CN101625380A - 用于高电压环境的传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，包括用以连接至高电压导体的高电压侧(4)，用以连接至低电压电源和测量信号控制电路的低电压侧(6)、测量信号电路(16)、电源电路(14)、以及用于在低电压侧和高电压侧之间传输电气供电和/或测量信号的至少一个隔离变压器(18，20)。隔离变压器包括至少一个第一变压器芯部(28)和至少一个第二变压器芯部(28)、电路板上围绕着变压器芯部高电压侧分支(27)的变压器线圈(33)、电路板上围绕着变压器芯部低电压侧分支(29)的变压器线圈(32)，隔离变压器还包括环绕所述至少两个变压器芯部中的每一个的至少一个分支的中间线圈(36)。

Description

用于高电压环境的传感器

技术领域

本发明涉及用于在高电压环境中测量电气参数的传感器。

现有技术

现今有许多应用为了控制和驱动或者仅仅为了监视而需要对高电压环境中的诸如电压、电流、频率和功率之类的电气参数进行高度隔离却精确快速的测量。一个例子是铁路机车的电气驱动，所述铁路机车在约3000V的电压下被提供以电流。在这些应用之中，有许多应用需要将测量信号传送至低电压环境中的电子电路以供控制和/或显示之用。在某些应用中还希望由位于低电压环境中的电源来为传感器供电。功率和信号从高电压环境传输到低电压环境需要与最大可能电压差和适用标准相称的高电压电路和低电压电路之间的隔离，以避免爬电(electrical creep)和击穿。

欧洲专利申请1 659 413中描述了一种高电压应用传感器，其中测量信号通过光纤传送从高电压侧传送至低电压侧，而供电则通过隔离变压器系统传送。该隔离变压器包括由导体绕组互连的三个变压器芯部，其中导体绕组形成有安装在电路板上的U形端子，而电路板则具有互连U形端子各端的传导电路迹线用以闭合各绕组回路。虽然根据这一现有技术的传感器具有良好的隔离性能，但是仍希望简化传感器的构造以降低制造成本，增加隔离性能的相容性(consistency)，减少缺陷及故障零件数，同时提升传感器的可靠性。还希望在传感器的使用寿命期间确保其较高的性能以及较低的测量误差偏移。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，该传感器具有低电压电源和测量信号处理电路，其制造经济、精度高且安全可靠，在防爬电和击穿方面的性能尤为出众。

有利地，提供一种包含零件较少且易于装配的鲁棒的高电压传感器。

有利地，提供一种能够易于针对不同操作范围而配置和制造的高电压传感器。

本发明的各目的通过提供根据权利要求1的用于在高电压环境中测量电气参数的传感器而业已实现。

本文公开了一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，该传感器包括用以连接至高电压导体的高电压侧，用以连接至低电压电源和测量信号控制电路的低电压侧、测量信号电路、电源电路、以及用于将电气供电和/或测量信号从低电压侧传送到高电压侧或者从高电压侧传送到低电压侧的至少一个隔离变压器。隔离变压器至少包括第一变压器芯部和第二变压器芯部，电路板上围绕着变压器芯部高电压侧分支的变压器线圈、电路板上围绕着变压器芯部低电压侧分支的变压器线圈。隔离变压器还包括环绕着所述至少两个变压器芯部中每一个的至少一个分支的中间线圈。有利地，中间线圈可以形成为电路板中的一个或多个导电轨道。

电路板上设置有孔或切口(cut out)以使得变压器芯部分支能够从中穿过。

测量信号电路和电源电路各自优选地包括隔离变压器。有利地，测量信号电路隔离变压器的变压器芯部可以与电源电路隔离变压器的变压器芯部相同，从而减少要制造的不同零件的种类。变压器线圈可以通过改变电路板上形成的线圈的形状、长度、横截面和匝数而方便地适用于各类信号强度和频率。有利地，电路板内形成的线圈可以由该电路板多个层上的导电迹线形成。与线绕式芯部相比，在电路板内提供线圈还可以大幅降低线圈和变压器芯部之间的电容性耦合。这又能降低初级电路和次级电路之间的杂散电容。

优选地，在公共第一电路板上形成变压器线圈，而在与第一电路板分离的第二电路板上形成一个或多个中间线圈。然而，第一电路板也可以分成两个部分，一个用作高电压侧电路，一个用作低电压侧电路。载有中间线圈的第二电路板也可以分成两个不同的部分，一个用作测量信号电路，一个用作电源电路。第二电路板也可以集成在上述公共电路板内，但这会付出隔离减弱的代价。

在第一电路板和第二电路板上提供变压器线圈为具有期望的所需功率、开关频率和变换比的线圈最优性能设计提供了更大的通用性。电路板上的线圈还能够在降低制造和装配成本的同时，实现线圈相对于变压器芯部的精确定位，并且在高低电压电路部分之间相容地提供高度隔离。在本发明的范围内，还可以提供中间线圈作为不在电路板内的导体环路，例如作为冲压成型的导体或者作为导线环路导体。中间线圈可以具有串联或者并联连接的一匝或多匝。

有利地，变压器芯部可以具有实质上呈矩形的刚性铁氧体材料零件的形式。变压器芯部还可以由其他磁性材料(即，高磁导率材料)制成。优选地，至少两个变压器芯部完全相同。变压器芯部可以由第一U形部分和闭合该变压器芯部磁路的第二基本直条形部分构成。

有利地，用于固定变压器芯部的装置可以是导电的，且连接至相对应的参考电压。参考电压例如可以是接近高电压侧芯部的初级侧的地电压，接近低电压侧的两芯部的次级侧的地电压。如上所述，固定各芯部的电势将会降低高电压侧和低电压侧线圈之间相对于变压器芯部的电压差并会集中芯部和中间线圈之间的电压差，其能够更为方便的处理。

附图说明

本发明的其他目的和有利方面将从所附权利要求、以下的具体描述以及附图中变得显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的高电压传感器的框图；

图2是根据本发明一个实施例的高电压传感器的透视图，其中该传感器的盖和树脂填充物被移除；

图3是根据图2的高电压传感器的分解等角视图，其中该传感器的外壳也被移除；

图4a是用于根据本发明的传感器实施例的测量信号传输的隔离变压器的截面图；

图4b是类似于图4a的用于供电传输的隔离变压器的截面图；

图4c是包括了隔离变压器的中间线圈的电路板的一个实施例视图；

图5是根据另一个实施例的隔离变压器的分解等角视图；

图6是根据再一个实施例的隔离变压器的分解等角视图；以及

图7是根据再一个实施例的隔离变压器的分解等角视图。

具体实施方式

参见附图，特别是参见图1和图2，高电压传感器2包括高电压侧4和低电压侧6，其中高电压侧4(在此也被称为初级侧)连接至待测高电压(初级电压)下的导体，低电压侧6(在此也被称为次级侧)连接至低电压下用于供电和用于测量信号的导体或电路。初级侧设有用于与初级导体相连的连接端子8，次级侧6设有用于与电源线相连的端子10以及用于与测量信号线相连的端子12，其中测量信号线用于将测量信号传输至控制和/或显示单元。

传感器包括隔离电源电路14，该电源电路14包括次级侧14b、初级侧14a以及位于初级侧14a和次级侧14b之间的隔离变压器18，其中次级侧14b带有驱动器13以及用于与电源输入端子10相连的电压调节器11，初级侧14a则带有整流器、调节器和滤波器以及用于向高电压侧的电子电路供电的输出，而隔离变压器18则用于将功率从低电压侧传递至高电压侧。变压器18的低电压侧包括辅助调节绕组37，微控制器使用该绕组37以便通过改变开关频率来控制并调整初级电源电压。

传感器还包括测量信号电路16，该测量信号电路16包括初级侧16a、次级侧16b以及位于测量信号电路次级侧和初级侧之间的隔离变压器20，其中初级侧16a带有包括模数转换器的测量信号处理电路，次级侧16b则带有包括数模转换器的信号处理电路。将测量信号转换成数字信号以经由隔离变压器20传输至低电压侧，能够确保信号的可靠传输，因为数字信号对外部场扰动和噪声以及内部失真效应和在信号传输通过隔离变压器期间可能出现的噪声较不敏感。

在例示的实施例中，模数转换器包括用于调制测量信号的∑-Δ(sigma-delta)调制器17以及曼彻斯特(Manchester)编码器19。Δ-∑调制和曼彻斯特编码尤其适用于经隔离变压器的信号传输，并且其等待时间短、易于与解码器同步并对微扰(perturbation)鲁棒。但应注意到在本发明的范围内是可以使用本领域内已知的其他调制和编码方法的。在次级侧，测量信号处理电路16b包括将传送的信号整形成形(reshape)的差动接收器21，该信号随后被馈入解码器和数字滤波器23，然后到微控制器和数模(DA)转换器25。

微控制器25还生成经由次级侧14b上的驱动器13用于电源电路的隔离变压器18的调制信号。微控制器不仅用于处理测量信号还用于控制电源电路14。应用于变压器的频率根据辅助调节绕组37上测得的电压及温度改变，以调整初级侧上的整流电压。电源电路的电压调节器11还为微控制器以及测量信号电路在次级侧上的其他电路组件供电。

在示出的实施例中，微控制器和DA转换器输出的测量信号随后通过电压-电流转换器27被变换并提供至连接端子12。也可以具有其他类型的输出，诸如电压输出、脉宽调制(PWM)输出、数字输出或者其他已知的测量信号输出。

应该注意到虽然例示实施例的电路设计是优选实施例的一个示例，但是在次级侧上对测量信号的处理也可以取决于测量信号的期望输出类型而以本领域内已知的许多不同方式执行。

通过修改微控制器中编程的增益就能容易地使得传感器以最优的方式适用于相当不同的操作范围，而无需改变变压器芯部的设计以及外壳内电路板和变压器芯部零件的装配。

尤其参见图2和3，传感器2包括外壳22和主电路板24，其中主电路板(其后称为“第一”电路板)24上安装有用于电源电路和测量信号的电子组件。隔离变压器18和20各自包括一对传感器芯部28，次级侧上的变压器线圈30、32，初级侧上的变压器线圈31、33以及第二电路板26上的变压器中间线圈34、36。

第一电路板和第二电路板设有切口或孔46、47、48、50，以使变压器芯部的分支(branch)27、29能够穿过在第一电路板和第二电路板上形成的变压器线圈30、31、32、33、34、36。每个变压器线圈都可以取决于操作频率、信号强度和所需功率而被自由配置用以最优操作。每个线圈因而可能诸如在导电电路迹线的厚度和宽度、匝数、螺旋的路径和形状上具有不同的配置。电路板制造技术本身周知，线圈可以具有在电路板的多个层上的导电迹线，这在图4a和4b的示例中最佳地示出。匝数多的绕组会降低最大操作频率，有效横截面大的绕组则会增大传递的电流(即功率)。测量信号隔离变压器20的变压器线圈30还可以在第一电路板24的相对外表面设有屏蔽层35(如在图4a中最佳的示出)，从而减轻电容耦合信号引起的信号微扰。

注意到可以将主电路板分成两个或更多个电路板而不背离本发明的范围。还注意到可以将“第二”电路板分成两个或更多个电路板而不背离本发明的范围。因此，在本发明的范围内，供电隔离变压器18的变压器芯部可以安装/耦合至第一电路板、与第一电路板分离的第二电路板、以及测量信号隔离变压器20的变压器芯部安装其上/与之耦合的第二电路板。

电路板上变压器线圈的设置还消除了装配期间将变压器线圈电气互连至电路板的电子组件的需要。这一设置还能有利地实现变压器线圈和变压器芯部之间的精确定位和间隔，同时降低其间的电容耦合(与线绕式变压器相比)。

变压器芯部可以接地，或者与其值在初级导体电压和次级侧电压中间的参考电压相连，从而降低变压器芯部和变压器线圈之间爬电和/或击穿的风险。可以具有处于不同电平的两个不同电压，一个用于高电压侧变压器芯部18、20，一个则用于低电压侧变压器芯部18、20。参考电压可以借助各种手段连接至变压器芯部，其中在本实施例中例示的参考电压借助还用作将变压器芯部机械固定在其装配位置的导电夹38、40连接至变压器芯部。

每个变压器芯部优选地由两部分28a、28b、28a′、28b′、28a″、28b″、28a″′、28b″′组成，从而能够装配在电路板的任一侧24、26、24′、26′、24″、26″、24″′。在图3所示的实施例中，每个变压器芯部呈矩形，并且其一部分28a呈U形而另一部分则具有直条的形式用以闭合，即与U行部分28a的分支27、29的自由端互连。然而还可以提供其他形状和配置的变压器芯部，例如图6和7中所示的两个U行部分28a′、28b′、28a″′、28b″′，这两部分在由臂27′、29′、27″′、29″′的自由端所定义的界面处连接在一起。变压器芯部还可以呈椭圆形或其他形状。变压器芯部的所述两部分以及传感器的电路板可以以实质相同的方向装配到外壳一分离部分内以便于装配。

如图5所示，在不改变有关图3实施例讨论的工作原理的情况下，变压器芯部28′可以设有中央分支51(EE或者E-1芯部组合)。与图3的变体相比，“E”行变压器芯部部分28a″′、28b″′更好地屏蔽变压器线圈30″、32″、31″、33″和中间线圈34″、36″免受磁场和电场的影响(免疫性和敏感性)。它们还提供线圈之间更好的磁耦合。然而，初级对次级杂散电容将会增大并且初级和次级之间的隔离距离会变小，从而会降低最大隔离电压。

如图7最佳地示出，在本发明的一个变体中，变压器线圈30、32、31、33和中间线圈34″′、36″′可以设置在同一电路板，即主电路板24″′上，而非有关示出的其他实施例讨论的分离的电路板。

为了让变压器芯部定位并固定于电路板上，传感器可以设有与外壳22相分离或者整体形成的插入件(insert)50，该插入件50包括用于定位下部变压器芯部28b，28b′，28b″，28b″′的腔54、用于夹38、40的固定柱52、以及用于将该插入件固定至主电路板24，24′，24″，24″′的闭锁装置56。

Claims (16)

1.一种用于在高电压环境中测量电气参数的传感器，包括用以连接至高电压导体的高电压侧(4)、用以连接至低电压电源和测量信号控制电路的低电压侧(6)、测量信号电路(16)、电源电路(14)、以及用于在低电压侧和高电压侧之间传输电气供电和/或测量信号的至少一个隔离变压器(18，20)，其中所述隔离变压器包括至少一个第一变压器芯部和至少一个第二变压器芯部(28，28′，28″，28″′)、电路板上围绕着变压器芯部高电压侧分支(27，27′，27″，27″′)的变压器线圈(33，33′，33″，33″′)、电路板上围绕着变压器芯部低电压侧分支(29，29′，29″，29″′)的变压器线圈(32，32′，32″，32″′)，所述隔离变压器还包括环绕着所述至少两个变压器芯部的每一个的至少一个分支的中间线圈(34，36；34′，36′；34″，36″；34″′，36″′)。

2.如权利要求1所述的传感器，其中所述中间线圈在电路板上形成。

3.如权利要求2所述的传感器，其中所述变压器线圈在第一电路板上形成，并且所述中间线圈在与第一电路板分离的第二电路板上形成。

4.如权利要求3所述的传感器，其中所述第一和第二电路板设有孔或者切口(46，48)，以使得变压器芯部的分支能够从中穿过。

5.如权利要求1所述的传感器，其中每个变压器芯部由装配在一起的至少两部分制成。

6.如权利要求1所述的传感器，其中所述至少两个变压器芯部是相同的。

7.如权利要求1所述的传感器，其中所述变压器芯部具有实质上呈矩形的铁氧体材料部分的形式。

8.如权利要求1所述的传感器，其中每个变压器芯部包括U形部分以及闭合该变压器芯部的实质上直的第二部分。

9.如权利要求1所述的传感器，其中每个变压器芯部由第一U形部分和第二U形部分组成。

10.如权利要求1所述的传感器，其中每个变压器芯部包括至少一个E形部分。

11.如权利要求1所述的传感器，其中一个或多个变压器芯部电连接至高电压侧或者低电压侧中任一侧的参考电压。

12.如权利要求11所述的传感器，其中用于固定变压器芯部的装置是导电的并且连接至所述参考电压。

13.如权利要求1所述的传感器，其中在电路板内形成的线圈由电路板多个层上的电路迹线形成。

14.如权利要求1所述的传感器，其中电源电路包括用于将供电从低电压侧传输至高电压侧的第一所述隔离变压器，并且所述测量信号电路包括第二所述隔离变压器。

15.如权利要求1所述的传感器，其中测量信号电路包括位于高电压侧(4)的曼彻斯特编码器(19)。

16.如权利要求1所述的传感器，其中电源电路包括位于低电压侧(6)用于控制和/或调节电源电路电压的调节绕组(37)。

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