光伏系统用于漏电流测量的霍尔闭环传感器设计

　　摘要：

　　基于闭环磁通门技术的传感器广泛应用在测量大电流中的小剩余电流以及噪声共模电流。这类传感器的精度以及对大电流的隔离能力使之成为漏电流检测的最优方案，但通常缺点是成本昂贵且体积庞大。本文介绍了一种新型小尺寸且利用霍尔闭环技术对太阳能系统中的漏电流进行测量的传感器：新一代的LDSR产品。

　　1.介绍

　　基于霍尔效应的闭环传感器用于电流测量时能在成本和性能之间作出良好的权衡。

　　如图1所示，用于检测漏电流的霍尔闭环传感器在除了主导体(I1)之外还包含第二根主导体(I2)。两根导体中的电流差分(I1-I2)在磁芯气隙处产生的磁通量和由驱动电流通过二次侧补偿绕组产生的磁通量相互抵消已达到动态的磁通量平衡。

图1 闭环霍尔电流测量

　　霍尔器件和相关电子电路用于生成二次侧(补偿)电流是对一次电流的精确还原。磁感应霍尔器件和所需的大部分电子元件都集成在单个CMOS ASIC中实现。与磁通门结构的传感器相比，新型的漏电流霍尔闭环传感器减小了封装尺寸并简化生产制作工艺。此外，减少的电子和机械部件可提高长期工作的可靠性。

　　尽管架构简单，但设计本身仍具有挑战性：

　　为了减小传感器封装，原边导线要嵌入到传感器中。导线会产生大量的热，电流密度和原副边的隔离都会受到限制。

　　磁路需要准确以应对检测较小的剩余电流，同时抑制较强的共模电流。优化原边导体与霍尔元件之间的耦合是必不可少的。

　　该架构对外部磁场非常敏感：整体的电磁设计必须防止外部电磁场的干扰。

　　2.一次导体设计

　　一次导体的设计要非常小心，选择集成带印刷电路板的解决方案是出于结构紧凑性的要求，也是考虑到其平面化结构带来的优势。

　　2.1平面结构的设计用于抑制共模电流

　　为了说明共模抑制的必要性，让我们考虑一下基本的二维模拟。

图2 基于线缆的共模信号磁场模拟

　　如图2所示，磁芯由一条带有气隙的高磁导率材料制成，两根导线并排放置在磁芯包围的内部，其中一根导线通入+30A的电流，另一根导线通入-30A的电流，如上图所示，在磁芯气隙处的磁场高达11mT，使剩余电流测量几乎不可能。而磁芯本体如图所示产生的磁场达到700mT。这对于某些磁性材料来说可能是一种接近饱和的情况，因此直接采用并排导线这种原边配置的方式将导致传感器线性度降低且质量非常差。

　　如果原边设计采用PCB结构的4层板设计，如图3所示。其中2层PCB铜箔各流入+15A的电流，另外2层PCB铜箔各流入-15A的电流。基于这样的设计改进，使用极少量的磁性材料来测量是可行的。

图3 基于原边电流采用PCB结构的共模信号磁场模拟

　　原边电流采用PCB结构的设计去抑制共模的概念最终形成了如下图所示的PCB结构设计方案。

图4 原边导体采用PCB结构设计的方案

　　共模抑制的另一个关键点是两个往返电流(I1和I2)在PCB上的走线方式：两条走线方式的不对称性(PCB布线的载流密度)都会导致抑制效果的退化。

图5电流密度仿真

图6 电流密度仿真结果

　　2.2热考虑

　　光伏逆变器设计者面临的挑战之一是需要遵守UL标准，尤其是UL62109标准，该标准规定PCB不应超过105°C。通常PCB是由FR4材质的基板和铜箔制成的(对于逆变器PCB而言)。由于PCB面积很小，PCB铜箔本身散热能力有限，宽横截面的导体焊接靠触点焊接在PCB上是优秀的“热管”，但由于这种情况涉及到不确定性，使得按照通常的计算热阻的方法变得不可行，应通过模拟和试验来调查合规性。