分流电阻与发热

电流传感器

  • 分流电阻的测量原理与发热机制
  • 分流电阻的发热影响与散热措施
  • 低发热电流检测方法

1. 分流电阻的原理与发热

监控电机或逆变器等工业设备的电流,在确保安全、性能以及效率方面是不可或缺的。分流电阻便是电流检测方法中的一种。分流电阻的原理与通常电阻相同,只是专门用于电流测量。如图1所示,通过将要测量的电流流过已知电阻值的分流电阻,并测量分流电阻两端的电压,便可利用欧姆定律V=IR,计算流过电流的电流值。连接方法:将要进行电流测量的部分进行串联连接。原理简单而且易于使用,因此是最主流的电流检测方式。

分流电阻也与通常电阻一样,流过电流时会发热。根据焦耳定律P=I2R,发热量与电流的平方及电阻值成正比。

通过分流电阻检测电流的原理 图1 通过分流电阻检测电流的原理

2. 分流电阻的发热量

从分流电阻的结构可以看出,分流电阻必定会发热。那分流电阻实际上会产生何种程度的发热呢?
请看图 2。在右面所述的条件下,测量了分流电阻的表面温度。测量后发现,温度最高的部分上升到约 80°C。温度上升量为 55°C。

由于温度上升量与发热量成正比,因此,电阻值达到2倍时,温度上升量也会上升到2倍;电流值达到2倍时,温度上升量则会上升到4倍。所以分流电阻不适合于测量大电流。
一般来说,可以不介意发热,使用的电流大小约在10Arms左右。

相反地,要抑制温度上升时,如果流过电流的电流量相同,只要减小分流电阻的电阻值就可以了。但是,如果电阻值变小,分流电阻两端的检测电压 (V=IR) 也必定会减小。这就需要对分流电阻的检测电压进行某种程度的增大,以确保后段的信号处理达到足够的S/N比。所以说,只是为了降低发热而减小电阻值,并不是最好的方法。

实验条件

・分流电阻 = 5mΩ  ・尺寸 = 6432 (6.4mm × 3.2mm)
・电流量 = 20A
・自然风冷下的室温 (25℃)

分流电阻的热图像 图 2 分流电阻的热图像

3. 发热产生的影响

分流电阻的发热与 S/N 比之间有着相互制约的关系,因此,我们知道难以通过降低电阻值来抑制发热。如果分流电阻必定发热,那导致的结果是什么呢?主要有两个问题。

1. 成本增加、零部件尺寸增大

分流电阻等的电子部件可能会因过度发热而导致损坏。因此,电子部件规定有额定值,要求保持足够的余量,以确保安全使用。一般来说,额定值越大,成本越高,尺寸也越大。

电机或逆变器等工业设备的基板上装有各种部件。近年来,伴随着工厂的集约化等,这些基板正趋于小型化。也就是说,在较小的基板上装满了各种部件,安装空间十分狭窄。受分流电阻发热的影响,其它电子部件的环境温度会升高。这样,其它部件也必须选择工作环境温度等额定值较大的规格,从而导致系统全体成本增加,影响到集约化/小型化进程。

 

2. 电路的复杂化,增加零部件数量

分流电阻也与通常电阻一样,电阻值因温度而异。检测电压与分流电阻的电阻值成正比,因此,如果因发热导致温度上升,造成电阻值发生变化,那么,计算的电流值就会产生偏差。

为此,需要利用温度补偿电路对分流电阻的温度变化部分进行补偿,以确保分流电阻可高精度地检测电流。这样的话,电路就会复杂化,部件数量也会随之增加,从而影响到小型化进程。

 

总而言之,分流电阻的这种发热会对系统全体产生很大的影响。

使用分流电阻时的电路图 图 3 使用分流电阻时的电路图

4. 抑制分流电阻的发热

我们了解了分流电阻的发热对系统产生的影响,那么,抑制发热的重要性就不言自明了。但是,怎样才能抑制分流电阻的发热呢?为了抑制因分流电阻的发热对系统产生的影响,由于无法减少自身发热量,只能将热量散发到系统外部。

通过热传导、对流(向空气的热传导)与辐射3种现象,将热量转移到其它物质或空气中进行散热。小于等于100℃时的辐射散热量不大,即使对分流电阻的发热采取应对措施,也没有什么效果。为了解决这一问题,下面介绍利用热传导与对流,提高设备散热效果的方法。

1. 通过热传导改善发热

通过热传导改善发热的方法包括下述3种。

1-1. 在基板配线上采取应对措施

1-2. 在基板导孔上采取应对措施

1-3. 在分流电阻的类型上采取应对措施

1-1. 在基板配线上采取应对措施

从部件散发到基板的热量会因“热传导”而传递到基板内部。作为基板配线材料的铜箔具有较高的热传导率,因此,如果增大铜箔面积,水平方向的散热量就会增大;而增加厚度或层数的话,垂直方向的散热量则会增大。这样便可抑制分流电阻的温度上升 ( 请参照图 3)。但是,这种方法面临着基板单位面积成本增加或基板尺寸增大的课题。

以下所有数据都是使用下记分流电阻的计算值。

・5mΩ ・尺寸 = 5025

此外,除另有说明,环境和基板条件都如下所示

・环境温度 = 25°C
・电路板尺寸 = 30cm2  ・铜箔厚度 = 70um
・布线区域 = 20mm x 40mm - 布线层数 = 4

电路板布线的巧思 图 4 电路板布线的巧思

1-2. 在基板导孔上采取应对措施

热传导也会因导孔的数量 / 粗细 ( 直径 ) 而异。
图 4 所示为变更导孔数量与直径计算温度上升的结果。根据计算结果得知,导孔数量越多直径越大,散热量就越大。另外,也可以配置在分流电阻附近或其下面,更有效地进行散热。
然而导孔数量或直径的效果是有极限的。另外,如果增加导孔数量,基板价格也会增加。

 

1-3.在分流电阻的类型上采取应对措施

分流电阻中也包括散热性能较高的产品。通过提高针对基板的散热性能,可防止温度上升。
不过其价格也高于一般的分流电阻。另外,由于电阻值并没有下降,因此,抑制温度上升的效果是有极限的。

1-2. 条件

电流值 = 20A - 零件和通孔之间的距离 = 2mm - 通孔电镀厚度 = 20μm 。

器件通过电路板 图5 器件通过电路板

2. 通过对流改善发热

通过对流改善发热的方法包括下述 2 种。

2-1. 在强制风冷上采取应对措施

2-2. 在散热部件上采取应对措施

2-1. 在强制风冷上采取应对措施

强制风冷是指通过使用风扇等提高风速以进行强制性风冷。对流散热与风速的 1/2 平方成正比。因此提高风速时,散热量也会增大。( 请参照图 6)
但要通过风扇散热时,框架上需要有通风口。而设置通风口的话,就会减弱对水或灰尘进入的保护,而且受到使用环境的限制。当然,安装风扇部分也是要成本的。

以下所有数据都是使用下记分流电阻的计算值。

・5mΩ ・尺寸 = 5025 (5.0 x 2.5mm)

此外,除另有说明,环境和基板条件都如下所示

・环境温度 = 25°C
・电路板尺寸 = 30cm2  ・铜箔厚度 = 70um
・布线区域 = 20mm x 40mm - 布线层数 = 4

强制空气冷却 图 6 强制空气冷却

2-2. 在散热部件上采取应对措施

通过在发热部分的正下方或基板上,安装如图 6 所示的名为散热片的散热部件,可提高散热性能。使用热传导率较高的材质并增大表面积,增加对流散热量。由于这种方法只是为了散热而安装新部件,因此会面临成本或尺寸方面的课题。

 

这种散热应对措施包括各种方法。虽然有成本或尺寸方面的课题,但可降低系统温度。

可对“采取何种措施才能进行何种程度的散热”的情形进行模拟。这被称之为热设计。通过事先模拟以确保不会发生故障等问题,以达到减少设计返工的目的。分流电阻的发热量较大,因此,这种热设计是不可或缺的。

散热部件 图 7 散热部件

5. 系统密闭导致的散热难度

让我们再考虑一下上一章 1-3. 介绍的分流电阻的类型和 2-1. 介绍的强制风冷。

近年来,随着工厂等自动化的不断推进,使用机器人的场景逐渐增多。比如,在食品工厂等使用时,按照卫生方面要求,需要清洗机器人,因此必须对机器人采取密闭措施,以防止进水 ( 应对 IP 标准 )。但是密闭的话就无法散热。那么,在框架密闭的状态以及在大气中进行自然风冷的状况下,温度上升会有什么变化呢?
在自然风冷的状态下,让我们试着观察一下,高散热型电阻是否比通常的分流电阻更能抑制温度上升量

比较开放系统与密闭系统的结果。( 请参照图 8)
可以看出,即使在开放系统中将温度上升量抑制在较低程度,如果是密闭的,必定会因为无法散热而导致温度大幅上升。这种趋势会随着电流量的增加更加明显。即使散热性能提高,随着密闭化/集约化进程的推进,也会导致无法按预期进行散热,造成温度上升。即使是在确保安全或成本方面,抑制发热量自身还是相当重要的。

实验条件

分流电阻 = 5mΩ 4W 额定尺寸 5025 (5.0mm x 2.5mm)。

*在这个实验中,使用了一个比一般散热性都高的分流电阻 ( 见请参照上一章节 1-3.)。

电流量 = 10、14、20A

这个分流电阻的温度是在两种不同的环境下测量的,一种是开放的,一种是密封的。

分流电阻的密封和开放状态下的温升比较 图 8 分流电阻的密封和开放状态下的温升比较

低发热电流传感器 “Currentier”

下面就此前用于电流检测用途的分流电阻,根据电流检测原理,说明发热原因、发热量、发热产生的影响以及散热方法。

我们知道,分流电阻原理简单,易于使用,但另一方面,由于发热量较大,需要采取散热措施,因此,不适合于大电流测量或密闭环境。从客户的反馈我们得知,10~20Arms是分流电阻的极限。那么,如何才能在任何用途中都不用介意发热,可以简单地进行电流检测呢?

在电流检测方式中有一种使用霍尔元件的无芯电流传感器IC。此方式因为是利用霍尔元件的输出,所以电阻值与S/N比没有直接关系,因此可以减小电阻。即使在无芯电流传感器IC中,AKM的“Currentier”的发热量也非常小。

图 9 所示为对分流电阻 ( 第 2 章所述的通常型 ) 与 Currentier 使用同一基板,进行 10 分钟 20A 电流通电后的发热量比较热图像。可以看出,相对于分流电阻发热到 ΔT=55°C,Currentier只有 ΔT=3°C,几乎没有发热。

分流电阻 ( 上 ) 和 Currentier ( 下 ) 的温升比较 图 9 分流电阻 ( 上 ) 和 Currentier ( 下 ) 的温升比较

接下来,针对 Currentier 在密闭系统与开放系统中的温度上升量,分别在10A、14A、20A 的条件下进行测量,并与分流电阻 ( 第 5 章所述的高散热型 ) 的结果进行比较。其结果如图 10 所示。密闭系统中的高散热型分流电阻温度上升量非常大,但如果是 Currentier,即使处于密闭状态,也会将温度抑制在较低程度。原因在于 Currentier 的电阻值非常小,只有 “0.27mΩ”。

今后在密闭环境下进行电流检测时,比起散热性能,低发热更加重要。

分流电阻和 Currentier 在封闭和开放条件下的温升比较 图 10 分流电阻和 Currentier 在封闭和开放条件下的温升比较

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