CN219915755U - 分段罗氏线圈及压接型电力电子器件电流分布检测装置 - Google Patents
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Abstract
分段罗氏线圈及压接型电力电子器件电流分布检测装置，根据被测器件的外型尺寸，确定分段罗氏线圈骨架对应的结构；当确定线圈骨架结构后，将导线均匀缠绕于线圈骨架上，导线的两个端子被引出并接入测量设备；根据骨架结构的形状不同，排列在被测器件周围的线圈个数不同。本实用新型不需要破坏压接型电力压接型电力电子器件的封装结构，通过所提分段罗氏线圈的外部测量结果即可反映器件内部的电流分布情况，测试完成后的器件依然可以正常使用，因此，所提方法在非侵入性上具有突出优势；此外，本实用新型所需的采样电路数量更少，成本更加低廉。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子器件领域，具体涉及一种分段罗氏线圈及应用该线圈实现压接型电力电子器件内部电流不均衡的非侵入式检测装置。
背景技术
压接型电力电子器件在功率密度、双面散热等方面具有突出优势，已被广泛应用于高压大功率场景，如柔性直流输电、大容量功率变换、新能源发电等领域。为了进一步提升器件的通流能力，压接型电力电子器件通常采用扩大芯片面积或内部并联多芯片的结构。受到芯片工艺、封装的寄生电感、压装结构压力不均等因素的影响，压接型电力电子器件内部的电流不均衡是不可避免的。当压接型电力电子器件发生严重的电流不平衡时，会严重降低器件性能，进而影响设备的安全运行。因此，对于压接型电力电子器件内部的电流不平衡状态进行检测具有重要工程意义。
现有技术中，检测压接型电力电子器件内部电流不平衡采用的方法为侵入型的罗氏线圈检测方法，如参见：[1]M.Furuya and Y.Ishiyama,“Current Measurement InsidePress Pack IGBTs,”Fuji Electr.J.,vol.75,no.8,pp.1–3,2002.[2]S.Fu,X.Li,Z.Lin,Z.Zhao,X.Cui,X.Tang,and J.Wan,“Current Measurement Method of Multiple ChipsUsing Rectangular PCB Rogowski Coils Integrated in Press Pack IGBT Device,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.38,no.1,pp.96–100,2023.CN112730943A、CN104459277A、CN10985644A这类方法可以用于压接型电力电子器件的电流不均衡检测，它需要将器件的封装打开，将完整的罗氏线圈放入器件内部，分别检测每一个芯片的电流。具体来说，这类方法可以分为典型罗氏线圈检测与印刷电路板罗氏线圈检测。这两种检测方法均需要打开器件的封装，并针对每个并联的芯片使用典型的完整的罗氏线圈或印刷电路板完整的罗氏线圈分别进行检测。它们具有两个主要缺陷：一方面，这两种方法检测时需要破坏器件的封装结构并在器件内部安装传感器，这会严重破坏器件的密封性与绝缘性，导致器件被检测后无法继续使用；另一方面，这两种方法需要与并联芯片数量相等的电压采样电路，并联芯片的数量通常高达几十个，带来的电压采样电路的成本是非常高昂的。
此外，现有技术，如CN101625377A，公开一种高精度开口式罗氏线圈，它包括至少一层PCB板，每层PCB板由两个相对设置的板组成；两个板之间设有间距，两个板的一端开口为常开开口；所述PCB板上设有线圈，线圈由刻在PCB板上下面上的导线以及连接上下面导线的导线柱构成；在所述常开开口处设有信号输出端；两个板的线圈由连接线串联连接。CN109613318A公开了一种测量小电流用罗氏线圈，包括由外至内同心设置的绝缘橡胶管外层、屏蔽层、漆包线、磁性材料、反馈芯线及中心柔性骨架，绝缘橡胶管外层、屏蔽层、漆包线、磁性材料、反馈芯线及中心柔性骨架的两端连接在罗氏线圈对接头上，罗氏线圈对接头上连接有引出屏蔽线，引出屏蔽线由内部的芯线及包裹在芯线外的屏蔽材料层构成。本实用新型还提供此罗氏线圈的制造方法。CN106370894A涉及一种开口式罗氏线圈及应用，包括双层PCB板，每层PCB板由一对相对设置的半圆环形板构成，相对设置的两块半圆环形板之间设有间隙，所述PCB板中间为一间隔绝缘层，该间隔绝缘层两侧由内向外依次对称设置导电层、间隔绝缘层和屏蔽层，线圈敷设于所述导电层，两个屏蔽层由设置在靠近罗氏线圈外径处的连接两屏蔽层的通孔进行电气连接，形成法拉第笼屏蔽罩结构。CN104407192A公开了一种用于输电线路雷电流测量的可开口式罗氏线圈，包括上线圈外壳、下线圈外壳、柔性罗氏线圈螺纹骨架、绕线线圈、绝缘套管、内屏蔽层、热缩管等，绕线线圈均匀地缠绕在柔性罗氏线圈螺纹骨架上的螺纹凹槽中，在柔性罗氏线圈螺纹骨架和绕线线圈的外层依次套有绝缘套管、内屏蔽层和热缩管。CN105548644A涉及一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法，具体是电子式电流互感器中的罗氏线圈绕制方法和原始信号的检测方法。本实用新型包括由双线并绕的罗氏线圈，采用双路漆包线紧挨、平行、并均匀缠绕在罗氏线圈骨架上，形成环形线圈。本实用新型不用改变线圈结构，仅在绕制方法和连接方式上做了改进，即可获得良好的性能。CN109782062A涉及一种罗氏线圈型电子式电流互感器谐波计量特性优化方法，首先分别获取罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容的决定因素，依据各决定因素分别计算罗氏线圈的线圈内阻、线圈自感和线圈杂散电容，然后定量分析罗氏线圈的内阻、自感、杂散电容等固有参数对电子式互感器谐波传变特性的影响，为工艺改进提供技术支持，根据相应的高次谐波条件下输出特性分别对内阻、线圈自感和线圈杂散电容进行工艺优化。CN102436897A用于直流系统短路电流检测的柔性罗氏线圈及其设计方法，该线圈包括均匀绕制在带有开口的圆环形柔性骨架上的线圈及回线，在线圈及回线外套装有外层绝缘套管，圆环形柔性骨架的开口上安装有与线圈及回线相连接的插入式接口，线圈出线经插入式接口的孔引出后与取样电阻模块相连，取样电阻模块引出信号与后级积分电路相连接。CN112730943A公开了一种用于压接式I GBT内部电流测量的圆形PCB罗氏线圈，结合4.5kV/1.2kA压接式I GBT器件的凸台布局，设计了一种圆形PCB Rogowsk i线圈，该线圈的设计包括：线圈内径、外径、线圈匝数等参数的合理选择。CN209804439U计量保护一体化电流传感器，包括绕制式罗氏线圈、PCB罗氏线圈，所述PCB罗氏线圈镶嵌于绕制式罗氏线圈的内部；绕制式罗氏线圈用作电力系统的计量使用，用于精确测量导线上的电流，起到实时计量的作用。PCB罗氏线圈用作电力系统的保护使用，用于测量电力系统内的大电流信号。
然而，上述现有技术虽然也对罗氏线圈做了分段或开口的处理，但其实质上是为了方便将待测导线/导体放入线圈中心包围区域。上述现有技术中的分段罗氏线圈每一段之间仍然是进行电气连接的，电路上等效为一个罗氏线圈，不具备分段罗氏线圈的特殊的互感特性。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本实用新型公开一种分段罗氏线圈，其技术方案如下：
一种分段罗氏线圈，其特征为：根据被测器件的外型尺寸，确定单个分段罗氏线圈骨架对应的结构；当确定线圈骨架结构后，导线均匀缠绕于线圈骨架上，所述线圈的绕线方式为带有返回线的绕线方式；线圈的两个端子被引出并接入测量设备；根据线圈骨架结构的形状不同，排列在被测器件周围的线圈个数不同。
优选为：所述测量设备为电压采集设备；所述线圈骨架为印刷电路板的FR4或橡胶、塑料绝缘物理结构；除引出的两个端子外，整体线圈结构被金属薄膜屏蔽层包裹。
优选为：若被测器件为圆形结构，所述分段罗氏线圈的骨架设计为扇型结构；当所述扇型结构骨架的角度为90度，则四个线圈紧密排列在被测器件的周围。
本实用新型还公开一种压接型电力电子器件电流分布检测装置，其特征为：
所述分段罗氏线圈对称地排列在被测器件的周围；所述被测器件与外部电源连接通过外部电源为被测器件提供电流；所述分段罗氏线圈引出端子与电压采集设备连接。
优选为：使用双脉冲测试实验给被测器件通入电流。
优选为：每个所述分段罗氏线圈引出的两个端子接入电压采集设备得到每个分段罗氏线圈的测量电压。
有益效果
本实用新型不需要破坏压接型电力电子器件的封装结构，通过所提分段罗氏线圈的外部测量结果即可反映器件内部的电流分布情况，测试完成后的器件依然可以正常使用。因此，所提方法在非侵入性上具有突出优势；
本实用新型所需的采样电路数量更少，成本更加低廉。
本实用新型所提出的分段罗氏线圈，每一段线圈都有两个单独的导线端子被引出并接入电压采集设备。
附图说明
图1所提出的分段罗氏线圈的一种90度扇形结构示意图。
图2为压接型电力电子器件电流分布不均检测装置示意图。
图3实施例1对应的分段罗氏线圈互感图，其中，(a)为分段罗氏线圈互感三维图；(b)为分段罗氏线圈互感极坐标云图。
图4实施例1与实施例2对应的分段罗氏线圈测量器件电流分布的电路图。
其中：1为线圈骨架；2为绕制在线圈骨架上的导线；3为导线引出的两个端子；4-7为分段罗氏线圈，8为被测器件，9为电压采集设备；10为被测器件；
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步详细说明。
实施例1
本实用新型提出的分段罗氏线圈结构如图1和图2所示。图1所提出的分段罗氏线圈的一种90度扇形结构示意图。其中，1为线圈骨架，其为印刷电路板的FR4或橡胶、塑料等其它任意绝缘物理结构；2为绕制在线圈骨架上的导线；3为导线引出的两个端子。需要注意的是，除引出的两个端子外，整体线圈结构被金属薄膜屏蔽层包裹。图2所提出的压接型电力电子器件电流分布不均检测方法示意图。其中4、5、6、7为本实用新型所提出的分段罗氏线圈，8为被测器件，9为电压采集设备。将每个分段罗氏线圈的端子接入测量设备，给器件通入电流后，通过测量设备观察输出电压，进而获得器件电流分布情况。
随着使用的分段线圈数量的增加，它们对被测器件电流分布的感知变得更加精确。此处通过分成四段的分段罗氏线圈来介绍实用新型所提方法。本实施例中使用的分段罗氏线圈是使用四层印刷电路板制作的。此处需要说明的是，本实用新型的重点是分段罗氏线圈的设计思路与使用其独特的互感特性对压接型电力电子器件电流分布情况进行检测的方法。分段罗氏线圈具体的制作方式不局限于印刷电路板制作，也可以使用其它柔性或刚性的物理结构，将导线绕于其上，包裹屏蔽层后构成分段罗氏线圈。线圈骨架，其为印刷电路板的FR4或橡胶、塑料等其它任意绝缘物理结构。
对于图2中的任意一个分段罗氏线圈，以分段罗氏线圈5为例，其与被测器件区域中的任何点Q0之间的互感M0可以表示为(1)
其中a是每个矩形线匝的宽度，μ0是空气的磁导率，等于4π×10-7H/m。r0、θ0、d1n、d2n和N分别是Q0到极点的距离和角度、Q0到第n个矩形线匝的内边缘和外边缘的距离，以及分段罗氏线圈的总匝数。d1n和d2n可以通过(2)获得。为了简化分析，采用极坐标系进行分析与介绍。
其中R1和R2分别是分段罗氏线圈的内半径和外半径。θn是极坐标系中第n个矩形线匝所处的角度。
以图2中的分段5为例，根据式(1)与式(2)，可以计算得到其互感如图3所示。如图3所示，分段罗氏线圈对相邻区域的电流更敏感，并且其互感随着距离的增加而急剧衰减，这种独特的互感特性可以用于检测被测压接型器件的电流分布。
分段罗氏线圈的等效电路模型如图4所示。四个分段罗氏线圈具有相同的自感LS、寄生电阻RS、寄生电容CS和采样电阻RM。vS_i和vout_i(i＝1,…,4)分别是分段罗氏线圈对应的感应电压和其实际的两个端子端口输出电压。
对于器件区域内单位面积dS中流过的电流，其对应的感应电压为
其中J为单位面积dS的电流密度，M0_i为分段罗氏线圈与单位面积dS的互感。单位面积dS对应的分段罗氏线圈#1输出电压传递函数可以表示为
如式(4)所示，通过单位面积dS的电流与其相应的输出电压呈现微分关系。
分段罗氏线圈#1的实际输出电压可以被描述为器件全区域的电流与相应互感的积分，如式(5)所示。
对于每个分段罗氏线圈来说，器件的的电流密度J(r0,θ0)是相同的，而M0_i(r0,θ0)是不同的且关于极点对称。因此，分段罗氏线圈的输出电压可以为压接型电力电子器件的电流分布情况提供参考。
实施例2
如图2所示，将四个90度扇形的分段罗氏线圈围绕被测器件对称排列。通过电力电子器件测试领域常用的双脉冲实验给被测器件通入电流，将四个分段罗氏线圈的输出端子如图2所示接入电压测量设备获得分段罗氏线圈输出电压数据。通过对比四个分段罗氏线圈输出电压结果分析被测器件的电流分布情况。若各个分段罗氏线圈输出电压大小不同，则判定器件的电流分布是不均衡的。电压幅值大的分段罗氏线圈，其相邻器件区域的电流大；电压幅值小的分段罗氏线圈，其相邻器件区域的电流小。
本实用新型技术方案设计了一种分段罗氏线圈，利用其独特的互感特性，可以获得压接型电力电子器件内部电流的分布情况。解决了目前压接型电力电子器件电流分布无法使用非侵入式方法得到的难题。在保障器件绝缘性能和密闭性能的前提下，可以通过外部测量结果获得压接型电力电子器件内部的电流分布。本实用新型非侵入性好，成本低廉，有助于实现电力电子器件与设备的状态检测与保障安全稳定运行。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (5)
1.一种分段罗氏线圈，其特征为：根据被测器件的外型尺寸，确定单个分段罗氏线圈骨架对应的结构；当确定线圈骨架结构后，导线均匀缠绕于线圈骨架上，所述线圈的绕线方式为带有返回线的绕线方式；线圈的两个端子被引出并接入测量设备；根据线圈骨架结构的形状不同，排列在被测器件周围的线圈个数不同。
2.根据权利要求1所述的分段罗氏线圈，其特征为：所述测量设备为电压采集设备；所述线圈骨架为印刷电路板的FR4或橡胶、塑料绝缘物理结构；除引出的两个端子外，整体线圈结构被金属薄膜屏蔽层包裹。
3.根据权利要求1所述的分段罗氏线圈，其特征为：若被测器件为圆形结构，所述分段罗氏线圈的骨架设计为扇型结构；当所述扇型结构骨架的角度为90度，则四个线圈紧密排列在被测器件的周围。
4.一种压接型电力电子器件电流分布检测装置，包括权利要求1-3任一所述的分段罗氏线圈，其特征为：
所述分段罗氏线圈对称地排列在被测器件的周围；所述被测器件通过双脉冲测试实验通入电流；所述分段罗氏线圈的每个线圈的两个引出端子与电压采集设备连接。
5.根据权利要求4所述的压接型电力电子器件电流分布检测装置，其特征为：每个所述分段罗氏线圈引出的两个端子接入电压采集设备得到每个分段罗氏线圈的测量电压。
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