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芯片式電流傳感器在太陽能逆變器中的應用

核心提示:2017年,中國新增太陽能發(fā)電裝機容量超53GW,位居全球第一,其中分布式光伏發(fā)電得到了大力支持,新增裝機容量一舉突破了19GW。
   2017年,中國新增太陽能發(fā)電裝機容量超53GW,位居全球第一,其中分布式光伏發(fā)電得到了大力支持,新增裝機容量一舉突破了19GW。目前,國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)已經(jīng)相當完整,參與其中的廠家眾多,光伏市場趨于飽和,在激烈競爭的形勢下,降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本同時提高產(chǎn)品的可靠性成為廠家搶占市場的主要方式;其中的電流傳感器作為光伏并網(wǎng)逆變器中的核心檢測元件,在要求產(chǎn)品穩(wěn)定性的同時,還需兼顧高精確的電量計量工作。
芯片式電流傳感器在太陽能逆變器中的應用
  如果從電流傳感器的設計原理來分類,常用的有開環(huán),閉環(huán),磁通門等技術,通常會根據(jù)不同的應用場合選擇不同原理的電流傳感器來實現(xiàn)相應的功能。
 
  開環(huán)霍爾電流傳感器基于直測式霍爾原理,當原邊一次側電流產(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,對磁通的變化進行線性檢測,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),當一次側原邊電流產(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磁通,通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流,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(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撲(如下圖所示)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),電流檢測在每一個環(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(組串電流檢測或者DC/DC Boost線路輸入電流檢測)選擇開環(huán)電流傳感器,因為直流側電流檢測只是做測量,不參與保護,所以對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零點溫漂和精度等硬性參數(shù)指標進行修正補償。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)傳感器在直流側的優(yōu)勢比較明顯。
 
  交流環(huán)節(jié)閉環(huán)電流傳感器
 
  目前國內(nèi)絕大多數(shù)廠家在交流側都采用閉環(huán)傳感器,因為交流側電流傳感器的輸出一般都是用于軟件控制,如果精度太低,對一些關鍵量的檢測和控制就會產(chǎn)生影響。比如直流分量的檢測提取,盡管每個國家對直流分量接受值不一樣,但是需要控制在標稱輸出電流的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)技術的進步,光伏逆變器的單體模塊功率越做越大,功率密度也越來越高,對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,易于自動化生產(chǎn)
 
  當印刷電路板(Print Circuit Board)上用于電流測量的布板空間比較小時,理想情況是采用芯片式電流測量方案。將初級導體進行集成,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的原副邊引腳設計還分別實現(xiàn)了7.5mm爬電和電氣間隙距離,HMSR-SMS的原副邊引腳設計更是達到了8.0mm的爬電和電氣間隙距離。封裝采用600 CTI材料進行累積,使其具有高隔離性能(測試隔離電壓:4.3kVrms/50 Hz/1min),其中HMSR芯片式電流傳感器專門用于1500Vdc直流輸入的太陽能系統(tǒng)。
 
  b)10kA抗浪涌能力
 
  目前逆變器廠家的設計,一般和光伏組件(PV面板)或電網(wǎng)直接相連的線路上都會有雷擊浪涌的風險,為了幫助廠家簡化網(wǎng)絡端口處的防雷設計,HMSR-SMS在設計之初,充分考慮到原邊抗浪涌能力,設計了專門優(yōu)化的初級導體,當原邊通過10kA 8/20us的雷擊浪涌電流時,芯片內(nèi)部依然可以正常工作而無任何的失效。
 
  c)內(nèi)置過流保護告警功能
 
  GO-SMS/HMSR-SMS芯片式電流傳感器可用于峰值電流檢測,用于真實值與設定點(保護點)的對比,保護點的設定可使用內(nèi)置(出廠默認值))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)過流信號的產(chǎn)生以便DSP快速做出響應保護線路中的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量標稱交流、直流、脈沖和混合隔離電流,測量范圍寬至± 3 x Ipn,帶寬100kHz。
 
  GO-SMS/HMSR-SMS芯片式電流傳感器設計基于HG2 ORION平臺的獨特LEM 開環(huán)霍爾效應ASIC技術。標有CE標識,符合EN50178標準。與傳統(tǒng)離散技術相比,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+5V電源來運行,并提供可配置的基準電壓(2.5V),增益和偏移為固定值并進行了設定,額定測量電流對應的輸出電壓等于輸入或輸出基準電壓± 0.625 V。可提供10-30A 的額定電流檢測能力,非常適合于直流側的組串電流檢測和DC/DC Boost電路的輸入電流檢測。

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