摘要
隨著諸如能源之星等節能標準在家電，醫療，電動車等市場的接收和推廣，以磁場定向控制（FOC）算法為基礎的高能效三相變頻器廣泛用于各類交流電機驅動應用中。FOC 算法需 要精確檢測三相電流，Shunt 電流檢測電路因其成本低精度較高取得了廣泛應用。本文將探 討 shunt 電流檢測電路設計及不同 Shunt 電流檢測電路對運算放大器的要求。
磁場定向控制算法（FOC, Field Oriented Control）通過一系列的前向Clarke運算和Park運算將檢測 得到交流電機的三相相電流處理，間接得到轉矩分量和磁通分量，經過經典的PI算法對其進行精確控制， 從而保證電機能以最佳的扭矩高效運行，實現精確的速度變化控制，算法框圖如圖1。由此可知，相電流 檢測的精度是決定整個電機控制性能的一個重要因素。一般來說，相電流檢測共有閉環霍爾，Shunt電阻， 開環霍爾三種方式。Shunt電阻因其精度較高（全溫范圍校正后精度2%至5%），成本低而得到廣泛應用。
1 Shunt 電流檢測電路設計
圖1 磁場定向控制算法框圖
常用的Shunt電流檢測電路如圖2所示。Shunt電阻將電機的相電流轉化為相電壓，經過RC低通濾波，偏 置電壓預置之后經過運放放大，輸出給MCU（如TI的C28xx系列）內部12bit ADC。
圖2 常用Shunt電阻電流檢測電路原理圖
對于RC低通濾波部分，該濾波器可顯著減小功率部分的開關噪聲，提高相電流檢測精度。但是該濾 波器并不能采用高階濾波器，一是成本考慮，二是高階濾波器雖然衰減效果更好，但是濾波器群延時也相 應顯著增加，限制了可檢測相電流的最小PWM占空比，降低FOC系統控制精度，一般來說，濾波電路不 宜高于2階，RC常數取在100ns到200ns之間。
因為相電流方向可正可負，所以Shunt電壓也帶有極性，而一般MCU內部ADC并非雙極性ADC，所以在濾波電路之后有一個電阻分壓偏置電路將電壓轉化為單極性。經過一級放大器之后得到動態范圍擴展至 電源軌的信號，以提高信噪比。影響Shunt電流檢測精度的因素主要來自于Shunt電阻精度及其溫漂，運算放大器偏置電壓及其溫漂， 運算放大器非線性誤差及其溫漂。可見，要想提高Shunt電流檢測精度，一顆性能較好的運算放大器必不 可少。同時Shunt電阻檢測方式可根據Shunt電阻個數分為三類，1-Shunt， 2-Shunt和3-Shunt。不同的檢測 方式對運放的壓擺率（Slew Rate）有不同的要求。壓擺率是衡量運算放大器輸出電壓變化速率的重要參數， 單位是V/us，其定義如公式1所示，
 公式1
例如一個運放的輸出信號是頻率為f幅值為V p 的正弦信號，則該運放的壓擺率SlewRate = 2πfVp，如果輸 出信號是一個頻率為f幅值為V p 的三角波信號，則該運放的壓擺率SlewRate = 2fVp。
在Shunt電阻電流檢測電路的PCB設計上，有幾點需要注意：
1 RC低通濾波電路應盡可能靠近運放側。
2 Shunt電阻的功率側接地走線應該盡可能粗短而且不要有過孔。因為IGBT的開關會引起較大的階躍電流 di/dt, 而階躍電流di/dt會通過走線或過孔產生的感生電感產生感生電壓，造成較大的過沖，影響電流檢測 精度。如果有過孔，采用多過孔設計，一方面感生電感的并聯會減小總體感生電感，另一方面通過多個過 孔增強可通過電流。
2 1-Shunt 電流檢測
1-Shunt電流檢測采用一個放置在母線上Shunt電阻來分時檢測ABC三相相電流。因其低成本廣泛用于如空 調壓縮機控制等家電領域中, 如圖3所示
圖3 1-Shunt電流檢測原理
常用電機控制中，PWM頻率一般是10KHz到20KHz，以20KHz為例，一個PWM周期為50us。在50us里需要檢測三相電流，所以每相相電流檢測窗口時間是50/3us乘以PWM占空比。一般電機控制系統中最小 PWM占空比常常定義為5%，所以每相相電流檢測窗口時間最小為50/3us×5%=0.83us。而在程序控制中 ADC采樣時刻常控制在這個相電流檢測窗口正中間，所以對于Shunt電流檢測電路來說，必須在ADC采樣 時刻之前穩定，完成電壓信號的建立穩定。具體來說如圖3所示，此時間主要包含兩個時間，上升沿時間（Tsr，由運放的壓擺率決定）和穩定時間（Tset）。假設上升沿時間占相電流檢測窗口的20%，即20%×0.83us=0.167us，那么對于一個3.3V的MCU，運放最小壓擺率SR=3.3V/0.167us=19.76V/us。同時運放的帶 寬應遠大于PWM頻率，至少10倍以上。
3 2-Shunt電流檢測
對于2-Shunt電流檢測來說，2個Shunt電阻分別置于2相，如A，B，那么C相電流就可以通過2相電流計 算出來，如圖4所示。
圖4 2-Shunt電流檢測原理
所以與1-Shunt電流檢測相比，2-Shunt電流檢測不需要利用分時檢測。所以其每相相電流檢測窗口時 間最小值是1-Shunt的3倍，即壓擺率應為1-Shunt方式的1/3。所以對于一個PWM頻率10KHz，5%最小占空
比，3.3V的MCU系統來說，運放的壓擺率SR=3.3V/0.48us=6.9V/us。
4 3-Shunt電流檢測
3-Shunt電流檢測即利用3個Shunt電阻檢測ABC三相相電流。因為任意兩相電流都可以計算出第三相電 流，而且在一個PWM周期里，最小PWM占空比只能出現在某一相，所以在一個PWM周期里，出現最小 PWM占空比的相電流可以不檢測而通過其他兩相計算得到。這就意味著每相相電流檢測窗口時間沒有了 最小PWM占空比的限制。另外，當電機控制系統零電位參考取負母線電壓時有
 公式2
其中Vdc為母線電壓。所以三相占空比之和應為1.5。若C相出現最小占空比5%，那么A相占空比與B相占
空比之和為1.45。因為各相占空比最大為1，所以假設A相占空比達到最大值，則B相占空比達到最小值， 即45%，此時B相相電流檢測窗口時間達到最小值。對于一個PWM頻率20KHz的馬達系統，此時B相相電
流檢測窗口時間為50us×45%=22.5us。那么對于一個3.3V的MCU系統來說，還是假定上升沿時間占相電流 檢測窗口的20%，則運放的壓擺率SR=3.3V/（22.5us×20%）=0.73V/us。
結論
Shunt電流檢測廣泛應用于各類交流電機控制器中。不同的Shunt電流檢測方式對電路中運放的壓擺率參數 要求不一樣，該參數跟控制系統中的PWM頻率，最小占空比有關。由本文可知，在其他參數相同情況下，
 公式3
例如當PWM頻率為20KHz，最小占空比為5%和上升沿時間占相電流檢測窗口的20%情況下，三種Shunt電 流檢測電路中運放的壓擺率最小值如表1所示。
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Shunt電流檢測方式
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運放壓擺率（V/us）
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推薦TI運放
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1-Shunt
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20.6
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OPA141，壓擺率20V/us，建立時
間880ns（12bit ADC）
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2-Shunt
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6.9
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TLV2772，雙運放，壓擺率
10.5V/us
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3-Shunt
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0.73
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TLC2274，四運放，壓擺率3.6V/us
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