CN107710001A - 用于高压/中压/低压电流测量的装置 - Google Patents

用于高压/中压/低压电流测量的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量电流的装置,该装置包括:印刷电路板(5);用于检测磁场的传感器部件(6),所述传感器部件(6)布置在印刷电路板(5)的表面上;以及传导元件(1),该传导元件(1)用于传导待测量的电流,其中在传导元件(1)的第一端(3)与传导元件(1)的第二端(4)之间的传导元件(1)的至少第一部分(1a)被布置成使得传感器部件(6)位于印刷电路板(5)的表面与传导元件(1)的第一部分(1a)之间,使得传感器部件(6)监测由流过传导元件(1)的电流产生的磁场。

Description

用于高压/中压/低压电流测量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量电流的装置,该装置包括:印刷电路板;用于检测磁场的传感器部件,所述传感器部件布置在印刷电路板的表面上;以及传导元件,该传导元件用于传导待测量的高压/中压/低压电流。
背景技术
这样的装置被例如用于测量从能源供应商到能源客户的能量消耗和/或能量传递。例如,这样的装置可以用于在光伏电站中监测电流。在一些应用中,这样的装置也被用来监测电流以优化某些过程,例如电池充电。
在德国专利申请DE102011005994A1和DE19928399A1中描述了这种装置的示例。特别地,DE102011005994A1公开了一种传感器封装的布置,该传感器封装包括印刷电路板,层流导体被布置在印刷电路板的第一主表面上。该传感器封装还包括适于测量流过层流导体的电流的传感器芯片,其中该传感器芯片包括磁场传感器。该传感器芯片被印刷电路板从电流导体电绝缘,并且被布置在印刷电路板的与第一主表面相反的第二主表面上。该传感器芯片被密闭地密封在模具材料和印刷电路板之间,或者被布置在印刷电路板中并且被印刷电路板密闭地密封。
在德国专利申请DE19928399A1中公开了一种磁场传感器在印刷电路板的表面上的布置,其中在印刷电路板的表面上的传感器的下方布置有层流导体,使得该导体在传感器的接触引脚之间经过。
然而,这些布置不适合用于高压应用,关于本发明,高压定义为大于150伏,因为在高压下对层流导体施加高电流时,层状电流导体将被破坏。传统上,高压应用中的电流测量通过使用分流电阻器或使用变压器来执行。然而,这些方法的实施可能是昂贵且麻烦的,因为通过使用分流电阻器,在高压和高电流下发生由于欧姆热损耗引起的过热高压。
发明内容
本发明为其提供解决方案的问题是提出能够以成本有效的方式直接测量高压应用中的电流的装置。
该问题通过根据权利要求1的装置来解决。从属权利要求描述了该装置的优选实施例。
该问题因此通过一种用于测量电流的装置来解决,该装置包括:印刷电路板;用于检测磁场的传感器部件,所述传感器部件布置在印刷电路板的表面上;以及用于传导待测量的电流的传导元件,其中在传导元件的第一端和第二端之间的、所述传导元件的至少第一部分被布置成使得传感器部件位于印刷电路板的表面和传导元件之间,使得传感器部件监测由流过传导元件的电流产生的磁场。
传感器部件,例如霍尔传感器集成电路,可以通过多个(例如八个)接触引脚连接到印刷电路板。传导元件通常是实施用于高压应用中的电线,特别是铜线。
通过将传导元件插入印刷电路板的表面中的通孔或钻孔中,并且然后进行焊接,能够将传导元件电连接到印刷电路板的表面。
可替换地,传导元件连接到印刷电路板,使得至少绝缘隔件、特别是两个绝缘隔件被布置在印刷电路板的表面和传导元件之间。传导元件可以设置在传感器部件的敏感部分的正上方,或尽可能靠近传感器部件的敏感部分。绝缘隔件是固定到印刷电路板的非传导的间隔隔件。绝缘隔件可穿过印刷电路板的钻孔插入,并且固定在印刷电路板的钻孔中。
由于对于高压应用,传导元件关于地具有至少150伏的电压,并且传感器部件关于地以相当低的电压(例如3伏至5伏)工作,在传导元件和传感器部件的暴露的引脚之间会存在大的电位。本发明的装置使得能够在这样的应用中测量电流,其中可以有效地降低和/或消除在这样的高电位下的风险,诸如火花形成。该装置可以监测DC电流和/或AC电流。
在该装置的一个实施例中,传导元件的第一部分至少部分地由电绝缘材料包围。通过使用电绝缘材料,传感器部件与传导元件的第一部分之间的距离可以减小到如下程度:仅绝缘材料就将传感器部件的与印刷电路板的表面背离的表面和当电流流动时产生磁场的传导元件隔开。绝缘材料,尤其是在高压应用中,消除了在传导元件的第一部分和传感器部件的暴露的引脚之间的间隙中形成火花的可能性。然而,对于低(例如<12V)或中(例如<48V)操作电压应用,可能不需要包围传导元件的绝缘材料。为了精确测量在传导元件中流动的电流,必须精确检测由电流产生的磁场。与本发明相关的术语“精确”被定义为具有小于1%、优选小于0.5%且非常优选小于0.01%的误差容限。在能源供应商和消费者之间传递能量的应用中,例如在用于具有电驱动器的汽车的充电站中,电流测量的误差容限对事务处理具有不可忽视的经济影响。然而,由传导元件产生的磁场通常非常小,因此,地磁场或者例如由汽车中的其它部件产生的其它磁场会在测量中失真。由于由传导元件产生的磁场的强度随着与传导元件的距离增加而减小,所以有利的是将传导元件设置为尽可能地靠近传感器部件,以提高电流测量的精度。此外,适用于这种应用的许多传感器部件(例如,某些霍尔传感器集成电路)被设计为使得传感器部件的最敏感部分位于传感器部件的背离印刷电路板的表面附近。例如,一个这样的霍尔传感器集成电路在霍尔传感器集成电路的所述表面下方大约0.41mm处是最敏感的。
在该装置的一个实施例中,传感器部件包括用于接触印刷电路板的至少两个电触点,并且传导元件被布置成使得电触点和传导元件的不被绝缘材料包围的第二部分之间维持预定的距离,所述距离尤其是根据国际标准化组织提供的规范性规定而预定。关于为了确保这些装置的安全而必须维持的最小所谓火花隙的规定是由各种政府和非政府认证机构制定和发布。例如,由美国伊利诺斯州的Underwriters Laboratories Inc.出版的2015年Norm UL1059要求具有至少301伏的电位的暴露的导体之间的空间距离(也称为最小间隙)为至少9.5mm,并且沿表面的最小距离(最小爬电距离)至少为12.7mm。
在该装置的一个实施例中,传导元件被布置成使得其包括至少一个环路,特别是大致矩形的环路,使得传导元件的第一部分包括传导元件的至少两个部段,所述部段平行于彼此布置。由传导元件形成的环路用于放大可由传感器部件监测的磁场。为了实现这一点,在不引入失真的磁场的情况下,环路应该包括:1)第一大致笔直部段,其在传感器部件上方延续(例如,对于SOIC传感器封装),2)第二大致笔直部段,其以一定长度垂直于第一大致笔直部段延续,3)第三大致笔直部段,其反平行于第一大致笔直部段延续,其中第一和第三大致笔直部段之间的距离由第二大致笔直部段的长度决定,并且其中该距离足够大,使得由流过第三大致笔直部段的电流产生的磁场在传感器部件的位置处具有足够小的大小,从而不会使由第一大致笔直部段产生的磁场的测量失真,4)第四大致笔直部段,其反平行于第二大致笔直部段延续,以及5)第五大致笔直部段,其平行于第一大致笔直部段延续。第五大致笔直部段优选关于传感器部件的表面堆叠在第一大致笔直部段的顶部上。然而,第一和第五笔直部段可以关于传感器部件的上表面并排延续。用于环路的这个模式可以被重复,以形成第二环路或甚至更多环路。形成这种环路的优点在于,由在靠近传感器部件的与印刷电路板的表面背离的表面上布置的传导元件的部分(即,第一和第五大致笔直部段)所产生的磁场的强度可以加倍。如果形成第二环路,则磁场可以大致增至三倍,依次类推。增加磁场的强度提高了电流测量的准确性和/或容易性。
在一个实施例中,所述装置包括具有磁芯的导磁元件,所述导磁元件布置成至少部分地包围传导元件的第一部分,并且用于放大在传感器部件附近的产生的磁场。导磁元件应该包括具有高相对磁导率(例如至少100)的材料。例如,铁氧体可以具有高达640的相对磁导率。导磁元件可以是“U形”或“C形”的部分圆柱体,围绕伸长轴的三边。导磁元件可以布置成使得相对于伸长轴线的敞开侧朝向传感器部件的敏感部分敞开,并且使得导磁元件的其它三个侧壁包围电传导元件。这种布置用于放大和集中由流过传导元件的电流产生的磁场,从而允许提高电流测量的精度和/或容易度。
在该装置的一个实施例中,传导元件被实施成传导300伏至600伏之间的电压,并且被实施为散热以使得传导元件的内部温度保持在+150摄氏度以下。可用于这种装置的传感器部件通常具有已知的温度依赖性。传统上,通常需要附加的温度传感器来补偿测量精度中的温度依赖性偏差。通过使用例如能够在高压下传导大电流而不过热的传导元件(例如,铜线),减少了对这种温度补偿机构的需求。此外,传导元件与传感器部件分离并且传导元件的至少第一部分与印刷电路板基板物理分离的事实导致从传导元件到传感器部件的热传递是微不足道的。
在该装置的一个实施例中,提供附加的传感器部件,所述附加的传感器部件被布置成离传导元件一定的距离,其中该一定距离足够大,以至于由流过传导元件的电流所产生的磁场的大小为在附加的传感器部件的位置处的地磁场的大小的至多5%,优选地至多1%,并且非常优选地至多0.01%。附加的传感器部件可用于测量该装置附近的周围环境磁场,诸如来自地球的磁场,并且可以从由传感器部件产生的磁场的测量结果中减去该测量的结果,传感器部件用于测量由传导元件产生的磁场。由此,可以消除不是由传导元件产生的失真磁场的影响。
附图说明
接下来,将参考以下附图详细描述本发明。附图示出:
图1a:用于在高压应用中测量电流的装置的第一实施例的透视图;
图1b:用于在高压应用中测量电流的装置的第二实施例的透视图;
图2a、2b:用于测量电流的装置的实施例的俯视图和侧视图;和
图3:该装置的一个实施例的示意性透视图。
具体实施方式
图1a示出了用于在高压应用中测量电流的装置的第一实施例的透视图。该装置还可用于汽车电子设备中的低压电流或中压电流测量应用。示出了与印刷电路板5的表面电连接的传导元件1。电绝缘材料2包围传导元件1的第一部分1a。传导元件1的第二部分1b被暴露。第二部分1b在传导元件1的第一端3和第二端4处旋转90度,并且被焊接到印刷电路板5上。传感器部件6(这里是具有八个引脚7的霍尔传感器集成电路6)布置在印刷电路板5上,在传导元件1的绝缘部分1a和印刷电路板5之间。传导元件1是铜线1,并且传导元件1的第一部分1a是大约2mm厚。厚度小于等于1mm的传导元件1也可用于其它的低电压和低电流测量应用。
图1b示出了用于在高压应用中测量电流的装置的第二实施例的替代透视图。它也可以用于如图1a所提及的低压电流或中压电流测量应用。示出了不与印刷电路板5电连接的传导元件1。在印刷电路板5的表面和传导元件1之间布置有绝缘隔件12。绝缘隔件12固定在印刷电路板5中的通孔或钻孔8中。传导元件1的第一部分1a靠在绝缘隔件12上,并且附接到绝缘隔件12。换句话说,在电传导元件1与印刷电路板5之间不存在电连接。
传导元件1的第一部分1a被布置成使得绝缘材料2的外表面与传感器部件6非电接触。传感器部件6,优选霍尔传感器集成电路被设计为检测磁场。霍尔传感器IC 6的最敏感区域恰好位于霍尔传感器IC 6的与包围传导元件1的绝缘材料2非电接触的表面的正下方,因此尽可能靠近待测量的磁场源。
传感器部件6(霍尔传感器IC)的暴露的触点或引脚7与传导元件1的暴露部分1b之间的距离D满足美国伊利诺斯州的Underwriters Laboratories Inc出版的2015年国际标准UL 100的要求,其要求在暴露的触点之间的、可能产生高压差的最小距离为5.1mm。换句话说,在传感器部件6的暴露的触点或引脚7与传导元件1的暴露部分1b之间的距离D大于或等于5.1mm。
在图1b中,在暴露的触点7与传导元件1的暴露部分1b之间的、可能产生高压差的前述距离D要大得多,。
图2a示出了用于测量电流的装置的实施例的俯视图。这里,印刷电路板5中的通孔8和/或钻孔8被示出为在传导元件1的每个端部3、4处。传导元件1被插入到孔8中,并且焊接到印刷电路板5上。图2另外示出了用于测量周围环境磁场(例如,地磁场)的附加的传感器部件11。这个测量可以用作一种控制以消除这个周围环境磁场可能对电流测量的精度产生的任何影响。
图2b示出了图2a所示的用于测量电流的装置的一个实施例的侧视图。
图3示出了该装置的一个实施例的示意性透视图,其中传导元件1包括两个环路9,并且其中导磁元件10在三个侧面包围传导元件1。环路9和导磁元件10两者都用来放大在霍尔集成电路6的位置处由在传导元件1中流动的电流产生的磁场。三个环路9用于将磁场强度放大约3倍。导磁元件10在这里是C形的铁氧体材料件,其可以用来将磁场放大100倍或更多。环路9和导磁元件10的效果是累积的。
附图标记
1传导元件
1a传导元件的第一部分
1b传导元件的第二部分
2绝缘材料
3传导元件的第一端
4传导元件的第二端
5印刷电路板
6传感器部件/霍尔传感器IC
7传感器部件的引脚/引线/触点
8通孔/钻孔
9环路
10导磁元件
11附加传感器部件
12绝缘隔件
D距离

Claims (9)

1.一种用于测量电流的装置,所述装置包括:印刷电路板(5);用于检测磁场的传感器部件(6),所述传感器部件(6)布置在所述印刷电路板(5)的表面上;以及传导元件(1),所述传导元件(1)用于传导待测量的电流,
其特征在于,所述传导元件(1)的第一端(3)和所述传导元件(1)的第二端(4)之间的所述传导元件(1)的至少第一部分(1a)被布置成使得所述传感器部件(6)位于所述印刷电路板(5)的所述表面和所述传导元件(1)的所述第一部分(1a)之间,使得所述传感器部件(6)监测由流过所述传导元件(1)的电流产生的磁场。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述传导元件(1)的所述第一部分(1a)被电绝缘材料(2)至少部分地包围。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,所述传感器部件(6)包括用于接触所述印刷电路板(5)的至少两个电触点(7),并且所述传导元件(1)被布置成使得在所述电触点(7)和所述传导元件(1)的未被绝缘材料(2)包围的第二部分(1b)之间维持预定的距离,特别地基于由国际标准化组织提供的规范性规定来预定所述距离(D),优选地所述距离(D)大于或等于5.1mm。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的装置,其特征在于,所述传导元件(1)布置成使得其包括至少一个环路,特别是大致矩形的环路,使得所述传导元件(1)的第一部分(1a)包括所述传导元件(1)的至少两个部段,所述部段彼此平行地布置。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的装置,其特征在于,所述装置包括导磁元件(10),所述导磁元件(10)被布置成至少部分地包围所述传导元件(1)的第一部分(1a)并且用于放大在所述传感器部件(6)附近产生的磁场。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的装置,其特征在于,所述传导元件(1)被实施成传导300伏和600伏之间的电压,并且被实施成散热使得所述传导元件(1)的内部温度保持低于150摄氏度。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的装置,其特征在于,设置附加传感器部件(11),所述附加传感器部件(11)被布置成距所述传导元件(1)一定距离,其中所述一定距离足够大,使得由在所述传导元件中流动的电流产生的磁场的大小是在所述附加传感器部件(11)的位置处地磁场的大小的至多5%,优选至多1%,并且非常优选至多0.01%。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的装置,其特征在于,所述传导元件(1)电连接到所述印刷电路板(5),使得所述传导元件(1)的第一端(3)和所述传导元件(1)的第二端(4)电连接到所述印刷电路板(5)的所述表面。
9.根据前述权利要求1至7中的至少一项所述的装置,其特征在于,所述传导元件(1)连接至所述印刷电路板(5),使得绝缘隔件(12)布置在所述印刷电路板(5)的所述表面和所述传导元件(1)之间。
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