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芯片式 电流传感器在太阳能逆变器中的应用
发布时间:2019-09-06    文章来源:    浏览次数:29

芯片式 电流传感器在太阳能逆变器中的应用

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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