霍尔效应电流感应技术在混合动力车 (HEV) 中的应用
作者：Shaun Milano 与 Mike Doogue
Allegro MicroSystems 公司
Allegro® MicroSystems 公司是高性能霍尔效应传感器集成电路开发、制造及营销领域的全球引领者。本文将描述混合动力车 (HEV) 动力系统以及霍尔效应电流感应技术对提高系统性能和成本效益所起的作用。
引言
随着矿物燃料成本不断增加、人们对环境健康日益关注，消费者日益推崇环境友好型的“绿色环保车”。销售预测显示，到 2015 年，绿色环保车销售额将占所有汽车销售的 20%–25%。[1] 混合动力车 (HEV) 正迅速成为最受欢迎的绿色环保车，到 2015 年，这种车有望占全球汽车销售的 12%。 [1] 混合动力车采用复杂的电力电子电路来控制汽车内电能流。在单电动机混合动力车（见图 1）中，电动机作为驱动马达与内燃机并列运行，或者作为发电机在再生制动期间给电池充电。
典型的混合动力车具有多个需要电流传感器的系统（包括交流电动机与直-直变流器应用），以便确保最高的工作效率。本文重点介绍霍尔效应电流传感器技术的最新进展以及具有超高带宽和分辨率的独特电流传感器在混合动力车应用中的使用情况。
混合动力车动力循环
在混合动力车动力循环中，主电池电压发生逆变（如图 1 所示），产生的交流电压将施加到电动机，以驱动车轮。在再生制动过程中，交流电动机还作为发电机工作。当再生系统激活时，电动发电机的输出电压经过整流转换成所需的直流电压，为混合动力车的电池充电，完成动力循环。若混合动力车是一款插电式汽车，线路电压也可以经过整流后给电池充电。
再生制动过程对提高混合动力车的燃油效率发挥了主要作用，因为在这一过程中，过去通常以热能形式浪费的制动能源被部分回收，并用来给主电池充电。此外，混合动力车采用直-直变流器，将混合电池电压（通常高达 300 至 500 V）降低至较低的直流电压，从而向低电压信息娱乐系统和车身控制子系统供电。霍尔效应电流感应技术的一次革命
传统霍尔效应传感器的缺点之一是:在电流感应应用中，对精确度和输出信号带宽均有一定限制。但是，Allegro 已开发出一系列非常适合混合动力车应用的霍尔效应电流传感器集成电路 (IC)。 这些业内领先的 Allegro 电流传感器 IC 具有下列功能及优点：
- 创新的信号处理和封装设计使其具有超过 120 kHz 的输出带宽
- 是市场上电流分辨率最高、噪音谱线密度最低的霍尔传感器 IC
- 专有、小型传感器 IC 封装，带绝缘功能
- 功率损耗减少：可通孔的低阻力集成导体封装
- 传感器 IC增益和偏置在出厂时经过精确编程
图 2 描述了 Allegro 电流传感器 IC 系列产品广泛的专有封装配置，并展示了各种封装能够感应到的电流幅度。
逆变器应用中的电流感应
在典型的逆变器中，三相全桥驱动器将直流电池电压转换成系统电动机有效运行所需的三相交流电压（见图 3）。测量逆变器相电流，且通常利用测量结果来控制脉宽调制 (PWM) 逆变器开关（通常是 IGBT）。逆变器控制回路需要高带宽电流传感器来提高准确性、并获得最大的电动机扭矩和总体发电机效率。具有快速响应时间的高端电流传感器还可在电动机相位至地面节点发生短路时提供过流保护。Allegro A1360 霍尔线性设备专为混合动力车逆变器应用量身制做，可以满足电压绝缘、负载电流大于 200 安培 (A) 以及高带宽等要求。
A1360 线性霍尔效应传感器通常置于电动机中环绕各逆变器相导体的铁磁环的空隙中（见图 2）。当电流流过导体时，铁磁环吸引在标准单列直插式封装 (SIP) 中产生的磁场。A1360 霍尔传感器提供与该电流成正比的输出电压。与较为传统的 IC 封装相比，该设备采用1-mm 厚的专有封装，可减少涡流损失，从而提高传感器 IC 的输出带宽。 基于SIP的 Allegro 电流传感器 IC 具有高达 120 kHz 的典型输出带宽，并具有高分辨率、高精确度的性能，能够以更高的速度控制逆变器系统中的 PWM 开关。此外，这些 SIP 传感器 IC 还可为 IGBT 过流保护应用提供 3 µs 的输出响应时间。与笨重的变流器相比，其结构也更加小巧。由于该传感器 IC 输出线没有与电动机的各相位高压、带电导体连接，因此 Allegro SIP 封装能够轻松提供必要的绝缘。
直-直变流器
对电流感应范围和绝缘电压的要求决定了Allegro 电流传感器 IC 封装是直-直变流器应用中的最佳选择。
通常要求直-直变流器中的电流传感器能够感应低至直流频率的电流。这种要求使变流器不能在充分优化的系统中使用。在这些应用中使用分流电阻也极具挑战性（或不可能），因为高输入或输出直流电压要求使用昂贵的高压共模输入运算放大器。Allegro 霍尔效应电流传感器 IC 具有固有绝缘功能，能够同时感应直流电和高频率电流信号，是混合动力车在直-直变流器应用中的理想选择。
图 1 和图 3 展示了再生直-直变流器的简化图。这种再生转换器采用了能够在电池电压电平工作的电流传感器。由于限制电池的充电电流能延长混合动力车的电池寿命，因此精确感应转换器输出电流至关重要。
图 3. （左图）：直-直变流器充电器；右图：三相直-交逆变器
ACS714 电流传感器是许多较低电流、子系统直-直变流器应用的理想选择。ACS714 是出厂时经过校准的绝缘传感器 IC，采用非常小巧的 SOIC8 封装，集成 1.2 mΩ 导体，功率损耗低。此外，Allegro ACS758 设备将一个 100 µΩ 的导体和一个铁磁芯一起嵌入至小巧的绝缘封装中，能够感应 50 至 200 A 的电流。对于超过 200 A 的电流，可通过上文所述的基于 SIP 的环配置感应到。所有的 Allegro 解决方案均提供行业领先的高带宽输出性能和出色的电流分辨率能力。
总结
Allegro 最新一代霍尔效应电流传感器 IC 技术在感应混合动力车的交流和直流电方面具有显著优势。霍尔电流传感器对高端电流感应具有固有的电流绝缘能力，在高效率混合动力车应用的功率损耗较小。Allegro 通过对霍尔 IC 技术的最新改进，开发出行业领先的高带宽、高分辨率电流传感器 IC，非常适合混合动力车逆变器和直-直变流器应用。
参考文献
于 2010 年 7 月/8 月发表在《Power Systems Design Europe》上的文章。许可再版。
[1] “Global Automotive Industry Outlook 2009:Impact of Economic Slowdown on the Future of Auto Sales and Production,” Frost & Sullivan, 2009, p. 31, 在线版本已于 2010 年 6 月开通：http://www.frost.com/prod/servlet/report-homepage.pag?repid=M3A1-01-00-00-00.