安全和精確電流感應(yīng)的傳感器選擇

電流測(cè)量是電力電子的一個(gè)組成部分。電源設(shè)計(jì)人員、電池管理系統(tǒng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器通常需要準(zhǔn)確測(cè)量電流。電流傳感器(不要與電流互感器混淆)可以測(cè)量直流和交流。電流傳感器通?；陂]環(huán)霍爾效應(yīng)或閉環(huán)磁通門(mén)技術(shù)。通常，無(wú)論電源電壓如何，電源要求都低于 30 mA。電流隔離是驅(qū)動(dòng)電流傳感器選擇的關(guān)鍵特性。電流傳感器的初級(jí)和次級(jí)電路通過(guò)磁鐵彼此電氣隔離。這允許較高的初級(jí)電位 (480 V)，而次級(jí)是較低的控制電壓 (±15 V 或 5 V)。

測(cè)量技術(shù)

電流傳感器可以是開(kāi)環(huán)或閉環(huán)。強(qiáng)度信息被轉(zhuǎn)換成與初級(jí)電流成比例的輸出電壓或電流。開(kāi)發(fā)的第一個(gè)電流傳感器是開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)，包括磁路、霍爾元件和放大器。開(kāi)環(huán)電流傳感器通常是電池供電電路的首選，因?yàn)樗鼈兊墓β室蟮颓页叽缧　?

閉環(huán)傳感器在輸出端增加了一個(gè)次級(jí)繞組。該次級(jí)繞組以這樣的方式纏繞在磁路周?chē)?，即次?jí)電流產(chǎn)生與初級(jí)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)。閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是幾乎沒(méi)有寄生電流，并且不受增益隨溫度和更高帶寬變化的影響。如此描述的模型提供了一個(gè)與輸入電流成比例的電流源，其增益由次級(jí)繞組上的匝數(shù)決定。閉環(huán)傳感器提供良好的電氣絕緣，在高精度至關(guān)重要時(shí)是最佳選擇。它們提供快速響應(yīng)、高線性度和低溫漂。

閉環(huán)磁通門(mén)測(cè)量技術(shù)通過(guò)磁通門(mén)檢測(cè)器(位于磁路空白空間中的繞組)基本上消除了霍爾效應(yīng)。方波電壓對(duì)磁通門(mén)磁芯施加壓力。測(cè)量感應(yīng)電流，當(dāng)電流達(dá)到一定閾值時(shí)，方波周期發(fā)生變化。方波的占空比與初級(jí)電流成正比。磁通門(mén)技術(shù)是數(shù)字技術(shù)，具有內(nèi)部時(shí)鐘，可以表現(xiàn)為時(shí)鐘噪聲。然而，噪聲遠(yuǎn)高于換能器帶寬。與基于霍爾效應(yīng)的器件相比，磁通門(mén)傳感器具有較低的初始偏移，并且隨著溫度的變化表現(xiàn)出較低的偏移漂移。

開(kāi)路與閉路檢測(cè)的選擇歸結(jié)為所需的精度和響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于需要高精度的應(yīng)用，閉環(huán)電流傳感器通常是顯而易見(jiàn)的選擇，因?yàn)樗朔蔷€性靈敏度誤差。閉合電路的快速響應(yīng)時(shí)間對(duì)于保護(hù)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是必要的，例如用于控制應(yīng)用中電流的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和 MOSFET。

Allegro MicroSystems 憑借其 ACS720 開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，可提供具有小尺寸、高精度和速度的開(kāi)環(huán)解決方案。ACS720 支持比閉環(huán)解決方案更少的電流，但價(jià)格更低，使其成為各種應(yīng)用的合理選擇。

閉環(huán)布局

Danisense 推出了 DC200IF，這是一款面向工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用的高精度和高穩(wěn)定性的 200-A 電流轉(zhuǎn)換器。該公司表示，其新型電流測(cè)量解決方案的性價(jià)比使其特別適用于醫(yī)療電源、電池充電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

Danisense 電流傳感器技術(shù)基于以磁通門(mén)作為磁場(chǎng)檢測(cè)器的閉環(huán)系統(tǒng)。由初級(jí)電流 (Ip) 產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)被積分器產(chǎn)生的次級(jí)補(bǔ)償電流 (Is) 中和。磁通門(mén)檢測(cè)環(huán)形線圈中的磁場(chǎng)并將其傳送給電子設(shè)備。在較高的頻率下，反饋繞組 (Nfb) 檢測(cè)環(huán)形線圈中 ppm 級(jí)的磁場(chǎng)，并告訴積分器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。因此，次級(jí)電流 (Is) 與初級(jí)電流 (Ip) 成比例，比例為 Np:Ns。

其他關(guān)鍵應(yīng)用包括磁共振設(shè)備、粒子加速器中的磁場(chǎng)功率和腎上腺治療設(shè)備。DC200IF 具有出色的線性度 (6 ppm)，最大偏移為 5 ppm，相當(dāng)于 1.5 mA。這些裝置提供直流和交流電流測(cè)量，絕對(duì)精度為 ±0.1 kHz 至 5 kHz。它們具有低噪聲水平和高抗 EMI 能力。

CERN 團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)電源時(shí)使用了 Danisense 換能器，這些電源是加速器鏈的一部分，將光束注入歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。CERN 團(tuán)隊(duì)要求的苛刻規(guī)范包括對(duì)幾毫特斯拉的磁場(chǎng)抗擾度(可能存在于某些位置)以及寬度帶寬為 1 MHz 的嚴(yán)格噪聲控制。

LEM 發(fā)布了 LZSR 系列 PCB 傳感器，用于對(duì)標(biāo)稱 100 A 至 200 A 的 DC、AC 和脈沖電流進(jìn)行非侵入式和隔離式測(cè)量。三款新型號(hào)——LZSR 100-P、LZSR 150-P 和 LZSR 200-P——適合需要低偏移漂移的應(yīng)用。LEM 傳感器(圖 5)基于 LEM ASIC 中的技術(shù)，并使用閉環(huán)技術(shù)和霍爾效應(yīng)來(lái)包含高達(dá) 3 ppm/K 的 VREF 偏移。新的 LZSR 系列在 100、150 和 200 A 的額定電流和 –40°C 至 85°C 的溫度范圍內(nèi)利用了這些優(yōu)勢(shì)。與使用傳統(tǒng)芯片的上一代電流傳感器相比，偏移量最多低 7 倍。

無(wú)論是運(yùn)輸還是工業(yè)應(yīng)用，控制電力電子系統(tǒng)(如變頻器、牽引變流器、UPS 系統(tǒng)和焊接系統(tǒng))都需要能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)和測(cè)量電流。由于電流傳感器在不中斷電路的情況下使用磁場(chǎng)來(lái)確定導(dǎo)體的電流，因此它們確保了安全的測(cè)量過(guò)程。