TWI717707B

TWI717707B - 電流感測方法以及電流感測器

Info

Publication number: TWI717707B
Application number: TW108108764A
Authority: TW
Inventors: 袁輔德; 李彥琦; 賴孟煌
Original assignee: 愛盛科技股份有限公司
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2021-02-01
Also published as: TW202001261A

Abstract

本發明提出一種電流感測方法以及電流感測器。電流感測方法包括以下步驟：激發磁芯，以在所述磁芯上產生至少一對具有相反磁化方向的區域；提供電流通過所述磁芯的感測區域，以使所述磁芯對應地產生磁場變化；以及藉由纏繞於所述磁芯的拾波線圈來感測所述磁芯的所述磁場變化，以輸出對應於所述電流的輸出信號。

Description

電流感測方法以及電流感測器

本發明是有關於一種感測技術，且特別是有關於一種電流感測方法以及電流感測器。

目前，應用於工業和/或商業電子設備以及能量收集系統的相關電路的自動控制、電源管理以及漏電流感測等諸如此類的電流監控至關重要。近年來發展的電流感測技術例如包括有基於歐姆定律（Ohm’s law）的分流電阻（shunt resistor）、基於法拉第定律（Faraday’s law）使用變壓器的方法、羅氏線圈（Rogowski coil），通量閘（fluxgate）、磁阻（例如是異向磁阻（Anisotropic magnetoresistance, AMR）、巨磁阻（Giant Magnetoresistance, GMR)或穿隧磁阻效應（Tunnel Magnetoresistance, TMR））、霍爾（Hall）元件以及採用法拉第效應（光學極性（optical polarity））等電流感測手段。特別是，在上述技術中，通量閘在目前的工業應用中扮演重要角色，因為通量閘在寬電流範圍內具有高精度、直流和交流測量能力、低熱漂移（thermal drift）和電氣隔離（galvanic isolation）的特性。

有鑑於此，本發明提供一種電流感測方法以及電流感測器，其可以以非接觸式的方式來有效地感測電流。

本發明的電流感測方法包括以下步驟：激發磁芯，以在所述磁芯上產生至少一對具有相反磁化方向的區域；提供電流通過所述磁芯的感測區域，以使所述磁芯對應地產生磁場變化；以及藉由纏繞於所述磁芯的拾波線圈來感測所述磁芯的所述磁場變化，以輸出對應於所述電流的輸出信號。

本發明的電流感測器包括磁芯以及拾波線圈。所述磁芯包括至少一對具有相反磁化方向的區域。當電流通過所述磁芯的感測區域時，所述磁芯對應地產生磁場變化。所述拾波線圈纏繞於所述磁芯。所述拾波線圈用以感測所述磁芯的所述磁場變化，以輸出對應於所述電流的輸出信號。

基於上述，本發明的電流感測方法以及電流感測器可藉由激發磁芯，以使所述磁芯產生具有至少一對具有相反磁化方向的區域，並且提供待感測的電流來通過經激發後的所述磁芯的感測區域。接著，本發明的電流感測方法以及電流感測器可藉由拾波線圈來感測經激發後的所述磁芯的磁場變化，以輸出對應於所述電流的感測結果。因此，本發明的電流感測方法以及電流感測器可提供準確的電流感測功效。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1是依照本發明的一實施例的電流感測器的方塊示意圖。參考圖1，電流感測器100包括驅動電路110、感測單元120以及感測電路130。感測單元120包括一對激磁線圈（excitation coil）121、122、磁芯123以及拾波線圈（pickup coil）124。磁芯123可例如是高磁導率材料，例如鐵氧體（ferrite）或磁合金（magnetic alloy）等，本發明並不加以限制。在本實施例中，激磁線圈121、122以及拾波線圈124分別纏繞於磁芯123。在本實施例中，驅動電路110耦接激磁線圈121、122，以提供驅動信號至激磁線圈121、122，以在磁芯123上對應產生一對具有相反磁化方向的區域。在本實施例中，拾波線圈124感測磁芯123，並且感測電路130耦接拾波線圈124，以接收拾波線圈124輸出的感測結果。

在本實施例中，驅動電路110用以提供具有電壓極性為週期性變化的驅動信號至激磁線圈121、122，其週期性變化的電壓波形可例如是正弦波（sine wave）、三角波（triangular wave）、方波（square wave）等，本發明並不加以限制。對此，激磁線圈121、122經驅動電路110驅動後所產生的磁場可感應磁芯123，以使磁芯123可產生一對具有週期性變化並且相反磁化方向的區域。並且，磁芯123的一對具有相反磁化方向的區域將各別於感測區域上產生的相同的磁通量。然而，由於磁化方向相反，因此感測區域上的淨磁通量為0。因此，當通過磁芯123的感測區域的導線流通電流時，磁芯123的感測區域將對應地產生磁場變化，並且拾波線圈124可藉由感測磁芯123所產生的磁場變化，來輸出對應的感測結果的輸出信號。

圖2是依照本發明的一實施例的感測單元的示意圖。圖3是依照本發明的圖2實施例的經激發後的磁芯的磁場分布示意圖。參考圖2以及圖3，感測單元220包括一對激磁線圈221、222、磁芯223以及拾波線圈224。在本實施例中，磁芯223為封閉磁環，但本發明並不限於此。在一實施例中，磁芯223亦可為開放磁環，或其他形狀的磁芯結構。在本實施例中，激磁線圈221纏繞於磁芯223的一側，並且激磁線圈222對稱纏繞於磁芯223的另一側。激磁線圈221、222例如是兩條導線以相同纏繞方向纏繞於磁芯223，以對稱地感應磁芯123，但本發明並不限於此。在一實施例中，激磁線圈221、222可為同一條導線，並且以相反方向的方式纏繞磁芯223，以對稱地感應磁芯123。

如圖2所示，纏繞於磁芯223的拾波線圈224的纏繞範圍涵蓋纏繞於磁芯223的激磁線圈221、222，但本發明並不限於此。激磁線圈221、222以及拾波線圈224的纏繞範圍可依據不同感測需求而對應設計之，本發明並不限於圖2的纏繞結果。具體而言，激磁線圈221的兩線圈端部以及激磁線圈222的兩線圈端部分別耦接至驅動電路，以同步接收驅動信號。因此，磁芯223可產生如圖3所示的一對相反磁極N、S，並且在所述一對相反磁極N、S之間形成一對具有相反磁化方向231、232的區域。值得注意的是，當激磁線圈221、222接收的電壓極性為週期性變化波形的驅動信號時，磁芯223經激發而產生的兩個磁極N、S將同樣對應地週期性交換。

如圖3所示，磁芯223所圍的封閉區域形成感測區域，並且電流240通過感測區域。在本實施例中，所述感測區域例如平行於第一方向P1以及第二方向P2所形成的平面，並且電流240通過感測區域的電流方向可垂直於感測區域的平面，但本發明並不限於此。在本實施例中，電流240的電流方向為第三方向P3，並且電流240所產生的磁場的磁場方向241為逆時針。第一方向P1、第二方向P2以及第三方向P3彼此垂直。對此，由於電流240的外加磁場對磁芯223產生影響，以使磁芯223的感測區域的磁場產生變化。因此，拾波線圈224可基於磁芯223的感測區域的磁場變化來取得對應的感測信號，並且拾波線圈224的兩線圈端部將輸出對應於電流240的輸出信號。在本實施例中，拾波線圈224提供的輸出信號可為具有交錯輸出的一對正、負峰值脈波的電壓信號。

更詳細而言，以極座標系（

,

）來說明圖2、3。以磁芯223的感測區域的中心點為原點，並且電流240位於磁芯223的感測區域的中心。激磁線圈221、222將同步地產生+

方向以及-

方向的磁場，以磁化磁芯223，以使磁芯223對應產生如圖3所示的一對具有相反磁化方向（+

、-

）的區域。並且，在磁芯223中的所述一對具有相反磁化方向的區域具有振幅相同但是具有相反符號的磁通量（

、

）。並且，由於磁芯223為封閉磁環，因此在磁芯223內的磁鏈（magnetic flux linkage）

可符合以下公式（1）。

………………………（1）

在上述公式（1）當中，N為拾波線圈224的匝數。

為+

方向的磁通量所佔有的比例，並且

為-

方向的磁通量所佔有的比例。因此，基於法拉第定律（Faraday’s law），拾波線圈224提供的輸出信號

可符合以下公式（2）。並且，以圖3來說，

為0.5。也就是說，當未有電流流經磁芯223的感測區域時，磁芯223的感測區域的磁鏈

為0（淨磁通量為0），並且輸出信號

為0。然而，當電流240流經磁芯223的感測區域時，線圈224的兩極對稱性（2-pole excitation）將被打破，並且磁芯223的磁鏈

將產生變化，以使輸出信號

為具有交錯輸出的一對正、負峰值的電壓信號。

………………………（2）

值得注意的是，本發明經激發後的磁芯的磁場分布結果不限於圖3，以下圖4以及圖5的實施例將分別提出藉由多對激磁線圈來激發磁芯後的磁芯的磁場分布結果。

圖4是依照本發明的另一實施例的經激發後的磁芯的磁場分布示意圖。參考圖4，可基於上述圖2實施例的激磁線圈221、222纏繞磁芯223的方式來進一步類推以兩對激磁線圈來纏繞磁芯423，以激發磁芯423產生兩對相反磁極N、S，並且在所述兩對相反磁極N、S之間形成兩對具有相反磁化方向431~434的區域。如圖4所示，磁芯423所圍的封閉區域形成感測區域，並且電流440通過感測區域。在本實施例中，所述感測區域例如平行於第一方向P1以及第二方向P2所形成的平面，並且電流440通過感測區域的電流方向可垂直於感測區域的平面，但本發明並不限於此。在本實施例中，電流440的電流方向為第三方向P3，並且電流440所產生的磁場的磁場方向441為逆時針。對此，由於電流440的磁場對磁芯423產生影響，以使磁芯423的感測區域的磁場產生變化。因此，本實施例的經激發後的磁芯423可同樣地藉由拾波線圈來感測磁芯423的感測區域的磁場變化，而有效地取得電流440的電流感測結果。

圖5是依照本發明的又一實施例的經激發後的磁芯的磁場分布示意圖。參考圖5，可基於上述圖2實施例的激磁線圈221、222纏繞磁芯223的方式來進一步類推以兩對激磁線圈來纏繞磁芯523，以激發磁芯523產生兩對相反磁極N、S，並且在所述兩對相反磁極N、S之間形成兩對具有相反磁化方向531~536的區域。如圖5所示，磁芯523所圍的封閉區域形成感測區域，並且電流540通過感測區域。在本實施例中，所述感測區域例如平行於第一方向P1以及第二方向P2所形成的平面，並且電流540通過感測區域的電流方向可垂直於感測區域的平面，但本發明並不限於此。在本實施例中，電流540的電流方向為第三方向P3，並且電流540所產生的磁場的磁場方向541為逆時針。對此，由於電流540的磁場對磁芯523產生影響，以使磁芯523的感測區域的磁場產生變化。因此，本實施例的經激發後的磁芯523可同樣地藉由拾波線圈來感測磁芯523的感測區域的磁場變化，而有效地取得電流540的電流感測結果。

圖6是依照本發明的一實施例的感測單元的信號時序圖。參考圖2以及圖6，本實施例的信號時序圖可適用於圖2的感測單元220。在本實施例中，激磁線圈221的兩線圈端部以及激磁線圈222的兩線圈端部可同步接收由驅動電路提供的驅動信號V_d 。如圖6所示，驅動信號V_d 具有電壓極性為週期性變化的變化曲線。在本實施例中，當未有電流通過磁芯223的感測區域時，磁芯223的一對具有相反磁化方向231、232的區域所產生的磁場B_core 具有如圖6所示的變化曲線B1、B2的磁場變化結果。

然而，當電流朝第三方向P3通過磁芯223的感測區域的中心時，由於磁芯223的感測區域磁通量平衡（或稱磁場平衡）被打破，因此磁芯223的一對具有週期性變換的相反磁化方向231、232的區域所產生的磁場B_core 將對應於電流所提供的外加磁場而改變如圖6所示的變化曲線B1’、B2’的磁場變化結果。舉例而言，在磁芯223上的磁化方向為順時針的區域的磁場變化將被提前（變化曲線向左偏移），並且在磁芯223上的磁化方向為逆時針的區域的磁場變化將被延遲（變化曲線向右偏移）。

對此，由於磁芯223的感測區域磁通量平衡被打破，因此磁芯223的淨磁場B_net （兩區域的磁場總合）的變化如圖6所示。並且，拾波線圈224可基於上述公式（2）來取得如圖6所示的輸出信號V_out 。輸出信號V_out 為具有一對正、負峰值脈波交錯輸出的電壓信號，並且正峰值脈波追隨負峰值脈波。據此，當通過磁芯223的感測區域的電流發生變化時，輸出信號V_out 將對應改變，因此接收輸出信號V_out 的相關後段信號處理電路可藉由分析輸出信號V_out 的對應變化結果，來準確地推得電流的變化結果。

圖7是依照本發明的另一實施例的感測單元的信號時序圖。參考圖2以及圖7，本實施例的信號時序圖可適用於圖2的感測單元220。在本實施例中，激磁線圈221的兩線圈端部以及激磁線圈222的兩線圈端部可同步接收由驅動電路提供的驅動信號V_d 。如圖7所示，驅動信號V_d 具有電壓極性為週期性變化的變化曲線。在本實施例中，當未有電流通過磁芯223的感測區域時，磁芯223的一對具有相反磁化方向231、232的區域所產生的磁場B_core 具有如圖7所示的變化曲線B3、B4的磁場變化結果。

然而，當電流朝相反於第三方向P3通過磁芯223的感測區域的中心時，由於磁芯223的感測區域磁通量平衡被打破，因此磁芯223的一對具有週期性變換的相反磁化方向231、232的區域所產生的磁場B_core 將對應於電流所提供的外加磁場而改變如圖7所示的變化曲線B3’、B4’的磁場變化結果。舉例而言，在磁芯223上的磁化方向為順時針的區域的磁場變化將被延遲（變化曲線向右偏移），並且在磁芯223上的磁化方向為逆時針的區域的磁場變化將被提前（變化曲線向左偏移）。

對此，由於磁芯223的感測區域磁通量平衡被打破，因此磁芯223的淨磁場B_net （兩區域的磁場總合）的變化如圖7所示。並且，拾波線圈224可基於上述公式（2）來取得如圖7所示的輸出信號V_out 。輸出信號V_out 為具有一對正、負峰值脈波交錯輸出的電壓信號，並且負峰值脈波追隨正峰值脈波。據此，當通過磁芯223的感測區域的電流發生變化時，輸出信號V_out 將對應改變，因此接收輸出信號V_out 的相關後段信號處理電路可藉由分析輸出信號V_out 的對應變化結果，來準確地推得電流的變化結果。

圖8是依照本發明的一實施例的電流感測方法的流程圖。參考圖1以及圖8，本實施例的電流感測方法可至少適用於圖1實施例的電流感測器100。電流感測器100可運作如步驟S810~S830。在S810中，驅動電路110藉由激磁線圈121、122激發磁芯123，以在磁芯123上產生至少一對具有相反磁化方向的區域。在步驟S820中，電流經導線提供以通過磁芯123的感測區域，以使磁芯123對應地產生磁場變化。在步驟S830中，纏繞於磁芯的拾波線圈124感測磁芯123的磁場變化，以輸出對應於所述電流的輸出信號至感測電路130。因此，本實施例的電流感測方法可使電流感測器100提供準確的電流感測效果。

另外，關於本實施例所述的電流感測器100的相關元件特徵、實施方式以及技術細節可參考上述圖1至圖7實施例的說明而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，本發明的電流感測方法以及電流感測器可藉由在磁芯上激發至少一對相反磁極，以產生至少一對具有相反磁化方向的區域，並且對經激發後的磁芯的感測區域提供的電流後，可接著藉由纏繞於磁芯的拾波線圈來感測磁芯的磁場變化，以輸出對應於電流的輸出信號。因此，本發明的電流感測方法以及電流感測器可有效感測流經磁芯的感測區域的電流，以使後端的信號處理電路可藉由分析電流感測器提供的輸出信號來準確地判斷電流的變化結果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電流感測器 110‧‧‧驅動電路 120、220‧‧‧感測單元 121、122、221、222‧‧‧激磁線圈 123、223、423、523‧‧‧磁芯 124、224‧‧‧拾波線圈 130‧‧‧感測電路 231、232、431、432、433、434、531、532、533、534、535、536‧‧‧磁化方向 240、440、540‧‧‧電流 241‧‧‧磁場方向 V_d‧‧‧驅動信號 B_core‧‧‧磁場 B_net‧‧‧淨磁場 V_out‧‧‧輸出信號 B1、B1’、B2、B2’、B3、B3’、B4、B4’‧‧‧變化曲線 S810、S820、S830‧‧‧步驟

圖1是依照本發明的一實施例的電流感測器的方塊示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的感測單元的示意圖。圖3是依照本發明的圖2實施例的經激發後的磁芯的磁場分布示意圖。圖4是依照本發明的另一實施例的經激發後的磁芯的磁場分布示意圖。圖5是依照本發明的又一實施例的經激發後的磁芯的磁場分布示意圖。圖6是依照本發明的一實施例的感測單元的信號時序圖。圖7是依照本發明的另一實施例的感測單元的信號時序圖。圖8是依照本發明的一實施例的電流感測方法的流程圖。

100‧‧‧電流感測器

110‧‧‧驅動電路

120‧‧‧感測單元

121、122‧‧‧激磁線圈

123‧‧‧磁芯

124‧‧‧拾波線圈

130‧‧‧感測電路

Claims

一種電流感測方法，包括：激發一磁芯，以在該磁芯上產生至少一對具有相反磁化方向的區域；提供一電流通過該磁芯的一感測區域，以使該磁芯對應地產生一磁場變化；藉由纏繞於該磁芯的一拾波線圈來感測該磁芯的該磁場變化，以輸出對應於該電流的一輸出信號；以及藉由一驅動電路提供一驅動信號至纏繞於該磁芯的至少一對激磁線圈，以使該至少一對激磁線圈激發該磁芯，以在該磁芯上產生至少一對相反磁極，其中該拾波線圈設置在該磁芯與該至少一對激磁線圈之間。
如申請專利範圍第1項所述的電流感測方法，其中纏繞於該磁芯的該拾波線圈的一纏繞範圍涵蓋纏繞於該磁芯的該至少一對激磁線圈。
如申請專利範圍第1項所述的電流感測方法，其中該驅動信號為具有一週期性變化波形的一電壓信號，並且該磁芯經激發而產生的兩個磁極將對應地週期性交換。
如申請專利範圍第3項所述的電流感測方法，其中該磁芯的該至少一對具有相反磁化方向的區域在該感應區域上各別產生的一磁通量隨著該驅動信號改變，並且該磁芯的該至少一對具有相反磁化方向的區域在該感應區域上各別產生的一磁場變化對應於該電流的一電流方向而提前或延遲。
如申請專利範圍第1項所述的電流感測方法，其中該磁芯為一封閉磁芯環，並且該封閉磁芯環所圍的一封閉區域形成該感測區域。
如申請專利範圍第1項所述的電流感測方法，其中該電流通過該感測區域的一電流方向垂直於該感測區域的一平面。
如申請專利範圍第1項所述的電流感測方法，其中當一導線未提供該電流時，該磁芯的該至少一對具有相反磁化方向的區域各別在該感測區域提供相同磁通量。
一種電流感測器，包括：一磁芯，包括至少一對具有相反磁化方向的區域，其中當一電流通過該磁芯的一感測區域時，該磁芯對應地產生一磁場變化；一拾波線圈，纏繞於該磁芯，並且用以感測該磁芯的該磁場變化，以輸出對應於該電流的一輸出信號；至少一對激磁線圈，纏繞於該磁芯，其中該拾波線圈設置在該磁芯與該至少一對激磁線圈之間；以及一驅動電路，耦接該至少一對激磁線圈，並且用以提供一驅動信號至該至少一對激磁線圈，以使該至少一對激磁線圈激發該磁芯，以在該磁芯上產生至少一對相反磁極。
如申請專利範圍第8項所述的電流感測器，其中纏繞於該磁芯的該拾波線圈的一纏繞區域涵蓋纏繞於該磁芯的該至少一對激磁線圈。
如申請專利範圍第8項所述的電流感測器，其中該驅動信號為具有一週期性變化波形的一電壓信號，並且該磁芯經激發而產生的兩個磁極將對應地週期性交換。
如申請專利範圍第10項所述的電流感測器，其中在該磁芯的該至少一對具有相反磁化方向的區域在該感應區域上各別產生的一磁通量隨著該驅動信號改變，並且該磁芯的該至少一對具有相反磁化方向的區域在該感應區域上各別產生的一磁場變化對應於該電流的一電流方向而提前或延遲。
如申請專利範圍第8項所述的電流感測器，其中該磁芯為一封閉磁芯環，並且該封閉磁芯環所圍的一封閉區域形成該感測區域。
如申請專利範圍第8項所述的電流感測器，其中該電流通過該感測區域的一電流方向垂直於該感測區域的一平面。
如申請專利範圍第8項所述的電流感測器，其中當一導線未提供該電流時，該磁芯的該至少一對具有相反磁化方向的區域各別在該感測區域提供相同磁通量。