電流測量精度和可靠性對于光伏逆變器系統(tǒng)至關(guān)重要，因為這決定了功率級的控制精度并進一步影響能量收集效率。對于高壓光伏逆變器系統(tǒng)，穿孔式電路板安裝霍爾效應(yīng)電流傳感器（或例如磁性電流傳感器）具有固有的隔離特性，并且測量不會干預(yù)測量電路，從而為接線和安裝提供了便利。

閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器可提供高精度、快速響應(yīng)、低靈敏度和低非線性誤差，傳感器需要額外的磁芯、線圈和大功率放大器來驅(qū)動線圈，這使得閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器與開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器相比，具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、更大的尺寸、更高的功耗和更高的成本。因此，考慮到性能與復(fù)雜性之間的權(quán)衡，開環(huán)穿孔電路板安裝霍爾效應(yīng)電流傳感器長期以來廣泛用于光伏逆變器系統(tǒng)。

但是，開環(huán)穿孔霍爾效應(yīng)電流傳感器通常無法在使用壽命和溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度。同時，由于磁芯可能發(fā)生脆性損壞，該傳感器在安裝和運輸過程中很容易發(fā)生故障，從而降低了系統(tǒng)可靠性。如果開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器可以像閉環(huán)電流傳感器一樣提供足夠的精度、響應(yīng)能力、靈敏度和非線性性能，則效果會非常好。更好的選擇是使用TMCS112x 和 TMCS113x 等封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器。TI 出品的封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器具有高精度和低漂移的特性，無論時間、溫度如何變化，都能實現(xiàn)精確的電流測量。此外，一體式封裝設(shè)計還有利于緊湊的設(shè)計，不會影響隔離性能，且不會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性或成本。近年來，光伏逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)了使用封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器來替代傳統(tǒng)穿孔傳感器的趨勢，這有利于太陽能系統(tǒng)性能、功率效率和可靠性。

采用霍爾效應(yīng)電流檢測的太陽能應(yīng)用場景

用霍爾效應(yīng)電流檢測功能的常見太陽能應(yīng)用場景包括串式逆變器、住宅逆變器、混合逆變器、微型逆變器、光伏電源優(yōu)化器和中央逆變器的智能匯流箱等。

1. 串式逆變器

串式逆變器通常是部署在工商業(yè)系統(tǒng)和公用系統(tǒng)中的三相逆變器。功率等級通常大于50kW。圖 1 示出了典型的三相串式逆變器方框圖，其中使用霍爾效應(yīng)電流傳感器來測量以下電流。

? 串電流采樣。

? 電弧電流檢測（可選）。

? MPPT 升壓電流采樣。

? 三相電流采樣。

圖1 具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的三相串式逆變器方框圖

1.1 串電流采樣

除了串電流顯示功能外，串電流采樣還用于I-V 曲線掃描和診斷，以實現(xiàn)智能維護工作。PV 發(fā)電廠具有大量的 PV 串。同時，一個 PV 串也由多個 PV 模塊（PV 電池板）組成。事實上，任何 PV 模塊或電氣連接都可能存在導致發(fā)電損耗的潛在故障或風險。例如，陰影、防塵和玻璃面板破裂可能導致串中的電流失配。二極管短路、電纜斷開、潛在誘導降級 (PID) 和發(fā)熱點可能導致串開路電壓過低。

PV 系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是如何準確快速地找到和處理這些故障或風險。傳統(tǒng)的方法是離線手動檢驗，效率極低、成本高昂。目前流行的方式是在線 I-V 曲線掃描與診斷，以提高 PV 系統(tǒng)故障識別的效率和準確性。

圖2 展示了正常和異常 I-V 曲線掃描和診斷的示例。由于 PV 系統(tǒng)的異常可導致 I-V 特性曲線發(fā)生不同的變化，因此 I-V 曲線監(jiān)控結(jié)果可用于分析 PV 系統(tǒng)運行期間的潛在故障或風險。因此，串電流和電壓采樣的精度是決定最終故障診斷精度的關(guān)鍵因素之一，也間接決定了發(fā)電效率。這對于商業(yè)-工業(yè) PV 發(fā)電廠和公用事業(yè) PV 發(fā)電廠非常重要，因為輸出對它們而言很重要。

還要注意，串式逆變器中的最大功率點跟蹤(MPPT) 通常在 PV 陣列級實現(xiàn)，而 I-V 曲線掃描在單串級實現(xiàn)。

圖2 正常和異常 I-V 曲線掃描和診斷示例

1.2 電弧電流檢測（可選）

電弧故障斷路器(AFCI) 是太陽能系統(tǒng)中的一項新興要求，也逐漸成為某些國家/地區(qū)法律法規(guī)中的強制性要求。根據(jù) UL 1699B，要求將 AFCI 用于太陽能設(shè)備以防止危險，尤其是在 PV 面板安裝中發(fā)生的火災(zāi)。需要進行電弧電流檢測來收集和分析 PV 串和逆變器之間的直流電流上存在的交流噪聲電流，然后區(qū)分電弧和非電弧事件。

電弧電流范圍從幾十mA 到幾安培，頻譜可低至幾 KHz，并且最高可達幾百 KHz。這樣的頻率要求電流傳感器具有高靈敏度、高帶寬和低噪聲水平。電流互感器 (CT) 可在初級高電流側(cè)和次級低電流側(cè)之間提供高測量精度和安全隔離。該器件已廣泛用作電弧電流檢測傳感器。但 CT 存在著缺點，即 CT 具有負載功率損耗并占用很大的 PCB 尺寸。封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流檢測設(shè)計也逐漸成為電弧電流檢測的新趨勢之一。

1.3 MPPT 升壓電流采樣

如圖1 所示，MPPT 級通常使用升壓拓撲實現(xiàn)。對 PV 陣列電壓和電流采樣，作為控制輸入信號以實現(xiàn) MPPT。通常會對平均電感器電流進行采樣，并且 MPPT 控制頻率遠低于開關(guān)頻率。MPPT 升壓電流采樣的精度與串電流采樣的精度同樣至關(guān)重要，因為這決定了 MPPT 的精度，而 MPPT 的精度最終會影響發(fā)電效率。

1.4 三相電流采樣

逆變器三相電流采樣包括逆變器的交流電流（R 相、S 相、T 相）和相應(yīng)的直流分量。三相電流采樣和信號調(diào)節(jié)的典型方框圖如圖 2-3 所示。相電流由 DSP ADC 采樣，以用于統(tǒng)計逆變器功率級控制和發(fā)電信息。相電流的交流分量將被濾除，僅保留直流分量并進行放大，然后由 DSP ADC 采樣，以用于直流分量抑制控制。

對于并網(wǎng)逆變器，理論上只允許交流電流注入電網(wǎng)。但實際上，逆變器輸出電流不可避免地包含一些直流分量，這會對電網(wǎng)、電網(wǎng)負載和電網(wǎng)設(shè)備造成損害。因此，不太可能完全移除逆變器的直流分量，但需要將其控制在特定的低范圍內(nèi)。諸如IEEE 1547-2018 等標準定義了電網(wǎng)側(cè)交流電流中直流分量的限值，例如低于額定輸出電流的 0.5%。

三相電流采樣的精度對于逆變器功率級控制、發(fā)電統(tǒng)計和直流組件抑制非常重要。尤其是對于直流分量過大的問題，若使用具有高精度和低漂移的霍爾效應(yīng)電流傳感器，可以在開始時很有利于解決問題。

電流傳感器精度的另一個相關(guān)問題是無功發(fā)電。對于有功發(fā)電，電流環(huán)路的基準由電壓環(huán)路生成。電流傳感器的誤差可以通過電流控制器極大地緩解，在這種情況下，直流母線電壓檢測的精度非常重要。但對于無功發(fā)電，無功電流的基準直接由MCU 生成。因此，如果電流傳感器不準確，逆變器的輸出電流不能是設(shè)定值。使用高精度 TI 霍爾效應(yīng)電流傳感器也很有利于解決此類問題。

圖 3 三相電流采樣和信號調(diào)節(jié)的典型方框圖

2. 單相住宅逆變器

住宅逆變器通常是指部署在住宅系統(tǒng)中的單相逆變器和三相逆變器。單相逆變器的功率等級通常小于10KW，而三相逆變器的功率等級則通常為 10KW 至 50KW。三相住宅逆變器的系統(tǒng)架構(gòu)與前面討論的串式逆變器的系統(tǒng)架構(gòu)非常相似。

最大的區(qū)別在于，住宅逆變器的獨立MPPT 輸入數(shù)量要小得多，并且每個 MPPT 的 PV 串數(shù)量可以是 1 或 2，具體取決于功率等級。例如，50kW 三相住宅逆變器具有 4 個 MPPT 輸入和總共 5 到 8 個 PV 串輸入。對于單相逆變器，這方面要簡單得多。例如，10KW 單相住宅逆變器具有 3 個 MPPT 輸入和總共 3 個 PV 串輸入。圖 4 示出了具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的典型單相住宅逆變器方框圖。

考慮到逆變器功率等級和目標應(yīng)用場景，與串式逆變器相比，住宅逆變器在串電流采樣和MPPT 升壓電流采樣中沒有嚴格的高精度要求。由于住宅系統(tǒng)通常相互獨立，并且部署規(guī)模很小，因此即使較低電流采樣精度會導致一些發(fā)電輸出損失，也不是什么大問題。而對于相電流采樣，住宅逆變器具有與串式逆變器相同的高精度要求和相應(yīng)原因。

圖4 具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的單相住宅逆變器方框圖

3. 三相混合逆變器

光伏混合逆變器是一種將傳統(tǒng)光伏逆變器的優(yōu)勢與電池功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相結(jié)合的器件。這一過程使用戶能夠有更多的替代方案來生產(chǎn)、儲存和使用更環(huán)保的電力?；旌夏孀兤鞑粌H能夠連接多個PV 串并將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，還能夠支持直接將直流電送入電池儲能系統(tǒng) (BESS)。通過集成電池功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（例如雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器），混合逆變器通過直流母線耦合消除了不必要的直流到交流功率轉(zhuǎn)換，從而降低了損耗。

混合逆變器主要用于住宅和小型工商業(yè)應(yīng)用場景。單相混合逆變器的功率等級通常小于10KW。三相混合逆變器的功率等級通常從幾 KW 到幾十 KW 不等。圖 2-5 示出了具有霍爾效應(yīng)電流傳感器等的典型三相混合逆變器方框圖。

? 串電流采樣。

? 電弧電流檢測（可選）。

? MPPT 升壓電流采樣。

? 逆變器三相電流采樣。

? 雙向轉(zhuǎn)換器(BDC) 電流采樣。

? 離網(wǎng)緊急電源(EPS) 三相電流采樣。

? 用于中點電勢平衡的中性線電流采樣。

與上述串式逆變器或住宅逆變器相比，由于ESS 和離網(wǎng) EPS 功能，混合逆變器具有更多的霍爾效應(yīng)電流傳感器。此外，對于頻繁停電的市場（如非洲），混合逆變器還支持從柴油發(fā)電機獲取能源。柴油發(fā)電機端口存在額外的離網(wǎng)三相電流采樣。

圖5 具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的三相混合逆變器方框圖

3.1 BDC 電流采樣

圖5 顯示了采用高壓電池的逆變器。對于高壓電池（通常為 150V 至 600V）BDC 充電和放電，通常使用非隔離式 2 級降壓/升壓拓撲。霍爾效應(yīng)電流傳感器可用于電感器電流采樣，以實現(xiàn)控制和保護目的。此外，平均電感器電流等于也可用于電池功率統(tǒng)計功能的電池電流。

對于低壓電池（通常為40V 至 60V）BDC 充電和放電，通常需要隔離式拓撲，例如 DAB 和 CLLLC 等?；魻栃?yīng)電流傳感器可用于初級側(cè)電流、次級側(cè)電流和諧振回路電流采樣。閱讀此應(yīng)用簡報功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (PCS) 中的隔離式雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器，了解更多信息。

3.2 離網(wǎng)EPS 三相電流采樣

EPS（也稱為備用電源）可提高混合逆變器的多功能性。EPS 使逆變器能夠在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式（島模式）下工作。在并網(wǎng)模式下，太陽能首先進入備用負載和正常負載。多余的能量將儲存在電池中或進入電網(wǎng)。同時，在 PV 和電池的電能小于備用負載功率的條件下，電池或電網(wǎng)或者兩者都可以為備用負載供電。備用負載的最大輸出功率（例如，最大輸出電流）能力可能大于逆變器的額定交流輸出功率。以市場上常見的 25KW 三相混合逆變器為例，該逆變器支持最高 37.9A 的交流輸出電流，而在并網(wǎng)模式下，支持 43KW 的最大輸出功率（63A 最大輸出電流），用于備用負載。在離網(wǎng)模式下，混合逆變器可在電網(wǎng)中斷或緊急情況下從太陽能或電池獲取能量，從而確保無中斷供電。

與逆變器三相電流采樣不同，理論上而言，EPS 三相電流采樣不用于功率級控制，也不需要考慮直流分量抑制，因為對于備用負載，即使超出范圍也不會對電網(wǎng)、電網(wǎng)負載和電網(wǎng)設(shè)備造成損壞。但是，該方法用于備用負載功耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用具有高精度和低漂移的霍爾效應(yīng)電流傳感器可提高計量精度和可靠性。

3.3 用于中點電勢平衡的中性線電流采樣

混合逆變器中存在另一個重要的霍爾效應(yīng)電流傳感器，用于中點電勢平衡的中性線電流采樣。在專為三相設(shè)計的系統(tǒng)中，每個相位上的負載需要保持不變。但是，在一些三相家用或商業(yè)應(yīng)用場景中（例如在德國和奧地利），會同時使用三相和單相負載，這可能會導致三相之間的功耗不平衡。這意味著一個或兩個相位可能比其他相位有更高的功率需求。這會導致中性線電壓不平衡，從而導致電網(wǎng)和電網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)問題。要為系統(tǒng)中的單相負載供電，意味著每個相位的輸出功率取決于相應(yīng)的負載消耗，不能相同，混合逆變器通常具有不平衡的輸出功能。光伏逆變器供應(yīng)商通常有一些特性說明，例如在供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中，在備用模式和電網(wǎng)模式下支持100% 不平衡輸出（甚至可達 110%）。

如果三相負載平衡，則中性線中不需要任何電流，并且平衡了中點電勢，例如達到總線電壓的一半。相反，如果負載不平衡，則中性線拉電流或灌電流會導致中點電勢變化。這種情況需要補償中點電勢不平衡。

圖6 顯示了 2 個分相電容器的傳統(tǒng)方式。中性點是具有等效電容的兩個大型電解電容器 C1 和 C2 的中點。中性線電流繼續(xù)為一個分相電容器充電，同時將另一個電容器放電特定的一段時間，以保持中點電勢平衡。盡管實際上兩個分相電容之間存在一些小電容或電壓不匹配，但該設(shè)計易于實現(xiàn)，并且仍廣泛用于串式逆變器和住宅逆變器，其中電網(wǎng)三相輸出必須平衡。但是，對于明顯的不平衡輸出，中性線電流中的直流分量會導致嚴重的電壓不匹配，進而導致逆變器故障關(guān)斷保護。

圖6 用于三相逆變器中點電勢平衡的 2 個分相電容器設(shè)計

與串式或住宅逆變器不同，混合逆變器有第四個橋臂（也稱為平衡電橋，逆變器因而被稱為三相四橋臂逆變器），可主動控制中點電壓，使逆變器支持不平衡輸出，如圖2-7 所示。第四個開關(guān)橋臂的控制與三相逆變器去耦。平衡電橋控制涉及中性線電流采樣，可以在其中使用霍爾效應(yīng)電流傳感器。

圖7 使用 12V 負載系統(tǒng)進行測試

4. 分相混合逆變器

分相混合逆變器專門設(shè)計用于將單相功率輸出拆分為兩個獨立的相位。這通常適用于電網(wǎng)支持分相的情況，例如在北美(115V/230V) 和日本 (100V/200V) 市場。分相逆變器具有與三相混合逆變器相同的不平衡負載輸出需求。圖 8 示出了具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的典型分相混合逆變器方框圖。

圖8 具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的分相混合逆變器方框圖

圖9 所示為具有第四橋臂（也稱為平衡電橋）的 HERIC 逆變器，其可主動控制中點電壓，使逆變器能夠支持分相（非平衡負載）輸出。

圖9 用于分相逆變器內(nèi)中點電勢平衡的平衡電橋設(shè)計

5. 微型逆變器

微型逆變器是一種主要用于住宅用例的終端設(shè)備，微型逆變器的額定功率范圍可為幾百瓦到幾千瓦。微型逆變器可以靈活應(yīng)用于小型屋頂和陽臺，集成了BESS 來為家用電器產(chǎn)生和存儲電力，這有助于更高效地節(jié)省電費。

封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器可用于微型逆變器應(yīng)用，以大幅減小PCB 尺寸并提高系統(tǒng)的可靠性。圖 10 示出了具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的典型微型逆變器方框圖，例如，

? 交流電流采樣

? 諧振回路電流采樣

交流電流采樣主要檢測注入電網(wǎng)的50Hz 電流，此電流信息也可用于保護直流/交流轉(zhuǎn)換器的功率器件。微型逆變器的交流電流采樣具有與前幾節(jié)中提到的相同高精度和低漂移要求。

諧振回路電流采樣通過判斷此電流，可以實現(xiàn)精確的同步整流器晶體管導通或關(guān)斷以及過流保護。因此，該電流信息的時序?qū)τ谔岣咝史浅Ｖ匾枰邘捄偷蛡鞑パ舆t的霍爾傳感器。

圖10 具有霍爾效應(yīng)電流傳感器的微型逆變器方框圖

6. 光伏電源優(yōu)化器

電源優(yōu)化器是一種通常與串式逆變器搭配使用的終端設(shè)備。電源優(yōu)化器提供模塊級監(jiān)控功能、快速關(guān)斷功能和模塊級MPPT 功能，可提高 PV 系統(tǒng)的安全性并有助于為整個 PV 串生成更大的功率，尤其是在這些串處于部分遮蔽和其他異常情況下時。

電源優(yōu)化器使用降壓和4 開關(guān)降壓/升壓的常見拓撲。降壓拓撲通常使用分流電阻器和放大器的低側(cè)電流采樣。而 4 開關(guān)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器通常使用高側(cè)電流采樣。優(yōu)化器的輸入端連接到一個 PV 板或兩個串聯(lián)的 PV 板，共模電壓最高可達 150V，其中 2 個 PV 板串聯(lián)。封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器是 4 開關(guān)降壓/升壓優(yōu)化器的理想選擇。如圖 11 所示。出于電流環(huán)路控制和保護目的，對電感器電流進行采樣。

圖11 使用 12V 負載系統(tǒng)進行測試

7. 中央逆變器的智能匯流箱

智能匯流箱（也稱為PV 流箱，簡稱 PVS）用于中等到大規(guī)模 PV 電網(wǎng)連接發(fā)電系統(tǒng)中的中央逆變器。為了減少 PV 串和逆變器之間的連接線路，簡化維護并提高可靠性，在 PV 串和逆變器之間添加了 PVS。根據(jù)中央逆變器尺寸，智能匯流箱通常支持 16/18/20/24/32 通道，并且在箱中對所有 PV 串電流進行采樣。圖 12 示出了采用霍爾效應(yīng)電流傳感器的智能匯流箱應(yīng)用場景。與串式逆變器一節(jié)中所述的串式電流采樣一樣，智能匯流箱的電流監(jiān)控功能也需要高精度來實現(xiàn)高故障診斷精度和發(fā)電效率。

圖12 采用霍爾效應(yīng)電流傳感器的智能匯流箱應(yīng)用場景

8. 光伏逆變器系統(tǒng)和封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器概要

表1 匯總了光伏逆變器系統(tǒng)以及有助于分析封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器使用情況的關(guān)鍵信息，如表 2 所示。

表1 光伏逆變器系統(tǒng)總結(jié)

表2 封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器使用統(tǒng)計信息

注：

? 對于逆變器相電流采樣，是否可以使用封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器取決于逆變器的功率等級（電流額定值）。封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器可能會在大功率逆變器中出現(xiàn)溫度問題。

? 該表數(shù)據(jù)基于采用高壓電池的逆變器的降壓/升壓 BDC。在該表中，沒有示出帶低電壓電池的逆變器的隔離式拓撲（例如 DAB 和 CLLLC 等），其具有更多電流傳感器。

? 柴油發(fā)電機和電弧檢測是可選功能，相應(yīng)的電流傳感器數(shù)量未包含在總數(shù)量中。柴油發(fā)電機端口存在額外的離網(wǎng)相電流采樣。電弧電流傳感器的數(shù)量等于PV 串的總數(shù)。

表3 光伏逆變器系統(tǒng)示例

表4 封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器使用統(tǒng)計信息示例

總結(jié)

隨著對太陽能和ESS 的持續(xù)投資和開發(fā)，更準確和更可靠的電流檢測技術(shù)可以讓電網(wǎng)在收集能量時更安全、更高效。德州儀器 (TI) 的封裝內(nèi)基于霍爾效應(yīng)的技術(shù)（例如 TMCS112x 和 TMCS113x）不僅可以提供高精度和低漂移，能夠在整個生命周期和溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的電流測量，而且易于使用且成本低廉，因此廣泛用于替代傳統(tǒng)的穿孔霍爾效應(yīng)電流傳感器。本應(yīng)用手冊概述了可使用封裝內(nèi)霍爾效應(yīng)電流傳感器的常見太陽能應(yīng)用場景。

關(guān)于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，從事設(shè)計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設(shè)備等市場。我們致力于通過半導體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，使我們的技術(shù)變得更可靠、更經(jīng)濟、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。