　　摘要：

　　基于閉環(huán)磁通門技術的傳感器廣泛應用在測量大電流中的小剩余電流以及噪聲共模電流。這類傳感器的精度以及對大電流的隔離能力使之成為漏電流檢測的最優(yōu)方案，但通常缺點是成本昂貴且體積龐大。本文介紹了一種新型小尺寸且利用霍爾閉環(huán)技術對太陽能系統(tǒng)中的漏電流進行測量的傳感器：新一代的LDSR產(chǎn)品。

　　1.介紹

　　基于霍爾效應的閉環(huán)傳感器用于電流測量時能在成本和性能之間作出良好的權衡。

　　如圖1所示，用于檢測漏電流的霍爾閉環(huán)傳感器在除了主導體(I1)之外還包含第二根主導體(I2)。兩根導體中的電流差分(I1-I2)在磁芯氣隙處產(chǎn)生的磁通量和由驅(qū)動電流通過二次側補償繞組產(chǎn)生的磁通量相互抵消已達到動態(tài)的磁通量平衡。

圖1 閉環(huán)霍爾電流測量

　　霍爾器件和相關電子電路用于生成二次側(補償)電流是對一次電流的精確還原。磁感應霍爾器件和所需的大部分電子元件都集成在單個CMOS ASIC中實現(xiàn)。與磁通門結構的傳感器相比，新型的漏電流霍爾閉環(huán)傳感器減小了封裝尺寸并簡化生產(chǎn)制作工藝。此外，減少的電子和機械部件可提高長期工作的可靠性。

　　盡管架構簡單，但設計本身仍具有挑戰(zhàn)性：

　　為了減小傳感器封裝，原邊導線要嵌入到傳感器中。導線會產(chǎn)生大量的熱，電流密度和原副邊的隔離都會受到限制。

　　磁路需要準確以應對檢測較小的剩余電流，同時抑制較強的共模電流。優(yōu)化原邊導體與霍爾元件之間的耦合是必不可少的。

　　該架構對外部磁場非常敏感：整體的電磁設計必須防止外部電磁場的干擾。

　　2.一次導體設計

　　一次導體的設計要非常小心，選擇集成帶印刷電路板的解決方案是出于結構緊湊性的要求，也是考慮到其平面化結構帶來的優(yōu)勢。

　　2.1平面結構的設計用于抑制共模電流

　　為了說明共模抑制的必要性，讓我們考慮一下基本的二維模擬。

圖2 基于線纜的共模信號磁場模擬

　　如圖2所示，磁芯由一條帶有氣隙的高磁導率材料制成，兩根導線并排放置在磁芯包圍的內(nèi)部，其中一根導線通入+30A的電流，另一根導線通入-30A的電流，如上圖所示，在磁芯氣隙處的磁場高達11mT，使剩余電流測量幾乎不可能。而磁芯本體如圖所示產(chǎn)生的磁場達到700mT。這對于某些磁性材料來說可能是一種接近飽和的情況，因此直接采用并排導線這種原邊配置的方式將導致傳感器線性度降低且質(zhì)量非常差。

　　如果原邊設計采用PCB結構的4層板設計，如圖3所示。其中2層PCB銅箔各流入+15A的電流，另外2層PCB銅箔各流入-15A的電流?；谶@樣的設計改進，使用極少量的磁性材料來測量是可行的。

圖3 基于原邊電流采用PCB結構的共模信號磁場模擬

　　原邊電流采用PCB結構的設計去抑制共模的概念最終形成了如下圖所示的PCB結構設計方案。

圖4 原邊導體采用PCB結構設計的方案

　　共模抑制的另一個關鍵點是兩個往返電流(I1和I2)在PCB上的走線方式：兩條走線方式的不對稱性(PCB布線的載流密度)都會導致抑制效果的退化。

圖5電流密度仿真

圖6 電流密度仿真結果

　　2.2熱考慮

　　光伏逆變器設計者面臨的挑戰(zhàn)之一是需要遵守UL標準，尤其是UL62109標準，該標準規(guī)定PCB不應超過105°C。通常PCB是由FR4材質(zhì)的基板和銅箔制成的(對于逆變器PCB而言)。由于PCB面積很小，PCB銅箔本身散熱能力有限，寬橫截面的導體焊接靠觸點焊接在PCB上是優(yōu)秀的“熱管”，但由于這種情況涉及到不確定性，使得按照通常的計算熱阻的方法變得不可行，應通過模擬和試驗來調(diào)查合規(guī)性。