統合型三相ホール電流センサーの自動車（新エネルギー車）における応用に関する考察

最近、新エネルギー車の電動駆動システムにおける電流モニタリング方案を研究している中で、統合型三相ホール電流センサーがモーター制御、インバーター、BMSにおいて非常に広範な応用と優位性を持っていることを発見しました。特に高電圧・大電流のシナリオでは、非接触式測定の利点が非常に顕著です。ただし、実際の応用ではいくつかの技術的詳細と課題も見られました。今回は、ホール電流センサーの技術特性と応用の境界について議論したいと思います。

ホール電流センサーの基本原理

ホール電流センサーの基本原理は、ホール効果を利用して、導体中の電流によって発生する磁界信号を、直接測定可能な電圧信号に変換し、増幅・処理後に出力するものと概括できます。この非接触式測定方式は、つまりセンサー自体が測定対象の回路に直列に接続される必要がなく、従来のシャント抵抗器における電力損失や放熱問題を回避し、高電圧・大電流シナリオに特に適しています。

磁気コア中の磁界の処理方法の違いにより、主に二種類に分類されます：

開ループ型ホール電流センサー

構造が比較的単純：被測定導線が磁気コアを貫通→磁界発生→その磁界がギャップ内のホール素子に直接作用→ホール電圧が線形増幅後、直接出力されます。原理は、ホール素子が通電導線によって発生する磁界を直接検出し、その磁界強度から電流の大きさを推算するものです。利点はコストが低く、小型であることです。もちろん欠点もあります：精度と直線性が磁気コアの磁化特性の影響を受けやすく、温度ドリフトが比較的大きく、応答時間が遅いため、精度要求が高くない場面、例えば周波数コンバーター、UPS、電源装置などに適しています。

閉ループ型ホール電流センサー（零磁束型または磁気平衡式とも呼ばれる）

構造は、開ループホール電流センサーを基に、磁気コアに補正コイルを一組追加したものです。受動的に磁界を測定するのではなく、被測定電流の磁界と大きさが等しく方向が反対の磁界を能動的に発生させ、磁気コアを常に零磁束状態に保ちます。この逆方向の磁界を発生させるために必要な補正電流を測定することで、被測定電流の大きさを得ます。利点は、精度が極めて高く、直線性が非常に良く、応答速度が速く、温度ドリフトが低く、帯域幅が広いことです。欠点は、構造が複雑で、消費電力が比較的高く、コストが高く、サイズが比較的大きいことです。通常、性能要求の高い場面、例えば精密測定、インバーター制御、サーボドライブ、電力計器などに応用されます。

統合型三相ホール電流センサーの特性

動作原理

統合型三相ホール電流センサーは、ホール効果に基づいて三相電流の正確な測定を実現します。統合型三相ホール電流センサーでは、三相電流がそれぞれ一次側巻線を通過して磁界を発生させ、この磁界がホール素子に作用し、それに比例した電圧信号を誘起します。その後、増幅および信号処理回路を経て、ホール素子から出力される微弱な電圧信号が入力電流と線形関係を持つデジタルまたはアナログ信号に変換されます。三相ホール電流センサーの設計はマルチチャネル同期サンプリング技術を採用しており、各相の電流測定値間に位相差が生じないことを保証し、これにより新エネルギー車が求める高精度でリアルタイム性の高い電流検出の要求を満たします。

AT4V H00シリーズの概要

AT4V H00シリーズ ホール開ループ電流センサーは、要求の厳しい三相駆動システム向けに設計された高性能電流検出ソリューションです。このシリーズ製品は、ホール効果に基づく開ループ技術を採用し、各センサーにはU、V、Wの三相母線に対応する3つの独立した一次側貫通孔が統合されており、三相電流の同期した正確な測定を保証します。電気自動車（EV）、ハイブリッド車（HEV/PHEV）、エレベーター制御システム、産業用周波数コンバーター、サーボドライブなど、多様な応用シナリオに適しています。

AT4V H00シリーズ

芯森 CHIPSENSE

電流センサー

本センサーの一次側と二次側は絶縁されています。高電力および自動車アプリケーションにおける直流、交流、パルス電流の測定に使用されます...

主要パラメータ:

測定範囲：通常±50A～±200Aをサポート、一部モデルは±600Aのピーク電流まで拡張可能。

精度：典型値±1%（オフセット電圧含まず）、直線性誤差≤±0.5% IPN。

応答時間：≤5μs、帯域幅は50kHz（-3dB）に達し、高周波PWM制御に適用可能。

絶縁性能：交流絶縁耐圧3.6kV（50Hz, 1分）、瞬時耐圧6.6kV（1.2/50μs）、沿面距離12.5mm、空間距離11.0mm。

環境適応性：動作温度-40℃～105℃、オフセット電圧温度係数±0.2mV/K、ゲイン温度係数±0.02%/K。

AT4V H00シリーズ

芯森 CHIPSENSE

電気的特性

特に断りがない限り、以下のデータは次の条件に基づく：Ta=25℃, Vc=±15V, RL=10kΩ.

一台の新エネルギー車内部には、三相電気システムを採用したコア部品が多数存在します。例えば、三相モーター、三相OBC、三相DC/DCなどです。電流検出において、統合型三相測定電流センサーは、従来の「3つの独立した単相センサー」と比較して、以下の4つの重要な課題を解決します：

統合型三相ホール電流センサーの新エネルギー車における応用シナリオ分析

統合型三相ホール電流センサーは、その高い同期性、コンパクトな構造、車載グレードの信頼性により、新エネルギー車の高電圧駆動・制御システムにおける重要な感知部品となっています。AT4V H00シリーズを例にとると、このデバイスは単体パッケージを採用し、内部に3つの独立したホール測定チャネル（V1/V2/V3）を統合、80mm×16mmの一次側開口部を共有し、三相母線の一度の貫通をサポートし、6ピンの標準インターフェースを通じて比例電圧信号を出力するため、システム統合を大幅に簡素化します。

1. 三相永久磁石同期モーターコントローラー（インバーター）

新エネルギー車の駆動モーターは一般的に三相永久磁石同期モーター（PMSM）を採用し、そのベクトル制御アルゴリズムは高精度で高同期性の三相電流フィードバック（Ia, Ib, Ic）に依存してd/q軸電流成分を演算します。

AT4Vの統合設計は、このシナリオにおいて以下の3つの利点を発揮します：

2. 三相車載充電器（OBC）の力率改善（PFC）回路

高級新エネルギー車（特に航続距離≥600kmの車種）では、入力が三相380VACのOBCを採用することが多く、そのPFC回路は系統側の三相電流を正確に監視し、力率≥0.99を実現し、高調波を抑制する必要があります。AT4Vの重要な適応能力は以下を含みます：

3. 三相絶縁型DC/DCコンバーター

800V高電圧プラットフォーム車種では、三相絶縁型DC/DCコンバーターが800V→400Vまたは400V→12Vの変換を実現するために使用され、均流制御と過負荷保護を実現するために三相電流をリアルタイムで監視する必要があります。

AT4Vの適応特性は以下に現れています：

4. 三相統合始動発電機（ISG）

ハイブリッド車（トヨタTHS、BYD DM-iなど）のISGモーターは、「エンジン始動」（大電流パルス）と「回生発電」（交流定常）モード間の切り替えが必要であり、電流検出のダイナミックレンジと応答速度に対する要求が高くなります。AT4Vの利点は以下にあります：

リスク警告と使用上の注意

結語

AT4Vの「統合型三相測定」は付加機能ではなく、新エネルギー車の三相高電圧部品向けに特化して設計された中核的特性です。その応用シナリオにおける正確さと代替不可能性は、まさにこの設計が新エネルギー車の電気アーキテクチャと深く適合していることに基づいています。

将来、ホール電流センサーの発展方向としては、材料の革新、アルゴリズムの最適化、エコシステムの連携などが含まれ、複雑な動作条件下での性能と信頼性をさらに向上させることが考えられます。

設置安全：

センサーは内蔵型設備であるため、設置後は導電部に保護カバーを必ず取り付け、感電を防止してください。

メインパワーには、メンテナンス容易化のための遮断機構を設計すべきです。

温度影響：

105℃での長時間連続動作では、放熱が良好であることを確認し、絶縁材料の耐熱限界を超えないようにする必要があります。

オフセット電圧を定期的に校正し、温度ドリフトの影響を補償します。

EMC妨害：

高電圧・高周波環境下では、センサー近傍にフィルタリングコンデンサを配置し、強磁界源から遠ざけることを推奨します。

一次側母線は貫通孔を完全に満たし、寄生インダクタンスを低減すべきです。

環境耐性の高さ：動作温度範囲-40℃～+105℃、外装材料はUL94-V0難燃性等級に適合し、エンジンルームの高温と防火要求を満たします。

高速応答：3-5μsの応答時間で始動過渡現象を捕捉でき、ECUに及時的なフィードバックを提供し、始動トルクを最適化してエンジンへの衝撃を軽減します。

多様な電流タイプへの対応：始動時のパルス電流（ピーク150Aに達する可能性）と発電時の安定した交流電流を同期して測定できます。

温度安定性：ゲイン温度係数の典型値は±0.02%/K（-40℃～+105℃）で、全温度範囲における三相電流測定の均一性を保証し、均流精度を確保します。

統合設計による空間節約：単体3チャネル構造により多点設置が不要で、特に容積が制限される電源分配ユニット（PDU）内部への統合に適しています。

広い電流範囲カバー：50Aから200Aの定格モデル（IPN）を提供し、対応する測定範囲は±150Aから±600A（IPM）で、10kW級コンバーターの要求（例：AT4V 50H00は±150A過負荷対応）をカバーできます。

高電圧絶縁互換性：3.6kVの絶縁耐圧を備え、一次側-二次側の空間距離が11mmあり、IEC 61800-5-1およびIEC 62109-1が300Vシステムに対して要求する強化絶縁の安全要求を満たします。

三相同期サンプリング：チャネル間の振幅または位相偏差によるPFC制御の「偏相」を回避し、力率の低下やTHDの基準超過を防止します。

帯域幅の適合：-3dB帯域幅が50kHzに達し、20-30kHzのスイッチング周波数における高周波電流波形を完全に再現できます。

構造の適合性：単一の長方形の貫通孔が標準的な三相母線（総幅通常≤10mm）を収容でき、インバーター出力端に直接組み込み可能で、追加の設置空間が不要です。

精度の均一性：直線性誤差≤±0.5% IPN、ゲイン誤差≤±0.5%、三相測定が高度に一致し、電流不平衡度を適切なレベルに制御し、追加の銅損と鉄損を低減するのに役立ちます。

同期性の保証：3チャネルの応答時間はいずれも3-5μs（典型値3μs）、チャネル間の遅延がなく、id/iq計算の正確性を保証し、低速または登坂時のトルク変動とモーター振動を効果的に抑制します。