【導(dǎo)讀】隨著自動化和智能化在世界范圍的普及，電動車、工業(yè)自動化等產(chǎn)業(yè)進(jìn)化推動了市場對高壓功率系統(tǒng)的需求，人們對這些功率系統(tǒng)的效率和性能的要求也越來越嚴(yán)苛。如何高效、精確的控制、監(jiān)測和保護(hù)這些需要長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)變成了很多工程師的痛點(diǎn)，而這之中，隔離電流檢測又是最重要的一環(huán)。實(shí)現(xiàn)隔離電流檢測的方法有很多種，這當(dāng)中當(dāng)然要考慮包括隔離等級、性價(jià)比、效率、方案體積等多方面因素，也同時(shí)催生了不同方案的創(chuàng)新升級——基于霍爾效應(yīng)的隔離電流傳感器是當(dāng)中獨(dú)特的方案之一。
系統(tǒng)效率的提升尤為關(guān)鍵
對高壓系統(tǒng)需求的增長帶來更多的能源消耗，而成本、監(jiān)管和如功率密度等技術(shù)上的局限都對效率提出了更高的要求。很多系統(tǒng)比如電動車、工業(yè)馬達(dá)、甚至于一些家電都會在交直流轉(zhuǎn)換（AC-DC）或儲能的過程中造成不同程度的能源浪費(fèi)。以 2020 年美國數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器的耗電量為例，這些設(shè)備預(yù)計(jì)全年會消耗美國 23%的總耗電量，而它們的效率大概在 65%左右。即使它們的效率提高僅 0.5%，也可節(jié)省大概 8 億 5 千萬千瓦時(shí)的電量，這相當(dāng)于美國大約 8 萬戶家庭一年的用電總量。效率提升的意義由此可見一斑！
常用的儲能和交直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如不間斷電源（UPS）和 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，都要通過隔離電流檢測來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和診斷報(bào)錯功能；最常見的就是功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC）電路。圖 1 是一個(gè) PFC 電路的框圖，由圖可見在 AC 端需要做隔離電流檢測來監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)。變壓器是由這里檢測到的電流控制的，因此電流檢測的精度和產(chǎn)品生命周期內(nèi)的穩(wěn)定性在很大程度上會直接影響變壓器的效率和功率因數(shù)。
圖 1：帶隔離電流檢測的 PFC 電路框圖
性價(jià)比一直是傳統(tǒng)的隔離電流檢測的痛點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的基于霍爾效應(yīng)的開環(huán)電流傳感器實(shí)現(xiàn)起來很容易，也不需要再外加分立元件，成本上有優(yōu)勢；但這些方案的不足之處在于溫漂很大，測量不夠精確。而基于隔離分流電阻、或閉環(huán)磁傳感器的方案，精度很高，但實(shí)現(xiàn)起來需要更復(fù)雜的電路和分立元件，成本也很高。德州儀器（TI）最新推出的 TMCS1100 和 TMCS1101 系列產(chǎn)品則相對完美的解決的這一問題。這一系列產(chǎn)品既保留了開環(huán)霍爾電流傳感器易于使用的特點(diǎn)和成本優(yōu)勢，同時(shí)借用 TI 在高精度模擬信號鏈方面的專長采用了零溫漂的內(nèi)部信號鏈設(shè)計(jì)，使得電流檢測可達(dá)到總誤差在整個(gè)溫度范圍內(nèi)小于 1%的精度。
表 1 針對不同的隔離電流檢測方案做了一個(gè)簡單的對比。
TI 的 1 千瓦氮化鎵圖騰柱電源參考設(shè)計(jì)使用 TMCS1100 做電流檢測，在將系統(tǒng)尺寸做小的同時(shí)達(dá)到 0.98的功率因數(shù)和大于 99%的效率。同時(shí) TMCS1100 的低溫漂特性也將整個(gè)系統(tǒng)的總諧波失真降低了最多5%。
回到文章開頭美國服務(wù)器的例子，TMCS1100 系列通過自身的電氣隔離（Galvanic Isolation）將設(shè)備與交流電網(wǎng)隔離開來，在不增加成本的情況下能達(dá)到小于 0.5%的檢測溫漂從而提高效率。這樣一級一級的UPS、轉(zhuǎn)換器等設(shè)備累加起來，節(jié)省的能源和成本是相當(dāng)可觀的。
電氣化邊界的拓展成為可能
電氣化在提升產(chǎn)品性能、可靠性和優(yōu)化成本上有獨(dú)一無二的優(yōu)勢，但同時(shí)這些系統(tǒng)也對方案的尺寸和隔離等級提出了新的需求。很多現(xiàn)有的系統(tǒng)在高壓設(shè)計(jì)上由于需要很多器件同時(shí)完成隔離和電氣設(shè)計(jì)，占用了的大量的電路板面積和設(shè)計(jì)空間?；魻栯娏鱾鞲衅魇且粋€(gè)集隔離與傳感與一體的單芯片方案，很多產(chǎn)品都采用 5mmX6mm 的 8 引腳 SOIC 小封裝，這讓這一類方案在產(chǎn)品體積上有很大的優(yōu)勢。但市面上8 引腳 SOIC 封裝的霍爾傳感器一般都只有 400V 的工作隔離電壓，這在很多應(yīng)用場景是不能滿足需求的。比如對一個(gè) 400V 的高壓電池來說，有負(fù)載時(shí)它的瞬態(tài)電壓有可能達(dá)到 600V。又比如 240V 的交流電在整流后再經(jīng)過一次升壓，得到的直流電就可能從 340V 升到 600V。太陽能逆變器也是同理。圖 2 展示了幾個(gè)高壓超過 400V 的應(yīng)用實(shí)例。
圖 2：AC 整流器、太陽能逆變器示例
TI 的 TMCS1100 和 TMCS1101 系列產(chǎn)品通過在同樣的 8 引腳 SOIC 封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn) 600V 的工作隔離電壓，解決了其他霍爾電流傳感器這一常見的問題。TMCS1100 系列產(chǎn)品提供了比業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（如 UL-1577 和DIN VDE V 0884-11）更高的隔離電壓和高壓持續(xù)時(shí)間的余量（margin），從而使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)者無需為了更高的余量增加設(shè)計(jì)的體積和成本。
我們通常使用經(jīng)時(shí)擊穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB）來描述一個(gè)器件的使用壽命和其所承受的電壓的關(guān)系。圖 3 是 TMCS1100 系列產(chǎn)品的 TDDB 曲線，由圖可見其工作壽命區(qū)間遠(yuǎn)超 VDE標(biāo)準(zhǔn)的 26 年 + 20%的電壓余量。這一超長的工作壽命特性，與 3kVrms/60s 的基礎(chǔ)隔離、8 引腳 SOIC 封裝一道，使得這一系列產(chǎn)品成為直接接入電網(wǎng)、高儲能等高壓系統(tǒng)的理想器件。
圖 3：TMCS1100 經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB）曲線
功率系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升
電力系統(tǒng)都需要精確的反饋回路來達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。以電機(jī)控制系統(tǒng)為例（如圖 4 所示），為了精確的控制電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，電機(jī)控制算法需要實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確的獲得電機(jī)相電流的信息。這一電流反饋回路必須 1) 與高壓總線隔離，2) 能夠抑制電機(jī)驅(qū)動的 PWM 電壓對電流檢測輸出端的影響，同時(shí) 3) 滿足電機(jī)相與相之間電流測量的精度和匹配程度等需求。
圖 4：三相電機(jī)的相電流檢測
上面提到的三個(gè)考量因素當(dāng)中，電流測量的精度和匹配程度是現(xiàn)有開環(huán)霍爾電流傳感器的一大挑戰(zhàn)，而其中重要的一個(gè)制約因素就是溫漂。由于布板等各種現(xiàn)實(shí)因素的制約，不同電機(jī)的相與相之間所處的實(shí)際環(huán)境溫度可能不同，這就可能導(dǎo)致每一相本身的電流測量出現(xiàn)偏差，而相與相之間的差別可能更大。針對現(xiàn)有的霍爾電流傳感器的這一制約條件，一種常見的做法是做溫度補(bǔ)償和多點(diǎn)校準(zhǔn)，而無論是哪一種解決方法都會帶來額外的成本負(fù)擔(dān)。
TI 的 TMCS1100 系列產(chǎn)品在-40°C 到 125°C 的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，可以達(dá)到 <0.3%的靈敏度溫漂（sensitivity drift）和 0.04mA/°C 的失調(diào)電流溫漂（offset drift），使得這一系列產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用在不同的環(huán)境當(dāng)中。低溫漂、低失調(diào)電流（6mA）、高線性度（0.05%）這些特性的的組合，使 TMCS1100 成為高精度電流測量的一個(gè)理想選擇。表 2 和圖 5 以 TMCS1100A2QDR 為例，示例了如何通過其高精度特性，來實(shí)現(xiàn) <0.5%的全量程誤差。
表 2：TMCS1100 精度參數(shù)
圖 5：TMCS1100 總誤差曲線
在實(shí)現(xiàn)高精度測量的同時(shí)，TMCS1100 在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的穩(wěn)定性也比同類產(chǎn)品高約 3 倍；產(chǎn)品周期測試顯示，其靈敏度隨時(shí)間的漂移在 0.5%以內(nèi)。這一穩(wěn)定特性，結(jié)合之前提到的溫漂和精度，使得之前無法用簡單的開環(huán)霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)的高精度測量從此成為可能。
高壓系統(tǒng)監(jiān)測和診斷的完善
隨著“智能工廠”的普及和算力的高速增長，對系統(tǒng)能耗、性能、設(shè)備安全和老化程度、運(yùn)行狀態(tài)等特性的檢測和診斷正變得愈發(fā)重要。由于系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，如圖 6 所示的分布式多點(diǎn)電流檢測可高效的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但正如任何電子電力系統(tǒng)一樣，復(fù)雜度越高、監(jiān)測點(diǎn)越多，需要做的折衷考慮也就越多：測量精度、成本、設(shè)計(jì)尺寸、所用傳感器的數(shù)量和性能等等都是需要考慮的因素。前文我們已經(jīng)介紹過 TMCS1100 在各方面的特性和與同類產(chǎn)品的比較，它的測量準(zhǔn)確度和易于使用的特性使其在這種監(jiān)測和診斷的應(yīng)用中可以提供更好的折衷和性價(jià)比。
圖 6：分布式多點(diǎn)電流檢測在智能工廠中的應(yīng)用
另一種監(jiān)測場景是需要在多個(gè)設(shè)備當(dāng)中對單一設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測（如數(shù)據(jù)中心和通信設(shè)備等應(yīng)用中），從而達(dá)到全系統(tǒng)負(fù)載平衡和優(yōu)化的目的。這里的主要挑戰(zhàn)是在不同環(huán)境下，當(dāng)系統(tǒng)受環(huán)境本身的影響而表現(xiàn)不一致時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)自身能夠不受影響，從而真正檢測在不同環(huán)境下整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。圖 7 展示了 TMCS1100 在不同環(huán)境溫度下，由于其極低的溫漂，針對不同負(fù)載可以達(dá)到 <0.5%的全量程誤差的測量精度。
圖 7：TMCS1100 在功率測量中的精度曲線
整體而言，電流傳感器的低溫漂和高精度可以使系統(tǒng)監(jiān)測、診斷和保護(hù)得以檢測到更小的系統(tǒng)性能變化，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。也是出于同樣的原因，這一類產(chǎn)品也將越來越多的出現(xiàn)在大功率功能安全的冗余設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
總結(jié)
基于霍爾效應(yīng)的隔離電流傳感器一直以來都在高壓系統(tǒng)的電流檢測當(dāng)中扮演重要的角色，其應(yīng)用簡單直接，但市場上的傳統(tǒng)產(chǎn)品由于其精度、溫漂、隔離等級等特性的限制，在具體設(shè)計(jì)上都需要工程師做一定程度的權(quán)衡與取舍。TI 的 TMCS1100、TMCS1101 系列產(chǎn)品通過提升隔離等級、采用高精度信號鏈設(shè)計(jì)、極低的溫漂等特性，在傳統(tǒng)產(chǎn)品的易用性基礎(chǔ)上將性能提升了一個(gè)等級。這一升級對高壓電機(jī)、自
動化控制、分布式傳感器、功率系統(tǒng)等領(lǐng)域的性能提升，將產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。
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