図 1-2 は、オフセット付きの実際の電流センサの等価モデルを示しています。この調査では、電流センサのオフセットは、測定のフルスケールに正規化された固定値としてモデル化されています。式 8 を参照してください。

ここで、

• I₀ は、センサによって示される絶対オフセット値です。
• I_MAX は測定スケールの最大値です。
• θ₀ は測定で発生するオフセット誤差の単位に対する値です。

AC/DC 段の電流制御ループの目標は、システム内の実際の電流を測定することなく、MCU によって検出された電流を制御し続けることです。オフセット誤差が原因で測定値が実際の電流と一致しない場合、式 9 に示すように、電流はシステムに想定外の電源の外乱を引き起こします。

ここで、

• ΔP_O は、時間の関数としてオフセット誤差に起因する電源の外乱です。
• I_O1、I_O2、I_O3 は各電流センサのオフセット誤差です。
• V は位相と中性線との間の RMS 電圧です。
• ɷ はグリッド周波数から導かれる電気的な脈動です。

電源の外乱は、ゲイン誤差の場合とは対照的に、AC 段と DC 段の間の電力変換には関係ありません。したがって、この問題はどのような動作条件でも常に存在します。これは DC リンクに常に電圧リップルがあることで反映されます。オフセットは、グリッドのライン周波数に相当する周波数の電源の外乱をシステムに引き起こします。「ゲイン誤差」の章で説明したように、DC バス電圧ループは、センシング ポイントから発生する電力リップルを完全に除去することはできません。このため、制御ループと電流センシングの性能をシミュレーションする必要があります。シミュレーションに関する使用事例と条件は、以下のとおりです。

• DC バス電圧は、リップル電圧を最大化 (650V) するために最小定格電圧で動作する。
• AC 側と DC 側の間での最大限の電力交換を行うが、これは結果に影響しない。無負荷条件の場合も結果は同じである。
• オフセット誤差は単位あたりのフル測定スケールに対して定義される。±50mV の絶縁型デバイスを使用したシャント ベース設計の場合、最大スケールは ±32A。
• ワーストケースのシナリオになるように適用される 3 相のオフセットはI_O1 = –I_O2 = –I_O3 である。
• 電流制御ループ帯域幅はすべてのシミュレーションで一定 (3kHz) である。
• AC フィルタは、理想的なセンシングを使用した場合、公称電力でのグリッド THD を 3% に抑えることを目標に設計されている。
• 電力線の周波数は 50Hz である。

図 2-16 に、電流センシングとオフセット誤差が異なる AC/DC コンバータのシミュレーション結果を示します。

図 2-16 DC リンクの帯域幅とオフセット誤差をパラメータとした場合の DC リンク電圧リップルの経時変化

オフセット付きの電流センシング段から注入される電力リップルに起因する、DC リンク上の 50Hz リップル電圧の有無を確認します。さらに、PI コントローラの積分部分により、定常状態に達したときの電圧の平均値は、すべてのケースで変わりません。

DC リンク電圧リップルと電圧制御帯域幅の間には、明らかに重要な相関関係があります。電圧制御ループの帯域幅が十分に高い場合、制御ループはグリッドに向かう THD を犠牲にして電流ループを高速に制御することで、リップル電圧を除去しようとします。実際、制御の帯域幅が 400Hz の場合、オフセット誤差が 1.4% になると、THD が 10% 増加します (3%～3.3%)。逆に、電圧ループの帯域幅が高くない場合、電圧ループがこの変動を除去しようとするのではなく、グリッドに高調波を注入しないため、DC リンクの変動が非常に大きくなります。ただし、DC リンクに電圧リップルがあると、バッテリに許容できない電力リップルが発生する可能性があることに注意してください。さらに、電圧帯域幅が大幅に縮小されると、ステップ負荷応答の性能がかなり悪くなります。

結論として、スイッチング ノードに 1.4% のオフセット誤差を持つ電流センサを配置すると、グリッド電流 THD が 10% 以上増加する可能性があります。