CN103376350A

CN103376350A - 一种铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器

Info

Publication number: CN103376350A
Application number: CN2013102816255A
Authority: CN
Inventors: 金隐华; 吴非逸
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-07-07
Filing date: 2013-07-07
Publication date: 2013-10-30

Abstract

本发明公开了一种铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器，它包括铁环和线圈，所述线圈绕在实芯铁环上；本发明铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器结构简单、成本低、安装方便、被测电流线不产生压降、与被测电流线完全隔离、输出电压幅度大、无需供电驱动，在开关型控制高频大电流领域有广阔的应用推广前景。

Description

一种铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电流传感器（交流互感器），尤其涉及一种开关型控制高频脉冲强电流传感器。

背景技术

线切割无阻脉冲电源、电动车调速、大功率开关电源、大功率车辆充电器、高频电焊机等高频强电设备中，都需要连续传感高频开关脉冲的电流强度。特别是线切割无阻脉冲电源要实现高质量的切割效果，必须对每一个高频放电脉冲的电流强度进行采样，供单片机（MCU微控制器）作出脉宽或脉冲间隔调整。然而常规的交流互感器仅适用于50Hz工频电流检测。事实上电流互感器（包括著名的Rogowski线圈）反应的是电流的变化率（dI/dt），不是电流峰值或有效值。若用它来传感开关型控制脉冲电流时，得到的主要成份是幅度很大的陡直尖脉冲，幅度大小同开关矩形脉冲的上升陡直度高度相关，而并非仅取决于脉冲电流强度。因此要传感开关型控制脉冲电流时，目前的实用方法一是经典的串电流采样电阻，该方法随着电流增大，功耗极大，要加散热器，安装复杂，当要求光耦隔离时问题尤为严重，一般仅用于10A以下的应用；实用方法二是检测开关管（IGBT）的饱和压降，由于开关管的导通状态并非理想的电阻，其线性极差，仅在大电流极限状态才引起饱和压降明显变大，因此该方法主要用于限流保护；实用方法三是用霍尔电流传感器，目前性能最好的是闭环磁平衡霍尔电流传感器，它能准确检测高频脉冲的波形，从几安到上百安培，被测电流线只需穿过霍尔电流传感器的磁环即可。但它也有缺点：成本高、体积大、要另加电源、运放驱动。

本发明从抑制交流互感器的传感开关型控制脉冲电流的陡直干扰（具体说是在功率管导通或截止时出现的大幅陡直干扰电压）为核心，寻找低成本、简单的技术方案。并注意到传感这种开关型控制脉冲电流只要获得能正比于其有效值的输出波形即可，并不需要象闭环磁平衡霍尔电流传感器那样输出同高频脉冲一样的波形。纵观为互感高频电流，技术发展方向是：硅钢片叠合->铁氧体磁芯->空心线圈，为的是减少高频涡流损耗。而本发明正好相反，以抑制高频干扰为核心，要求对高频要有最大的涡流损耗，因此选用实芯铁环，显著地减小了铁环线圈输出幅度同开关矩形脉冲上升陡直度的相关性。

发明内容

本发明的目的是针对现有磁环线圈电流传感器对传感高频开关型控制脉冲电流的不足，提供一种铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器，它包括铁环和线圈，所述铁环是磁矫顽力小的实芯铁环，所述线圈绕在铁环上。

进一步地，所述铁环由U型实芯铁块和实芯铁闭合块组成，线圈绕在U型实芯铁块的底部。

进一步地，所述铁环由U型实芯铁块和实芯铁闭合块组成，线圈绕在实芯铁闭合块上。

本发明的有益效果是：铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器结构简单、成本低、安装方便、被测电流线不产生压降、与被测电流线完全隔离、输出电压幅度大、无需供电驱动，在开关型控制高频大电流领域有广阔的应用推广前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明铁环线圈与已有磁环线圈电流传感器的效果对比图；其中，A是脉宽为20μS、幅值为10A的矩形脉冲电流波形，B是本发明铁环线圈电流传感器的输出波形，C是高频磁环线圈电流传感器的输出波形，D是普通磁环线圈电流传感器的输出波形；

图中，铁环1、线圈2、U型实芯铁块3、实芯铁闭合块4。

具体实施方式

本发明的实质是用实芯铁环替代已有磁环线圈电流传感器（又叫交流互感器）中的磁环，使之能用于传感开关型控制高频大电流，具体效果如图4所示。其中A是脉宽为20μS、幅值为10A的矩形脉冲电流波形，当以这样的被测电流导线穿过几种典型电流互感器所感应出的电压波形进行对照。其中D是普通磁环线圈电流传感器（即磁环线圈交流互感器）的输出波形，它因磁环受强脉冲电流饱和，仅对脉冲上升沿陡直度有响应，已不反应电流大小（甚至相反）；其中C是高频磁环线圈电流传感器的输出波形，从表面看它能用作高频开关电流传感器，除线性不够好外，主要的问题是对脉冲上升沿陡直度太敏感，导致对不同的感性负载（通常是高频变压器）引起的上升沿陡直度不同使输出幅度明显差异。对脉冲上升沿陡直度太敏感的另一问题就是在高频开关导通或截止时有明显的毛刺干扰。其中的B就是本发明铁环线圈电流传感器的输出波形，直观上看，它相对C更为饱满，也就是说对脉冲上升沿陡直度的敏感度降低了，其幅度的积分面积对反映脉冲电流有效值的线性指标更好了。特别是在输出经桥式全波整流滤波（积分）后的直流指示值的线性更好。事实上，实验发现用一只整流管取其后半波（下降沿），经Π型2阶轻度滤波积分，使输出波形顶部由尖转圆平，供单片机（MCU微控制器）高速ADC采样输入，实现逐波处理已很理想。由于本发明用实芯铁环，以求最大的涡流损耗为核心，因此高频响应差，没有高频开关导通或截止时的毛刺干扰。

具体实施例中，图1为原理性的。如图1所示，本发明铁环线圈开关型脉冲电流传感器包括铁环1和线圈2，线圈2绕在铁环1上。

本发明铁环线圈开关型脉冲电流传感器，实际上是一种用实芯铁环代替磁环的抗干扰型高频脉冲电流互感器。由于实芯铁环对高频的强涡流损耗，使高频开关干扰充分抑制，神奇地对传感开关型脉冲大电流有特效。它结构简单、体积小、安装方便、对被测电路没有影响、输出信号完全隔离、无需运放驱动／供电。

实际应用时，将被测脉冲电流粗导线穿过铁环中的圆孔（构成交流互感器初级线圈），因此安装方便、完全隔离（铁环线圈与被测电流线没有电路连接）。铁环线圈即为交流互感器次级线圈。铁环线圈输出可并接一个负载电阻，以微调生产工艺引起的输出电压不一致。

被测电流线因穿过的是铁环，而非磁环，实芯铁环对高频的强涡流损耗，形成的电感极小，因此几乎对被测电流线不产生压降。

实际生产时，由于在铁环上穿绕线圈难以实现自动化，且圈数还较多（50匝以上），另一方面铁材正好加工方便，所以将铁环的一小段设计成可移出的，既方便绕线圈，也便于穿过被测电流粗导线（高频大电流没有细导线，要断开很麻烦），并进一步从实用方便考虑，就将铁环形变成外方内有圆孔如图2所示的U型开口结构。其U型开口实芯铁3的另一端设计有便于绕线的凹槽。图2中的实芯铁闭合块4是紧配合结构，实际上还包括卡入结构或抽槽结构。

由于铁环线圈匝数多，直接在实芯铁闭合块上绕线圈更方便工厂生产，因而有了图3所示的结构。图3中实芯铁闭合块4上绕线圈是紧配合结构，实际上还包括卡入式结构或抽槽形结构。

铁环线圈还可设计成类似继电器、电磁铁的常用U型实芯铁结构，在其一端套上线圈。在U型实芯铁开口端加盖闭合实芯铁条构成闭合磁路，形成与图1等效的铁环线圈。

铁环的外径一般在8-15毫米、内孔直径3-6毫米、厚度1-15毫米。外径及内孔根据被测电流线粗细而定，能小则小，既方便安装、又不引起被测电流线电感。厚度同电流大小、工作频率有关，一般电流大、工作频率低，可取得大一点。对图1而言，若外径小于6毫米，当厚度远大于6毫米就是长铁管，长铁管能以较少的线圈匝数以获得较高的电压输出（供单片机ADC采样输入，一般要求0-5V）。铁管壁厚0.5-1毫米较合适，太薄有接近高频磁环（图4，C）特性的趋势。这种薄铁管线圈可用于监测1-10A的脉冲电流范围。

图2、图3这种结构一般用于10A以上的脉冲电流范围。

Claims

1.一种铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器，其特征在于，它包括铁环（1）和线圈（2）等，所述铁环（1）是实芯铁环，所述线圈（2）绕在铁环（1）上。

2.根据权利要求1所述铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器，其特征在于，所述铁环（1）磁矫顽力小。

3.根据权利要求1所述铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器，其特征在于，所述铁环（1）由U型实芯铁块（3）和实芯铁闭合块（4）组成，线圈（2）绕在U型实芯铁块（3）的底部。

4.根据权利要求1所述铁环线圈开关型控制脉冲电流传感器，其特征在于，所述铁环（1）由U型实芯铁块（3）和实芯铁闭合块（4）组成，线圈（2）绕在实芯铁闭合块（4）上。