【導讀】在任何電氣系統中，電流都是一個(gè)至關(guān)重要的參數。電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電系統和太陽(yáng)能系統都需要檢測電流的大小，以便控制和監測功率轉換、充電和放電。電流傳感器通過(guò)監測分流電阻器上的壓降或導體中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測量電流。
在任何電氣系統中，電流都是一個(gè)至關(guān)重要的參數。電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電系統和太陽(yáng)能系統都需要檢測電流的大小，以便控制和監測功率轉換、充電和放電。電流傳感器通過(guò)監測分流電阻器上的壓降或導體中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測量電流。
金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 控制方案使用電流信息來(lái)控制光伏逆變器操作，或者檢測交流輸出或輸出上的電流，以保護元件免受過(guò)流或故障事件的影響。電流傳感器有多種不同類(lèi)型可供選擇，每種技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于特定的應用，最適合的電流傳感器類(lèi)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。本文將探討何種器件適合在電動(dòng)汽車(chē)充電器和光伏逆變器中檢測電流。
電動(dòng)汽車(chē)充電器中的電流檢測
在電動(dòng)汽車(chē)充電器中，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，以確認充電器是否正確地將交流電輸送到電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器系統，或者將直流電直接輸送到電池。如今，400V 電池正在朝著(zhù) 800V 甚至更高電壓的方向發(fā)展，以實(shí)現更大功率和快速充電。
在 1 級和 2 級充電器中，充電器將交流電輸送到電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器，車(chē)載充電器又會(huì )將輸入的交流電轉換為更合適的電壓和電流電平，以便為電動(dòng)汽車(chē)電池充電。在家用 1 級和 2 級充電器中，電流檢測通常不需要非常高的精度，因為沒(méi)有對用戶(hù)進(jìn)行計費。不過(guò)，電流信息使用戶(hù)可以通過(guò)應用或充電器上的用戶(hù)界面來(lái)大致了解電流和功耗情況。圖 1 展示了停車(chē)場(chǎng)中的兩個(gè) 2 級電動(dòng)汽車(chē)充電器和兩輛正在充電的電動(dòng)汽車(chē)。
圖 1：電動(dòng)汽車(chē)充電器
在 3 級電動(dòng)汽車(chē)充電器中，充電基礎設施會(huì )將交流電轉換為直流電，以便直接向電池快速輸送直流電，從而繞過(guò)傳統的車(chē)載充電器并在充電站實(shí)現超快速電動(dòng)汽車(chē)充電。電動(dòng)汽車(chē)充電器和電池的功率容量提升有助于滿(mǎn)足快速充電和增加續航里程的需求。電流檢測可以幫助控制充電過(guò)程，確保以最佳的方式安全地為電池充電，從而延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)和電池系統的使用壽命。
在 3 級充電器中，開(kāi)關(guān)信號的頻率為 50kHz 至 100kHz，因此需要至少 250kHz 的電流傳感器，才能獲得適當的測量數據。另外，傳播延遲也非常重要，因為電流傳感器需要能夠在信號切換時(shí)迅速地響應變化。德州儀器 (TI) 的 TMCS1123 等器件未經(jīng)校準時(shí)，整個(gè)溫度和壽命范圍內的最大誤差為 ±1.75%，經(jīng)過(guò)單點(diǎn)校準后，整個(gè)溫度和壽命范圍內的誤差降至 ±1.00%。
由于 TMCS1123 在電流信息方面具有高精度和高速度，這些精度和速度規格使系統工程師能夠從隔離式直流/直流轉換器中去除直流阻斷電容器，從而幫助系統工程師在設計 3 級充電器時(shí)節省成本。
光伏逆變器中的電流檢測
在光伏逆變器系統中，電流傳感器用于測量多種配置中的電流，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(wǎng)輸出，從而幫助監測和控制功率轉換過(guò)程。住宅光伏逆變器中會(huì )對各個(gè)電源軌進(jìn)行電流檢測，其中電源軌的電壓電平可能高達 1,000VDC，但光伏輸入端的電壓通常約為 500V 至 600VDC，而電網(wǎng)輸入和輸出則高達 400VAC。電流檢測功能可以幫助優(yōu)化光伏逆變器系統，確保電網(wǎng)輸出上輸送的功率水平和頻率可靠且適當，使得所有負載都處于其安全工作區 (SOA) 內。
光伏逆變器中的開(kāi)關(guān)信號與電動(dòng)汽車(chē)充電器中的開(kāi)關(guān)信號相似，頻率介于 50kHz 至 100kHz 之間。此外，還可以將電流傳感器用于診斷目的，例如監測太陽(yáng)能電池板是否存在可能表明連接松動(dòng)或電池板損壞的故障。TMCS1123 提供 ±1,100VDC 的增強型工作電壓，非常適合用于大多數串式逆變器。圖 2 展示了幾個(gè)單相串式逆變器中使用的電流和電壓檢測示例并以紅框標出了相應電路部分。
圖 2：光伏逆變器中典型逆變器的方框圖
電流檢測設計考慮因素
下面我們來(lái)了解為電動(dòng)汽車(chē)充電系統和光伏逆變器系統選擇電流傳感器時(shí)的一些主要考慮因素：
? 額定功率。電流傳感器（無(wú)論是基于磁體、基于分流器還是其他技術(shù)）必須能夠處理系統的工作電流和電壓水平。設計人員必須根據系統的輸入選擇合適的技術(shù)，以確保電流可以在系統的整個(gè)壽命內不間斷地流入系統。
? 精度。電流傳感器必須足夠精確，以提供預期的控制和監測功能，確保系統能夠在 SOA 內按預期運行。高精度有助于保持高效率水平，同時(shí)減少元件數量，以及因嘈雜的開(kāi)關(guān)系統而可能注入電網(wǎng)的任何諧波。
? 帶寬。在開(kāi)關(guān)系統中，速度是一個(gè)重要參數。TMCS1123 提供 250kHz 的信號帶寬和 600ns 的傳播延遲，這為系統提供了足夠的速度來(lái)進(jìn)行適當的測量。TI 還在開(kāi)發(fā)更多具有類(lèi)似機械尺寸的高速器件。我們觀(guān)察到，在我們的器件中，隨著(zhù)帶寬增加，傳播延遲會(huì )減小。
? 成本。在選擇電流傳感器時(shí)，必須權衡考慮傳感器的成本及其提供的優(yōu)勢。一體式封裝的霍爾效應電流傳感器通常限制為只能檢測特定范圍內的電流，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(lái)選擇分流電阻值。
基于分流器的電流檢測技術(shù)
在電動(dòng)汽車(chē)充電系統、光伏逆變器系統以及其他需要電流檢測的系統中，最常見(jiàn)的電流檢測技術(shù)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比，基于分流器的電流傳感器通常在整個(gè)電流范圍內精度更高。使用穩定的放大器技術(shù)或模數轉換器 (ADC) 和精密分流電阻器時(shí)，基于分流器的電流傳感器可以在整個(gè)電流測量范圍、工作溫度范圍以及使用壽命內實(shí)現誤差不到 1% 的精度?；诜至髌鞯慕鉀Q方案可能非常簡(jiǎn)單，可以是一個(gè)運算放大器、一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計的電流檢測放大器（比如 TI 的 INA241A）、一個(gè)用于較高電壓的隔離式放大器（比如 TI 的 AMCS1300B）或者具有數字輸出的 Σ-Δ 調制器（比如 TI 的 AMCS1306）。這類(lèi)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。每種解決方案在工作電壓、失調電壓、漂移、帶寬和易用性方面均有所不同。與一體式封裝的霍爾效應解決方案非常類(lèi)似，基于分流器的傳感器也屬于存在電阻的侵入性技術(shù)，功耗也是整體設計中需要考慮的一個(gè)因素。
霍爾效應電流檢測技術(shù)
一體式封裝的霍爾效應電流傳感器在高壓系統中很受歡迎，因為它們提供了增強型隔離或雙重隔離。不過(guò)，霍爾效應電流傳感器會(huì )在整個(gè)溫度和生命周期內發(fā)生漂移，這一點(diǎn)讓它獲得的評價(jià)不高。TI 將 TMCS1123 的漂移誤差大幅降低至 ±0.5%。該器件具有差分霍爾效應感應功能，能夠顯著(zhù)減少磁場(chǎng)干擾或串擾，并且還提供了過(guò)流檢測、精密電壓基準和傳感器報警等其他功能；請參閱圖 3。使用一體式封裝解決方案時(shí)，電流通過(guò)引線(xiàn)框在封裝內流動(dòng)，這會(huì )帶來(lái)引線(xiàn)框電阻和芯片散熱限制，進(jìn)而會(huì )限制器件能夠處理的電流大小。TMCS1123 器件產(chǎn)品系列能夠在 25°C 時(shí)測量 75Arms 的電流。
圖 3：TMCS1123 方框圖
其他解決方案包括環(huán)境霍爾效應傳感器或磁通門(mén)傳感器（比如 TI 的 DRV401），這些傳感器可能需要不同類(lèi)型的磁芯、屏蔽或機械設計才能正常工作，而且制造或使用過(guò)程中的器件或電路板移動(dòng)可能會(huì )導致位移誤差，進(jìn)而有可能改變測量精度。
高壓應用中存在多個(gè)設計挑戰，使得系統更難設計且成本更高。借助 TI 的產(chǎn)品系列和資源，您能夠以適當的價(jià)格快速解決各種設計問(wèn)題，從而使技術(shù)進(jìn)步能夠惠及大眾，對我們的生活產(chǎn)生更大的影響。
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