在大功率工業(yè)和汽車應(yīng)用中精確測量電流的有源分流器

在高共模電壓下進行準確的電流測量對于控制能量流和優(yōu)化大功率工業(yè)系統(tǒng)(如電機驅(qū)動、不間斷電源、太陽能逆變器和電池系統(tǒng))或汽車系統(tǒng)(如電動汽車中的牽引逆變器)中的效率至關(guān)重要(電動汽車)。

這些高功率系統(tǒng)會受到惡劣環(huán)境的影響，例如電噪聲、振動、機械沖擊、溫度變化和污染物進入。電流測量值通常在 100 A 到 1000 A 的功率驅(qū)動側(cè)(也稱為熱側(cè))之間進行測量，經(jīng)過電流隔離并發(fā)送到微控制器 (MCU) 側(cè)，也稱為冷側(cè)。

然而，新的有源分流技術(shù)提供了一種一體化解決方案，在單個封裝中結(jié)合了高精度測量和隔離。

電流監(jiān)測應(yīng)用

任何產(chǎn)生或使用大量電力的應(yīng)用程序都需要盡可能高效地運行;在許多情況下，這意味著會有某種形式的自動閉環(huán)反饋需要精確的電流檢測。

近年來，大型電池系統(tǒng)變得越來越普遍，為數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院等重要建筑提供電力。監(jiān)控電池容量和使用情況需要準確的電流測量。電機比以往任何時候都更多地用于自動化我們的世界;隨著我們轉(zhuǎn)向更高效的無刷直流電機類型，電流測量是電子換向的一個重要方面。

許多高增長行業(yè)，包括可再生能源、電動汽車和混合動力電動汽車 (HEV)，也需要準確的電流監(jiān)測以進行管理、報告和控制。

電流監(jiān)測方法

有兩種主要的電流監(jiān)測方法用于直流電阻分流和霍爾效應(yīng)(圖 1a 和 1b)。

圖 1a：閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器

圖 1b：基于分流的電流測量

霍爾效應(yīng)方法依靠磁通量耦合將電流感應(yīng)到傳感元件中。這種方法提供了固有的隔離。

不利的一面是，霍爾效應(yīng)模塊，尤其是閉環(huán)模塊，相對昂貴，尤其是對于需要非常高的精度和高動態(tài)范圍的應(yīng)用。此外，它們的溫度上限通常為 +85°C，這在空間受限的高功率應(yīng)用中相當容易達到。

分流方法相對簡單，包括在承載待測電流的導(dǎo)體中插入一個低值電阻。電阻產(chǎn)生的電壓與歐姆定律定義的電流成正比;該電壓隨后被放大和監(jiān)測以監(jiān)測電流。

分流方法的主要缺點是它是一種侵入式測量，并且一些功率會以電阻中的熱量的形式消散。完整的比較見表 1。

表 1：比較用于 >100A 電流測量的基于分流器和基于霍爾效應(yīng)的模塊解決方案

然而，基于分流的電流測量有許多積極的方面。首先，基于分流的測量隨著時間和溫度的變化提供更高的精度和更高的穩(wěn)定性。生產(chǎn)中的一次性初始校準應(yīng)足以滿足長期精度要求。

分流測量的最大優(yōu)勢之一是它們不受磁場影響。在大功率應(yīng)用中，尤其是電動機和 EV/HEV，流經(jīng)附近導(dǎo)體的大量電流會產(chǎn)生磁場，從而使霍爾效應(yīng)技術(shù)讀取的讀數(shù)失真。此外，分流器可以在比霍爾效應(yīng)器件更高的溫度下運行，這是一個寶貴的好處，因為許多與電源相關(guān)的應(yīng)用都在高溫下運行。

有源分流技術(shù)

一般來說，設(shè)計人員選擇基于分流器的監(jiān)測方法來測量高達 50 A 的直流電流，而選擇霍爾效應(yīng)監(jiān)測方法來測量更高的電流。但是，隨著各種現(xiàn)代應(yīng)用中需要在高電流下進行高精度電流測量的設(shè)計，分流方法正在復(fù)興。

一種新的分流電流測量方法將傳統(tǒng)的無源分流(電阻)元件與隔離放大器相結(jié)合，以結(jié)合分流測量的所有優(yōu)勢，以及霍爾效應(yīng)傳感技術(shù)固有的隔離。

新型Riedon SSA 智能分流器集成了一個極低值的 Manganin 分流電阻器、一個高精度隔離放大器和一個隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(圖 2)。它提供可直接連接到大多數(shù) MCU 的差分輸出。事實上，SSA 是目前市場上唯一具有模擬輸出的放大有源分流器。

圖 2：SSA 包含一個隔離電源和隔離放大器，以及一個分流元件

這種一體化設(shè)備的安裝只需要簡單地用螺栓固定到母線，所有電氣連接(電源和信號)都通過一個連接器完成。SSA 對磁場不敏感;因此，與霍爾效應(yīng)器件不同，它可以自由定位而無需任何額外的屏蔽，從而為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了更大的靈活性。

SSA 能夠測量超過 1,000 A 的電流，在整個測量范圍內(nèi)的精度為 ±0.1%，線性度為 ±0.1%。在 45°C 下 1,000 小時后的長期穩(wěn)定性低于 0.2%，無需每年重新校準。差分輸出有效地抵消了任何熱電動勢效應(yīng)，消除了由于整個器件的熱梯度引起的任何相關(guān)偏移。

與其他分流解決方案不同，完全采用美國保險商實驗室 94-V0 封裝的設(shè)備提供 1,500 V DC (1,000 V ACrms ) 的增強隔離，使您能夠?qū)⒃O(shè)備安裝到電源轉(zhuǎn)換器的高側(cè)，但仍然適合低側(cè)推薦為最佳實踐。

由于 SSA 包括一個放大器，電阻值極低，因為檢測電壓在內(nèi)部倍增。因此，測量高達 1,000 A 的電流時的功率損耗在 5 W-20 W 的范圍內(nèi)。

這款堅固耐用的設(shè)備包括德州儀器 (TI) 的汽車級、Q-100 認證隔離放大器，支持在 -40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)工作。

雖然隔離式放大器提供具有多種優(yōu)勢的差分輸出，但也可以為需要單端信號的應(yīng)用包含一個簡單的運算放大器電路(圖 3)。

圖 3：單端轉(zhuǎn)換需要一個簡單的運算放大器電路

隔離放大器的差分輸出通常通過基于運算放大器的電路轉(zhuǎn)換為單端模擬輸出。該電路還可以實現(xiàn)低通濾波器，進一步將信號帶寬降低到感興趣的帶寬，從而提高系統(tǒng)噪聲性能。

結(jié)論

通過靈活、準確和穩(wěn)健的電流測量，可以實現(xiàn)精確控制并實現(xiàn)更高的效率。

測量直流電流的方法有兩種：串聯(lián)并聯(lián)或霍爾效應(yīng)探頭，每個探頭都有自己的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

然而，新的有源分流解決方案結(jié)合了分流測量和高電流環(huán)境中霍爾效應(yīng)探頭的最佳特性。方便的單模塊解決方案不受雜散磁場的影響，并且隨著時間和溫度的變化高度穩(wěn)定，無需進行昂貴的校準。它提供現(xiàn)代應(yīng)用所需的更高精度，并且具有成本效益且易于安裝在母線或帶有可選隔離適配器的面板上。

審核編輯：湯梓紅