逆变器中电压电流传感器应用

逆变器是通过电力电子的高速开关动作，将低压直流电或者储能电池的直流电，最终转换为某一特定频率的低压交流电的设备。例如家储逆变器里，48V 的 46800 电池组通过逆变器升压到 220V Ac @ 50Hz，提供给后端的各种用电设备。其典型拓扑包含直流输入、DC/DC 升压、DC/AC 逆变、波形整形交流输出几大环节。

电压、电流传感器在逆变器中扮演着至关重要的角色，堪称逆变器的 “感知器官”。其核心作用主要体现在以下几个方面：

实时监测：能够实时、精确地采集逆变器各个部位的电流、电压参数，并将这些数据传递给 CPU。CPU 进行高速 A/D 转换，把模拟信号转化成数字信号，从而为程序控制算法提供可靠的数据基础。

闭环控制：程序依据监测到的电压、电流数据，开展数据运算和逻辑分析判断，进而实现对功率器件(如 SiC、MOSFET、IGBT 等)的精准控制，达成闭环控制的目标，以此保障逆变器的稳定运行和高效性能。

故障防护与器件保护：CPU 通过检测电压、电流传感器件输出的信号，能够准确判断设备是否处于过流、短路、漏电等异常状态，一旦发现异常，便会迅速触发保护机制，避免设备损坏，确保系统安全。

二、电压、电流传感器在逆变器各个环节的实际应用

(一)直流输入环节

从电池组自身来看，通常都配备有一套完整的 BMS 系统，该系统具备电池充电保护和放电过低的低压保护功能，所以一般情况下无需对其进行额外检测。不过，从安规等角度考虑，通常需要关注光伏电池或储能电池的漏电流监测。从硬件电路可靠性方面分析，将漏电流传感器布置在此处是较为理想的选择，因为该区域属于电源低压区，各种干扰相对较小，便于处理。

(二)DC/DC 升压环节

DC/DC 升压环节一般依靠一个完整的电路，实现从低压(如 48V)升高到约 300V 的升压过程。在这个环节中，一般不需要对升压后的电压进行检测。但从 EMC/EMI 方面考虑，可以在此处增加防雷和浪涌保护装置，以防止后端元件因雷击或浪涌而损坏，进而导致设备异常。例如，某些防雷电路能够满足抗 2000V 浪涌 / EFT 等测试要求，可有效提升系统的稳定性和可靠性。

(三)DC/AC 逆变环节

IGBT 保护：相较于 MOS 管，IGBT 的成本更为昂贵。为了最大程度地保护功率管，防止其损坏，同时避免因功率管损坏导致上下桥臂直通，引发烧毁甚至电器起火等严重事故，有必要在 + 300V 总线上安装一个高精度、响应时间快的闭环霍尔电流传感器，如芯森电子 CN2A 系列，其响应时间 < 0.5us，精度约为 0.2%。该传感器在此处主要发挥两个重要作用：一是检测总输出电流，用于计算和显示总输出功率;二是起到类似保险管的保护作用，一旦某个桥臂的 MOS/IGBT 损坏，导致 + 300V 与地直通，引发短路故障，该传感器能够迅速检测到异常电流，及时采取保护措施。

桥臂控制与故障保护：尽管闭环电流传感器的响应时间极快，但考虑到逆变器输出的波形数据由 CPU 内部程序计算产生，程序运行量较大，CPU 可能无法迅速匹配传感器 0.5us 的响应时间。为解决这一问题，除了加大 CPU 工作主频或升级 CPU 外，还可以追加一个最大值检测电路。该电路通过窗口比较器将模拟量转换为高低电平的数字信号，然后送入 CPU 的中断口，实现快速响应，迅速切断 IGBT 的输出，从而有效保护设备。此外，从硬件电路响应速度远高于程序的角度出发，该保护信号也可以引入到 MOS/IGBT 的驱动 IC 的使能端，这样能够比程序更快速地关断功率器件，进一步提高保护的及时性和有效性。

成本考量下的传感器选择：如果在成本方面有所考虑，也可以采用价格更为便宜的开环霍尔器件，如芯森电子 AN3V/AN1V/AS1V 等系列，其响应时间大约在 3 - 5us。虽然开环霍尔器件在性能上可能稍逊于闭环霍尔电流传感器，但在一些对成本较为敏感且对性能要求不是特别苛刻的应用场景中，仍然具有一定的应用价值。

(四)交流输出环节

逆变器的负载通常直接为电器设备、电源等供电。为了提高供电的电能质量，减少谐波对负载设备的影响，一般需要在交流输出环节增加一个电感，将 PWM 波还原成一个近似正弦波。在这个环节中，通常不需要使用传感器对电压进行监测。不过，在一些对电能质量要求极高的特殊应用场景中，也可以根据实际需求安装相应的传感器，以实时监测电压质量，确保输出电压满足负载设备的严格要求。

三、特殊环境下的应用挑战与应对策略

(一)温度影响与应对措施

在一些极端温度环境下，电压、电流传感器的性能可能会受到显著影响。例如，在极寒环境(-40℃以下)中，传感器的精度可能会下降，甚至出现误保护等问题。为了应对这一挑战，应尽量选用高精度、低温漂的闭环霍尔器件，这类器件的温漂 < 50ppm/℃，可以有效降低温度漂移对测量精度的影响，减少误保护情况的发生。更为可靠的做法是引入 BMS 系统中常用的硅橡胶加热膜 / PTC 加热器，通过程序作为主控，精确控制加热膜的启动和停止，同时配备机械温控器作为二级保护。这样的双重保护机制能够有效提高整个逆变器件在全温度环境下的运行可靠性，确保逆变器在恶劣温度条件下仍能稳定工作。

(二)封装要求

在一些特殊环境中，如高湿度、多尘等恶劣工况下，对传感器的封装提出了更高的要求。器件通常需要采用满足 IP67 要求的结构设计，以确保良好的密封性和防护性能，适应绝缘耐压要求。IP67 防护等级意味着传感器能够在一定深度的水中浸泡一段时间而不受影响，同时能够有效防止灰尘等杂质的侵入，从而保证传感器在恶劣环境下的正常工作，延长其使用寿命，提高系统的整体可靠性。

(三)大电流应用场景

在大电流应用场景中，PCB 的铜厚度对电流承载能力具有重要影响。通常，PCB 的铜厚度有 0.5oz、1oz、2oz、5oz 等规格。为了满足大电流通过的需求，要么加宽走线，要么加厚铜层厚度，或者同时采取这两种措施。然而，即使进行了这些处理，仅依靠 PCB 走线来通过高达 100A 的电流，在可靠性方面仍然存在诸多问题。例如，铜层产生的热量在阻焊层的包裹下难以散发，可能导致 PCB 温度过高，影响器件性能甚至引发故障。在这种情况下，可以考虑采用穿线方式的霍尔电流传感器。这种传感器只需使用最多 10mm² 的铜线 / 铜排，就能轻松通过 100A 电流，同时 PCB 可选择 0.5oz 铜层厚度的 FR4 材料，并在 PCB 板上开设相应的焊盘通孔。这种方案不仅能够满足大电流传输的要求，还具有成本低、散热好等优点，是大电流应用场景下的一种理想选择。

随着新能源技术的不断发展，逆变器在各个领域的应用越来越广泛，对电压、电流传感器的性能和可靠性也提出了更高的要求。通过合理选择和应用传感器，并针对特殊环境采取有效的应对策略，能够充分发挥逆变器的性能优势，提高系统的稳定性和可靠性，为新能源产业的发展提供有力支持。