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創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量

發布時間:2020-08-11 來源:Petre Minciunescu 責任編輯:wenwei

【導讀】傳統三相電表使用電流互感器(CT)檢測相電流和零線電流。CT的優勢之一是能夠在數百伏的電力線與電表地(通常連接到零線)之間提供固有的電隔離。CT可以實現良好的線性度;通過調整匝數比和負載電阻,可以靈活地測量各種類型的電流。

然而,CT用于電表時也有一些缺點。首先,外部直流磁場可能會使CT的磁芯飽和?,F在,非常強大的稀土直流磁體很容易為普通民眾所獲得并應用于竊電。其次,電源電子設備也能使CT飽和,例如用于分布式太陽能發電的直連逆變器,它在線路上產生直流電流。制造商可以通過屏蔽和使用直流兼容CT來克服這兩種影響,但這會增加成本。有人說,無論是何種CT,都可以找到一個永磁體來干擾它。第三,CT會引入一個與線電流頻率相關的測量相位延遲。如果應用僅關注線電流的基波成分,那么補償此延遲相對容易。然而,測量諧波成分日益變得重要,而要補償基波和所有諧波的總延遲則非常困難。
 
其它電流傳感器在三相電表應用中使用較少,包括羅氏線圈等di/dt傳感器或霍爾效應傳感器。雖然這些傳感器在某些應用中具有優勢,但也存在特殊的困難。例如,羅氏線圈具有出色的線性度,可以檢測非常高的電流,但難以制造,而且難以實現良好的抗擾度,不適合精確的低電流測量。在防竊電方面,羅氏線圈也容易受交流磁場干擾?;魻栃獋鞲衅饕髮囟仁д{進行主動補償,而且本身很容易受磁場影響。
 
分流電阻與三相電能計量
 
近年來,在成本、磁場抗擾度和尺寸等因素的推動下,分流電阻在單相電表中的使用迅速增加。許多情況下,單相電表以線電壓為基準,因而無需額外的隔離。在三相電表中,必須在各分流電阻與電表內核之間提供一個隔離柵,這是嚴重的挑戰。熱量也是一個問題,迫使分流電阻一般只能用于最大電流不超過120 A的電表。我們先考慮一個三相系統的A相及其負載。假設利用分流電阻來檢測相電流(圖1)。
 
我們先考慮一個三相系統的A相及其負載。假設利用分流電阻來檢測相電流(圖1)。
 
創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
圖1. 利用分流電阻檢測相電流時的A相電流和電壓檢測
 
這恰好是一個單相電表配置:分流電阻位于電力線上,一個分壓器檢測相至零線電壓。分流電阻和分壓器上的電壓由一個模數轉換器(ADC)檢測。地為分流電阻與分壓器共用的極點。單相電表大部分用于住宅,其最大電流一般低于120 A。這一限制加上低成本要求,使得分流電阻成為單相電能計量中使用最廣泛的電流傳感器。
 
所有三相都復制這一方案,各ADC有其自己的地(圖2)。
 
創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
圖2. 利用分流電阻檢測相電流時的三相電流和電壓檢測
 
管理所有活動的微控制器(MCU)與零線處于相同的電位,為了在ADC與MCU之間進行通信,必須隔離數據通道。這樣,每個ADC都有其自己的隔離電源(圖3)。
 
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圖3. 具有分流電阻、獨立電源和隔離通信的三相電表
 
這種電表架構已在使用:雙通道ADC利用光耦合器或芯片級變壓器,跨越隔離柵將信息串行傳輸到MCU。隔離電源利用獨立器件或采用芯片級變壓器的隔離DC-DC轉換器來構建。
 
理想情況下,所有相電流和電壓都應同步采樣,以便利用瞬時值進行全面的三相分析。但是,各相的ADC讀數完全獨立,因為不存在ADC同步。這是這種架構的第一個局限。使用電流互感器或羅氏線圈的電表則不存在這種問題,因為它們可以使用一個計量模擬前端(AFE)來同時讀取所有相電流和電壓。
 
這種架構的另一個問題是高器件數:一個MCU、三個ADC、三個多通道數據隔離器以及四個電源。使用CT的電表不存在這個問題,因為電路板通常具有一個MCU、一個計量AFE和一個電源。
 
那么,如何構建一款具有分流電阻的優勢,器件數對于這種架構而言最少(即一個MCU、一個電源和三個ADC),并且能對所有相電流和電壓同步采樣的電表呢?
 
隔離式ADC架構
 
答案是構建一種集成至少兩個ADC、一個隔離式DC-DC轉換器和數據隔離器,并能使屬于不同芯片的ADC同步采樣數據的芯片(圖4)。MCU的電源VDD也為此芯片供電。采用芯片級變壓器技術的隔離式DC-DC轉換器為ADC的第一級提供隔離電源。一個ADC檢測分流電阻上的電壓,另一個ADC利用分壓器檢測相至零線電壓。由分流電阻極點之一所確定的地就是芯片隔離側的地。ADC為sigma-delta型,僅第一級放在芯片的隔離側。第一級輸出的位流經過芯片級變壓器,后者是隔離數據通信通道的一部分。芯片的非隔離側收到位流,濾波后將其變為24位字,然后通過SPI串行端口提供給外部。
 
創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
圖4. 新型ADC架構包括雙通道ADC、數據隔離和一個隔離式DC-DC轉換器
 
芯片級變壓器技術對這種新型ADC架構的貢獻最大。與光耦合器相比,ADI公司獲得專利的iCoupler®數字隔離器更可靠、尺寸更小、功耗更低、通信速度更快、時序精度更佳。但這還不夠。隔離式sigma-delta調制器上 市已久,采用光耦合器或芯片級變壓器。芯片級變壓器技術的最重要貢獻是伴隨isoPower®隔離式DC-DC轉換器,它可以與ADC、數字模塊、隔離數據通道一同集成到一個表貼薄型封裝中。
 
芯片級變壓器的核心是空氣,因此iCoupler數字隔離器和isoPower隔離式DC-DC轉換器根本不受永磁體的影響,使得電表這一側完全不受直流磁場干擾。這種變壓器對交流磁場同樣具有高抗擾度。線圈面積非常小,要影響isoPower線圈運行,必須產生一個10 kHz、2.8 T的磁場。換言之,為了影響芯片級變壓器的行為,必須讓69 kA的10 kHz電流通過一根導線,并讓該導線與芯片相隔5 mm。
 
信息利用極高頻PWM脈沖傳輸到隔離柵另一側。由此產生的高頻電流會在電路板中傳播,引起邊沿和偶極子輻射。隔離式DC-DC轉換器的負載僅由sigma-delta ADC的第一級構成,其幅度是已知的。因此,線圈是針對已知負載進行設計,從而可以降低一般與DC-DC轉換器相關的輻射,并且無需四層電路板。使用這種架構的IC時,電表制造商可以使用兩層電路板,并通過所需的CISPR 22 Class B標準。
 
為使與MCU的接口盡可能簡單,芯片的數字模塊對來自第一級的位流進行濾波,并通過簡單的從機SPI串行端口提供24位ADC輸出。電表每一相都有一個隔離式ADC,因此獲得一致ADC輸出的挑戰仍未解決。如果采用同一時鐘工作,則所有相上的ADC第一級可以在同一時刻采樣。如果圖4中的CLKIN信號產生自MCU,則這很容易實現。另一個方案是使用一個晶振為一個芯片產生時鐘,然后利用緩沖CLKOUT信號為所有其它隔離式ADC提供時鐘??刂扑懈綦x式ADC以在同一時刻產生ADC輸出?,F在,電表就能利用分流電阻檢測電流,執行精確、全面的三相分析。
 
圖5顯示一款采用三個隔離式ADC的三相電表。該電表僅有一個電源為MCU和隔離式ADC供電。MCU利用SPI接口從各IC讀取ADC輸出。
 
創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
圖5. 采用新型隔離式ADC的三相電表
 
上面的說明假設利用外部MCU執行計量計算。對于希望解決方案包括計量計算的電表制造商, 可以將隔離式ADC耦合到一個IC以執行所有計量計算,如圖6所示。
 
創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
圖6. 采用新型隔離式ADC和計量IC的三相電表
 
基于此架構的新產品
 
此架構已被ADI公司的一系列新產品采用:ADE7913、ADE7912、ADE7933和ADE7932。圖7顯示了ADE7913的框圖。它與圖4非常相似,但有一個額外ADC通道用于檢測與溫度傳感器復用的輔助電壓。該輔助電壓可以是斷路器上的電壓,溫度傳感器可用于校正分流電阻的溫度變化。ADE7912是一個變體,無輔助電壓測量功能,但有溫度傳感器。
 
創新的隔離式ADC架構支持利用分流電阻進行三相電能計量
圖7. 基于此架構的新型ADE7913隔離式ADC
 
ADE7933和ADE7932將SPI接口替換為位流接口,其余特性分別與ADE7913和ADE7912相同。它們就是圖6所示的隔離式ADC。圖中的計量IC已通過ADE7978實現。
 
結束語
 
本文說明了一種新型隔離式ADC架構。它包含一個isoPower隔離式DC-DC轉換器,利用MCU電源為隔離柵另一側的多通道sigma delta ADC第一級供電。ADC輸出的位流經過iCoupler數據隔離器,由數字模塊接收。此模塊對其進行濾波,產生24位ADC輸出,可利用簡單的SPI接口讀取。一個ADC可以測量經過一個分流電阻的電流,第二個ADC可以利用分壓器測量相至零線電壓,第三個ADC可以測量輔助電壓或溫度傳感器。它支持三相電表使用分流電阻,確保完全不受直流和交流磁場干擾,執行電流檢測時不會產生任何相移,同時可降低系統總成本。小尺寸解決方案確保電路板非常小,只需安裝非常少的器件。集成式isoPower芯片級變壓器針對已知ADC負載而設計,輻射降至最低,并通過測試,利用兩層電路板即可達到CISPR 22 Class B標準。
 
當然,使用分流電阻的電流檢測并不局限于電能計量應用,電能質量監控、太陽能逆變器、過程監控和保護設備均可受益于這種新型ADC架構。
 
 
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