引言

與汽油或柴油車輛相比，電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV) 具有更高的燃油效率和更低的排放量，并且使用可再生能源供電，因此其全球市場(chǎng)正以迅猛速度增長(zhǎng)。要控制 HEV/EV 動(dòng)力總成子系統(tǒng)（例如牽引逆變器、車載充電器(OBC)、直流/直流轉(zhuǎn)換器和電池管理系統(tǒng) (BMS)）的能量流并優(yōu)化效率，精準(zhǔn)的電流測(cè)量至關(guān)重要。這些高電壓子系統(tǒng)必須在通常大于 400V 的高電壓下測(cè)量大電流。因此，在嚴(yán)苛的汽車環(huán)境中進(jìn)行此類電流測(cè)量時(shí)需要實(shí)現(xiàn)隔離和高性能。

不同的隔離式電流測(cè)量方法

每個(gè) HEV/EV 應(yīng)用都具有不同的成本、精度、信號(hào)帶寬、延遲、測(cè)量范圍、隔離等級(jí)和封裝尺寸要求，有多種隔離式電流測(cè)量方法可供使用。不過(guò)，HEV/EV 子系統(tǒng)中使用的主要方法有兩種，一種是基于采樣電阻：使用隔離式放大器（圖 1）或隔離式調(diào)制器（圖 2），另一種是基于霍爾傳感器：使用開環(huán)（圖 3）或閉環(huán)（圖 4）霍爾傳感器。

基于采樣電阻和基于霍爾傳感器方法的比較

過(guò)去，設(shè)計(jì)人員更偏向?qū)⒒诓蓸与娮璧慕鉀Q方案用于低電流 (<50A) 測(cè)量，將基于霍爾傳感器的解決方案用于高電流 (>50A) 測(cè)量。但是，由于電流測(cè)量精度要求越來(lái)越高，汽車供應(yīng)商逐漸從基于霍爾傳感器的方法轉(zhuǎn)而采用基于采樣電阻的方法，尤其是在高電流環(huán)境中。汽車供應(yīng)商甚至趨向于從基于隔離式放大器的解決方案轉(zhuǎn)向基于隔離式調(diào)制器的解決方案，以便進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

德州儀器 (TI) 提供先進(jìn)的隔離式放大器和隔離式調(diào)制器，配合高精度采樣電阻使用，可幫助在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常精確的隔離式電流測(cè)量。表 1 顯示了在高電流汽車環(huán)境中，基于采樣電阻和基于霍爾傳感器的隔離式電流檢測(cè)解決方案的基本差異。

基于采樣電阻和基于霍爾傳感器方法的分析

• 霍爾傳感器本來(lái)就是隔離的，允許采用單模塊方法。另一方面，基于采樣電阻的解決方案則需要一個(gè)隔離式放大器或調(diào)制器，以及一個(gè)用于高共模電壓側(cè)的隔離式電源。
• 基于采樣電阻的解決方案具有非常低的初始失調(diào)電壓，隨溫度變化的溫漂較低并且不易受到外部磁場(chǎng)的影響。
• 與基于霍爾傳感器的非線性解決方案相比，基于采樣電阻的解決方案在整個(gè)電壓范圍內(nèi)是線性的，尤其是在過(guò)零點(diǎn)處和磁芯飽和區(qū)域附近時(shí)。
• 基于霍爾傳感器的解決方案只能進(jìn)行一次基本校準(zhǔn)，而基于采樣電阻的解決方案可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的直流精度。由于對(duì)外部磁場(chǎng)的敏感度有限，基于采樣電阻的解決方案的準(zhǔn)確度要高得多，在低電流情況下尤其如此。
• 直列式采樣電阻上的壓降會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生熱耗散和功率損耗。但是，隨著采樣電阻技術(shù)的改進(jìn)，采樣電阻變得更輕便、歐姆值更小、精度和漂移性能也得到改善。使用低歐姆值采樣電阻可降低熱耗散。此外，德州儀器 (TI) 的隔離式放大器和調(diào)制器支持非常小的輸入電壓范圍（±50mV 和 ±250mV），并具有出色的總體精度。采樣電阻技術(shù)的這些改進(jìn)，加上可以使用具有小輸入范圍的隔離式器件，可使系統(tǒng)在不影響總體測(cè)量精度的情況下實(shí)現(xiàn)更低的熱耗散。
• 霍爾傳感器的工作溫度范圍一般是有限的（通常為 –40°C 至 +85°C），而基于采樣電阻的解決方案可支持更高的工作溫度范圍（通常為 –40°C 至 +125°C）。
• 基于霍爾傳感器的解決方案和基于采樣電阻的隔離式放大器解決方案提供類似的信號(hào)帶寬，通常高達(dá)幾百千赫茲 (kHz)。不過(guò)，隔離式調(diào)制器提供一個(gè)高速位流輸出，支持用戶在外部實(shí)施和自定義數(shù)字濾波。借助此類定制，用戶可以開發(fā)具有高信號(hào)帶寬和低延遲的解決方案。

牽引逆變器中基于采樣電阻的隔離式電流檢測(cè)

牽引逆變器控制電機(jī)，是 HEV/EV 傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。牽引逆變器需要在高共模電壓下進(jìn)行準(zhǔn)確的電流檢測(cè)。因此，可以使用兩種基于采樣電阻的方法之一來(lái)實(shí)現(xiàn)牽引逆變器中的電流測(cè)量。

圖 5 展示了熱側(cè)（高共模電壓）采樣電阻上的壓降通過(guò)汽車級(jí)增強(qiáng)型隔離式放大器（如 AMC1301-Q1）與冷側(cè)隔離。

圖 6 展示了第二種基于采樣電阻的測(cè)量方法，該方法使用汽車級(jí)增強(qiáng)型隔離式調(diào)制器（如 AMC1305M25-Q1）將熱側(cè)采樣電阻上的壓降與冷側(cè)隔離。

圖 5 使用隔離式放大器進(jìn)行隔離式電流測(cè)量

圖 6 使用隔離式調(diào)制器進(jìn)行隔離式電流測(cè)量

為了提高測(cè)量精度，請(qǐng)使用隔離式調(diào)制器，因?yàn)樵摻鉀Q方案無(wú)需額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換級(jí)，并可以避免因此造成的相關(guān)誤差。隔離式調(diào)制器的高速位流輸出由 TI C2000 系列（具有內(nèi)置 Σ-Δ 濾波器模塊 (SDFM)）等微控制器 (MCU) 進(jìn)行濾波，或由 FPGA 進(jìn)行濾波，從而使用戶能夠?qū)π盘?hào)帶寬和精度進(jìn)行微調(diào)。

汽車隔離式器件建議

結(jié)論

HEV/EV 子系統(tǒng)中的隔離式電流檢測(cè)有多種測(cè)量方法，包括基于采樣電阻的方法和基于霍爾傳感器的方法。隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高精度采樣電阻以及高性能隔離式放大器和調(diào)制器的不斷發(fā)展，基于采樣電阻的解決方案已成為基于霍爾傳感器的傳統(tǒng)解決方案的良好替代方案。