En cualquier sistema eléctrico, la corriente es un parámetro vital. Tanto los sistemas de carga de vehículos eléctricos (EV) como los sistemas solares requieren la detección de niveles de corriente para controlar y monitorear la conversión, carga y descarga de energía. Los sensores de corriente miden la corriente monitoreando la caída de voltaje a través de una resistencia en derivación o el campo magnético creado por la corriente en un conductor.
Los esquemas de control de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) utilizan información actual para controlar el funcionamiento del inversor fotovoltaico o para detectar corriente dentro o fuera de la salida de CA para proteger los componentes contra sobrecorriente o eventos de falla. Hay muchos tipos diferentes de sensores de corriente disponibles y cada tecnología tiene sus propias ventajas y desventajas. El tipo de sensor de corriente más apropiado para una aplicación específica depende de varios factores, incluido el nivel de potencia del sistema, la precisión esperada y el costo. Este artículo explora qué dispositivos son adecuados para detectar corriente en cargadores de vehículos eléctricos e inversores fotovoltaicos.
Detección de corriente en cargadores de vehículos eléctricos.
En los cargadores de vehículos eléctricos, los sensores de corriente se utilizan para medir la corriente en ubicaciones como la fuente de alimentación de CA de entrada, el convertidor CC/CC y la fuente de alimentación de salida para confirmar si el cargador está suministrando correctamente energía de CA al cargador a bordo del vehículo eléctrico. sistema, o la energía CC se suministra directamente a la batería. Hoy en día, las baterías de 400 V están avanzando hacia voltajes de 800 V y más altos para obtener mayor potencia y una carga más rápida.
En los cargadores de Nivel 1 y Nivel 2, el cargador suministra energía de CA al cargador integrado del vehículo eléctrico, que a su vez convierte la energía de CA entrante a niveles de voltaje y corriente más apropiados para cargar la batería del vehículo eléctrico. En los cargadores domésticos de Nivel 1 y Nivel 2, la detección de corriente normalmente no requiere una precisión muy alta porque no se factura al usuario. Sin embargo, la información actual brinda a los usuarios una descripción general del consumo de corriente y energía a través de una aplicación o la interfaz de usuario del cargador. La Figura 1 muestra dos cargadores de vehículos eléctricos de nivel 2 y dos vehículos eléctricos en carga en un estacionamiento.
En un cargador de vehículos eléctricos de nivel 3, la infraestructura de carga convierte la energía de CA en energía de CC para entregar rápidamente energía de CC directamente a la batería, sin pasar por los cargadores tradicionales a bordo y permitiendo una carga ultrarrápida de vehículos eléctricos en la estación de carga. La mayor capacidad de energía en los cargadores y baterías de vehículos eléctricos ayuda a satisfacer la necesidad de una carga rápida y una mayor autonomía de conducción. La detección de corriente puede ayudar a controlar el proceso de carga para garantizar una carga óptima y segura de las baterías, extendiendo la vida útil de los vehículos eléctricos y los sistemas de baterías.
En un cargador de Nivel 3, la frecuencia de la señal de conmutación es de 50 kHz a 100 kHz, por lo que se requiere un sensor de corriente de al menos 250 kHz para obtener datos de medición adecuados. Además, el retardo de propagación también es muy importante porque el sensor de corriente debe poder responder rápidamente a los cambios en la conmutación de la señal. Los dispositivos como el TMCS1123 de Texas Instruments tienen un error máximo de ±1,75% sobre la temperatura y la vida útil sin calibración, que cae a ±1,00% sobre la temperatura y la vida útil después de una calibración de un solo punto.
Debido a que el TMCS1123 tiene alta precisión y velocidad en la información actual, estas especificaciones de precisión y velocidad permiten a los ingenieros de sistemas eliminar los condensadores de bloqueo de CC de los convertidores CC/CC aislados, lo que ayuda a los ingenieros de sistemas a ahorrar costos al diseñar cargadores de Nivel 3. .
Detección de corriente en inversores fotovoltaicos.
En los sistemas de inversores fotovoltaicos, los sensores de corriente se utilizan para medir la corriente en una variedad de configuraciones, como las entradas de CA y CC del inversor, el refuerzo de CC/CC, los convertidores de CC/CC y la salida de la red, lo que ayuda a monitorear y controlar la energía. proceso de conversión. La detección de corriente se realiza en rieles eléctricos individuales en inversores fotovoltaicos residenciales, donde los niveles de voltaje en los rieles pueden ser tan altos como 1000 VCC, pero el voltaje en la entrada fotovoltaica suele ser de alrededor de 500 V a 600 VCC, y la entrada y salida de la red son hasta 400 VCA. La función de detección de corriente puede ayudar a optimizar el sistema de inversor fotovoltaico, asegurando que los niveles de potencia y las frecuencias entregadas en la salida de la red sean confiables y apropiadas para que todas las cargas estén dentro de su área operativa segura (SOA).
Las señales de conmutación de los inversores fotovoltaicos son similares a las de los cargadores de vehículos eléctricos, con frecuencias entre 50kHz y 100kHz. Además, los sensores de corriente se pueden utilizar con fines de diagnóstico, como monitorear los paneles solares en busca de fallas que puedan indicar conexiones sueltas o paneles dañados. El TMCS1123 ofrece un voltaje de funcionamiento mejorado de ±1100 VCC, lo que lo hace ideal para usar con la mayoría de los inversores de cadena. La Figura 2 muestra varios ejemplos de detección de corriente y voltaje utilizados en inversores de cadena monofásicos con las partes del circuito correspondientes marcadas en cuadros rojos.
Consideraciones de diseño de detección actual
Veamos algunas de las principales consideraciones a la hora de seleccionar sensores de corriente para sistemas de carga de vehículos eléctricos y sistemas de inversores fotovoltaicos:
• potencia nominal. El sensor de corriente (ya sea basado en imán, en derivación u otra tecnología) debe poder manejar los niveles operativos de corriente y voltaje del sistema. Los diseñadores deben seleccionar técnicas apropiadas basadas en las entradas del sistema para garantizar que la corriente pueda fluir hacia el sistema de forma ininterrumpida durante toda su vida útil.
• Exactitud. Los sensores actuales deben ser lo suficientemente precisos para proporcionar las funciones de control y monitoreo previstas para garantizar que el sistema funcione como se espera dentro de la SOA. La alta precisión ayuda a mantener altos niveles de eficiencia al tiempo que reduce el número de componentes y cualquier armónico que pueda inyectarse en la red debido a sistemas de conmutación ruidosos.
• Banda ancha. En los sistemas de conmutación, la velocidad es un parámetro importante. El TMCS1123 ofrece un ancho de banda de señal de 250 kHz y un retardo de propagación de 600 ns, lo que le da al sistema la velocidad suficiente para realizar las mediciones adecuadas. TI también está desarrollando más dispositivos de alta velocidad con dimensiones mecánicas similares. Observamos que en nuestros dispositivos el retardo de propagación disminuye a medida que aumenta el ancho de banda.
• costo. Al seleccionar un sensor actual, hay que sopesar el coste del sensor frente a las ventajas que ofrece. Si bien los sensores de corriente de efecto Hall empaquetados en una sola pieza a menudo se limitan a detectar corriente dentro de un rango específico, los sistemas basados en derivación son más flexibles porque puede elegir el valor de la resistencia de derivación según los parámetros del sistema.
Tecnología de detección de corriente basada en derivaciones
En los sistemas de carga de vehículos eléctricos, sistemas de inversores fotovoltaicos y otros sistemas que requieren detección de corriente, las tecnologías de detección de corriente más comunes son los sensores de corriente de efecto Hall y los sensores de corriente basados en derivación.
Los sensores de corriente basados en derivación son generalmente más precisos en todo el rango de corriente que los sensores de corriente de efecto Hall. Cuando se utiliza tecnología de amplificador estable o convertidores analógicos a digitales (ADC) y resistencias de derivación de precisión, los sensores de corriente basados en derivación pueden lograr menos del 1 % de precisión en todo el rango de medición de corriente, el rango de temperatura de funcionamiento y la vida útil. Una solución basada en derivación puede ser tan simple como un amplificador operacional, un amplificador de detección de corriente especialmente diseñado (como el INA241A de TI), un amplificador aislado para voltajes más altos (como el AMCS1300B de TI) o con un modulador Σ-Δ de salida digital ( como el AMCS1306 de TI). Este tipo de amplificador se utiliza normalmente para monitorear la caída de voltaje a través de una resistencia en derivación y proporcionar una salida de voltaje proporcional. Cada solución difiere en voltaje de operación, voltaje de compensación, deriva, ancho de banda y facilidad de uso. Al igual que las soluciones de efecto Hall todo en uno, los sensores basados en derivación son una tecnología intrusiva que involucra resistencia, y el consumo de energía también es un factor que debe considerarse en el diseño general.
Tecnología de detección de corriente de efecto Hall
Los sensores de corriente de efecto Hall empaquetados de una sola pieza son populares en sistemas de alto voltaje porque proporcionan aislamiento reforzado o doble aislamiento. Sin embargo, los sensores de corriente de efecto Hall tienden a variar con la temperatura y la vida útil, lo que les da una mala reputación. TI ha reducido drásticamente el error de deriva del TMCS1123 a ±0,5%. El dispositivo cuenta con detección diferencial de efecto Hall, que reduce significativamente la interferencia del campo magnético o la diafonía, y proporciona características adicionales como detección de sobrecorriente, referencia de voltaje de precisión y alarmas de sensor; consulte la Figura 3. Cuando se utiliza una solución de paquete todo en uno, la corriente fluye dentro del paquete a través del marco conductor, lo que introduce la resistencia del marco conductor y limitaciones térmicas del chip, lo que a su vez limita la cantidad de corriente que el dispositivo puede manejar. La familia de productos de dispositivos TMCS1123 es capaz de medir 75 brazos de corriente a 25 °C.
Otras soluciones incluyen sensores ambientales de efecto Hall o sensores fluxgate (como el DRV401 de TI), que pueden requerir diferentes tipos de núcleos, blindajes o diseños mecánicos para funcionar correctamente, así como dispositivos o placas de circuito en el proceso de fabricación o uso. El movimiento puede provocar errores de desplazamiento, alterando potencialmente la precisión de la medición.
Existen varios desafíos de diseño en aplicaciones de alto voltaje que hacen que el diseño de los sistemas sea más difícil y costoso. Con la cartera de productos y los recursos de TI, puede resolver problemas de diseño de forma rápida y asequible, haciendo que los avances tecnológicos sean accesibles a las masas y tengan un mayor impacto en nuestras vidas.