电动汽车上需要检测电流的地方很多,比如 BMS, MCU, PDU,车载充电器,DC-DC 等目前行业内对电流的检测和监控,除了一些高端车型会采用精度更高、响应速度更快的 HALL 闭环电流传感器,普遍用的都是 HALL 开环方案。
 
 
HALL 电流传感器虽然 HALL 开环电流传感器的精度、线性度、响应速度、温漂特性等性能方面均不如 HALL 闭环方案,但是汽车电气工程师普遍更在乎其能满足一般工作要求情况的经济性(4-10 美金),当下国产的 HALL 开环方案市场价更是有朝 3 美金方向走的趋势。
 
 
HALL 开环方案 
 
HALL 闭环方案
 
HALL 开环电流传感器的确有一定的经济性,但是其较肥大的体积,要占用很大空间也越来越受到工程师的诟病。尤其是在电动汽车行业,动力模块的小型化是各家车厂都竞相研究的方向。
 
本文介绍一种电动汽车芯片级的检测方案 ----TMR(穿隧磁阻效应),这种方案可实现级小体积的芯片来精确检测铜排或者导线上电流,其精度、线性度、响应速度和温漂特性可以媲美 HALL 闭环方案,而且该方案的成本甚至比 HALL 开环方案还有优势。
 
之前网上资料都反应说 TMR(穿隧磁阻效应)技术很高端很强大,但是成本高,大家用不起。然而随着技术的突破, TMR 技术用在电流传感器芯片在 2016 年就市场化了,而且价格相当的亲咱们工程师。
 
首先简单介绍一下 TMR 概念穿隧磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance,TMR)穿隧磁阻效应是指在铁磁 - 绝缘体薄膜(约 1 纳米)- 铁磁材料中,其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于 1975 年由 MichelJulliere 在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现;室温穿隧磁阻效应则于 1995 年,由 TerunobuMiyazaki 与 Moodera 分别发现。此效应更是磁性随机存取内存
(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。 TMR 技术最初是用在硬盘中磁性读写头上的,因此其对磁场检测的精度、准确度以及寿命可靠性在硬盘中经过了几十年的市场检验。在检测汽车动力电流时是通过检测铜排和导线上电流所产生的磁场,再通过芯片一定的运算来得到电流大小的。
 
 
上图比较理论化,就是说明 TMR 技术很牛逼,直接跳过。下图是 TMR 芯片方案的应用图上图可以了解到实际应用中:
 
 
1)检测母排上电流,TMR 芯片方案是没有电流限制的
 
2)检测导电铜柱上的电流,TMR 芯片方案可到 KA 级别
 
3)检测 PCB 板级的电流时,TMR 芯片方案量程在 100A 以内
 
4)检测铜柱 / 导线上采用 TMR 芯片阵列方案,量程无限制,只需套在铜柱或者导线上,无需固定 ---- 这也太方便了吧?

 

     
TMR 芯片方案是不需要磁芯辅助聚磁的,这个是与 HALL 电流传感器的本质区别。省去了磁芯的成本,封装磁芯的成本,其价格自然就比 HALL 电流传感器有优势。工程师只需要在厂家指导下设计放大电路就可以,非常简单。因为不用磁芯了,其体积比 HALL 电流传感器方案要大大减小,为工程师省下大量空间,这才是 TMR 最大的优势。
     
另外 TMR 芯片电流检测方案还有一个非常大优势就是带宽高,响应时间快。这个有什么用呢?
 
 
电动汽车电气工程师都知道电驱动功率模块(IGBT/MOSFET)的趋势很快会从硅基芯片朝 SiC (碳化硅)或者 GaN(氮化镓)转化。为什么呢?因为 SiC/GaN 功率模块更适合高压大电流、功率损耗极低(发热量小、对冷却要去低)、外围电路更简单,功率总成的体积比 IGBT/MOSFET 要小 30%以上,吸引力巨大呀。但是 SiC/GaN 功率模块工作带宽比传统 IGBT 要高 10 倍以上,可达 1MHZ。相应的对电流传感器的响应速度要求就非常高,要达到 0.01 微秒级别。这个时候 HALL 电流传感器是达不到的了,只能采用 TMR 电流检测方案才能跟上。作为优秀的汽车电气工程师做相应的技术储备,多了解 TMR 电流检测方案,才能轻松应对技术升级。
 
 
那么 TMR 芯片电流传感器是如何保证全温区电流检测精度的呢?
 
1 TMR 电流传感器没有磁芯,磁芯所带来的磁滞效应、温漂等影响就避免了
 
2 TMR 电流传感器的独特布局可以抵抗外部电磁干扰,这里主要指检测的磁场与检测芯片平行的布局 ---- 有点太理论了,哈哈。
 
3 TMR 电流传感器采用梯度差分结构监测磁场,进一步提高精度
 
 
目前国外各大电流传感器厂家都在竞相研发基于 TMR 技术的芯片,但是这方面最成熟,而且能市场化量产的无疑就是 XXXX 公司,我们众所周知的 LEM, MELEXIS,ALLEGRO, INFINEON, HONEYWELL 的 TMR 芯片技术都是他们家支持的呢,毕竟要市场化量产 TMR 芯片是有门槛的。我们知道硬盘界两大巨头希捷和西部数据是掌握了 TMR 技术的,但是人家硬盘界的巨头看不上电流传感器的市场,也就没往这方面发展。
 
国内已经有比亚迪和阳光电源采用了 TMR 芯片电流检测方案,毕竟新技术只有行业龙头才有实力验证其可靠性,然而这种新技术也给这些龙头在提高性能的同时节约了大量成本,尝到了甜头。可以预计未来电动汽车电流检测技术一定是 TMR 的天下了。本人因为工作原因,对 TMR 电流传感器技术了解一点,写出一点心得供大家交流。如果错漏之处还请各位大虾指正。