DE102007040399A1

DE102007040399A1 - Vorrichtung zur galvanisch getrennten Messung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Zweipols

Info

Publication number: DE102007040399A1
Application number: DE200710040399
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: DE102007040399B4; EP2031412A3; EP2031412B1; EP2031412A2

Abstract

Die elektrische Leistung wird aus der Messung von Strom und Spannung in einem Stromkreis bestimmt. Gemäß der Erfindung werden XMR-Sensoren (11 bis 14, 21 bis 24) verwendet, die zu zumindest zwei Wheatstone-Brücken (10, 20) verschaltet sind, wobei die XMR-Sensoren (11 bis 14, 21 bis 24) über einer Leiterschleife (1) angeordnet sind und bei Stromfluss sich in den mindestens zwei Wheatstone-Brücken (10, 20) ein Gradienten-/Differenzfeld ergibt. Die Spannungsmessung erfolgt über einen Parallelwiderstand, der den Strom Iv erzeugt. Der Strom Iv führt in den Flachspulen (15, 25) zu zwei Gradienten-/Differenzfeldern, die zueinander entgegengesetzt gerichtet sind. Die Überlagerung der Differenzfelder des Primärstromes Ip und des Stroms Iv wird von den beiden Brücken in zwei Signale umgewandelt, aus welchen Ip und Iv berechnet werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur galvanisch getrennten Messung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Zweipols aus der galvanisch getrennten Erfassung von Strom und Spannung in einem Stromkreis.
MR-Sensoren, insbesondere GMR Sensoren, stellen in der magnetfeldbasierten Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu Hallsensoren dar. Vor allem im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind während der letzten Jahre verstärkt MR-basierte Sensoren in den Markt eingeführt worden. Die Hauptvorteile – im Vergleich zu Hall-Sensoren – liegen im einfacheren Systemaufbau, der größeren Störsicherheit, bedingt durch die Möglichkeit eines Designs mit stark reduzierter Fremdfeldempfindlichkeit, und dem geringeren Rauschen.
Es bieten sich bei MR-basierten Sensoren vor allem vollintegrierte Lösungen an, da die MR-Elemente als „back-end"-Prozess im Rahmen eines CMOS-Prozesses aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beanspruchen.
Für viele Anwendungen, vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik, werden jeweils vier MR-Elemente zu einer sog. Wheatstone-Brücke verschaltet um eine genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern usw. unabhängigere Messung zu erreichen. Vor allem um den Einfluss von Fremdfeldern zu unterdrücken wird über eine Stromschleife ein Differenzfeld erzeugt, wobei die Brückenelemente so positioniert werden, dass die Ausgangsspannung stark von dem durch die Stromschleife erzeugten Differenzfeld jedoch nicht von eventuell auftretenden homogenen Störfeldern beeinflusst wird.
Neben der reinen galvanisch getrennten Stromerfassung, die eine solche Anordnung ermöglicht, ist aber insbesondere eine kompakte, störsichere und kostengünstige galvanisch getrennte Messung der elektrischen Leistung von Interesse.
Zur galvanisch getrennten Erfassung der elektrischen Momentanleistung ist zusätzlich zur Strom-Istwert-Erfassung auch eine Spannungs-Istwert-Messung notwendig. Die galvanisch getrennte Erfassung von elektrischen Potentialdifferenzen bzw. Spannungen erfolgt in kommerziellen Systemen im Allgemeinen über einen Vorwiderstand und einem galvanisch getrennten Stromsensor. Zum Teil werden auch Systeme, die im Versorgungspfad, z. B. mittels Batterie, und im Signalpfad, z. B. Optokoppler oder Magnetokoppler, entkoppelt, also galvanisch getrennt sind, eingesetzt und die ansonsten Strom und Spannung konventionell messen, beispielsweise den Strom über einen Shuntwiderstand und die Spannung über einen Spannungsteiler. Der Systemaufbau dieser Leistungsmesser ist vergleichsweise aufwendig und teuer.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut und zur galvanisch getrennten Erfassung der elektrischen Momentanleistung geeignet ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung von MR-Sensoren (AMR-, GMR-, TMR-, OMR-Sensoren), die allgemein als XMR-Sensoren bezeichnet werden, vorzugsweise GMR-Sensoren, die zu mindestens zwei Wheatstone-Brücken verschaltet sind. Die Anordnung der MR-Sensoren befindet sich dabei über einer Leiterschleife mit Hin- und Rückleitung (sog. U-Turn), wobei mit einer solchen Anordnung sowohl der elektrische Strom als auch die elektrische Spannung eines elektrischen Zweipols (Eintors) erfasst werden kann. Dabei wird berücksichtigt, dass sich bei Anlegen einer Spannung durch Bestromung mittels von zwei Spulen, die gegenläufig zueinander angeordnet sind, im Bereich der beiden Wheatstonebrücken mindestens ein Gradientenfeld ergeben, das dem des zu messenden Stromes gleich und mindestens eines das den zu messenden Stromes entgegengesetzt gerichtet ist.
Bei der Erfindung befinden sich bei Stromfluss beide Wheatstone-Brücken im Magnetfeld der Leiterschleife, die so ausgelegt ist, dass sich ein Gradienten-/Differenzfeld ergibt. Die Wheatstone-Brücken sind so angeordnet, dass sie durch das Differenzfeld des Primärstromes eine maximale Verstimmung erfahren. Beide Wheatstone-Brücken befinden sich in Bereichen, die einen vergleichbaren Magnetfeldverlauf des durch den Primärstrom hervorgerufenen Magnetfeldes aufweisen. Die Spannungsmessung erfolgt über einen Parallelwiderstand parallel zum Zweitor, der den Strom I_v erzeugt.
Bei der Erfindung führt der Strom I_v in einer zusätzlichen Spulenanordnung, vorteilhafterweise in den Flachspulen zu zwei Gradienten-/Differenzfeldern, die zueinander entgegengesetzt gerichtet sind. Die Überlagerung der Differenzfelder des Primärstromes I_p und des Stroms I_v wird von den beiden Brücken in zwei Signale umgewandelt, aus welchen wiederum I_p und I_v berechnet werden können.
Die Spannungsmessung erfolgt über einen Vorwiderstand von geeigneter Größe, insbesondere von einigen kQ. Der durch den Vorwiderstand fließende Strom erzeugt mittels der mindestens zwei Flachspulen mindestens zwei unterschiedliche Gradienten-/Differenzfelder, die im Allgemeinen entgegen gesetzt gerichtet sind.
Bei der Erfindung besitzen die Flachspulen vorzugsweise mehrere Lagen, um bei möglichst kleinem Strom I_v ein Gradienten-/Differenzfeld welches dem Betrage nach bei Nennbetrieb etwa dem des Primärstromes I_p entspricht, zu erzeugen. Im Bereich der ersten Wheatstone-Brücke addieren sich die beiden Gra dienten-/Differenzfeldes, d. h. das Gradienten-/Differenzfeld der Strommessung vom Primärstrom, und das Gradienten-/Differenzfeld der Spannungsmessung, d. h. der Strom über einen Vorwiderstand und die Flachspule. Im Bereich der zweiten Wheatstone-Brücke subtrahieren sich die beiden Gradienten-/Differenzfelder, d. h. das Gradienten-/Differenzfeld des Primärstromes I_p und das Gradienten-/Differenzfeld der Spannungsmessung. Damit ist die vorteilhafterweise galvanisch getrennte Bestimmung der elektrischen Leistung möglich.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
1 eine Draufsicht auf die neue Anordnung mit den wesentlichen Strukturen,
2 eine Seitenansicht bzw. ein Schnitt der Anordnung gemäß 1 und
3 ein elektrisches Blockschaltbild für die Anordnung gemäß den 1/2.
Gleiche Elemente haben in den Figuren gleiche bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Insbesondere die 1 und 2 werden gemeinsam beschrieben.
In den 1 und 2 bedeutet 1 eine Leiterbahn, durch die ein Primärstrom I_P geschickt wird. Wesentlich ist dabei, dass die Leiterbahn U-förmig verläuft (so genannter U-Turn.) Auf der Leiterbahn 1 ist in der Schnittdarstellung eine Isolationsschicht 2 erkennbar, auf der in eine weitere Isolationsschicht 3 eingebettet zwei Brückenschaltungen 10 und 20 nach Art einer Wheatstone-Brücke mit jeweils vier XMR-Elementen 11 bis 14 bzw. 21 bis 24 eingebracht sind. Die Elemente für die Brückenschaltungen 10 und 20 sind Dünnschichtele mente und können im Rahmen eines so genannten Back-End-Prozesses nachfolgend zu einem CMOS-Prozess, mit dem die Auswerteschaltung realisiert wird, auf das gleiche Substrat aufgebracht werden.
Die beiden Wheatstone-Brücken 10 und 20 weisen als XMR-Elemente 11 bis 14 und 21 bis 24 vorteilhafterweise GMR(Giant Magnetic Resistive)-Sensoren auf. Auch andere Sensoren wie beispielsweise die vom Stand der Technik bekannten AMR-, TMR-Sensoren sind einsetzbar.
Auf den Sensoren 11 bis 14 und 21 bis 24 befinden sich jeweils eine Flachspule 15 bzw. 25 zur Spannungsmessung. Die Flachspulen können vorteilhafterweise mehrlagig aufgebaut sein.
Derartige Aufbauten mit Brückenschaltungen von XMR-Elementen sind vom Stand der Technik bekannt. Wesentlich ist im vorliegenden Zusammenhang, dass mit den Flachspulen 15, 25 eine Spannungsmessung erfolgen kann, wobei die Anordnung so gewählt ist, dass eine gegenseitige Störung der magnetischen Felder für Strom und Spannungsmessung vermieden wird.
In den Brücken 10 und 20 gelten für die darin erzeugten Brückenspannungen nachfolgende Gleichungen (1) und (2):
wobei die Symbole folgende Bedeutung haben:

U_B1:: Brückenspannung der ersten Brücke
U_B2:: Brückenspannung der zweiten Brücke
R:: Vorwiderstand
I_P:: Strom (Primärstrom)
U:: Spannung
F₂:: normierte Übertragungsfunktionen der Brücke
a₁, a₂, g₁, g₂:: Skalierungsfaktoren

Aus den Brückensignalen kann nach einer geeigneten Filterung und einer Analog/Digitalwandlung sowohl der Strom als auch die Spannung wieder berechnet werden. Es gilt:
In der 3 bedeuten 30 einen aktiven oder einen passiven Zweipol, der auch als Eintor bezeichnet wird. Es ist ersichtlich, dass in dem in 3 dargestellten Netzwerk die Spannung mit einer Einheit 31 und der Strom über einen Vorwiderstand 32 in einer Einheit 33 erfasst werden können, wobei eine galvanische Trennung vorliegt.
Aus den erfassten Werten für Strom I_p und Spannung U kann der momentane Wert der Leistung durch einfache Multiplikation der digitalisierten Werte berechnet werden. Über eine einfache Integration bzw. Summenbildung kann dann dieser Wert in üblicher Weise zu einem zeitlichen Mittelwert – wie beispielsweise für stationäre Signale üblich – weiter verarbeitet werden. Es gilt Gleichung (4):
mit

P:: mittlere Leistung
P:: Momentanleistung
T:: Periodendauer
to:: Startzeitpunkt

Es ist somit eine Messvorrichtung zur Echtzeit-Erfassung der elektrischen Leistung gegeben. Der wesentliche Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass durch ein ein ziges System in direkter räumlicher Benachbarung (Nachbarschaft) sowohl Spannung als auch Strom galvanisch getrennt erfasst werden kann. Der Aufbau der beiden Brücken erfolgt in der gleichen Technologie, die im Fall der GMR-Technologie erwiesener Maßen als „back end"-Prozess für einen CMOS-Prozess geeignet ist. Damit kann das gesamte Messsystem zusammen mit der Signalverarbeitung auf einem Substrat realisiert werden.
Durch die gezielte Überlagerung der magnetischen Felder kann vorteilhafterweise ein gegenseitiges Stören von eng benachbarter Strom und Spannungsmessung vermieden werden.

Claims

Vorrichtung zur galvanisch getrennten Messung der elektrischen Leistungsaufnahme eines Zweipols aus der Erfassung von Strom und Spannung in einem Stromkreis, wobei inplane empfindliche XMR-Sensoren verwendet werden, die zu Wheatstone-Brücken verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wheatstone-Brücken (10, 20) vorhanden sind, wobei die XMR-Sensoren (11, 14, 21 bis 24) jeder Wheatstone-Brücken (10, 20) über einer Leiterschleife (1) angeordnet sind und bei Stromfluss sich in den mindestens zwei Wheatstone-Brücken (10, 20) ein Gradienten-/Differenzfeld ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wheatstone-Brücken (10, 20) vorhanden sind, die derart angeordnet sind, dass sie durch das Gradienten-/Differenzfeld eine maximale Verstimmung erfahren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wheatstone-Brücken (10, 20) sich in Bereichen befinden, die einen vergleichbaren Magnetfeldverlauf des durch den Primärstrom hervorgerufenen Magnetfeldes aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die XMR-Sensoren (11 bis 14, 21 bis 24) AMR-, GMR-, TMR- oder OMR-Sensoren, insbesondere GMR-Sensoren, sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsmessung ein geeigneter Vorwiderstand (32) von einigen kΩ vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorwiderstand (32) zwei Flachspulen (15, 25) zugeordnet sind, in die bei Bestromung mindestens zwei unterschiedliche Gradienten-/Differenzfelder mit entgegengesetzter Richtung erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gradienten-/Differenzfelder entgegengesetzt gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachspulen (15, 25) mehrere Lagen aufweisen und bei kleinem Strom (I_V) ein Gradienten-/Differenzfeld, das den Betrag bei Nennbetrieb im Wesentlichen dem Feld des Primärstromes (I_P) entspricht, erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Brückenspannungen gilt:
wobei die Symbole folgende Bedeutung haben: U_B1: Brückenspannung der ersten Brücke, U_B2: Brückenspannung der zweiten Brücke, R: Vorwiderstand I_P: Primärstrom U: Spannung F₁ _, ₂: normierte Übertragungsfunktion der Brücke a₁, a₂, g₁, g₂: Skalierungsfaktoren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Brückensignalen nach Filterung und A/D-Wandlung Strom und Spannung gemäß folgender Vorschrift berechenbar sind:
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die mittlere Leistung gilt:
mit P: mittlere Leistung P: Momentanleistung T: Periodendauer t_o: Startzeitpunkt