CN111837043A - 使用电隔离并集成在印刷电路板上的感测电流瞬时变化率的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感测电流变化率的传感器，用以保护具有功率层和测量层的功率模块中的桥臂，所述传感器包括线圈和至少三个导体(C1，C2，Cp)。每个所述导体的一端连接到公共节点，同时每个所述导体的另一端分别用作电端子。所述至少三个导体包含在同一平面内，称为主平面，同时每个所述导体都有一个垂直于所述主平面的对称平面，每个所述对称平面都穿过所述公共节点及相应的端子。第一导体和第二导体相同并相对于第三导体对称放置，以及至少一对线圈相对于所述对称平面对称放置。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成在印刷电路中的感测电流瞬时变化率的传感器。更具体地，涉及对包括导体和线圈的空气互感器型的传感器的改进。该传感器尤其适用于测量功率模块的桥臂电流并对其进行保护。关于电子电路的拓扑结构，本发明特别解决了对多个导体的节点上电流的测量。
背景技术
将能量转化为电力正在迅速发生变化。这种动力是由发生在以下领域中的各种变革来驱动的，即汽车(混合动力和全电动交通工具，充电站)、铁路(火车电子集成度的增加，新的以及更节能的配电站)、航空(更电气化的航空器)、太空(能量转换中数字技术的到来)、工业(提高在没有转换器即可连接到网络的工厂的能源效率…)、能源(可再生能源、超级电网、微电网的整合)。
诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和宽间隙半导体(例如，镓(GaN)和SiC)等功率模块中的新技术提高了“电气化功能”的效率和集成水平，从而使电力电子的这种新发展成为可能。另一方面，这些模块内部的温度达到峰值(>125℃，最高255℃)。
功率模块由桥臂组成，桥臂的开关时间由于“宽带隙”组件变得非常短。通常，100A在10ns内被关闭。因此，设计规则必须使得减少寄生电感，以限制过电压并减少聚集在开关电路的电感元件中的能量。
然而，在臂和/或负载中仍然可能存在故障，必须在达到禁止的过电流之前感测到该故障。因此，必须有一种电流传感器能够在电流建立后立即测量电流的快速瞬时变化，特别是在静态能量转换器的桥臂中的电流变化，以提前感测故障；传感器自然必须热地和机械地经得起这些故障电流。通常必须在故障出现后并在随后禁止的过电流建立之前在几百纳秒内感测到该故障，以便能够在通常小于1μs的延迟内打开臂的电路。这种电流传感器不能产生大于几nH的寄生电感。
已知来自US7990132的电流传感器包括位于集成电路芯片内并电感耦合到位于电路封装内的导体的线圈。电感感测导体中的电流并将感测到的信号提供给积分器，该积分器提供表示导体中的电流的电压。
已知文献US20060038552的电流感测设备包括第一线圈和与第一线圈串联的第二线圈。该电流感测设备能够感测流过在第一线圈和第二线圈之间设置或在第一线圈或第二线圈附近设置的物体的电流。每一个第一线圈和第二线圈具有在基板的表面上设置的第一导电图案、在基板的背面上设置的第二导电图案，以及连接第一导电图案和第二导电图案的连接件。还提供了一种半导体装置，包括用于测量在半导体元件中流过的电流的电流感测设备。
对于本领域的技术人员来说，例如通过在三维正交坐标系的三个轴上定位三个端点来找到三维拓扑结构显而易见。可以在坐标系的每一个平面上进行场测量，由此受益于三个端点的三个电流之间的相对抗扰度。然而，这一原理在实际中实施起来非常困难，成本也高，特别是对于为了必要的最小化寄生电感所需要的优化导线长度的限制。
需要解决如下几个问题：
-同时地并单独地测量在桥臂及其负载内形成的di/dt；
-对电流的变化率进行直接的物理测量，以使得可以在尽可能无噪音的情况下快速处理原始信息；
-最小化开关电路中引起的任意寄生电感；
-具有非常短的响应时间；
-非常紧凑地、理想地集成到印刷电路板(PCB)中，并与组件安装在表面上的模型兼容；
-对超强dV/dt不敏感；
-确保电气隔离；
-不受电磁干扰，特别是由其它桥臂(例如在全桥或三相桥的情况下)和其他邻近电源电路所产生的串扰。
发明内容
为了达到上述目的中的至少一种，本发明旨在提供一种用于感测电流变化率的传感器，该传感器包括线圈和至少三个导体(C1，C2，Cp)。此外，该传感器还具有以下特征：
-每个所述导体的一端连接到公共节点(N)；
-每个所述导体的另一端分别用作电端子(T1，T2，Tp)；
-所述至少三个导体包含在同一平面内，称为主平面(P)；
-每个所述导体(C1，C2，Cp)都有一个垂直于所述主平面的对称平面(P1，P2，Pp)，每个所述对称平面都穿过所述公共节点(N)及相应的所述电端子(T1，T2，Tp)；
-第一导体(C1)和第二导体(C2)相同并相对于第三导体(Cp)对称放置；
-至少一对线圈相对于所述对称平面(P1，P2，Pp)对称放置。
根据本发明其它有利且非限制性的特征，采用下列单独或任何技术上可行的组合：
-至少两个对称平面重叠；
-第一导体和第二导体对齐并且相应端子之间的距离最小；
-第三导体的线圈中的一个与第一导体的线圈中的一个相同，以及第三导体的另一个线圈与第二导体的的线圈中的一个相同。
-导体呈直线平面状；
-导体为多层的或条纹的；
-导体(C1，C2，Cp)和线圈在多层印刷电路上形成；
-导体(C1，C2，Cp)是多径的以及多层的，具有在电机中常用的“罗贝尔棒(barres deRoebel)”拓扑结构，以减少引起高频导体的内阻和电感增加的涡流。
-所描述的拓扑结构的作用在于在导体平面的中间厚度的区域中相对于磁现象定位等效的虚拟导电层；
-该传感器包括蚀刻在多层印刷电路中并连接到功率层和测量层之间的固定电位的静电屏蔽体；
-对屏蔽体进行蚀刻以合理地引导涡流；
-所有功率层聚集在第一层的平面，以及所有测量层聚集在第二层的平面，第一层在第二层之上或之下。
附图说明
本发明的其他特征和优点将参照附图在本发明的具体描述中示出，在附图中：
-图1是用于测量三种电流的感测电流的瞬时变化率的传感器的示意图；
-图2是用于测量桥臂电流以及桥式转换器拓扑的相电流的感测电流的瞬时变化率的传感器的示意图；
-图3是用于测量桥臂电流的感测电流的瞬时变化率的传感器的示意图。
具体实施方式
为了简化下面的描述，相同的标记用于表示相同的元件行或在所描述设备的不同变型中执行相同功能的元件。
用于三种电流的测量的实施例的示例如下：
图1示出了用于在三极结构中瞬时测量三个电流的瞬时变化率的传感器的第一实施例。该传感器感测电流瞬时变化率并包括C1、C2和Cp三个导体，每个导体的一端连接到公共节点N，同时每个导体的另一端被定义为电端子T1、T2、Tp。注意到电流Ip、I1和I2流经该三个端子Tp、T1和T2。
所有三个导体实质上包含在同一平面上，即在纸平面上，称为主平面。此外，为导体Cp定义了对称平面Pp，该对称平面穿过节点N与端子Tp之间的线，并垂直于主平面。一对线圈30和31相对于平面Pp对称放置，并且每个线圈分别位于导体Cp的一侧。同样地，分别针对导体C1和C2来定义垂直于主平面的对称平面P1和P2，对称平面P1通过节点N和端子T1之间的线，对称平面P2通过节点N和端子T2之间的线。
一对线圈10和11相对于平面P1对称放置，并且每个线圈分别位于导体C1的一侧，同时，一对线圈20和21相对于平面P2对称地放置，并且每个线圈分别位于导体C2的一侧。在每一对线圈中，一个线圈是在左边方向布线，另一个线圈在右边方向布线，这些线圈被称为：Sp1D 10，Sp1G 11，Sp2D 20，Sp2G 21，SppD 30和SppG 31。
例如，独立于I1和I2的值，电流Ip的瞬时变化率的测量，不受I1和I2的值通过由以下组合组成的线圈传递的电动势来获得：
-SppD串联，SppG反向串联
-Sp1G反向串联，Sp1D反向串联
-Sp2G串联，Sp2D串联
同样地，独立于另外两个电流，I1的瞬时变化率的值通过以下组合来获得：
-SppD反向串联，SppG反向串联
-Sp1G反向串联，Sp1D串联
-Sp2G串联，Sp2D串联
以及对于I2的变化率：
-SppD反向串联，SppG反向串联
-Sp1G串联，Sp1D串联
-Sp2G串联，Sp2D反向串联
在本实施例的情况中，圆形线圈是作为说明而不是作为限制给出的。
感测针对桥臂电流和相电流的电流的瞬时变化率的传感器示例如下：
图2示出了测量桥臂电流和相电流的电流瞬时变化率的传感器的第二实施例。电流传感器包括三个导体C1、C2、Cp。导体C1和C2是相同的，并相对于导体Cp对称并垂直地对齐和放置。每个导体的一端连接到公共节点N，而每个导体的另一端被定义为电端子T1、T2、Tp。电流I1流经端子T1，电流I2流经端子T2，电流Ip流经端子Tp。根据定义，电流被限定为是输入的。
这三个导体都包含在同一平面上，即在纸平面上，称为主平面。与第一实施例相似，也为每个导体C1、C2和Cp定义了垂直于主平面的三个对称平面P1、P2和Pp。当导体C1和C2对齐时，对称平面P1和P2重合。
一对线圈43和44相对于平面Pp对称地放置，并且每个线圈分别位于导体Cp的一侧。导体C1和C2的一侧分别有线圈41和42。通过对称性，一对线圈41和43相对于平面P1对称地放置，并且每个线圈分别在导体C1的一侧，而一对线圈42和44相对于平面P2对称地放置，并且每个线圈分别在导体C2的一侧。
根据定义，这四个线圈沿垂直于主平面的方向定向，在纸面上正向流动。
出于说明而非限制性目的，线圈示出为正方形形状。只要遵守对称性，线圈可以是矩形、圆形等等。
在电路C1、C2、Cp与四个线圈中的每个线圈之间引入12个互感，用Mxxy表示，其中xx表示线圈，y表示电流。电感的值被限定为正。
通过叠加计算每个线圈内的通量，可以写出以下方程：
Phi1D＝-M1D1.I1+M1D2.I2-M1Dp.Ip
PhipD＝MpD1.I1-MpD2.I2-MpDp.Ip
PhipG＝MpG1.I1-MpG2.I2+MpGp.Ip
Phi2G＝-M2G1.I1+M2G2.I2+M2Gp.Ip
由于结构的对称性，这组方程可以被简化。
实际上，由于线圈相对于平面Pp的对称性，有以下性质:
MpGp＝MpDp＝Mpp
M2Gp＝M1Dp＝Mip
实际上，由于线圈相对于平面P1的对称性，有以下性质:
M1D1＝MpD1＝Mii
M2G1＝MpG1＝Mij
实际上，由于线圈相对于平面P2的对称性，有以下性质:
M2G2＝MpG2＝Mii
M1D2＝MpD2＝Mji
此外，由于导体C1和C2相对于平面Pp的对称性，进一步有以下性质：
Mij＝Mji
最终得到只有4个运算参数的4个方程组，记为Mii、Mji和Mpp、Mip。
即：
Phi1D＝-Mii.I1+Mji.I2-Mip.Ip
PhipD＝+Mii.I1–Mji.I2-Mpp.Ip
PhipG＝+Mji.I1-Mii.I2+Mpp.Ip
Phi2G＝-Mji.I1+Mii.I2+Mip.Ip
IMC共模电流和IMD差模电流定义如下：
因此，I1＝IMC+IMD
以及，I2＝IMC–IMD
节点定律是：Ip＝-I1-I2
因此，Ip＝-2IMC
由此可见，相电流是共模电流的像，而臂电流是差模电流的像。
还应记住，线圈端子处的电动势与采集到的通量相对于时间的导数成比例。因此，在线圈的端子处出现电势差，与在通量的起点处相邻电流的变化率成正比。
重写通量方程，以显示两种电流IMC和IMD：
Phi1D＝-Mii.(IMC+IMD)+Mji.(IMC-IMD)+2Mip.IMC
PhipD＝+Mii.(IMC+IMD)–Mji.(IMC-IMD)+2Mpp.IMC
PhipG＝+Mji.(IMC+IMD)–Mii.(IMC-IMD)-2Mpp.IMC
Phi2G＝-Mji.(IMC+IMD)+Mii.(IMC-IMD)-2Mip.IMC
现在计算由以下组合组成的SpMC线圈的通量：
-Sp1D串联
-SppD反向串联
-SppG串联
-Sp2G反向串联
这种组合是有利的，因为它由双微分对组成，因此特别地抑制了所有来自外部场的通量。
得到一个完整的通量，记为PhiMC，如下:
PhiMC＝-Mii.(IMC+IMD)+Mji.(IMC-IMD)+2Mip.IMC-Mii.(IMC+IMD)+Mji.(IMC-IMD)-2Mpp.IMC+Mji.(IMC+IMD)–Mii.(IMC-IMD)-2Mpp.IMC+Mji.(IMC+IMD)–Mii.(IMC-IMD)+2Mip.IMC
PhiMC＝-2Mii.(IMC+IMD)+2Mji.(IMC-IMD)+4Mip.IMC+2Mji.(IMC+IMD)-2Mii.(IMC-IMD)-4Mpp.IMC)
PhiMC＝IMC.(-2Mii+2Mji+4Mip-4Mpp+2Mji-2Mii)+IMD.(-2Mii-2Mji+2Mji+2Mii)
PhiMC＝IMC.(-4Mii+4Mji+4Mip-4Mpp)
PhiMC＝2Ip.(-Mii+Mji+Mip-Mpp)
PhiMC不依赖于为臂电流的像的差模电流(IMD)，而只依赖于为相电流的像的共模电流(IMC)。因此，这种拓扑结构使得相电流独立于臂电流被访问。
现在计算由以下组合组成的SpMD的螺旋的通量：
-Sp1D串联
-SppD反向串联
-SppG反向串联
-Sp2G串联
这种组合是有利的，因为它由差分对组成，可以很好地抵抗外部场的影响。
得到一个完整的通量，记为PhiMD，如下：
PhiMD＝-Mii.(IMC+IMD)+Mji.(IMC-IMD+2Mip.IMC-Mii.(IMC+IMD)+Mji.(IMC-IMD)-2Mpp.IMC-Mji.(IMC+IMD)+Mii.(IMC-IMD+2Mpp.IMC-Mji.(IMC+IMD)+Mii.(IMC-IMD)-2Mip.IMC
PhiMD＝+4(Mji+Mii).IMD
PhiMD＝+2(Mji+Mii).(I1-I2)
PhiMD不依赖于为相电流的像的共模电流(IMC)，而只依赖于为臂电流的像的差模电流(IMD)。因此，这种拓扑结构使得臂电流独立于相电流被访问。
感测桥臂电流的瞬时变化率的传感器示例如下：
图3示出了测量桥臂电流和相电流的瞬时变化率的传感器的第三实施例。导体与第二实施例的导体相同。一对线圈51和52相对于平面P1、P2和Pp对称放置，以及每个线圈分别位于导体Cp的一侧。在这个示例中，只测量相电流，与桥臂电流无关。
以下段落介绍了基于上述主要结构的感测电流的瞬时变化率的传感器的几种变型。
首先，考虑将非常低的寄生电感引入到开关电路中的配置。
如果认为相电流是Ip，那么桥臂的开关行为只涉及端点1和2之间的电感。该电感值是优选的，这样可减小端点1和端点2与节点之间的距离。在这种配置中，端子T1和端子T2之间的距离最小，以减少电感。因此，不可能分离电流I1和I2。当印刷电路板上的导电轨优选地宽且短时，同时保持对称性，实现了低电感值，通常小于10nH，或者甚至小于5nH、2nH或者甚至小于1nH。
虽然失去了独立测量两个半臂电流T1-Tp和T2-Tp的可能性，但仍然可以得到臂电流和相电流。
对于另一实施例，需要非常短的响应时间，通常小于300ns或者甚至小于100ns。为了减少响应时间，应将趋肤效应和邻近效应造成的时间常数保持在最小。为此，电导体C1、C2和Cp优选作为主导体，其由多层组成，每层互相之间都是绝缘的。多层PCB是实现主导体的很好的示例。
此外，对于每层，导体都可以是条纹的。因此，主导体C1、C2和Cp是多层的和/或条纹的。
此外，导体C1、C2和Cp可制成罗贝尔棒拓扑结构，这表示将棒状电导体特别地划分为多个并联的、相互绝缘的以及层叠的子导体。这种拓扑结构使导体整体表现为单个平面导体，并大大减少了涡流对高频导体的电阻值和电感值的影响。
在另一方面，本发明提供了一种感测密集电流的瞬时变化率的传感器，理想情况是该传感器被集成在印刷电路中。在此，主导体C1、C2和CP是通过在印刷电路板(PCB)上蚀刻轨道而产生的。为了控制对称性的规则，传感器线圈也被制作在同一PCB上，具有间隔远的层。
如上所述，可以使用多个传感器线圈直接传递感应电动势(e.m.f)，而不需要进行后处理。这将为线圈提供一层来传递与相电流的瞬时变化率成正比的电动势，以及为线圈提供另一层来传递桥臂电流的瞬时变化率的感应电动势的像。导体C1、C2、Cp及绕组均在多层PCB上实现。
在另一方面，本发明提供了一种感测与表面贴装器件(SMD)模型兼容的电流瞬时变化率传感器。
所需要的就是在测量层下定位功率PCB的所有层。功率轨道基本上被分组在同一平面中，测量轨道被分组在一个平面和另一相同的平行平面中，布置在上方或下方。
在一特别的方面，本发明提供了一种不受超高dV/dt(通常大于10kV/μs、或者甚至大于100kV/1μs、或者甚至大于1MV/μs)影响的电流传感器。
在桥臂的中点处的电压相对于电势的零点(point froid)经受超高dV/dt影响。因此，电流可以通过电容效应注入到传感器电子元件中。理论上，这些电流是共模电流，其与臂的中点相对于为桥式变换器提供直流源的零点的共模电位变化相关。因此，使用差分测量的优势在于消除这些电流对测量的影响。然而，在低电平电子电路中注入超高电流仍然存在可能损坏电路的风险。
为了减少这种风险，在主导体和测量线圈之间使用静电屏蔽体，例如法拉第型静电屏蔽体。这种屏蔽体可以通过额外的铜层在PCB上实现。考虑到涡流的产生，可以选择是否引入新的时间常数。为此，这种蚀刻屏蔽体层的方式使得可能产生的涡流能够被合理地引导。此外，为了控制屏蔽体内涡流的形成，必须通过屏蔽体的厚度或在特定优先方向上使用条纹来控制屏蔽体的电导率。静电屏蔽体可以连接到在功率层和测量层之间的固定电位，以合理地转移寄生电流。
本发明还涉及一种感测电流瞬时变化率的传感器，该传感器提供电隔离，通常额定隔离电压为1kV或者甚至10kV，以及击穿电压大于10kV、或者甚至大于20kV、甚至大于50kV。
通过使用击穿电压对应于期望目标的材料，就足以控制功率电路和测量电路之间的距离。这是通过绝缘材料(例如，环氧树脂)在PCB技术中实现的。
根据实施例，本发明涉及一种感测电流瞬时变化率的传感器，该传感器不受电磁干扰，特别是由其它桥臂(例如，全桥或三相桥的情况)产生的串扰。这是通过测量线圈的差分结构来实现的，它可以抑制所有在两个线圈之间具有共模的电磁现象。
Claims (10)
1.一种感测电流变化率的传感器，用以保护具有功率层和测量层的功率模块中的桥臂，所述传感器包括线圈和至少三个导体(C1，C2，Cp)，其特征在于：
每个所述导体的一端连接到公共节点(N)；
每个所述导体的另一端分别用作电端子(T1，T2，Tp)；
所述至少三个导体包含在同一平面内，称为主平面(P)；
每个所述导体(C1，C2，Cp)都有一个垂直于所述主平面的对称平面(P1，P2，Pp)，每个所述对称平面都穿过所述公共节点(N)及相应的所述电端子(T1，T2，Tp)；
第一导体(C1)和第二导体(C2)相同并相对于第三导体(Cp)对称放置；
至少一对线圈(10，11和/或20，21和/或30，31)相对于所述对称平面(P1，P2，Pp)对称放置。
2.根据权利要求1所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述第一导体(C1)和所述第二导体(C2)对齐，以及相应的所述电端子(T1，T2)之间的距离最小。
3.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述第三导体(Cp)的每个线圈由所述第一导体的线圈之一或所述第二导体的线圈之一组成。
4.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述导体呈直线平面状。
5.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述导体为多层的和/或有条纹的。
6.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述导体具有“罗贝尔棒”型拓扑结构。
7.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述导体(C1，C2，Cp)和所述线圈在多层印刷电路上形成。
8.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所述传感器包括静电屏蔽体，所述静电屏蔽体蚀刻在多层印刷电路中并连接到所述功率层和所述测量层之间的固定电位。
9.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，对屏蔽体进行蚀刻以合理地引导涡流。
10.根据上述任一权利要求所述的感测电流变化率的传感器，其特征在于，所有所述功率层聚集在第一层的平面，以及所有所述测量层都聚集在第二层的平面，所述第一层在所述第二层之上或之下。
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