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作者：Shaun Milano，
Allegro MicroSystems, LLC 和 Andreas P. Friedrich，Allegro MicroSystems Europe

專注光伏系統 

隨著人們對全球能源需求的日益關注和環保意識的加強，電力電子設備應用面臨著要提高效率的壓力。智能電網、插電式混合動力車 (PHEV) 和純電動汽車 (BEV) 以及并網型光伏 (PV) 和其他并網型可再生能源系統的出現推動著高效功率逆變器的發展。特別是新開發的光伏逆變器設計的目標是最大程度上降低每瓦成本，最大程度上利用太陽能系統的電力，從而獲得最佳的投資回報率。Allegro? MicroSystems LLC 已將開發了獨特的高性能集成電路 IC 系列，設計用于智能電網逆變器和電機控制應用。

PV 系統 

隨著化石燃料成本的上升以及人們對低碳排放量認識的不斷深化，人類在不斷加強對可再生能源利用技術方面的研究和開發活動。可再生能源占到全球最終資源消耗量的 19%，并且在最近五年來多項技術每年的增長率達到了兩位數[1]。特別是風電和光伏 (PV) 太陽能技術取得了巨大的發展，并網太陽能光伏技術的增長速度最快，年增長率超過 60% [1]。 

太陽能生產相關的主要挑戰在于將光伏板產生的直流電流轉換為電網的正弦交流電流。圖 1 顯示了光伏系統的簡單方框圖，其中包括太陽能板陣列和逆變器，二者采用網格連接配置，并具有交換控制和最大功率點跟蹤 (MPPT) 模塊。MPPT 模塊通常用于較大陣列的每個光伏串上，因為最大功率點會根據太陽輻射的變化不斷從一個太陽能串切換到另外一個太陽能串。跟蹤直流電流水平必須要用到電流傳感器，接著要使用微控制器調節系統運行點，從而從每個光伏串中獲得最大電力。比較這些測量結果頁可以用于探測存在缺陷的光伏串。大量家用低功率光伏系統也可以采用電流傳感器來控制 MPPT 并提高逆變器效率。MPPT 和逆變器控制都需要準確的電流感應。

霍爾效應電流傳感技術的新突破 

這些業內領先的 Allegro 電流傳感器 IC 的特性和優勢包括：

• 目前市場中電流分辨率最高、噪聲譜密度最低的霍爾傳感器 IC

• 對傳感器 IC 的增益與偏置進行精確的工廠編程

• 創新的信號處理和設計封裝能使輸出帶寬超過 120kHz 和快速輸出反應時間

• 獨有的具有電流隔離功能的小型傳感器 IC 封裝

• 減少功耗：通孔兼容與低電阻集成導體封裝

通過采用高級 BiCMOS 處理技術和創新封裝技術，可以提供全面集成的解決方案，即使在高帶寬條件下也可以提高精度和分辨率。圖 2 顯示了 Allegro 霍爾效應傳感器線性 IC 輸出峰間噪音和帶寬的演變。噪音水平降低 10 倍，而帶寬可以超過兩倍。  

逆變器感應

逆變器包括三個主要部件：用于將太陽能板電壓放大為電網要求的高壓的直流直流轉換器；將直流電流轉換為電網交流正弦波形的直流交流逆變器；和用于控制系統和優化效率同時確保符合電力監管和安全標準要求的各種電器控制組件。

高效直流交流逆變器可以生成用于直接連接交流電網的交流電流信號。因此，這種信號必須符合供電系統的要求，包括必須與電網同步并維持較低的總諧波失真 (THD) 水平。控制回路需要使用電流傳感器來確保實現適當的并網。這些傳感器必須能夠準確地測量 AC 和 DC 電流，另外，他們還必須具備高動態性能。需要具備非常快的響應時間以便于就電網中的任何變化作出快速響應，在發生短路前關閉系統或斷開系統連接。高輸出帶寬功能可以幫助系統系統測量高頻 AC 電流和諧波。

對于沒有變壓器或具有高頻變壓器的逆變器而言，低偏置溫度漂移（高精確度）傳感器必須可以控制供應給電網的 AC 電流中的 DC 分量。對 DC 電流限制的調整因國家而異，但通常都比較小，
大約為數十至數百毫安。此外，故障保護功能例如短路保護和過載保護讓電流傳感器更容易探測這些狀況并快速報告給微控制器。

高級霍爾效應電流傳感器 IC 解決方案

在電流傳感系統內使用時，隨著溫度、輸出信號帶寬以及輸出噪音的編號，傳統的霍爾效應傳感器其中一個缺陷將成為零安培輸出電壓精度和霍爾效應放大器靈敏度方面的總體限制。Allegro MicroSystems 開發了一系列創新型全面集成的電流傳感器封裝，可以完美適合逆變器應用，大大改善基于霍爾效應的電流傳感器 IC 的偏置、靈敏度和帶寬操作。在各個傳感器封裝中，IC 本身是最重要的組件，其中包括與低偏置高精度放大器連接的精密霍爾效應元件。

BiCMOS 工藝可以實現準確的放大器設計，其中的數字電路允許對隨著溫度的增益和偏置進行工廠編程。霍爾元件與放大器均為穩定斬波型，以改善精度和偏置漂移性能。Allegro 已經開發了專利斬波穩定和濾波技術，使霍爾效應 IC 輸出信號的低噪音性能達到業內領先水平，如圖 2 所示。模擬輸出反應時間小于 4 μs，因而可以感應切換頻率更高的逆變器。在低頻應用中，可對輸出進行進一步過濾，以降低輸出噪聲，并提高分辨率。在改進型放大器和濾波技術的支持下，Allegro 霍爾效應傳感器的輸出分辨率已經取得了革命性的進步。

圖 3 顯示了具有獨特效果的專利霍爾效應電流傳感器 IC 封裝技術，這種 IC 體積小，特別適合空間受限的應用情況。要感應的電流流經封裝左下角的四個引腳和封裝右下角的四個引腳之間的導電銅路徑。霍爾效應 IC 使用標準倒裝芯片組裝技術組裝到封裝中。三個主要優勢：

• 霍爾效應感應元件靠近帶電導體，因而可以獲得最大的磁耦合和信噪比，從而提高器件的準確度。

• 霍爾效應 IC 不接觸集成導體，因而可以保持電壓隔離并可以將光伏逆變器直流側和直流直流轉換器的工作電壓保持在 500 VRMS 的狀態。與霍爾效應 IC 上的低壓輸入/輸出墊上的焊料凸塊與圖 3 上部顯示的引線指
  接觸。

• 由于霍爾效應電流傳感器線性 IC 完全集成，允許 Allegro 在工廠對器件進行編程，以補償安培零點和隨著溫度變化產生的靈敏度變化。
  
  
  

圖 3 中的框圖顯示了可以集成到器件中的高級功能，這些功能可以降低總體物料清單成本；例如，含有用戶可編程跳變點并可以在 < 2 μs 內作出反應的過流故障輸出。快速數字故障輸出可以用于在發生過流時保護 IGBT 器件。內部傳導電阻僅為 1 mΩ，可以提供低功率損失，從而保證封裝可以在 85°C 的環境溫度條件下支持高達 40 A 的連續電流。器件配有模擬輸出，Allegro 部件號適用于不同的靈敏度，用于低功率逆變器。

Allegro CB 封裝電流傳感器 IC 系列（圖 4）向用戶提供了一種集成電流感應解決方案，可以提供一系列 100 μΩ 導體電阻，具有超低的功率損失。這些電流傳感器 IC 設計用于感應 50 到 200 A 的電流，可以用于高功率光伏逆變器中。

在 CB 封裝配置中，高精度高帶寬線性霍爾效應 IC 置于包裹在主導體周圍集中鐵磁芯的間隙中。這些集成傳感器的工作電壓約為 450 VRMS。

對于要求感應電流高于 200 A 的應用（例如 HEV 逆變器或高功率光伏系統），設計人員可以在簡單的 C 形鐵芯集中器的間隙中使用 Allegro 系列電流傳感器線性霍爾效應 IC。這些傳感器提供模擬或數字 PWM 輸出。

結論

Allegro MicroSystems 開發了一系列全面集成的霍爾效應電流傳感器 IC，這些 IC 可提供與外加電流成比例的高精確度輸出電壓信號。高級 IC 和封裝技術可以將帶寬提高到 120 kHz 以上，同時通過低噪音放大器設計可以提高器件在整個工作溫度范圍內的精度。專利封裝技術還可以提供小型化器件，具有電流隔離能力，并可以由 Allegro 進行工廠編程，從而可以獲得基于溫度的穩定零安培和全量程輸出。這些進步可使設計工程師在要求提高能量效率或新操作功能的新應用中使用基于霍爾效應的電流傳感器 IC。

參考資料

[1] REN21 二十一世紀可再生能源政策網絡 – 2010 全球可再生能源狀況報告 – 第 15 頁
[2] IMS Research – 2010 光伏逆變器年度報告

本文最早出現在 2011 年 10 月的智能電網論壇中。