魏碧生

摘 要：介紹了一種用MOSFET導(dǎo)通電阻代替電流傳感器檢測(cè)功率變換器主開(kāi)關(guān)電流的技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)管的電流大小與其通態(tài)壓降成正比的原理，用檢測(cè)通態(tài)管壓降的方法檢測(cè)通態(tài)電流，分析了開(kāi)關(guān)管通態(tài)壓降的表現(xiàn)形式及電流波形重構(gòu)原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，值得推廣。

關(guān)鍵詞：電流檢測(cè);無(wú)刷電機(jī);電流波形重構(gòu);MOSFET

在功率變換器中，經(jīng)常要對(duì)流過(guò)主功率開(kāi)關(guān)器件的電流進(jìn)行檢測(cè)，其目的主要有兩個(gè)：第一，對(duì)功率變換器進(jìn)行過(guò)流保護(hù);第二，作為功率變換器控制器的電流反饋檢測(cè)量。通常的做法是在功率變換器的直流母線(xiàn)上安裝電流霍爾或電流互感器以提供電流反饋檢測(cè)量。由于流過(guò)主開(kāi)關(guān)器件的電流通常都較大，所采用的霍爾器件或電流互感器的額定參數(shù)也必須很大，不僅成本高、體積大、安裝不方便，且不便于實(shí)現(xiàn)功率變換器的高功率密度。文中介紹一種用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電流檢測(cè)電路，可以直接布置在功率變換器的控制器的印制板上，不僅成本低廉，體積小，安裝方便，而且性能良好，還可以同功率變換器固化在一起形成專(zhuān)用集成電路（ASIC）。

1 MOSFET電流檢測(cè)原理

MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，有利于采樣多MOSFET管并聯(lián)。多只元件并聯(lián)工作時(shí)，，MOSFET間可以自動(dòng)均流。當(dāng)MOSFET功率開(kāi)關(guān)流過(guò)通態(tài)電流時(shí)，由于通態(tài)導(dǎo)通電阻的存在，在其導(dǎo)通溝道上有一定的壓降，又兇器件的導(dǎo)通溝道電阻基本穩(wěn)定，該壓降與器件的通態(tài)電流成正比。所以，檢測(cè)出主開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)壓降¨以1也就足檢測(cè)流過(guò)器件的電流大小。傳統(tǒng)的方法是直接通過(guò)傳感器測(cè)量相電流，為確保系統(tǒng)安全，還需要過(guò)載保護(hù)和直流短路保護(hù)，這樣又需要用一個(gè)傳感器測(cè)量直流母線(xiàn)電流。三相直流無(wú)刷電機(jī)用這種方法檢測(cè)，需要4個(gè)電流傳感器，由此構(gòu)成的系統(tǒng)控制性能好，可以進(jìn)行電流閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。缺點(diǎn)是成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝置體積大，因此只用于對(duì)控制性能要求很高的場(chǎng)合。一種解決措施是把電流傳感器集成到功率開(kāi)關(guān)中，分別控制各相電流。這種方法把電流傳感器和電機(jī)分離，可以減小電機(jī)的體積。正常導(dǎo)通的時(shí)候可以準(zhǔn)確地檢測(cè)各相電流;換相的時(shí)候，電流通過(guò)續(xù)流二極管導(dǎo)通。因此，這種方法的缺陷是：只有功率開(kāi)關(guān)合上的時(shí)才能檢測(cè)到電流，而檢測(cè)不到通過(guò)續(xù)流二極管的電流。

2 無(wú)刷直流電機(jī)電流檢測(cè)方法

2.1 無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu)

功率驅(qū)動(dòng)電路的基本結(jié)構(gòu)，主要由MOSFET組成的三相逆變橋，直流母線(xiàn)兩端接蓄電池的正負(fù)極B+、B一，C，為4700pLF的電解電容，能吸收電感中儲(chǔ)存能量，C：為高頻無(wú)感電容，可對(duì)直流電壓進(jìn)行箝位，以抑制由于直流母線(xiàn)分布電感引起的器件兩端的尖峰電壓。圖中的U、V、w分別與三相無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組相連接。由于電機(jī)功率比較大，所以每一個(gè)橋臂都是多個(gè)MOSFET管并聯(lián)∞“J。

2.2 無(wú)刷直流電機(jī)電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)

電路工作原理：LO為下橋MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)LO為0V時(shí)，下橋MOSFET管Q為關(guān)閉狀態(tài)，D2右端V1信號(hào)點(diǎn)為二極管的管壓降0.5V，此時(shí)，U1的正向輸入端為0.5V，負(fù)向輸入端電壓為10V，此時(shí)u1輸出為低電平，同時(shí)，u2輸出也為低電平，LM339是集電極開(kāi)路輸出方式，同樣存在導(dǎo)通壓降V2的問(wèn)題，故將信號(hào)V01減去信號(hào)V02，消除LM339因?qū)▔航狄鸬臋z測(cè)誤差，起到消除輸入誤差的作用。

當(dāng)LO為12V時(shí)，下橋MOSFET管Q為導(dǎo)通狀態(tài)，D2右端n點(diǎn)信號(hào)為12V，此時(shí)，U1的正向輸入端為12V，負(fù)向輸入端電壓為10V。U1輸出為高阻態(tài)，VOI的電壓為Q內(nèi)阻上的壓降加上快恢復(fù)二極管D1的壓降，同時(shí)，u2輸出也同樣為高阻態(tài)，V02的電壓為二極管D3的壓降。通過(guò)運(yùn)放TLC2274組成的減法電路將信號(hào)V01減去信號(hào)V02，可得到Q內(nèi)阻上的壓降。

開(kāi)關(guān)管管壓降和電流檢測(cè)電路相關(guān)點(diǎn)的波形分析采用120。兩兩導(dǎo)通方式中，在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)，總有一個(gè)下橋臂處于工作狀態(tài)，故3個(gè)下橋臂的導(dǎo)通壓降之和約等于電機(jī)繞組的平均電流。

T1和T3是導(dǎo)通時(shí)刻，T2是MOSFET關(guān)斷時(shí)刻，DVl是導(dǎo)通時(shí)D3的管壓降，V2為L(zhǎng)M339的導(dǎo)通壓降。在電路中，u3起到是過(guò)流保護(hù)的功能，當(dāng)V01的電壓大于1.5V時(shí)，U3的輸出為低電平，為過(guò)流信號(hào)。

例如，在采用6個(gè)IRFB4310并聯(lián)使用的無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路中采用以上電流檢測(cè)方法，該電流檢測(cè)電路的檢測(cè)誤差主要受并聯(lián)MOS—FET管動(dòng)態(tài)均流和工作溫度的影響。MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，有利于動(dòng)態(tài)均流，但隨溫度的升高，其導(dǎo)通內(nèi)阻R。也升高，會(huì)造成電流檢測(cè)誤差。解決的方案：在電流檢測(cè)中，根據(jù)溫度信號(hào)，對(duì)導(dǎo)通內(nèi)阻R。進(jìn)行修正，提高檢測(cè)精度。在工作環(huán)境溫度變化較大的情況下，根據(jù)MOSFET的通態(tài)電阻和溫度的曲線(xiàn)關(guān)系，修正導(dǎo)通內(nèi)阻R。可以消除溫度對(duì)檢測(cè)精度的影響。

2.3 無(wú)刷直流電機(jī)電流檢測(cè)簡(jiǎn)法

三相異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，任意兩相問(wèn)的電流差值不應(yīng)大于額定電流的10%。否則，說(shuō)明電機(jī)有故障，必須立即切斷電源，查明原因后才能再投入運(yùn)行。對(duì)容量較大的電機(jī)都裝設(shè)電流表監(jiān)視運(yùn)行電流，而容量較小的電機(jī)較少裝設(shè)電流表，須開(kāi)機(jī)后用鉗形電流表測(cè)量電機(jī)的線(xiàn)電流，但大多數(shù)電工測(cè)量電機(jī)三相電流是否平衡的方法，都是分三次分別測(cè)出A、曰、G三相各相的電流，然后進(jìn)行比較，這種逐相測(cè)量的方法，不但欠精確，而且費(fèi)事費(fèi)工，可采取以下簡(jiǎn)法測(cè)量。

將三相異步電機(jī)的三根電源線(xiàn)同時(shí)夾在鉗形電流表的鉗口里，如果電流表顯示有數(shù)值，則說(shuō)明電機(jī)三相電流不平衡;如果電流表沒(méi)有顯示電流數(shù)值，則說(shuō)明電機(jī)三相電流平衡，此法不但測(cè)量精度高，而且簡(jiǎn)便。

電機(jī)三相電流不平衡，一般情況下，不是由三相電源引起的，而是電機(jī)有故障。嚴(yán)重的三相電流不平衡，大多是由一相保險(xiǎn)絲熔斷造成或電機(jī)單相運(yùn)行所致。電機(jī)三相電流不平衡的常見(jiàn)原因與處理方法：1）電壓不平衡，測(cè)量電源線(xiàn)電壓，一般電壓波動(dòng)不得超過(guò)一5%～+10%，三相電壓不平衡不得超過(guò)5%。若三相電壓不平衡超過(guò)5%，就應(yīng)設(shè)法消除不平衡;2）定子繞組線(xiàn)圈短路，檢查電機(jī)有無(wú)局部過(guò)熱現(xiàn)象，如有極有可能是繞組線(xiàn)圈短路;3）繞組首尾端接錯(cuò)，檢查并糾正;4）定子繞組匝數(shù)不相等，可用萬(wàn)用表或電橋測(cè)量繞組電阻，根據(jù)電阻大小檢查匝數(shù)是否有錯(cuò)，對(duì)有錯(cuò)誤的重新繞制定子繞組;5）定子繞組部分線(xiàn)圈接線(xiàn)錯(cuò)誤，打開(kāi)電機(jī)，檢查繞組接線(xiàn)是否有錯(cuò)，對(duì)接錯(cuò)的重新連接。

3 結(jié)論

本文的電流檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)噪聲較小，獲得了較高的三相反饋電流信噪比，提高了永磁同步電機(jī)電流環(huán)跟蹤效果，已經(jīng)應(yīng)用于光電跟蹤系統(tǒng)中。

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