使用封裝內霍爾效應電流傳感器的太陽能應用場景概要

電流測量精度和可靠性對于光伏逆變器系統(tǒng)至關重要，因為這決定了功率級的控制精度并進一步影響能量收集效率。對于高壓光伏逆變器系統(tǒng)，穿孔式電路板安裝霍爾效應電流傳感器（或例如磁性電流傳感器）具有固有的隔離特性，并且測量不會干預測量電路，從而為接線和安裝提供了便利。

閉環(huán)霍爾效應電流傳感器可提供高精度、快速響應、低靈敏度和低非線性誤差，傳感器需要額外的磁芯、線圈和大功率放大器來驅動線圈，這使得閉環(huán)霍爾效應電流傳感器與開環(huán)霍爾效應電流傳感器相比，具有更復雜的結構、更大的尺寸、更高的功耗和更高的成本。因此，考慮到性能與復雜性之間的權衡，開環(huán)穿孔電路板安裝霍爾效應電流傳感器長期以來廣泛用于光伏逆變器系統(tǒng)。

但是，開環(huán)穿孔霍爾效應電流傳感器通常無法在使用壽命和溫度范圍內實現(xiàn)高精度。同時，由于磁芯可能發(fā)生脆性損壞，該傳感器在安裝和運輸過程中很容易發(fā)生故障，從而降低了系統(tǒng)可靠性。如果開環(huán)霍爾效應電流傳感器可以像閉環(huán)電流傳感器一樣提供足夠的精度、響應能力、靈敏度和非線性性能，則效果會非常好。更好的選擇是使用 TMCS112x 和 TMCS113x 等封裝內霍爾效應電流傳感器。TI 出品的封裝內霍爾效應電流傳感器具有高精度和低漂移的特性，無論時間、溫度如何變化，都能實現(xiàn)精確的電流測量。此外，一體式封裝設計還有利于緊湊的設計，不會影響隔離性能，且不會增加系統(tǒng)的復雜性或成本。近年來，光伏逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)了使用封裝內霍爾效應電流傳感器來替代傳統(tǒng)穿孔傳感器的趨勢，這有利于太陽能系統(tǒng)性能、功率效率和可靠性。

采用霍爾效應電流檢測的太陽能應用場景

用霍爾效應電流檢測功能的常見太陽能應用場景包括串式逆變器、住宅逆變器、混合逆變器、微型逆變器、光伏電源優(yōu)化器和中央逆變器的智能匯流箱等。

1.串式逆變器

串式逆變器通常是部署在工商業(yè)系統(tǒng)和公用系統(tǒng)中的三相逆變器。功率等級通常大于 50kW。圖 1 示出了典型的三相串式逆變器方框圖，其中使用霍爾效應電流傳感器來測量以下電流。

●   串電流采樣。

●   電弧電流檢測（可選）。

●   MPPT升壓電流采樣。

●   三相電流采樣。

圖1 具有霍爾效應電流傳感器的三相串式逆變器方框圖

1.1串電流采樣

除了串電流顯示功能外，串電流采樣還用于 I-V 曲線掃描和診斷，以實現(xiàn)智能維護工作。PV 發(fā)電廠具有大量的 PV 串。同時，一個 PV 串也由多個 PV 模塊（PV 電池板）組成。事實上，任何 PV 模塊或電氣連接都可能存在導致發(fā)電損耗的潛在故障或風險。例如，陰影、防塵和玻璃面板破裂可能導致串中的電流失配。二極管短路、電纜斷開、潛在誘導降級 (PID) 和發(fā)熱點可能導致串開路電壓過低。

PV 系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是如何準確快速地找到和處理這些故障或風險。傳統(tǒng)的方法是離線手動檢驗，效率極低、成本高昂。目前流行的方式是在線 I-V 曲線掃描與診斷，以提高 PV 系統(tǒng)故障識別的效率和準確性。

圖 2 展示了正常和異常 I-V 曲線掃描和診斷的示例。由于 PV 系統(tǒng)的異?？蓪е?I-V 特性曲線發(fā)生不同的變化，因此 I-V 曲線監(jiān)控結果可用于分析 PV 系統(tǒng)運行期間的潛在故障或風險。因此，串電流和電壓采樣的精度是決定最終故障診斷精度的關鍵因素之一，也間接決定了發(fā)電效率。這對于商業(yè)-工業(yè) PV 發(fā)電廠和公用事業(yè) PV 發(fā)電廠非常重要，因為輸出對它們而言很重要。

還要注意，串式逆變器中的最大功率點跟蹤 (MPPT) 通常在 PV 陣列級實現(xiàn)，而 I-V 曲線掃描在單串級實現(xiàn)。

圖2 正常和異常I-V曲線掃描和診斷示例

1.2電弧電流檢測（可選）

電弧故障斷路器 (AFCI) 是太陽能系統(tǒng)中的一項新興要求，也逐漸成為某些國家/地區(qū)法律法規(guī)中的強制性要求。根據(jù) UL 1699B，要求將 AFCI 用于太陽能設備以防止危險，尤其是在 PV 面板安裝中發(fā)生的火災。需要進行電弧電流檢測來收集和分析 PV 串和逆變器之間的直流電流上存在的交流噪聲電流，然后區(qū)分電弧和非電弧事件。

電弧電流范圍從幾十 mA 到幾安培，頻譜可低至幾 KHz，并且最高可達幾百 KHz。這樣的頻率要求電流傳感器具有高靈敏度、高帶寬和低噪聲水平。電流互感器 (CT) 可在初級高電流側和次級低電流側之間提供高測量精度和安全隔離。該器件已廣泛用作電弧電流檢測傳感器。但 CT 存在著缺點，即 CT 具有負載功率損耗并占用很大的 PCB 尺寸。封裝內霍爾效應電流檢測設計也逐漸成為電弧電流檢測的新趨勢之一。

1.3MPPT升壓電流采樣

如圖 1 所示，MPPT 級通常使用升壓拓撲實現(xiàn)。對 PV 陣列電壓和電流采樣，作為控制輸入信號以實現(xiàn) MPPT。通常會對平均電感器電流進行采樣，并且 MPPT 控制頻率遠低于開關頻率。MPPT 升壓電流采樣的精度與串電流采樣的精度同樣至關重要，因為這決定了 MPPT 的精度，而 MPPT 的精度最終會影響發(fā)電效率。

1.4三相電流采樣

逆變器三相電流采樣包括逆變器的交流電流（R 相、S 相、T 相）和相應的直流分量。三相電流采樣和信號調節(jié)的典型方框圖如圖 2-3 所示。相電流由 DSP ADC 采樣，以用于統(tǒng)計逆變器功率級控制和發(fā)電信息。相電流的交流分量將被濾除，僅保留直流分量并進行放大，然后由 DSP ADC 采樣，以用于直流分量抑制控制。

對于并網(wǎng)逆變器，理論上只允許交流電流注入電網(wǎng)。但實際上，逆變器輸出電流不可避免地包含一些直流分量，這會對電網(wǎng)、電網(wǎng)負載和電網(wǎng)設備造成損害。因此，不太可能完全移除逆變器的直流分量，但需要將其控制在特定的低范圍內。諸如 IEEE 1547-2018 等標準定義了電網(wǎng)側交流電流中直流分量的限值，例如低于額定輸出電流的 0.5%。

三相電流采樣的精度對于逆變器功率級控制、發(fā)電統(tǒng)計和直流組件抑制非常重要。尤其是對于直流分量過大的問題，若使用具有高精度和低漂移的霍爾效應電流傳感器，可以在開始時很有利于解決問題。

電流傳感器精度的另一個相關問題是無功發(fā)電。對于有功發(fā)電，電流環(huán)路的基準由電壓環(huán)路生成。電流傳感器的誤差可以通過電流控制器極大地緩解，在這種情況下，直流母線電壓檢測的精度非常重要。但對于無功發(fā)電，無功電流的基準直接由 MCU 生成。因此，如果電流傳感器不準確，逆變器的輸出電流不能是設定值。使用高精度 TI 霍爾效應電流傳感器也很有利于解決此類問題。

圖3 三相電流采樣和信號調節(jié)的典型方框圖

2.單相住宅逆變器

住宅逆變器通常是指部署在住宅系統(tǒng)中的單相逆變器和三相逆變器。單相逆變器的功率等級通常小于 10KW，而三相逆變器的功率等級則通常為 10KW 至 50KW。三相住宅逆變器的系統(tǒng)架構與前面討論的串式逆變器的系統(tǒng)架構非常相似。

最大的區(qū)別在于，住宅逆變器的獨立 MPPT 輸入數(shù)量要小得多，并且每個 MPPT 的 PV 串數(shù)量可以是 1 或 2，具體取決于功率等級。例如，50kW 三相住宅逆變器具有 4 個 MPPT 輸入和總共 5 到 8 個 PV 串輸入。對于單相逆變器，這方面要簡單得多。例如，10KW 單相住宅逆變器具有 3 個 MPPT 輸入和總共 3 個 PV 串輸入。圖 4 示出了具有霍爾效應電流傳感器的典型單相住宅逆變器方框圖。

考慮到逆變器功率等級和目標應用場景，與串式逆變器相比，住宅逆變器在串電流采樣和 MPPT 升壓電流采樣中沒有嚴格的高精度要求。由于住宅系統(tǒng)通常相互獨立，并且部署規(guī)模很小，因此即使較低電流采樣精度會導致一些發(fā)電輸出損失，也不是什么大問題。而對于相電流采樣，住宅逆變器具有與串式逆變器相同的高精度要求和相應原因。

圖4 具有霍爾效應電流傳感器的單相住宅逆變器方框圖

3.三相混合逆變器

光伏混合逆變器是一種將傳統(tǒng)光伏逆變器的優(yōu)勢與電池功率轉換系統(tǒng)相結合的器件。這一過程使用戶能夠有更多的替代方案來生產(chǎn)、儲存和使用更環(huán)保的電力?；旌夏孀兤鞑粌H能夠連接多個 PV 串并將直流電轉換為交流電，還能夠支持直接將直流電送入電池儲能系統(tǒng) (BESS)。通過集成電池功率轉換系統(tǒng)（例如雙向直流/直流轉換器），混合逆變器通過直流母線耦合消除了不必要的直流到交流功率轉換，從而降低了損耗。

混合逆變器主要用于住宅和小型工商業(yè)應用場景。單相混合逆變器的功率等級通常小于 10KW。三相混合逆變器的功率等級通常從幾 KW 到幾十 KW 不等。圖 2-5 示出了具有霍爾效應電流傳感器等的典型三相混合逆變器方框圖。

●   串電流采樣。

●   電弧電流檢測（可選）。

●   MPPT升壓電流采樣。

●   逆變器三相電流采樣。

●   雙向轉換器 (BDC) 電流采樣。

●   離網(wǎng)緊急電源 (EPS) 三相電流采樣。

●   用于中點電勢平衡的中性線電流采樣。

與上述串式逆變器或住宅逆變器相比，由于 ESS 和離網(wǎng) EPS 功能，混合逆變器具有更多的霍爾效應電流傳感器。此外，對于頻繁停電的市場（如非洲），混合逆變器還支持從柴油發(fā)電機獲取能源。柴油發(fā)電機端口存在額外的離網(wǎng)三相電流采樣。

圖5 具有霍爾效應電流傳感器的三相混合逆變器方框圖

BDC電流采樣

圖 5 顯示了采用高壓電池的逆變器。對于高壓電池（通常為 150V 至 600V）BDC 充電和放電，通常使用非隔離式 2 級降壓/升壓拓撲?；魻栃娏鱾鞲衅骺捎糜陔姼衅麟娏鞑蓸樱詫崿F(xiàn)控制和保護目的。此外，平均電感器電流等于也可用于電池功率統(tǒng)計功能的電池電流。

對于低壓電池（通常為 40V 至 60V）BDC 充電和放電，通常需要隔離式拓撲，例如 DAB 和 CLLLC 等。霍爾效應電流傳感器可用于初級側電流、次級側電流和諧振回路電流采樣。閱讀此應用簡報功率轉換系統(tǒng) (PCS) 中的隔離式雙向直流/直流轉換器，了解更多信息。

3.1離網(wǎng)EPS三相電流采樣

EPS（也稱為備用電源）可提高混合逆變器的多功能性。EPS 使逆變器能夠在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式（島模式）下工作。在并網(wǎng)模式下，太陽能首先進入備用負載和正常負載。多余的能量將儲存在電池中或進入電網(wǎng)。同時，在 PV 和電池的電能小于備用負載功率的條件下，電池或電網(wǎng)或者兩者都可以為備用負載供電。備用負載的最大輸出功率（例如，最大輸出電流）能力可能大于逆變器的額定交流輸出功率。以市場上常見的 25KW 三相混合逆變器為例，該逆變器支持最高 37.9A 的交流輸出電流，而在并網(wǎng)模式下，支持 43KW 的最大輸出功率（63A 最大輸出電流），用于備用負載。在離網(wǎng)模式下，混合逆變器可在電網(wǎng)中斷或緊急情況下從太陽能或電池獲取能量，從而確保無中斷供電。

與逆變器三相電流采樣不同，理論上而言，EPS 三相電流采樣不用于功率級控制，也不需要考慮直流分量抑制，因為對于備用負載，即使超出范圍也不會對電網(wǎng)、電網(wǎng)負載和電網(wǎng)設備造成損壞。但是，該方法用于備用負載功耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用具有高精度和低漂移的霍爾效應電流傳感器可提高計量精度和可靠性。

3.2用于中點電勢平衡的中性線電流采樣

混合逆變器中存在另一個重要的霍爾效應電流傳感器，用于中點電勢平衡的中性線電流采樣。在專為三相設計的系統(tǒng)中，每個相位上的負載需要保持不變。但是，在一些三相家用或商業(yè)應用場景中（例如在德國和奧地利），會同時使用三相和單相負載，這可能會導致三相之間的功耗不平衡。這意味著一個或兩個相位可能比其他相位有更高的功率需求。這會導致中性線電壓不平衡，從而導致電網(wǎng)和電網(wǎng)設備出現(xiàn)問題。要為系統(tǒng)中的單相負載供電，意味著每個相位的輸出功率取決于相應的負載消耗，不能相同，混合逆變器通常具有不平衡的輸出功能。光伏逆變器供應商通常有一些特性說明，例如在供應商數(shù)據(jù)表中，在備用模式和電網(wǎng)模式下支持 100% 不平衡輸出（甚至可達 110%）。

如果三相負載平衡，則中性線中不需要任何電流，并且平衡了中點電勢，例如達到總線電壓的一半。相反，如果負載不平衡，則中性線拉電流或灌電流會導致中點電勢變化。這種情況需要補償中點電勢不平衡。

圖 6 顯示了 2 個分相電容器的傳統(tǒng)方式。中性點是具有等效電容的兩個大型電解電容器 C1 和 C2 的中點。中性線電流繼續(xù)為一個分相電容器充電，同時將另一個電容器放電特定的一段時間，以保持中點電勢平衡。盡管實際上兩個分相電容之間存在一些小電容或電壓不匹配，但該設計易于實現(xiàn)，并且仍廣泛用于串式逆變器和住宅逆變器，其中電網(wǎng)三相輸出必須平衡。但是，對于明顯的不平衡輸出，中性線電流中的直流分量會導致嚴重的電壓不匹配，進而導致逆變器故障關斷保護。

圖6 用于三相逆變器中點電勢平衡的2個分相電容器設計

與串式或住宅逆變器不同，混合逆變器有第四個橋臂（也稱為平衡電橋，逆變器因而被稱為三相四橋臂逆變器），可主動控制中點電壓，使逆變器支持不平衡輸出，如圖 2-7 所示。第四個開關橋臂的控制與三相逆變器去耦。平衡電橋控制涉及中性線電流采樣，可以在其中使用霍爾效應電流傳感器。

圖7 使用12V負載系統(tǒng)進行測試

4.分相混合逆變器

分相混合逆變器專門設計用于將單相功率輸出拆分為兩個獨立的相位。這通常適用于電網(wǎng)支持分相的情況，例如在北美 (115V/230V) 和日本 (100V/200V) 市場。分相逆變器具有與三相混合逆變器相同的不平衡負載輸出需求。圖 8 示出了具有霍爾效應電流傳感器的典型分相混合逆變器方框圖。

圖8 具有霍爾效應電流傳感器的分相混合逆變器方框圖

圖 9 所示為具有第四橋臂（也稱為平衡電橋）的 HERIC 逆變器，其可主動控制中點電壓，使逆變器能夠支持分相（非平衡負載）輸出。

圖9 用于分相逆變器內中點電勢平衡的平衡電橋設計

5.微型逆變器

微型逆變器是一種主要用于住宅用例的終端設備，微型逆變器的額定功率范圍可為幾百瓦到幾千瓦。微型逆變器可以靈活應用于小型屋頂和陽臺，集成了 BESS 來為家用電器產(chǎn)生和存儲電力，這有助于更高效地節(jié)省電費。

封裝內霍爾效應電流傳感器可用于微型逆變器應用，以大幅減小 PCB 尺寸并提高系統(tǒng)的可靠性。圖 10 示出了具有霍爾效應電流傳感器的典型微型逆變器方框圖，例如，

●   交流電流采樣

●   諧振回路電流采樣

交流電流采樣主要檢測注入電網(wǎng)的 50Hz 電流，此電流信息也可用于保護直流/交流轉換器的功率器件。微型逆變器的交流電流采樣具有與前幾節(jié)中提到的相同高精度和低漂移要求。

諧振回路電流采樣通過判斷此電流，可以實現(xiàn)精確的同步整流器晶體管導通或關斷以及過流保護。因此，該電流信息的時序對于提高效率非常重要，需要高帶寬和低傳播延遲的霍爾傳感器。

圖10 具有霍爾效應電流傳感器的微型逆變器方框圖

6.光伏電源優(yōu)化器

電源優(yōu)化器是一種通常與串式逆變器搭配使用的終端設備。電源優(yōu)化器提供模塊級監(jiān)控功能、快速關斷功能和模塊級 MPPT 功能，可提高 PV 系統(tǒng)的安全性并有助于為整個 PV 串生成更大的功率，尤其是在這些串處于部分遮蔽和其他異常情況下時。

電源優(yōu)化器使用降壓和 4 開關降壓/升壓的常見拓撲。降壓拓撲通常使用分流電阻器和放大器的低側電流采樣。而 4 開關降壓/升壓轉換器通常使用高側電流采樣。優(yōu)化器的輸入端連接到一個 PV 板或兩個串聯(lián)的 PV 板，共模電壓最高可達 150V，其中 2 個 PV 板串聯(lián)。封裝內霍爾效應電流傳感器是 4 開關降壓/升壓優(yōu)化器的理想選擇。如圖 11 所示。出于電流環(huán)路控制和保護目的，對電感器電流進行采樣。

圖11 使用12V負載系統(tǒng)進行測試

7.中央逆變器的智能匯流箱

智能匯流箱（也稱為 PV 流箱，簡稱 PVS）用于中等到大規(guī)模 PV 電網(wǎng)連接發(fā)電系統(tǒng)中的中央逆變器。為了減少 PV 串和逆變器之間的連接線路，簡化維護并提高可靠性，在 PV 串和逆變器之間添加了 PVS。根據(jù)中央逆變器尺寸，智能匯流箱通常支持 16/18/20/24/32 通道，并且在箱中對所有 PV 串電流進行采樣。圖 12 示出了采用霍爾效應電流傳感器的智能匯流箱應用場景。與串式逆變器一節(jié)中所述的串式電流采樣一樣，智能匯流箱的電流監(jiān)控功能也需要高精度來實現(xiàn)高故障診斷精度和發(fā)電效率。

圖12 采用霍爾效應電流傳感器的智能匯流箱應用場景

8.光伏逆變器系統(tǒng)和封裝內霍爾效應電流傳感器概要

表 1 匯總了光伏逆變器系統(tǒng)以及有助于分析封裝內霍爾效應電流傳感器使用情況的關鍵信息，如表 2 所示。

表1 光伏逆變器系統(tǒng)總結

表2 封裝內霍爾效應電流傳感器使用統(tǒng)計信息

注：

●   對于逆變器相電流采樣，是否可以使用封裝內霍爾效應電流傳感器取決于逆變器的功率等級（電流額定值）。封裝內霍爾效應電流傳感器可能會在大功率逆變器中出現(xiàn)溫度問題。

●   該表數(shù)據(jù)基于采用高壓電池的逆變器的降壓/升壓 BDC。在該表中，沒有示出帶低電壓電池的逆變器的隔離式拓撲（例如 DAB 和 CLLLC 等），其具有更多電流傳感器。

●  柴油發(fā)電機和電弧檢測是可選功能，相應的電流傳感器數(shù)量未包含在總數(shù)量中。柴油發(fā)電機端口存在額外的離網(wǎng)相電流采樣。電弧電流傳感器的數(shù)量等于 PV 串的總數(shù)。

表3 光伏逆變器系統(tǒng)示例

表4 封裝內霍爾效應電流傳感器使用統(tǒng)計信息示例

總結

隨著對太陽能和 ESS 的持續(xù)投資和開發(fā)，更準確和更可靠的電流檢測技術可以讓電網(wǎng)在收集能量時更安全、更高效。德州儀器 (TI) 的封裝內基于霍爾效應的技術（例如 TMCS112x 和 TMCS113x）不僅可以提供高精度和低漂移，能夠在整個生命周期和溫度范圍內實現(xiàn)精確的電流測量，而且易于使用且成本低廉，因此廣泛用于替代傳統(tǒng)的穿孔霍爾效應電流傳感器。本應用手冊概述了可使用封裝內霍爾效應電流傳感器的常見太陽能應用場景。