Dans tout système électrique, le courant est un paramètre vital. Les systèmes de recharge de véhicules électriques (VE) et les systèmes solaires nécessitent une détection des niveaux de courant afin de contrôler et de surveiller la conversion, la charge et la décharge d'énergie. Les capteurs de courant mesurent le courant en surveillant la chute de tension aux bornes d'une résistance shunt ou le champ magnétique créé par le courant dans un conducteur.
Les schémas de contrôle des transistors à effet de champ à oxyde métallique et semi-conducteur (MOSFET) utilisent les informations de courant pour contrôler le fonctionnement de l'onduleur photovoltaïque ou pour détecter le courant activé ou désactivé sur la sortie CA afin de protéger les composants contre les surintensités ou les défauts. Il existe de nombreux types différents de capteurs de courant, et chaque technologie présente ses propres avantages et inconvénients. Le type de capteur de courant le plus approprié pour une application spécifique dépend de plusieurs facteurs, notamment le niveau de puissance du système, la précision attendue et le coût. Cet article explore les dispositifs adaptés à la détection du courant dans les chargeurs de véhicules électriques et les onduleurs photovoltaïques.
Détection de courant dans les chargeurs de véhicules électriques
Dans les chargeurs de véhicules électriques, des capteurs de courant sont utilisés pour mesurer le courant à des endroits tels que l'alimentation CA d'entrée, le convertisseur CC/CC et l'alimentation de sortie afin de confirmer si le chargeur fournit correctement l'alimentation CA au chargeur embarqué du véhicule électrique. système, ou l’alimentation CC est fournie directement à la batterie. Aujourd'hui, les batteries de 400 V évoluent vers des tensions de 800 V et plus pour une plus grande puissance et une charge plus rapide.
Dans les chargeurs de niveau 1 et de niveau 2, le chargeur fournit une alimentation CA au chargeur intégré du VE, qui à son tour convertit l'alimentation CA entrante en niveaux de tension et de courant plus appropriés pour charger la batterie du VE. Dans les chargeurs domestiques de niveau 1 et de niveau 2, la détection de courant ne nécessite généralement pas une très grande précision car l'utilisateur n'est pas facturé. Cependant, les informations actuelles donnent aux utilisateurs un aperçu de la consommation de courant et d'énergie via une application ou l'interface utilisateur du chargeur. La figure 1 montre deux bornes de recharge pour véhicules électriques de niveau 2 et deux véhicules électriques en charge dans un parking.
Dans un chargeur EV de niveau 3, l'infrastructure de recharge convertit l'alimentation CA en alimentation CC pour fournir rapidement de l'énergie CC directement à la batterie, contournant les chargeurs embarqués traditionnels et permettant une recharge ultra-rapide des VE à la station de recharge. La capacité de puissance accrue des chargeurs et des batteries de véhicules électriques permet de répondre aux besoins de charge rapide et d’autonomie accrue. La détection de courant peut aider à contrôler le processus de charge pour garantir une charge optimale et sûre des batteries, prolongeant ainsi la durée de vie des véhicules électriques et des systèmes de batteries.
Dans un chargeur de niveau 3, la fréquence du signal de commutation est de 50 kHz à 100 kHz, un capteur de courant d'au moins 250 kHz est donc nécessaire pour obtenir des données de mesure appropriées. De plus, le délai de propagation est également très important car le capteur de courant doit être capable de réagir rapidement aux changements dans la commutation du signal. Les appareils tels que le TMCS1123 de Texas Instruments présentent une erreur maximale de ± 1,75 % sur la température et la durée de vie sans étalonnage, qui chute à ± 1,00 % sur la température et la durée de vie après un étalonnage en un seul point.
Étant donné que le TMCS1123 offre une précision et une rapidité élevées dans les informations actuelles, ces spécifications de précision et de vitesse permettent aux ingénieurs système d'éliminer les condensateurs de blocage CC des convertisseurs CC/CC isolés, aidant ainsi les ingénieurs système à réduire les coûts lors de la conception de chargeurs de niveau 3. .
Current sensing in photovoltaic inverters
In PV inverter systems, current sensors are used to measure current in a variety of configurations, such as the AC and DC inputs of the inverter, DC/DC boost, DC/DC converters, and grid output, thereby aiding in monitoring and control power conversion process. Current sensing is performed on individual power rails in residential PV inverters, where voltage levels on the rails may be as high as 1,000VDC, but the voltage at the PV input is typically around 500V to 600VDC, and the grid input and output are up to 400VAC. The current sensing function can help optimize the PV inverter system, ensuring that the power levels and frequencies delivered on the grid output are reliable and appropriate so that all loads are within their safe operating area (SOA).
The switching signals in photovoltaic inverters are similar to those in electric vehicle chargers, with frequencies between 50kHz and 100kHz. Additionally, current sensors can be used for diagnostic purposes, such as monitoring solar panels for faults that might indicate loose connections or damaged panels. The TMCS1123 offers an enhanced operating voltage of ±1,100VDC, making it ideal for use with most string inverters. Figure 2 shows several examples of current and voltage sensing used in single-phase string inverters with the corresponding circuit portions marked in red boxes.
Considérations relatives à la conception de la détection de courant
Jetons un coup d'œil à quelques-unes des principales considérations lors de la sélection des capteurs de courant pour les systèmes de recharge de véhicules électriques et les systèmes d'onduleurs photovoltaïques :
• puissance nominale. Le capteur de courant (qu'il soit basé sur un aimant, un shunt ou une autre technologie) doit être capable de gérer les niveaux de courant et de tension de fonctionnement du système. Les concepteurs doivent sélectionner des techniques appropriées en fonction des entrées du système pour garantir que le courant puisse circuler dans le système sans interruption tout au long de sa durée de vie.
• Précision. Les capteurs de courant doivent être suffisamment précis pour fournir les fonctions de contrôle et de surveillance prévues afin de garantir que le système fonctionne comme prévu au sein de la SOA. La haute précision permet de maintenir des niveaux d'efficacité élevés tout en réduisant le nombre de composants et les harmoniques pouvant être injectées dans le réseau en raison de systèmes de commutation bruyants.
• Bande passante. Dans les systèmes de commutation, la vitesse est un paramètre important. Le TMCS1123 offre une bande passante de signal de 250 kHz et un délai de propagation de 600 ns, ce qui donne au système suffisamment de vitesse pour effectuer des mesures appropriées. TI développe également davantage de dispositifs à grande vitesse présentant des dimensions mécaniques similaires. Nous observons que dans nos appareils, le délai de propagation diminue à mesure que la bande passante augmente.
• coût. Lors de la sélection d'un capteur de courant, il faut peser le coût du capteur par rapport aux avantages qu'il offre. Alors que les capteurs de courant à effet Hall monoblocs sont souvent limités à la détection de courant dans une plage spécifique, les systèmes basés sur shunt sont plus flexibles car vous pouvez choisir la valeur de la résistance shunt en fonction des paramètres du système.
Technologie de détection de courant basée sur les shunts
Dans les systèmes de recharge de véhicules électriques, les systèmes d'onduleurs photovoltaïques et d'autres systèmes nécessitant une détection de courant, les technologies de détection de courant les plus courantes sont les capteurs de courant à effet Hall et les capteurs de courant shunt.
Les capteurs de courant basés sur les shunts sont généralement plus précis sur toute la plage de courant que les capteurs de courant à effet Hall. Lors de l'utilisation d'une technologie d'amplificateur stable ou de convertisseurs analogique-numérique (CAN) et de résistances shunt de précision, les capteurs de courant shunt peuvent atteindre une précision inférieure à 1 % sur toute la plage de mesure du courant, la plage de température de fonctionnement et la durée de vie. Une solution basée sur le shunt peut être aussi simple qu'un ampli opérationnel, un amplificateur de détection de courant spécialement conçu (comme l'INA241A de TI), un amplificateur isolé pour des tensions plus élevées (comme l'AMCS1300B de TI) ou avec un modulateur Σ-Δ à sortie numérique ( comme l'AMCS1306 de TI). Ce type d'amplificateur est généralement utilisé pour surveiller la chute de tension aux bornes d'une résistance shunt et fournir une sortie de tension proportionnelle. Chaque solution diffère en termes de tension de fonctionnement, de tension de décalage, de dérive, de bande passante et de facilité d'utilisation. Tout comme les solutions tout-en-un à effet Hall, les capteurs shunt sont une technologie intrusive qui implique une résistance, et la consommation électrique est également un facteur qui doit être pris en compte dans la conception globale.
Technologie de détection de courant à effet Hall
Les capteurs de courant à effet Hall monobloc sont populaires dans les systèmes haute tension car ils offrent une isolation renforcée ou une double isolation. Cependant, les capteurs de courant à effet Hall ont tendance à dériver en fonction de la température et de la durée de vie, ce qui leur confère une mauvaise réputation. TI a considérablement réduit l'erreur de dérive du TMCS1123 à ±0,5 %. L'appareil est doté d'une détection différentielle à effet Hall, qui réduit considérablement les interférences du champ magnétique ou la diaphonie, et fournit des fonctionnalités supplémentaires telles que la détection de surintensité, une référence de tension précise et des alarmes de capteur ; voir Figure 3. Lors de l'utilisation d'une solution de boîtier tout-en-un, le courant circule dans le boîtier à travers le cadre de connexion, ce qui introduit des limites de résistance au cadre de connexion et de température de la puce, ce qui limite à son tour la quantité de courant que le dispositif peut gérer. La famille de produits d'appareils TMCS1123 est capable de mesurer 75 Arms de courant à 25°C.
D'autres solutions incluent des capteurs ambiants à effet Hall ou des capteurs à fluxgate (tels que le DRV401 de TI), qui peuvent nécessiter différents types de noyaux, de blindages ou de conceptions mécaniques pour fonctionner correctement, ainsi que des dispositifs ou des circuits imprimés dans le processus de fabrication ou d'utilisation. Le mouvement peut provoquer des erreurs de déplacement, altérant potentiellement la précision des mesures.
Il existe plusieurs défis de conception dans les applications haute tension qui rendent la conception des systèmes plus difficile et plus coûteuse. Grâce au portefeuille de produits et aux ressources de TI, vous pouvez résoudre les problèmes de conception rapidement et à moindre coût, rendant les avancées technologiques accessibles au plus grand nombre et ayant un plus grand impact sur nos vies.