跟着自动化和智能化在世界范围的遍及，电动车、工业自动化等工业进化推动了商场对高压功率体系的
需求，人们对这些功率体系的功率和功用的要求也越来越苛刻。怎么高效、精确的操控、监测和维护这些需求长期作业的体系变成了许多工程师的痛点，而这之中，阻隔电流检测又是最重要的一环。完结阻隔电流检测的办法有许多种，这傍边当然要考虑包含阻隔等级、性价比、功率、计划体积等多方面因
素，也一起催生了不同计划的立异晋级——根据霍尔效应的阻隔电流传感器是傍边共同的计划之一。
图 1：带阻隔电流检测的 PFC 电路框图
体系功率的进步尤为要害
对高压体系需求的添加带来更多的动力耗费，而本钱、监管和如功率密度等技术上的约束都对功率提出
了更高的要求。许多体系比方电动车、工业马达、甚至于一些家电都会在交直流转化（AC-DC）或储能
的过程中形成不同程度的动力糟蹋。以 2020 年美国数据中心和服务器的耗电量为例，这些设备估计全年
会耗费美国 23%的总耗电量，而它们的功率大概在 65%左右。即便它们的功率进步仅 0.5%，也可节约大
概 8 亿 5 千万千瓦时的电量，这相当于美国大约 8 万户家庭一年的用电总量。功率进步的含义由此可见
一斑！
常用的储能和交直流转化体系，如不连续电源（UPS）和 AC-DC 转化器，都要经过阻隔电流检测来完结
闭环操控和确诊报错功用；最常见的便是功率因数校对（Power Factor Correction, PFC）电路。图 1 是一
个 PFC 电路的框图，由图可见在 AC 端需求做阻隔电流检测来监测和维护体系。变压器是由这儿检测到
的电流操控的，因而电流检测的精度和产品生命周期内的安稳性在很大程度上会直接影响变压器的功率和功率因数。
性价比一直是传统的阻隔电流检测的痛点之一。传统的根据霍尔效应的开环电流传感器完结起来很简略，
也不需求再外加分立元件，本钱上有优势；但这些计划的不足之处在于温漂很大，丈量不行精确。而基
于阻隔分流电阻、或闭环磁传感器的计划，精度很高，但完结起来需求更杂乱的电路和分立元件，本钱
也很高。德州仪器（TI）最新推出的 TMCS1100 和 TMCS1101 系列产品则相对完美的处理的这一问题。
这一系列产品既保留了开环霍尔电流传感器易于运用的特色和本钱优势，一起借用 TI 在高精度模拟信号链方面的特长选用了零温漂的内部信号链规划，使得电流检测可到达总差错在整个温度范围内小于 1%的
精度。表 1 针对不同的阻隔电流检测计划做了一个简略的比照。
表 1：不同阻隔电流检测计划之比照
TI 的 1 千瓦氮化镓图腾柱电源参阅规划 运用 TMCS1100 做电流检测，在将体系尺度做小的一起到达 0.98
的功率因数和大于 99%的功率。一起 TMCS1100 的低温漂特性也将整个体系的总谐波失真降低了最多
5%。
回到文章最初美国服务器的比方，TMCS1100 系列经过本身的电气阻隔（Galvanic Isolation）将设备与交
流电网阻隔开来，在不添加本钱的情况下能到达小于 0.5%的检测温漂然后进步功率。这样一级一级的
UPS、转化器等设备累加起来，节约的动力和本钱是相当可观的。
图 2：AC 整流器、太阳能逆变器示例
电气化鸿沟的拓宽成为或许
电气化在进步产品功用、可靠性和优化本钱上有绝无仅有的优势，但一起这些体系也对计划的尺度和隔
离等级提出了新的需求。许多现有的体系在高压规划上因为需求许多器材一起完结阻隔和电气规划，占
用了的许多的电路板面积和规划空间。霍尔电流传感器是一个集阻隔与传感与一体的单芯片计划，许多
产品都选用 5mmX6mm 的 8 引脚 SOIC 小封装，这让这一类计划在产品体积上有很大的优势。但市面上
8 引脚 SOIC 封装的霍尔传感器一般都只要 400V 的作业阻隔电压，这在许多运用场景是不能满意需求的。
比方对一个 400V 的高压电池来说，有负载时它的瞬态电压有或许到达 600V。又比方 240V 的交流电在
整流后再经过一次升压，得到的直流电就或许从 340V 升到 600V。太阳能逆变器也是同理。图 2 展现了
几个高压超越 400V 的运用实例。
TI 的 TMCS1100 和 TMCS1101 系列产品经过在相同的 8 引脚 SOIC 封装内完结 600V 的作业阻隔电压，
处理了其他霍尔电流传感器这一常见的问题。TMCS1100 系列产品供给了比业界规范（如 UL-1577 和
ZHCAA14
高精度霍尔电流传感器助力功率体系的功用和功率进步 3
DIN VDE V 0884-11）更高的阻隔电压和高压持续时刻的余量（margin），然后使得产品规划者无需为了
更高的余量添加规划的体积和本钱。
图 3：TMCS1100 经时击穿（TDDB）曲线
咱们一般运用经时击穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB）来描绘一个器材的运用寿数和其
所接受的电压的联系。图 3 是 TMCS1100 系列产品的 TDDB 曲线，由图可见其作业寿数区间远超 VDE
规范的 26 年 + 20%的电压余量。这一超长的作业寿数特性，与 3kVrms/60s 的根底阻隔、8 引脚 SOIC 封
装一道，使得这一系列产品成为直接接入电网、高储能等高压体系的抱负器材。
咱们一般运用经时击穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB）来描绘一个器材的运用寿数和其
所接受的电压的联系。图 3 是 TMCS1100 系列产品的 TDDB 曲线，由图可见其作业寿数区间远超 VDE
规范的 26 年 + 20%的电压余量。这一超长的作业寿数特性，与 3kVrms/60s 的根底阻隔、8 引脚 SOIC 封
装一道，使得这一系列产品成为直接接入电网、高储能等高压体系的抱负器材。
图 4：三相电机的相电流检测
功率体系功用的进一步进步
电力体系都需求精确的反应回路来到达最优的体系功用。以电机操控体系为例（如图 4 所示），为了精
确的操控电机扭矩、转速等参数，电机操控算法需求实时并精确的取得电机相电流的信息。这一电流反
馈回路有必要 1) 与高压总线阻隔，2) 能够按捺电机驱动的 PWM 电压对电流检测输出端的影响，一起 3) 满
足电机相与相之间电流丈量的精度和匹配程度等需求。
上面说到的三个考量要素傍边，电流丈量的精度和匹配程度是现有开环霍尔电流传感器的一大应战，而
其间重要的一个约束要素便是温漂。因为布板等各种实际要素的约束，不同电机的相与相之间所在的实
际环境温度或许不同，这就或许导致每一相本身的电流丈量呈现差错，而相与相之间的不同或许更大。
针对现有的霍尔电流传感器的这一约束条件，一种常见的做法是做温度补偿和多点校准，而无论是哪一
种处理办法都会带来额定的本钱担负。
TI 的 TMCS1100 系列产品在-40°C 到 125°C 的整个温度范围内，能够到达 <0.3%的灵敏度温漂（
sensitivity drift）和 0.04mA/°C 的失调电流温漂（offset drift），使得这一系列产品能够广泛运用在不同的
环境傍边。低温漂、低失调电流（6mA）、高线性度（0.05%）这些特性的的组合，使 TMCS1100 成为
高精度电流丈量的一个抱负挑选。表 2 和图 5 以 TMCS1100A2QDR 为例，示例了怎么经过其高精度特性，
来完结 <0.5%的全量程差错。
表 2：TMCS1100 精度参数
在完结高精度丈量的一起，TMCS1100 在整个产品周期内的安稳性也比同类产品高约 3 倍；产品周期测
试显现，其灵敏度随时刻的漂移在 0.5%以内。这一安稳特性，结合之前说到的温漂和精度，使得之前无
法用简略的开环霍尔电流传感器完结的高精度丈量从此成为或许。
图 5：TMCS1100 总差错曲线
高压体系监测和确诊的完善
跟着“智能工厂”的遍及和算力的高速添加，对体系能耗、功用、设备安全和老化程度、运转状况等特
性的检测和确诊正变得益发重要。因为体系的杂乱度越来越高，如图 6 所示的分布式多点电流检测可高
效的完结这一方针。但正如任何电子电力体系相同，杂乱度越高、监测点越多，需求做的折衷考虑也就
越多：丈量精度、本钱、规划尺度、所用传感器的数量和功用等等都是需求考虑的要素。前文咱们现已
介绍过 TMCS1100 在各方面的特性和与同类产品的比较，它的丈量精确度和易于运用的特性使其在这种
监测和确诊的运用中能够供给更好的折衷和性价比。
图 6：分布式多点电流检测在智能工厂中的运用
另一种监测场景是需求在多个设备傍边对单一设备进行体系监测（如数据中心和通讯设备等运用中），
然后到达全体系负载平衡和优化的意图。这儿的首要应战是在不同环境下，当体系受环境本身的影响而
体现不一致时，监测体系本身能够不受影响，然后真实检测在不同环境下整个体系的呼应特性。图 7 展
示了 TMCS1100 在不同环境温度下，因为其极低的温漂，针对不同负载能够到达 <0.5%的全量程差错的丈量精度。
整体而言，电流传感器的低温漂和高精度能够使体系监测、确诊和维护得以检测到更小的体系功用改变，
然后增强体系的安稳性和可靠性。也是出于相同的原因，这一类产品也将越来越多的呈现在大功率功用
安全的冗余规划中，进一步进步体系的安稳性。
图 7：TMCS1100 在功率丈量中的精度曲线
总结
根据霍尔效应的阻隔电流传感器一直以来都在高压体系的电流检测傍边扮演重要的人物，其运用简略直
接，但商场上的传统产品因为其精度、温漂、阻隔等级等特性的约束，在详细规划上都需求工程师做必定程度的权衡与取舍。TI 的TMCS1100、TMCS1101 系列产品经过进步阻隔等级、选用高精度信号链规划、极低的温漂等特性，在传统产品的易用性根底大将功用进步了一个等级。这一晋级对高压电机、自动化操控、分布式传感器、功率体系等范畴的功用进步，将发生广泛而深远的影响。
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