前言：光伏逆變器是新能源系統(tǒng)的一個(gè)核心單元，其性能直接影響發(fā)電效率、設(shè)備的使用壽命與并網(wǎng)電網(wǎng)的質(zhì)量。電壓、電流傳感器作為逆變器中重要的“感知器官”，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)并反饋關(guān)鍵參數(shù)，傳輸給CPU進(jìn)行采集、運(yùn)算，程序最后根據(jù)算法和預(yù)設(shè)條件做出精準(zhǔn)控制。正確使用這些器件對(duì)保障設(shè)備的正常工作起到了重要的作用。本文系統(tǒng)的描述電壓、電流傳感器在光伏逆變器中的應(yīng)用場(chǎng)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(tǒng)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(jīng)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(wǎng)輸電。

也可以這么理解，一個(gè)320KW集中式光伏逆變器，就是10個(gè)組串式32KW光伏逆變器并聯(lián)；組串式和集中式有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)且同時(shí)存在；

一、逆變器系統(tǒng)概述與傳感器核心作用

光伏逆變器是通過(guò)電力電子的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將光伏陣列所發(fā)出的直流電，轉(zhuǎn)換為交流電，匯入輸電網(wǎng)，最終提供到終端的各種用電設(shè)備。其典型拓?fù)浒?strong>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(huán)節(jié)。電壓、電流傳感器在每個(gè)環(huán)節(jié)里的正確使用均可以發(fā)揮重要的作用，主要看設(shè)計(jì)者所追求的目標(biāo)。其整體方框圖大致如下：

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電壓、電流傳感器在這些環(huán)節(jié)起到的核心作用分別是：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?：

實(shí)時(shí)且精確的采集節(jié)點(diǎn)的電流、電壓參數(shù)，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，為程序的控制算法和邏輯判斷提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

?閉環(huán)控制?過(guò)程：

程序通過(guò)檢測(cè)到電壓、電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算和邏輯分析判斷，再去實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準(zhǔn)閉環(huán)控制；

?故障的防護(hù)和器件的保護(hù)?：

CPU通過(guò)檢測(cè)并分析電壓、電流傳感器件輸出的信號(hào)，相應(yīng)的作出設(shè)備過(guò)流、短路、漏電等異常狀態(tài)判斷，然后去觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。這也要求傳感器能快速的反應(yīng)原邊信號(hào)；

二、電壓、電流傳感器在逆變器各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用

1. 直流輸入環(huán)節(jié)：

單塊光伏電池PV發(fā)出的直流電，通過(guò)竄、并聯(lián)，電壓抬升到600V/1500V。安規(guī)等角度出發(fā)考慮，通常需要考慮光伏電池PV的漏電流監(jiān)測(cè)。

?2. DC/DC升壓和防雷環(huán)節(jié)：

DC/DC升壓環(huán)節(jié)通常會(huì)靠一個(gè)完整的電路實(shí)現(xiàn)，一般不需要刻意關(guān)注該電壓，但為了滿足MPPT(最大功率追蹤)；在DC/DC的輸入級(jí)一般要考慮加一個(gè)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(cè)到1100V的電壓；

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

輸入級(jí)通常還要做防雷和浪涌保護(hù)，以防止后端元件損壞，導(dǎo)致設(shè)備異常，如下的電路即可滿足至少抗4000V 浪涌/EFT等的測(cè)試。其電路見(jiàn)下：

3. DC/AC逆變環(huán)節(jié)：

? 這個(gè)環(huán)節(jié)需要關(guān)注IGBT橋臂的控制與故障保護(hù)。盡管IGBT的di2/dt的值比較高，耐受短暫的過(guò)沖擊電流能力比MOS管要強(qiáng)，一般短時(shí)間的過(guò)沖不容易壞，但因其價(jià)格昂貴，尤其是大功率的器件。需要為了保護(hù)功率管不被損壞，或者，為了保護(hù)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(gè)高精度，響應(yīng)時(shí)間快的閉環(huán)霍爾電流傳感器，例如CN2A系列，其響應(yīng)時(shí)間<0.5us，精度，約為0.2%；

放置在+HV處的器件響應(yīng)時(shí)間<0.5us

此高精度閉環(huán)霍爾傳感器放置在此處，起兩個(gè)主要的作用：1)檢測(cè)總輸出電流，可以用于計(jì)算和顯示總輸出功率；2)起到類(lèi)似保險(xiǎn)管一樣的保護(hù)作用；一旦某個(gè)橋臂的MOS/IGBT損壞，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致+HV與地直通，從而引起短路，此類(lèi)故障會(huì)被迅速的檢測(cè)出來(lái)；

雖然閉環(huán)的電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間<0.5us，但是，考慮到逆變器輸出的波形數(shù)據(jù)是由程序所產(chǎn)生，這導(dǎo)致了程序量比較大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的響應(yīng)時(shí)間。提升CPU的主頻是一個(gè)好的方法，但最好還是再最追加一個(gè)最大值檢測(cè)電路，該模擬量值通過(guò)一個(gè)窗口比較器的方式來(lái)轉(zhuǎn)成高、低(H/L)電平的數(shù)字信號(hào)，低電平正常，高電平故障。最后送入到CPU的中斷口，達(dá)到程序的快速響應(yīng)，迅速切斷IGBT的輸出，起到保護(hù)目的；

? 考慮到硬件電路的響應(yīng)速度會(huì)遠(yuǎn)高于程序的運(yùn)行和判斷，那么這個(gè)保護(hù)信號(hào)，也可以是引入到MOS/IGBT的驅(qū)動(dòng)IC的使能端，這樣可以比程序更快速的做關(guān)斷。

4. 交流輸出環(huán)節(jié)：同步并網(wǎng)與電能質(zhì)量

逆變器的負(fù)載，如果是電機(jī)類(lèi)負(fù)載，一般直接接到輸出端即可；但若是并網(wǎng)輸電和供給其它的電器設(shè)備、電源等等，還需要增加一個(gè)電感，把PWM過(guò)濾成一個(gè)正弦波，提高輸電電能質(zhì)量。如認(rèn)為有需要，也可以在此處放置一個(gè)電壓傳感器，放置在變壓器的前級(jí)。

三、特定環(huán)境下的應(yīng)用挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

極寒環(huán)境（-40℃以下）

? 盡量選用高精度、低溫漂閉環(huán)霍爾器件，器件的溫漂<50ppm/℃，可以有效的規(guī)避溫度漂移所導(dǎo)致的一些誤保護(hù)。更可靠的做法是引入BMS系統(tǒng)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(dòng)、停止，由機(jī)械溫控器作為二級(jí)保護(hù)，可有效的提高整個(gè)逆變器件全溫度環(huán)境下的運(yùn)行可靠性。

?封裝:器件通常采用滿足IP67要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以更好的適應(yīng)絕緣耐壓要求

大電流應(yīng)用場(chǎng)景

PCB的銅厚度，通常為1oz，2oz，5oz等等；顯然的，為了流過(guò)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(shí)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(dá)100A的電流也是難以滿足可靠性要求：銅層所產(chǎn)生的熱量，在PCB阻焊層的包裹下，是無(wú)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(guò)100A，在PCB板上只需要開(kāi)相應(yīng)的通孔焊盤(pán)即可。這是一個(gè)低成本的方案。

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?更高隔離耐壓?：器件原副邊的爬電距離設(shè)計(jì)，已經(jīng)考慮了支持1500V以上系統(tǒng)的要求，可以直接用；

結(jié)語(yǔ)

電壓、電流傳感器在光伏逆變器中已從基礎(chǔ)測(cè)量元件，逐步演變成為提供系統(tǒng)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(kāi)關(guān)頻率的不斷提升，勢(shì)必推動(dòng)傳感器不斷的向更高精度、更短響應(yīng)時(shí)間、智能化方向演進(jìn)。反過(guò)來(lái)，也進(jìn)一步推動(dòng)了光伏逆變系統(tǒng)向更可靠、更短的維護(hù)時(shí)間方向發(fā)展。