霍爾閉環電流傳感器的功耗問題研究

同濟大學電子與信息工程學院　寧波南車時代傳感技術有限公司　米哲濤寧波南車時代傳感技術有限公司　胡冬青　李　敏　關　克　朱文琴

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霍爾閉環電流傳感器的功耗問題研究

同濟大學電子與信息工程學院寧波南車時代傳感技術有限公司米哲濤
寧波南車時代傳感技術有限公司胡冬青李敏關克朱文琴

【摘要】本文從霍爾閉環電流傳感器的工作原理著手，得出電流傳感器功耗及各部分的功率分解，發現傳感器功耗主要集中在次邊線圈與功率管上，分別對這兩塊進行了分析，并提出解決辦法，對于霍爾閉環電流傳感器設計有很好的參考意義。

【關鍵詞】功耗；次邊線圈；功率管；溫升

1　引言

霍爾閉環電流傳感器的精度一般高于0.7%，次邊線圈N2匝數都在1000以上，當原邊電流Ii不斷增加時其電流傳感器輸出電流線性增大，本文主要從霍爾閉環電流傳感器的功耗著手進行闡述。

2　工作原理

原邊電流Ii產生的磁場通過霍爾元件B，霍爾電壓經運放A放大，通過功率管VT1、VT2放大得到補償電流Is，Is通過次邊線圈產生的磁場與原邊電流磁場方向相反，若滿足IiN1= ISN2，則通過霍爾的磁通為0。

Ii為原邊電流；N1為原邊繞組匝數，設計中取N1=1；IS為補償電流；N2為次級繞組匝數。

圖1　工作原理

3　電流傳感器功耗分析

電流傳感器的功耗P滿足公式(2),電源一定的情況下傳感器功耗與通過電源的電流I+與I-相關，下面從傳感器電路原理分析I+與I-與那些因素有關。

I+、I-主要由霍爾驅動電流IQ、運放工作電流I1及功率管發射極電流Ie(近似等于Iout)3部分內容，由圖2可知I+、I-滿足以下公式：

可以看出通過+VCC、-VCC的霍爾驅動電流IQ是一致的，IQ大小一般在6mA～10mA之間，霍爾輸入內阻Ri一般為200Ω～1KΩ,功耗在12.8mW～100mW；運放A I1+、I1-在10mA左右，傳感器供電±24V，運放A功率480mW左右。

圖2　電路原理

原邊電流Ii為0時Iout不到1mA，隨著Ii增大，Iout增大，表1、2為1000A電流傳感器在Ii=0與Ii=1000A時測試數據。

表1　Ii=0時各端口電流

表2　動態時各端口電流

由數據可以看出Ii為0時+VCC、-VCC對應的電流I+、I-其數值相差不大，Iout有正負之分，Ii為正輸入時Ie+大小與Iout近似相等，I+遠大于I-，Ii為負輸入時I-遠大于I+。I+與I-的絕對差值近似等于Iout，傳感器功耗主要集中在在次邊線圈L與功率管VT1、VT2上。

4　次邊線圈功耗

選擇漆包線時要參考最大載流數據，漆包線與磁路尺寸定型后線圈的阻值與功耗基本確認。線圈阻值隨溫度而變化，見公式(5)，原邊電流不變的情況下其線圈在不同的溫度點功耗與線圈內阻成線性關系，見公式 (6)。

其中a為漆包線的溫度系數，對于銅而言，其a=3.96×10-3/℃。以1000A傳感器為例可以看出在2100A時傳感器線圈功耗最大，功耗P=RL*(IPM*KN)2≈7.06W,漆包線耐溫在155℃，漆包線耐溫能夠滿足傳感器設計要求。

表3　　傳感器技術參數

表4　　線圈測試溫度

5　功率管功耗

由圖2可以看出電路輸出部分采用的是推挽電路，VT1與VT2在電路中完全對稱，因此我們只對電流Iout為正時進行分析。

5.1 功率管功耗計算

VT1(或VT2)功耗計算公式為：

圖3　三極管功耗曲線

VT1(或VT2)處于放大狀態，滿足發射結正偏、集電結反偏，對于VT1，有UEB=UE-UB>0，UCB=UC-UB<0；對于VT2，有UBE=UB-UE>0，UCB=UC-UB<0。VT1(或VT2)為硅管時UEC大于0.6V～0.7V，為鍺管時大于0.2V～0.3V，這就是圖3功耗曲線中功耗無法為0的原因。

根據積分理論導數為0時其極值最大，即Iout=VCC/2(RL +Rm)時其功耗最大，為Pmax=VCC2/4(RL+Rm)，當取樣電阻Rm為O時最大功耗為Pmax=VCC2/4RL。以1000A傳感器為例，Iout=300mA(即原邊電流Ii﹦1500A時)其功率管功耗最大，為3.6W左右，由圖3曲線及參數可知，1500A以下功率管功耗呈上升趨勢，1500A～2100A時功率管功耗呈下降趨勢。

5.2功率管功耗驗證

表5　　常溫功率管功耗測試

由數據可以看出1500A時產品功率管功耗最大，實測數據與圖3結論相符，正向時VT1溫度高，反向時VT2溫度高。

5.3功率管溫度降低方法

功率管工作時產生的熱量會使功率管結溫升高，器件可靠性降低，嚴重時會燒壞功率器件。為降低功率管溫度目前采用的方式主要有：(1)通過散熱器來降低功率管管芯的溫度；(2)通過功率管并聯模式來分擔功率達到降低管芯溫度的目的。功率管熱阻RT與最大允許的結溫Tj，環境空氣的溫度Ti及最大的功耗PCM的關系式為：

其中，Tj為功率管結溫(實際中結溫選擇100℃)；Ti為環境溫度(一般為40℃～60℃)

5.3.1散熱器方式

功率管熱阻RT由三部分組成：1)PN結到器件外殼的熱阻Rθjc，與管芯尺寸、封裝結構有關；2)管殼到散熱器的熱阻Rθcs與安裝技術及功率管封裝有關，典型值為0.1~0.2℃/W；3)散熱器與周圍空氣間的熱阻Rθsa，與散熱器材質、空氣的接觸面積有關，實際上就是散熱器熱阻。鋁板材質Rqcs為0.1~3℃/W。

圖4

由前面1000A電流傳感器可知，三極管總熱阻RT=(100℃-60℃)/3.6W≈11.1W，假定功率管Rθjc為1.92℃/W,Rθcs取0.15 ℃/W，可以得出Rθsa為9.04℃/W，根據散熱器熱阻、傳感器整體結構等來確定散熱器的大小、材質。

圖5　　功率管并聯方式

5.3.2功率管并聯模式

通過功率管并聯模式(見圖5)可以分擔功率管的功耗降低溫升，以1000A傳感器為例當每個功率管通過電流為100mA(即原邊電流Ip﹦1500A) 時，分攤到每個功率管功耗大約為1.2W左右， 每個功率管的熱阻滿足公式(10)。

其中Rθca為三極管管殼到環境的熱阻。

單個功率熱阻(100℃-60℃)/1.2W≈33.3℃/W，RθjC為 8.3℃/W，可以得出Rθca為25℃/W，通過印制板大面積敷銅來滿足降低功率管溫升。

6　結論

本文對霍爾閉環電流傳感器的功耗進行了詳細的分解，得出了傳感器功耗主要集中在次邊線圈及功率管上，傳感器的功率不是與測量電流大小呈線性關系，然后對次邊線圈、功率管溫度進行了詳細的分析，對于霍爾閉環電流傳感器的設計有一定的指導意義。

參考文獻

[1]米哲濤,曹雷.霍爾元件在電流傳感器中的應用[J].機車電傳動,2011(1).

[2]周文森,黃金屏,陳岫 著.新編實用電工手冊[M].北京科學技術出版社,2001,4.

[3]余建祖著.電子設備熱設計及分析技術[M].高等教育出版社,2002,12.