作者：Shaun Milano 與 Mike Doogue
Allegro MicroSystems 公司
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Allegro? MicroSystems 公司是高性能霍爾效應(yīng)傳感器集成電路開發(fā)、制造及營銷領(lǐng)域的全球引領(lǐng)者。本文將描述混合動力車 (HEV) 動力系統(tǒng)以及霍爾效應(yīng)電流感應(yīng)技術(shù)對提高系統(tǒng)性能和成本效益所起的作用。
引言
隨著礦物燃料成本不斷增加、人們對環(huán)境健康日益關(guān)注，消費者日益推崇環(huán)境友好型的“綠色環(huán)保車”。銷售預測顯示，到 2015 年，綠色環(huán)保車銷售額將占所有汽車銷售的 20%–25%。[1] 混合動力車 (HEV) 正迅速成為最受歡迎的綠色環(huán)保車，到 2015 年，這種車有望占全球汽車銷售的 12%。 [1] 混合動力車采用復雜的電力電子電路來控制汽車內(nèi)電能流。在單電動機混合動力車（見圖 1）中，電動機作為驅(qū)動馬達與內(nèi)燃機并列運行，或者作為發(fā)電機在再生制動期間給電池充電。
圖 1 典型 HEV 系統(tǒng)方框圖
典型的混合動力車具有多個需要電流傳感器的系統(tǒng)（包括交流電動機與直-直變流器應(yīng)用），以便確保最高的工作效率。本文重點介紹霍爾效應(yīng)電流傳感器技術(shù)的最新進展以及具有超高帶寬和分辨率的獨特電流傳感器在混合動力車應(yīng)用中的使用情況。
混合動力車動力循環(huán)
在混合動力車動力循環(huán)中，主電池電壓發(fā)生逆變（如圖 1 所示），產(chǎn)生的交流電壓將施加到電動機，以驅(qū)動車輪。在再生制動過程中，交流電動機還作為發(fā)電機工作。當再生系統(tǒng)激活時，電動發(fā)電機的輸出電壓經(jīng)過整流轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓，為混合動力車的電池充電，完成動力循環(huán)。若混合動力車是一款插電式汽車，線路電壓也可以經(jīng)過整流后給電池充電。
再生制動過程對提高混合動力車的燃油效率發(fā)揮了主要作用，因為在這一過程中，過去通常以熱能形式浪費的制動能源被部分回收，并用來給主電池充電。此外，混合動力車采用直-直變流器，將混合電池電壓（通常高達 300 至 500 V）降低至較低的直流電壓，從而向低電壓信息娛樂系統(tǒng)和車身控制子系統(tǒng)供電。
霍爾效應(yīng)電流感應(yīng)技術(shù)的一次革命
傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器的缺點之一是:在電流感應(yīng)應(yīng)用中，對精確度和輸出信號帶寬均有一定限制。但是，Allegro 已開發(fā)出一系列非常適合混合動力車應(yīng)用的霍爾效應(yīng)電流傳感器集成電路 (IC)。 這些業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的 Allegro 電流傳感器 IC 具有下列功能及優(yōu)點：
創(chuàng)新的信號處理和封裝設(shè)計使其具有超過 120 kHz 的輸出帶寬
是市場上電流分辨率最高、噪音譜線密度最低的霍爾傳感器 IC
專有、小型傳感器 IC 封裝，帶絕緣功能
功率損耗減少：可通孔的低阻力集成導體封裝
傳感器 IC增益和偏置在出廠時經(jīng)過精確編程
圖 2 描述了 Allegro 電流傳感器 IC 系列產(chǎn)品廣泛的專有封裝配置，并展示了各種封裝能夠感應(yīng)到的電流幅度。
逆變器應(yīng)用中的電流感應(yīng)
在典型的逆變器中，三相全橋驅(qū)動器將直流電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)電動機有效運行所需的三相交流電壓（見圖 3）。測量逆變器相電流，且通常利用測量結(jié)果來控制脈寬調(diào)制 (PWM) 逆變器開關(guān)（通常是 IGBT）。逆變器控制回路需要高帶寬電流傳感器來提高準確性、并獲得最大的電動機扭矩和總體發(fā)電機效率。具有快速響應(yīng)時間的高端電流傳感器還可在電動機相位至地面節(jié)點發(fā)生短路時提供過流保護。Allegro A1360 霍爾線性設(shè)備專為混合動力車逆變器應(yīng)用量身制做，可以滿足電壓絕緣、負載電流大于 200 安培 (A) 以及高帶寬等要求。
A1360 線性霍爾效應(yīng)傳感器通常置于電動機中環(huán)繞各逆變器相導體的鐵磁環(huán)的空隙中（見圖 2）。當電流流過導體時，鐵磁環(huán)吸引在標準單列直插式封裝 (SIP) 中產(chǎn)生的磁場。A1360 霍爾傳感器提供與該電流成正比的輸出電壓。與較為傳統(tǒng)的 IC 封裝相比，該設(shè)備采用1-mm 厚的專有封裝，可減少渦流損失，從而提高傳感器 IC 的輸出帶寬。 基于SIP的 Allegro 電流傳感器 IC 具有高達 120 kHz 的典型輸出帶寬，并具有高分辨率、高精確度的性能，能夠以更高的速度控制逆變器系統(tǒng)中的 PWM 開關(guān)。此外，這些 SIP 傳感器 IC 還可為 IGBT 過流保護應(yīng)用提供 3 μs 的輸出響應(yīng)時間。與笨重的變流器相比，其結(jié)構(gòu)也更加小巧。由于該傳感器 IC 輸出線沒有與電動機的各相位高壓、帶電導體連接，因此 Allegro SIP 封裝能夠輕松提供必要的絕緣。
直-直變流器
對電流感應(yīng)范圍和絕緣電壓的要求決定了Allegro 電流傳感器 IC 封裝是直-直變流器應(yīng)用中的最佳選擇。
通常要求直-直變流器中的電流傳感器能夠感應(yīng)低至直流頻率的電流。這種要求使變流器不能在充分優(yōu)化的系統(tǒng)中使用。在這些應(yīng)用中使用分流電阻也極具挑戰(zhàn)性（或不可能），因為高輸入或輸出直流電壓要求使用昂貴的高壓共模輸入運算放大器。Allegro 霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 具有固有絕緣功能，能夠同時感應(yīng)直流電和高頻率電流信號，是混合動力車在直-直變流器應(yīng)用中的理想選擇。
圖 1 和圖 3 展示了再生直-直變流器的簡化圖。這種再生轉(zhuǎn)換器采用了能夠在電池電壓電平工作的電流傳感器。由于限制電池的充電電流能延長混合動力車的電池壽命，因此精確感應(yīng)轉(zhuǎn)換器輸出電流至關(guān)重要。
圖 3. （左圖）：直-直變流器充電器；右圖：三相直-交逆變器
ACS714 電流傳感器是許多較低電流、子系統(tǒng)直-直變流器應(yīng)用的理想選擇。ACS714 是出廠時經(jīng)過校準的絕緣傳感器 IC，采用非常小巧的 SOIC8 封裝，集成 1.2 m? 導體，功率損耗低。此外，Allegro ACS758 設(shè)備將一個 100 μ? 的導體和一個鐵磁芯一起嵌入至小巧的絕緣封裝中，能夠感應(yīng) 50 至 200 A 的電流。對于超過 200 A 的電流，可通過上文所述的基于 SIP 的環(huán)配置感應(yīng)到。所有的 Allegro 解決方案均提供行業(yè)領(lǐng)先的高帶寬輸出性能和出色的電流分辨率能力。
總結(jié)
Allegro 最新一代霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 技術(shù)在感應(yīng)混合動力車的交流和直流電方面具有顯著優(yōu)勢?；魻栯娏鱾鞲衅鲗Ω叨穗娏鞲袘?yīng)具有固有的電流絕緣能力，在高效率混合動力車應(yīng)用的功率損耗較小。Allegro 通過對霍爾 IC 技術(shù)的最新改進，開發(fā)出行業(yè)領(lǐng)先的高帶寬、高分辨率電流傳感器 IC，非常適合混合動力車逆變器和直-直變流器應(yīng)用。
參考文獻
于 2010 年 7 月/8 月發(fā)表在《Power Systems Design Europe》上的文章。許可再版。
[1] “Global Automotive Industry Outlook 2009:Impact of Economic Slowdown on the Future of Auto Sales and Production,” Frost & Sullivan, 2009, p. 31, 在線版本已于 2010 年 6 月開通：http://www.frost.com/prod/servlet/report-homepage.pag?repid=M3A1-01-00-00-00.
