在任何電氣系統中(zhōng)，電流都(dōu)是一(yī)個(gè)至關重要的參數。電動汽車(chē) (EV) 充電系統和太陽能系統都(dōu)需要檢測電流的大小，以便控制(zhì)和監測功率轉換、充電和放電。電流傳感器通過監測分流電阻器上的壓降或導體(tǐ)中(zhōng)電流産生(shēng)的磁場來測量電流。
金(jīn)屬氧化(huà)(huà)物半導體(tǐ)場效應晶體(tǐ)管 (MOSFET) 控制(zhì)方案使用電流信息來控制(zhì)光(guāng)伏逆變器操作，或者檢測交流輸出或輸出上的電流，以保護元件(jiàn)免受過流或故障事件(jiàn)的影響。電流傳感器有多種不(bù)同類型可供選擇，每種技術都(dōu)各有優缺點。對于特定的應用，最适合的電流傳感器類型取決于多個(gè)因素，包括系統的功率等級、預期的精度和成本。本文将探讨何種器件(jiàn)适合在電動汽車(chē)充電器和光(guāng)伏逆變器中(zhōng)檢測電流。
電動汽車(chē)充電器中(zhōng)的電流檢測
在電動汽車(chē)充電器中(zhōng)，電流傳感器用于測量輸入交流電源、直流/直流轉換器和輸出電源等位置的電流，以确認充電器是否正确地(dì)(dì)将交流電輸送到電動汽車(chē)的車(chē)載充電器系統，或者将直流電直接輸送到電池。如今，400V 電池正在朝著(zhe) 800V 甚至更高電壓的方向發展，以實現更大功率和快(kuài)速充電。
在 1 級和 2 級充電器中(zhōng)，充電器将交流電輸送到電動汽車(chē)的車(chē)載充電器，車(chē)載充電器又會(huì)将輸入的交流電轉換為更合适的電壓和電流電平，以便為電動汽車(chē)電池充電。在家用 1 級和 2 級充電器中(zhōng)，電流檢測通常不(bù)需要非常高的精度，因為沒有對用戶進行計(jì)費。不(bù)過，電流信息使用戶可以通過應用或充電器上的用戶界面來大緻了解電流和功耗情況。圖 1 展示了停車(chē)場中(zhōng)的兩個(gè) 2 級電動汽車(chē)充電器和兩輛(liàng)正在充電的電動汽車(chē)。
圖 1：電動汽車(chē)充電器
在 3 級電動汽車(chē)充電器中(zhōng)，充電基礎設施會(huì)将交流電轉換為直流電，以便直接向電池快(kuài)速輸送直流電，從而繞過傳統的車(chē)載充電器并在充電站實現超快(kuài)速電動汽車(chē)充電。電動汽車(chē)充電器和電池的功率容量提升有助于滿足快(kuài)速充電和增加續航裡程的需求。電流檢測可以幫助控制(zhì)充電過程，确保以最佳的方式安全地(dì)(dì)為電池充電，從而延長(cháng)電動汽車(chē)和電池系統的使用壽命。
在 3 級充電器中(zhōng)，開(kāi)關信号的頻(pín)率為 50kHz 至 100kHz，因此需要至少(shǎo) 250kHz 的電流傳感器，才能獲得(de)适當的測量數據。另外，傳播延遲也(yě)非常重要，因為電流傳感器需要能夠在信号切換時迅速地(dì)(dì)響應變化(huà)(huà)。德州儀器 (TI) 的TMCS1123 等器件(jiàn)未經校準時，整個(gè)溫度和壽命範圍內(nèi)的最大誤差為 ±1.75%，經過單點校準後，整個(gè)溫度和壽命範圍內(nèi)的誤差降至 ±1.00%。
由于 TMCS1123 在電流信息方面具有高精度和高速度，這些(xiē)精度和速度規格使系統工(gōng)程師能夠從隔離(lí)式直流/直流轉換器中(zhōng)去除直流阻斷電容器，從而幫助系統工(gōng)程師在設計(jì) 3 級充電器時節省成本。
光(guāng)伏逆變器中(zhōng)的電流檢測
在光(guāng)伏逆變器系統中(zhōng)，電流傳感器用于測量多種配置中(zhōng)的電流，例如逆變器的交流和直流輸入、直流/直流升壓、直流/直流轉換器和電網輸出，從而幫助監測和控制(zhì)功率轉換過程。住宅光(guāng)伏逆變器中(zhōng)會(huì)對各個(gè)電源軌進行電流檢測，其中(zhōng)電源軌的電壓電平可能高達 1,000VDC，但光(guāng)伏輸入端的電壓通常約為 500V 至 600VDC，而電網輸入和輸出則高達 400VAC。電流檢測功能可以幫助優化(huà)(huà)光(guāng)伏逆變器系統，确保電網輸出上輸送的功率水平和頻(pín)率可靠且适當，使得(de)所有負載都(dōu)處于其安全工(gōng)作區 (SOA) 內(nèi)。
光(guāng)伏逆變器中(zhōng)的開(kāi)關信号與電動汽車(chē)充電器中(zhōng)的開(kāi)關信号相(xiàng)似，頻(pín)率介于 50kHz 至 100kHz 之間。此外，還可以将電流傳感器用于診斷目的，例如監測太陽能電池闆是否存在可能表明(míng)連接松動或電池闆損壞的故障。TMCS1123 提供 ±1,100VDC 的增強型工(gōng)作電壓，非常适合用于大多數串式逆變器。圖 2 展示了幾個(gè)單相(xiàng)串式逆變器中(zhōng)使用的電流和電壓檢測示例并以紅框标出了相(xiàng)應電路部分。
圖 2：光(guāng)伏逆變器中(zhōng)典型逆變器的方框圖
電流檢測設計(jì)考慮因素
下(xià)面我們來了解為電動汽車(chē)充電系統和光(guāng)伏逆變器系統選擇電流傳感器時的一(yī)些(xiē)主要考慮因素：
- 額定功率。電流傳感器（無論是基于磁體(tǐ)、基于分流器還是其他(tā)(tā)技術）必須能夠處理系統的工(gōng)作電流和電壓水平。設計(jì)人(rén)員必須根據系統的輸入選擇合适的技術，以确保電流可以在系統的整個(gè)壽命內(nèi)不(bù)間斷地(dì)(dì)流入系統。
- 精度。電流傳感器必須足夠精确，以提供預期的控制(zhì)和監測功能，确保系統能夠在 SOA 內(nèi)按預期運行。高精度有助于保持高效率水平，同時減少(shǎo)元件(jiàn)數量，以及因嘈雜的開(kāi)關系統而可能注入電網的任何諧波。
- 帶寬。在開(kāi)關系統中(zhōng)，速度是一(yī)個(gè)重要參數。TMCS1123 提供 250kHz 的信号帶寬和 600ns 的傳播延遲，這為系統提供了足夠的速度來進行适當的測量。TI 還在開(kāi)發更多具有類似機械尺寸的高速器件(jiàn)。我們觀察到，在我們的器件(jiàn)中(zhōng)，随著(zhe)帶寬增加，傳播延遲會(huì)減小。
- 成本。在選擇電流傳感器時，必須權衡考慮傳感器的成本及其提供的優勢。一(yī)體(tǐ)式封裝的霍爾效應電流傳感器通常限制(zhì)為隻能檢測特定範圍內(nèi)的電流，而基于分流器的系統則更加靈活，因為您可以根據系統參數來選擇分流電阻值。
基于分流器的電流檢測技術
在電動汽車(chē)充電系統、光(guāng)伏逆變器系統以及其他(tā)(tā)需要電流檢測的系統中(zhōng)，最常見(jiàn)的電流檢測技術是霍爾效應電流傳感器和基于分流器的電流傳感器。
與霍爾效應電流傳感器相(xiàng)比，基于分流器的電流傳感器通常在整個(gè)電流範圍內(nèi)精度更高。使用穩定的放大器技術或模數轉換器 (ADC) 和精密分流電阻器時，基于分流器的電流傳感器可以在整個(gè)電流測量範圍、工(gōng)作溫度範圍以及使用壽命內(nèi)實現誤差不(bù)到 1% 的精度。基于分流器的解決方案可能非常簡單，可以是一(yī)個(gè)運算放大器、一(yī)個(gè)專門設計(jì)的電流檢測放大器（比如 TI 的 INA241A）、一(yī)個(gè)用于較高電壓的隔離(lí)式放大器（比如 TI 的 AMCS1300B）或者具有數字輸出的 Σ-Δ 調制(zhì)器（比如 TI 的 AMCS1306）。這類放大器通常用于監測分流電阻器上的壓降并提供比例電壓輸出。每種解決方案在工(gōng)作電壓、失調電壓、漂移、帶寬和易用性方面均有所不(bù)同。與一(yī)體(tǐ)式封裝的霍爾效應解決方案非常類似，基于分流器的傳感器也(yě)屬于存在電阻的侵入性技術，功耗也(yě)是整體(tǐ)設計(jì)中(zhōng)需要考慮的一(yī)個(gè)因素。
霍爾效應電流檢測技術
一(yī)體(tǐ)式封裝的霍爾效應電流傳感器在高壓系統中(zhōng)很(hěn)受歡迎，因為它們提供了增強型隔離(lí)或雙重隔離(lí)。不(bù)過，霍爾效應電流傳感器會(huì)在整個(gè)溫度和生(shēng)命周期內(nèi)發生(shēng)漂移，這一(yī)點讓它獲得(de)的評價不(bù)高。TI 将 TMCS1123 的漂移誤差大幅降低(dī)至 ±0.5%。該器件(jiàn)具有差分霍爾效應感應功能，能夠顯著減少(shǎo)磁場幹擾或串擾，并且還提供了過流檢測、精密電壓基準和傳感器報警等其他(tā)(tā)功能；請(qǐng)參閱圖 3。使用一(yī)體(tǐ)式封裝解決方案時，電流通過引線框在封裝內(nèi)流動，這會(huì)帶來引線框電阻和芯片散熱(rè)限制(zhì)，進而會(huì)限制(zhì)器件(jiàn)能夠處理的電流大小。TMCS1123 器件(jiàn)産品系列能夠在 25°C 時測量 75Arms 的電流。
圖 3：TMCS1123 方框圖
其他(tā)(tā)解決方案包括環境霍爾效應傳感器或磁通門傳感器（比如 TI 的 DRV401），這些(xiē)傳感器可能需要不(bù)同類型的磁芯、屏蔽或機械設計(jì)才能正常工(gōng)作，而且制(zhì)造或使用過程中(zhōng)的器件(jiàn)或電路闆移動可能會(huì)導緻位移誤差，進而有可能改變測量精度。
高壓應用中(zhōng)存在多個(gè)設計(jì)挑戰，使得(de)系統更難設計(jì)且成本更高。借助 TI 的産品系列和資源，您能夠以适當的價格快(kuài)速解決各種設計(jì)問(wèn)題，從而使技術進步能夠惠及大衆，對我們的生(shēng)活産生(shēng)更大的影響。
