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霍爾效應技術提供緊湊型電流測量傳感器

人氣: | 時間:2014/4/15 9:38:41 | 關閉

        通常測量3-20A範圍內電流的方法主要有以下兩種:采用電阻分流器的傳統測量方法,和使用電流傳感器。這兩種技術均有局限性:第一種方法缺少流電隔離,第二種方法帶寬有限。此外,這兩種方法都對校準工作有相當高的要求。LEM電流傳感器曾經幫助有效解決了這些問題,但為了全麵滿足當前對降低成本和縮小尺寸的需求,現在到了需要對產品進行重新設計的時候了。
  2002年,LEM收購了一家位於日本的生產霍爾效應電流傳感器企業--NANAElectronicsK。K。公司。新公司更名為NANALEMK。K。,總部位於東京町田。新的研發隊伍融合了兩家公司的專業經驗,已經重新設計了日本最暢銷的產品SY係列,並把它發展成為HX係列。
  霍爾效應原理
  HX傳感器的核心是一個霍爾效應發生器。1879年,EdwardH。Hall發現了霍爾效應,在電流流經一片薄傳導材料(霍爾發生器),並放在正交磁場中時,會發生這種效應。然後電磁洛倫茲力將感應電子,根據極性流到薄片邊緣。
  在這兩個邊緣之間產生的霍爾電壓VH與控製電流IC和磁通量B直接成正比(圖1)。霍爾發生器由一片薄傳導材料製成,如镓砷化物(GaAs),這種材料在使用期間能夠實現可靠穩定的性能。在5mA的控製電流下,獲得的霍爾電壓約為1.25mV/mT。
  霍爾效應開環電流測量
  一次電流產生的磁場會在磁性電路的間隙中生成線性磁通量B,磁通量B會在霍爾發生器中感應成比例的霍爾電壓VH。然後這個電壓被電子電路放大,得到一個與一次電流成比例的輸出模擬信號。HX係列可以測量DC電流和AC電流,以及相控整流器、有源電源轉換器、PWM轉換器和開關式電源中複雜的電流波形。輸出電壓一直是一次電流的真映像。
  抗dv/dt噪聲能力
  在設計驅動器控製和開關設備時,工程師遇到的其中一個問題是整流期間快速電壓變化導致的高dv/dt噪聲。
  電源半導體技術一直在不斷發展。現在,許多半導體產品大樣本中都可以看到整流速度非常高的IGBT。因此,當前通用逆電器一般會以很高的開關頻率工作,通常在20kHz以上。在這麽高的頻率上工作的好處包括波形更平滑、操作更安全、效率更高。
開關設備每次開關時產生的高dv/dt值將在主電纜和傳感器的電子電路之間產生電容電流。大多數模擬線性放大器對這種寄生電流很靈敏。因此,dv/dt噪聲將被疊加在輸出信號上。根據變動電壓的幅度和斜坡,初始尖峰和後來的振蕩有時會非常高,以致它們會激活傳感器的電流保護電路,進而使逆電器暫停運轉。LEM的經驗在HX係列設計階段幫助保證了對關鍵噪聲的完美免疫力,而又不會損害帶寬,因此HX的性能要超過其它類似的傳感器(圖2和圖3)。
  對階躍電流的超快速響應時間對IGBT短路保護必不可少。HX係列可以以50A/s以上的速度,準確追蹤電流變化,對階躍電流的響應最快為3s。
  設計工程師經常麵臨的另一個棘手問題是可用空間。小型傳感器有助於解決這個問題,HX傳感器重僅8克,要求的安裝麵積隻有15x19mm。但眾所周知,當這種傳感器並排放在三相應用中時,各自的一次電流可能會影響其它傳感器的電子器件。在並排安裝在三相應用中時,HX電流傳感器引起的相互幹擾非常小(圖4)。
  專用版HX傳感器有兩個一次線圈,這兩個線圈既可以串聯,也可以並聯(圖5)。在某些逆電器應用中,可以使用一對這樣的傳感器,測量所有三個相位,每個傳感器兩個相位(圖6)。這消除了對第三個單元的需要,有助於降低成本。AC測試電壓(50Hz,1分鍾)是3kVRMS,間隙/漏電距離超過5.5mm,使這些傳感器特別適合中低功率範圍中的隔離電流測量。


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