单电阻如何保护和采样有效值

原创转子磁场定向 2022-10-09 11:00 1785浏览 0评论 1点赞

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问题描述

最近有个朋友提了个疑问，TI的reference design里有个单电阻采样的电路看不明白其用途，发给我研究了一下：

图1 三相下桥臂采样

图2 下桥臂采样汇总电路

摘取了电路中采样相关的两部分，图1是经典的三相下桥臂采样电路。图2是把三相电路汇总，经过分析，大概是通过直流侧电流来作保护的。看起来似乎和保护无关，本篇文章来详细解析一下直流侧电流的采样和保护。

下面先从传统的过流保护方式说起。

电流检测方案

以往电机控制，在工业级应用比如变频器伺服，对成本没有那么敏感，采用的是输出相电流采样的方式，常见的就是穿孔式霍尔电流传感器，大电流下常见的品牌的美国LEM和德国VAC，两家各有特点，尤其VAC的磁探针闭环霍尔技术抗干扰能力强，精度高。

图3 VAC闭环霍尔电流传感器

图4 LEM霍尔电流传感器

中小功率下，对尺寸有极致要求，又不愿意牺牲采样精度，有贴片的霍尔，依然可以实现+/-100A的采样范围，比如Infineon的TLI4971，8*8的贴片封装采样范围达到+/-120A.

图5 英飞凌贴片霍尔

除了霍尔，在成本敏感的应用可以考虑用电阻和隔离运放的方式，比如TI知名的INA240A1，通过对采样shunt两端电压放大并隔离，再送入ADC。

图6 隔离运放

近些年因为消费级产品对成本的敏感，下桥臂采样技术被逐渐开发出来。包括下桥臂三电阻，双电阻，单电阻采样技术。

图7 单电阻双电阻三电阻采样电路

尤其单电阻采样的问题，比较难以理解。有必要先解释清楚，单电阻采样的原理：

图8 桥臂电流方向和SVPWM扇区

图9 扇区和相电流对应关系

以上图为例，abc三相，开上桥标记为1，开下桥标记为0。当000和111，三相上桥或者下桥同开的时候，三相输出侧是等电位，所以Ia+Ib+Ic=0。记住，这一点容易混淆！在输出侧相线采样，相电流在任何时刻，都遵循Ia+Ib+Ic=0。也就是说，三相的相电流，在任何时刻满足基尔霍夫电流定律。

但是，如果是在三相下桥臂的三电阻采样，那么这个定律很容易让人产生误解。常规的单电阻或者双电阻采样方式，都是在000即三相下桥臂采样的时刻采样的，这个时候三相下桥臂的电阻都有电流流过，所以电阻的压降代表了输出侧相线上的电流。

但是如果不是在000时刻或者111时刻采样呢？

以图9为例，Sa/Sb/Sc代表驱动波形，在V1矢量对应的001时刻，电流以驱动器流向电机作为正方向。此时ab相开下桥，c相开上桥，那么说明相电流是从c相上管流向电机，再从电机通过ab两相的下桥流回驱动器，这个电流流过直流侧的电阻。

说明此时直流侧单电阻流过的压降，代表了（-Ia-Ib），再结合任何时刻Ia+Ib+Ic=0的定律，此时电阻上的压降表示了Ic。所以在V1时刻，选取合适的采样点是能够直接采样到Ic。

图10 矢量110和001相反

下面到了V2矢量011，a相开下桥，bc相开上桥。相电流从bc上管流向电机，再从电机通过a相下管流回驱动器。

此时直流侧单电阻的压降代表了（Ib+Ic），即-Ia，所以在V1和V2两个矢量中选取合适的采样点获取了Ia和Ic，再结合任何时刻成立的Ia+Ib+Ic=0可以获取第三相电流。

图11 矢量100和011相反

但是，必须注意的是，如果是三相下桥臂采样，三个采样电阻的压降分别是Ua,Ub,Uc，那么Ua+Ub+Uc=0只有在000或者111的矢量内才成立。因为在011或者001或者其他矢量下，某一相下桥没有打开，那么桥臂电阻上没有电流，其压降是0，所以电阻压降并不能真实地代表当时的相电流，所以除非是000或者111矢量，其他任何矢量下Ua+Ub+Uc=0并不成立。

方案分析

再回到图2，下图运放最后的输出就是I-TOTAL=1.65V+K*(Ua+Ub+Uc)

图2

1.65V代表了ADC的偏置，K代表运放差分放大的系数，(Ua+Ub+Uc)代表了三相下桥臂采样电阻的压降。首先可以确定的是，这个结果在000和111时刻就是0，是没有任何意义的。这也是读者朋友疑惑的地方，确实如果在000或者111触发对I-TOTAL的采样，结果就是1.65V。

那么唯一的可能性就是在V1或者V2矢量下触发对I-TOTAL的采样，那么其结果是什么呢？我们来看仿真结果：

图12 扇区1 单电阻电流和相电流对应关系

图13 扇区4 单电阻电流和相电流对应关系

绿色是三角波计数器，蓝色是直流侧电流，其他颜色是三相相电流。

扇区1，在V2矢量下，单电阻电流幅值对应最大的相电流，极性相反。

扇区4，在V1矢量下，单电阻电流幅值对应最大的相电流，极性相同。

所以，在不同扇区下，V1或者V2时刻，单电阻电流对应了最大的相电流幅值。图2的I-TOTAL，V1或者V2时刻触发采样，实际就是代表了单电阻电流。所以，根据不同扇区，选取V1或者V2合适的时刻触发ADC采样，可以获取实时最大相电流幅值，用于保护。

而且因为有1.65V的偏置存在，所以无论是发电模式下的直流正电流，还是电动模式下的负电流，离散地触发ADC采样都可以有效保护。而连续的比较器触发保护，只能保护电动模式，具体在下文会解释。

TI的做法可以省掉一个直流侧电流，同时保留下桥臂三电阻，通过合适的触发采样方式，获取最大的占空比。可以参考以下文章：

如何提高三电阻采样最大占空比

除了图2的方案，TI在其他reference design也有一些其他的方式去实现保护：

图14 连续比较器触发保护

IDC_FB_COMP就是经运放放大的DC电流，和比较器+端的参考电压连续比较，不需要离散的ADC触发采样，所以任意时刻IDC的电流都在和+端参考电压比较。一旦电流超过限制，那么比较器U9输出反转，即可触发MCU的硬件级过流保护，这种保护速度快，不容易被干扰。但是缺点在于必须外置比较器及外围电路，而且因为比较器只能一个触发点，考虑到同样的电流幅值，发电模式和电动模式下，IDC的电压值是不一样的，所以一般只能保护电动模式，不保护发电模式。因为电动模式普遍用得更多，发电模式就靠软件过流保护了。