電流檢測(cè)電阻的使用是電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢(shì)的一部分，得益于采用新的數(shù)字隔離技術(shù)。這些技術(shù)基于組件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-17的引入，為設(shè)計(jì)人員提供了更高的可靠性水平，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電容式和磁耦合隔離器的性能、測(cè)試和認(rèn)證要求。數(shù)字隔離還具有其他優(yōu)勢(shì)，例如更快的環(huán)路響應(yīng)，允許集成的過租保護(hù)，以及更短的死區(qū)時(shí)間。這樣可以實(shí)現(xiàn)更平滑的輸出電壓，從而提供更好的扭矩控制。本文總結(jié)了傳統(tǒng)的光耦合器技術(shù)與用于增強(qiáng)隔離的電感和容性技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)上的差異。它還概述了使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器數(shù)字控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了用于檢測(cè)繞組電流的電流檢測(cè)電阻器。本文還將提供為此應(yīng)用選擇最佳電流檢測(cè)電阻的建議。

適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的隔離標(biāo)準(zhǔn)更新

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)人員很可能意識(shí)到需要遵守國(guó)際隔離標(biāo)準(zhǔn)。出于多種原因，隔離是必要的：

它可以防止高功率電路的接地連接產(chǎn)生的電噪聲被感應(yīng)到低功率信號(hào)線上。

它通過防止危險(xiǎn)的電壓和電流轉(zhuǎn)移到良性的低壓環(huán)境中，為最終用戶提供電氣安全。

IEC 61010-1 第 3 版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員必須了解導(dǎo)體之間的距離、通過空氣（間隙）和表面（爬電距離）的距離。它還規(guī)定他們必須知道灌封、模塑料和薄膜絕緣中導(dǎo)體和金屬部件之間的分離。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保所選組件在符合IEC61010-1的系統(tǒng)上使用時(shí)保證一定程度的安全性。根據(jù)IEC 60747-17標(biāo)準(zhǔn)，使用行業(yè)公認(rèn)的時(shí)間相關(guān)介電擊穿（TDDB）分析對(duì)增強(qiáng)隔離進(jìn)行測(cè)試，這有助于推斷設(shè)備的使用壽命和連續(xù)工作電壓（VIORM）。

雖然采用IEC 60747-17（DIN V VDE V 0884-11）來專門定義使用電感和電容技術(shù)的絕緣，但成熟的IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)用于定義使用光耦合器技術(shù)的絕緣。但是，IEC 60747-5-5沒有指定TDDB分析來確定連續(xù)工作電壓或壽命。它依靠局部放電電壓測(cè)試來確定工作電壓，但不定義器件的工作壽命。因此，電感和電容技術(shù)的最小額定壽命為37.5年，而基于光耦合器的隔離器沒有定義。

表1總結(jié)了光耦合器和非光耦合器標(biāo)準(zhǔn)之間的主要區(qū)別。結(jié)論是，隨著時(shí)間的推移，基于非光耦合器的標(biāo)準(zhǔn)將獲得更多的認(rèn)可，因?yàn)樗鼈優(yōu)樵O(shè)計(jì)工程師提供了更高的安全性和更長(zhǎng)的工作壽命。

使用檢測(cè)電阻增強(qiáng)隔離的典型系統(tǒng)

圖1所示為典型的三相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用檢測(cè)電阻測(cè)量繞組電流，并通過ADI公司的隔離式Σ-Δ調(diào)制器和asinc反饋。3濾波器。AD7403采用單次二階調(diào)制器數(shù)字化電路，將來自檢測(cè)電阻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為隔離的單位脈沖流，并根據(jù)滿量程輸入電壓范圍進(jìn)行縮放。罪惡3然后，濾波器提取電流的平均值，同時(shí)消除逆變器開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。它可以在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一個(gè)表示電流的 16 位整數(shù)，同時(shí)，它可以將該數(shù)字與表示電流限制的參考進(jìn)行比較，并在過載條件下通過單獨(dú)的引腳發(fā)送警報(bào)。使用較短的濾波器進(jìn)行過載監(jiān)控，與測(cè)量濾波器并行，可以減少警報(bào)延遲。

圖1.帶數(shù)字隔離和檢測(cè)電阻的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖。

AD7403具有增強(qiáng)型隔離功能，允許調(diào)制器直接測(cè)量電流檢測(cè)電阻電壓，除了由電阻和電容組成的簡(jiǎn)單分立式低通濾波器外，無(wú)需額外元件。調(diào)制器的額定最大工作電壓為±250 mV，這要求電流檢測(cè)電阻的電阻值小于250 mV/I.MAX.

選擇正確檢測(cè)電阻的注意事項(xiàng)

電阻隨溫度漂移

假設(shè)AD7403的輸出為16位數(shù)字，電流測(cè)量的潛在精度不受ADC轉(zhuǎn)換的限制，而受電壓讀數(shù)本身的限制。電阻隨溫度的漂移將取決于電阻元件中使用的材料，以及額定功率和元件的實(shí)際物理尺寸。

由鎳、銅和錳等特殊合金組成的電阻元件具有拋物線電阻漂移曲線，如圖2所示。這些合金是用于電流檢測(cè)應(yīng)用的最精確的材料。圖 2 還顯示了 Bourns 型號(hào) CSS4J-4026R 電阻器的電阻漂移上限和下限，對(duì)應(yīng)于 50 ppm/°C 的溫度系數(shù)。 該間隙是由電阻器的銅端子引起的，由于銅的高TCR（4000 ppm/°C），銅端子會(huì)增加漂移。Bourns 型號(hào) CST0612 系列是由特殊合金制成的 1 W 4 端子電阻器。它的尺寸為 3.2 毫米× 1.65 毫米，TCR 為 ±100 ppm/°C，Bourns 型號(hào) CST0612 和型號(hào) CSS4J-4026R 之間的 TCR 差異可以用銅相對(duì)于電阻元件的比例來解釋。具有低熱阻的額外銅有助于組件吸收高功率而不會(huì)過熱。本例演示了元件尺寸、額定功率和電阻值隨溫度變化的漂移之間的權(quán)衡。

圖2.Bourns 型號(hào) CSS4J-4026R 電流檢測(cè)電阻的拋物線 TCR 曲線。

電阻漂移計(jì)算

讓我們使用 Bourns 部件號(hào) CSS4J-4026R-L500F 來計(jì)算全功率和環(huán)境溫度為 70°C 時(shí)的電阻漂移。 CSS4J-4026R-L500F 是一款 0.5 mΩ（±1%） 檢測(cè)電阻，額定功率為 5 瓦，最高環(huán)境溫度為 130°C。 它在 170°C 時(shí)從 100% 功率降額至 0 W。 因此，該組件的熱阻為8°C/W。在全功率和 70°C 的環(huán)境溫度下，我們可以預(yù)期組件的表面溫度將達(dá)到 110°C （70°C + 8 × 5°C）。110°C時(shí)的電阻漂移可從圖3中得出，為25°C時(shí)標(biāo)稱值的+0.45%。 絕對(duì)容差為±1%，因此，電流測(cè)量的精度最大為+1.45%。

重載

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)不時(shí)發(fā)生短路，電流檢測(cè)電阻必須能夠處理短路而不會(huì)損壞。以 Bourns 型號(hào) CST0612 電流檢測(cè)電阻器為例，可以從 Bourns 網(wǎng)站上的材料數(shù)據(jù)表中計(jì)算出該元件的質(zhì)量為 0.0132g。或者，可以根據(jù)尺寸以及銅和合金的密度（8.4 g/cm）計(jì)算3).溫度上升速率可以通過以下公式計(jì)算：

其中P是功率（瓦特），m是組件的質(zhì)量（g），C是金屬合金的比熱容。

在1 mΩ電阻下過載50 A，將產(chǎn)生每秒462°C的壓擺率。假設(shè)穩(wěn)態(tài)溫度為50°C，短路周期的寬度不能超過0.22秒。這可以通過在電路板上鍍銅來增加總質(zhì)量來擴(kuò)展.

在相同的過載下，更厚、更大的部件（例如質(zhì)量為 0.371 g 的型號(hào) CSS4J-4026）的溫度壓擺率為每秒 16.5°C。假設(shè)組件的表面溫度為100°C，在表面溫度達(dá)到170°C的最大允許值之前，它將處理能量長(zhǎng)達(dá)四秒鐘。

適當(dāng)?shù)碾娮柚?/p>

AD7403的電阻滿量程輸入為±250 mV。表 2 中的以下矩陣概述了 Bourns 高功率電流檢測(cè)電阻器型號(hào)在最大電流下的壓降。設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)整比例因子來補(bǔ)償較低的電壓。

結(jié)論

根據(jù)IEC60747-17，額定增強(qiáng)隔離的數(shù)字隔離器的最短使用壽命應(yīng)為37.5年。雖然對(duì)于更傳統(tǒng)的光耦合器技術(shù)沒有這樣的參考，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)未來使用數(shù)字隔離系統(tǒng)更有信心。使用特殊合金制成的電流檢測(cè)電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有低電阻漂移，并產(chǎn)生輸出電壓，可通過隔離式Σ-Δ調(diào)制器（例如使用ADI耦合器技術(shù)的調(diào)制器）以可調(diào)節(jié)的比例因子讀取輸出電壓。電流測(cè)量的精度將取決于電阻器的溫度，而電阻器的溫度又取決于功率占額定功率的比例以及環(huán)境溫度。

審核編輯：郭婷