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以霍尔效应电流感测器简化高电压感测
 

【作者: 德州儀器】2024年03月27日 星期三

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在电动车(EV)充电和太阳能逆变器系统中,电流感测器会透过监测分流电阻器中的压降,或是流过导体电流所产生的磁场来量测电流。这些高压系统使用电流资讯来控制与监测电源转换、充电与放电。


霍尔效应和分流式电流感测器是需要电流感测的最常用技术之一。但目前在高压应用中的霍尔效应感测器使用仍存在许多问题。本文探讨各种拓扑的选择考量,并特别说明能在高压应用中实现霍尔效应电流感测器使用,进而简化电流感测的电流创新。



图一 :  霍尔效应和分流式电流感测器是需要电流感测的最常用技术之一。(source:德州仪器)
图一 : 霍尔效应和分流式电流感测器是需要电流感测的最常用技术之一。(source:德州仪器)

分流式与霍尔效应式电流感测

分流式电流感测器在整个电流范围中通常比霍尔效应电流感测器来得准确。运用稳 定放大器技术或精确类比数位转换器(ADC)和精密分流电阻器,工程师可在整个电流量测范围、温度和使用寿命中,实现低於 1% 漂移的高准确度。分流式感测器在车用牵引逆变器、伺服驱动器与EV充电基础架构应用中广为使用。


放大器与精确ADC通常会监测分流电阻器中是否发生压降,并提供成比例的输出。每个电流感测解决方案都拥有不同的操作电压、偏移、漂移、频宽和使用便利 相关功能。分流式系统有几个限制因素:因装置架构而常有较长传播延迟,此外设 计复杂程度也较高,例如高侧与低侧电源。您也需仔细考虑分流式装置的分流电阻 器叁数与功耗。


封装霍尔效应电流感测器通常比分流式解决方案更符合成本效益、传播延迟较快,系统设计也更加简单。运用封装解决方案,电流会流过导线架上的封装,不仅可消除对精确电阻器的需求,也可减少成本和物料清单。此外,无需高侧或低侧电源供应,也可使用单一低侧电源供应器来为霍尔效应电流供电,进一步降低设计复杂性。


创新简化高电压电流感测

虽然霍尔效应电流感测器有如此多优点,这些装置仍因在各种温度与使用寿命下的高度漂移特性,而不受多数设计人员重视。由於电子与隔离衰退,霍尔效应电流感测器会在使用寿命期间产生显着漂移。


为解决这些缺点,TI开发能将TMCS1123霍尔效应电流感测器使用寿命灵敏度漂移误差大幅降低至+/-0.5%的解决方案,让工程人员能够设计在系统寿命期间需要较少校验或维修的高电压系统。并在使用寿命与各种温度下的最大灵敏度总误差降低至+/-1.75%,帮助提升效率并减少昂贵的系统校验。此外,TMCS1123拥有差动霍尔效应感测功能,可大幅降低磁场干扰或串音,并提供过电流侦测、准确电压叁考和感测器警示等其他功能。(图二)



图二 : TMCS1123方块图(source:德州仪器)
图二 : TMCS1123方块图(source:德州仪器)

TMCS1123也可处理霍尔效应感测器的其他常见限制,例如导线架电阻和矽晶散热限制等影响装置可处理电流量的限制。TMCS1123可在25。C下提供75 ARMS,并在各种温度范围与使用寿命中实现+/-1.75%灵敏度误差,是可在系统生命周期中提供高度准确性的解决方案。


电流感测设计考量

为系统选择电流感测器时有几个主要考量:首先,准确度不仅为重要考量,也是决定可行技术时最先定义的叁数之一。二是功率额定值是前述所有技术的关键;系统电压与电流位准必须在装置指定叁数范围内,以进行安全有效的操作。


频宽和速度是主动控制太阳能隔离式DC/DC转换器等切换系统的必要因素。设计复杂性则是另一个重要因素:霍尔效应电流感测器可在装置限制内轻松运用在各种电压位准上,且无需其他电源供应或元件。


结论

电动车充电器和太阳能逆变器等高电压系统对高准确度电流量测的需求不断增长,高电压应用中的多个设计挑战也让系统变得更加复杂,设计费用也更加高昂。运用TMCS1123 等电流感测装置,将可准确感测电动车充电器等高电压应用中的电流,并可限制设计复杂性、快速解决设计问题。


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