どのような電気システムにおいても、電流は重要なパラメータです。 電気自動車 (EV) 充電システムと太陽光発電システムはどちらも、電力変換、充電、放電を制御および監視するために電流レベルの検出を必要とします。 電流センサーは、シャント抵抗器の両端の電圧降下、または導体の電流によって生成される磁場を監視することによって電流を測定します。
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) 制御方式は、電流情報を使用して PV インバータの動作を制御したり、AC 出力のオンまたはオフの電流を検出してコンポーネントを過電流や障害イベントから保護します。 利用可能な電流センサーにはさまざまな種類があり、それぞれのテクノロジーには独自の長所と短所があります。 特定のアプリケーションに最適な電流センサーのタイプは、システムの電力レベル、期待される精度、コストなどのいくつかの要因によって決まります。 この記事では、電気自動車の充電器や太陽光発電インバータの電流の検出にどのデバイスが適しているかを検討します。
電気自動車充電器の電流検出
電気自動車の充電器では、電流センサーを使用して入力AC電源、DC/DCコンバータ、出力電源などの場所で電流を測定し、充電器が電気自動車の車載充電器にAC電力を正しく供給しているかどうかを確認します。 システムに接続されるか、DC 電源がバッテリーに直接供給されます。 現在、400V バッテリーは、より大きな電力とより高速な充電を実現するために 800V 以上の電圧に移行しています。
レベル 1 およびレベル 2 の充電器では、充電器は AC 電力を EV の車載充電器に供給し、次に、入ってくる AC 電力を EV バッテリの充電に適した電圧および電流レベルに変換します。 国内のレベル 1 およびレベル 2 充電器では、ユーザーに料金が請求されないため、通常、電流検出にそれほど高い精度は必要ありません。 ただし、現在の情報は、アプリまたは充電器のユーザー インターフェイスを通じて、ユーザーに電流と電力消費の概要を提供します。 図 1 は、駐車場にある 2 台のレベル 2 EV 充電器と 2 台の充電中の EV を示しています。
レベル 3 EV 充電器では、充電インフラストラクチャが AC 電力を DC 電力に変換して DC 電力をバッテリーに直接迅速に供給し、従来の車載充電器をバイパスし、充電ステーションでの超高速 EV 充電を可能にします。 EV 充電器とバッテリーの電力容量の増加は、急速充電と航続距離の延長のニーズを満たすのに役立ちます。 電流センシングは充電プロセスの制御に役立ち、バッテリーの最適かつ安全な充電を保証し、電気自動車とバッテリーシステムの寿命を延ばします。
レベル 3 充電器では、スイッチング信号の周波数は 50kHz ～ 100kHz であるため、適切な測定データを取得するには少なくとも 250kHz の電流センサーが必要です。 さらに、電流センサーは信号スイッチングの変化に迅速に応答できる必要があるため、伝播遅延も非常に重要です。 Texas Instruments の TMCS1123 などのデバイスの最大誤差は、校正なしでは温度および寿命にわたって ±1.75% ですが、一点校正後は温度および寿命にわたって ±1.00% に低下します。
TMCS1123 は電流情報の精度と速度が高いため、これらの精度と速度の仕様により、システム エンジニアは絶縁型 DC/DC コンバータから DC ブロッキング コンデンサを排除でき、システム エンジニアがレベル 3 充電器を設計する際のコストを節約できます。 。
太陽光発電インバーターの電流検出
PV インバータ システムでは、電流センサを使用して、インバータの AC および DC 入力、DC/DC ブースト、DC/DC コンバータ、グリッド出力などのさまざまな構成で電流を測定し、電力の監視と制御に役立ちます。 変換プロセス。 電流検出は住宅用 PV インバータの個々の電源レールで実行されます。レールの電圧レベルは 1,000VDC にも達しますが、PV 入力の電圧は通常約 500V ～ 600VDC で、グリッドの入出力は最大 200V です。 AC400V。 電流検出機能は、PV インバータ システムの最適化に役立ち、すべての負荷が安全動作領域 (SOA) 内に収まるように、グリッド出力に供給される電力レベルと周波数が信頼性が高く適切であることを保証します。
太陽光発電インバータのスイッチング信号は電気自動車の充電器のスイッチング信号と同様で、周波数は 50kHz ～ 100kHz です。 さらに、電流センサーは、接続の緩みやパネルの損傷を示す可能性のある障害がないかソーラーパネルを監視するなど、診断目的にも使用できます。 TMCS1123 は、±1,100VDC の強化された動作電圧を提供し、ほとんどのストリング インバータでの使用に最適です。 図 2 は、単相ストリング インバータで使用される電流および電圧の検出のいくつかの例を示しており、対応する回路部分は赤いボックスでマークされています。
電流検出設計の考慮事項
電気自動車充電システムおよび太陽光発電インバーター システム用の電流センサーを選択する際の主な考慮事項をいくつか見てみましょう。
• 定格出力。 電流センサー (磁石ベース、シャントベース、またはその他のテクノロジーのいずれであっても) は、システムの動作電流および電圧レベルを処理できなければなりません。 設計者はシステムの入力に基づいて適切な技術を選択し、システムの寿命全体にわたって電流が中断されることなくシステムに流れ込むことができるようにする必要があります。
• 正確さ。 電流センサーは、システムが SOA 内で期待どおりに動作することを保証するために、意図した制御および監視機能を提供できるほど正確である必要があります。 高い精度により、高効率レベルを維持しながら、コンポーネント数や、ノイズの多いスイッチング システムによってグリッドに注入される可能性のある高調波を削減できます。
• 帯域幅。 スイッチング システムでは、速度が重要なパラメータです。 TMCS1123 は、250kHz の信号帯域幅と 600ns の伝播遅延を提供し、適切な測定を行うのに十分な速度をシステムに提供します。 TI は、同様の機械的寸法を備えた、より高速なデバイスの開発も行っています。 私たちのデバイスでは、帯域幅が増加するにつれて伝播遅延が減少することが観察されています。
• 料金。 電流センサーを選択するときは、センサーのコストとセンサーが提供する利点を比較検討する必要があります。 一体型パッケージのホール効果電流センサーは多くの場合、特定の範囲内の電流の検出に制限されますが、シャントベースのシステムは、システムパラメーターに基づいてシャント抵抗値を選択できるため、より柔軟です。
シャントベースの電流検出技術
電気自動車の充電システム、太陽光発電インバータ システム、および電流検出を必要とするその他のシステムでは、最も一般的な電流検出技術はホール効果電流センサーとシャントベースの電流センサーです。
シャントベースの電流センサーは、一般にホール効果電流センサーよりも電流範囲全体にわたって正確です。 安定したアンプ技術、アナログデジタルコンバータ（ADC）および高精度シャント抵抗器を使用すると、シャントベースの電流センサーは、電流測定範囲、動作温度範囲、および寿命全体にわたって1%未満の精度を達成できます。 シャントベースのソリューションは、オペアンプ、特別に設計された電流検出アンプ (TI の INA241A など)、高電圧用の絶縁アンプ (TI の AMCS1300B など)、またはデジタル出力 Σ-Δ 変調器 ( TI の AMCS1306 など）。 このタイプのアンプは通常、シャント抵抗の両端の電圧降下を監視し、比例した電圧出力を提供するために使用されます。 各ソリューションは、動作電圧、オフセット電圧、ドリフト、帯域幅、使いやすさが異なります。 オールインワンのホール効果ソリューションと同様に、シャントベースのセンサーは抵抗を伴う侵入的なテクノロジーであり、消費電力も全体の設計で考慮する必要がある要素です。
ホール効果電流検出技術
一体型パッケージのホール効果電流センサーは、強化された絶縁または二重絶縁を提供するため、高電圧システムで人気があります。 ただし、ホール効果電流センサーは温度や寿命によってドリフトする傾向があり、そのため評判が低くなります。 TI は、TMCS1123 のドリフト誤差を ±0.5% まで劇的に削減しました。 このデバイスは差動ホール効果センシングを備えており、磁界干渉やクロストークを大幅に低減し、過電流検出、高精度電圧リファレンス、センサーアラームなどの追加機能を提供します。 図 3 を参照してください。オールインワン パッケージ ソリューションを使用すると、電流がリードフレームを通ってパッケージ内を流れるため、リードフレームの抵抗とチップの熱制限が生じ、デバイスが処理できる電流量が制限されます。 TMCS1123 デバイス製品ファミリは、25°C で 75 Arms の電流を測定できます。
他のソリューションには、周囲ホール効果センサーやフラックスゲート センサー (TI の DRV401 など) が含まれます。これらは、製造または使用プロセスにおけるデバイスや回路基板だけでなく、適切に機能するためにさまざまなタイプのコア、シールド、または機械設計を必要とする場合があります。 移動すると変位誤差が発生し、測定精度が変化する可能性があります。
高電圧アプリケーションには、システムの設計がより困難になり、コストが高くなるいくつかの設計上の課題があります。 TI の製品ポートフォリオとリソースを使用すると、設計上の問題を迅速かつ手頃な価格で解決できるため、技術の進歩を大衆が利用できるようになり、私たちの生活に大きな影響を与えることができます。