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磁性电流传感器可提高电力应用的效率

【导读】转换和电源管理应用越来越需要具有可靠性、耐久性和准确性的电流传感器。下一代电子设备将面临重大的技术挑战,这将影响电源管理性能和效率。必须仔细选择用于监测负载吸收的功率以及控制和保护电源所需的电流传感器,在霍尔效应传感器、变压器、并联电阻器或AMR传感器中,不时选择最适合具体应用的解决方案。

根据电绝缘的类型,电流传感器可分为两类:隔离传感器和非隔离传感器。非隔离传感器适用于低电压水平的应用,通常低于50伏交流电压或120伏直流电压。如果需要隔离或使用更高电压的传感器。第一种类型的隔离传感器可以用并联电阻和光学或电容绝缘体制成。另一种解决方案是使用磁性电流传感器。第一种解决方案除了需要分流电阻外,还需要一定数量的外部元件,第二种是单芯片解决方案,只需要集成磁性集成电路。

磁电流传感器

磁性电流传感器用于任何有功率转换的应用,包括:

数据中心、服务器和电信用电源。第一级将交流电源(单相或三相)转换为直流电压,通常包括一个PFC电路以获得更高的效率。以下阶段由一个或多个DC-DC转换器表示,这些转换器产生负载所需的电压(单个CPU的电压为48V、12V,低至1V);

电机驱动和逆变器。这里,第一级是一个带PFC的AC-DC转换器,接着是一个三相DC-AC逆变器;

不间断电源(UPS)。带PFC的AC-DC转换器后面是电池充电器和电池组本身,最后是DC-AC逆变器;

电动汽车电机驱动和电池管理。这个应用程序涉及的不同阶段如图1所示。在这种情况下,作为进一步的输出级,我们有两个DC-DC转换器和一个充电器为12V和48V电池供电。

磁性电流传感器可提高电力应用的效率

图1:EV电机驱动器和BMS应用

所有列出的应用都要求在电路的相关点进行准确的电流测量,因此需要提供准确可靠的传感器。对于图1的示例,隔离电流测量点用绿色圆圈表示。非隔离的黑色圆圈表示电流测量值。

受到云/连接/5G/AI、工业4.0、电动汽车/电气化、快速SiC和GaN设备等应用的推动,磁性电流传感器市场预计将从2019年的13亿美元增长到2024年的20亿美元。效率是电源的一个主要问题。80+标准所预见的最高效率水平,要求所有额定负载部分(10、20、50和100%)的效率高于90%,在50%额定负载下,效率高达96%。宽禁带半导体(WBG),如SiC和GaN,将有助于达到这些效率水平。WBG的典型特点是开关速度快50倍,电阻降低3-5倍,击穿电压更高,热传导性能提高3倍,占地面积更小。电源将变得更小,效率更高,控制更顺畅,但同时将需要更高的带宽、精度和更小尺寸的电流传感器。

传感器选择标准

在选择电流传感器时,必须评估一些标准(或关键规格)。其中包括:

额定电流和过电流要求、电流源(交流或直流)、电流方向(单向或双向);

温度精度:数据表应说明总误差和读数百分比与满量程的百分比;

支持功率级开关频率所需的带宽;

由di/dt测量给出的输出阶跃响应给出了测量系统需要多快的概念;

温度范围;

隔离类型;

解决方案的规模和成本;

电气和机械接口;

其他,包括所需电源、输出类型、特性(例如过电流检测)、di/dt和dv/dt耐受性、UL/IEC认证、设计简单性/易用性。

大多数隔离电流传感器不支持SiC和GaN等宽禁带半导体的高开关速度,而那些支持它们的则需要高昂的成本。目前的趋势是通过制造高带宽、低相位延迟的磁性传感器来克服有限的带宽和低响应时间。这样,可以获得如下显著的优点:带宽可覆盖10倍的开关频率,输出阶跃响应时间小于500ns,过温精度高,动态范围增大,高频损耗减小,尺寸更小。

ACEINNA MCx1101

ACEINNA公司提供了一种基于AMR技术的新型电流传感器系列,该系列传感器在精度、带宽和阶跃响应方面具有业界领先的综合性能,并采用了经济高效的单芯片外形。

高精度、宽带宽的基于AMR的电流传感器可用于广泛的ADC和基于微处理器的电力系统和应用。MCx1101是完全集成,双向电流传感器,提供更高的直流精度和动态范围比其他解决方案。例如,±20A版本的典型精度为±0.6%,并保证在85°C时达到±2.0%(最大)的精度。这些新型电流传感器采用工业标准SOIC-16封装(见图2),具有低阻抗(0.9毫欧)电流路径,并通过UL/IEC/EN认证,适用于隔离应用。

磁性电流传感器可提高电力应用的效率

图2:基于AMR的电流传感器

MCx1101传感器还可保证±60毫安的偏移,或±0.3%的FSR(最大值),这意味着可以在大约10:1的电流范围内实现高精度,从而显著改善基于霍尔传感器的领先设备的动态范围。新系列设备提供了高精度、1.5MHz信号带宽与行业基准相移与频率、快速输出阶跃响应和4.8kV隔离的独特组合,使其成为快速电流控制回路中电流传感和高性能电源保护的理想选择,逆变器和电机控制应用。MCx1101的快速响应和高带宽也是快速开关SiC和GaN基功率级的理想选择,使电力系统设计人员能够利用宽带隙器件实现的更高的速度和更小的元件。MCx1101还提供了集成过电流检测标志,以帮助实现现代电力系统所需的过电流检测。支持的电流范围为±50、±20和±5A,设备提供固定增益(MCA1101)和比率增益(MCR1101)两种版本。

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