電流檢測電阻的使用是電機控制系統設計趨勢的一部分，得益于采用新的數字隔離技術。這些技術基于組件級標準IEC 60747-17的引入，為設計人員提供了更高的可靠性水平，該標準規定了電容式和磁耦合隔離器的性能、測試和認證要求。數字隔離還具有其他優勢，例如更快的環路響應，允許集成的過租保護，以及更短的死區時間。這樣可以實現更平滑的輸出電壓，從而提供更好的扭矩控制。本文總結了傳統的光耦合器技術與用于增強隔離的電感和容性技術在標準上的差異。它還概述了使用電機驅動器數字控制的系統，該系統集成了用于檢測繞組電流的電流檢測電阻器。本文還將提供為此應用選擇最佳電流檢測電阻的建議。

適用于電機驅動器的隔離標準更新

電機驅動器的設計人員很可能意識到需要遵守國際隔離標準。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生的電噪聲被感應到低功率信號線上。

它通過防止危險的電壓和電流轉移到良性的低壓環境中，為最終用戶提供電氣安全。

IEC 61010-1 第 3 版標準規定，系統級設計人員必須了解導體之間的距離、通過空氣（間隙）和表面（爬電距離）的距離。它還規定他們必須知道灌封、模塑料和薄膜絕緣中導體和金屬部件之間的分離。設計人員應確保所選組件在符合IEC61010-1的系統上使用時保證一定程度的安全性。根據IEC 60747-17標準，使用行業公認的時間相關介電擊穿（TDDB）分析對增強隔離進行測試，這有助于推斷設備的使用壽命和連續工作電壓（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的絕緣，但成熟的IEC 60747-5-5標準用于定義使用光耦合器技術的絕緣。但是，IEC 60747-5-5沒有指定TDDB分析來確定連續工作電壓或壽命。它依靠局部放電電壓測試來確定工作電壓，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總結了光耦合器和非光耦合器標準之間的主要區別。結論是，隨著時間的推移，基于非光耦合器的標準將獲得更多的認可，因為它們為設計工程師提供了更高的安全性和更長的工作壽命。

使用檢測電阻增強隔離的典型系統

圖1所示為典型的三相永磁電機驅動，使用檢測電阻測量繞組電流，并通過ADI公司的隔離式Σ-Δ調制器和asinc反饋。3濾波器。AD7403采用單次二階調制器數字化電路，將來自檢測電阻的模擬信號轉換為隔離的單位脈沖流，并根據滿量程輸入電壓范圍進行縮放。罪惡3然后，濾波器提取電流的平均值，同時消除逆變器開關產生的噪聲。它可以在存儲器中存儲一個表示電流的 16 位整數，同時，它可以將該數字與表示電流限制的參考進行比較，并在過載條件下通過單獨的引腳發送警報。使用較短的濾波器進行過載監控，與測量濾波器并行，可以減少警報延遲。

圖1.帶數字隔離和檢測電阻的三相電機驅動框圖。

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

選擇正確檢測電阻的注意事項

電阻隨溫度漂移

假設AD7403的輸出為16位數字，電流測量的潛在精度不受ADC轉換的限制，而受電壓讀數本身的限制。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應用的最精確的材料。圖 2 還顯示了 Bourns 型號 CSS4J-4026R 電阻器的電阻漂移上限和下限，對應于 50 ppm/°C 的溫度系數。 該間隙是由電阻器的銅端子引起的，由于銅的高TCR（4000 ppm/°C），銅端子會增加漂移。Bourns 型號 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 CST0612 和型號 CSS4J-4026R 之間的 TCR 差異可以用銅相對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衡。

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

電阻漂移計算

讓我們使用 Bourns 部件號 CSS4J-4026R-L500F 來計算全功率和環境溫度為 70°C 時的電阻漂移。 CSS4J-4026R-L500F 是一款 0.5 mΩ（±1%） 檢測電阻，額定功率為 5 瓦，最高環境溫度為 130°C。 它在 170°C 時從 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 的環境溫度下，我們可以預期組件的表面溫度將達到 110°C （70°C + 8 × 5°C）。110°C時的電阻漂移可從圖3中得出，為25°C時標稱值的+0.45%。 絕對容差為±1%，因此，電流測量的精度最大為+1.45%。

重載

電機驅動器會不時發生短路，電流檢測電阻必須能夠處理短路而不會損壞。以 Bourns 型號 CST0612 電流檢測電阻器為例，可以從 Bourns 網站上的材料數據表中計算出該元件的質量為 0.0132g。或者，可以根據尺寸以及銅和合金的密度（8.4 g/cm）計算3).溫度上升速率可以通過以下公式計算：

其中P是功率（瓦特），m是組件的質量（g），C是金屬合金的比熱容。

在1 mΩ電阻下過載50 A，將產生每秒462°C的壓擺率。假設穩態溫度為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量來擴展.

在相同的過載下，更厚、更大的部件（例如質量為 0.371 g 的型號 CSS4J-4026）的溫度壓擺率為每秒 16.5°C。假設組件的表面溫度為100°C，在表面溫度達到170°C的最大允許值之前，它將處理能量長達四秒鐘。

適當的電阻值

AD7403的電阻滿量程輸入為±250 mV。表 2 中的以下矩陣概述了 Bourns 高功率電流檢測電阻器型號在最大電流下的壓降。設計人員可以通過調整比例因子來補償較低的電壓。

結論

根據IEC60747-17，額定增強隔離的數字隔離器的最短使用壽命應為37.5年。雖然對于更傳統的光耦合器技術沒有這樣的參考，但設計人員應該對未來使用數字隔離系統更有信心。使用特殊合金制成的電流檢測電阻在整個溫度范圍內具有低電阻漂移，并產生輸出電壓，可通過隔離式Σ-Δ調制器（例如使用ADI耦合器技術的調制器）以可調節的比例因子讀取輸出電壓。電流測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境溫度。

審核編輯：郭婷