CN105190322A - 用于感测导体中的电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器(11)，所述传感器包括感应器(18)以用于感测观测信号的交流信号分量。感应器(18)包括基板、与基板的不同层相关联的导电迹线和用于互连所述多个导电迹线的一个或多个导电通路。磁场传感器(20)感测观测信号的直流信号分量。第一滤波电路(26)具有高通滤波器响应。第一滤波电路(26)连接到感应器(18)以提供滤波后的交流信号分量。第二滤波电路(28)具有低通滤波器响应。第二滤波电路(28)连接到磁场传感器(20)以提供滤波后的直流信号分量。传感器融合电路(30)基于滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量来确定总感测电流。

Description

用于感测导体中的电流的方法
技术领域
本公开涉及一种用于感测导体中的电流的方法和传感器。
背景技术
车辆、设备或机械可以使用被换流器或马达控制器控制的电动马达。现有技术的传感器可以测量诸如电线或电缆的一个或多个输入导体中的电流，该一个或多个输入导体从换流器进送电动马达。更通常地，现有技术传感器可以测量与使用功率半导体的任何电力电子装置相关联的一个或多个导体中的电流，该功率半导体诸如为绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
因为用于感测与电动马达相关联的导体中的电流的某些现有技术传感器具有较差的热应力阻力，因而该现有技术传感器可能过早失效。在一些现有技术传感器中，铁磁芯的来自感应涡旋电流和磁滞损耗的自加热可以促进热敏装置的失效，该热敏装置诸如为嵌入磁芯中的霍耳效应磁场传感器或与磁芯一起使用的感应线圈。因为在有效地处理热应力的同时，最大电路密度可以被限制，因而用于感测导体中的电流的其它现有技术传感器可以占据比期望的体积更大的体积。但是其它的现有技术传感器可能不适当地响应于电流的迅速改变；因此，未能响应于换流器输出端处的突然短路。因而，需要用于感测电流的小型传感器，该小型传感器耐与热应力相关联的或与电流的迅速改变的不准确感测相关联的减少寿命或失效。
发明内容
根据一个实施例，一种传感器包括用于感测观测信号的交流信号分量的感应器。感应器包括基板、与基板的不同层相关联的导电迹线和用于互连所述多个导电迹线的一个或多个导电通路。磁场传感器至少感测观测信号的直流信号分量。第一滤波电路具有高通滤波器响应。第一滤波电路连接到感应器以提供滤波后的交流信号分量(例如，高频分量)。第二滤波电路具有低通滤波器响应。第二滤波电路连接到磁场传感器以至少提供滤波后的直流信号分量(例如，或低频分量和直流分量，其中低频分量低于高频分量)。传感器融合电路基于滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量来确定总感测电流。
附图说明
图1是用于感测导体中的电流的电流传感器的第一实施例的框图。
图2是用于感测导体中的电流的电流传感器的第二实施例的框图。
图3是图示电流传感器如何可以用于测量与电动马达的输入导体相关联的电流的框图。
图4是图示多个电流传感器如何可以用于测量与多相电动马达相关联的多个电流的框图。
图5更详细地示出了与图1的框图一致的说明性电路。
图6示出了与感应器相关联的第一层导电迹线的平面图，其中多层基板的外层被移除以更好示出第一层，其中第一层与基板的第一内层相关联。
图7示出了与感应器相关联的第二层导电迹线的平面图，其中基板的外层被移除以更好示出第二层，其中第二层与基板的第二内层相关联并且位于基板的与第一层相反的内侧。
图8示出了基板的第一外层的平面图。
图9示出了基板的位于基板的与第一外层相反的外侧的第二外层的平面图。
图10示出了用于围绕导体安装的铁素体结构(例如，环形磁芯)。
图11至图13示出了电流传感器的一个实施例的透视图，该电流传感器结合在形成换流器或马达控制器的部件的电动组件中。
图14示出了结合在电动组件中的电流传感器的另一实施例的透视图。
图15是用于感测导体中的电流的方法的一个示例的流程图。
图16是用于感测导体中的电流的方法的另一示例的流程图。
具体实施方式
根据一个实施例，图1图示了电流传感器11。如图所示，电流传感器11包括用于感测导体16(例如，图3中的16)中的观测信号的交流信号分量(或第一交流信号分量)的感应器18。通常地，导体16可以包括位于源和电力载荷之间的导体16。例如，导体16可以包括位于换流器10或控制器的输出端和电动马达14的输入端之间的导体(例如，电线、电缆或母线)16。
可替换地，导体16可以是与对应的功率半导体装置(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的相应的一个或多个输出端相关联的任何导体、导电迹线、电线、一组电线、焊线或一组焊线，其中电流传感器11被构造成用于感测在功率电子模块、电机控制器、功率输出级或换流器(例如，换流器壳体)中从一个或多个输出端流动至连接到该输出端的电动马达、电机或其它载荷的电流。
感应器18感测或接收来自导体16的感应交流信号。例如，感应器感测或接收来自导体的第一交流信号分量(例如，高频交流信号分量)。在一个实施例中，感应器18包括基板900(例如，图6至图9)、与基板的不同层相关联的导电迹线和用于互连多个导电迹线的一个或多个导电通路(例如，埋入通路)。如本文中所使用的那样，埋入通路是既不连接到多层基板的外层也不连接到多层电路板的外层的导电通路。替代地，埋入通路仅连接在多层基板或电路板的内层或内层的导电迹线之间。
本文中，在图1中，磁场传感器20至少感测导体16中的观测信号中的直流信号分量。
可替换地，磁场传感器20感测导体16中的交流信号中的直流信号分量和低频信号分量(或第二交流信号分量)。第二交流信号分量的频率比第一交流信号分量更低。
电流传感器11包括电路22或低压电子器件。例如，电路22具有连接到传感器融合电路30的第一滤波电路26和第二滤波电路28。如图所示，电路22进一步包括能够接收来自感应器18的交流信号的电流变化检测器24。
第一滤波电路26具有高通滤波器响应。第一滤波电路26连接到感应器18，以提供滤波后的交流信号分量(例如，第一交流信号分量)。第二滤波电路28具有低通滤波器响应。第二滤波电路28连接到磁场传感器20以提供：(1)滤波后的直流信号分量、(2)低频交流信号分量(例如，第二交流信号分量)或二者。
在一个实施例中，传感器融合电路30基于滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量来确定总感测电流。总感测电流指包括直流信号分量和交流信号分量的贡献的组合电流。
对于换流器控制应用，传感器需要精确地感测电流并且向控制器提供时变电流。然而，(例如，来自感应器18、磁场传感器20或二者的)感测电流还可以使用任何已知的或商用技术(例如，I2T算法)被转换为用于诊断的均方根(RMS)信号。在I2T算法的一个说明性模型下，马达在没有超过其温度额定值的情况下可以耗散的连续最大功率由以下方程限定：Pmax＝lrms 2*RLT，这里Pmax是马达在没有超过其温度额定值的情况下可以耗散的连续最大功率，I是马达线圈中的均方根电流，以及T是经过的时间或持续时间。例如，数据处理器(例如，图2中的54)可以被程控以触发或停用开关，从而在在触发持续时间内超过连续最大功率时关闭到载荷或马达的换流器或电能供应。
在可替换实施例的第一说明性示例中，传感器融合电路30通过将交流信号分量转换为用于增加到直流信号分量中的均方根值或从均方根值导出的值，不仅产生时变电流信号，还可以确定总感测电流。在可替换实施例的第二说明性示例中，传感器融合电路30通过将交流信号分量转换为用于增加到直流信号分量中的均方根值或从均方根值导出的值，还可以确定总感测电流，其中均方根分量和直流信号分量被分配权重或比例因子。
在一个实施例中，传感器融合电路30按比例调节滤波后的交流信号分量的第一增益和滤波后的直流信号分量的第二增益以获得观测信号的流过导体16的有效电流和总感测电流之间的转换因子。
在一个实施例中，电流变化检测器24连接到感应器18。电流变化检测器24包括测量电路，该测量电路用于针对通过感应器18观测的观测信号的交流信号分量确定电流变化与时间的比值或电流变化与时间之间的关系。观测信号与导体16中流动的电流相关，该电流在感应器18中引起观测信号。例如，电流变化检测器24可以包括微分电路。例如，电流变化检测器24能够检测瞬态短路状态。
在一个实施例中，磁场传感器20包括霍耳效应传感器。在一种配置中，磁场传感器20与铁素体结构相关联，以衰减杂散电磁信号(例如，交流电流)，否则该杂散电磁信号可能导致直流分量、低频交流信号分量或二者的测量值的失真或误差。
在一种配置中，感应器18包括时变磁通传感器(TVFS)线圈，并且磁场传感器20包括霍耳效应传感器。此处，感应器18不需要使用铁磁芯；因此，感应器18不受来自可能出现在铁磁芯中的涡旋电流或感应电流的加热的影响。时变磁通传感器(TVFS)线圈和霍尔元件分别地感测或检测流过源和载荷之间的导体16(例如，导体16)的观测电流，该源和载荷例如为换流器10和电动马达14。感应器18(例如，TVFS线圈)用于时变电流或交流信号分量，而磁场传感器20(例如，霍耳效应传感器)用于直流(DC)信号分量和任何低频时变电流分量或任何低频交流信号分量。
感应器18(例如，TVFS线圈)将第一感测信号(VTVFS)提供到第一滤波电路26，该第一滤波电路具有衰减低频信号的高通滤波器响应。磁场传感器20(例如，霍耳效应传感器)将第二感测信号(VHall)提供到第二滤波电路28，该第二滤波电路具有衰减高频信号的低通频率响应。第一滤波电路26和第二滤波电路28的相应的截止频率和频率响应对于电流传感器11的性能是关键的。在一个说明性示例中，第一滤波电路26和第二滤波电路28的总频率响应被设计成确保电流传感器的组合频率响应或总频率响应具有从约0Hz至(约)1kHz或超过1kHz的恒定增益，并且在两个输入信号中的任一个(例如，第一感测信号和第二感测信号，或VTVFS和VHall)和传感器融合电路30的输出端处的输出信号(isensed)之间不提供任何明显的相移。有利地，第一滤波电路26和第二滤波电路28的截止频率可以针对电流传感器(在图1中的11或在图2中的111)(例如，经由用于任何调谐电路的(例如，图5图示的)电容或电阻的选择)被选择性地改变，以在输入操作频率和波形的相当大范围内支持多种换流器驱动式电机(例如，电动马达或发电机)，如正弦曲线和非正弦曲线电力驱动装置。
传感器融合电路30与第一滤波电路26和第二滤波电路28协作以避免从第一滤波电路26和第二滤波电路28分别地被输入到传感器融合电路30的两个信号，即滤波后的第一信号和滤波后的第二信号，之间的任何较大的相移。传感器融合电路30可以调节由第一滤波电路26提供的滤波后的第一信号和由第二滤波电路28提供的滤波后的第二信号的幅度增益，以按比例调节滤波后的第一信号和滤波后的第二信号对输出信号(isensed)的相对贡献。传感器融合电路30组合滤波后的第一信号和滤波后的第二信号，该滤波后的第一信号和滤波后的第二信号可以是用于TVFS线圈的高通电路和用于霍耳效应传感器的低通电路的输出。传感器融合电路30调节滤波后的第一信号和滤波后的第二信号的幅度增益，以合适地按比例调节第一信号和第二信号的相对贡献，从而获得流过母线的电流和输出信号isensed之间的转换因子。因此，传感器输出(isensed)是具有转换因子的电压信号，该转换因子被表示为毫伏每安培(mV/A)。
在一个实施例中，电流变化检测器24提供对流过导体16(例如，母线)的电流的电流变化与时间的比值(di/dt)的测量值。
图2的电流传感器111类似于图1的电流传感器11，除了图2的电流传感器进一步包括温度传感器52、数据处理器54、数据总线56、模数转换器58。进一步地，电流传感器111可以包括连接到数据总线的可选的开关接口61、连接到开关接口61的开关63，其中开关61是到换流器的串联馈电线(例如，导体16)或到换流器(例如，10)或控制器的电源。图1和图2中的类似的附图标记指示类似的元件。
电流传感器111包括电路122或低压电子器件。例如，电路122具有连接到传感器融合电路30的第一滤波电路26和第二滤波电路28。如图所示，电路122进一步包括能够接收来自感应器18的交流信号的电流变化检测器24。在电路122中，温度传感器52、电子数据处理器54和模数转换器58连接到数据总线56。
在图2中，模数转换器58连接到传感器融合电路30或电流传感器111。模数转换器58又连接到数据总线56。模数转换器58可以将传感器融合电路30的输出端处的总感测模拟电流改变成总感测数字电流。数据处理器54可以评估或处理总感测数字电流以便于换流器10的控制、诊断或状态。在某些实施例中，数据处理器54和数据总线56可以结合在换流器(例如，10)中。
温度传感器52和数据处理器54可以经由数据总线56进行通信。类似地，数据处理器54和开关接口61(例如，开关驱动器)可以经由数据总线56进行通信。开关接口61连接到开关63，该开关可以中断电能从电源到换流器10的流动，或以其它方式使得换流器的一个或多个相失效或停用。
在一个实施例中，温度传感器52包括用于估算换流器10的输出端和电动马达14的输入端之间的导体16或母线的温度的电路。例如，温度传感器52可以包括电热调节器、红外线传感器或提供对应于感测温度的电信号或数据信息的另一装置。电热调节器可以提供与导体16的感测温度变化相关联的电阻变化。
在一种配置中，温度传感器52提供数字输出。可替换地，如果温度传感器52提供模拟输出，则模数转换器58可以用于与数据总线56连接。来自温度传感器52的感测温度数据或信息被提供至数据处理器54或能够由数据处理器54访问。数据处理器54可以使用感测温度数据来停用或断开换流器10中的开关61或功率开关(例如，功率半导体)，以防止对换流器10和/或马达的任何热损坏。
如图3所示，感应器18和磁场传感器20被布置成接近或靠近导体16，该导体将换流器10的输出端连接到电动马达14的输入端。例如，感应器18和多层基板可以具有开口，使得具有待观测的电流的导体16被感应器18部分地或完全地围绕，以最大化或便于导体16和感应器18之间的电流感应耦合。在一个实施例中，导体16包括换流器10或马达控制器和电动马达14之间的母线。
图1或图2的电流传感器可以用于检测导体16中的电流，该导体(例如，经由一个或多个交流信号相)向电动马达14提供电能。电流变化检测器24确定用于或针对交流信号分量的电流变化与时间的比值或电流变化与时间之间的关系。温度估算器估算导体16的温度。
在一个实施例中，电动马达14仅需要交流输入信号，以便在检测到直流输入信号时，该直流输入信号可以指示换流器10未针对一个或多个输出相合适地工作。
图4是图示多个电流传感器11如何可以用于测量与多相电动马达14相关联的多个电流的框图。如图所示，电动马达114包括具有三个输入相的三相电动马达14。例如，每个相都可以具有交流输入信号，该交流输入信号与其它输入相异相固定量(例如，约120度的相移)。不同的电流传感器11与每个相输入端相关联。每个相输入端都与对应的导体(16、116、216)相关联。图4示出了在换流器110的输出端和电动马达114的输入端之间的三个导体(16、116、216)。每个电流传感器11都可以检测不同的总观测电流和每个相的电流变化。
图5更详细地示出了与图1的框图一致的说明性电路。图1、图2和图5中的类似的附图标记指示类似的元件。
第一滤波电路26具有高通滤波器响应。在一个实施例中，高通滤波器响应由电阻器501和电容器582的串联组合590支持，其中电容器582阻止或衰减直流信号。第一滤波电路26连接到感应器18以在第一滤波电路26的输入端591处接收交流信号(例如，第一交流信号)并且在第一滤波电路26的输出端592处提供滤波后的交流信号分量(例如，第一交流信号分量)。第一滤波电路26包括第一放大器551、第二放大器554和第三放大器553以及相关联的电阻器和电容器。
在一个实施例中，第一放大器551形成单位增益跟随器电路，在该单位增益跟随器电路中，单位增益跟随器缓存来自感应器18的交流信号。因为第一放大器551的输出被进送到第一放大器551的输入端(例如，负输入端)，因而输入电压等于第一放大器551的输出电压。第一放大器551的一个输入端(例如，正输入端)连接到电阻器500和电容器581。电容器581由参考电压源576的正端子馈给信号。第一放大器551的负输入端经由电阻器594连接到参考电压源576的正端子。参考电压源576的负端子又连接到接地或公共端575。第一放大器551的输入端(例如，两个输入端)连接到感应器18的端子或分接头，其中第一放大器551的正输入端经由串联的电阻器500连接到感应器18。
电阻器501和电容器582的串联组合590连接到放大器551的输出端，以在中间节点579处通过衰减或阻碍直流信号到达第一滤波电路26中的其它放大器(553、554)来支持高通滤波器响应。
第二放大器554形成一积分电路的一部分，该积分电路积分或平均在中间节点579处的交流输入信号的值。基于交流输入信号的频率来选择电容器585。第二放大器554的一个输入端(例如，正输入端)连接到电阻器504，而第二放大器554的另一个输入端(例如，负输入端)连接到由参考电压源576馈给信号的电阻器505。
在一个输入端(例如，正输入端)处，第三放大器553经由下述网络元件中的一个或多个接收输入信号以提供高通频率响应：(1)串联调谐电路590、(2)电容器582或(3)电容器584。例如，第三放大器553可以在通带频率范围中放大所述信号，该通带频率范围与电阻器502的电阻与电阻器501的电阻的比率成比例。放大器553的输入端(例如，正输入端)连接到电阻器503和参考电压源576的串联组合。类似地，第三放大器553的输出端连接到电容器583和参考电压源576的串联组合。
在一种配置中，第三放大器553可以用作比较器，该比较器比较来自第一放大器551和第二放大器554的输入，并且生成或输出滤波后的第一信号以指示中间节点579处的第一输入何时不同于(例如放大器553的负输入端处的)第二输入。
第二滤波电路28具有低通滤波器响应。第二滤波电路28连接到磁场传感器20以提供：(1)滤波后的直流信号分量、(2)低频交流信号分量(例如，第二交流信号分量)或二者。第二滤波电路28包括第一放大器556、第二放大器557和第三放大器558以及相关联的电阻器和电容器。在一个实施例中，第一放大器556形成单位增益跟随器电路，在该单位增益跟随器电路中，单位增益跟随器缓存来自磁场传感器20的信号。因为第一放大器556的输出被反馈到第一放大器556的输入端(例如，负输入端)，因而输入电压等于第一放大器556的输出电压。第一放大器556的一个输入端(例如，正输入端)连接到电阻器506，而第一放大器556的另一个输入端(例如，负输入端)连接到电阻器507和参考电压源576的串联组合。
第二放大器557形成一积分电路的一部分，该积分电路积分或平均在中心节点599处的交流输入信号的值。基于节点599处的交流输入信号的频率或来自磁场传感器20的低频交流信号分量的频率来选择电容器578。
第三放大器558与来自并联调谐电路597的反馈结合而工作以提供低通响应。如图所示，并联调谐电路597位于第三放大器558的输入端(例如，正输入端)和输出端596之间的反馈路径中。与第三放大器558组合的或单独的调谐电路597可以将直流信号、低频交流信号或二者传输到第二滤波电路28的输出端596和传感器融合电路30的输入端。例如，第三放大器558可以在一通带频率范围中放大所述信号，该通带频率范围与电阻器509与在中心节点599附近的电阻器508的比率成比例。在一个实施例中，由电容器586和电阻器509的并联组合形成的调谐电路597提供低通滤波器响应。
第三放大器558的一个输入端(例如，正输入端)连接到电容器587和参考电压源576与电阻器510的串联组合。第三放大器558的另一个输入端(例如，负输入端)由第二放大器557的输出端馈给信号。
在一种配置中，第三放大器558可以用作比较器，该比较器比较来自第一放大器556和第二放大器557输入，并且生成或输出滤波后的第一信号以指示第一输入何时不同于第二输入。
在一个实施例中，传感器融合电路30基于(1)滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量，或基于(2)滤波后的第一信号分量和滤波后的第二信号分量来确定总感测电流，其中滤波后的第一信号分量包括滤波后的第一交流信号分量，并且其中滤波后的第二信号分量包括直流信号分量和低频交流信号分量，该低频交流信号分量的频率比滤波后的第一交流信号分量的频率更低。总感测电流指包括直流信号分量和交流信号分量的贡献的组合电流。传感器融合电路30在加法放大器配置中包括运算放大器555，在该加法放大器配置中，第一电阻器513和第二电阻器514处的输入被相加以产生输出电压，该输出电压与放大器555的一个输入端(例如，正输入端)处的输入电压的总和成比例。参考电压源576经由电阻器515向运算放大器555的另一个输入端(例如，负输入端)施加信号，其中参考电压(例如，可变参考电压)的改变可以用于按比例调节或调整感测电流的输出。例如，传感器融合输出端544提供在导体16中流动的总电流的电流指示器。
电流变化传感器24包括放大器552，该放大器具有经由电阻器518连接到感应器18的第一输入端(例如，负输入端)和经由电阻器593连接到接地(或参考电压源)的第二输入端(例如，正输入端)。反馈电阻器519连接在放大器552的输入端(例如，正输入端)和输出端之间。电流变化传感器输出端542提供在导体16中流动的电流的变化与时间的比值的电流指示器。在一个实施例中，输出电阻器595串联连接在放大器552的输出端和电流变化传感器输出端542之间，其中电容器598连接在电流变化传感器输出端542和接地575之间。
图6示出了与感应器18相关联的第一层的第一导电迹线(603、604)的平面图，其中多层基板900的外层被移除以更好示出第一层607，其中该第一层与多层基板900(例如，多层电路板)的第一内层607相关联。
在一个实施例中，第一层第一导电迹线(603、604)包括埋入导电迹线。第一导电迹线(603、604)是相对于中心轴线936径向延伸的大致线性部分。如图所示，一组或一些第一导电迹线(例如，604)比第一层中的其它第一导电迹线(例如，603)更长。然而，在可替换的实施例中，第一导电迹线(603、604)可以具有相同长度。
每个第一导电迹线(603、604)都可以端接在至到内埋入通路(600、612)或外埋入通路602的电力和机械连接中，以便于与多层基板900的另一层(例如，别的层607)一起形成感应器。
虽然第一导电迹线(603、604)在基板或电路板上占据大致环状区域，但是例如，第一导电迹线(603、604)可以通过一个或多个槽口940而不同于完全环状区域。中心轴线936和大致环状区域内侧的区域与开口903相关联，用于插入或定位将观测或测量其电流的导体16。
除了第一导电迹线(603、604)，第一层可以包括用于互连基板上的一个或多个器件的第一补充导电迹线601和补充导电通路610。在一种配置中，第一补充导电迹线601和补充导电通路埋入多层基板900中。
图7示出了与感应器18相关联的第二层的第二导电迹线(703、704)的平面图，其中基板的外层被移除以更好示出第二层，其中第二层与多层基板900(例如，多层电路板)的第二内层(707)相关联并且位于基板的与多层基板900(例如，多层电路板)的第一内层607相反的内侧。
在一个实施例中，第一层的第二导电迹线(703、704)包括埋入导电迹线。第二导电迹线(703、704)是相对于中心轴线936径向延伸的大致线性部分。如图所示，一组或一些第二导电迹线(例如，704)比第一层中的其它第二导电迹线(例如，704)更长。然而，在可替换的实施例中，第二导电迹线(703、704)可以具有相同长度。
每个第二导电迹线(703、704)都可以端接在至内埋入通路(600、612)或外埋入通路602的电力和机械连接中，以便于与多层基板900的另一内层(例如，图6的内层607)一起形成感应器。
虽然第二导电迹线(703、704)在基板或电路板上占据大致环状区域，但是第二导电迹线(703、704)可以通过例如一个或多个槽口940而不同于完全环状区域。中心轴线936和大致环状区域内侧的区域与开口903相关联，用于插入或定位将观测或测量其电流的导体16。
除了第二导电迹线(703、704)，第一层可以包括用于互连基板上的一个或多个器件的第二补充导电迹线701和补充导电通路610。在一种配置中，第二补充导电布线701和补充导电通路610埋入多层基板900中。
在一个实施例中，图6的第一导电迹线(603、604)和图7的第二导电迹线(703、704)布置在一系列层中，该系列层通过基板900的插入或中间电介质部分被彼此隔开。导电迹线(例如，第一导电迹线603、604和第二导电迹线703、704)和导电通路(600、602、612)(例如，埋入通路)形成具有至少两个分接头或端子的感应器18，其中多层中的每层的导电迹线在基板900上都被限定成大致环状区域。
图8示出了基板900的第一外层807的平面图。图9示出了基板的位于基板900的与第一外层807的相反的外侧的第二外层907的平面图。图6至图9中包括的类似的附图标记指示类似的元件。
通过在从感应器18的环状区域804或环状体积之外的区域中将电子器件安装在基板900或多层电路板的一个或多个侧面上，形成第一滤波电路26、第二滤波电路28和传感器融合电路30。例如，第一滤波电路26、第二滤波电路28和传感器融合电路30可以安装在基板900的第一外层807、基板900的第二外层907或二者上。第一滤波电路26、第二滤波电路28和传感器融合电路30中的每一个都包括一个或多个运算放大器、电容器、电阻器或经由基板上的第二电路线路801相互连接的任何其它器件805(例如，电气器件、半导体器件或电子器件)。第一外层807可以具有导电接地层802。例如，电阻器和电容器可以与运算放大器结合使用以形成具有需要的频率响应的有源滤波器。
图9示出了基板900的第二外层907的平面图。图9示出了基板的位于基板900的与第一外层807相反的外侧的第二外层907的平面图。图6至图9中包括的类似的附图标记指示类似的元件。
通过在从感应器18的环状区域904或环状体积之外的区域中将电子器件安装在基板900或多层电路板的一个或多个侧面上，形成第一滤波电路26、第二滤波电路28和传感器融合电路30。例如，第一滤波电路26、第二滤波电路28和传感器融合电路30可以安装在基板900的第一外层807、基板900的第二外层907或二者上。第一滤波电路26、第二滤波电路28和传感器融合电路30中的每一个都包括一个或多个运算放大器、电容器、电阻器或经由基板上的第二电路线路901相互连接的任何其它器件905(例如，电气器件、半导体器件或电子器件)。第二外层907可以具有导电接地层902。例如，电阻器和电容器可以与运算放大器结合使用以形成具有需要的频率响应的有源滤波器。
图10示出了用于围绕导体16(例如，16)安装的铁素体结构958(例如，环形磁芯)，其中导体16中的电流将被测量。图6至图10中的类似的附图标记指示类似的元件。
铁素体结构958通过定位器960或磁芯保持器被固定或保持到基板900的第一外层807。在一个实施例中，定位器960具有环状凹槽，用于容纳铁素体结构958或环形铁素体磁芯。定位器960可以经由一个或多个紧固件962被固定到基板900。
图6至图10的电流传感器(例如，11或111)包括感应器18，该感应器18由基板900(例如，多层印刷电路板)的导电迹线(603、604、703、704)和导电通路(600、602、612)形成。例如，感应器18可以包括使用多层印刷电路板(PCB)中的埋入通路和线路的时变磁通传感器(TVFS)线圈图案。埋入通路(600、602、612)和埋入迹线(603、604、703、704)允许感应器18在没有损害高压电子器件和低压电子器件之间的增强(两倍)绝缘的情况下，包围载流导体16(高压电路)并紧密接近或靠近布置。实际上，电流传感器11或111及其感应器18在低电压电平下运行，然而载流导体16在比低电压电平更高的电压电平下运行。
因为感应器18仅测量诸如交流(AC)信号之类的时变电流或通量，因而磁场传感器20(例如，可编程霍尔传感器)被使用以用于直流测量。为提高磁场传感器20(例如，霍尔传感器)的灵敏度，铁素体结构958或低损耗、缺口环形铁素体磁芯被配置成与感应器18的TVFS线圈充分地隔开。该铁素体结构中的间隙957是铁素体结构958中的大致环状形状或环形形状的狭槽或狭缝。铁素体结构958提供在极端的运行条件下需要的性能，该极端的运行条件表现为高幅度(例如，大于约500安培，均方根(rms))的高频(例如，大于约500Hz)基波交流(AC)电流。在一个实施例中，磁场传感器20定位在形成于铁素体结构958中的空气间隙957中。
第二滤波电路28处理由磁场传感器20(例如，霍尔传感器或霍尔探测器)感测的信号。在信号分别地被第一滤波电路26和第二滤波电路28处理之后，传感器融合电路30组合来自感应器18和磁场传感器20的信号。在没有任何增益损耗和没有输入信号和输出信号之间的相移发生的情况下，传感器融合电路30在目标频率范围(例如，从直流电流(DC)到高频(约1000Hz或更大)的基波交流电流(AC))内提供需要的频率响应。
电流传感器(11或111)包括安装在基板900(例如，电路板)上的低压电子器件。所述低压电子器件包括以下电路中的一个或多个：(a)第一滤波电路26(例如，高通滤波器)、(b)第二滤波电路28(例如，低通滤波器)、(c)传感器融合电路30(例如，组合器)、(d)电流变化检测器24和(e)温度传感器52。在一个实施例中，温度传感器52被安装成非常接近(例如，几个毫米)形成在(例如，使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其它功率半导体的)换流器功率模块和连接到换流器10的外部载荷(例如，电动马达14)之间的大电流连接。
基板上的感应器18允许足够的剩余空间用于待封装在多层基板900的外层(807、907)上的低压电子器件(例如，电路26、28、30、24和52)，以形成用于电流传感器(11或111)的更小或紧凑的覆盖区。进一步地，在基板900上具有足够的安装空间以包括内置温度传感器52和电流变化检测器24。
图11示出了安装在电子组件307上的电流传感器11或111的基板900，该电子组件例如为换流器10或控制器。图1至图12中类似的附图标记指示类似的元件。
在图11和图12中，电流传感器(例如，11或111)或其相关联的机电组件具有用于接收导体16的大功率连接器302或插座。在图11中，电流传感器(11或111)的基板900连接到壳体304或被壳体304支撑，而在图12中，基板900被省略以更好图示连接器302。连接器302可以包括例如大致圆筒状的插座。虽然在一个实施例中，壳体304相对于插入或连接到连接器302的任何导体(16)的轴线在大致垂直平面内支撑基板900，但是基板900的其它安装构造可以落入随附权利要求的范围内。
在图13中，从与图11不同的角度图示了图11的组件307。进一步地，图13示出了组件307的透视半分解图，其中导体16的配合部分309(例如，插头)被示出为从铁素体结构958中的开口903和相关联的基板900移除。图1至图13中类似的附图标记指示类似的元件。
图14类似于图13，除了铁素体结构950被双铁素体结构1958替代并且配合部分309接合连接器302。图1至图14中类似的附图标记指示类似的元件。在图14中，导体16的配合部分309或插头定位在连接器302中。导体16与电流传感器(11或111)的大电流连接器插座配合。双铁素体结构1958包括两个铁素体构件315，其中一个铁素体构件定位在磁场传感器20(例如，霍耳效应传感器)的一侧。虽然如图所示，图14中的两个铁素体构件315中的每一个都是大致矩形或多面体，但是铁素体构件的其它形状可以被使用并且应落入随附于此的某些权利要求的范围内。磁场传感器20或其感应探测器可以在沿着公共轴线314的一个或多个侧面上被铁素体构件315束缚。表面安装式双铁素体结构1958作用为磁通量集中器以将磁通量引导到磁场传感器20(例如，霍耳效应传感器)。图14的双铁素体结构1958和配置可以实现与缺口环形铁素体磁芯903类似的性能。进一步地，双铁素体结构1958消除了对定位器960(图10)或磁芯保持器的需要。
在一种配置中，双铁素体结构1958包括位于基板900的第一外层807或第二外层809上的磁通量集中器。图14的构造使用换流器的功率半导体上方的自由体积或净空高度以使得电流传感器(11或111)或其组件尽可能紧凑。在一些实施例中，从功率半导体组件(例如，IGBT)的最靠近表面到换流器壁或换流器壳体的仅需要几个毫米的间隙。
电流传感器(例如11或111)能够具有比许多商用电流传感器更小的紧凑覆盖区。在较宽频率(例如，0Hz至1000Hz及以上)内、较宽的电流范围(例如，0A至约500Amps均方根(rms))内和较大的温度范围(例如，约-40摄氏度至约125摄氏度)内，电流传感器很适合胜过某些商用电流感测方案。
特别在图14示出的方案的情况下，额定电流和频率的运行范围(例如，约0Hz至1000Hz(约)和以上)是容易扩展的。例如，磁场传感器20(例如，霍耳效应传感器)可以以可编程的灵敏度(例如，以毫伏(mV)/高斯为单位进行测量的)为特征。通常地，在没有要求用于支撑感应器18的基板900中的开口903的直径或尺寸的任何改变的情况下，感应器18(例如，基于基板的感应器设计)可以包围，部分地围绕，或完全地围绕导体16。在一种配置中，插座302和插头309的直径可以适于超过500安培均方根(rms)的额定电流。本公开内容中的配置很适合支持换流器的较宽运行范围的输出频率和流过导体16的较宽范围的测量电流。该电流传感器(11或111)不要求任何罐封材料，如为树脂、硅酮、聚合物或聚合物基体；因此，该电流传感器(11或111)适合于约-55摄氏度及以下温度的环境中的存储或操作。
在一个实施例中，当连接器302或插座被放置并且用螺栓旋紧到功率模块端子时，因为连接器302处的热损耗被热传导到壳体304或其与换流器(10)相关联的散热器，因而大电流连接器传感器(11或111)显示内置热管理。大电流连接器302或插座使用配合部分309，如插入插座中的大电流销，进行连接。对于低电阻(例如，小于50微欧或更低)连接，连接器302或插座可以采用万能触片(multi-lams)以与配合部分309或销紧密接触，同时允许多个路径用于在连接器302和配合部分309之间流动的电流。图13和图14图示了配合部分309或销；配合部分309或销的非配合端部与诸如大电流电缆之类的导体16压接，以将电力提供至可以远离换流器10的载荷。如诸如图14的某些图所示，连接插头309和插座302形成导体16的一部分，其中所提出的电流感测方案位于换流器10组件中。
上述实施例的多个可替换实施例或变化例可以落入随附权利要求的范围内。在一个示例中，与作为通量集中器的磁场传感器20(例如，霍尔元件)一起使用的铁素体结构958或环形磁芯可以被去除，以用于增加的灵敏度和对杂散磁场的抗扰度。去除的环形磁芯被金属护罩替代以屏蔽磁场或电磁场。例如，金属护罩可以包括金属网或一个或多个金属壁，该金属网或一个或多个金属壁用于围绕基板上的磁场传感器20的外缘安装以从基板的外表面垂直突出。
在可替换的实施例中，除了由基板的导电迹线和埋入通路形成，感应器18的线圈可以部分地或完全地卷绕在缺口环形磁芯上。然而，将感应器18卷绕在环形磁芯上可能增加组件的成本并且增大与高压电子器件和低压电子器件之间的绝缘相关联的安全问题的可能性。
在另一可替换的实施例中，滤波电路可以由数字的或先进的滤波技术替代，其中滤波电路被容纳在现场可编程门阵列(例如，FPGA)、数字信号处理器(例如，DSP)或微处理器中。这将增加用于执行电流感测方案所需要的固件的相关性。
图15图示了用于感测电流的方法的一个实施例的流程图。图15的方法在步骤S1400处开始。
在步骤S1400处，感应器18感测观测信号的交流信号分量。步骤S1400可以根据各种技术被执行，这些技术可以被交替地或累积地应用。
在第一种技术下，感应器18包括基板、与基板的不同层相关联的多个导电迹线(例如，埋入导电迹线)和用于互连所述多个导电迹线的一个或多个导电通路(例如，埋入通路)。
在第二种技术下，感应器18被布置、定向或定位成接近或靠近将换流器的换流器输出端连接到电动马达的导体。例如，该导体可以与基板900中的开口903或感应器18的中央区域或空间相交。
在第三种技术下，通过将导电迹线布置在不同层中而形成感应器18，所述不同层通过基板的插入电介质部分而被彼此隔开，其中导电迹线相对于中心轴线径向地延伸并且被限制成占据基板的大致环状区域或空间。
在步骤S1402处，磁场传感器20感测观测信号的直流信号分量。在一种配置中，磁场传感器(例如，霍耳效应传感器)或其探测器被布置、定向或定位成接近或靠近将换流器的换流器输出端连接到电动马达的导体。
在步骤S1404处，第一滤波电路26以高通滤波器响应对交流信号分量进行滤波，以提供滤波后的交流信号分量。在一种配置中，通过在感应器的环状区域或环状空间之外的区域中将电子器件安装在基板的一个或多个侧面上而装配或形成第一滤波电路26，以在基板上形成第一滤波电路、第二滤波电路和传感器融合电路中的至少一个。
在步骤S1406处，第二滤波电路28以低通滤波器响应对直流信号分量进行滤波，以提供滤波后的直流信号分量。在一种配置中，通过在感应器的环状区域或环状空间之外的区域中将电子器件安装在基板的一个或多个侧面上而装配或形成第二滤波电路28，以在基板上形成第一滤波电路、第二滤波电路和传感器融合电路中的至少一个。
在步骤S1408处，传感器融合电路30通过结合滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量来确定总感测电流。例如，传感器融合电路30按比例调节滤波后的交流信号分量的第一增益和滤波后的直流信号分量的第二增益，以获得观测信号的流过导体的有效电流和总感测电流之间的转换因子。在一种配置中，通过在感应器的环状区域或环状空间之外的区域中将电子器件安装在基板的一个或多个侧面上而装配或形成传感器融合电路30，以在基板上形成第一滤波电路、第二滤波电路和传感器融合电路中的至少一个。
图16图示了用于感测电流的方法的一个实施例的流程图。图16的方法在步骤S1401处开始。
在步骤S1401处，感应器18感测观测信号的第一交流信号分量。在一个实施例中，感应器18包括基板、与基板的不同层相关联的多个导电迹线和用于互连所述多个导电迹线的一个或多个导电通路。
在步骤S1403处，磁场传感器20感测观测信号的直流信号分量和第二交流信号分量(例如，低频信号分量)，其中第一交流信号分量的频率比第二交流信号分量更高。
在步骤S1405处，第一滤波电路26以高通滤波器响应对第一交流信号分量进行滤波，以提供滤波后的第一信号分量。
在步骤S1407处，第二滤波电路28以低通滤波器响应滤波后的直流信号分量和第二交流信号分量进行滤波，以提供滤波后的第二信号分量。
在步骤S1409处，传感器融合电路30通过结合滤波后的第一交流信号分量和滤波后的第二信号分量来确定总感测电流。
在上述方法的可替换的实施例中，额外的步骤可以增加到图15或图16的方法，如确定用于交流信号分量的电流变化与时间的比值或估算用于传输观测信号的导体的温度。
已经在本公开内容中描述了一个或多个实施例，显然可以在没有脱离本发明的在附随权利要求中限定的范围的情况下进行各种修改。例如，本文中阐述的任何从属权利要求中的一个或多个可以与独立权利要求组合以形成在随附权利要求中阐述的特征的任何组合，并且权利要求中的特征的这种组合因此通过引用被合并进入本文的说明书中。

Claims (22)

1.一种电流传感器，包括：
感应器，所述感应器用于感测观测信号的交流信号分量，所述感应器包括多层基板、与基板的不同层相关联的多个导电迹线和用于互连所述多个导电迹线的一个或多个导电通路；
磁场传感器，所述磁场传感器用于感测观测信号的直流信号分量；
第一滤波电路，所述第一滤波电路具有高通滤波器响应，所述第一滤波电路连接到感应器以提供滤波后的交流信号分量；
第二滤波电路，所述第二滤波电路具有低通滤波器响应，所述第二滤波电路连接到磁场传感器以提供滤波后的直流信号分量；和
传感器融合电路，所述传感器融合电路用于接收滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量，并且用于确定总感测电流。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，进一步地包括：
电流变化检测器，所述电流变化检测器用于确定用于交流信号分量的电流变化与时间的比值。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其中感应器和磁场传感器被布置成接近或靠近导体，所述导体将换流器的换流器输出端连接到电动马达。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其中所述导体包括与换流器中的功率半导体相关联的母线或一个或多个焊线。.
5.根据权利要求3所述的电流传感器，进一步地包括：
温度传感器，所述温度传感器用于估算所述导体的温度。
6.根据权利要求1所述的电流传感器，其中传感器融合电路适于按比例调节滤波后的交流信号分量的第一增益和滤波后的直流信号分量的第二增益，以获得观测信号的流过导体的有效电流和总感测电流之间的转换因子。
7.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述基板包括电路板，并且其中导电通路包括埋入通路。
8.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述导电迹线相对于中心轴线径向地延伸，并且其中导电迹线被布置在不同层中，所述不同层通过所述基板的插入电介质部分被彼此隔开。
9.根据权利要求8所述的电流传感器，其中导电迹线形成具有至少两个分接头或端子的感应器，其中所述不同层中的每层的导电迹线在基板上都被限定到大致环状区域。
10.根据权利要求1所述的电流传感器，其中所述磁场传感器包括可编程或预编程的霍耳效应传感器。
11.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述磁场传感器与铁素体结构相关联以衰减会导致直流分量的测量值的失真的杂散电磁场。
12.根据权利要求11所述的电流传感器，其中所述铁素体结构包括具有空气间隙的环形磁芯，并且其中磁场传感器或其探测器被安装在所述空气间隙中。
13.根据权利要求11所述的电流传感器，其中所述铁素体结构包括铁素体构件，所述铁素体构件放置在磁场传感器或其探测器的相反侧，其中所述铁素体构件围绕公共轴线对准。
14.根据权利要求1所述的电流传感器，其中通过在感应器的环状区域或环状空间之外的区域中将电子器件安装在基板的一个或多个侧面上，形成所述第一滤波电路、第二滤波电路和传感器融合电路。
15.根据权利要求1所述的电流传感器，其中第一滤波电路、第二滤波电路和传感器融合电路中的每一个都包括一个或多个运算放大器和电阻器，所述一个或多个运算放大器和电阻器经由基板上的第二电路迹线相互连接。
16.一种用于感测电流的方法，所述方法包括：
经由感应器感测观测信号的交流信号分量，所述感应器包括基板、与基板的不同层相关联的多个导电迹线和用于互连所述多个导电迹线的一个或多个导电通路；
感测观测信号的直流信号分量；
以高通滤波器响应对交流信号分量进行滤波以提供滤波后的交流信号分量；
以低通滤波器响应对直流信号分量进行滤波以提供滤波后的直流信号分量；并且
通过结合滤波后的交流信号分量和滤波后的直流信号分量来确定总感测电流。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步地包括：
确定交流信号分量的电流变化与时间的比值。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步地包括：
估算用于传输观测信号的导体的温度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中将感应器布置成接近或靠近导体，所述导体将换流器的换流器输出端连接到电动马达。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步地包括：
按比例调节滤波后的交流信号分量的第一增益和滤波后的直流信号分量的第二增益，以获得观测信号的流过所述导体的有效电流和总感测电流之间的转换因子。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步地包括：
将导电迹线布置在不同层中，所述不同层通过基板的插入电介质部分而被彼此隔开，其中导电迹线相对于中心轴线径向地延伸并且被限制成占据基板的大致环状区域或环状空间。
22.根据权利要求16所述的方法，进一步地包括：
在感应器的环状区域或环状空间之外的区域中将电子器件安装在基板的一个或多个侧面，以在基板上至少形成第一滤波电路、第二滤波电路和传感器融合电路。
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