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利用完全集成的电流传感ic提高智能电网应用效率亚博尊贵会员

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由Shaun Milano Al亚博棋牌游戏legro MicroSystems, LLC和
Andreas P. Friedrich 亚博棋牌游戏Allegro微系统欧洲

关注光伏系统

随着全球对能源需求的日益关注和环保意识的提高，电力电子应用面临着提高效率的压力。亚博尊贵会员智能电网、插电式混合动力汽车(PHEV)和全电池电动汽车(BEV)以及并网光伏(PV)和其他并网可再生能源系统的出现，都需要开发高效逆变器。特别是，光伏逆变器设计的新发展旨在最大限度地降低每瓦成本，并增加太阳能系统的最大功率，以提供最佳的投资回报。Allegro™MicroSystems LLC开发了一个独特的高性能集成电流传感器ic系列，旨在用于智能电网逆变器和电机控制应用。亚博尊贵会员

光伏系统

化石燃料成本的上升，加上人们对低碳排放需求的日益认识，引发了对使用可再生资源的技术的密集研究和开发活动。yaboAPP亚博可再生能源占全球最终消费的19%，在过去五年中，许多技术每年都以两位数的速度增长。特别是风车和光伏(PV)太阳能技术正在经历重大发展，并网太阳能光伏技术以每年超过60%的速度增长最快。

与太阳能生产相关的主要挑战是将光伏电池板产生的直流电流转换为电网的正弦交流电流。图1展示了一个简单的光伏系统框图，由太阳能电池板阵列和逆变器组成，并网配置，具有开关控制和最大功率点跟踪(MPPT)。对于较大的阵列，MPPT模块通常用于每个光伏串，因为最大功率点可以根据太阳辐射的变化从一个太阳能串不断变化到另一个太阳能串。电流传感器在跟踪这些直流电流水平时是必不可少的，然后使用微控制器来调整系统的工作点，以提供每个PV串的最大可用功率。这些电流测量的比较也有助于检测有缺陷的PV串。大量用于住宅的低功率光伏系统也可以采用电流传感器来控制MPPT，提高逆变器效率。MPPT和逆变控制都需要精确的电流传感。

图1。光伏系统示意图
图1。光伏系统示意图

霍尔效应电流传感的革命

这些业界领先的Allegro当前传感器ic的特点和优势包括:

  • 目前市场上最高的电流分辨率，最低的噪声谱密度霍尔传感器ic
  • 精确的工厂编程的传感器IC增益和偏移
  • 信号处理和封装设计的创新实现了超过120 kHz的输出带宽和快速输出响应时间
  • 专有的，占地面积小的传感器IC包，具有电隔离
  • 降低功率损耗:通孔兼容和低电阻集成导体封装

通过采用先进的BiCMOS工艺技术和创新的封装技术，即使在高带宽下，也有可能提供具有增强精度和分辨率的完全集成解决方案。图2显示了Allegro霍尔电流传感器线性ic的输出峰值噪声和带宽的演变。噪音水平降低了10倍，而带宽增加了一倍多。

逆变器传感

一个逆变器包括三个主要部分:一个dc - dc变换器，它将来自太阳能电池板的电压放大到电网所需的高电压;DC-to-AC逆变器，将直流电流转换为电网的交流正弦形状;以及各种电气控制元件，以控制系统和优化效率以及确保符合电力法规和安全标准的要求。

高效dc -AC逆变器产生交流信号，直接接入交流电网。因此，信号必须符合公用事业系统的要求。它必须与电网同步，并具有低的总谐波失真(THD)。在控制回路中需要电流传感器，以确保与电网的正确连接。它们必须准确地测量交流和直流电流，并具有较高的动态性能。需要非常快的响应时间来快速响应电网中的任何变化，并在损坏发生之前关闭或断开系统。高输出带宽特性使系统能够测量高频交流电流和谐波。

对于不带变压器或带高频变压器的逆变器，低偏置温度漂移(高精度)传感器可以控制馈电到电网的交流电流中的直流分量。各国对这种电气直流电流限制的规定各不相同，但一般都是小而准的
几十到几百毫安。此外，故障功能，如短路保护和过载保护，使电流传感器很容易检测到这些情况，并迅速报告给微控制器。

图2。噪音，BW改善vs.时间
图2。噪音，BW改善vs.时间

先进的霍尔电流传感器IC解决方案

传统霍尔效应传感器的一个缺点，当用于电流传感应用时，在零安培输出电压的精度和霍尔放大器灵敏度随温度变化以及输出信号带宽和输出噪声的一般限制。亚博尊贵会员亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems开发了一系列创新的、完全集成的电流传感器包，非常适合逆变器应用，极大地提高了基于霍尔的电流传感器IC的偏移量、灵敏度和带宽操作。亚博尊贵会员在每个传感器包中，IC本身是最重要的组件，并包含耦合到低偏置，高精度放大器的精密霍尔效应元件。

BiCMOS工艺允许精确的放大器设计与数字电路的工厂编程增益和偏置温度。霍尔元件和放大器都是斩波稳定的，以提高精度和偏移漂移性能。Allegro开发了专有的斩波稳定和滤波技术，从而实现了行业领先的霍尔IC输出信号的低噪声性能，如图2所示。小于4 μs的模拟输出响应时间允许感知更高频率的开关逆变器。在工作亚博尊贵会员频率较低的应用中，可以对输出进行进一步滤波，以降低输出上的噪声并提高分辨率。这些改进的放大器和滤波技术使Allegro霍尔电流传感器的输出分辨率发生了革命性的变化。

图3展示了一种独特有效的专利封装技术，用于霍尔效应电流传感器IC，它提供了一个小的外形尺寸，在空间有限的情况下尤其有用。待测电流通过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。霍尔效应IC采用标准倒装芯片组装技术组装到封装中。三大优势结果:

  • 霍尔效应传感元件靠近载流导体，从而最大限度地提高磁耦合和信噪比，从而提高器件精度。
  • 霍尔效应IC不与集成导体接触，从而保持电压隔离，并使PV逆变器和DC-to-DC变换器的直流侧所需的工作电压高达500vrms。附着在霍尔集成电路上的低压输入/输出焊盘上的焊锡凸点接触
    用图3上部所示的铅手指。
  • 由于霍尔效应电流传感器线性IC完全集成，它允许Allegro工厂编程设备，以补偿零安培和灵敏度随温度的变化。


图3。ACS710电流传感器IC在SOIC16包与框图
图3。ACS710电流传感器IC在SOIC16包与框图

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。Allegro电流传感器线性装置在一个' C '核心周围的导体间隙
图5。快板电流传感器在间隙线性装置
“C”核围绕导体

图3中的方框图显示，可以将高级功能集成到器件中，以降低总体材料成本;例如，通过用户可编程的跳闸点，过电流故障输出在< 2 μs内响应。快速数字故障输出可用于过电流情况下保护IGBT设备。内部导体电阻仅为1 mΩ，功耗低，使该封装能够在85°C环境温度下支持高达40 A的连续电流。该设备带有模拟输出，Allegro部件编号可用于低功率逆变器的不同灵敏度。

Allegro CB封装电流传感器IC系列(图4)为用户提供了集成的电流传感解决方案，提供了100 μΩ的串联导体电阻，实现超低功耗。这些电流传感器ic专为感应电流从50到200 A，可用于大功率光伏逆变器。

在CB封装配置中，高精度、高带宽线性霍尔IC被放置在环绕主导体的集中铁磁磁芯的间隙中。这些集成传感器提供约450 VRMS的工作电压。

对于需要亚博尊贵会员传感电流高于200 A的应用，如HEV逆变器或大功率光伏系统，设计人员可以在简单的钢“C”核心集中器的间隙中使用Allegro系列电流传感器线性霍尔传感器ic，如图5所示。这些传感器带有模拟或数字PWM输出。

结论

亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems开发了一系列完全集成的霍尔效应电流传感器ic，提供与应用电流成比例的高精度输出电压信号。先进的IC和封装技术使带宽提高到120 kHz以上，以及低噪声放大器设计，在整个工作温度范围内提高设备精度。专有封装技术还提供具有电隔离和Allegro工厂编程的小尺寸器件，可实现稳定的零安培和全尺寸超温输出。这些进步使设计工程师能够在需要提高能源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。亚博尊贵会员

参考文献

REN21 21世纪可再生能源政策网络-可再生能源2010，全球现状报告-第15页
IMS研究-光伏逆变器，2010年年报

本文最初发表于2011年10月的智能电网论坛。