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(cè)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(duì)于實(shí)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(cè)速度和高檢測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)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(diǎn)。主要建議概述如下。

電阻器

A?電阻器 是一個(gè)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(fèi)茨),甚至是MOSFET的電阻。一個(gè)電感也屬于這一類,只要一個(gè)積分器被添加到把電壓轉(zhuǎn)換成電流。缺點(diǎn)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(gè)主繞組和一個(gè)次級(jí)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(dòng)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(duì)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(gè)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(cè)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(cè)。

人體效應(yīng)傳感器

一個(gè)同時(shí)檢測(cè)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(chǎng)所產(chǎn)生的電壓穿過導(dǎo)體(幾十微伏特)。為了避免外場(chǎng)干擾,他們需要高滲透芯和低噪聲放大器,考慮到低信號(hào)產(chǎn)生。此外,它們的響應(yīng)速度低于100千赫,因此需要一個(gè)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(cè)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(gè)高滲透芯,初級(jí)和次級(jí)繞組,以及一個(gè)勵(lì)磁繞組,磁飽和的核心。被測(cè)量的電流通過主繞組,在核心產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)該磁場(chǎng)達(dá)到給定的水平時(shí),芯就會(huì)飽和,在這種情況下,在二次繞組中會(huì)產(chǎn)生大電壓,并有一個(gè)明確的指示要測(cè)量的電流。流門傳感器通常被認(rèn)為是當(dāng)今所有磁場(chǎng)探測(cè)器中最準(zhǔn)確的磁強(qiáng)計(jì),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(dòng)勢(shì)(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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(cuò)誤的檢測(cè)和不準(zhǔn)確的測(cè)量。在評(píng)價(jià)將電流傳感器納入電力轉(zhuǎn)換器時(shí),必須考慮以下因素:

· 孤立

· 攻擊性

· 尺寸和粗壯

· 帶寬和直流測(cè)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(jià)

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(gè)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(cè)。

侵入性傳感器

分流電阻具有侵入性,因?yàn)樗仨毰c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(cè)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(gè)可以用磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)的磁場(chǎng)。

對(duì)于需要安全性和準(zhǔn)確性的高壓電流傳感器,電流探測(cè)器是理想的選擇,因?yàn)樗鼈儾粫?huì)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(duì)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?yàn)樗鼈兪菬o創(chuàng)的,插入的電感可以忽略不計(jì)(一些納米亨利)。

帶寬和直流測(cè)量能力

目前感知帶寬涉及到傳感器能夠精確測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)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(xiǎn)。這些問題會(huì)干擾其他元素的運(yùn)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(jì)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(shí)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?yàn)樗鼈冃枰钚〉碾娫?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(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)電流,因?yàn)楣收蠙z測(cè)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(cuò)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(shí)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(píng)估的測(cè)量方法之一,例如電阻評(píng)價(jià)或通過雙脈沖測(cè)試器分析開關(guān)暫態(tài)。從這些測(cè)量中收集到的信息對(duì)于電力轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。