芯片式電流傳感器在太陽(yáng)能逆變器中的應(yīng)用

:2017年，中國(guó)新增太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量超53GW，位居全球第一，其中分布式光伏發(fā)電得到了大力支持，新增裝機(jī)容量一舉突破了19GW。目前，國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)相當(dāng)完整，參與其中的廠家眾多，光伏市場(chǎng)趨于飽和，在激烈競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)下，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本同時(shí)提高產(chǎn)品的可靠性成為廠家搶占市場(chǎng)的主要方式；其中的電流傳感器作為光伏并網(wǎng)逆變器中的核心檢測(cè)元件，在要求產(chǎn)品穩(wěn)定性的同時(shí)，還需兼顧高精確的電量計(jì)量工作。

如果從電流傳感器的設(shè)計(jì)原理來(lái)分類，常用的有開環(huán)，閉環(huán)，磁通門等技術(shù)，通常會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇不同原理的電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

開環(huán)霍爾電流傳感器基于直測(cè)式霍爾原理，當(dāng)原邊一次側(cè)電流產(chǎn)生的磁通被高品質(zhì)磁芯聚集在磁路中，霍爾元件被固定在很小的磁路開口氣隙空間里，對(duì)磁通的變化進(jìn)行線性檢測(cè)，霍爾器件輸出的霍爾電壓經(jīng)過特殊電路處理后，副邊輸出與原邊波形一致的跟隨電壓，此電壓能夠精確反饋原邊電流的變化。

閉環(huán)霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理（也稱磁平衡式霍爾），當(dāng)一次側(cè)原邊電流產(chǎn)生的磁通通過高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件被固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補(bǔ)償電流，用于抵消原邊電流產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零；經(jīng)過特殊電路的處理，傳感器的輸出端能夠輸出精確反饋原邊電流變化的信號(hào)（電流輸出或者電壓輸出）。

眾所周知，典型的分布式光伏逆變器的拓?fù)洌ㄈ缦聢D所示）包含了直流輸入環(huán)節(jié)（組串輸入?yún)R流），直流升壓環(huán)節(jié)（Boost MPPT線路），直流逆變交流環(huán)節(jié)（DC/AC 線路），以及交流輸出環(huán)節(jié)（漏電流檢測(cè)），電流檢測(cè)在每一個(gè)環(huán)節(jié)必不可少。

直流環(huán)節(jié)開環(huán)電流傳感器

目前，絕大多數(shù)的廠家都在直流側(cè)（組串電流檢測(cè)或者DC/DC Boost線路輸入電流檢測(cè)）選擇開環(huán)電流傳感器，因?yàn)橹绷鱾?cè)電流檢測(cè)只是做測(cè)量，不參與保護(hù)，所以對(duì)于精度的要求并不是很高，通常1%-2%的精度即可滿足要求，至于溫度特性的不足，可以通過軟件的算法對(duì)零點(diǎn)溫漂和精度等硬性參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行修正補(bǔ)償。有助于電流傳感器在使用上的一致性。而且開環(huán)電流傳感器的成本比閉環(huán)電流傳感器的成本低，所以開環(huán)傳感器在直流側(cè)的優(yōu)勢(shì)比較明顯。

交流環(huán)節(jié)閉環(huán)電流傳感器

目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)廠家在交流側(cè)都采用閉環(huán)傳感器，因?yàn)榻涣鱾?cè)電流傳感器的輸出一般都是用于軟件控制，如果精度太低，對(duì)一些關(guān)鍵量的檢測(cè)和控制就會(huì)產(chǎn)生影響。比如直流分量的檢測(cè)提取，盡管每個(gè)國(guó)家對(duì)直流分量接受值不一樣，但是需要控制在標(biāo)稱輸出電流的0.5%，甚至0.25%，所以只有閉環(huán)傳感器才能滿足高精度的要求。

當(dāng)下，隨著光伏組件高度集成化，新器件的工藝提升，逆變器廠家研發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，光伏逆變器的單體模塊功率越做越大，功率密度也越來(lái)越高，對(duì)于電流傳感器的選擇也提出了更高的要求，除了擁有常規(guī)的電氣性能外，還要求：

a)體積小，高絕緣耐壓，集成度高，易于自動(dòng)化生產(chǎn)

當(dāng)印刷電路板（Print Circuit Board）上用于電流測(cè)量的布板空間比較小時(shí)，理想情況是采用芯片式電流測(cè)量方案。將初級(jí)導(dǎo)體進(jìn)行集成，直接表面貼裝（Surface Mounted Device）到印刷電路板上，從而降低制造成本，同時(shí)也避免混淆各種焊接工藝。LEM 最新開發(fā)的GO-SMS（下圖左）/HMSR-SMS（下圖右） 系列電流傳感器均為SMD封裝的芯片式電流傳感器。

除了滿足體積小之外，GO-SMS的原副邊引腳設(shè)計(jì)還分別實(shí)現(xiàn)了7.5mm爬電和電氣間隙距離，HMSR-SMS的原副邊引腳設(shè)計(jì)更是達(dá)到了8.0mm的爬電和電氣間隙距離。封裝采用600 CTI材料進(jìn)行累積，使其具有高隔離性能（測(cè)試隔離電壓：4.3kVrms/50 Hz/1min），其中HMSR芯片式電流傳感器專門用于1500Vdc直流輸入的太陽(yáng)能系統(tǒng)。

b)10kA抗浪涌能力

目前逆變器廠家的設(shè)計(jì)，一般和光伏組件（PV面板）或電網(wǎng)直接相連的線路上都會(huì)有雷擊浪涌的風(fēng)險(xiǎn)，為了幫助廠家簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)端口處的防雷設(shè)計(jì)，HMSR-SMS在設(shè)計(jì)之初，充分考慮到原邊抗浪涌能力，設(shè)計(jì)了專門優(yōu)化的初級(jí)導(dǎo)體，當(dāng)原邊通過10kA 8/20us的雷擊浪涌電流時(shí)，芯片內(nèi)部依然可以正常工作而無(wú)任何的失效。

c)內(nèi)置過流保護(hù)告警功能

GO-SMS/HMSR-SMS芯片式電流傳感器可用于峰值電流檢測(cè)，用于真實(shí)值與設(shè)定點(diǎn)（保護(hù)點(diǎn)）的對(duì)比，保護(hù)點(diǎn)的設(shè)定可使用內(nèi)置（出廠默認(rèn)值））或外置（用戶修改值），并通過專門的OCD引腳輸出低電平有效的告警信息用于通知控制器（DSP）過流信號(hào)的產(chǎn)生以便DSP快速做出響應(yīng)保護(hù)線路中的IGBT等器件。

除上述特色功能之外，LEM的芯片式電流傳感器可測(cè)量標(biāo)稱交流、直流、脈沖和混合隔離電流，測(cè)量范圍寬至± 3 x Ipn,帶寬100kHz。

GO-SMS/HMSR-SMS芯片式電流傳感器設(shè)計(jì)基于HG2 ORION平臺(tái)的獨(dú)特LEM 開環(huán)霍爾效應(yīng)ASIC技術(shù)。標(biāo)有CE標(biāo)識(shí)，符合EN50178標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)離散技術(shù)相比，具有更寬的工作溫度范圍（-40到+85°C），更好的偏移和增益漂移以及線性度。

GO-SMS/HMSR-SMS芯片式電流傳感器通過一個(gè)+5V電源來(lái)運(yùn)行，并提供可配置的基準(zhǔn)電壓（2.5V），增益和偏移為固定值并進(jìn)行了設(shè)定，額定測(cè)量電流對(duì)應(yīng)的輸出電壓等于輸入或輸出基準(zhǔn)電壓± 0.625 V。可提供10-30A 的額定電流檢測(cè)能力，非常適合于直流側(cè)的組串電流檢測(cè)和DC/DC Boost電路的輸入電流檢測(cè)。