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功率變換系統中電流傳感器小型化趨勢

2020-07-01   

中國電源產業網

導語:傳統的電流測量方式是使用開環霍爾效應傳感器。電流產生的磁場由磁芯聚磁,霍爾元件感應磁場強度來測量。近來,帶有高級補償技術的專用ASIC技術方案幫助提高了電流測量的總體精度。

現代的功率變換系統與比前一代比,必須更高效、小巧和便宜。為此,全球電量傳感器領域的先導者瑞士萊姆公司利用多年的豐富經驗開發了單芯片封裝的傳感器---HMSR。

傳統的電流測量方式是使用開環霍爾效應傳感器。電流產生的磁場由磁芯聚磁,霍爾元件感應磁場強度來測量。近來,帶有高級補償技術的專用ASIC技術方案幫助提高了電流測量的總體精度。

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圖1: 采用傳統的霍爾效應芯片或專用ASIC的開環技術原理

萊姆在十年前率先在LTSR產品中實現了傳感器小型化。當時,為了確保性能優勢的最好方法是采用閉環霍爾效應技術,萊姆設計了定制化閉環ASIC。隨著ASIC技術的發展,霍爾開環傳感器也有了專用的ASIC,使得開環傳感器的性能接近閉環技術所能達到的水平。開環ASIC技術不僅在體積小型化上更容易實現,而且能滿足市場對成本優勢的要求,同時結構簡單,功耗低。

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圖2:近十年來電流傳感器尺寸的變化

這十年來,使用霍爾開環ASIC技術的HLSR系列傳感器已經在實際中得到了廣泛應用,不僅在零點和漂移方面具有很好的表現,而且還具有優異的響應時間,較小的封裝尺寸,只有幾個毫米的高度很適合PCB安裝。

LEM利用多年積累的大量專業知識和設計經驗,創造了HMSR,這是一種更先進的電流傳感器,滿足了市場持續對降低成本、提高性能和微型化的需求。

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圖3:HMSR電流傳感器

隨著這個新系列傳感器的出現,LEM正在擴展其它微型化的電流傳感器,用于交流和直流電流的隔離測量。新的HMSR產品,集成了原邊導體(功率損耗最小化)、一個微型磁芯和一個定制的ASIC,允許直接接入電流進行測量,并且保證一定的絕緣性能。

此新產品系列囊括了六個不同的額定電流等級:6A、8A、10A、15A、20A和30A, 測量范圍可達額定電流的2.5倍,采用SOIC 16 封裝。標準型的產品提供了不同靈敏度級別的模擬電壓輸出,其中5V供電電源版的對應輸出電壓是800mV @IPN。

HMSR設置兩個OCD(過流檢測)功能,將控制回路與保護回路分離。分別設定兩個不同的引腳給兩個OCD, 一個為內部OCD,過流限值設為2.93 x IPN,另一個是外部OCD,過流限值可以根據實際情況由使用者調節。

然而,HMSR傳感器不應視為簡單的開環霍爾ASIC的傳感器。HMSR獨特的初級導體設計,允許流過更大的過載電流,并且保持高水平的絕緣性能,這得益于內部集成了磁性材料的磁路,這種結構對電力電子應用中存在的外部不均勻磁場具有良好的免疫力,使得HMSR能夠在高干擾的環境中使用。

HMSR中加入的磁路也是提高帶寬的關鍵因素,帶寬可達270 kHz(-3dB),同時起到對外磁場的良好抑制作用。

這種專用的ASIC設計結合了旋轉和內部溫度補償(EE-PROM)技術,經現場驗證,改進了增益和零點漂移。實現了-40°C到+125°C 溫度范圍內的高精度,額定電流時的精度典型值為0.5 %(HMSR 20-SMS型號)。在功率轉換應用中,如太陽能逆變器或驅動器等,都要求高效率,這就要求控制回路必須精確。

與上一代產品相比,HMSR極大地提高了整個溫度范圍內的精度。下圖顯示了HMSR 20-SMS在整個溫度范圍內(-40°C到+125°C)極其良好的線性度和總精度。

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圖4:HMSR20-SMS型號在-40°C到+125°C范圍內的典型總體精度和線性度

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圖5:HMSR響應時間

然而,如果沒有快速的響應時間做支撐,只有高精度依然美中不足。目前,快速IGBT,比如SiC,可以工作在更快的開關頻率下 – HMSR已經通過實際測試,可滿足此類苛刻的要求,其響應時間低于2uS(見圖5)。

在多個應用中,HMSR傳感器可以像SO16 SMD器件一樣直接安裝在電路板上,從而降低制造成本和節省空間。HMSR的高度僅6mm,在應用中顯著節省了空間,可方便安裝在智能功率模塊(IPMs)所帶的散熱片下面(見下圖)。

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圖6:HMSR 與IPM的安裝圖例

HMSR的另一個顯著優勢是太陽能領域的應用。

特別是最大功率點跟蹤(MPPT),它是太陽能逆變系統中的一個重要環節,跟蹤好了可以最大限度地利用光伏板(PV)產生的電能。它會根據溫度、陽光和系統的總阻抗來調節電流和電壓。當有微小擾動信號注入時(利用擾動觀測法),控制系統持續分析系統輸出。然后,MPPT分析產生的功率(通過監測電壓和電流信號),并推導出要改變的參數,以達到MPPT(最大功率點)。MPPT通過改變脈寬調制(PWM)來得到DC/DC變換器的合適電壓。

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圖7:最大功率點

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圖8:MPPT架構

精度越高、噪音越低,MPPT的性能越好。利用萊姆先進的ASIC,HMSR提供了非常精確和低噪聲的信號,使系統運行在最佳水平。

更重要的是,組串電流的檢測使得多串間的比較,以及發現PV板接線錯誤、污垢和由樹木產生的陰影等異常成為可能。因此,HMSR的卓越精度可以用來實現多個組串間的比較。

另外,MPPT中的DC/DC變換器采用高頻調節(大約80kHz),容易產生較高的dV/dt,對電子元器件有害。由于其堅固的設計,使得HMSR在這樣的噪聲環境中有很顯著的抵抗能力,這種能力用dV/dt測試很容易得到驗證。

下圖(圖9)顯示了HMSR 20-SMS在+/- 1000 V的dV/dt脈沖電壓測試中的表現,擾動很低,產生的誤差僅為滿量程的3%,恢復時間為3.8 uS。

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圖9:施加dV/dt以后,HMSR輸出產生的誤差

HMSR帶有兩個OCD功能,用于逆變器中短路和過載時保護晶體管。這種檢測和保護功能在許多應用中都很重要,如HVAC中的直流環節或電機驅動器?,F代的變頻器(VFDs)都引入了電機過載算法,HMSR的OCD功能可以使檢測更容易,以防設備過熱。兩個OCD功能的設置可以分別監測過載和短路。

當然,在選擇IC封裝的電流傳感器時,絕緣是必須考慮的因素。例如,在太陽能應用中,通常通過提高直流電壓來增加DC/AC的轉換效率,有時直流電壓要到1500V,以便提高DC/AC變換率,這勢必增加了對逆變器絕緣的要求。

通過加大原副邊之間的距離來增強原邊母排與IC部分的隔離,使得HMSR的絕緣電壓可以到4.95kVRMS(交流50 Hz 、1分鐘絕緣測試電壓),所有產品在出廠前100%通過絕緣檢測。HMSR的特殊管腳設計保證了PCB板上的爬電距離和電氣間隙為8mm。

按照IEC 62109-1(用于光伏發電系統的功率變換器的安全)標準的規定,如果降低爬電距離就需要較高的相對漏電起痕指數(CTI)。HMSR的CTI> 600,爬電距離8mm,那么HMSR的工作電壓可以到1600V,意味HMSR非常適合這種絕緣要求高的應用。

太陽能應用中還有另一個關鍵要求,設備需要耐受20kA的浪涌電流,以提供有效的雷電保護。HMSR直接安在裝組串回路中,需要能承受這么大的雷擊電流而不損壞。事實上,HMSR在設計上充分考慮到這個要求,并通過標準的8/20 uS浪涌測試。如下圖所示。

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圖10:太陽能應用中典型的過流浪涌曲線圖

為了方便客戶快速比較和測試新一代的傳感器,萊姆特意開發了HMSR測試板,可以根據要求提供樣品。

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圖11:可用于采樣的HMSR測試板


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編輯:中國電源產業網

來源: 作者:DamienLeterrier、ThomasHargé和StéphaneRollier /翻譯:成秋花/校對:李?,?

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