变频器中电压传感器和高精度电流传感器应用推荐

前言：变频器是一种设备，输出任意希望的频率值。变频通常以交-直-交的方式来实现，电压、电流传感器在变频器里是个重要的“感知器官”功能，能实时的监测、反馈关键参数，并由CPU采集、运算，最后根据预设条件做出精准控制。电流电压传感器起到了重要的故障防护、设备保护功能。本文系统的描述电压、电流传感器在变频器中的应用场景和器件的选型策略。

一、变频器系统概述与传感器核心作用

逆变器是通过电力电子的高速开关动作，将低压直流电/或者是储能电池的直流电，最终转换为某一特定频率的交流电，这个频率用户可现场随意设置，一般是供给电机类负载使用以达到控制转速，节能的目的。其典型拓扑包含防雷、整流滤波、DC/DC升压、DC/AC逆变、波形整形交流输出几大环节。电压、电流传感器在每个环节里均可以发挥重要的作用，主要看设计者所追求的目标。其整体方框图大致如下：

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电压、电流传感器在这些环节起到的核心作用：

实时监测​：

实时、精确采集各个部位的电流、电压参数，传递给CPU，CPU做高速A/D，将模拟信号转化成数字信号，为程序控制算法提供数据基础；

​闭环控制​过程：

程序通过监测到的电压、电流数据，进行数据运算和逻辑分析判断，再去实现对功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精准控制，达到闭环控制目的；

​故障的防护和器件的保护​：

CPU通过检测电压、电流传感器件输出的信号，相应的做出设备过流、短路、漏电等异常状态判断，最终去触发保护机制。

二、电压、电流传感器在逆变器各个环节的实际应用

1. 直流输入环节：

电池组自身通常都有一套BMS系统，包含了电池充电保护和放电过低的低压保护功能，所以一般对其不需做检测。安规等角度出发考虑，通常仅需要考虑光伏电池/储能电池的漏电流监测。从硬件电路可靠性来说，可考虑漏电流传感器布置在此处。因此处是一个低压区域，干扰较小，容易处理，会是一个比较理想的位置；

​2. DC/DC升压和防雷环节：

DC/DC升压环节通常都是靠一个完整的电路实现从低压例如48V升高到约300V。所以，一般不需要对升压后的电压做检测；如果有需要，在前级增加防雷和浪涌保护，以防止后端元件损坏，导致设备异常，如下的电路的防雷部分即可满足抗2000V 浪涌/EFT等的测试。其电路见下：

3. DC/AC逆变环节：IGBT保护​，桥臂控制与故障保护

​ 相较于MOS管，IGBT要昂贵的多，为了尽可能的保护功率管不被损坏；或者，为了保护因功率管的损坏后，上下桥臂的直通而引起烧毁甚至电器起火等事件，有必要在+300V总线上放置一个监测工作电流的器件。在早期，大家习惯用分流器+隔离OP放大器来实现

采用分流器的方式来检测电流，在低压电路中容易应用，若是在高压电路，例如+300V时候，绝缘耐压的问题不是很好处理，要增加一些保护电路，另外，载流量越大，其体积尺寸也更大，这些也对其应用有些限制；

高精度电流传感器推荐：可以考虑采用高精度，响应时间快的闭环霍尔电流传感器，例如CNxx系列，其响应时间<0.5us，精度，约为0.2%；

此器件的响应时间<0.5us

此高精度闭环霍尔传感器放置在此处，起两个主要的作用：1)检测总输出电流，用于计算和显示总输出功率；2)类似保险管一样的保护作用；一旦某个桥臂的MOS/IGBT损坏，势必会导致+300V与地直通，从而引起短路，此类故障会被迅速的检测出来；

虽然闭环的电流传感器的响应时间<0.5us，但是，考虑到逆变器输出的波形数据是由CPU内部程序的计算所产生，这导致了程序的运行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的响应时间。加大CPU的工作主频或者是升级CPU固然是一个办法，但是，最好还是再最追加一个最大值检测电路：该模拟量再通过一个窗口比较器的方式来转成高低电平的数字信号，最后送入到CPU的中断口，达到快速响应，迅速切断IGBT的输出，起到保护目的；

​ 考虑到硬件电路的响应速度会远高于程序。那么这个保护信号，也可以是引入到MOS/IGBT的驱动IC的使能端，这样可以比程序更快速的关断。

如果是价格上的考虑，也可以采用更便宜些的开环的霍尔器件，例如芯森电子AN3V/AN1V/AS1V等系列，其响应时间大约是4us。

4. 交流输出环节：同步并网与电能质量

逆变器的负载，但通常是给直接给电器设备、电源等等供电，所以还需要增加一个电感，把PWM还原成一个近似正弦波，提高供电的电能质量。

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三、特殊环境下的应用挑战与应对策略

尽量选用高精度、低温漂闭环霍尔器件，器件的温漂<50ppm/℃，可以有效的规避温度漂移所导致的一些误保护。更可靠的做法是引入BMS系统中所常用的硅橡胶加热膜/PTC加热器，程序作为主控，控制加热膜的启动、停止，由机械温控器作为二级保护，可有效的提高整个逆变器件全温度环境下的运行可靠性。

​封装:器件通常采用满足IP67要求的结构设计，以更好的适应绝缘耐压要求

大电流应用场景

PCB的铜厚度，常用为0.5oz，1oz等；显然的，为了流过大电流，需要更大铜截面积，那要么加宽走线，要么加厚铜层厚度。或者同时加宽线宽，加厚铜层。比如用2oz、5oz的PCB，这不单是大幅增加成本，即使是如此处理了，仅靠PCB的走线去走高大100A的电流也是难以满足可靠性要求：铜层所产生的热量，在阻焊层的包裹下，是无法散出热量；

在这些情况下，可以考虑穿线的方式的霍尔电流传感器，最多10mm2的铜线/铜排，就能轻松的流过100A，在PCB板上只需要开相应的焊盘通孔即可。这还是一个低成本的方案。

结语

电压、电流传感器在变频器中是一个重要的测量元件，另外一个测量元件是温度传感器，其重要性正不断的被工程师所认可。随着其拓扑方式的改进，目前正在实验的应用交-交变频，而碳化硅器件(Sic)功率器件等的逐步引入到变频器行业，开关频率的不断提升，也势必推动传感器行业迈入一个新的台阶。