三相逆变器电流采样方案总结

当使用三相逆变器进行电机控制时,经常需要获取相电流以进行闭环控制,这就涉及到一个电流采样问题。尽管现在有许多电流检测方法,但低成本、大批量应用中常见的只有三种,其它都是昂贵的实验室系统、新兴技术或很少使用的方法[1]。常用技术包括:采样电阻、霍尔元件与电流互感器。这些技术又可进一步细分,详见下图:

下面对采样电阻高端采样相电流检测进行分析:

在绝大部分低成本应用中,都是使用采样电阻来进行电流采样的,故此方法可以说是最重要的电流采样方案。采样电阻被称为SenseResistor或ShuntResistor,其阻值一般较小,在1mΩ~1Ω之间,选了5mΩ。在简单的应用中,使用一般的两触点电阻即可。根据功率不同可选择不同形式的电阻,如贴片电阻、康铜丝、水泥电阻等。然而,在需要进行精确电流采样的场合,使用普通的两触点电阻就不合适了。由于采样电阻本身的阻值很小,焊料的电阻并不能忽略,它们不确定,且随温度变化,会影响测量输出。此时,应该选用4触点的采样电阻。不过在三相逆变器相电流采样的过程中,一般是不需要考虑这个问题的,使用普通的两触点电阻即可。

按照采样电阻放置位置不同,电阻采样方案可分为两大类——高端采样(High-SideSensing)与低端采样(Low-Side Sensing)

高端采样中,采样电阻位于负载高端,即一端与电源连接;低端采样中,采样电阻位于负载低端,即一端与地平面连接。

高端采样:对于三相逆变器电路,采样电阻直接置于相电流桥臂上即可:

 

根据基尔霍夫电流定律,只需要测量两相的电流即可,另一相电流可通过计算得到。高端采样的优势在于:采样得到的电流值在任何时刻都等于相电流值,对于采样时刻无需特别考虑;因为使用类似差分输入的形式,可以很好的避免地平面噪声的干扰,检测精度会更高。

高端采样最大的缺陷在于其对后级处理电路的要求很高,后级运放要能承受很高的且急剧变化的共模电压,这样的运放选择起来并不是很容易。不过目前不少半导体厂商均有专门针对高端电流检测的运放芯片,比如TI有专门的CurrentSenseAmplifiers系列运放,最大共模电压为80V;ADI的AD8479能承受600V的共模电压;IR的IR2277更是能承受高达1200V的共模电压,其共模抑制比CMRR也达到了100dB。

从原理图中可以看到,当下桥臂的开关管断开的时候,采样电阻上显然是不会有电流流过的;只有当下桥臂开关管导通的时候,由于负载是感性负载,此时才会有续流电流从下桥臂流过,这个续流电流就等于相电流。以SVPWM调试波形为例,使用Simulink对此过程进行仿真。

  

从图中可以看到,相电流是基本连续的,然而下桥臂电流并不连续,当且仅当下桥臂导通时流过下桥臂采样电阻的电流才等于相电流。所以对于双电阻及三电阻采样方案而言,只需要在SVPWM的零矢量(000)中央处进行采样即可获得正确的相电流。采样时刻示意图见下面这两张图:

具体实现:

低端运放电流检测方法:

分析下原理:

运用运放的虚短特性,既得到了:

V+ = V-;

运用运放的虚断特性,既输入端和输出端没有电流流过。所以R3和R6流过电流相等。

(VOUT-V-)/R3 = V-/R6;

由上面两个式子即可得到

VOUT = V+ * (R3 + R6)/R6;

而又有:

V+ = I * R8;

所以有:

I =V+ / R8 = VOUT * R6/(R3 + R6)/R8;

电流就这样转换出来了,调整好几个电阻的阻值,Vout 用单片机的ADC采样即可。

​高端电流检测电路:

​这个电路要检测电流最终的目的就是要得到图上VOUT和V1、V2的关系。

先来分析下输入端,虚断可知:

V+/R7 = (V2-V+)/R5;

虚短得到:

V+=V-;

输入负极的一条路电流是相等的:

(V--VOUT)/R1 = (V1-V-)/R2;

通常在使用该电路的时候有R1 = R7、R2 = R5。

综合上式有:

VOUT = (V2-V1)*R1/R2;

V2-V1 = I*R4;

所以

I = VOUT*R2/(R1*R4) ;

仿真:电流测试电路,采用运放的方式作电流检测可以分为:“高端电流检测”和“低端电流检测”。如下图:

高端电流检测优点:-可以检测区分负载是否短路-无地电平干扰缺点:-共模电压高,使用非专用分立器件设计较复杂、成本高、面积大

​低端电流检测优点:-共模电压低,可以使用低成本的普通运算放大器缺点:-检流电阻引入地电平干扰,电流越大地电位干扰越明显,有时甚至会影响负载

实现开关电源项目常常会使用到的电流检测电路:

常见的布局布线:

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