小功率变频器中电压电流传感器应用

前言：变频器是一种输出任意希望频率值的设备。变频通常以交-直-交的方式来实现，电压、电流传感器在变频器里是个重要的“感知器官”，能实时的监测、反馈关键参数，并由CPU采集、运算，最后根据预设条件做出精准控制。电流电压传感器起到了重要的故障防护、设备保护功能。本文系统的描述电压、电流传感器在小功率的单相、三相变频器中的应用场景和器件的选型策略。

一、变频器系统概述与传感器核心作用

我们通常所说的变频器，是通过整流、滤波和电力电子的高速开关动作，将市电50hz的交流电，最终转换为某一特定频率的交流电，这个频率用户可现场随意设置，一般是供给电机类负载使用以达到控制转速，节能的目的。其典型拓扑包含防雷、整流滤波、DC/DC升压、DC/AC逆变、波形整形交流输出几大环节。电压、电流传感器在每个环节里均可以发挥重要的作用，主要看设计者所追求的目标。其整体方框图大致如下：

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电压、电流传感器在这些环节起到的核心作用：

实时监测：

实时、精确采集各个部位的电流、电压参数，传递给CPU，CPU做高速A/D，将模拟信号转化成数字信号，为程序控制算法提供数据基础；

​闭环控制过程：

程序通过监测到的电压、电流数据，进行数据运算和逻辑分析判断，再去实现对功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精准控制，达到闭环控制目的；

​故障的防护和器件的保护​：

CPU通过检测电压、电流传感器件输出的信号，相应的做出设备过流、短路、漏电等异常状态判断，最终去触发保护机制。

二、电压、电流传感器在变频器各个环节的实际应用

1.AC-DC环节：

首先需要把50Hz AC，经过全桥器件整流成一个脉动的直流，再经过一个滤波电容， 这样的脉动直流电压更平滑，也有利于后级DC-DC更稳定的输出。

在整流之前，EMC/EMI考虑，通常要增加防雷电路和器件。

AC-DC环节，绝缘耐压上的考虑，建议放置霍尔形式的电流传感器件而不是检流电阻，器件可以考虑AN1V/AN3V系列器件，放置在防雷电路和整流桥之间。

​2. DC/DC升压：

需要一个DC/DC升压电路才能把AC-DC整流滤波出来的约220V 的DC，抬升到300V，以供后级的变频电路所需。抬升电路有一套自身的负反馈回路来保证输出能稳定到300V，故，一般不需要对升压后的电压做检测；。

AC-DC整体电路见下，防雷部分可满足抗2000V 浪涌/EFT等的测试：

3.变频环节：IGBT保护，桥臂控制与故障保护

​ 相较于MOS管，IGBT要昂贵的多，为了尽可能的保护功率管不被损坏；或者，为了保护因功率管的损坏后，上下桥臂的直通而引起烧毁甚至电器起火等事件，有必要在+300V总线上放置一个监测工作电流的器件。在早期，大家习惯用分流器+隔离OP放大器来实现

采用分流器的方式来检测电流，在低压电路中容易应用，若是在高压电路，例如在+300V母线的时候，绝缘耐压的问题不是很好处理，要增加一些保护电路。另外，载流量越大，其体积尺寸也更大，这些也对其应用有些限制；

可以考虑采用高精度，响应时间快的闭环霍尔电流传感器，例如CMxx系列，其响应时间<1us，典型情况下<0.5μs，精度，最好约为0.2%；

此器件的响应时间<0.5μs

此高精度闭环霍尔传感器放置在此处，起两个主要的作用：1)检测总输出电流，用于计算和显示总输出功率；2)类似保险管一样的保护作用；一旦某个桥臂的MOS/IGBT损坏，势必会导致+300V与地直通，从而引起短路，此类故障会被迅速的检测出来；

虽然闭环的电流传感器的响应时间<0.5μs，但是，考虑到逆变器输出的波形数据是由CPU内部程序的计算所产生，这导致了程序的运行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5μs的响应时间。加大CPU的工作主频或者是升级CPU固然是一个办法，但是，最好还是再最追加一个最大值检测电路：该模拟量再通过一个窗口比较器的方式来转成高低电平的数字信号，最后送入到CPU的中断口，达到快速响应，迅速切断IGBT的输出，起到保护目的；

​ 考虑到硬件电路的响应速度会远高于程序，那么这个保护信号，也可以是引入到MOS/IGBT的驱动IC的使能端，这样可以比程序更快速的关断。

如果是价格上的考虑，也可以采用开环的霍尔器件，例如ANxx/HSxx等系列。要注意其响应时间<5μs，作为保护用途，可能会稍慢了些。

4.输出环节

变频器的输出负载，多数情况下是各类电机。为了提高电机的运行稳定，可以考虑在输出端放置一个闭环的霍尔电流传感器件，通过检测输出电流来形成闭环控制。

在输出部分，可以考虑放置一个CM1A系列的器件，该器件精度高，响应时间快。单相产品放置一颗，三相产品一般只需放置两颗。

三、特殊环境下的应用挑战与应对策略

尽量选用高精度、低温漂闭环霍尔器件，器件的温漂<50ppm/℃，可以有效的规避温度漂移所导致的一些误保护。

​封装:器件通常采用满足IP67要求的结构设计，以更好的适应绝缘耐压要求

大电流应用场景

PCB的铜厚度，常用为0.5oz，1oz等；显然的，为了流过大电流，需要更大铜截面积，那要么加宽走线，要么加厚铜层厚度。或者同时加宽线宽，加厚铜层。比如用2oz、5oz的PCB，这不单是大幅增加成本，即使是如此处理了，仅靠PCB的走线去走高大100A的电流也是难以满足可靠性要求：铜层所产生的热量，在阻焊层的包裹下，是无法散出热量。

在这些情况下，可以考虑穿线的方式的霍尔电流传感器，最多10mm2的铜线/铜排，就能轻松的流过100A，在PCB板上只需要开相应的焊盘通孔即可。这还是一个低成本的方案。

结语

电压、电流传感器在变频器中是一个重要的测量元件，另外一个测量元件是温度传感器，其重要性正不断的被工程师所认可。随着其拓扑方式的改进，目前正在实验的应用交-交变频，而碳化硅器件(Sic)功率器件等的逐步引入到变频器行业，开关频率的不断提升，也势必推动传感器行业迈入一个新的台阶。