CN100501420C - Ac电流传感器及方法和使用该ac电流传感器的电源设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种使用三端双向可控硅开关的AC电流传感器及其方法。所述的电流传感器包括连接在AC电流流过的多个导体之间的三端双向可控硅开关，用于感测施加在三端双向可控硅开关T1和T2端之间电压的电压感测单元，以及用于利用三端双向可控硅开关的电流电压特性将从电压感测单元输入的电压值转换成电流值的控制单元。由于AC电流传感器使用了三端双向可控硅开关，它能够有小的尺寸并具有使生产成本降低的简单的电路结构。

Description

AC电流传感器及方法和使用该AC电流传感器的电源设备

技术领域

本发明涉及一种AC(交流)电流传感器，尤其涉及一种使用三端双向可控硅开关(triac)的AC电流传感器及其方法。

背景技术

传统的AC电流传感器使用电流互感器、霍尔传感器、电阻等感测AC电流。

使用电流互感器的常规AC电流传感器围绕AC电流流过的导体设置有一个环形的磁芯，并且初级和次级线圈盘绕在该芯子上。这个AC电流传感器通过测量流经次级线圈的电流来感测初级电流。然而，由于这种类型的传感器需要磁芯、初级和次级电路、绝缘材料等，因此增加了该传感器的尺寸和生产成本。同时，由于从次级线圈测量到的电流值非常小，所以需要一个单独的放大器。同时，由于芯子的饱和特性，它的测量范围过于狭窄，并且次级输出具有非线性。

使用霍尔传感器的常规传感器具有一个霍尔元件，该霍尔元件设置在AC电流流过的导体所形成的磁场中，并且该常规传感器通过测量霍尔电压来感测磁场强度，即，流经导体的电流。这种类型的传感器的缺点在于：霍尔元件具有较高的温度依赖性并且相对较贵。同时，由于从霍尔元件测量到的电压的电平非常低，所以需要一个单独的放大器，从而使电路结构变得复杂。

同时，使用电阻的常规传感器具有一个感测电阻(sense resistor)，该感测电阻串联在AC电流流过的导体之间，并且该常规传感器操作以读取施加到感测电阻上的电压并将感测到的电压转换为电流。然而，这种类型的传感器的缺点在于：由于感测电阻的发热而出现误差，并且所测量到的电流和输出信号之间的绝缘性并不可靠而使得会对系统造成致命的损害。另外，由于感测电阻的电阻值非常小，所以需要一个单独的放大器。

发明内容

本发明致力于一种使用三端双向可控硅开关的AC电流传感器及其方法，该传感器和方法充分地消除了由于有关技术的局限和缺点而产生的一个或者多个问题。

本发明的一个目的是提供一种使用三端双向可控硅开关的AC电流传感器及其方法，该传感器有小的尺寸、具有使生产成本降低的简单的电路结构，并且能够进行AC电流的准确测量。

根据本发明的目的，为了实现这个目标和其他优点，如同这里所实施和广泛描述的那样，提供了一种AC电流传感器，包括：在AC电流流过的导体之间连接的三端双向可控硅开关；用于感测施加在三端双向可控硅开关T1和T2端之间电压的电压感测单元；以及用于利用三端双向可控硅开关的电流电压特性将从电压感测单元输入的电压值转换成电流值的控制单元。

控制单元最好可以通过向三端双向可控硅开关的栅极提供特定电流来保持三端双向可控硅开关接通。

AC电流传感器最好还包括存储器，来存储包括至少2个温度条件下的三端双向可控硅开关的电压电流特性数据的电压电流查找表，其中控制单元利用电压电流查找表来将从电压感测单元输入的电压值转换成电流值。

AC电流传感器最好还包括温度传感器，用于感测三端双向可控硅开关的温度并将感测到的温度数据发送给控制单元，其中控制单元接收感测到的温度数据并校正转换后的电流值。这里，电流值的校正是使用线性内插的方法进行的。

AC电流传感器最好还包括信号处理单元，用于从电压感测单元输入的模拟电压信号中去除DC(直流)分量，将该模拟电压信号转换为数字电压信号并向控制单元输出该数字电压信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种使用三端双向可控硅开关的AC电流感测方法，包括步骤：(a)将三端双向可控硅开关连接在AC电流流过的导体之间，(b)通过向三端双向可控硅开关的栅极施加特定电流使三端双向可控硅开关保持接通，(c)感测施加在三端双向可控硅开关T1和T2端的电压，(d)利用三端双向可控硅开关的电流电压特性将感测到的电压转换成电流值。

步骤(d)最好利用包括至少两种温度条件下的三端双向可控硅开关的电压电流特性数据的电压电流查找表。

AC电流感测方法最好还包括步骤：(e)感测三端双向可控硅开关的温度，以及(f)利用感测到的温度数据校正步骤(d)中转换的电流值。这里，步骤(f)中的电流值的校正是使用线性内插来进行的。

由于根据本发明的AC电流传感器使用了三端双向可控硅开关，它可以被小型化并降低生产成本，并且因为不需要放大器，它的电路结构也能够得到简化。

本发明的其他的优点、目的以及特征将在下面的描述部分进行阐述，并且对于本领域技术人员，通过对下面的检查将会变得清楚或者可以从本发明的实施中得到了解。本发明的目的和其他优点将通过书面描述和权利要求以及附图所特别指出的结构来实现和达到。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行描述，本发明的上述目的、其他特性和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示意性地说明根据本发明的优选实施例的AC电流传感器的结构的方框图；

图2是说明三端双向可控硅开关在接通状态时的电流电压特性的图表；

图3是说明三端双向可控硅开关在接通状态时的温度电流特性的图表；

图4是说明根据本发明的优选实施例的电压电流查找表的图；以及

图5是说明根据本发明的优选实施例的AC电流传感器的操作过程的流程图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细描述根据本发明的优选实施例的用于分配数字内容的系统及其方法。

图1是示意性地说明根据本发明的优选实施例的AC电流传感器结构的方框图。

参照图1，AC电流传感器100包括三端双向可控硅开关10，电压感测单元12，信号处理单元14，控制单元16，温度传感器18以及存储器20。

在详细说明AC电流传感器100之前，将简要说明三端双向可控硅开关10的操作特性。

三端双向可控硅开关10是一个双向开关半导体器件，即，双向三端闸流管，如果超过预定量的电流被施加在它的栅极上，则该三端双向可控硅开关10接通以连接两个端T1和T2。以下，三端双向可控硅开关的电压电流特性将参照图2和图3进行说明。

图2是说明三端双向可控硅开关在接通状态时的电流电压特性的图表。如图2所示，电流随着施加在三端双向可控硅开关T1端和T2端之间的电压的增长而成比例地线性升高。此外，可以看出，根据施加的电压的电流值还根据三端双向可控硅开关的温度改变而改变。

图3是说明三端双向可控硅开关在接通状态时的温度电流特性的图表。如图3所示，电流随着三端双向可控硅开关温度的增高而成比例地线性升高。

因此，可以看出，三端双向可控硅开关的电流根据电压和温度的改变而线性改变。

现在将说明根据本发明的AC电流传感器100。首先，三端双向可控硅开关10连接到AC电流流经的多个导体1之间。在这种情况下，最好导体的正极(+)和负极(-)分别与三端双向可控硅开关的T2端和T1端相连。同时，三端双向可控硅开关的栅极G与控制单元16相连，该控制单元16向三端双向可控硅开关的栅极施加特定的电流值以使三端双向可控硅开关保持接通。

电压感测单元12感测施加在三端双向可控硅开关10的T1端和T2端之间的电压。信号处理单元14从输入给电压感测单元12的模拟电压信号中去除DC分量，将该模拟电压信号转换为数字信号，并将该数字电压信号发送给控制单元16。

控制单元16控制AC电流传感器100的各个组成部分的操作，并且温度传感器18感测三端双向可控硅开关10的温度并将感测到的温度发送给控制单元16。存储器存储稍后说明的电压电流查找表。另外，控制单元16使用从信号处理单元14输入的数字电压信号、从温度传感器18输入的温度数据以及存储在存储器20中的电压电流查找表，来确定输出电流值Io。

图4是说明根据本发明的优选实施例的电压电流查找表的图。

参照图4，在三端双向可控硅开关10的温度分别是-40℃，20℃和80℃的条件下，显示了对应于三端双向可控硅开关10的电压值的电流值。在本发明的实施例中，基于图2所示的电流电压特性曲线，准备了图4所示的电压电流查找表。

控制单元16基于电压电流查找表、从信号处理单元14输入的电压数据以及从温度传感器18输入的温度数据，来确定输出电流Io。

在这种情况下，如果输入电压数据或温度数据与电压电流查找表中的数据集不一致，则控制单元按照线性内插来确定输出电流Io。如上所述，由于在三端双向可控硅开关接通的状态下，三端双向可控硅开关的电流相对电压和温度有线性关系，使用线性内插来确定输出电流Io期间产生的误差非常微小，可以忽略不计。

下面将更加详细地说明使用线性内插的输出电流的确定。

假设输出电流是电压V和温度T的函数I(V，T)，如果三端双向可控硅开关的温度T是T＝T₀并且电压V是V₀和V₁之间的值，那么可以使用下面的方程来计算输出电流I(V，T₀)。

[方程1]

$I(V,T_0)=I\left(V\right)=I\left(V_0\right)+\frac{I\left(V_1\right)-I\left(V_0\right)}{V_1-V_0}(V-V_0)$

这里，I(V₀)和I(V₁)是I(V₀，T₀)和I(V₁，T₀)的简化表示，并且V₀，V₁，I(V₀，T₀)和I(V₁，T₀)是电压电流查找表中的数据集。

类似地，如果电压值V是V＝V₀，温度值T是T₀和T₁之间的值，那么可以使用下面的方程来计算输出电流I(V₀，T)。

[方程2]

$I(V_0,T)=I\left(T\right)=I\left(T_0\right)+\frac{I\left(T_1\right)-I\left(T_0\right)}{T_1-T_0}(T-T_0)$

这里，I(T₀)，I(T₁)是I(V₀，T₀)和I(V₀，T₁)的简化表示，并且V₀，V₁，I(V₀，T₀)和I(V₀，T₁)是电压电流查找表中的数据集。

以下，将详细说明如上述结构的AC电流传感器100的操作。

图5是说明根据本发明的优选实施例的AC电流传感器的操作过程的流程图。

参照图5，当三端双向可控硅开关连接在AC电流流过的导体之间以后，对施加在三端双向可控硅开关T1端和T2端之间的电压在三端双向可控硅开关接通的状态下进行感测(步骤10)。然后，从感测到的模拟AC电压信号中去除DC分量(步骤12)。然后，去除了DC分量的模拟AC电压信号转换为数字电压信号(步骤14)。然后，使用电压电流查找表将该电压值转换为电流值(步骤16)。此时，温度数据被设为特定值(例如，20℃)。同时，如果输入的数字电压信号的电压值与电压电流查找表中设置的电压值不一致，则使用方程1所表示的线性内插方法来确定电流值。

其后，对三端双向可控硅开关的温度进行感测(步骤18)，并且基于感测的温度数据，对在步骤16转换的电流值进行校正(步骤20)。即：对步骤16所使用的特定温度(例如，20℃)和三端双向可控硅开关的实际温度之间的差异所引起的电流值的偏差进行补偿。在这种情况下，电流值的偏差补偿可以使用方程2所表示的线性内插来进行。然后，输出该校正的电流值以完成AC电流感测过程。

如上所述，根据本发明，根据本发明的AC电流传感器使用了三端双向可控硅开关，并且因此能够小型化和降低生产成本。另外，根据本发明的AC电流传感器使用了线性电流电压特性，并且与常规传感器相比其感测的电流值的强度较大，因此不需要单独的放大器。

前述的实施例只是示例性的，并不能理解成限制本发明的。本方法可以轻易地应用到其他类型的装置上。本发明的描述是说明性的，并不限制权利要求的范围。许多替换、修改和变化对于本领域的技术人员来说是显然的。

Claims (11)

1、一种AC电流传感器，包括：

连接在AC电流流经的导体之间的三端双向可控硅开关；

电压感测单元，用于感测当所述三端双向可控硅开关处于接通状态时施加在所述三端双向可控硅开关第一终端(T1)和第二终端(T2)之间的电压；以及

控制单元，用于利用所述三端双向可控硅开关的电流电压特性，将从所述电压感测单元输入的电压值转换为电流值。

2、根据权利要求1所述的AC电流传感器，其中，所述控制单元通过向所述三端双向可控硅开关的栅极施加特定的电流，使所述三端双向可控硅开关保持在所述接通状态。

3、根据权利要求1所述的AC电流传感器，还包括存储器，包含至少2个温度条件下的所述三端双向可控硅开关的电压电流特性数据的电压电流查找表被存储在该存储器中；

其中，所述控制单元利用所述电压电流查找表将从所述电压感测单元输入的电压值转换为电流值。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的AC电流传感器，还包括温度传感器，用于感测所述三端双向可控硅开关的温度并将感测到的温度数据发送到所述控制单元；

其中，所述控制单元接收所述感测到的温度数据并校正所述转换后的电流值。

5、根据权利要求4所述的AC电流传感器，其中，所述电流值的校正使用线性内插来进行。

6、根据权利要求1所述的AC电流传感器，还包括信号处理单元，用于从所述电压感测单元输入的模拟电压信号中去除DC分量，将该模拟电压信号转换为数字电压信号并向所述控制单元输出该数字电压信号。

7、一种电源设备，包括权利要求1至6中任一项所描述的AC电流传感器。

8、一种使用三端双向可控硅开关的AC电流感测方法，包括步骤：

(a)将所述三端双向可控硅开关连接在AC电流流过的多个导体之间；

(b)通过向所述三端双向可控硅开关的栅极施加特定的电流使所述三端双向可控硅开关保持接通；

(c)感测施加在所述三端双向可控硅开关的第一终端(T1)和第二终端(T2)之间的电压；

(d)利用所述三端双向可控硅开关的电流电压特性将所述感测到的电压值转换为电流值。

9、根据权利要求8所述的AC电流感测方法，其中，所述步骤(d)使用了包括至少2种温度条件下的所述三端双向可控硅开关的所述电压电流特性数据的电压电流查找表。

10、根据权利要求8所述的AC电流感测方法，还包括步骤：

(e)感测所述三端双向可控硅开关的温度，以及

(f)使用所述感测的温度数据校正所述步骤(d)中转换的所述电流值。

11、根据权利要求9所述的AC电流感测方法，其中，使用线性内插来对所述步骤(f)中的所述电流值进行校正。

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