BR112015018302B1

BR112015018302B1 - Sensor de corrente

Info

Publication number: BR112015018302B1
Application number: BR112015018302-6A
Authority: BR
Inventors: Brij N. Singh; Andrew D. Wieland; Aron Fisk; Neal D. Clements
Original assignee: Deere & Company
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2022-02-15
Also published as: US20140253108A1; CN105190322B; WO2014137432A1; EP2965096A4; US9410990B2; BR112015018302A2; CN105190322A; EP2965096B1; EP2965096A1

Abstract

sensor de corrente, e, método para sensorear corrente. um sensor (11) compreende um indutor (18) para sensorear um componente de sinal de corrente alternada de um sinal observado. o indutor (18) compreende um substrato, pistas condutivas associadas a diferentes camadas do substrato e uma ou mais vias condutivas para interconectar a pluralidade de pistas condutivas. um sensor de campo magnético (20) sensoreia um componente de sinal de corrente contínua do sinal observado. um primeiro circuito de filtração (26) tem uma resposta de filtro passa-alta. o primeiro circuito de filtração (26) é acoplado com o indutor (18) para fornecer um componente de sinal de corrente alternada filtrado. um segundo circuito de filtração (28) tem uma resposta de filtro passa-baixa. o segundo circuito de filtração (28) acoplado com o sensor de campo magnético (20) para fornecer componente de sinal de corrente contínua filtrado. um circuito de fusão de sensor (30) determina uma corrente sensoreada agregada com base no componente de sinal de corrente alternada filtrado e no componente de sinal de corrente contínua filtrado.

Description

Campo da Invenção

[001] Esta invenção se refere a um método e sensor para sensorearcorrente em um condutor.

Fundamentos

[002] Veículos, equipamento ou maquinário podem usar motoreselétricos que são controlados por inversores ou controladores de motor. Um sensor da técnica anterior pode medir corrente em um ou mais condutores de entrada, tais como fios ou cabos, que alimentam um motor elétrico a partir do inversor. Mais geralmente, um sensor da técnica anterior pode medir corrente em um ou mais condutores associados com qualquer dispositivo eletrônico de potência que usa semicondutores de potência, tais como porta isolada, transistores bipolares (IGBT) ou transistores de efeito de campo de óxido de metal semicondutor (MOSFET).

[003] Certos sensores da técnica anterior para sensorear corrente emum condutor associado com um motor elétrico podem falhar prematuramente porque eles têm má resistência a tensão térmica. Em alguns sensores da técnica anterior, o autoaquecimento de um núcleo ferromagnético, a partir de correntes parasitas induzidas e perdas por histerese, pode promover falha de um dispositivo termicamente sensível, tal como sensor de campo magnético de efeito Hall embutido dentro do núcleo ou uma bobina indutiva usada com o núcleo. Outros sensores da técnica anterior para sensorear corrente no condutor podem ocupar um volume maior do que desejado porque a densidade de circuito máxima pode ser limitada, enquanto efetivamente solucionando a tensão térmica. Ainda outros sensores da técnica anterior possam não responder apropriadamente para variações rápidas de corrente; assim, deixar de responder a um súbito curto-circuito em uma saída de inversor. Assim, há uma necessidade de um sensor compacto para sensorear corrente que é resistente a falhas ou longevidade reduzida associadas a tensões térmicas ou associadas a sensoreação imprecisa de rápidas variações de corrente.

Sumário

[004] De acordo com uma modalidade, um sensor compreende umindutor para sensorear um componente de sinal de corrente alternada de um sinal observado. O indutor compreende um substrato, trilhas condutivas associado com diferentes camadas do substrato e uma ou mais vias condutivas para interconectar a pluralidade de trilhas condutivas. Um sensor de campo magnético sensoreia pelo menos um componente de sinal de corrente contínua do sinal observado. Um primeiro circuito de filtragem tem uma resposta de filtro passa-alta. O primeiro circuito de filtragem é acoplado com o indutor para fornecer um componente de sinal de corrente alternada filtrado (por exemplo, componente de frequência mais alta). Um segundo circuito de filtragem tem uma resposta de filtro passa-baixa. O segundo circuito de filtragem é acoplado com o sensor de campo magnético para fornecer pelo menos um componente de sinal de corrente contínua filtrado (por exemplo, ou um componente de frequência mais baixa e um componente de corrente contínua, onde o componente de frequência mais baixa é inferior a um componente de frequência mais alta). Um circuito de fusão de sensor determina uma corrente sensoreada global com base no componente de sinal de corrente alternada filtrado e o componente de sinal de corrente contínua filtrado.Breve Descrição dos Desenhos

[005] A FIG. 1 é um diagrama de blocos de uma primeiramodalidade do sensor de corrente para sensorear corrente em um condutor.

[006] A FIG. 2 é um diagrama de blocos de uma segundamodalidade do sensor de corrente para sensorear corrente em um condutor.

[007] A FIG. 3 é um diagrama de blocos que ilustra como o sensorde corrente pode ser aplicado para medir a corrente associada a um condutor de entrada a um motor elétrico.

[008] A FIG. 4 é um diagrama de blocos que ilustra como múltiplossensores de corrente podem ser usados para medir várias correntes elétricas associadas a um motor elétrico multifásico.

[009] A FIG. 5 mostra circuitos ilustrativos em mais detalheconsistentes com o diagrama de blocos da FIG. 1.

[0010] A FIG. 6 mostra uma vista em planta da primeira camada de trilhas condutivas, associada a um indutor, com uma camada externa de um substrato de múltiplas camadas removida para melhor mostrar a primeira camada, onde a primeira camada é associada a uma primeira camada interna do substrato.

[0011] A FIG. 7 mostra uma vista em planta de uma segunda camada de trilhas condutivas, associada ao indutor, com uma camada externa do substrato removida para mostrar melhor a segunda camada, onde a segunda camada é associada a uma segunda camada interna e está sobre o lado interno oposto do substrato em relação à primeira camada.

[0012] A FIG. 8 mostra uma vista em planta de uma primeira camada externa do substrato.

[0013] A FIG. 9 mostra uma vista em planta uma segunda camada externa do substrato sobre um lado externo oposto do substrato em relação à primeira camada externa.

[0014] A FIG. 10 mostra uma estrutura de ferrite (por exemplo, núcleo toroidal) para montagem em torno do condutor.

[0015] As FIG. 11 a FIG. 13, inclusive, mostram vistas em perspectiva de uma modalidade do sensor de corrente embutido em uma unidade elétrica que faz parte de um inversor ou controlador de motor.

[0016] A FIG. 14 mostra uma vista em perspectiva de uma outra modalidade do sensor de corrente embutido em uma unidade elétrica.

[0017] A FIG. 15 é um fluxograma de um exemplo de um método para sensorear corrente em um condutor.

[0018] A FIG. 16 é um fluxograma de um outro exemplo de um método para sensorear corrente em um condutor.

Descrição de Modalidade(s) Ilustrativa(s)

[0019] De acordo com uma modalidade, a FIG. 1 ilustra um sensor de corrente 11. Como ilustrado, o sensor de corrente 11 compreende um indutor 18 para sensorear um componente de sinal de corrente alternada (ou primeiro componente de sinal alternado) de um sinal observado em um condutor 16 (por exemplo, 16 em FIG. 3). Em geral, o condutor 16 pode compreender um condutor 16 entre uma fonte e carga elétrica. Por exemplo, o condutor 16 pode compreender um condutor 16 (por exemplo, fio, cabo ou barra coletora) entre um terminal de saída de saída de um inversor 10 ou controlador e um terminal de entrada de um motor elétrico 14.

[0020] Alternativamente, o condutor 16 pode ser qualquer condutor, pista condutiva, fio, um conjunto de fios, uma ligação de fio ou conjunto de ligações de fio associadas a um ou mais respectivos terminais de saída correspondendo dispositivos semicondutores de potência (por exemplo, uma porta isolada, transistores bipolares (IGBT's) ou transistores de efeito de campo de óxido de metal semicondutor (MOSFET's)), onde o sensor de corrente 11 é configurado para sensorear a corrente escoando dentro de um módulo eletrônico de potência, um controlador de máquina elétrica, um estágio de saída de potência ou um inversor (por exemplo, um alojamento de inversor) a partir do um ou mais terminais de saída para motor elétrico, máquina elétrica, ou outra carga conectada ao terminal de saída.

[0021] O indutor 18 sensoreia ou recebe um sinal de corrente alternada induzido proveniente do condutor 16. Por exemplo, o indutor sensoreia ou recebe um primeiro componente de sinal de corrente alternada (por exemplo, componente de frequência mais alta de sinal alternado) a partir do condutor. Em uma modalidade, o indutor 18 compreende um substrato 900 (por exemplo, FIG. 6- FIG. 9), trilhas condutivas associadas a diferentes camadas do substrato e um ou mais vias condutivas (por exemplo, vias enterradas) para interconectar a pluralidade de trilhas condutivas. Como aqui usado, uma via enterrada é uma via condutiva que não é conectada a nenhuma camada externa do substrato de múltiplas camadas ou painel de circuito em múltiplas camadas. Em vez disso, uma via enterrada conecta apenas entre camadas internas, ou as trilhas condutivas das camadas internas, do painel de circuito ou substrato de múltiplas camadas.

[0022] Aqui, na FIG. 1 o sensor de campo magnético 20 sensoreia pelo menos um componente de sinal de corrente contínua do sinal observado no condutor 16.

[0023] Alternativamente, o sensor de campo magnético 20 sensoreia um componente de sinal de corrente contínua e um componente de sinal de frequência mais baixa (ou segundo componente de sinal alternado) do sinal de corrente alternada no condutor 16. O segundo componente de sinal alternado é de frequência mais baixa do que o primeiro componente de sinal alternado.

[0024] O sensor de corrente 11 compreende um conjunto de circuitos 22 ou eletrônica de baixa tensão. Por exemplo, o conjunto de circuitos 22 tem um primeiro circuito de filtragem 26 e um segundo circuito de filtragem 28 que são acoplados com um circuito de fusão de sensor 30. Como ilustrado, o conjunto de circuitos 22 compreende adicionalmente um detector de variação de corrente 24 que é capaz de receber um sinal de corrente alternada do indutor 18.

[0025] Um primeiro circuito de filtragem 26 tem uma resposta de filtro passa-alta. O primeiro circuito de filtragem 26 é acoplado com o indutor 18 para fornecer um componente de sinal de corrente alternada filtrado (por exemplo, primeiro componente de sinal alternado). Um segundo circuito de filtragem 28 tem uma resposta de filtro passa-baixa. O segundo circuito de filtragem 28 acoplado com o sensor de campo magnético 20 para fornecer: (1) um componente de sinal de corrente contínua filtrado, (2) um componente de frequência mais baixa de sinal alternado (por exemplo, segundo componente de sinal alternado), ou ambos.

[0026] Em uma modalidade, um circuito de fusão de sensor 30 determina uma corrente sensoreada global com base no componente de sinal de corrente alternada filtrado e no componente de sinal de corrente contínua filtrado. A corrente sensoreada global refere-se à corrente combinada que inclui contribuições dos componentes de sinal de corrente contínua e componentes de sinal alternado.

[0027] Para aplicações de controle de inversor, o sensor precisa sensorear precisamente corrente e fornecer corrente variável no tempo para o controlador. Porém, a corrente sensoreada (por exemplo, proveniente do indutor 18, do sensor de campo magnético 20, ou de ambos) pode também ser convertida em sinal de raiz quadrada média (RMS) para diagnóstico usando qualquer técnica conhecida ou comercialmente disponível (por exemplo, um algoritmo T de quadrado I). Sob um modelo ilustrativo de um algoritmo T de quadrado I, a potência contínua máxima que um motor pode dissipar sem exceder sua temperatura nominal é definida por pela seguinte equação: Pmax= Irms2 * RLT onde Pmax é a potência contínua máxima que um motor pode dissipar sem exceder sua temperatura nominal, lrms é a corrente em raiz quadrada média em os enrolamentos do motor e T é o tempo decorrido ou duração no tempo. Por exemplo, um processador de dados (por exemplo, 54 na FIG. 2) pode ser programado para ativar ou desativar um comutador para desligar um inversor ou alimentação de energia elétrica para a carga ou motor se a potência contínua máxima é excedida por uma duração de disparo.

[0028] Em um primeiro exemplo ilustrativo de uma modalidade alternativa, o circuito de fusão de sensor 30 não só produz sinal de corrente variável no tempo mas pode também determinar corrente sensoreada global convertendo os componentes de sinal alternados em valores de raiz quadrada média, ou valores derivados de valores de raiz quadrada média, para adição ao componente de sinal contínuo. Em um segundo exemplo ilustrativo de uma modalidade alternativa, o circuito de fusão de sensor 30 pode também determinar corrente sensoreada global convertendo os componentes de sinal alternado em valores de raiz quadrada média, ou valores derivados de valores de raiz quadrada média, para adição ao componente de sinal contínuo, onde ao componente de raiz quadrada média e ao componente de sinal contínuo são atribuídos pesos ou fatores de escala.

[0029] Em uma modalidade, o circuito de fusão de sensor 30 escalona um primeiro ganho do componente de sinal alternado filtrado e um segundo ganho do componente de sinal de corrente contínua filtrado para obter um fator de conversão entre corrente efetiva do sinal observado escoando através de um condutor 16 e a corrente sensoreada global.

[0030] Em uma modalidade, um detector de variação de corrente 24 é acoplado com o indutor 18. Um detector de variação de corrente 24 compreende um circuito de medição para determinar uma variação em corrente versus tempo para o componente de sinal alternado do sinal observado por indutor 18. O sinal observado é relacionado com a corrente escoando no condutor 16, que induz o sinal observado no indutor 18. Por exemplo, o detector de variação de corrente 24 pode compreender um circuito diferenciador. O detector de variação de corrente 24 pode ser capaz de detectar condições transientes de curto-circuito, por exemplo.

[0031] Em uma modalidade, o sensor de campo magnético 20 compreende um sensor de efeito Hall. Em uma configuração, o sensor de campo magnético 20 é associado com uma estrutura de ferrite para atenuar sinais eletromagnéticos parasitas (por exemplo, corrente alternada) que pode de outro modo resultar em distorções ou imprecisões na medição do componente de corrente contínua, o componente de baixa frequência de sinal alternado, ou ambos.

[0032] Em uma configuração, o indutor 18 compreende uma bobina de sensor de fluxo variável no tempo (TVFS) e o sensor de campo magnético 20 compreende um sensor de efeito Hall. Aqui, o indutor 18 não precisa usar um núcleo ferromagnético; assim, não é suscetível de aquecimento térmico a partir de correntes parasitas ou correntes induzidas de que podem surgir em um núcleo ferromagnético. A bobina de sensor de fluxo variável no tempo TVFS) e o elemento Hall sensoreiam ou detectam a corrente observada escoando através do condutor 16 (por exemplo, condutor 16) que fica é uma fonte e a carga, tal como um inversor 10 e um motor elétrico 14, respectivamente. O indutor 18 (por exemplo, bobina TVFS) é usado para corrente variável no tempo ou um componente de sinal de corrente alternada, enquanto o sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor de efeito Hall) é usado para um componente de sinal de corrente contínua (CC) e qualquer componente corrente variável no tempo de frequência mais baixa ou qualquer componente de frequência mais baixa de sinal de corrente alternada.

[0033] O indutor 18 (por exemplo, bobina TVFS) alimenta o primeiro sinal sensoreado (vTVFS) para o primeiro circuito de filtragem 26, que tem uma resposta de filtragem de passa-alta para atenuar sinais de baixa frequência. O sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor de efeito Hall) alimenta um segundo sinal sensoreado (vHall) para o segundo circuito de filtragem 28, que tem uma resposta de frequência passa-baixa para atenuar sinais de alta frequência. As respectivas frequências de corte e respostas de frequência do primeiro circuito de filtragem 26 e do segundo circuito de filtragem 28 são críticas para o desempenho do sensor de corrente 11. Em um exemplo ilustrativo, a resposta de frequência global do primeiro circuito de filtragem 26 e do segundo circuito de filtragem 28 é projetada para assegurar que a resposta de frequência combinada ou global do sensor de corrente tem um ganho constante de aproximadamente 0 Hz a uma frequência em ou além de 1 kHz (aproximadamente) e não oferece qualquer defasagem material entre qualquer de dois sinais de entrada (por exemplo, primeiro sinal e o segundo sinal sensoreado, ou vTVFS e vHALL) e o sinal de saída (iSENSOREADO) na saída do circuito de fusão de sensor 30. Vantajosamente, as frequências de corte do primeiro circuito de filtragem 26 e do segundo circuito de filtragem 28 podem ser seletivamente alteradas (por exemplo, via seleção de capacitâncias ou resistências (por exemplo, ilustradas na FIG. 5) para quaisquer circuitos sintonizados) para o sensor de corrente (11 na FIG. 1 ou 111 na FIG. 2) para suportar uma ampla variedade de máquinas elétricas acionadas pelo inversor (por exemplo, geradores ou motores elétricos), tais como comandos elétricos sinusoidais e não sinusoidais como sobre uma faixa considerável de formas de onda e frequências de operação de entrada.

[0034] O circuito de fusão de sensor 30 coopera com o primeiro circuito de filtragem 26 e o segundo circuito de filtragem 28 para evirar qualquer defasagem material entre os dois sinais, o primeiro sinal filtrado e o segundo sinal filtrado, que são lançados no circuito de fusão de sensor 30 a partir do primeiro circuito de filtragem 26 e do segundo circuito de filtragem 28, respectivamente. O circuito de fusão de sensor 30 pode ajustar o ganho de magnitude do primeiro sinal filtrado fornecido pelo primeiro circuito de filtragem 26 e o segundo sinal filtrado fornecido pelo segundo circuito de filtragem 28 para escalonar as contribuições relativas do primeiro sinal filtrado e do segundo sinal filtrado para o sinal de saída (iSENSOREADO). O circuito de fusão de sensor 30 combines o primeiro sinal filtrado e o segundo sinal filtrado, que podem ser saídas de circuito passa-alta para bobina TVFS e circuito passa-baixa para o sensor de efeito Hall. O circuito de fusão de sensor 30 ajusta o ganho do primeiro sinal filtrado e do segundo sinal filtrado para escalonar apropriadamente as relativas contribuições do primeiro sinal e segundo sinal para obter um fator de conversão entre corrente escoando através de barra coletora e o sinal de saída, ISENSOREADO. Portanto, a saída do sensor saída (ISENSOREADO) é o sinal de tensão com um fator de conversão expresso como milivolts por ampere (mV/A).

[0035] Em uma modalidade, o detector de variação de corrente 24 fornece medição para variação de corrente versus tempo (di/dt) corrente nominal escoando através do condutor 16 (por exemplo, barra coletora).

[0036] O sensor de corrente 111 da FIG. 2 é similar ao sensor de corrente 11 da FIG. 1, exceto o sensor de corrente de FIG. 2 compreende adicionalmente um sensor de temperatura 52, um processador de dados 54, um barramento de dados 56, um conversor analógico para digital 58. Além disso o sensor de corrente 111 pode compreender uma interface de comutador opcional 61 acoplado com o barramento de dados, um comutador 63 acoplado com a interface de comutador 61, onde o comutador 61 é uma linha de alimentação em série (por exemplo, condutor 16) para um inversor ou uma alimentação de potência para um inversor (por exemplo, 10) ou controlador. Números de referência idênticos nas FIG. 1 e FIG. 2 indicam elementos idênticos.

[0037] O sensor de corrente 111 compreende um conjunto de circuitos 122 ou eletrônica de baixa tensão. Por exemplo, o conjunto de circuitos 122 tem um primeiro circuito de filtragem 26 e um segundo circuito de filtragem 28 que são acoplados com um circuito de fusão de sensor 30. Como ilustrado, o conjunto de circuitos 122 compreende adicionalmente um detector de variação de corrente 24 que é capaz de receber um sinal de corrente alternada do indutor 18. No conjunto de circuitos 122, um sensor de temperatura 52, um processador de dados eletrônico 54 e um conversor analógico-para-digital 58 são acoplados com um barramento de dados 56.

[0038] Na FIG. 2, o conversor analógico-para-digital 58 é acoplado com o circuito de fusão de sensor 30 ou o sensor de corrente 111. Por sua vez o conversor analógico-para-digital 58 é acoplado com o barramento de dados 56. O conversor analógico-para-digital 58 pode alterar variar a corrente analógica sensoreada global na saída do circuito de fusão de sensor 30 para uma corrente sensoreada global digital. O processador de dados 54 pode avaliar ou processar a corrente sensoreada global digital para facilitar controle, diagnóstico ou estado do inversor 10. Em certas modalidades, o processador de dados 54 e barramento de dados 56 podem ser embutidos no inversor (por exemplo, 10).

[0039] O sensor de temperatura 52 e o processador de dados 54 podem se comunicar mediante o barramento de dados 56. Similarmente, o processador de dados 54 e a interface de comutador 61 (por exemplo, acionador de comutador) pode se comunicar mediante o barramento de dados 56. A interface de comutador 61 é acoplada com um comutador 63 que pode interromper o fluxo de energia elétrica a partir de uma alimentação de potência para o inversor 10 ou então desativar uma ou mais fases do inversor.

[0040] Em uma modalidade, o sensor de temperatura 52 compreende um circuito para estimar uma temperatura de um condutor 16 ou barra coletora entre o terminal de saída de um inversor 10 e o terminal de entrada de um motor elétrico 14. Por exemplo, o sensor de temperatura 52 pode compreender um termistor, um sensor infravermelho ou um outro dispositivo que fornece um sinal elétrico ou mensagem de dados que corresponde a uma temperatura sensoreada. Um termistor pode fornecer uma variação de resistência associada a uma variação da temperatura sensoreada do condutor 16.

[0041] Em uma configuração, o sensor de temperatura 52 fornece uma saída digital. Alternativamente, se o sensor de temperatura 52 fornece uma saída analógica, um conversor analógico-para-digital 58 pode ser usado para fazer interface com o barramento de dados 56. Os dados ou mensagem de temperatura sensoreada provenientes do sensor de temperatura 52 são fornecidos ao ou acessíveis pelo processador de dados 54. O processador de dados 54 pode usar os dados de temperatura sensoreada para desativar ou desligar os comutadores de potência do comutador 61 (por exemplo, semicondutores de potência) dentro do inversor 10 para impedir qualquer dano térmico ao inversor 10 e/ou ao motor.

[0042] Como ilustrado na FIG. 3, o indutor 18 e o sensor de campo magnético 20 são arranjados para estar próximos ou perto de um condutor 16 que conecta um terminal de saída de um inversor 10 a um terminal de entrada de um motor elétrico 14. Por exemplo, o indutor 18 e o substrato em múltiplas camadas pode ter uma abertura de modo que o condutor 16 com a corrente a ser observada é circundado, parcialmente ou completamente, pelo indutor 18 para maximizar ou facilitar acoplamento indutivo de corrente entre o condutor 16 e o indutor 18. Em uma modalidade, o condutor 16 compreende uma barra coletora entre um inversor 10 ou controlador de motor e o motor elétrico 14.

[0043] O sensor de corrente da FIG. 1 ou da FIG. 2 pode ser aplicado à corrente sensoreada em um condutor 16 que alimenta energia elétrica (por exemplo, mediante uma ou mais fases de sinais de corrente alternada) a um motor elétrico 14. Um detector de variação de corrente 24 determina uma variação de corrente versus tempo para o componente de sinal alternado. Um estimador de temperatura estima uma temperatura do condutor 16.

[0044] Em uma modalidade, o motor elétrico 14 requer apenas um sinal de entrada de corrente alternada, de modo que se um sinal de entrada de corrente contínua é sensoreado ele pode indicar que o inversor 10 não está funcionando apropriadamente para um ou mais fases de saída.

[0045] A FIG. 4 é um diagrama de blocos que ilustra como múltiplos sensores de corrente 11 podem ser usados para medir várias correntes elétricas associadas a um motor elétrico multifásico 14. Como ilustrado, o motor elétrico 114 compreende um motor elétrico trifásico 14 que tem três fases de entrada. Por exemplo, cada fase pode ter um sinal de entrada de corrente alternada que está defasado é com as outras fases de entrada de uma quantidade fixa (por exemplo, aproximadamente 120 graus de defasagem). Um sensor de corrente 11 diferente é associado com cada uma das entradas de fase. Cada uma das entradas de fase é associada a um correspondente condutor (16, 116, 216). A FIG. 4 mostra três condutores (16, 116, 216) entre terminais de saída do inversor 110 e terminais de entrada do motor elétrico 114. Cada sensor de corrente 11 pode sensorear uma corrente global observada diferente e uma variação de corrente para cada uma das fases.

[0046] A FIG. 5 mostra circuitos ilustrativos em mais detalhe consistentes com o diagrama de blocos da FIG. 1. Números de referência idênticos nas FIG. 1, FIG. 2 e FIG. 5 indicam elementos idênticos.

[0047] Um primeiro circuito de filtragem 26 tem uma resposta de filtro passa-alta. Em uma modalidade, a resposta de filtro passa-alta é suportada pela combinação em série 590 de um resistor 501 e um capacitor 582, onde o capacitor 582 bloqueia ou atenua um sinal de corrente contínua. O primeiro circuito de filtragem 26 é acoplado com o indutor 18 para receber um sinal de corrente alternada (por exemplo, primeiro sinal de corrente alternada) em um terminal de entrada 591 do primeiro circuito de filtragem 26 e para fornecer um componente de sinal de corrente alternada filtrado (por exemplo, primeiro componente de sinal alternado) em um terminal de saída 592 do primeiro circuito de filtragem 26. O primeiro circuito de filtragem 26 compreende um primeiro amplificador 551, um segundo amplificador 554 e um terceiro amplificador 553 e resistores e capacitores associados.

[0048] Em uma modalidade, o primeiro amplificador 551 formas um circuito seguidor de ganho unitário em que o seguidor de ganho unitário armazena temporariamente o sinal de corrente alternada proveniente do indutor 18. Como a saída do primeiro amplificador 551 é alimentada à entrada (por exemplo, terminal de entrada negativo) do primeiro amplificador 551, a tensão de entrada iguala a tensão de saída para o primeiro amplificador 551. Um terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) do primeiro amplificador 551 é conectado ao resistor 500 e ao capacitor 581. O capacitor 581 é alimentado por uma fonte de tensão de referência do terminal positivo 576. O terminal de entrada negativo do primeiro amplificador 551 é acoplado com uma fonte de tensão de referência de terminal positivo 576 mediante o resistor 594. Por sua vez, a fonte de tensão de referência do terminal positivo 576 é conectada o terra ou comum 575. Os terminais de entrada (por exemplo, dois terminais de entrada) do primeiro amplificador 551 são acoplados com os terminais ou tomadas do indutor 18, onde o terminal de entrada positivo do primeiro amplificador 551 é acoplado com o indutor 18 mediante por meio do resistor em série 500.

[0049] A combinação em série 590 do resistor 501 e do capacitor 582 é conectada à saída do amplificador 551 para suportar uma resposta de filtro passa-alta atenuando ou bloqueando que um sinal de corrente contínua alcance outros amplificadores (553, 554) dentro do primeiro circuito de filtragem 26 em um nó intermediário 579.

[0050] O segundo amplificador 554 faz parte de um circuito de integração que integra ou rateia um valor de um sinal de entrada de corrente alternada no nó intermediário 579. O capacitor 585 é selecionado com base na frequência do sinal de entrada de corrente alternada. Um terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) do segundo amplificador 554 é conectado a um resistor 504, enquanto que o outro terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada negativo) do segundo amplificador 554 é conectado ao resistor 505 que é alimentado por uma fonte de tensão de referência 576.

[0051] Em um terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo), o terceiro amplificador 553 recebe um sinal de entrada mediante um ou mais dos seguintes elementos de rede para fornecer uma resposta de frequência passa-alta: (1) o circuito sintonizado em série 590, (2) capacitor 582, ou (3) capacitor 584. Por exemplo, o terceiro amplificador 553 pode amplificam o sinal em uma faixa de frequência de passa-banda que é proporcional a uma razão da resistência de resistor 502 para aquela do resistor 501. O terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) do amplificador 553 é conectado à combinação em série do resistor 503 e fonte de referência de tensão 576. Similarmente, um terminal de saída do terceiro amplificador 553 é conectado a uma combinação em série do capacitor 583 e uma fonte de referência de tensão 576.

[0052] Em uma configuração, o terceiro amplificador 553 pode funcionar como um comparador que compares as entradas provenientes do primeiro amplificador 551 e do segundo amplificador 554 e gera ou emite um primeiro sinal filtrado para indicar quando a primeira entrada no nó intermediário 579 difere da segunda entrada (por exemplo no terminal de entrada negativo do amplificador 553).

[0053] Um segundo circuito de filtragem 28 tem uma resposta de filtro passa-baixa. O segundo circuito de filtragem 28 é acoplado com o sensor de campo magnético 20 para fornecer: (1) um componente de sinal de corrente contínua filtrado, (2) um componente de frequência mais baixa de sinal alternado (por exemplo, segundo componente de sinal alternado), ou ambos. O segundo circuito de filtragem 28 compreende um primeiro amplificador 556, um segundo amplificador 557 e um terceiro amplificador 558 e resistores e capacitores associados. Em uma modalidade, o primeiro amplificador 556 forma um circuito seguidor de ganho unitário em que o seguidor de ganho unitário armazena temporariamente o sinal proveniente do sensor de campo magnético 20. Como a saída do primeiro amplificador 556 é alimentada de volta à entrada (por exemplo, entrada negativa) do primeiro amplificador 556, a tensão de entrada iguala a tensão de saída para o primeiro amplificador 556. Uma entrada (por exemplo, entrada positiva) do primeiro amplificador 556 é conectada ao resistor 506, enquanto que a outra entrada (por exemplo, entrada negativa) do primeiro amplificador 556 é conectada à combinação em série de resistor 507 e fonte de referência de tensão 576.

[0054] O segundo amplificador 557 faz parte de um circuito de integração que integra ou rateia um valor de um sinal de entrada de corrente alternada em um nó central 599. O capacitor 578 é selecionado com base na frequência do sinal de entrada de corrente alternada no nó 599 ou do componente de baixa frequência de sinal alternado proveniente do sensor de campo magnético 20.

[0055] O terceiro amplificador 558 trabalha em conjunto com a realimentação a partir do circuito sintonizado em paralelo 597 para fornecer uma resposta de passa-baixa. Como ilustrado, o circuito sintonizado em paralelo 597 está no trajeto de realimentação entre a entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) e o terminal de saída 596 do terceiro amplificador 558. O circuito sintonizado 597, isoladamente ou em combinação com o terceiro amplificador 558, pode passar sinais de corrente contínua, frequências de corrente alternada mais baixas ou ambos para o terminal de saída 596 do segundo circuito de filtragem 28 e a entrada do circuito de fusão de sensor 30. Por exemplo, o terceiro amplificador 558 pode amplificar o sinal em uma faixa de frequência de passa-banda que é proporcional a uma razão do resistor 509 para o resistor 508, perto do nó central 599. Em uma modalidade, a resposta de filtro passa-baixa é fornecida por um circuito sintonizado 597 formado de uma combinação em paralelo do capacitor 586 e do resistor 509.

[0056] Um terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) do terceiro amplificador 558 é conectado a um capacitor 587 e uma combinação em série do resistor 510 e da fonte de referência de tensão 576. O outro terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada negativo) do terceiro amplificador 558 é alimentado pela saída do segundo amplificador 557.

[0057] Em uma configuração, o terceiro amplificador 558 pode funcionar como um comparador que compara as entradas provenientes do primeiro amplificador 556 e do segundo amplificador 557 e gera ou emite um primeiro sinal filtrado para indicar quando a primeira entrada difere da segunda entrada.

[0058] Em uma modalidade, um circuito de fusão de sensor 30 determina um corrente sensoreada global com base em: (1) o componente de sinal de corrente alternada filtrado e o componente de sinal de corrente contínua filtrado, ou (2) o primeiro componente de sinal filtrado e o segundo componente de sinal filtrado, onde o primeiro componente de sinal filtrado compreende um primeiro componente de sinal de corrente alternada filtrado e onde o segundo componente de sinal filtrado compreende um componente de sinal de corrente contínua e um componente de frequência mais baixa de sinal de corrente alternada que é mais baixo em frequência que o primeiro componente de sinal de corrente alternada filtrado. A corrente sensoreada global refere-se à corrente combinada que inclui contribuições dos componentes de sinal de corrente contínua e componentes de sinal alternado. O circuito de fusão de sensor 30 compreende um amplificador operacional 555 em uma disposição de amplificador somador em que as entradas em um primeiro resistor 513 e um segundo resistor 514 são somadas para produzir uma tensão de saída que é proporcional à soma das tensões de entrada em um terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) do amplificador 555. Uma fonte de tensão de referência 576 é aplicada ao outro terminal de entrada (por exemplo, entrada negativa) do amplificador operacional 555 via um resistor 515, onde uma variação da tensão de referência (por exemplo, tensão de referência variável) pode ser usada para escalonar ou ajustar a saída da corrente sensoreada. O terminal de saída de fusão de sensor 544 fornece um indicador de corrente da corrente global escoando dentro do condutor 16, por exemplo.

[0059] O sensor de variação de corrente 24 compreende um amplificador 552 com um primeiro terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada negativo) acoplado com o indutor 18 mediante o resistor 518 e um segundo terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) acoplado com o terra (ou uma fonte de tensão de referência) mediante o resistor 593. O resistor de realimentação 519 é conectado entre o terminal de entrada (por exemplo, terminal de entrada positivo) e o terminal de saída do amplificador 552. O terminal de saída 542 do sensor de variação de corrente fornece um indicador de corrente da variação versus tempo da corrente escoando no condutor 16. Em uma modalidade, um resistor de saída 595 é conectado em série entre o terminal de saída do amplificador 552 e o terminal de saída 542 do sensor de variação de corrente, onde um capacitor 598 é conectado entre o terminal de saída 542 do sensor de variação de corrente e o terra 575.

[0060] A FIG. 6 mostra uma vista em planta de uma primeira camada de primeiras trilhas condutivas (603, 604), associadas a um indutor 18, com uma camada externa de um substrato de múltiplas camadas 900 removida para mostrar melhor a primeira camada 607, onde a primeira camada é associada a uma primeira camada interna 607 do substrato de múltiplas camadas 900 (por exemplo, painel de circuito de múltiplas camadas).

[0061] Em uma modalidade, a primeira camada de primeiras trilhas condutivas (603, 604) compreende trilhas condutivas enterradas. As primeiras trilhas condutivas (603, 604) são segmentos geralmente lineares que são radialmente estendidos com respeito a um eixo geométrico central 936. Como ilustrado, um conjunto de ou algumas primeiras trilhas condutivas (por exemplo, 604) são mais longas do que outras primeiras trilhas condutivas (por exemplo, 603) da primeira camada. Porém, as primeiras trilhas condutivas (603, 604) podem ser do mesmo comprimento em modalidades alternativas.

[0062] Cada primeira pista condutiva (603, 604) pode terminar em uma conexão elétrica e mecânica com uma via interna enterrada (600, 612), ou uma via externa enterrada 602 para facilitar a formação de indutor com uma outra camada (por exemplo, camada de lado 607) do substrato em múltiplas camadas 900.

[0063] Embora as primeiras trilhas condutivas (603, 604) ocupem uma área geralmente anular sobre o substrato ou painel de circuito, as primeiras trilhas condutivas (603, 604) podem se desviar de uma área completamente anular com um ou mais entalhes 940, por exemplo. O eixo geométrico central 936 e uma região para dentro a partir da área geralmente anular são associados com uma abertura 903 para inserir ou posicionar o condutor 16 a ser observado ou medido, com respeito à sua corrente elétrica.

[0064] Além das primeiras trilhas condutivas (603, 604), a primeira camada pode compreender primeiras trilhas condutivas suplementares 601 e vias condutivas suplementares 610 para interconectar um ou mais componentes sobre o substrato. Em uma configuração, as primeiras trilhas suplementares 601 e as vias condutivas suplementares são enterradas no substrato de múltiplas camadas 900.

[0065] A FIG. 7 mostra uma vista em planta de uma segunda camada de segundas trilhas condutivas (703, 704), associadas ao indutor 18, com uma camada externa do substrato removida para mostrar melhor a segunda camada, onde a segunda camada é associada a uma segunda camada interna (707) e fica sobre o lado interno oposto do substrato em relação à primeira camada interna 607 do substrato de múltiplas camadas 900 (por exemplo, painel de circuito de múltiplas camadas).

[0066] Em uma modalidade, a primeira camada das segundas trilhas condutivas (703, 704) compreende trilhas condutivas enterradas. As segundas trilhas condutivas (703, 704) são segmentos geralmente lineares que são radialmente estendidos com respeito a um eixo geométrico central 936. Como ilustrado, um conjunto de ou algumas segundas trilhas condutivas (por exemplo, 704) são mais longas do que outras segundas trilhas condutivas (por exemplo, 704) da primeira camada. Porém, as segundas trilhas condutivas (703, 704) podem ser do mesmo comprimento em modalidades alternativas.

[0067] Cada segunda pista condutiva (703, 704) pode terminar em uma conexão elétrica e mecânica como uma via interna enterrada (600, 612), ou uma via externa enterrada 602 para facilitar a formação de indutor com uma outra camada interna (por exemplo, camada interna 607 da FIG. 6) do substrato em múltiplas camadas 900.

[0068] Embora as segundas trilhas condutivas (703, 704) ocupem uma área geralmente anular sobre o substrato ou painel de circuito, as segundas trilhas condutivas (703, 704) podem se desviar de uma área completamente anular com um ou mais entalhes 940, por exemplo. O eixo geométrico central 936 e uma região para dentro a partir da área geralmente anular são associados com uma abertura 903 para inserir ou posicionar o condutor 16 a ser observado ou medido, com respeito a sua corrente elétrica.

[0069] Além das segundas trilhas condutivas (703, 704), a primeira camada pode compreender segundas trilhas condutivas suplementares 701 e vias condutivas suplementares 610 para interconectar um ou mais componentes sobre o substrato. Em uma configuração, as segundas trilhas condutivas suplementares 701 e as vias condutivas suplementares 610 são enterradas no substrato de múltiplas camadas 900.

[0070] Em uma modalidade, as primeiras trilhas condutivas (603, 604) de FIG. 6 e as segundas trilhas condutivas (703, 704) da FIG. 7 são arranjadas em uma série de camadas que são espaçadas uma da outra por intervenção de porções dielétricas de um substrato 900. As trilhas condutivas (por exemplo, primeiras e segundas trilhas condutivas 603, 604, 703, 704) e vias condutivas (600, 602, 612) (por exemplo, vias enterradas) formam um indutor 18 com pelo menos duas tomadas ou terminais, onde as trilhas condutivas de cada camada das camadas são confinadas em uma região geralmente anular sobre o substrato 900.

[0071] A FIG. 8 mostra uma vista em planta de uma primeira camada externa 807 do substrato 900. A FIG. 9 mostra uma vista em planta de uma segunda camada externa 907 do substrato sobre um lado externo oposto do substrato 900 em relação à primeira camada externa 807. Números de referência idênticos na FIG. 6 até a FIG. 9, inclusive, indicam elementos idênticos.

[0072] O primeiro circuito de filtragem 26, o segundo circuito de filtragem 28 e o circuito de fusão de sensor 30 são formados por montagem de componentes eletrônicos sobre um ou mais lados do substrato 900 ou múltiplas camadas painel de circuito em uma região para fora a partir de uma região anular 804 ou volume anular do indutor 18. Por exemplo, o primeiro circuito de filtragem 26, o segundo circuito de filtragem 28 e o circuito de fusão de sensor 30 podem ser montados sobre a primeira camada externa 807 do substrato 900, a segunda camada externa 907 do substrato 900, ou ambas. Cada um dentre o primeiro circuito de filtragem 26, o segundo circuito de filtragem 28 e o circuito de fusão de sensor 30 compreende um ou mais amplificadores operacionais, capacitores, resistores ou quaisquer outros componentes 805 (por exemplo, componentes elétricos, semicondutores ou eletrônicos) que são interconectados via trilhas de circuito secundárias 801 sobre o substrato. A primeira camada externa 807 pode ter um plano de terra condutivo 802. Os resistores e capacitores podem ser usados em conjunto com os amplificadores operacionais para formar filtros ativos com respostas de frequência desejadas, por exemplo.

[0073] A FIG. 9 mostra uma vista em planta de uma segunda camada externa 907 do substrato 900. A FIG. 9 mostra uma vista em planta de uma segunda camada externa 907 do substrato sobre um lado externo oposto do substrato 900 em relação à primeira camada externa 807. Números de referência idênticos na FIG. 6 até a FIG. 9, inclusive, indicam elementos idênticos.

[0074] O primeiro circuito de filtragem 26, o segundo circuito de filtragem 28 e o circuito de fusão de sensor 30 são formados por montagem de componentes eletrônicos sobre um ou mais lados do substrato 900 ou painel de circuito de múltiplas camadas em uma região para fora a partir de uma região anular 904 ou volume anular do indutor 18. Por exemplo, o primeiro circuito de filtragem 26, o segundo circuito de filtragem 28 e o circuito de fusão de sensor 30 podem ser montados sobre a primeira camada externa 807 do substrato 900, a segunda camada externa 907 do substrato 900, ou ambas. Cada um dentre o primeiro circuito de filtragem 26, o segundo circuito de filtragem 28 e o circuito de fusão de sensor 30 compreende um ou mais amplificadores operacionais, capacitores, resistores, ou quaisquer outros componentes 905 (por exemplo, componentes elétricos, semicondutores ou eletrônicos) que são interconectados mediante via trilhas de circuito secundárias 901 sobre o substrato. A segunda camada externa 907 pode ter um plano de terra condutivo 902. Os resistores e capacitores podem ser usados em conjunto com os amplificadores operacionais para formar filtros ativos com respostas de frequência desejadas, por exemplo.

[0075] A FIG. 10 mostra uma estrutura de ferrite 958 (por exemplo, núcleo toroidal) para montagem em torno do condutor 16 (por exemplo, 16) em que a corrente deve ser medida. Números de referência idênticos na FIG. 6 até a FIG. 10, indicam elementos idênticos.

[0076] A estrutura de ferrite 958 é presa ou retida na primeira camada externa 807 do substrato 900 por um retentor 960 ou porta-núcleo. Em uma modalidade, o retentor 960 tem um rebaixo anular para recepção da estrutura de ferrite 958 ou núcleo de ferrite toroidal. O retentor 960 pode ser fixado ao substrato 900 mediante um ou mais fixadores 962.

[0077] O sensor de corrente (por exemplo, 11 ou 111) das FIG. 6 até a FIG. 10, inclusive, compreende um indutor 18 formado de trilhas condutivas (603, 604, 703, 704) e vias condutivas (600, 602, 612) de um substrato 900 (por exemplo, múltiplas camadas painel de circuito impresso). Por exemplo, o indutor 18 pode compreender um padrão de bobina de sensor de fluxo variável no tempo (TVFS) usando trilhas e vias enterradas em um painel de circuito impresso (PCB) de múltiplas camadas. Vias enterradas (600, 602, 612) e trilhas enterradas (603, 604, 703, 704) permitem que o indutor 18 circunde e permaneça em estreita vizinhança ou proximidade do condutor carregador de corrente 16 (circuito de alta tensão) sem comprometer isolamento reforçado (duplo) entre eletrônicas de alta tensão e de baixa tensão. Na prática, o sensor de corrente 11 ou 111 e seu indutor 18 operam em um nível de tensão mais baixo, enquanto que o condutor carregador de corrente 16 opera em um nível de tensão mais alto do que o nível de tensão mais baixo.

[0078] Como o indutor 18 mede apenas fluxo ou corrente variável no tempo tal como um sinal de corrente alternada (CA), para medição de corrente contínua, um sensor de campo magnético 20 (por exemplo, um sensor Hall programável) é usado. Para elevar a sensibilidade do sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor Hall), a estrutura de ferrite 958 ou núcleo de ferrite toroidal com entreferro, de baixa perda é estendido suficientemente espaçado da bobina TVFS do indutor 18. O interstício 957 na estrutura de ferrite é uma fenda ou interrupção no formato geral anular ou formato toroidal da estrutura de ferrite 958. A estrutura de ferrite 958 oferece o desempenho desejado sob condições de operação extremas apresentadas por corrente alternada (CA) fundamental de alta frequência (por exemplo, acima de aproximadamente 500 Hz, corrente de alta magnitude (por exemplo, mais do que aproximadamente 500 Amp, em raiz quadrada média (rms)). Em uma modalidade, o sensor de campo magnético 20 é posicionado no entreferro 957 deixado na estrutura de ferrite 958.

[0079] Um segundo circuito de filtragem 28 processa o sinal sensoreado pelo sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor Hall ou sonda Hall). O circuito de fusão de sensor 30 combina sinais provenientes do indutor 18 e sensor de campo magnético 20 depois que os sinais são processados pelo primeiro circuito de filtragem 26 e pelo segundo circuito de filtragem 28, respectivamente. O circuito de fusão de sensor 30 oferece a resposta de frequência desejada em uma faixa de frequência visada (por exemplo, de corrente contínua (CC) a corrente alternada (CA) fundamental de alta frequência (por exemplo, aproximadamente 1000 Hz ou mais) sem qualquer perda de ganho e ocorrência de defasagem entre os sinais de entrada e saída.

[0080] O sensor de corrente (11 ou 111) compreende eletrônica debaixa tensão montada sobre um substrato 900 (por exemplo, painel de circuito). A eletrônica de baixa tensão compreende um ou mais dos seguintes circuitos: (a) um primeiro circuito de filtragem 26 (por exemplo, filtro passa- alta), (b) um segundo circuito de filtragem 28 (por exemplo, filtro passa- baixa), (c) um circuito de fusão de sensor 30 (por exemplo, combinador), (d) detector de variação de corrente 24 e (e) um sensor de temperatura 52. Em uma modalidade, o sensor de temperatura 52 é montado muito perto (por exemplo, poucos milímetros) da conexão de corrente elevada entre os módulos de potência do inversor (por exemplo, que usam transistores bipolares de porta isolada (IGBT's), transistores de efeito de campo de óxido de metal semicondutor (MOSFET's) ou outros semicondutores de potência) e uma carga externa (por exemplo, um motor elétrico 14) acoplado com o inversor 10.

[0081] O indutor 18 sobre o substrato permite que o espaço restante para eletrônica de baixa tensão (por exemplo, circuitos 26, 28, 30, 24 e 52) seja compactado sobre camada externas (807, 907) de substrato de múltiplas camadas 900 para resultar em uma impressão menor ou compacta para o sensor de corrente (11 ou 111). Além disso, há suficiente espaço de montagem sobre o substrato 900 para incluir um sensor de temperatura embutido 52 e um detector de variação de corrente 24.

[0082] A FIG. 11 mostra o substrato 900 do sensor de corrente 11 ou 111 montado sobre uma unidade eletrônica 307, tal como um inversor 10 ou um controlador. Números de referência idênticos na FIG. 1 até a FIG. 12, inclusive, indicam elementos idênticos.

[0083] Na FIG. 11 e na FIG. 12, o sensor de corrente (por exemplo, 11 ou 111) ou sua unidade eletromecânica associada tem um conector de alta potência 302 ou tomada fêmea para receber o condutor 16. Na FIG. 11, o substrato 900 do sensor de corrente (11 ou 111) é conectado ou suportado pelo alojamento 304, enquanto que na FIG. 12, o substrato 900 é omitido para melhor ilustrar o conector 302. O conector 302 pode compreender uma tomada fêmea geralmente cilíndrica, por exemplo. Em uma modalidade, o alojamento 304 suporta o substrato 900 em um plano geralmente perpendicular com respeito a um eixo geométrico de qualquer condutor (16) que é inserido no ou conectado ao conector 302, embora outras configurações de montagem do substrato 900 possam cair dentro do escopo as reivindicações anexas.

[0084] A FIG. 13 ilustra a unidade 307 da FIG. 11 de uma perspectiva diferente daquela da FIG. 11. Além disso, a FIG. 13 mostra uma vista em perspectiva semiexplodida da unidade 307 onde uma porção conjugada 309 (por exemplo, plugue) do condutor 16 é mostrada como removida da abertura 903 na estrutura de ferrite 958 e no substrato associado 900. Números de referência idênticos na FIG. 1 até a FIG. 13, inclusive, indicam elementos idênticos.

[0085] A FIG. 14 é similar à FIG. 13, exceto que a estrutura de ferrite 950 é substituída por uma estrutura de ferrite dupla 1958 e a porção conjugada 309 engata o conector 302. Números de referência idênticos na FIG. 1 até a FIG. 14, inclusive, indicam elementos idênticos. Na FIG. 14, a porção conjugada 309 ou plugue do condutor 16 é posicionada no conector 302. O condutor 16 se conjuga com a tomada fêmea do conector de corrente elevada do sensor de corrente (11 ou 111). A estrutura de ferrite dupla 1958 compreende dois membros de ferrite 315, onde um é posicionado sobre cada lado do sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor de efeito Hall). Como mostrado, cada um dentre os dois membros de ferrite 315 na FIG. 14, é geralmente retangular ou poliédrico, embora outros formatos de membros de ferrite possam ser usados e caiam dentro do escopo de algumas reivindicações anexas aqui.

[0086] O sensor de campo magnético 20 ou sua sonda indutiva pode ser limitado por um membro de ferrite 315 sobre um ou mais lados, ao longo de um eixo geométrico comum 314. A estrutura de ferrite dupla 1958 montada na superfície atua como um concentrador de fluxo magnético para dirigir o fluxo magnético para o sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor de efeito Hall). A estrutura de ferrite dupla 1958 e a disposição da FIG. 14 podem atingir um desempenho similar que um núcleo de ferrite toroidal com entreferro 903. Além disso, a estrutura de ferrite dupla 1958 elimina a necessidade de um retentor 960 (FIG.10) ou porta-núcleo.

[0087] Em uma configuração, a estrutura de ferrite dupla 1958 compreende um concentrador de fluxo magnético sobre ou a primeira camada externa 807 ou a segunda camada externa 809 de substrato 900. A configuração da FIG. 14 usa o volume livre ou espaço superior sobre o semicondutor de potência do inversor para tornar o sensor de corrente (11 ou 111) ou sua montagem, tão compactos quanto possível. Em algumas modalidades, apenas uns poucos milímetros de folga são necessários a partir da superfície a mais próxima do pacote semicondutor de potência (por exemplo, IGBT) até a parede do inversor ou o alojamento do inversor.

[0088] O sensor de corrente (por exemplo, 11 ou 111) é capaz de ter uma impressão compacta que é menor do que muitos sensores de corrente comercialmente disponíveis. O sensor de corrente é bem adequado para superar certos esquemas sensores de sensores de corrente comercialmente disponíveis por uma ampla faixa de frequência (por exemplo, 0 Hz a 1000 Hz e além), uma faixa de corrente expansiva (por exemplo, 0 Amp a aproximadamente 500 Amps em raiz quadrada média (rms)) e uma grande faixa de temperatura (por exemplo, aproximadamente -40 graus Celsius a aproximadamente 125 graus Celsius).

[0089] A corrente nominal e a faixa de frequência de operação (por exemplo, aproximadamente 0 Hz a 1000 Hz (aproximadamente) e além) é facilmente escalonável, particularmente com o esquema mostrado na FIG.14. Por exemplo, o sensor de campo magnético 20 (por exemplo, sensor de efeito Hall) pode apresentar sensibilidade programável (por exemplo, medida em milivolts (mV)/Gauss). O indutor 18 (por exemplo, projeto de indutor baseado em substrato) pode envolver, circundar parcialmente ou circundar inteiramente o condutor 16, tipicamente sem requerer qualquer variação de diâmetro ou dimensão da abertura 903 no substrato 900 para suportar o indutor 18. Em uma configuração, o diâmetro da tomada fêmea 302 e do plugue 309 pode ser adaptado para corrente nominal além de 500 Amps em raiz quadrada média (rms). As configurações nesta invenção são bem adaptadas para suportar uma ampla faixa de operação de frequências de saída do inversor e uma faixa extensa de correntes medidas escoando através do condutor 16. Esse sensor de corrente (11 ou 111) não requer qualquer material de vedação tal como resina, silicone, polímero ou matriz polimérica; portanto, ele é adequado para armazenamento ou operação ambiente em temperatura de aproximadamente -55 graus Celsius e abaixo.

[0090] Em uma modalidade, o sensor conector de corrente elevada (11 ou 111) apresenta gestão térmica embutida quando o conector 302 ou a tomada fêmea são colocados e cavilhados nos terminais do módulo de potência porque a perda de calor no conector 302 é termicamente conduzida para o alojamento 304 ou seu dissipador térmico associado com o inversor (10). O conector de corrente elevada 302 ou tomada fêmea faz conexão usando uma porção conjugada 309, tal como um pino de corrente elevada inserido na tomada fêmea. Para conexão de baixa resistência (por exemplo, menos do que 50 microohms ou abaixo), o conector 302 ou tomada fêmea pode podem se estender com múltiplas fugas para fazer contato estreito com a porção conjugada 309 ou pino enquanto permite um número prodigioso de trajetos para a corrente que flui entre o conector 302 e a porção conjugada 309. A porção conjugada 309 ou pino são representados na FIG. 13 e FIG. 14; a extremidade não conjugada da porção conjugada 309 ou pino é enrugada com o condutor 16, tal como um cabo de corrente elevada para alimentar potência à carga que pode estar distante do inversor 10. Como ilustrado em algumas figuras, tais como a FIG. 14, o plugue 309 e a tomada fêmea 302 do conector formam a porção do condutor 16 onde o esquema sensor de corrente proposto reside na unidade de inversor 10.

[0091] Várias modalidades alternativas ou variações das modalidades acima podem cair dentro do escopo das reivindicações anexas. Em um exemplo, a estrutura de ferrite 958 ou núcleo toroidal para uso com o sensor de campo magnético 20 (por exemplo, elemento Hall) como concentrador de fluxo podem ser eliminados para sensibilidade aumentada e imunidade a ruído para campo magnético parasita. O núcleo toroidal eliminado é substituído por blindagem de metal para blindar contra campos magnéticos ou eletromagnéticos. Por exemplo, a blindagem de metal pode compreender uma tela de metal ou uma ou mais paredes de metal para montagem em torno de uma periferia do sensor de campo magnético 20 sobre o substrato para se projetar perpendicularmente a partir de uma superfície externa do substrato.

[0092] Em uma modalidade alternativa, enrolamentos do indutor 18 podem ser enrolados parcialmente ou inteiramente sobre um núcleo toroidal com entreferro, em vez disso de serem formados das trilhas condutivas e vias enterradas do substrato. Porém, enrolar mento o indutor 18 sobre o núcleo toroidal pode aumentar o custo da montagem e eleva a possibilidade de problemas de segurança associados com isolamento entre eletrônica de alta tensão e eletrônica de baixa tensão.

[0093] Em uma outra modalidade alternativa, os circuitos de filtragem podem ser substituídos por técnicas de filtragem digitais ou avançadas, onde os circuitos de filtragem são alojados em um grupo de portas programáveis em campo (por exemplo, FPGA), processador de sinal digital (por exemplo, DSP) ou um microprocessador. Isto vai aumentar a dependência de firmware necessário para implementar os esquemas sensores de corrente.

[0094] A FIG. 15 ilustra um fluxograma para uma modalidade de um método para sensorear corrente. O método da FIG. 15 começa na etapa S1400.

[0095] Na etapa S1400, um indutor 18 sensoreia um componente de sinal de corrente alternada de um sinal observado. A etapa S1400 pode ser realizada de acordo com várias técnicas, que podem ser aplicadas alternativamente ou cumulativamente.

[0096] Sob uma primeira técnica, o indutor 18 compreende um substrato, uma pluralidade de trilhas condutivas (por exemplo, trilhas condutivas enterradas) associadas a diferentes camadas do substrato e uma ou mais vias condutivas (por exemplo, vias enterradas) para interconectar a pluralidade de trilhas condutivas.

[0097] Sob uma segunda técnica, o indutor 18 é arranjado, orientado ou posicionado para estar próximo ou perto de um condutor que conecta uma saída de inversor de um inversor a um motor elétrico. Por exemplo, o condutor pode interceptar uma abertura 903 no substrato 900 ou um volume ou uma região central do indutor 18.

[0098] Sob uma terceira técnica, o indutor 18 é formado dispondo as trilhas condutivas nas diferentes camadas que são espaçadas entre si por intervenção de porções dielétricas de um substrato em que as trilhas condutivas são radialmente estendidas com respeito a um eixo geométrico central e são limitadas a ocupar uma área ou volume geralmente anular do substrato.

[0099] Na etapa S1402, um sensor de campo magnético 20 sensoreia um componente de sinal de corrente contínua do sinal observado. Em uma configuração, o sensor de campo magnético (por exemplo, sensor de efeito Hall), ou sua sonda, é arranjado, orientado ou posicionado para estar próximo ou perto de um condutor que conecta uma saída de inversor de um inversor a um motor elétrico.

[00100] Na etapa S1404, um primeiro circuito de filtragem 26 filtra o componente de sinal de corrente alternada com uma resposta de filtro passa- alta para fornecer um componente de sinal de corrente alternada filtrado. Em uma configuração, o primeiro circuito de filtragem 26 é montado ou feito por montagem de componentes eletrônicos sobre um ou mais lados do substrato em uma região para fora a partir de uma região anular ou volume anular do indutor para formar pelo menos um de um primeiro circuito de filtragem, um segundo circuito de filtragem e um circuito de fusão de sensor sobre o substrato.

[00101] Na etapa S1406, um segundo circuito de filtragem 28 filtra o componente de sinal de corrente contínua com uma resposta de filtro passa- baixa para fornecer um componente de sinal de corrente contínua filtrado. Em uma configuração, o segundo circuito de filtragem 28 é montado ou feito por montagem de componentes eletrônicos sobre um ou mais lados do substrato em uma região para fora a partir de uma região anular ou volume anular do indutor para formar pelo menos um de um primeiro circuito de filtragem, um segundo circuito de filtragem e um circuito de fusão de sensor sobre o substrato.

[00102] Na etapa S1408, um circuito de fusão de sensor 30 determina uma corrente sensoreada global combinando o componente de sinal de corrente alternada filtrado e o componente de sinal de corrente contínua filtrado. Por exemplo, o circuito de fusão de sensor 30 escalona um primeiro ganho do componente de sinal alternado filtrado e um segundo ganho do componente de sinal de corrente contínua filtrado para obter um fator de conversão entre corrente efetiva do sinal observado escoando através do condutor e a corrente sensoreada global. Em uma configuração, o circuito de fusão de sensor 30 é montado ou feito por montagem de componentes eletrônicos sobre um ou mais lados do substrato em uma região para fora a partir de uma região anular ou volume anular do indutor para formar pelo menos um de um primeiro circuito de filtragem, um segundo circuito de filtragem e um circuito de fusão de sensor sobre o substrato.

[00103] A FIG. 16 ilustra um fluxograma para uma modalidade de um método para sensorear corrente. O método da FIG. 16 começa na etapa S1401.

[00104] Na etapa S1401, um indutor 18 sensoreia um primeiro componente de sinal de corrente alternada de um sinal observado. Em uma modalidade, o indutor 18 compreende um substrato, uma pluralidade de trilhas condutivas associadas a diferentes camadas do substrato e uma ou mais vias condutivas para interconectar a pluralidade de trilhas condutivas.

[00105] Na etapa S1403, um sensor de campo magnético 20 sensoreia um componente de sinal de corrente contínua e um segundo componente de sinal alternado (por exemplo, um componente de sinal de frequência mais baixa) do sinal observado, onde o primeiro componente de sinal alternado é mais alto em frequência do que o segundo componente de sinal alternado.

[00106] Na etapa S1405, um primeiro circuito de filtragem 26 filtra o primeiro componente de sinal de corrente alternada com uma resposta de filtro passa-alta para fornecer um primeiro componente de sinal filtrado.

[00107] Na etapa S1407, um segundo circuito de filtragem 28 filtra o componente de sinal de corrente contínua e o segundo componente de sinal de corrente alternada com uma resposta de filtro passa-baixa para fornecer um segundo componente de sinal filtrado.

[00108] Na etapa S1409, um circuito de fusão de sensor 30 determina uma corrente sensoreada global combinando o primeiro componente de sinal filtrado e o segundo componente de sinal filtrado.

[00109] Em modalidades alternativas dos métodos acima, etapas adicionais podem ser acrescidas ao método da FIG. 15 ou FIG. 16, tal como s determinar uma variação de corrente versus tempo para o componente de sinal alternado ou estimar uma temperatura de um condutor para carregar o sinal observado.

[00110] Tendo descrito a modalidade preferida, vai ficar evidente que várias modificações podem feitas sem sair do escopo da invenção como definida nas reivindicações anexas. Por exemplo, uma ou mais de quaisquer reivindicações dependentes dadas neste documento podem ser combinadas com qualquer reivindicação independente para formar qualquer combinação de características dadas nas reivindicações anexas e tal combinação de características nas reivindicações é aqui embutida por referência no relatório descritivo deste documento.

Claims

1. Sensor de corrente, compreendendo:um indutor (18) para sensorear um componente de sinal de corrente alternada de um sinal observado, o indutor compreendendo um substrato de múltiplas camadas, uma pluralidade de trilhas condutivas associadas a diferentes camadas do substrato e uma ou mais vias condutivas para interconectar a pluralidade de trilhas condutivas;um sensor de campo magnético (20) para sensorear um componente de sinal de corrente contínua do sinal observado;caracterizado pelo fato de que compreende ainda:um primeiro circuito de filtragem (26) tendo uma resposta de filtro passa-alta, o primeiro circuito de filtragem (26) acoplado com o indutor (18) para fornecer um componente de sinal de corrente alternada filtrado;um segundo circuito de filtragem (28) tendo uma resposta de filtro passa-baixa, o segundo circuito de filtragem (28) acoplado com o sensor de campo magnético (20) para fornecer um componente de sinal de corrente contínua filtrado; eum circuito de fusão de sensor (30) para aceitar o componente de sinal de corrente alternada filtrado e o componente de sinal de corrente contínua filtrado e para determinar uma corrente sensoreada global combinando o componente de sinal de corrente alternada filtrado passa-alta e o componente de sinal de corrente contínua filtrado passa-baixa.

2. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:um detector de variação de corrente (24) para determinar uma variação de corrente versus tempo para o componente de sinal alternado.

3. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o indutor (18) e o sensor de campo magnético (20) são arranjados para estar próximos ou perto de um condutor (16) que conecta uma saída de inversor de um inversor (10, 110) a um motor elétrico (14, 114).

4. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o condutor (16) compreende uma barra coletora ou uma ou mais ligações de fio associadas a um semicondutor de potência dentro de um inversor.

5. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:um sensor de temperatura para estimar uma temperatura do condutor (16).

6. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de fusão de sensor (30) é adaptado para escalonar um primeiro ganho do componente de sinal alternado filtrado e um segundo ganho do componente de sinal de corrente contínua filtrado para obter um fator de conversão entre a corrente efetiva do sinal observado que flui através de um condutor (16) e a corrente sensoreada global.

7. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato compreende um painel de circuito e em que as vias condutivas compreendem vias enterradas.

8. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as trilhas condutivas são radialmente estendidas com respeito a um eixo geométrico central e em que as trilhas condutivas são arranjadas nas diferentes camadas que são espaçadas entre si por intervenção de porções dielétricas do substrato.

9. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as trilhas condutivas formam um indutor com pelo menos duas tomadas ou terminais, onde as trilhas condutivas de cada camada das camadas são confinadas a uma região geralmente anular sobre o substrato.

10. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sensor de campo magnético (20) compreende um sensor de efeito Hall programável ou pré-programado.

11. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sensor de campo magnético (20) é associado com uma estrutura de ferrite para atenuar campos eletromagnéticos parasitas que podem de outro modo resultar em distorções na medição do componente de corrente contínua.

12. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a estrutura de ferrite compreende um núcleo toroidal com um entreferro e em que o sensor de campo magnético (20) ou sua sonda é montado no entreferro.

13. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a estrutura de ferrite compreende membros de ferrite que são colocados sobre lados opostos do sensor de campo magnético (20) ou sua sonda, onde os membros de ferrite são alinhados em torno de um eixo geométrico comum.

14. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro circuito de filtragem (26), o segundo circuito de filtragem (28) e o circuito de fusão de sensor (30) são formados montando componentes eletrônicos sobre um ou mais lados do substrato em uma região fora de uma região anular ou volume anular do indutor (18).

15. Sensor de corrente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dentre o primeiro circuito de filtragem (26), o segundo circuito de filtragem (28) e o circuito de fusão de sensor (30) compreende um ou mais amplificadores operacionais e resistores que são interconectados mediante trilhas de circuito secundárias sobre o substrato.