專利名稱：開環(huán)電流傳感器和具有這種傳感器的電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開環(huán)電流傳感器，特別涉及一種用于測量在電源電路或者對電機供電的電路中的電流的電流傳感器，以及具有這種傳感器的電源電路。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代的電源電路106中，如圖1中所示，該電機105的電源電流由以高頻切換的半導(dǎo)體開關(guān)103所產(chǎn)生。實際產(chǎn)生的電流I(t)一般具有幾十kHz的頻率，而具有整體上由電流I(t)的包絡(luò)所表示的正弦形狀的電源電流的基頻If相對較低，例如在幾百Hz附近，如圖2a中所示。在功率半導(dǎo)體器件的設(shè)計中所獲得的技術(shù)優(yōu)點使得半導(dǎo)體開關(guān)103具有極高的切換速度，潛在的變化速度dv/dt例如在10至20kV/μs附近，如圖2b中所示。為了容納由這種電勢變化速度所造成的電輻射，利用同軸電纜104用來提供電機105。由于這些電纜是高度電容性的，并且注意到所施加的dv/dt，在每次切換中以阻尼振蕩的形式產(chǎn)生雜散高頻(HF)電流。無論驅(qū)動功率如何，這些電流的幅度和頻率為相同的幅度級別。這是因為它們實際上僅僅取決于所用的同軸電纜的特性和所施加的dv/dt幅度。這些電流的幅度可以到達(dá)幾十安培，并且它們的頻率為從100kHz至1MHz。
電流傳感器101通常被置于對電機105供電的線路102a、102b、102c上。盡管這些HF電流不一定要被測量，但是它們?nèi)匀煌ㄟ^該電流傳感器。在小和中等功率的驅(qū)動106中，這些雜散電流的幅度可以比用于控制該電機所需的電流的幅度高得多。圖2c在一個示波器屏幕上示出電壓U(t)和由于切換和在由以16kHz的頻率切換電源電路對5.5kW的電機的一個相上的容性負(fù)載所導(dǎo)致的高頻電流I(t)。在本例中，第一和第二半波I1、I2的幅度分別近似為20A和8A。在實踐中，在20A和30A峰值的第一半波I1和I2處的幅度是標(biāo)準(zhǔn)的。
本發(fā)明人意識到這導(dǎo)致兩個主要問題。第一個是通過該傳感器的熱電流增加，這可以通過把該傳感器的尺寸設(shè)定為通過該傳感器的有效電流的總和的一個函數(shù)而解決。另一個問題是由于磁滯的損耗和由于渦流的損耗所導(dǎo)致的磁路非常嚴(yán)重的發(fā)熱。
需要強調(diào)這些問題不是在“閉環(huán)”類型的傳感器中發(fā)現(xiàn)的，因為為了在任何補償錯誤內(nèi)，通過次級安培匝數(shù)補償初級安培匝數(shù)(At)。
應(yīng)當(dāng)知道，該磁路的發(fā)熱將會更高，因此難以使得傳感器的尺寸更小。這是由于小開環(huán)電流傳感器的尺寸限制所造成的。這是因為，為了測量精確的原因，不適合設(shè)計低于40安培匝數(shù)的最小級別的傳感器。這意味著標(biāo)稱為10A的傳感器將被設(shè)計為具有4個初級匝，而40A標(biāo)稱傳感器可以被設(shè)計為僅僅具有1個初級匝。因此，與第二情況相比，在第一情況中，該HF電流的幅度和所獲得的磁感應(yīng)將被乘以4倍，結(jié)果由于磁滯所導(dǎo)致的發(fā)熱和動態(tài)損耗將為增大16倍，這可以從如下關(guān)系中導(dǎo)出Losses(W)≈ f2B2d2/其中d為磁片的厚度，B為磁感應(yīng)，f為該感應(yīng)和雜散電流HF的頻率，p為構(gòu)成該傳感器的磁性電路的鐵磁合金的電阻率。
測試表明，如果把小尺寸和常規(guī)結(jié)構(gòu)的開環(huán)傳感器原樣用于上述應(yīng)用中，則將達(dá)到200℃至300℃的溫度或者更高。
在實踐中，這種傳感器僅僅可以用于放置在轉(zhuǎn)向HF電流的相關(guān)電路的初級連接上；但是，該電路具有破壞該傳感器的動態(tài)性能的缺點，因此限制驅(qū)動的效率。由于這些原因，這種傳感器在目前不被用于驅(qū)動高性能的電機；其由更加昂貴的“閉環(huán)”類型的傳感器所代替。
考慮到上文所述，本發(fā)明的一個目的是提供一種開環(huán)電流傳感器，其具有所需的動態(tài)性能，并且可以經(jīng)受在初級導(dǎo)體中流過高電流。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有這種傳感器的電源電路。
提供一種能夠經(jīng)受由在用于提供電機的半導(dǎo)體開關(guān)電路中出現(xiàn)的高電勢變化速度(dv/dt)所產(chǎn)生的雜散HF電流是有利的。
提供一種緊湊和廉價的開環(huán)傳感器是有利的。
本發(fā)明的目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的開環(huán)傳感器和根據(jù)權(quán)利要求5的電源電路來實現(xiàn)。
該開環(huán)電流傳感器包括具有氣隙的磁路、置于該氣隙中的磁場檢測器、以及具有繞著該磁路的一個或多個匝的初級導(dǎo)體，其中要被測量的電流在該初級導(dǎo)體中流動。該開環(huán)電流傳感器的特征在于在該氣隙的每一側(cè)上，該初級導(dǎo)體的匝被設(shè)置為接近于該氣隙。在該部分磁路中，由于存在該氣隙(μair＝1)，局部磁導(dǎo)率比在該磁路的所有其他部分更低。由于該初級匝，該磁路的有效磁導(dǎo)率非常低。因此，對于相同的初級安培匝數(shù)值，在該磁芯(也被稱為“鐵芯”)中的磁感應(yīng)局部降低，但整體也降低。結(jié)果由于磁滯所造成的損耗和由于渦流所造成的損耗被最小化。


本發(fā)明的另一個目的和優(yōu)點從本說明書、權(quán)利要求書和附圖中獲得，其中圖1是把電流施加到一個電機的電路的示意圖；圖2a為由在連接到該電機的一個相上的電源電路所產(chǎn)生的電流和電勢的圖形表示；圖2b為在連接到該電機的一個相上的電源電路所產(chǎn)生的電流和電勢的細(xì)節(jié)(放大)表示；圖2c為示出由于在一個相上的切換和容性負(fù)載所造成的相輸出電壓和高頻電流的示波器屏幕的示意圖；圖3為示出磁通量線的常規(guī)開環(huán)電流傳感器的簡化視圖；圖4a為根據(jù)本發(fā)明的開環(huán)電流傳感器的透視圖；圖4b為根據(jù)本發(fā)明的開環(huán)電流傳感器的變型的透視圖；圖4c為根據(jù)本發(fā)明的開環(huán)電流傳感器的變型的透視圖；
圖5為分別示出一種常規(guī)傳感器和根據(jù)本發(fā)明的傳感器的初級的端子處的過壓V＝Ldv/dt的曲線圖；圖6a和6b為分別示出在由具有200kHz頻率的正弦電流供電的線路上在常規(guī)傳感器和根據(jù)本發(fā)明的傳感器的磁路中的溫度改變的曲線圖；-圖6a關(guān)于一種傳感器，其具有通過5A的電流的8個初級匝，即40At；具有1.3mm長度的氣隙并且包括8片0.35mm厚的疊層的鐵硅磁路；其截面為9.8mm2，并且其平均長度為40mm；-圖6b關(guān)于一種傳感器，其具有通過3.33A的電流的12個初級匝，即40At；具有1.3mm長度的氣隙并且包括8片0.35mm厚的疊層的鐵鎳磁路；其截面為10mm2，并且其平均長度為35mm；以及圖7為根據(jù)安培匝數(shù)的常規(guī)傳感器和根據(jù)本發(fā)明的傳感器的輸出電壓Vout的曲線圖。
在已知的開環(huán)傳感器中，無論是否形成該磁路，構(gòu)成初級線圈Np的線圈110通常被置于一個扇區(qū)上，或者在矩形磁路112的情況中在分支111上，直接與氣隙113相對，如圖3中所示。該位置實際上是最自然出現(xiàn)的位置；從實用的觀點來看，它還是最合理出現(xiàn)的一個位置，由于與該氣隙相對的初級線圈通過使得線路經(jīng)過該氣隙，更加容易纏繞該分支。
但是，本發(fā)明人已經(jīng)意識到該位置是不理想的。這是因為，如果把注意力放在由該結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的磁現(xiàn)象上，則在被初級線圈110所包圍的磁路111的部分中，該磁感應(yīng)通量Ф在該電路的剩余部分中非常高。這是由于這樣的事實所造成的，從該初級匝所在的地點來看，遠(yuǎn)離氣隙113，局部磁導(dǎo)率μr傾向于所用的磁性材料的數(shù)值，并且根據(jù)Ф＝B×S和B＝μH，得出Ф＝μH×s，其中B是磁感應(yīng)，S是該線圈的截面，H是磁通量，并且μ是磁導(dǎo)率。另外，由于存在氣隙，由初級安培匝數(shù)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)通量的主要部分(主要通量Фp)將接近于其外部的磁路(分散通量Фd)。其他部分Фe通過該磁路和該氣隙113閉合，在該氣隙通過例如霍爾單元這樣的磁場檢測器114進(jìn)行測量。
因此產(chǎn)生比有用的磁通量更多的無用磁通量。該無用磁通量大大地增加動態(tài)損耗、由磁滯所導(dǎo)致的損耗和由其導(dǎo)致的發(fā)熱。
參照圖4a至4b，根據(jù)本發(fā)明的開環(huán)傳感器1包括磁路12，其包括具有氣隙13的磁芯；用于測量磁感應(yīng)的元件14包括置于該氣隙中用于測量磁感應(yīng)的單元15；以及初級導(dǎo)體11，其具有繞著該磁路的一個或多個匝。要被測量的電流Ip(也稱為初級電流)在該初級導(dǎo)體中流動。該測量單元例如是安裝在該測量元件的印刷電路16上的一個霍爾效應(yīng)傳感器，該電路包括把測量單元的端子19連接到要與外部測量信號處理單元相連接的端子20的導(dǎo)電跡線。
該初級導(dǎo)體11的匝21被置于在每一側(cè)上的磁路12的周圍并且盡可能地接近于氣隙13。該匝被以線路匝的形式而示出。但是，該匝可以采用許多其他形式。例如(參見圖4c)，該匝可以為U形導(dǎo)體21’，例如圍繞該磁路12并且例如連接到具有連接該U形導(dǎo)體的導(dǎo)電跡線23的印刷電路22的直立金屬片。應(yīng)當(dāng)注意，兩個U形導(dǎo)體，每個在該氣隙的每一側(cè)，可以表示單個匝，如果它們例如通過在一個印刷電路上的導(dǎo)電跡線電并聯(lián)，則可以表示單個匝。
在接近于該氣隙的磁路的部分中，由于存在該氣隙(μair＝1)局部磁導(dǎo)率比在該磁路的所有其他部分中的磁導(dǎo)率低得多。因此，對于相同數(shù)值的初級安培匝數(shù)，在該磁路的材料中的磁感應(yīng)局部降低，但是整體上也降低。結(jié)果，總損耗和由此所導(dǎo)致的發(fā)熱也降低。另外，由于磁感應(yīng)降低，因此該分散磁通量也降低。因此，這傾向于僅僅產(chǎn)生有用的磁通量。應(yīng)當(dāng)指出，在該氣隙中的感應(yīng)不依賴于初級匝的位置，如下文所述在具有氣隙的磁路的實際情況中，一個開環(huán)電流傳感器是可以用公式表示的安培理論的一個應(yīng)用(I＝∫H·dL)Np×Ip＝Hair×Iair+Hiron×Iiron但是H＝B/μ，因此Np×Ip＝Bair×Iair/μo×μair+Biron×Iiron/μo×μr其中Np是初級匝的數(shù)目，Ip是初級電流，Hair是在該氣隙中流過的磁場，Iair是該氣隙的長度，Hiron是在該磁路的磁芯中流過的磁場，Iiron是該磁芯的長度，Bair是在該氣隙中的磁感應(yīng)，Biron是在該磁芯中的磁感應(yīng)，μair是在空氣中的磁導(dǎo)率，μr是在該磁芯中的磁導(dǎo)率，以及μo是具有數(shù)值4π10-7的一個常數(shù)。
已知空氣的相對磁導(dǎo)率μair＝1，并且從簡化開始，假設(shè)在該氣隙中的感應(yīng)與在鐵中的感應(yīng)相等，可以表示為Np×Ip×μo＝B×(Iair+Iiron/μr)以及Np×Ip×μo/Iair+Iiron/μr＝Bair但是，在我們的情況中，Iiron較小，而μr非常大(＞100000)，因此比率Iiron/μr可以被忽略。
最后，由在氣隙中的霍爾單元所測量的磁通量密度為Bair＝4π10-7×Np×Ip/Iair但是應(yīng)當(dāng)聲明，在具有氣隙的磁路的情況中，實際上不可能計算感應(yīng)數(shù)值，因此不可能計算總損耗，因為該結(jié)果取決于該磁組件的幾何形狀。僅僅使用適當(dāng)?shù)能浖?或測試可以評估該磁感應(yīng)和發(fā)熱。
圖6a和6b為分別示出在由具有200kHz頻率的正弦電流供電的線路上在常規(guī)傳感器和根據(jù)本發(fā)明的傳感器的磁路中的溫度改變的曲線圖。圖6a關(guān)于一種傳感器，其具有通過5A的電流的8個初級匝，即40At；具有1.3mm長度的氣隙并且包括8片0.35mm厚的疊層的鐵硅磁路；其截面為9.8mm2，并且其平均長度為40mm。圖6b關(guān)于一種傳感器，其具有通過3.33A的電流的12個初級匝，即40At；具有1.3mm長度的氣隙并且包括8片0.35mm厚的疊層的鐵鎳磁路；其截面為10mm2，并且其平均長度為35mm。在圖6a中的傳感器包括流過5A電流的8個初級匝，即40At。在圖6b中的傳感器包括流過3.33A的電流的12個初級匝，即40At。
在根據(jù)圖4b的螺線管磁路的情況中，從圖6a中的曲線圖可以看出，在12分鐘的操作之后，常規(guī)傳感器的磁路的溫度Tc約達(dá)到136℃(即，大約增加116℃)，而根據(jù)本發(fā)明的傳感器的磁路的溫度Ti約達(dá)到78℃(即，大約增加58℃)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的加熱大約為具有相同形狀和大小的常規(guī)傳感器的一半。在根據(jù)圖4a的矩形磁路的情況中，從圖6b可以看出，在12分鐘的操作之后，常規(guī)傳感器的磁路的溫度Tc約達(dá)到116℃(即，大約增加96℃)，而根據(jù)本發(fā)明的傳感器的磁路的溫度Ti約達(dá)到52℃(即，大約增加32℃)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的加熱大約為具有相同形狀和大小的常規(guī)傳感器的三分之一。
從根據(jù)本發(fā)明的傳感器所獲得的另一個優(yōu)點是該傳感器的插入電感Lins較低。
這是因為Lins＝N2/Rmand Rm＝I/μ×S其中，N為初級匝的數(shù)目，Rm是磁阻，S是該氣隙的有效截面，并且I是該氣隙的長度。
但是，在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中，該磁導(dǎo)率μ較低，并且截面S也較小，因為由于該初級線圈的位置接近于該氣隙使得該磁通量更加均勻。例如，圖5示出由具有相同形狀和尺寸并且都具有單個初級匝的常規(guī)傳感器(曲線Uc(t))和根據(jù)本發(fā)明的傳感器(曲線Ui(t))所獲得的作為對于電流變化速度di/dt＝40·106A/sec的時間函數(shù)U(t)=Linsdidt]]>對于常規(guī)傳感器可以看出該峰值電壓Uc為810mV，這通過計算0.02μH的插入損耗Lins給出，而對于根據(jù)本發(fā)明的傳感器，該峰值電壓Ui為460mV，這通過計算0.0115μH的插入損耗Lins給出。
另一個優(yōu)點是由于在該磁芯中的磁感應(yīng)較小，因此測量給定電流所需的磁芯的截面較小，因為初級匝包含視在磁導(dǎo)率較低的一部分磁路。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器包括具有大約80％的鎳和3.36mm2的截面的鐵鎳磁路，該電流測量在高達(dá)188At時保持線性，而在具有相同形狀、尺寸和質(zhì)量的常規(guī)傳感器中，電流的測量僅僅在高達(dá)88At時保持線性。
為了進(jìn)一步改進(jìn)該傳感器，可以使用用于具有低損耗的磁芯的磁性材料，例如具有比通常用于這些應(yīng)用中的鐵硅合金低3倍的損耗的鐵鎳合金。另外，可以減小形成該磁路的磁片的厚度d。在常規(guī)傳感器中最常使用的厚度為0.35mm。使用具有0.2mm的厚度的磁片可以把損耗約減小3倍。
總而言之，根據(jù)在上文公開的發(fā)明的開環(huán)傳感器提供如下優(yōu)點-大大地減小動態(tài)損耗和由于磁滯所造成的損耗-大大地減小該傳感器的插入電感-大大地減小用于測量給定電流的鐵的截面，因此減小材料的成本。
權(quán)利要求
1.一種開環(huán)電流傳感器，其中包括具有氣隙的磁路、置于該氣隙中的磁場檢測器、以及具有繞著該磁路的一個或多個匝的初級導(dǎo)體，要被測量的電流在該初級導(dǎo)體中流動，該傳感器的特征在于在該氣隙的每一側(cè)上，該初級導(dǎo)體的匝被設(shè)置為接近于該氣隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該初級導(dǎo)體的匝被對稱地設(shè)置在該氣隙每一側(cè)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于該初級導(dǎo)體的匝包括直立和安裝在印刷電路上的一個U形部分。
4.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于在該氣隙的每一側(cè)上的初級導(dǎo)體的匝被并聯(lián)。
5.一種電源電路，其中包括用于產(chǎn)生在例如電機這樣的負(fù)載的一個或多個電源線上提供的正弦交流電的半導(dǎo)體開關(guān)，以及置于每條線路上的開環(huán)電流傳感器，該電流傳感器具有上述任何一項權(quán)利要求所述的特征。
全文摘要
一種開環(huán)電流傳感器，其中包括具有氣隙的磁路、置于該氣隙中的磁場檢測器、以及具有繞著該磁路的一個或多個匝的初級導(dǎo)體，要被測量的電流在該初級導(dǎo)體中流動，在該氣隙的每一側(cè)上，該傳感器的特征在于該初級導(dǎo)體的匝被設(shè)置為接近于該氣隙。
文檔編號G01R33/07GK1576858SQ20041006983
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月12日
發(fā)明者皮埃爾·卡塔尼奧, 克勞德·古德爾 申請人:機電聯(lián)合股份有限公司