简化电动汽车充电器和光伏逆变器的高压电流检测

在任何电气系统中,电流都是一个至关重要的参数。电动汽车 (EV) 充电系统和太阳能系统都需要检测电流的大小,以便控制和监测功率转换、充电和放电。电流传感器通过监测分流电阻器上的压降或导体中电流产生的磁场来测量电流。

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 控制方案使用电流信息来控制光伏逆变器操作,或者检测交流输出或输出上的电流,以保护元件免受过流或故障事件的影响。电流传感器有多种不同类型可供选择,每种技术都各有优缺点。对于特定的应用,最适合的电流传感器类型取决于多个因素,包括系统的功率等级、预期的精度和成本。本文将探讨何种器件适合在电动汽车充电器和光伏逆变器中检测电流。 

电动汽车充电器中的电流检测

在电动汽车充电器中,电流传感器用于测量输入交流电源、直流/直流转换器和输出电源等位置的电流,以确认充电器是否正确地将交流电输送到电动汽车的车载充电器系统,或者将直流电直接输送到电池。如今,400V 电池正在朝着 800V 甚至更高电压的方向发展,以实现更大功率和快速充电。 

在 1 级和 2 级充电器中,充电器将交流电输送到电动汽车的车载充电器,车载充电器又会将输入的交流电转换为更合适的电压和电流电平,以便为电动汽车电池充电。在家用 1 级和 2 级充电器中,电流检测通常不需要非常高的精度,因为没有对用户进行计费。不过,电流信息使用户可以通过应用或充电器上的用户界面来大致了解电流和功耗情况。图 1 展示了停车场中的两个 2 级电动汽车充电器和两辆正在充电的电动汽车。

简化电动汽车充电器和光伏逆变器的高压电流检测

 1:电动汽车充电器

在 3 级电动汽车充电器中,充电基础设施会将交流电转换为直流电,以便直接向电池快速输送直流电,从而绕过传统的车载充电器并在充电站实现超快速电动汽车充电。电动汽车充电器和电池的功率容量提升有助于满足快速充电和增加续航里程的需求。电流检测可以帮助控制充电过程,确保以最佳的方式安全地为电池充电,从而延长电动汽车和电池系统的使用寿命。 

在 3 级充电器中,开关信号的频率为 50kHz 至 100kHz,因此需要至少 250kHz 的电流传感器,才能获得适当的测量数据。另外,传播延迟也非常重要,因为电流传感器需要能够在信号切换时迅速地响应变化。德州仪器 (TI) 的TMCS1123 等器件未经校准时,整个温度和寿命范围内的最大误差为 ±1.75%,经过单点校准后,整个温度和寿命范围内的误差降至 ±1.00%。

由于 TMCS1123 在电流信息方面具有高精度和高速度,这些精度和速度规格使系统工程师能够从隔离式直流/直流转换器中去除直流阻断电容器,从而帮助系统工程师在设计 3 级充电器时节省成本。

光伏逆变器中的电流检测

在光伏逆变器系统中,电流传感器用于测量多种配置中的电流,例如逆变器的交流和直流输入、直流/直流升压、直流/直流转换器和电网输出,从而帮助监测和控制功率转换过程。住宅光伏逆变器中会对各个电源轨进行电流检测,其中电源轨的电压电平可能高达 1,000VDC,但光伏输入端的电压通常约为 500V 至 600VDC,而电网输入和输出则高达 400VAC。电流检测功能可以帮助优化光伏逆变器系统,确保电网输出上输送的功率水平和频率可靠且适当,使得所有负载都处于其安全工作区 (SOA) 内。 

光伏逆变器中的开关信号与电动汽车充电器中的开关信号相似,频率介于 50kHz 至 100kHz 之间。此外,还可以将电流传感器用于诊断目的,例如监测太阳能电池板是否存在可能表明连接松动或电池板损坏的故障。TMCS1123 提供 ±1,100VDC 的增强型工作电压,非常适合用于大多数串式逆变器。图 2 展示了几个单相串式逆变器中使用的电流和电压检测示例并以红框标出了相应电路部分。

简化电动汽车充电器和光伏逆变器的高压电流检测

 2:光伏逆变器中典型逆变器的方框图

电流检测设计考虑因素

下面我们来了解为电动汽车充电系统和光伏逆变器系统选择电流传感器时的一些主要考虑因素:

  • 额定功率。电流传感器(无论是基于磁体、基于分流器还是其他技术)必须能够处理系统的工作电流和电压水平。设计人员必须根据系统的输入选择合适的技术,以确保电流可以在系统的整个寿命内不间断地流入系统。
  • 精度。电流传感器必须足够精确,以提供预期的控制和监测功能,确保系统能够在 SOA 内按预期运行。高精度有助于保持高效率水平,同时减少元件数量,以及因嘈杂的开关系统而可能注入电网的任何谐波。
  • 带宽。在开关系统中,速度是一个重要参数。TMCS1123 提供 250kHz 的信号带宽和 600ns 的传播延迟,这为系统提供了足够的速度来进行适当的测量。TI 还在开发更多具有类似机械尺寸的高速器件。我们观察到,在我们的器件中,随着带宽增加,传播延迟会减小。
  • 成本。在选择电流传感器时,必须权衡考虑传感器的成本及其提供的优势。一体式封装的霍尔效应电流传感器通常限制为只能检测特定范围内的电流,而基于分流器的系统则更加灵活,因为您可以根据系统参数来选择分流电阻值。

基于分流器的电流检测技术 

在电动汽车充电系统、光伏逆变器系统以及其他需要电流检测的系统中,最常见的电流检测技术是霍尔效应电流传感器和基于分流器的电流传感器。

与霍尔效应电流传感器相比,基于分流器的电流传感器通常在整个电流范围内精度更高。使用稳定的放大器技术或模数转换器 (ADC) 和精密分流电阻器时,基于分流器的电流传感器可以在整个电流测量范围、工作温度范围以及使用寿命内实现误差不到 1% 的精度。基于分流器的解决方案可能非常简单,可以是一个运算放大器、一个专门设计的电流检测放大器(比如 TI 的 INA241A)、一个用于较高电压的隔离式放大器(比如 TI 的 AMCS1300B)或者具有数字输出的 Σ-Δ 调制器(比如 TI 的 AMCS1306)。这类放大器通常用于监测分流电阻器上的压降并提供比例电压输出。每种解决方案在工作电压、失调电压、漂移、带宽和易用性方面均有所不同。与一体式封装的霍尔效应解决方案非常类似,基于分流器的传感器也属于存在电阻的侵入性技术,功耗也是整体设计中需要考虑的一个因素。

霍尔效应电流检测技术

一体式封装的霍尔效应电流传感器在高压系统中很受欢迎,因为它们提供了增强型隔离或双重隔离。不过,霍尔效应电流传感器会在整个温度和生命周期内发生漂移,这一点让它获得的评价不高。TI 将 TMCS1123 的漂移误差大幅降低至 ±0.5%。该器件具有差分霍尔效应感应功能,能够显著减少磁场干扰或串扰,并且还提供了过流检测、精密电压基准和传感器报警等其他功能;请参阅图 3。使用一体式封装解决方案时,电流通过引线框在封装内流动,这会带来引线框电阻和芯片散热限制,进而会限制器件能够处理的电流大小。TMCS1123 器件产品系列能够在 25°C 时测量 75Arms 的电流。 

简化电动汽车充电器和光伏逆变器的高压电流检测

 3TMCS1123 方框图

其他解决方案包括环境霍尔效应传感器或磁通门传感器(比如 TI 的 DRV401),这些传感器可能需要不同类型的磁芯、屏蔽或机械设计才能正常工作,而且制造或使用过程中的器件或电路板移动可能会导致位移误差,进而有可能改变测量精度。

高压应用中存在多个设计挑战,使得系统更难设计且成本更高。借助 TI 的产品系列和资源,您能够以适当的价格快速解决各种设计问题,从而使技术进步能够惠及大众,对我们的生活产生更大的影响。

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