前言：逆變器作為一個組件，有很多的應(yīng)用領(lǐng)域，也是新能源系統(tǒng)的一個重要單元。逆變器的性能直接影響電池利用率、設(shè)備的使用壽命。電壓、電流傳感器作為逆變器重要的“感知器官”，實時的監(jiān)測、反饋關(guān)鍵參數(shù)，并由CPU采集、運算，最后根據(jù)預設(shè)條件做出精準控制。電流電壓傳感器這里起到了重要的故障防護、設(shè)備保護功能。本文系統(tǒng)的描述電壓、電流傳感器在各類逆變器中的應(yīng)用場景和一些器件的選型策略。

一、逆變器系統(tǒng)概述與傳感器核心作用

逆變器是通過電力電子的高速開關(guān)動作，將低壓直流電/或者是儲能電池的直流電，最終轉(zhuǎn)換為某一特定頻率的低壓交流電。例如家儲逆變器里，48V的46800電池組通過逆變器升壓到220V Ac @ 50Hz，提供給后端的各種用電設(shè)備。其典型拓撲包含直流輸入、DC/DC升壓、DC/AC逆變、波形整形交流輸出幾大環(huán)節(jié)。電壓、電流傳感器在每個環(huán)節(jié)里均可以發(fā)揮重要的作用，主要看設(shè)計者所追求的目標。其整體方框圖大致如下：

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電壓、電流傳感器在這些環(huán)節(jié)起到的核心作用：

實時監(jiān)測?：

實時、精確采集各個部位的電流、電壓參數(shù)，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，為程序控制算法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

?閉環(huán)控制?過程：

程序通過監(jiān)測到的電壓、電流數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)運算和邏輯分析判斷，再去實現(xiàn)對功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準控制，達到閉環(huán)控制目的；

?故障的防護和器件的保護?：

CPU通過檢測電壓、電流傳感器件輸出的信號，相應(yīng)的做出設(shè)備過流、短路、漏電等異常狀態(tài)判斷，最終去觸發(fā)保護機制。

二、電壓、電流傳感器在逆變器各個環(huán)節(jié)的實際應(yīng)用

1. 直流輸入環(huán)節(jié)：

電池組自身通常都有一套完整的BMS系統(tǒng)，包含了電池充電保護和放電過低的低壓保護功能，所以一般對其不需做檢測。安規(guī)等角度出發(fā)考慮，通常僅需要考慮光伏電池/儲能電池的漏電流監(jiān)測。從硬件電路可靠性來說，可考慮漏電流傳感器布置在此處。因此處是一個電源低壓區(qū)域，各種干擾較小，容易處理，會是一個比較理想的位置；

?2. DC/DC升壓：

DC/DC升壓環(huán)節(jié)通常都是靠一個完整的電路實現(xiàn)從低壓例如48V升高到約300V。所以，一般不需要對升壓后的電壓做檢測；EMC/EMI上的考慮，是可以考慮此處增加防雷和浪涌保護，以防止后端元件損壞，導致設(shè)備異常，如下防雷部分的電路即可滿足抗2000V 浪涌/EFT等的測試。其電路見下：

3. DC/AC逆變環(huán)節(jié)：IGBT保護?，橋臂控制與故障保護

? 相較于MOS管，IGBT要昂貴的多，為了盡可能的保護功率管不被損壞；或者，為了保護因功率管的損壞后，上下橋臂的直通而引起燒毀甚至電器起火等事件，有必要在+300V總線上放置一個高精度，響應(yīng)時間快的閉環(huán)霍爾電流傳感器，去檢測出此類故障，例如芯森電子CN2A系列，其響應(yīng)時間<0.5us，精度，約為0.2%；

此器件的響應(yīng)時間<0.5us

此高精度閉環(huán)霍爾傳感器放置在此處，起兩個主要的作用：1)檢測總輸出電流，用于計算和顯示總輸出功率；2)類似保險管一樣的保護作用；一旦某個橋臂的MOS/IGBT損壞，勢必會導致+300V與地直通，從而引起短路。放置此器件后，此類故障會被迅速的檢測出來；

雖然閉環(huán)的電流傳感器的響應(yīng)時間<0.5us，但是，考慮到逆變器輸出的波形數(shù)據(jù)是由CPU內(nèi)部程序的計算所產(chǎn)生，這導致了程序的運行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的響應(yīng)時間。加大CPU的工作主頻或者是升級CPU固然是一個辦法，但是，最好還是再最追加一個最大值檢測電路：該模擬量再通過一個窗口比較器的方式來轉(zhuǎn)成高低電平的數(shù)字信號，最后送入到CPU的中斷口，達到快速響應(yīng)，迅速切斷IGBT的輸出，起到保護目的；

? 考慮到硬件電路的響應(yīng)速度會遠高于程序。那么這個保護信號，也可以是引入到MOS/IGBT的驅(qū)動IC的使能端，這樣可以比程序更快速的關(guān)斷。

如果是價格上的考慮，也可以采用更便宜些的開環(huán)的霍爾器件，例如芯森電子AN3V/AN1V/AS1V等系列，其響應(yīng)時間，大約是3-5 us。

4. 交流輸出環(huán)節(jié)：電壓質(zhì)量、諧波少

逆變器的負載，通常是給直接給電器設(shè)備、電源等等供電，所以還需要增加一個電感，把PWM還原成一個近似正弦波，提高供電的電能質(zhì)量，減少諧波。

這個環(huán)節(jié)，通?？梢圆挥脗鞲衅?，不需要監(jiān)測電壓。

三、特殊環(huán)境下的應(yīng)用挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

盡量選用高精度、低溫漂閉環(huán)霍爾器件，器件的溫漂<50ppm/℃，可以有效的規(guī)避溫度漂移所導致的一些誤保護。更可靠的做法是引入BMS系統(tǒng)中所常用的硅橡膠加熱膜/PTC加熱器，程序作為主控，控制加熱膜的啟動、停止，由機械溫控器作為二級保護，可有效的提高整個逆變器件全溫度環(huán)境下的運行可靠性。

?封裝:器件通常采用滿足IP67要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以更好的適應(yīng)絕緣耐壓要求

大電流應(yīng)用場景

PCB的銅厚度，通常為0.5oz，1oz，2oz，5oz等等；顯然的，為了流過大電流，需要更大銅截面積，那要么加寬走線，要么加厚銅層厚度;或者同時加寬線寬，加厚銅層,或者其它的。即使是如此處理了，不單是大幅增加成本，且僅靠PCB的走線去走高達100A的電流也是難以滿足可靠性要求：銅層所產(chǎn)生的熱量，在阻焊層的包裹下，是無法散出熱量；

在這些大電流情況下，可以考慮穿線方式的霍爾電流傳感器，最多10mm2的銅線/銅排，就能輕松的流過100A，PCB選0.5 oz銅層厚度的FR4即可，在PCB板上開相應(yīng)的焊盤通孔。這還是一個低成本的方案。

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結(jié)語

電壓、電流傳感器在光伏逆變器中已從基礎(chǔ)測量元件逐步演變成為提供系統(tǒng)安全與效率的核心保障，正不斷地被工程師所認可。隨著碳化硅器件(Sic)器件等的逐步引入到逆變器行業(yè)，開關(guān)頻率的不斷提升，勢必推動傳感器行業(yè)邁入一個新的臺階。