身的電流測(cè)量出現(xiàn)偏差，而相與相之間的差別可能更大。 針對(duì)現(xiàn)有的霍爾電流傳感器的這一制約條件，一種常見(jiàn)的做法是做溫度補(bǔ)償和多點(diǎn)校準(zhǔn)，而無(wú)論是哪一 種解決方法都會(huì)帶來(lái)額外的成本負(fù)擔(dān)。

TI 的 TMCS1100 系列產(chǎn)品在-40°C 到 125°C 的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，可以達(dá)到 <0.3%的靈敏度溫漂（ sensitivity drift）和 0.04mA/°C 的失調(diào)電流溫漂（offset drift），使得這一系列產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用在不同的 環(huán)境當(dāng)中。低溫漂、低失調(diào)電流（6mA）、高線性度（0.05%）這些特性的的組合，使 TMCS1100 成為 高精度電流測(cè)量的一個(gè)理想選擇。表 2 和圖 5 以 TMCS1100A2QDR 為例，示例了如何通過(guò)其高精度特性， 來(lái)實(shí)現(xiàn) <0.5%的全量程誤差。

表 2：TMCS1100 精度參數(shù)

在實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的同時(shí)，TMCS1100 在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的穩(wěn)定性也比同類產(chǎn)品高約 3 倍；產(chǎn)品周期測(cè) 試顯示，其靈敏度隨時(shí)間的漂移在 0.5%以內(nèi)。這一穩(wěn)定特性，結(jié)合之前提到的溫漂和精度，使得之前無(wú) 法用簡(jiǎn)單的開環(huán)霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)的高精度測(cè)量從此成為可能。

圖 5：TMCS1100 總誤差曲線

高壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和診斷的完善

隨著“智能工廠”的普及和算力的高速增長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)能耗、性能、設(shè)備安全和老化程度、運(yùn)行狀態(tài)等特 性的檢測(cè)和診斷正變得愈發(fā)重要。由于系統(tǒng)的復(fù)雜度越來(lái)越高，如圖 6 所示的分布式多點(diǎn)電流檢測(cè)可高 效的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但正如任何電子電力系統(tǒng)一樣，復(fù)雜度越高、監(jiān)測(cè)點(diǎn)越多，需要做的折衷考慮也就 越多：測(cè)量精度、成本、設(shè)計(jì)尺寸、所用傳感器的數(shù)量和性能等等都是需要考慮的因素。前文我們已經(jīng) 介紹過(guò) TMCS1100 在各方面的特性和與同類產(chǎn)品的比較，它的測(cè)量準(zhǔn)確度和易于使用的特性使其在這種 監(jiān)測(cè)和診斷的應(yīng)用中可以提供更好的折衷和性價(jià)比。

圖 6：分布式多點(diǎn)電流檢測(cè)在智能工廠中的應(yīng)用

另一種監(jiān)測(cè)場(chǎng)景是需要在多個(gè)設(shè)備當(dāng)中對(duì)單一設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)（如數(shù)據(jù)中心和通信設(shè)備等應(yīng)用中）， 從而達(dá)到全系統(tǒng)負(fù)載平衡和優(yōu)化的目的。這里的主要挑戰(zhàn)是在不同環(huán)境下，當(dāng)系統(tǒng)受環(huán)境本身的影響而 表現(xiàn)不一致時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身能夠不受影響，從而真正檢測(cè)在不同環(huán)境下整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。圖 7 展 示了 TMCS1100 在不同環(huán)境溫度下，由于其極低的溫漂，針對(duì)不同負(fù)載可以達(dá)到 <0.5%的全量程誤差的測(cè)量精度。

整體而言，電流傳感器的低溫漂和高精度可以使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、診斷和保護(hù)得以檢測(cè)到更小的系統(tǒng)性能變化， 從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。也是出于同樣的原因，這一類產(chǎn)品也將越來(lái)越多的出現(xiàn)在大功率功能 安全的冗余設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖 7：TMCS1100 在功率測(cè)量中的精度曲線

總結(jié)

基于霍爾效應(yīng)的隔離電流傳感器一直以來(lái)都在高壓系統(tǒng)的電流檢測(cè)當(dāng)中扮演重要的角色，其應(yīng)用簡(jiǎn)單直 接，但市場(chǎng)上的傳統(tǒng)產(chǎn)品由于其精度、溫漂、隔離等級(jí)等特性的限制，在具體設(shè)計(jì)上都需要工程師做一定程度的權(quán)衡與取舍。TI 的TMCS1100、TMCS1101 系列產(chǎn)品通過(guò)提升隔離等級(jí)、采用高精度信號(hào)鏈設(shè)計(jì)、極低的溫漂等特性，在傳統(tǒng)產(chǎn)品的易用性基礎(chǔ)上將性能提升了一個(gè)等級(jí)。這一升級(jí)對(duì)高壓電機(jī)、自動(dòng)化控制、分布式傳感器、功率系統(tǒng)等領(lǐng)域的性能提升，將產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

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