前言：變頻器是一種設(shè)備，輸出任意希望的頻率值。變頻通常以交-直-交的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，電壓、電流傳感器在變頻器里是個(gè)重要的“感知器官”功能，能實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、反饋關(guān)鍵參數(shù)，并由CPU采集、運(yùn)算，最后根據(jù)預(yù)設(shè)條件做出精準(zhǔn)控制。電流電壓傳感器起到了重要的故障防護(hù)、設(shè)備保護(hù)功能。本文系統(tǒng)的描述電壓、電流傳感器在變頻器中的應(yīng)用場(chǎng)景和器件的選型策略。

一、變頻器系統(tǒng)概述與傳感器核心作用

逆變器是通過(guò)電力電子的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將低壓直流電/或者是儲(chǔ)能電池的直流電，最終轉(zhuǎn)換為某一特定頻率的交流電，這個(gè)頻率用戶可現(xiàn)場(chǎng)隨意設(shè)置，一般是供給電機(jī)類(lèi)負(fù)載使用以達(dá)到控制轉(zhuǎn)速，節(jié)能的目的。其典型拓?fù)浒?strong>防雷、整流濾波、DC/DC升壓、DC/AC逆變、波形整形交流輸出幾大環(huán)節(jié)。電壓、電流傳感器在每個(gè)環(huán)節(jié)里均可以發(fā)揮重要的作用，主要看設(shè)計(jì)者所追求的目標(biāo)。其整體方框圖大致如下：

?

電壓、電流傳感器在這些環(huán)節(jié)起到的核心作用：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?：

實(shí)時(shí)、精確采集各個(gè)部位的電流、電壓參數(shù)，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，為程序控制算法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

?閉環(huán)控制?過(guò)程：

程序通過(guò)監(jiān)測(cè)到的電壓、電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯分析判斷，再去實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準(zhǔn)控制，達(dá)到閉環(huán)控制目的；

?故障的防護(hù)和器件的保護(hù)?：

CPU通過(guò)檢測(cè)電壓、電流傳感器件輸出的信號(hào)，相應(yīng)的做出設(shè)備過(guò)流、短路、漏電等異常狀態(tài)判斷，最終去觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

二、電壓、電流傳感器在逆變器各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用

1. 直流輸入環(huán)節(jié)：

電池組自身通常都有一套BMS系統(tǒng)，包含了電池充電保護(hù)和放電過(guò)低的低壓保護(hù)功能，所以一般對(duì)其不需做檢測(cè)。安規(guī)等角度出發(fā)考慮，通常僅需要考慮光伏電池/儲(chǔ)能電池的漏電流監(jiān)測(cè)。從硬件電路可靠性來(lái)說(shuō)，可考慮漏電流傳感器布置在此處。因此處是一個(gè)低壓區(qū)域，干擾較小，容易處理，會(huì)是一個(gè)比較理想的位置；

?2. DC/DC升壓和防雷環(huán)節(jié)：

DC/DC升壓環(huán)節(jié)通常都是靠一個(gè)完整的電路實(shí)現(xiàn)從低壓例如48V升高到約300V。所以，一般不需要對(duì)升壓后的電壓做檢測(cè)；如果有需要，在前級(jí)增加防雷和浪涌保護(hù)，以防止后端元件損壞，導(dǎo)致設(shè)備異常，如下的電路的防雷部分即可滿足抗2000V 浪涌/EFT等的測(cè)試。其電路見(jiàn)下：

3. DC/AC逆變環(huán)節(jié)：IGBT保護(hù)?，橋臂控制與故障保護(hù)

? 相較于MOS管，IGBT要昂貴的多，為了盡可能的保護(hù)功率管不被損壞；或者，為了保護(hù)因功率管的損壞后，上下橋臂的直通而引起燒毀甚至電器起火等事件，有必要在+300V總線上放置一個(gè)監(jiān)測(cè)工作電流的器件。在早期，大家習(xí)慣用分流器+隔離OP放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)

采用分流器的方式來(lái)檢測(cè)電流，在低壓電路中容易應(yīng)用，若是在高壓電路，例如+300V時(shí)候，絕緣耐壓的問(wèn)題不是很好處理，要增加一些保護(hù)電路，另外，載流量越大，其體積尺寸也更大，這些也對(duì)其應(yīng)用有些限制；

高精度電流傳感器推薦：可以考慮采用高精度，響應(yīng)時(shí)間快的閉環(huán)霍爾電流傳感器，例如CNxx系列，其響應(yīng)時(shí)間<0.5us，精度，約為0.2%；

此器件的響應(yīng)時(shí)間<0.5us

此高精度閉環(huán)霍爾傳感器放置在此處，起兩個(gè)主要的作用：1)檢測(cè)總輸出電流，用于計(jì)算和顯示總輸出功率；2)類(lèi)似保險(xiǎn)管一樣的保護(hù)作用；一旦某個(gè)橋臂的MOS/IGBT損壞，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致+300V與地直通，從而引起短路，此類(lèi)故障會(huì)被迅速的檢測(cè)出來(lái)；

雖然閉環(huán)的電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間<0.5us，但是，考慮到逆變器輸出的波形數(shù)據(jù)是由CPU內(nèi)部程序的計(jì)算所產(chǎn)生，這導(dǎo)致了程序的運(yùn)行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的響應(yīng)時(shí)間。加大CPU的工作主頻或者是升級(jí)CPU固然是一個(gè)辦法，但是，最好還是再最追加一個(gè)最大值檢測(cè)電路：該模擬量再通過(guò)一個(gè)窗口比較器的方式來(lái)轉(zhuǎn)成高低電平的數(shù)字信號(hào)，最后送入到CPU的中斷口，達(dá)到快速響應(yīng)，迅速切斷IGBT的輸出，起到保護(hù)目的；

? 考慮到硬件電路的響應(yīng)速度會(huì)遠(yuǎn)高于程序。那么這個(gè)保護(hù)信號(hào)，也可以是引入到MOS/IGBT的驅(qū)動(dòng)IC的使能端，這樣可以比程序更快速的關(guān)斷。

如果是價(jià)格上的考慮，也可以采用更便宜些的開(kāi)環(huán)的霍爾器件，例如芯森電子AN3V/AN1V/AS1V等系列，其響應(yīng)時(shí)間大約是4us。

4. 交流輸出環(huán)節(jié)：同步并網(wǎng)與電能質(zhì)量

逆變器的負(fù)載，但通常是給直接給電器設(shè)備、電源等等供電，所以還需要增加一個(gè)電感，把PWM還原成一個(gè)近似正弦波，提高供電的電能質(zhì)量。

三、特殊環(huán)境下的應(yīng)用挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

盡量選用高精度、低溫漂閉環(huán)霍爾器件，器件的溫漂<50ppm/℃，可以有效的規(guī)避溫度漂移所導(dǎo)致的一些誤保護(hù)。更可靠的做法是引入BMS系統(tǒng)中所常用的硅橡膠加熱膜/PTC加熱器，程序作為主控，控制加熱膜的啟動(dòng)、停止，由機(jī)械溫控器作為二級(jí)保護(hù)，可有效的提高整個(gè)逆變器件全溫度環(huán)境下的運(yùn)行可靠性。

?封裝:器件通常采用滿足IP67要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以更好的適應(yīng)絕緣耐壓要求

大電流應(yīng)用場(chǎng)景

PCB的銅厚度，常用為0.5oz，1oz等；顯然的，為了流過(guò)大電流，需要更大銅截面積，那要么加寬走線，要么加厚銅層厚度。或者同時(shí)加寬線寬，加厚銅層。比如用2oz、5oz的PCB，這不單是大幅增加成本，即使是如此處理了，僅靠PCB的走線去走高大100A的電流也是難以滿足可靠性要求：銅層所產(chǎn)生的熱量，在阻焊層的包裹下，是無(wú)法散出熱量；

在這些情況下，可以考慮穿線的方式的霍爾電流傳感器，最多10mm2的銅線/銅排，就能輕松的流過(guò)100A，在PCB板上只需要開(kāi)相應(yīng)的焊盤(pán)通孔即可。這還是一個(gè)低成本的方案。

結(jié)語(yǔ)

電壓、電流傳感器在變頻器中是一個(gè)重要的測(cè)量元件，另外一個(gè)測(cè)量元件是溫度傳感器，其重要性正不斷的被工程師所認(rèn)可。隨著其拓?fù)浞绞降母倪M(jìn)，目前正在實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用交-交變頻，而碳化硅器件(Sic)功率器件等的逐步引入到變頻器行業(yè)，開(kāi)關(guān)頻率的不斷提升，也勢(shì)必推動(dòng)傳感器行業(yè)邁入一個(gè)新的臺(tái)階。