在大功率工业和汽车应用中精确测量电流的有源分流器

在高共模电压下进行准确的电流测量对于控制能量流和优化大功率工业系统(如电机驱动、不间断电源、太阳能逆变器和电池系统)或汽车系统(如电动汽车中的牵引逆变器)中的效率至关重要(电动汽车)。

这些高功率系统会受到恶劣环境的影响，例如电噪声、振动、机械冲击、温度变化和污染物进入。电流测量值通常在 100 A 到 1000 A 的功率驱动侧(也称为热侧)之间进行测量，经过电流隔离并发送到微控制器 (MCU) 侧，也称为冷侧。

然而，新的有源分流技术提供了一种一体化解决方案，在单个封装中结合了高精度测量和隔离。

电流监测应用

任何产生或使用大量电力的应用程序都需要尽可能高效地运行;在许多情况下，这意味着会有某种形式的自动闭环反馈需要精确的电流检测。

近年来，大型电池系统变得越来越普遍，为数据中心和医院等重要建筑提供电力。监控电池容量和使用情况需要准确的电流测量。电机比以往任何时候都更多地用于自动化我们的世界;随着我们转向更高效的无刷直流电机类型，电流测量是电子换向的一个重要方面。

许多高增长行业，包括可再生能源、电动汽车和混合动力电动汽车 (HEV)，也需要准确的电流监测以进行管理、报告和控制。

电流监测方法

有两种主要的电流监测方法用于直流电阻分流和霍尔效应(图 1a 和 1b)。

图 1a：闭环霍尔效应电流传感器

图 1b：基于分流的电流测量

霍尔效应方法依靠磁通量耦合将电流感应到传感元件中。这种方法提供了固有的隔离。

不利的一面是，霍尔效应模块，尤其是闭环模块，相对昂贵，尤其是对于需要非常高的精度和高动态范围的应用。此外，它们的温度上限通常为 +85°C，这在空间受限的高功率应用中相当容易达到。

分流方法相对简单，包括在承载待测电流的导体中插入一个低值电阻。电阻产生的电压与欧姆定律定义的电流成正比;该电压随后被放大和监测以监测电流。

分流方法的主要缺点是它是一种侵入式测量，并且一些功率会以电阻中的热量的形式消散。完整的比较见表 1。

表 1：比较用于 >100A 电流测量的基于分流器和基于霍尔效应的模块解决方案

然而，基于分流的电流测量有许多积极的方面。首先，基于分流的测量随着时间和温度的变化提供更高的精度和更高的稳定性。生产中的一次性初始校准应足以满足长期精度要求。

分流测量的最大优势之一是它们不受磁场影响。在大功率应用中，尤其是电动机和 EV/HEV，流经附近导体的大量电流会产生磁场，从而使霍尔效应技术读取的读数失真。此外，分流器可以在比霍尔效应器件更高的温度下运行，这是一个宝贵的好处，因为许多与电源相关的应用都在高温下运行。

有源分流技术

一般来说，设计人员选择基于分流器的监测方法来测量高达 50 A 的直流电流，而选择霍尔效应监测方法来测量更高的电流。但是，随着各种现代应用中需要在高电流下进行高精度电流测量的设计，分流方法正在复兴。

一种新的分流电流测量方法将传统的无源分流(电阻)元件与隔离放大器相结合，以结合分流测量的所有优势，以及霍尔效应传感技术固有的隔离。

新型Riedon SSA 智能分流器集成了一个极低值的 Manganin 分流电阻器、一个高精度隔离放大器和一个隔离式 DC/DC 转换器(图 2)。它提供可直接连接到大多数 MCU 的差分输出。事实上，SSA 是目前市场上唯一具有模拟输出的放大有源分流器。

图 2：SSA 包含一个隔离电源和隔离放大器，以及一个分流元件

这种一体化设备的安装只需要简单地用螺栓固定到母线，所有电气连接(电源和信号)都通过一个连接器完成。SSA 对磁场不敏感;因此，与霍尔效应器件不同，它可以自由定位而无需任何额外的屏蔽，从而为系统设计人员提供了更大的灵活性。

SSA 能够测量超过 1,000 A 的电流，在整个测量范围内的精度为 ±0.1%，线性度为 ±0.1%。在 45°C 下 1,000 小时后的长期稳定性低于 0.2%，无需每年重新校准。差分输出有效地抵消了任何热电动势效应，消除了由于整个器件的热梯度引起的任何相关偏移。

与其他分流解决方案不同，完全采用美国保险商实验室 94-V0 封装的设备提供 1,500 V DC (1,000 V ACrms ) 的增强隔离，使您能够将设备安装到电源转换器的高侧，但仍然适合低侧推荐为最佳实践。

由于 SSA 包括一个放大器，电阻值极低，因为检测电压在内部倍增。因此，测量高达 1,000 A 的电流时的功率损耗在 5 W-20 W 的范围内。

这款坚固耐用的设备包括德州仪器 (TI) 的汽车级、Q-100 认证隔离放大器，支持在 -40°C 至 125°C 温度范围内工作。

虽然隔离式放大器提供具有多种优势的差分输出，但也可以为需要单端信号的应用包含一个简单的运算放大器电路(图 3)。

图 3：单端转换需要一个简单的运算放大器电路

隔离放大器的差分输出通常通过基于运算放大器的电路转换为单端模拟输出。该电路还可以实现低通滤波器，进一步将信号带宽降低到感兴趣的带宽，从而提高系统噪声性能。

结论

通过灵活、准确和稳健的电流测量，可以实现精确控制并实现更高的效率。

测量直流电流的方法有两种：串联并联或霍尔效应探头，每个探头都有自己的优势和挑战。

然而，新的有源分流解决方案结合了分流测量和高电流环境中霍尔效应探头的最佳特性。方便的单模块解决方案不受杂散磁场的影响，并且随着时间和温度的变化高度稳定，无需进行昂贵的校准。它提供现代应用所需的更高精度，并且具有成本效益且易于安装在母线或带有可选隔离适配器的面板上。

审核编辑：汤梓红