分流电阻器的应用

电流采集技术在各个领域发挥着核心作用，准确而可靠的测量对于优化性能和确保系统效率至关重要。然而，传统的分流电阻器虽然价格实惠且测量精确，但由于缺乏电气隔离，其在高电压测量应用中受到限制，特别是在800V的电动汽车、1500V的太阳能系统和2000V的电动飞机推进系统等高电压应用中体现得尤为明显。

预计到2025年，电流采集技术市场的价值将达到36亿美元，这表明市场对于能够克服传统分流电阻器局限性，并满足现代电力系统要求的解决方案需求不断增长。虽然出现了电流互感器和磁传感器（如霍尔效应和磁电阻）等替代技术，但这些技术往往在速度、精度、尺寸、操作范围和成本方面存在局限。这突显了开发结合分流电阻器的精准性和经济性与电气隔离特点的创新电流采集技术，尤其是为高电压应用设计的技术的迫切需求。

 

分流电阻器的应用

在电力电子综合系统中，集成了分流电阻器技术，为各行各业提供了提升效率、增强可靠性和简化设计与组装的巨大优势。随着各行业迅速实现电气化，对集成系统和模块的需求愈发增长。先进的宽带隙半导体设备如硅碳和氮化镓晶体管的出现，进一步推动了集成解决方案的需求，以实现最佳性能和成本效益。

分流电阻器的优势在于它相较于其他测量技术而言的成本效果显著。分流电阻器提供了一种经济高效的测量方案，而不会影响模型或电路的精度。当与电力模块集成时，可获得一个较为简化且紧凑的传感结果。在实际应用中，通常需要额外的电路精确读取和解释从分流电阻器获取的信息。这常涉及实现放大和条件电路，以放大穿过分流的微小电压降并将其转换成可测量的信号。

 

分流电阻器的电流共享能力

在实验中使用的分流电阻器的电阻值保证容差为1%，其温度系数相对于20°C小于50ppm/K，这导致在120°C时最大偏差可达到0.5%。在最坏的情况下，假设所有并联的分流电阻器同时出现最大偏差。分流电阻器由连接到铜端子的电阻合金组成。这种合金与铜的塞贝克系数为1μV/K。考虑到电阻合金之间的20K温差，预计会产生20μV的电压误差。考虑到名义电流对应于分流上的128.6mV，这种电压误差占名义电流的0.016%。因此，热电效应的影响是微小的。

模拟结果展示了电阻器之间不均匀的电流共享效应。模拟表明，由于IGBTs、分流电阻器和键合线的布置，导致在直流电压电位分布上，分流电阻器1号与7号之间存在电压降差异。

 

评估结果表明，有效分流电阻的值依赖于模块内的电流路径，尤其是上下开关导通之间的差异。可能的误差减少方法包括为每个电流路径单独校准，或用固定值修正每个分支的电阻。控制算法可以通过基于当前占空比的动态加权平均来考虑不同电阻值。

 

直流和脉冲测量结果

采用直流电流对模块进行验证，并测量感测端子上的电压，从而验证了直流电流测量的准确性。

静态特性调查表明，尽管分流电阻器的最高温度随着负载电流的增加而上升，但分流电阻器的值并没有显著的温度依赖性。使用红外摄像机在风冷系统中测得分流温度。

为了研究电流测量的动态特性，进行了脉冲测量。测量在给定的特定条件下进行，如直流链接电压为600V，相对较小的负载电感为35μH，在室温下。测量结果与通过传感器连接到交流端子测得的电流及通过delta-sigma调制器和采用OSR=64抽样率的数字滤波器测得的分流电压对比。

 

结论

尽管分流电阻器存在一定局限性，如引入寄生元素和缺乏内置隔离等，但通过精心设计和采取减轻措施可以解决这些挑战。分流电阻器仍是电气设计中的一种强大工具，提供高精度的电流测量和控制。通过充分利用其优势，同时关注其局限性，设计者和研究人员可以在创新产品的性能和效率方面进行优化。