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現(xiàn)代的功率變換系統(tǒng)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(lǐng)域的先導(dǎo)者瑞士萊姆公司利用多年的豐富經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了單芯片封裝的傳感器---HMSR。

傳統(tǒng)的電流測(cè)量方式是使用開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器。電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)由磁芯聚磁，霍爾元件感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量。近來(lái)，帶有高級(jí)補(bǔ)償技術(shù)的專用ASIC技術(shù)方案幫助提高了電流測(cè)量的總體精度。

圖1 采用傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)芯片或?qū)Ｓ肁SIC的開(kāi)環(huán)技術(shù)原理

萊姆在十年前率先在LTSR產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了傳感器小型化。當(dāng)時(shí)，為了確保性能優(yōu)勢(shì)的最好方法是采用閉環(huán)霍爾效應(yīng)技術(shù)，萊姆設(shè)計(jì)了定制化閉環(huán)ASIC。隨著ASIC技術(shù)的發(fā)展，霍爾開(kāi)環(huán)傳感器也有了專用的ASIC，使得開(kāi)環(huán)傳感器的性能接近閉環(huán)技術(shù)所能達(dá)到的水平。開(kāi)環(huán)ASIC技術(shù)不僅在體積小型化上更容易實(shí)現(xiàn)，而且能滿足市場(chǎng)對(duì)成本優(yōu)勢(shì)的要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。

圖2 近十年來(lái)電流傳感器尺寸的變化

這十年來(lái)，使用霍爾開(kāi)環(huán)ASIC技術(shù)的HLSR系列傳感器已經(jīng)在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，不僅在零點(diǎn)和漂移方面具有很好的表現(xiàn)，而且還具有優(yōu)異的響應(yīng)時(shí)間，較小的封裝尺寸，只有幾個(gè)毫米的高度很適合PCB安裝。 

LEM利用多年積累的大量專業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了HMSR，這是一種更先進(jìn)的電流傳感器，滿足了市場(chǎng)持續(xù)對(duì)降低成本、提高性能和微型化的需求。

圖3 HMSR電流傳感器 

隨著這個(gè)新系列傳感器的出現(xiàn)，LEM正在擴(kuò)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(cè)量。新的HMSR產(chǎn)品，集成了原邊導(dǎo)體（功率損耗最小化）、一個(gè)微型磁芯和一個(gè)定制的ASIC，允許直接接入電流進(jìn)行測(cè)量，并且保證一定的絕緣性能。 

此新產(chǎn)品系列囊括了六個(gè)不同的額定電流等級(jí)：6A、8A、10A、15A、20A和30A， 測(cè)量范圍可達(dá)額定電流的2.5倍，采用SOIC 16封裝。標(biāo)準(zhǔn)型的產(chǎn)品提供了不同靈敏度級(jí)別的模擬電壓輸出，其中5V供電電源版的對(duì)應(yīng)輸出電壓是800mV@IPN。 

HMSR設(shè)置兩個(gè)OCD（過(guò)流檢測(cè)）功能，將控制回路與保護(hù)回路分離。分別設(shè)定兩個(gè)不同的引腳給兩個(gè)OCD， 一個(gè)為內(nèi)部OCD，過(guò)流限值設(shè)為2.93xIPN，另一個(gè)是外部OCD，過(guò)流限值可以根據(jù)實(shí)際情況由使用者調(diào)節(jié)。 

然而，HMSR傳感器不應(yīng)視為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)霍爾ASIC的傳感器。HMSR獨(dú)特的初級(jí)導(dǎo)體設(shè)計(jì)，允許流過(guò)更大的過(guò)載電流，并且保持高水平的絕緣性能，這得益于內(nèi)部集成了磁性材料的磁路，這種結(jié)構(gòu)對(duì)電力電子應(yīng)用中存在的外部不均勻磁場(chǎng)具有良好的免疫力，使得HMSR能夠在高干擾的環(huán)境中使用。 

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

這種專用的ASIC設(shè)計(jì)結(jié)合了旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部溫度補(bǔ)償（EE-PROM）技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，改進(jìn)了增益和零點(diǎn)漂移。實(shí)現(xiàn)了-40°C到+125°C溫度范圍內(nèi)的高精度，額定電流時(shí)的精度典型值為0.5%（HMSR 20-SMS型號(hào)）。在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，如太陽(yáng)能逆變器或驅(qū)動(dòng)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(chǎn)品相比，HMSR極大地提高了整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度。下圖顯示了HMSR 20-SMS在整個(gè)溫度范圍內(nèi)（-40°C到+125°C）極其良好的線性度和總精度。

圖4 HMSR20-SMS型號(hào)在-40°C到+125°C范圍內(nèi)的典型總體精度和線性度 

圖5 HMSR響應(yīng)時(shí)間

然而，如果沒(méi)有快速的響應(yīng)時(shí)間做支撐，只有高精度依然美中不足。目前，快速I(mǎi)GBT，比如SiC，可以工作在更快的開(kāi)關(guān)頻率下–HMSR已經(jīng)通過(guò)實(shí)際測(cè)試，可滿足此類苛刻的要求，其響應(yīng)時(shí)間低于2μs（見(jiàn)圖5）。

 在多個(gè)應(yīng)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(jié)省空間。HMSR的高度僅6mm，在應(yīng)用中顯著節(jié)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(jiàn)下圖）。

圖6 HMSR 與IPM的安裝圖例 

HMSR的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是太陽(yáng)能領(lǐng)域的應(yīng)用。 

特別是最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），它是太陽(yáng)能逆變系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，跟蹤好了可以最大限度地利用光伏板（PV）產(chǎn)生的電能。它會(huì)根據(jù)溫度、陽(yáng)光和系統(tǒng)的總阻抗來(lái)調(diào)節(jié)電流和電壓。當(dāng)有微小擾動(dòng)信號(hào)注入時(shí)（利用擾動(dòng)觀測(cè)法），控制系統(tǒng)持續(xù)分析系統(tǒng)輸出。然后，MPPT分析產(chǎn)生的功率（通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓和電流信號(hào)），并推導(dǎo)出要改變的參數(shù)，以達(dá)到MPPT（最大功率點(diǎn)）。MPPT通過(guò)改變脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)得到DC/DC變換器的合適電壓。

圖7 最大功率點(diǎn) 

圖8 MPPT架構(gòu)

精度越高、噪音越低，MPPT的性能越好。利用萊姆先進(jìn)的ASIC，HMSR提供了非常精確和低噪聲的信號(hào)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳水平。 

更重要的是，組串電流的檢測(cè)使得多串間的比較，以及發(fā)現(xiàn)PV板接線錯(cuò)誤、污垢和由樹(shù)木產(chǎn)生的陰影等異常成為可能。因此，HMSR的卓越精度可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)組串間的比較。 

另外，MPPT中的DC/DC變換器采用高頻調(diào)節(jié)（大約80kHz），容易產(chǎn)生較高的dV/dt，對(duì)電子元器件有害。由于其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，使得HMSR在這樣的噪聲環(huán)境中有很顯著的抵抗能力，這種能力用dV/dt測(cè)試很容易得到驗(yàn)證。 

下圖顯示了HMSR 20-SMS在+/-1000V的dV/dt脈沖電壓測(cè)試中的表現(xiàn)，擾動(dòng)很低，產(chǎn)生的誤差僅為滿量程的3%，恢復(fù)時(shí)間為3.8μs。

圖9 施加dV/dt以后，HMSR輸出產(chǎn)生的誤差 

HMSR帶有兩個(gè)OCD功能，用于逆變器中短路和過(guò)載時(shí)保護(hù)晶體管。這種檢測(cè)和保護(hù)功能在許多應(yīng)用中都很重要，如HVAC中的直流環(huán)節(jié)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。現(xiàn)代的變頻器（VFDs）都引入了電機(jī)過(guò)載算法，HMSR的OCD功能可以使檢測(cè)更容易，以防設(shè)備過(guò)熱。兩個(gè)OCD功能的設(shè)置可以分別監(jiān)測(cè)過(guò)載和短路。 

當(dāng)然，在選擇IC封裝的電流傳感器時(shí)，絕緣是必須考慮的因素。例如，在太陽(yáng)能應(yīng)用中，通常通過(guò)提高直流電壓來(lái)增加DC/AC的轉(zhuǎn)換效率，有時(shí)直流電壓要到1500V，以便提高DC/AC變換率，這勢(shì)必增加了對(duì)逆變器絕緣的要求。 

通過(guò)加大原副邊之間的距離來(lái)增強(qiáng)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50Hz、1分鐘絕緣測(cè)試電壓），所有產(chǎn)品在出廠前100%通過(guò)絕緣檢測(cè)。HMSR的特殊管腳設(shè)計(jì)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(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的安全）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如果降低爬電距離就需要較高的相對(duì)漏電起痕指數(shù)（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(yīng)用。 

太陽(yáng)能應(yīng)用中還有另一個(gè)關(guān)鍵要求，設(shè)備需要耐受20kA的浪涌電流，以提供有效的雷電保護(hù)。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(shí)上，HMSR在設(shè)計(jì)上充分考慮到這個(gè)要求，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的8/20μs浪涌測(cè)試。如下圖所示。

圖10 太陽(yáng)能應(yīng)用中典型的過(guò)流浪涌曲線圖 

為了方便客戶快速比較和測(cè)試新一代的傳感器，萊姆特意開(kāi)發(fā)了HMSR測(cè)試板，可以根據(jù)要求提供樣品。

圖11 可用于采樣的HMSR測(cè)試板 

HMSR主要技術(shù)參數(shù)