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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傳感器集成電路開發、制造及營銷領域的全球引領者。本文將描述混合動力車 (HEV) 動力系統以及霍爾效應電流感應技術對提高系統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、人們對環境健康日益關注，消費者日益推崇環境友好型的“綠色環保車”。銷售預測顯示，到 2015 年，綠色環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電能流。在單電動機混合動力車（見圖 1）中，電動機作為驅動馬達與內燃機并列運行，或者作為發電機在再生制動期間給電池充電。

圖 1 典型 HEV 系統方框圖

典型的混合動力車具有多個需要電流傳感器的系統（包括交流電動機與直-直變流器應用），以便確保最高的工作效率。本文重點介紹霍爾效應電流傳感器技術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用中的使用情況。

混合動力車動力循環

在混合動力車動力循環中，主電池電壓發生逆變（如圖 1 所示），產生的交流電壓將施加到電動機，以驅動車輪。在再生制動過程中，交流電動機還作為發電機工作。當再生系統激活時，電動發電機的輸出電壓經過整流轉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。若混合動力車是一款插電式汽車，線路電壓也可以經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和車身控制子系統供電。

霍爾效應電流感應技術的一次革命

傳統霍爾效應傳感器的缺點之一是:在電流感應應用中，對精確度和輸出信號帶寬均有一定限制。但是，Allegro 已開發出一系列非常適合混合動力車應用的霍爾效應電流傳感器集成電路 (IC)。 這些業內領先的 Allegro 電流傳感器 IC 具有下列功能及優點：

• 創新的信號處理和封裝設計使其具有超過 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過精確編程

圖 2 描述了 Allegro 電流傳感器 IC 系列產品廣泛的專有封裝配置，并展示了各種封裝能夠感應到的電流幅度。

逆變器應用中的電流感應

在典型的逆變器中，三相全橋驅動器將直流電池電壓轉換成系統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，且通常利用測量結果來控制脈寬調制 (PWM) 逆變器開關（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電機效率。具有快速響應時間的高端電流傳感器還可在電動機相位至地面節點發生短路時提供過流保護。Allegro A1360 霍爾線性設備專為混合動力車逆變器應用量身制做，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 線性霍爾效應傳感器通常置于電動機中環繞各逆變器相導體的鐵磁環的空隙中（見圖 2）。當電流流過導體時，鐵磁環吸引在標準單列直插式封裝 (SIP) 中產生的磁場。A1360 霍爾傳感器提供與該電流成正比的輸出電壓。與較為傳統的 IC 封裝相比，該設備采用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中的 PWM 開關。此外，這些 SIP 傳感器 IC 還可為 IGBT 過流保護應用提供 3 μs 的輸出響應時間。與笨重的變流器相比，其結構也更加小巧。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低至直流頻率的電流。這種要求使變流器不能在充分優化的系統中使用。在這些應用中使用分流電阻也極具挑戰性（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 霍爾效應電流傳感器 IC 具有固有絕緣功能，能夠同時感應直流電和高頻率電流信號，是混合動力車在直-直變流器應用中的理想選擇。

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，因此精確感應轉換器輸出電流至關重要。

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、子系統直-直變流器應用的理想選擇。ACS714 是出廠時經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 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 的環配置感應到。所有的 Allegro 解決方案均提供行業領先的高帶寬輸出性能和出色的電流分辨率能力。

總結

Allegro 最新一代霍爾效應電流傳感器 IC 技術在感應混合動力車的交流和直流電方面具有顯著優勢。霍爾電流傳感器對高端電流感應具有固有的電流絕緣能力，在高效率混合動力車應用的功率損耗較小。Allegro 通過對霍爾 IC 技術的最新改進，開發出行業領先的高帶寬、高分辨率電流傳感器 IC，非常適合混合動力車逆變器和直-直變流器應用。

參考文獻

于 2010 年 7 月/8 月發表在《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.