芯森电流电压传感器在光伏系统中的应用-组串式/集中式光伏系统逆变器

前言：光伏逆变器是新能源系统的一个核心单元，其性能直接影响发电效率、设备的使用寿命与并网电网的质量。电压、电流传感器作为逆变器中重要的“感知器官”，实时的监测并反馈关键参数，传输给CPU进行采集、运算，程序最后根据算法和预设条件做出精准控制。正确使用这些器件对保障设备的正常工作起到了重要的作用。本文系统的描述电压、电流传感器在光伏逆变器中的应用场景和一些器件的选型策略。

组串式和集中式逆变器的差别：

光伏逆变系统分组串式和集中式两种，两种的差异并不大。集中式是单一大功率逆变器，适用于大型地面电站，母线电压高，一般是1500V，甚至有些已经到了2000V，通常的功率是320KW左右，成本效益显著。

组串式功率较小，电压较低，配置、使用灵活。母线大致是600V的电压，50KW左右的功率。这些小功率的逆变器，其输出的电压最后都并连在一起，并入输电电网输电。

也可以这么理解，一个320KW集中式光伏逆变器，就是10个组串式32KW光伏逆变器并联；组串式和集中式有其各自的优缺点且同时存在；

一、逆变器系统概述与传感器核心作用

光伏逆变器是通过电力电子的高速开关动作，将光伏阵列所发出的直流电，转换为交流电，汇入输电网，最终提供到终端的各种用电设备。其典型拓扑包含直流输入、防雷、DC/DC升压、DC/AC逆变、波形整形交流输出等几大环节。电压、电流传感器在每个环节里的正确使用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分别是：

实时监测​：

实时且精确的采集节点的电流、电压参数，传递给CPU，CPU做高速A/D，将模拟信号转变成数字信号，为程序的控制算法和逻辑判断提供坚实的数据基础；

​闭环控制​过程：

程序通过检测到电压、电流数据，进行数值运算和逻辑分析判断，再去实现对功率器件（SiC /MOSFET/IGBT）等的精准闭环控制；

​故障的防护和器件的保护​：

CPU通过检测并分析电压、电流传感器件输出的信号，相应的作出设备过流、短路、漏电等异常状态判断，然后去触发保护机制。这也要求传感器能快速的反应原边信号；

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：

单块光伏电池PV发出的直流电，通过窜、并联，电压抬升到600V/1500V。安规等角度出发考虑，通常需要考虑光伏电池PV的漏电流监测。

​2. DC/DC升压和防雷环节：

DC/DC升压环节通常会靠一个完整的电路实现，一般不需要刻意关注该电压，但为了满足MPPT(最大功率追踪)；在DC/DC的输入级一般要考虑加一个电压传感器。组串式因其电压约为600V，所以选用VN1V-1M-P01的器件即可，该器件最大检测到1100V的电压；

集中式因其电压高达1500V，VN1V-1M-P01就不合适，可以选用VN3A 2000 M15

输入级通常还要做防雷和浪涌保护，以防止后端元件损坏，导致设备异常，如下的电路即可满足至少抗4000V 浪涌/EFT等的测试。其电路见下：

3. DC/AC逆变环节：

​ 这个环节需要关注IGBT桥臂的控制与故障保护。尽管IGBT的di2/dt的值比较高，耐受短暂的过冲击电流能力比MOS管要强，一般短时间的过冲不容易坏，但因其价格昂贵，尤其是大功率的器件。需要为了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+HV总线上放置一个高精度，响应时间快的闭环霍尔电流传感器，例如CN2A系列，其响应时间<0.5us，精度，约为0.2%；

放置在+HV处的器件响应时间<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，可以用于计算和显示总输出功率；2)起到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+HV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程序所产生，这导致了程序量比较大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的响应时间。提升CPU的主频是一个好的方法，但最好还是再最追加一个最大值检测电路，该模拟量值通过一个窗口比较器的方式来转成高、低(H/L)电平的数字信号，低电平正常，高电平故障。最后送入到CPU的中断口，达到程序的快速响应，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的运行和判断，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做关断。

4. 交流输出环节：同步并网与电能质量

逆变器的负载，如果是电机类负载，一般直接接到输出端即可；但若是并网输电和供给其它的电器设备、电源等等，还需要增加一个电感，把PWM过滤成一个正弦波，提高输电电能质量。如认为有需要，也可以在此处放置一个电压传感器，放置在变压器的前级。

三、特定环境下的应用挑战与应对策略

极寒环境（-40℃以下）

​ 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，通常为1oz，2oz，5oz等等；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。即使是如此处理了，不单是大幅增加成本，且仅靠PCB的走线去走高达100A的电流也是难以满足可靠性要求：铜层所产生的热量，在PCB阻焊层的包裹下，是无法散出热量；

在此情况下，可以采用考虑穿线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通孔焊盘即可。这是一个低成本的方案。

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​更高隔离耐压​：器件原副边的爬电距离设计，已经考虑了支持1500V以上系统的要求，可以直接用；

结语

电压、电流传感器在光伏逆变器中已从基础测量元件，逐步演变成为提供系统安全与效率的核心保障部件。随着光伏电池PV电压从600V上升到1500V，再向上到2000V、开关频率的不断提升，势必推动传感器不断的向更高精度、更短响应时间、智能化方向演进。反过来，也进一步推动了光伏逆变系统向更可靠、更短的维护时间方向发展。