作者：Phil Ebbert，Krunal Maniar

在高共模電壓下進行準確的電流測量對于控制能量流并優化大功率工業系統（例如電機驅動器，不間斷電源，太陽能逆變器和電池系統）或汽車系統（例如電動汽車的牽引逆變器）中的效率至關重要（EV）。

這些高功率系統會受到惡劣環境的影響，例如電噪聲，振動，機械沖擊，溫度變化和污染物進入。電流測量通常在電力驅動側（也稱為熱側）的100 A至1000 A之間進行電流隔離，然后傳送到微控制器（MCU）側（也稱為冷側）。

但是，新的有源分流技術提供了一種多合一的解決方案，該解決方案在單個封裝中結合了高精度的測量和隔離功能。

電流監控應用

任何產生或使用大量電能的應用都需要盡可能高效地運行；在許多情況下，這意味著將存在某種形式的自動閉環反饋，需要精確的電流感測。

近年來，大型電池系統變得越來越流行，可為數據中心和醫院等重要建筑物提供電源。監視電池容量和使用情況需要準確的電流測量。越來越多的人使用電動機來使我們的世界自動化。隨著我們向更高效的無刷直流電動機類型發展，電流測量是電子換向的重要方面。

許多高增長領域，包括可再生能源，電動汽車和混合電動汽車（HEV），也需要對電流進行精確的監控，以進行管理，報告和控制。

電流監控方法

直流電阻分流和霍爾效應有兩種主要的電流監視方法（圖1a和1b）。

圖1a：閉環霍爾效應電流傳感器

圖1b：基于分流器的電流測量

霍爾效應方法依靠磁通耦合將電流感應到感應元件中。這種方法提供了固有的隔離。

不利的一面是，霍爾效應模塊（尤其是閉環模塊）相對昂貴，尤其是對于要求非常高的精度和高動態范圍的應用而言。而且，它們通常具有+ 85°C的溫度上限，在空間受限的高功率應用中，這相當容易達到。

分流方法相對簡單，涉及在承載有待測電流的導體中插入低阻值的電阻。電阻會產生與歐姆定律所定義的電流成比例的電壓。此電壓隨后被放大和監視以監視電流。

分流方法的主要缺點是它是一種侵入式測量，并且某些功率會隨著電阻中的熱量散發。完整比較見表1。

表1：比較基于并聯和基于霍爾效應的模塊解決方案，用于> 100A的電流測量

但是，基于分流的電流測量有很多積極的方面。首先，基于分流的測量在時間和溫度范圍內可提供更高的精度和更高的穩定性。在生產中進行一次一次性的初始校準就足以滿足長期的精度要求。

分流測量的最大優勢之一是它們不受磁場的影響。在大功率應用中，尤其是電動機和EV / HEV，在附近導體中流動的大量電流會產生磁場，從而使霍爾效應技術獲得的讀數失真。此外，與霍爾效應器件相比，分流器可以在更高的溫度下工作，這是一項寶貴的好處，因為許多與電源相關的應用都在高溫下工作。

主動分流技術

一般而言，設計人員選擇基于分流器的監測方法來測量高達50 A的直流電流，并選擇霍爾效應監測方法來檢測更高的電流。但是，由于在各種現代應用中需要在高電流下進行高精度電流測量的設計，分流方法正在有所復興。

一種新的分流電流測量方法將傳統的無源分流（電阻）元件與隔離式放大器相結合，以結合分流測量的所有優勢以及霍爾效應感測技術固有的隔離性。

新型Riedon SSA智能分流器集成了一個極低值的Manganin分流電阻器，一個高精度隔離放大器和一個隔離式DC / DC轉換器（圖2）。它提供了一個差分輸出，可以直接連接到大多數MCU。實際上，SSA是目前市場上唯一具有模擬輸出的放大有源分流器。

圖2：SSA包含一個隔離的電源和隔離的放大器，以及一個并聯元件

這種多合一設備的安裝只需要簡單地將螺栓固定到母線上，所有電氣連接（電源和信號）都通過單個連接器進行。SSA對磁場不敏感。因此，與霍爾效應器件不同，它可以自由放置而不需要額外的屏蔽，從而為系統設計人員提供了更大的靈活性。

SSA能夠測量超過1,000 A的電流，在整個測量范圍內的精度為±0.1％，線性度為±0.1％。在45°C下放置1000小時后，長期穩定性低于0.2％，無需進行年度重新校準。差分輸出有效地消除了任何熱電動勢的影響，從而消除了由于設備上的熱梯度而引起的任何相關偏移。

與其他分流解決方案不同，完全由Underwriters Laboratories 94-V0封裝的設備提供了1,500 VDC（1,000 VACrms）的增強隔離，這使您可以將設備安裝在電源轉換器的高端，盡管適合安裝在低端。建議作為最佳做法。

由于SSA包含放大器，因此電阻值極低，因為內部會倍增檢測電壓。結果，在測量高達1,000 A的電流時的功率損耗在5 W-20 W的范圍內。

這種堅固的設備包括德州儀器（TI）獲得Q-100認證的汽車級隔離放大器，該放大器支持在-40°C至125°C的溫度范圍內工作。

雖然隔離放大器提供了具有許多優勢的差分輸出，但對于要求單端信號的應用，可以包括一個簡單的運算放大器電路（圖3）。

圖3：單端轉換需要一個簡單的運算放大器電路

隔離放大器的差分輸出通常通過基于運算放大器的電路轉換為單端模擬輸出。該電路還可以實現一個低通濾波器，以將信號帶寬進一步減小到感興趣的帶寬，從而提高系統噪聲性能。

結論

通過靈活，準確和強大的電流測量，可以實現精確控制并獲得更高的效率。

直流電流的測量是通過兩種主要方法之一進行的：串聯分流器或霍爾效應探頭，每種都有自己的優點和挑戰。

但是，新的有源分流解決方案結合了大電流環境中分流測量和霍爾效應探頭的最佳功能。方便的單模塊解決方案不受雜散磁場的影響，并且在時間和溫度范圍內具有高度穩定性，從而無需昂貴的校準。它提供了現代應用中所需的更高精度，并且具有成本效益，并且易于通過可選的隔離適配器安裝在母線或面板上。

編輯：hfy