一种三相四桥臂逆变器的电流检测装置介绍

四桥臂逆变器技术，就是在三相桥臂的基础上增设一对桥臂与用电网的中四桥臂逆变器技术，就是在三相桥臂的基础上增设一对桥臂与用电网的中性线直接相连，用以实现零序电流的直接补偿，四桥臂逆变器的控制范围大于三桥臂逆变器。

虽然三相四桥臂逆变器拓扑结构简单、直流电压利用率高，体积小、输出电压不平衡度明显减小，可以有效降低系统损耗，但是控制方式较为复杂。

一般的三相电使用场合下，不存在绝对的平衡状态，一定程度的三相输出电压不平衡不会影响到设备的正常使用。

由于不存在绝对的平衡状态，四桥臂逆变器中第四桥臂处于实时的工作状态，使得系统的工作状态增加，当系统仅存在轻微的不平衡时，第四桥臂的参与控制程度较低，性能浪费。

因此，有必要检测三相四桥臂逆变器的三相输出电流，以根据三相输出电流判断系统不平衡状态，通过切换控制策略，节约系统资源，提高系统工作的可靠性。

本文介绍一种三相四桥臂逆变器的电流检测装置，该装置可以采集三相四桥臂逆变器的三相输出电流。

为实现上述目的，采用的技术方案是：

一种三相四桥臂逆变器的电流检测装置，包括三个霍尔电流传感器、三个采样电流处理电路和一个数字信号处理器，所述三个霍尔电流传感器分别串接在三相四桥臂逆变器的三相输出线路上，以检测三相输出电流，各个霍尔电流传感器分别与相应的采样电流处理电路连接，然后接至数字信号处理器，以将采集到的电流模拟信号转换为电流数字信号再传输给数字信号处理器。

霍尔电流传感器的两电流检测脚串接在三相四桥臂逆变器的三相输出线路上，所述霍尔电流传感器的信号输出脚连接采样电流处理电路。

霍尔电流传感器可以采用Allegro公司的ACS758或ACS770芯片，也可以采用意瑞半导体的***CH704.  

图1 装置原理图。

图2  霍尔电流传感器的安装位置示意图。

三个霍尔电流传感器CS(A)、CS(B)、CS(C)，三个采样电流处理电路D和一个数字信号处理器DSP。

所述三个霍尔电流传感器分别串接在三相四桥臂逆变器的三相输出线路上，以检测三相输出电流。

各个霍尔电流传感器分别与相应的采样电流处理电路连接，然后接至数字信号处理器，以将采集到的电流模拟信号转换为电流数字信号再传输给数字信号处理器。

图3 采样电流处理电路的原理框图。

霍尔电流传感器采样的电流在传输至数字信号处理器之前，先通过采样电流处理电路进行处理。

参见图3，采样电流处理电路包括两个电压比较器UA、UB，九个电阻R1~R9，以及四个电容C1~C4。

图中，数字1~8表示8个信号接口，2、3、5、6为信号输入端口，1、7为信号输出端口，4为接地，8为工作电源。

霍尔电流传感器的信号输出端连接电阻R9一端，电阻R9另一端分两路，一路连接电阻R7一端，另一路连接电阻R8一端，电阻R7另一端分三路，第一路接地，第二路同时连接电压比较器UA的负电源端和反相输入端，第三路连接电容C1一端，电容C1另一端分四路，第一路连接电压比较器UA的同相输入端，第二、三、四路分别连接电阻R1、R2、R3一端，电阻R1、R2、R3另一端分别连接基础阈值输入端、第一阈值输入端、第二阈值输入端，电压比较器UA的正电源端分两路，一路经电容C2接地，另一路经电阻R6连接采样电流处理电路的信号输出端，电压比较器UA的输出端连接信号输出端，电阻R8另一端分两路，一路连接电压比较器UB的同相输入端，另一路连接电容C4一端，电容C4另一端分三路，第一路连接电压比较器UB的反相输入端，第二路经电阻R4连接基础阈值输入端，第三路连接电阻R5一端，电阻R5另一端分两路，一路接地，另一路经电容C3连接信号输出端，电压比较器UB的输出端连接信号输出端，信号输出端连接数字信号处理器。

所述数字信号处理器根据三相输出电流计算电压不平衡度，判断三相输出不平衡度是否超过设定的基础阈值（如取2%），未超过，则数字信号处理器发出前三桥臂脉冲驱动PWM信号，逆变器整体作为三相三桥臂结构输出电压，此时的输出电压虽然略带不平衡但是满足工业要求；超过，则数字信号处理器同时输出前三桥臂脉冲驱动PWM信号和第四桥臂脉冲驱动PWM信号，逆变器整体作为三相四桥臂结构，给电压不平衡产生的零序电流分量提供通路。

该装置通过霍尔电流传感器检测三相输出电流，通过硬件电路处理后传输给数字信号处理器，从而可以根据三相输出电流判断系统不平衡状态，通过切换控制策略，减少第四桥臂的参与程度，节约系统资源，减少三相四桥臂逆变器的故障率，提高三相四桥臂逆变器工作的可靠性和快速性。

文章中提到的CH704芯片是意瑞半导体（上海）有限公司推出隔离集成式电流传感器芯片，该芯片可以替代Allegro的大电流霍尔电流传感器ACS758/ACS770/ACS772，其中CH704A是满足汽车级标准的产品，填补了国内的空白。

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。

其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150­°C全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态（零电流）输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

产品信息如下：

• 隔离电压：4800VRMS

• AEC-Q100 汽车认证 (CH704A)

• 电源：4.5-5.5V

• 输出电压与电流成正比：+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

• 带宽：120kHz

• 响应时间：4us

• 宽温度范围：-40­°C 至 150­°C

• 使用 EEPROM 进行高分辨率偏移和灵敏度调整

• 导线电阻：0.1 mΩ

• 集成数字温度补偿电路

• 几乎为零的磁滞

• 电源电压的比例输出

• 抗外部磁场

Features Package

• Reinforced isolation: 4800VRMS

• AEC-Q100 qualified (CH704A)

• Single supply: 4.5-5.5V

• Output voltage proportional to AC current: 

+/-50A,+/-100A,+/-150A,+/-200A

• Bandwidth: 120 kHz 

• Response time: 4 us

• Wide temperature range: -40oC to 150oC

• High resolution offset and sensitivity trimming with EEPROM • Primary conductor resistance: 0.1 mΩ 

• Integrated protections o Under-voltage protection o Output voltage clamp provides short circuit diagnostic o Output spiking suppress during fast current step inputs

• Factory programmed sensitivity and quiescent output voltage TC • Integrated digital temperature compensation circuitry

• Nearly zero magnetic hysteresis 

• Ratio-metric output from supply voltage • Immunity to external magnetic field Application 

• UPS current sensing 

• DC-to-DC converter control 

• Balance bike motor control 

• Overcurrent fault detection

   




审核编辑：刘清