CN108474810B - 具有集成的主导体的电流传感器 - Google Patents

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Abstract

电流传感器，包括壳体(10)、包括中央通道(18)和磁路间隙(22)的磁芯(6)、位于磁路间隙中的磁场检测器(8)以及引线框导体装置(4)，该引线框导体装置包括携带要被测量的电流的主导体(14)和用于将磁场检测器连接到外部电路的磁场检测器导体(16)。主导体包括穿过磁芯的中央通道延伸的中央部(15)、自中央部的相对两端延伸的横向延伸臂(13)以及用于连接到外部导体的连接端(17)。磁场检测器导体包括多个导体，每个导体包括与主导体的中央部基本对准的感测单元连接板(21)和用于连接到外部电路的连接端(19)，壳体包括围绕在引线框导体装置的几部分周围并形成磁场传感器容纳腔(36)的基部(20)，磁场传感器容纳腔的底表面呈基本为平面的安装表面将所述感测单元连接板露出用于电连接到感测单元，感测单元结合在安装表面上并与一个或多个磁场检测器导体叠置以及与主导体中央部偏置。壳体基部还包括围绕在主导体中央部周围的主导体包覆成型部(30)，在磁芯与主导体之间提供介电绝缘层。

Description

具有集成的主导体的电流传感器
技术领域
本发明涉及一种电流传感器，其包括磁芯和在磁芯的空气间隙中的磁场检测器，用于测量穿过磁芯的中央通道延伸的主导体中流过的电流。
背景技术
用于电流感测设备的电流传感器模块一般包括由高磁导率磁性材料制成的磁芯，该磁芯围绕在中心孔周围，携带要被测量的电流的主导体通过该中心孔。磁芯一般可以具有基本为矩形或圆形的形状并设有空心间隙，诸如呈ASIC形式的霍尔效应传感器之类的磁场检测器位于该空气间隙中。主导体中流过的电流产生的磁通由磁芯积聚并通过空气间隙。空气间隙中的磁场代表主电流。
电流传感器用在各种各样用于监控或控制电气装置和系统的应用中，在许多应用中，具有降低这些元件的制造成本还有降低在电路中实施和使用这些元件的成本的重要优点。
某些电流传感器由于成本和/或尺寸的原因不设磁芯，然而与在主导体周围设有磁芯的电流传感器相比其通常降低了传感器的可靠性和/或敏感性和/或精确性和/或操作范围。
提供紧凑的元件以便于使其中安装这些元件的装置小型化和/或减轻其重量通常也是一个重要的优点。许多应用中电流传感器安装在电路板上且需要遵守需要特定紧凑布置的预先定义的连接区域或表面区域限制。根据主导体的电压大小，这可导致难于在主导体与磁场检测器电路的电导体之间获得所需的爬电距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有集成的主导体和磁场检测器的电流传感器，其不仅精确可靠而且紧凑并且生产经济划算。
对于某些应用，本发明的目的是提供一种用于安装在电路板上的具有集成的主导体和磁场检测器的电流传感器，其不仅精确可靠而且占据电路板上小的表面区域而且生产经济划算。
在主导体与磁场检测器的导体之间提供具有高的爬电阻值的电流传感器是有利的。
提供具有大操作范围的电流传感器是有利的。
提供稳定耐用的电流传感器是有利的。
提供轻重量的电流传感器是有利的。
提供容易实施且使用经济划算的电流传感器是有利的。
本发明的目的是通过提供根据权利要求1所述的电流传感器达到的。
这里披露了一种电流传感器，其包括壳体、具有中央通道和磁路间隙的磁芯、位于磁路间隙中的磁场检测器以及引线框导体装置，该引线框导体装置包括用于携带要被测量的电流的主导体和用于将磁场检测器连接到外部电路的磁场检测器导体。主导体包括穿过磁芯的中央通道延伸的中央部、自中央部的相对两端延伸的横向延伸臂、以及用于连接到外部导体的连接端。磁场检测器导体包括多个导体，每个导体包括与主导体的中央部基本对准的感测单元连接板和用于连接到外部电路的连接端，壳体包括围绕在引线框导体装置的各部分周围并形成磁场传感器容纳腔的基部，磁场传感器容纳腔的底表面具有基本为平面的安装表面，将所述感测单元连接板露出以便电连接到感测单元，感测单元结合在安装表面上并与一个或多个磁场检测器导体叠置并且与主导体的中央部偏置。壳体基部还包括围绕在主导体的中央部周围的主导体包覆成型部，在磁芯与主导体之间提供介电绝缘层。壳体还包括安装在基部上方并将磁芯和磁场传感器容纳腔盖住的罩盖。
在一个有利的实施方式中，引线框导体装置是金属板材。
在一个有利的实施方式中，基部包括围绕并形成磁场传感器容纳腔的外壁部，感测单元位于磁场传感器容纳腔内，其还包括覆盖感测单元和连接板的绝缘封装材料。
在一个有利的实施方式中，导体装置的连接端从其中布置有主导体部和感测单元连接板的主平面弯出，配置成用于连接到外部电路板上的传导触点。
在一个有利的实施方式中，主导体和/或磁场检测器导体的连接端具有朝向壳体向内弯曲的端部。
在一个有利的实施方式中，壳体基部包括围绕在主导体的超出壳体基部的侧壁突伸的横向延伸臂的一部分周围的包覆成型延伸部。
在一个有利的实施方式中，壳体包括位于磁芯的相对横向侧的侧旁的芯导向肋，其在基部和罩盖上提供了相互接合的元件，从而在主导体、磁芯与壳体的外部之间形成了弯曲的爬电路径。
在一个有利的实施方式中，基部包括在磁芯的任一侧上的芯导向肋，其插入罩盖上的具有内壁部和外壁部的互补的芯导向肋对中。
在一个有利的实施方式中，壳体罩盖设有由端壁部相互连接的上下壁部以形成基本为U形的形状，使得罩盖夹在磁芯上和夹在磁场传感器容纳腔上以及壳体基部的相对的侧上。
在一个有利的实施方式中，感测单元通过倒装连接装置或通过接合线连接到引线框导体装置的感测单元连接板。
在一个有利的实施方式中，磁场检测器是半导体基板的形式，其结合有磁场感测单元，例如霍尔效应单元。
在一个有利的实施方式中，磁芯具有由端分支和自端分支延伸到自由端的横向分支形成的基本U形的形状，在靠近自由端的横向分支之间形成磁路间隙。
在一个有利的实施方式中，至少其中一个横向分支的自由端包括在外侧上的斜面。
在一个有利的实施方式中，电流传感器是开环电流传感器。
附图说明
本发明的另外的目的和有利的特征将会从权利要求、从详细描述的说明书和附图中变得显而易见，其中：
图1a是安装在电路板上的根据本发明的第一实施方式的电流传感器的透视图；
图1b是图1a的电流传感器的下侧透视图；
图1c是图1a的电流传感器的分解透视图；
图1d是电路板上的图1a的电流传感器的横截面透视图；
图1e是图1a的电流传感器的局部剖切下侧透视图；
图1f是穿过图1a的电流传感器的引线框平面的剖视图；
图2是图1a的电流传感器的基部的透视图；
图3a和3b是图1a的电流传感器的罩盖部的透视图；
图4a是安装在电路板上的根据本发明的第二实施方式的电流传感器的透视图；
图4b是图4a的电流传感器的分解透视图；
图4c是穿过图4a的电流传感器的引线框平面的剖视图；
图5是图4a的电流传感器的基部的透视图；
图6是图4a的电流传感器的罩盖部的透视图；
图7a是在导体弯曲操作之前安装在电路板上的根据本发明的第二实施方式的电流传感器的透视图；
图7b是图7a的电流传感器的分解透视图；
图8a到8f是根据本发明的实施方式的电流传感器的磁芯的不同变型的透视图。
具体实施方式
参见这些图，示出了根据本发明的各个实施方式的电流传感器，该电流传感器包括壳体10、具有中央通道18和磁路间隙22的磁芯6、位于磁路间隙22中的磁场检测器8、和由引线框制成的导体装置4。引线框导体装置4包括用于携带要被测量的电流的主导体14和用于连接到磁场检测器8的导体16。本发明的电流传感器尤其适合于开环电流测量。
主导体14包括中央部15、自中央部15的相对两端延伸的横向延伸臂13、以及在延伸臂的自由端处的连接端17，所述连接端17用于连接到要被测量的电流流过的外部导体。该外部导体尤其可以连接到设有用于连接到连接端17的传导触点42的电路板12。这些传导触点例如可以呈用于连接端17的表面贴装连接的传导触板42的形式。主导体14的中央部15穿过磁芯的中央通道18延伸。
磁芯具有由端分支6a和自端分支延伸到自由端24的横向分支6b、6c形成的基本为U形的形状，在靠近自由端24的横向分支6b、6c之间形成磁路间隙22。
磁芯6用作位于磁路间隙22中的磁场检测器8的磁通聚集器。由主导体中流过的电流产生的磁通被聚集通过磁路间隙22。磁芯由具有高磁导率的材料制成，这些磁性材料的示例是FeNi、MnZn、FeSi、纳米晶体材料和非晶材料。根据本发明的实施方式的磁芯相比于不设磁芯的电流传感器(例如磁场检测器靠近主导体定位而没有磁通聚集器)增大了信号水平并提供了良好的对外部场的免疫力。
在一个有利的实施方式中，横向分支的自由端24设有在横向分支外侧上的斜面25，该斜面通过减小边缘磁场而增大了流过磁场检测器的磁通量。
引线框导体装置4是由单块金属板材冲压和成型的，籍此主导体的中央部15和磁场检测器导体16的主要部分基本对准并在相同的主平面内延伸且包括与成型导体装置的金属板材厚度对应的基本相同的厚度。主导体14的连接端17和磁场检测器导体16的连接端19可以从主平面弯出以提供连接到外部电路的端子，尤其是用于连接到外部电路板12的触板42。
磁场检测器导体16包括多个导体，每个导体包括用于连接到外部电路的连接端19和在引线框主平面内的用于连接到磁场检测器8的感测单元连接板21。磁场检测器导体包括至少一对电源端子16b、16c(例如一个是电源电压Vc，另一个是接地GND)和至少一个信号输出端子Vout(输出电压)16d。磁场检测器导体还可以包括基准端子Vref(参考电压)16e、接地端子16a和可选的补充信号输出端子，例如用于过流检测信号OCD的输出端子16f。
连接板21可以设有优化为用于连接到感测单元26的不同形状、表面积和位置。在图示出的实施方式中，连接板21通过接合线连接部27连接到磁场检测器。磁场检测器8包括感测单元26和连接器件27，例如呈接合线27形式的连接器件。然而可以在感测单元26与引线框导体装置4的连接板21之间设置本领域本身已知的其他互连器件。例如，这些互连器件可以包括在半导体基板与金属触板之间的所谓的“倒装”连接装置，籍此焊珠将感测单元26上的连接区域与引线框导体装置4的连接板21相互连接。
在一个优选的实施方式中，感测单元26可以是呈形成在半导体基板(例如硅基板)中的在电流传感器领域中本身已知的霍尔传感器的形式。然而本发明中还可以采用其他感测单元技术，例如磁通门式磁场检测器或者巨磁阻式磁场传感器。形成在基本为平面的半导体基板中的霍尔传感器由于它们成本低、紧凑且坚实，所以是有利的。
磁场检测器导体16和主导体中央部15有利地在相同平面(主平面)内或者基本在相同平面内，且由壳体10的基部20保持在一起。壳体10的基部20包覆成型在引线框导体装置4的各部分上，同时将磁场检测器导体的触板部露出。基部和引线框导体装置具有基本平面状的安装表面，其带有可以从基部20的磁场传感器容纳腔36接近的磁场检测器导体16的连接板21，以便例如通过粘结剂连接而将感测单元定位并固定在安装表面上。
基部20包括围绕并形成磁场传感器容纳腔36的外壁部38，感测单元26和接合线倚靠引线框导体装置4的主平面定位在磁场传感器容纳腔内。容纳腔36还可以保持在感测单元26、连接器件27和连接板21周围提供绝缘的绝缘封装材料28。在感测单元与连接板21之间的接合线连接或其他连接器件连接之后封装材料可以填充在容纳腔中。
壳体的基部20有利地包括包覆成型在主导体14的中央部15周围的主导体包覆成型部30。包覆成型部30在磁芯与主导体之间提供了介电绝缘层以及在磁芯的中央通道与主导体之间提供了定位导向部，还确保了感测单元26在磁路间隙22内的合适定位。
磁芯6和引线框导体装置4与本发明的包覆成型壳体基部20一起提供了特别紧凑的布置，但是能够使主导体与磁场检测器导体16很好地分离和绝缘。主导体中央部15可以设有大的未减小的横截面同时在紧凑的区域(即当定位在外部电路板上时由电流传感器占据的表面区域)中具有与磁场检测器的感测单元良好的绝缘分离距离。
壳体10还可以包括在磁芯6的相对横向侧的侧旁的芯导向肋32、33。芯导向肋可以具有将磁芯横向地定位在壳体中的功能而且有利地可以在基部20和罩盖34上具有相互接合的元件以便于在主导体14、磁芯6与壳体10的外部之间形成长的爬电距离。在图示出的实施方式中，基部20包括在磁芯6的任一侧上的芯导向肋32，其插入到在罩盖34上具有内壁部33a和外壁部33b的互补的芯导向肋对33中。
相互接合的肋在壳体的内部与外部之间延伸了由罩盖和基部的交界面限定的路径的长度。这样在壳体的内部与外部之间提供了长的爬电距离。
在图1a到1f中示出的实施方式中，罩盖34设有由端壁部44c相互连接的上下罩盖壁部44a、44b以形成基本为U形的形状，使得罩盖夹在磁芯6上和夹在磁场传感器容纳腔36上以及基部20的相对侧上。
在一个有利的实施方式中，主导体14的连接端17朝向壳体10向内弯曲。与向外弯曲的连接端相比，对于在电路板12上给定的触板区域，这允许增大从壳体伸出的横向延伸臂13的长度。主导体的延伸臂允许壳体设有包覆成型的延伸部39，该延伸部增加了主导体与磁场检测器导体16之间沿着壳体外部的爬电距离。磁场检测器导体16还可以包括向内弯曲的连接端19，如图4a到5的实施方式中示出的。
在另一个实施方式中，罩盖34可以作为具有上壁部44a、下壁部44b、端壁44c和相对的侧壁部44d、44e的护罩来提供，壳体的基部20基本完全插入该护罩内。图7a和7b示出了罩盖34在壳体基部20上方的装配，籍此导体的连接端17、19在壳体基部上的罩盖关闭之后被弯曲。壳体罩盖和基部可以设有互补的锁定元件40，例如呈分别在壳体和基部上的锁定突出部40a和锁定肩部40b的形式，使得在组装期间罩盖和基部可以紧固地锁定在一起。
参见图8，示出了不同形状的磁芯的变型，磁芯的横向分支6b、6c的自由端24具有斜面25或者没有斜面。
所用的参考标记列表
电流传感器2
引线框导体装置4
主导体14
横向延伸臂13
中央部15
(电路板)连接端17
磁场检测器导体16
接地端子16a
电源端子(Vc，GND)16b、16c
信号输出端子(Vout)16d
基准端子(Vref)16e
补充信号，例如过流检测信号(OCD)16f
(电路板)连接端19
感测单元连接板21
磁芯6
中央通道18
磁路间隙22
端分支6a
横向分支6b、6c
自由端24
磁场检测器8
感测单元26
连接部(接合线)27
封装材料28
壳体10
基部20
主导体包覆成型部30
芯导向肋32
磁场传感器容纳腔36
外缘部38
包覆成型延伸部39
罩盖34
锁定元件(凸出部)40
芯导向肋33、内部33a、外部33b
罩盖壁部44a、44b、44c、44d、44e外部电路板12
触板42。

Claims (12)

1.一种具有集成的主导体的电流传感器，包括壳体(10)、具有中央通道(18)和磁路间隙(22)的磁芯(6)、位于磁路间隙中的包括感测单元的磁场检测器(8)、以及由单块金属片材制成的引线框导体装置(4)，该引线框导体装置包括用于携带要被测量的电流的集成的主导体(14)和用于将磁场检测器连接到外部电路的集成的磁场检测器导体(16)，主导体包括穿过磁芯的中央通道延伸的中央部(15)、从所述中央部的相对两端延伸的横向延伸臂(13)、以及用于连接到外部导体的连接端(17)，磁场检测器导体包括多个导体，每个导体包括与主导体的所述中央部基本对准的感测单元连接板(21)和用于连接到外部电路的连接端(19)，其中所述主导体的所述中央部和每个所述感测单元连接板均布置在主平面中，所述壳体包括围绕在引线框导体装置的各部分周围并形成磁场传感器容纳腔(36)的基部(20)，磁场传感器容纳腔的底表面具有基本为平面的安装表面，将所述感测单元连接板露出以便电连接到感测单元，感测单元结合在安装表面上并与磁场检测器导体中的一个或多个叠置并且与主导体的中央部偏置，壳体的基部还包括围绕在主导体的中央部周围的主导体包覆成型部(30)，从而在磁芯与主导体之间提供介电绝缘层，壳体还包括安装在所述基部上方并覆盖磁芯和磁场传感器容纳腔的罩盖(34)，其中壳体包括位于磁芯的相对横向侧的侧旁的芯导向肋(32、33)，所述芯导向肋在所述基部和所述罩盖上提供了相互接合的元件，从而在主导体、磁芯、与磁场检测器导体(16)之间形成弯曲的爬电路径，其中所述基部在磁芯的两侧中的任一侧上包括芯导向肋，基部上的所述芯导向肋插入所述罩盖(34)上的具有内壁部(33a)和外壁部(33b)的互补的芯导向肋对中。
2.根据权利要求1所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中所述基部包括围绕并形成磁场传感器容纳腔的外壁部(38)，感测单元位于磁场传感器容纳腔内；还包括覆盖感测单元(26)和感测单元连接板的绝缘封装材料(28)。
3.根据权利要求1所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中引线框导体装置的连接端从其中布置有主导体部分和感测单元连接板的所述主平面弯出，配置成用于连接到外部电路板上的传导触点。
4.根据权利要求3所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中主导体和/或磁场检测器导体的连接端具有朝向壳体向内弯曲的端部。
5.根据权利要求4所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中壳体的基部包括包覆成型延伸部(39)，所述包覆成型延伸部围绕主导体的横向延伸臂的、突伸超出壳体的基部的侧壁的部分。
6.根据权利要求1所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中壳体的罩盖设有由端壁部(44c)相互连接的上罩盖壁部和下罩盖壁部(44a、44b)，以形成基本U形的形状，使得罩盖夹在磁芯上和夹在磁场传感器容纳腔以及壳体的基部的相对的一侧上。
7.根据权利要求1所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中感测单元通过倒装连接装置或通过接合线连接到引线框导体装置的感测单元连接板。
8.根据权利要求7所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中磁场检测器呈半导体基板的形式，所述半导体基板结合有磁场感测单元。
9.根据权利要求1所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中磁芯具有由端分支(6a)和从端分支延伸到自由端(24)的横向分支(6b、6c)形成的基本U形的形状，在靠近自由端(24)的横向分支(6b、6c)之间形成磁路间隙(22)。
10.根据权利要求9所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中横向分支中的至少一个横向分支的自由端在外侧上包括斜面(25)。
11.根据权利要求1所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中该电流传感器是开环电流传感器。
12.根据权利要求8所述的具有集成的主导体的电流传感器，其中所述磁场感测单元为霍尔效应单元。
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