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在微型逆变器中采用霍尔效应磁电流传感器的优势

时间:2024-01-03 17:17:56 作者:Zachary Nelson, Allegro MicroSystems系统工程师 阅读:
测量光伏板电流通常有两种主要方法:低侧和高侧感测,其中高侧电流感测有一些好处,尤其是在考虑使用霍尔效应电流传感器时,这种优势更加突出……
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引言

微型逆变器正在成为使可再生能源更加可及,并具有更高可扩展性的关键技术。将光伏(PV)板与微型逆变器组合使用,可以将产生的电力直接转换为交流电,并将其并入电网。高效的转换需要精确的电流测量,以便实现更佳的功率转换、精确的系统控制和保护。测量光伏板电流通常有两种主要方法:低侧和高侧感测,其中高侧电流感测有一些好处,尤其是在考虑使用霍尔效应电流传感器时,这种优势更加突出。通过了解高侧感测的优势,设计师可以开启一种新方法来增大设计的功率密度,提高系统可靠性和效率。

图1:高侧和低侧感测位置(顶部)和架构(底部) 

高侧和低侧感测

电流的测量可以在高侧或低侧进行。当在低侧感测时,感测装置需串联在负载和地之间,并测量从负载返回的电流;而在高侧,感测装置则串联在PV输入端,可以直接测量流入系统负载的电流(参见图1)。

在光伏系统中,低侧电流感测的传统方法是采用电流分流放大器,这种方法因其具有相对较低的成本,且实现起来较为简单而受到青睐;而在高侧实施电流分流器则需要更复杂的电路和更高性能组件。与分流器加放大器解决方案相比,霍尔效应电流传感器既可提供简单、灵活的低侧或高侧实现,又能够与待测电流电路隔离。在微型逆变器中进行高侧或低侧电流测量的所有各种方法都存在一定程度的取舍权衡,正如下文所述,有些方法对特定系统有巨大影响。

增强的可靠性

在直流转换电路中,短路检测能力会影响用户安全和光伏设备的寿命。微型逆变器需要运行在极端温度和天气环境条件下,使其容易发生早期部件故障,从而导致短路。检测微型逆变器中可能出现的短路,并对其做出反应,这对于维持设备和电网的稳定、安全运行非常重要。在这方面,低侧电流传感器有一个缺点,因为它们只测量PV返回电流,无法深入了解上游电路的电流行为,微型逆变器中的短路可以绕过低侧测量,从而影响系统功能(参见图2左)。尽管影响的严重程度多种多样,但在最极端情况下,短路可能会导致整个系统故障。提高对这些事件的检测能力可增强系统在这些场景下的洞察力和响应能力,从而使故障保护方案能够避免或延长系统更换。

Allegro霍尔效应传感器可以很容易地在PV输入端集成实现,以感测流入微型逆变器的电流。Allegro所提供的快速响应器件能够检测短路引起的电流尖峰,并将其传输到系统控制器进而施加保护措施。Allegro电流传感器还集成有过流故障保护等内置功能,在输入电流超过微型逆变器额定值,或在安装及面板配置不当的情况下保护系统(参见图2右)。输入感测电路的这种高可靠性可以帮助避免早期设备故障,并延长设备的总寿命。

图2:短路电流路径和Allegro电流传感器故障保护行为

功耗和热影响

在检查任何分流器解决方案的功耗和热影响时,重要的是要考虑该方案需要监控的系统。光伏面板的电流在0~25A之间,具体取决于瓦数和照明条件。任何分流加运算放大器解决方案都需要在增益和偏移电压之间进行权衡,以优化功率损耗。分流器尺寸会对系统散热产生影响,因此这也是考虑因素的一部分:尺寸较大会增大功耗(进而增加成本),但可以实现较低的增益配置,并减轻运算放大器偏移误差对小分流电压的影响。在微型逆变器中,一个3mΩ分流器可以为整个系统增加2W的热量,这可能会影响感测精度,并可能需要热电偶校准。使用铜面板和散热过孔(thermal vias)等辅助手段可以消散该区域的热量,但这会增加成本和开发时间。

在微型逆变器设计中考虑热参数时,霍尔效应电流传感器消耗的功率很小,引入的热量也很小,如果做一个简单比较,集成导体的电阻与器件静态工作电流总和不会超过1W(典型情况下为0.4W和0.8W)。此外,Allegro的ACS71240 和 ACS37002电流传感器能够测量PV完整输入电流范围,但对系统热量的贡献最小(参见图3)。这一点非常重要,尤其是考虑到发热器件在与系统高容量电容器位置很近时会降低其使用寿命。如果暴露在过热环境中,会造成电解电容器电解质泄漏,从而降低总电容,增加ESR,并导致过早失效。电容器故障可能导致微型逆变器不稳定或短路,从而损坏整个系统。

3Allegro电流传感器芯片温度变化与感应电流关系

低侧流感测中的接地干扰

在高吞吐量(high-throughput)系统中使用低侧分流器通常会产生接地干扰。根据分流器的大小,高电流条件可能会在接地平面上引入显著的不稳定性,并影响微型逆变器中的精密电路。25A的光伏板会产生100mV+的干扰,进而影响本地敏感控制和反馈器件,并导致不期望的操作或参考误差。在次优(suboptimal)PCB布局中,分流器引起的接地漂移(ground-shift)会导致极其关键的MPPT电压测量失去其准确性,并影响通信信号的完整性。要减轻这些影响,需要适当地隔离接地参考,以防止微型逆变器感测电路和控制器中出现亚稳态。

4低侧电流感测中的接地漂移

较小分流电阻可以减少接地干扰以及引入系统的功率损耗/热量,但同时会降低小电流水平下的测量精度。分流器的选择会影响偏移误差;以一个1mΩ的分流器,1A PV电流,以及一个50μV偏置运算放大器为例,在低电流下误差可能增加5%。如果微型逆变器受到显著的温升影响,这种误差会加剧。而高侧感测解决方案则不会引入这些接地问题,并能够在光伏板电流和温度范围内始终保证高精度。

比较

表: Allegro ACS71240/ACS 与低侧分流器加运算放大器比较。

结论

随着可再生能源解决方案的不断改进,实施这些解决方案的方法和设计选择也在不断发展。如何进行光伏系统电流测量可能会影响巨大,因此,工程师需要了解不同技术的优缺点,尤其重要的是,霍尔效应传感器的高侧电流测量在提高微型逆变器的优化、可靠性和效率方面会发挥重要作用。通过对比本文中的高侧和低侧感测方案,高侧霍尔效应电流感测已被证明,通过准确检测短路,最小化系统功耗,以及减少散热影响,能够提高系统可靠性。参考本文提供的讨论,设计工程师能够更好地做出明智决策,从而提高微型逆变器应用的性能和寿命,为全球可再生能源应用的持续增长做出贡献。

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