簡化電動汽車與光伏設(shè)備的高壓電流檢測技術(shù)

在任何電氣系統(tǒng)中，電流都是一個至關(guān)重要的參數(shù)。電動汽車 (EV) 充電系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)都需要檢測電流的大小，以便控制和監(jiān)測功率轉(zhuǎn)換、充電和放電。電流傳感器通過監(jiān)測分流電阻器上的壓降或?qū)w中電流產(chǎn)生的磁場來測量電流。

金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 控制方案使用電流信息來控制光伏逆變器操作，或者檢測交流輸出或輸出上的電流，以保護元件免受過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。對于特定的應(yīng)用，最適合的電流傳感器類型取決于多個因素，包括系統(tǒng)的功率等級、預(yù)期的精度和成本。本文將探討何種器件適合在電動汽車充電器和光伏逆變器中檢測電流。

電動汽車充電器中的電流檢測

在電動汽車充電器中，電流傳感器用于測量輸入交流電源、直流/直流轉(zhuǎn)換器和輸出電源等位置的電流，以確認充電器是否正確地將交流電輸送到電動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，以實現(xiàn)更大功率和快速充電。

在 1 級和 2 級充電器中，充電器將交流電輸送到電動汽車的車載充電器，車載充電器又會將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為更合適的電壓和電流電平，以便為電動汽車電池充電。在家用 1 級和 2 級充電器中，電流檢測通常不需要非常高的精度，因為沒有對用戶進行計費。不過，電流信息使用戶可以通過應(yīng)用或充電器上的用戶界面來大致了解電流和功耗情況。圖 1 展示了停車場中的兩個 2 級電動汽車充電器和兩輛正在充電的電動汽車。

圖 1：電動汽車充電器

在 3 級電動汽車充電器中，充電基礎(chǔ)設(shè)施會將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便直接向電池快速輸送直流電，從而繞過傳統(tǒng)的車載充電器并在充電站實現(xiàn)超快速電動汽車充電。電動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。電流檢測可以幫助控制充電過程，確保以最佳的方式安全地為電池充電，從而延長電動汽車和電池系統(tǒng)的使用壽命。

在 3 級充電器中，開關(guān)信號的頻率為 50kHz 至 100kHz，因此需要至少 250kHz 的電流傳感器，才能獲得適當?shù)臏y量數(shù)據(jù)。另外，傳播延遲也非常重要，因為電流傳感器需要能夠在信號切換時迅速地響應(yīng)變化。德州儀器 (TI) 的 TMCS1123 等器件未經(jīng)校準時，整個溫度和壽命范圍內(nèi)的最大誤差為 ±1.75%，經(jīng)過單點校準后，整個溫度和壽命范圍內(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 3 級充電器時節(jié)省成本。

光伏逆變器中的電流檢測

在光伏逆變器系統(tǒng)中，電流傳感器用于測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)測和控制功率轉(zhuǎn)換過程。住宅光伏逆變器中會對各個電源軌進行電流檢測，其中電源軌的電壓電平可能高達 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 400VAC。電流檢測功能可以幫助優(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，使得所有負載都處于其安全工作區(qū) (SOA) 內(nèi)。

光伏逆變器中的開關(guān)信號與電動汽車充電器中的開關(guān)信號相似，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)測太陽能電池板是否存在可能表明連接松動或電池板損壞的故障。TMCS1123 提供 ±1,100VDC 的增強型工作電壓，非常適合用于大多數(shù)串式逆變器。圖 2 展示了幾個單相串式逆變器中使用的電流和電壓檢測示例并以紅框標出了相應(yīng)電路部分。

圖 2：光伏逆變器中典型逆變器的方框圖

電流檢測設(shè)計考慮因素

下面我們來了解為電動汽車充電系統(tǒng)和光伏逆變器系統(tǒng)選擇電流傳感器時的一些主要考慮因素：

額定功率。電流傳感器(無論是基于磁體、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)測功能，確保系統(tǒng)能夠在 SOA 內(nèi)按預(yù)期運行。高精度有助于保持高效率水平，同時減少元件數(shù)量，以及因嘈雜的開關(guān)系統(tǒng)而可能注入電網(wǎng)的任何諧波。

帶寬。在開關(guān)系統(tǒng)中，速度是一個重要參數(shù)。TMCS1123 提供 250kHz 的信號帶寬和 600ns 的傳播延遲，這為系統(tǒng)提供了足夠的速度來進行適當?shù)臏y量。TI 還在開發(fā)更多具有類似機械尺寸的高速器件。我們觀察到，在我們的器件中，隨著帶寬增加，傳播延遲會減小。

成本。在選擇電流傳感器時，必須權(quán)衡考慮傳感器的成本及其提供的優(yōu)勢。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，因為您可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)來選擇分流電阻值。

基于分流器的電流檢測技術(shù)

在電動汽車充電系統(tǒng)、光伏逆變器系統(tǒng)以及其他需要電流檢測的系統(tǒng)中，最常見的電流檢測技術(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，基于分流器的電流傳感器可以在整個電流測量范圍、工作溫度范圍以及使用壽命內(nèi)實現(xiàn)誤差不到 1% 的精度。基于分流器的解決方案可能非常簡單，可以是一個運算放大器、一個專門設(shè)計的電流檢測放大器(比如 TI 的 INA241A)、一個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)計中需要考慮的一個因素。

霍爾效應(yīng)電流檢測技術(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，因為它們提供了增強型隔離或雙重隔離。不過，霍爾效應(yīng)電流傳感器會在整個溫度和生命周期內(nèi)發(fā)生漂移，這一點讓它獲得的評價不高。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，能夠顯著減少磁場干擾或串擾，并且還提供了過流檢測、精密電壓基準和傳感器報警等其他功能;請參閱圖 3。使用一體式封裝解決方案時，電流通過引線框在封裝內(nèi)流動，這會帶來引線框電阻和芯片散熱限制，進而會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 時測量 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、屏蔽或機械設(shè)計才能正常工作，而且制造或使用過程中的器件或電路板移動可能會導致位移誤差，進而有可能改變測量精度。

高壓應(yīng)用中存在多個設(shè)計挑戰(zhàn)，使得系統(tǒng)更難設(shè)計且成本更高。借助 TI 的產(chǎn)品系列和資源，您能夠以適當?shù)膬r格快速解決各種設(shè)計問題，從而使技術(shù)進步能夠惠及大眾，對我們的生活產(chǎn)生更大的影響。