前言：光伏逆變器是新能源系統的一個核心單元，其性能直接影響發電效率、設備的使用壽命與并網電網的質量。電壓、電流傳感器作為逆變器中重要的“感知器官”，實時的監測并反饋關鍵參數，傳輸給CPU進行采集、運算，程序最后根據算法和預設條件做出精準控制。正確使用這些器件對保障設備的正常工作起到了重要的作用。本文系統的描述電壓、電流傳感器在光伏逆變器中的應用場景和一些器件的選型策略。

組串式和集中式逆變器的差別：

光伏逆變系統分組串式和集中式兩種，兩種的差異并不大。集中式是單一大功率逆變器，適用于大型地面電站，母線電壓高，一般是1500V，甚至有些已經到了2000V，通常的功率是320KW左右，成本效益顯著。

組串式功率較小，電壓較低，配置、使用靈活。母線大致是600V的電壓，50KW左右的功率。這些小功率的逆變器，其輸出的電壓最后都并連在一起，并入輸電電網輸電。

也可以這么理解，一個320KW集中式光伏逆變器，就是10個組串式32KW光伏逆變器并聯；組串式和集中式有其各自的優缺點且同時存在；

一、逆變器系統概述與傳感器核心作用

光伏逆變器是通過電力電子的高速開關動作，將光伏陣列所發出的直流電，轉換為交流電，匯入輸電網，最終提供到終端的各種用電設備。其典型拓撲包含直流輸入、防雷、DC/DC升壓、DC/AC逆變、波形整形交流輸出等幾大環節。電壓、電流傳感器在每個環節里的正確使用均可以發揮重要的作用，主要看設計者所追求的目標。其整體方框圖大致如下：

?

電壓、電流傳感器在這些環節起到的核心作用分別是：

實時監測?：

實時且精確的采集節點的電流、電壓參數，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號轉變成數字信號，為程序的控制算法和邏輯判斷提供堅實的數據基礎；

?閉環控制?過程：

程序通過檢測到電壓、電流數據，進行數值運算和邏輯分析判斷，再去實現對功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準閉環控制；

?故障的防護和器件的保護?：

CPU通過檢測并分析電壓、電流傳感器件輸出的信號，相應的作出設備過流、短路、漏電等異常狀態判斷，然后去觸發保護機制。這也要求傳感器能快速的反應原邊信號；

二、電壓、電流傳感器在逆變器各個環節的實際應用

1. 直流輸入環節：

單塊光伏電池PV發出的直流電，通過竄、并聯，電壓抬升到600V/1500V。安規等角度出發考慮，通常需要考慮光伏電池PV的漏電流監測。

?2. DC/DC升壓和防雷環節：

DC/DC升壓環節通常會靠一個完整的電路實現，一般不需要刻意關注該電壓，但為了滿足MPPT(最大功率追蹤)；在DC/DC的輸入級一般要考慮加一個電壓傳感器。組串式因其電壓約為600V，所以選用VN1A-1M-P01的器件即可，該器件最大檢測到1100V的電壓；

集中式因其電壓高達1500V，VN1V-1M-P01就不合適，可以選用VN3A 2000 M15

輸入級通常還要做防雷和浪涌保護，以防止后端元件損壞，導致設備異常，如下的電路即可滿足至少抗4000V 浪涌/EFT等的測試。其電路見下：

3. DC/AC逆變環節：

? 這個環節需要關注IGBT橋臂的控制與故障保護。盡管IGBT的di2/dt的值比較高，耐受短暫的過沖擊電流能力比MOS管要強，一般短時間的過沖不容易壞，但因其價格昂貴，尤其是大功率的器件。需要為了保護功率管不被損壞，或者，為了保護因功率管的損壞后，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+HV總線上放置一個高精度，響應時間快的閉環霍爾電流傳感器，例如CN2A系列，其響應時間<0.5us，精度，約為0.2%；

放置在+HV處的器件響應時間<0.5us

此高精度閉環霍爾傳感器放置在此處，起兩個主要的作用：1)檢測總輸出電流，可以用于計算和顯示總輸出功率；2)起到類似保險管一樣的保護作用；一旦某個橋臂的MOS/IGBT損壞，勢必會導致+HV與地直通，從而引起短路，此類故障會被迅速的檢測出來；

雖然閉環的電流傳感器的響應時間<0.5us，但是，考慮到逆變器輸出的波形數據是由程序所產生，這導致了程序量比較大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的響應時間。提升CPU的主頻是一個好的方法，但最好還是再最追加一個最大值檢測電路，該模擬量值通過一個窗口比較器的方式來轉成高、低(H/L)電平的數字信號，低電平正常，高電平故障。最后送入到CPU的中斷口，達到程序的快速響應，迅速切斷IGBT的輸出，起到保護目的；

? 考慮到硬件電路的響應速度會遠高于程序的運行和判斷，那么這個保護信號，也可以是引入到MOS/IGBT的驅動IC的使能端，這樣可以比程序更快速的做關斷。

4. 交流輸出環節：同步并網與電能質量

逆變器的負載，如果是電機類負載，一般直接接到輸出端即可；但若是并網輸電和供給其它的電器設備、電源等等，還需要增加一個電感，把PWM過濾成一個正弦波，提高輸電電能質量。如認為有需要，也可以在此處放置一個電壓傳感器，放置在變壓器的前級。

三、特定環境下的應用挑戰與應對策略

極寒環境（-40℃以下）

? 盡量選用高精度、低溫漂閉環霍爾器件，器件的溫漂<50ppm/℃，可以有效的規避溫度漂移所導致的一些誤保護。更可靠的做法是引入BMS系統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、停止，由機械溫控器作為二級保護，可有效的提高整個逆變器件全溫度環境下的運行可靠性。

?封裝:器件通常采用滿足IP67要求的結構設計，以更好的適應絕緣耐壓要求

大電流應用場景

PCB的銅厚度，通常為1oz，2oz，5oz等等；顯然的，為了流過大電流，需要更大銅截面積，那要么加寬走線，要么加厚銅層厚度。或者同時加寬線寬，加厚銅層。即使是如此處理了，不單是大幅增加成本，且僅靠PCB的走線去走高達100A的電流也是難以滿足可靠性要求：銅層所產生的熱量，在PCB阻焊層的包裹下，是無法散出熱量；

在此情況下，可以采用考慮穿線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100A，在PCB板上只需要開相應的通孔焊盤即可。這是一個低成本的方案。

?

?更高隔離耐壓?：器件原副邊的爬電距離設計，已經考慮了支持1500V以上系統的要求，可以直接用；

結語

電壓、電流傳感器在光伏逆變器中已從基礎測量元件，逐步演變成為提供系統安全與效率的核心保障部件。隨著光伏電池PV電壓從600V上升到1500V，再向上到2000V、開關頻率的不斷提升，勢必推動傳感器不斷的向更高精度、更短響應時間、智能化方向演進。反過來，也進一步推動了光伏逆變系統向更可靠、更短的維護時間方向發展。