電流傳感器和工業(yè) 4.0：工程師需要知道什么，第二部分

電子學(xué)的基礎(chǔ)之一是電源管理是熱管理。功率效率和熱性能齊頭并進(jìn)，因?yàn)橄到y(tǒng)浪費(fèi)的能量始終表示為熱量。如果你能提高效率，你就可以降低溫度，你的電子設(shè)備工作得更好、更可靠。

相反，如果您的電子設(shè)備運(yùn)行不佳，就會(huì)產(chǎn)生更多的廢熱，從而產(chǎn)生更多的熱管理、可靠性和安全問題。優(yōu)化功率和熱管理將顯著提高生產(chǎn)力、成本效益、安全性和可靠性。

逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、UPS 和外部充電站必須能夠在 -40°C 至 85°C(通常高達(dá) 105°C)的環(huán)境工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

即使在內(nèi)部最高溫度保持相對(duì)較低的逆變器應(yīng)用中，此類電源系統(tǒng)通常指定為 85°C 運(yùn)行，至少要確保適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行裕量而不會(huì)降額。汽車車載充電器的環(huán)境工作溫度要求最高可達(dá) 125°C，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的溫度最高可達(dá) 105°C 至 150°C，具體取決于位置。

盡管許多系統(tǒng)使用風(fēng)扇和其他溫度調(diào)節(jié)機(jī)制來管理系統(tǒng)熱性能，但對(duì)于溫度和性能動(dòng)態(tài)變化迅速的系統(tǒng)來說，這可能很困難。此外，外部冷卻機(jī)制占用了額外的空間，可用于設(shè)計(jì)的其他方面，消耗額外的能量，并提出其自身的高效運(yùn)行問題。

對(duì)于溫度可能快速變化的系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)電流可能是預(yù)測(cè)和管理系統(tǒng)熱性能的更快方法。監(jiān)控實(shí)際電流水平的管理控制器可以確定電流水平是否迅速增加，指示潛在的災(zāi)難性事件。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控電流是潛在超出范圍事件和故障條件的領(lǐng)先指標(biāo)，使系統(tǒng)能夠在潛在災(zāi)難性事件發(fā)生之前預(yù)測(cè)它們，從而保護(hù)系統(tǒng)和關(guān)鍵組件。無論是什么問題，系統(tǒng)性能、系統(tǒng)可靠性或基本安全的故障識(shí)別都是必須盡早解決的問題。電流感應(yīng)可以檢測(cè)潛在問題，最大限度地減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間和/或防止災(zāi)難性故障。

時(shí)間和性能

同步和調(diào)節(jié)是高級(jí)電力系統(tǒng)中需要考慮的重要因素，因?yàn)楣β室驍?shù)校正 (PFC) 級(jí)也是面向時(shí)間的系統(tǒng)。必須對(duì)電路的輸出紋波進(jìn)行濾波以避免電流失真，并且環(huán)路頻率與系統(tǒng)帶寬有關(guān)。

將 PFC 級(jí)視為從輸入電壓提供功率的系統(tǒng)，由控制信號(hào)管理，因此即使系統(tǒng)控制環(huán)路帶寬較低，也會(huì)在每個(gè)電源開關(guān)周期期間測(cè)量電流，以逐周期地測(cè)量電流。在理想條件下，開關(guān)頻率應(yīng)該是高倍數(shù)才能獲得平坦的增益響應(yīng)，并且開關(guān)頻率的相位裕度應(yīng)該低。低頻可以工作，但在開關(guān)頻率的增益和相位延遲上會(huì)有一些折衷。

盡管整體控制環(huán)路帶寬可能遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，但電流測(cè)量應(yīng)在開關(guān)頻率下進(jìn)行，以進(jìn)行逐周期控制。大多數(shù)圖騰柱 PFC 的切換頻率約為 65 kHz 至 150 kHz，這將需要理想的 650 kHz(至少 >300 kHz)至 1.5 MHz 的帶寬。在某些情況下，在預(yù)先設(shè)計(jì)的情況下，該開關(guān)頻率被推至 300 kHz，并且需要約 3 MHz 的帶寬(至少 1.5 MHz 的帶寬)。

高達(dá) 1,000 A 的大電流的功率轉(zhuǎn)換通常會(huì)在低于 1 kHz 到 20 kHz 的水平上切換，通常使用 IGBT 和硅 MOSFET。其他電路可以使用寬帶碳化硅 (SiC)/氮化鎵 (GaN) 功率開關(guān)切換高達(dá) 40-50 kHz 左右，而 SiC/GaN 功率級(jí)的進(jìn)一步發(fā)展最終可能會(huì)將這種高電流切換提高到 100 kHz，需要帶寬從 500 kHz 到 1 MHz。

沒有反饋就沒有精度

為了達(dá)到這些性能水平，您必須使用準(zhǔn)確和精確的電流監(jiān)測(cè)來進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，并且最新的電流傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)解決方案相比具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。這些新解決方案的一個(gè)例子是 Aceinna 最新的基于各向異性磁阻 (AMR) 的隔離式電流傳感器，它可以提供高精度、寬帶寬感測(cè)，在帶寬、輸出階躍響應(yīng)和精度方面提供一流的性能。 -芯片解決方案。

圖 2基于 AMR 的隔離式電流傳感器可以提供高精度、寬帶寬傳感。資料來源：艾辛納

與傳統(tǒng)和現(xiàn)有解決方案相比，這些完全集成、基于 AMR 的隔離式雙向電流傳感器可提供更高的直流精度和動(dòng)態(tài)范圍。例如，±20-A 版本的典型精度為 ±0.6%，在 85°C 時(shí)將達(dá)到 ±2.0%(最大值)的精度。該系列產(chǎn)品包括 ±5-A、±20-A 和 ±50-A 部件，采用 SOIC-16 封裝，具有低阻抗(±50 A 時(shí)為 0.9 毫歐)電流路徑，通過 UL/IEC 認(rèn)證/EN 用于隔離應(yīng)用。

這種先進(jìn)的電流傳感器可以保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的偏移為 ±60 mA，或 FSR(最大值)的 ±0.3%，因此可以在大約 10:1 的電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度，從而顯著改善動(dòng)態(tài)范圍與領(lǐng)先基于霍爾傳感器的設(shè)備。特性包括 1.5MHz 信號(hào)帶寬、低相位延遲與頻率、300ns 的快速輸出階躍響應(yīng)和 4.8kV 隔離，使其成為快速電流控制環(huán)路中的電流檢測(cè)和高性能電源保護(hù)的理想選擇，逆變器和電機(jī)控制應(yīng)用。

開發(fā)和部署最佳電源和運(yùn)動(dòng)控制自動(dòng)化解決方案的任務(wù)可能令人生畏，除非做得好，否則系統(tǒng)設(shè)置將導(dǎo)致性能欠佳。指定和選擇適當(dāng)?shù)慕M件、設(shè)備和方法來解決電源、性能和熱管理問題將大大有助于確保您的最終電源解決方案具有成本效益、生產(chǎn)效率并以最佳方式提供所需的性能。