CN102257394A

CN102257394A - 具有包括夹在电导体中间的磁导率层的场屏蔽布置的电流传感器

Info

Publication number: CN102257394A
Application number: CN2009801511800A
Authority: CN
Inventors: H.金策尔
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-11-23
Also published as: US7642768B1; EP2347271A4; EP2347271A2; WO2010048037A3; WO2010048037A2

Abstract

一种电流传感器包括磁场感测元件、被相互电耦合的第一包括导体的夹层结构和第二包括导体的夹层结构。磁场感测元件被插在第一和第二夹层结构之间。磁场感测元件可操作以接收由流过第一和第二导体夹层结构的电流引起的磁通线。第一和第二导体夹层结构每个包括：顶部部分，其包括至少第一电导体；底部部分，其包括至少第二电导体；和不同于第一和第二电导体的导磁材料层，其插在顶部部分与底部部分之间。导磁材料屏蔽（避开）杂散磁场使其不能到达磁场感测元件，但是不会可测量地影响由待测量的初级电流生成的磁场。

Description

具有包括夹在电导体中间的磁导率层的场屏蔽布置的电流传感器

技术领域

本发明一般地涉及基于磁场感测的电流传感器。

背景技术

常规的基于磁场的电流传感器通常包括磁场传感器、铁芯和放大器。铁芯围绕电导体，通常包括铜以便携载待测量的电流，待测量的电流导致在铁芯中生成磁场。磁场传感器被布置在铁芯中的间隙中。因此，由待测量的电流在铁芯中感生的磁场的场力线穿过磁场传感器。磁场传感器生成大体上与待测量的电流成比例的电输出信号，并且此信号被诸如运算放大器的放大器放大。

常规电流传感器中的铁芯主要提供两个功能。首先，通过磁场传感器来传送由待测量的电流感生的磁场，其次，对磁场传感器屏蔽已知将引起测量误差的无关电场和磁场。然而，铁芯的使用导致对于许多应用而言常常过于昂贵的传感器成本。

一些较低成本的电流传感器是已知的，其免除了对铁芯的需要。然而，此类传感器通常不提供足够准确的初级电流测量，其通常也不提供足够的线性（在作为初级电流流动的待测量的电流与到达磁性传感器的磁通量之间）。

例如，已知一些汽车电流感测应用要求电流的精确测量，诸如用于控制电子驱动系统中的电动机和相电流。基于直接在印刷电路板上测量电流的需要，还要求小的传感器尺寸。此外，在这些汽车应用及其它高容量应用中还要求低成本。所需要的是一种新的电流传感器设计，其提供改善的传感器性能而同时还提供低成本。

发明内容

提供本发明内容是为了遵守37 C.F.R.§1.73，提出简要地指示本发明的性质和实质的本发明的概要。本发明内容是在理解其将不会用来解释或限制权利要求的范围或意义的情况下提交的。

电流传感器包括磁场感测元件、被相互电耦合的第一包括导体的夹层结构和第二包括导体的夹层结构。磁场感测元件被插在第一和第二夹层结构之间。磁场感测元件可操作以接收由流过第一和第二导体夹层结构的电流引起的磁通线。

第一和第二包括导体的夹层结构每个包括：顶部部分，其包括至少第一电导体；底部部分，其包括至少第二电导体；和不同于第一和第二电导体的导磁材料层，其插在顶部部分与底部部分之间。导磁材料屏蔽（避开）杂散磁场使其不能到达磁场感测元件，但是不会可测量地影响由待测量的初级电流生成的磁场。

在本发明的另一实施例中，顶部部分包括第一多个电导体，其中，所述第一多个电导体在其长度的至少一部分上被相互电绝缘，并且所述底部部分包括第二多个电导体，其中，所述第二多个电导体在其长度的至少一部分上被相互电绝缘。

在本发明的另一实施例中，第一包括导体的夹层结构和第二包括导体的夹层结构被整体形成在一起并构造成U型。所述U型帮助使磁通聚集在第一包括导体的夹层结构与磁场感测元件在其中的第二导体之间的空气隙中。

控制系统包括根据本发明的实施例的电流传感器和控制器，所述控制器被耦合以接收电流感测信号并被可操作地耦合以控制至少一个系统。所述控制器可以包括用于汽车的电驱动系统控制器，诸如用于控制电子驱动系统的电动机和相电流中的至少一个。

附图说明

在仔细阅读以下详细说明以及附图时，将得到对于本发明及其特征和益处的更全面理解，在附图中：

图1A是根据本发明一个实施例的示例性电流传感器的简化图，示出了根据本发明实施例的被耦合结构相互电连接的第一导体夹层结构和第二导体夹层结构。

图1B是根据本发明一个实施例的示例性电流传感器的简化图，示出了根据本发明实施例的被整体地相互连接并构造成U型布置的第一导体夹层结构和第二导体夹层结构。

图2是根据本发明实施例的示例性电流传感器的简图，其包括被相互整体地连接并构造成U型的第一包括导体的夹层结构和第二包括导体的夹层结构，其中，顶部和底部部分每个包括在其长度上（除在各自端部处全部被一起短路之外）被相互电绝缘的多个电导体。

图3A示出根据本发明实施例的示例性导体夹层结构的截面图。

图3B示出根据本发明实施例的具有与图3A所示导体夹层结构相同的结构、但添加了被与导体夹层结构电绝缘的导电传感器屏蔽层的屏蔽导体夹层结构的截面图。

图4示出根据本发明另一实施例的具有重叠构造的示例性导体夹层布置的截面图，其中，第一导体夹层结构和第二导体夹层结构相互重叠。

图5A示出根据本发明实施例的感测印刷电路板上流动的电流的图1的电流传感器以及该传感器的简化截面图。

图5B是根据本发明另一实施例的被设计为专用集成电路（ASIC）的电流传感器IC的图，该电流传感器IC包括被耦合到放大器的霍尔效应或MR感测元件。

图6示出根据本发明实施例的用于电流传感器的简化组装顺序。

图7示出根据本发明实施例的基于图6所示的电流传感器由示例性电流传感器提供的B向量的模拟结果。

具体实施方式

参考附图来描述本发明，其中，遍及各图使用相同的附图标记来指示类似或等同元件。附图未按比例描绘，并且其仅仅是为了说明本发明而提供的。下面参考示例性应用来描述本发明的多个方面以便进行说明。应理解的是阐述许多特定细节、关系和方法是为了提供本发明的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将很容易认识到可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下实施本发明或用其它方法来实施本发明。在其它实例中，未详细地示出众所周知的结构或操作以避免使本发明模糊难懂。本发明不受动作或事件的所示排序的限制，因为一些动作可以按照不同的顺序和/或与其它动作或事件同时地发生。此外，并不要求所有所示动作或事件来实现根据本发明的方法。

图1A是根据本发明的一个实施例的示例性电流传感器100的简化图，其包括根据本发明实施例的被耦合结构125相互电连接的第一包括导体的夹层结构110和第二包括导体的夹层结构120。磁场感测元件11通常可以包括任何磁场测量技术，具有或没有耦合到其输出端的放大器。磁场感测元件11位于第一和第二导体夹层110和120之间。例如，磁场传感器11可以是霍尔效应感测元件或磁阻（MR）感测元件。MR感测元件可以包括巨磁阻（GMR）感测元件。MR感测元件通常适合于相对低的电流感测，而霍尔效应感测元件通常适合于相对更高水平的电流感测。已知MR感测元件与霍尔效应感测元件相比具有较高的灵敏度和动态范围。如果使用MR感测元件作为感测元件11，则可能需要如本领域中已知的那样修改其安装。所示的放大器31被耦合以接收并放大由磁场感测元件11提供的电输出信号。

耦合结构125将第一导体夹层结构110电耦合到第二导体夹层结构120，使得测量电流能够流动，被示为进入第一导体夹层结构110中的Iin和从第二导体夹层结构120出来的Iout。包括导体的夹层结构110和120每个包括顶部部分13a和底部部分13b，导磁材料层13c插在顶部部分13a和底部部分13b之间。

导磁材料13c通过引导杂散场远离磁感测元件11来保护磁场感测元件11不受外部（杂散）电场和磁场的影响。与常规电流传感器相比，此引导开通常导致明显更好的传感器性能（例如线性、准确度）。虽然被示为具有可比较的厚度，但导磁材料13c的厚度与顶层13a和底层13b的厚度相比通常薄了不止一个数量级。

在本发明的一个实施例中，对于25A的测量电流而言，顶层13a和底层13b的厚度两者通常为约1 mm。导磁材料13c的厚度通常为0.05至0.5 mm。已经发现0.1 mm厚的导磁材料层13c，与不具有导磁材料13c的结构相比，在阻挡杂散场方面存在约40倍的改善。对于可能经历相对高的杂散磁场或电场的应用而言，可以将导磁材料13c的厚度增加至几毫米以避免或至少减少饱和效应。

导磁材料13c可以由多种导磁材料制成。本文所使用的，术语“导磁材料”指的是在0.002 T和零频率下提供至少500 μN/A²的磁导率（μ）的材料。导磁材料13c通常为铁或铁合金。在一个实施例中，导磁材料13c包括Mu金属。Mu金属是具有非常高的磁导率（在0.002 T和零频率下约25000 μN/A²）的镍铁合金（75%镍、15%铁，加上铜和钼）。高磁导率层13c通常在屏蔽具有高达超过约200 kHz的频率的静态和时变磁场时是有效的。导磁材料13c还可以具有双金属构造，在这种情况下，可以将Mu金属与一种或多种金属（诸如铜）以10至约70 wt%的量进行组合。

所示的各导体夹层结构110和120将磁场屏蔽夹在中间并因此提供用于磁场感测元件11的磁场屏蔽。在图1A中示出了具有高度“H”（通常为1至10 mm）和长度尺寸“L”（通常>10 mm）的第一导体夹层结构110和第二导体夹层结构120。第一导体夹层结构110和第二导体夹层结构120被示出间隔开被示为“D”的距离，相对耦合结构125，其中，“D”通常约为几毫米的量级，诸如1至8 mm。

磁场感测元件11被示出居中地位于能够充当电流传感器100的外壳的各导体夹层结构110和120之间（约H/2、L/2且在D尺寸中间）。磁场感测元件11被示为竖直地定位，并因此沿着各导体夹层结构110和120的高度方向对准。第一包括导体的夹层结构110和第二包括导体的夹层结构120的高度H通常均为磁场感测元件11的高度的至少两倍。

与诸如铜的一些可用低成本非导磁材料的电导率相比，大多数高导磁材料通常提供较低的电导率。由于传感器100的夹层结构110、120的各导电部件被相对于导磁材料13c电并联，并且由于导电顶部和底部部分13a和13b的电导率与导磁材料13c相比明显更高，所以导电顶部和底部层13a和13b携载大部分测量电流。在本发明的一个实施例中，导电顶部和底部层13a和13b通常不包括任何导磁材料。通过消除对导磁材料13c提供高电导率和磁导率两者的需要，因此可以由相对低成本的、高度导电的一般非导磁材料（诸如铜）来携载由电流传感器100测量的电流。

在典型的实施例中，电流传感器100包括用于将磁场感测元件11固定于第一包括导体的夹层结构110和第二包括导体的夹层结构120的包括电介质的材料161。在一个实施例中，包括电介质的材料161可以包括用于罐装或安装磁场感测元件11的塑料模制件（plastic molding）。

图1B是根据本发明一个实施例的示例性电流传感器150的简化图，示出了根据本发明实施例的关于相互整体连接（即连续的部件，无连接器）并构造成U型结构125的第一导体夹层结构和第二导体夹层结构的细节。如传感器100的情况一样，磁场感测元件11被示出居中地位于U型结构125内以便改善屏蔽。更具体地，U型促使流过U型结构125的第一支腿190和第二支腿195的电流被在大体上U型的路径中引导，而不需要任何槽口，并且作为结果，由待测量的电流产生的磁场的场力线被引导通过磁场传感器11。

图2是根据本发明一个实施例的示例性电流传感器200的简化图，示出了关于包括被相互整体连接的第一支腿190和第二支腿195的U型结构225的细节。根据本发明的实施例，顶部13a和底部13b部分每个包括在其长度上被相互电绝缘（除在各自端部处全部被一起短路之外）的多个电导体171（对于顶部13a和底部13b部分，均示出13个电导体171）。电介质材料68在其长度上提供导体171之间的电绝缘。

电流传感器200接收被示为Iin的待测量的电流，短路结构66a在其输入端处使各电绝缘电导体171一起短路。类似地，短路结构66b在输出端处使电绝缘导体171一起短路以传递输出电流Iout。

本发明人已经发现由电流传感器200将多个电导体171用于顶部和底部部分13a和13b将产生明显更加均匀的电流分布，尤其是对于较高测量电流而言，以及当对于较高杂散场抗扰应用而言使得U型结构225的高度相对高时。在此类布置中，与从单个连续电导体形成的顶部或底部部分13a、13b相比，具有多个电导体171的根据本发明实施例的电流传感器导致更均匀的磁场。

在本实施例中，U型结构225可以包括以U型构造的带状电缆。带状电缆（也称为多线平面电缆）是具有在同一平坦的平面上相互平行地行进的多个导电导线的电缆。结果，所述电缆是宽且扁平的。

图3A示出根据本发明实施例的示例性导体夹层结构310的截面视图，其中，顶部和底部部分13a和13b每个包括多个电导体。

图3B示出包括与图3A所示导体夹层结构相同的结构、但添加了被与导体夹层结构电绝缘的导电传感器屏蔽层84的布置320。邻近于导体夹层结构310的外表面定位的屏蔽层84能够帮助防止到导体夹层结构310的电弧放电耦合，其可在一定的应用环境中发生，并导致测量误差或对电流传感器的损坏。屏蔽层84还可以提供针对电场的屏蔽。传感器屏蔽层84被示为与导体夹层结构310电绝缘，并且可以由包括铜和铝的导电材料形成，诸如以箔的形式。在一些应用中，可以将传感器屏蔽层84接地（未示出）。

图4示出根据本发明另一实施例的具有重叠构造的示例性导体夹层布置400的截面图，其中，第一导体夹层结构110和第二导体夹层结构120相互重叠。磁场感测元件11具有传感器高度，其中，第一包括导体的夹层结构110和第二包括导体的夹层结构120相互重叠以围绕磁场感测元件以提供对于磁性感测元件11的整个高度的360度的场屏蔽。该重叠构造减少了从各导体夹层110、120之间的另外未屏蔽部分进入的杂散场。所示的重叠布置因此提供针对外部杂散磁场的增强的抗扰性。

图5A示出根据本发明实施例的包括电流传感器10的电流传感器系统500，电流传感器10处于其应用之一中，测量由印刷电路板（PCB）20上的导线携载的电流。还提供了传感器10的简化截面图。虽然未示出，但电流传感器10通常被软焊到PCB 20并因此与待测量的一个或多个电流携载线串联地放置在PCB 20上。导体夹层结构110/120被示出经由导电端子21a和21b接触PCB 20上的电流携载线。在此布置中，电流传感器10与PCB 20的平面垂直地取向。可以经由端子22（对于霍尔效应传感器示出3个端子）来分接来自电流感测元件11的电数据信号（电压）以便进行进一步处理，诸如进行过滤和放大。

根据本发明的传感器还可以在诸如硅的集成电路衬底上形成，特别是对于较低电流感测而言，诸如几毫安至几安培（例如，高达25 A）。在本实施例中，支撑结构12包括具有半导体表面的集成电路衬底，诸如硅衬底。

将根据本发明的传感器制造为IC所具有的优点是，允许将整体形成的传感器安装在小封装（塑料浸芯）中并安装在PCB板上与板的平面平行，从而减小所需的余隙。图5B示出根据本发明实施例的电流传感器IC 60的图，其被设计为包括霍尔效应或MR感测元件11的专用集成电路（ASIC），所述霍尔效应或MR感测元件11被耦合到在公共衬底12上形成的放大器31并通常封装在诸如塑料封装的单个封装中。封装的引脚（未示出）被插入在PCB板20上提供的适当连接器中。待测量的系统电流被示出沿着导线34流动。来自放大器31的放大的传感器输出被耦合到控制器36。在一个实施例中，控制器36包括用于汽车的电驱动系统控制器，诸如用于控制汽车的电子驱动系统中的电动机和相电流中的至少一个。

最近的进步已经使得能够还添加ADC（模数）转换器和I²C（集成电路间通信协议）IC以便直接连接到微控制器的I/O端口，其也可以被整体形成到单个封装中。在另一实施例中，传感器IC可以包括霍尔效应传感器和基于MR的传感器，具有用于基于预定电流水平在各传感器之间切换的开关。在一个实施例中，基于MR的传感器可在较低电流下操作，而霍尔效应传感器可在较高电流下操作。还可以使用已知温度传感器电路（PTAT）来对传感器信号进行温度补偿。此外，IC还可以包括用于向远程监视位置传送已检测信号的无线发射机和芯片上的天线。

除上述示例性汽车应用之外，根据本发明实施例的电流传感器还具有其它应用。此类应用包括但不限于变频器中的电动机电流控制、伺服驱动中的相电流控制、用于电动机和功率半导体的过载保护、能量系统（例如风能）的控制、焊接设备中的电流控制和监视、开关模式电源中的电流调节、不可中断电源中的电流控制、机动车辆中的电池电流诊断、接地故障检测以及用于实验室测试设备。

示例

以下非限制性示例用于说明本发明的所选实施例。应认识到所示部件的元件的比例变化和替代对于本领域的技术人员来说将是明显的，并且在本发明的实施例的范围内。

图6示出根据本发明实施例的用于电流传感器600的简化组装顺序。诸如Mu金属箔的导磁材料610的箔层（例如，约0.1 mm厚）以U型弯曲并被插在也被弯曲成相同的大体U型的第一和第二带状电缆615和620之间以形成U型夹层结构（未示出）。可以使用粘贴或其它组装方式。U型夹层结构的面积通常是基于特定的应用，其通常限定待测量的电流。例如，在一个示例性实施例中，该面积可以是5至20 mm乘以5至20 mm。具有霍尔感测元件和相关联电子器件（通常包括放大器及其它ASIC）的PCB板625位于U型夹层结构内部，并且然后被固定到U型夹层结构，形成电流传感器600。

图7示出根据本发明实施例的与图1B所示类似的由基于单个铜布置的传感器600的示例性电流传感器提供的B向量的模拟结果。该模拟结果证明各导体夹层结构之间的非常线性的场。模拟还显示导体内部的实质为零的场。

虽然上文已经描述了本发明的各种实施例，但应理解的是其仅仅是以示例而不是限制的方式提出的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，依照本文的公开，可以对公开的实施例进行许多修改。因此，不应由任何上述实施例来限制本发明的宽度和范围。相反，应依照所附权利要求及其等同物来限定本发明的范围。

虽然已经相对于一个或多个实施方式说明并描述了本发明，但本领域的其它技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等同的变更和修改。另外，虽然已经仅相对于多个实施方式之一公开了本发明的特定特征，但可以将此类特征与其它实施方式的一个或多个其它特征组合，如对于任何给定或特定应用而言期望和有利的那样。

本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图限制本发明。除非上下文明确指明，本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”意图也包括复数形式。此外，对于已在具体实施方式和/或权利要求中使用术语“包含”、“具有”、“具备”、“带有”或其变体而言，此类术语意图以与术语“包括”类似的方式是包括性的。

除非另外定义，本文所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员一般理解的相同的意义。还应理解的是诸如由一般使用的词典所定义的那些术语应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的意义一致的意义，并且不应以理想化或过度形式化的意义来进行解释，除非本文明确地这样定义。

提供公开的摘要是为了遵守37 C.F.R. §1.72(b)，要求摘要将允许读者快速地确定技术公开的性质。摘要是在理解其将不会用来解释或限制所附权利要求的范围或意义的情况下提交的。

Claims

1.一种电流传感器，包括：

磁场感测元件；

被相互电耦合的第一包括导体的夹层结构和第二包括导体的夹层结构，其中，所述磁场感测元件被插在所述第一和第二夹层结构之间；

所述第一和所述第二包括导体的夹层结构每个包括：

顶部部分，其包括至少第一电导体；

底部部分，其包括至少第二电导体；以及

不同于所述第一和所述第二电导体的导磁材料层，其插在所述顶部部分与所述底部部分之间，其中

所述磁场感测元件可操作以接收由流过所述第一和所述第二导体夹层结构的电流引起的磁通线。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其中：

所述顶部部分包括第一多个电导体，所述第一多个电导体在其长度的至少一部分上被相互电绝缘；以及

所述底部部分包括第二多个电导体，所述第二多个电导体在其长度的至少一部分上被相互电绝缘。

3.如权利要求2所述的电流传感器，其中：

所述第一多个电导体在所述长度上被相互电绝缘，除在各自端部处全部被一起短路之外；以及

所述第二多个电导体在所述长度上被相互电绝缘，除在各自端部处全部被一起短路之外。

4.如权利要求2所述的电流传感器，还包括电介质材料，所述电介质材料插在所述第一多个电导体的相应一些之间并插在所述第二多个电导体的相应一些之间以便提供所述电绝缘。

5.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述第一导体夹层结构和所述第二导体夹层结构被相互形成为整体并构造成U型整体结构。

6.如权利要求5所述的电流传感器，其中，所述U型整体结构包括带状电缆。

7.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述第一电导体和所述第二电导体按重量计主要包括铜。

8.如权利要求7所述的电流传感器，其中，所述第一电导体和所述第二电导体按重量计基本上由所述铜组成。

9.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述导磁材料提供在0.002 T和零频率下至少1000 μN/A²的磁导率。

10.如权利要求9所述的电流传感器，其中，所述导磁材料包括铁镍铜合金。

11.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述磁场感测元件具有传感器高度，并且所述第一包括导体的夹层结构具有第一高度，所述第二包括导体的夹层结构具有第二高度，其中，所述第一高度和所述第二高度均是所述传感器高度的至少两倍。

12.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述磁场感测元件具有传感器高度并且所述第一包括导体的夹层结构和第二包括导体的夹层结构相互重叠以围绕所述磁场感测元件以提供用于整个传感器高度的360度的场屏蔽。

13.如权利要求1所述的电流传感器，还包括电介质材料，所述电介质材料用于将所述磁场感测元件固定于所述第一包括导体的夹层结构和所述第二包括导体的夹层结构。

14.如权利要求1所述的电流传感器，还包括支撑结构，所述磁场感测元件位于所述支撑结构上，其中，所述支撑结构包括具有半导体表面的衬底，所述电流传感器是在所述表面上整体形成的电流传感器。

15.如权利要求14所述的电流传感器，还包括放大器，所述放大器在所述表面上形成被耦合到所述磁场感测元件的输出端。

16.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述磁场传感器包括霍尔效应传感器。

17.如权利要求1所述的电流传感器，其中，所述磁场传感器包括基于磁阻的传感器。

18.一种包括具有系统电流的至少一个系统的受控系统，包括：

电流传感器，其用于提供表示接收到的所述系统电流的电流感测信号，并且包括磁场感测元件，

所述第一和所述第二包括导体的夹层结构每个包括：

顶部部分，其包括至少第一电导体；

底部部分，其包括至少第二电导体；以及

不同于所述第一和所述第二电导体的导磁材料层，其插在所述顶部部分与所述底部部分之间，

所述磁场传感器可操作以接收由流过所述第一和所述第二导体夹层结构的所述系统电流引起的磁通线，以及

控制器，其被耦合以接收所述电流感测信号并被可操作地耦合以控制所述系统。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述控制器包括用于汽车的电驱动系统控制器，所述控制器控制所述电子驱动系统中的电动机和相电流中的至少一个。

20.如权利要求18所述的系统，其中：

21.如权利要求18所述的系统，其中，所述第一导体夹层结构和所述第二导体夹层结构被相互形成为整体并构造成U型整体结构。