逆變器是通過(guò)電力電子的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將低壓直流電或者儲(chǔ)能電池的直流電，最終轉(zhuǎn)換為某一特定頻率的低壓交流電的設(shè)備。例如家儲(chǔ)逆變器里，48V 的 46800 電池組通過(guò)逆變器升壓到 220V Ac @ 50Hz，提供給后端的各種用電設(shè)備。其典型拓?fù)浒绷鬏斎?、DC/DC 升壓、DC/AC 逆變、波形整形交流輸出幾大環(huán)節(jié)。

電壓、電流傳感器在逆變器中扮演著至關(guān)重要的角色，堪稱逆變器的 “感知器官”。其核心作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：能夠?qū)崟r(shí)、精確地采集逆變器各個(gè)部位的電流、電壓參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給 CPU。CPU 進(jìn)行高速 A/D 轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，從而為程序控制算法提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

閉環(huán)控制：程序依據(jù)監(jiān)測(cè)到的電壓、電流數(shù)據(jù)，開(kāi)展數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯分析判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件(如 SiC、MOSFET、IGBT 等)的精準(zhǔn)控制，達(dá)成閉環(huán)控制的目標(biāo)，以此保障逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行和高效性能。

故障防護(hù)與器件保護(hù)：CPU 通過(guò)檢測(cè)電壓、電流傳感器件輸出的信號(hào)，能夠準(zhǔn)確判斷設(shè)備是否處于過(guò)流、短路、漏電等異常狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，便會(huì)迅速觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，避免設(shè)備損壞，確保系統(tǒng)安全。

二、電壓、電流傳感器在逆變器各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用

(一)直流輸入環(huán)節(jié)

從電池組自身來(lái)看，通常都配備有一套完整的 BMS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備電池充電保護(hù)和放電過(guò)低的低壓保護(hù)功能，所以一般情況下無(wú)需對(duì)其進(jìn)行額外檢測(cè)。不過(guò)，從安規(guī)等角度考慮，通常需要關(guān)注光伏電池或儲(chǔ)能電池的漏電流監(jiān)測(cè)。從硬件電路可靠性方面分析，將漏電流傳感器布置在此處是較為理想的選擇，因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)儆陔娫吹蛪簠^(qū)，各種干擾相對(duì)較小，便于處理。

(二)DC/DC 升壓環(huán)節(jié)

DC/DC 升壓環(huán)節(jié)一般依靠一個(gè)完整的電路，實(shí)現(xiàn)從低壓(如 48V)升高到約 300V 的升壓過(guò)程。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，一般不需要對(duì)升壓后的電壓進(jìn)行檢測(cè)。但從 EMC/EMI 方面考慮，可以在此處增加防雷和浪涌保護(hù)裝置，以防止后端元件因雷擊或浪涌而損壞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備異常。例如，某些防雷電路能夠滿足抗 2000V 浪涌 / EFT 等測(cè)試要求，可有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

(三)DC/AC 逆變環(huán)節(jié)

IGBT 保護(hù)：相較于 MOS 管，IGBT 的成本更為昂貴。為了最大程度地保護(hù)功率管，防止其損壞，同時(shí)避免因功率管損壞導(dǎo)致上下橋臂直通，引發(fā)燒毀甚至電器起火等嚴(yán)重事故，有必要在 + 300V 總線上安裝一個(gè)高精度、響應(yīng)時(shí)間快的閉環(huán)霍爾電流傳感器，如芯森電子 CN2A 系列，其響應(yīng)時(shí)間 < 0.5us，精度約為 0.2%。該傳感器在此處主要發(fā)揮兩個(gè)重要作用：一是檢測(cè)總輸出電流，用于計(jì)算和顯示總輸出功率;二是起到類似保險(xiǎn)管的保護(hù)作用，一旦某個(gè)橋臂的 MOS/IGBT 損壞，導(dǎo)致 + 300V 與地直通，引發(fā)短路故障，該傳感器能夠迅速檢測(cè)到異常電流，及時(shí)采取保護(hù)措施。

橋臂控制與故障保護(hù)：盡管閉環(huán)電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間極快，但考慮到逆變器輸出的波形數(shù)據(jù)由 CPU 內(nèi)部程序計(jì)算產(chǎn)生，程序運(yùn)行量較大，CPU 可能無(wú)法迅速匹配傳感器 0.5us 的響應(yīng)時(shí)間。為解決這一問(wèn)題，除了加大 CPU 工作主頻或升級(jí) CPU 外，還可以追加一個(gè)最大值檢測(cè)電路。該電路通過(guò)窗口比較器將模擬量轉(zhuǎn)換為高低電平的數(shù)字信號(hào)，然后送入 CPU 的中斷口，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，迅速切斷 IGBT 的輸出，從而有效保護(hù)設(shè)備。此外，從硬件電路響應(yīng)速度遠(yuǎn)高于程序的角度出發(fā)，該保護(hù)信號(hào)也可以引入到 MOS/IGBT 的驅(qū)動(dòng) IC 的使能端，這樣能夠比程序更快速地關(guān)斷功率器件，進(jìn)一步提高保護(hù)的及時(shí)性和有效性。

成本考量下的傳感器選擇：如果在成本方面有所考慮，也可以采用價(jià)格更為便宜的開(kāi)環(huán)霍爾器件，如芯森電子 AN3V/AN1V/AS1V 等系列，其響應(yīng)時(shí)間大約在 3 - 5us。雖然開(kāi)環(huán)霍爾器件在性能上可能稍遜于閉環(huán)霍爾電流傳感器，但在一些對(duì)成本較為敏感且對(duì)性能要求不是特別苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景中，仍然具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

(四)交流輸出環(huán)節(jié)

逆變器的負(fù)載通常直接為電器設(shè)備、電源等供電。為了提高供電的電能質(zhì)量，減少諧波對(duì)負(fù)載設(shè)備的影響，一般需要在交流輸出環(huán)節(jié)增加一個(gè)電感，將 PWM 波還原成一個(gè)近似正弦波。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，通常不需要使用傳感器對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不過(guò)，在一些對(duì)電能質(zhì)量要求極高的特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，也可以根據(jù)實(shí)際需求安裝相應(yīng)的傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓質(zhì)量，確保輸出電壓滿足負(fù)載設(shè)備的嚴(yán)格要求。

三、特殊環(huán)境下的應(yīng)用挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

(一)溫度影響與應(yīng)對(duì)措施

在一些極端溫度環(huán)境下，電壓、電流傳感器的性能可能會(huì)受到顯著影響。例如，在極寒環(huán)境(-40℃以下)中，傳感器的精度可能會(huì)下降，甚至出現(xiàn)誤保護(hù)等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，應(yīng)盡量選用高精度、低溫漂的閉環(huán)霍爾器件，這類器件的溫漂 < 50ppm/℃，可以有效降低溫度漂移對(duì)測(cè)量精度的影響，減少誤保護(hù)情況的發(fā)生。更為可靠的做法是引入 BMS 系統(tǒng)中常用的硅橡膠加熱膜 / PTC 加熱器，通過(guò)程序作為主控，精確控制加熱膜的啟動(dòng)和停止，同時(shí)配備機(jī)械溫控器作為二級(jí)保護(hù)。這樣的雙重保護(hù)機(jī)制能夠有效提高整個(gè)逆變器件在全溫度環(huán)境下的運(yùn)行可靠性，確保逆變器在惡劣溫度條件下仍能穩(wěn)定工作。

(二)封裝要求

在一些特殊環(huán)境中，如高濕度、多塵等惡劣工況下，對(duì)傳感器的封裝提出了更高的要求。器件通常需要采用滿足 IP67 要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保良好的密封性和防護(hù)性能，適應(yīng)絕緣耐壓要求。IP67 防護(hù)等級(jí)意味著傳感器能夠在一定深度的水中浸泡一段時(shí)間而不受影響，同時(shí)能夠有效防止灰塵等雜質(zhì)的侵入，從而保證傳感器在惡劣環(huán)境下的正常工作，延長(zhǎng)其使用壽命，提高系統(tǒng)的整體可靠性。

(三)大電流應(yīng)用場(chǎng)景

在大電流應(yīng)用場(chǎng)景中，PCB 的銅厚度對(duì)電流承載能力具有重要影響。通常，PCB 的銅厚度有 0.5oz、1oz、2oz、5oz 等規(guī)格。為了滿足大電流通過(guò)的需求，要么加寬走線，要么加厚銅層厚度，或者同時(shí)采取這兩種措施。然而，即使進(jìn)行了這些處理，僅依靠 PCB 走線來(lái)通過(guò)高達(dá) 100A 的電流，在可靠性方面仍然存在諸多問(wèn)題。例如，銅層產(chǎn)生的熱量在阻焊層的包裹下難以散發(fā)，可能導(dǎo)致 PCB 溫度過(guò)高，影響器件性能甚至引發(fā)故障。在這種情況下，可以考慮采用穿線方式的霍爾電流傳感器。這種傳感器只需使用最多 10mm2 的銅線 / 銅排，就能輕松通過(guò) 100A 電流，同時(shí) PCB 可選擇 0.5oz 銅層厚度的 FR4 材料，并在 PCB 板上開(kāi)設(shè)相應(yīng)的焊盤通孔。這種方案不僅能夠滿足大電流傳輸?shù)囊?，還具有成本低、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，是大電流應(yīng)用場(chǎng)景下的一種理想選擇。

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)電壓、電流傳感器的性能和可靠性也提出了更高的要求。通過(guò)合理選擇和應(yīng)用傳感器，并針對(duì)特殊環(huán)境采取有效的應(yīng)對(duì)策略，能夠充分發(fā)揮逆變器的性能優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力支持。