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Application of LEM Transducers in an Inverter
黃長貴(德力西變頻器)
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(shè)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(guān)鍵詞：霍爾電流傳感器、變頻器。
引言
現(xiàn)今，新型功率半導體器件進入電力電子領(lǐng)域后，交流變頻調(diào)速、逆變裝置、開關(guān)電源等日漸普及，原有的電流、電壓檢出元件，已不適應(yīng)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(fā)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(fā)展起來的測量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器。
1、變頻器的基本工作原理及結(jié)構(gòu)
本文所述的變頻器是指適用于工業(yè)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(yè)領(lǐng)域的廣泛使用已成為變頻器的主流。
一般異步電機轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速存在一個滑差關(guān)系，調(diào)速的方法可改變電機定子頻率f、電機定子的繞組極對數(shù)P、轉(zhuǎn)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(xiàn)調(diào)速控制。只要轉(zhuǎn)差率不太大，可以近似認為轉(zhuǎn)速n與f成正比，這就意味著連續(xù)平滑的改變電源頻率，就可以實現(xiàn)交流電動機大范圍的連續(xù)平滑調(diào)速。
由以上分析可知通用變頻器對異步電機調(diào)速時，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)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(diào)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(yīng)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(jīng)過變換電路轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)流程如下圖：
圖1 電流傳感器在變頻器里的基本結(jié)構(gòu)流程
2、霍爾電流傳感器在變頻器中的應(yīng)用
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(chǎn)生這個磁場的電流的量值。由此就可以構(gòu)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(yīng)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(qū)動各種性質(zhì)的負載。因為霍爾器件的應(yīng)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(yōu)點，所以在變頻器中也發(fā)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(yīng)時間短于1μs，因此，出現(xiàn)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(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)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(shù)，I2為補償繞組中的電流，N2為補償繞組的匝數(shù)。由上式可知，達到磁平衡時，即可由Is及匝數(shù)比N2/N1得到Io。
霍爾電流傳感器的特點是可以實現(xiàn)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(xiàn)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
3、霍爾器件在小功率變頻器上與電阻采樣方式的比較
現(xiàn)階段，小功率變頻器使用的電流檢測技術(shù)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(jīng)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(yōu)點就是成本低，適用性好，可以根據(jù)不同情況來設(shè)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(yīng)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(yīng)用場合不適用。
霍爾采樣方式的優(yōu)點是：響應(yīng)時間短，溫漂小，檢測出來的電路線性度很好，而且外部應(yīng)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(yīng)用中，霍爾采樣方式有著明顯的優(yōu)勢，隨著霍爾電流傳感器的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了如ASIC模塊化的IC技術(shù)，霍爾器件內(nèi)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(yōu)勢越來越明顯，應(yīng)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
4、LEM霍爾電流傳感器在小功率變頻器里的應(yīng)用優(yōu)勢以及獨有技術(shù)
ASIC技術(shù)
ASIC（Application Specific Integrated Circuit ）是指在一塊專用芯片中集成電路, 實現(xiàn)完整的電路功能。從根本上說，ASIC是一種專為某種特定應(yīng)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(shè)備的速度。
5V單電源供電
由于采用了ASIC技術(shù)，LEM在設(shè)計應(yīng)用模塊的時候采用了5V單電源供電的運算系統(tǒng)，替換了傳統(tǒng)的±15V供電的內(nèi)部運算放大器，大大方便了設(shè)計時候與MCU或DSP的電壓等級兼容。這個設(shè)計不僅方便了用戶使用，也節(jié)約電流傳感器的控制口線，為補償系統(tǒng)節(jié)約了寶貴的腳位。
電壓參考系統(tǒng)
ASIC可以工作在自己內(nèi)部精確固定的內(nèi)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(yīng)用內(nèi)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(jiān)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(lián)。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×IP/IPN
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(shè)置，在一些特定使用條件下，可以調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)到極限偏置的時候，是會犧牲微量的過載能力的。
dv/dt噪聲的反應(yīng)特征
ASIC的設(shè)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(guī)的電流傳感器對環(huán)境的影響更小。在變頻器里通常dv/dt是由高速開關(guān)器件（IGBT）造成的。在高達20kHZ的頻率下，對變頻器的傳感器產(chǎn)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(yīng)用ASIC的技術(shù)的傳感器就可以達到很好的設(shè)計效果。
HXS系列傳感器在小功率變頻器里的應(yīng)用
基于以上優(yōu)點，LEM的HXS系列傳感器（應(yīng)用ASIC技術(shù)）在小功率變頻器里應(yīng)用，對于常規(guī)技術(shù)的傳感器有著一定的先天優(yōu)勢。
LEM三種傳感器參數(shù)對比表：
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傳統(tǒng)開環(huán)電流傳感器
（HY型號） |
傳統(tǒng)開環(huán)電流傳感器
（HTB型號） |
開環(huán)ASIC傳感器
（HXS型號） |
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消耗 |
+10mA |
+15mA |
+22mA |
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工作溫度 |
-10℃ to +80℃ |
-20℃ to +80℃ |
-40℃ to +85℃ |
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偏置漂移 |
0.075%/K |
0.005%/K |
0.032%/K |
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線性度 |
1% |
1% |
0.5% |
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增益漂移 |
0.1%/K |
0.1%/K |
0.05%/K |
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相應(yīng)時間 @
90% of IPN |
3us |
3us |
5us |
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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(shù)的HXS系列傳感器將擁有很大的優(yōu)勢，并且，小功率變頻器由于市場需求量大，批量生產(chǎn)程度化高，就要求其故障率必須在一個很低的范圍內(nèi)。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(yīng)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(yōu)勢，應(yīng)用其參考電壓設(shè)置，可以達到理想的效果。
圖6 HXS系列霍爾電流傳感器的應(yīng)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(nèi)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(wěn)定性和微小溫度漂移；低能量損耗；快速的響應(yīng)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。
參考文獻
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(shè)計 電力電子技術(shù)2004/05
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