功率变换系统中电流传感器小型化趋势

厂商:莱姆电子(中国)有限公司
  点击数:99  发布时间:2020-06-30 11:38
现代的功率变换系统与比前一代比,必须更高效、小巧和便宜。为此,全球电量传感器领域的先导者瑞士莱姆公司利用多年的丰富经验开发了单芯片封装的传感器---HMSR。
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现代的功率变换系统与比前一代比,必须更高效、小巧和便宜。为此,全球电量传感器领域的先导者瑞士莱姆公司利用多年的丰富经验开发了单芯片封装的传感器---HMSR。

传统的电流测量方式是使用开环霍尔效应传感器。电流产生的磁场由磁芯聚磁,霍尔元件感应磁场强度来测量。近来,带有高级补偿技术的专用ASIC技术方案帮助提高了电流测量的总体精度。

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图1 采用传统的霍尔效应芯片或专用ASIC的开环技术原理

莱姆在十年前率先在LTSR产品中实现了传感器小型化。当时,为了确保性能优势的最好方法是采用闭环霍尔效应技术,莱姆设计了定制化闭环ASIC。随着ASIC技术的发展,霍尔开环传感器也有了专用的ASIC,使得开环传感器的性能接近闭环技术所能达到的水平。开环ASIC技术不仅在体积小型化上更容易实现,而且能满足市场对成本优势的要求,同时结构简单,功耗低。

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图2 近十年来电流传感器尺寸的变化

这十年来,使用霍尔开环ASIC技术的HLSR系列传感器已经在实际中得到了广泛应用,不仅在零点和漂移方面具有很好的表现,而且还具有优异的响应时间,较小的封装尺寸,只有几个毫米的高度很适合PCB安装。 

LEM利用多年积累的大量专业知识和设计经验,创造了HMSR,这是一种更先进的电流传感器,满足了市场持续对降低成本、提高性能和微型化的需求。

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图3 HMSR电流传感器 

随着这个新系列传感器的出现,LEM正在扩展其它微型化的电流传感器,用于交流和直流电流的隔离测量。新的HMSR产品,集成了原边导体(功率损耗最小化)、一个微型磁芯和一个定制的ASIC,允许直接接入电流进行测量,并且保证一定的绝缘性能。 

此新产品系列囊括了六个不同的额定电流等级:6A、8A、10A、15A、20A和30A, 测量范围可达额定电流的2.5倍,采用SOIC 16封装。标准型的产品提供了不同灵敏度级别的模拟电压输出,其中5V供电电源版的对应输出电压是800mV@IPN。 

HMSR设置两个OCD(过流检测)功能,将控制回路与保护回路分离。分别设定两个不同的引脚给两个OCD, 一个为内部OCD,过流限值设为2.93xIPN,另一个是外部OCD,过流限值可以根据实际情况由使用者调节。 

然而,HMSR传感器不应视为简单的开环霍尔ASIC的传感器。HMSR独特的初级导体设计,允许流过更大的过载电流,并且保持高水平的绝缘性能,这得益于内部集成了磁性材料的磁路,这种结构对电力电子应用中存在的外部不均匀磁场具有良好的免疫力,使得HMSR能够在高干扰的环境中使用。 

HMSR中加入的磁路也是提高带宽的关键因素,带宽可达270kHz(-3dB),同时起到对外磁场的良好抑制作用。 

这种专用的ASIC设计结合了旋转和内部温度补偿(EE-PROM)技术,经现场验证,改进了增益和零点漂移。实现了-40°C到+125°C温度范围内的高精度,额定电流时的精度典型值为0.5%(HMSR 20-SMS型号)。在功率转换应用中,如太阳能逆变器或驱动器等,都要求高效率,这就要求控制回路必须精确。 

与上一代产品相比,HMSR极大地提高了整个温度范围内的精度。下图显示了HMSR 20-SMS在整个温度范围内(-40°C到+125°C)极其良好的线性度和总精度。

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图4 HMSR20-SMS型号在-40°C到+125°C范围内的典型总体精度和线性度 

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图5 HMSR响应时间

然而,如果没有快速的响应时间做支撑,只有高精度依然美中不足。目前,快速IGBT,比如SiC,可以工作在更快的开关频率下–HMSR已经通过实际测试,可满足此类苛刻的要求,其响应时间低于2μs(见图5)。

 在多个应用中,HMSR传感器可以像SO16 SMD器件一样直接安装在电路板上,从而降低制造成本和节省空间。HMSR的高度仅6mm,在应用中显著节省了空间,可方便安装在智能功率模块(IPMs)所带的散热片下面(见下图)。

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图6 HMSR 与IPM的安装图例 

HMSR的另一个显著优势是太阳能领域的应用。 

特别是最大功率点跟踪(MPPT),它是太阳能逆变系统中的一个重要环节,跟踪好了可以最大限度地利用光伏板(PV)产生的电能。它会根据温度、阳光和系统的总阻抗来调节电流和电压。当有微小扰动信号注入时(利用扰动观测法),控制系统持续分析系统输出。然后,MPPT分析产生的功率(通过监测电压和电流信号),并推导出要改变的参数,以达到MPPT(最大功率点)。MPPT通过改变脉宽调制(PWM)来得到DC/DC变换器的合适电压。

 

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图7 最大功率点 

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图8 MPPT架构

精度越高、噪音越低,MPPT的性能越好。利用莱姆先进的ASIC,HMSR提供了非常精确和低噪声的信号,使系统运行在最佳水平。 

更重要的是,组串电流的检测使得多串间的比较,以及发现PV板接线错误、污垢和由树木产生的阴影等异常成为可能。因此,HMSR的卓越精度可以用来实现多个组串间的比较。 

另外,MPPT中的DC/DC变换器采用高频调节(大约80kHz),容易产生较高的dV/dt,对电子元器件有害。由于其坚固的设计,使得HMSR在这样的噪声环境中有很显著的抵抗能力,这种能力用dV/dt测试很容易得到验证。 

下图显示了HMSR 20-SMS在+/-1000V的dV/dt脉冲电压测试中的表现,扰动很低,产生的误差仅为满量程的3%,恢复时间为3.8μs。

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图9 施加dV/dt以后,HMSR输出产生的误差 

HMSR带有两个OCD功能,用于逆变器中短路和过载时保护晶体管。这种检测和保护功能在许多应用中都很重要,如HVAC中的直流环节或电机驱动器。现代的变频器(VFDs)都引入了电机过载算法,HMSR的OCD功能可以使检测更容易,以防设备过热。两个OCD功能的设置可以分别监测过载和短路。 

当然,在选择IC封装的电流传感器时,绝缘是必须考虑的因素。例如,在太阳能应用中,通常通过提高直流电压来增加DC/AC的转换效率,有时直流电压要到1500V,以便提高DC/AC变换率,这势必增加了对逆变器绝缘的要求。 

通过加大原副边之间的距离来增强原边母排与IC部分的隔离,使得HMSR的绝缘电压可以到4.95kVRMS(交流50Hz、1分钟绝缘测试电压),所有产品在出厂前100%通过绝缘检测。HMSR的特殊管脚设计保证了PCB板上的爬电距离和电气间隙为8mm。

按照IEC 62109-1(用于光伏发电系统的功率变换器的安全)标准的规定,如果降低爬电距离就需要较高的相对漏电起痕指数(CTI)。HMSR的CTI>600,爬电距离8mm,那么HMSR的工作电压可以到1600V,意味HMSR非常适合这种绝缘要求高的应用。 

太阳能应用中还有另一个关键要求,设备需要耐受20kA的浪涌电流,以提供有效的雷电保护。HMSR直接安在装组串回路中,需要能承受这么大的雷击电流而不损坏。事实上,HMSR在设计上充分考虑到这个要求,并通过标准的8/20μs浪涌测试。如下图所示。

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图10 太阳能应用中典型的过流浪涌曲线图 

为了方便客户快速比较和测试新一代的传感器,莱姆特意开发了HMSR测试板,可以根据要求提供样品。

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图11 可用于采样的HMSR测试板 

HMSR主要技术参数 

IPN

6..30A

IPM测量范围)

15..75A

AC绝缘试验(50Hz1 分钟)

4.95kV

冲击耐受电压

8kV

dCp/dCImm

8/8

工作温度范围

-40°C…+125°C

电源电压

5V

响应时间

2μs

带宽

>270kHz

过流检测

x2


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