光伏逆变器中使用的电流传感器必须遵循以下发展趋势：它们必须结构紧凑，并且在成本更低的情况下，提供与被替代传感器同等或更优的性能。光伏装置通常在三个位置使用电流传感器。一个位于直流侧，用于最大功率点跟踪（MPPT）系统。另外两个位于交流侧：第一个用于确定输出电流波形参数，第二个出于安全考虑，用于测量输出端的剩余电流（RCM）。剩余电流是由接地漏电产生的，必要时可能导致系统关闭。本文介绍了一种专为测量剩余电流而设计的新型紧凑型传感器。.
1. 引言
图 1 显示了光伏系统中逆变器周围的主要组件，该光伏系统通常用于容量不超过约 20 kW 的住宅安装。多个此类逆变器可以组合成一个完整的系统，并通过电表连接到电网。.
图 2. 光伏装置中的残余电压和电流。.
过去十年间，新型硅基MOSFET已被应用于逆变器中，未来，基于SiC和GaN的MOSFET将逐步取代硅基MOSFET。这将提高开关频率，进而减小无功元件（电感器、电容器）的尺寸，从而缩小逆变器的整体体积。根据制造商的规格，2010年上市的一款2kW逆变器重达20公斤，而到了2016年，一款重量不足10公斤的型号已被取代。为了确保光伏系统中用作测量设备的电流传感器在总体积和重量中所占比例仍然极小，必须在不影响性能的前提下缩小其尺寸。同样，为了与整个逆变器系统的成本下降趋势保持一致，其成本也必须降低。.
图中展示了三个LEM电流传感器，它们均包含定制设计的专有CMOS ASIC芯片，并集成了霍尔效应单元。逆变器直流侧为开环GO；交流侧为用于逆变器控制系统的闭环LPSR；输出侧为闭环LDSR，以及用于RCM的新型差分传感器。（有关开环和闭环霍尔效应传感器的详细说明，请参见参考文献(1)）
图 2 展示了逆变器直流侧和交流侧的电压波形。需要注意的是，在无变压器系统中，“直流侧”确实存在一个对应于 PV+ 和 PV- 节点之间光伏电池输出电压的直流电压（可能需要使用 DC/DC 转换器进行升压），但每个 PV 节点也存在一个交流电压，其峰值与交流侧的峰值输出电压相近。如果在系统层面忽略这一点，则会造成严重的安全隐患。.
2. 测量剩余电流以确保安全。.
如图 1 所示，典型的光伏系统中 PV+ 和 PV- 节点体积较大。每个节点的平均电压（以地为参考）是光伏电池电压的一半，但同时也包含一个峰值与电池电压相近的交流电压。如果有人触摸 PV+ 或 PV- 节点（或者通常情况下，逆变器直流侧的任何节点），就会产生漏电流，该电流会在系统和人体之间流向地。由于系统中只有一个节点的电位保持在地电位——即输出节点 N——因此该漏电流必须通过节点 N 返回系统，从而导致 L 和 N 输出端之间出现直流电流不平衡，即残余电流。必须检测到该残余电流，以便系统能够尽快响应，保护造成残余电流的人员。RCM 面临的挑战中，以下几点尤为突出：
i) 待检测电流的绝对值很小，约为几十毫安，因此传感器的偏移量必须足够小才能检测到该电流水平；
ii) 交流输出电流值介于零安培到几十安培之间，必须检测其存在下的残余电流；
iii) 光伏组件与地之间的电容意味着始终有电流流向地线，系统的目标是将此电流与危险的人体接触造成的额外电流区分开来。
图 2 显示了采用新型 LEM LDSR 传感器进行 RCM 的简化逆变器系统中的漏电流路径。
上述三点中，（i）和（ii）是利用 LDSR 针对 RCM 的特殊设计实现的，而（iii）是通过将信号处理算法应用于传感器输出来实现的。.
图 3 显示了 RCM 的基本结构：一个带有霍尔单元的 ASIC（类似于 LPSR 传感器中使用的霍尔单元）位于闭环传感器的中心。交流电流 I1 和 I2 相互抵消，霍尔单元 ASIC 检测到低残余电流，并在次级绕组中进行补偿。由于待检测电流远低于 LPSR，因此次级绕组的匝数也远少于 LPSR。
图 3：基于霍尔效应闭环技术的 RCM 工作原理。
对图 3 中初级导体位置的详细分析表明，I1 和 I2 的抵消并不完美，气隙中的残余磁场取决于它们的位置。因此，决定精确定义初级导体的位置，为此，在传感器内部选择了多层印刷电路板。此外，RCM 仅需次级线圈几十匝，这意味着这些线圈也可以蚀刻在印刷电路板上。这使得传感器结构比其他闭环传感器简单得多。虽然将初级导体放置在印刷电路板上限制了初级线圈中的最大电流，但每根导体 35 A 的可行值对于家用安装来说绰绰有余。.
为了进行测试，在ASIC的印刷电路板上绕制了一个与次级电路同心的附加线圈。这对于系统测试非常有用：流过该线圈的电流将以与初级线圈之间的电流差相同的方式提供传感器输出。.
与 LPSR 传感器一样，ASIC 的设计目标是使偏移量最小，通过在 ASIC 下方的印刷电路板上开孔来减少与输入电流相关的偏移量，从而使磁路中的气隙尽可能小。.
由于 LDSR 的灵敏度很高，因此在 ASIC 周围和空气间隙处设置了磁屏蔽。.
图 4 显示了 LDSR 换能器的照片。.
通常情况下，LDSR检测到的漏电流包含交流和直流分量，每个用户都会在传感器输出端使用特定的算法来判断漏电流是否“过大”，并采取相应的措施。当存在较大、自然产生且变化的交流漏电流分量（例如，取决于环境湿度）时，情况就变得尤为复杂，因为寄生电容会导致漏电流变化，而此时必须检测到人触摸直流侧所引起的最大漏电流。人体阻抗很高，因此，如图5所示，新增电流实际上等于漏电流的均方根值；其主要影响是相位偏移。.
图 5：在泄漏处添加电阻路径后的效果。.
当然，图 5 中的实部和虚部电流还会受到噪声的影响。如果只知道一个频率，则必须使用采样波形进行分析；Goertzel 算法非常有效。在图 6 中，30 mA rms 的“人员漏电流”叠加到 300 mA rms 的“容性漏电流”上，并在 0.1 秒后叠加了 7.5 mA rms 的噪声。对总漏电流的直接影响几乎无法察觉，但经过 Goertzel 算法处理后，电流很容易恢复到 30 mA。如果该值超过预定义的阈值，则可以采取相应的系统级措施。.
图 6. 故障期间残余电流的模拟及 Goertzel 算法的输出。.
结论
本文以光伏装置为例，阐述了用于测量残余电流的LEM电流传感器的最新进展。这些传感器的尺寸和成本均有所降低，而性能却保持或有所提升。如今，这些传感器无需像以前那样采用磁感应元件。这项创新之所以成为可能，是因为传感器的设计复杂性已转移到其所使用的定制霍尔效应ASIC芯片上。.
参考文献 (1)：https://www.lem.com/en/file/3139/download
