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

一、變頻器系統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動作，將市電50hz的交流電，最終轉換為某一特定頻率的交流電，這個頻率用戶可現場隨意設置，一般是供給電機類負載使用以達到控制轉速，節能的目的。其典型拓撲包含防雷、整流濾波、DC/DC升壓、DC/AC逆變、波形整形交流輸出幾大環節。電壓、電流傳感器在每個環節里均可以發揮重要的作用，主要看設計者所追求的目標。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節起到的核心作用：

實時監測：

實時、精確采集各個部位的電流、電壓參數，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號轉化成數字信號，為程序控制算法提供數據基礎；

?閉環控制過程：

程序通過監測到的電壓、電流數據，進行數據運算和邏輯分析判斷，再去實現對功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準控制，達到閉環控制目的；

?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，相應的做出設備過流、短路、漏電等異常狀態判斷，最終去觸發保護機制。

二、電壓、電流傳感器在變頻器各個環節的實際應用

1.AC-DC環節：

首先需要把50Hz AC，經過全橋器件整流成一個脈動的直流，再經過一個濾波電容， 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環節，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反饋回路來保證輸出能穩定到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.變頻環節：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總線上放置一個監測工作電流的器件。在早期，大家習慣用分流器+隔離OP放大器來實現

采用分流器的方式來檢測電流，在低壓電路中容易應用，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，這些也對其應用有些限制；

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

此器件的響應時間<0.5μs

此高精度閉環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；

雖然閉環的電流傳感器的響應時間<0.5μs，但是，考慮到逆變器輸出的波形數據是由CPU內部程序的計算所產生，這導致了程序的運行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5μs的響應時間。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成高低電平的數字信號，最后送入到CPU的中斷口，達到快速響應，迅速切斷IGBT的輸出，起到保護目的；

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

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

4.輸出環節

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

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，響應時間快。單相產品放置一顆，三相產品一般只需放置兩顆。

三、特殊環境下的應用挑戰與應對策略

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

?封裝:器件通常采用滿足IP67要求的結構設計，以更好的適應絕緣耐壓要求

大電流應用場景

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板上只需要開相應的焊盤通孔即可。這還是一個低成本的方案。

結語

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可。隨著其拓撲方式的改進，目前正在實驗的應用交-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，開關頻率的不斷提升，也勢必推動傳感器行業邁入一個新的臺階。