CN111398658A - 一种隔离电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离电流传感器，采样电阻将采集到的电流信号转换成电压信号，并传送至隔离放大器进行隔离放大，隔离放大器将隔离放大后的信号传送至隔离放大器信号调理模块，进行滤波处理得到低频电流信号，隔离放大器信号调理模块将低频电流信号传送至信号后处理模块；罗氏线圈检测流过测定对象的电流并输出与该电流的电流值对应的高频电流信号，并将高频电流信号传送至罗氏线圈信号调理模块，进行滤波处理；罗氏线圈信号调理模块将滤波处理的后信号传送至信号后处理模块；信号后处理模块将收到的低频信号和高频信号进行重建处理，从而得到原始的带宽电流信号。本发明成本低、体积小、结构简单，极大的提高了电力电子设备的动态响应性能。

Description

一种隔离电流传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种隔离电流传感器。

背景技术

近年来电力电子技术日新月异，硅基器件得到广泛应用，并在很多领域取得非常好的效益。但硅基器件存在的问题也日益突出，为了根本解决硅器件存在的低效率，低功率密度等缺点，宽禁带器件应运而生。宽禁带器件具有宽禁带宽度、高导热率、高临界击穿场强和高载流子饱和速度等优点，可以使电力电子设备具有高效率、高功率密度等优点。宽禁带必然是未来方向，随着电动汽车领域大规模应用宽禁带器件必然导致宽禁带器件的成本大幅度下降，从而完成对硅器件的替代。

宽禁带器件的开关速度至少是硅基器件开关速度的5～10倍以上，理论上使用宽禁带器件的电力电子设备的动态性能至少是硅器件的5～10倍以上，但实际上目前使用宽禁带器件的电力电子设备动态性能基本和传统硅基器件设备相仿！这里面有诸多原因，比较重要的一个原因是隔离电流传感器还是沿用以前的传统的隔离电流传感器，传统的隔离电流传感器带宽非常有限，比如基于霍尔效应的开环、闭环传感器带宽大约为 100KHz左右，基于隔离放大器的电流检测方案一般带宽在80KHz左右。从控制理论可知，传感器的带宽一般十倍于系统穿越频率，所以使用基于上述电流传感器的电力电子设备，即使开关频率可以达到10MHz以上，但是电流环的穿越频率依然和使用硅器件的设备相仿。如果使用多电平技术，等效开关频率甚至可以达到50MHz以上。为了彻底释放宽禁带电力电子设备的性能，需要大幅度提高电流传感器的带宽，极大提升电力电子设备动态性能。但是市面上目前能找到的最高带宽的隔离电流传感器只有1MHz，在某些应用已经可以做到比传统电力电子设备快很多。但在某些高动态性能电源领域，需要电流环带宽达到1MHz，那么电流传感器带宽至少需要10MHz以上。这种隔离电流传感器是买不到现成商用的，只能通过分立器件自行搭建电路实现。

虽然也有相关专利提供一些解决方法，比如专利CN105190322公布了一种方法，利用磁传感器结合罗氏线圈的方法，利用传感器数据融合的理念，将磁传感测的低频信号和罗氏线圈测得的高频信号，通过数学运算得到原始的高带宽电流信号，可以做到10MHz 以上的电流检测带宽。另外PCT专利WO2017197269公布另一种方法，原理和CN105190322 一样，也是利用传感器数据融合的理念，只不过低频信号是通过磁阻效应传感器获得的，磁阻效应传感器带宽一般可以达到1MHz，比霍尔效应传感器带宽更高。上述两种方法虽然都能实现10MHz以上的电流采样带宽，但是CN105190322专利用了基于磁传感器的方法测低频信号，磁传感器需要铁氧体磁芯，一般体积稍大，不能做到非常小的体积；而且使用磁元件需要一定的结构来安装磁芯，结构设计稍显繁琐。专利WO2017197269使用了磁阻效应传感器，这种传感器还没有得到广泛应用，成本依然比较高，供应商也不多。其实，测量低频信号的传感器不需要特别高的带宽，只要设计得当，完全不需要磁阻效应这种稍显偏门同时也稍微昂贵一点的传感器。上述两种方法都不能做到小体积、低成本，基于以上事实。

发明内容

发明目的：为解决现有技术存在体积大、成本高、涉及结构繁琐等问题本发明提供一种隔离电流传感器。

技术方案：本发明提供一种隔离电流传感器，该电流传感器包括:低频电流信号采样模块、高频电流信号采样模块、和信号后处理模块；所述低频电流信号采样模块包括：采样电阻、隔离放大器、隔离放大器信号调理模块；所述高频电流信号采样模块包括：罗氏线圈、罗氏线圈信号调理模块；所述隔离放大器信号调理模块包括第一低通滤波器，所述罗氏线圈信号调理模块包括第二低通滤波器；

所述采样电阻将测得的低频电流转换成电压信号，并将该电压信号传送至隔离放大器进行隔离放大，所述隔离放大器与隔离放大器信号调理模块级联，所述隔离放大器将隔离放大后的信号传送至隔离放大器信号调理模块；所述隔离放大器信号调理模块中的第一低通滤波器对收到的信息进行滤波处理，得到低频电流信号的采样，并将采样的低频电流信号传送至信号后处理模块；所述罗氏线圈与罗氏线圈信号调理模块级联，所述罗氏线圈将测得的高频电流信号传送至罗氏线圈信号调理模块；所述罗氏线圈信号调理模块中的第二低通滤波器对收到的高频电流信号进行滤波处理，得到高频电流信号的采样，并将滤波处理后的信号传送至信号后处理模块；所述信号后处理模块将收到的低频信号和高频信号进行重建处理，从而得到原始的带宽电流信号。

进一步的，隔离放大器与隔离放大器信号调理模块级联时满足：ω_lf＜＜ω_{iso_amp}，ω_lf为第一低通滤波器的带宽；则隔离放大器与隔离放大器信号调理模块级联后的传递函数为：

其中，G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，G_lf为第一低通滤波器的传递函数，K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，K_lf为第一低通滤波器的传递函数的系数，s 为拉普拉斯算子，ω_{iso_amp}为隔离放大器的带宽。

进一步的，述罗氏线圈与罗氏线圈信号调理模块级联时满足：ω_{lf_rg}＜＜ω_{rg_coil}，其中ω_{lf_rg}为第二低通滤波器的带宽，ω_{rg_coil}为罗氏线圈的带宽；

则罗氏线圈与罗氏线圈信号调理模块级联后的传递函数为：

G_{rg_coil}为罗线圈的传递函数，G_{lf_rg}为第二低通滤波器的传递函数，K_{lf_rg}为第二低通滤波器的系数，M_{rg_coil}为罗氏线圈的互感系数，s为拉普拉斯算子。

进一步的，所述信号后处理模块将收到的低频信号和高频信号进行重建处理，从而得到原始的带宽电流信号；具体为：将低频信号和高频信号相加；重建时满足以下条件：

ω_lf＝ω_{lf_rg}

K_{iso_amp}K_lf＝K_{lf_rg}ω_lfM_{rg_coil}＝K_i

其中，ω_lf为第一低通滤波器的带宽，ω_{lf_rg}为第二低通滤波器的带宽；K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，K_lf为第一低通滤波器的传递函数的系数；K_{lf_rg}为第二低通滤波器的系数，M_{rg_coil}为罗氏线圈的互感系数；K_i为比例系数常数；

则信号后处理模块的传递函数为：

其中，G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，G_lf为第一低通滤波器的传递函数，G_{rg_coil}为罗线圈的传递函数，G_{lf_rg}为第二低通滤波器的传递函数。

进一步的，所述第一、二低通滤波器采用RC低通滤波器、基于运放的有源低通滤波器或数字滤波器，采用数字滤波器时，通过各种数字处理电路实现，包括DSP，单片机，处理器，ASIC或者FPGA。

进一步的，当隔离放大器的传输函数采用二阶低通滤波等效代替时，其传递函数具体如下所示：

其中，G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，ω_{iso_amp}为隔离放大器的带宽，ζ_iso-amp为隔离放大器的传递函数的阻尼系数，s为拉普拉斯算子。

有益效果：本发明利用非常灵活的低成本隔离放大器(Sigma-Delta)，结合PCB板载罗氏线圈，经过后处理电路可以精确重建原始宽带电流信号。可以实现低成本、超小体积、宽带、隔离电流采样；同时依然可以保证10MHz以上的带宽，从而极大提高电力电子设备的动态响应性能。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

附图说明：1、采样电阻；2、隔离放大器；3、罗氏线圈；4、罗氏线圈信号调理模块；5、隔离放大器信号调理模块；6、信号后处理模块；7、带宽电流信号。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如附图1所示，本实施例提供的一种隔离电流传感器，主要包括低频电流信号采样、高频电流信号采样和信号后处理模块6。首先被测电流经过低阻值电流采样电阻1 得到电压信号，经过隔离放大器2、同时经过隔离放大器信号调理模块5后得到低频电流信号，同时利用罗氏线圈3、罗氏线圈信号调理模块4实现对高频电流信号的采样，最后信号后处理模块6重建原始电流信号，从而得到原始宽带电流信号7。

因为目前隔离放大器已经处于大规模商用阶段，小体积单芯片的隔离放大器非常容易得到，同时罗氏线圈可以做到PCB板内，后处理电路基本也由集成电路实现，所以整个电路传感器可以做到很小的体积，同时整个传感器没有用任何昂贵的器件，所以整个传感器的成本极低，非常容易实现。

另外，隔离放大器一般由sigma-delta调试实现，目前可以用商用的低成本单芯片高分辨率sigma-delta调制器和sigma-delta解调器，配合数字隔离器实现高精度隔离放大器，性能和成本可以非常方便的伸缩扩展。

下面将分别从低频信号采样、高频信号采样和信号后处理三部分着手，通过描述各部分功能及连接方式来具体说明该发明的实施方式。

⑴低频信号采样

被测电流经过采样电阻1后得到和电流成正比的一个模拟电压，经过隔离放大器2和隔离放大器信号调理模块5，可以得到被测电流的一个低频采样，即等效经过一个低通滤波。从后面信号后处理部分分析可知，对于低频信号采样部分需要得到一个精确的低频传输函数，否则无法精确重建原始信号，但是一般目前商用的隔离放大器传输函数无法精确得到，其真实传输函数是一个高阶低通传输函数。为了使得后续能精确重建原始信号，需要将隔离放大器经过一个带宽远小于隔离放大器带宽的精确的低通滤波器，这样级联的传输函数主要由精确的低通滤波器决定。

假设隔离放大器的传输函数是一个高阶低通滤波器，但是可以用二阶低通等效代替，因为肯定可以找到一个标准二阶函数的最佳拟合，具体传输函数如下：

G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，ω_{iso_amp}为隔离放大器的带宽，ζ_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的阻尼系数，s为拉普拉斯算子。

隔离放大器信号调理模块5为第一低通滤波器；

隔离放大器的输出经过如下精确已知的第一低通滤波器处理：

G_lf：第一低通滤波器的传递函数(隔离放大器低通滤波器传递函数)，K_lf为第一低通滤波器的传递函数的系数，ω_lf为第一低通滤波器的带宽。

该第一低通滤波器可以通过RC滤波、基于运放的有源低通滤波者数字滤波器实现、采用数字滤波器时，通过各种数字处理电路实现，包括DSP，单片机，处理器，ASIC 或者FPGA。那么隔离放大器与第一低通滤波器级联后的传递函数为：

考虑如下关系：

ω_lf＜＜ω_{iso_amp}

那么可以将上式化简为：

由此可见，经过处理的传递函数主要由G_lf决定，从而方便了后处理。

⑵高频信号采样

高频信号可以由罗氏线圈3得到，罗氏线圈的传递函数如下：

G_{rg_coil}为罗线圈的传递函数，ω_rgcoil为罗氏线圈的带宽，M_{rg_coil}为罗氏线圈的互感系数，ζ_{rg_coil}为罗氏线圈的阻尼系数。

罗氏线圈的输出需要经过罗氏线圈信号调理模块4进行信号调理，信号调理实质等效为一个精确已知的第二低通滤波器，其传递函数如下：

K_{lf_rg}为第二低通滤波器的系数，ω_{lf_rg}为第二低通滤波器的带宽；G_{lf_rg}为第二低通滤波器的传递函数。该第二低通滤波器可以通过RC滤波、基于运放的有源低通滤波者数字滤波器实现、采用数字滤波器时，通过各种数字处理电路实现，包括DSP，单片机，处理器，ASIC或者FPGA。

那么经过信号调理后的输出为：

同时在设计阶段确保如下关系：

ω_{lf_rg}＜＜ω_{rg_coil}

那么上述传递函数可以将进一步化简为：

⑶信号后处理

信号后处理模块6的主要功能就是从前述的低频采样和高频采样信号中精确重建原始信号，其实质是将低频采样和高频采样做加法操作，那么得到系统传递函数如下：

如果经过精心设计，确保以下关系成立：

ω_lf＝ω_{lf_rg}

K_{iso_amp}K_lf＝K_{lf_rg}ω_lfM_{rg_coil}＝K_i

K_i：比例系数常数

那么系统传递函数化简为:

由此可知，经过后处理后系统传递函数等效为纯比例环节，带宽非常高，原始电流信号得到精确重建。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (6)

1.一种隔离电流传感器，其特征在于，包括：低频电流信号采样模块、高频电流信号采样模块、信号后处理模块；所述低频电流信号采样模块包括：采样电阻、隔离放大器、隔离放大器信号调理模块；所述高频电流信号采样模块包括：罗氏线圈、罗氏线圈信号调理模块；所述隔离放大器信号调理模块包括第一低通滤波器，所述罗氏线圈信号调理模块包括第二低通滤波器；

所述采样电阻将测得的低频电流转换成电压信号，并将该电压信号传送至隔离放大器进行隔离放大，所述隔离放大器与隔离放大器信号调理模块级联，所述隔离放大器将隔离放大后的信号传送至隔离放大器信号调理模块；所述隔离放大器信号调理模块中的第一低通滤波器对收到的信息进行滤波处理，得到低频电流信号的采样，并将采样的低频电流信号传送至信号后处理模块；所述罗氏线圈与罗氏线圈信号调理模块级联，所述罗氏线圈将测得的高频电流信号传送至罗氏线圈信号调理模块；所述罗氏线圈信号调理模块中的第二低通滤波器对收到的高频电流信号进行滤波处理，得到高频电流信号的采样，并将滤波处理后的信号传送至信号后处理模块；所述信号后处理模块将收到的低频信号和高频信号进行重建处理，从而得到原始的带宽电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种隔离电流传感器，其特征在于，隔离放大器与隔离放大器信号调理模块级联时满足：ω_lf＜＜ω_{iso_amp}，ω_lf为第一低通滤波器的带宽，ω_{iso_amp}为隔离放大器的带宽；则隔离放大器与隔离放大器信号调理模块级联后的传递函数为：

其中，G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，G_lf为第一低通滤波器的传递函数，K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，K_lf为第一低通滤波器的传递函数的系数，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的一种隔离电流传感器，其特征在于，述罗氏线圈与罗氏线圈信号调理模块级联时满足：ω_{lf_rg}＜＜ω_{rg_coil}，其中ω_{lf_rg}为第二低通滤波器的带宽，ω_{rg_coil}为罗氏线圈的带宽；则罗氏线圈与罗氏线圈信号调理模块级联后的传递函数为：

G_{rg_coil}为罗线圈的传递函数，G_{lf_rg}为第二低通滤波器的传递函数，K_{lf_rg}为第二低通滤波器的系数，M_{rg_coil}为罗氏线圈的互感系数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述的一种隔离电流传感器，其特征在于，所述信号后处理模块将收到的低频信号和高频信号进行重建处理，从而得到原始的带宽电流信号；具体为：将低频信号和高频信号相加；重建时满足以下条件：

ω_lf＝ω_{lf_rg}

K_{iso_amp}K_lf＝K_{lf_rg}ω_lfM_{rg_coil}＝K_i

其中，ω_lf为第一低通滤波器的带宽，ω_{lf_rg}为第二低通滤波器的带宽；K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，K_lf为第一低通滤波器的传递函数的系数；K_{lf_rg}为第二低通滤波器的系数，M_{rg_coil}为罗氏线圈的互感系数；K_i为比例系数常数；

则信号后处理模块的传递函数为：

其中，G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，G_lf为第一低通滤波器的传递函数，G_{rg_coil}为罗线圈的传递函数，G_{lf_rg}为第二低通滤波器的传递函数。

5.根据权利要求1所述的一种隔离电流传感器，其特征在于，所述第一、二低通滤波器采用RC低通滤波器、基于运放的有源低通滤波器或数字滤波器，采用数字滤波器时，通过各种数字处理电路实现，包括DSP，单片机，处理器，ASIC或者FPGA。

6.根据权利要求1所述的一种隔离电流传感器，其特征在于，当隔离放大器的传输函数采用二阶低通滤波等效代替时，其传递函数具体如下所示：

其中，G_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数，K_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的系数，ω_{iso_amp}为隔离放大器的带宽，ζ_{iso_amp}为隔离放大器的传递函数的阻尼系数，s为拉普拉斯算子。

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