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：