TWI323552B - Current sensing circuit using integrated current-sensing transformer - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係關於一種電流感測變壓器，尤指一種可以分別 感測兩個迴路電流之整合式電流感測變壓器。 【先前技術】 電而if技日新月異的今日’幾乎所有的裝備都無法脫離 常運作电力糸統為了破保各電力設備正 運作t必須隨時偵測電流狀態，以便監控設備是否正常 在電子吳動作時可採取適當之保護措施，相同的， 保電子電路正:樣具有電流感測器，該電流感測器可以確 枝術而言非常重要乍，因此，如何確貫地量測電流對相關 參閱第-圖二：：器可分下列兩種，-種是電阻式，請 〜，其細阻式電流感測器量測電路圖，如圖 取讀消m電阻R上1 與待測電流1之電路串聯，讀 铉螂試電阻r上流、之電壓值乂後，便可依歐姆定律計算出 *挪電路雖然簡；過之電流(I=V/R)，此電阻式電流感測器 應，將使得測^疮，龟是電流流經測試電阻R會產生熱效 4之電流值會；：：R溫度升高而電阻值改變，導致量測 率姨耗。 的§吳差存在’同時也會造成不小的功 另外—種量刿方 法是利用電流感測變壓器（又稱比流 1323552 器）量測電流，請參閱第二圖，其係為電流感測變壓器量測 • 電路圖，其係使用電流感測變壓器，將待測電流之電路與 . 電流感測變壓器之初級線圈串聯，由於次級線圈輸出電流 lout與待測電流I成比例，且該比例與線圈匝數比 . (Ns/Np，其中Ns與Np分別為次級線圈與初級線圈之匝數） 成反比，因此待測電流I可藉由公式I = Iout(Ns/Np)計算 出。 φ 然而，習知電流感測變壓器只能量測單一迴路電流， 若要量測兩個迴路電流時，就必須使用兩個電流感測變壓 器，請參閱第三圖（a)，其係為使用兩個電流感測變壓器量 測兩個待測電流之量測電路圖，如圖所示，分別將第一電 流感測變壓器CT1與第二電流感測變壓器CT2之初級線 圈，串聯於第一待測電流迴路Lpl與第二待測電流迴路 Lp2，當第一待測電流Ipl以及第二待測電流Ip2有電流值 時，於第一電流感測變壓器CT1以及第二電流感測變壓器 φ CT2之次級線圈會產生第一量測電流Isl以及第二量測電 流Is2，如第三圖（b)所示，其中待測電流Ipl及Ip2可藉 由公式 Ipl = Isl(Nsl/Npl)、Ip2=Is2(Ns2/Np2)計算出，其 中Nsl與Npl分別為第一電流感測變壓器CT1之次級線圈 ' 與初級線圈之匝數，Ns2與Np2分別為第二電流感測變壓 - 器CT2之次級線圈與初級線圈之匝數。如此使用兩顆電流 感測變壓器量測兩個待測電流，不但成本提高而電流感測 變壓器的使用率也降低，更使得電子裝置的體積變大、重 量變重。 7 1323552 因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之電流 - 感測變壓器，實為目前迫切需要解決之問題。 【發明内容】 - 本案之主要目的在於提供一整合式電流感測變壓器及 - 使用該變壓器之電流感測電路，其可以利用單一電流感測 變壓器感測兩個待測電流，藉此電流感測變壓器的使用率 • 提高，相對地成本降低，且電子裝置的體積變小、重量變 幸呈 ° 為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種 整合式電流感測變壓器，用以感測至少兩個待測電流，其 包含：一繞件座，具有一容置空間；一磁心組，部分地設 置於該繞件座之該容置空間中，用以提供磁通的閉合路 徑；一第一初級繞件與一第二初級繞件，分別繞於該繞件 座上，用以分別輸入一第一待測電流以及一第二待測電 • 流；以及一次級繞件，繞於該繞件座上，用以感測該第一 初級繞件與該第二初級繞件之電流，並輸出一感測電流， 其中該感測電流與該第一待測電流或該第二待測電流的電 流值大小成比例值。 根據本案之構想，其中該磁心組係由第一磁心部件與 第二磁心部件組成。 根據本案之構想，其中該磁心組係為一 EI型磁心組或 EE型磁心組。 根據本案之構想，其中該繞件座係由絕緣材料構成。 1323552 根據本案之構想，其中該第一初級繞件、該第二初級 - 繞件以及該次級繞件係分別為繞線所構成。 . 根據本案之構想，其中該繞件座更包含一接腳座。 根據本案之構想，其中該接腳座係包括複數個接腳， • 其係分別與該第一初級繞件、該第二初級繞件以及該次級 _ 繞件連接。 根據本案之構想，其中該第一初級繞件與該第二初級 φ 繞件係分別為銅片所構成，且該第一初級繞件與該第二初 級繞件係分別具有接腳。 根據本案之構想，其中該比例值為該第一初級繞件與 該次級繞件之匝數比或該第二初級繞件與該次級繞件之匝 數比。 根據本案之構想，其中該第一初級繞件與該次級繞件 以·一第一方向環繞於該繞件座上，該第二初級繞件以一第 二方向環繞於該繞件座上。 • 根據本案之構想，其中該第一方向與該第二方向相反。 為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一 種電流感測電路，用以感測至少兩個待測電流，其包含： . 一電流感測變壓器，其具有一第一初級繞件、一第二初級 繞件以及一次級繞件，其中該第一初級繞件與第二初級繞 件分別用以輸入一第一待測電流以及一第二待測電流，並 輸出一感測電流，其中該感測電流與該第一待測電流與該 第二待測電流之電流值大小分別成一第一比例值與一第二 比例值；以及一整流電路，其具有一輸入端、一第一輸出 1323552 端點、一第二輸出端點以及一共接端點，而該輸入端連接 • 於該次級繞件，該整流電路將該次級繞件之該感測電流整 . 流為一第一量測電流以及一第二量測電流，其中該第一量 測電流與該第一待測電流之電流值大小成該第一比例值， . 而該第二量測電流與該第二待測電流之電流值大小成該第 二比例值。 根據本案之構想’其中该整流電路之該輸入端包括一 Φ 第一輸入端點以及一第二輸入端點。 根據本案之構想，其中該整流電路係由一第一整流元 件以及一第二整流元件所組成，該第一整流元件一端連接 於該共接端點，另一端連接於該第二輸入端點與該第二輸 出端點，而該第二整流元件一端連接於該共接端點，另一 端連接於該第一輸入端點與該第一輸出端點。 根據本案之構想，其中該第一整流元件與該第二整流 元件為二極體。 • 根據本案之構想，其中該第一整流元件以及該第二整 流元件連接於該共接端點之極性相同。 根據本案之構想，其中該電流感測電路更包含一第一 阻抗元件以及一第二阻抗元件，該第一阻抗元件連接於該 第一輸出端點與該共接端點，該第二阻抗元件連接於該第 二輸出端點與該共接端點。 根據本案之構想，其中該第一阻抗元件以及該第二阻 抗元件為電阻。 根據本案之構想，其中該第一比例值為該第一初級繞 1323552 件與該次級繞件之&數比，該第二比例值為該第二初級繞 件與該次級繞件之數比。 根據本案之構想，其中該感測電流包含一第一感測電 流與一第二感測電流，當該第一待測電流流入該第一初級 繞件時，會於該次級繞件產生該第一感測電流，而當該第 二待測電流流入第二初級繞件時，會於該次級繞件產生該 第二感測電流，且該第一感測電流與該第二感測電流之電 流方向相反。 根據本案之構想，其中該第一感測電流之電流值大小 等於該第一量測電流，而該第二感測電流之電流值大小等 於該第二量測電流。 根據本案之構想，其中當該第一待測電流具有電流值 時，該第二待測電流之電流值為零。 根據本案之構想，其中當該第二待測電流具有電流值 時，該第一待測電流之電流值為零。 【實施方式】 體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說 明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有 各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖 示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。 請參閱第四圖，其係為本案較佳實施例之整合式電流 感測變壓器之結構示意圖。如第四圖所示，本案之整合式 1323552 電流感測變壓器4係用於感測兩個待測電流，其主要包含 繞件座（bobbin)41、磁心組（magnetic core)42、第一初 級繞件43、第二初級繞件44以及次級繞件45，其中繞件 座41係由例如絕緣材質製成且具有一容置空間411，該容 置空間411係用於容置磁心組42，藉此以利用磁心組42 提供磁通的閉合路徑。磁心組4 2可由例如第一磁心部件 421與第二磁心部件422組成，其中該第一磁心部件421 與第二磁心部件422可分別為例如EE型式或EI型之磁心 部件組合，且不以此為限。第一初級繞件43、第二初級繞 件44以及次級繞件45分別絕緣且繞於繞件座41上。於一 些實施例中，該第一初級繞件43、第二初級繞件44以及 次級繞件45係分別由繞線所構成，且分別連接於繞件座 41之接腳座412的接腳413上。於另一些實施例中，若待 測電流相對較大時，第一初級繞件43以及第二初級繞件 44可由銅片所構成，且第一初級繞件43以及第二初級繞 件44可分別具有接腳，俾使第一初級繞件43以及第二初 級繞件44可以直接下腳到一印刷電路板上與線路逕行連 接（未圖示）。於一些實施例中，第一初級繞件43以及次級 繞件45以第一方向A環繞於繞件座41之繞線區上，第二 初級繞件44以第一方向B環繞於繞件座41之繞線區上， 其中第一方向A與第二方向B相反。於應用時，分別將第 一待測電流Ipl流入第一初級繞件43 ’以及將第二待測電 流Ip2流入第二初級繞件44，因此當第一待測電流Ip 1或 第二待測電流Ip2有電流值時，於次級繞件45會感測一感

12 1323552 測電流Is，其感測電流Is與第一待測電流Ipl或第二待 測電流Ip2的電流值大小成比例值，該比例值為例如第一 . 初級繞件43與次級繞件45之匝數比或第二初級繞件44與 次級繞件45之阻數比。 - 請參閱第五圖，其係為本案較佳實施例之整合式電流 ^ 感測電路。如第五圖所示，本案之整合式電流感測電路， 用以感測兩個待測電流，其係由整合式電流感測變壓器4 φ 以及整流電路51所組成，其中整合式電流感測變壓器4具 有第一初級繞件43、第二初級繞件44以及次級繞件45， 將第一初級繞件43與第一待測電流Ipl之電流迴路串連 (未圖示），第二初級繞件44與第二待測電流Ip2之電流迴 路串連（未圖示），而第一待測電流I p 1將會流入第一初級 繞件4 3 5弟二待測電流I p 2將會流入弟二初級繞件4 4 ’並 由次級繞件45感測第一初級繞件43與第二初級繞件44之 電流，其中第一初級繞件43匝數為Npl，第二初級繞件44 φ 匝數為Np2，次級繞件45匝數為Ns。 請參閱第六圖，其係為本案較佳實施例之整合式電流 感測電路之電流波形圖。如第五圖與第六圖所示，其中感 測電流Is包含第一感測電流Isl與第二感測電流Is2，為 次級繞件45所感測之電流。在時間tO與tl之間，第一初 ' 級繞件43流入第一待測電流Ipl，此時第二待測電流Ip2 之電流值為零，次級繞件45會感測到第一感測電流Isl， 在時間tl與t2之間，第二初級繞件44流入第二待測電流 Ip2，此時第一待測電流Ipl之電流值為零，次級繞件45 13 1323552 會感測到第二感測電流Is2，且第一感測電流Isl與第二 感測電流Is2的電流方向相反。於一些實施例中，第一待 . 測電流Ipl與第一感測電流Isl的電流值大小成一第一比 例值，其第一比例值為第一初級繞件43與次級繞件45之 . 匝數比（Npl/Ns)，因此其電流值大小關係為 Isl = Ipl(Npl/Ns)，同樣的，第二待測電流Ip2與第二感測 電流Is2的電流值大小也成一第二比例值，其第二比例值 φ 為第二初級繞件44與次級繞件45之匝數比（Np2/Ns)，因 此其電流值大小關係為Is2 = Ip2(Np2/Ns)。 於一些實施例中，如第五圖所示，為了分離出兩個感 測電流Isl、Is2，在整合式電流感測變壓器4輸出連接一 整流電路51，其係包含第一整流元件D1以及第二整流元 件D2，其中第一整流元件D1與第二整流元件D2的正極（p 極）連接於共接端點COM，而第一整流元件D1的負極（η極） 連接於整流電路51輸入端之第二輸入端點53與第二輸出 φ 端點0ut2，第二整流元件D2的負極（η極）連接於整流電路 51輸入端之第一輸入端點52與第一輸出端點Outl。其中， 該第一整流元件D1與第二整流元件D2可為例如二極體， 且不以此為限。 " 請再參閱第五圖，於一些實施例中，整合式電流感測 ' 電路更包括一第一阻抗元件R1與第二阻抗元件R2，其中 該第一阻抗元件R1連接於整流電路51之第一輸出端點 Outl與共接端點COM，而該第二阻抗元件R2連接於整流電 路51之第二輸出端點〇ut2與共接端點COM，俾構成一電 14 1323552 流迴路以利量測。其中第一阻抗元件R1與第二阻抗元件 - R2可為例如電阻，但不以此為限。 - 請再參閱第五圖，藉由整流電路51可將第一感測電流 Isl輸出到第一輸出端點Outl，第二感測電流Is2輸出到 - 第二輸出端點0ut2，其中第一輸出端點Outl輸出之電流 . 為第一量測電流I out 1，是與共接端點COM形成第一輸出 電流迴路Loutl，第二輸出端點0ut2輸出之電流為第二量 φ 測電流Iout2，是與共接端點COM形成第二輸出電流迴路 Lou12。由於第一待測電流I p 1與第一量測電流I out 1的電 流值大小關係為Ioutl^ Isl = Ipl(Npl/Ns)，且第二待測電 流Ip2與第二量測電流Iou1:2的電流值大小關係為Iout2 = Is2=Ip2(Np2/Ns)，因此第一待測電流Ipl與第二待測電流 Ip2便可分別被感測。 請參閱第七圖，其係為本案較佳實施例之使用整合式 電流感測電路感測電流之電路示意圖。如第七圖所示，整 φ 合式電流感測電路5主要包括整合式電流感測變壓器4以 及整流電路51，其主要架構與運作原理如第五圖與第六圖 所示，於此不再贅述。於利用整合式電流感測電路5感測 第一待測電流迴路Lpl之第一待測電流Ipl以及第二待測 電流迴路Lp2之第二待測電流Ip2時，可分別將第一初級 - 繞件43與第二初級繞件44串聯於第一電流迴路Lpl與第 二電流迴路Lp2。當第一待測電流Ipl流入第一初級繞件 43時，在次級繞件45會感測第一感測電流Isl，當第二待 測電流Ip2流入第二初級繞件44時，在次級繞件45會感 15 1323552 測第二感測電流Is2，再藉由整流電路51將第一感測電流 • Isl輸出到第一輸出端點Outl，第二感測電流Is2輸出到 . 第二輸出端點0ut2。因此，藉由整合式電流感測電路5便 可感測第一待測電流迴路Lpl之第一待測電流Ipl以及第 . 二待測電流迴路Lp2之第二待測電流Ip2。 _ 綜上所述，本案之整合式電流感測變壓器及使用該變 壓器之電流感測電路係將兩個電流感測變壓器整合成一個 φ 電流感測變壓器，因此，只要使用一個整合式電流感測變 壓器就可以量測兩個不會同時有電流值之待測電流，大大 提高電流感測變壓器的使用率，成本也相對降低，電子裝 置的體積變小、重量變輕。是以，本案之整合式電流感測 變壓器極具產業之價值，且符合各項專利要件，爰依法提 出申請。 本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾， 然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

16 1323552 【圖式簡單說明】 ' 第一圖：其係為傳統電阻式電流感測器量測電路圖。 ' 第二圖：其係為傳統電流感測變壓器量測電路圖。 第三圖（a):其係顯示傳統使用兩個電流感測變壓器量測兩 ' 個待測電流之量測電路圖。 ' 第三圖（b):其係為傳統使用兩個電流感測變壓器量測兩個 待測電流之電流波形圖。 • 第四圖：其係為本案較佳實施例之整合式電流感測變壓器 之結構示意圖。 第五圖：其係為本案較佳實施例之整合式電流感測電路。 第六圖：其係為本案較佳實施例之整合式電流感測電路之 電流波形圖。 第七圖：其係為本案較佳實施例之使用整合式電流感測電 路感測電流之電路不意圖。 【主要元件符號說明】 4:整合式電流感測變壓器 411 :容置空間 413 :接腳 421 :第一磁心部件 43 :第一初級繞件 45 :次級繞件 41 :繞件座 412 :接腳座 42 :磁心組 422 :第二磁心部件 44 :第二初級繞件 5:整合式電流感測電路

17 1323552 51 :整流電路 53 :第二輸入端點 R :測試電阻 lout :輸出電流 CT2 :第二電流感測變壓器 Ns，Nsl，Ns2 :次級繞件之匝數 Np :初級繞件之匝數 Np2 :第二初級繞件之匝數 B :第二方向 Lpl :第一待測電流迴路 Lp2 ··第二待測電流迴路 Isl :第一感測電流 Outl :第一輸出端點 Loutl :第一輸出電流迴路 Lout2 :第二輸出電流迴路 D1 :第一整流元件 R1 :第一電阻 52 :第一輸入端點 I :待測電流 V :電壓值 CT1 :第一電流感測變壓器 COM :共接端點

Npl :第一初級繞件之匝數 A:第一方向 lpl :第一待測電流

Ip2 :第二待測電流

Is :感測電流

Is2 :第二感測電流 0ut2 :第二輸出端點 I outl :第一量測電流

Iout2 :第二量測電流 D2 :第二整流元件 R2 :第二電阻 18

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： 1. 一種電流感測電路，用以感測至少兩個待測電流’其包 含： 一電流感測變壓器’其具有一第一初級繞件、一第 二初級繞件以及一次級繞件’其十該第一初級繞件與第 二初級繞件分別用以輸入一第一待測電流以及一第二 待測電流，而該次級繞件用以感測該第一初級繞件與該 第二初級繞件之電流，並輸出一感測電流，其中該感測 電流與該第一待測電流與該第二待測電流之電流值大 小分別成一第一比例值與一第二比例值；以及 一整流電路’其具有一輸入端、一第一輸出端點、 一第一輸出端點以及一共接端點，而該輪入端連接於該 次級繞件，該整流電路將該次級繞件之該感測電流整流 為一第一量測電流以及一第二量測電流，並將該第一量 測電流輸出到該第一輸出端點，該第二量測電流輸出到 該第二輸出端點，其中該第一量測電流與該第一待測電 流之電流值大小成該第一比例值，而該第二量測電流與 該第二待測電流之電流值大小成該第二比例值。、 •如申請專利範圍第1項所述之電流感測電路，其中該整 Μ電路之該輸入端包括一第一輸入端點以及一第二 ίώ Et 〇 如申凊專利範圍第2項所述之電流感測電路， 流電路係由一篦—Μ 正 ,第—整流元件以及一第二整流元件所组 成，該第一整流亓姓 ^ 卞所，、且 70件一知連接於該共接端點，另一端連 1323552 接於該第二輸入端點與該第二輸出端點，而該第二整流 元件一端連接於該共接端點，另一端連接於該第一輸入 端點與該第一輸出端點。 4. 如申請專利範圍第3項所述之電流感測電路*其中該第 一整流元件與該第二整流元件為二極體。 5. 如申請專利範圍第3項所述之電流感測器，其中該第一 整流元件以及該第二整流元件連接於該共接端點之極 性相同。 6. 如申請專利範圍第3項所述之電流感測電路，更包括一 第一阻抗元件以及一第二阻抗元件，該第一阻抗元件連 接於該第一輸出端點與該共接端點，該第二阻抗元件連 接於該第二輸出端點與該共接端點。 7. 如申請專利範圍第6項所述之電流感測電路，其中該第 一阻抗元件以及該第二阻抗元件為電阻。 8. 如申請專利範圍第1項所述之電流感測電路，其中該第 一比例值為該第一初級繞件與該次級繞件之匝數比，該 第二比例值為該第二初級繞件與該次級繞件之&數比。 9. 如申請專利祐圍第1項所述之電流感測電路*其中該感 測電流包含一第一感測電流與一第二感測電流，當該第 一待測電流流入該第一初級繞件時，會於該次級繞件產 生該第一感測電流，而當該第二待測電流流入第二初級 繞件時，會於該次級繞件產生該第二感測電流，且該第 一感測電流與該第二感測電流之電流方向相反。 10. 如申請專利範圍弟9項所述之電流感測電路*其中該弟 t si 20 年月日修正替換頁 观 ί 2·2--- —感測電流之電流值大小等於該第一量測電流，而該第 二感測電流之電流值大小等於該第二量測電流。 U.如申請專利範圍第丨項所述之電流感測電路，其中當該 第一待測電流具有電流值時，該第二待測電流之電流值 為零。 2·如申请專利範圍第1項所述之電流感測電路，其中當該 第一待測電流具有電流值時，該第一待測電流之電流值 為零。 1323552 月』曰修 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第五圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 4:整合式電流感測變壓器 44 :第二初級繞件 51 :整流電路 53 :第二輸入端點 Npl :第一初級繞件之匝數 Ipl :第一待測電流 Is :感測電流 Out2 :第二輸出端點 Lout2 :第二輸出電流迴路 Iout2 :第二量測電流 D2 :第二整流元件 R2 :第二電阻 43 :第一初級繞件 45 :次級繞件 52 :第一輸入端點 Ns :次級繞件之匝數 Np2 :第二初級繞件之匝數 Ip2 :第二待測電流 Outl :第一輸出端點 Loutl :第一輸出電流迴路 I out 1 :第一量測電流 D1 :第一整流元件 R1 :第一電阻 COM :共接端點 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：