利用全面集成的电流感应 IC 提高智能电网应用中的效率

利用全面集成的电流感应 IC 提高智能电网应用中的效率

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作者:Shaun Milano,
Allegro MicroSystems, LLC 和 Andreas P. Friedrich,Allegro MicroSystems Europe

专注光伏系统 

随着人们对全球能源需求的日益关注和环保意识的加强,电力电子设备应用面临着要提高效率的压力。智能电网、插电式混合动力车 (PHEV) 和纯电动汽车 (BEV) 以及并网型光伏 (PV) 和其他并网型可再生能源系统的出现推动着高效功率逆变器的发展。特别是新开发的光伏逆变器设计的目标是最大程度上降低每瓦成本,最大程度上利用太阳能系统的电力,从而获得最佳的投资回报率。Allegro™ MicroSystems LLC 已将开发了独特的高性能集成电路 IC 系列,设计用于智能电网逆变器和电机控制应用。

 

PV 系统 

随着化石燃料成本的上升以及人们对低碳排放量认识的不断深化,人类在不断加强对可再生能源利用技术方面的研究和开发活动。可再生能源占到全球最终资源消耗量的 19%,并且在最近五年来多项技术每年的增长率达到了两位数[1]。特别是风电和光伏 (PV) 太阳能技术取得了巨大的发展,并网太阳能光伏技术的增长速度最快,年增长率超过 60% [1]。 

太阳能生产相关的主要挑战在于将光伏板产生的直流电流转换为电网的正弦交流电流。图 1 显示了光伏系统的简单方框图,其中包括太阳能板阵列和逆变器,二者采用网格连接配置,并具有交换控制和最大功率点跟踪 (MPPT) 模块。MPPT 模块通常用于较大阵列的每个光伏串上,因为最大功率点会根据太阳辐射的变化不断从一个太阳能串切换到另外一个太阳能串。跟踪直流电流水平必须要用到电流传感器,接着要使用微控制器调节系统运行点,从而从每个光伏串中获得最大电力。比较这些测量结果页可以用于探测存在缺陷的光伏串。大量家用低功率光伏系统也可以采用电流传感器来控制 MPPT 并提高逆变器效率。MPPT 和逆变器控制都需要准确的电流感应。

图 1.光伏系统图
图 1.光伏系统图

 

霍尔效应电流传感技术的新突破 

这些业内领先的 Allegro 电流传感器 IC 的特性和优势包括:

  • 目前市场中电流分辨率最高、噪声谱密度最低的霍尔传感器 IC
  • 对传感器 IC 的增益与偏置进行精确的工厂编程
  • 创新的信号处理和设计封装能使输出带宽超过 120kHz 和快速输出反应时间
  • 独有的具有电流隔离功能的小型传感器 IC 封装
  • 减少功耗:通孔兼容与低电阻集成导体封装

通过采用高级 BiCMOS 处理技术和创新封装技术,可以提供全面集成的解决方案,即使在高带宽条件下也可以提高精度和分辨率。图 2 显示了 Allegro 霍尔效应传感器线性 IC 输出峰间噪音和带宽的演变。噪音水平降低 10 倍,而带宽可以超过两倍。  

 

逆变器感应

逆变器包括三个主要部件:用于将太阳能板电压放大为电网要求的高压的直流直流转换器;将直流电流转换为电网交流正弦波形的直流交流逆变器;和用于控制系统和优化效率同时确保符合电力监管和安全标准要求的各种电器控制组件。

高效直流交流逆变器可以生成用于直接连接交流电网的交流电流信号。因此,这种信号必须符合供电系统的要求,包括必须与电网同步并维持较低的总谐波失真 (THD) 水平。控制回路需要使用电流传感器来确保实现适当的并网。这些传感器必须能够准确地测量 AC 和 DC 电流,另外,他们还必须具备高动态性能。需要具备非常快的响应时间以便于就电网中的任何变化作出快速响应,在发生短路前关闭系统或断开系统连接。高输出带宽功能可以帮助系统系统测量高频 AC 电流和谐波。

对于没有变压器或具有高频变压器的逆变器而言,低偏置温度漂移(高精确度)传感器必须可以控制供应给电网的 AC 电流中的 DC 分量。对 DC 电流限制的调整因国家而异,但通常都比较小,
大约为数十至数百毫安。此外,故障保护功能例如短路保护和过载保护让电流传感器更容易探测这些状况并快速报告给微控制器。

图 2.噪音、BW 改善与时间
图 2。噪音、BW 改善与时间

 

高级霍尔效应电流传感器 IC 解决方案

在电流传感系统内使用时,随着温度、输出信号带宽以及输出噪音的编号,传统的霍尔效应传感器其中一个缺陷将成为零安培输出电压精度和霍尔效应放大器灵敏度方面的总体限制。Allegro MicroSystems 开发了一系列创新型全面集成的电流传感器封装,可以完美适合逆变器应用,大大改善基于霍尔效应的电流传感器 IC 的偏置、灵敏度和带宽操作。在各个传感器封装中,IC 本身是最重要的组件,其中包括与低偏置高精度放大器连接的精密霍尔效应元件。

BiCMOS 工艺可以实现准确的放大器设计,其中的数字电路允许对随着温度的增益和偏置进行工厂编程。霍尔元件与放大器均为稳定斩波型,以改善精度和偏置漂移性能。Allegro 已经开发了专利斩波稳定和滤波技术,使霍尔效应 IC 输出信号的低噪音性能达到业内领先水平,如图 2 所示。模拟输出反应时间小于 4 μs,因而可以感应切换频率更高的逆变器。在低频应用中,可对输出进行进一步过滤,以降低输出噪声,并提高分辨率。在改进型放大器和滤波技术的支持下,Allegro 霍尔效应传感器的输出分辨率已经取得了革命性的进步。

图 3 显示了具有独特效果的专利霍尔效应电流传感器 IC 封装技术,这种 IC 体积小,特别适合空间受限的应用情况。要感应的电流流经封装左下角的四个引脚和封装右下角的四个引脚之间的导电铜路径。霍尔效应 IC 使用标准倒装芯片组装技术组装到封装中。三个主要优势:

  • 霍尔效应感应元件靠近带电导体,因而可以获得最大的磁耦合和信噪比,从而提高器件的准确度。
  • 霍尔效应 IC 不接触集成导体,因而可以保持电压隔离并可以将光伏逆变器直流侧和直流直流转换器的工作电压保持在 500 VRMS 的状态。与霍尔效应 IC 上的低压输入/输出垫上的焊料凸块与图 3 上部显示的引线指
    接触。
  • 由于霍尔效应电流传感器线性 IC 完全集成,允许 Allegro 在工厂对器件进行编程,以补偿安培零点和随着温度变化产生的灵敏度变化。


 

图 3。采用 SOIC16 封装的 ACS710 电流传感器 IC,包括框图
图 3。采用 SOIC16 封装的 ACS710 电流传感器 IC,包括框图

 

 

图 4。Allegro 集成电流传感器 IC 封装
图 4。Allegro 集成电流传感器 IC 封装
图 5.在导体周围的 ‘C’ 型芯的间隙中的 Allegro 电流传感器线性器件
图 5。在
导体周围的 ‘C’ 型芯的间隙
中的 Allegro 电流传感器线性器件

图 3 中的框图显示了可以集成到器件中的高级功能,这些功能可以降低总体物料清单成本;例如,含有用户可编程跳变点并可以在 < 2 μs 内作出反应的过流故障输出。快速数字故障输出可以用于在发生过流时保护 IGBT 器件。内部传导电阻仅为 1 mΩ,可以提供低功率损失,从而保证封装可以在 85°C 的环境温度条件下支持高达 40 A 的连续电流。器件配有模拟输出,Allegro 部件号适用于不同的灵敏度,用于低功率逆变器。

Allegro CB 封装电流传感器 IC 系列(图 4)向用户提供了一种集成电流感应解决方案,可以提供一系列 100 μΩ 导体电阻,具有超低的功率损失。这些电流传感器 IC 设计用于感应 50 到 200 A 的电流,可以用于高功率光伏逆变器中。

在 CB 封装配置中,高精度高带宽线性霍尔效应 IC 置于包裹在主导体周围集中铁磁芯的间隙中。这些集成传感器的工作电压约为 450 VRMS。

对于要求感应电流高于 200 A 的应用(例如 HEV 逆变器或高功率光伏系统),设计人员可以在简单的 C 形铁芯集中器的间隙中使用 Allegro 系列电流传感器线性霍尔效应 IC。这些传感器提供模拟或数字 PWM 输出。

 

结论

Allegro MicroSystems 开发了一系列全面集成的霍尔效应电流传感器 IC,这些 IC 可提供与外加电流成比例的高精确度输出电压信号。高级 IC 和封装技术可以将带宽提高到 120 kHz 以上,同时通过低噪音放大器设计可以提高器件在整个工作温度范围内的精度。专利封装技术还可以提供小型化器件,具有电流隔离能力,并可以由 Allegro 进行工厂编程,从而可以获得基于温度的稳定零安培和全量程输出。这些进步可使设计工程师在要求提高能量效率或新操作功能的新应用中使用基于霍尔效应的电流传感器 IC。

 

参考资料

[1] REN21 二十一世纪可再生能源政策网络 – 2010 全球可再生能源状况报告 – 第 15 页
[2] IMS Research – 2010 光伏逆变器年度报告

 

本文最早出现在 2011 年 10 月的智能电网论坛中。