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芯片式电流传感器在太阳能逆变器中的应用

应用设计 | 工控家2018-12-06 17:29人气:358

莱姆电子(中国)有限公司

作者:周志健

校对:成秋华 李海莹

2017年,中国新增太阳能发电装机容量超53GW,位居全球第一,其中分布式光伏发电得到了大力支持,新增装机容量一举突破了19GW。目前,国内光伏产业链各个环节已经相当完整,参与其中的厂家众多,光伏市场趋于饱和,在激烈竞争的形势下,降低产品的生产成本同时提高产品的可靠性成为厂家抢占市场的主要方式;其中的电流传感器作为光伏并网逆变器中的核心检测元件,在要求产品稳定性的同时,还需兼顾高精确的电量计量工作。

如果从电流传感器的设计原理来分类,常用的有开环,闭环,磁通门等技术,通常会根据不同的应用场合选择不同原理的电流传感器来实现相应的功能。

开环霍尔电流传感器基于直测式霍尔原理,当原边一次侧电流产生的磁通被高品质磁芯聚集在磁路中,霍尔元件被固定在很小的磁路开口气隙空间里,对磁通的变化进行线性检测,霍尔器件输出的霍尔电压经过特殊电路处理后,副边输出与原边波形一致的跟随电压,此电压能够精确反馈原边电流的变化。

闭环霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理,即闭环原理(也称磁平衡式霍尔),当一次侧原边电流产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中,霍尔元件被固定在气隙中检测磁通,通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流,用于抵消原边电流产生的磁通,使得磁路中磁通始终保持为零;经过特殊电路的处理,传感器的输出端能够输出精确反馈原边电流变化的信号(电流输出或者电压输出)。

众所周知,典型的分布式光伏逆变器的拓扑(如下图所示)包含了直流输入环节(组串输入汇流),直流升压环节(Boost MPPT线路),直流逆变交流环节(DC/AC 线路),以及交流输出环节(漏电流检测),电流检测在每一个环节必不可少。

直流环节开环电流传感器

目前,绝大多数的厂家都在直流侧(组串电流检测或者DC/DC Boost线路输入电流检测)选择开环电流传感器,因为直流侧电流检测只是做测量,不参与保护,所以对于精度的要求并不是很高,通常1%-2%的精度即可满足要求,至于温度特性的不足,可以通过软件的算法对零点温漂和精度等硬性参数指标进行修正补偿。有助于电流传感器在使用上的一致性。而且开环电流传感器的成本比闭环电流传感器的成本低,所以开环传感器在直流侧的优势比较明显。

交流环节闭环电流传感器

目前国内绝大多数厂家在交流侧都采用闭环传感器,因为交流侧电流传感器的输出一般都是用于软件控制,如果精度太低,对一些关键量的检测和控制就会产生影响。比如直流分量的检测提取,尽管每个国家对直流分量接受值不一样,但是需要控制在标称输出电流的0.5%,甚至0.25%,所以只有闭环传感器才能满足高精度的要求。

当下,随着光伏组件高度集成化,新器件的工艺提升,逆变器厂家研发技术的进步,光伏逆变器的单体模块功率越做越大,功率密度也越来越高,对于电流传感器的选择也提出了更高的要求,除了拥有常规的电气性能外,还要求:

a) 体积小,高绝缘耐压,集成度高,易于自动化生产

当印刷电路板(Print Circuit Board)上用于电流测量的布板空间比较小时,理想情况是采用芯片式电流测量方案。将初级导体进行集成,直接表面贴装(Surface Mounted Device)到印刷电路板上,从而降低制造成本,同时也避免混淆各种焊接工艺。LEM 最新开发的GO-SMS(下图左)/HMSR-SMS(下图右) 系列电流传感器均为SMD封装的芯片式电流传感器。

除了满足体积小之外,GO-SMS的原副边引脚设计还分别实现了7.5mm爬电和电气间隙距离,HMSR-SMS的原副边引脚设计更是达到了8.0mm的爬电和电气间隙距离。封装采用600 CTI材料进行累积,使其具有高隔离性能(测试隔离电压:4.3kVrms/50 Hz/1min),其中HMSR芯片式电流传感器专门用于1500Vdc直流输入的太阳能系统。

b) 10kA抗浪涌能力

目前逆变器厂家的设计,一般和光伏组件(PV面板)或电网直接相连的线路上都会有雷击浪涌的风险,为了帮助厂家简化网络端口处的防雷设计,HMSR-SMS在设计之初,充分考虑到原边抗浪涌能力,设计了专门优化的初级导体,当原边通过10kA 8/20us的雷击浪涌电流时,芯片内部依然可以正常工作而无任何的失效。

c)内置过流保护告警功能

GO-SMS/HMSR-SMS芯片式电流传感器可用于峰值电流检测,用于真实值与设定点(保护点)的对比,保护点的设定可使用内置(出厂默认值))或外置(用户修改值),并通过专门的OCD引脚输出低电平有效的告警信息用于通知控制器(DSP)过流信号的产生以便DSP快速做出响应保护线路中的IGBT等器件。

除上述特色功能之外,LEM的芯片式电流传感器可测量标称交流、直流、脉冲和混合隔离电流,测量范围宽至± 3 x Ipn,带宽100kHz。

GO-SMS/HMSR-SMS芯片式电流传感器设计基于HG2 ORION平台的独特LEM 开环霍尔效应ASIC技术。标有CE标识,符合EN50178标准。与传统离散技术相比,具有更宽的工作温度范围(-40到+85°C),更好的偏移和增益漂移以及线性度。

GO-SMS/HMSR-SMS芯片式电流传感器通过一个+5V电源来运行,并提供可配置的基准电压(2.5V),增益和偏移为固定值并进行了设定,额定测量电流对应的输出电压等于输入或输出基准电压± 0.625 V。可提供10-30A 的额定电流检测能力,非常适合于直流侧的组串电流检测和DC/DC Boost电路的输入电流检测。

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(本文来源:中国工控网,作者:莱姆电子(中国)有限公司,转载请注明出处

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