将电流感应集成到宽禁带电源转换器的挑战

电力电子设备中的电流传感是指一系列用于精确测量电流的技术。精确的电流传感对于电源转换器实施保护和控制以及确保可靠性至关重要。

宽禁带(WBG)电源转换器由于其固有的有限空间和尺寸、所需的高检测速度以及引起的高电磁干扰(EMI)辐射，很难开发出单一的电流传感方案。

北卡罗来纳大学夏洛特分校的Ali Parsa Sirat和Babak Parkhideh于2023年7月发表的一篇文章强调了将电流传感集成到WBG电源转换器中的主要挑战。由于在满足所有要求时需要进行不同的权衡，因此很难采用一种适用于所有情况的电流传感方法。作者探索了提高现有单一方案电流传感器性能的方法。

电流传感技术

电流传感器的功能是测量交流和直流电流。在电力应用中，电流监控有多种用途，例如检测故障情况、性能监控和观察系统行为的异常变化。目前已开发出不同的电流传感方法，各有利弊。下面简要介绍几种主要方法。

分流电阻器

分流电阻器是一种与电流路径串联的低电阻元件，其两端的电压降与电流成正比(欧姆定律)。分流电阻可以是表面贴装电阻、同轴电阻、铜线电阻、MOSFET的部分单元(检测FET)，甚至是MOSFET的导通电阻。电感器也属于这一类，但需要添加一个积分器，将电压转换为电流。其缺点是缺乏电气隔离、寄生元件(如电源线路上的串联电感)、功率损耗以及温度变化引起的灵敏度变化。

电流互感器

电流互感器由电流流过的初级绕组和电流与初级电流成正比的次级绕组组成。通过改变匝数比和选择磁芯特性，电流互感器可以有多种实现，适用于不同的条件。然而，虽然电流互感器具有成本低、抗干扰能力强和隔离性能好等优点，但它们也会受到磁芯饱和的影响，从而限制了精度，并且磁导率与温度有关，频率越高，磁导率越低。

罗氏线圈

与电流互感器类似，它们也使用空芯线圈，但需要一个积分器来补偿空芯在低频时提供的较低增益。这些柔性线圈仅适用于测量交流电流。它们不需要电气隔离，通常用于电能质量监测。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器可检测交流和直流，利用垂直于电流流向的磁场在导体上产生的电压(几十微伏)。考虑到产生的信号水平较低，为了避免外部磁场的干扰，它们需要高磁导率磁芯和低噪声放大器。此外，它们的响应速度低于100kHz，因此需要电流互感器来提高带宽，尤其是在闭环中。

磁通门传感器

磁通门传感器可用于交流和直流检测，其原理依赖于某些磁性材料的饱和行为。它们由一个高磁导率磁芯、初级和次级绕组以及一个励磁绕组构成，以实现磁芯的磁饱和。被测电流通过初级绕组，在磁芯中产生磁场。当磁场达到一定水平时，磁芯就会饱和，在这种情况下，次级绕组中会感应出很高的电压，从而清楚地指示要测量的电流。磁通门传感器通常被认为是当今所有磁场检测器中最精确的磁力计，但其成本和复杂性都有所提高。最近，新技术的进步使得制造更高效、更便宜的片上系统成为可能。

法拉第感应定律

该原理将感应电动势(EMF)与磁通量变化率联系起来，也可以表示为EMF=-M×di/dt，其中M是线圈和导体之间的互感。这种方法更适用于较高的频率(即较高的di/dt)，但仍低于线圈的谐振频率。

将电流传感集成到WBG电源系统中的问题

为WBG电力电子设备开发一种单一的电流检测方案，以准确检测各种电流类型，是一项非常具有挑战性的工作。主要原因包括：几何形状和尺寸小、对高检测速度的需求、环境温度变化以及快速开关现代功率器件引起的高EMI辐射，这些都可能导致误检和不准确的测量。在评估将电流传感集成到电源转换器中时，必须考虑以下因素：

• 隔离
• 侵入性
• 尺寸和体积
• 带宽和直流测量能力
• EMI噪声抗扰度
• 精度
• 检测范围能力
• 热漂移
• 功耗和损耗
• 成本

下文将讨论其中几个问题。

隔离

只有基于欧姆的电流传感才需要电气隔离，这在电力电子设备中是一个很大的问题，因为各种电路元件之间的共模电压差可能很大。因此，分流传感器(如检测FET)的使用仅限于低压应用或电力电子设备中的下侧开关电流监控。

侵入式传感器

分流电阻器是一种侵入式传感器，因为它必须与电路串联。使用非侵入式或非接触式传感器仍然可以测量电流。例如，非接触式电流传感器可以采用磁阻技术，其概念是产生一个可以通过磁强计检测的磁场。

对于需要安全性和准确性的高压电流传感应用，电流探头是理想的选择，因为它们不会像三相逆变器那样改变基于WBG的电力电子设备的最佳布局。相比之下，电阻式电流传感技术因其电气接触而面临巨大挑战，更不用说电源线路上寄生元件的存在和热损耗，这限制了元件对感应电流的响应能力。同样明显的是，PCB嵌入式探头或RC探头是更好的替代方案，因为它们是非侵入式的，并且插入的电感可以忽略不计(几个纳亨)。

带宽和直流测量能力

电流感应带宽与传感器能够准确测量电流的频率范围有关。通常，由于WBG电力电子器件具有更快的开关能力和更尖锐的导通/关断边缘，因此需要更高带宽的电流传感器，其中带宽应足够宽，以捕获电流波形的高频分量。另一方面，开关电流波形可能包含从直流到极高频率的分量，而唯一能够测量高达数十兆赫(或千兆赫)直流的单一方案电流传感器是同轴分流器，它存在与隔离和侵入性相关的问题。一般来说，必须将多种传感方法结合使用，才能检测到各种频率。

开关EMI抗扰度

在WBG电力电子设备中，传感和信号调节的最大障碍之一是处理显著的di/dt和dv/dt。高频开关和超快导通/关断会导致射频发射、EMI辐射、额外损耗和杂散栅极电压，并既有可能产生电容性dv/dt耦合。这些问题会干扰其他元件的工作，降低整体性能和可靠性。为了避免这些问题，有必要正确设计传感电路，并通过降低高di/dt速率来优化转换器的布局。最好不要使用非隔离和侵入式元件，以免寄生元件加剧EMI问题。

功耗

如果电流传感器是分流电阻，则其功耗取决于焦耳加热引起的传导损耗；如果是片上磁通门传感器等非接触式传感器，则功耗可能来自电源供电。如果这些元件位于高效低功耗转换器内，则传感器的功耗至关重要。低功耗传感器更适用，因为它们只需要最小的电源，无需冷却系统。

保护、控制和表征

为了有效防止有害电流，高效的电流传感器必须能够足够精确地高速检测电流，因为故障检测越快，电力电子电路的保护措施就越快。此外，不完善的校准可能意味着错误读数，从而不必要地触发断路器，造成不良后果。

电力电子设备中使用的大多数控制方案都依赖于电流控制回路，从而使系统能够在负载和供电变化的情况下保持所需的电流水平。例如，光伏并网系统需要精确的电流传感器，以确保可靠、无缝的电网连接。

在硅和WBG功率器件的表征中，开关电流是广泛用于大量评估的测量值之一，例如导通电阻评估或通过双脉冲测试仪分析开关瞬态。从这些测量中收集的信息对于电源转换器的设计和优化至关重要。

表1是不同电流传感器(其中一些在文章中有所涉及)在电源转换器集成要求方面的颜色编码分数汇总(深绿色=非常好；浅绿色=好；黄色=可接受；橙色=差；红色=非常差)。

表1：电流传感方案与集成要求对比总结。(来源：Parsa Sirat, A.和Parkhideh, B.，2023年)