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以霍爾效應電流感測器創新簡化高電壓感測
[作者 德州儀器]   2024年03月27日 星期三 瀏覽人次: [5849]

在電動車(EV)充電和太陽能逆變器系統中,電流感測器會透過監測分流電阻器中的壓降,或是流過導體電流所產生的磁場來量測電流。這些高壓系統使用電流資訊來控制與監測電源轉換、充電與放電。


霍爾效應和分流式電流感測器是需要電流感測的最常用技術之一。但目前在高壓應用中的霍爾效應感測器使用仍存在許多問題。本文探討各種拓撲的選擇考量,並特別說明能在高壓應用中實現霍爾效應電流感測器使用,進而簡化電流感測的電流創新。



圖一 :  霍爾效應和分流式電流感測器是需要電流感測的最常用技術之一。(source:德州儀器)
圖一 : 霍爾效應和分流式電流感測器是需要電流感測的最常用技術之一。(source:德州儀器)

分流式與霍爾效應式電流感測

分流式電流感測器在整個電流範圍中通常比霍爾效應電流感測器來得準確。運用穩 定放大器技術或精確類比數位轉換器(ADC)和精密分流電阻器,工程師可在整個電流量測範圍、溫度和使用壽命中,實現低於 1% 漂移的高準確度。分流式感測器在車用牽引逆變器、伺服驅動器與EV充電基礎架構應用中廣為使用。


放大器與精確ADC通常會監測分流電阻器中是否發生壓降,並提供成比例的輸出。每個電流感測解決方案都擁有不同的操作電壓、偏移、漂移、頻寬和使用便利 相關功能。分流式系統有幾個限制因素:因裝置架構而常有較長傳播延遲,此外設 計複雜程度也較高,例如高側與低側電源。您也需仔細考慮分流式裝置的分流電阻 器參數與功耗。


封裝霍爾效應電流感測器通常比分流式解決方案更符合成本效益、傳播延遲較快,系統設計也更加簡單。運用封裝解決方案,電流會流過導線架上的封裝,不僅可消除對精確電阻器的需求,也可減少成本和物料清單。此外,無需高側或低側電源供應,也可使用單一低側電源供應器來為霍爾效應電流供電,進一步降低設計複雜性。


創新簡化高電壓電流感測

雖然霍爾效應電流感測器有如此多優點,這些裝置仍因在各種溫度與使用壽命下的高度漂移特性,而不受多數設計人員重視。由於電子與隔離衰退,霍爾效應電流感測器會在使用壽命期間產生顯著漂移。


為解決這些缺點,TI開發能將TMCS1123霍爾效應電流感測器使用壽命靈敏度漂移誤差大幅降低至+/-0.5%的解決方案,讓工程人員能夠設計在系統壽命期間需要較少校驗或維修的高電壓系統。並在使用壽命與各種溫度下的最大靈敏度總誤差降低至+/-1.75%,幫助提升效率並減少昂貴的系統校驗。此外,TMCS1123擁有差動霍爾效應感測功能,可大幅降低磁場干擾或串音,並提供過電流偵測、準確電壓參考和感測器警示等其他功能。



圖二 : TMCS1123方塊圖(source:德州儀器)
圖二 : TMCS1123方塊圖(source:德州儀器)

TMCS1123也可處理霍爾效應感測器的其他常見限制,例如導線架電阻和矽晶散熱限制等影響裝置可處理電流量的限制。TMCS1123可在25°C下提供75 ARMS,並在各種溫度範圍與使用壽命中實現+/-1.75%靈敏度誤差,是可在系統生命週期中提供高度準確性的解決方案。


電流感測設計考量

為系統選擇電流感測器時有幾個主要考量:首先,準確度不僅為重要考量,也是決定可行技術時最先定義的參數之一。二是功率額定值是前述所有技術的關鍵;系統電壓與電流位準必須在裝置指定參數範圍內,以進行安全有效的操作。


頻寬和速度是主動控制太陽能隔離式DC/DC轉換器等切換系統的必要因素。設計複雜性則是另一個重要因素:霍爾效應電流感測器可在裝置限制內輕鬆運用在各種電壓位準上,且無需其他電源供應或元件。


結論

電動車充電器和太陽能逆變器等高電壓系統對高準確度電流量測的需求不斷增長,高電壓應用中的多個設計挑戰也讓系統變得更加複雜,設計費用也更加高昂。運用TMCS1123 等電流感測裝置,將可準確感測電動車充電器等高電壓應用中的電流,並可限制設計複雜性、快速解決設計問題。


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