CN113176429A - 一种电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流传感器，包括罗氏线圈和磁阻传感器，罗氏线圈为多匝结构，罗氏线圈用于测量被测电路电流的交流分量，磁阻传感器用于测量被测电路电流的直流及低频分量；罗氏线圈和磁阻传感器分别经对应的信号处理电路将罗氏线圈和磁阻传感器的输出整合成波形。本发明通过合理布局，在保证小尺寸的前提下，将PCB罗氏线圈和磁阻传感器相结合，弥补了二者各自的不足，提高了传感器的测量带宽。使其可以应用于功率模块内部的电流测量。

Description

一种电流传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种电流传感器。

背景技术

大功率的功率模块内部，各支路往往是由多个芯片并联而成，但是由于布局不对称、芯片参数不一致等原因，导致支路之间寄生参数不一致，进而导致芯片之间的电流分布、温度分布存在不均，从而导致一部分支路上的芯片或键合线会承受过应力而失效，进而加速了整个功率模块的损坏。因此需要对各支路的电流进行测量以研究模块内部的电流分布特性。

如碳化硅、氮化镓这种宽禁带半导体器件相对于硅基器件来说，开关速度更快、开关损耗更小，可以工作在更高的开关频率下，这就给功率模块内的电流测量带来了新的挑战。目前功率模块内的电流测量大多使用霍尔传感器，但是霍尔传感器的测量带宽较低，难以对开关频率更高的宽禁带功率模块的开关波形进行测量。

罗氏线圈和磁敏电阻都是目前常用的电流测量方式。但是罗氏线圈可以准确地测量高频电流，但受限于其测量原理，无法测量直流电流、低频性能较差。而磁敏电阻尽管测量频率高于霍尔传感器，但仍然不足以对宽禁带功率模块的开关波形进行准确测量。

由于功率模块内部结构紧凑，因此除了要求测量带宽之外，还需要测量设备具有更小的尺寸。尽管目前市面上的商用电流探头可以满足上述需求，但是其价格昂贵，极大地增加了测量的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电流传感器，在保持小尺寸的同时，满足高带宽的测量需求。

本发明采用以下技术方案：

一种电流传感器，包括罗氏线圈和磁阻传感器，罗氏线圈为多匝结构，罗氏线圈用于测量被测电路电流的交流分量，磁阻传感器用于测量被测电路电流的直流及低频分量；罗氏线圈和磁阻传感器分别经对应的信号处理电路将罗氏线圈和磁阻传感器的输出整合成波形。

具体的，罗氏线圈、磁阻传感器以及对应的信号处理电路集成于同一块PCB板上，磁阻传感器以及对应的信号处理电路设置在PCB板的顶层，罗氏线圈设置在PCB板的剩余层。

进一步的，罗氏线圈的各匝线圈尺寸一致，并沿同一条轴线等间距平行排布，轴线方向平行于PCB板的表面。

进一步的，PCB板为四层结构，罗氏线圈分别设置在PCB板的第2层、第3层和第4层。

更进一步的，罗氏线圈的各匝线圈设置在PCB板的第2层和第4层；罗氏线圈的回绕线设置在PCB板的第3层，回绕线沿轴向设置。

进一步的，磁阻传感器位于罗氏线圈的正上方。

具体的，磁阻传感器的测量方向与罗氏线圈的轴线平行。

具体的，磁阻传感器还包括复位线圈和补偿线圈，复位线圈用于对磁阻传感器进行复位；补偿线圈用于产生补偿磁场。

具体的，信号处理电路包括模拟积分器、差分放大器、高通滤波器和低通滤波器，罗氏线圈依次连接模拟积分器和高通滤波器后输出，模拟积分器用于对罗氏线圈输出积分；磁阻传感器依次连接差分放大器和低通滤波器后输出，差分放大器用于放大磁阻传感器输出以方便后续处理。

进一步的，信号处理电路还包括加法器，加法器的输入段分别与高通滤波器和低通滤波器的输出端连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种电流传感器，传感器包括罗氏线圈和磁阻传感器，罗氏线圈用于测量高频电流，提高传感器的测量带宽上限，磁阻传感器用于测量低频电流和直流电流，弥补罗氏线圈低频性能差、无法测量直流电流的缺点；本发明通过将二者结合，提高了传感器整体的测量带宽。

进一步的，将罗氏线圈、磁阻传感器集成于同一块PCB板上，磁阻传感器和信号处理电路置于顶层，其余层用于绕制罗氏线圈，大大减小了传感器的整体体积。

进一步的，罗氏线圈的各匝线圈沿同一轴线平行分布，轴线方向平行于PCB的表面，目的在于保证各匝线圈的测量方向一致，避免其他方向电流的干扰。

进一步的，PCB板为四层结构，罗氏线圈分别设置在PCB板的第2层、第3层和第4层的好处在于便于在顶层安装磁阻传感器。

进一步的，罗氏线圈的各匝线圈设置在PCB板的第2层和第4层的目的在于增加线圈面积，提高磁通量，提高测量灵敏度；回绕线设置在PCB板的第3层，沿线圈轴线设置，设置回绕线的目的在于抵消罗氏线圈对于轴向电流的互感值。

进一步的，磁阻传感器位于罗氏线圈正上方能够缩小传感器整体体积，并且使得测量时两传感器处的磁场强度尽可能一致。

进一步的，磁阻传感器的测量方向与罗氏线圈的轴线平行能够使两传感器的测量方向一致。

进一步的，通过复位线圈使各向异性磁敏电阻提前磁化，以提高测量灵敏度和准确性，通过补偿线圈抵消传感器零飘、其他磁场干扰等影响测量的因素。

进一步的，信号处理电路能够对两传感器的输出进行处理；信号处理电路中，积分器能够对罗氏线圈的输出电压，即测量电流的微分进行积分，还原被测电流波形；差分放大器能够对磁阻传感器的输出进行差分放大，以方便后续处理。

进一步的，通过加法器整合两传感器的输出，形成输出波形。

综上所述，本发明通过合理布局，在保证小尺寸的前提下，将PCB罗氏线圈和磁阻传感器相结合，弥补了二者各自的不足，提高了传感器的测量带宽。使其可以应用于功率模块内部的电流测量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明PCB板上罗氏线圈的走线分布图，其中，(a)为罗氏线圈的顶层，(b)为罗氏线圈的中间层，(c)为罗氏线圈的底层；

图3为本发明电流传感器的波形测量结果图；

图4为本发明电流传感器的开通波形测量结果图。

其中：1.罗氏线圈；2.磁阻传感器；3.模拟积分器；4.差分放大器；5.高通滤波器；6.低通滤波器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种电流传感器，用于解决功率模块内电流难以准确测量的问题，通过PCB板各层的走线形成多匝的罗氏线圈结构；当被测电路中有电流流过时，将在磁阻传感器位置产生磁场；罗氏线圈用于测量电流的高频交流分量，磁阻传感器用于测量电流的直流及低频分量，通过将两种测量方式相结合，提高传感器的测量带宽，且由于传感器结构紧凑、尺寸小，能够应用于如功率模块内电流测量等场合。

请参阅图1，本发明一种电流传感器，包括罗氏线圈1、磁阻传感器2以及对应的信号处理电路，信号处理电路负责对二者的输出进行处理，整合出输出波形，罗氏线圈1、磁阻传感器2以及对应的信号处理电路集成于同一块4层PCB板上；信号处理电路包括模拟积分器3、差分放大器4、高通滤波器5和低通滤波器6，罗氏线圈1依次连接模拟积分器3和高通滤波器5后输出，罗氏线圈1用于被测电流的高频分量测量；磁阻传感器2依次连接差分放大器4和低通滤波器6后输出，磁阻用于被测电流的低频分量测量。

罗氏线圈1为平面型，各匝线圈尺寸一致，沿同一条轴线等间距平行排布，轴线方向平行于PCB板的表面，并且包括一条沿轴向设置的回绕线。

请参阅图2，罗氏线圈1使用PCB板的其中三层绘制。PCB板的顶层用于安装磁阻传感器、设计信号处理电路，第2、3、4层用于绘制罗氏线圈；第2、4层用于绘制构成罗氏线圈的各匝线圈，并通过通孔相连接，第3层则用于绘制回绕线，回绕线的作用在于：抵消罗氏线圈对轴向电流的互感。

磁阻传感器2为各向异性磁敏电阻(AMR)，磁阻传感器2安装在PCB板的顶层，设计在罗氏线圈1的正上方；这样的设计既能够使传感器在空间上接近，以保证测量的一致性，又可以降低器件的占地面积，减小传感器的尺寸使其能够应用在空间紧凑的测量场合。磁阻传感器2的测量方向与罗氏线圈1的轴线平行。

另外，磁阻传感器2还包括复位线圈和补偿线圈，复位线圈用于对磁阻传感器2进行复位；补偿线圈用于产生补偿磁场，以抵消磁阻传感器2的零漂、其他磁场干扰等影响测量的因素。

模拟积分器3和差分放大器4设计在PCB板的顶层，模拟积分器3用于对罗氏线圈1输出积分；差分放大器4用于放大磁阻传感器2输出以方便后续处理。模拟积分器3和差分放大器4的输出，分别通过高通滤波器5和低通滤波器6，实现取罗氏线圈输出的高频分量和取磁阻传感器的低频分量，完成波形的整合输出。

本发明一种电流传感器在测量时，将磁阻传感器2置于被测电流附近并使罗氏线圈1的轴线与电流方向垂直；被测电流将在磁阻传感器2处产生磁场，通过磁阻传感器2和罗氏线圈1对磁场的大小进行测量，并通过信号处理电路，取罗氏线圈1输出的高频部分和磁阻传感器2的低频部分，实现对被测电流的测量。

请参阅图3和图4，使用本发明设计的传感器对宽度为20μs、上升时间约为100ns的脉冲电流信号进行测量，参考电流通过分流电阻给出，测量结果如图所示，结果表明，本发明提出的电流传感器能够对高频的电流开关波形进行测量。

综上所述，本发明一种电流传感器，结构紧凑、尺寸小，适合集成于功率模块内部，通过将罗氏线圈和磁阻传感器相结合，解决了罗氏线圈传感器无法测量直流的问题，提高了测量带宽。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括罗氏线圈(1)和磁阻传感器(2)，罗氏线圈(1)为多匝结构，罗氏线圈(1)用于测量被测电路电流的交流分量，磁阻传感器(2)用于测量被测电路电流的直流及低频分量；罗氏线圈(1)和磁阻传感器(2)分别经对应的信号处理电路将罗氏线圈(1)和磁阻传感器(2)的输出整合成波形。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，罗氏线圈(1)、磁阻传感器(2)以及对应的信号处理电路集成于同一块PCB板上，磁阻传感器(2)以及对应的信号处理电路设置在PCB板的顶层，罗氏线圈(1)设置在PCB板的剩余层。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，罗氏线圈(1)的各匝线圈尺寸一致，并沿同一条轴线等间距平行排布，轴线方向平行于PCB板的表面。

4.根据权利要求2或3所述的电流传感器，其特征在于，PCB板为四层结构，罗氏线圈(1)分别设置在PCB板的第2层、第3层和第4层。

5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，罗氏线圈(1)的各匝线圈设置在PCB板的第2层和第4层；罗氏线圈(1)的回绕线设置在PCB板的第3层，回绕线沿轴向设置。

6.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，磁阻传感器(2)位于罗氏线圈(1)的正上方。

7.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，磁阻传感器(2)的测量方向与罗氏线圈(1)的轴线平行。

8.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，磁阻传感器(2)还包括复位线圈和补偿线圈，复位线圈用于对磁阻传感器(2)进行复位；补偿线圈用于产生补偿磁场。

9.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，信号处理电路包括模拟积分器(3)、差分放大器(4)、高通滤波器(5)和低通滤波器(6)，罗氏线圈(1)依次连接模拟积分器(3)和高通滤波器(5)后输出，模拟积分器(3)用于对罗氏线圈(1)输出积分；磁阻传感器(2)依次连接差分放大器(4)和低通滤波器(6)后输出，差分放大器(4)用于放大磁阻传感器(2)输出以方便后续处理。

10.根据权利要求9所述的电流传感器，其特征在于，信号处理电路还包括加法器，加法器的输入段分别与高通滤波器(5)和低通滤波器(6)的输出端连接。

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