簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車充電器和光伏逆變器的高壓電流檢測(cè)
2023-10-3 12:12:31 點(diǎn)擊：
在任何電氣系統(tǒng)中，電流都是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。電動(dòng)汽車 (EV) 充電系統(tǒng)和太陽(yáng)能系統(tǒng)都需要檢測(cè)電流的大小，以便控制和監(jiān)測(cè)功率轉(zhuǎn)換、充電和放電。電流傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)分流電阻器上的壓降或?qū)w中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量電流。
金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 控制方案使用電流信息來(lái)控制光伏逆變器操作，或者檢測(cè)交流輸出或輸出上的電流，以保護(hù)元件免受過(guò)流或故障事件的影響。電流傳感器有多種不同類型可供選擇，每種技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于特定的應(yīng)用，最適合的電流傳感器類型取決于多個(gè)因素，包括系統(tǒng)的功率等級(jí)、預(yù)期的精度和成本。本文將探討何種器件適合在電動(dòng)汽車充電器和光伏逆變器中檢測(cè)電流。
電動(dòng)汽車充電器中的電流檢測(cè)
在電動(dòng)汽車充電器中，電流傳感器用于測(cè)量輸入交流電源、直流/直流轉(zhuǎn)換器和輸出電源等位置的電流，以確認(rèn)充電器是否正確地將交流電輸送到電動(dòng)汽車的車載充電器系統(tǒng)，或者將直流電直接輸送到電池。如今，400V 電池正在朝著 800V 甚至更高電壓的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更大功率和快速充電。
在 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器中，充電器將交流電輸送到電動(dòng)汽車的車載充電器，車載充電器又會(huì)將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為更合適的電壓和電流電平，以便為電動(dòng)汽車電池充電。在家用 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器中，電流檢測(cè)通常不需要非常高的精度，因?yàn)闆](méi)有對(duì)用戶進(jìn)行計(jì)費(fèi)。不過(guò)，電流信息使用戶可以通過(guò)應(yīng)用或充電器上的用戶界面來(lái)大致了解電流和功耗情況。圖 1 展示了停車場(chǎng)中的兩個(gè) 2 級(jí)電動(dòng)汽車充電器和兩輛正在充電的電動(dòng)汽車。
圖 1：電動(dòng)汽車充電器
在 3 級(jí)電動(dòng)汽車充電器中，充電基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便直接向電池快速輸送直流電，從而繞過(guò)傳統(tǒng)的車載充電器并在充電站實(shí)現(xiàn)超快速電動(dòng)汽車充電。電動(dòng)汽車充電器和電池的功率容量提升有助于滿足快速充電和增加續(xù)航里程的需求。電流檢測(cè)可以幫助控制充電過(guò)程，確保以最佳的方式安全地為電池充電，從而延長(zhǎng)電動(dòng)汽車和電池系統(tǒng)的使用壽命。
在 3 級(jí)充電器中，開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率為 50kHz 至 100kHz，因此需要至少 250kHz 的電流傳感器，才能獲得適當(dāng)?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)。另外，傳播延遲也非常重要，因?yàn)殡娏鱾鞲衅餍枰軌蛟谛盘?hào)切換時(shí)迅速地響應(yīng)變化。德州儀器 (TI) 的 TMCS1123 等器件未經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)，整個(gè)溫度和壽命范圍內(nèi)的最大誤差為 ±1.75%，經(jīng)過(guò)單點(diǎn)校準(zhǔn)后，整個(gè)溫度和壽命范圍內(nèi)的誤差降至 ±1.00%。
由于 TMCS1123 在電流信息方面具有高精度和高速度，這些精度和速度規(guī)格使系統(tǒng)工程師能夠從隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器中去除直流阻斷電容器，從而幫助系統(tǒng)工程師在設(shè)計(jì) 3 級(jí)充電器時(shí)節(jié)省成本。
光伏逆變器中的電流檢測(cè)
在光伏逆變器系統(tǒng)中，電流傳感器用于測(cè)量多種配置中的電流，例如逆變器的交流和直流輸入、直流/直流升壓、直流/直流轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)輸出，從而幫助監(jiān)測(cè)和控制功率轉(zhuǎn)換過(guò)程。住宅光伏逆變器中會(huì)對(duì)各個(gè)電源軌進(jìn)行電流檢測(cè)，其中電源軌的電壓電平可能高達(dá) 1,000VDC，但光伏輸入端的電壓通常約為 500V 至 600VDC，而電網(wǎng)輸入和輸出則高達(dá) 400VAC。電流檢測(cè)功能可以幫助優(yōu)化光伏逆變器系統(tǒng)，確保電網(wǎng)輸出上輸送的功率水平和頻率可靠且適當(dāng)，使得所有負(fù)載都處于其安全工作區(qū) (SOA) 內(nèi)。
光伏逆變器中的開(kāi)關(guān)信號(hào)與電動(dòng)汽車充電器中的開(kāi)關(guān)信號(hào)相似，頻率介于 50kHz 至 100kHz 之間。此外，還可以將電流傳感器用于診斷目的，例如監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池板是否存在可能表明連接松動(dòng)或電池板損壞的故障。TMCS1123 提供 ±1,100VDC 的增強(qiáng)型工作電壓，非常適合用于大多數(shù)串式逆變器。圖 2 展示了幾個(gè)單相串式逆變器中使用的電流和電壓檢測(cè)示例并以紅框標(biāo)出了相應(yīng)電路部分。
圖 2：光伏逆變器中典型逆變器的方框圖
電流檢測(cè)設(shè)計(jì)考慮因素
下面我們來(lái)了解為電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)和光伏逆變器系統(tǒng)選擇電流傳感器時(shí)的一些主要考慮因素：
? 額定功率。電流傳感器（無(wú)論是基于磁體、基于分流器還是其他技術(shù)）必須能夠處理系統(tǒng)的工作電流和電壓水平。設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)系統(tǒng)的輸入選擇合適的技術(shù)，以確保電流可以在系統(tǒng)的整個(gè)壽命內(nèi)不間斷地流入系統(tǒng)。
? 精度。電流傳感器必須足夠精確，以提供預(yù)期的控制和監(jiān)測(cè)功能，確保系統(tǒng)能夠在 SOA 內(nèi)按預(yù)期運(yùn)行。高精度有助于保持高效率水平，同時(shí)減少元件數(shù)量，以及因嘈雜的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)而可能注入電網(wǎng)的任何諧波。
? 帶寬。在開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中，速度是一個(gè)重要參數(shù)。TMCS1123 提供 250kHz 的信號(hào)帶寬和 600ns 的傳播延遲，這為系統(tǒng)提供了足夠的速度來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量。TI 還在開(kāi)發(fā)更多具有類似機(jī)械尺寸的高速器件。我們觀察到，在我們的器件中，隨著帶寬增加，傳播延遲會(huì)減小。
? 成本。在選擇電流傳感器時(shí)，必須權(quán)衡考慮傳感器的成本及其提供的優(yōu)勢(shì)。一體式封裝的霍爾效應(yīng)電流傳感器通常限制為只能檢測(cè)特定范圍內(nèi)的電流，而基于分流器的系統(tǒng)則更加靈活，因?yàn)槟梢愿鶕?jù)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)選擇分流電阻值。
基于分流器的電流檢測(cè)技術(shù)
在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)、光伏逆變器系統(tǒng)以及其他需要電流檢測(cè)的系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的電流檢測(cè)技術(shù)是霍爾效應(yīng)電流傳感器和基于分流器的電流傳感器。
與霍爾效應(yīng)電流傳感器相比，基于分流器的電流傳感器通常在整個(gè)電流范圍內(nèi)精度更高。使用穩(wěn)定的放大器技術(shù)或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和精密分流電阻器時(shí)，基于分流器的電流傳感器可以在整個(gè)電流測(cè)量范圍、工作溫度范圍以及使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)誤差不到 1% 的精度。基于分流器的解決方案可能非常簡(jiǎn)單，可以是一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)專門設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)放大器（比如 TI 的 INA241A）、一個(gè)用于較高電壓的隔離式放大器（比如 TI 的 AMCS1300B）或者具有數(shù)字輸出的 Σ-Δ 調(diào)制器（比如 TI 的 AMCS1306）。這類放大器通常用于監(jiān)測(cè)分流電阻器上的壓降并提供比例電壓輸出。每種解決方案在工作電壓、失調(diào)電壓、漂移、帶寬和易用性方面均有所不同。與一體式封裝的霍爾效應(yīng)解決方案非常類似，基于分流器的傳感器也屬于存在電阻的侵入性技術(shù)，功耗也是整體設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)因素。
霍爾效應(yīng)電流檢測(cè)技術(shù)
一體式封裝的霍爾效應(yīng)電流傳感器在高壓系統(tǒng)中很受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┝嗽鰪?qiáng)型隔離或雙重隔離。不過(guò)，霍爾效應(yīng)電流傳感器會(huì)在整個(gè)溫度和生命周期內(nèi)發(fā)生漂移，這一點(diǎn)讓它獲得的評(píng)價(jià)不高。TI 將 TMCS1123 的漂移誤差大幅降低至 ±0.5%。該器件具有差分霍爾效應(yīng)感應(yīng)功能，能夠顯著減少磁場(chǎng)干擾或串?dāng)_，并且還提供了過(guò)流檢測(cè)、精密電壓基準(zhǔn)和傳感器報(bào)警等其他功能；請(qǐng)參閱圖 3。使用一體式封裝解決方案時(shí)，電流通過(guò)引線框在封裝內(nèi)流動(dòng)，這會(huì)帶來(lái)引線框電阻和芯片散熱限制，進(jìn)而會(huì)限制器件能夠處理的電流大小。TMCS1123 器件產(chǎn)品系列能夠在 25°C 時(shí)測(cè)量 75Arms 的電流。
圖 3：TMCS1123 方框圖
其他解決方案包括環(huán)境霍爾效應(yīng)傳感器或磁通門傳感器（比如 TI 的 DRV401），這些傳感器可能需要不同類型的磁芯、屏蔽或機(jī)械設(shè)計(jì)才能正常工作，而且制造或使用過(guò)程中的器件或電路板移動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致位移誤差，進(jìn)而有可能改變測(cè)量精度。
高壓應(yīng)用中存在多個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，使得系統(tǒng)更難設(shè)計(jì)且成本更高。借助 TI 的產(chǎn)品系列和資源，您能夠以適當(dāng)?shù)膬r(jià)格快速解決各種設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而使技術(shù)進(jìn)步能夠惠及大眾，對(duì)我們的生活產(chǎn)生更大的影響。
金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 控制方案使用電流信息來(lái)控制光伏逆變器操作，或者檢測(cè)交流輸出或輸出上的電流，以保護(hù)元件免受過(guò)流或故障事件的影響。電流傳感器有多種不同類型可供選擇，每種技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于特定的應(yīng)用，最適合的電流傳感器類型取決于多個(gè)因素，包括系統(tǒng)的功率等級(jí)、預(yù)期的精度和成本。本文將探討何種器件適合在電動(dòng)汽車充電器和光伏逆變器中檢測(cè)電流。
電動(dòng)汽車充電器中的電流檢測(cè)
在電動(dòng)汽車充電器中，電流傳感器用于測(cè)量輸入交流電源、直流/直流轉(zhuǎn)換器和輸出電源等位置的電流，以確認(rèn)充電器是否正確地將交流電輸送到電動(dòng)汽車的車載充電器系統(tǒng)，或者將直流電直接輸送到電池。如今，400V 電池正在朝著 800V 甚至更高電壓的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更大功率和快速充電。
在 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器中，充電器將交流電輸送到電動(dòng)汽車的車載充電器，車載充電器又會(huì)將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為更合適的電壓和電流電平，以便為電動(dòng)汽車電池充電。在家用 1 級(jí)和 2 級(jí)充電器中，電流檢測(cè)通常不需要非常高的精度，因?yàn)闆](méi)有對(duì)用戶進(jìn)行計(jì)費(fèi)。不過(guò)，電流信息使用戶可以通過(guò)應(yīng)用或充電器上的用戶界面來(lái)大致了解電流和功耗情況。圖 1 展示了停車場(chǎng)中的兩個(gè) 2 級(jí)電動(dòng)汽車充電器和兩輛正在充電的電動(dòng)汽車。
圖 1：電動(dòng)汽車充電器
在 3 級(jí)電動(dòng)汽車充電器中，充電基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便直接向電池快速輸送直流電，從而繞過(guò)傳統(tǒng)的車載充電器并在充電站實(shí)現(xiàn)超快速電動(dòng)汽車充電。電動(dòng)汽車充電器和電池的功率容量提升有助于滿足快速充電和增加續(xù)航里程的需求。電流檢測(cè)可以幫助控制充電過(guò)程，確保以最佳的方式安全地為電池充電，從而延長(zhǎng)電動(dòng)汽車和電池系統(tǒng)的使用壽命。
在 3 級(jí)充電器中，開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率為 50kHz 至 100kHz，因此需要至少 250kHz 的電流傳感器，才能獲得適當(dāng)?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)。另外，傳播延遲也非常重要，因?yàn)殡娏鱾鞲衅餍枰軌蛟谛盘?hào)切換時(shí)迅速地響應(yīng)變化。德州儀器 (TI) 的 TMCS1123 等器件未經(jīng)校準(zhǔn)時(shí)，整個(gè)溫度和壽命范圍內(nèi)的最大誤差為 ±1.75%，經(jīng)過(guò)單點(diǎn)校準(zhǔn)后，整個(gè)溫度和壽命范圍內(nèi)的誤差降至 ±1.00%。
由于 TMCS1123 在電流信息方面具有高精度和高速度，這些精度和速度規(guī)格使系統(tǒng)工程師能夠從隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器中去除直流阻斷電容器，從而幫助系統(tǒng)工程師在設(shè)計(jì) 3 級(jí)充電器時(shí)節(jié)省成本。
光伏逆變器中的電流檢測(cè)
在光伏逆變器系統(tǒng)中，電流傳感器用于測(cè)量多種配置中的電流，例如逆變器的交流和直流輸入、直流/直流升壓、直流/直流轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)輸出，從而幫助監(jiān)測(cè)和控制功率轉(zhuǎn)換過(guò)程。住宅光伏逆變器中會(huì)對(duì)各個(gè)電源軌進(jìn)行電流檢測(cè)，其中電源軌的電壓電平可能高達(dá) 1,000VDC，但光伏輸入端的電壓通常約為 500V 至 600VDC，而電網(wǎng)輸入和輸出則高達(dá) 400VAC。電流檢測(cè)功能可以幫助優(yōu)化光伏逆變器系統(tǒng)，確保電網(wǎng)輸出上輸送的功率水平和頻率可靠且適當(dāng)，使得所有負(fù)載都處于其安全工作區(qū) (SOA) 內(nèi)。
光伏逆變器中的開(kāi)關(guān)信號(hào)與電動(dòng)汽車充電器中的開(kāi)關(guān)信號(hào)相似，頻率介于 50kHz 至 100kHz 之間。此外，還可以將電流傳感器用于診斷目的，例如監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池板是否存在可能表明連接松動(dòng)或電池板損壞的故障。TMCS1123 提供 ±1,100VDC 的增強(qiáng)型工作電壓，非常適合用于大多數(shù)串式逆變器。圖 2 展示了幾個(gè)單相串式逆變器中使用的電流和電壓檢測(cè)示例并以紅框標(biāo)出了相應(yīng)電路部分。
圖 2：光伏逆變器中典型逆變器的方框圖
電流檢測(cè)設(shè)計(jì)考慮因素
下面我們來(lái)了解為電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)和光伏逆變器系統(tǒng)選擇電流傳感器時(shí)的一些主要考慮因素：
? 額定功率。電流傳感器（無(wú)論是基于磁體、基于分流器還是其他技術(shù)）必須能夠處理系統(tǒng)的工作電流和電壓水平。設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)系統(tǒng)的輸入選擇合適的技術(shù)，以確保電流可以在系統(tǒng)的整個(gè)壽命內(nèi)不間斷地流入系統(tǒng)。
? 精度。電流傳感器必須足夠精確，以提供預(yù)期的控制和監(jiān)測(cè)功能，確保系統(tǒng)能夠在 SOA 內(nèi)按預(yù)期運(yùn)行。高精度有助于保持高效率水平，同時(shí)減少元件數(shù)量，以及因嘈雜的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)而可能注入電網(wǎng)的任何諧波。
? 帶寬。在開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中，速度是一個(gè)重要參數(shù)。TMCS1123 提供 250kHz 的信號(hào)帶寬和 600ns 的傳播延遲，這為系統(tǒng)提供了足夠的速度來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量。TI 還在開(kāi)發(fā)更多具有類似機(jī)械尺寸的高速器件。我們觀察到，在我們的器件中，隨著帶寬增加，傳播延遲會(huì)減小。
? 成本。在選擇電流傳感器時(shí)，必須權(quán)衡考慮傳感器的成本及其提供的優(yōu)勢(shì)。一體式封裝的霍爾效應(yīng)電流傳感器通常限制為只能檢測(cè)特定范圍內(nèi)的電流，而基于分流器的系統(tǒng)則更加靈活，因?yàn)槟梢愿鶕?jù)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)選擇分流電阻值。
基于分流器的電流檢測(cè)技術(shù)
在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)、光伏逆變器系統(tǒng)以及其他需要電流檢測(cè)的系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的電流檢測(cè)技術(shù)是霍爾效應(yīng)電流傳感器和基于分流器的電流傳感器。
與霍爾效應(yīng)電流傳感器相比，基于分流器的電流傳感器通常在整個(gè)電流范圍內(nèi)精度更高。使用穩(wěn)定的放大器技術(shù)或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和精密分流電阻器時(shí)，基于分流器的電流傳感器可以在整個(gè)電流測(cè)量范圍、工作溫度范圍以及使用壽命內(nèi)實(shí)現(xiàn)誤差不到 1% 的精度。基于分流器的解決方案可能非常簡(jiǎn)單，可以是一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)專門設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)放大器（比如 TI 的 INA241A）、一個(gè)用于較高電壓的隔離式放大器（比如 TI 的 AMCS1300B）或者具有數(shù)字輸出的 Σ-Δ 調(diào)制器（比如 TI 的 AMCS1306）。這類放大器通常用于監(jiān)測(cè)分流電阻器上的壓降并提供比例電壓輸出。每種解決方案在工作電壓、失調(diào)電壓、漂移、帶寬和易用性方面均有所不同。與一體式封裝的霍爾效應(yīng)解決方案非常類似，基于分流器的傳感器也屬于存在電阻的侵入性技術(shù)，功耗也是整體設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)因素。
霍爾效應(yīng)電流檢測(cè)技術(shù)
一體式封裝的霍爾效應(yīng)電流傳感器在高壓系統(tǒng)中很受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┝嗽鰪?qiáng)型隔離或雙重隔離。不過(guò)，霍爾效應(yīng)電流傳感器會(huì)在整個(gè)溫度和生命周期內(nèi)發(fā)生漂移，這一點(diǎn)讓它獲得的評(píng)價(jià)不高。TI 將 TMCS1123 的漂移誤差大幅降低至 ±0.5%。該器件具有差分霍爾效應(yīng)感應(yīng)功能，能夠顯著減少磁場(chǎng)干擾或串?dāng)_，并且還提供了過(guò)流檢測(cè)、精密電壓基準(zhǔn)和傳感器報(bào)警等其他功能；請(qǐng)參閱圖 3。使用一體式封裝解決方案時(shí)，電流通過(guò)引線框在封裝內(nèi)流動(dòng)，這會(huì)帶來(lái)引線框電阻和芯片散熱限制，進(jìn)而會(huì)限制器件能夠處理的電流大小。TMCS1123 器件產(chǎn)品系列能夠在 25°C 時(shí)測(cè)量 75Arms 的電流。
圖 3：TMCS1123 方框圖
其他解決方案包括環(huán)境霍爾效應(yīng)傳感器或磁通門傳感器（比如 TI 的 DRV401），這些傳感器可能需要不同類型的磁芯、屏蔽或機(jī)械設(shè)計(jì)才能正常工作，而且制造或使用過(guò)程中的器件或電路板移動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致位移誤差，進(jìn)而有可能改變測(cè)量精度。
高壓應(yīng)用中存在多個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，使得系統(tǒng)更難設(shè)計(jì)且成本更高。借助 TI 的產(chǎn)品系列和資源，您能夠以適當(dāng)?shù)膬r(jià)格快速解決各種設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而使技術(shù)進(jìn)步能夠惠及大眾，對(duì)我們的生活產(chǎn)生更大的影響。
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