高帶寬開環電流傳感器的製作方法

2023-05-04 22:09:06 2

專利名稱：高帶寬開環電流傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開環電流傳感器。
背景技術：
開環電流傳感器被廣a用於測量初級"f^中流動的電流。這種傳感器典
型地包含環^^斤述初級*的磁核，其包含在其中定^L^場檢測器的氣隙。
磁場檢測器可以是霍耳^傳感器、磁p^a^^場傳感器、m門傳感器或其 他類型的;茲場傳感器。
用來測量初級*中流動的電流的常規開環電流傳感器通常具有由導磁材 料製成、適於環繞初級#的磁路，以^^^wt^的氣隙中的》茲場傳感器，
該磁場傳感器產生^^初級電流的輸出信號。通常^^J的磁場檢測器是在ASIC
中提供的霍耳^I傳感器。由初級電流產生的f^J^皮集中4^內，因而在
氣隙內的/^感應B與初級電流成比例。
霍耳單it^供與氣隙中的磁感應成比例、並M而與初級電流成比例的電 壓。霍耳單元的電S^狄^M文大然後作為電;錄感器的輸出被提供。 與包^^皮驅動用擬氐消由初級電流產生的磁場的^M嘗線圏的閉環電流傳感
器相比，開環vft感器的優點是結構緊湊，要求更簡單的電信號處理電路和更少 功耗。開環4感器通常比閉環傳感11*有更低的成本。
然而開環4感器的^吾、是較艮的信號響應時間。這限制了這種傳感器可以
應用的頻率範圍，雖^Mt頻率範圍有點絲於信號處理電路的性能和麟的 質量。
由-絲？ 1起的信號^^於所^^1的*^#電路的結構。渦iiUi^t
量的變化因而導致出#氣隙中的磁感應的^。通常用於由堆疊的疊片構造 的*的糹&茲材料(矽鐵、鎳鐵)是相對4W的電導體，從而向渦沐i^^少 的電阻。4^it材料由於它們低電導率而具有減小渦流的優點，但是i2kii齡 且具有高的剩f茲。
輸出信號中的^i^也可能出J脈用於處理信號的電路中，並且歸因於絲電路(asic)安^連接到其上的引^f匡內的渦流。
總而言之，開環傳感器由於它們的威本低、電路簡單、操怍容易而被廣泛 地應用。開環傳感器的缺點是對測量信號的響應時間的g。這個^來源於 M因素，在它們之中有g中的渦流、磁場傳感器和信號處理電路中的g、
以;Sj^接到磁場傳感器的引^^iU^電路或"!^內的渦流。通ii^料的仔細 ^遞以;s^j^、信號處理電路的仔^i殳計，可以減小^時間，然而這種4t^ 是昂貴的而且不能實現某些應用可以接受的響應時間。
一個需要具有特別"I^4的響應時間的電^^感器的這種應用是在電動才M^
域，尤其那些由絕^m^l型電晶體(igbt)驅動的電動機。在電動jNt制電
路中存在的電流傳感器的'tfc^響應時間對於電動機故障的檢測特別有用，或者 對於控制具有高電流度化率(idi/dti大)的帶有#^應的電動才幾;1_特別有用的。 這種傳感器用於控制開關，例如在電動機故障時切斷電源以g損害的控制開 關。
提供採用超過一個磁場檢測器的電流傳感器來產生所述輸出信號是已知 的，檢測器工作在不同的頻率範圍上，例如高頻範圍和低頻範圍。後一種M 提高了電流傳感器的可^ft頻率帶寬。然而典型地，磁場檢測器^^單個元 件內，其限制了使傳感器易於適應將測量的W^f浙械的能力。將^^應
用考慮進感測錄的調整是昂貴的，因為它們需要元件的重^^l計。而且，這 種集成設備的靈^tl可能不足以精確測量由將被測量的電流所產生的弱磁場， 或者相M，在將被測量的信號的幅^t面受P艮制。具有大操怍帶寬的常規電 ;錄感器通常具有在以期望精度進行測量的幅度範圍方面受到限制的^泉。

發明內容
才娥前述內容，本發明的目的在於提供具有'tfe4響應時間並iL^濟的開環 電流傳感器。
有利地提^-種電流傳感器，該電流傳感器可以被容易地修改或配置以便 實現與^^應用的期望的信號特;W關的最，怍。
有利地提^-種具有大電流幅度測量操怍範圍的電沐傳感器。 有利地提^""種緊湊的並JUMI簡##號處理電路的電流傳感器。 進一步有利地提供一種具有低功耗的電流傳感器，特別是用於自激
(autonomous)設備。本發明的目的已m過提供^i^M，J^求l的電流傳感器來實現。 ^:^Hf的;i^]來測量初級導體中流動的電流的開環電流傳感器，其包含
帶有氣隙的磁路、以及至少部*定#所述氣隙中的磁場感測裝置，所M 場感測裝置包含電綠、安絲電^Ji的第一磁場^^則器和第^^場檢測器， 其中第^f茲場檢測器包，成或i5Xg電i^上的導電線圏，第一磁場檢測器
和第《^^場檢測器的輸出信號適於連接到產生^4初級電流的輸出信號的信號 處理電路。
第一磁場檢測器有利地可以是IM^My^電路晶片(ASic)內的霍耳，
檢測器，所述M電路晶片(ASIC)安^J'J所述電iWJi並iL^接到電i^Ji 的電it^ (electrical trace )。所述電^SL有利地可以是印刷電*。
導電線圏形式的第^f茲場檢測器可以有利地形成為印刷電5^Ji的導電軌 跡。受益於也用於第一磁場檢測器的連接的印刷電i^L的存在，如果必要，這 種結構允許線圏祐容易地以^^^修改以適於不同應用。為了提高第二^^場檢 測器的測量靈敏變，可以將線圏提供在印刷電路敗的相反兩側，或者在電* 的不同層上，在不同層上的線團部^^M過鍍通3LJ^目連接。
電5^1有利地可以包含其他的電U電子元件以用於信號處^l預處理， 特別^於組合第一第^ 茲場檢測器的輸出信號。


通it^^要求、說明書和附圖，本發明的進一步的有利的目的和特徵將顯
而易見，其中
圖1是#^本發明的電流傳感器的逸阮圖(蓋被取下)；
圖2a是電流傳感器的電械的# 見圖，其示出了第一磁場檢測^"絲其
上的面；
圖2b是不帶磁場檢測器的電m的俯現圖； 圖2c是相反面上的電i^的俯現圖； 圖3a是^ii本發明的另一個實施方式的電5^L的俯f見圖； 圖3b和圖3c是第二實施方式的安裝面輛目反面的俯視圖； 圖4是闡鄉4第J^^場檢測器的輸出信號和輸入信號(被測的初級電 流)的圖表。
圖5是4財居本發明的電流傳感器的實施方式的電路圖。參考附圖，尤其是圖1,用來測量穿過傳感器中心孔2的初級科(未示出) 中流動的電流的電流傳感器l，包^f有氣隙4的磁路3、以及至少部^定位 在氣隙中的磁場感測裝置5。*3可以如;^4頁^/斤/^P的由疊片的堆疊或實心 結構的不同形狀^A寸以及不同導磁材料製成。如;^4頁^/z^的，/^tt可以 分成兩部分以允許圍繞初級"H^糹JL^傳感器。另夕卜，如^4頁域/>^的，初級導
體部分可以iy^'j傳感器中並且具有用來連接到初級導體的端子。
電流傳感器可以配置第二氣隙和至少部*定#所述第二氣隙內的第二 >#場感測裝置。
磁場感測裝置包含電*7、安裝在電5^Ji的第一磁場檢測器8、第1 場;^!則器11和信賴處理電路6。
信賴處理電路6iM^電械7上並JU^接到磁場檢測器8、 11。
參考圖2a到2c，在M實施方式中，霍耳，傳感器形式的第一磁場檢測 器8包括在具有例Miitf^連接到電路板7上的電路i^ (circuit trace) 9 的連接端子10的絲電路(ASIC)中。然而第一磁場^r測ll^可以包含無 已知類型的;茲場傳感器，例如磁PiU茲場傳感器、iUt通門磁場傳感器。
磁感測裝置的第二^^場檢測器U、 11'包含怍為電路i^形^電^Ji的 導電線圏12、 12'。因此線圏可以通iM於在電^Ji產生導電M的常Mi^ 形成在電i2^LL，從而受益於用於第一磁場;^則器的連接和信號處Siil預處理 電路6的連接的電*的存在。
為了提高線圏12、 12'的靈狄，所雄圏可以包^1過一個線圏部分，每 個在電i^tl的不同表面上。在示出的實^T式中，第一線圏部分12a、 12a'"iU 在安裝面13a上，而第二線圏部分12b設Xj^目反面13b上，第二線圏部分12b 通過導電鍍通孔14連接到第一線圏部分12a。還可以提供穿it;斤艦的線引 腳或糾琉線圏部分幼連接。
在皿變形中，線團部分是串m^接在"^的。
4一線圏部分延伸的線圏的第一^ 16a經由電5^1前側面13a上的電 路:^M直^信號處M預處理電路6 J^f目連接。4二線圏部分12b延伸的 線圏的第二末端16b經由導電鍍通孔15與電i^L的安裝面13a X^目電連接。
M地，如此配置線圏12以4吏4尋它定位在由>^定氣隙4的磁洛3的表面所限定的周界17內。霍耳雌傳感器8 ^^完全定錄周界17內。
例如，可以在多層PCB的不同層上具有附加線圏部分以便提高檢測靈敏度。
在圖2a-c的實施方式中，線圏12環繞沒有金羼的中心區域18以便於減小 渦流，在某些，i^下，該渦流可能以高的di/dt值增加信號響應的g。為 了同樣目的將導電Xil: 14 i5^^J^周界17的外側。
在圖3a-3c中所示的可替換實施方式中，可以通iti^iM在線團部分中心 的導電鍍通孔14'將線圏部分12a'、 12b'J^目連接。
參考圖5，示出了磁場感測裝置^M言預處理電路的簡化圖。線圏12串聯 連接到第一磁場傳感器8的輸出端子10a。濾波器R1， C2連接到線圈的輸出端 16b,以^^一磁場傳感器的信號與第二磁場傳感器的信號相適合。所述傳感器 包舍渝出端子18b、電壓為Vcc的電源端子18c、和接地端子18a。
參考圖4，示出了說明由初級電流產生的輸入信號和霍耳雌傳感器8 M 圏12的輸出信號的圖表。信號Sl指示測量^^的氣隙中的》錄應的霍耳效
應傳感器的輸出電壓。信號s鄉是在氣隙中的磁感應的變^4g間由線圈所產生
的電壓。這個電壓與初級導體中的電流成比例，信號大小取決於線圏的匝數和 線圏的表面積。
信號S2是信號Sl與S線困的和。
在初級電流的快iUi升期間，例如在發生電動機故障或^^後的電流浪 湧，線圏的輸出信號可以,iC^解^^個典型階段
在階段1期間，初級電流的二階導數大於0(d dt2〉0)，其意味著線圈的 信號在增大；
在階段2期間，初級電流的二階導^^上等於0 (d2i/dt24),其:t^M 來自於線圏的信號是常數；
在階段3期間，初級電流的二階導數小於0((121/(^<0)，由jt逸圏的信號 在減小。
信號S3表示濾波之後的信號S2。該濾波H^吏來自於線圈的信號S細與來 自於ASIC的信號Sl相適配^i且合以獲^^T出信號S3，其是與初級電流Ip同 相的，正如圖6所示。
在所示的例子中，輸出信號和來自於被測量的初級電流的輸入信號因此以 比一微秒還小得多的響應g而差J^重疊。
權利要求
1、用來測量初級導體內流動的電流的開環電流傳感器，其包含具有氣隙的磁路，以及至少部分地定位在所述氣隙內的磁場感測裝置，所述磁場感測裝置包含電路板、安裝在電路板上的第一磁場檢測器、和第二磁場檢測器，其中，第二磁場檢測器包含形成在電路板上的導電線圈，第一磁場檢測器和第二磁場檢測器的輸出信號被適配以連接到產生代表初級電流的輸出信號的信號處理電路。
2、 才娥^ui漆求i的傳感器，其中第一磁場檢測器是^My^電珞晶片(ASIC)內的霍耳雌檢測器，該絲電路晶片安彭'』電^ ^並_§^接到電
3 、才^^5U，J要求1或2的傳感器，其中電i^LA印刷電*
4、 才娥^，j要求l， 2或3的傳感器，其中第^f茲場4^則器的導電線圈被 形成為印刷電iWJi的導電軌逸。
5、 才M居前述^-權矛漆求的傳感器，其中第^F茲場檢測器的線圈包含多個 線圏部分(12a， 12b)，每個線圏部分在電^的不同層*面上。
6、 才財居前一擬，J要求的傳感器，其中在電*的相反側面上設置線圈部分。
7、 才娥前述兩個;l5^j^求中^""個的傳感器，其中線圏部分經由導電通孔 幼連接。
8、 #^居 '漆求5, 6或7的傳感器，其中線圈部分串^i^接。
9、 才M居前述^-權矛漆求的傳感器，進一步包棘於電^Ji的信號處理 或預處理電路，用於組合第-"^第^^茲場^l^則器的輸出信號。
10、 才M居前述^-^5^要求的傳感器，其中第』場檢測器的線圈基本上 完全定^由界定氣隙的^^的表面所限定的周界內。
11、 才娥前述^-"權利要求的傳感器，其中第一磁場^^則器J^上完全定 ^^由界定氣隙的石絲的表面所限定的周界內。
12、 ##前述^- '漆求的傳感器，其中第^ 茲場^^則器串Wk^接到 第一磁場;^則器的輸出端。
全文摘要
用來測量在初級導體內流動的電流的開環電流傳感器(1)，包含具有氣隙(4)的磁路(3)，以及至少部分地定位在所述氣隙內的磁場感測裝置(5)。磁場感測裝置包含電路板(7)，安裝在電路板上的第一磁場檢測器(8)、和第二磁場檢測器(11)。第二磁場檢則器包含形成在所述電路板上的導電線圈，第一磁場檢測器和第二磁場檢測器的輸出信號被進行相適配以連接到產生代表該初級電流的輸出信號的信號處理電路(6)。
文檔編號G01R15/14GK101627311SQ200880006878
公開日2010年1月13日 申請日期2008年2月22日 優先權日2007年3月2日
發明者G·萊皮納, V·T·沃 申請人:機電聯合股份有限公司