分流电阻与发热

• 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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。