CN1576858A - 开环电流传感器和具有这种传感器的电源电路 - Google Patents

Abstract

一种开环电流传感器，其中包括具有气隙的磁路、置于该气隙中的磁场检测器、以及具有绕着该磁路的一个或多个匝的初级导体，要被测量的电流在该初级导体中流动，在该气隙的每一侧上，该传感器的特征在于该初级导体的匝被设置为接近于该气隙。

Description

开环电流传感器和具有这种传感器的电源电路

技术领域

本发明涉及一种开环电流传感器，特别涉及一种用于测量在电源电路或者对电机供电的电路中的电流的电流传感器，以及具有这种传感器的电源电路。

背景技术

在现代的电源电路106中，如图1中所示，该电机105的电源电流由以高频切换的半导体开关103所产生。实际产生的电流I(t)一般具有几十kHz的频率，而具有整体上由电流I(t)的包络所表示的正弦形状的电源电流的基频I_f相对较低，例如在几百Hz附近，如图2a中所示。在功率半导体器件的设计中所获得的技术优点使得半导体开关103具有极高的切换速度，潜在的变化速度dv/dt例如在10至20kV/μs附近，如图2b中所示。为了容纳由这种电势变化速度所造成的电辐射，利用同轴电缆104用来提供电机105。由于这些电缆是高度电容性的，并且注意到所施加的dv/dt，在每次切换中以阻尼振荡的形式产生杂散高频(HF)电流。无论驱动功率如何，这些电流的幅度和频率为相同的幅度级别。这是因为它们实际上仅仅取决于所用的同轴电缆的特性和所施加的dv/dt幅度。这些电流的幅度可以到达几十安培，并且它们的频率为从100kHz至1MHz。

电流传感器101通常被置于对电机105供电的线路102a、102b、102c上。尽管这些HF电流不一定要被测量，但是它们仍然通过该电流传感器。在小和中等功率的驱动106中，这些杂散电流的幅度可以比用于控制该电机所需的电流的幅度高得多。图2c在一个示波器屏幕上示出电压U(t)和由于切换和在由以16kHz的频率切换电源电路对5.5kW的电机的一个相上的容性负载所导致的高频电流I(t)。在本例中，第一和第二半波I₁、I₂的幅度分别近似为20A和8A。在实践中，在20A和30A峰值的第一半波I1和I2处的幅度是标准的。

本发明人意识到这导致两个主要问题。第一个是通过该传感器的热电流增加，这可以通过把该传感器的尺寸设定为通过该传感器的有效电流的总和的一个函数而解决。另一个问题是由于磁滞的损耗和由于涡流的损耗所导致的磁路非常严重的发热。

需要强调这些问题不是在“闭环”类型的传感器中发现的，因为为了在任何补偿错误内，通过次级安培匝数补偿初级安培匝数(At)。

应当知道，该磁路的发热将会更高，因此难以使得传感器的尺寸更小。这是由于小开环电流传感器的尺寸限制所造成的。这是因为，为了测量精确的原因，不适合设计低于40安培匝数的最小级别的传感器。这意味着标称为10A的传感器将被设计为具有4个初级匝，而40A标称传感器可以被设计为仅仅具有1个初级匝。因此，与第二情况相比，在第一情况中，该HF电流的幅度和所获得的磁感应将被乘以4倍，结果由于磁滞所导致的发热和动态损耗将为增大16倍，这可以从如下关系中导出：

Losses_(W)≈ f2B²d²/

其中d为磁片的厚度，B为磁感应，f为该感应和杂散电流HF的频率，p为构成该传感器的磁性电路的铁磁合金的电阻率。

测试表明，如果把小尺寸和常规结构的开环传感器原样用于上述应用中，则将达到200℃至300℃的温度或者更高。

在实践中，这种传感器仅仅可以用于放置在转向HF电流的相关电路的初级连接上；但是，该电路具有破坏该传感器的动态性能的缺点，因此限制驱动的效率。由于这些原因，这种传感器在目前不被用于驱动高性能的电机；其由更加昂贵的“闭环”类型的传感器所代替。

考虑到上文所述，本发明的一个目的是提供一种开环电流传感器，其具有所需的动态性能，并且可以经受在初级导体中流过高电流。本发明的另一个目的是提供一种具有这种传感器的电源电路。

提供一种能够经受由在用于提供电机的半导体开关电路中出现的高电势变化速度(dv/dt)所产生的杂散HF电流是有利的。

提供一种紧凑和廉价的开环传感器是有利的。

本发明的目的通过根据权利要求1的开环传感器和根据权利要求5的电源电路来实现。

该开环电流传感器包括具有气隙的磁路、置于该气隙中的磁场检测器、以及具有绕着该磁路的一个或多个匝的初级导体，其中要被测量的电流在该初级导体中流动。该开环电流传感器的特征在于在该气隙的每一侧上，该初级导体的匝被设置为接近于该气隙。在该部分磁路中，由于存在该气隙(μ_air＝1)，局部磁导率比在该磁路的所有其他部分更低。由于该初级匝，该磁路的有效磁导率非常低。因此，对于相同的初级安培匝数值，在该磁芯(也被称为“铁芯”)中的磁感应局部降低，但整体也降低。结果由于磁滞所造成的损耗和由于涡流所造成的损耗被最小化。

附图说明

本发明的另一个目的和优点从本说明书、权利要求书和附图中获得，其中：

图1是把电流施加到一个电机的电路的示意图；

图2a为由在连接到该电机的一个相上的电源电路所产生的电流和电势的图形表示；

图2b为在连接到该电机的一个相上的电源电路所产生的电流和电势的细节(放大)表示；

图2c为示出由于在一个相上的切换和容性负载所造成的相输出电压和高频电流的示波器屏幕的示意图；

图3为示出磁通量线的常规开环电流传感器的简化视图；

图4a为根据本发明的开环电流传感器的透视图；

图4b为根据本发明的开环电流传感器的变型的透视图；

图4c为根据本发明的开环电流传感器的变型的透视图；

图5为分别示出一种常规传感器和根据本发明的传感器的初级的端子处的过压V＝Ldv/dt的曲线图；

图6a和6b为分别示出在由具有200kHz频率的正弦电流供电的线路上在常规传感器和根据本发明的传感器的磁路中的温度改变的曲线图；

-图6a关于一种传感器，其具有：通过5A的电流的8个初级匝，即40At；具有1.3mm长度的气隙并且包括8片0.35mm厚的叠层的铁硅磁路；其截面为9.8mm²，并且其平均长度为40mm；

-图6b关于一种传感器，其具有：通过3.33A的电流的12个初级匝，即40At；具有1.3mm长度的气隙并且包括8片0.35mm厚的叠层的铁镍磁路；其截面为10mm²，并且其平均长度为35mm；以及

图7为根据安培匝数的常规传感器和根据本发明的传感器的输出电压Vout的曲线图。

在已知的开环传感器中，无论是否形成该磁路，构成初级线圈Np的线圈110通常被置于一个扇区上，或者在矩形磁路112的情况中在分支111上，直接与气隙113相对，如图3中所示。该位置实际上是最自然出现的位置；从实用的观点来看，它还是最合理出现的一个位置，由于与该气隙相对的初级线圈通过使得线路经过该气隙，更加容易缠绕该分支。

但是，本发明人已经意识到该位置是不理想的。这是因为，如果把注意力放在由该结构所导致的磁现象上，则在被初级线圈110所包围的磁路111的部分中，该磁感应通量Ф在该电路的剩余部分中非常高。这是由于这样的事实所造成的，从该初级匝所在的地点来看，远离气隙113，局部磁导率μr倾向于所用的磁性材料的数值，并且根据Ф＝B×S和B＝μH，得出Ф＝μH×s，其中B是磁感应，S是该线圈的截面，H是磁通量，并且μ是磁导率。另外，由于存在气隙，由初级安培匝数所产生的磁感应通量的主要部分(主要通量Ф_p)将接近于其外部的磁路(分散通量Ф_d)。其他部分Ф_e通过该磁路和该气隙113闭合，在该气隙通过例如霍尔单元这样的磁场检测器114进行测量。

因此产生比有用的磁通量更多的无用磁通量。该无用磁通量大大地增加动态损耗、由磁滞所导致的损耗和由其导致的发热。

参照图4a至4b，根据本发明的开环传感器1包括：磁路12，其包括具有气隙13的磁芯；用于测量磁感应的元件14包括置于该气隙中用于测量磁感应的单元15；以及初级导体11，其具有绕着该磁路的一个或多个匝。要被测量的电流I_p(也称为初级电流)在该初级导体中流动。该测量单元例如是安装在该测量元件的印刷电路16上的一个霍尔效应传感器，该电路包括把测量单元的端子19连接到要与外部测量信号处理单元相连接的端子20的导电迹线。

该初级导体11的匝21被置于在每一侧上的磁路12的周围并且尽可能地接近于气隙13。该匝被以线路匝的形式而示出。但是，该匝可以采用许多其他形式。例如(参见图4c)，该匝可以为U形导体21’，例如围绕该磁路12并且例如连接到具有连接该U形导体的导电迹线23的印刷电路22的直立金属片。应当注意，两个U形导体，每个在该气隙的每一侧，可以表示单个匝，如果它们例如通过在一个印刷电路上的导电迹线电并联，则可以表示单个匝。

在接近于该气隙的磁路的部分中，由于存在该气隙(μ_air＝1)局部磁导率比在该磁路的所有其他部分中的磁导率低得多。因此，对于相同数值的初级安培匝数，在该磁路的材料中的磁感应局部降低，但是整体上也降低。结果，总损耗和由此所导致的发热也降低。另外，由于磁感应降低，因此该分散磁通量也降低。因此，这倾向于仅仅产生有用的磁通量。应当指出，在该气隙中的感应不依赖于初级匝的位置，如下文所述：

在具有气隙的磁路的实际情况中，一个开环电流传感器是可以用公式表示的安培理论的一个应用(I＝∫H·dL)：

N_p×I_p＝H_air×I_air+H_iron×I_iron

但是H＝B/μ，因此

N_p×I_p＝B_air×I_air/μ_o×μ_air+B_iron×I_iron/μ_o×μ_r

其中N_p是初级匝的数目，I_p是初级电流，H_air是在该气隙中流过的磁场，I_air是该气隙的长度，H_iron是在该磁路的磁芯中流过的磁场，I_iron是该磁芯的长度，B_air是在该气隙中的磁感应，B_iron是在该磁芯中的磁感应，μ_air是在空气中的磁导率，μ_r是在该磁芯中的磁导率，以及μ_o是具有数值4π10^-7的一个常数。

已知空气的相对磁导率μ_air＝1，并且从简化开始，假设在该气隙中的感应与在铁中的感应相等，可以表示为：

N_p×I_p×μ_o＝B×(I_air+I_iron/μ_r)

以及N_p×I_p×μ_o/I_air+I_iron/μ_r＝B_air

但是，在我们的情况中，I_iron较小，而μ_r非常大(＞100000)，因此比率I_iron/μ_r可以被忽略。

最后，由在气隙中的霍尔单元所测量的磁通量密度为：

B_air＝4π10^-7×N_p×I_p/I_air

但是应当声明，在具有气隙的磁路的情况中，实际上不可能计算感应数值，因此不可能计算总损耗，因为该结果取决于该磁组件的几何形状。仅仅使用适当的软件和/或测试可以评估该磁感应和发热。

图6a和6b为分别示出在由具有200kHz频率的正弦电流供电的线路上在常规传感器和根据本发明的传感器的磁路中的温度改变的曲线图。图6a关于一种传感器，其具有：通过5A的电流的8个初级匝，即40At；具有1.3mm长度的气隙并且包括8片0.35mm厚的叠层的铁硅磁路；其截面为9.8mm²，并且其平均长度为40mm。图6b关于一种传感器，其具有：通过3.33A的电流的12个初级匝，即40At；具有1.3mm长度的气隙并且包括8片0.35mm厚的叠层的铁镍磁路；其截面为10mm²，并且其平均长度为35mm。在图6a中的传感器包括流过5A电流的8个初级匝，即40At。在图6b中的传感器包括流过3.33A的电流的12个初级匝，即40At。

在根据图4b的螺线管磁路的情况中，从图6a中的曲线图可以看出，在12分钟的操作之后，常规传感器的磁路的温度T_c约达到136℃(即，大约增加116℃)，而根据本发明的传感器的磁路的温度T_i约达到78℃(即，大约增加58℃)。根据本发明的传感器的加热大约为具有相同形状和大小的常规传感器的一半。在根据图4a的矩形磁路的情况中，从图6b可以看出，在12分钟的操作之后，常规传感器的磁路的温度T_c约达到116℃(即，大约增加96℃)，而根据本发明的传感器的磁路的温度T_i约达到52℃(即，大约增加32℃)。根据本发明的传感器的加热大约为具有相同形状和大小的常规传感器的三分之一。

从根据本发明的传感器所获得的另一个优点是该传感器的插入电感L_ins较低。

这是因为：L_ins＝N²/R_m and R_m＝I/μ×S

其中，N为初级匝的数目，R_m是磁阻，S是该气隙的有效截面，并且I是该气隙的长度。

但是，在根据本发明的传感器中，该磁导率μ较低，并且截面S也较小，因为由于该初级线圈的位置接近于该气隙使得该磁通量更加均匀。例如，图5示出由具有相同形状和尺寸并且都具有单个初级匝的常规传感器(曲线U_c(t))和根据本发明的传感器(曲线U_i(t))所获得的作为对于电流变化速度di/dt＝40·10⁶A/sec的时间函数：

$U\left(t\right)=L_{\mathrm{ins}}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

对于常规传感器可以看出该峰值电压U_c为810mV，这通过计算0.02μH的插入损耗L_ins给出，而对于根据本发明的传感器，该峰值电压U_i为460mV，这通过计算0.0115μH的插入损耗L_ins给出。

另一个优点是由于在该磁芯中的磁感应较小，因此测量给定电流所需的磁芯的截面较小，因为初级匝包含视在磁导率较低的一部分磁路。

图7示出根据本发明的传感器包括具有大约80％的镍和3.36mm²的截面的铁镍磁路，该电流测量在高达188At时保持线性，而在具有相同形状、尺寸和质量的常规传感器中，电流的测量仅仅在高达88At时保持线性。

为了进一步改进该传感器，可以使用用于具有低损耗的磁芯的磁性材料，例如具有比通常用于这些应用中的铁硅合金低3倍的损耗的铁镍合金。另外，可以减小形成该磁路的磁片的厚度d。在常规传感器中最常使用的厚度为0.35mm。使用具有0.2mm的厚度的磁片可以把损耗约减小3倍。

总而言之，根据在上文公开的发明的开环传感器提供如下优点：

-大大地减小动态损耗和由于磁滞所造成的损耗

-大大地减小该传感器的插入电感

-大大地减小用于测量给定电流的铁的截面，因此减小材料的成本。

Claims (5)

1.一种开环电流传感器，其中包括具有气隙的磁路、置于该气隙中的磁场检测器、以及具有绕着该磁路的一个或多个匝的初级导体，要被测量的电流在该初级导体中流动，该传感器的特征在于在该气隙的每一侧上，该初级导体的匝被设置为接近于该气隙。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于该初级导体的匝被对称地设置在该气隙每一侧上。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于该初级导体的匝包括直立和安装在印刷电路上的一个U形部分。

4.根据上述任何一项权利要求所述的传感器，其特征在于在该气隙的每一侧上的初级导体的匝被并联。

5.一种电源电路，其中包括用于产生在例如电机这样的负载的一个或多个电源线上提供的正弦交流电的半导体开关，以及置于每条线路上的开环电流传感器，该电流传感器具有上述任何一项权利要求所述的特征。

Images