導(dǎo)讀：

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。

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。為了自動檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時(shí)具有自動保護(hù)和更高級的智能控制，就必須使用具有高速度，高精度的檢測、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)定子的繞組極對數(shù)P、轉(zhuǎn)差率S其中任意一種達(dá)到，對異步電機(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，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，通過它可以精確測定到當(dāng)前變頻器的電流，對于變頻器的過電流、過載保護(hù)相當(dāng)重要。

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)線周圍會感生出磁場，再用霍爾器件檢測由電流感生的磁場,即可測出產(chǎn)生這個(gè)磁場的電流的量值。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)動各種性質(zhì)的負(fù)載。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用原理簡單，信號處理方便，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)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反，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為被測電流，即磁芯中初級繞組中的電流，N1為初級繞組的匝數(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。即測量電路不必接入被測電路即可實(shí)現(xiàn)電流檢測，它們靠磁場進(jìn)行耦合。因此，檢測電路的輸入、輸出電路是完全電隔離的。檢測過程中，檢測電路與被檢電路互不景響。

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的檢測方法（簡稱電阻采樣方式），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，經(jīng)過處理后輸入到MCU的檢測方法。（簡稱霍爾采樣方式）

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，檢測出來的電路線性度很好，而且外部應(yīng)用電路簡單，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，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)勢越來越明顯，應(yīng)用也越來越廣泛。

4、JCE霍爾電流傳感器在小功率變頻器里的應(yīng)用優(yōu)勢以及獨(dú)有技術(shù)

ASIC技術(shù)

ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）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)，JCE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，而傳感器的測量的最大范圍是：

Vout＝Vref±0.625×IP/IPN

由于電流最大測量值為額定的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)極測量范圍無法達(dá)到滿量程。

同樣的：當(dāng)外部參考電壓為2.8V時(shí)，測量范圍是：

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dv/dt有著高度的免疫和抵抗性，相對常規(guī)的電流傳感器對環(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，對變頻器的傳感器產(chǎn)生比較大的干擾，嚴(yán)重的時(shí)候會影響變頻器過電流保護(hù)的誤動作，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。

VP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)，JCE的VP系列傳感器（應(yīng)用ASIC技術(shù)）在小功率變頻器里應(yīng)用，對于常規(guī)技術(shù)的傳感器有著一定的先天優(yōu)勢。

由于小功率變頻器的載波頻率（10kHZ～20kHZ）相對大功率變頻器（3kHZ～5kHZ）來說一般都較高，所以對傳感器的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，并且，小功率變頻器由于市場需求量大，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，所以HXS系列傳感器有著獨(dú)特的優(yōu)勢，應(yīng)用其參考電壓設(shè)置，可以達(dá)到理想的效果。

JCE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，寬廣的測量范圍；易于安裝；是有競爭力且高性價(jià)比的成本控制解決方案。