【導(dǎo)讀】電力電子集成系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)勢，例如提高效率、增強(qiáng)可靠性以及簡化設(shè)計(jì)和組裝。隨著各行業(yè)快速電氣化，對集成系統(tǒng)和模塊的需求不斷增加。碳化硅和氮化鎵晶體管（稱為寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體）等先進(jìn)功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動了對集成解決方案的需求，以實(shí)現(xiàn)性能和成本效益。
分流電阻的使用
電力電子集成系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)勢，例如提高效率、增強(qiáng)可靠性以及簡化設(shè)計(jì)和組裝。隨著各行業(yè)快速電氣化，對集成系統(tǒng)和模塊的需求不斷增加。碳化硅和氮化鎵晶體管（稱為寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體）等先進(jìn)功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動了對集成解決方案的需求，以實(shí)現(xiàn)性能和成本效益。
與其他測量技術(shù)相比，利用分流技術(shù)的一個顯著優(yōu)勢是其經(jīng)濟(jì)性。電流分流器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，而不影響模型/電路的精度。當(dāng)與電源模塊集成時，可以實(shí)現(xiàn)更簡單、更緊湊的傳感結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要額外的電路來準(zhǔn)確讀取和解釋從分流器獲得的信息。這通常涉及實(shí)施放大和調(diào)理電路，放大分流器上的小電壓降并將其轉(zhuǎn)換為可測量的信號。
分流電阻器及其均流功能
實(shí)驗(yàn)中使用的分流電阻器的電阻值保證公差為 1%。此外，它們相對于 20°C 的溫度系數(shù)小于 50ppm/K，因此在 120°C 的溫度下偏差高達(dá) 0.5%。在壞的情況下，假設(shè)所有并聯(lián)的分流電阻同時表現(xiàn)出偏差。分流電阻器由連接到銅端子的電阻合金組成。該合金相對于銅的塞貝克系數(shù)為 1μV/K。考慮到電阻合金上 20K 的溫差，計(jì)算出的預(yù)期電壓誤差為 20μV。考慮到標(biāo)稱電流對應(yīng)于分流器兩端的 128.6mV，該電壓誤差占標(biāo)稱電流的 0.016%。因此，
圖 1：IGBT 直流電勢仿真（1）
仿真結(jié)果說明了電阻器之間不均勻均流的影響。圖 1 描繪了每個底部 IGBT 傳導(dǎo) 100A 電流時的模擬直流電勢分布。仿真顯示 1 號電阻器和 7 號電阻器之間存在壓降差異，這主要是由于 IGBT、分流電阻器和鍵合線的放置導(dǎo)致 DBC 兩端的壓降造成的。
圖 2：傳感端子處各個電阻器的電壓水平（1）
圖 2 顯示了 1000A 總電流（以 mΩ 為單位）觀察到的各個分流器上的模擬電壓。感測端子電壓與 3 號電阻器兩端的電壓緊密匹配，因?yàn)?DBC 上的感測導(dǎo)體連接到該電阻器。結(jié)果評估表明檢測電壓與理想電壓之間的偏差小于 0.5%。仿真強(qiáng)調(diào)了有效分流電阻對模塊內(nèi)電流路徑的依賴性，特別是上下開關(guān)導(dǎo)通之間的依賴性。可能的誤差緩解方法包括對每個電流路徑進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)或用每個分支的固定值校正電阻。控制算法可以通過基于當(dāng)前占空比的動態(tài)加權(quán)平均來解釋不同的電阻值。
直流和脈沖測量結(jié)果
通過向模塊施加直流電流并測量傳感端子上的電壓來驗(yàn)證直流電流測量的準(zhǔn)確性。
圖 3：測量的分流電阻（1）
圖 3 顯示了三個傳導(dǎo)路徑（底部二極管、底部 IGBT 和頂部 IGBT）的有效分流電阻 R Sense與負(fù)載電流的關(guān)系。正如模擬所預(yù)測的那樣，可以觀察到上部開關(guān)和下部開關(guān)之間的明顯差異。該圖還包括 2mΩ/7 的理想值和 ±1% 的偏差作為參考。圖 3 顯示分流值與溫度沒有顯著相關(guān)性，盡管根據(jù)圖 4，分流電阻器上的溫度隨著負(fù)載電流的增加而增加。分流溫度是在風(fēng)冷系統(tǒng)中使用紅外攝像機(jī)測量的。
圖 4：電阻器的分流溫度（1）
通過脈沖測量來研究電流測量的動態(tài)特性。圖 5 描繪了下部開關(guān)激活 (t=0) 和停用 (t=46.1μs) 期間電流波形的方向。
圖 5：單脈沖測試時的輸出電流（1）
測量是在特定條件下進(jìn)行的，例如直流鏈路電壓VDC=600V、相對較低的負(fù)載電感負(fù)載=35μH、以及在室溫下。圖 5 中的黑色曲線表示通過連接到交流端子的傳感器測得的電流。相反，綠色曲線對應(yīng)于使用 delta-sigma 調(diào)制器和抽取率 OSR=64 的數(shù)字濾波器獲得的分流器兩端測量的電壓。此外，圖 6 用紅色曲線顯示了圖 5 中觀察到的電流傳感器和分流器測量值之間的偏差。
圖 6：電流傳感器和分流器之間的電流偏差（1）
藍(lán)色曲線是通過考慮兩個校正而生成的：合并不同電流路徑的模擬分流電阻并減去電感耦合 L Shunt ?di/dt（其中 L Shunt =0.4nH）的影響。需要注意的是，圖6中灰色框標(biāo)記的區(qū)域表示由于濾波器的低通特性而出現(xiàn)較大偏差的部分。這些偏差強(qiáng)調(diào)了測量設(shè)置的局限性以及由于傳輸時間誤差和濾波器特性而準(zhǔn)確確定電感分流器的挑戰(zhàn)。
結(jié)論
電流分流器仍然是電氣設(shè)計(jì)中強(qiáng)大的實(shí)用工具，可提供高精度電流測量和控制。盡管存在某些限制，例如引入寄生元件和缺乏內(nèi)置隔離，但這些挑戰(zhàn)可以通過仔細(xì)的設(shè)計(jì)和緩解技術(shù)來解決。通過利用其優(yōu)勢，同時考慮其局限性，設(shè)計(jì)人員和研究人員可以優(yōu)化創(chuàng)新產(chǎn)品的性能和效率。
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