为具有增强隔离的电机控制选择合适的检测电阻器

电流检测电阻的使用是电机控制系统设计趋势的一部分，得益于采用新的数字隔离技术。这些技术基于组件级标准IEC 60747-17的引入，为设计人员提供了更高的可靠性水平，该标准规定了电容式和磁耦合隔离器的性能、测试和认证要求。数字隔离还具有其他优势，例如更快的环路响应，允许集成的过租保护，以及更短的死区时间。这样可以实现更平滑的输出电压，从而提供更好的扭矩控制。本文总结了传统的光耦合器技术与用于增强隔离的电感和容性技术在标准上的差异。它还概述了使用电机驱动器数字控制的系统，该系统集成了用于检测绕组电流的电流检测电阻器。本文还将提供为此应用选择最佳电流检测电阻的建议。

适用于电机驱动器的隔离标准更新

电机驱动器的设计人员很可能意识到需要遵守国际隔离标准。出于多种原因，隔离是必要的：

它可以防止高功率电路的接地连接产生的电噪声被感应到低功率信号线上。

它通过防止危险的电压和电流转移到良性的低压环境中，为最终用户提供电气安全。

IEC 61010-1 第 3 版标准规定，系统级设计人员必须了解导体之间的距离、通过空气（间隙）和表面（爬电距离）的距离。它还规定他们必须知道灌封、模塑料和薄膜绝缘中导体和金属部件之间的分离。设计人员应确保所选组件在符合IEC61010-1的系统上使用时保证一定程度的安全性。根据IEC 60747-17标准，使用行业公认的时间相关介电击穿（TDDB）分析对增强隔离进行测试，这有助于推断设备的使用寿命和连续工作电压（VIORM）。

虽然采用IEC 60747-17（DIN V VDE V 0884-11）来专门定义使用电感和电容技术的绝缘，但成熟的IEC 60747-5-5标准用于定义使用光耦合器技术的绝缘。但是，IEC 60747-5-5没有指定TDDB分析来确定连续工作电压或寿命。它依靠局部放电电压测试来确定工作电压，但不定义器件的工作寿命。因此，电感和电容技术的最小额定寿命为37.5年，而基于光耦合器的隔离器没有定义。

表1总结了光耦合器和非光耦合器标准之间的主要区别。结论是，随着时间的推移，基于非光耦合器的标准将获得更多的认可，因为它们为设计工程师提供了更高的安全性和更长的工作寿命。

 

规范	IEC 60747-17		IEC 60747-5-5
	基本隔离	加强隔离	仅加固
局部放电测试	1.5 × VIORM	1.875 × VIORM	1.875 × VIORM
工作电压	基于 TDDB* 分析	基于 TDDB* 分析	基于 PD** 测试
最小额定寿命	26 年	37.5 岁	未定义
整个生命周期的故障率	1000 页/分钟	1 页/分钟	未定义
*随时间变化的介电击穿。 **局部放电。

 

使用检测电阻增强隔离的典型系统

图1所示为典型的三相永磁电机驱动，使用检测电阻测量绕组电流，并通过ADI公司的隔离式Σ-Δ调制器和asinc反馈。3滤波器。AD7403采用单次二阶调制器数字化电路，将来自检测电阻的模拟信号转换为隔离的单位脉冲流，并根据满量程输入电压范围进行缩放。罪恶3然后，滤波器提取电流的平均值，同时消除逆变器开关产生的噪声。它可以在存储器中存储一个表示电流的 16 位整数，同时，它可以将该数字与表示电流限制的参考进行比较，并在过载条件下通过单独的引脚发送警报。使用较短的滤波器进行过载监控，与测量滤波器并行，可以减少警报延迟。

图1.带数字隔离和检测电阻的三相电机驱动框图。

AD7403具有增强型隔离功能，允许调制器直接测量电流检测电阻电压，除了由电阻和电容组成的简单分立式低通滤波器外，无需额外元件。调制器的额定最大工作电压为±250 mV，这要求电流检测电阻的电阻值小于250 mV/I.MAX.

选择正确检测电阻的注意事项

电阻随温度漂移

假设AD7403的输出为16位数字，电流测量的潜在精度不受ADC转换的限制，而受电压读数本身的限制。电阻随温度的漂移将取决于电阻元件中使用的材料，以及额定功率和元件的实际物理尺寸。

由镍、铜和锰等特殊合金组成的电阻元件具有抛物线电阻漂移曲线，如图2所示。这些合金是用于电流检测应用的最精确的材料。图 2 还显示了 Bourns 型号 CSS4J-4026R 电阻器的电阻漂移上限和下限，对应于 50 ppm/°C 的温度系数。 该间隙是由电阻器的铜端子引起的，由于铜的高TCR（4000 ppm/°C），铜端子会增加漂移。Bourns 型号 CST0612 系列是由特殊合金制成的 1 W 4 端子电阻器。它的尺寸为 3.2 毫米× 1.65 毫米，TCR 为 ±100 ppm/°C，Bourns 型号 CST0612 和型号 CSS4J-4026R 之间的 TCR 差异可以用铜相对于电阻元件的比例来解释。具有低热阻的额外铜有助于组件吸收高功率而不会过热。本例演示了元件尺寸、额定功率和电阻值随温度变化的漂移之间的权衡。

图2.Bourns 型号 CSS4J-4026R 电流检测电阻的抛物线 TCR 曲线。

电阻漂移计算

让我们使用 Bourns 部件号 CSS4J-4026R-L500F 来计算全功率和环境温度为 70°C 时的电阻漂移。 CSS4J-4026R-L500F 是一款 0.5 mΩ（±1%） 检测电阻，额定功率为 5 瓦，最高环境温度为 130°C。 它在 170°C 时从 100% 功率降额至 0 W。 因此，该组件的热阻为8°C/W。在全功率和 70°C 的环境温度下，我们可以预期组件的表面温度将达到 110°C （70°C + 8 × 5°C）。110°C时的电阻漂移可从图3中得出，为25°C时标称值的+0.45%。 绝对容差为±1%，因此，电流测量的精度最大为+1.45%。

重载

电机驱动器会不时发生短路，电流检测电阻必须能够处理短路而不会损坏。以 Bourns 型号 CST0612 电流检测电阻器为例，可以从 Bourns 网站上的材料数据表中计算出该元件的质量为 0.0132g。或者，可以根据尺寸以及铜和合金的密度（8.4 g/cm）计算3).温度上升速率可以通过以下公式计算：

其中P是功率（瓦特），m是组件的质量（g），C是金属合金的比热容。

在1 mΩ电阻下过载50 A，将产生每秒462°C的压摆率。假设稳态温度为50°C，短路周期的宽度不能超过0.22秒。这可以通过在电路板上镀铜来增加总质量来扩展.

在相同的过载下，更厚、更大的部件（例如质量为 0.371 g 的型号 CSS4J-4026）的温度压摆率为每秒 16.5°C。假设组件的表面温度为100°C，在表面温度达到170°C的最大允许值之前，它将处理能量长达四秒钟。

适当的电阻值

AD7403的电阻满量程输入为±250 mV。表 2 中的以下矩阵概述了 Bourns 高功率电流检测电阻器型号在最大电流下的压降。设计人员可以通过调整比例因子来补偿较低的电压。

 

电阻器系列	图像	最大电流（最低电阻）	最大电流下的电压
CST0612		44.7 安培	22.3毫伏
CSS2H-2512		140 安培	42.4毫伏
CSS2H-3920		245 安培	49 mV
CSS2H-5930		126.5 安培	63 mV
CSS4J-4026R		100 安培	50 mV

 

结论

根据IEC60747-17，额定增强隔离的数字隔离器的最短使用寿命应为37.5年。虽然对于更传统的光耦合器技术没有这样的参考，但设计人员应该对未来使用数字隔离系统更有信心。使用特殊合金制成的电流检测电阻在整个温度范围内具有低电阻漂移，并产生输出电压，可通过隔离式Σ-Δ调制器（例如使用ADI耦合器技术的调制器）以可调节的比例因子读取输出电压。电流测量的精度将取决于电阻器的温度，而电阻器的温度又取决于功率占额定功率的比例以及环境温度。

审核编辑：郭婷