3 つのシャント トポロジ

著者: Salil JAIN、STMicroelectronics、スタッフ エンジニア、Alok Kumar MITTAL、シニア グループ マネージャー、STMicroelectronics、Marilena Gaetana SAMBATARO、アプリケーション マネージャー、STMicroelectronics

この記事では、STMicroelectronics が開発した三相スマート エネルギー メーターのリファレンス デザインと、多相計測における電流センサーに対するシャントの利点について説明します。

今日では、重機や家電製品など、消費電力の監視と制御に対する関心が高まっています。 図 1 に示すように、シャントベースの計量ソリューションは、新しい STMicroelectronics の高度なガルバニック絶縁技術と組み合わせることで、従来の変流器 (CT) 電流検出方法に比べていくつかの利点をもたらします。

STMicroelectronics は、AC 電力計用の最新規格 (EN 50470-x、IEC 62053-2x、ANSI12.2x) に準拠した、信頼性の高い計測ソリューションを提供します。

CT は、交流 (AC) を測定するために計量業界で広く使用されています。 強磁性コア、銅線の一次巻線と二次巻線を備えています。

測定対象の電流が CT リングを通過する相線または中性線。 相線 (1 次) の AC はコア内に交流磁場を生成し、それが CT の 2 次巻線に AC を誘導します。 一次巻線と二次巻線の巻数は、一次電流を測定可能な値に調整するように選択されます。 二次巻線の両端に接続された負荷抵抗は、そこを流れる電流量に基づいて出力電圧を生成します。

図 2 は、CT ベースの従来のエネルギー メーターを示しています。 計測設計において CT を普遍的なものにするいくつかの利点は次のとおりです。

したがって、CT を使用する主な理由は、高電圧の危険からの安全性です。

上記の理由により、三相メーターにシャントを使用したトポロジーを検討する価値があります。

シャントは、シャント ダイオード、回路保護、電流測定などのさまざまな用途に使用できます。 電流測定には、いくつかの種類のシャントが使用されます。

以下で説明する設計では、引き出される電流を測定するために 5 端子シャントが使用されます。 3W、0.3mΩの抵抗です。 両方の計測デバイス (STPMS2 および STPM32/STPM33) に対して選択可能な電流チャネルの 16 倍のプリアンプ ゲインにより、最大 100A の電流範囲が保証されます。 入力電流に比例するシャント抵抗の両端の電圧は、これらのデバイスの ADC によって検出されます。

STPM3x は、電力線システムの電力とエネルギーを高精度に測定するために設計された特定用途向け標準製品 (ASSP) ファミリです。

STPMS2 は 2 チャネル 24 ビット 2 次シグマデルタ変調器で、各相の電圧と電流を測定できます。 次に、同期した 4MHz クロックを使用して信号をオーバーサンプリングし、電圧と電流のシグマデルタ ビットストリームを 1 つの出力ピンに多重化します。

シャントベースのソリューションでは、ラインワイヤとの直接接触によるプリント回路基板 (PCB) 上の電位差が数百ボルトの範囲になる可能性があるため、各相を相互に絶縁することが必須です。 これにより、ボードやそれに接続されている機器を破壊する放電電流が発生する可能性があります。 絶縁は、ST の 6kV 厚酸化物ガルバニック絶縁技術に基づくデュアルチャネル デジタル アイソレータである STISO621 を使用して実現され、さまざまな産業アプリケーションで絶縁されたドメイン間でデータを転送します。

図 3 からわかるように、マイクロコントローラーと STPM32 または STPMS2 計測デバイスの間にアイソレーターが使用されています。

電気料金を管理したい消費者や、重機の正確な電力、エネルギー、力率を監視する必要がある産業に、このメーター (図 4 を参照) は、電力とエネルギーの消費を感知して制御する方法を提供します。 産業や家庭で消費される電力をミリワットごとに測定するために不可欠なすべての計測パラメータを計算します。 この設計には、STPM32 メータリング IC と STM32L486 マイクロコントローラーが使用されています。

図 5 と図 6 は、設計のブロック図を説明しています。

STPMS2ベースの三相電力量計（EVALST-3PHISO）

EVALSTPM-3PHISO (図 7 を参照) 評価ボードは、シャント電流センサーを備えた完全な三相エネルギー メーターを実装しています。 このソリューションは、ダブル チャネル、24 ビット 2 次シグマデルタ変調器である STPMS2 デバイスに基づいています。 センシング回路と PCB レイアウトは、信号対ノイズ比を最大化して精度を最適化するように最適化されています。

STPMS2 は、マイクロコントローラーによって同期された方法で分配された 4 MHz クロックを使用して信号をオーバーサンプリングし、電圧と電流のシグマデルタ ビットストリームを同じピンに多重化して出力します。STPMS2 変調器と MCU の間の 2 線式通信は、STISO621W によって絶縁されています。 6 kV ガルバニック絶縁インターフェイスにより、最大 100 Mbps のレートと低パルス歪み (<3ns) を実現し、分離されたドメイン間の安全かつ高速なデータ転送を実現します。ソリューションに組み込まれたファームウェアは、STM32F413RH の DFSDM フィルタを利用して、6 ビットストリームを 24 ビットストリームに変換します。 -ビットの電圧および電流データ、200us レート。 また、内部パラメータに簡単にアクセスして計測データを読み取り、アプリケーションの高い柔軟性を実現するために内部構成を変更し、ボードを校正するための仮想 COM ポート通信も実装されています。

図 8 は、EVALSTPM-3PHISO のブロック図です。 この設計のドキュメント、ツール、およびリソースは、 https://www.st.com/en/evaluation-tools/evalstpm-3phiso.html で入手できます。

計量業界におけるシャント電流センシングへの関心の高まりを考慮して、STは、電流センシングにシャントを使用する方法を示し、家庭環境および産業環境におけるエネルギーの測定および制御のための信頼性が高く正確なソリューションを提案します。 システム全体のコストを削減しながら、DC および AC 磁界に対する完全な耐性と位相シフトのない電流検出を保証します。 フォームファクターが小さいため、組み立てるコンポーネントが非常に少なく、回路基板がコンパクトになります。 もちろん、エネルギー計測だけに限定されるものではありません。 太陽光インバータ、プロセス監視、および保護装置はすべて、シャント トポロジからメリットを得ることができます。