【導讀】電力電子集成系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)勢，例如提高效率、增強可靠性以及簡化設計和組裝。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) 半導體）等先進功率半導體器件的出現(xiàn)，進一步推動了對集成解決方案的需求，以實現(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、增強可靠性以及簡化設計和組裝。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) 半導體）等先進功率半導體器件的出現(xiàn)，進一步推動了對集成解決方案的需求，以實現(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)濟性。電流分流器提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案，而不影響模型/電路的精度。當與電源模塊集成時，可以實現(xiàn)更簡單、更緊湊的傳感結(jié)果。在實際應用中，通常需要額外的電路來準確讀取和解釋從分流器獲得的信息。這通常涉及實施放大和調(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
實驗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 0.5%。在壞的情況下，假設所有并聯(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，計算出的預期電壓誤差為 20μV。考慮到標稱電流對應于分流器兩端的 128.6mV，該電壓誤差占標稱電流的 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 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，因為 DBC 上的感測導體連接到該電阻器。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行單獨校準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證直流電流測量的準確性。
圖 3：測量的分流電阻（1）
圖 3 顯示了三個傳導路徑（底部二極管、底部 IGBT 和頂部 IGBT）的有效分流電阻 R Sense與負載電流的關(guān)系。正如模擬所預測的那樣，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載電流的增加而增加。分流溫度是在風冷系統(tǒng)中使用紅外攝像機測量的。
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行的，例如直流鏈路電壓VDC=600V、相對較低的負載電感負載=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。這些偏差強調(diào)了測量設置的局限性以及由于傳輸時間誤差和濾波器特性而準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計中強大的實用工具，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)可以通過仔細的設計和緩解技術(shù)來解決。通過利用其優(yōu)勢，同時考慮其局限性，設計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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