隔离电流采样 — Shunt+Sigma-Delta vs Hall vs 磁通门工程选型

这一节先把“Shunt + 隔离 Sigma-Delta ADC”对应的对象关系说清，后面的结构块用于快速定位各部分之间的连接。

[High side: 主回路 → R_shunt(0.5-2mΩ)] → [SD ADC 调制器] →
  [iCoupler / 光电隔离 / 电容隔离] → [低侧:Sinc filter → 16-bit 数字]

代表 IC: TI AMC1306(电容隔离 1-bit SD modulator)、ADI AD7400、Avago/Broadcom HCPL-7860。

特点:

• 精度最高(0.5% 整体)
• 数字隔离 → 抗 dv/dt 极强(CMTI 100 kV/µs)
• 带宽窄(SD 调制 + Sinc filter 后 < 100 kHz)
• shunt 损耗大(EV 主驱必须 < 1 mΩ)

这一节先把“霍尔传感器(开环 / 闭环)”对应的对象关系说清，后面的结构块用于快速定位各部分之间的连接。

[母线导线穿过磁芯] → [霍尔元件感测 B 场] → [信号处理] → [模拟 / 数字输出]

代表 IC: LEM HAH 1BV S/06(闭环 ±400A 1% 精度)、Allegro ACS37800(集成芯片级 ±50A)、Melexis MLX91206。

开环:磁芯 + 霍尔元件 → 输出电压 ∝ B(简单,精度 1-2%)。 闭环:磁芯 + 霍尔元件 + 反馈线圈 → 反馈消磁(精度 0.3-1%,带宽 150-200 kHz)。

特点:

• 体积大(磁芯)
• 无串入主回路 → 无功耗
• 闭环精度高,但磁芯非线性 / 温漂大

新兴方案,基于 GMR(巨磁阻)/ TMR(隧道磁阻)/ Fluxgate(磁通门)效应:

• GMR/TMR:磁场改变 R → 桥式输出 → 体积小(芯片级 4×4mm),精度 0.5-1%
• Fluxgate:周期激励磁芯,残余磁场反映外磁场,精度 0.1%(实验级)

代表 IC: TDK CXM, Allegro CT415/430(集成 GMR), LEM HLSR(GMR-based)。

特点:

• 体积小(无大磁芯)
• 精度逼近 shunt
• EV 主驱新平台(Tesla Model 3+, 比亚迪 e3.0+)主流

功耗约束:

EV 主驱 600A RMS:

• R = 0.5 mΩ → P = 180 W(太大)
• R = 0.25 mΩ → P = 90 W(可接受)
• R = 0.1 mΩ → P = 36 W(主流)

信号幅度:

• R = 0.1 mΩ × 600A peak = 60 mV(SD ADC 输入范围 ±250 mV)→ 需 4× 增益
• R = 0.25 mΩ × 600A = 150 mV(刚好)

电感约束:Shunt 寄生电感 Ls 在 di/dt 高时引入 VL = Ls · di/dt → 噪声。EV SiC 主驱 di/dt > 5 A/ns → Ls 必须 < 0.5 nH(同轴 / 短引线设计)。

SD ADC 不是普通 ADC,而是1-bit + 高频过采样:

• 调制时钟 fmod = 10-20 MHz
• 输出 1-bit 数据流(0/1)→ 平均值 = 模拟输入
• 隔离层只传 1-bit + 1-clock(CMOS 数字 → 抗共模)

接收端 MCU 内部 Sinc filter 解码:

典型 Sinc3 filter,OSR = 256 → 16-bit 输出,延迟 ≈ 256/fmod = 25 µs(@ 10 MHz)。

数字隔离器 CMTI 关键指标:

• AMC1306: 100 kV/µs(满足 SiC dv/dt 50 V/ns = 50 kV/µs)
• HCPL-7860: 25 kV/µs(IGBT 主驱够,SiC 边界)

CMTI 不够 → 共模瞬态期间隔离层"失效"→ 输出错误位 → 电流采样毛刺。

这一节先把“主流 IC 对比”的判断维度收拢到同一视图里，后面的表格用于横向比较各选项的边界。

EV 主驱 SiC 必选 ≥ 100 kV/µs(AMC1306 / 类似)。

这一节先把“闭环原理”对应的对象关系说清，下表列出各环节的输入与作用，读者据此判断闭环如何把磁芯钳在零磁场点：

闭环让磁芯始终工作在零磁场点 → 磁芯非线性 / 饱和 / 温漂全部消除 → 精度高。

这里先收束这一路径真正成立的前提，后面的条目再展开它能带来的工程收益。

• 精度 0.3-1%
• 带宽 150-200 kHz(EV 主驱够)
• 无 shunt 损耗
• 隔离天然(磁场耦合,无电气连接)

这一节先给出“劣势”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• 体积大(磁芯外径 30-50mm)
• 反馈线圈耗 1-3 W(给反馈电流)
• 价格 $20-50(vs SD ADC + shunt $10-15)
• 磁场干扰敏感(三相多个传感器互扰)

这一节先给出“主流型号”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• LEM HAH 1BV S/06: ±400A,1%,EV 主驱主流
• LEM HASS 50/100/200: 体积小,1%,工业变频
• LEM HLSR: 集成 GMR,小体积,新一代

GMR(巨磁阻):磁场让多层金属薄膜的电阻变化 10-50%,桥式连接 → 输出电压 ∝ B。

TMR(隧道磁阻):比 GMR 灵敏度高 10×,但温漂大。

这一节先给出“EV 主驱应用”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• Tesla Model 3 后驱 SiC: TDK CXM(GMR) 替代 LEM 闭环霍尔
• 比亚迪 e3.0 platform: Allegro CT415(GMR)集成方案
• 优势:体积 1/10、成本 1/3、精度相当

这一节先给出“工程注意”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• 磁场屏蔽要好(GMR 对外磁场敏感)
• 多相布置时相互间距 ≥ 5cm,否则串扰
• 温漂补偿:出厂校准 + 在线温度修正

实验级精度 0.1%,主要用于计量级(高压检定 / 校准电源)。EV 主驱用不上(贵 + 慢)。

位置:每个桥臂下管 source 与母线 GND 之间串 shunt。

• 优点:shunt 在低侧 → 共模电压低 → SD ADC 不需要超高 CMTI
• 缺点:只能在下管开通时采样(上管开通时 shunt 无电流)→ 必须 PWM 同步采样

位置:三相输出线串 shunt 或挂霍尔传感器。

• 优点:无论上下管都有电流 → 采样自由
• 缺点:共模电压 = ±Vdc/2 = ±400V → 必须用闭环霍尔或超高 CMTI SD ADC

位置:母线 GND 与电池 GND 之间串 shunt。

• 优点:成本最低(只 1 个 shunt)
• 缺点:只反映母线总电流,不反映各相——只用于过流保护,不能用于 FOC 电流环

两相相线霍尔传感器 + 母线侧总流:

• 相线 ia / ib(闭环霍尔或 TMR)→ FOC
• 母线总流 → 过流保护 / 功率计算

SiC 主驱 di/dt 5 A/ns,shunt 寄生电感 1 nH → VL = 5 V 噪声。必须用 4 端 shunt + 同轴布线(Kelvin 连接),把电感降到 0.3 nH 以下。

PWM 谷点(全部下管 ON)是采样点。SD ADC 输出 1-bit 流是连续的,MCU 在 PWM 谷点触发 Sinc filter reset + 重新累加 → 得到对应窗口的平均值。不同步 → 5/7 次谐波(详见 FOC 磁场定向控制 §9.1)。

霍尔元件零漂随温度变化 ±5 mA/°C → -40°C 到 125°C 漂移 ±0.8A → FOC iq 偏差 → 转矩零点偏。EV 量产必须开机标定 + 在线温补。

光电隔离器 LED 寿命 50000-100000 小时(老化退耦)→ 长期精度退化。EV 15 年寿命要求 → 必须用电容/磁性数字隔离(无老化)。