高壓線性電流傳感器IR2175及其應(yīng)用

摘要：IR2175是IR（International Rectifier）公司生產(chǎn)的高壓線性電流傳感器，它不用通過A／D轉(zhuǎn)換便可直接輸出ＰＷＭ數(shù)字信號(hào)，從而簡(jiǎn)化了電機(jī)控制電路的電流檢測(cè)和保護(hù)操作,可方便地用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。文中介紹了IR2175的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、引腳功能和主要特性，給出了其典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：IR2175；線性電流傳感器；自舉電路

１ 概述

在永磁電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)的高性能交流伺服系統(tǒng)控制中，為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制，需要檢測(cè)至少兩相電機(jī)繞組的電流。通常采用以下三種方法來測(cè)量電流值：

（１）采用霍爾電流傳感器

（２）采樣電阻和線性光耦配合使用

（３）利用采樣電阻測(cè)量直流母線上的電流，然后通過擴(kuò)展的軟硬件設(shè)計(jì)計(jì)算得出電流。

ＩＲ２１７５是國(guó)際整流公司（ＩＲ）專為交流或直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高壓線性電流傳感器，它內(nèi)置電流檢測(cè)和保護(hù)電路，可通過串聯(lián)在繞組回路的采樣電阻來獲得繞組電流，不需要Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片就能自動(dòng)將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字ＰＷＭ信號(hào)輸出，可以直接與處理器相連。同傳統(tǒng)的霍爾電流傳感器相比，ＩＲ２１７５具有溫漂低、數(shù)字ＰＷＭ輸出、可簡(jiǎn)化接口電路、無需線性光耦及Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、８腳ＰＤＩＰ或ＳＯＩＣ封裝等優(yōu)點(diǎn)。ＩＲ２１７５的主要特性如下：

●帶有電壓高達(dá)６００Ｖ的浮置輸入通道；

●通過采樣電阻獲得線性電流反饋；

●帶有直接數(shù)字ＰＷＭ輸出接口；

●低ＩＱＢＳ允許支持自舉電源供電；

●有獨(dú)立的快速過流輸出信號(hào)；

●有很強(qiáng)的共模信號(hào)干擾抑制能力；

●ＩＧＢＴ短路條件下具有過電壓保護(hù)；

●采用開漏輸出方式。

２ 引腳功能和電氣特性

２．１ 引腳功能

ＩＲ２１７５具有８腳ＰＤＩＰ和８腳ＳＯＩＣ兩種封裝型式，其引腳排列如圖１所示。各引腳的功能如下：

１腳（ＶＣＣ）：低端電源端；

２腳（ＰＯ）：數(shù)字ＰＷＭ輸出端；

３腳（ＣＯＭ）：低端地；

４腳（ＯＣ）：過流信號(hào)輸出端，低電平有效；

５腳（ＮＣ）：空腳；

６腳（ＶＢ）：高端浮置電源電壓端；

７腳（ＶＳ）：高端浮置電源偏壓端；

８腳（ＶＩＮ＋）：采樣電壓正向輸入端。

２．２ 推薦電氣參數(shù)

ＩＲ２１７５的推薦工作參數(shù)如表１所列。應(yīng)當(dāng)說明的是為使模塊能夠正常工作,設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)按ＩＲ公司給出的推薦工作條件來進(jìn)行。

表1 推薦工作參數(shù)

３ 基本功能和特點(diǎn)

線性電流傳感器ＩＲ２１７５是為了將電流信號(hào)從電機(jī)的高端驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換到低端驅(qū)動(dòng)電路而設(shè)計(jì)的，這樣，得到的電流信號(hào)就能夠方便的用控制電路來進(jìn)行處理。它的模擬輸入信號(hào)是串聯(lián)在相繞組回路中的取樣電阻上的壓降。隨著電機(jī)相電流的變化，取樣電阻上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的交流電壓信號(hào)以作為ＩＲ２１７５ 的輸入。它的輸出是頻率為１３０ｋＨｚ、以地為參考、占空比隨電流大小變化的ＰＷＭ數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后?ＰＷＭ信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成以地為參考點(diǎn)的信號(hào)。ＩＲ２１７５ 輸出信號(hào)的占空比范圍從９％到９１％，當(dāng)輸入采樣電阻上的壓降為０，也就是相電流為０時(shí)，輸出信號(hào)的占空比為５０％；輸出電壓的變化范圍從－２６０ｍＶ至＋２６０ｍＶ?當(dāng)采樣電阻兩端的電壓值超過這個(gè)范圍時(shí)，輸出信號(hào)的占空比將達(dá)最大值９１％，此時(shí)明顯已不能反映相電流的變化了，因此過載電流流過取樣電阻時(shí)所產(chǎn)生的電壓應(yīng)小于或等于２６０ｍＶ。例如：對(duì)于１０Ａ的過載電流，取樣電阻應(yīng)為２６ＭΩ。而且，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值超過２６０ｍＶ時(shí)，在ＩＲ２１７５的ＯＣ端將輸出一個(gè)典型值為２μｓ、低電平有效的過流信號(hào)。ＰＯ是開漏的ＰＷＭ輸出腳，由于它輸出的是數(shù)字信號(hào)，因此很容易和工作電壓為３．３～１５Ｖ的控制電路進(jìn)行接口。使用時(shí)只需要在PO端接一個(gè)上拉電阻即可（上拉電阻的大小可根據(jù)與PO所連接電路的輸入電流來進(jìn)行選擇，其典型值為1～10kΩ）。

綜上所述，ＩＲ２１７５具有以下顯著功能特點(diǎn)：

（１）ＩＲ２１７５可提供電流反饋信息，還可提供更高帶寬和更大加速度的高速頻率輸出（ｆｏ＝１３０ｋＨｚ） ，能滿足要求嚴(yán)格的伺服電機(jī)應(yīng)用，如高速打印、包裝機(jī)械、機(jī)器人和定位平臺(tái)等自動(dòng)化應(yīng)用。

（２）ＩＲ２１７５具有２．０μｓ過電流關(guān)斷信號(hào)輸出，可以直接與微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行連接?，F(xiàn)有線性電流傳感的光學(xué)或霍爾效應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)斷時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)３～４μｓ，通常需要兩個(gè)外置比較器和一個(gè)電平轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器才能達(dá)到與此相同的功能。

（３）ＩＲ２１７５無需設(shè)置光耦合器，確保了系統(tǒng)性能的持久穩(wěn)定，有助于提高系統(tǒng)可靠性。因?yàn)殡S著光耦合器老化，發(fā)光管 （ＬＥＤ） 和接收器件之間的電流傳輸比（ＣＴＲ）將逐漸減弱，有可能造成系統(tǒng)故障。

（４）ＩＲ２１７５采用ＰＷＭ數(shù)字信號(hào)輸出，并用自舉電源取代了專用輔助電源，從而有效減小了器件尺寸，減少了零件數(shù)目。

（５） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路采用ＩＲ２１７５可省去外置光學(xué)或霍爾效應(yīng)傳感器，從而進(jìn)一步縮小電路尺寸、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提高可靠性。

４ 典型應(yīng)用電路

圖２為ＩＲ２１７５應(yīng)用于三相交流伺服系統(tǒng)時(shí)的電路連接圖，圖中，三相永磁無刷電動(dòng)機(jī)Ｖ相和Ｗ相繞組回路中分別串聯(lián)一個(gè)０．０１Ω的采樣電阻Ｒ１和Ｒ２，它們兩端的電壓可分別作為兩個(gè)ＩＲ２１７５電流傳感器的輸入，ＶＣＣ和ＶＳ間連接一個(gè)自舉二極管，ＶＢ和ＶＳ之間接一個(gè)自舉電容。本系統(tǒng)中，筆者分別采用快恢復(fù)二極管ＩＲＦ１０７和１０μＦ的鉭電容作為自舉二極管和自舉電容。

ＶＢＳ是一個(gè)在ＶＳ電壓的峰值上面浮動(dòng)的電源?在大多數(shù)情況下，ＶＳ是一個(gè)高頻方波?。有許多方法可以產(chǎn)生ＶＢＳ懸浮電源，其中之一就是采用自舉電路。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、便宜。圖２中的自舉電源是由二極管Ｄ１、Ｄ２和電容器Ｃ１、Ｃ２組成的，它的工作原理是：當(dāng)ＶＳ通過低端ＩＧＢＴ下拉到地時(shí)，自舉電容?Ｃ１或Ｃ２?便通過自舉二極管?Ｄ１或Ｄ２?用１５Ｖ的ＶＣＣ電源進(jìn)行充電，從而提供了電源ＶＢＳ。當(dāng)ＶＳ通過高端開關(guān)被拉到最高電壓時(shí)，ＶＢＳ是浮動(dòng)的，此時(shí)自舉二極管被反向偏置，從而阻斷了充電回路。

通過自舉電路可在ＶＢ和ＶＳ之間產(chǎn)生高端懸浮電源，ＶＢＳ電源為最小值（８Ｖ）時(shí)，電路可正常工作，推薦的ＶＢＳ和ＶＣＣ電壓應(yīng)保持在１０Ｖ以上。

ＩＲ２１７５的輸出信號(hào)有兩種處理方法：

第一種是用濾波器濾掉載波信號(hào)從而重構(gòu)模擬電流信號(hào)。重構(gòu)模擬電流信號(hào)的最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)方法是用低通濾波器濾掉ＰＷＭ信號(hào)的載波。有很多種低通濾波器可以使用?包括無源和有源濾波器。考慮到簡(jiǎn)單和低成本，可以選擇無源ＲＣ濾波器和一階有源濾波器。典型情況下，有源濾波器有一個(gè)精確的截止頻率，因此，它與無源濾波器相比濾波效果更好一些。圖３是一個(gè)一階ＶＣＶＳ?電壓控制電壓源?濾波器的電路原理圖，這是一個(gè)基本增益為１９的巴特沃斯濾波器。對(duì)于這種類型的濾波器來說，通常應(yīng)選擇較高的增益，它的截止頻率是９ｋＨｚ，非常接近實(shí)際的輸出頻率。

第二種是將ＩＲ２１７５直接和低端數(shù)字控制電路?如單片機(jī)或ＤＳＰ?進(jìn)行接口，該方法在硬件方面非常簡(jiǎn)單，但需要用軟件來計(jì)算電流，這種方法可以很好的限制誤差的產(chǎn)生。

５ 使用注意問題

５．１ ＶＳ腳瞬時(shí)負(fù)偏壓的處理

ＩＲ２１７５高壓線性傳感器要求有單獨(dú)的瞬時(shí)負(fù)偏壓保護(hù)電路，這是由于它和門極驅(qū)動(dòng)器不同步。由于ＩＲ２１７５不同于門極驅(qū)動(dòng)器，它在轉(zhuǎn)換期間要繼續(xù)工作，此時(shí)高端的開關(guān)正在關(guān)斷，因此，保證電流傳感器ＩＣ在ＶＳ腳沒有瞬時(shí)負(fù)偏壓是很重要的。在典型的連接電路中，一般在ＣＯＭ腳和ＶＳ腳間接一個(gè)二極管，在ＶＳ與半橋輸出間接一個(gè)電阻?即圖２中的Ｒ３和Ｒ４。這兩個(gè)元件可以對(duì)ＶＳ腳進(jìn)行鉗位，因此ＶＳ腳可以較ＣＯＭ腳低一個(gè)二極管的壓降。二極管應(yīng)選擇恢復(fù)時(shí)間小于１００ｎｓ的快恢復(fù)二極管。ＶＳ管腳和半橋輸出之間的電阻（Ｒ３和Ｒ４）應(yīng)在１０～２０Ω的范圍內(nèi)?盡管此時(shí)ＶＳ腳和半橋輸出之間的電阻是電流傳感的通道，但它在非轉(zhuǎn)換期間沒有電流感應(yīng)信號(hào)。由于轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生的電流感應(yīng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間很短，因此可以在ＩＲ２１７５輸入端被運(yùn)算放大器所忽略。

５．２ ｄｖ／ｄｔ及其對(duì)占空比的影響

在高端懸浮但沒有開關(guān)切換的情況下?即ＶＳ腳的電壓是固定的?，占空比不會(huì)有波動(dòng)。但在半橋電路的應(yīng)用中，由于Ｖｓ管腳連接到半橋的輸出端，且用兩個(gè)ＩＲ２１７５來測(cè)量電機(jī)的相電流，而ＶＳ管腳和ＩＲ２１７５高端電路將在地或接近地與正直流母線之間擺動(dòng)，因此每次轉(zhuǎn)換時(shí)都存在一個(gè)ｄｖ／ｄｔ。這樣，在ＶＳ腳轉(zhuǎn)換期間，ｄｖ／ｄｔ將使ＰＯ腳上輸出信號(hào)的占空比產(chǎn)生微小的波動(dòng)，進(jìn)而引起ＩＲ２１７５輸出信號(hào)占空比的波動(dòng)，這在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中將被轉(zhuǎn)換成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起重視。

５．３ 布線建議

所有電力電子電路的布局布線都應(yīng)以減小寄生電感、電容為基礎(chǔ)。在ＩＲ２１７５的應(yīng)用中，ＶＣＣ和ＶＢＳ上的去耦電容應(yīng)盡可能的靠近ＩＣ，采樣電阻和ＶＳ之間的連線也應(yīng)靠近ＩＣ，以減小這兩個(gè)管腳之間的壓差。取樣電阻和ＶＩＮ＋之間的連線也要盡可能的短，以減小耦合到電流取樣信號(hào)中的噪聲，保持較寬的電流引線可以減小雜散電感。由Ｒ２和Ｄ２組成的瞬時(shí)負(fù)偏壓保護(hù)電路也要盡可能的靠近ＩＣ，以便產(chǎn)生最好的效果。