大電流、低阻抗系統需要先進的電流傳感技術

預計到 2031 年，全球電源需求將超過 465 億美元。電動汽車、可再生能源系統和工業自動化的激增推動了這一增長，尤其是 AC-DC 電源。

這些應用需要具有高精度、低噪聲和快速響應時間的電流傳感器。隨著對更高功率密度的需求增加，對先進電流傳感技術的需求也在增加。這些技術可以實現實時控制和監控。

在本文中，我們探討了電流監控的優勢。我們還研究了傳統開環電流傳感器的缺點以及應對這些挑戰的傳感器技術的發展。

實時電流監測的需求

電源系統中的精確電流監測和控制有助于優化性能。這確保了儲能系統、轉換器和其他系統關鍵組件的使用壽命。在 UPS 系統和儲能等應用中，保持電流的正確平衡可以防止過熱、過流情況和系統意外關閉。

此外，在發電可能是間歇性的可再生能源系統中，實時電流測量可以動態調節潮流，從而提高效率。在電動汽車充電站中，精確的電流測量有助于保持最佳充電速率而不會過載。在數據中心，精確的電流監控有助于確保電力均勻分布在所有設備之間，防止熱點并延長設備的使用壽命。

然而，在大電流、低阻抗系統中實現精確的電流測量并不總是那么簡單。這些系統通常以非常高的功率水平運行，電流傳感的不準確可能會導致效率低下、運行不穩定，甚至火災或電氣故障等安全隱患。這就是為什么找到理想的電流檢測解決方案如此重要的原因。

開環和閉環電流傳感器模塊

傳統上，開環電流傳感器已用于電源應用。這些傳感器通過間接檢測流過導體的電流產生的磁場來測量電流。雖然這種方法在某些情況下很有用，但它也有明顯的缺點，特別是對于大電流應用。

主要問題之一是尺寸。開環傳感器模塊需要大型磁芯或外部組件才能有效運行，導致設計笨重，因此難以集成到空間受限的應用中。

成本是另一個限制因素，尤其是在需要高精度時。對補償電路等外部組件的需求增加了系統的復雜性和總物料清單 （BOM）。

最后，開環電流傳感器的精度對于需要精確實時監控的應用來說往往不夠。

另一種方法是使用閉環換能器。其中包括一個補償電路，與開環前代產品相比，它提高了性能和精度，但它們需要額外的組件，例如信號調理電路。因此，與開環電流傳感器一樣，這使它們成為更昂貴、更笨重的選擇。

模擬傳感器

為了解決這些缺點，集成電流傳感器 （ICS） 通過先進的集成技術提高了性能。ICS（如圖1所示）將模擬傳感元件和信號調理電路組合到一個緊湊的封裝中，從而減小了尺寸、成本和復雜性。

圖 1.NOVOSENSE Microelectronics 等 ICS NSM2311結合模擬傳感和信號調理，以減小尺寸、成本和復雜性。（圖片來源：NOVOSENSE Microelectronics)

ICS 的一個關鍵優勢是占地面積小。通過消除對大型磁芯和外部組件的需求，這些傳感器可以適應空間受限的系統。這使它們成為高密度電源、UPS 系統和儲能應用的理想選擇。這種緊湊性還簡化了整個系統設計，減少了所需的組件數量，從而減少了整體系統成本。

ICS 還使用先進的算法進行溫度補償和減少漂移，確保在較寬的溫度范圍內進行高精度電流測量。

此外，這些傳感器比傳統傳感器提供更高的帶寬和更快的響應時間，從而可以在高頻開關應用中進行實時電流監測和控制。改進的系統穩定性和更高效的電源管理使其成為節能設計的重要組件。

如圖 2 所示，通過將多種功能集成到單個封裝中，這些傳感器減少了對額外補償或信號處理電路的需求。這降低了總體 BOM 和成本，并簡化了制造過程。

圖 2.具有 AEC-Q100 認證的完全集成的高隔離電流傳感器示例，具有 100 μΩ 初級阻抗和 200 A 連續電流容量。（圖片來源：NOVOSENSE Microelectronics)

為電源選擇合適的ICS

在為低阻抗、高電流容量電源選擇集成電流傳感器時，優先考慮的不僅僅是基本的測量精度。初級導體電阻應保持在遠低于毫歐姆，以最大限度地減少大電流系統中的功率損耗和發熱。100 μΩ 或更低左右的值是可取的。連續額定電流需要輕松超過預期負載。對于許多高功率設計，這意味著傳感器可以維持在 200 A 范圍內而不會降額。

在涉及高電壓的應用中，絕緣系統必須堅固耐用。爬電距離應在 6.5 mm 范圍內（理想情況下稍長一點），并且經過測試的隔離額定值應約為 5 kV均方根.這確保了長期可靠性和安全合規性。輸出級應提供穩定且可預測的信號，不受適度供應波動的影響。這減少了對復雜外部電壓調節的需求，并簡化了模擬前端設計。

溫度范圍內的精度同樣重要。對于苛刻的環境，傳感器在很寬的溫度范圍內的總靈敏度誤差應在 ±1% 以內，至少從 -40oC 高達 120oC，理想情況下為 150oC. 這可確保讀數在室外安裝和高密度外殼中保持一致。

當這些特性與緊湊的封裝和必要的信號調理功能的集成相結合時，就會產生一種電流傳感解決方案，該解決方案支持準確、實時的監控，而無需過多的占地面積或物料清單成本。