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(dǎo)體器件進(jìn)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(cè)。為了自動(dòng)檢測(cè)和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)和更高級(jí)的智能控制，就必須使用具有高速度，高精度的檢測(cè)、采樣和保護(hù)的霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅髂K，是近十幾年發(fā)展起來的測(cè)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(jī)和變頻電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速存在一個(gè)滑差關(guān)系，調(diào)速的方法可改變電機(jī)定子頻率f、電機(jī)定子的繞組極對(duì)數(shù)P、轉(zhuǎn)差率S其中任意一種達(dá)到，對(duì)異步電機(jī)最好的方法是改變頻率f，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。只要轉(zhuǎn)差率不太大，可以近似認(rèn)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(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)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(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，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(hù)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(hù)，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(jī)適用的信號(hào)，由單片機(jī)來完成各種保護(hù)。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(cè)定到當(dāng)前變頻器的電流，對(duì)于變頻器的過電流、過載保護(hù)相當(dāng)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(dǎo)線周圍會(huì)感生出磁場(chǎng)，再用霍爾器件檢測(cè)由電流感生的磁場(chǎng),即可測(cè)出產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的電流的量值。由此就可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。因?yàn)榛魻柶骷妮敵鲭妷号c加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個(gè)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(dòng)各種性質(zhì)的負(fù)載。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用原理簡(jiǎn)單，信號(hào)處理方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶體管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。
      霍爾電流傳感器按其工作模式可分為直接測(cè)量式和零磁通式，在變頻器中由于需要精準(zhǔn)的控制及計(jì)算，因此選用了零磁通方式。將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，若滿足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立：

Io=Is(N2/N1)

      式中，I1為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1為初級(jí)繞組的匝數(shù)，I2為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由上式可知，達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由Is及匝數(shù)比N2/N1得到Io。
      霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)電流的“無電位”檢測(cè)。即測(cè)量電路不必接入被測(cè)電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，它們靠磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。因此，檢測(cè)電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測(cè)過程中，檢測(cè)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(cè)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(jìn)行電流采樣，通過運(yùn)放電路輸入到MCU的檢測(cè)方法（簡(jiǎn)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(hào)，經(jīng)過處理后輸入到MCU的檢測(cè)方法。（簡(jiǎn)稱霍爾采樣方式）
      電阻采樣方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是成本低，適用性好，可以根據(jù)不同情況來設(shè)計(jì)自己的電路，達(dá)到最佳效果。但是其缺點(diǎn)也很多，最主要的是響應(yīng)速度慢，運(yùn)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(yán)重，在一些特定應(yīng)用場(chǎng)合不適用。
      霍爾采樣方式的優(yōu)點(diǎn)是：響應(yīng)時(shí)間短，溫漂小，檢測(cè)出來的電路線性度很好，而且外部應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，可靠耐用，缺點(diǎn)就是價(jià)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(shì)，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(jià)格也越來越合理。通過不斷改進(jìn)，霍爾電流傳感器在小功率變頻器里的優(yōu)勢(shì)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(shì)以及獨(dú)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(shí)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(gè)單獨(dú)的、體積更小、速度更快的模塊上，以減少制造和支持費(fèi)用，同時(shí)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(jì)應(yīng)用模塊的時(shí)候采用了5V單電源供電的運(yùn)算系統(tǒng)，替換了傳統(tǒng)的±15V供電的內(nèi)部運(yùn)算放大器，大大方便了設(shè)計(jì)時(shí)候與MCU或DSP的電壓等級(jí)兼容。這個(gè)設(shè)計(jì)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(bǔ)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(shí)候，需要在此管腳單立并最少接入200kΩ的負(fù)載阻抗。這個(gè)參考電壓可以在任何時(shí)候被MCU監(jiān)控補(bǔ)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(gè)外部參考可以來自MCU或者ADC。MCU可以通過ASIC實(shí)時(shí)檢測(cè)此參考（可以隨時(shí)補(bǔ)償其漂移）。
將參考管腳連接到外部參考電壓時(shí)，外部參考電壓范圍在2V～2.8V之間，而傳感器的測(cè)量的最大范圍是：

Vout＝Vref±0.625×IP/IPN

      由于電流最大測(cè)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(dāng)外部參考電壓為2V的時(shí)候，測(cè)量范圍是：

正：4.5V－2V=2.5V     負(fù)：0.5V－2V=－1.5V

      所以，此時(shí)的負(fù)極測(cè)量范圍無法達(dá)到滿量程。
      同樣的：當(dāng)外部參考電壓為2.8 V時(shí)，測(cè)量范圍是：

正：4.5V－2.8V=1.7V   負(fù)：0.5V－2.8V=－2.3V

      所以，此時(shí)的正極測(cè)量范圍也無法達(dá)到滿量程。
      因此外部電壓參考是個(gè)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(dá)到抑止溫漂和增益的目的。但是，通過上面計(jì)算，可以看出，在調(diào)節(jié)到極限偏置的時(shí)候，是會(huì)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(jì)具有高度EMC性能，對(duì)dv/dt有著高度的免疫和抵抗性，相對(duì)常規(guī)的電流傳感器對(duì)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(dá)20kHZ的頻率下，對(duì)變頻器的傳感器產(chǎn)生比較大的干擾，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)影響變頻器過電流保護(hù)的誤動(dòng)作，應(yīng)用ASIC的技術(shù)的傳感器就可以達(dá)到很好的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(duì)于常規(guī)技術(shù)的傳感器有著一定的先天優(yōu)勢(shì)。
LEM三種傳感器參數(shù)對(duì)比表：

      由于小功率變頻器的載波頻率（10kHZ～20kHZ）相對(duì)大功率變頻器（3kHZ～5kHZ）來說一般都較高，所以對(duì)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(shì)，并且，小功率變頻器由于市場(chǎng)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(gè)很低的范圍內(nèi)。因此，對(duì)于小功率變頻器的保護(hù)尤其重要，除了小功率變頻器最重要的短路保護(hù)，還必須提高其電流的精確度，應(yīng)當(dāng)有效抑制電流的溫漂和擾動(dòng)，所以HXS系列傳感器有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用其參考電壓設(shè)置，可以達(dá)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(shí)間，寬廣的測(cè)量范圍；易于安裝；是有競(jìng)爭(zhēng)力且高性價(jià)比的成本控制解決方案。

      參考文獻(xiàn)
      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(jì)  電力電子技術(shù)2004/05