CN110412331A - 电流感测方法以及电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电流感测方法以及电流传感器。电流感测方法包括以下步骤：激发磁芯，以在所述磁芯上产生至少一对具有相反磁化方向的区域；提供电流通过所述磁芯的感测区域，以使所述磁芯对应地产生磁场变化；以及通过缠绕于所述磁芯的拾波线圈来感测所述磁芯的所述磁场变化，以输出对应于所述电流的输出信号。因此，本发明的电流感测方法以及电流传感器可提供准确的电流感测功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测技术，尤其涉及一种电流感测方法以及电流传感器。
背景技术
目前，应用于工业和/或商业电子设备以及能量收集系统的相关电路的自动控制、电源管理以及漏电流感测等诸如此类的电流监控至关重要。近年来发展的电流感测技术例如包括有基于欧姆定律(Ohm’s law)的分流电阻(shunt resistor)、基于法拉第定律(Faraday’s law)使用变压器的方法、罗氏线圈(Rogowski coil)，通量闸(fluxgate)、磁阻(例如是异向磁阻(Anisotropic magnetoresistance,AMR)、巨磁阻(GiantMagnetoresistance,GMR)或穿隧磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance,TMR))、霍尔(Hall)元件以及采用法拉第效应(光学极性(optical polarity))等电流感测手段。特别是，在上述技术中，通量闸在目前的工业应用中扮演重要角色，因为通量闸在宽电流范围内具有高精度、直流和交流测量能力、低热漂移(thermal drift)和电气隔离(galvanicisolation)的特性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电流感测方法以及电流传感器，其可以以非接触式的方式来有效地感测电流。
本发明的电流感测方法包括以下步骤：激发磁芯，以在所述磁芯上产生至少一对具有相反磁化方向的区域；提供电流通过所述磁芯的感测区域，以使所述磁芯对应地产生磁场变化；以及通过缠绕于所述磁芯的拾波线圈来感测所述磁芯的所述磁场变化，以输出对应于所述电流的输出信号。
本发明的电流传感器包括磁芯以及拾波线圈。所述磁芯包括至少一对具有相反磁化方向的区域。当电流通过所述磁芯的感测区域时，所述磁芯对应地产生磁场变化。所述拾波线圈缠绕于所述磁芯。所述拾波线圈用以感测所述磁芯的所述磁场变化，以输出对应于所述电流的输出信号。
基于上述，本发明的电流感测方法以及电流传感器可通过激发磁芯，以使所述磁芯产生具有至少一对具有相反磁化方向的区域，并且提供待感测的电流来通过经激发后的所述磁芯的感测区域。接着，本发明的电流感测方法以及电流传感器可通过拾波线圈来感测经激发后的所述磁芯的磁场变化，以输出对应于所述电流的感测结果。因此，本发明的电流感测方法以及电流传感器可提供准确的电流感测功效。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的电流传感器的方块示意图；
图2是依照本发明的一实施例的感测单元的示意图；
图3是依照本发明的图2实施例的经激发后的磁芯的磁场分布示意图；
图4是依照本发明的另一实施例的经激发后的磁芯的磁场分布示意图；
图5是依照本发明的又一实施例的经激发后的磁芯的磁场分布示意图；
图6是依照本发明的一实施例的感测单元的信号时序图；
图7是依照本发明的另一实施例的感测单元的信号时序图；
图8是依照本发明的一实施例的电流感测方法的流程图。
附图标记说明
100：电流传感器；
110：驱动电路；
120、220：感测单元；
121、122、221、222：激磁线圈；
123、223、423、523：磁芯；
124、224：拾波线圈；
130：感测电路；
231、232、431、432、433、434、531、532、533、534、535、536：磁化方向；
240、440、540：电流；
241：磁场方向；
Vd：驱动信号；
Bcore：磁场；
Bnet：净磁场；
Vout：输出信号；
B1、B1’、B2、B2’、B3、B3’、B4、B4’：变化曲线；
S810、S820、S830：步骤。
具体实施方式
为了使本公开的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本公开确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1是依照本发明的一实施例的电流传感器的方块示意图。参考图1，电流传感器100包括驱动电路110、感测单元120以及感测电路130。感测单元120包括一对激磁线圈(excitation coil)121、122、磁芯123以及拾波线圈(pickup coil)124。磁芯123可例如是高磁导率材料，例如铁氧体(ferrite)或磁合金(magnetic alloy)等，本发明并不加以限制。在本实施例中，激磁线圈121、122以及拾波线圈124分别缠绕于磁芯123。在本实施例中，驱动电路110耦接激磁线圈121、122，以提供驱动信号至激磁线圈121、122，以在磁芯123上对应产生一对具有相反磁化方向的区域。在本实施例中，拾波线圈124感测磁芯123，并且感测电路130耦接拾波线圈124，以接收拾波线圈124输出的感测结果。
在本实施例中，驱动电路110用以提供具有电压极性为周期性变化的驱动信号至激磁线圈121、122，其周期性变化的电压波形可例如是正弦波(sine wave)、三角波(triangular wave)、方波(square wave)等，本发明并不加以限制。对此，激磁线圈121、122经驱动电路110驱动后所产生的磁场可感应磁芯123，以使磁芯123可产生一对具有周期性变化并且相反磁化方向的区域。并且，磁芯123的一对具有相反磁化方向的区域将各别于感测区域上产生的相同的磁通量。然而，由于磁化方向相反，因此感测区域上的净磁通量为0。因此，当通过磁芯123的感测区域的导线流通电流时，磁芯123的感测区域将对应地产生磁场变化，并且拾波线圈124可通过感测磁芯123所产生的磁场变化，来输出对应的感测结果的输出信号。
图2是依照本发明的一实施例的感测单元的示意图。图3是依照本发明的图2实施例的经激发后的磁芯的磁场分布示意图。参考图2以及图3，感测单元220包括一对激磁线圈221、222、磁芯223以及拾波线圈224。在本实施例中，磁芯223为封闭磁环，但本发明并不限于此。在一实施例中，磁芯223亦可为开放磁环，或其他形状的磁芯结构。在本实施例中，激磁线圈221缠绕于磁芯223的一侧，并且激磁线圈222对称缠绕于磁芯223的另一侧。激磁线圈221、222例如是两条导线以相同缠绕方向缠绕于磁芯223，以对称地感应磁芯123，但本发明并不限于此。在一实施例中，激磁线圈221、222可为同一条导线，并且以相反方向的方式缠绕磁芯223，以对称地感应磁芯123。
如图2所示，缠绕于磁芯223的拾波线圈224的缠绕范围涵盖缠绕于磁芯223的激磁线圈221、222，但本发明并不限于此。激磁线圈221、222以及拾波线圈224的缠绕范围可依据不同感测需求而对应设计之，本发明并不限于图2的缠绕结果。具体而言，激磁线圈221的两线圈端部以及激磁线圈222的两线圈端部分别耦接至驱动电路，以同步接收驱动信号。因此，磁芯223可产生如图3所示的一对相反磁极N、S，并且在所述一对相反磁极N、S之间形成一对具有相反磁化方向231、232的区域。值得注意的是，当激磁线圈221、222接收的电压极性为周期性变化波形的驱动信号时，磁芯223经激发而产生的两个磁极N、S将同样对应地周期性交换。
如图3所示，磁芯223所围的封闭区域形成感测区域，并且电流240通过感测区域。在本实施例中，所述感测区域例如平行于第一方向P1以及第二方向P2所形成的平面，并且电流240通过感测区域的电流方向可垂直于感测区域的平面，但本发明并不限于此。在本实施例中，电流240的电流方向为第三方向P3，并且电流240所产生的磁场的磁场方向241为逆时针。第一方向P1、第二方向P2以及第三方向P3彼此垂直。对此，由于电流240的外加磁场对磁芯223产生影响，以使磁芯223的感测区域的磁场产生变化。因此，拾波线圈224可基于磁芯223的感测区域的磁场变化来取得对应的感测信号，并且拾波线圈224的两线圈端部将输出对应于电流240的输出信号。在本实施例中，拾波线圈224提供的输出信号可为具有交错输出的一对正、负峰值脉波的电压信号。
更详细而言，以极坐标系来说明图2、图3。以磁芯223的感测区域的中心点为原点，并且电流240位于磁芯223的感测区域的中心。激磁线圈221、222将同步地产生方向以及方向的磁场，以磁化磁芯223，以使磁芯223对应产生如图3所示的一对具有相反磁化方向的区域。并且，在磁芯223中的所述一对具有相反磁化方向的区域具有振幅相同但是具有相反符号的磁通量并且，由于磁芯223为封闭磁环，因此在磁芯223内的磁链(magnetic flux linkage)ψ可符合以下公式(1)。
在上述公式(1)当中，N为拾波线圈224的匝数。γ为方向的磁通量所占有的比例，并且(1-γ)为方向的磁通量所占有的比例。因此，基于法拉第定律(Faraday’slaw)，拾波线圈224提供的输出信号ν可符合以下公式(2)。并且，以图3来说，γ为0.5。也就是说，当未有电流流经磁芯223的感测区域时，磁芯223的感测区域的磁链ψ为0(净磁通量为0)，并且输出信号ν为0。然而，当电流240流经磁芯223的感测区域时，线圈224的两极对称性(2-pole excitation)将被打破，并且磁芯223的磁链ψ将产生变化，以使输出信号ν为具有交错输出的一对正、负峰值的电压信号。
值得注意的是，本发明经激发后的磁芯的磁场分布结果不限于图3，以下图4以及图5的实施例将分别提出通过多对激磁线圈来激发磁芯后的磁芯的磁场分布结果。
图4是依照本发明的另一实施例的经激发后的磁芯的磁场分布示意图。参考图4，可基于上述图2实施例的激磁线圈221、222缠绕磁芯223的方式来进一步类推以两对激磁线圈来缠绕磁芯423，以激发磁芯423产生两对相反磁极N、S，并且在所述两对相反磁极N、S之间形成两对具有相反磁化方向431～434的区域。如图4所示，磁芯423所围的封闭区域形成感测区域，并且电流440通过感测区域。在本实施例中，所述感测区域例如平行于第一方向P1以及第二方向P2所形成的平面，并且电流440通过感测区域的电流方向可垂直于感测区域的平面，但本发明并不限于此。在本实施例中，电流440的电流方向为第三方向P3，并且电流440所产生的磁场的磁场方向441为逆时针。对此，由于电流440的磁场对磁芯423产生影响，以使磁芯423的感测区域的磁场产生变化。因此，本实施例的经激发后的磁芯423可同样地通过拾波线圈来感测磁芯423的感测区域的磁场变化，而有效地取得电流440的电流感测结果。
图5是依照本发明的又一实施例的经激发后的磁芯的磁场分布示意图。参考图5，可基于上述图2实施例的激磁线圈221、222缠绕磁芯223的方式来进一步类推以两对激磁线圈来缠绕磁芯523，以激发磁芯523产生两对相反磁极N、S，并且在所述两对相反磁极N、S之间形成两对具有相反磁化方向531～536的区域。如图5所示，磁芯523所围的封闭区域形成感测区域，并且电流540通过感测区域。在本实施例中，所述感测区域例如平行于第一方向P1以及第二方向P2所形成的平面，并且电流540通过感测区域的电流方向可垂直于感测区域的平面，但本发明并不限于此。在本实施例中，电流540的电流方向为第三方向P3，并且电流540所产生的磁场的磁场方向541为逆时针。对此，由于电流540的磁场对磁芯523产生影响，以使磁芯523的感测区域的磁场产生变化。因此，本实施例的经激发后的磁芯523可同样地通过拾波线圈来感测磁芯523的感测区域的磁场变化，而有效地取得电流540的电流感测结果。
图6是依照本发明的一实施例的感测单元的信号时序图。参考图2以及图6，本实施例的信号时序图可适用于图2的感测单元220。在本实施例中，激磁线圈221的两线圈端部以及激磁线圈222的两线圈端部可同步接收由驱动电路提供的驱动信号Vd。如图6所示，驱动信号Vd具有电压极性为周期性变化的变化曲线。在本实施例中，当未有电流通过磁芯223的感测区域时，磁芯223的一对具有相反磁化方向231、232的区域所产生的磁场Bcore具有如图6所示的变化曲线B1、B2的磁场变化结果。
然而，当电流朝第三方向P3通过磁芯223的感测区域的中心时，由于磁芯223的感测区域磁通量平衡(或称磁场平衡)被打破，因此磁芯223的一对具有周期性变换的相反磁化方向231、232的区域所产生的磁场Bcore将对应于电流所提供的外加磁场而改变如图6所示的变化曲线B1’、B2’的磁场变化结果。举例而言，在磁芯223上的磁化方向为顺时针的区域的磁场变化将被提前(变化曲线向左偏移)，并且在磁芯223上的磁化方向为逆时针的区域的磁场变化将被延迟(变化曲线向右偏移)。
对此，由于磁芯223的感测区域磁通量平衡被打破，因此磁芯223的净磁场Bnet(两区域的磁场总合)的变化如图6所示。并且，拾波线圈224可基于上述公式(2)来取得如图6所示的输出信号Vout。输出信号Vout为具有一对正、负峰值脉波交错输出的电压信号，并且正峰值脉波追随负峰值脉波。据此，当通过磁芯223的感测区域的电流发生变化时，输出信号Vout将对应改变，因此接收输出信号Vout的相关后段信号处理电路可通过分析输出信号Vout的对应变化结果，来准确地推得电流的变化结果。
图7是依照本发明的另一实施例的感测单元的信号时序图。参考图2以及图7，本实施例的信号时序图可适用于图2的感测单元220。在本实施例中，激磁线圈221的两线圈端部以及激磁线圈222的两线圈端部可同步接收由驱动电路提供的驱动信号Vd。如图7所示，驱动信号Vd具有电压极性为周期性变化的变化曲线。在本实施例中，当未有电流通过磁芯223的感测区域时，磁芯223的一对具有相反磁化方向231、232的区域所产生的磁场Bcore具有如图7所示的变化曲线B3、B4的磁场变化结果。
然而，当电流朝相反于第三方向P3通过磁芯223的感测区域的中心时，由于磁芯223的感测区域磁通量平衡被打破，因此磁芯223的一对具有周期性变换的相反磁化方向231、232的区域所产生的磁场Bcore将对应于电流所提供的外加磁场而改变如图7所示的变化曲线B3’、B4’的磁场变化结果。举例而言，在磁芯223上的磁化方向为顺时针的区域的磁场变化将被延迟(变化曲线向右偏移)，并且在磁芯223上的磁化方向为逆时针的区域的磁场变化将被提前(变化曲线向左偏移)。
对此，由于磁芯223的感测区域磁通量平衡被打破，因此磁芯223的净磁场Bnet(两区域的磁场总合)的变化如图7所示。并且，拾波线圈224可基于上述公式(2)来取得如图7所示的输出信号Vout。输出信号Vout为具有一对正、负峰值脉波交错输出的电压信号，并且负峰值脉波追随正峰值脉波。据此，当通过磁芯223的感测区域的电流发生变化时，输出信号Vout将对应改变，因此接收输出信号Vout的相关后段信号处理电路可通过分析输出信号Vout的对应变化结果，来准确地推得电流的变化结果。
图8是依照本发明的一实施例的电流感测方法的流程图。参考图1以及图8，本实施例的电流感测方法可至少适用于图1实施例的电流传感器100。电流传感器100可运作如步骤S810～S830。在S810中，驱动电路110通过激磁线圈121、122激发磁芯123，以在磁芯123上产生至少一对具有相反磁化方向的区域。在步骤S820中，电流经导线提供以通过磁芯123的感测区域，以使磁芯123对应地产生磁场变化。在步骤S830中，缠绕于磁芯的拾波线圈124感测磁芯123的磁场变化，以输出对应于所述电流的输出信号至感测电路130。因此，本实施例的电流感测方法可使电流传感器100提供准确的电流感测效果。
另外，关于本实施例所述的电流传感器100的相关元件特征、实施方式以及技术细节可参考上述图1至图7实施例的说明而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。
综上所述，本发明的电流感测方法以及电流传感器可通过在磁芯上激发至少一对相反磁极，以产生至少一对具有相反磁化方向的区域，并且对经激发后的磁芯的感测区域提供的电流后，可接着通过缠绕于磁芯的拾波线圈来感测磁芯的磁场变化，以输出对应于电流的输出信号。因此，本发明的电流感测方法以及电流传感器可有效感测流经磁芯的感测区域的电流，以使后端的信号处理电路可通过分析电流传感器提供的输出信号来准确地判断电流的变化结果。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
Claims (16)
1.一种电流感测方法，其特征在于，包括：
激发磁芯，以在所述磁芯上产生至少一对具有相反磁化方向的区域；
提供电流通过所述磁芯的感测区域，以使所述磁芯对应地产生磁场变化；以及
通过缠绕于所述磁芯的拾波线圈来感测所述磁芯的所述磁场变化，以输出对应于所述电流的输出信号。
2.根据权利要求1所述的电流感测方法，其中激发所述磁芯的步骤包括：
通过驱动电路提供驱动信号至缠绕于所述磁芯的至少一对激磁线圈，以使所述至少一对激磁线圈激发所述磁芯，以在所述磁芯上产生至少一对相反磁极。
3.根据权利要求2所述的电流感测方法，其中缠绕于所述磁芯的所述拾波线圈的缠绕范围涵盖缠绕于所述磁芯的所述至少一对激磁线圈。
4.根据权利要求2所述的电流感测方法，其中所述驱动信号为具有周期性变化波形的电压信号，并且所述磁芯经激发而产生的两个磁极将对应地周期性交换。
5.根据权利要求4所述的电流感测方法，其中所述磁芯的所述至少一对具有相反磁化方向的区域在感应区域上各别产生的磁通量随着所述驱动信号改变，并且所述磁芯的所述至少一对具有相反磁化方向的区域在所述感应区域上各别产生的磁场变化对应于所述电流的电流方向而提前或延迟。
6.根据权利要求1所述的电流感测方法，其中所述磁芯为封闭磁芯环，并且所述封闭磁芯环所围的封闭区域形成所述感测区域。
7.根据权利要求1所述的电流感测方法，其中所述电流通过所述感测区域的电流方向垂直于所述感测区域的平面。
8.根据权利要求1所述的电流感测方法，其中当通过所述磁芯的所述感测区域的导线未提供所述电流时，所述磁芯的所述至少一对具有相反磁化方向的区域各别在所述感测区域提供相同磁通量。
9.一种电流传感器，其特征在于，包括：
磁芯，包括至少一对具有相反磁化方向的区域，其中当电流通过所述磁芯的感测区域时，所述磁芯对应地产生磁场变化；以及
拾波线圈，缠绕于所述磁芯，并且用以感测所述磁芯的所述磁场变化，以输出对应于所述电流的输出信号。
10.根据权利要求9所述的电流传感器，还包括：
至少一对激磁线圈，缠绕于所述磁芯；以及
驱动电路，耦接所述至少一对激磁线圈，并且用以提供驱动信号至所述至少一对激磁线圈，以使所述至少一对激磁线圈激发所述磁芯，以在所述磁芯上产生至少一对相反磁极。
11.根据权利要求10所述的电流传感器，其中缠绕于所述磁芯的所述拾波线圈的缠绕区域涵盖缠绕于所述磁芯的所述至少一对激磁线圈。
12.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述驱动信号为具有周期性变化波形的电压信号，并且所述磁芯经激发而产生的两个磁极将对应地周期性交换。
13.根据权利要求12所述的电流传感器，其中在所述磁芯的所述至少一对具有相反磁化方向的区域在感应区域上各别产生的磁通量随着所述驱动信号改变，并且所述磁芯的所述至少一对具有相反磁化方向的区域在所述感应区域上各别产生的磁场变化对应于所述电流的电流方向而提前或延迟。
14.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述磁芯为封闭磁芯环，并且所述封闭磁芯环所围的封闭区域形成所述感测区域。
15.根据权利要求9所述的电流传感器，其中所述电流通过所述感测区域的电流方向垂直于所述感测区域的平面。
16.根据权利要求9所述的电流传感器，其中当通过所述磁芯的所述感测区域的导线未提供所述电流时，所述磁芯的所述至少一对具有相反磁化方向的区域各别在所述感测区域提供相同磁通量。
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