Einführung

Ein niederohmscher, präziser Inline-Widerstand wird als Shunt-Widerstand bezeichnet. In Hochspannungs-Automobil- und Industrieanwendungen werden Komponenten wie Hybrid-, Elektro- und Antriebsstrangsysteme, EV-Ladeinfrastruktur, Motorantriebe, Shunt-Widerstände oft mit einem isolierten Datenwandler gekoppelt, um Ströme zu messen, deren Größe 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 Verstärkern, isolierten ADC und isolierten Komparatoren mit einer kapazitiven Isolierungsbarriere an, um Kunden bei der Bewältigung ihrer Anforderungen an die isolierte Datenwandlung zu unterstützen. Die kapazitive Isolationsbarriere von Texas Instruments ermöglicht 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-Strommesslösungen zeigt, ermöglicht die Shunt-basierte Strommessung branchenführende Genauigkeit, Immunität gegen magnetische Störungen, Langzeitstabilität, hohe Linearität, geringe Offset-Drift, Skalierbarkeit für mehrere Projekte und das alles zu einem attraktiven Preis. Shunts können auf dem Gehäuse montiert, auf der Oberfläche angebracht oder für Durchgangslochanschlüsse auf der Leiterplatte (PCB) verdrahtet sein. Es stehen viele Shunt-Widerstände zur Auswahl. Die Auswahl des richtigen Shunt-Widerstands für eine bestimmte Anwendung ist nicht immer einfach. In dieser Anwendungsbeschreibung werden Shunt-Widerstände, die häufig 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 Stromgrößen 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-Widerstände aufgrund der Eigenerwärmung den im Datenblatt angegebenen Nennwert nicht überschreitet. Unter normalen Bedingungen können Shunt-Widerstände nicht kontinuierlich über zwei Drittel ihres Nennstroms arbeiten, vorausgesetzt, das Design ermöglicht eine ausreichende Wärmeableitung. Die Wärmeableitungstechniken variieren je nach Anwendung und können auf mehrere Arten realisiert werden: Sie können das Gewicht der Lösung vergrößern, die Größe des stromführenden PCB-Pfads oder des Primärleiters erhöhen oder Kühlkörper, Lüfter oder eine erzwungene Luftkühlung einbauen. Wenn die Anwendung keine ausreichende Wärmeableitung zulässt, kann der Shunt-Widerstand unter Umständen nur mit einem Viertel des Nennstroms betrieben werden. Bei Überschreitung dieses Stroms kann eine weitere Verringerung des Widerstands oder eine Erhöhung der Verlustleistung am ausgewählten Shunt-Widerstand erforderlich sein.

Bei oberflächenmontierbaren Widerständen werden etwa 90 % der selbst erzeugten Wärme per Ableitung an die Leiterbahn abgeführt. Abbildung 1 zeigt, dass die Vergrößerung der stromführenden Leiterbahn eine effektive Technik zur Wärmeableitung ist. Das simulierte thermische Verhalten von oberflächenmontierten 1-mΩ-Widerständen mit Metallelementen, 2512 (5 W) und 3920 (8 W) mit natürlicher und erzwungener Luftkühlung. Die Ergebnisse werden als Shunt-Nennstrom (%) vs. PCB-Größe (mm²) darstellt, wobei die maximale Temperatur des ausgewählten Shunt-Widerstands (170 °C) erreicht wurde.

Um die Leistung des Shunt-Widerstands in einer Anwendung zu überprüfen, messen Sie die Klemmentemperatur des Shunt-Widerstands während des maximalen Nennbetriebs. Anhand der Leistungs-Derating-Kurve im Datenblatt des Shunt-Widerstands lässt sich überprüfen, ob der Betrieb im angegebenen Bereich liegt. Diese Praxis gewährleistet nicht nur, dass das ohmsche Material die angegebene Höchsttemperatur nicht überschreitet, sondern auch, dass der angegebene Temperaturdrift-Koeffizient gültig ist.

Berücksichtigen Sie bei der Berechnung der erwarteten Ausgangsspannung und Verlustleistung die Größen von Transienten- und Kurzschlussströmen. 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 verändern oder eine Unterbrechung zu verursachen. Außerdem muss gewährleistet werden, dass die absolute maximale Eingangsspannung des isolierten Datenwandlers in keinem der beiden Zustände 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 Beschädigung besteht.

Montage, Konstruktion und Materialarten

Nachdem eine ungefähre Anforderung an Widerstand und Verlustleistung berechnet wurde, müssen zusätzliche Auswahlkriterien berücksichtigt werden, wie in Tabelle 1 zusammengefasst.

Oberflächenmontierte Shunt-Widerstände aus Metallelementen sind die beliebteste Wahl für die isolierte Strommessung, weil sie geringe Widerstände, eine hohe Leistung, eine hohe Anfangspräzision 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 höhere Anfangsgenauigkeit oder eine geringere Temperaturdrift erfordern als Metallelemente sie bieten können, können Metallfolien wie FC4L von Ohmite® in Betracht ziehen; allerdings sind die Verlustleistungen in der Regel niedriger und die Kosten höher als bei Metallelementen. Wenn Sie überlegen, wie das Layout für oberflächenmontierte Widerstände genau aussehen soll, sollten Sie eine Platzierung in der Nähe des isolierten Datenwandlers in Betracht ziehen, mit kurzen und gleichmäßig aufeinander abgestimmten Sensorverbindungen zu den Eingängen, wie in diesem Video zum Shunt-Widerstand-Layout von Strommessverstärkern von TI Precision Labs erläutert wird. Achten Sie außerdem besonders auf die Gestaltung von Leiterplattenpads für oberflächenmontierte Widerstände mit geringem Widerstand (< 500 µΩ), wie in diesem TI E2EBlog™von TI beschrieben. Abschließend sollte bei der Arbeit mit dem Leiterplattenhersteller überprüft werden, ob der richtige Lötaufschmelzprozess verwendet wurde, da eine falsche Installation aufgrund des Lötkontaktwiderstands an den Pads, einer unsymmetrischen Wärmeableitung während des Betriebs oder einer Unterbrechung zu einem hohen Anfangsfehler führen kann.

Widerstände für die Chassismontage werden häufig in Anwendungen verwendet, bei denen hohe Ströme erforderlich sind, da diese Widerstände den Einbau von Leitern in Leitungen ermöglichen und die selbst erzeugte Wärme nicht auf die Leiterplatte ableiten. Chassis-montierte Widerstände aus Metallelementen ermöglichen Widerstände von nur 25 µΩ und eine Wattzahl von bis zu 100 W, während Chassismontierte Drahtwiderstände eine außergewöhnliche Impulsleistung bieten. Achten Sie bei der Installation besonders darauf, dass Schrauben, Nieten oder Crimpverbindungen der Primäranschlüsse mit dem richtigen Drehmoment angezogen werden, da der Primärleitung ein zusätzlicher Widerstand hinzugefügt werden kann, der zu unnötiger oder unsymmetrischer Verlustleistung und Analogfehlern führt. Weitere Informationen erhalten Sie vom Hersteller des Widerstands für die Chassismontage.

Für Anwendungen, die höchste Genauigkeit erfordern, sollten Sie vier Klemmen-Shunt-Widerstände mit differenziellen Messanschlüssen unabhängig von den Primärstromführern (Kelvin-Verbindungen) in Betracht ziehen. Kelvin-Verbindungen bieten aufgrund der geringeren Temperaturdrift in den Leitungen des Sensorelements eine höhere Genauigkeit als zwei Terminal-Shunts. Allerdings sind die Kosten in der Regel höher und es besteht ein zusätzliches Risiko, da bei falscher Installation der Primärstrom durch die Sensorverbindungen fließen und dadurch der isolierte Datenwandler beschädigt werden kann. Temperaturmessungen vor Ort am Shunt-Widerstand können auch durchgeführt werden, um in regelmäßigen Abständen eine Kalibrierungstabelle zu aktualisieren, da die meisten Shunt-Widerstände eine relativ vorhersehbare Änderung des Widerstands über die Temperatur bieten. Sie bieten eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit trotz Änderungen der Umgebungstemperatur oder Eigenerwärmung aufgrund der Verlustleistung.

Fazit

Durch die Kombination des richtigen Shunt-Widerstands mit einem isolierten Verstärker, einem isolierten ADC oder einem isolierten Komparator von TI lassen sich Messergebnisse erzielen, die sich durch branchenführende Genauigkeit, Immunität gegen magnetische Störungen, Langzeitstabilität, hohe Linearität, geringe Drift, Skalierbarkeit für mehrere Projekte und einen attraktiven Preis auszeichnen.