Beschreibung
Stromerfassungsvorrichtung und Verfahren zur Stromerfassung
Die Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung mit einem als Stromsensor fungierenden Magnetfeldsensor, insbesondere in einer Ausgestaltung als GMR-Sensor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfin¬ dung ein korrespondierendes Verfahren zur Stromerfassung.
Stromerfassungsvorrichtungen oder Stromsensoren sind allgemein bekannt. So erfolgt die Stromerfassung insbesondere für den Wechselstromfall bei bekannten Ansätzen zum Beispiel mit¬ tels induktiver Stromwandler, so genannter Hall-Sensoren o- der, insbesondere bei größeren Strömen mittels so genannter
Rogowski-Spulen. Die potentialgetrennte Erfassung von Gleichströmen ist dagegen wesentlich aufwendiger. Heute werden in diesem Zusammenhang im Wesentlichen folgende Methoden angewandt: Shunt-Widerstand in Verbindung mit einem Differenzver- stärker, einer Potentialtrennung (zum Beispiel über Optokoppler) und einer potentialfreien Stromversorgung. Alternative Ansätze basieren auf der Verwendung eines Hall-Strommesssystems mit Flusskonzentrator oder auf konventionellen AMR/GMR-Feldsensoren .
Problematisch bei der Shunt-Messung ist die galvanische Verbindung der Messpunkte mit dem Potential der stromführenden Leitung, also des jeweiligen Strompfads im jeweiligen Messstromkreis. Dies erfordert eine Auswertelektronik, welche so- wohl eine potentialgetrennte Stromversorgung als auch einen potentialgetrennten Signalpfad zur Übertragung der Messwerte besitzt. Außerdem liegt der Shunt-Widerstand direkt im Strom¬ pfad, woraus sich zum Beispiel schaltungstechnische Probleme ergeben können, womit aber zumindest eine Verlustleistung einhergeht. Die Stromerfassung mit Magnetfeldsensoren besitzt den Vorteil der Rückwirkungsfreiheit, d.h. für die Strommes¬ sung muss kein Serienwiderstand nach Art des Shunts in den Strompfad eingefügt werden. Es entfällt also die Notwendig-
keit des Auftrennens der Leitung, es ergibt sich keine Ver¬ lustleistung und es ergibt sich auf keine Veränderung der Leitungsimpedanz. Darüber hinaus ist mit der Verwendung von Magnetfeldsensoren auch der Vorteil der prinzipbedingten Po- tentialtrennung, wie er sich zum Beispiel auch bei Transformatoren ergibt, verbunden.
Problematisch bei der Magnetfeldmessung mit Magnetfeldsensoren ist allerdings deren Empfindlichkeit gegenüber Fremd- und Störfeldern. Diesem Einfluss muss durch entsprechende Ab¬ schirmmaßnahmen oder Feldkonzentratoren begegnet werden. Dabei ist es erforderlich, den Feldsensor möglichst nahe an der stromdurchflossenen Leitung, zum Beispiel einer Leiterbahn oder dergleichen, anzuordnen, da die Intensität des Magnet- felds einer stromdurchflossenen Leitung mit dem Abstand stark abnimmt. Zudem wird bei einem großen Dynamikbereich des zu messenden Stroms entweder die Kennlinie des Stromsensors mit ihrer Nichtlinearität durchlaufen oder die Empfindlichkeit muss so stark reduziert werden, dass bei kleinen Messströmen ein stark mit Rauschen behaftetes Signal ausgewertet werden muss .
Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, eine Vorrichtung zur Strommessung und ein korrespondierendes Ver- fahren anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden oder zumindest hinsichtlich ihrer Auswirkung reduziert werden .
Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist bei ei¬ ner Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrischen Größe insbesondere des elektrischen Stroms, in einem Strom¬ kreis mit einem als Stromsensor fungierenden MR-Sensor, insbesondere in einer Ausführung als GMR-/AMR- oder TMR-Sensor - im Folgenden zusammenfassend als GMR-Sensor bezeichnet -, vorgesehen, dass der GMR-Sensor einen Leiterabschnitt eines Kompensationsstromkreises umfasst .
Analog wird die oben genannte Aufgabe durch ein korrespondie¬ rendes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Danach ist bei einem Verfahren zur Erfassung mindestens einer elektrischen Größe in einem Stromkreis mit einer Vorrichtung der oben genannten Art vorgesehen, dass ein vom GMR-Sensor geliefertes Signal ausgewertet wird, um mittels eines Ver¬ stärkers einen Kompensationsstrom in den Kompensationsstromkreis zu leiten, wobei, sobald das Signal vom GMR-Sensor zu¬ mindest im Wesentlichen verschwindet, der Kompensationsstrom als Maß für die zu erfassende elektrische Größe, also zum
Beispiel den elektrischen Strom im jeweiligen Messstromkreis, ausgewertet wird.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass das o- ben genannte Dynamik-Problem durch Ausnutzung eines Kompensationsstroms vermieden werden kann. Dazu wird eine Induktivität so angeordnet, dass sie ein Magnetfeld erzeugen kann, das sich am Ort des Stromsensors mit dem Magnetfeld des zu mes¬ senden Stroms überlagert. Durch Einprägen eines Kompensati- onsstroms in diese Induktivität wird das resultierende Feld kompensiert. Der Stromsensor wird dadurch immer im Bereich eines Ausgangssignal-Nullpunktes betrieben. Der eingeprägte Kompensationsstrom entspricht dann dem zu messenden Strom o- der es besteht eine bekannte Proportionalität zwischen dem eingeprägten Kompensationsstrom und dem zu messenden Strom.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wenn der als Stromsensor fungierende GMR-Sensor als Gradientensensor ausgeführt ist, gibt dieser ein einem Feldunterschied proportionales Signal ab. Einflüsse eventueller Stör¬ felder werden dadurch eliminiert oder reduziert.
Ein solcher Feldunterschied stellt sich insbesondere dann ein, wenn der GMR-Sensor einer Leiterkontur im Stromkreis zugeordnet ist, die zumindest zwei Abschnitte - erster und zweiter Abschnitt - umfasst und wobei eine Richtung eines
durch den ersten Abschnitt fließenden Stroms entgegensetzt zur Richtung des Stroms im zweiten Abschnitt ist. Vereinfacht kann man sich diese Leiterkontur auch als im Wesentlichen u- förmige Kontur vorstellen, bei der die beiden o. g. Abschnit- te die seitlichen Schenkel eines solchen u-förmigen Leiterverlaufs bilden. Die Leiterkontur wird entsprechend im Fol¬ genden kurz auch nur als „U-Turn" bezeichnet.
Bevorzugt ist auch der vom GMR-Sensor umfasste Leiterab- schnitt nach Art eines U-Turns gestaltet, d.h. der Leiterab¬ schnitt umfasst mindestens zwei Segmente - erstes und zweites Segment -, wobei eine Richtung eines durch den Leiterab¬ schnitt fließenden Kompensationsstroms im ersten Segment ent¬ gegengesetzt zur Richtung des Stroms im zweiten Segment ist.
Durch die Integration des oben beschriebenen U-Turns, also einer Stromschleife, unmittelbar in ein Bauteil mit dem GMR- Sensor kann das Kompensationsprinzip besonders vorteilhaft umgesetzt werden. Wegen der dann möglichen räumlichen Nähe der integrierten Stromschleife zu dem GMR-Sensor ist nur ein sehr kleiner Kompensationsstrom erforderlich um auch große Messströme zu kompensieren. Es ist vor allem keine Induktivität in Form einer Spule mit mehreren Windungen erforderlich. Es genügt eine Leiterschleife, nämlich der U-Turn. Hierdurch lässt sich die Gesamtanordnung sehr gut in einer planaren monolithisch integrierbaren Struktur realisieren.
Der Vorteil ergibt sich aus dem Umstand, dass das vom GMR- Sensor aufgenommene Feld mit 1/x3 abnimmt. Bei einer Ausfüh- rung des GMR-Sensors als Gradientensensor nimmt entsprechend der vom Gradientensensor aufgenommene Gradient mit 1/x4 ab. Bei der Kombination von GMR-Sensor und Leiterabschnitt in einem Bauteil kann also ein vergleichsweise geringer Abstand zwischen GMR-Sensor und Leiterabschnitt realisiert werden. Zudem ergibt sich bei der Kombination in einem Bauteil ein definierter Abstand zwischen dem Sensor und dem Leiterabschnitt. Dieser Abstand muss neben dem Abstand zum Strom¬ kreis, in dem die jeweils interessierende elektrische Größe
gemessen werden soll, bekannt sein und bei der Auswertung der jeweils sich ergebenden Messwerte zugrunde gelegt werden. Bei einem geringen Abstand zwischen GMR-Sensor und Leiterabschnitt des Kompensationsstromkreises kann der Abstand zwi- sehen GMR-Sensor und Messstromkreis um eine Potenz 4 größer sein als der bauteilinterne Abstand. Der Messstrom und der Kompensationsstrom rufen dann am Ort des GMR-Sensors ein gleiches magnetisches Feld hervor. Umgekehrt kann, wenn der Abstand zwischen GMR-Sensor und Messstromkreis nicht so groß gewählt wird, der Kompensationsstrom entsprechend der Relati¬ onen der Abstände zueinander geringer werden, so dass nur ein vergleichsweise geringer Kompensationsstrom zur Kompensation des magnetischen Feldes des Messstromkreises erforderlich ist .
Weiter bevorzugt umfasst der MR-Sensor eine Anzahl von MR- Elementen, also je nach Ausführung des MR-Sensors als GMR-/ AMR- oder TMR-Sensor GMR-/AMR- bzw. TMR-Elemente - nachfolgenden zusammenfassend als GMR-Element bezeichnet -, wobei jedes GMR-Element einzeln kontaktierbar ist.
Bei einzeln kontaktierbaren GMR-Elementen kann nämlich durch zyklisches Vertauschen von Sensorpaaren, also jeweils zweier GMR-Elemente, eine Offset-Spannung in ihrer Polarität gespie- gelt werden. Durch zeitliche Addition der Ausgangssignale ei¬ nes GMR-Sensors in einer ersten Konfiguration und danach in einer zweiten Konfiguration mit zyklisch vertauschten Sensorpaaren mit entsprechend jeweils entgegengesetzter Offset- Spannung kann dieser Messfehler kompensiert werden. Diese Art der Offset-Kompensation erfordert eine frei zugängliche Ar- ray-Verschaltung der GMR-Elemente, also deren einzelne Kon- taktierbarkeit , die bei herkömmlicher Realisierung mit mehre¬ ren Schaltkreisen aufwendig und wegen der Leitungsführung auch sehr empfindlich gegen eingekoppelte Störungen ist. Die GMR-Sensoren lassen sich im Sinne einer vertikalen Integration jedoch unmittelbar auf einer Siliziumfläche eines Schalt¬ kreises aufbringen. Die elektrischen Verbindungen können als
extrem kurze Interconnects realisiert werden (Sandwich-Anord¬ nung) .
Zur Einspeisung des Kompensationsstroms in den Kompensations- Stromkreis ist bevorzugt ein Verstärker vorgesehen, dessen Ausgangssignal auf einem vom GMR-Sensor gelieferten Signal basiert. Der GMR-Sensor erfasst also im Betrieb sowohl das Magnetfeld des eigentlichen Stromkreises, also des Messstrom¬ kreises, als auch das Magnetfeld des Kompensationsstromkrei- ses. Solange das Magnetfeld nicht verschwindet, also durch den Kompensationsstrom noch nicht kompensiert ist, muss der Kompensationsstrom in seiner Höhe angepasst werden. Dies erfolgt mittels des Verstärkers. Der Ansteuerung des Verstär¬ kers liegt also im Wesentlichen eine Regelung zugrunde, die darauf abzielt, durch Veränderung der Höhe des Kompensations¬ stroms das vom GMR-Sensor detektierte Magnetfeld auf Null zu regeln .
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind For- mulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weiter¬ gehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmalskombination zu beanspruchen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschrän¬ kung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombina¬ tionen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprü¬ chen und/oder den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombi- nierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen
Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Er¬ findungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegens¬ tände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Darin zeigen
FIG 1 eine Stromerfassungsvorrichtung,
FIG 2 einen Gradientensensor als Beispiel für einen speziellen GMR-Sensor und FIG 3 ein Bauteil mit einem Gradientensensor.
FIG 1 zeigt in schematisch vereinfachter Form als Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer elektrischen Größe, insbesondere eines elektrischen Stroms in einem Stromkreis 10 (Mess- Stromkreis) ein Bauteil 12 mit einem als Stromsensor fungie¬ renden GMR-Sensor, wobei der GMR-Sensor, bzw. das Bauteil 12, einen Leiterabschnitt 14 eines Kompensationsstromkreises 16 umfasst. Zum Einspeisen des Kompensationsstroms in den Kom-
pensationsstromkreis 16 ist ein Verstärker 18 vorgesehen, der an mindestens einem Eingang 20 ein Signal des Bauteils 12 bzw. des davon umfassten GMR-Sensors empfängt. Das am Eingang 20 des Verstärkers 18 anstehende Signal entspricht der resul- tierenden magnetischen Feldstärke des vom durch den Messstromkreis 10 fließenden Strom erzeugten Magnetfelds und der Feldstärke, die sich aufgrund des Kompensationsstroms durch den Kompensationsstromkreis 16 ergibt. Wenn das mit dem Kom¬ pensationsstrom assoziierte magnetische Feld das magnetische Feld vom Messstromkreis 10 auslöscht, also kompensiert, ver¬ schwindet das Signal am Eingang 20. Der Kompensationsstrom, also die Stärke des Kompensationsstroms ist dann ein Maß für die Stromstärke im Messstromkreis 10.
Wie dargestellt, umfasst der Leiterabschnitt 14 des Kompensa¬ tionskreises 16 zumindest zwei Segmente 22, 24 - erstes und zweites Segment 22, 24 -, wobei eine Richtung eines durch den Leiterabschnitt 14 fließenden Kompensationsstroms im ersten Segment 22 entgegengesetzt zur Richtung des Stroms im zweiten Segment 24 ist. Der Leiterabschnitt 14 stellt sich insgesamt als „U-förmiger" Leiterabschnitt 14 dar und wird entsprechend im Folgenden auch als „U-Turn" bezeichnet.
Das Bauteil 12 und/oder der von dem Bauteil 12 umfasste GMR- Sensor ist einer dem Leiterabschnitt 14 entsprechenden Leiterkontur 26 im Messstromkreis 10 zugeordnet. Die Leiterkon¬ tur 26 umfasst, analog zu dem Leiterabschnitt 14 im Kompensa¬ tionsstromkreis 16, zumindest zwei Abschnitte 28, 30 - erster und zweiter Abschnitt 28, 30 -, wobei eine Richtung eines durch den ersten Abschnitt 28 fließenden Stroms, also des Messstroms, entgegengesetzt zur Richtung des Messstroms im zweiten Abschnitt 30 ist.
Insgesamt bilden der Leiterabschnitt 14 des Kompensations- Stromkreises 16 und die Leiterkontur 26 des Messstromkreises 10 eine Induktivität, wobei sich im leiterfreien Bereich zwischen den beiden Segmenten 22, 24, bzw. den beiden Abschnitten 28, 30, ein Gradientenfeld einstellt, das von dem Bauteil
12 und/oder dem davon umfassten GMR-Sensor in seiner bevorzugten Ausführung als Gradientensensor erfasst wird.
FIG 2 zeigt in schematisch vereinfachter Form eine Darstel- lung eines Gradientensensors 32 als GMR-Sensor, wie er zum Beispiel Bestandteil des Bauteils 12 (FIG 1) ist. Entspre¬ chend der Darstellung der Gradientensensor 32 vier GMR- Elemente 34, 36, 38, 40, wobei die GMR-Elemente 34-40 jeweils paarig dem Leiterabschnitt 14 des Kompensationsstromkreises 16 (FIG 1) zugeordnet sind. Zwischen den Segmenten 22, 24 des U-förmigen Leiterabschnitts 14 des Kompensationsstromkreises 16 bildet sich das Gradientenfeld aus, in Figur mit „Hx" be¬ zeichnet, das von dem Gradientensensor 32 detektiert wird.
FIG 3 zeigt in wiederum vereinfachter Darstellung einen
Schnitt durch das Bauteil 12 (vergleiche FIG 1), wobei eine in dem dargestellten Querschnitt nur als oberste Lage 42 erkennbare Schicht des Bauteils 12 durch den U-förmigen Leiterabschnitt 14 (vergleiche auch FIG 1 und FIG 2) dargestellt ist. Zwischen der obersten Lage 42 und im Innern des Bauteils 12 angeordneten GMR-Elementen 34, 36 ist als weitere Schicht 44 eine Passivierung erkennbar. Unterhalb dieser weiteren Schicht 44 ist ein nur als dritte Schicht 46 dargestellter ASIC zur Verarbeitung, der von den GMR-Elementen 34-40 gelie- ferten Daten vorgesehen ist. Das Bauteil 12 kann insgesamt (nicht dargestellt) der jeweiligen Leiterkontur 26 (FIG 1) eines Messstromkreises 10 (FIG 1) zugeordnet sein. Aus dem definierten Abstand zwischen dem Leiterabschnitt 14, also der ersten Schicht 42 und den GMR-Elementen 34-40 einerseits und den GMR-Elementen 34-40 und der Leiterkontur 26 des Messstromkreises, nämlich die Dicke der dritten Schicht 46, er¬ gibt sich ein Proportionalitätsfaktor für die Gewichtung des Kompensationsstroms. Wie oben beschrieben, nimmt nämlich das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters, also entweder des Messstromkreises 10 oder des Kompensationsstromkreises
16, mit dem Abstand vom Leiter stark ab. Der Abstand zwischen dem Kompensationsstromkreis 16, also insbesondere dem Leiter¬ abschnitt 14 und den GMR-Elementen 34-40 ist wesentlich ge-
ringer als der Abstand dieser GMR-Elemente 34-40 zur Leiter¬ kontur 26 des Messstromkreises 10. Also ist auch ein ver¬ gleichsweise geringerer Kompensationsstrom im Kompensationsstromkreis 16 ausreichend, um das Magnetfeld des Messstrom- kreises 10 zu kompensieren. Wenn also das Signal des Gradien¬ tensensors 32 (FIG 2) verschwindet, entspricht der dann an¬ liegende Kompensationsstrom nicht direkt dem im Messstromkreis 10 fließenden Strom, sondern nur unter Zugrundelegung der mit den oben genannten Abständen korrelierten Proportio- nalität.
Damit lässt sich die vorliegende Erfindung wie folgt kurz beschreiben: Es wird eine Stromerfassungsvorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb angegeben, das darauf basiert, dass als Stromsensor ein GMR-Sensor in einer Ausführung als Gradientensensor 32 vorgesehen ist und dass der Gradientensensor 32, oder ein Bauteil 12, das diesen Gradientensensor 32 umfasst, seinerseits einen Leiterabschnitt 14 eines Kom¬ pensationsstromkreises 16 umfasst, so dass der Strom im Mess- Stromkreis durch einen Strom im Kompensationsstromkreis 16 kompensierbar ist und der Kompensationsstrom als Maß für die zu erfassende elektrische Größe in Bezug auf den Messstrom¬ kreis 10 auswertbar ist.