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光伏系統用于漏電流測量的霍爾閉環傳感器設計

Stephan Trombert( LEM switzerland SA)

2020-01-02   

中國電源產業網

導語:基于閉環磁通門技術的傳感器廣泛應用在測量大電流中的小剩余電流以及噪聲共模電流。這類傳感器的精度以及對大電流的隔離能力使之成為漏電流檢測的最優方案,但通常缺點是成本昂貴且體積龐大。本文介紹了一種新型小尺寸且利用霍爾閉環技術對太陽能系統中的漏電流進行測量的傳感器:新一代的LDSR產品。

摘要

基于閉環磁通門技術的傳感器廣泛應用在測量大電流中的小剩余電流以及噪聲共模電流。這類傳感器的精度以及對大電流的隔離能力使之成為漏電流檢測的最優方案,但通常缺點是成本昂貴且體積龐大。本文介紹了一種新型小尺寸且利用霍爾閉環技術對太陽能系統中的漏電流進行測量的傳感器:新一代的LDSR產品。

1.介紹

基于霍爾效應的閉環傳感器用于電流測量時能在成本和性能之間作出良好的權衡。

如圖1所示,用于檢測漏電流的霍爾閉環傳感器在除了主導體(I1)之外還包含第二根主導體(I2)。兩根導體中的電流差分(I1-I2)在磁芯氣隙處產生的磁通量和由驅動電流通過二次側補償繞組產生的磁通量相互抵消已達到動態的磁通量平衡。 

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圖1 閉環霍爾電流測量

霍爾器件和相關電子電路用于生成二次側(補償)電流是對一次電流的精確還原。磁感應霍爾器件和所需的大部分電子元件都集成在單個CMOS ASIC中實現。與磁通門結構的傳感器相比,新型的漏電流霍爾閉環傳感器減小了封裝尺寸并簡化生產制作工藝。此外,減少的電子和機械部件可提高長期工作的可靠性。

盡管架構簡單,但設計本身仍具有挑戰性:

2 為了減小傳感器封裝,原邊導線要嵌入到傳感器中。導線會產生大量的熱,電流密度和原副邊的隔離都會受到限制。

2 磁路需要準確以應對檢測較小的剩余電流,同時抑制較強的共模電流。優化原邊導體與霍爾元件之間的耦合是必不可少的。

2 該架構對外部磁場非常敏感:整體的電磁設計必須防止外部電磁場的干擾。

2.一次導體設計

一次導體的設計要非常小心,選擇集成帶印刷電路板的解決方案是出于結構緊湊性的要求,也是考慮到其平面化結構帶來的優勢。

2.1平面結構的設計用于抑制共模電流

為了說明共模抑制的必要性,讓我們考慮一下基本的二維模擬。

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圖2 基于線纜的共模信號磁場模擬

如圖2所示,磁芯由一條帶有氣隙的高磁導率材料制成,兩根導線并排放置在磁芯包圍的內部, 其中一根導線通入+30A的電流,另一根導線通入-30A的電流,如上圖所示,在磁芯氣隙處的磁場高達11mT,使剩余電流測量幾乎不可能。而磁芯本體如圖所示產生的磁場達到700mT。這對于某些磁性材料來說可能是一種接近飽和的情況,因此直接采用并排導線這種原邊配置的方式將導致傳感器線性度降低且質量非常差。

如果原邊設計采用PCB結構的4層板設計,如圖3所示。其中2層PCB銅箔各流入+15A的電流,另外2層PCB銅箔各流入-15A的電流?;謖庋納杓聘慕?,使用極少量的磁性材料來測量是可行的。

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圖3 基于原邊電流采用PCB結構的共模信號磁場模擬

原邊電流采用PCB結構的設計去抑制共模的概念最終形成了如下圖所示的PCB結構設計方案。

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圖4 原邊導體采用PCB結構設計的方案

共模抑制的另一個關鍵點是兩個往返電流(I1和I2)在PCB上的走線方式:兩條走線方式的不對稱性(PCB布線的載流密度)都會導致抑制效果的退化。

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圖5電流密度仿真

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圖6 電流密度仿真結果

2.2熱考慮

光伏逆變器設計者面臨的挑戰之一是需要遵守UL標準,尤其是UL62109標準,該標準規定PCB不應超過105°C。通常PCB是由FR4材質的基板和銅箔制成的(對于逆變器PCB而言)。由于PCB面積很小,PCB銅箔本身散熱能力有限,寬橫截面的導體焊接靠觸點焊接在PCB上是優秀的“熱管”,但由于這種情況涉及到不確定性,使得按照通常的計算熱阻的方法變得不可行,應通過模擬和試驗來調查合規性。

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圖7 原邊通入35A電流下的熱仿真

盡管存在復雜的熱環境,但仍可采用基本可靠的熱管理方法。讓我們考慮圖7中所描述的配置。

參數:

環境空氣:85°C

強制對流:無

印刷電路板厚度:1.6毫米

PCB銅箔厚度:105μm(4層)

銅箔走線寬度:16 mm

銅箔走線長度100 mm

電流35 A

最熱點溫度仿真后得出98°C

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圖8 原邊PCB在主PCB上的走線

通過調節上述配置參數,可以將PCB板上的溫度最高點控制在一個合理的范圍。

另一種方法是在溫度最高點的可能位置附近添加一層單獨的銅箔平面??墑股⑷饒芰μ岣?5%至20%,如圖9所示。

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圖9 單層板設計布局走線

3 磁芯設計

選用高磁導率、低矯頑的材料,可以讓傳感器的靈敏度更高、磁偏更小。如前所示,磁芯設計需要非常少量的材料。

主要任務是氣隙的形狀設計,關于形狀的選擇,最重要的衡量標準是拒絕外部磁場干擾的能力。

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圖10 磁芯氣隙形狀對外部磁場干擾的抑制仿真

(藍色表示磁場場強較小,紅色表示磁場場強較大)

4 磁屏蔽設計

產品內有考慮磁場屏蔽設計

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圖11 磁場屏蔽設計

4.1抗擾機械設計

此外,為了優化磁屏蔽,還進行了大量的仿真研究。下圖描述了在最糟糕的外部磁場環境下如何找到一些磁場“安靜區”。這些區域的分布是最終機械設計的目標。

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圖12 U型屏蔽層仿真

5.用于簡化裝配的最新印刷電路板

將集成霍爾元件的ASIC巧妙的設計在磁芯氣隙中,如下圖13所示。

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圖13 專用的PCB堆疊結構有助于減小磁路氣隙

此外,在高精度銅版印刷的PCB上,嵌入二次側補償線圈以取代物理繞組線圈(如圖14所示)

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圖14 等效二次繞組的PCB設計

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圖15 最終的機械裝配(無外殼)

最后,圖16描述了LDSR傳感器的機械輪廓。圖17總結了關鍵性能。

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圖16 LDSR 機械尺寸

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圖17 關鍵參數

6. 結論

霍爾傳感技術的改進,以低成本和強大的仿真工具實現高效數字處理的能力,為小電流傳感器的設計開辟了一條新的途徑,為磁通門解決方案提供了可靠的替代方案。(萊姆中國

/轉譯:周志健/校對:李海瑩)

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