專利名稱：電流傳感器、系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及電流傳感器，更具體地，涉及例如適用于高達約500安培(A)的大電流的磁電流傳感器。
背景技術：
常規(guī)的用于感測電流的磁傳感器已被知曉。某些電流感測系統(tǒng)利用了磁傳感器被用作零位檢測器，且系統(tǒng)產(chǎn)生出抵消待測電流的磁場的補償場的閉環(huán) 原理。盡管精確，但這種系統(tǒng)可能要面臨產(chǎn)生補償磁場所需的很大功耗。其他系統(tǒng)是通常精度低于上述閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)一般使用線性磁場傳感器，諸如霍爾板等，且需要可能在制造上較為困難而且昂貴的特殊形狀的導體。這些以及其他電流傳感器還可能面臨其他缺陷，包括磁滯效應、非線性、有限過電流能力(cover-current capabilities)和/或磁屏蔽等。因此,有必要改善電流感測系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了電流傳感器、系統(tǒng)及方法。在實施方式中，一種電流感測系統(tǒng)，包括導體，其具有沿著電流通路的恒定截面；基板，其耦接至導體；以及多個傳感器元件，其排列在基板的表面上，多個傳感器兀件中的第一個被布置在導體的中點處，多個傳感器兀件中的第二個被布置在第一個的第一側(cè)且隔開一距離，并且多個傳感器元件中的第三個被布置在第一個的第二側(cè)且隔開上述距離，其中，感測系統(tǒng)的輸出與來自第一個的信號減去除以2的來自第二個的信號再減去除以2的來自第三個的信號所得的結(jié)果相關。在實施方式中，一種方法，包括形成電流傳感器，其包括具有沿著電流通路的恒定截面的導體、耦接至導體的基板以及在基板的表面上等間隔排列的三個傳感器元件，其中，三個中的第一個被布置在導體的中點處；使電流在導體中流通，從而誘導出能夠被傳感器元件檢測的磁場；以及接收電流傳感器的與來自三個傳感器元件中的第一個的信號減去一半的來自三個中的第二個的信號再減去一半的來自三個中的第三個的信號所得的結(jié)果相關的輸出。在實施方式中，一種電流感測系統(tǒng)，包括導體，其具有沿著電流通路的恒定截面；基板，其耦接至導體；以及至少兩個傳感器元件，其彼此間隔開并沿著基板的表面上的軸排列，該至少兩個傳感器元件中的第一個被布置在相對于導體的中心線的第一距離處，并且至少兩個傳感器元件中的第二個被布置在相對于導體的中心線的第二距離處，第一距離和第二距離不相等，且導體的中心線垂直于該軸，并且至少兩個傳感器元件對平行于表面并由導體中流通的電流所誘導的磁場分量敏感。


結(jié)合附圖考慮以下對本發(fā)明的各種實施方式的詳細描述，可對本發(fā)明有更加全面的理解，其中圖I示出了根據(jù)實施方式的電流傳感器系統(tǒng)。圖2示出了根據(jù)實施方式的電流傳感器系統(tǒng)，其中，I表示由待測電流I在傳感器元件SL、SC、SR上產(chǎn)生的磁場的方向，2表示待測電流I的流動方向。圖3A示出了根據(jù)實施方式的電流傳感器系統(tǒng)，其中，I表示由待測電流I在傳感器元件SL、SC、SR上產(chǎn)生的磁場的方向，2表示待測電流I的流動方向，3表示傾斜。圖3B示出了根據(jù)實施方式的電流傳感器系統(tǒng)，其中，I表示由待測電流I在傳感器元件SL、SC、SR上產(chǎn)生的磁場的方向，2表示待測電流I的流動方向，3表示傾斜，4表示導體的中心線。圖3C示出了根據(jù)實施方式的電流傳感器系統(tǒng)，其中，I表示由待測電流I在傳感器元件SL、SC、SR上產(chǎn)生的磁場的方向，2表示待測電流I的流動方向，4表示導體的中心線。·圖4示出了根據(jù)實施方式的傳感器輸出信號的曲線圖。圖5示出了根據(jù)實施方式的在各種距離處的傳感信號的分量，其中，示出了 500A時導體短邊上方O. 5mm處的_Bx_emqa[T]。圖6是匯總圖5數(shù)據(jù)的曲線圖，其中，示出了導體表面上方O. 5mm處的情況。盡管本發(fā)明可進行各種修改和替換形式，但其具體形式已在附圖中通過實例的方式被示出，并且將被詳細描述。然而，應當理解的是，該目的并非將本發(fā)明限定于所述具體實施方式
。相反，該目的是為了涵蓋所有屬于由所附權利要求限定的本發(fā)明的思想和范圍內(nèi)的變形例、等價物及供選方案。
具體實施例方式實施方式涉及磁電流傳感器。在各種實施方式中，電流傳感器可包括具有諸如圓形、方形或矩形的恒定截面外形的，且通常沒有任何凹槽或溝槽轉(zhuǎn)移電流，從而具有更簡單的制造工藝、低電阻和較高機械強度的簡單導體(simple conductor)。在實施方式中，該導體可包括諸如鋁或銅的非磁性導電材料。參照圖1，磁電流傳感器系統(tǒng)100的實施方式包括導體102。在實施方式中，導體102具有諸如圓形、方形或矩形的簡單、恒定的截面輪廓，而且可關于z軸對稱(如圖I所示)。在實施方式中，導體102的取向可相對于基板104旋轉(zhuǎn)90度，使得導體102的主面平行于基板104的主面。在實施方式中，導體102的具體取向可以改變，例如與如本文下面所討論的縱橫比有關。在實施方式中，導體102可被連接至基板104，該基板可包括硅、玻璃、陶瓷或某些其他合適材料。在一實施方式中，電壓隔離層106被配置在導體102與基板104之間。在實施方式中，基板104包括磁場傳感器兀件。在一實施方式中，基板104至少包括兩個磁場傳感器元件。在圖I的實施方式中，基板104包括三個磁傳感器元件SL、SC和SR，與兩元件系統(tǒng)相比，它們能提供對背景磁場的更高抑制。在待審查美國申請第12/630，596號中公開了三霍爾元件系統(tǒng)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。傳感器兀件SL、SC和SR可被置于基板104的頂面或底面上，并且在相對于導體102的固定位置處被基板104保持。在各種實施方式中，傳感器兀件SL、SC和SR可相對于導體102以不同方式被布置。例如，圖I示出了沿著X軸排列的傳感器元件，其中SC位于O處，SL位于X =-b處且SR位于X =+b處。在其他實施方式中，該傳感器元件可沿不同的軸排列或可基本上沿軸排列。例如，一個以上的元件可稍微偏離由其他傳感器元件限定的軸例如約I或2mm，盡管這種排列可能降低對垂直于軸的磁場梯度的抑制。其他結(jié)構(gòu)也是可以的。傳感器元件SL、SC和SR對磁場的平行于其上安裝了傳感器元件SL、SC和SR的基板104的平面且垂直于導體102中的電流流通方向的分量Bx敏感。傳感器元件SL、SC和SR被不對稱地布置，使得各自經(jīng)受不同的磁場。例如，在導體102中流通的電流能引起SL上的Bx分量Bxl、SC上的Bx2和SR上的Bx3。在僅包括兩個磁傳感器元件SL和SR的實施方式中，Bxl等于-Bx3，但這可能在實際中很難獲得。在實施方式中，更實際的結(jié)果是Bxl > Bx3 > O0傳感器100確定至少在兩個磁場傳感器處的Bx分量的差
信號=(傳感器I的信號)-(傳感器2的信號)其中，傳感器I的信號大致與Bxl成正比，且傳感器2的信號大致與Bx3成正比。這樣，傳感器系統(tǒng)100是一階梯度儀，其消去了均勻的背景磁場，因為如果磁擾在各傳感器元件上相等，并且兩個傳感器元件同等地去響應該擾動，那么該擾動基于減法而消除。再參照圖I的實施方式，配置三個傳感器元件SL、SC和SR能更好地抑制背景磁場。在一實施方式中，傳感器元件SL、SC和SR在基板104上沿著單個軸空間等距離分開式排列，為了方便，本文將對應圖I的取向稱作xi軸。在該實施方式中，傳感器系統(tǒng)100 (現(xiàn)為二階梯度儀)求得信號=(SC的信號)-(SL的信號)/2- (SR的信號)/2因此，該實施方式消去的不光是均勻的背景磁場，而且還有是坐標Xi的線性函數(shù)的具有空間依賴性的場。因此，圖I的具有SL、SC和SR的系統(tǒng)100提供了比之前討論的簡單的兩傳感器元件實施方式更好的對磁擾的抑制。正如本領域技術人員所理解的那樣，傳感器元件SL、SC和SR不需要是完全線性的，盡管對于小磁場期望適當?shù)木€性。此外，傳感器元件SL、SC和SR的磁靈敏度可依賴于磁場的其他分量(正交于磁場分量的串擾)。例如，在異于Bx的方向上的外部磁場可能改變傳感器元件SL、SC和SR的磁靈敏度。然而，傳感器系統(tǒng)100可提供已知強度的很小的自校準磁場，它在實施方式中能以規(guī)定模式周期性開啟和關閉，或者在其他實施方式的例如擴展光譜通信系統(tǒng)中隨機性開啟和關閉。傳感器系統(tǒng)100隨后能從其他傳感器信號中，通過相位同步檢測而提取出該模式(所謂的自校準模式)。通過比較對自校準序列的傳感器響應的強度與關于導體102中的電流的信號，系統(tǒng)100即使不知道傳感器元件SL、SC和SR的靈敏度也能推導出電流。在實施方式中，自校準磁場不需要補償由導體102中的待測電流引起的整個場；因此，產(chǎn)生自校準磁場的功率低于其他閉環(huán)系統(tǒng)。例如，在一實施方式中，使用了單個的稍微非線性的傳感器元件SC和自校準?！吧晕⒎蔷€性”是指輸出信號是所施加場的非線性函數(shù)Sig = K0+KlBx+K2B^若K2 = 0，則傳感器是線性的。因此，非線性由K2的大小來定義|K2|越大，傳感器越呈非線性。該信號應當對應Bx場的消失而消失，故Ktl = 0，這意味著零點誤差可忽略。然而，若所有傳感器元件均具有相同的Κ0，或至少相對于諸如壽命和溫度等工作條件穩(wěn)定的K0，則該系統(tǒng)仍然工作。假設在一實施方式中，施加至傳感器兀件SC的整個磁場的X分量是擾動場Bxd、主電流I (通過電流軌(current rail)的待測電流)的場CxI和自校準電流Iaral的場Bx, acal=Cacai Iacai 的置加Bx = Bxd+CxI+CacalIacalo此外，假設施加至該傳感器元件的整個磁場的I分量為By = Byd它是作用在傳感器SC上的擾動磁場的y分量。函數(shù)HpK2可以是By分量的任意函數(shù)，它意味著在X分量與I分量之間的串擾可以是任意的。函數(shù)IV K1, K2還可以是溫度、機械應力和壽命的任意函數(shù)。
系統(tǒng)100使用一定頻率fac;al的自校準場，并從信號中提取出該頻率的一次和二次諧波二次諧波=Sig2 = K2 (CacalIacal)2，因為知道了Caeal和Iaeal，所以系統(tǒng)100能從中計算出K2 = (CacalIacal)VSig20—次諧波=Sigl = K1CacalIacal+2K2CacalIacal(Bxd+CxI)若自校準磁場關閉，則該信號變?yōu)镾ig0 = KfK1 (Bxd+CxI) +K2 (Bxd+CxI)2若自校準場未關閉，則自校準頻率的周期的整數(shù)倍上的時間平均變?yōu)镾ig'。= KfK1 (Bxd+CxI)+K2 (Bxd+CxI)2+K2 (CacalIacal) 2/2 = Sig0+Sig2/2Sig'。包括了與Sigtl相同的信息，從而在積分時間內(nèi)可選擇一個以關閉或開啟自校準磁場。因此，該系統(tǒng)具有3個方程方程I :Sig2 = K2 (CacalIacal) 2/2方程2 =Sig1 = K1CacalIacal+2K2CacalIacal (Bxd+CxI)方程3 =SigO = VK1 (Bxd+CxI) +K2 (Bxd+CxI)2若IVKpKdP (Bxd+Cx*I)未知，則三個方程不足以確定四個未知數(shù)。若Ktl可忽略，則該系統(tǒng)能求解出三個未知數(shù)。將該理論擴展至一階梯度儀，該系統(tǒng)包括兩個傳感器元件SL和SR，二者相減Sig = Sig(L)-Sig(E)則該信號的零階、一階和二階諧波變?yōu)榉匠蘄 'Sig1=K^hlacJ1 /2-K^(caJRhacalf /2方程2 -.Sigl = K[L^Cacal^Iacal + 2Kf^Cacal^Iacal(efj +C^l)- ea/W/aea/產(chǎn))/aea/(5g) + Cf)/)方程3 : SigQ =KfK Κ[ ) [B(xLJ + C{xL)l)+ Ki^ ( ) +_( ) + Cf)/)- (b^ + C^if這里我們假設傳感器SL和SR的所有參數(shù)IV K1, K2均不相同，且擾動場和來自主電流的場在兩個傳感器元件SL和SR處也不相同。
我們可在更高程度上假設兩個傳感器元件SL和SR匹配得很好。這提供了
并且，我們可假設擾動磁場相對均勻，從而Sg) 。同時，自校準場在兩個傳感
器元件上具有同樣大小但符號相反caMla) = -caMl ，然而主電流的場則不需要。那么方程I :Sig2 = O方程
權利要求
1.一種電流感測系統(tǒng)，包括 導體，具有沿著電流通路的恒定截面； 基板，耦接至所述導體；以及 多個傳感器兀件，布置在所述基板的表面上，所述多個傳感器兀件中的第一個被布置在所述導體的中點處，所述多個傳感器元件中的第二個被布置在所述第一個的第一側(cè)且隔開一距離，并且所述多個傳感器元件中的第三個被布置在所述第一個的第二側(cè)且隔開所述距離，其中，所述感測系統(tǒng)的輸出與來自所述第一個的信號減去除以2后的來自所述第二個的信號再減去除以2后的來自所述第三個的信號所得的結(jié)果相關。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述基板的所述表面背離所述導體。
3.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述截面為圓形。
4.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述截面為矩形。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述導體的主面平行于所述基板的所述表面。
6.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述導體的次面平行于所述基板的所述表面。
7.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述導體的縱橫比在約3至約12之間。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述縱橫比約為10。
9.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述導體包括銅或鋁中的至少一個，以及其中，所述基板包括硅、玻璃或陶瓷中的至少一個。
10.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，還包括耦接在所述基板與所述導體之間的隔離層。
11.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器元件包括磁阻(XMR)傳感器元件。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述XMR傳感器元件選自由各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)和龐磁電阻(CMR)組成的組。
13.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述XMR傳感器元件被設置為與所述電流通路平行。
14.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述XMR傳感器元件或所述基板中的至少一個被設置為相對于所述電流通路成一定角度。
15.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)利用自校準技術。
16.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器元件對平行于所述基板的所述表面且垂直于所述電流通路的磁場分量敏感。
17.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被構(gòu)造為感測所述導體中的高達約500安培的電流。
18.—種方法,包括 形成電流傳感器，所述電流傳感器包括具有沿著電流通路的恒定截面的導體、耦接至所述導體的基板以及在所述基板的表面上等間隔排列的三個傳感器元件，其中所述三個中的第一個被布置在所述導體的中點處； 使電流在所述導體中流通，從而誘導出能夠被所述傳感器元件感測的磁場；以及 接收所述電流傳感器的與來自所述三個傳感器元件中的所述第一個的信號減去一半的來自所述三個中的第二個的信號再減去一半的來自所述三個中的第三個的信號所得的結(jié)果相關的輸出。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，還包括提供輸出信號的自校準。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，還包括利用XMR傳感器元件作為所述三個傳感器元件。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，還包括相對于所述導體中的電流流通方向傾斜所述XMR傳感器元件或所述基板中的至少一個。
22.一種電流感測系統(tǒng)，包括 導體，具有沿著電流通路的恒定截面； 基板，耦接至所述導體；以及 至少兩個傳感器元件，彼此間隔開并且沿著所述基板的表面上的軸排列，所述至少兩 個傳感器元件中的第一個被布置在相對于所述導體的中心線的第一距離處，并且所述至少兩個傳感器元件中的第二個被布置在相對于所述導體的所述中心線的第二距離處，所述第一距離和所述第二距離不相等，且所述導體的中心線垂直于所述軸，并且所述至少兩個傳感器元件對平行于所述表面的并且由所述導體中流通的電流誘導出的磁場分量敏感。
23.根據(jù)權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個傳感器元件中的所述第一個被設置在所述導體的所述中心線上。
24.根據(jù)權利要求22所述的系統(tǒng)，其中，由所述系統(tǒng)產(chǎn)生自校準場，所述自校準場具有在第一方向上作用于所述至少兩個傳感器元件中的所述第一個的第一分量和在第二方向上作用于所述至少兩個傳感器元件中的所述第二個的第二分量，所述第一方向和所述第二方向是相反的方向。
25.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中，計算具有至少兩個預定模式的所述至少兩個傳感器元件中的所述第一個和所述第二個的各輸出信號之間的差的自相關值，并且其中，所述導體中的電流是所述自相關值和所述自校準場的函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電流傳感器、系統(tǒng)及方法。實施方式涉及磁電流傳感器。在各種實施方式中，電流傳感器可包括具有諸如圓形、方形或矩形等恒定截面形狀的且通常沒有任何凹槽或溝槽轉(zhuǎn)移電流，從而具有更簡單的制造工藝、低電阻和較高機械強度的簡單導體。在實施方式中，該導體可由諸如鋁或銅等的非磁性導電材料形成。
文檔編號G01R19/00GK102735901SQ20121010749
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權日2011年4月14日
發(fā)明者烏多·奧塞爾勒基納 申請人:英飛凌科技股份有限公司