用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器制造技术

本发明专利技术为一种用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，包括PCB罗氏线圈和主积分器；其特征在于，还包括副积分器和减法器；PCB罗氏线圈连接主积分器的输入端，主积分器的输出端和副积分器的输出端均为减法器的输入端连接；副积分器用于提供与主积分器在非复位阶段相近的积分漂移偏差以及在复位和结束复位瞬间所产生的振荡误差；减法器用于对主积分器和副积分器的输出信号作差，以抵消两个积分器在非复位阶段产生的积分漂移偏差以及消除两个积分器在进行复位动作时引入的振荡误差。该传感器的测量带宽能够拓展至DC分量处，解决了现有的罗氏线圈电流传感器无法准确获取开关信号中DC分量以及低频输出特性较差的难题。

【技术实现步骤摘要】
用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器
本专利技术属于电流感知
，具体是一种用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器。
技术介绍
电力电子变换器被广泛应用于电力系统中的发、输、变、配、用等各个环节，极大地提高了能源的利用效率。研究表明，以SiCMOSFET为代表的宽禁带半导体器件，具有高开关速度、高耐受温度、高击穿电场和低通态压降等特性，相比于Si基器件可降低50％以上的能量损耗，减小75％以上的变换器体积，使得变换器的整体性能得到大幅提升。在提升变换器整体性能的同时，对其电流感知技术提出了新的要求，主要表现为以下四个方面：1)宽频带；若需连续、准确地感知器件的开关电流，一方面要求具备测量DC分量的能力，另一方面还要求足够高的上限截止频率，以准确收集开关电流的边沿；2)易集成；安装电流感知元件时既不能大幅改变原有功率回路的连线，以防止引入过大的寄生电感；又不能过多的占用设备内部空间，以确保高功率密度的使用需求；3)强抗扰；由于大多数电流感知元件主要通过电磁场的变化来感应待测电流信号，因此在高功率密度条件下如何防止或者区分邻近电流产生的电磁干扰尤为重要；4)低侵扰；开关回路中过大的寄生电感会引起过高的电压尖峰，进而对器件产生威胁，因此需要电流感知元件对待测回路的插入阻抗和负荷效应尽可能小。目前，常见的可集成在设备内部的电流感知技术主要包括同轴分流器、霍尔传感器、电流互感器、磁阻传感器、罗氏线圈电流传感器以及关于它们的混合感知技术，其中，同轴分流器无隔离措施，存在共地问题，且仍会在待测回路中引入较大的插入阻抗，难以满足低侵扰要求。电流互感器、霍尔和磁阻传感器都需要采用磁性材料来实现聚磁，因此都存在磁饱和问题，且磁芯体积较大，难以满足易集成和宽频带的要求。混合感知技术虽然能实现宽频带，如电流钳的测量带宽可达DC-120MHz，但总体而言其设计和制造成本较高，且通常需要特定的探头结构，难以满足易集成的要求。相较而言，罗氏线圈电流传感器满足低侵扰和易集成的要求，罗氏线圈电流传感器通过走线和过孔组成的罗氏线圈来接收待测电流产生的磁场，再根据电磁感应定律和楞次定律得到罗氏线圈总的输出电压以及极性，图1为罗氏线圈的结构示意图。从波形的角度分析，罗氏线圈负责检测待测电流的变化，即输出电压为待测电流的微分，再通过积分器便可还原待测电流波形。此外，罗氏线圈还具有低侵扰、小体积、非饱和、线性度较好等优点，且由于罗氏线圈的输出电压呈微分特性，因此待测电流的频率越高，罗氏线圈的体积可以更小，符合变换器高频、高功率密度的发展趋势。然而，现有的罗氏线圈电流传感器主要用于测量交流信号，或用于测量少数几个开关周期内的脉冲波形，很少用于连续感知开关器件的状态。根据图2所示的罗氏线圈电流传感器的幅频特性曲线可知，罗氏线圈电流传感器的灵敏度和测量带宽取决于线圈和积分器，通常认为罗氏线圈电流传感器的上限截止频率取决于罗氏线圈，而下限截止频率取决于积分器。对连续多个开关周期的开关电流信号进行FFT分析可知，其中不仅包含以开关频率为主的基波和相应的高次谐波，还存在一定的DC分量，因此要求测量器件开关电流的感知元件的测量带宽必须同时具有足够高的上限截止频率和测量DC分量的能力。然而，由于罗氏线圈的微分特性(DC增益为无穷小)决定了其对DC分量及低频信号不灵敏，故理论上要求感知元件的积分电路能实现纯积分的效果(DC增益为无穷大)，防止漂移偏差，才能将总体测量带宽拓展至DC分量处。但实际中由于运算放大器存在输入偏置信号，受温度的影响该偏置信号并不稳定，尽管波动幅度较小，但经过积分电路长时间的累积，仍会对输出产生明显影响，因此为确保稳定运行，积分电路的DC增益不能过大，使感知元件的DC增益为无穷小，进而使得罗氏线圈无法准确获取开关电流中的DC分量。为防止漂移偏差，对于积分器的设计可从下几个角度进行解决；1)采用低偏置、零漂移的运算放大器可以在一定程度上限制积分漂移的速度，但随着对偏置信号的积累，最终仍会使积分电路输出达到饱和，无法达到完全消除的效果。2)采用有损积分电路(参见图3)；通过在积分电容上并联低频抑制回路，将DC增益设置为无穷小或者为固定值(保证偏置产生的误差在可接受的范围之内)，可以防止积分电路对运算放大器偏置信号的持续积分，但也牺牲了其对DC分量的保持能力。3)从电路拓扑入手，对运算放大器的输入偏置信号进行差分，如采用差分式积分电路(参见图4)或者德玻积分电路(参见图5)；采用差分式积分电路主要通过两个积分电容的差分实现对共模信号的抑制，但由于电路元件自身参数不对称，因此难以实现对共模信号的完全消除，通常需要并联反馈电阻才能确保电路不发生饱和。德玻积分电路通过电阻实现差分，在实际应用中不易实现纯积分的效果。4)对积分电容进行周期性复位，阻止积分电路对偏置信号的累积，但仍然无法彻底消除积分漂移，在非复位阶段漂移偏差始终存在。综上所述，为了准确测量含DC分量的开关电流，罗氏线圈的输出端需连接纯积分电路，但实际应用中纯积分电路存在漂移偏差，因此为了解决这个矛盾点，本专利技术提出一种PCB罗氏线圈电流传感器，能够在不牺牲DC增益的前提下，又能防止漂移偏差。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，包括PCB罗氏线圈和主积分器；其特征在于，还包括副积分器和减法器；PCB罗氏线圈连接主积分器的输入端，主积分器的输出端和副积分器的输出端均为减法器的输入端连接；副积分器用于提供与主积分器在非复位阶段相近的积分漂移偏差以及在复位和结束复位瞬间所产生的振荡误差；减法器用于对主积分器和副积分器的输出信号作差，以抵消两个积分器在非复位阶段产生的积分漂移偏差以及消除两个积分器在进行复位动作时引入的振荡误差。所述主积分器包括复位开关S1、电阻R5和主积分电路，电阻R5与复位开关S1串联后形成主积分器的复位电路，主积分器的复位电路与主积分电路的电容并联；副积分器包含电阻R6、复位开关S2和副积分电路，电阻R6与复位开关S2串联后形成副积分器的复位电路，副积分器的复位电路与副积分器的电容并联；主积分电路和副积分电路的输出端与减法器的输入端连接；在关断开关器件的同时通过上述两个复位电路对相应积分器的电容进行放电。所述主积分电路和副积分电路均为保证DC增益理论值无穷大的模拟积分电路。所述主积分电路和副积分电路为反相有损积分电路、差分式积分电路或德玻积分电路。所述主积分电路包括电阻R7、电阻R8、电容C1和运算放大器A1；电阻R7的一端连接PCB罗氏线圈输出端的阳极，另一端连接运算放大器A1的反相输入端；电阻R8的一端接地，另一端连接运算放大器A1的同相输入端；电容C1跨接在运算放大器A1的输出端与反相输入端之间；主积分器的复位电路与电容C1并联；副积分电路包括电阻R9、电阻R10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，包括PCB罗氏线圈和主积分器；其特征在于，还包括副积分器和减法器；PCB罗氏线圈连接主积分器的输入端，主积分器的输出端和副积分器的输出端均为减法器的输入端连接；副积分器用于提供与主积分器在非复位阶段相近的积分漂移偏差以及在复位和结束复位瞬间所产生的振荡误差；减法器用于对主积分器和副积分器的输出信号作差，以抵消两个积分器在非复位阶段产生的积分漂移偏差以及消除两个积分器在进行复位动作时引入的振荡误差。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，包括PCB罗氏线圈和主积分器；其特征在于，还包括副积分器和减法器；PCB罗氏线圈连接主积分器的输入端，主积分器的输出端和副积分器的输出端均为减法器的输入端连接；副积分器用于提供与主积分器在非复位阶段相近的积分漂移偏差以及在复位和结束复位瞬间所产生的振荡误差；减法器用于对主积分器和副积分器的输出信号作差，以抵消两个积分器在非复位阶段产生的积分漂移偏差以及消除两个积分器在进行复位动作时引入的振荡误差。


2.根据权利要求1所述的用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，其特征在于，主积分器包括复位开关S1、电阻R5和主积分电路，电阻R5与复位开关S1串联后形成主积分器的复位电路，主积分器的复位电路与主积分电路的电容并联；
副积分器包含电阻R6、复位开关S2和副积分电路，电阻R6与复位开关S2串联后形成副积分器的复位电路，副积分器的复位电路与副积分器的电容并联；主积分电路和副积分电路的输出端与减法器的输入端连接；通过上述两个复位电路对相应积分器的电容进行放电，避免积分偏差的累积。


3.根据权利要求2所述的用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，其特征在于，所述主积分电路和副积分电路均为保证DC增益理论值无穷大的模拟积分电路。


4.根据权利要求3所述的用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，其特征在于，所述主积分电路和副积分电路为反向有损积分电路、差分式积分电路或德玻积分电路。


5.根据权利要求4所述的用于测量开关电流的PCB罗氏线圈电流传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛振，周泽，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12