Application of LEM Transducers in an Inverter

摘要：本文介紹了霍爾電流傳感器在通用變頻器中的作用，分析了設置傳感器的類型、方式、目的和需求，并介紹了傳感器的工作原理及作用。

關鍵詞：霍爾電流傳感器、變頻器。

   現今，新型功率半導體器件進入電力電子領域后，交流變頻調速、逆變裝置、開關電源等日漸普及，原有的電流、電壓檢出元件，已不適應中高頻的電流波形的檢測。為了自動檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發生時具有自動保護和更高級的智能控制，就必須使用具有高速度，高精度的檢測、采樣和保護的霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器模塊，是近十幾年發展起來的測量控制電流、電壓的新一代工業用電量傳感器。

   本文所述的變頻器是指適用于工業通用電機和變頻電機的普通通用變頻器。此類變頻器由于工業領域的廣泛使用已成為變頻器的主流。

   一般異步電機轉速與同步轉速存在一個滑差關系，調速的方法可改變電機定子頻率f、電機定子的繞組極對數P、轉差率S其中任意一種達到，對異步電機最好的方法是改變頻率f，實現調速控制。只要轉差率不太大，可以近似認為轉速n與f成正比，這就意味著連續平滑的改變電源頻率，就可以實現交流電動機大范圍的連續平滑調速。

   由以上分析可知通用變頻器對異步電機調速時，輸出頻率和電壓是按一定規律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電流不變，輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調速（VVVF）。而在額定頻率以上，電壓并不變，頻率的變化和輸出電流成正比。

   著變頻器應用越來越廣泛，變頻器的保護裝置顯得越來越重要。變頻器一般有過電流、過電壓、過載、缺相等保護，主要由不同功能的傳感器采樣到不同的模擬值，經過變換電路轉換成單片機適用的信號，由單片機來完成各種保護。其中電流傳感器在變頻器里的作用最為重要，通過它可以精確測定到當前變頻器的電流，對于變頻器的過電流、過載保護相當重要。

   電流傳感器在變頻器里的基本結構流程如下圖：
                 

圖1  電流傳感器在變頻器里的基本結構流程

 

   在有電流流過的導線周圍會感生出磁場，再用霍爾器件檢測由電流感生的磁場,即可測出產生這個磁場的電流的量值。由此就可以構成霍爾電流、電壓傳感器。因為霍爾器件的輸出電壓與加在它上面的磁感應強度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個具有乘法器功能的器件，并且可與各種邏輯電路直接接口，還可以直接驅動各種性質的負載。因為霍爾器件的應用原理簡單，信號處理方便，器件本身又具有一系列的獨特優點，所以在變頻器中也發揮了非常重要的作用。

   在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應時間短于1μs，因此，出現過載短路時，在晶體管未達到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護。

   霍爾電流傳感器按其工作模式可分為直接測量式和零磁通式，在變頻器中由于需要精準的控制及計算，因此選用了零磁通方式。將霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產生的磁場和被測電流產生的磁場方向相反，若滿足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時下式成立：

Io=Is(N2/N1)

   式中，I1為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數，I2為補償繞組中的電流，N2為補償繞組的匝數。由上式可知，達到磁平衡時，即可由Is及匝數比N2/N1得到Io。

霍爾電流傳感器的特點是可以實現電流的“無電位”檢測。即測量電路不必接入被測電路即可實現電流檢測，它們靠磁場進行耦合。因此，檢測電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測過程中，檢測電路與被檢電路互不景響。
               

 

 

圖2 霍爾工作原理

圖３  電流傳感器在變頻器里的工作流程

   現階段，小功率變頻器使用的電流檢測技術比較流行的有兩種，一種是采樣大功率精密電阻來進行電流采樣，通過運放電路輸入到MCU的檢測方法（簡稱電阻采樣方式），另一種是采樣霍爾傳感器方式，通過霍爾電流傳感器輸出的電壓信號，經過處理后輸入到MCU的檢測方法。（簡稱霍爾采樣方式）

   電阻采樣方式的最大優點就是成本低，適用性好，可以根據不同情況來設計自己的電路，達到最佳效果。但是其缺點也很多，最主要的是響應速度慢，運算電路比較多，容易受到干擾，還有就是大功率精密電阻的溫漂很嚴重，在一些特定應用場合不適用。

霍爾采樣方式的優點是：響應時間短，溫漂小，檢測出來的電路線性度很好，而且外部應用電路簡單，可靠耐用，缺點就是價格偏高，而且體積偏大。

   在小功率變頻器應用中，霍爾采樣方式有著明顯的優勢，隨著霍爾電流傳感器的不斷發展，出現了如ASIC模塊化的IC技術，霍爾器件內部電路的多功能化等等，使霍爾電流傳感器的體積不斷縮小，價格也越來越合理。通過不斷改進，霍爾電流傳感器在小功率變頻器里的優勢越來越明顯，應用也越來越廣泛。
           

圖4  電阻采樣方式在變頻器里的工作流程

圖5  霍爾采樣方式在變頻器里的工作流程

   ASIC技術

   ASIC（Application Specific Integrated Circuit ）是指在一塊專用芯片中集成電路, 實現完整的電路功能。從根本上說，ASIC是一種專為某種特定應用而制造的芯片。ASIC可以將需要許多芯片完成的工作集成到一個單獨的、體積更小、速度更快的模塊上，以減少制造和支持費用，同時提高了使用ASIC設備的速度。

   由于采用了ASIC技術，LEM在設計應用模塊的時候采用了5V單電源供電的運算系統，替換了傳統的±15V供電的內部運算放大器，大大方便了設計時候與MCU或DSP的電壓等級兼容。這個設計不僅方便了用戶使用，也節約電流傳感器的控制口線，為補償系統節約了寶貴的腳位。

   ASIC可以工作在自己內部精確固定的內部參考電壓（2.5V），也可以工作在外部參考電壓（Vref），外部參考電壓在2V～2.8V之間。在應用內部參考電壓的時候，需要在此管腳單立并最少接入200kΩ的負載阻抗。這個參考電壓可以在任何時候被MCU監控補償傳感器的初始偏置。

外部參考電壓通常被用來與參考管腳互聯。這個外部參考可以來自MCU或者ADC。MCU可以通過ASIC實時檢測此參考（可以隨時補償其漂移）。

   將參考管腳連接到外部參考電壓時，外部參考電壓范圍在2V～2.8V之間，而傳感器的測量的最大范圍是：

Vout＝Vref±0.625×I_P/I_PN

   由于電流最大測量值為額定的3倍，所以在最大輸出的電壓值約在0.5V～4.5V之間，所以當外部參考電壓為2V的時候，測量范圍是：

正：4.5V－2V=2.5V     負：0.5V－2V=－1.5V

   所以，此時的負極測量范圍無法達到滿量程。

同樣的：當外部參考電壓為2.8 V時，測量范圍是：

正：4.5V－2.8V=1.7V   負：0.5V－2.8V=－2.3V

   所以，此時的正極測量范圍也無法達到滿量程。

   因此外部電壓參考是個很靈活的設置，在一些特定使用條件下，可以調節其外部參考電壓來達到抑止溫漂和增益的目的。但是，通過上面計算，可以看出，在調節到極限偏置的時候，是會犧牲微量的過載能力的。

   ASIC的設計具有高度EMC性能，對dv/dt有著高度的免疫和抵抗性，相對常規的電流傳感器對環境的影響更小。在變頻器里通常dv/dt是由高速開關器件（IGBT）造成的。在高達20kHZ的頻率下，對變頻器的傳感器產生比較大的干擾，嚴重的時候會影響變頻器過電流保護的誤動作，應用ASIC的技術的傳感器就可以達到很好的設計效果。

   基于以上優點，LEM的HXS系列傳感器（應用ASIC技術）在小功率變頻器里應用，對于常規技術的傳感器有著一定的先天優勢。

LEM三種傳感器參數對比表：

	傳統開環電流傳感器 （HY型號）	傳統開環電流傳感器 （HTB型號）	開環ASIC傳感器 （HXS型號）
消耗	+10mA	+15mA	+22mA
工作溫度	-10℃ to +80℃	-20℃ to +80℃	-40℃ to +85℃
偏置漂移	0.075%/K	0.005%/K	0.032%/K
線性度	1%	1%	0.5%
增益漂移	0.1%/K	0.1%/K	0.05%/K
相應時間 @ 90% of IPN	3us	3us	5us
噪聲	10mVpp	10mVpp	20mVpp（高頻）

 

   由于小功率變頻器的載波頻率（10kHZ～20kHZ）相對大功率變頻器（3kHZ～5kHZ）來說一般都較高，所以對傳感器的EMC性能有比較高的要求。擁有ASIC技術的HXS系列傳感器將擁有很大的優勢，并且，小功率變頻器由于市場需求量大，批量生產程度化高，就要求其故障率必須在一個很低的范圍內。因此，對于小功率變頻器的保護尤其重要，除了小功率變頻器最重要的短路保護，還必須提高其電流的精確度，應當有效抑制電流的溫漂和擾動，所以HXS系列傳感器有著獨特的優勢，應用其參考電壓設置，可以達到理想的效果。
     

圖6  HXS系列霍爾電流傳感器的應用圖

   LEM公司的HXS系列電流傳感器是單端供電0/5V，可以輸出內部參考電壓Ref輸出模式；外部電源給傳感器提供參考電壓,即Ref輸入模式；高溫度穩定性和微小溫度漂移；低能量損耗；快速的響應時間，寬廣的測量范圍；易于安裝；是有競爭力且高性價比的成本控制解決方案。

   陳顯舟,王培清,周偉松  晶閘管智能模塊中的微型霍爾電流傳感器的設計  電力電子技術2004/05