在微型逆變器中采用霍爾效應磁電流傳感器的優勢

引言

微型逆變器正在成為使可再生能源更加可及，并具有更高可擴展性的關鍵技術。將光伏（PV）板與微型逆變器組合使用，可以將產生的電力直接轉換為交流電，并將其并入電網。高效的轉換需要精確的電流測量，以便實現更佳的功率轉換、精確的系統控制和保護。測量光伏板電流通常有兩種主要方法：低側和高側感測，其中高側電流感測有一些好處，尤其是在考慮使用霍爾效應電流傳感器時，這種優勢更加突出。通過了解高側感測的優勢，設計師可以開啟一種新方法來增大設計的功率密度，提高系統可靠性和效率。

圖1：高側和低側感測位置（頂部）和架構（底部） 

高側和低側感測

電流的測量可以在高側或低側進行。當在低側感測時，感測裝置需串聯在負載和地之間，并測量從負載返回的電流；而在高側，感測裝置則串聯在PV輸入端，可以直接測量流入系統負載的電流（參見圖1）。

在光伏系統中，低側電流感測的傳統方法是采用電流分流放大器，這種方法因其具有相對較低的成本，且實現起來較為簡單而受到青睞；而在高側實施電流分流器則需要更復雜的電路和更高性能組件。與分流器加放大器解決方案相比，霍爾效應電流傳感器既可提供簡單、靈活的低側或高側實現，又能夠與待測電流電路隔離。在微型逆變器中進行高側或低側電流測量的所有各種方法都存在一定程度的取舍權衡，正如下文所述，有些方法對特定系統有巨大影響。

增強的可靠性

在直流轉換電路中，短路檢測能力會影響用戶安全和光伏設備的壽命。微型逆變器需要運行在極端溫度和天氣環境條件下，使其容易發生早期部件故障，從而導致短路。檢測微型逆變器中可能出現的短路，并對其做出反應，這對于維持設備和電網的穩定、安全運行非常重要。在這方面，低側電流傳感器有一個缺點，因為它們只測量PV返回電流，無法深入了解上游電路的電流行為，微型逆變器中的短路可以繞過低側測量，從而影響系統功能（參見圖2左）。盡管影響的嚴重程度多種多樣，但在最極端情況下，短路可能會導致整個系統故障。提高對這些事件的檢測能力可增強系統在這些場景下的洞察力和響應能力，從而使故障保護方案能夠避免或延長系統更換。

Allegro霍爾效應傳感器可以很容易地在PV輸入端集成實現，以感測流入微型逆變器的電流。Allegro所提供的快速響應器件能夠檢測短路引起的電流尖峰，并將其傳輸到系統控制器進而施加保護措施。Allegro電流傳感器還集成有過流故障保護等內置功能，在輸入電流超過微型逆變器額定值，或在安裝及面板配置不當的情況下保護系統（參見圖2右）。輸入感測電路的這種高可靠性可以幫助避免早期設備故障，并延長設備的總壽命。

圖2：短路電流路徑和Allegro電流傳感器故障保護行為

功耗和熱影響

在檢查任何分流器解決方案的功耗和熱影響時，重要的是要考慮該方案需要監控的系統。光伏面板的電流在0～25A之間，具體取決于瓦數和照明條件。任何分流加運算放大器解決方案都需要在增益和偏移電壓之間進行權衡，以優化功率損耗。分流器尺寸會對系統散熱產生影響，因此這也是考慮因素的一部分：尺寸較大會增大功耗（進而增加成本），但可以實現較低的增益配置，并減輕運算放大器偏移誤差對小分流電壓的影響。在微型逆變器中，一個3mΩ分流器可以為整個系統增加2W的熱量，這可能會影響感測精度，并可能需要熱電偶校準。使用銅面板和散熱過孔（thermal vias）等輔助手段可以消散該區域的熱量，但這會增加成本和開發時間。

在微型逆變器設計中考慮熱參數時，霍爾效應電流傳感器消耗的功率很小，引入的熱量也很小，如果做一個簡單比較，集成導體的電阻與器件靜態工作電流總和不會超過1W（典型情況下為0.4W和0.8W）。此外，Allegro的ACS71240 和 ACS37002電流傳感器能夠測量PV完整輸入電流范圍，但對系統熱量的貢獻最小（參見圖3）。這一點非常重要，尤其是考慮到發熱器件在與系統高容量電容器位置很近時會降低其使用壽命。如果暴露在過熱環境中，會造成電解電容器電解質泄漏，從而降低總電容，增加ESR，并導致過早失效。電容器故障可能導致微型逆變器不穩定或短路，從而損壞整個系統。

圖3：Allegro電流傳感器芯片溫度變化與感應電流關系

低側分流感測中的接地干擾

在高吞吐量（high-throughput）系統中使用低側分流器通常會產生接地干擾。根據分流器的大小，高電流條件可能會在接地平面上引入顯著的不穩定性，并影響微型逆變器中的精密電路。25A的光伏板會產生100mV+的干擾，進而影響本地敏感控制和反饋器件，并導致不期望的操作或參考誤差。在次優（suboptimal）PCB布局中，分流器引起的接地漂移（ground-shift）會導致極其關鍵的MPPT電壓測量失去其準確性，并影響通信信號的完整性。要減輕這些影響，需要適當地隔離接地參考，以防止微型逆變器感測電路和控制器中出現亞穩態。

圖4：低側電流感測中的接地漂移

較小分流電阻可以減少接地干擾以及引入系統的功率損耗/熱量，但同時會降低小電流水平下的測量精度。分流器的選擇會影響偏移誤差；以一個1mΩ的分流器，1A PV電流，以及一個50μV偏置運算放大器為例，在低電流下誤差可能增加5%。如果微型逆變器受到顯著的溫升影響，這種誤差會加劇。而高側感測解決方案則不會引入這些接地問題，并能夠在光伏板電流和溫度范圍內始終保證高精度。

比較

表: Allegro ACS71240/ACS 與低側分流器加運算放大器比較。

結論

隨著可再生能源解決方案的不斷改進，實施這些解決方案的方法和設計選擇也在不斷發展。如何進行光伏系統電流測量可能會影響巨大，因此，工程師需要了解不同技術的優缺點，尤其重要的是，霍爾效應傳感器的高側電流測量在提高微型逆變器的優化、可靠性和效率方面會發揮重要作用。通過對比本文中的高側和低側感測方案，高側霍爾效應電流感測已被證明，通過準確檢測短路，最小化系統功耗，以及減少散熱影響，能夠提高系統可靠性。參考本文提供的討論，設計工程師能夠更好地做出明智決策，從而提高微型逆變器應用的性能和壽命，為全球可再生能源應用的持續增長做出貢獻。