將目前的傳感器納入WBT轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)

電力電子學(xué)中的電流傳感是指一套測量電流的技術(shù),具有足夠的精度。精確電流傳感在電力轉(zhuǎn)換器中對于實現(xiàn)保護(hù)和控制以及確?？煽啃灾陵P(guān)重要。

大間隙功率轉(zhuǎn)換器由于其固有的空間和尺寸有限、所需的高檢測速度和高檢測率,使開發(fā)單一的電流傳感器方案變得困難。在匹配所有需求方面的不同權(quán)衡使得很難實現(xiàn)一種適用于所有情況的電流感知方法。研究了改進(jìn)現(xiàn)有單方案電流傳感器性能的方法。

電流感應(yīng)技術(shù)

電流傳感器的功能是測量交流和直流電流.在電力應(yīng)用中,電流監(jiān)控可用于多種目的,如檢測故障情況、性能監(jiān)控和觀察系統(tǒng)行為的異常變化。目前已經(jīng)開發(fā)了各種不同的傳感方法,每種方法都有優(yōu)缺點。主要建議概述如下。

電阻器

A?電阻器 是一個低電阻元件,與電流路徑串聯(lián),電壓降穿過它與電流成正比(歐姆定律)。分流電阻可以是表面安裝,同軸,銅痕,一些MOSFET的細(xì)胞(感覺費茨),甚至是MOSFET的電阻。一個電感也屬于這一類,只要一個積分器被添加到把電壓轉(zhuǎn)換成電流。缺點包括缺乏電隔離,寄生元素,如串聯(lián)電感,功率損失和敏感性變化由于溫度變化。

電流變壓器

電流變壓器由一個主繞組和一個次級繞組組成,通過該繞組,電流與主電流成正比。通過改變轉(zhuǎn)動率和選擇核心屬性,?電流變壓器 適用于各種情況.然而,目前的變壓器雖然成本低,具有良好的免疫性和良好的隔離性能,但它們受到核心飽和度的限制,從而限制了精度,并且在較高頻率下對滲透率的溫度依賴性降低。

羅戈夫斯基線圈

與電流變壓器類似,他們使用氣芯線圈,但需要一個積分器來補(bǔ)償?shù)皖l率增益由空氣芯提供。這些彈性線圈只適合測量交流電流.它們不需要電隔離,經(jīng)常用于電力質(zhì)量監(jiān)測。

人體效應(yīng)傳感器

一個同時檢測交流和直流的人體效應(yīng)傳感器,利用由與電流垂直的磁場所產(chǎn)生的電壓穿過導(dǎo)體(幾十微伏特)。為了避免外場干擾,他們需要高滲透芯和低噪聲放大器,考慮到低信號產(chǎn)生。此外,它們的響應(yīng)速度低于100千赫,因此需要一個電流變壓器來改進(jìn)帶寬,特別是在封閉循環(huán)中。

飛門傳感器

用于交流和直流檢測的磁通門傳感器的原理依賴于某些磁性材料的飽和行為。他們是建立了一個高滲透芯,初級和次級繞組,以及一個勵磁繞組,磁飽和的核心。被測量的電流通過主繞組,在核心產(chǎn)生磁場。當(dāng)該磁場達(dá)到給定的水平時,芯就會飽和,在這種情況下,在二次繞組中會產(chǎn)生大電壓,并有一個明確的指示要測量的電流。流門傳感器通常被認(rèn)為是當(dāng)今所有磁場探測器中最準(zhǔn)確的磁強(qiáng)計,盡管它的成本和復(fù)雜性都在增加。最近,新的技術(shù)進(jìn)步使制造效率更高、成本更低的芯片系統(tǒng)成為可能。

法拉第歸納定律

該原理將感應(yīng)電動勢(EMF)與磁通量的變化速率聯(lián)系起來,也可以用 電磁波 = – M × 信息接口 / Dt ,在哪里 M 線圈和導(dǎo)體之間的互感。這種方法更適用于較高頻率(即較高的Di/DT),但仍然低于線圈的共振頻率。

對將電流傳感器納入水波發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)注

為了精確地檢測各種類型的電流,開發(fā)一種用于廣域網(wǎng)電力電子的單一電流檢測方案是非常具有挑戰(zhàn)性的。其主要原因是幾何和尺寸小、對高傳感速度的需求、環(huán)境溫度的變化以及現(xiàn)代電力設(shè)備快速切換所造成的電磁輻射的上升,這可能導(dǎo)致錯誤的檢測和不準(zhǔn)確的測量。在評價將電流傳感器納入電力轉(zhuǎn)換器時,必須考慮以下因素:

· 孤立

· 攻擊性

· 尺寸和粗壯

· 帶寬和直流測量能力

· 抗噪音

· 準(zhǔn)確性

· 感知范圍能力

· 熱漂移

· 電力消耗和損失

· 代價

其中一些問題將在下一段中討論。

孤立

只有基于OOMI的電流傳感器需要電隔離,這是電力電子學(xué)中的一個大問題,在電力電子學(xué)中,各種電路元件之間的共模電壓差可能很大。因此,諸如傳感器等分流傳感器的使用僅限于在電力電子領(lǐng)域的低壓應(yīng)用或低電壓開關(guān)電流監(jiān)測。

侵入性傳感器

分流電阻具有侵入性,因為它必須與電路串聯(lián)放置。仍然可以使用非侵入或非接觸式傳感器測量電流。例如,非接觸式電流傳感器可能采用磁阻技術(shù),其概念是創(chuàng)建一個可以用磁強(qiáng)計檢測的磁場。

對于需要安全性和準(zhǔn)確性的高壓電流傳感器,電流探測器是理想的選擇,因為它們不會像三相逆變器那樣,改變基于WBT的電力電子的最佳布局。相比之下,電阻式電流傳感技術(shù)由于其電接觸而構(gòu)成重大挑戰(zhàn),更不用說在功率痕跡和熱量損失上存在寄生元素,這限制了元素對感知電流的響應(yīng)。另外,顯而易見的是,含有多氯聯(lián)苯的或RC探針是更好的替代物,因為它們是無創(chuàng)的,插入的電感可以忽略不計(一些納米亨利)。

帶寬和直流測量能力

目前感知帶寬涉及到傳感器能夠精確測量電流的頻率范圍。典型的情況是,由于開關(guān)能力較快,且進(jìn)/出的邊緣更清晰,因此需要在WBT電力電子產(chǎn)品中使用較高帶寬的電流傳感器,在那里帶寬應(yīng)該足夠?qū)?以捕捉電流波形的高頻分量。另一方面,開關(guān)-電流波形可以包含從直流到極高頻率的部件,唯一能夠測量直流達(dá)幾十兆赫(或千兆赫)的單方案電流傳感器是同軸分流器,它存在與隔離和侵入性有關(guān)的問題。一般而言,必須結(jié)合多種感知方法來檢測廣泛的頻率.

轉(zhuǎn)換EMI免疫

處理重要的DI/DT和DV/DT,是WBT電力電子技術(shù)中最重要的傳感和信號調(diào)節(jié)障礙之一。高頻開關(guān)和超高速開關(guān)導(dǎo)致射頻發(fā)射、EMI輻射、額外損耗和偽門電壓,具有很高的電容性DV/DT耦合風(fēng)險。這些問題會干擾其他元素的運行,降低整體性能和可靠性。為了避免這些問題,有必要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計傳感電路并通過降低高的DIT/DT速率來優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的布局。最好不要使用非孤立和侵入性的成分,以免寄生元素惡化EMI問題。

耗電量

電流傳感器的耗電量取決于焦耳加熱時的傳導(dǎo)損耗,如果它是分流電阻,或者如果它是非接觸式傳感器,如芯片上的流通門傳感器,則可能是由于電源的耗電。如果這些元件位于高效率低功率轉(zhuǎn)換器內(nèi),傳感器的耗電量是至關(guān)重要的。低功率傳感器更合適,因為它們需要最小的電源,而不需要冷卻系統(tǒng)。

保護(hù)、控制和定性

為了有效地保護(hù)有害電流,有效的電流傳感器必須在高速時準(zhǔn)確地檢測電流,因為故障檢測越快,電力電子電路的保護(hù)措施就越快。此外,不完善的校準(zhǔn)可能意味著錯誤的閱讀,這可能不必要地觸發(fā)斷路器,并產(chǎn)生不利的后果。

電力電子設(shè)備中使用的大多數(shù)控制方案都依賴于電流控制環(huán),從而使系統(tǒng)能夠在負(fù)載和電源變化時保持理想的電流水平。例如,光電并網(wǎng)系統(tǒng)需要精確的電流傳感器,以確保可靠和無縫的電網(wǎng)連接。

在硅和水閘功率器件的特性描述中,開關(guān)電流是廣泛應(yīng)用于大類評估的測量方法之一,例如電阻評價或通過雙脈沖測試器分析開關(guān)暫態(tài)。從這些測量中收集到的信息對于電力轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和優(yōu)化至關(guān)重要。