專利名稱：隔離型電流-電壓和電壓-電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過將電流轉(zhuǎn)化為電壓來測量電流的設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及用于測量直流和交流電流的與被測量電路隔離的高帶寬設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知有若干種用于測量電流的技術(shù)。最簡單的一種包括插入電流路徑內(nèi)的分流電阻。盡管這種方法很便宜，但是它并不提供隔離，并且會消耗過多的功率，特別是在需要大的信號幅值時。另一種技術(shù)使用霍爾效應(yīng)電流傳感器。此類傳感器提供了隔離、高分辨率和低功耗。可惜的是，這種設(shè)備的帶寬被局限在幾百千赫，并且成本比分流電阻高。而且，這種傳感器表現(xiàn)出相當大的溫度漂移，即使在使用了額外的補償電路時也是如此。而且，為了達到滿足絕大多數(shù)用途的準確度，必須利用相對較大的具有間隙的磁芯來實現(xiàn)傳感器，以便將磁場充分地集中在載流導(dǎo)體周圍。這就增大了這種類型的電流傳感器的體積、重量和成本。近來，已經(jīng)提出了基于各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)的電流傳感器。AMR效應(yīng)是在有外加磁場存在的情況下鐵磁性材料的電阻變化的結(jié)果。利用該效應(yīng)，可以將傳感器構(gòu)建為具有比霍爾效應(yīng)傳感器更高的帶寬，但是這種傳感器的輸出電壓也會受到溫度變化的影響。而且，為了產(chǎn)生足夠的輸出電壓，需要有放大器電路，這增加了設(shè)備的成本?？傮w而言， 這種傳感器比霍爾效應(yīng)傳感器或簡單的分流電阻都要昂貴。巨磁電阻(GMR)效應(yīng)也可以被用于電流測量。該效應(yīng)是多層結(jié)構(gòu)電阻的磁靈敏度的結(jié)果。盡管GMR效應(yīng)表現(xiàn)出比ARM效應(yīng)更高的靈敏度，但是GMR效應(yīng)也表現(xiàn)出很強的非線性特征。因此，還沒有基于這種技術(shù)的商用電流傳感器出現(xiàn)。與基于上述原理中任意一種的傳感器相比，基于磁通量閘門的傳感器具有更好的準確度和溫度特性，但這是以明顯更高的成本和更大的物理尺寸實現(xiàn)的。這使得這樣的傳感器不合乎很多應(yīng)用的需要。另一類傳感器是基于輸送待測電流通過變壓器的原邊并利用其保持變壓器磁芯飽和的原理。隨后將電壓加至副邊以迫使磁芯進入線性范圍，形成通過副邊的與原邊電流成比例的電流。隨后利用檢測電阻測量該副邊電流。但是，這樣的傳感器不能用于測量不足以使磁芯飽和的小電流。接近于零的電流可以通過增加偏置繞組進行測量，偏置繞組承載有其大小被設(shè)置為保持磁芯飽和的穩(wěn)定電流。但是，偏置電流會產(chǎn)生穩(wěn)定的功耗，并且另外還會在檢測電阻處產(chǎn)生電壓偏移。因此，為了達到高準確度，通過偏置繞組的電流必須被控制為高精度。而且，這種類型的電流傳感器的帶寬必然是非常小的，原因在于它使用的鐵氧體或坡莫合金材料制成的磁芯具有較大的截面面積。另外，因為鐵氧體或坡莫合金磁芯對于溫度變化是高度敏感的，所以這種類型的傳感器表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性。因此，需要如下的改進的電流傳感器其在大測量范圍內(nèi)測量交流和直流電流，同時表現(xiàn)出高帶寬和高準確度并且實現(xiàn)了低功耗、與被測電流的良好隔離、低溫度敏感性和低成本。

發(fā)明內(nèi)容
利用變壓器實現(xiàn)了一種高準確度、高帶寬的電流傳感器，該變壓器包括磁芯，具有匝數(shù)為一匝或多匝的承載待測電流的原邊繞組，被用于采樣原邊電流的副邊繞組，以及用于選擇性地、與原邊電流的幅值無關(guān)地將磁芯帶入飽和的輔助繞組?？蛇x地，輔助繞組可以被省略并且采樣和飽和功能都利用副邊繞組實現(xiàn)，其代價是稍微更復(fù)雜一些的控制電路。 由于磁芯材料的性質(zhì)和控制繞組的方法，這種電流傳感器只消耗很小的功率，提供了被測電流和傳感器之間的電隔離，表現(xiàn)出低溫度敏感性，并且也很便宜。在如下所述的根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的若干實施例中，直流電流或交流電流被轉(zhuǎn)化為具有確定的和可再生的傳輸特性的電壓。所得的傳感器輸出電壓具有幾伏的幅值使其能夠直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口。傳感器在待測電流和檢測電路之間提供隔離并且在原邊感生的平均壓降為零。傳感器能夠以最小的功耗測量帶寬超過IMHz的正電流和負電流。通過使用脈沖輔助電流來選擇性地使磁芯材料飽和而不是像現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器那樣使用恒定電流，還能夠準確地測量低至零安培的電流。這種方法極大地降低了功耗和輸出電壓的偏移，由此改善了傳感器能夠測量的輸入電流的動態(tài)量程。因為輔助電流是脈沖式的，所以輔助繞組能夠適用于回收相當數(shù)量的用于控制變壓器磁通的能量，結(jié)果是與現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器相比功耗的降低可以達到50%。而且，因為本發(fā)明消除了在供電電壓上對偏移電壓的依賴性，所以與現(xiàn)有技術(shù)中使用恒定輔助電流的傳感器相比增加了測量的準確度。另外，因為輔助電流并不會影響測量的準確度，所以它可以通過非常簡單和低成本的電路產(chǎn)生。脈沖輔助電流進一步的好處在于過電流事件不會像它在若干種現(xiàn)有技術(shù)的傳感器中那樣改變偏移電壓。輔助電流的脈沖性質(zhì)使得能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明另外的實施例，其中輔助繞組能夠被省略并且由副邊繞組負責飽和功能。因為本發(fā)明并不需要恒定的電流來流過輔助繞組，副邊繞組可以是分時的，首先用于使磁芯飽和以及隨后用于采樣原邊電流。這就減小了磁路的尺寸和復(fù)雜性，而其代價僅是略微增加了電路的復(fù)雜性。但是，如果將控制電路和開關(guān)用專用集成電路(ASIC)實現(xiàn)，那么電路復(fù)雜性的增加就既不會增加傳感器的成本，也不會增大傳感器的體積。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的輸出電壓可以被數(shù)字化處理以通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的曲線擬合和溫度補償技術(shù)來進一步提高精度。但是，不使用數(shù)字校正技術(shù)的可選實施例也落在本發(fā)明的保護范圍和精神以內(nèi)。電流傳感器的若干具體實施例如下所述并且應(yīng)該被理解為通過本發(fā)明提供給本領(lǐng)域技術(shù)人員的優(yōu)點的說明性示例，而并不是為了將本發(fā)明限制為任何特定的實施例。根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第一實施例包括具有磁芯的變壓器，圍繞磁芯纏繞有包括一匝或多匝的原邊繞組，用于測量原邊電流的副邊繞組，以及用于迫使磁芯進入飽和的輔助繞組。可編程的飽和開關(guān)被用于選擇性地在輔助繞組兩端施加電壓，目的是為了，即使在流過原邊繞組的電流不足以憑自身將磁芯帶入飽和的情況下，將磁芯帶入飽和。為了降低功耗，飽和開關(guān)被閉合的時長恰好足以確保使磁芯飽和。飽和開關(guān)隨后即被打開，而采樣開關(guān)則被閉合。采樣開關(guān)在副邊繞組兩端施加電壓，并迫使磁芯返回到線性區(qū)域。一旦進入線性區(qū)域，流過副邊繞組的電流就變得與原邊繞組內(nèi)的電流成比例。該電流被轉(zhuǎn)化為檢測電阻兩端的電壓，并隨后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對檢測電壓進行采樣。采樣開關(guān)隨后即被打開，并且通過副邊繞組的電流自由流過一組二極管，最終返回電路回到其初始狀態(tài)。測量過程可以按一定的頻率重復(fù)進行，該頻率僅由帶動磁芯脫離飽和與進入到測量信號穩(wěn)定的狀態(tài)以及隨后在打開采樣開關(guān)之后重置電路所需的時間來限制。磁芯材料和形狀的明智選擇使采樣速率能夠超過1MHz?？蛇x的，因為傳感器僅在測量過程期間消耗功率，因此可以通過降低采樣速率而進一步減小功耗。為了最小化偏移電流以及迫使變壓器脫離飽和所需的時間，在根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的一個實施例中選擇具有低矯頑力和高矩形B-H回線的磁性材料?？梢酝ㄟ^減小磁芯材料的截面積來增大采樣頻率而不會影響到測量的準確度。非晶態(tài)合金和納米晶合金是表現(xiàn)出所需特性的磁性材料的例子。盡管坡莫合金和鎳鐵鉬超導(dǎo)磁合金通常都更加昂貴并且表現(xiàn)出較差的溫度穩(wěn)定性，但是它們也能夠被鍍到允許高度緊湊形狀的基板上。因此，這些材料也落在本發(fā)明的保護范圍和精神以內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的第二實施例可以被用于測量雙向以及單向電流，其代價是略微增加了功耗并且依賴于被用于使磁芯飽和的輔助電流的測量準確度。這可以通過使用第一實施例中的電路但是改變開關(guān)控制方案來實現(xiàn)。在采樣開關(guān)閉合時，不是打開飽和開關(guān)而是保持其閉合。由輔助電流形成的場因此而有效地疊加至由原邊電流形成的場并造成偏移電壓在檢測電阻處出現(xiàn)。由此，原邊電流測量的準確度就變得取決于輔助電流的精度， 而且提供了能夠測量雙向電流的好處。因為在測量檢測電阻的電壓之后切斷了輔助電流， 所以傳感器的總體功耗相對于現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器仍然很低。根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第三實施例包括對原邊輸入電路的修改以允許測量電壓源而不是電流源。為此，電阻被設(shè)置為與電壓源串聯(lián)，目的是為了產(chǎn)生被輸送通過原邊繞組的電流。由于為了節(jié)約功率而需要大電阻并相應(yīng)地需要小電流，因此可以增加原邊繞組的匝數(shù)以補償較小的電流。電流傳感器的該實施例對于需要測量疊加在高浮動電壓電位上的電壓并且使得能夠構(gòu)造高帶寬和高準確度的電壓探針是特別有用的。該實施例在例如為了克服隔離開關(guān)模式的電源的原邊和副邊之間的隔離邊界而需要隔離測量電壓時也是特別好的低成本解決方案。應(yīng)該注意的是在原邊不需要輔助電源。根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第四實施例通過省略模數(shù)轉(zhuǎn)換器并用簡單的采樣-保持電路來代替而產(chǎn)生低成本的模擬輸出。采樣-保持電路由管理開關(guān)的控制電路定時，目的是為了確保在正確的時刻獲取檢測電壓。 在根據(jù)本發(fā)明的第五實施例中，輸出電路被設(shè)置作為過電流報警或保護電路。利用模擬比較器將檢測電阻兩端的電壓與參考電壓電平相比較。比較器的輸出被利用D-Q觸發(fā)器或者通過控制開關(guān)定時的控制電路定時的其他鎖存電路鎖存。D-Q觸發(fā)器的輸出由此被用作穩(wěn)定的邏輯電平過電流警報或保護信號。 在根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第六實施例中，電流傳感器的動態(tài)量程通過包括一個或多個量程選擇開關(guān)而得以改善。量程選擇開關(guān)允許控制電路選擇性地切換附加電阻進入或離開與檢測電阻并聯(lián)或串聯(lián)的電路。這就使得通過改變一個或多個量程選擇開關(guān)的位置而選擇高量程或低量程，從而能夠用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器以相對較高的準確度來測量低電流和高電流的電流源。根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第七實施例省略了輔助繞組并在采樣開關(guān)被閉合之前使用副邊繞組使磁芯飽和。因為只在采樣開關(guān)被閉合時的時段期間才需要輔助電流，所以單個的副邊繞組可以在飽和和采樣功能之間進行分時。因為只需要兩個繞組，所以該實施例實現(xiàn)了更高的集成度以及有可能更低的成本。該實施例可以特別好地適用于如下文中更詳細介紹地通過專用集成電路進行的控制。但是，要注意的是該實施例必然需要在閉合采樣開關(guān)的同時打開飽和開關(guān)，它不能如第二實施例中所述被用于測量雙向電流。在根據(jù)本發(fā)明的第八實施例中，相同的兩組傳感器電路被設(shè)置用于測量單個原邊電流，目的是為了提供對原邊電流的連續(xù)測量，由此顯著增加測量帶寬。原邊電流被輸送通過兩個變壓器磁芯的原邊繞組，并且單個控制電路根據(jù)本發(fā)明管理兩組測量電路的操作。 控制電路周期性地在兩組測量電路之間切換輸出，并且只要每一組電路的采樣占空比都保持大于50%并且被移相為大約180度異相，即可保持原邊電流的連續(xù)測量。在根據(jù)本發(fā)明的第九實施例中，傳感器適用于通過借助輔助繞組回收用于控制變壓器的部分能量送回到電源內(nèi)而降低功耗。這樣能夠降低功耗達50%。而且，減少了組件數(shù)量，這也降低了系統(tǒng)成本。該實施例與現(xiàn)有技術(shù)中使用恒定輔助電流的傳感器相比提供了額外的重要優(yōu)點。由于現(xiàn)有技術(shù)的傳感器中的恒定輔助電流，輔助繞組不能適用于回收能量，并且在打開采樣開關(guān)之后流動的電流的浪費也會導(dǎo)致明顯更高的功耗。在任意的上述實施例中，控制電路均可控制飽和開關(guān)和采樣開關(guān)的定時和占空比，并且還可以控制用于對由檢測電路產(chǎn)生的電壓進行采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的定時?？刂齐娐愤€可以控制用于對檢測電壓進行采樣的采樣-保持電路或D-Q觸發(fā)器。控制電路可以包括數(shù)字信號處理器(DSP)、微控制器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、根據(jù)離散邏輯構(gòu)建的電路或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意其他的數(shù)字控制電路。使用模擬電路來控制開關(guān)定時也落在本發(fā)明的保護范圍和精神以內(nèi)。以上對電流傳感器若干實施例的說明是為了用作通過本發(fā)明提供給本領(lǐng)域技術(shù)人員的優(yōu)點的說明性示例而并不是為了將本發(fā)明限制為任何特定的實施例組合。對于提供了高準確度和高帶寬的電流測量，以及低溫度敏感性和低成本的電流傳感器的更加完整的理解，還有對本發(fā)明附加優(yōu)點和目標的實現(xiàn)，都可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮了以下對優(yōu)選實施例的詳細說明之后給出。說明將參照附圖進行，首先將簡要地介紹附圖。


圖1是使用可飽和變壓器的常規(guī)電流傳感器的示意圖；圖2是使用可飽和變壓器的常規(guī)電流傳感器的示意圖，被改變?yōu)樵试S測量接近于零的電流；圖3是根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第一示范性實施例的示意圖；圖4是示出了在根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的示范性實施例中使用的磁性材料內(nèi)的磁場強度(H)和磁通密度(B)之間關(guān)系的代表性的磁滯曲線圖fe-c示出了在根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的代表性實施例中的不同位置處測得的代表性電壓波形；圖6是適用于測量疊加在任意電壓電位上的電壓的本發(fā)明第三實施例的示意圖；圖7是適用于產(chǎn)生模擬輸出信號的本發(fā)明第四實施例的示意圖；圖8是適用于產(chǎn)生數(shù)字過電流指示信號的本發(fā)明第五實施例的示意圖；圖9是適用于在兩個可選電流量程內(nèi)測量電流的本發(fā)明第六實施例的示意圖；圖10是適用于只使用單個繞組以使磁芯飽和并對原邊電流進行采樣的本發(fā)明第七實施例的示意圖；圖11是適用于提供高帶寬連續(xù)模擬輸出信號的本發(fā)明第八實施例的示意圖；以及圖12是適用于顯著降低功耗的本發(fā)明第九實施例的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種電流傳感器，適用于利用與原邊電流的幅值無關(guān)地、被選擇性地帶入飽和的磁芯變壓器來測量流過原邊繞組的電流。傳感器提供了高準確度和高帶寬的電流測量以及提供了低溫度敏感性和低成本。在以下的詳細說明中，類似的元件標記被用于表示在一張或多張附圖中出現(xiàn)的類似元件。圖1示出了一種能夠測量直流電流的常規(guī)電流傳感器的示意圖，其使用變壓器將被測電流與測量電路相隔離。被測電流1102流過包括磁芯1106的變壓器的原邊繞組1104， 通過原邊繞組1104內(nèi)流動的電流保持磁芯1106飽和。振蕩器1116被用于產(chǎn)生將開關(guān)1112 導(dǎo)通的周期性脈沖，將來自電源11 的電壓加至變壓器的副邊繞組1108。副邊電流迫使磁芯返回到線性區(qū)域內(nèi)并在副邊繞組1108兩端形成被標記為Vt的電壓降1118。二極管1120 和1114在開關(guān)1112被打開時允許電流自由流過副邊繞組1108。檢測電阻1110兩端的被標記為Vs的電壓降1122被輸送至模擬濾波器1124，其輸出與被測電流1102成比例的電壓 11觀。該電路的缺點在于必須通過被測電流1102保持磁芯飽和，因此無法將該電路用于測量在變壓器內(nèi)產(chǎn)生的磁場不足以將磁芯帶入飽和的低電流。而且，該電路也不能測量雙向電流。圖2示出了一種可選的常規(guī)電流傳感器的示意圖，其解決了測量接近于零的電流的問題，但是卻引入了增加功耗以及測量準確度取決于偏置電流的精確控制的其他缺點。 在該電路中，被測電流1202流過具有磁芯1206的變壓器的原邊繞組1204。變壓器包括副邊繞組1208和偏置繞組1212。通過與電源12M串聯(lián)的電阻1214來設(shè)定流過偏置繞組1212 的偏置電流Ib。電流Ib用于即使在原邊電流接近于零的情況下也保持變壓器飽和。如圖 1中示出的電路，振蕩器1230周期性地閉合開關(guān)1210以將電壓加至副邊繞組1208，以便迫使磁芯1206返回到線性區(qū)域內(nèi)。這就在檢測電阻1216兩端產(chǎn)生了被標記為Vs的電壓降 1218，該電壓降與流過偏置繞組1212的偏置電流與流過原邊繞組1204的原邊電流之和正比例，所成比例為繞組1204，1208和1212的匝數(shù)比。利用模擬處理電路1228來測量檢測電阻1216兩端的電壓降，該模擬處理電路12 還補償由偏置電流產(chǎn)生的偏移電壓以產(chǎn)生與被測量的原邊電流成比例的模擬輸出電壓12 。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識到，偏置電流會產(chǎn)生穩(wěn)定的功耗并且還會將偏移量加至原邊電流的測量值，從而使得該測量值的準確度受到偏置電流穩(wěn)定性的限制。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的第一示范性實施例。在該實施例中，電流傳感器包括變壓器，變壓器由環(huán)形磁芯112構(gòu)成，變壓器包括原邊繞組126、副邊繞組1 和適用于選擇性地將磁芯112帶入飽和的輔助繞組130。原邊繞組1 包括至少一匝并且承載待測量電流108。原邊繞組126內(nèi)的匝數(shù)與副邊繞組128內(nèi)的匝數(shù)以及輔助繞組130內(nèi)的匝數(shù)之比用Np Ns Naux表示。檢測電阻134被設(shè)置為與副邊繞組128串聯(lián)以形成被標記為Vs的電壓降114，該電壓降與原邊電流成比例，所成比例為Np/Ns的比值乘以檢測電阻134的值。變壓器磁芯112、原邊繞組126和副邊繞組128由此提供了在被測電流108和表示電流測量值的電壓114之間的隔離。在該實施例中，飽和開關(guān)132在控制電路102的控制下被脈沖閉合，該控制電路102可以被實施為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微控制器或者由離散數(shù)字組件構(gòu)建。但是，應(yīng)該理解，飽和開關(guān)132也可以在模擬電路的控制下閉合并且仍然落在本發(fā)明的保護范圍和精神之內(nèi)。當飽和開關(guān)132被閉合時， 電流Iaux從電源110流過輔助繞組130。電流Iaux的幅值被限制為VdcZR1，其中Vd。是電源 110的電壓，而R1是限流電阻122的電阻值。該電流的幅值被選擇為確保在測量原邊電流 108之前將磁芯112帶入飽和。但是，應(yīng)該注意的是，在飽和開關(guān)132被打開時，沒有電流流過輔助繞組130，并且因此在斷路周期期間在這里并不消耗功率。采樣開關(guān)124在控制電路102的控制下被脈沖閉合。當采樣開關(guān)124被閉合時， 在變壓器副邊繞組1 處施加電壓以迫使變壓器磁芯112脫離飽和。一旦采樣開關(guān)124已被打開，兩個二極管120和118就允許電流自由流過副邊繞組128。圖4示出了用于根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的一個實施例的工作點和設(shè)定點。示出了磁芯112的B-H磁滯曲線，其中沿水平軸繪制磁場強度(H)，沿垂直軸繪制磁通密度(B)。 當采樣開關(guān)1 被打開且飽和開關(guān)132被閉合時，磁芯112的磁化強度移動至工作點202， 磁芯112在工作點202是飽和的。工作點202的精確位置取決于原邊電流的值。但是，輔助電流的明智選擇可以確保工作點202永遠不會移動到B-H曲線的飽和區(qū)域以外。一旦磁芯處于工作點，飽和開關(guān)132即被打開且采樣開關(guān)IM被閉合，使得磁化強度沿著B-H曲線到達設(shè)定點204，在設(shè)定點204處，測量代表原邊電流108的檢測電壓114。以下參照圖中的時序圖進一步介紹測量過程。圖fe-c示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的代表性時序圖。圖5a，5b和5c的時基是相同的并且彼此對應(yīng)。與原邊電流108(參見圖幻成比例的檢測電壓114在每一個標記為T 的采樣時間周期302被采樣一次。采樣周期T被進一步劃分為三個時段第一時段304，用 、表示；第二時段306，用t2表示；以及第三時段308，用t3表示。圖fe中的垂直軸314表示飽和開關(guān)132和采樣開關(guān)124的狀態(tài)，飽和開關(guān)132的狀態(tài)用下方的曲線312表示，采樣開關(guān)1 的狀態(tài)用上方的曲線310表示。在時段、期間，飽和開關(guān)132導(dǎo)通而采樣開關(guān)IM 斷開。在時段、期間，飽和開關(guān)132斷開而采樣開關(guān)124導(dǎo)通。在時段、期間，飽和開關(guān) 132和采樣開關(guān)IM均為斷開。圖恥中的垂直軸316表示檢測電阻134兩端的被標記為Vs的檢測電壓114(參見圖3)的幅值。圖5c中的垂直軸3 表示被標記為Vt的副邊繞組電壓116(參見圖3)的幅值。在時段、期間，飽和開關(guān)132被閉合，并且恒定電流Iaux = VdcZR1流過輔助繞組130并迫使變壓器磁芯112在圖4中示出的工作點202處進入飽和。如果原邊電流108自身在飽和開關(guān)132閉合之前不足以保持磁芯112處于飽和，那么電流Iaux將不會立刻上升至Vd。/ R1，并且在輔助繞組1 兩端將會出現(xiàn)短時間的負電壓。圖5c中示出了代表性的瞬時負電壓，用虛線330表示。時段、必須持續(xù)得足夠長以使Iaux上升至其穩(wěn)態(tài)水平，此時磁芯112 即處于飽和并且已經(jīng)到達工作點202。隨后，在時段t2開始時，飽和開關(guān)132被打開而采樣開關(guān)IM被閉合。此時，輔助電流Iaux停止流動，取而代之的是流過副邊繞組128的電流Is。副邊繞組兩端的電壓Vt由下式給出Vt = Vdc-Is * Rs,其中Vd。是電源110的電壓，而Rs是圖3中示出的檢測電阻134的值。一旦磁化強度已經(jīng)如圖4中所示沿B-H曲線到達設(shè)定點204，并且磁芯已經(jīng)不再處于飽和，則副邊繞組電流Is由下式給出Is= (Imag+Ip * Np)/Ns,這里，Inrag是由磁芯112感生的磁化電流，Ip是原邊電流108，Np是原邊繞組126的匝數(shù)，而Ns是副邊繞組128的匝數(shù)。應(yīng)該注意的是，副邊電流既不取決于輔助電流也不取決于采樣開關(guān)124的導(dǎo)通狀態(tài)的電阻。磁化電流Inrag可以被寫為Ifflag = Im * Hc,其中Im是由變壓器磁芯的形狀確定的磁路長度，而H。是矯頑力，是構(gòu)成磁芯的磁性材料的一種性質(zhì)。通過選擇表現(xiàn)出低矯頑力的磁芯，可實現(xiàn)以下條件Ip * Np >> Im * Hc,由此就允許忽略磁化電流的影響。因為矯頑力H。的值對于不同設(shè)備會有所變化并且表現(xiàn)出不同的溫度依賴性，所以這種忽略正是所希望的。在此情況下，副邊電流Is簡單地等于原邊電流Ip與匝數(shù)比Np/Ns的乘積?；诜蔷B(tài)合金或納米晶合金的磁芯是特別適用的，因為它們都具有低矯頑力H。并且表現(xiàn)出低溫度漂移。坡莫合金和鎳鐵鉬超導(dǎo)磁合金 (supermalloy)無法提供高溫度穩(wěn)定性但是卻提供了相當?shù)偷某C頑力以及高度的可機械加工性，這就使得它們也適合用于本發(fā)明。鐵氧體材料既沒有提供低矯頑力也沒有提供低溫度漂移，但是它們確實表現(xiàn)出低成本和高度的可機械加工性，這使得它們對于低成本、低精度的電流測量應(yīng)用很有吸引力。因此用鐵氧體材料制成的磁芯也落在本發(fā)明的保護范圍和精神之內(nèi)。在不能忽略磁化電流的高精度應(yīng)用中，可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種方案來進行溫度和偏移補償。磁芯112的橫截面面積對于測量準確度沒有影響。實際上，較小的橫截面面積A。 是優(yōu)選的，這是因為迫使磁芯進入飽和的時間會由于必須在副邊繞組兩端施加較小的伏秒值而縮短。參照圖4，對于具有理想的矩形B-H環(huán)線的磁芯，用于實現(xiàn)206處所示并且標記為ΔΒ的磁通量改變所需的時間t。n由下式給出
權(quán)利要求
1.一種電流傳感器，包括變壓器，具有原邊繞組、副邊繞組以及基本為環(huán)形的變壓器磁芯，所述原邊繞組和副邊繞組從所述變壓器磁芯中穿過，其中所述原邊繞組適用于承載待測電流；以及所述副邊繞組適用于選擇性地承載用于在所述變壓器磁芯內(nèi)感生飽和場的飽和電流， 以及選擇性地承載用于在所述變壓器磁芯內(nèi)感生與所述飽和場相反的場的采樣電流； 用于選擇性地給所述副邊繞組提供電流的電源； 檢測電路，適用于測量基本與所述待測電流的幅值成比例的電壓；以及控制電路，適用于選擇性地將所述飽和電流加至所述副邊繞組以及選擇性地將所述采樣電流加至所述副邊繞組。
2.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述控制電路進一步適用于在將所述采樣電流加至所述副邊繞組之前切斷所述飽和電流，以及在將所述飽和電流加至所述副邊繞組之前切斷所述采樣電流。
3.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述副邊繞組被進一步分為采樣繞組和輔助繞組，并且其中所述控制電路適用于將所述飽和電流加至所述輔助繞組以及將所述采樣電流加至所述采樣繞組。
4.如權(quán)利要求3所述的電流傳感器，其中所述控制電路進一步適用于首先將所述飽和電流加至所述輔助繞組；隨后將所述采樣電流加至所述采樣繞組，以使所述飽和電流和采樣電流同時流動；隨后基本同時切斷所述采樣電流和飽和電流。
5.如權(quán)利要求3所述的電流傳感器，其中所述控制電路進一步適用于在所述控制電路切斷所述采樣電流時允許能量從所述輔助繞組流動返回所述電源。
6.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述控制電路包括現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、 專用集成電路ASIC、微控制器、數(shù)字信號處理器DSP以及包含離散數(shù)字邏輯組件的電路中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述控制電路包括模擬電路。
8.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述檢測電路包括適用于從所述控制電路接收定時脈沖的采樣-保持電路。
9.如權(quán)利要求8所述的電流傳感器，其中所述檢測電路進一步包括適用于從所述控制電路接收控制信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求9所述的電流傳感器，其中所述檢測電路進一步包括適用于產(chǎn)生模擬電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
11.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述檢測電路包括 檢測電阻；模擬參考電壓；模擬比較器，適用于將所述檢測電阻兩端產(chǎn)生的電壓與所述模擬參考電壓相比較；以及鎖存電路，適用于從所述模擬比較器接收數(shù)據(jù)信號以及從所述控制電路接收定時信號。
12.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，進一步包括至少第一檢測電阻和第二檢測電阻；至少一個量程選擇開關(guān)，適用于選擇性地將所述第二檢測電阻與所述第一檢測電阻并聯(lián)連接；其中所述控制電路進一步適用于選擇性地打開和閉合所述至少一個量程選擇開關(guān)。
13.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，進一步包括至少第一檢測電阻和第二檢測電阻，其中所述第一檢測電阻被設(shè)置為與所述第二檢測電阻串聯(lián)；以及至少一個量程選擇開關(guān)，適用于選擇性地旁路所述第二檢測電阻；其中所述控制電路進一步適用于選擇性地打開和閉合所述至少一個量程選擇開關(guān)。
14.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述原邊繞組包括單個導(dǎo)體，其穿過基本為環(huán)形的變壓器磁芯一次。
15.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述變壓器磁芯包括非晶態(tài)合金、納米晶合金、鐵氧體材料、坡莫合金和鎳鐵鉬超導(dǎo)磁合金中的至少一種。
16.如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中所述變壓器磁芯包括被鍍到基板上的磁芯。
17.一種電流傳感器，包括變壓器，具有原邊繞組、輔助繞組、副邊繞組以及基本為環(huán)形的變壓器磁芯，所述原邊繞組、所述輔助繞組和所述副邊繞組從所述變壓器磁芯中穿過，其中 所述原邊繞組適用于承載待測電流；所述輔助繞組適用于承載用于在所述變壓器磁芯內(nèi)選擇性地感生飽和場的飽和電流；以及所述副邊繞組適用于承載采樣電流，所述采樣電流用于在所述變壓器磁芯內(nèi)感生與由所述飽和電流感生的所述飽和場相反的場；用于選擇性地給所述輔助繞組和所述副邊繞組提供電流的電源； 操作地連接至所述輔助繞組的飽和開關(guān)，用于選擇性地將所述輔助繞組連接至所述電源；操作地連接至所述副邊繞組的采樣開關(guān)，用于選擇性地將所述副邊繞組連接至所述電源；操作地與所述副邊繞組串聯(lián)連接的檢測電阻；檢測電路，適用于測量所述檢測電阻兩端產(chǎn)生的電壓，其中所述檢測電路包括采樣-保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；以及數(shù)字控制電路，適用于選擇性地打開和閉合所述飽和開關(guān)與所述采樣開關(guān)，并將控制信號發(fā)送至所述采樣-保持電路和所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
18.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，其中所述控制電路進一步適用于在所述控制電路切斷采樣電流時允許能量從所述輔助繞組流動返回所述電源。
19.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，其中所述控制電路包括現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA、專用集成電路ASIC、微控制器、數(shù)字信號處理器DSP以及包含離散數(shù)字邏輯組件的電路中的至少一種。
20.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，其中所述檢測電路進一步包括適用于產(chǎn)生模擬電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
21.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，進一步包括 至少一個量程選擇電阻；以及至少一個量程選擇開關(guān)，適用于選擇性地將所述至少一個量程選擇電阻與所述檢測電阻并聯(lián)連接；其中所述控制電路進一步適用于選擇性地打開和閉合所述至少一個量程選擇開關(guān)。
22.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，進一步包括 被設(shè)置為與所述檢測電阻串聯(lián)的至少一個量程選擇電阻；以及至少一個量程選擇開關(guān)，適用于選擇性地旁路所述至少一個量程選擇電阻； 其中所述控制電路進一步適用于選擇性地打開和閉合所述至少一個量程選擇開關(guān)。
23.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，其中所述原邊繞組包括單個導(dǎo)體，其穿過基本為環(huán)形的變壓器磁芯一次。
24.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，其中所述變壓器磁芯包括非晶態(tài)合金、納米晶合金、鐵氧體材料、坡莫合金和鎳鐵鉬超導(dǎo)磁合金中的至少一種。
25.如權(quán)利要求17所述的電流傳感器，其中所述變壓器磁芯包括被鍍到基板上的磁
26.一種電流傳感器，包括第一變壓器，具有第一原邊繞組、第一副邊繞組以及基本為環(huán)形的第一變壓器磁芯，所述第一原邊繞組和第一副邊繞組從所述第一變壓器磁芯中穿過，其中 所述第一原邊繞組適用于承載待測電流；以及所述第一副邊繞組適用于選擇性地承載用于在所述第一變壓器磁芯內(nèi)感生第一飽和場的第一飽和電流，以及選擇性地承載用于在所述第一變壓器磁芯內(nèi)感生與所述第一飽和場相反的場的第一采樣電流；第二變壓器，具有第二原邊繞組、第二副邊繞組以及基本為環(huán)形的第二變壓器磁芯，所述第二原邊繞組和第二副邊繞組從所述第二變壓器磁芯中穿過，其中 所述第二原邊繞組適用于承載所述待測電流；以及所述第二副邊繞組適用于選擇性地承載用于在所述第二變壓器磁芯內(nèi)感生第二飽和場的第二飽和電流，以及選擇性地承載用于在所述第二變壓器磁芯內(nèi)感生與所述第二飽和場相反的場的第二采樣電流；第一檢測電路，適用于測量與所述第一原邊繞組內(nèi)流動的電流的幅值基本成比例的電壓；以及第二檢測電路，適用于測量與所述第二原邊繞組內(nèi)流動的電流的幅值基本成比例的電壓；以及控制電路，用于切換輸出選擇開關(guān)以及選擇性地將所述第一采樣電流加至所述第一副邊繞組和將所述第二采樣電流加至所述第二副邊繞組，以使得所述第一采樣電流和所述第二采樣電流中的至少一個始終在流動；并且所述輸出選擇開關(guān)在所述第一采樣電流流動時選擇所述第一檢測電路以及在所述第二采樣電流流動時選擇所述第二檢測電路。
27.如權(quán)利要求沈所述的電流傳感器，其中所述第一副邊繞組被進一步分為第一采樣繞組和第一輔助繞組；所述第二副邊繞組被進一步分為第二采樣繞組和第二輔助繞組；以及所述控制電路進一步適用于 將所述第一飽和電流加至所述第一輔助繞組； 將所述第一采樣電流加至所述第一采樣繞組； 將所述第二飽和電流加至所述第二輔助繞組；以及將所述第二采樣電流加至所述第二采樣繞組。
28.如權(quán)利要求沈所述的電流傳感器，其中所述控制電路包括現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA、專用集成電路ASIC、微控制器、數(shù)字信號處理器DSP以及包含離散數(shù)字邏輯組件的電路中的至少一種。
29.如權(quán)利要求沈所述的電流傳感器，其中所述檢測電路進一步包括適用于產(chǎn)生模擬電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
30.一種在包括待測量信號和電流傳感器的系統(tǒng)中測量所述信號的方法，所述電流傳感器包括電源和基本為環(huán)形的變壓器磁芯，原邊繞組和副邊繞組從所述變壓器磁芯中穿過，所述方法包括輸送所述待測量信號通過所述原邊繞組； 使飽和電流脈沖式地通過所述副邊繞組； 使采樣電流脈沖式地通過所述副邊繞組；以及測量通過所述副邊繞組的所述采樣電流以確定所述待測量信號的幅值。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，進一步包括控制飽和電流脈沖與采樣電流脈沖的定時以使它們不重疊，從而能夠測量包含單向電流的信號。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，進一步包括控制飽和電流脈沖與采樣電流脈沖的定時以使所述飽和電流脈沖包絡(luò)所述采樣電流脈沖，從而能夠測量包含雙向電流的信號。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，進一步包括將所述待測量信號通過電阻連接至所述原邊繞組，從而能夠測量包含電壓的信號。
34.如權(quán)利要求30所述的方法，進一步包括利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述采樣電流的測量值數(shù)字化。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，進一步包括對數(shù)字化的采樣電流測量值進行數(shù)字校正以補償溫度和電源電壓變化中的至少一個。
36.如權(quán)利要求30所述的方法，進一步包括通過在所述采樣電流被切斷時輸送能量返回所述電源來回收所述副邊繞組內(nèi)的能量。
全文摘要
提供了一種電流傳感器，其使用原邊繞組承載待測電流，并使用副邊繞組控制磁芯內(nèi)的磁通量，提供原邊電流的樣本，并且還有助于在小的原邊電流下控制磁通量以及使變壓器飽和。輔助繞組被可選地用于控制磁通量，目的是為了簡化傳感器的控制。通過周期性地在副邊繞組處施加一定的電壓，迫使變壓器磁芯脫離飽和，并通過檢測電路獲取原邊電流的樣本，檢測電路可以包括采樣-保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器?？刂齐娐繁挥糜诳刂圃诟边吚@組內(nèi)和在可選的輔助繞組內(nèi)流動的電流，并且被用于管理檢測電路。
文檔編號G06F15/00GK102292717SQ200880120151
公開日2011年12月21日 申請日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者A·查普斯, P·甘曼塞勒, S·齊格勒 申請人:大動力公司