CN103941070A - 电流测量装置和用于运行电流测量装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流测量装置和用于运行电流测量装置的方法。电流测量装置（1）包括：带有至少一个补偿绕组（L2）的补偿变流器（2）；电压产生装置（R1），其用于产生与流过至少一个补偿绕组（L2）的补偿电流（IK）的强度至少近似地对应的第一电压（U1）；补偿电流减小装置（7），其用于将第一电压（U1）与参考电压（Uref）比较，并且如果第一电压（U1）超过参考电压（Uref），就作用于功率单元（6），使补偿电流（IK）的强度减小。本发明提供了一种带有补偿变流器（2）的电流测量装置（1），以及一种用于运行带有补偿变流器（2）的电流测量装置的方法，它们可以实现尤其是功率半导体模块（9）的可靠的运行。

Description

电流测量装置和用于运行电流测量装置的方法

技术领域

本发明涉及一种电流测量装置。此外，本发明还涉及一种用于运行电流测量装置的方法。

背景技术

在由现有技术公知的功率半导体模块中，通常在基板上布置有功率半导体结构元件，像例如功率半导体开关和二极管，并且借助于基板的导体层以及焊线和/或复合薄膜彼此导电连接。在此，功率半导体开关通常以晶体管的形式，例如像IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）或者MOSFET（Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）或者晶闸管的形式存在。

在此，布置在基板上的功率半导体结构元件通常与单个的或多个所谓的半电桥电连接，这些半电桥例如用于对电压和电流进行整流和逆变。基板通常直接或间接地与冷却体连接。

在此，特别是在功率半导体模块中，为了测量电流使用补偿变流器。在技术上常见的补偿变流器具有可导磁的芯、至少一个环绕芯的测量绕组、至少一个环绕芯的补偿绕组、调节装置和由调节装置驱控的功率单元。当要测量的电流流过至少一个测量绕组时，至少一个测量绕组产生延伸穿过芯的测量磁流。作为对此的备选，如下补偿变流器也是公知的，其中，代替了应用至少一个测量绕组以产生测量磁流，将可导磁的芯布置在电线路周围，要测量的电流流过该可导磁的芯。功率单元产生了流过至少一个补偿绕组的补偿电流，其中，调节装置以如下方式驱控功率单元，即，在补偿电流流过时由至少一个补偿绕组产生的延伸穿过芯的补偿磁流正好与测量磁流一样大，但在相反的方向上延伸穿过芯。在应用至少一个测量绕组的情况下，补偿电流Ik与测量电流Im的比通过至少一个测量绕组的匝数与至少一个补偿绕组的匝数的比来确定。借助补偿电流流过的测量电阻，产生了与补偿电流成比例的测量电压作为输出参数。

功率半导体模块具有驱动器，用以驱控功率半导体开关，该驱动器例如将由控制装置产生的接通信号和断开信号转化为用于功率半导体开关的相应的驱控信号。在此，各驱动器在输出侧与所配属的功率半导体开关的控制端口（基极、门极）电连接。

此外，功率半导体模块通常各具有能量供给装置，用于为驱动器和补偿变流器供给能源，该能量供给装置为各功率半导体模块的驱动器和补偿变流器供电。

当要由补偿变流器测量的电流例如由于错误，像例如短路变得特别大时，补偿电流也变得特别大，这可能导致毁坏或损坏补偿变流器的功率单元和/或导致能量供给装置过载。特别是能量供给装置的过载在此可能紧接着导致特别大的伤害，这是因为在能量供给装置过载时可能导致驱动器停止运转，从而使功率半导体模块不再是可驱控的，因此例如借助功率半导体模块构建的整流器和逆变器不再是可监控的。

在此值得期望的是，当要由补偿变流器测量的电流例如由于错误，像例如短路变得特别大，并且面临对补偿变流器的功率单元的毁坏或损坏和/或能量供给装置过载时，补偿电流例如不被安全电路断开，这是因为于是构造用于控制功率半导体模块的控制装置错误地发送具有0值的电流强度，而是由补偿变流器测定的电流强度或补偿电流一如既往地具有很大的值，但是该值不会是使其导致补偿功率单元的毁坏或损坏或导致能量供给装置过载那么大，从而使控制装置可以采取应对措施。

发明内容

本发明的任务是提供一种带有补偿变流器的电流测量装置，以及一种用于运行带有补偿变流器的电流测量装置的方法，它们可以实现尤其是功率半导体模块的可靠的运行。

该任务通过一种电流测量装置来解决，其具有：

-补偿变流器，其具有可导磁的芯、至少一个环绕芯的补偿绕组、调节装置和由调节装置驱控的功率单元，其中，要测量的电流导致延伸穿过芯的测量磁流，其中，功率单元产生流过至少一个补偿绕组的补偿电流，其中，调节装置以如下方式驱控功率单元，即，在补偿电流流过时由至少一个补偿绕组产生的延伸穿过芯的补偿磁流正好与测量磁流一样大，但在相反的方向上延伸穿过芯，

-电压产生装置，其构造用于产生与补偿电流的强度至少近似地对应的第一电压，以及

-补偿电流减小装置，其构造用于将第一电压与参考电压作比较，并且如果第一电压超过参考电压，那么就以如下方式作用到功率单元上，即，使补偿电流的强度被减小。

此外，该任务通过一种用于运行电流测量装置的方法来解决，

-其中，电流测量装置具有补偿变流器，该补偿变流器具有可导磁的芯、至少一个绕芯缠绕的补偿绕组、调节装置和由调节装置驱控的功率单元，

-其中，要测量的电流导致延伸穿过芯的测量磁流，

-其中，功率单元产生流过至少一个补偿绕组的补偿电流，

-其中，调节装置以如下方式驱控功率单元，即，在补偿电流流过时由至少一个补偿绕组产生的延伸穿过芯的补偿磁流正好与测量磁流一样大，但在相反的方向上延伸穿过芯，

-其中，产生与补偿电流的强度至少近似地对应的第一电压，

-其中，将第一电压与参考电压作比较，并且如果第一电压超过参考电压，那么就使补偿电流的强度减小。

本发明的有利构造方案在从属权利要求中得出。

本方法的有利构造方案与电流测量装置的有利构造方案类似地得出，并且反之亦然。

已证明有利的是，补偿电流减小装置构造用于将第一电压与参考电压作比较，并且如果第一电压超过参考电压，那么就以如下方式作用到功率单元上，即，使补偿电流的强度被减小到使第一电压与参考电压相应的值。由此，可以调整出补偿电流的最大强度。

此外，已证明有利的是，功率单元具有与H电桥电连接的半导体开关，其中，至少一个补偿绕组以电方式布置在H电桥的横向支路中，这是因为于是可以特别简单地实现功率单元。

此外，已证明有利的是，功率单元的与H电桥电连接的半导体开关由调节装置以脉宽调制的方式驱控，这是因为于是实现了电流测量装置的特别节能的运行。

此外，已证明有利的是，电压产生装置构造为电阻，补偿电流至少近似地流过该电阻，这是因为这提供了电压产生装置的特别简单且可靠的构造方案。

与之相关联地已证明有利的是，电容器与电阻电并联，这是因为由此通过电阻产生的第一电压的波度被减小。

此外，已证明有利的是，补偿电流减小装置具有差分放大器和调整环节，其中，差分放大器用于将第一电压与参考电压作比较，并且如果第一电压超过参考电压，那么就以如下方式作用于调整环节，即，调整环节使以电方式布置在H电桥的上部支路中的半导体开关的控制电压和/或以电方式布置在H电桥的下部支路中的半导体开关的控制电压减小。由此，提供了以特别简单的方式构建的补偿电流减小装置。

此外，已证明有利的是，将第一电压与参考电压作比较，并且如果第一电压超过参考电压，那么就使补偿电流的强度减小到使第一电压与参考电压相应的值。由此，可以调整出补偿电流的最大强度。

此外，已证明有利的是，功率半导体模块具有基板，在该基板上布置有功率半导体开关，其中，功率半导体模块具有驱动器和根据本发明的电流测量装置，该驱动器用于驱控功率半导体开关，其中，功率半导体模块具有供电装置，该供电装置用于为驱动器和电流测量装置供电，这是因为这种功率半导体模块具有特别高的可靠性。

附图说明

在附图中示出本发明的实施例并在下文中对其进行详细描述。在此：

图1示出根据本发明的电流测量装置的示意性电路图；

图2示出能量供给装置；

图3示出功率半导体模块的示意性立体图；并且

图4示出功率半导体模块的示意性剖视图。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的电流测量装置1的示意性电路图。在图2中示出供电装置8，其给电流测量装置1供电，并且为此借助两个分别产生电压Uv的电压源产生两个参照大地的电源电压Uv和-Uv。在实施例中，电源电压Uv=15V并且电源电压-Uv=-15V。能量供给装置8与根据本发明的电流测量装置1在图1所示的联接点上导电连接。

在实施例的框架内，根据本发明的电流测量装置1具有补偿变流器2，该补偿变流器具有可导磁的芯3、环绕芯3的测量绕组L1、环绕芯3的补偿绕组L2、调节装置5以及由调节装置5驱控的功率单元6。芯3例如可以构造成具有铁合金板的芯的形式，或构造为铁素体芯。当要测量的电流Im流过测量绕组L1时，测量绕组L1产生延伸穿过芯3的测量磁流。

作为对此的备选，补偿变流器2也可以如下这样来构造，即，代替应用至少一个用于产生测量磁流的测量绕组，将可导磁的芯3布置在电线路周围，要测量的电流Im流过该可导磁的芯，这在图1中用虚线示出。

在补偿变流器2的两个实施方案中，要测量的电流Im都导致了延伸穿过芯3的测量磁流。

功率单元6产生流过补偿绕组L2的补偿电流Ik，其中，调节装置5以如下方式驱控功率单元6，即，在补偿电流Ik流过时由补偿绕组L2产生的延伸穿过芯3的补偿磁流正好与测量磁流一样大，但在相反的方向上延伸穿过芯3。延伸穿过芯3的总磁流Ф借助传感器4被测量，并且借助调节装置5和功率单元6通过控制补偿电流Ik被调节到数值0上。传感器4能够以霍尔传感器的形式或弱磁传感器的形式存在。补偿电流Ik与测量电流Im的比由测量绕组L1的匝数与补偿绕组L2的匝数的比来确定。借助补偿电流Ik流过的测量电阻Rm，产生了与补偿电流Ik成比例的测量电压Um作为例如用于控制功率半导体模块输出参数。在此要注意的是，在实施例的框架内，补偿变流器2仅具有一个单个的补偿绕组L2，但是补偿变流器2也可以具有多个环绕芯的补偿绕组。此外要注意的是，在实施例的框架内，补偿变流器2仅具有一个单个的测量绕组L1，但是补偿变流器2也可以具有多个环绕芯的测量绕组。

在实施例的框架内，功率半导体模块9具有根据本发明的电流测量装置1，该电流测量装置测量流过负载联接元件10（见图3）的电流作为要测量的电流。

功率单元6优选具有第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4，其中，晶体管T1、T2、T3和T4与H电桥电连接，并且补偿绕组L2以电方式布置在H电桥的横向支路中。在此，功率单元6的晶体管T1、T2、T3和T4优选以脉宽调制的方式来驱控以产生补偿电流Ik。为了形成H电桥，在实施例中，第三晶体管T3的发射极与第一晶体管T1的集电极，并且第四晶体管T4的发射极与第二晶体管T2的集电极，并且第三晶体管T3的集电极与第四晶体管T4的集电极，并且第一晶体管T1的发射极与第二晶体管T2的发射极电连接。第三晶体管T3的发射极与第四晶体管T4的发射极的电连接形成H电桥的横向支路，其中，补偿绕组L2以电方式布置在H电桥的横向支路中。测量电阻Rm与补偿绕组L2电串联，并且因此同样布置在H电桥的横向支路中。此外优选的是，如图1所示，其中每个晶体管T1、T2、T3和T4都以逆并联的方式电接通有续流二极管。必要时，例如为了防止过压，晶体管T1、T2、T3和T4可以与负载电路电连接，这在图1中未示出。

此外，电流测量装置1具有电压产生装置，该电压产生装置构造用于产生与补偿电流Ik的强度至少近似对应的并且在理想情况下与补偿电流Ik的强度对应的第一电压U1。在实施例的框架内，电压产生装置构造为电阻，也就是说电压产生装置以第一电阻R1的形式存在，其中，通过第一电阻R1下降了第一电压U1。流过第一电阻R1的电流Ik'至少近似对应于补偿电流Ik并且在理想状态下对应于补偿电流Ik，从而第一电压U1至少近似地与补偿电流的强度对应并且在理想情况下与补偿电流的强度对应。由于例如在针对H电桥应用传统的双极型晶体管的情况下，很小的控制电流通过晶体管T1、T2、T3和T4的控制端口B（基极）流到晶体管的发射极，并且在应用减压电路防止过压以保护晶体管的情况下以及在换向过程中，会导致补偿电流Ik与电流Ik'之间的偏差，其中，电流Ik'至少近似地对应于补偿电流Ik。在理想的情况下，电流Ik'对应于补偿电流Ik。补偿电流Ik与流过第一电阻R1的电流Ik'之间可能存在的偏差在本发明中可以被忽略。在此要注意的是，代替应用传统的双极型晶体管作为用于H电桥的半导体开关，也可以应用IGBT或MOSFET作为用于H电桥的半导体开关，并且因此可以避免从晶体管T1、T2、T3和T4的控制端口流到晶体管T1、T2、T3和T4的发射极的控制电流。

此外，电流测量装置1具有补偿电流减小装置7，其用于将第一电压U1与参考电压Uref作比较，并且如果第一电压U1超过参考电压Uref，那么就作用于功率单元6，使得补偿电流Ik的强度减小。因此，可以避免毁坏或损坏功率单元6和/或避免使能量供给装置8过载，在此优选的是，补偿电流Ik的强度被减小到使第一电压U1与参考电压Uref相应的值。因此，通过相应地选择参考电压Uref的强度可以调整出参考电流Ik最大可能的强度，并且因此将电流测量装置1的电功率消耗限定到最大值，从而在要测量电流Im非常高的情况下使能量供给装置8不会过载和/或毁坏或损坏功率单元6。

补偿电流减小装置7优选具有差分放大器23和调整环节24，其中，差分放大器构造用于将第一电压U1与参考电压Uref作比较，并且如果第一电压U1超过参考电压Uref，那么就以如下方式作用到调整环节24上，即，调整环节24使以电方式布置在H电桥的上部支路中的晶体管T3和T4的施加在基极与发射极之间的控制电压和/或使以电方式布置在H电桥下的部支路中的晶体管T1和T2的施加在基极与发射极之间的控制电压减小。在根据图1的实施例中，以电方式布置在H电桥的下部支路中的晶体管T1和T2的控制电压被减小。如果晶体管的施加在关于相关的晶体管的发射极的基极或者说门极上的控制电压超过了特定的值，那么晶体管转换到其导通状态，也就是说，有明显的电流开始流过晶体管的集电极。在实施例中，晶体管T1和T2的控制电压以分别施加在各晶体管T1或T2的基极B与发射极之间的电压的形式存在。

优选存在的第一电容器C1减小第一电压U1的波度。

在实施例的框架内，差分放大器23具有第五晶体管和第六晶体管以及第二电阻R2和第三电阻R3，它们如在图1中所示的那样电连接。第三电阻R3限定了流过晶体管T5和T6的电流。只要第一电压U1大于参考电压Uref，那么流过第五晶体管T5的集电极的电流减小并且流过第六晶体管T6的集电极的电流增大，从而使在第二电阻R2上的电压增大。

在实施例的框架内，调整环节24具有第七晶体管T7、第二电容器C2以及第一二极管D1和第二二极管D2。如果在第二电阻R2上的电压超过特定的值，那么第七晶体管T7转换到其导通状态中并且有电流流过第七晶体管T7的集电极，由此第一和第二晶体管T1和T2的控制电压减小并且由于晶体管T1和T2的各电阻提高，因此补偿电流Ik减小。以这种方式，借助补偿电流减小装置7限定了补偿电流Ik。第一和第二二极管D1和D2在电流方向上使得第七晶体管T7与第一和第二晶体管T1和T2的基极脱离。电容器C2提高了通过补偿电流减小装置7、第一和第二晶体管T1和T2以及第一电阻R1形成的调节回路的稳定性。

在图3中示出示意性立体图，并且在图4中示出功率半导体模块9的剖视图。功率半导体模块9具有基板19。基板19具有绝缘材料体15和布置在绝缘材料体15的第一侧上且与绝缘材料体15连接的导电的结构化的第一线路层16，该第一线路层构造出导体轨迹。基板19优选具有导电的优选非结构化的第二线路层17，其中，绝缘材料体15布置在结构化的第一线路层16与第二线路层17之间。基板2的结构化的第一线路层16例如可以由铜制成。基板例如可以像在实施例中那样以DCB基板或绝缘金属基板的形式存在。在DCB基板的情况下，绝缘材料体15例如可以由陶瓷制成，而第一基板的第二线路层17例如可以由铜制成。在绝缘金属基板的情况下，绝缘材料体15例如可以由聚酰亚胺层或环氧树脂层制成，而基板的第二线路层17可以由金属成型体构成。金属成型体例如可以由铝或铝合金制成。

基板19优选与冷却体18或与用于将功率半导体模块9热连接到冷却体上的板连接。

在基板19上布置有功率半导体开关14。在此，功率半导体开关可以例如以晶体管的形式，像例如IGBT（绝缘栅双极性晶体管：Insulated Gate Bipolar Transistor）或者MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）或者晶闸管的形式存在。功率半导体开关14优选借助焊线13彼此导电连接并且与导电的负载联接元件10、11和12连接。

在实施例的框架内，功率半导体模块9具有根据本发明的电流测量装置1，该电流测量装置测量流过负载联接元件10的电流作为要测量电流Im。在实施例中，负载联接元件10有两个单个元件10'和10”构成，其中，在实施例中具有用于将螺栓引导穿过的孔的第一单个元件10'在图3中示出，而负载联接元件10的第二单个元件10”与基板19连接，这在图4中示出。在负载联接元件10的两个单个元件10'和10”之间电接通有电流测量装置1的测量绕组L1，也就是说，两个单个元件10'和10”通过测量绕组L1彼此电连接。

功率半导体模块9具有用以驱控功率半导体开关14的驱动器22，该驱动器例如将由对理解本发明并不重要而未在附图中示出的控制装置产生的接通信号和断开信号转化为用于功率半导体开关14的相应的驱控信号。在此，各驱动器在输出侧与所配属的功率半导体开关的控制端口（基极或栅极）电连接，其中，为简明起见，与此相关的电连接在图4中未示出。

此外，功率半导体模块9具有供电装置8（也可参见图2），其构造用于为电流测量装置1供电，并且尤其是在根据图3和图4的实施例的框架中附加地为驱动器22供电。为简明起见，在能量供给装置8与驱动器22之间的电连接没有在图4中示出。

能量供给装置8和驱动器22优选布置在导体板14上。

此外，功率半导体模块9优选具有壳体20，该壳体横向包围功率半导体开关14。

Claims (10)

1.一种电流测量装置，包括：

-补偿变流器（2），所述补偿变流器具有可导磁的芯（3）、至少一个环绕所述芯（3）的补偿绕组（L2）、调节装置（5）和由所述调节装置（5）驱控的功率单元（6），其中，要测量的电流（Im）导致延伸穿过所述芯（3）的测量磁流，其中，所述功率单元（6）产生流过所述至少一个补偿绕组（L2）的补偿电流（Ik），其中，所述调节装置（5）驱控所述功率单元（6），使得在所述补偿电流（Ik）流过时由所述至少一个补偿绕组（L2）产生的延伸穿过所述芯（3）的补偿磁流正好与所述测量磁流一样大，但以与所述测量磁流相反的方向延伸穿过所述芯（3），

-电压产生装置（R1），所述电压产生装置用于产生与所述补偿电流（Ik）的强度至少近似地对应的第一电压（U1），以及

-补偿电流减小装置（7），所述补偿电流减小装置用于将所述第一电压（U1）与参考电压（Uref）作比较，并且如果所述第一电压（U1）超过所述参考电压（Uref），那么就作用于所述功率单元（6），使所述补偿电流（Ik）的强度减小。

2.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述补偿电流减小装置（7）用于将所述第一电压（U1）与参考电压（Uref）作比较，并且如果所述第一电压（U1）超过所述参考电压（Uref），就作用于所述功率单元（6），使所述补偿电流（Ik）的强度减小到使所述第一电压（U1）与所述参考电压（Uref）相对应的值。

3.根据上述权利要求之一所述的电流测量装置，其特征在于，所述功率单元（6）具有与H电桥电连接的半导体开关（T1、T2、T3、T4），其中，所述至少一个补偿绕组（L2）以电方式布置在所述H电桥的横向支路中。

4.根据权利要求3所述的电流测量装置，其特征在于，所述功率单元（6）的与H电桥电连接的半导体开关（T1、T2、T3、T4）由所述调节装置（5）以脉宽调制的方式驱控。

5.根据上述权利要求之一所述的电流测量装置，其特征在于，所述电压产生装置（R1）构造为电阻，所述补偿电流（Ik）至少近似地流过所述电阻。

6.根据权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，电容器（C1）与所述电阻（R1）电并联。

7.根据权利要求3至6之一所述的电流测量装置，其特征在于，所述补偿电流减小装置（7）具有差分放大器（23）和调整环节（24），其中，所述差分放大器（23）用于将所述第一电压（U1）与所述参考电压（Uref）作比较，并且如果所述第一电压（U1）超过所述参考电压（Uref），那么就作用于所述调整环节（24），使得所述调整环节（24）减小以电方式布置在所述H电桥的上部支路中的半导体开关（T3、T4）的控制电压和/或以电方式布置在所述H电桥的下部支路中的半导体开关（T1、T2）的控制电压。

8.一种功率半导体模块，所述功率半导体模块具有基板（19），在所述基板上布置有功率半导体开关（14），其中，所述功率半导体模块（9）具有驱动器（22）以及根据权利要求1至7之一所述的电流测量装置（1），所述驱动器用于驱控所述功率半导体开关（14），其中，所述功率半导体模块（9）具有供电装置（8），所述供电装置用于为所述驱动器（22）和所述电流测量装置（1）供电。

9.一种用于运行电流测量装置的方法，

-其中，所述电流测量装置（1）具有补偿变流器（2），所述补偿变流器具有可导磁的芯（3）、至少一个绕所述芯（3）缠绕的补偿绕组（L2）、调节装置（5）和由所述调节装置（5）驱控的功率单元（6），

-其中，要测量的电流（Im）导致延伸穿过所述芯（3）的测量磁流，

-其中，所述功率单元（6）产生流过所述至少一个补偿绕组（L2）的补偿电流（Ik），

-其中，所述调节装置（5）驱控所述功率单元（6），使得在所述补偿电流（Ik）流过时由所述至少一个补偿绕组（L2）产生的延伸穿过所述芯（3）的补偿磁流正好与所述测量磁流一样大，但以与所述测量磁流相反的方向延伸穿过所述芯（3），

-其中，产生与所述补偿电流（Ik）的强度至少近似地对应的第一电压（U1），

-其中，将所述第一电压（U1）与参考电压（Uref）作比较，并且如果所述第一电压（U1）超过所述参考电压（Uref），就减小所述补偿电流（Ik）的强度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述第一电压（U1）与参考电压（Uref）作比较，并且如果所述第一电压（U1）超过所述参考电压（Uref），那么就将所述补偿电流（Ik）的强度减小到使所述第一电压（U1）与所述参考电压（Uref）相对应的值。