Application of LEM Transducers in an Inverter

摘要：本文介绍了霍尔电流传感器在通用变频器中的作用，分析了设置传感器的类型、方式、目的和需求，并介绍了传感器的工作原理及作用。

关键词：霍尔电流传感器、变频器。

   现今，新型功率半导体器件进入电力电子领域后，交流变频调速、逆变装置、开关电源等日渐普及，原有的电流、电压检出元件，已不适应中高频的电流波形的检测。为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护和更高级的智能控制，就必须使用具有高速度，高精度的检测、采样和保护的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器模块，是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器。

   本文所述的变频器是指适用于工业通用电机和变频电机的普通通用变频器。此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频器的主流。

   一般异步电机转速与同步转速存在一个滑差关系，调速的方法可改变电机定子频率f、电机定子的绕组极对数P、转差率S其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f，实现调速控制。只要转差率不太大，可以近似认为转速n与f成正比，这就意味着连续平滑的改变电源频率，就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。

   由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电流不变，输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速（VVVF）。而在额定频率以上，电压并不变，频率的变化和输出电流成正比。

   着变频器应用越来越广泛，变频器的保护装置显得越来越重要。变频器一般有过电流、过电压、过载、缺相等保护，主要由不同功能的传感器采样到不同的模拟值，经过变换电路转换成单片机适用的信号，由单片机来完成各种保护。其中电流传感器在变频器里的作用最为重要，通过它可以精确测定到当前变频器的电流，对于变频器的过电流、过载保护相当重要。

   电流传感器在变频器里的基本结构流程如下图：
                 

图1  电流传感器在变频器里的基本结构流程

 

   在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。

   在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。

   霍尔电流传感器按其工作模式可分为直接测量式和零磁通式，在变频器中由于需要精准的控制及计算，因此选用了零磁通方式。将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：

Io=Is(N2/N1)

   式中，I1为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的匝数，I2为补偿绕组中的电流，N2为补偿绕组的匝数。由上式可知，达到磁平衡时，即可由Is及匝数比N2/N1得到Io。

霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，检测电路与被检电路互不景响。
               

 

 

图2 霍尔工作原理

图３  电流传感器在变频器里的工作流程

   现阶段，小功率变频器使用的电流检测技术比较流行的有两种，一种是采样大功率精密电阻来进行电流采样，通过运放电路输入到MCU的检测方法（简称电阻采样方式），另一种是采样霍尔传感器方式，通过霍尔电流传感器输出的电压信号，经过处理后输入到MCU的检测方法。（简称霍尔采样方式）

   电阻采样方式的最大优点就是成本低，适用性好，可以根据不同情况来设计自己的电路，达到最佳效果。但是其缺点也很多，最主要的是响应速度慢，运算电路比较多，容易受到干扰，还有就是大功率精密电阻的温漂很严重，在一些特定应用场合不适用。

霍尔采样方式的优点是：响应时间短，温漂小，检测出来的电路线性度很好，而且外部应用电路简单，可靠耐用，缺点就是价格偏高，而且体积偏大。

   在小功率变频器应用中，霍尔采样方式有着明显的优势，随着霍尔电流传感器的不断发展，出现了如ASIC模块化的IC技术，霍尔器件内部电路的多功能化等等，使霍尔电流传感器的体积不断缩小，价格也越来越合理。通过不断改进，霍尔电流传感器在小功率变频器里的优势越来越明显，应用也越来越广泛。
           

图4  电阻采样方式在变频器里的工作流程

图5  霍尔采样方式在变频器里的工作流程

   ASIC技术

   ASIC（Application Specific Integrated Circuit ）是指在一块专用芯片中集成电路, 实现完整的电路功能。从根本上说，ASIC是一种专为某种特定应用而制造的芯片。ASIC可以将需要许多芯片完成的工作集成到一个单独的、体积更小、速度更快的模块上，以减少制造和支持费用，同时提高了使用ASIC设备的速度。

   由于采用了ASIC技术，LEM在设计应用模块的时候采用了5V单电源供电的运算系统，替换了传统的±15V供电的内部运算放大器，大大方便了设计时候与MCU或DSP的电压等级兼容。这个设计不仅方便了用户使用，也节约电流传感器的控制口线，为补偿系统节约了宝贵的脚位。

   ASIC可以工作在自己内部精确固定的内部参考电压（2.5V），也可以工作在外部参考电压（Vref），外部参考电压在2V～2.8V之间。在应用内部参考电压的时候，需要在此管脚单立并最少接入200kΩ的负载阻抗。这个参考电压可以在任何时候被MCU监控补偿传感器的初始偏置。

外部参考电压通常被用来与参考管脚互联。这个外部参考可以来自MCU或者ADC。MCU可以通过ASIC实时检测此参考（可以随时补偿其漂移）。

   将参考管脚连接到外部参考电压时，外部参考电压范围在2V～2.8V之间，而传感器的测量的最大范围是：

Vout＝Vref±0.625×I_P/I_PN

   由于电流最大测量值为额定的3倍，所以在最大输出的电压值约在0.5V～4.5V之间，所以当外部参考电压为2V的时候，测量范围是：

正：4.5V－2V=2.5V     负：0.5V－2V=－1.5V

   所以，此时的负极测量范围无法达到满量程。

同样的：当外部参考电压为2.8 V时，测量范围是：

正：4.5V－2.8V=1.7V   负：0.5V－2.8V=－2.3V

   所以，此时的正极测量范围也无法达到满量程。

   因此外部电压参考是个很灵活的设置，在一些特定使用条件下，可以调节其外部参考电压来达到抑止温漂和增益的目的。但是，通过上面计算，可以看出，在调节到极限偏置的时候，是会牺牲微量的过载能力的。

   ASIC的设计具有高度EMC性能，对dv/dt有着高度的免疫和抵抗性，相对常规的电流传感器对环境的影响更小。在变频器里通常dv/dt是由高速开关器件（IGBT）造成的。在高达20kHZ的频率下，对变频器的传感器产生比较大的干扰，严重的时候会影响变频器过电流保护的误动作，应用ASIC的技术的传感器就可以达到很好的设计效果。

   基于以上优点，LEM的HXS系列传感器（应用ASIC技术）在小功率变频器里应用，对于常规技术的传感器有着一定的先天优势。

LEM三种传感器参数对比表：

	传统开环电流传感器 （HY型号）	传统开环电流传感器 （HTB型号）	开环ASIC传感器 （HXS型号）
消耗	+10mA	+15mA	+22mA
工作温度	-10℃ to +80℃	-20℃ to +80℃	-40℃ to +85℃
偏置漂移	0.075%/K	0.005%/K	0.032%/K
线性度	1%	1%	0.5%
增益漂移	0.1%/K	0.1%/K	0.05%/K
相应时间 @ 90% of IPN	3us	3us	5us
噪声	10mVpp	10mVpp	20mVpp（高频）

 

   由于小功率变频器的载波频率（10kHZ～20kHZ）相对大功率变频器（3kHZ～5kHZ）来说一般都较高，所以对传感器的EMC性能有比较高的要求。拥有ASIC技术的HXS系列传感器将拥有很大的优势，并且，小功率变频器由于市场需求量大，批量生产程度化高，就要求其故障率必须在一个很低的范围内。因此，对于小功率变频器的保护尤其重要，除了小功率变频器最重要的短路保护，还必须提高其电流的精确度，应当有效抑制电流的温漂和扰动，所以HXS系列传感器有着独特的优势，应用其参考电压设置，可以达到理想的效果。
     

图6  HXS系列霍尔电流传感器的应用图

   LEM公司的HXS系列电流传感器是单端供电0/5V，可以输出内部参考电压Ref输出模式；外部电源给传感器提供参考电压,即Ref输入模式；高温度稳定性和微小温度漂移；低能量损耗；快速的响应时间，宽广的测量范围；易于安装；是有竞争力且高性价比的成本控制解决方案。

   陈显舟,王培清,周伟松  晶闸管智能模块中的微型霍尔电流传感器的设计  电力电子技术2004/05