摘要

基于閉環(huán)磁通門(mén)技術(shù)的傳感器廣泛應用在測量大電流中的小剩余電流以及噪聲共模電流。這類(lèi)傳感器的精度以及對大電流的隔離能力使之成為漏電流檢測的最優(yōu)方案，但通常缺點(diǎn)是成本昂貴且體積龐大。本文介紹了一種新型小尺寸且利用霍爾閉環(huán)技術(shù)對太陽(yáng)能系統中的漏電流進(jìn)行測量的傳感器：新一代的LDSR產(chǎn)品。

1.介紹

基于霍爾效應的閉環(huán)傳感器用于電流測量時(shí)能在成本和性能之間作出良好的權衡。  

如圖1所示，用于檢測漏電流的霍爾閉環(huán)傳感器在除了主導體(I1)之外還包含第二根主導體(I2)。兩根導體中的電流差分(I1-I2)在磁芯氣隙處產(chǎn)生的磁通量和由驅動(dòng)電流通過(guò)二次側補償繞組產(chǎn)生的磁通量相互抵消已達到動(dòng)態(tài)的磁通量平衡。

圖1 閉環(huán)霍爾電流測量

霍爾器件和相關(guān)電子電路用于生成二次側（補償）電流是對一次電流的精確還原。磁感應霍爾器件和所需的大部分電子元件都集成在單個(gè)CMOS ASIC中實(shí)現。與磁通門(mén)結構的傳感器相比，新型的漏電流霍爾閉環(huán)傳感器減小了封裝尺寸并簡(jiǎn)化生產(chǎn)制作工藝。此外，減少的電子和機械部件可提高長(cháng)期工作的可靠性。

盡管架構簡(jiǎn)單，但設計本身仍具有挑戰性：

為了減小傳感器封裝，原邊導線(xiàn)要嵌入到傳感器中。導線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生大量的熱，電流密度和原副邊的隔離都會(huì )受到限制。

磁路需要準確以應對檢測較小的剩余電流，同時(shí)抑制較強的共模電流。優(yōu)化原邊導體與霍爾元件之間的耦合是必不可少的。

該架構對外部磁場(chǎng)非常敏感：整體的電磁設計必須防止外部電磁場(chǎng)的干擾。

2. 一次導體設計

一次導體的設計要非常小心，選擇集成帶印刷電路板的解決方案是出于結構緊湊性的要求，也是考慮到其平面化結構帶來(lái)的優(yōu)勢。

2.1 平面結構的設計用于抑制共模電流

為了說(shuō)明共模抑制的必要性，讓我們考慮一下基本的二維模擬。

圖2 基于線(xiàn)纜的共模信號磁場(chǎng)模擬

如圖2所示，磁芯由一條帶有氣隙的高磁導率材料制成，兩根導線(xiàn)并排放置在磁芯包圍的內部，  其中一根導線(xiàn)通入+30A的電流，另一根導線(xiàn)通入-30A的電流，如上圖所示，在磁芯氣隙處的磁場(chǎng)高達11mT，使剩余電流測量幾乎不可能。而磁芯本體如圖所示產(chǎn)生的磁場(chǎng)達到700mT。這對于某些磁性材料來(lái)說(shuō)可能是一種接近飽和的情況，因此直接采用并排導線(xiàn)這種原邊配置的方式將導致傳感器線(xiàn)性度降低且質(zhì)量非常差。

如果原邊設計采用PCB結構的4層板設計，如圖3所示。其中2層PCB銅箔各流入+15A的電流，另外2層PCB銅箔各流入-15A的電流?；谶@樣的設計改進(jìn)，使用極少量的磁性材料來(lái)測量是可行的。

圖3 基于原邊電流采用PCB結構的共模信號磁場(chǎng)模擬

原邊電流采用PCB結構的設計去抑制共模的概念最終形成了如下圖所示的PCB結構設計方案。

圖4 原邊導體采用PCB結構設計的方案

共模抑制的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是兩個(gè)往返電流（I1和I2）在PCB上的走線(xiàn)方式：兩條走線(xiàn)方式的不對稱(chēng)性（PCB布線(xiàn)的載流密度）都會(huì )導致抑制效果的退化。

圖5 電流密度仿真

圖6 電流密度仿真結果

2.2 熱考慮

光伏逆變器設計者面臨的挑戰之一是需要遵守UL標準，尤其是UL62109標準，該標準規定PCB不應超過(guò)105°C。通常PCB是由FR4材質(zhì)的基板和銅箔制成的(對于逆變器PCB而言)。由于PCB面積很小，PCB銅箔本身散熱能力有限，寬橫截面的導體焊接靠觸點(diǎn)焊接在PCB上是優(yōu)秀的“熱管”，但由于這種情況涉及到不確定性，使得按照通常的計算熱阻的方法變得不可行，應通過(guò)模擬和試驗來(lái)調查合規性。

圖7 原邊通入35A電流下的熱仿真

盡管存在復雜的熱環(huán)境，但仍可采用基本可靠的熱管理方法。讓我們考慮圖7中所描述的配置。

參數：

環(huán)境空氣：85°C

強制對流：無(wú)

印刷電路板厚度：1.6毫米

PCB銅箔厚度：105μm（4層）

銅箔走線(xiàn)寬度：16 mm

銅箔走線(xiàn)長(cháng)度：100 mm

電流：35 A

最熱點(diǎn)溫度仿真后得出98°C

圖8 原邊PCB在主PCB上的走線(xiàn)

通過(guò)調節上述配置參數，可以將PCB板上的溫度最高點(diǎn)控制在一個(gè)合理的范圍。

另一種方法是在溫度最高點(diǎn)的可能位置附近添加一層單獨的銅箔平面?？墒股崮芰μ岣?5%至20%，如圖9所示。

圖9 單層板設計布局走線(xiàn)

3 磁芯設計

選用高磁導率、低矯頑的材料，可以讓傳感器的靈敏度更高、磁偏更小。如前所示，磁芯設計需要非常少量的材料。

主要任務(wù)是氣隙的形狀設計，關(guān)于形狀的選擇，最重要的衡量標準是拒絕外部磁場(chǎng)干擾的能力。

圖10 磁芯氣隙形狀對外部磁場(chǎng)干擾的抑制仿真

（藍色表示磁場(chǎng)場(chǎng)強較小，紅色表示磁場(chǎng)場(chǎng)強較大）

4 磁屏蔽設計

產(chǎn)品內有考慮磁場(chǎng)屏蔽設計

圖11 磁場(chǎng)屏蔽設計

4.1 抗擾機械設計

此外，為了優(yōu)化磁屏蔽，還進(jìn)行了大量的仿真研究。下圖描述了在最糟糕的外部磁場(chǎng)環(huán)境下如何找到一些磁場(chǎng)“安靜區”。這些區域的分布是最終機械設計的目標。

圖12 U型屏蔽層仿真

5.用于簡(jiǎn)化裝配的最新印刷電路板

將集成霍爾元件的ASIC巧妙的設計在磁芯氣隙中，如下圖13所示。

圖13 專(zhuān)用的PCB堆疊結構有助于減小磁路氣隙

此外，在高精度銅版印刷的PCB上，嵌入二次側補償線(xiàn)圈以取代物理繞組線(xiàn)圈（如圖14所示）

圖14 等效二次繞組的PCB設計

圖15 最終的機械裝配（無(wú)外殼）

最后，圖16描述了LDSR傳感器的機械輪廓。圖17總結了關(guān)鍵性能。

圖16 LDSR 機械尺寸

圖17 關(guān)鍵參數

6. 結論

霍爾傳感技術(shù)的改進(jìn)，以低成本和強大的仿真工具實(shí)現高效數字處理的能力，為小電流傳感器的設計開(kāi)辟了一條新的途徑，為磁通門(mén)解決方案提供了可靠的替代方案。