前言：變頻器是一種輸出任意希望頻率值的設(shè)備。變頻通常以交-直-交的方式來實現(xiàn)，電壓、電流傳感器在變頻器里是個重要的“感知器官”，能實時的監(jiān)測、反饋關(guān)鍵參數(shù)，并由CPU采集、運算，最后根據(jù)預(yù)設(shè)條件做出精準(zhǔn)控制。電流電壓傳感器起到了重要的故障防護、設(shè)備保護功能。本文系統(tǒng)的描述電壓、電流傳感器在小功率的單相、三相變頻器中的應(yīng)用場景和器件的選型策略。

一、變頻器系統(tǒng)概述與傳感器核心作用

我們通常所說的變頻器，是通過整流、濾波和電力電子的高速開關(guān)動作，將市電50hz的交流電，最終轉(zhuǎn)換為某一特定頻率的交流電，這個頻率用戶可現(xiàn)場隨意設(shè)置，一般是供給電機類負(fù)載使用以達到控制轉(zhuǎn)速，節(jié)能的目的。其典型拓?fù)浒?strong>防雷、整流濾波、DC/DC升壓、DC/AC逆變、波形整形交流輸出幾大環(huán)節(jié)。電壓、電流傳感器在每個環(huán)節(jié)里均可以發(fā)揮重要的作用，主要看設(shè)計者所追求的目標(biāo)。其整體方框圖大致如下：

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電壓、電流傳感器在這些環(huán)節(jié)起到的核心作用：

實時監(jiān)測：

實時、精確采集各個部位的電流、電壓參數(shù)，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，為程序控制算法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

?閉環(huán)控制過程：

程序通過監(jiān)測到的電壓、電流數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)運算和邏輯分析判斷，再去實現(xiàn)對功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準(zhǔn)控制，達到閉環(huán)控制目的；

?故障的防護和器件的保護?：

CPU通過檢測電壓、電流傳感器件輸出的信號，相應(yīng)的做出設(shè)備過流、短路、漏電等異常狀態(tài)判斷，最終去觸發(fā)保護機制。

二、電壓、電流傳感器在變頻器各個環(huán)節(jié)的實際應(yīng)用

1.AC-DC環(huán)節(jié)：

首先需要把50Hz AC，經(jīng)過全橋器件整流成一個脈動的直流，再經(jīng)過一個濾波電容， 這樣的脈動直流電壓更平滑，也有利于后級DC-DC更穩(wěn)定的輸出。

在整流之前，EMC/EMI考慮，通常要增加防雷電路和器件。

AC-DC環(huán)節(jié)，絕緣耐壓上的考慮，建議放置霍爾形式的電流傳感器件而不是檢流電阻，器件可以考慮AN1V/AN3V系列器件，放置在防雷電路和整流橋之間。

?2. DC/DC升壓：

需要一個DC/DC升壓電路才能把AC-DC整流濾波出來的約220V 的DC，抬升到300V，以供后級的變頻電路所需。抬升電路有一套自身的負(fù)反饋回路來保證輸出能穩(wěn)定到300V，故，一般不需要對升壓后的電壓做檢測；。

AC-DC整體電路見下，防雷部分可滿足抗2000V 浪涌/EFT等的測試：

3.變頻環(huán)節(jié)：IGBT保護，橋臂控制與故障保護

? 相較于MOS管，IGBT要昂貴的多，為了盡可能的保護功率管不被損壞；或者，為了保護因功率管的損壞后，上下橋臂的直通而引起燒毀甚至電器起火等事件，有必要在+300V總線上放置一個監(jiān)測工作電流的器件。在早期，大家習(xí)慣用分流器+隔離OP放大器來實現(xiàn)

采用分流器的方式來檢測電流，在低壓電路中容易應(yīng)用，若是在高壓電路，例如在+300V母線的時候，絕緣耐壓的問題不是很好處理，要增加一些保護電路。另外，載流量越大，其體積尺寸也更大，這些也對其應(yīng)用有些限制；

可以考慮采用高精度，響應(yīng)時間快的閉環(huán)霍爾電流傳感器，例如CMxx系列，其響應(yīng)時間<1us，典型情況下<0.5μs，精度，最好約為0.2%；

此器件的響應(yīng)時間<0.5μs

此高精度閉環(huán)霍爾傳感器放置在此處，起兩個主要的作用：1)檢測總輸出電流，用于計算和顯示總輸出功率；2)類似保險管一樣的保護作用；一旦某個橋臂的MOS/IGBT損壞，勢必會導(dǎo)致+300V與地直通，從而引起短路，此類故障會被迅速的檢測出來；

雖然閉環(huán)的電流傳感器的響應(yīng)時間<0.5μs，但是，考慮到逆變器輸出的波形數(shù)據(jù)是由CPU內(nèi)部程序的計算所產(chǎn)生，這導(dǎo)致了程序的運行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5μs的響應(yīng)時間。加大CPU的工作主頻或者是升級CPU固然是一個辦法，但是，最好還是再最追加一個最大值檢測電路：該模擬量再通過一個窗口比較器的方式來轉(zhuǎn)成高低電平的數(shù)字信號，最后送入到CPU的中斷口，達到快速響應(yīng)，迅速切斷IGBT的輸出，起到保護目的；

? 考慮到硬件電路的響應(yīng)速度會遠高于程序，那么這個保護信號，也可以是引入到MOS/IGBT的驅(qū)動IC的使能端，這樣可以比程序更快速的關(guān)斷。

如果是價格上的考慮，也可以采用開環(huán)的霍爾器件，例如ANxx/HSxx等系列。要注意其響應(yīng)時間<5μs，作為保護用途，可能會稍慢了些。

4.輸出環(huán)節(jié)

變頻器的輸出負(fù)載，多數(shù)情況下是各類電機。為了提高電機的運行穩(wěn)定，可以考慮在輸出端放置一個閉環(huán)的霍爾電流傳感器件，通過檢測輸出電流來形成閉環(huán)控制。

在輸出部分，可以考慮放置一個CM1A系列的器件，該器件精度高，響應(yīng)時間快。單相產(chǎn)品放置一顆，三相產(chǎn)品一般只需放置兩顆。

三、特殊環(huán)境下的應(yīng)用挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

盡量選用高精度、低溫漂閉環(huán)霍爾器件，器件的溫漂<50ppm/℃，可以有效的規(guī)避溫度漂移所導(dǎo)致的一些誤保護。

?封裝:器件通常采用滿足IP67要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以更好的適應(yīng)絕緣耐壓要求

大電流應(yīng)用場景

PCB的銅厚度，常用為0.5oz，1oz等；顯然的，為了流過大電流，需要更大銅截面積，那要么加寬走線，要么加厚銅層厚度。或者同時加寬線寬，加厚銅層。比如用2oz、5oz的PCB，這不單是大幅增加成本，即使是如此處理了，僅靠PCB的走線去走高大100A的電流也是難以滿足可靠性要求：銅層所產(chǎn)生的熱量，在阻焊層的包裹下，是無法散出熱量。

在這些情況下，可以考慮穿線的方式的霍爾電流傳感器，最多10mm2的銅線/銅排，就能輕松的流過100A，在PCB板上只需要開相應(yīng)的焊盤通孔即可。這還是一個低成本的方案。

結(jié)語

電壓、電流傳感器在變頻器中是一個重要的測量元件，另外一個測量元件是溫度傳感器，其重要性正不斷的被工程師所認(rèn)可。隨著其拓?fù)浞绞降母倪M，目前正在實驗的應(yīng)用交-交變頻，而碳化硅器件(Sic)功率器件等的逐步引入到變頻器行業(yè)，開關(guān)頻率的不斷提升，也勢必推動傳感器行業(yè)邁入一個新的臺階。