霍尔闭环电流传感器的功耗问题研究

同济大学电子与信息工程学院　宁波南车时代传感技术有限公司　米哲涛宁波南车时代传感技术有限公司　胡冬青　李　敏　关　克　朱文琴



霍尔闭环电流传感器的功耗问题研究

同济大学电子与信息工程学院宁波南车时代传感技术有限公司米哲涛
宁波南车时代传感技术有限公司胡冬青李敏关克朱文琴

【摘要】本文从霍尔闭环电流传感器的工作原理着手，得出电流传感器功耗及各部分的功率分解，发现传感器功耗主要集中在次边线圈与功率管上，分别对这两块进行了分析，并提出解决办法，对于霍尔闭环电流传感器设计有很好的参考意义。

【关键词】功耗；次边线圈；功率管；温升

1　引言

霍尔闭环电流传感器的精度一般高于0.7%，次边线圈N2匝数都在1000以上，当原边电流Ii不断增加时其电流传感器输出电流线性增大，本文主要从霍尔闭环电流传感器的功耗着手进行阐述。

2　工作原理

原边电流Ii产生的磁场通过霍尔元件B，霍尔电压经运放A放大，通过功率管VT1、VT2放大得到补偿电流Is，Is通过次边线圈产生的磁场与原边电流磁场方向相反，若满足IiN1= ISN2，则通过霍尔的磁通为0。

Ii为原边电流；N1为原边绕组匝数，设计中取N1=1；IS为补偿电流；N2为次级绕组匝数。

图1　工作原理

3　电流传感器功耗分析

电流传感器的功耗P满足公式(2),电源一定的情况下传感器功耗与通过电源的电流I+与I-相关，下面从传感器电路原理分析I+与I-与那些因素有关。

I+、I-主要由霍尔驱动电流IQ、运放工作电流I1及功率管发射极电流Ie(近似等于Iout)3部分内容，由图2可知I+、I-满足以下公式：

可以看出通过+VCC、-VCC的霍尔驱动电流IQ是一致的，IQ大小一般在6mA～10mA之间，霍尔输入内阻Ri一般为200Ω～1KΩ,功耗在12.8mW～100mW；运放A I1+、I1-在10mA左右，传感器供电±24V，运放A功率480mW左右。

图2　电路原理

原边电流Ii为0时Iout不到1mA，随着Ii增大，Iout增大，表1、2为1000A电流传感器在Ii=0与Ii=1000A时测试数据。

表1　Ii=0时各端口电流

表2　动态时各端口电流

由数据可以看出Ii为0时+VCC、-VCC对应的电流I+、I-其数值相差不大，Iout有正负之分，Ii为正输入时Ie+大小与Iout近似相等，I+远大于I-，Ii为负输入时I-远大于I+。I+与I-的绝对差值近似等于Iout，传感器功耗主要集中在在次边线圈L与功率管VT1、VT2上。

4　次边线圈功耗

选择漆包线时要参考最大载流数据，漆包线与磁路尺寸定型后线圈的阻值与功耗基本确认。线圈阻值随温度而变化，见公式(5)，原边电流不变的情况下其线圈在不同的温度点功耗与线圈内阻成线性关系，见公式 (6)。

其中a为漆包线的温度系数，对于铜而言，其a=3.96×10-3/℃。以1000A传感器为例可以看出在2100A时传感器线圈功耗最大，功耗P=RL*(IPM*KN)2≈7.06W,漆包线耐温在155℃，漆包线耐温能够满足传感器设计要求。

表3　　传感器技术参数

表4　　线圈测试温度

5　功率管功耗

由图2可以看出电路输出部分采用的是推挽电路，VT1与VT2在电路中完全对称，因此我们只对电流Iout为正时进行分析。

5.1 功率管功耗计算

VT1(或VT2)功耗计算公式为：

图3　三极管功耗曲线

VT1(或VT2)处于放大状态，满足发射结正偏、集电结反偏，对于VT1，有UEB=UE-UB>0，UCB=UC-UB<0；对于VT2，有UBE=UB-UE>0，UCB=UC-UB<0。VT1(或VT2)为硅管时UEC大于0.6V～0.7V，为锗管时大于0.2V～0.3V，这就是图3功耗曲线中功耗无法为0的原因。

根据积分理论导数为0时其极值最大，即Iout=VCC/2(RL +Rm)时其功耗最大，为Pmax=VCC2/4(RL+Rm)，当取样电阻Rm为O时最大功耗为Pmax=VCC2/4RL。以1000A传感器为例，Iout=300mA(即原边电流Ii﹦1500A时)其功率管功耗最大，为3.6W左右，由图3曲线及参数可知，1500A以下功率管功耗呈上升趋势，1500A～2100A时功率管功耗呈下降趋势。

5.2功率管功耗验证

表5　　常温功率管功耗测试

由数据可以看出1500A时产品功率管功耗最大，实测数据与图3结论相符，正向时VT1温度高，反向时VT2温度高。

5.3功率管温度降低方法

功率管工作时产生的热量会使功率管结温升高，器件可靠性降低，严重时会烧坏功率器件。为降低功率管温度目前采用的方式主要有：(1)通过散热器来降低功率管管芯的温度；(2)通过功率管并联模式来分担功率达到降低管芯温度的目的。功率管热阻RT与最大允许的结温Tj，环境空气的温度Ti及最大的功耗PCM的关系式为：

其中，Tj为功率管结温(实际中结温选择100℃)；Ti为环境温度(一般为40℃～60℃)

5.3.1散热器方式

功率管热阻RT由三部分组成：1)PN结到器件外壳的热阻Rθjc，与管芯尺寸、封装结构有关；2)管壳到散热器的热阻Rθcs与安装技术及功率管封装有关，典型值为0.1~0.2℃/W；3)散热器与周围空气间的热阻Rθsa，与散热器材质、空气的接触面积有关，实际上就是散热器热阻。铝板材质Rqcs为0.1~3℃/W。

图4

由前面1000A电流传感器可知，三极管总热阻RT=(100℃-60℃)/3.6W≈11.1W，假定功率管Rθjc为1.92℃/W,Rθcs取0.15 ℃/W，可以得出Rθsa为9.04℃/W，根据散热器热阻、传感器整体结构等来确定散热器的大小、材质。

图5　　功率管并联方式

5.3.2功率管并联模式

通过功率管并联模式(见图5)可以分担功率管的功耗降低温升，以1000A传感器为例当每个功率管通过电流为100mA(即原边电流Ip﹦1500A) 时，分摊到每个功率管功耗大约为1.2W左右， 每个功率管的热阻满足公式(10)。

其中Rθca为三极管管壳到环境的热阻。

单个功率热阻(100℃-60℃)/1.2W≈33.3℃/W，RθjC为 8.3℃/W，可以得出Rθca为25℃/W，通过印制板大面积敷铜来满足降低功率管温升。

6　结论

本文对霍尔闭环电流传感器的功耗进行了详细的分解，得出了传感器功耗主要集中在次边线圈及功率管上，传感器的功率不是与测量电流大小呈线性关系，然后对次边线圈、功率管温度进行了详细的分析，对于霍尔闭环电流传感器的设计有一定的指导意义。

参考文献

[1]米哲涛,曹雷.霍尔元件在电流传感器中的应用[J].机车电传动,2011(1).

[2]周文森,黄金屏,陈岫 著.新编实用电工手册[M].北京科学技术出版社,2001,4.

[3]余建祖著.电子设备热设计及分析技术[M].高等教育出版社,2002,12.