高功率集成牵引逆变器电流检测的挑战：
电动汽车的日益普及自然对其可靠性提出了更高的要求，尤其是在续航里程方面。为了实现这一目标，对车辆电池续航里程和整体驾驶体验至关重要的高功率集成牵引逆变器等组件必须尽可能地紧凑高效。牵引逆变器将电动汽车电池的直流电转换为交流电，为车辆的驱动系统供电。逆变器的另一项功能是回收再生制动产生的能量并将其返回给电池。
为了满足高功率集成牵引逆变器的需求，解决方案是开发可靠的功率模块，以减少电容器、电感器、变压器和滤波器等组件所占用的空间，同时利用碳化硅 MOSFET 的优势实现更快的开关速度和更高的电池电压。
从事电动汽车牵引逆变器设计的工程师深知，电流传感器是关键组件。为了满足电动汽车市场的需求，无芯电流传感器必须具备高精度、价格竞争力、高集成度以及在严苛恶劣环境下运行的能力。目前，
无芯电流传感器在电动汽车中的应用仍处于起步阶段。
无芯电流传感器因其能够使用更小、更低成本的组件，代表着一种极具发展前景的解决方案，但这项技术要得到广泛应用仍面临诸多挑战。LEM公司是一家专注于电测量技术的公司，致力于解决这些挑战。
例如，空间中磁场的巨大变化要求无芯传感器必须高精度地安装在母线上，并且在组装和校准后不能发生位移。即使是十分之一毫米的位移，也可能导致大功率牵引逆变器出现不可接受的误差。安装公差、机械操作、振动和热膨胀都是造成位移的潜在原因。除了需要克服特殊效应以实现高带宽外，这些因素都要求在机械设计方面投入大量精力，才能可靠地测量电流。此外，随着牵引逆变器体积日益紧凑，导体间距越来越近，磁场分布也变得更加复杂。无芯传感器虽然具备差分测量能力，不受均匀外部磁场的影响，但无法抵抗磁场梯度，而磁场梯度会给测量带来更大的误差。简而言之，为达到所需精度而对机械设计提出的诸多限制，以及逆变器校准所需的时间，使得无芯传感器方案目前吸引力有所下降。
克服磁芯电流传感器的挑战：
在克服这些技术障碍之前，经过全面校准的磁芯电流传感器仍将是电动汽车牵引逆变器中获取高精度电流测量的首选方法。这项技术不仅具有显著的先发优势，而且在发展和创新方面也蕴藏着巨大的潜力。
在运行过程中，磁芯能够集中并放大磁场，从而降低输出噪声，同时还能保护测量免受外部磁场的干扰。这使得在宽带宽范围内都能获得高信噪比 (SNR)。由于对磁芯组件和校准、基于霍尔效应的专用集成电路 (ASIC) 以及母线的精确控制，即使在强振动环境下也能实现可靠稳定的测量。
然而，开环磁芯式传感器的挑战在于其体积往往较大，并且在逆变器层面集成较为困难。因此，LEM 致力于开发紧凑且经济高效的磁芯电流传感器，以在尽可能广泛的应用范围内提供可靠的电流测量。这些传感器是该公司不断扩充的产品组合的一部分，专为电动汽车牵引逆变器而设计。这使得客户能够选择高度可靠的产品来满足其逆变器需求，从而帮助电动汽车零部件制造商加快产品上市速度。
针对现有电流传感器无法解决的客户问题，LEM 的研发部门推出了一款名为 HSTDR 的单相电流传感器，该传感器集成了母线。与任何传统的开口式电流传感器相比，这款传感器的尺寸都显著更小。HSTDR 专为测量直流连接电压和三相电流以及直流/直流转换器而设计，其紧凑的尺寸为在牵引逆变器外壳有限空间内进行设计的设计人员提供了卓越的灵活性。此外，由于其磁芯具有较小的气隙，HSTDR 还具有抗外部磁场干扰和高信噪比 (SNR) 的功能。
在传统设计中，母线通常与磁芯隔离，但 LEM 将磁芯直接放置在母线上，尽管这会带来一定的限制，但却实现了更紧凑的磁芯设计。典型的开口式电流传感器通常需要一个较大的开口才能滑入母线，这会导致设计复杂，并造成传感器尺寸较大。相比之下，集成母线的传感器在安装位置上没有任何限制。这使得磁芯开口得以最小化，从而将磁芯整体尺寸缩小高达 40%，同时与上一代 HSNDR 相比，电流测量范围也提高了 60%。这为电动汽车组件设计人员提供了更大的灵活性，因为传感器可以安装在牵引逆变器上的任何位置。
更小的磁芯也自然而然地将传感器的整体重量减轻了约 50%。因此，该传感器可以承受高达 10g 的振动，这在汽车环境中是一个常见的要求。更小磁芯的另一个优点是减少了制造传感器所需的原材料用量，从而降低了成本。此外，由于该传感器采用完全校准设计，将磁芯、母线和传感元件集成在一个封装中，因此也显著节省了时间并提高了生产效率。
新型传感器的设计考量：
LEM工程师在设计HSTDR单相电流传感器时，考虑到电动汽车牵引逆变器市场，重点考虑了三个关键方面。首先，上述对集成母线的限制必须足够大，以确保机械稳定性，并防止在已经非常高温的环境中产生额外的功率损耗和散热。因此，母线限制引入的电阻可以忽略不计，低于20 µΩ。其次，由于磁芯直接安装在母线上，因此必须在电子元件和磁芯之间设计隔离屏障，以确保在配备800V电池的系统中满足空气间隙和爬电距离的要求。最后，考虑到传感器将在恶劣且噪声较大的环境中工作，其输出必须能够抵御高开关速度（dV/dt）的影响。
另一项关键特性是HSTDR电流传感器的精度。其整体误差（受温度和使用寿命影响）小于3.5%，动态范围高达1500A。此外，该器件在各种频率下均能保持稳定的性能，且不同单元之间的相位变化极小，从而确保了精确的扭矩控制，这对于电动汽车电机驱动应用至关重要。LEM早在20多年前
就生产了首款用于电池监控系统的电流传感器，在汽车市场拥有丰富的经验，并持续为这一高要求行业开发创新产品。LEM已构建了广泛的产品组合，包括用于牵引逆变器、DC/DC转换器和车载充电器的传感器，并致力于尽可能地缩小产品尺寸、提升产品智能化程度。公司专注于通过探索现有技术并不断改进，解决客户的实际问题，同时通过研究未来的挑战并努力克服这些挑战，开发面向未来的解决方案。
作者：Sofiane Serbouh， LEM
