同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院　寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司　米哲濤寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司　胡冬青　李　敏　關(guān)　克　朱文琴

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霍爾閉環(huán)電流傳感器的功耗問題研究

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司米哲濤
寧波南車時代傳感技術(shù)有限公司胡冬青李敏關(guān)克朱文琴

【摘要】本文從霍爾閉環(huán)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(fā)現(xiàn)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(jìn)行了分析，并提出解決辦法，對于霍爾閉環(huán)電流傳感器設(shè)計有很好的參考意義。

【關(guān)鍵詞】功耗；次邊線圈；功率管；溫升

1　引言

霍爾閉環(huán)電流傳感器的精度一般高于0.7%，次邊線圈N2匝數(shù)都在1000以上，當(dāng)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(huán)電流傳感器的功耗著手進(jìn)行闡述。

2　工作原理

原邊電流Ii產(chǎn)生的磁場通過霍爾元件B，霍爾電壓經(jīng)運(yùn)放A放大，通過功率管VT1、VT2放大得到補(bǔ)償電流Is，Is通過次邊線圈產(chǎn)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(shù)，設(shè)計中取N1=1；IS為補(bǔ)償電流；N2為次級繞組匝數(shù)。

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(guān)，下面從傳感器電路原理分析I+與I-與那些因素有關(guān)。

I+、I-主要由霍爾驅(qū)動電流IQ、運(yùn)放工作電流I1及功率管發(fā)射極電流Ie(近似等于Iout)3部分內(nèi)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(qū)動電流IQ是一致的，IQ大小一般在6mA～10mA之間，霍爾輸入內(nèi)阻Ri一般為200Ω～1KΩ,功耗在12.8mW～100mW；運(yùn)放A I1+、I1-在10mA左右，傳感器供電±24V，運(yùn)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(shù)據(jù)。

表1　Ii=0時各端口電流

表2　動態(tài)時各端口電流

由數(shù)據(jù)可以看出Ii為0時+VCC、-VCC對應(yīng)的電流I+、I-其數(shù)值相差不大，Iout有正負(fù)之分，Ii為正輸入時Ie+大小與Iout近似相等，I+遠(yuǎn)大于I-，Ii為負(fù)輸入時I-遠(yuǎn)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(shù)據(jù)，漆包線與磁路尺寸定型后線圈的阻值與功耗基本確認(rèn)。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(diǎn)功耗與線圈內(nèi)阻成線性關(guān)系，見公式 (6)。

其中a為漆包線的溫度系數(shù)，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(shè)計要求。

表3　　傳感器技術(shù)參數(shù)

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(jìn)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(tài)，滿足發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)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(jù)積分理論導(dǎo)數(shù)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(dāng)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(shù)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(yàn)證

表5　　常溫功率管功耗測試

由數(shù)據(jù)可以看出1500A時產(chǎn)品功率管功耗最大，實(shí)測數(shù)據(jù)與圖3結(jié)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(chǎn)生的熱量會使功率管結(jié)溫升高，器件可靠性降低，嚴(yán)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(lián)模式來分擔(dān)功率達(dá)到降低管芯溫度的目的。功率管熱阻RT與最大允許的結(jié)溫Tj，環(huán)境空氣的溫度Ti及最大的功耗PCM的關(guān)系式為：

其中，Tj為功率管結(jié)溫(實(shí)際中結(jié)溫選擇100℃)；Ti為環(huán)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(jié)到器件外殼的熱阻Rθjc，與管芯尺寸、封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)；2)管殼到散熱器的熱阻Rθcs與安裝技術(shù)及功率管封裝有關(guān)，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(zhì)、空氣的接觸面積有關(guān)，實(shí)際上就是散熱器熱阻。鋁板材質(zhì)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(jù)散熱器熱阻、傳感器整體結(jié)構(gòu)等來確定散熱器的大小、材質(zhì)。

圖5　　功率管并聯(lián)方式

5.3.2功率管并聯(lián)模式

通過功率管并聯(lián)模式(見圖5)可以分擔(dān)功率管的功耗降低溫升，以1000A傳感器為例當(dāng)每個功率管通過電流為100mA(即原邊電流Ip﹦1500A) 時，分?jǐn)偟矫總€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(huán)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(jié)論

本文對霍爾閉環(huán)電流傳感器的功耗進(jìn)行了詳細(xì)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(guān)系，然后對次邊線圈、功率管溫度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對于霍爾閉環(huán)電流傳感器的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

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