作者：Phil Ebbert，Krunal Maniar

在高共模電壓下進(jìn)行準(zhǔn)確的電流測量對于控制能量流并優(yōu)化大功率工業(yè)系統(tǒng)（例如電機(jī)驅(qū)動器，不間斷電源，太陽能逆變器和電池系統(tǒng)）或汽車系統(tǒng)（例如電動汽車的牽引逆變器）中的效率至關(guān)重要（EV）。

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(jī)械沖擊，溫度變化和污染物進(jìn)入。電流測量通常在電力驅(qū)動側(cè)（也稱為熱側(cè)）的100 A至1000 A之間進(jìn)行電流隔離，然后傳送到微控制器（MCU）側(cè)（也稱為冷側(cè)）。

但是，新的有源分流技術(shù)提供了一種多合一的解決方案，該解決方案在單個封裝中結(jié)合了高精度的測量和隔離功能。

電流監(jiān)控應(yīng)用

任何產(chǎn)生或使用大量電能的應(yīng)用都需要盡可能高效地運(yùn)行；在許多情況下，這意味著將存在某種形式的自動閉環(huán)反饋，需要精確的電流感測。

近年來，大型電池系統(tǒng)變得越來越流行，可為數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院等重要建筑物提供電源。監(jiān)視電池容量和使用情況需要準(zhǔn)確的電流測量。越來越多的人使用電動機(jī)來使我們的世界自動化。隨著我們向更高效的無刷直流電動機(jī)類型發(fā)展，電流測量是電子換向的重要方面。

許多高增長領(lǐng)域，包括可再生能源，電動汽車和混合電動汽車（HEV），也需要對電流進(jìn)行精確的監(jiān)控，以進(jìn)行管理，報(bào)告和控制。

電流監(jiān)控方法

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

圖1a：閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器

圖1b：基于分流器的電流測量

霍爾效應(yīng)方法依靠磁通耦合將電流感應(yīng)到感應(yīng)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，尤其是對于要求非常高的精度和高動態(tài)范圍的應(yīng)用而言。而且，它們通常具有+ 85°C的溫度上限，在空間受限的高功率應(yīng)用中，這相當(dāng)容易達(dá)到。

分流方法相對簡單，涉及在承載有待測電流的導(dǎo)體中插入低阻值的電阻。電阻會產(chǎn)生與歐姆定律所定義的電流成比例的電壓。此電壓隨后被放大和監(jiān)視以監(jiān)視電流。

分流方法的主要缺點(diǎn)是它是一種侵入式測量，并且某些功率會隨著電阻中的熱量散發(fā)。完整比較見表1。

表1：比較基于并聯(lián)和基于霍爾效應(yīng)的模塊解決方案，用于> 100A的電流測量

但是，基于分流的電流測量有很多積極的方面。首先，基于分流的測量在時間和溫度范圍內(nèi)可提供更高的精度和更高的穩(wěn)定性。在生產(chǎn)中進(jìn)行一次一次性的初始校準(zhǔn)就足以滿足長期的精度要求。

分流測量的最大優(yōu)勢之一是它們不受磁場的影響。在大功率應(yīng)用中，尤其是電動機(jī)和EV / HEV，在附近導(dǎo)體中流動的大量電流會產(chǎn)生磁場，從而使霍爾效應(yīng)技術(shù)獲得的讀數(shù)失真。此外，與霍爾效應(yīng)器件相比，分流器可以在更高的溫度下工作，這是一項(xiàng)寶貴的好處，因?yàn)樵S多與電源相關(guān)的應(yīng)用都在高溫下工作。

主動分流技術(shù)

一般而言，設(shè)計(jì)人員選擇基于分流器的監(jiān)測方法來測量高達(dá)50 A的直流電流，并選擇霍爾效應(yīng)監(jiān)測方法來檢測更高的電流。但是，由于在各種現(xiàn)代應(yīng)用中需要在高電流下進(jìn)行高精度電流測量的設(shè)計(jì)，分流方法正在有所復(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）元件與隔離式放大器相結(jié)合，以結(jié)合分流測量的所有優(yōu)勢以及霍爾效應(yīng)感測技術(shù)固有的隔離性。

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）。它提供了一個差分輸出，可以直接連接到大多數(shù)MCU。實(shí)際上，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包含一個隔離的電源和隔離的放大器，以及一個并聯(lián)元件

這種多合一設(shè)備的安裝只需要簡單地將螺栓固定到母線上，所有電氣連接（電源和信號）都通過單個連接器進(jìn)行。SSA對磁場不敏感。因此，與霍爾效應(yīng)器件不同，它可以自由放置而不需要額外的屏蔽，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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下放置1000小時后，長期穩(wěn)定性低于0.2％，無需進(jìn)行年度重新校準(zhǔn)。差分輸出有效地消除了任何熱電動勢的影響，從而消除了由于設(shè)備上的熱梯度而引起的任何相關(guān)偏移。

與其他分流解決方案不同，完全由Underwriters Laboratories 94-V0封裝的設(shè)備提供了1,500 VDC（1,000 VACrms）的增強(qiáng)隔離，這使您可以將設(shè)備安裝在電源轉(zhuǎn)換器的高端，盡管適合安裝在低端。建議作為最佳做法。

由于SSA包含放大器，因此電阻值極低，因?yàn)閮?nèi)部會倍增檢測電壓。結(jié)果，在測量高達(dá)1,000 A的電流時的功率損耗在5 W-20 W的范圍內(nèi)。

這種堅(jiān)固的設(shè)備包括德州儀器（TI）獲得Q-100認(rèn)證的汽車級隔離放大器，該放大器支持在-40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

雖然隔離放大器提供了具有許多優(yōu)勢的差分輸出，但對于要求單端信號的應(yīng)用，可以包括一個簡單的運(yùn)算放大器電路（圖3）。

圖3：單端轉(zhuǎn)換需要一個簡單的運(yùn)算放大器電路

隔離放大器的差分輸出通常通過基于運(yùn)算放大器的電路轉(zhuǎn)換為單端模擬輸出。該電路還可以實(shí)現(xiàn)一個低通濾波器，以將信號帶寬進(jìn)一步減小到感興趣的帶寬，從而提高系統(tǒng)噪聲性能。

結(jié)論

通過靈活，準(zhǔn)確和強(qiáng)大的電流測量，可以實(shí)現(xiàn)精確控制并獲得更高的效率。

直流電流的測量是通過兩種主要方法之一進(jìn)行的：串聯(lián)分流器或霍爾效應(yīng)探頭，每種都有自己的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

但是，新的有源分流解決方案結(jié)合了大電流環(huán)境中分流測量和霍爾效應(yīng)探頭的最佳功能。方便的單模塊解決方案不受雜散磁場的影響，并且在時間和溫度范圍內(nèi)具有高度穩(wěn)定性，從而無需昂貴的校準(zhǔn)。它提供了現(xiàn)代應(yīng)用中所需的更高精度，并且具有成本效益，并且易于通過可選的隔離適配器安裝在母線或面板上。

編輯：hfy