В любой электрической системе ток является жизненно важным параметром. Как системы зарядки электромобилей (EV), так и солнечные системы требуют обнаружения уровней тока для управления и мониторинга преобразования энергии, зарядки и разрядки. Датчики тока измеряют ток, отслеживая падение напряжения на шунтирующем резисторе или магнитное поле, создаваемое током в проводнике.
Схемы управления полевым транзистором металл-оксид-полупроводник (MOSFET) используют текущую информацию для управления работой фотоэлектрического инвертора или для измерения тока на выходе переменного тока или его отключения для защиты компонентов от перегрузки по току или неисправностей. Существует множество различных типов датчиков тока, и каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее подходящий тип датчика тока для конкретного применения зависит от нескольких факторов, включая уровень мощности системы, ожидаемую точность и стоимость. В этой статье рассматривается, какие устройства подходят для измерения тока в зарядных устройствах для электромобилей и фотоэлектрических инверторах.
Измерение тока в зарядных устройствах для электромобилей
В зарядных устройствах для электромобилей датчики тока используются для измерения тока в таких местах, как входной источник питания переменного тока, преобразователь постоянного тока в постоянный и выходной источник питания, чтобы подтвердить, правильно ли зарядное устройство подает мощность переменного тока на бортовое зарядное устройство электромобиля. системы, или питание постоянного тока подается непосредственно на батарею. Сегодня батареи на 400 В переходят на напряжение 800 В и выше, что обеспечивает большую мощность и более быструю зарядку.
В зарядных устройствах уровня 1 и 2 зарядное устройство подает мощность переменного тока на бортовое зарядное устройство электромобиля, которое, в свою очередь, преобразует поступающую мощность переменного тока в более подходящие уровни напряжения и тока для зарядки аккумулятора электромобиля. В бытовых зарядных устройствах уровня 1 и уровня 2 измерение тока обычно не требует очень высокой точности, поскольку пользователю не выставляются счета. Однако текущая информация дает пользователям обзор тока и энергопотребления через приложение или пользовательский интерфейс зарядного устройства. На рисунке 1 показаны два зарядных устройства для электромобилей уровня 2 и два зарядных электромобиля на парковке.
В зарядном устройстве для электромобилей уровня 3 инфраструктура зарядки преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока, чтобы быстро доставлять мощность постоянного тока непосредственно к аккумулятору, минуя традиционные встроенные зарядные устройства и обеспечивая сверхбыструю зарядку электромобиля на зарядной станции. Повышенная мощность зарядных устройств и аккумуляторов для электромобилей помогает удовлетворить потребность в быстрой зарядке и увеличении запаса хода. Измерение тока может помочь контролировать процесс зарядки, обеспечивая оптимальную и безопасную зарядку аккумуляторов, продлевая срок службы электромобилей и аккумуляторных систем.
В зарядном устройстве уровня 3 частота сигнала переключения составляет от 50 до 100 кГц, поэтому для получения соответствующих данных измерений требуется датчик тока с частотой не менее 250 кГц. Кроме того, задержка распространения также очень важна, поскольку датчик тока должен иметь возможность быстро реагировать на изменения коммутации сигнала. Такие устройства, как TMCS1123 компании Texas Instruments, имеют максимальную погрешность ±1,75% в зависимости от температуры и срока службы без калибровки, которая снижается до ±1,00% в зависимости от температуры и срока службы после калибровки по одной точке.
Поскольку TMCS1123 обладает высокой точностью и скоростью передачи текущей информации, эти характеристики точности и скорости позволяют системным инженерам исключить блокирующие конденсаторы постоянного тока из изолированных преобразователей постоянного тока, тем самым помогая системным инженерам сэкономить затраты при разработке зарядных устройств уровня 3. .
Измерение тока в фотоэлектрических инверторах
В фотоэлектрических инверторных системах датчики тока используются для измерения тока в различных конфигурациях, таких как входы переменного и постоянного тока инвертора, повышающие преобразователи постоянного/постоянного тока, преобразователи постоянного/постоянного тока и выходной сигнал сети, тем самым помогая контролировать и контролировать мощность. процесс конверсии. Измерение тока выполняется на отдельных шинах питания в бытовых фотоэлектрических инверторах, где уровни напряжения на шинах могут достигать 1000 В постоянного тока, но напряжение на фотоэлектрическом входе обычно составляет от 500 до 600 В постоянного тока, а вход и выход сети — до 400 В переменного тока. Функция измерения тока может помочь оптимизировать фотоэлектрическую инверторную систему, гарантируя, что уровни мощности и частоты, подаваемые на выход сети, являются надежными и подходящими, чтобы все нагрузки находились в пределах безопасной рабочей зоны (SOA).
Сигналы переключения в фотоэлектрических инверторах аналогичны сигналам в зарядных устройствах для электромобилей, с частотами от 50 до 100 кГц. Кроме того, датчики тока можно использовать в диагностических целях, например, для мониторинга солнечных панелей на наличие неисправностей, которые могут указывать на ослабление соединений или повреждение панелей. TMCS1123 обеспечивает повышенное рабочее напряжение ±1100 В постоянного тока, что делает его идеальным для использования с большинством струнных инверторов. На рисунке 2 показано несколько примеров измерения тока и напряжения, используемых в однофазных цепных инверторах, соответствующие участки схемы отмечены красными прямоугольниками.
Особенности проектирования датчиков тока
Давайте рассмотрим некоторые основные факторы, на которые следует обратить внимание при выборе датчиков тока для систем зарядки электромобилей и фотоэлектрических инверторных систем:
• номинальная мощность. Датчик тока (будь то магнитный, шунтирующий или другой технологии) должен выдерживать рабочий ток и уровни напряжения системы. Проектировщики должны выбрать соответствующие методы, основанные на входных данных системы, чтобы гарантировать, что ток может поступать в систему бесперебойно на протяжении всего ее срока службы.
• Точность. Датчики тока должны быть достаточно точными, чтобы обеспечивать намеченные функции управления и мониторинга, чтобы гарантировать, что система работает должным образом в рамках SOA. Высокая точность помогает поддерживать высокий уровень эффективности, одновременно уменьшая количество компонентов и любые гармоники, которые могут попасть в сеть из-за шумных систем переключения.
• Пропускная способность. В системах коммутации скорость является важным параметром. TMCS1123 обеспечивает полосу пропускания сигнала 250 кГц и задержку распространения 600 нс, что дает системе достаточную скорость для выполнения соответствующих измерений. TI также разрабатывает более высокоскоростные устройства с аналогичными механическими размерами. Мы наблюдаем, что в наших устройствах задержка распространения уменьшается по мере увеличения полосы пропускания.
• расходы. При выборе датчика тока необходимо сопоставить стоимость датчика с преимуществами, которые он предлагает. В то время как цельные корпусные датчики тока на эффекте Холла часто ограничиваются обнаружением тока в определенном диапазоне, системы на основе шунта более гибки, поскольку вы можете выбрать значение шунтирующего резистора на основе параметров системы.
Технология измерения тока на основе шунта
В системах зарядки электромобилей, фотоэлектрических инверторных системах и других системах, требующих измерения тока, наиболее распространенными технологиями измерения тока являются датчики тока на основе эффекта Холла и датчики тока на основе шунта.
Датчики тока на основе шунта, как правило, более точны во всем диапазоне тока, чем датчики тока на эффекте Холла. При использовании технологии стабильных усилителей или аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и прецизионных шунтирующих резисторов шунтирующие датчики тока могут достигать точности менее 1 % во всем диапазоне измерения тока, диапазоне рабочих температур и сроке службы. Решение на основе шунта может быть таким простым, как операционный усилитель, специально разработанный усилитель измерения тока (например, INA241A компании TI), изолированный усилитель для более высоких напряжений (например, AMCS1300B компании TI) или Σ-Δ модулятор с цифровым выходом ( например, AMCS1306 компании TI). Усилитель этого типа обычно используется для контроля падения напряжения на шунтирующем резисторе и обеспечения пропорционального выходного напряжения. Каждое решение отличается рабочим напряжением, напряжением смещения, дрейфом, полосой пропускания и простотой использования. Подобно универсальным решениям на основе эффекта Холла, датчики на основе шунта представляют собой интрузивную технологию, включающую сопротивление, а энергопотребление также является фактором, который необходимо учитывать при разработке общей конструкции.
Технология обнаружения тока на эффекте Холла
Цельные датчики тока на эффекте Холла популярны в системах высокого напряжения, поскольку они обеспечивают усиленную или двойную изоляцию. Однако датчики тока на эффекте Холла имеют тенденцию к дрейфу в зависимости от температуры и срока службы, что дает им низкую репутацию. Компания TI значительно снизила погрешность дрейфа TMCS1123 до ±0,5%. Устройство оснащено дифференциальным датчиком эффекта Холла, который значительно снижает помехи магнитного поля или перекрестные помехи, а также предоставляет дополнительные функции, такие как обнаружение перегрузки по току, прецизионное опорное напряжение и сигнализацию датчиков; см. рисунок 3. При использовании комплексного решения в корпусе ток течет внутри корпуса через выводную рамку, что накладывает ограничения на сопротивление выводной рамки и тепловые ограничения чипа, что, в свою очередь, ограничивает величину тока, которую может выдержать устройство. Семейство устройств TMCS1123 способно измерять ток силой 75 Arm при температуре 25°C.
Другие решения включают датчики Холла окружающей среды или феррозондовые датчики (например, DRV401 компании TI), для правильной работы которых могут потребоваться различные типы сердечников, экранирования или механические конструкции, а также устройства или печатные платы в процессе производства или использования. Движение может вызвать ошибки смещения, потенциально изменяя точность измерений.
Существует несколько проблем при проектировании высоковольтных приложений, которые усложняют и делают проектирование систем более дорогостоящим. Благодаря портфолио продуктов и ресурсам TI вы можете быстро и недорого решать проблемы проектирования, делая технологические достижения доступными для масс и оказывая большее влияние на нашу жизнь.