Em qualquer sistema elétrico, a corrente é um parâmetro vital. Tanto os sistemas de carregamento de veículos elétricos (EV) quanto os sistemas solares exigem a detecção de níveis de corrente para controlar e monitorar a conversão, carga e descarga de energia. Os sensores de corrente medem a corrente monitorando a queda de tensão em um resistor shunt ou o campo magnético criado pela corrente em um condutor.
Esquemas de controle de transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) usam informações de corrente para controlar a operação do inversor fotovoltaico ou para detectar corrente ligada ou desligada na saída CA para proteger os componentes contra eventos de sobrecorrente ou falha. Existem muitos tipos diferentes de sensores de corrente disponíveis e cada tecnologia tem suas próprias vantagens e desvantagens. O tipo de sensor de corrente mais apropriado para uma aplicação específica depende de vários fatores, incluindo o nível de potência do sistema, a precisão esperada e o custo. Este artigo explora quais dispositivos são adequados para detectar corrente em carregadores de veículos elétricos e inversores fotovoltaicos.
Detecção de corrente em carregadores de veículos elétricos
Em carregadores de veículos elétricos, sensores de corrente são usados para medir a corrente em locais como a fonte de alimentação CA de entrada, o conversor CC/CC e a fonte de alimentação de saída para confirmar se o carregador está fornecendo energia CA corretamente ao carregador de bordo do veículo elétrico. sistema ou a energia CC é fornecida diretamente à bateria. Hoje, as baterias de 400 V estão migrando para 800 V e tensões mais altas para maior potência e carregamento mais rápido.
Nos carregadores de Nível 1 e Nível 2, o carregador fornece energia CA ao carregador integrado do VE, que por sua vez converte a energia CA recebida em níveis de tensão e corrente mais apropriados para carregar a bateria do VE. Em carregadores domésticos de Nível 1 e Nível 2, a detecção de corrente normalmente não requer uma precisão muito alta porque o usuário não é cobrado. No entanto, as informações atuais fornecem aos usuários uma visão geral do consumo atual e de energia por meio de um aplicativo ou da interface do usuário no carregador. A Figura 1 mostra dois carregadores de veículos elétricos de nível 2 e dois veículos elétricos carregando em um estacionamento.
Num carregador EV de nível 3, a infraestrutura de carregamento converte energia CA em energia CC para fornecer rapidamente energia CC diretamente à bateria, ignorando os carregadores tradicionais integrados e permitindo o carregamento ultrarrápido de EV na estação de carregamento. A maior capacidade de energia em carregadores e baterias de veículos elétricos ajuda a atender à necessidade de carregamento rápido e maior autonomia de condução. A detecção de corrente pode ajudar a controlar o processo de carregamento para garantir o carregamento ideal e seguro das baterias, prolongando a vida útil dos veículos elétricos e dos sistemas de baterias.
Num carregador de Nível 3, a frequência do sinal de comutação é de 50kHz a 100kHz, pelo que é necessário um sensor de corrente de pelo menos 250kHz para obter dados de medição apropriados. Além disso, o atraso de propagação também é muito importante porque o sensor de corrente precisa ser capaz de responder rapidamente às mudanças na comutação do sinal. Dispositivos como o TMCS1123 da Texas Instruments apresentam um erro máximo de ±1,75% em relação à temperatura e vida útil sem calibração, que cai para ±1,00% em relação à temperatura e vida útil após uma calibração de ponto único.
Como o TMCS1123 possui alta precisão e velocidade nas informações atuais, essas especificações de precisão e velocidade permitem que os engenheiros de sistema eliminem capacitores de bloqueio CC de conversores CC/CC isolados, ajudando assim os engenheiros de sistema a economizar custos ao projetar carregadores de Nível 3. .
Detecção de corrente em inversores fotovoltaicos
Em sistemas de inversores fotovoltaicos, os sensores de corrente são usados para medir a corrente em uma variedade de configurações, como as entradas CA e CC do inversor, reforço CC/CC, conversores CC/CC e saída da rede, auxiliando assim no monitoramento e controle de energia. processo de conversão. A detecção de corrente é realizada em trilhos de energia individuais em inversores fotovoltaicos residenciais, onde os níveis de tensão nos trilhos podem ser tão altos quanto 1.000 VCC, mas a tensão na entrada fotovoltaica é normalmente em torno de 500 V a 600 VCC, e a entrada e saída da rede são de até 400 VCA. A função de detecção de corrente pode ajudar a otimizar o sistema inversor fotovoltaico, garantindo que os níveis de potência e frequências entregues na saída da rede sejam confiáveis e apropriados para que todas as cargas estejam dentro de sua área operacional segura (SOA).
Os sinais de comutação nos inversores fotovoltaicos são semelhantes aos dos carregadores de veículos elétricos, com frequências entre 50kHz e 100kHz. Além disso, os sensores de corrente podem ser usados para fins de diagnóstico, como monitorar painéis solares em busca de falhas que possam indicar conexões soltas ou painéis danificados. O TMCS1123 oferece uma tensão operacional aprimorada de ±1.100 VCC, tornando-o ideal para uso com a maioria dos inversores string. A Figura 2 mostra vários exemplos de detecção de corrente e tensão usados em inversores string monofásicos com as partes do circuito correspondentes marcadas em caixas vermelhas.
Considerações atuais sobre design de detecção
Vamos dar uma olhada em algumas das principais considerações ao selecionar sensores de corrente para sistemas de carregamento de veículos elétricos e sistemas inversores fotovoltaicos:
• potência nominal. O sensor de corrente (seja baseado em ímã, baseado em shunt ou outra tecnologia) deve ser capaz de lidar com a corrente operacional e os níveis de tensão do sistema. Os projetistas devem selecionar técnicas apropriadas com base nas entradas do sistema para garantir que a corrente possa fluir para dentro do sistema ininterruptamente durante toda a sua vida útil.
• Precisão. Os sensores atuais devem ser precisos o suficiente para fornecer as funções de controle e monitoramento pretendidas para garantir que o sistema funcione conforme esperado dentro do SOA. A alta precisão ajuda a manter altos níveis de eficiência enquanto reduz a contagem de componentes e quaisquer harmônicos que possam ser injetados na rede devido a sistemas de comutação ruidosos.
• Largura de banda. Em sistemas de comutação, a velocidade é um parâmetro importante. O TMCS1123 oferece largura de banda de sinal de 250kHz e atraso de propagação de 600ns, o que dá ao sistema velocidade suficiente para fazer medições apropriadas. A TI também está desenvolvendo mais dispositivos de alta velocidade com dimensões mecânicas semelhantes. Observamos que em nossos dispositivos o atraso de propagação diminui à medida que a largura de banda aumenta.
• custo. Ao selecionar um sensor de corrente, deve-se pesar o custo do sensor em relação às vantagens que ele oferece. Embora os sensores de corrente de efeito Hall embalados em peça única sejam frequentemente limitados à detecção de corrente dentro de uma faixa específica, os sistemas baseados em shunt são mais flexíveis porque você pode escolher o valor do resistor shunt com base nos parâmetros do sistema.
Tecnologia de detecção de corrente baseada em shunt
Em sistemas de carregamento de veículos elétricos, sistemas de inversores fotovoltaicos e outros sistemas que requerem detecção de corrente, as tecnologias de detecção de corrente mais comuns são sensores de corrente de efeito Hall e sensores de corrente baseados em shunt.
Os sensores de corrente baseados em shunt são geralmente mais precisos em toda a faixa de corrente do que os sensores de corrente de efeito Hall. Ao usar tecnologia de amplificador estável ou conversores analógico-digitais (ADCs) e resistores shunt de precisão, os sensores de corrente baseados em shunt podem atingir menos de 1% de precisão em toda a faixa de medição de corrente, faixa de temperatura operacional e vida útil. Uma solução baseada em shunt pode ser tão simples quanto um amplificador operacional, um amplificador de detecção de corrente especialmente projetado (como o INA241A da TI), um amplificador isolado para tensões mais altas (como o AMCS1300B da TI) ou com um modulador Σ-Δ de saída digital ( como AMCS1306 da TI). Este tipo de amplificador é normalmente usado para monitorar a queda de tensão em um resistor shunt e fornecer uma saída de tensão proporcional. Cada solução difere em tensão operacional, tensão de deslocamento, desvio, largura de banda e facilidade de uso. Assim como as soluções completas de efeito Hall, os sensores baseados em shunt são uma tecnologia intrusiva que envolve resistência, e o consumo de energia também é um fator que precisa ser considerado no projeto geral.
Tecnologia de detecção de corrente por efeito Hall
Sensores de corrente de efeito Hall embalados em peça única são populares em sistemas de alta tensão porque fornecem isolamento reforçado ou isolamento duplo. No entanto, os sensores de corrente de efeito Hall tendem a variar ao longo da temperatura e da vida útil, o que lhes confere uma reputação baixa. A TI reduziu drasticamente o erro de desvio do TMCS1123 para ±0,5%. O dispositivo possui detecção diferencial de efeito Hall, que reduz significativamente a interferência do campo magnético ou diafonia, e fornece recursos adicionais, como detecção de sobrecorrente, referência de tensão de precisão e alarmes de sensor; consulte a Figura 3. Ao usar uma solução de pacote tudo-em-um, a corrente flui dentro do pacote através do leadframe, o que introduz resistência ao leadframe e limitações térmicas do chip, o que, por sua vez, limita a quantidade de corrente que o dispositivo pode suportar. A família de produtos de dispositivos TMCS1123 é capaz de medir 75 braços de corrente a 25°C.
Outras soluções incluem sensores de efeito Hall ambiente ou sensores fluxgate (como o DRV401 da TI), que podem exigir diferentes tipos de núcleos, blindagem ou projetos mecânicos para funcionar corretamente, bem como dispositivos ou placas de circuito no processo de fabricação ou uso. O movimento pode causar erros de deslocamento, alterando potencialmente a precisão da medição.
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