CN112649645A - 一种结构简单的无磁芯电流传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构简单的无磁芯电流传感器及其应用。无磁芯电流传感器包括铜条、焊接在铜条上的印刷电路板、安装在印刷电路板上的电流传感芯片。电流传感芯片相对两侧各设置有一排引脚，内部采用两个巨磁阻构成差分检测结构。铜条的中部的相对两侧上分别开设凹陷处，两侧的凹陷处之间形成颈部。电流传感芯片的两排引脚与铜条的两侧凹陷处分别对应，电流传感芯片的下方对应颈部使得铜条上的电流完全从电流传感芯片的感应面下穿过。本发明无需磁体磁芯，不仅具有结构简单，体积小，重量轻的外形特点，具有测量精度高，量程大，带宽高的电气性能特点，可广泛应用于新能源汽车的逆变器和整流器的电流检测、工业级的电流检测。
Description
技术领域
本发明涉及车辆工程和工业领域，尤其适用于新能源电动汽车的逆变器和整流器的电流检测领域中的一种电流传感器，具体为一种结构简单的无磁芯电流传感器、所述无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的过载电流中的应用、以及所述无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用。
背景技术
近年来，为了新能源电动汽车高速发展，极大程度地解决能源危机和环境污染问题。电动汽车上需要逆变器将电池的直流电转换成交流电给三相电机供电；能量回收系统需要整流器将电机产生的交流电转换成直流电并储存到电池中。因此，电动汽车上对电流传感器的需求极高。
传统的电流传感器是利用霍尔效应，将待测电流的导线穿过磁芯，在磁芯的闭合处用霍尔芯片测量磁通量的变化来检测被测电流的大小。若待测电流的峰值越大，则需要对应的磁场强度越高，乃至磁芯的体积越大、越重。对于一个三相电机的电动汽车来讲，至少需要四个传感器。四个磁芯或者三个磁芯，在考虑防止磁场窜扰，大电流隔离等必须条件，布线就会占用很多空间，并增加了整车重量，减少了可贵的续航里程。
发明内容
为了解决传统的电流传感器因磁体磁芯的存在而导致结构复杂、体积大、成本高的技术问题，本发明提供一种结构简单的无磁芯电流传感器、所述无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的过载电流中的应用、以及所述无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用。
本发明采用以下技术方案实现：一种结构简单的无磁芯电流传感器，其包括：
电流传感芯片，其相对两侧各设置有一排引脚，电流传感芯片内部采用两个巨磁阻构成差分检测结构，直接测量待测电路的被测电流产生的磁场强度；
铜条，其两端分别用于连接所述待测电路，铜条中部的相对两侧上分别开设凹陷处，两侧的凹陷处之间形成颈部；
印刷电路板，其用于安装电流传感芯片，印刷电路板焊接在铜条上，且电流传感芯片的两排引脚与铜条的两侧凹陷处分别对应，同时电流传感芯片的下方对应颈部使得铜条上的电流完全从电流传感芯片的感应面下穿过。
作为上述方案的进一步改进，电流传感芯片的正下方对应颈部。
作为上述方案的进一步改进，颈部的宽度即两侧的凹陷处之间的间距为电流传感芯片的相对两侧上的两排引脚之间的间距。
作为上述方案的进一步改进，电流传感芯片采用埃戈罗半导体的ACS37612芯片，ACS37612芯片焊接在印刷电路板上时，ACS37612芯片的电源输入端和信号输出端各自并联一个旁通电容到地。
作为上述方案的进一步改进，铜条的两端分别开设通孔。
作为上述方案的进一步改进，所述无磁芯电流传感器还包括绝缘壳体，绝缘壳体用于安装具有印刷电路板和电流传感芯片的铜条，且铜条的两端分别延伸出绝缘壳体以连接所述待测电路。
进一步地，铜条的两端分别开设通孔，通孔裸露在绝缘壳体外。
作为上述方案的进一步改进，电流传感芯片采用巨磁阻技术，在同一个芯片封装内放置两个测量单元，采用差分测量方法，同时检测被测电流产生的磁场强度，抑制共模干扰，提高测量的带宽。
本发明还提供一种无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的过载电流中的应用，所述无磁芯电流传感器为上述任意结构简单的无磁芯电流传感器，所述无磁芯电流传感器在应用时串联在所述逆变器或整流器的直流电路中。
本发明还提供一种无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用，所述无磁芯电流传感器为上述任意结构简单的无磁芯电流传感器，采用三个所述无磁芯电流传感器，在应用时分别串联在所述逆变器或整流器的三相交流电路中，用于检测每一相的交流电流的幅值和相位。
本发明的无磁芯电流传感器采用巨磁阻测量技术，不需要磁体磁芯，结构简单，体积小，成本低，可大规模生产。传统采用磁环的电流传感器，受外部磁场的干扰或者由于磁铁本身在特殊工况下的不可逆的此磁特性的变化导致测量精度的下降，而本发明的传感器直接串联在被测电流的电路中，利用芯片内集成的霍尔单元直接检测被测电流产生的磁场，因此测量精度显著提高；采用巨磁阻技术，在同一个芯片封装内放置两个测量单元，采用差分测量方法，同时检测被测电流产生的磁场强度，抑制共模干扰，提高了测量的带宽；同时本发明的传感器不依赖于外界磁场，克服了带磁芯传感器磁芯的磁场过饱和的限制，所以测量量程大，并且可以并排放置，节约空间。
附图说明
图1为本发明实施例的无磁芯电流传感器的立体结构示意图。
图2为图1中无磁芯电流传感器去除绝缘壳体后的立体分解结构示意图。
图3为图1中无磁芯电流传感器去除绝缘壳体后的侧面分解结构示意图。
图4为图1中无磁芯电流传感器的应用示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例的无磁芯电流传感器结构简单，采用巨磁阻测量技术，不需要磁体磁芯，结构简单，体积小，成本低，可大规模生产。请参阅图1、图2及图3，无磁芯电流传感器主要包括绝缘壳体30、电流传感芯片20、铜条40、印刷电路板10。
铜条40的两端分别用于连接待测电路。铜条40中部的相对两侧上分别开设凹陷处41，两侧的凹陷处41之间形成颈部42，铜条40的两端分别开设通孔43。
电流传感芯片20的相对两侧各设置有一排引脚，电流传感芯片20内部采用两个巨磁阻构成差分检测结构，直接测量待测电路的被测电流产生的磁场强度。优选，电流传感芯片20采用巨磁阻技术，在同一个芯片封装内放置两个测量单元，采用差分测量方法，同时检测被测电流产生的磁场强度，抑制共模干扰，提高测量的带宽。
印刷电路板10用于安装电流传感芯片20，印刷电路板10焊接在铜条40上，且电流传感芯片20的两排引脚与铜条40的两侧凹陷处41分别对应，同时电流传感芯片20的下方对应颈部42使得铜条40上的电流完全从电流传感芯片20的感应面下穿过。
选择电流传感芯片20，其选择的主要标准为：测量芯片(即电流传感芯片20)内有两个巨磁阻测量元件，这两个巨磁阻感测到的被测电流产生的磁场的差分量作为输出量。测量芯片的平面作为测量平面检测面对应的经过电流的值。在本实施例中，电流传感芯片20采用埃戈罗半导体的ACS37612芯片，ACS37612芯片是用于交流和直流电流检测的低成本方案，不需要额外的外界磁场和聚磁体，以及它们的壳体。ACS37612芯片可以检测印刷电路板上或者铜条上高达数百安培的电流。ACS37612芯片内部采用两个巨磁阻构成差分检测结构，直接测量被测电流产生的磁场强度，可以有效的消除共模干扰。ACS37612芯片具有140kHz和240kHz两个带宽，适用于逆变器的相电流检测，以及应对整流器高速开关频率的要求。
ACS37612芯片焊接在印刷电路板10上时，ACS37612芯片的电源输入端和信号输出端各自并联一个旁通电容到地。在本实施例中，印刷电路板10的设计非常简单，将ACS37612芯片的电源输入端和信号输出端各自并联一个旁通电容到地，然后将印刷电路板10焊接在铜条40上，使得ACS37612芯片的正下方对应铜条40的颈部42即可。为了检测高达几百安培的电流，使用铜条40串联到待测电流的电路中。在铜条40中间位置，对称的切割掉一部分，使得留下的铜对应于ACS37612芯片左右两排引脚间的间距，这个设计使得电流完全从ACS37612芯片的感应面下穿过。
在本实施例中，电流传感芯片20的正下方对应颈部42，在其他实施例中，也可有适当的偏离，只要能够使得铜条40上的电流完全从电流传感芯片20的感应面下穿过即可。因此，最好颈部42的宽度即两侧的凹陷处41之间的间距不大于电流传感芯片20的相对两侧上的两排引脚之间的间距，在本实施例中，颈部42的宽度等于电流传感芯片20的相对两侧上的两排引脚之间的间距。
绝缘壳体30用于安装具有印刷电路板10和电流传感芯片20的铜条40，且铜条40的两端分别延伸出绝缘壳体30以连接待测电路，在本实施例中，把安装有印刷电路板10的铜条40安装到壳体30中，铜条40的两端露出部分用于连接待测电路，同时通孔43裸露在绝缘壳体30外，这样便于连接待测电路。绝缘壳体30的制作采用绝缘材料，为了提高测量效果，也可以对绝缘壳体30做电磁抗干扰、防静电处理等。
在制作铜条40时，可在铜条40的中部的相对两侧对称地切割，形成的颈部42正对于测量芯片(即电流传感芯片20)的左右两排引脚之间的正下方，从而使铜条40上的电流完整的全部流过测量芯片的正下方。
本发明的无磁芯电流传感器，无需磁体磁芯，为基于巨磁阻传感原理的电流传感器。不仅具有结构简单，体积小，重量轻的外形特点，而且具有测量精度高，量程大，带宽高的电气性能特点。此电流传感器可广泛应用于新能源汽车的逆变器和整流器的电流检测，以及工业级的电流检测。
实施例2
无磁芯电流传感器的设计离不开应用实施例的介绍，如无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的过载电流中的应用，在检测逆变器或整流器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用。在本实施例中，请参阅图4，其为无磁芯电流传感器的应用示意图，主要介绍了无磁芯电流传感器在检测逆变器的过载电流中的应用和在检测逆变器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用，无磁芯电流传感器串联在电流回路里，作为电路的组成部分，无磁芯电流传感器不需要磁体，不需要磁芯。
无磁芯电流传感器在检测逆变器的过载电流中的应用时，将无磁芯电流传感器串联到逆变器的直流电路中(如图4中的电流检测点I)，可以检测过载电流，通过计算库仑积分，来测算实际使用的电量，进而预测续航里程。
无磁芯电流传感器在检测逆变器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用时，采用三个所述无磁芯电流传感器，分别串联在所述逆变器或整流器的三相交流电路中，用于检测每一相的交流电流的幅值和相位(如图4中的三个电流检测点II)。在本实施例中，将三个无磁芯电流传感器分别串联到相电流中，检测交流电流，并反馈给电机控制器。电机控制器可以通过本发明的传感器检测三相电流的幅值和相位，实时的调整驱动电路的电流，实现对电机(如图4中虚线框处，电机可采用星形连接，具有三个连接点W、V、U)的闭环控制，提高电机运行的效率，平顺性和安全性。
用测量得到的电流利用库伦积分算出实际的电量是物理学定律/公式，并不是本发明的创新点，用测量得到的电流实现电机的控制也不是本发明的创新点。本发明的创新点是发明了这个高精度的传感器，重点在于高精度对于库伦积分的计算、电机的控制有着根本的意义。因此，在此只详细介绍如何测量过载电流、如何测量交流电流的幅值和相位，对测量得到的电流的后续数据处理不做详细的介绍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，其包括：
电流传感芯片(20)，其相对两侧各设置有一排引脚，电流传感芯片(20)内部采用两个巨磁阻构成差分检测结构，直接测量待测电路的被测电流产生的磁场强度；
铜条(40)，其两端分别用于连接所述待测电路，铜条(40)中部的相对两侧上分别开设凹陷处(41)，两侧的凹陷处(41)之间形成颈部(42)；
印刷电路板(10)，其用于安装电流传感芯片(20)，印刷电路板(10)焊接在铜条(40)上，且电流传感芯片(20)的两排引脚与铜条(40)的两侧凹陷处(41)分别对应，同时电流传感芯片(20)的下方对应颈部(42)使得铜条(40)上的电流完全从电流传感芯片(20)的感应面下穿过。
2.如权利要求1所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，电流传感芯片(20)的正下方对应颈部(42)。
3.如权利要求1所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，颈部(42)的宽度即两侧的凹陷处(41)之间的间距为电流传感芯片(20)的相对两侧上的两排引脚之间的间距。
4.如权利要求1所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，电流传感芯片(20)采用埃戈罗半导体的ACS37612芯片，ACS37612芯片焊接在印刷电路板(10)上时，ACS37612芯片的电源输入端和信号输出端各自并联一个旁通电容到地。
5.如权利要求1所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，铜条(40)的两端分别开设通孔(43)。
6.如权利要求1所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，所述无磁芯电流传感器还包括绝缘壳体(30)，绝缘壳体(30)用于安装具有印刷电路板(10)和电流传感芯片(20)的铜条(40)，且铜条(40)的两端分别延伸出绝缘壳体(30)以连接所述待测电路。
7.如权利要求6所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，铜条(40)的两端分别开设通孔(43)，通孔(43)裸露在绝缘壳体(30)外。
8.如权利要求1所述的结构简单的无磁芯电流传感器，其特征在于，电流传感芯片(20)采用巨磁阻技术，在同一个芯片封装内放置两个测量单元，采用差分测量方法，同时检测被测电流产生的磁场强度，抑制共模干扰，提高测量的带宽。
9.一种无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的过载电流中的应用，其特征在于，所述无磁芯电流传感器为如权利要求1至9中任意一项所述的结构简单的无磁芯电流传感器，所述无磁芯电流传感器在应用时串联在所述逆变器或整流器的直流电路中。
10.一种无磁芯电流传感器在检测逆变器或整流器的三相交流电路的交流电流的幅值和相位中的应用，其特征在于，所述无磁芯电流传感器为如权利要求1至9中任意一项所述的结构简单的无磁芯电流传感器，采用三个所述无磁芯电流传感器，在应用时分别串联在所述逆变器或整流器的三相交流电路中，用于检测每一相的交流电流的幅值和相位。
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