使用分流电阻器增强电流感应以提高效率
【导读】电力电子集成系统带来了许多优势，例如提高效率、增强可靠性以及简化设计和组装。随着各行业快速电气化，对集成系统和模块的需求不断增加。碳化硅和氮化镓晶体管（称为宽带隙 (WBG) 半导体）等先进功率半导体器件的出现，进一步推动了对集成解决方案的需求，以实现性能和成本效益。
分流电阻的使用
电力电子集成系统带来了许多优势，例如提高效率、增强可靠性以及简化设计和组装。随着各行业快速电气化，对集成系统和模块的需求不断增加。碳化硅和氮化镓晶体管（称为宽带隙 (WBG) 半导体）等先进功率半导体器件的出现，进一步推动了对集成解决方案的需求，以实现性能和成本效益。
与其他测量技术相比，利用分流技术的一个显着优势是其经济性。电流分流器提供了一种经济高效的解决方案，而不影响模型/电路的精度。当与电源模块集成时，可以实现更简单、更紧凑的传感结果。在实际应用中，通常需要额外的电路来准确读取和解释从分流器获得的信息。这通常涉及实施放大和调理电路，放大分流器上的小电压降并将其转换为可测量的信号。
分流电阻器及其均流功能
实验中使用的分流电阻器的电阻值保证公差为 1%。此外，它们相对于 20°C 的温度系数小于 50ppm/K，因此在 120°C 的温度下偏差高达 0.5%。在坏的情况下，假设所有并联的分流电阻同时表现出偏差。分流电阻器由连接到铜端子的电阻合金组成。该合金相对于铜的塞贝克系数为 1μV/K。考虑到电阻合金上 20K 的温差，计算出的预期电压误差为 20μV。考虑到标称电流对应于分流器两端的 128.6mV，该电压误差占标称电流的 0.016%。因此，
图 1：IGBT 直流电势仿真（1）
仿真结果说明了电阻器之间不均匀均流的影响。图 1 描绘了每个底部 IGBT 传导 100A 电流时的模拟直流电势分布。仿真显示 1 号电阻器和 7 号电阻器之间存在压降差异，这主要是由于 IGBT、分流电阻器和键合线的放置导致 DBC 两端的压降造成的。
图 2：传感端子处各个电阻器的电压水平（1）
图 2 显示了 1000A 总电流（以 mΩ 为单位）观察到的各个分流器上的模拟电压。感测端子电压与 3 号电阻器两端的电压紧密匹配，因为 DBC 上的感测导体连接到该电阻器。结果评估表明检测电压与理想电压之间的偏差小于 0.5%。仿真强调了有效分流电阻对模块内电流路径的依赖性，特别是上下开关导通之间的依赖性。可能的误差缓解方法包括对每个电流路径进行单独校准或用每个分支的固定值校正电阻。控制算法可以通过基于当前占空比的动态加权平均来解释不同的电阻值。
直流和脉冲测量结果
通过向模块施加直流电流并测量传感端子上的电压来验证直流电流测量的准确性。
图 3：测量的分流电阻（1）
图 3 显示了三个传导路径（底部二极管、底部 IGBT 和顶部 IGBT）的有效分流电阻 R Sense与负载电流的关系。正如模拟所预测的那样，可以观察到上部开关和下部开关之间的明显差异。该图还包括 2mΩ/7 的理想值和 ±1% 的偏差作为参考。图 3 显示分流值与温度没有显着相关性，尽管根据图 4，分流电阻器上的温度随着负载电流的增加而增加。分流温度是在风冷系统中使用红外摄像机测量的。
图 4：电阻器的分流温度（1）
通过脉冲测量来研究电流测量的动态特性。图 5 描绘了下部开关激活 (t=0) 和停用 (t=46.1μs) 期间电流波形的方向。
图 5：单脉冲测试时的输出电流（1）
测量是在特定条件下进行的，例如直流链路电压VDC=600V、相对较低的负载电感负载=35μH、以及在室温下。图 5 中的黑色曲线表示通过连接到交流端子的传感器测得的电流。相反，绿色曲线对应于使用 delta-sigma 调制器和抽取率 OSR=64 的数字滤波器获得的分流器两端测量的电压。此外，图 6 用红色曲线显示了图 5 中观察到的电流传感器和分流器测量值之间的偏差。
图 6：电流传感器和分流器之间的电流偏差（1）
蓝色曲线是通过考虑两个校正而生成的：合并不同电流路径的模拟分流电阻并减去电感耦合 L Shunt ?di/dt（其中 L Shunt =0.4nH）的影响。需要注意的是，图6中灰色框标记的区域表示由于滤波器的低通特性而出现较大偏差的部分。这些偏差强调了测量设置的局限性以及由于传输时间误差和滤波器特性而准确确定电感分流器的挑战。
结论
电流分流器仍然是电气设计中强大的实用工具，可提供高精度电流测量和控制。尽管存在某些限制，例如引入寄生元件和缺乏内置隔离，但这些挑战可以通过仔细的设计和缓解技术来解决。通过利用其优势，同时考虑其局限性，设计人员和研究人员可以优化创新产品的性能和效率。
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