Einführung

Ein niederohmscher, pr?ziser Inline-Widerstand wird als Shunt-Widerstand bezeichnet. In Hochspannungs-Automobil- und Industrieanwendungen werden Komponenten wie Hybrid-, Elektro- und Antriebsstrangsysteme, EV-Ladeinfrastruktur, Motorantriebe, Shunt-Widerst?nde oft mit einem isolierten Datenwandler gekoppelt, um Str?me zu messen, deren Gr??e den Rückkopplungsalgorithmus eines Regelkreises steuert und gleichzeitig die digitale Schaltung vor dem Hochspannungsschaltkreis schützt, der Funktionen ausführt. Texas Instruments bietet ein umfassendes Portfolio an isolierten Verst?rkern, isolierten ADC und isolierten Komparatoren mit einer kapazitiven Isolierungsbarriere an, um Kunden bei der Bew?ltigung ihrer Anforderungen an die isolierte Datenwandlung zu unterstützen. Die kapazitive Isolationsbarriere von Texas Instruments erm?glicht oftmals eine Betriebsdauer von mehr als 100 Jahren. Weitere Informationen zur kapazitiven Isolierungsbarriere von TI finden Sie unter dem Isolierungs-Link.

Wie der Genauigkeitsvergleich von isolierten Shunt- und Closed-Loop-Strommessl?sungen zeigt, erm?glicht die Shunt-basierte Strommessung branchenführende Genauigkeit, Immunit?t gegen magnetische St?rungen, Langzeitstabilit?t, hohe Linearit?t, geringe Offset-Drift, Skalierbarkeit für mehrere Projekte und das alles zu einem attraktiven Preis. Shunts k?nnen auf dem Geh?use montiert, auf der Oberfl?che angebracht oder für Durchgangslochanschlüsse auf der Leiterplatte (PCB) verdrahtet sein. Es stehen viele Shunt-Widerst?nde zur Auswahl. Die Auswahl des richtigen Shunt-Widerstands für eine bestimmte Anwendung ist nicht immer einfach. In dieser Anwendungsbeschreibung werden Shunt-Widerst?nde, die h?ufig für die isolierte Strommessung verwendet werden, inklusive der Vor- und Nachteile beschrieben.

Berechnung der Anforderungen an Widerstand und Verlustleistung

Bei der Auswahl eines Shunt-Widerstands besteht der erste Schritt in der Berechnung des erforderlichen Widerstands und der Verlustleistung auf der Grundlage der kontinuierlichen und maximalen Stromgr??en sowie des linearen Vollausschlag-Eingangsspannungsbereichs des isolierten Datenwandlers, wie im Artikel Designüberlegungen für die isolierte Strommessung beschrieben. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die maximale Temperatur der Shunt-Widerst?nde aufgrund der Eigenerw?rmung den im Datenblatt angegebenen Nennwert nicht überschreitet. Unter normalen Bedingungen k?nnen Shunt-Widerst?nde nicht kontinuierlich über zwei Drittel ihres Nennstroms arbeiten, vorausgesetzt, das Design erm?glicht eine ausreichende W?rmeableitung. Die W?rmeableitungstechniken variieren je nach Anwendung und k?nnen auf mehrere Arten realisiert werden: Sie k?nnen das Gewicht der L?sung vergr??ern, die Gr??e des stromführenden PCB-Pfads oder des Prim?rleiters erh?hen oder Kühlk?rper, Lüfter oder eine erzwungene Luftkühlung einbauen. Wenn die Anwendung keine ausreichende W?rmeableitung zul?sst, kann der Shunt-Widerstand unter Umst?nden nur mit einem Viertel des Nennstroms betrieben werden. Bei überschreitung dieses Stroms kann eine weitere Verringerung des Widerstands oder eine Erh?hung der Verlustleistung am ausgew?hlten Shunt-Widerstand erforderlich sein.

Bei oberfl?chenmontierbaren Widerst?nden werden etwa 90 % der selbst erzeugten W?rme per Ableitung an die Leiterbahn abgeführt. Abbildung 11 zeigt, dass die Vergr??erung der stromführenden Leiterbahn eine effektive Technik zur W?rmeableitung ist. Das simulierte thermische Verhalten von oberfl?chenmontierten 1-mΩ-Widerst?nden mit Metallelementen, 2.512 (5 W) und 3.920 (8 W) mit natürlicher und erzwungener Luftkühlung. Die Ergebnisse werden als Shunt-Nennstrom (%) vs. PCB-Gr??e (mm²) darstellt, wobei die maximale Temperatur des ausgew?hlten Shunt-Widerstands (170 °C) erreicht wurde.

Um die Leistung des Shunt-Widerstands in einer Anwendung zu überprüfen, messen Sie die Klemmentemperatur des Shunt-Widerstands w?hrend des maximalen Nennbetriebs. Anhand der Leistungs-Derating-Kurve im Datenblatt des Shunt-Widerstands l?sst sich überprüfen, ob der Betrieb im angegebenen Bereich liegt. Diese Praxis gew?hrleistet nicht nur, dass das ohmsche Material die angegebene H?chsttemperatur nicht überschreitet, sondern auch, dass der angegebene Temperaturdrift-Koeffizient gültig ist.

Berücksichtigen Sie bei der Berechnung der erwarteten Ausgangsspannung und Verlustleistung die Gr??en von Transienten- und Kurzschlussstr?men. Die im Datenblatt angegebene kurzzeitige überlast-Verlustleistung des Shunt-Widerstands darf nicht überschritten werden, da die Gefahr besteht, die physikalischen Eigenschaften des Shunt-Widerstands dauerhaft zu ver?ndern oder eine Unterbrechung zu verursachen. Au?erdem muss gew?hrleistet werden, dass die absolute maximale Eingangsspannung des isolierten Datenwandlers in keinem der beiden Zust?nde verletzt wird, wie in der Tabelle ?Absolute maximale Nennwerte“ des Datenblatts angegeben. Die Eingangspins von isolierten Datenwandlern von Texas Instruments sind typischerweise für Spannungen zwischen –6 V und bis zur Highside-Versorgungsspannung +500 mV gegenüber der Highside-Masse ausgelegt, ohne dass das Risiko einer Besch?digung besteht.

Montage, Konstruktion und Materialarten

Nachdem eine ungef?hre Anforderung an Widerstand und Verlustleistung berechnet wurde, müssen zus?tzliche Auswahlkriterien berücksichtigt werden, wie in Tabelle 4 zusammengefasst.

Oberfl?chenmontierte Shunt-Widerst?nde aus Metallelementen sind die beliebteste Wahl für die isolierte Strommessung, weil sie geringe Widerst?nde, eine hohe Leistung, eine hohe Anfangspr?zision bietet, und das alles zu einem attraktiven Preis. Shunt-Widerstandsserien wie CSS2H von Bourns? und WSLP von Vishay? sind gut für die isolierte Strommessung geeignet. Anwendungen, die eine h?here Anfangsgenauigkeit oder eine geringere Temperaturdrift erfordern als Metallelemente sie bieten k?nnen, k?nnen Metallfolien wie FC4L von Ohmite? in Betracht ziehen; allerdings sind die Verlustleistungen in der Regel niedriger und die Kosten h?her als bei Metallelementen. Wenn Sie überlegen, wie das Layout für oberfl?chenmontierte Widerst?nde genau aussehen soll, sollten Sie eine Platzierung in der N?he des isolierten Datenwandlers in Betracht ziehen, mit kurzen und gleichm??ig aufeinander abgestimmten Sensorverbindungen zu den Eing?ngen, wie in diesem Video zum Shunt-Widerstand-Layout von Strommessverst?rkern von TI Precision Labs erl?utert wird. Achten Sie au?erdem besonders auf die Gestaltung von Leiterplattenpads für oberfl?chenmontierte Widerst?nde mit niedrigem Widerstand (< 500 μΩ), wie in diesem TIE2E?-Blog von TI beschrieben. Abschlie?end sollte bei der Arbeit mit dem Leiterplattenhersteller überprüft werden, ob der richtige L?taufschmelzprozess verwendet wurde, da eine falsche Installation aufgrund des L?tkontaktwiderstands an den Pads, einer unsymmetrischen W?rmeableitung w?hrend des Betriebs oder einer Unterbrechung zu einem hohen Anfangsfehler führen kann.

Widerst?nde für die Chassismontage werden h?ufig in Anwendungen verwendet, bei denen hohe Str?me erforderlich sind, da diese Widerst?nde den Einbau von Leitern in Leitungen erm?glichen und die selbst erzeugte W?rme nicht auf die Leiterplatte ableiten. Chassis-montierte Widerst?nde aus Metallelementen erm?glichen Widerst?nde von nur 25 μΩ und eine Wattzahl von bis zu 100 W, w?hrend Chassismontierte Drahtwiderst?nde eine au?ergew?hnliche Impulsleistung bieten. Achten Sie bei der Installation besonders darauf, dass Schrauben, Nieten oder Crimpverbindungen der Prim?ranschlüsse mit dem richtigen Drehmoment angezogen werden, da der Prim?rleitung ein zus?tzlicher Widerstand hinzugefügt werden kann, der zu unn?tiger oder unsymmetrischer Verlustleistung und Analogfehlern führt. Weitere Informationen erhalten Sie vom Hersteller des Widerstands für die Chassismontage.

Für Anwendungen, die h?chste Genauigkeit erfordern, sollten Sie vier Klemmen-Shunt-Widerst?nde mit differenziellen Messanschlüssen unabh?ngig von den Prim?rstromführern (Kelvin-Verbindungen) in Betracht ziehen. Kelvin-Verbindungen bieten aufgrund der geringeren Temperaturdrift in den Leitungen des Sensorelements eine h?here Genauigkeit als zwei Terminal-Shunts. Allerdings sind die Kosten in der Regel h?her und es besteht ein zus?tzliches Risiko, da bei falscher Installation der Prim?rstrom durch die Sensorverbindungen flie?en und dadurch der isolierte Datenwandler besch?digt werden kann. Temperaturmessungen vor Ort am Shunt-Widerstand k?nnen auch durchgeführt werden, um in regelm??igen Abst?nden eine Kalibrierungstabelle zu aktualisieren, da die meisten Shunt-Widerst?nde eine relativ vorhersehbare ?nderung des Widerstands über die Temperatur bieten. Sie bieten eine au?ergew?hnlich hohe Genauigkeit trotz ?nderungen der Umgebungstemperatur oder Eigenerw?rmung aufgrund der Verlustleistung.

Fazit

Durch die Kombination des richtigen Shunt-Widerstands mit einem isolierten Verst?rker, einem isolierten ADC oder einem isolierten Komparator von TI lassen sich Messergebnisse erzielen, die sich durch branchenführende Genauigkeit, Immunit?t gegen magnetische St?rungen, Langzeitstabilit?t, hohe Linearit?t, geringe Drift, Skalierbarkeit für mehrere Projekte und einen attraktiven Preis auszeichnen.