前言：逆變器作為一個組件，有很多的應用領域，也是新能源系統的一個重要單元。逆變器的性能直接影響電池利用率、設備的使用壽命。電壓、電流傳感器作為逆變器重要的“感知器官”，實時的監測、反饋關鍵參數，并由CPU采集、運算，最后根據預設條件做出精準控制。電流電壓傳感器這里起到了重要的故障防護、設備保護功能。本文系統的描述電壓、電流傳感器在各類逆變器中的應用場景和一些器件的選型策略。

一、逆變器系統概述與傳感器核心作用

逆變器是通過電力電子的高速開關動作，將低壓直流電/或者是儲能電池的直流電，最終轉換為某一特定頻率的低壓交流電。例如家儲逆變器里，48V的46800電池組通過逆變器升壓到220V Ac @ 50Hz，提供給后端的各種用電設備。其典型拓撲包含直流輸入、DC/DC升壓、DC/AC逆變、波形整形交流輸出幾大環節。電壓、電流傳感器在每個環節里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：

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電壓、電流傳感器在這些環節起到的核心作用：

實時監測?：

實時、精確采集各個部位的電流、電壓參數，傳遞給CPU，CPU做高速A/D，將模擬信號轉化成數字信號，為程序控制算法提供數據基礎；

?閉環控制?過程：

程序通過監測到的電壓、電流數據，進行數據運算和邏輯分析判斷，再去實現對功率器件（SiC/MOSFET/IGBT）等的精準控制，達到閉環控制目的；

?故障的防護和器件的保護?：

CPU通過檢測電壓、電流傳感器件輸出的信號，相應的做出設備過流、短路、漏電等異常狀態判斷，最終去觸發保護機制。

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：

電池組自身通常都有一套完整的BMS系統，包含了電池充電保護和放電過低的低壓保護功能，所以一般對其不需做檢測。安規等角度出發考慮，通常僅需要考慮光伏電池/儲能電池的漏電流監測。從硬件電路可靠性來說，可考慮漏電流傳感器布置在此處。因此處是一個電源低壓區域，各種干擾較小，容易處理，會是一個比較理想的位置；

?2. DC/DC升壓：

DC/DC升壓環節通常都是靠一個完整的電路實現從低壓例如48V升高到約300V。所以，一般不需要對升壓后的電壓做檢測；EMC/EMI上的考慮，是可以考慮此處增加防雷和浪涌保護，以防止后端元件損壞，導致設備異常，如下防雷部分的電路即可滿足抗2000V 浪涌/EFT等的測試。其電路見下：

3. DC/AC逆變環節：IGBT保護?，橋臂控制與故障保護

? 相較于MOS管，IGBT要昂貴的多，為了盡可能的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+300V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，去檢測出此類故障，例如芯森電子CN2A系列，其響應時間<0.5us，精度，約為0.2%；

此器件的響應時間<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，用于計算和顯示總輸出功率；2)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+300V與地直通，從而引起短路。放置此器件后，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CPU內部程序的計算所產生，這導致了程序的運行量大，CPU未必能迅速的匹配此0.5us的響應時間。加大CPU的工作主頻或者是升級CPU固然是一個辦法，但是，最好還是再最追加一個最大值檢測電路：該模擬量再通過一個窗口比較器的方式來轉成高低電平的數字信號，最后送入到CPU的中斷口，達到快速響應，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。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關斷。

如果是價格上的考慮，也可以采用更便宜些的開環的霍爾器件，例如芯森電子AN3V/AN1V/AS1V等系列，其響應時間，大約是3-5 us。

4. 交流輸出環節：電壓質量、諧波少

逆變器的負載，通常是給直接給電器設備、電源等等供電，所以還需要增加一個電感，把PWM還原成一個近似正弦波，提高供電的電能質量，減少諧波。

這個環節，通常可以不用傳感器，不需要監測電壓。

三、特殊環境下的應用挑戰與應對策略

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0.5oz，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,或者其它的。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，在阻焊層的包裹下，是無法散出熱量；

在這些大電流情況下，可以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，PCB選0.5 oz銅層厚度的FR4即可，在PCB板上開相應的焊盤通孔。這還是一個低成本的方案。

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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，正不斷地被工程師所認可。隨著碳化硅器件(Sic)器件等的逐步引入到逆變器行業，開關頻率的不斷提升，勢必推動傳感器行業邁入一個新的臺階。