CN101627311B - 高带宽开环电流传感器 - Google Patents

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Abstract

用来测量在初级导体内流动的电流的开环电流传感器(1)，包含具有气隙(4)的磁路(3)，以及至少部分地定位在所述气隙内的磁场感测装置(5)。磁场感测装置包含电路板(7)，安装在电路板上的第一磁场检测器(8)、和第二磁场检测器(11)。第二磁场检测器包含形成在所述电路板上的导电线圈，第一磁场检测器和第二磁场检测器的输出信号被进行相适配以连接到产生代表该初级电流的输出信号的信号处理电路(6)。

Description

高带宽开环电流传感器
技术领域
本发明涉及一种开环电流传感器。
背景技术
开环电流传感器被广泛地用于测量初级导体中流动的电流。这种传感器典型地包含环绕所述初级导体的磁核，其包含在其中定位磁场检测器的气隙。
磁场检测器可以是霍耳效应传感器、磁阻磁场传感器、磁通门传感器或其他类型的磁场传感器。
用来测量初级导体中流动的电流的常规开环电流传感器通常具有由导磁材料制成、适于环绕初级导体的磁路，以及定位在磁路的气隙中的磁场传感器，该磁场传感器产生代表初级电流的输出信号。通常使用的磁场检测器是在ASIC中提供的霍耳效应传感器。由初级电流产生的磁通量被集中在磁路内，因而在气隙内的磁感应B与初级电流成比例。
霍耳单元提供与气隙中的磁感应成比例、并且从而与初级电流成比例的电压。霍耳单元的电压被处理和放大然后作为电流传感器的输出被提供。
与包含被驱动用来抵消由初级电流产生的磁场的补偿线圈的闭环电流传感器相比，开环传感器的优点是结构紧凑，要求更简单的电信号处理电路和更少功耗。开环传感器通常比闭环传感器具有更低的成本。
然而开环传感器的缺点是较慢的信号响应时间。这限制了这种传感器可以应用的频率范围，虽然操作频率范围有点依赖于信号处理电路的性能和磁路的质量。
由磁路引起的信号延迟取决于所使用的材料和电路的结构。涡流反抗磁通量的变化因而导致出现在气隙中的磁感应的延迟。通常用于由堆叠的叠片构造的磁路的铁磁材料(硅铁、镍铁)是相对较好的电导体，从而向涡流提供较少的电阻。铁酸盐材料由于它们低电导率而具有减小涡流的优点，但是迅速饱和且具有高的剩磁。
输出信号中的延迟也可能出现在用于处理信号的电路中，并且归因于集成电路(ASIC)安装和连接到其上的引线框内的涡流。
总而言之，开环传感器由于它们的成本低、电路简单、操作容易而被广泛地应用。开环传感器的缺点是对测量信号的响应时间的延迟。这个延迟来源于各种因素，在它们之中有磁路中的涡流、磁场传感器和信号处理电路中的延迟、以及连接到磁场传感器的引线框或其他电路或导体内的涡流。通过材料的仔细挑选以及磁路、信号处理电路的仔细设计，可以减小延迟时间，然而这种措施是昂贵的而且不能实现某些应用可以接受的响应时间。
一个需要具有特别快速的响应时间的电流传感器的这种应用是在电动机领域，尤其那些由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动的电动机。在电动机控制电路中存在的电流传感器的快速响应时间对于电动机故障的检测特别有用，或者对于控制具有高电流变化率(|di/dt|大)的带有低感应的电动机是特别有用的。这种传感器用于控制开关，例如在电动机故障时切断电源以避免损害的控制开关。
提供采用超过一个磁场检测器的电流传感器来产生所述输出信号是已知的，检测器工作在不同的频率范围上，例如高频范围和低频范围。后一种措施提高了电流传感器的可操作频率带宽。然而典型地，磁场检测器集成在单个元件内，其限制了使传感器易于适应将测量的具体环境和参数的能力。将具体应用考虑进感测参数的调整是昂贵的，因为它们需要元件的重新设计。而且，这种集成设备的灵敏度可能不足以精确测量由将被测量的电流所产生的弱磁场，或者相反地，在将被测量的信号的幅度方面受限制。具有大操作带宽的常规电流传感器通常具有在以期望精度进行测量的幅度范围方面受到限制的缺点。
发明内容
根据前述内容，本发明的目的在于提供具有快速响应时间并且经济的开环电流传感器。
有利地提供一种电流传感器，该电流传感器可以被容易地修改或配置以便实现与具体应用的期望的信号特征有关的最优操作。
有利地提供一种具有大电流幅度测量操作范围的电流传感器。
有利地提供一种紧凑的并且采用简单信号处理电路的电流传感器。
进一步有利地提供一种具有低功耗的电流传感器，特别是用于自激(autonomous)设备。
本发明的目的已经通过提供根据权利要求1的电流传感器来实现。
本文公开的是用来测量初级导体中流动的电流的开环电流传感器，其包含带有气隙的磁路、以及至少部分地定位在所述气隙中的磁场感测装置，所述磁场感测装置包含电路板、安装在电路板上的第一磁场检测器和第二磁场检测器，其中第二磁场检测器包含形成或设置在电路板上的导电线圈，第一磁场检测器和第二磁场检测器的输出信号适于连接到产生代表初级电流的输出信号的信号处理电路。
第一磁场检测器有利地可以是集成在集成电路芯片(ASIC)内的霍耳效应检测器，所述集成电路芯片(ASIC)安装到所述电路板上并且连接到电路板上的电迹线(electrical trace)。所述电路板有利地可以是印刷电路板。
导电线圈形式的第二磁场检测器可以有利地形成为印刷电路板上的导电轨迹。受益于也用于第一磁场检测器的连接的印刷电路板的存在，如果必要，这种结构允许线圈被容易地以低成本修改以适于不同应用。为了提高第二磁场检测器的测量灵敏度，可以将线圈提供在印刷电路板的相反两侧，或者在电路板的不同层上，在不同层上的线圈部分例如通过镀通孔互相连接。
电路板有利地可以包含其他的电气或电子元件以用于信号处理或预处理，特别是用于组合第一和第二磁场检测器的输出信号。
附图说明
通过权利要求、说明书和附图，本发明的进一步的有利的目的和特征将显而易见，其中：
图1是根据本发明的电流传感器的透视图(盖被取下)；
图2a是电流传感器的电路板的俯视图，其示出了第一磁场检测器安装在其上的面；
图2b是不带磁场检测器的电路板的俯视图；
图2c是相反面上的电路板的俯视图；
图3a是根据本发明的另一个实施方式的电路板的俯视图；
图3b和图3c是第二实施方式的安装面和相反面的俯视图；
图4是阐述第一和第二磁场检测器的输出信号和输入信号(被测的初级电流)的图表。
图5是根据本发明的电流传感器的实施方式的电路图。
具体实施方式
参考附图，尤其是图1，用来测量穿过传感器中心孔2的初级导体(未示出)中流动的电流的电流传感器1，包含带有气隙4的磁路3、以及至少部分地定位在气隙中的磁场感测装置5。磁路3可以如本领域所公知的由叠片的堆叠或实心结构的不同形状及尺寸以及不同导磁材料制成。如本领域公知的，磁路也可以分成两部分以允许围绕初级导体组装传感器。另外，如本领域公知的，初级导体部分可以集成到传感器中并且具有用来连接到初级导体的端子。
电流传感器可以配置第二气隙和至少部分地定位在所述第二气隙内的第二磁场感测装置。
磁场感测装置包含电路板7、安装在电路板上的第一磁场检测器8、第二磁场检测器11和信号预处理电路6。
信号预处理电路6设置在电路板7上并且连接到磁场检测器8、11。
参考图2a到2c，在优选实施方式中，霍耳效应传感器形式的第一磁场检测器8包括在具有例如通过焊接连接到电路板7上的电路迹线(circuit trace)9的连接端子10的集成电路(ASIC)中。然而第一磁场检测器也可以包含其他已知类型的磁场传感器，例如磁阻磁场传感器、或磁通门磁场传感器。
磁感测装置的第二磁场检测器11、11′包含作为电路迹线形成在电路板上的导电线圈12、12′。因此线圈可以通过用于在电路板上产生导电轨迹的常规技术形成在电路板上，从而受益于用于第一磁场检测器的连接和信号处理或预处理电路6的连接的电路板的存在。
为了提高线圈12、12′的灵敏度，所述线圈可以包含超过一个线圈部分，每个在电路板的不同表面上。在示出的实施方式中，第一线圈部分12a、12a′设置在安装面13a上，而第二线圈部分12b设置在相反面13b上，第二线圈部分12b通过导电镀通孔14连接到第一线圈部分12a。还可以提供穿过所述板的互连引脚或路径来使线圈部分互相连接。
在优选变形中，线圈部分是串联地连接在一起的。
从第一线圈部分延伸的线圈的第一末端16a经由电路板前侧面13a上的电路迹线直接与信号处理或预处理电路6互相连接。从第二线圈部分12b延伸的线圈的第二末端16b经由导电镀通孔15与电路板的安装面13a互相电连接。
优选地，如此配置线圈12以使得它定位在由界定气隙4的磁路3的表面所限定的周界17内。霍耳效应传感器8优选地也完全定位在周界17内。
例如，可以在多层PCB的不同层上具有附加线圈部分以便提高检测灵敏度。
在图2a-c的实施方式中，线圈12环绕没有金属的中心区域18以便于减小涡流，在某些操作环境下，该涡流可能以高的di/dt值增加信号响应的延迟。为了同样目的将导电互连14设置在磁路周界17的外侧。
在图3a-3c中所示的可替换实施方式中，可以通过主要设置在线圈部分中心的导电镀通孔14′将线圈部分12a′、12b′互相连接。
参考图5，示出了磁场感测装置和信号预处理电路的简化图。线圈12串联连接到第一磁场传感器8的输出端子10a。滤波器R1，C2连接到线圈的输出端16b，以使第一磁场传感器的信号与第二磁场传感器的信号相适合。所述传感器包含输出端子18b、电压为VCC的电源端子18c、和接地端子18a。
参考图4，示出了说明由初级电流产生的输入信号和霍耳效应传感器8及线圈12的输出信号的图表。信号S1指示测量在磁路的气隙中的磁感应的霍耳效应传感器的输出电压。信号S线圈是在气隙中的磁感应的变化期间由线圈所产生的电压。这个电压与初级导体中的电流成比例，信号大小取决于线圈的匝数和线圈的表面积。
信号S2是信号S1与S线圈的和。
在初级电流的快速上升期间，例如在发生电动机故障或短路之后的电流浪涌，线圈的输出信号可以被分解成三个典型阶段：
在阶段1期间，初级电流的二阶导数大于0(d2i/dt2＞0)，其意味着线圈的信号在增大；
在阶段2期间，初级电流的二阶导数基本上等于0(d2i/dt2≈0)，其意味着来自于线圈的信号是常数；
在阶段3期间，初级电流的二阶导数小于0(d2i/dt2＜0)，由此线圈的信号在减小。
信号S3表示滤波之后的信号S2。该滤波器使来自于线圈的信号S线圈与来自于ASIC的信号S1相适配并组合以获得输出信号S3，其是与初级电流Ip同相的，正如图6所示。
在所示的例子中，输出信号和来自于被测量的初级电流的输入信号因此以比一微秒还小得多的响应延迟而基本重叠。

Claims (12)

1.用来测量初级导体内流动的电流的开环电流传感器，其包含具有气隙的磁路，以及磁场感测装置，所述磁场感测装置包含电路板、安装在电路板上并且至少部分地定位在所述气隙内的第一磁场检测器、和也至少部分地定位在所述气隙内的第二磁场检测器，其中，第二磁场检测器包含形成在电路板上的导电线圈，第一磁场检测器和第二磁场检测器的输出信号被适配以连接到信号处理电路，该信号处理电路基于第一和第二磁场检测器的输出信号的组合产生代表初级电流的输出信号。
2.根据权利要求1的传感器，其中第一磁场检测器是集成在集成电路芯片(ASIC)内的霍耳效应检测器，该集成电路芯片安装到电路板上并且连接到电路板上的电迹线。
3.根据权利要求1的传感器，其中电路板是印刷电路板。
4.根据权利要求3的传感器，其中第二磁场检测器的导电线圈被形成为印刷电路板上的导电轨迹。
5.根据权利要求1的传感器，其中第二磁场检测器的线圈低包含多个线圈部分(12a，12b)，每个线圈部分在电路板的不同层或表面上。
6.根据权利要求5的传感器，其中在电路板的相反侧面上没置线圈部分。
7.根据权利要求5或6的传感器，其中线圈部分经由导电通孔互相连接。
8.根据权利要求5或6的传感器，其中线圈部分串联连接。
9.根据权利要求1的传感器，进一步包含位于电路板上的信号处理或预处理电路，用于组合第一和第二磁场检测器的输出信号。
10.根据权利要求1的传感器，其中第二磁场检测器的线圈基本上完全定位在由界定气隙的磁路的表面所限定的周界内。
11.根据权利要求1的传感器，其中第一磁场检测器基本上完全定位在由界定气隙的磁路的表面所限定的周界内。
12.根据权利要求1的传感器，其中第二磁场检测器串联地连接到第一磁场检测器的输出端。 
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