傳統(tǒng)的電流測量方式是使用開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器。電流產(chǎn)生的磁場由磁芯聚磁，霍爾元件感應(yīng)磁場強度來測量。近來，帶有高級補償技術(shù)的專用ASIC技術(shù)方案幫助提高了電流測量的總體精度。
圖1: 采用傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)芯片或?qū)Ｓ肁SIC的開環(huán)技術(shù)原理
萊姆在十年前率先在LTSR產(chǎn)品中實現(xiàn)了傳感器小型化。當(dāng)時，為了確保性能優(yōu)勢的最好方法是采用閉環(huán)霍爾效應(yīng)技術(shù)，萊姆設(shè)計了定制化閉環(huán)ASIC。隨著ASIC技術(shù)的發(fā)展，霍爾開環(huán)傳感器也有了專用的ASIC，使得開環(huán)傳感器的性能接近閉環(huán)技術(shù)所能達(dá)到的水平。開環(huán)ASIC技術(shù)不僅在體積小型化上更容易實現(xiàn)，而且能滿足市場對成本優(yōu)勢的要求，同時結(jié)構(gòu)簡單，功耗低。
圖2：近十年來電流傳感器尺寸的變化
這十年來，使用霍爾開環(huán)ASIC技術(shù)的HLSR系列傳感器已經(jīng)在實際中得到了廣泛應(yīng)用，不僅在零點和漂移方面具有很好的表現(xiàn)，而且還具有優(yōu)異的響應(yīng)時間，較小的封裝尺寸，只有幾個毫米的高度很適合PCB安裝。
LEM利用多年積累的大量專業(yè)知識和設(shè)計經(jīng)驗，創(chuàng)造了HMSR，這是一種更先進的電流傳感器，滿足了市場持續(xù)對降低成本、提高性能和微型化的需求。
圖3：HMSR電流傳感器
隨著這個新系列傳感器的出現(xiàn)，LEM正在擴展其它微型化的電流傳感器，用于交流和直流電流的隔離測量。新的HMSR產(chǎn)品，集成了原邊導(dǎo)體（功率損耗最小化）、一個微型磁芯和一個定制的ASIC，允許直接接入電流進行測量，并且保證一定的絕緣性能。
此新產(chǎn)品系列囊括了六個不同的額定電流等級：6A、8A、10A、15A、20A和30A， 測量范圍可達(dá)額定電流的2.5倍，采用SOIC 16 封裝。標(biāo)準(zhǔn)型的產(chǎn)品提供了不同靈敏度級別的模擬電壓輸出，其中5V供電電源版的對應(yīng)輸出電壓是800mV @IPN。
HMSR設(shè)置兩個OCD（過流檢測）功能，將控制回路與保護回路分離。分別設(shè)定兩個不同的引腳給兩個OCD， 一個為內(nèi)部OCD，過流限值設(shè)為2.93 x IPN，另一個是外部OCD，過流限值可以根據(jù)實際情況由使用者調(diào)節(jié)。
然而，HMSR傳感器不應(yīng)視為簡單的開環(huán)霍爾ASIC的傳感器。HMSR獨特的初級導(dǎo)體設(shè)計，允許流過更大的過載電流，并且保持高水平的絕緣性能，這得益于內(nèi)部集成了磁性材料的磁路，這種結(jié)構(gòu)對電力電子應(yīng)用中存在的外部不均勻磁場具有良好的免疫力，使得HMSR能夠在高干擾的環(huán)境中使用。
HMSR中加入的磁路也是提高帶寬的關(guān)鍵因素，帶寬可達(dá)270 kHz（-3dB），同時起到對外磁場的良好抑制作用。
這種專用的ASIC設(shè)計結(jié)合了旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部溫度補償（EE-PROM）技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場驗證，改進了增益和零點漂移。實現(xiàn)了-40°C到+125°C 溫度范圍內(nèi)的高精度，額定電流時的精度典型值為0.5 %（HMSR 20-SMS型號）。在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，如太陽能逆變器或驅(qū)動器等，都要求高效率，這就要求控制回路必須精確。
與上一代產(chǎn)品相比，HMSR極大地提高了整個溫度范圍內(nèi)的精度。下圖顯示了HMSR 20-SMS在整個溫度范圍內(nèi)（-40°C到+125°C）極其良好的線性度和總精度。
圖4：HMSR20-SMS型號在-40°C到+125°C范圍內(nèi)的典型總體精度和線性度
圖5：HMSR響應(yīng)時間
然而，如果沒有快速的響應(yīng)時間做支撐，只有高精度依然美中不足。目前，快速IGBT，比如SiC，可以工作在更快的開關(guān)頻率下 – HMSR已經(jīng)通過實際測試，可滿足此類苛刻的要求，其響應(yīng)時間低于2uS（見圖5）。
在多個應(yīng)用中，HMSR傳感器可以像SO16 SMD器件一樣直接安裝在電路板上，從而降低制造成本和節(jié)省空間。HMSR的高度僅6mm，在應(yīng)用中顯著節(jié)省了空間，可方便安裝在智能功率模塊（IPMs）所帶的散熱片下面（見下圖）。
圖6：HMSR 與IPM的安裝圖例
HMSR的另一個顯著優(yōu)勢是太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用。
特別是最大功率點跟蹤（MPPT），它是太陽能逆變系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，跟蹤好了可以最大限度地利用光伏板（PV）產(chǎn)生的電能。它會根據(jù)溫度、陽光和系統(tǒng)的總阻抗來調(diào)節(jié)電流和電壓。當(dāng)有微小擾動信號注入時（利用擾動觀測法），控制系統(tǒng)持續(xù)分析系統(tǒng)輸出。然后，MPPT分析產(chǎn)生的功率（通過監(jiān)測電壓和電流信號），并推導(dǎo)出要改變的參數(shù)，以達(dá)到MPPT（最大功率點）。MPPT通過改變脈寬調(diào)制（PWM）來得到DC/DC變換器的合適電壓。
圖7：最大功率點
圖8：MPPT架構(gòu)
精度越高、噪音越低，MPPT的性能越好。利用萊姆先進的ASIC，HMSR提供了非常精確和低噪聲的信號，使系統(tǒng)運行在最佳水平。
更重要的是，組串電流的檢測使得多串間的比較，以及發(fā)現(xiàn)PV板接線錯誤、污垢和由樹木產(chǎn)生的陰影等異常成為可能。因此，HMSR的卓越精度可以用來實現(xiàn)多個組串間的比較。
另外，MPPT中的DC/DC變換器采用高頻調(diào)節(jié)（大約80kHz），容易產(chǎn)生較高的dV/dt，對電子元器件有害。由于其堅固的設(shè)計，使得HMSR在這樣的噪聲環(huán)境中有很顯著的抵抗能力，這種能力用dV/dt測試很容易得到驗證。
下圖（圖9）顯示了HMSR 20-SMS在+/- 1000 V的dV/dt脈沖電壓測試中的表現(xiàn)，擾動很低，產(chǎn)生的誤差僅為滿量程的3%，恢復(fù)時間為3.8 uS。
圖9：施加dV/dt以后，HMSR輸出產(chǎn)生的誤差
HMSR帶有兩個OCD功能，用于逆變器中短路和過載時保護晶體管。這種檢測和保護功能在許多應(yīng)用中都很重要，如HVAC中的直流環(huán)節(jié)或電機驅(qū)動器?，F(xiàn)代的變頻器（VFDs）都引入了電機過載算法，HMSR的OCD功能可以使檢測更容易，以防設(shè)備過熱。兩個OCD功能的設(shè)置可以分別監(jiān)測過載和短路。
當(dāng)然，在選擇IC封裝的電流傳感器時，絕緣是必須考慮的因素。例如，在太陽能應(yīng)用中，通常通過提高直流電壓來增加DC/AC的轉(zhuǎn)換效率，有時直流電壓要到1500V，以便提高DC/AC變換率，這勢必增加了對逆變器絕緣的要求。
通過加大原副邊之間的距離來增強原邊母排與IC部分的隔離，使得HMSR的絕緣電壓可以到4.95kVRMS（交流50 Hz 、1分鐘絕緣測試電壓），所有產(chǎn)品在出廠前100%通過絕緣檢測。HMSR的特殊管腳設(shè)計保證了PCB板上的爬電距離和電氣間隙為8mm。
按照IEC 62109-1（用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的安全）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如果降低爬電距離就需要較高的相對漏電起痕指數(shù)（CTI）。HMSR的CTI> 600，爬電距離8mm，那么HMSR的工作電壓可以到1600V，意味HMSR非常適合這種絕緣要求高的應(yīng)用。
太陽能應(yīng)用中還有另一個關(guān)鍵要求，設(shè)備需要耐受20kA的浪涌電流，以提供有效的雷電保護。HMSR直接安在裝組串回路中，需要能承受這么大的雷擊電流而不損壞。事實上，HMSR在設(shè)計上充分考慮到這個要求，并通過標(biāo)準(zhǔn)的8/20 uS浪涌測試。如下圖所示。
圖10：太陽能應(yīng)用中典型的過流浪涌曲線圖
為了方便客戶快速比較和測試新一代的傳感器，萊姆特意開發(fā)了HMSR測試板，可以根據(jù)要求提供樣品。
圖11：可用于采樣的HMSR測試板
HMSR主要技術(shù)參數(shù)
