CN102759649A

CN102759649A - 根据补偿原理工作的电流传感器

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Publication number: CN102759649A
Application number: CN2012101210474A
Authority: CN
Inventors: 阿德里安·霍佐伊; 罗尔夫·迪赛恩柯特尔
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: EP2515123A3; JP2012225930A; KR20120120055A; EP2515123B1; US8698485B2; DK2515123T3; ES2597678T3; KR101838972B1; CN102759649B; EP2515123A2; US20120268108A1; JP6030329B2

Abstract

本发明涉及一种根据补偿原理工作的电流传感器，包括：初级绕组，其中流经待测量的电流，用于产生磁场；次级绕组，其中流经补偿电流，该补偿电流产生磁场来补偿所述初级绕组的磁场；磁芯；终端电阻器，其串联连接至所述次级绕组；多个传感器装置，其暴露于得到的所述初级线圈和所述次级绕组的磁场；升压电路，其连接在所述多个传感器装置的下游，其经由所述终端电阻器将所述补偿电流馈送至所述次级绕组，其中，所述升压电路包括具有基于脉宽及密度调制工作的脉宽及密度调制器的开关模式放大器，脉宽及密度调制器将补偿电流变成脉宽及密度调制电流，开关频率是补偿电流的函数，小电流时所述开关频率高，大电流时所述开关频率低。

Description

根据补偿原理工作的电流传感器

技术领域

本发明涉及根据补偿原理工作的电流传感器，该电流传感器包括初级线圈绕组，要测量的电流流过该初级线圈绕组并建立磁场，该电流传感器还包括次级线圈绕组，补偿电流流过该次级线圈绕组，该补偿电流生成另一磁场来局部补偿由初级线圈绕组产生的磁场，该电流传感器还包括气隙磁芯，其与上述两个绕组磁耦合并将得到的磁场集中到其气隙中，该电流传感器还包括与次级线圈绕组串联连接的终端电阻器，该电流传感器还包括传感器装置，其位于气隙中并暴露于得到的初级绕组和次级绕组的磁场，该电流传感器还包括连接在传感器装置下游的升压电路，其将补偿电流经由终端电阻器馈送至次级绕组。

背景技术

根据补偿原理工作的电流传感器经常称作闭环电流传感器。闭环电流传感器基于高导磁材料的磁路(称作磁芯)，其将要测量的电流封入初级绕组。位于磁路(例如气隙)中的通量传感器元件将检测在该磁路中感生的任何磁通量，并将生成比例信号。该信号被某电子功率级(称作升压电路)放大，该电子功率级将产生流过次级绕组的电流。该电流与初级电流相反，从而建立了负反馈，并且除了必需的作为反馈环路工作的激励变量的少量磁感应以外，该负反馈将补偿对磁路的影响。其余的感应对应于整个传感器的电流误差并且必需保持很小。在按照磁芯的磁感应的次级电流方面，这可以通过将放大器设计为具有非常大的增益来实现。

在许多已知的应用中，闭环电流传感器配备有线性放大器，该线性放大器在其晶体管或运算放大器中连续产生高导通损耗，尤其是在中等幅度范围内。这些半导体损耗促进了总损耗以及传感器的供电需求。此外，这些线性放大器会造成传感器的局部发热，这造成可靠性降低，或者增加了冷却装置和部件的设计工作以及增加了传感器的尺寸和成本。

现有技术显示了通过使用利用了脉宽调制方案的开关模式放大器而非线性放大器来降低升压电路中的传导损耗(conduction loss)的方法。通过在全导通和绝缘之间连续进行开关操作，即使付出了一些额外的开关损耗，这些类型的器件也显著降低了传导损耗。总损耗通常比线性放大器低很多。开关模式放大器将产生平均值将对应于相应线性放大器的输出的脉冲输出电压。可以利用适当的滤波来恢复连续输出。

可以从DE-OS-19642472了解具有开关模式放大器的闭环电流传感器，该传感器利用可开关升压器来降低对补偿电流的电力需求，以及减小以过大供电电压操作的损耗，该传感器由脉宽调制门控信号来控制，其中该脉宽调制门控信号具有取决于测量值的占空比。

US6,713,999B1示出了一种配备有用于稳定脉宽调制补偿信号的低通滤波器的电流传感器，其中，该电流传感器还配备有附加RC元件，此外，还提供了包括齐纳二极管和欧姆电阻器的限流装置来抑制快速电流瞬变。

现有技术中的脉宽调制方案使用了恒定开关频率，即，其特征在于恒定的开关损耗，同时导通损耗与次级电流成比例。这在高电流等级的情况下导致相当大的半导体损耗，以及造成一些诸如电子部件的尺寸和成本方面的设计限制。脉宽调制方案的另一效果涉及由恒定开关频率引起的纹波。该纹波的绝对值几乎不依赖于电流值，这意味着小电流时的相对纹波值可以变得相当高。于是需要精心设计的滤波器来减少纹波。

因此本发明解决的技术问题是进一步减小高电流时的半导体损耗。本发明将要解决的另一技术问题是减小小电流时的相对纹波值。

发明内容

根据本发明，由根据补偿原理工作的电流传感器解决了上述问题，该电流传感器包括升压电路，其包括具有脉宽及密度调制器的开关模式放大器，其中脉宽及密度调制器产生脉宽及密度调制电压信号，该信号在适当滤波后驱动补偿电流通过次级绕组。该调制器的开关频率是补偿电流的函数，电流小时开关频率高，而电流高时开关频率低。

根据本发明，进行了脉宽及密度调制的开关频率在小的输出电流时最高，而在大的输出电流时最低。因此在传导损耗最大时，开关损耗在大电流的情况下最低。在传导损耗最小时，开关损耗在小电流的情况下最大。从而，脉宽及密度调制方案导致了几乎恒定的功耗轮廓对具有低的最大损耗的输出电流。这允许宽松的热设计以及使用低成本部件。

此外，根据本发明的电流传感器的纹波随着开关频率的增大而减小，这意味着脉宽及密度调制的纹波与输出电流成比例，其中，本发明的电流传感器具有升压电路，该升压电路包括基于脉宽及密度调制工作的开关模式放大器。从而，在整个输出电流范围上优化了相对纹波，这允许进行简单及低成本滤波。

根据本发明的一个优选实施例，脉宽及密度调制器包括差分放大器电路，其非反相输入端接收模拟电流信号，其输出端连接至施密特触发器电路的输入端，从而所述施密特触发器电路的输出端和该差分放大器的反相输入端通过具有欧姆电阻器的反馈环路连接在一起，该差分放大器的输出端和反相输入端通过具有电容器的反馈环路连接在一起。从而可以看出该结构包括积分电路(简称积分器)，从而该积分器由差分放大器电路和将所述差分放大器的输出端和反相输入端连接在一起的电容器以及所述差分放大器的反相输入端处的电阻器形成。

根据本发明的另一个优选实施例，脉宽和密度调制器包括差分放大器电路，其非反相输入端接收模拟电流信号，其输出端连接至具有两个反相缓冲放大器的结构，从而该差分放大器的输出端和反相输入端通过具有电容器的反馈回路连接在一起，从而具有两个反相缓冲放大器的所述结构的输出端之一和该差分放大器的反相输入端连接在一起以利用欧姆电阻器形成负反馈环路。如上所述，从而可以看出该结构包括积分电路(简称积分器)，从而该积分器由差分放大器电路和将所述差分放大器的输出端与反相输入端连接在一起的电容器以及所述差分放大器的反相输入端处的电阻器形成。

根据本发明的另一优选实施例，升压电路包括前置放大器，其后是脉宽及密度调制器，再其后是具有FET-半桥的功率级。

根据本发明的另一优选实施例，所述功率级包括半桥栅极驱动器和输出滤波器，其后是两个电压钳位保护二极管。

根据本发明的另一优选实施例，所述FET-半桥由两个n型MOSFET构建。

根据本发明的另一优选实施例，所述传感器装置是霍尔传感器。

根据本发明的另一优选实施例，所述传感器装置是磁阻传感器。

根据本发明的另一优选实施例，所述传感器装置是包括用于温度补偿的装置的霍尔集成电路。根据本发明的霍尔集成电路可以额外设计成高灵敏度且可编程偏移以及偏移补偿。

根据本发明的另一个方面，为了更好地控制从有源传感器工作模式到无源传感器工作模式的过渡频率，传感器装置的带宽受滤波器的限制。

根据本发明的电流传感器的优点在于通过在动态范围上的均匀分布来减小电子部件中的最大损耗。因此开关的更大上升时间成为可能。此外，由于降低了损耗，从而可以应用具有减小了的尺寸和降低了成本的功率晶体管，从而可以实现更小尺寸的电子部件和电路板。

不需要特殊的装置来散热，例如，无需成型处理和现有技术的解决方案中常用的用于冷却的放热板。

由于发明性特征，补偿电流尤其在小的和/或中等输出电流时具有较低的纹波。这允许减小滤波器部件的尺寸和成本。

脉宽及密度调制要求开关频率相对于纯脉冲密度调试而温和地变换。

期望包括具有脉宽及密度调制器的开关模式放大器的升压电路易于实现，这是因为对于驱动器、MOSFET、冷却、和输出滤波器的要求比现有技术中已知的对纯脉宽调制或纯脉冲密度调制的要求更宽容。这允许对于总体方案来说对部件进行更大范围的选择以及较低成本。此外，伴随根据本发明的升压电路设计的低上升时间允许简化印刷电路板的设计以及有助于减少电磁辐射。

附图说明

本发明的前述以及其他特征和优点将根据说明书和附图而变得显而易见，附图中：

图1示出了闭环电流传感器装置的示意图；

图2示出了脉宽及密度调制器的输入信号和输出信号之间的关系的曲线图；

图3示出了本发明第一实施例中的具有运算放大器和施密特触发器的脉宽及密度调制器的示意性实施方式；

图4示出了第一实施例中具有升压电路的电子构造的框图；

图5示出了第二实施例中具有升压电路的电子构造的框图；

图6示出了具有前置放大器的脉宽及密度调制器电路的示意性

实施方式，其中该脉宽及密度调制器电路包括单级调制器和单个输出端；

图7示出了具有前置放大器的脉宽及密度调制器电路的示意性实施方式，其中该脉宽及密度调制器电路包括两级调制器和互补输出端；以及

图8示出了具有前置放大器的脉宽及密度调制器电路的示意性实施方式，其中该调制器包括两级调制器和互补输出端，其中该调制器具有两个反相缓冲放大器而不是施密特触发器。

具体实施方式

在图1至图8中对具有相同功能和工作模式的元件提供相同的参考标号。

图1示意性示出了闭环电流传感器结构1。该传感器基于包括高磁导材料的磁芯2的磁路。磁芯2围绕初级线圈3，该初级线圈具有多个初级绕组Np，绕组中具有待测量的电流Ip。在图1所示的结构中，初级线圈3仅由一个绕组构成。位于磁芯2的气隙5中的通量传感器元件4将检测磁路中感生的任何磁通量并将产生比例信号。

在闭环传感器的有源工作模式中，由作为升压电路6的部件的电子功率级以低电流频率对通量传感器元件的信号进行放大。

将以无源方式(即，通过次级绕组中感生的电压)以高电流频率产生次级电流。从而将高频模式称作无源工作模式。有源工作模式的带宽通常受滤波器的限制。在无源工作模式中以及在过渡模式中，过渡模式位于有源工作模式和无源工作模式之间，霍尔传感器的输出信号不再与初级电流成比例，而是发生了相移。

升压电路6在其输出端27处产生流经具有多个次级绕组Ns的次级线圈7的次级电流Is。

次级电流与初级电流相反，从而创建负反馈。除了作为反馈环路工作的启动变量所需的小磁感应以外，将对初级电流对磁路的效应进行补偿。其余的磁感应对应于整个传感器结构1的电流误差且必须保持很小。这可以通过设计用于非常高的增益的放大器来实现。

升压电路6被提供有电源+V_A和-V_A。利用串联连接至次级绕组N_S的终端电阻器(也称作测量电阻器R_M)8来测量次级电流I_S的幅值，其中，终端电阻器8还连接至地电位。测量电阻器R_M两端的电压降V_M表示次级电流I_S，从而给出初级电流I_P的测量值。

升压电路6包括开关模式放大器，其利用脉宽及密度调制器工作，而脉宽及密度调制器基于产生脉宽及密度调制电压信号的脉宽及密度调制来工作，脉宽及密度调制电压信号在进行了适当滤波后以作为补偿电流的函数的开关频率驱动补偿电流通过次级绕组，即电流小时开关频率高，而电流大时开关频率低。

图2示出了所应用的脉宽及密度调制的操作。图2示意图中的横坐标给出了任意时间单位(例如秒)的时间。图2示意图中的纵坐标给出了以伏特为单位的电压幅值。信号曲线10是调制器的输出信号。信号曲线9是输入到调制器的输入信号。在有源工作模式中，其与初级电流成比例。信号曲线11是内部调制器信号，其为差分放大器的输出端15处的三角波信号。

因此图2在电压对时间示意图中示出了以电压V_M表示的输入信号9的示例过程。在图2的曲线图中，2.5V是对应于零电流的基准电压。从而在图2中，在约20μ到40μ之间的时间中电流具有恒定正值，在40μ到60μ之间的时间中减小为零电流，在60μ到80μ之间的时间中保持为零，并且在80μ到100μ之间的时间中减小为负值，在从100μ到120μ保持恒定负值。

曲线10示出了调制器的输出信号。该信号的on-off比(占空比)定义平均输出电压以及伴随该电压的次级电流的幅值，其中，高on-off比造成高次级电流，而小on-off比造成低次级电流。可以看出开关模式放大器的开关频率不是恒定的，而是依赖于电流。开关频率在小电流时最大，在高电流时最小，不管电流是正还是负。

因此当传导损耗最大时，开关损耗在大电流情况下最小。另一方面，当传导损耗最小时，开关损耗在小电流情况下最大。图2所示的脉宽及密度调制方案从而导致几乎恒定的功耗轮廓对具有小的最大损耗的输出电流。这允许宽松的热设计以及利用低成本部件。此外，这种开关模式放大器的纹波随着开关频率的增加而减小，这意味着纹波与输出电流成比例。从而在整个输出电流范围上优化了相对纹波，这允许简单且低成本的滤波。

图3示出了在开关模式放大器中使用的利用脉宽及密度调制方案的调制器12的示意性实施方式。调制器12包括差分放大器电路13，其非反相输入端接收模拟电流信号14，其输出端15连接至施密特触发器电路17的输入端16，从而所述施密特触发器电路17的输出端18和差分放大器13的反相输入端通过具有欧姆电阻器19的反馈回路相连接，差分放大器13的输出端15和反相输入端通过具有电容器20的反馈回路相连接。可以看出该结构包括积分电路(简称为积分器)，从而该积分器由差分放大器电路和连接所述差分放大器的输出端和反相输入端的电容器、以及所述差分放大器的反相输入端处的电阻器形成。

图3所示的调制器12将其输入端14处的模拟信号变成输出端18处的脉宽及密度调制信号，如图2中的曲线10所示。该模拟信号是与通量传感器元件4的输出信号成比例的电压信号，从而在纯有源工作模式中(即低频时)，还间接与初级电流成比例。

图4示出了调制器12如何可以集成到升压电路6的传感器电子装置中。升压电路6包括前置放大器21，其后是脉宽及密度调制器12，再其后是具有FET-半桥的功率级。调制器12输出的信号(18和18’)被馈送至两个栅极驱动器(24，25)，这两个栅极驱动器可组合为一个单元并控制一对高功率MOS-FET 22、23。在调制器仅产生一个输出信号的情况中，像图3和图6中那样，栅极驱动单元需要从这一个信号产生两个MOSFET驱动信号。为了实现良好的匹配以及开关性能，优选地利用两个n型MOSFET构建半桥。可替换地，该原理还可以用于以全桥代替功率开关的半桥。

MOSFET半桥22、23的下游是低通输出滤波器26，其利用RC结构消除脉宽及密度调制信号的高频开关成分。随后将滤波后的信号馈送至次级线圈7，见图1，次级线圈产生次级电流。

图5示出了升压电路6’的另一示意性实施方式。此处调试器12的下游有半桥栅极驱动器28，用于驱动两个高功率MOSFET 22、23。电源滤波器29预设在电源路径中，以避免将失真注入到供电系统中。MOSFET半桥的下游是输出滤波器26’，其后是两个钳位二极管30、31，它们在无源工作模式中防止产生过电压。霍尔传感器4可以以包括用于温度补偿、偏差消除、增益调整的装置的霍尔IC代替。

图6示出了用于实现脉宽及密度调制器12’和前置放大器21’的另一实施方式。调制器12’以与图3所示的调制器相同的原理设计，作为具有利用施密特触发器17’实现的单个脉宽及密度调制输出端18的单级调制器。单级前置放大器21’安装在霍尔IC 4’的下游以及调制器12’的上游，利用具有两个精密电阻器32、33的电阻桥作为输入侧的电压基准。

图7示出了脉宽及密度调制器12”和前置放大器21’的实现的再一个实施方式。图7所示的调制器12”与图6所示的调制器的不同之处在于其具有由两个施密特触发器17”和17”’实现的互补脉宽及密度调制输出端18”、18”’，并且二者都可以用作图4和图5所示的栅极驱动单元的输入端。

图8示出了脉宽及密度调制器12”和前置放大器21’的实现的再一个实施方式。图8所示的调制器12”’与图7所示的调制器的不同之处在于其具有以两个反相缓冲放大器34、35实现的互补脉宽及密度调制输出端18”、18”’。

应该指出的是，根据本发明电流传感器结构中所使用的开关模式的类型还可以称作D类放大器。

除了参照附图的描述以外，所述的发明原理可以与下列的一个或多个特征相结合。

磁芯2的形状可以是圆形、矩形、卵形或椭圆形。

在优选实施例中，磁芯材料被选为具有高磁饱和、低矫顽性以及逐渐过渡到饱和的特征。

传感器的磁芯2可以具有局部气隙，该气隙具有与薄的偏移通量传感器和高总体增益配合的高切割深度。该局部气隙可以开口来用于从轴向或径向嵌入通量传感器4、4’。

磁芯2例如可以由层叠多个金属片的分层结构制成。为了实现最佳的气隙机械稳定性，可以沿平行于层叠平面的方向切割(即所有的各层都不被完全切割)所述局部气隙。

对于多相装置中的应用，磁芯2可以被设计为使得气隙优选地相对于其他相导体具有直角。这会造成低串扰灵敏度。

所述气隙可以制成非常薄，例如，其可以被设计成具有小于2mm的小周长长度。

通量传感器4、4’可以是霍尔元件或磁阻元件或霍尔传感器集成电路(霍尔IC)。甚至其可以是具有高灵敏度和可编程偏移的霍尔IC。

再次将本发明的优点总结如下：

●通过在动态范围上的均匀分布来减小电子部件中的损耗；开关的更大上升时间是可能的。

●减小了功率晶体管的尺寸和成本；

●尤其在小输出电流和/或中等输出电流时的更低的纹波；

●减小了滤波器部件的尺寸和成本；

●更小的电子部件和电路板的尺寸；

●不需要特殊的装置来散热，例如，无需成型处理并且无需用于冷却的放热板；

●低系统成本(放大器、输出滤波器、功率晶体管、冷却)；

●由于对驱动器、MOSFET、冷却、以及输出滤波器的更宽容的要求，因此更易于实现基于脉宽及密度调制的开关模式放大器或D类放大器。这允许在更大的范围内选择部件以及降低总体解决方案的成本。而且，允许低上升时间将简化印刷电路板(PCB)的设计并有利于减小电磁辐射；

●由于具有局部气隙情况下的更对称的通量分布而降低了AC串扰灵敏度；

●具有偏移补偿的霍尔IC的低偏移；

●需要更小的磁芯截面，在有局部气隙的情况下无需气隙固定；

●低系统成本；

●适于多相母线系统(具有矩形形状)的设计。

图标符号

Claims

1.一种根据补偿原理工作的电流传感器(1)，包括：

-初级线圈(3)，其中流经待测量的电流，用于产生磁场；

-次级线圈(7)，其中流经补偿电流，该补偿电流产生磁场来补偿所述初级线圈(3)的磁场；

-气隙磁芯(2)，其磁耦合至两个绕组，并将得到的磁场集中到其气隙(5)中；

-终端电阻器(8)，其串联连接至所述次级线圈(7)；

-多个传感器装置(4)，其位于所述气隙(5)中，并暴露于得到的所述初级线圈和所述次级线圈(3，7)的磁场；

-升压电路(6)，其连接在所述多个传感器装置(4)的下游，其经由所述终端电阻器(8)将所述补偿电流馈送至所述次级线圈(7)，

其中，所述升压电路(6)包括具有脉宽及密度调制器(12)的开关模式放大器，所述脉宽及密度调制器(12)产生用于驱动所述补偿电流流过所述次级线圈绕组的脉宽及密度调制电压信号，其中所述调制器(12)的开关频率是所述补偿电流的函数，小电流时所述开关频率高，大电流时所述开关频率低。

2.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述脉宽及密度调制器(12)包括差分放大器电路(13)，所述差分放大器电路的非反相输入端接收模拟电流信号，所述差分放大器电路的输出端连接至施密特触发器电路(17)的输入端，其中所述施密特触发器电路(17)的输出端(18)和所述差分放大器电路(13)的反相输入端通过具有欧姆电阻器(19)的反馈环路相连接，所述差分放大器电路(13)的输出端和反相输入端通过具有电容器(20)的反馈回路相连接。

3.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述脉宽及密度调制器(12)包括差分放大器电路(13)，所述差分放大器电路的非反相输入端接收模拟电流信号，所述差分放大器电路的输出端连接至具有两个反相缓冲放大器(34，35)的结构，其中，所述差分放大器电路的输出端和反相输入端通过具有电容器的反馈回路相连接，以及其中，所述具有两个反相缓冲放大器(34，35)的结构的输出端和所述差分放大器电路的反相输入端通过具有欧姆电阻器的反馈回路相连接，从而实现了负的总体反馈。

4.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述升压电路(6)包括前置放大器(21)，其后是所述脉宽及密度调制器(12)，再其后是具有FET半桥(22，23)的功率级。

5.根据权利要求4所述的电流传感器(1)，其中，所述功率级包括半桥栅极驱动器(28)和输出滤波器(26’)，其后是两个钳位二极管(30，31)。

6.根据权利要求4所述的电流传感器(1)，其中，所述FET半桥(22，23)由两个n型MOSFET构成。

7.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述传感器装置(4)是霍尔传感器。

8.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述传感器装置(4)是磁阻传感器。

9.根据权利要求7所述的电流传感器(1)，其中，所述传感器装置(4)是霍尔集成电路，其包括用于偏移和温度补偿的装置。

10.根据权利要求1所述的电流传感器(1)，其中，所述传感器装置的带宽受滤波器的限制，以使得更好地控制从有源传感器工作模式到无源传感器工作模式的过渡频率。