将目前的传感器纳入WBT转换器的挑战

电力电子学中的电流传感是指一套测量电流的技术,具有足够的精度。精确电流传感在电力转换器中对于实现保护和控制以及确保可靠性至关重要。

大间隙功率转换器由于其固有的空间和尺寸有限、所需的高检测速度和高检测率,使开发单一的电流传感器方案变得困难。在匹配所有需求方面的不同权衡使得很难实现一种适用于所有情况的电流感知方法。研究了改进现有单方案电流传感器性能的方法。

电流感应技术

电流传感器的功能是测量交流和直流电流.在电力应用中,电流监控可用于多种目的,如检测故障情况、性能监控和观察系统行为的异常变化。目前已经开发了各种不同的传感方法,每种方法都有优缺点。主要建议概述如下。

电阻器

A 电阻器 是一个低电阻元件,与电流路径串联,电压降穿过它与电流成正比(欧姆定律)。分流电阻可以是表面安装,同轴,铜痕,一些MOSFET的细胞(感觉费茨),甚至是MOSFET的电阻。一个电感也属于这一类,只要一个积分器被添加到把电压转换成电流。缺点包括缺乏电隔离,寄生元素,如串联电感,功率损失和敏感性变化由于温度变化。

电流变压器

电流变压器由一个主绕组和一个次级绕组组成,通过该绕组,电流与主电流成正比。通过改变转动率和选择核心属性, 电流变压器 适用于各种情况.然而,目前的变压器虽然成本低,具有良好的免疫性和良好的隔离性能,但它们受到核心饱和度的限制,从而限制了精度,并且在较高频率下对渗透率的温度依赖性降低。

罗戈夫斯基线圈

与电流变压器类似,他们使用气芯线圈,但需要一个积分器来补偿低频率增益由空气芯提供。这些弹性线圈只适合测量交流电流.它们不需要电隔离,经常用于电力质量监测。

人体效应传感器

一个同时检测交流和直流的人体效应传感器,利用由与电流垂直的磁场所产生的电压穿过导体(几十微伏特)。为了避免外场干扰,他们需要高渗透芯和低噪声放大器,考虑到低信号产生。此外,它们的响应速度低于100千赫,因此需要一个电流变压器来改进带宽,特别是在封闭循环中。

飞门传感器

用于交流和直流检测的磁通门传感器的原理依赖于某些磁性材料的饱和行为。他们是建立了一个高渗透芯,初级和次级绕组,以及一个励磁绕组,磁饱和的核心。被测量的电流通过主绕组,在核心产生磁场。当该磁场达到给定的水平时,芯就会饱和,在这种情况下,在二次绕组中会产生大电压,并有一个明确的指示要测量的电流。流门传感器通常被认为是当今所有磁场探测器中最准确的磁强计,尽管它的成本和复杂性都在增加。最近,新的技术进步使制造效率更高、成本更低的芯片系统成为可能。

法拉第归纳定律

该原理将感应电动势(EMF)与磁通量的变化速率联系起来,也可以用 电磁波 = – M × 信息接口 / Dt ,在哪里 M 线圈和导体之间的互感。这种方法更适用于较高频率(即较高的Di/DT),但仍然低于线圈的共振频率。

对将电流传感器纳入水波发电系统的关注

为了精确地检测各种类型的电流,开发一种用于广域网电力电子的单一电流检测方案是非常具有挑战性的。其主要原因是几何和尺寸小、对高传感速度的需求、环境温度的变化以及现代电力设备快速切换所造成的电磁辐射的上升,这可能导致错误的检测和不准确的测量。在评价将电流传感器纳入电力转换器时,必须考虑以下因素:

· 孤立

· 攻击性

· 尺寸和粗壮

· 带宽和直流测量能力

· 抗噪音

· 准确性

· 感知范围能力

· 热漂移

· 电力消耗和损失

· 代价

其中一些问题将在下一段中讨论。

孤立

只有基于OOMI的电流传感器需要电隔离,这是电力电子学中的一个大问题,在电力电子学中,各种电路元件之间的共模电压差可能很大。因此,诸如传感器等分流传感器的使用仅限于在电力电子领域的低压应用或低电压开关电流监测。

侵入性传感器

分流电阻具有侵入性,因为它必须与电路串联放置。仍然可以使用非侵入或非接触式传感器测量电流。例如,非接触式电流传感器可能采用磁阻技术,其概念是创建一个可以用磁强计检测的磁场。

对于需要安全性和准确性的高压电流传感器,电流探测器是理想的选择,因为它们不会像三相逆变器那样,改变基于WBT的电力电子的最佳布局。相比之下,电阻式电流传感技术由于其电接触而构成重大挑战,更不用说在功率痕迹和热量损失上存在寄生元素,这限制了元素对感知电流的响应。另外,显而易见的是,含有多氯联苯的或RC探针是更好的替代物,因为它们是无创的,插入的电感可以忽略不计(一些纳米亨利)。

带宽和直流测量能力

目前感知带宽涉及到传感器能够精确测量电流的频率范围。典型的情况是,由于开关能力较快,且进/出的边缘更清晰,因此需要在WBT电力电子产品中使用较高带宽的电流传感器,在那里带宽应该足够宽,以捕捉电流波形的高频分量。另一方面,开关-电流波形可以包含从直流到极高频率的部件,唯一能够测量直流达几十兆赫(或千兆赫)的单方案电流传感器是同轴分流器,它存在与隔离和侵入性有关的问题。一般而言,必须结合多种感知方法来检测广泛的频率.

转换EMI免疫

处理重要的DI/DT和DV/DT,是WBT电力电子技术中最重要的传感和信号调节障碍之一。高频开关和超高速开关导致射频发射、EMI辐射、额外损耗和伪门电压,具有很高的电容性DV/DT耦合风险。这些问题会干扰其他元素的运行,降低整体性能和可靠性。为了避免这些问题,有必要适当地设计传感电路并通过降低高的DIT/DT速率来优化转换器的布局。最好不要使用非孤立和侵入性的成分,以免寄生元素恶化EMI问题。

耗电量

电流传感器的耗电量取决于焦耳加热时的传导损耗,如果它是分流电阻,或者如果它是非接触式传感器,如芯片上的流通门传感器,则可能是由于电源的耗电。如果这些元件位于高效率低功率转换器内,传感器的耗电量是至关重要的。低功率传感器更合适,因为它们需要最小的电源,而不需要冷却系统。

保护、控制和定性

为了有效地保护有害电流,有效的电流传感器必须在高速时准确地检测电流,因为故障检测越快,电力电子电路的保护措施就越快。此外,不完善的校准可能意味着错误的阅读,这可能不必要地触发断路器,并产生不利的后果。

电力电子设备中使用的大多数控制方案都依赖于电流控制环,从而使系统能够在负载和电源变化时保持理想的电流水平。例如,光电并网系统需要精确的电流传感器,以确保可靠和无缝的电网连接。

在硅和水闸功率器件的特性描述中,开关电流是广泛应用于大类评估的测量方法之一,例如电阻评价或通过双脉冲测试器分析开关暂态。从这些测量中收集到的信息对于电力转换器的设计和优化至关重要。