磁電流傳感器在電力應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

下一代電子設(shè)備面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)，這將影響電源管理性能和效率。轉(zhuǎn)換和電源管理應(yīng)用越來(lái)越需要能夠提供可靠性、耐用性和準(zhǔn)確性的電流傳感器。這些器件，無(wú)論是霍爾效應(yīng)傳感器、變壓器、分流電阻器還是各向異性磁阻 (AMR) 電阻器，都是監(jiān)測(cè)負(fù)載吸收的功率以及控制和保護(hù)電源所必需的。

必須仔細(xì)選擇電流傳感器，為特定應(yīng)用選擇最合適的解決方案。根據(jù)電氣絕緣類(lèi)型，電流傳感器可分為隔離式傳感器和非隔離式傳感器兩類(lèi)。非隔離傳感器適用于低電壓應(yīng)用，通常低于 50 V AC 或 120 V DC。在電壓和功率較高的情況下，或者有浮動(dòng)測(cè)量時(shí)，需要使用隔離傳感器。

一種類(lèi)型的隔離傳感器可以使用分流電阻器和光學(xué)或電容絕緣體制成。另一種解決方案是使用磁電流傳感器。第一種方案除了分流電阻器外，還需要一定數(shù)量的外部元件，第二種方案是單芯片解決方案，只需要集成磁性 IC。

磁電流傳感器

磁性電流傳感器可用于任何有功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，包括：

數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和電信電源：第一級(jí)將單相或三相交流電源轉(zhuǎn)換為直流電壓，通常包括 PFC 電路以實(shí)現(xiàn)更高的效率。以下階段由一個(gè)或多個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器表示，這些轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)載所需的電壓(48 V、12 V 和單個(gè) CPU 的低至 1 V)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器：第一級(jí)是帶 PFC 的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，然后是三相 DC-AC 逆變器。

不間斷電源 (UPS)：帶 PFC 的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器后面是電池充電器、電池本身和 DC/AC 逆變器。

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池管理：該應(yīng)用涉及的不同階段如圖1所示。在這種情況下，作為進(jìn)一步的輸出級(jí)，有兩個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)充電器為 12-V 和 48-V 電池供電。

圖 1：EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電池管理系統(tǒng) (BMS) 應(yīng)用(圖片：Aceinna)

所有上述應(yīng)用都需要在電路中的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的電流測(cè)量，因此需要準(zhǔn)確可靠的傳感器。在圖 1示例中，隔離電流測(cè)量點(diǎn)用綠色圓圈表示，而黑色圓圈表示非隔離電流測(cè)量值。

在云、連接、5G/人工智能、工業(yè) 4.0、電動(dòng)汽車(chē)/電氣化以及快速碳化硅 (SiC) 等應(yīng)用的推動(dòng)下，磁電流傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2019 年的 13 億美元增長(zhǎng)到 2024 年的 20 億美元和氮化鎵 (GaN) 器件。

效率是電源中的一個(gè)主要問(wèn)題。80 Plus 標(biāo)準(zhǔn)的最高效率級(jí)別稱(chēng)為 80 Plus Titanium，要求所有額定負(fù)載部分(10%、20%、50% 和 100%)的效率都高于 90%，在 50% 的負(fù)載下效率高達(dá) 96%。額定負(fù)載。SiC 和 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體 (WBG) 將有助于實(shí)現(xiàn)這些效率水平。WBG 器件通常具有約 50 倍的開(kāi)關(guān)速度、3-5 倍的低電阻、更高的擊穿電壓、3 倍更好的熱傳導(dǎo)和更小的占位面積。電源將變得更小、更高效，控制更順暢，但同時(shí)需要更高的帶寬、精度和更小尺寸的電流傳感器。

選擇標(biāo)準(zhǔn)

在選擇電流傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)評(píng)估幾個(gè)關(guān)鍵規(guī)格。其中包括：

標(biāo)稱(chēng)電流和過(guò)流要求、電流源(交流或直流)和電流方向(單向或雙向)

溫度范圍內(nèi)的精度：數(shù)據(jù)表應(yīng)指示總誤差和讀數(shù)百分比與滿(mǎn)量程百分比

支持功率級(jí)開(kāi)關(guān)頻率所需的帶寬

輸出階躍響應(yīng)，由 di/dt 測(cè)量給出，它給出了測(cè)量系統(tǒng)需要多快的概念

溫度范圍

隔離類(lèi)型

解決方案的規(guī)模和成本

電氣和機(jī)械接口

其他規(guī)格包括所需電源、輸出類(lèi)型、功能(例如過(guò)流檢測(cè))、di/dt 和 dv/dt 耐受性、UL/IEC 認(rèn)證以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性/易用性

大多數(shù)隔離式電流傳感器不支持 WBG 半導(dǎo)體(如 SiC 和 GaN)典型的高開(kāi)關(guān)速度，而支持它們的傳感器成本很高。當(dāng)前的趨勢(shì)是通過(guò)創(chuàng)建具有高帶寬和低相位延遲的磁傳感器來(lái)克服有限的帶寬和低響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)這種方式，可以獲得顯著的優(yōu)勢(shì)，例如覆蓋高達(dá) 10 倍開(kāi)關(guān)頻率的帶寬、小于 500 ns 的輸出階躍響應(yīng)時(shí)間、更高的溫度精度、更大的動(dòng)態(tài)范圍、更高頻率下的損耗降低以及更小的尺寸。

一種解決方案：Aceinna MCx1101

Aceinna Inc. 提供基于 AMR 技術(shù)的全新電流傳感器系列，以具有成本效益的單芯片外形尺寸實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的精度、帶寬和階躍響應(yīng)綜合性能。

基于 AMR 的高精度、寬帶寬電流傳感器可用于各種 ADC 和基于微處理器的電源系統(tǒng)和應(yīng)用。MCx1101器件是完全集成的雙向電流傳感器，與替代解決方案相比，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%，并保證在 85°C 時(shí)達(dá)到 ±2.0%(最大值)的精度。這些新型電流傳感器采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SOIC-16 封裝(圖 2)，具有低阻抗(0.9 毫歐)電流路徑，并通過(guò) UL/IEC/EN 認(rèn)證，適用于隔離應(yīng)用。

圖 2：基于 AMR 的電流傳感器(圖片：Aceinna)

MCx1101 傳感器還保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的偏移為 ±60 mA，或 FSR(最大值)的 ±0.3%，這意味著可以在大約 10:1 的電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度，與領(lǐng)先的基于霍爾傳感器的設(shè)備。這些器件提供了高精度、1.5MHz 信號(hào)帶寬與行業(yè)基準(zhǔn)相移與頻率、快速輸出階躍響應(yīng)和 4.8kV 隔離的獨(dú)特組合，使其適用于快速電流控制回路中的電流檢測(cè)和保護(hù)高性能電源、逆變器和電機(jī)控制應(yīng)用。

MCx1101 的快速響應(yīng)和高帶寬還適用于基于 SiC 和 GaN 的快速開(kāi)關(guān)功率級(jí)，使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠利用 WBG 器件實(shí)現(xiàn)的更高速度和更小的組件。MCx1101 還提供集成過(guò)流檢測(cè)標(biāo)志，以幫助實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電源系統(tǒng)所需的過(guò)流檢測(cè)。支持的電流范圍為 ±50、±20 和 ±5 A。它們提供固定增益 (MCA1101) 和比例增益 (MCR1101) 版本。(Aceinna 的 MCx1101 完全集成的雙向電流傳感器是2019 年度產(chǎn)品獎(jiǎng)的獲得者。)

　　審核編輯：湯梓紅